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1、15.1 磁路與變壓器15.2 機電能量變換與電動機分類15.3 三相異步電動機15.4 單相異步電動機15.9 電磁式低壓電器,第十五章 電磁與電動器件,15.1 磁路與變壓器,本節(jié)主要討論的問題:,1磁路問題是局限于一定路徑內(nèi)的磁場問題，因此磁場的各個基本物理量也適合磁路。B、H、,2磁路主要是由具有良好導磁能力的材料構成。,3磁路與電路往往是相關聯(lián)的，因此我們也要研究磁路和電路的關系及磁和電的關系。,5作為應用實例討論變壓器和電磁鐵。,4分析與計算磁路的基本方法。,磁化過程相當復雜,并具有明顯的非線性,一、磁 路,磁通集中的局部空間,主磁通經(jīng)過鐵芯、空氣氣隙而形成的閉合通路為磁路,漏磁通

2、f ：散布在外的磁通,主磁通f ：集中的磁通,,i,錄:,i ,磁化磁帶,放:, e, i,錄音機,特點： 1.電激磁 2.主要由規(guī)則材料構成,(103),基本物理量：,磁通,磁感應強度,磁場強度,磁導率,韋伯,B,H,特斯拉,安匝/米,亨/米,磁通密度，矢量，表示磁場中某一點磁場強弱和方向,磁場中通過某一截面S的磁感應強度的通量,與產(chǎn)生磁場的電流和載流導體分布有關,表示物質(zhì)導磁能力大小,真空：,相對磁導率：,導磁材料,非導磁材料,物理量間關系,,,,1.,2.,磁飽和性,磁滯性,剩磁Br,矯頑力Hc,高導磁性,導磁非線性,(均勻磁場),Br,Hc,二、安培環(huán)路定律,對于一般環(huán)路：,對于線圈：

3、,材料一樣、面積一樣,,1. 若磁路是由若干段均勻磁場組合而成,,--- 磁阻,,電流參考方向與閉合路徑的方向 符合右手螺旋定則時,電流取正,（均勻磁路）,（非線性）,電阻公式,f,2. 磁路歐姆定律,---磁動勢,k=1,,3. 磁路基爾霍夫第二定律,k1,,4. 磁路基爾霍夫第一定律,（磁通連續(xù)性）,（類似于電路歐姆定律）,（針對有分支磁路）,三、鐵芯線圈,(線圈----電路問題 鐵芯----磁路問題),1. 直流勵磁,f,,I,,,1)電路問題,2)磁路問題,I 不變,電激磁，磁對電沒有影響,,特性：,U一定 I一定（由于線圈做好后，R一定）,若N不變，則Fm=IN恒定,2. 交流勵磁

4、,1) 恒磁通特性,達到電平衡。,f,,i,,,,,,忽略R，則有,,N一定，f 一定，當U 一定時，fm 一定,,電激磁，磁影響電,受到反作用的電流i為非正弦,2)功率與損耗,磁滯損耗Ph,渦流損耗Pe,Pe=Ke f 2Bm2,Ph=Kh fBmn,,硅鋼,硅鋼片,,,,,,,,,鐵芯線圈交流電路的有用功率P,P = UIcos,= Pcu+PFe,= I2R +PFe,鐵芯損耗---鐵損PFe,PFe =P h + Pe,（經(jīng)驗公式，與材料特性有關）,3)等效電路,i,u=U,,測,I,u,,測,U， I， P,,,,,,,,忽略漏磁等效為,四、變壓器,1. 工作原理,理想變壓器（忽略損

5、耗、磁飽和、漏磁通）,P1= P 2,i2N2,i2,f,u1,,i1,,,,,,,i1N1,f,f 為合成磁通,f,,N1,,N2,,,i1,原邊（初級）,副邊（次級）,i2,,2. 變壓比(電壓變換),,利用電磁感應作用 傳遞交流電能和信號 可變換電壓、電流、阻抗,鐵心+繞組（2個以上，N不同）,3. 變流比,磁勢平衡方程式：,其相量形式:,,變壓器中電流的大小由負載確定,,S,,N1,,N2,,,i1,原邊,副邊,i2,,4. 阻抗比,,,,,通過變壓器的變換阻抗的作用,可實現(xiàn)“阻抗匹配”,一正弦信號源的電動勢US = 5V，RS=1000,負載電阻RL=40.,舉例,1) 負載若直接與

