《 城市軌道交通電工電子（第2版）》（課件） 項(xiàng)目8 直流穩(wěn)壓電源

項(xiàng)目8直流穩(wěn)壓電源項(xiàng)目導(dǎo)讀電子電路的工作需要由直流電源提供能量。然而城市軌道交通系統(tǒng)的電能主要來(lái)源于城市電網(wǎng)提供的交流電，所以電子電路需要使用整流濾波電路、直流穩(wěn)壓電路等將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再加以使用。此外，城市軌道交通列車還會(huì)在列車啟動(dòng)時(shí)或緊急情況下，使用蓄電池作為直流電源，而在列車正常運(yùn)行時(shí)則對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。知識(shí)目標(biāo)020103掌握整流電路的功能及工作原理。掌握濾波電路的功能及工作原理。掌握直流穩(wěn)壓電源的功能及工作原理。0405掌握蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握蓄電池的工作特性、使用和維護(hù)方法。能力目標(biāo)0201能夠正確連接整流濾波電路。能夠正確連接直流穩(wěn)壓電路。03能夠正確判斷蓄電池的放電程度。思政目標(biāo)020103養(yǎng)成追求突破、追求革新的創(chuàng)新精神。養(yǎng)成求真務(wù)實(shí)、恪盡職守的工作作風(fēng)。踐行節(jié)能環(huán)保、共筑綠色家園的生活理念。CONTENTS1整流濾波電路2直流穩(wěn)壓電路3蓄電池整流濾波電路任務(wù)8.1任務(wù)引入為滿足列車對(duì)直流電的需求，可使用整流電路將工頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電。但以此方法得到的直流電有較大的變化幅度，需要使用濾波電路將其中所含的大部分交流成分過(guò)濾掉，從而得到較平滑的直流電。那么，什么是整流電路？整流電路的工作原理是什么？什么是濾波電路？濾波電路是如何工作的呢？8.1.1整流電路概述整流電路可將交流電變?yōu)閱畏较蛎}動(dòng)的直流電，其整流功能主要由具有單向?qū)щ娦缘陌雽?dǎo)體器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如二極管、晶閘管等。根據(jù)整流電壓波形的不同，可將整流電路分為半波整流電路和全波整流電路；根據(jù)交流電源相數(shù)的不同，又可將整流電路分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。01整流電路的功能和分類02整流電路的工作原理圖8-1單相半波整流電路8.1.1整流電路概述如圖8-1所示為單相半波整流電路。該電路由電源變壓器T、整流二極管VD及負(fù)載組成。1）單相半波整流電路如圖8-2所示為單相半波整流電路的輸出波形。由該圖可知，負(fù)載兩端的電壓為單方向脈動(dòng)電壓。該電路僅在半個(gè)周期內(nèi)有輸出，因此稱為半波整流電路。圖8-2單相半波整流電路輸出波形8.1.1整流電路概述8.1.1整流電路概述如圖8-3（a）所示為單相橋式整流電路。該電路是工程中最常用的一種單相全波整流電路。如圖8-3（b）所示為單相橋式整流電路的簡(jiǎn)化畫(huà)法。2）單相全波整流電路（a）電路

