1、2023/7/10,1,课件制作：职业技术学院汽车教研室,2023/7/10,2,项目四 三相交流电应用分析,知识目标,能力目标,熟悉对称三相交流电的产生及其特点掌握三相四线制电路的联接方法及电路分析方法，理解中线作用;理解对称三相电路电压、电流及功率的计算方法。掌握三相异步电动机的工作原理和运行特性及其启动、调速和制动的方法。掌握单相异步电机的启动方法和工作原理熟悉异步电机、同步电机等各种电动机的使用场所了解高、低压供配电系统，熟悉接地保护、防雷措施、漏电保护原理,能正确分析三相交流电路，并能规范连接交流电路中的常用电器元件掌握高低压开关常见故障分析、控制回路故障分析能根据使用场合的要求正确
2、选用电机型号、参数和相应的配电元件会查阅有关技术资料和工具书。养成独立思考、团队协作的良好习惯,2023/7/10,3,任务导入,引导问题1：一栋三层小楼照明电路出现表4-1所示四种连接情况，在三相电源时，请分析各种电路工作的情况，并说明其正确与否。,2023/7/10,4,表4-1 一栋三层小楼照明电路,2023/7/10,5,引导问题2 下面是生活中常用的电路：一个开关控制一盏白炽灯，而且电路中还有一单相两孔和三孔插座，但两插座均不受开关控制。请查阅资料认识电路中的电器元件，并说明电路工作过程。,图4-1 常用照明、插座电路图 图4-2 常用照明、插座电路实物图,2023/7/10,6,项
3、目任务1：结合项目二进一步熟悉电路中的各电器元件及其作用，并尝试分析图4-3中所示电动机往返控制电路的工作过程。,图4-3 电动机往返控制电路,2023/7/10,7,表4-2 电路中各个低压电器的作用,2023/7/10,8,任务分析,对引导问题1、引导问题2和项目任务1中电路的分析可以发现：,引导问题1是实际生活中的现实问题，在电路中同楼层的灯和不同楼层间灯的处理方式直流电源或者单相正弦交流电源也能够正确处理，但现在是正弦三相交流电源，那么只有正确掌握和熟悉了三相交流电源及特性才能正确分析和运用三相交流电源。引导问题2是在引导问题1的基础上进一步提出了日常生活中随处可见的具体电路功能实现问
4、题，能够正确分析三相交流电路与能连接并实现交流电路的实际功能还存在有距离。,2023/7/10,9,解决引导问题2，需要了解更多的电器元件功能特点和接线要求，只有能分析电路，又熟悉所需电器元件的型号、参数，才能根据所实现电路功能要求正确选择各电器元件制作所需要的电路。项目任务1与引导问题1、2相比，对交流电路的运用和分析更加全面，属于三相交流电机在工业生产中的实际应用。本项目的重点：熟悉和掌握三相交流电机的控制电路和制作操作规范、工艺要求。,2023/7/10,10,知识准备,1、正弦三相交流电,电力工程上普遍采用三相制供电，即由三相绕组产生三相对称的正弦交流电动势构成三相电源的供电系统，每相
5、电的频率相同、振幅相同、相位互差120。三相制供电具有如下优点：在发电发面：三相交流发电机比相同尺寸的单相交流发电机容量大。在输电方面：如果以同样电压将同样大小的功率输送到同样的距离，三相输电比单相输电节省材料25%左右，而且电能损耗较单相输电少。在用电设备方面：三相交流电动机比单相电动机结构简单、体积小、运行特性好等等，因而三相制是目前世界各国的主要供电方式。,2023/7/10,11,问答互动,请问：能否实现四相、五相甚至更多相正弦交流电的发电？如能，请说明技术上如何实现，而且为什么实际生产生活中不采用；如不能，请说明原因。,2023/7/10,12,1）三相交流电动势的产生,图4-4 三
6、相交流电动机示意图 图4-5 三相电势eA、eB、eC的波形,、,和,知识准备,2023/7/10,13,在三相交流发电机定子中有3个相同的绕组（线圈）A X、B Y、C Z，（A、B、C表示绕组首端，X、Y、Z表示绕组末端），三个线圈的空间位置各差120度，这3个绕组分别称为A相、B相、C相绕组。当转子装有磁极并以w 的速度旋转时，三个线圈中便产生三个单相电动势,三相电动势瞬时值表示以A相绕组为计时起点，三相电动势瞬时值表示如下：,2023/7/10,14,由图中可以看出，三相电动势具有大小相等、频率相同、相位互差120的特征。如果将三相交流电到达正最大值的顺序称为相序，则供电系统三相交流电
7、的相序为 ABC。,三相电动势相量表示,图4-6 eA、eB和eC的相量,2023/7/10,15,2）三相电源的连接,（1）星形连接,图4-7 星形连接供电,图4-8 火线与零线之间电压的相量关系,2023/7/10,16,根据上图可知星形连接即三相四线制供电：A、B、C为火线（相线），N中线（零线）。在低压系统，中性点通常接地，所以也称地线。,图4-9 火线与火线的关系,2023/7/10,17,表4-3 三相电源星形连接的相关概念与计算,2023/7/10,18,2023/7/10,19,（2）三角形连接,图4-10 三角形连接供电,根据上图可知三角形连接即三相三线制供电：A、B、C为火