6、信號源連接,RL =4% RS，,U1 4%US=0.19V，,P = 0.001W,2) 通過變壓器將信號源與負載連在一起,i) 若 Ku=10,則 RL*=100 RL,=4RS,U1 = 4V,P1 = 0.04W,ii) 若Ku=100，,則 RL*=1002 RL,U1 5V,但 P1=0.0625mW,則 RL*= RS,阻抗匹配,Ku=5,,若Pmax,5. 變壓器的額定值,1. 額定電流I1N、 I2N ：長期通過的最大電流,2. 額定電壓U1N : 在額定運行條件下,原邊正常工作電壓,3. 額定容量SN ： SN =INUN,SN表征變壓器的傳輸能力,變壓器沒有額定功率,額定

7、電壓 U2N ：在U1N條件下, 副邊的空載電壓。,受鐵心飽和度的限制.,配置變壓器,,S,!,6. 變壓器的運行特性,1. U2隨負載I2的增大而降低,理想變壓器U20,實際變壓器,電壓調(diào)整率,2. 功率與效率,P1=P2+PFe+PCu,副邊開路,1) 功率,U1=U1N時，測得原邊側功率為鐵損,副邊短路,I2=I2N，原邊側功率為滿載下的銅損,鐵損U12，與負載無關，可看為常數(shù),2) 效率,PCu=PFe時， max,7. 三相變壓器,某三相變壓器，SN=50KVA，U1N=10000V，U2N=400V，繞組接法Y/，求：i) I1N ，I2N ii) I1P，I2P ，U1P，U

8、2P iii) 原、副邊線電壓之比,i) 理想變壓器,解：,ii) 原邊Y:,,副邊:,S1N =S2N = SN,,線電壓,,線電流,3) 原副邊線電壓之比,Y/：,Y/ Yo：,,,某三相變壓器，SN=50KVA，U1N=10000V，U2N=400V，繞組接法Y/，求：i) I1N ，I2N ii) I1P，I2P ，U1P，U2P iii) 原、副邊線電壓之比,三相變壓器變壓比與變壓器聯(lián)結方式有關,,,=,+,,15.2 機電能量變換與電動機分類,動力電動機,控制電動機,,旋轉(zhuǎn)電動機 直線電動機,,交流 直流,,同步電動機 異步電動機,,三相 單相,,有刷電動機 無刷電動機,

9、,步進電動機 測速電動機 伺服電動機,,旋轉(zhuǎn) 直線,,交流 直流,,同步電動機 異步電動機,功能,工作方式,電源方式,轉(zhuǎn)速與磁場關系,,,脈沖電動機，將輸入脈沖信號轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移（或直線位移）,具有服從控制信號的要求而動作的職能,,交流 直流,15.3.5 三相異步電動機的起動,15.3.1 三相異步電動機結構,15.3 三相異步電動機,15.3.2 三相異步電動機的工作原理,15.3.3 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關系,15.3.4 三相異步電動機的工作特點,15.3.6 三相異步電動機的調(diào)速,15.3.7 三相異步電動機的功率因數(shù)及工作效率,15.3 三相異步電動機,電動機,直

10、流 交流,單相 三相,異步機 同步機,電機,鼠籠式 繞線式,按相數(shù),按轉(zhuǎn)子 結構,按輸入 電能 形式,按內(nèi)部磁場 與 軸轉(zhuǎn)速的關系,15.3.1 三相異步電動機結構,機座：,鐵心：,由互相絕緣的硅鋼組成,鑄鐵或鑄鋼制成,繞組：,一、 定子,線圈的復雜組合,對稱的三相繞組,接 線 盒,“”型連接,“Y” 型連接,接線方式,二、轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)軸：,繞組：,帶動機械負載,轉(zhuǎn)動，輸出機械能,鐵心：,由互相絕緣的硅鋼組成,圓柱型，表面有槽,產(chǎn)生感應電流,,鼠籠式,繞線式,閉合，產(chǎn)生 i,產(chǎn)生 F = Bli,在T = Fr 作用下轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同。,切割磁力線 e = Blv,,,,15