（b）簡(jiǎn)化畫(huà)法圖8-3單相橋式整流電路及其簡(jiǎn)化畫(huà)法8.1.1整流電路概述圖8-4單相橋式整流電路輸出波形圖8.1.1整流電路概述8.1.2整流變壓器整流變壓器是整流器的電源變壓器，其作用是向整流器提供適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?，從而使整流器正常工作。整流變壓器與普通變壓器的工作原理相同，其根據(jù)相數(shù)的不同可分為單相與三相兩種類型。整流變壓器多為降壓變壓器，其一次側(cè)與交流電網(wǎng)相連，稱為網(wǎng)側(cè)；二次側(cè)與整流器相連，稱為閥側(cè)。1.整流變壓器的工作原理8.1.2整流變壓器與普通變壓器相比，整流變壓器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）整流器的各橋臂在一個(gè)周期內(nèi)輪流導(dǎo)通，所以整流變壓器的電流波形不是正弦波，而是近似矩形波。（2）對(duì)于三相整流變壓器來(lái)說(shuō)，其網(wǎng)側(cè)僅有星形連接、三角形連接兩種連接方式。（3）整流變壓器的利用率低、阻抗大、漏抗壓降大，所以與普通變壓器相比，其體積和重量都較大。（4）整流變壓器的一、二次功率可能會(huì)不相等，所以整流變壓器的容量是一、二次視在功率的平均值，稱為等值容量。2．整流變壓器的特點(diǎn)8.1.2整流變壓器整流變壓器在城市軌道交通系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用，主要有以下幾個(gè)原因：3．整流變壓器在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用（1）城市軌道交通多設(shè)于人口密集地區(qū)，因此為確保人身安全，不宜使用過(guò)高的供電電壓；此外，城市軌道交通列車的功率不大、供電半徑（范圍）較短，也不需要太高的供電電壓。（2）由于直流供電不需要大的電抗，所以在相同等級(jí)電壓供電的條件下，直流供電的電壓損耗明顯低于交流供電。（3）與使用串聯(lián)電阻啟動(dòng)和降壓調(diào)速的控制方法相比，使用晶閘管對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)車進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速的控制方法更為高效、節(jié)能。（4）由快速晶閘管組成的逆變器，不僅能將直流電逆變成交流電，還能調(diào)節(jié)頻率，從而實(shí)現(xiàn)交流牽引電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。8.1.3整流堆整流堆（又稱整流橋堆）是將整流器件封裝在單個(gè)外殼內(nèi)的組合件，是一種功率器件，在各類電源設(shè)備中有著非常廣泛的應(yīng)用。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可將其分為全橋和半橋兩種。全橋是將連接好的橋式整流電路的四個(gè)二極管封在一起，有四個(gè)引腳。半橋分為正半橋和負(fù)半橋兩種，是將兩個(gè)二極管（半個(gè)橋式整流電路）封裝在一起，有三個(gè)引腳。8.1.4濾波電路濾波電路由儲(chǔ)能元件組成，可根據(jù)儲(chǔ)能元件的不同將其分為電容濾波電路、電感濾波電路等。1．電容濾波電路電容濾波電路由濾波電容與負(fù)載并聯(lián)而成，它利用電容的充放電來(lái)改善輸出電壓的脈動(dòng)程度。如圖8-5所示為單相橋式整流電容濾波電路。圖8-5單相橋式整流電容濾波電路8.1.4濾波電路圖8-6經(jīng)濾波后的波形8.1.4濾波電路2．電感濾波電路電感濾波電路由電感與負(fù)載串聯(lián)而成，它利用電感對(duì)交流電的阻抗作用來(lái)改善輸出電壓的脈動(dòng)程度。如圖8-7所示為單相橋式整流電感濾波電路。圖8-7單相橋式整流電感濾波電路電感濾波電路的頻率越高、電感越大，其濾波效果越好。但由于體積大、易引起電磁干擾等缺點(diǎn)，電感濾波電路一般只適用于低電壓、大電流的場(chǎng)合。任務(wù)實(shí)施----測(cè)試整流濾波電路任務(wù)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備：低壓交流電源（3～24V）1臺(tái)，萬(wàn)用表1塊，示波器1臺(tái)，4007二極管1只，電阻（1kΩ）、電容（220μF）、開(kāi)關(guān)各1個(gè)，實(shí)驗(yàn)板1塊，導(dǎo)線若干。實(shí)施步驟1．測(cè)試電路的半波整流及濾波作用2．測(cè)試電路的橋式整流及濾波作用老師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際表現(xiàn)情況進(jìn)行評(píng)分，并將評(píng)分結(jié)果填入表8-1中。表8-1整流濾波電路測(cè)試評(píng)分表任務(wù)評(píng)價(jià)序號(hào)內(nèi)容評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實(shí)訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動(dòng)思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實(shí)際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯(cuò)1處扣10分20分

