维修电工与实训第四章.ppt
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1、低压动力和照明电路的安装低压动力和照明电路的安装第四章第四章低压动力和照明电路的安装低压动力和照明电路的安装4.1 4.1 低压动力低压动力4.2 4.2 照明电路照明电路4.1 低压动力低压动力 4.1.1 4.1.1 单相、三相交流电单相、三相交流电 4.1.1.1 4.1.1.1 交流电的产生交流电的产生 照图4l那样使矩形线圈abcd在匀强磁场中匀速转动。观察电流表的指针,可以看到,指针随着线圈的转动而摆动,并且线圈每转一周,指针左右摆动一次。这表明转动的线圈里产生了感应电流,并且感应电流的大小和方向都在随时间做周期性变化。这种大小方向都随时间做周期性变化的电流叫做交流电。图4-1图4
2、-24.1 低压动力低压动力 图4-2中标a的小圆圈ab边的横截面,标d的小圆圈cd边的横截面(假定线圈平面从与磁感线垂直的平面这个面叫做中性面)开始,沿逆时针方向匀速转动,角速度是,单位为rad/s(弧度/秒)。经过时间t后,线圈转过的角度是t。这时,边ab的线速度的方向与磁感线方向间的夹角也等于t。设ab边的长度是l,磁场的磁感应强度是B,那么ab边中的感应电动势eab=Blsint,ab边中的感应电动势跟边的大小相同,而且又是串联在一起,所以,这一瞬间整个线圈中的感应电动势e可用下式表示e=2Blsint4.1 低压动力低压动力 当线圈平面转到与磁感线平行的位置时,ab边和cd边的线速度
3、方向都与磁感线垂直,即ab边和cd边都垂直切割磁感线,由于t=2,sint1,所以,这时的感应电动势最大,用Em来表示,Em2Bl,代入上式得到e=Emsint式中,e叫做电动势的瞬时值,Em叫做电动势的最大值。由上式可知,在匀强磁场中匀速转动的线圈里产生的感应电动势是按正弦规律变化的。如果把线圈和电阻组成闭合电路,则电路中就有感应电流。4.1 低压动力低压动力 用R表示整个闭合电路的电阻,用i表示电路中的感应电流,那么i=sint表示i=Imsint可见感应电流也是按正弦规律变化的。外电路中一段导线上的电压同样也是按正弦规律变化的。设这段导线的电阻为R,电压的瞬时值u为uiRImRsint式
4、中,ImR是电压的最大值,用Um表示,所以uUmsint4.1 低压动力低压动力 上述各式都是从线圈平面跟中面重合的时刻开始计时的,如果不是这样,而是从线圈平面与中性面有一夹角o开始计时,如图4-3所示,那么,经过时间t,线圈平面与中性面间的角度是t+o,感应电动势的公式就变成e=Emsin(t+o)电流和电压的公式分别变成i=Imsin(t+o)u=Umsin(t+o)这种按正弦规律变化的交流电叫正弦交流电,简称交流电,它是一种最简单而又最基本的交流电。图 4-34.1 低压动力低压动力 4.1.1.2 4.1.1.2 交流电的波形图交流电的波形图 交流电的变化规律也可以用波形图直观地表示出
5、来。图4-4(b)、(c)分别表示出eEmsint和i=Imsint的波形图。当t=0时,ab、cd边都不切割磁感线,所以,线圈中不不产生感应电动势,电路中没有电流。图4-4(a)表示出对应于e、i等于零或正负最大值时的线圈位置。从图4-4中可以看出,线圈平面每经过中性面一次,感应电动势和感应电流的方向就改变一次,因此,线圈转动一周,感应电动势和感应电流的方向改变两次,并且线圈转过一周,e和i的大小和方向都恢复到开始时的情况,在以后的转动中,e和i将周期性地重复以前的变化。4.1 低压动力低压动力 图 4-4 4.1 低压动力低压动力 图4-5示出了交变电流iImsin(t+o)或交变电压uU
6、msin(t+o)的波形图,其中o/6。图 4-54.1 低压动力低压动力 4.1.1.3 4.1.1.3 表征交流电的物理量表征交流电的物理量 直流电的电压、电流是恒稳的,都不随时间而改变,要描述直流电,只用电压和电流这两个物理量就够了。交流电则不然,它的电压、电流的大小、方向都随时间做周期性的变化,比直流电复杂,因此,要描述交流电,需要的物理量就比较多。下面就来讨论表征交流电特点的物理量。4.1 低压动力低压动力 1.周期和频率周期和频率 交流电跟别的周期性过程一样,是用周期或频率来表示变化的快慢的。在图4-l所示的实验里,线圈匀速转动一周,电动势、电流都按正弦规一周。交流电完成一次周期性