11、.3.2 三相異步電動機的工作原理,一、工作原理,二、旋轉(zhuǎn)磁場,1. 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,iA = Im sint,iB= Im sin (t -1200 ),iC = Im sin (t +1200 ),,,,,,,,,旋轉(zhuǎn),大小不變,合成磁場,2. 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向,旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向與對稱三相電流的相序一致,(iA),(iB),(iC),,n1,怎樣實現(xiàn)電動機的反向旋轉(zhuǎn)(逆時針方向)?,任意兩接線端換位,3. 旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 n1,n1決定于磁場的極數(shù),極數(shù)與三相繞組的安排有關,1) 當磁極對數(shù) p=1時，,n1= 60f1,?,串聯(lián):,2) 當磁極對數(shù) p=2時,,,,n1,，n1= 6

12、0f1/2,3) n1與磁極對數(shù)p的關系,三、三相異步電動機的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)差率s,1. n < n1,2.,轉(zhuǎn)差率特點：,啟動 或 堵轉(zhuǎn) (電機卡住 ),n = 0,理想狀態(tài) (沒有摩擦 ),n = n1 s=0,,一般情況,n 從 0 n1, s 從 1 0,s = 1,15.3.3 三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關系,一、電磁轉(zhuǎn)矩T,U1, n1, v, E2, I2, F, T, n,電磁轉(zhuǎn)矩,, n=0 s=1, f2 = f1, E20=4.44f1N2m,E2 = sE20,,,,E2=4.44f2N2m,1. T與s有著直接的關系,s 很小 0， T s,s 很大 ， T 1/s

13、,,1,,,,,最大轉(zhuǎn)矩,起動轉(zhuǎn)矩,Tst,Tm,額定轉(zhuǎn)矩,TN,sc,sN,,,,,2. ,并與R2有關,令,,,二、異步電動機的機械特性,n=f (TL),n =f (T ),,n,0,,,n1,Tst,,Tm,,90,T: 電磁轉(zhuǎn)矩 TL: 負載轉(zhuǎn)矩 T0: 空載轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩,,,阻轉(zhuǎn)矩Tm,減速,平衡,加速,忽略,,A點：,B點：,B點：,A點為穩(wěn)定點,電動機停轉(zhuǎn),,,TL,A,B,,,,,,,,,,,,B點為不穩(wěn)定點,,,,1. 運行工作點,,,,T =TL 達到力學平衡,(A、B 兩點),2. 工作點的穩(wěn)定性,為不穩(wěn)定區(qū),為穩(wěn)定區(qū),,nc,15.3.4 三相異步電動機的工

14、作特點,A點：,3. 額定轉(zhuǎn)矩,T : N.m, P : W, n : r/min,4. 機械過載能力,一般1.8 2.2,5. 起動能力,一般 1.4 2.2,常用公式：,T : N.m, P : kW, n : r/min,T : N.m, P : kW, n : r/min,15.3.5 三相異步電動機的起動,一、全壓起動(直接起動),機械條件:,通電,,電動機軸旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速逐漸上升直至穩(wěn)定運轉(zhuǎn)狀態(tài)）,電源容量足夠大（內(nèi)阻小）,問題:,通電瞬間轉(zhuǎn)子繞組與旋轉(zhuǎn)磁場間相對切割速度最大,影響:,自身,有內(nèi)阻，造成電網(wǎng)電壓瞬間降低， 影響同一電網(wǎng)上其它負載的正常工作,起動時間短，不會造成熱量積累,

15、電源,電器條件:,不需要頻繁起動,若不滿足,,,,,二、降壓起動,1. “-”換接起動法,,,,,2.自耦降壓起動,1) 抽頭,k =73%、64%或55%,根據(jù)對起動轉(zhuǎn)矩的要求而選用,2),,,,,3. 軟起動法,1) 限流起動模式,2) 限壓起動模式,電動機按用戶期望的起動特性完成起動過程,,,,,UN,U0,t1,,三、 繞線型電動機的起動方法,適用起動轉(zhuǎn)矩較大的生產(chǎn)機械起重機,例如: 起重機,,,,1.,2.,一、變極對數(shù)調(diào)速,p=2,p=1,特點:,有級調(diào)速,p = 1 p = 2, p = 2 p = 4,主要用于調(diào)速范圍大的地方,在同一負載下得到不同的轉(zhuǎn)速,改變電源頻率f1、極對