3實(shí)施結(jié)果調(diào)試過(guò)程正確，否則每錯(cuò)1處扣5分；正確繪制電壓波形圖，否則每錯(cuò)1處扣5分50分

4安全文明作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯(cuò)1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

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直流穩(wěn)壓電路任務(wù)8.2任務(wù)引入雖然交流電經(jīng)整流濾波后，可轉(zhuǎn)換成較為平滑的直流電。但是，以此方法得到的直流電穩(wěn)定性較差，且會(huì)對(duì)電源及負(fù)載造成一定的影響。因此，在城市軌道交通系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，需在整流濾波電路后連接一個(gè)直流穩(wěn)壓電路，使得輸出的直流電在交流電波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生改變時(shí)，基本保持不變，從而得到穩(wěn)定的直流電源。那么，什么是直流穩(wěn)壓電路？直流穩(wěn)壓電路又是如何工作的呢？穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是最簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電路，它主要由穩(wěn)壓管和限流電阻R組成，如圖8-10所示。8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖8-10穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1．工作原理8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路圖8-11穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的伏安特性曲線1）負(fù)載電阻不變、輸入電壓波動(dòng)8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2）輸入電壓不變、負(fù)載發(fā)生波動(dòng)2．器件的選擇8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路1）穩(wěn)壓管的選擇8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路2）限流電阻的選擇8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路例題8.2.1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路解8.2.2三端集成穩(wěn)壓器1．三端固定式集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓器又稱集成穩(wěn)壓電路，相較于由分立器件組成的穩(wěn)壓電路，它具有體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。集成穩(wěn)壓器中以三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用最為普遍。1）三端固定式集成穩(wěn)壓器的外形、圖形符號(hào)和管腳意義CW78XX、CW79XX系列三端固定式集成穩(wěn)壓器有輸入端（IN）、輸出端（OUT）、公共地端（GND）三個(gè)引出端子。三端固定式集成穩(wěn)壓器的外形、圖形符號(hào)和管腳意義如圖8-12所示。（a）外形