7、变化所需的时间,叫做交流电的周期。周期通常用T表示,单位是s(秒)。交流电在ls内完成周期性变化的次数叫做交流电的频率,频率通常用f表示,单位是HZ(赫)。根据定义,周期和频率的关系是T=或 f=4.1 低压动力低压动力 我国工农业生产和生活用的交流电,周期是s,频率是50HZ,电流方向每秒改变100次。交流电变化的快慢,除了用周期和频率表示外,还可以用角频率表示。通常交流电变化一周可用2弧度或360o来计量。那么,交流电每秒所变化的角度(电角度),叫做交流电的角频率,用表示,单位是rad/s(弧度/秒)。因为交流电变化一周所需要的时间是T,所以,角频率与周期、频率的关系是=2f4.1 低压动
8、力低压动力 2.2.最大值和有效值最大值和有效值 交流电的最大值(Im,Um)是交流电在一个周期内所能达到的最大数值,可以用来表示交流电的电流强弱或电压高低,在实际中有重要意义。例如,把电容器接在交流电路中,就需要知道交流电压的最大值,电容器所能承受的电压要高于交流电压的最大值,否则电容器可能被击穿。但是,在研究交流电的功率时,最大值用起来却不够方便,它不适于用来表示交流电产生的效果。因此,在实际工作中通常用有效值来表示交流电的大小。4.1 低压动力低压动力 交流电的有效值是根据电流的热效应来规定的。让交流电和直流电分别通过同样阻值的电阻,如果它们在同一时间内产生的热量相等,就把这一直流电的数
9、值叫做这一交流电的有效值。例如,在同一时间内,某一交流电通过一段电阻产生的热量,跟3A的直流电通过阻值相同的另一电阻产生的热量相等,那么,这一交流电的有效值就是3A。交流电动势和电压的有效值可以用同样的方法来确定。通常用E、U、I分别表示交流电的电动势、电压和电流的有效值。计算表明,正弦交流电的有效值和最大值之间有如下的关系:4.1 低压动力低压动力 EEmUUm IIm 我们通常说照明电路的电压是220V,便是指有效值。各种使用交流电的电器设备上所标的额定电压和额定电流的数值,一般交流电流表和交流电压表测量的数值,也都是有效值。以后提到交流电的数值,凡没有特别说明的,都是指有效值。4.1 低
10、压动力低压动力 3.3.相位和相位差相位和相位差 从交流电瞬时值的表达式可以看出,交流电瞬时值何时为零,何时最大,不是简单地由时间t来确定,而是由t+o来确定的。这个相当于角度的量t+o对于确定交流电的大小和方向起着重要作用,叫做交流电的相位。o是t0时的相位,叫做初相位,简称初相。相位可以用来比较交流电的变化步调。两个交流电的相位之差叫做它们的相位差,用来表示。如果交流电的频率相同,相位差就等于初相之差,即=(t+01)(t+02)=0102 这时相位差是恒定的,不随时间而改变。4.1 低压动力低压动力 两个频率相同的交流电,如果它们的相位相同,即相位差为零,就称这两个交流电为同相的。它们的
11、变化步调一致,总是同时到达零和正负最大值,它们波形图如图4-6(a)所示。两个频率相同的交流电,如果相位差为180,就称这两个交流电为反相的。它们的变化步调恰好相反,一个到达正的最大值,另一个恰好到达负的最大值;一个减小到零,另一个恰好增大到零。它们的波形图如图4-6(b)所示。4.1 低压动力低压动力 图 4-64.1 低压动力低压动力 图4-7表示两个频率相同的交流电,但初相不同,且0102。从图中可以看出,它们的变化步调不一致,e1比e2先到达正的最大零或负的最大值。这时e1比e2超前,或者e2比e1滞后。有效值(或最大值)、频率(或周期、角频率)、初相是表征正弦交流电的三个重要物理量。
12、知道了这三个量,就可以写出交流电瞬时值的表达式,从而知道正弦交流电的变化规律,故把它们称为正弦交流电的三要素。图4-7 4.1 低压动力低压动力 4.1.1.4 4.1.1.4 三相交流电源三相交流电源 概括地说,三相交流电源是三个单相交流电源按一定方式进行的组合,这三个单相交流电源的频率相同、最大值相等、相位彼此相差120。4.1 低压动力低压动力 1.1.三相交流电动势的产生三相交流电动势的产生 三相交流电动势是由三相交流发电机产生的。图48(a)是一台最简单的三相交流发电机的示意图。图4-8 4.1 低压动力低压动力 和单相交流发电机一样,它由定子(磁极)和转子(电枢)组成。发电机的转子