8、线（相线）。,2023/7/10,20,表4-4三相电源三角形连接的相关概念与计算,问答互动,请结合三相电源星形连接供电时特征总结分析三角形连接时各参数的特定与计算方法。,2023/7/10,21,问答互动,请问：在图所示的直流路中，直流电源E是不允许 如图那样串接的，而上图中的三相交流电源eA、eB、eC却是串联的，请说明为什么交流电源可以？,图4-13三个电源E的电压瞬时值,图4-11 直流 电源E首尾串接,图4-12 三相 交流电源E首尾串接,三相交流电源中可以串接的原因在于：三个电源的电压任何瞬间相加均为零。,2023/7/10,22,2、三相负载三相电路的负载是由三部分组成的，其中每
9、一部分叫做一相负载。,如果每相负载的阻抗相等且阻抗角相同，则三相负载就是对称的，叫做对称三相负载。如三相异步电动机就是三相对称负载。,2023/7/10,23,1）三相负载的联接 三相负载也有 Y和 D 两种接法，至于采用哪种方法，要根据负载的额定电压和电源电压确定。具体连接原则是：首先电源提供的电压等于负载的额定电压；其次是单相负载尽量均衡地分配到三相电源上。定子三相绕组的联接方法，通常电机容量小于3kw时，采用Y连接，电机容量大于4KW时，采用形连接。,表4-5 三相负载可有星形和三角形两种接法,2023/7/10,24,(1)三相负载星形联结,图4-14 负载星形联结电路图 图4-15
10、三相电机接线盒 图4-16 Y 联结,2023/7/10,25,表4-6 星形形（Y）负载电路分析计算方法,2023/7/10,26,2023/7/10,27,结论：1）负载星形联结带中性线时，可将各相分别看作单相电路计算。2）不对称负载Y联结又未接中性线时，负载相电压不再对称，且 负载电阻越大，负载承受的电压越高。3）中线的作用：保证星形联结三相不对称负载的相电压对称。4）照明负载三相不对称，必须采用三相四线制供电方式，且中性 线（指干线）内不允许接熔断器或刀闸开关。,2023/7/10,28,（2）三相负载三角形（）联结将三相负载的首尾相连，再将三个连接点与三相电源端线U、V、W连接，就构
11、成了负载三角形连接的三相三线制电路。,图4-17 三相负载三角形联结电路图,图4-18 三相电机三相绕组接线头位置,图4-19 三相异步电机三相绕组联结,2023/7/10,29,表4-7 三角形（）负载电路分析计算方法,2023/7/10,30,2023/7/10,31,结论：1）无论负载对称与否，负载的相电压与电源的线电压相等。即：一般电源线电压对称，因此不论负载是否对称，负载相电压始终对称，即：UAB=UBC=UCA=Ul=UP；2）对称三角形负载有，线电流比相应的相电流滞后30。,2023/7/10,32,2）三相交流电路的功率,表4-8 三相交流电路功率计算,2023/7/10,33
12、,3）三相负载的联接原则：三相负载连接时应使加于每相负载上的电压等于其额定电压，而与电源的联接方式无关。当负载的额定电压=电源的线电压时，应作D 联结；当负载的额定电压=电源线电压时，应作 Y 联结/。注：三相电动机绕组可以联结成星形，也可以联结成三角形，而照明负载一般都联结成星形（且具有中性线）。,2023/7/10,34,3、三相交流电动机 实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机，其中将机械能转换为电能的设备成为发电机，将电能转化为机械能的设备成为电动机。1）三相异步电动机 三相异步电动机由静止的定子和可以转动的转子两大部分组成，定子与转子之间有一很小的气隙。定子主要由机座、定子铁心
13、和定子绕组等组成转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成。,2023/7/10,35,1）三相异步电动机的结构,图4-21 三相异步电动机的内部结构,图4-20 三相异步电动机的外部结构,2023/7/10,36,2）三相异步电动机工作原理三相异步电动机从静止到开始旋转主要经历了如下几个重要环节的物理变化：,图4-22 三相异步电动机的定子绕组、转子绕组,由此可知：异步电动机是通过载流的转子绕组在磁场中受力而使电动机旋转的，而转子绕组中的电流由电磁感应产生，并非外部输入，故异步电动机又称感应电动机。,2023/7/10,37,（1）旋转磁场的产生规定：i:“+”首端流入，尾端流出；i:“”尾端流入，
14、首端流出；,；,图4-23 三相交流电机定子绕组输入三相交流电源,2023/7/10,38,定子对称三相绕组通入三相对称电流，三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，每一相都将在电机气隙空间产生旋转磁场，三相电流产生的合成磁场也必将是一旋转的磁场。即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360。合成旋转磁场变换情况具体如下图所示：,合成磁场方向向下 合成磁场旋转60 合成磁场旋转90图4-24三相交流电机定子绕组生成合成旋转磁场,2023/7/10,39,（2）旋转磁场的旋转方向 磁场旋转方向取决于三相电流的相序。要改变电机的旋转方向，只要改变定子三相电流的相序即可，实际操作中只需任意调换两根电源