（b）圖形符號(hào)和管腳意義圖8-12三端固定式集成穩(wěn)壓器的外形、圖形符號(hào)和管腳意義8.2.2三端集成穩(wěn)壓器圖8-13三端固定式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)組成及其含義2）三端固定式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)組成及其含義CW78XX、CW79XX系列三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸出電壓有5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V、24V等規(guī)格，最大輸出電流有0.5A、1A、1.5A等規(guī)格，它們的型號(hào)組成及其含義如圖8-13所示。8.2.2三端集成穩(wěn)壓器圖8-14固定輸出穩(wěn)壓電源的組成電路3）三端固定式集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用（1）固定輸出穩(wěn)壓電源。在固定輸出穩(wěn)壓電源的組成電路中，三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入端接在整流濾波電路的后面，輸出端直接與負(fù)載相連，公共端接地，如圖8-14所示。8.2.2三端集成穩(wěn)壓器圖8-15具有正、負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓電源的組成電路（2）具有正、負(fù)電壓輸出的穩(wěn)壓電源。如圖8-15所示為具有正、負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓電源的組成電路。圖中，電源變壓器帶有中心抽頭并接地，兩個(gè)輸出端的電壓大小相等且極性相反。8.2.2三端集成穩(wěn)壓器2．三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器1）三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的外形、圖形符號(hào)和管腳意義CW317、CW337系列三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器有輸入端、輸出端、調(diào)整端三個(gè)引出端子。三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的外形、圖形符號(hào)和管腳意義如圖8-16所示。（a）外形（b）圖形符號(hào)和管腳意義圖8-16三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的外形、圖形符號(hào)和管腳意義8.2.2三端集成穩(wěn)壓器2）三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)組成及其含義三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)組成及其含義如圖8-17所示。圖8-17三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的型號(hào)組成及其含義8.2.2三端集成穩(wěn)壓器3）三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用圖8-18三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖8-18所示為三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路。為保證電路能夠正常工作，輸入電流應(yīng)不小于5mA，輸入電壓應(yīng)在2～40V范圍內(nèi)、輸出電壓應(yīng)在1.25～37V范圍內(nèi)可調(diào)，負(fù)載電流最大值應(yīng)為1.5A。同時(shí)，由于調(diào)整端的輸出電流非常?。?0μA）且恒定，所以可將其忽略，于是輸出電壓為（8-15）任務(wù)實(shí)施----安裝并調(diào)試集成直流穩(wěn)壓電源任務(wù)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備：交流變壓器（220V/24V、5A）1臺(tái)，萬(wàn)用表1塊，實(shí)驗(yàn)板1塊，電烙鐵1個(gè)，CW317三端集成穩(wěn)壓器1片，電位器2個(gè)（0～4.7kΩ、0～100Ω），電阻1個(gè)（240Ω），導(dǎo)線若干。實(shí)施步驟2．調(diào)節(jié)輸出電壓、電流圖8-19CW317穩(wěn)壓器組成的集成穩(wěn)壓電路（1）根據(jù)圖8-19所示電路，將各類實(shí)驗(yàn)器材連接起來(lái)。（2）將萬(wàn)用表調(diào)至交流電壓擋，測(cè)量變壓器兩側(cè)的電壓。（3）將萬(wàn)用表調(diào)至直流電壓擋，測(cè)量整流濾波后的直流輸出電壓。1．連接電路老師根據(jù)學(xué)生的實(shí)際表現(xiàn)情況進(jìn)行評(píng)分，并將評(píng)分結(jié)果填入表3-8中。表3-8提高電路功率因數(shù)實(shí)驗(yàn)評(píng)分表任務(wù)評(píng)價(jià)序號(hào)內(nèi)容評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值得分1總體表現(xiàn)遵守課堂紀(jì)律和實(shí)訓(xùn)規(guī)定，服從老師管理，主動(dòng)思考并積極參與討論，否則酌情扣分20分

2實(shí)際操作正確連接電路，正確使用儀器、儀表，否則每錯(cuò)1處扣10分20分

3實(shí)施結(jié)果電壓、電流調(diào)節(jié)結(jié)果正確，否則每錯(cuò)1處扣5分50分

4安全文明作業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程，否則每錯(cuò)1處扣5分；不得損壞儀器、儀表，否則扣10分10分