13、绕组有U1U2,V1V2,W1W2三个,每一个绕组称为一组,各相绕组匝数相等、结构相同,它们的始端(U1、V1、W1)在空间位置上彼此相差120,它们的末端(U2、V2、W2)在空间位置上也彼此相差120。当转子以角速度逆时针方向旋转时,由于三个绕组的空间位置彼此相隔120,所以,当第一相电动势达到最大值,第二相需转过l/3周(即120)后,其电动势才能达到最大值,也就是第一相电动势超前第二相电动势120相位;同样,第二相电动势超前第三相电动势120相位,第三相电动势又超前第一相电动势120相位。显然,三个相的电动势,它们的频率相同、最大值相等,只是初相不同。若以第一相电动势的初相角为0,第二
14、相为120,第三相为120(或240),那么,各相电动势的瞬时值表达式则为4.1 低压动力低压动力 e1Emsint e2Emsin(t120)e3Emsin(t+120)这样的三个电动势叫对称三相电动势。它们的相量图和波形如图48(b)、(c)所示。三个电动势到达最大值(或零)的先后次序叫做相序。上述的三个电动势的相序是第一相(U相)第二相(V相)第三相(W相),这样的相序叫正序。由相量图可知,如果把三个电动势的相量加起来,相量和为零。由波形图可知,三相对称电动势在任一瞬间的代数和为零,即 e1+e2+e3=04.1 低压动力低压动力 2.2.三相电源的连接三相电源的连接 三相发电机的每一个
15、绕组都是独立的电源,均可单独给负载供电,但这样供电需用六根导线。实际上,三相电源是按照一定的方式连接之后,再向负载供电的,通常采用星形联结方式。将发电机三相绕组的末端U2、V2、W2连接在一点,始端U1、V1、W1分别与负载相连,这种连接方法就叫做星形联结,如图4-9所示。图中三个末端相连接的点称为中性点或零点,用字母“N”表示,从中性点引出的一根线叫做中性线或零线。从始端U1、V1、W1引出的三根线叫做端线或相线,因为它与中性线之间有一定的电压,所以,俗称火线。4.1 低压动力低压动力 由三根相线和一根中性线所组成的输电方式称为三相四线制(通常在低压配电中采用);只由三根相线所组成的输电方式
16、称为三相三线制(在高压输电工程中采用)。每相绕组始端与末端之间的电压(即相线和中性线之间的电压)叫相电压,它的瞬间值用u1、u2、u3来表示,通用符号用up表示。因为三个电动势的最大值相等,频率相同,彼此相位差均为120,所以,三个相电压的最大值也相等,频率也相同,相互之间的相位差也均是120,即三个相电压是对称的。任意两相始端之间的电压(即相线和相线之间的电压)叫做线电压,它的瞬时值用u12、u23、u31来表示,通用符号用uL表示。下面来分析线电压和相电压之间的关系。4.1 低压动力低压动力 首先规定电压的方向。电动势的方向规定为从绕组的末端指向始端,那么相电压的方向就是从绕组的始端指向末
17、端。线电压的方向按三相电源的相序来确定,如u12就是从U1端指向V1端,u23就是从V1端指向W1端,u31就是从W1端指向U1端。由图4-9可得u12u1u2u23=u2u3 u31u3u1 由此可作出线电压和相电压的相量图,如图4-10所示。从图中可以看出:各线电压在相位上比各对应的相电压超前30。又因为相电压是对称的,所以,线电压也是对称的,即各线电压之间的相位差也都是120。4.1 低压动力低压动力 图 4-9图 4-104.1 低压动力低压动力 从相量图中还可以看出,、-和 构成一个等腰三角形,顶角是120,两底角是30,从这个等腰三角形的顶点作一垂线到底边,把 分成相等的两段,得到
18、两个相等的直角三角形,于是可得其有效值的表示式为cos30=即U12=2U1cos30=U1同理可得 U23 U2U3l U34.1 低压动力低压动力 由于三相对称,一般表示式为UL=UP 可见,当发电机绕组作星形联结时,三个相电压和三个线电压均为三相对称电压,各线电压的有效值为相电压有效值的 倍,而且各线电压在相位上比各对应的相电压超前30。通常所说的380V、220V电压,就是指电源成星形联结时的线电压和相电压的有效值。4.1 低压动力低压动力 4.1.2 4.1.2 三相负载三相负载 三相负载的连接三相负载的连接 平时所见到的用电器统称为负载,负载按它对电源的要求又分为单相负载和三相负载
19、。单相负载是指只需单相电源供电的设备,如电灯、电炉、电烙铁等。三相负载是指需要三相电源供电的负载,如三相异步电动机、大功率电炉等。在三相负载中,如果每相负载的电阻、电抗相等,这样的负载称为三相对称负载。因为使用任何电气设备,都要求负载所承受的电压应等于它的额定电压,所以,负载要采用一定的连接方法,来满足负载对电压的要求。在三相电路中,负载的连接方法有两种:星形联结和三角形联结。4.1 低压动力低压动力 1.负载的星形联结负载的星形联结 图4-11所示是三相四线制电路,其线电压为380V,相电压为220V。负载如何连接,应视其额定电压而定。通常单相负载的额定电压是220V,因此,要接在相线和中性