15、进线即使磁场旋转反向。,图4-25 合成磁场旋转方向与输入电源相序的关系,2023/7/10,40,（3）异步电动机的旋转方向 转子转动方向和旋转磁场的旋转方向一致。,图4-26 转子转动方向和旋转磁场的关系,2023/7/10,41,（4）旋转磁场的极对数P,注：如上图所示，定子每相绕组中通入三相交流电iA、iB、iC，此时形成的合成旋转磁场只有一对磁极N、S，则称极对数为1，即P=1。,图4-27 旋转磁场的磁极对数为1,2023/7/10,42,若将上图的定子绕组改为下图所示的每相绕组由两个线圈串联，而且绕组的始端之间互差60，在每相绕组中通入三相交流电iA、iB、iC后，此时形成的合成
16、旋转磁场有两对磁极N、S，则称极对数为2，即P=2。,图4-28旋转磁场的磁极对数为2,2023/7/10,43,（5）旋转磁场的转速 旋转磁场的转速取决于磁场的极对数P。当p=1时，三相交流电流变化一个周期，合成的两极磁场在空间也正好旋转过一周，如果电流的频率为f1，则旋转磁场每分钟的转速为：n1=60f1（转/分）,如工频：f1=50Hz，则旋转磁场的转速为：,，,当p=2时，则旋转磁场的转速为：,2023/7/10,44,旋转磁场转速n1与极对数 p 的关系为：当电动机为2p个磁极时，旋转磁场的转速为：,可见：旋转磁场转速n1 与频率f1和极对数p有关。,式中：n1电机同步转速；f1电源
17、频率；p磁极对数,表4-9 旋转磁场转速n1与频率f1和极对数p的关系,2023/7/10,45,（6）转差率 由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果：n=n1，则转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条，也就无转子电动势、转子电流和转矩，因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。为评价这种差别的程度大小，引入转差率的概念，即用旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率s。,根据公式可知：转子转速n也可由转差率求得：,注：异步电机运行中：,2023/7/10,46,3）三相异步电动
18、机的电磁转矩及机械特性电磁转矩T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下，受到电磁力所形成的转距之总和。其物理表达式为：,其中：CT-电磁转矩常数-每极主磁通 I2-转子电流 cos2-转子回来功率因数,但该式不方便测量和计算，经过演化推算出更方便分析和计算三相异步电动机特性的下式：,2023/7/10,47,由公式可知：（1）T 与定子每相绕组电压U12成正比。U1T（2）当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数（3）R2 的大小对T 有影响。绕线型异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转矩。,根据转矩公式可绘制得出三相异步电动机机械特性曲线如下：,2023/7/10,48,电动机
19、的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载)。,4）三个重要转矩参数额定转矩TN最大转矩Tmax起动转矩 Tst,2023/7/10,49,表4-10 三相异步电动机的主要参数,2023/7/10,50,2023/7/10,51,5）三相异步电动机的起动,三相异步电动机起动时：由于n=0、s=1，接通电源后会出现起动电流大，起动转矩小的起动问题，如一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 7 倍，电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。这种问题带来
20、的直接后果就是大电流会使电网电压降低，影响邻近负载的工作，同时频繁启动时会造成热量积累，使电机过热。造成这种情况的根本原因在于：起动时，转子转速n=0，而定子线圈通电后产生的旋转磁场与转子中的线圈产生相对运动，而且相对运动变化速率趋于无穷大，故在转子线圈中感应出的感应电动势转子电流定子电流，使电机过热。,2023/7/10,52,相异步电机的起动方法：(1)直接起动：20-30千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动，该方法简单，但起动电流较大，易影响电网上其他负载正常工作。(2)降压起动：在起动时降低加在电动机定子绕组上的电压，以减小起动电流。鼠笼式电动机常用的降压起动方法有YD换接启动和自耦降