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蓄電池任務(wù)8.3任務(wù)引入在城市軌道交通系統(tǒng)中，車輛和車站的機(jī)電設(shè)備都配有蓄電池。當(dāng)列車啟動(dòng)時(shí)，蓄電池可為相應(yīng)的電氣設(shè)備提供直流電，直至列車輔助逆變器正常工作。在列車運(yùn)行過(guò)程中，若列車失去高壓電源，則蓄電池可作為緊急照明、列車控制和監(jiān)視設(shè)備、通信設(shè)備、頭燈及尾燈、緊急通風(fēng)系統(tǒng)等負(fù)載的備用電源。那么，什么是蓄電池？蓄電池又是如何工作的呢？蓄電池由多個(gè)單格電池串聯(lián)而成，一般用阿拉伯?dāng)?shù)字來(lái)表示其單格電池的數(shù)量。8.3.1常用蓄電池的型號(hào)表8-3蓄電池的產(chǎn)品特征代號(hào)1．單格電池?cái)?shù)蓄電池可根據(jù)其用途的不同來(lái)進(jìn)行分類，并用相應(yīng)的大寫(xiě)字母表示。2．蓄電池的類型3．蓄電池特征20小時(shí)率實(shí)際容量應(yīng)在前三次的20小時(shí)率容量試驗(yàn)中達(dá)到額定容量。8.3.1常用蓄電池的型號(hào)4．額定容量當(dāng)蓄電池具有某些特殊性能時(shí)，可在產(chǎn)品型號(hào)的末尾進(jìn)行標(biāo)注。5．特殊性能8.3.2蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池一般由3個(gè)（或6個(gè)）單格電池串聯(lián)而成。每個(gè)單格電池的電壓為2V，串聯(lián)后得到的蓄電池為6V（或12V）。單格電池一般由正極板、負(fù)極板、隔板、電解液、蓄電池蓋板、加液孔蓋、外殼等組成。將單格電池串聯(lián)后得到的蓄電池，主要可分為外殼、防護(hù)片、聯(lián)條、正負(fù)極柱、加液孔蓋、極板組等部分，如圖8-20所示。圖8-20蓄電池的結(jié)構(gòu)8.3.2蓄電池的結(jié)構(gòu)極板是蓄電池的核心部分，分為正極板和負(fù)極板，一般由柵架和活性物質(zhì)組成。1．極板隔板通常插在正負(fù)極板之間，具有很好的絕緣性、耐酸性和抗氧化性，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地起到絕緣作用，使蓄電池的結(jié)構(gòu)更為緊湊。2．隔板電解液是蓄電池實(shí)現(xiàn)化學(xué)能、電能相互轉(zhuǎn)換的主要物質(zhì)。3．電解液8.3.2蓄電池的結(jié)構(gòu)外殼需具備耐酸、耐熱、耐振動(dòng)沖擊的性能，根據(jù)材質(zhì)的不同，可分為硬橡膠外殼、聚丙烯塑料外殼兩種。外殼上還應(yīng)設(shè)有聯(lián)條、加液孔、正負(fù)極樁等部件。4．外殼及其他（1）聯(lián)條用來(lái)串聯(lián)各單格電池，鉛酸蓄電池一般使用純鉛作為聯(lián)條材料。（2）加液孔分布在各單格電池上，包括加液孔和加液孔蓋兩部分。（3）正負(fù)極樁用來(lái)與外電路相連。8.3.3蓄電池的工作原理充電過(guò)程是放電過(guò)程的逆過(guò)程。在充電過(guò)程中，電解液中有大量氣泡冒出，呈沸騰狀態(tài)。蓄電池的充放電過(guò)程是可逆的化學(xué)反應(yīng)。1．放電過(guò)程2．充電過(guò)程蓄電池電量用盡時(shí)，單格電池的電壓降到終止電壓，電解液密度下降到最小許可值。8.3.4蓄電池的工作特性蓄電池內(nèi)阻反映了蓄電池帶負(fù)載的能力，蓄電池內(nèi)阻越小，輸出電流越大，蓄電池帶負(fù)載的能力就越強(qiáng)。蓄電池內(nèi)阻包括極板電阻、隔板電阻、電解液電阻、聯(lián)條電阻等。1．電解液密度2．蓄電池內(nèi)阻電解液密度是指單位體積的電解液中硫酸所占的質(zhì)量，單位為。8.3.4蓄電池的工作特性3．靜止電動(dòng)勢(shì)4．蓄電池容量靜止電動(dòng)勢(shì)是在靜止?fàn)顟B(tài)下（既不充電也不放電）蓄電池正負(fù)極板之間的電位差，即開(kāi)路電壓。其大小與電解液密度有關(guān)，在數(shù)值上有靜止電動(dòng)勢(shì)=0.85+電解液密度（8-16）8.3.4蓄電池的工作特性5．放電率6．充（放）電特性放電率是度量蓄電池放電快慢的參數(shù)，可分為放電時(shí)率和放電倍率兩種。其中，放電時(shí)率是指以一定的放電電流放完額定容量所需的時(shí)間，單位為時(shí)（h）。充（放）電特性是指在恒流充（放）電過(guò)程中，蓄電池端電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律。以恒定電流對(duì)放完電的蓄電池進(jìn)行充電，并在相同時(shí)間間隔下對(duì)端電壓進(jìn)行測(cè)量，即可得到蓄電池的充電特性曲線。蓄電池的恒流放電過(guò)程分為開(kāi)始放電階