20、线之间。因为电灯负载是大量使用的,不能集中在一相电路中,应把它们平均地分配在各相电路之中,使各相负载尽量平衡,电灯的这种接法称为负载的星形联结。图4-11 4.1 低压动力低压动力 图4-12是三相负载作星形联结时的电路图。从图上可看出,若略去输电线上的电压降,则各相负载的相电压就等于电源的相电压。因此,电源的线电压为负载相电压的 倍,即 UL=UYP式中,UYP表示负载星形联结时的相电压。三相电路中,流过每根相线的电流叫线电流,即I1,I2,I3,一般用IYL表示,其方向规定为电源流向负载;而流过每相负载的电流叫相电流,一般以IYP表示,其方向与相电压方向一致;流过中性线的电流叫中性线电流,
21、以IN表示,其方向规定为由负载中性点N流向电源中性点N。显然,在星形联结中,线电流等于相电流,即IYL=IYP 4.1 低压动力低压动力 若三相负载对称,即Z1=Z2=Z3=ZP,因各相电压对称,所以各负载中的相电流相等,即 I1=I2=I3=IYP=同时,由于各相电流与各相电压的相位差相等1=2=3=arccos 图4-12图4-134.1 低压动力低压动力 所以,三个相电流的相位差也互为120。从相量图上很容易得出:三相电流的相量和为零,如图4-13所示,即I1+I2+I3=0或i1+i2+i3=0 由基尔霍夫第一定律可得 iN=i1+i2+i3 所以,三相对称负载作星形联结时,中性线电流
22、为零。中性线上没有电流流过,故可省去中性线,此时并不影响三相电路的工作,各相负载的相电压仍为对称的电源相电压,这样三相四线制就变成了三相三线制。4.1 低压动力低压动力 当三相负载不对称时,各相电流的大小就不相等,相位差也不一定是120,因此,中性线电流就不为零,此时中性线绝不可断开。因为当有中性线存在时,它能使作星形联结的各相负载,即使在不对称的情况下,也均有对称的电源相电压,从而保证了各相负载能正常工作;如果中性线断开,各相负载的电压就不再等于电源的相电压,这时,阻抗较小的负载相电压可能低于其额定电压,阻抗较大的负载相电压可能高于其额定电压,使负载不能正常工作,甚至会造成严重事故。所以在三
23、相四线制中,规定中性线不准安装熔丝和开关,有时中性线还采用钢芯导线来加强其机械强度,以免断开。另一方面,在连接三相负载时,应尽量使其平衡,以减小中性线电流。4.1 低压动力低压动力 2.2.负载的三角形联接负载的三角形联接 将三相负载分别接在三相电源的两根相线之间的接法,称为三相负载的三角形联结。如图4-14所示。图4-14负载的三角形联接4.1 低压动力低压动力 这时,不论负载是否对称,各相负载所承受的电压均为对称的电源线电压,即UP=UL 从图4-14中可以看出,三相负载成三角形联结时,相电流与线电流是不一样的。对于这种电路的每一相,可以按照单相交流电路的方法来计算相电流。若三相负载对称时
24、,则各相电流的大小相等,其值为:IP=同时,各相电流与各相电压的相位差也相同1=2=3=P=arccos4.1 低压动力低压动力 所以,三个相电流的相位差也互120。各相电流的方向与该相的电压方向一致。根据基尔霍夫第一定律可得 i1=i12i31 i2=i23i12 i3=i31i23图4-15 4.1 低压动力低压动力 由此可作出线电流和相电流的相量图,如图4-15所示。从图中可以看出:各线电流在相位上比各相应的线电流滞后30。又因为相电流是对称的,所以,线电流也对称的,即各线电流之间的相位差也都是120。从相量图中还可得到线电流和相电流的大小关系(其方法与第一节中对线电压和相电压的分析相同
25、),即 I1=2I12cos30=2I12=I12则 IP=IP4.1 低压动力低压动力 上式说明,对称三相负载成三角形联结时,线电流的有效值为相电流有效值的 倍,而且各线电流在相位上比各相应的相电流滞后30。综上所述,三相负载既可以成星形联结,也可以成三角形联结。具体如何连接,应根据负载的额定电压和电源电压的数值而定,务必使每项负载所承受的电压等于额定电压。例如,对线电压为380V的三相电源来说,当每相负载的额定电压为220V时,负载应连接成星形;当每项负载的额定电压为380V时,则应连接成三角形。4.1 低压动力低压动力 4.1.2.2 4.1.2.2 三相电路的功率三相电路的功率 三相电
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