21、压启动。(3)转子串电阻启动：用于绕线式异步电动机的启动,注：自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联接成Y形而不能采用YD起动的鼠笼式异步电动机。自耦降压起动的具体方法请自行查阅资料说明实现该起动方法的思路,2023/7/10,53,YD 起动,图4-30 YD 起动器接线简图,2023/7/10,54,设电机每相阻抗为Z，,分析可知：降压起动时的电流为直接起动时的1/3。,YD 起动应注意的问题：（a）可采用星三角起动器来实现。（b）仅适用于正常接法为三角形接法的电动机。（c）YD 起动时，起动电流减小的同时，起动转矩也减小了。所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合,2023/7/10,
22、55,转子串电阻起动（适用于绕线式电动机）,图4-31 转子串电阻起动电路连接,起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R短路。,转子电路串电阻起动的特点：若电阻R选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩，该起动方法常用于要求起动转矩较大的生产机械上。,2023/7/10,56,6)三相异步电动机的调速,(1)变频调速(无级调速),图4-32 变频调速,由公式转速公式,该方法的频率调节范围为0.5几百赫兹，可实现无级平滑调速，调速性能优异，目前正获得越来越广泛的应用。,可推出三相异步电动机有三种电气调速方法，分别为：,变频调速方法具体又分为恒转矩调速（f1f1N）。
23、,变频调速思路如下：,2023/7/10,57,（2）变极调速(有级调速)采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。,图4-33 磁极对数为2的有级调速 图4-34 磁极对数为1的有级调速,其思路如下图所示：,2023/7/10,58,（3）变转差率调速(无级调速)变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是：调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大，这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。此不详述，有兴趣的同学可查阅资料学习。,2023/7/10,59,7）三相异步电动机的制动,在断开三相
24、电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。,图4-35 能耗制动,工作原理如图所示。,（1）能耗制动,2023/7/10,60,停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。,图4-36 反接制动,工作原理如图所示,（2）反接制动,2023/7/10,61,（3）发电反馈制动,图4-37 发电反馈制动,当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距
25、变为制动转距，电动机进入制动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。,工作原理如图所示,2023/7/10,62,8）三相异步电动机的正、反转 方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。,图4-38 三相异步电动机的正、反转控制,具体如图所示,2023/7/10,63,9）三相异步电动机铭牌数据,（1）型号：用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。,例如：380/220V、Y/D，是指：线电压为 380V 时采用 Y联结；线电压为 220V 时采用 D联结。,（2）电压：电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。,2023/7/10,64,（3）电流：电动机在额定运行时定子绕组的
26、线电流值。例如：Y/D，6.73/11.64 A，表示星形联结下电机的线电流为 6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为 6.73A。,笼型电机：h=7293,如：n N=1440 转/分，sN=0.04。,（4）功率与效率：额定功率是指电机 在额定运行时轴上输出的机械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率 P1。,（5）额定转差率：,2023/7/10,65,4、低压电器的基本知识1）低压电器：指用在交流50 Hz、额定电压1200 V以下及直流额定电压1500 V以下的电路中，能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，以实现对电路或电气设备的切换、控制、
27、保护、检测和调节的工业电器。2）低压电器一般由感应和执行两部分组成。感应部分接受外界的信号并作出有规律的反应。如：（1）在自动切换电器中，感应部分大多由电磁机构组成，如交流接触器的线圈、铁心和衔铁构成电磁机构。（2）在手动电器中，感应部分通常为操作手柄，如主令控制器由手柄和凸轮块组成感受部分；执行部分根据指令要求执行电路接通、断开等任务。如：（1）交流接触器的触点连同灭弧装置；（2）对自动开关类的低压电器，还具有中间（传递）部分，它的任务是把感应和执行两部分联系起来，使它们协同一致，按一定的规律动作。,2023/7/10,66,表4-11 低压电器的分类,问答互动,2023/7/10,67,知
28、识准备,3)常用低压电器(1)按钮开关,请参照项目二中相应内容说出按钮开关的组成结构及其电路符号。,问答互动,2023/7/10,68,性质和作用：按钮开关属于主令电器，是一种短时接通或断开小电流电路的手动低压控制电器，常用于控制电路中发出启动、停止、正转或反转等指令，通过控制继电器、接触器等动作，从而控制主电路的通断。动作原理：按下按钮帽，其常开触点闭合，常闭触点断开，松开按钮帽，在复位弹簧的作用下，触点复位。按钮触点允许通过的电流很小，一般不超过5A，不能直接控制主电路的通断。种类：按钮通常有常开按钮、常闭按钮、复合按钮和带灯按钮等。按钮选用：应根据它的作用，从触点数、颜色和形状等方面考虑
29、，安装时要根据控制工艺要求，合理布局，整齐排列。,2023/7/10,69,（2）行程开关,图4-39 行程开关外观,行程开关外形如图所示。,性质：行程开关又称限位开关或位置开关，其作用和原理与按钮相同，只是其触头的动作不是靠手动操作，而是利用生产机械某些运动部件的碰撞使其触头动作。行程开关触点通过的电流一般也不超过5A。类型：行程开关有多种构造形式，常用的有按钮式（直动式）、滚轮式（旋转式），其中滚轮式又有单滚轮式和双滚轮式两种，,2023/7/10,70,行程开关的选用原则：主要应根据被控制电路的特点、要求及生产现场条件和所需触头数量、种类等因素综合考虑。,行程开关的型号意义：,2023/
30、7/10,71,（3）万能转换开关 万能转换开关是一种用于控制多回路的主令电器，由多组相同结构的开关元件叠装而成。外形及凸轮通断触头情况如下图所示。,图4-40 LW5系列万能转换开关外形及触头通断示意图,2023/7/10,72,（4）交流接触器接触器外形结构,图4-41 交流接触器外观及内部结构,2023/7/10,73,表4-12 常见交流接触器,接触器性质作用：是一种通用性很强的自动式开关电器，是电力拖动和自动控制系统中一种重要的低压电器，它可以频繁地接通和断开交、直流主电路和大容量控制电路，具有欠压释放保护和零压保护功能。,2023/7/10,74,接触器类型：接触器按通过其触点的电
31、流种类不同可分为交流接触器和直流接触器，而且交、直流接触器的工作原理基本相同。接触器型号,常用交流接触器的类型CJ20、CJ12、CJ15、CJ16、CJ19、CJ24、CJ40、CJX1(3TB/3TF)、CJX2(LCD-1)、CJT1,2023/7/10,75,接触器工作原理：当接触器的电磁线圈接通电源时，线圈电流产生磁场，使静铁心产生足以克服弹簧反作用力的吸力，将动铁心向下吸合，使常开主触头和常开辅助触头闭合，常闭辅助触头断开。主触头将主电路接通，辅助触头则接通或分断与之相联的控制电路。当接触器线圈断电时，静铁心吸力消失，动铁心在反作用弹簧力的作用下复位，各触头也随之复位。接触器的使用
32、选择原则：根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型；接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。,2023/7/10,76,(5)继电器,继电器外形结构,2023/7/10,77,继电器作用：主要用于控制与保护电路中进行信号转换，具有输入电路(又称感应元件)和输出电路(又称执行元件)，当感应元件中的输入量(如电流、电压、温度、压力等)变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制回路。类型：控制继电器种类繁多，常用的有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器，以及温度、压力
33、、计数、频率继电器等等。注：电压、电流继电器和中间继电器属于电磁式继电器，其结构、工作原理与接触器相似，由电磁系统、触头系统和释放弹簧等组成，但由于继电器用于控制电路，流过触头的电流小，故不需要灭弧装置。,2023/7/10,78,（6）熔断器结构外观,熔断器选用原则：对于照明线路等无冲击电流负载，其熔体额定电流应等于或稍大于线路工作电流；对一台异步电动机的保护，其熔体额定电流可按电动机额定电流的1.52.5倍来选择；对多台电动机共用一个熔断器保护，其熔体额定电流可按容量最大一台电动机的额定电流的1.52.5倍加上其余电动机的额定电流之和来选择。,图4-42 常见熔断器外观,作用：主要串接于被保护电路的首端用来短路和严重过载保护。,2023/7/10,79,（7）低压断路器 断路器在电路中作接通、分断和承载额定工作电流，并能在线路和电动机发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护。断路器的