16、數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s,15.3.6 三相異步電動機的調(diào)速,,雙速電機,二、變轉(zhuǎn)差率s 調(diào)速,,R2

17、組的線電流IN,TN nN = 9550 PN, TN,其他技術數(shù)據(jù)：,Tst /TN,Tm /TN,Ist /IN,二、運行特性,n1,n,,1,I1,,T,,在U1N 、f1N 條件下，I1、 1 、 、n、T與輸出機械功率P2的關系,,,,1. 轉(zhuǎn)速 n,2. 電磁轉(zhuǎn)矩 T, 內(nèi)部有摩擦T 0， 且P = T, 曲線上翹,3. 定子電流 I1,P2 n,I1=0.4 IN,4. 功率因數(shù) 1,5. 效率, =P2/P1,P2 n, e2 I2 , I1,1,,1. 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 n1與磁極對數(shù)p的關系,2.電動機的轉(zhuǎn)速n,n < n1,,3.轉(zhuǎn)子感應電動勢頻率f2,小結,轉(zhuǎn)差,旋轉(zhuǎn)方向與

18、旋轉(zhuǎn)磁場方向一致，取決于電源相序,4.電磁轉(zhuǎn)矩T,5. 額定轉(zhuǎn)矩TN,T : N.m, P : kW, n : r/min,6. 功率,7. 起動,1）“-”變換起動法,2）自耦降壓起動,3）繞線型電動機的起動方法,可以滿載起動,只能輕載或空載起動,,8. 調(diào)速,1）變極對數(shù)調(diào)速,2）變轉(zhuǎn)差率s 調(diào)速,3）變頻調(diào)速,二、工作原理,產(chǎn)生交變脈動磁場,分解為兩個,旋轉(zhuǎn)磁場,15.4 單相異步電動機,由單相電源供電的異步電動機,一、單相異步電動機結構,1. 定子繞組：一個或多個繞組,2. 轉(zhuǎn)子繞組：鼠籠式,大小、方向隨時間正弦變化,位置固定,,三、機械特性,結論：,1）電動機無起動轉(zhuǎn)矩,2）一經(jīng)起動

19、，就會轉(zhuǎn)動而且不致停止,,,T,0,1,s,0,s,2,2,四、產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩的措施,1電容分相起動電動機,定子繞組分為,繞組W2為起動繞組,繞組W1為工作繞組,,90,,45,,i1,i2, t = 0, t = 45, t = 90,兩相旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生,2罩極式單相異步電動機,五、三相異步電動機與單相異步電動機,,,15.9 電磁式低壓電器,DC: 1200V以下 AC: 1500V以下,,低壓電器:,能手動或自動分合低壓電路,可實現(xiàn)被控對象的控制, 調(diào)節(jié),變換,檢測,保護等作用的基本器件.,電磁式低壓電器 電子式低壓電器 可通信電器 終端組合式電器 智能化電器 模數(shù)化電器,,一.電磁式低壓

20、電器的主要電磁機構,,吸引線圈(勵磁線圈),磁路:,鐵心,,鐵軛,,銜鐵,,空氣隙,吸引線圈,,,,銜鐵運動,觸頭的斷開或閉合,,U/E型,銜鐵:,,沿棱角運動,沿軸轉(zhuǎn)動,沿直線運動,,電磁鐵,勵磁線圈、鐵心、銜鐵,動鐵心,,,直流電磁鐵:,交流電磁鐵:,交流電磁力以二倍工頻的頻率脈動，與銜鐵的位置無關,空氣隙,兩級間,,若U不變，I不變,若u不變， 不變,吸力與銜鐵的位置有關,電流與銜鐵的位置有關,二.電器控制概述,1.控制分類,1) 按控制動作,開關式,連續(xù)式,數(shù)字式,PLC,2) 按控制目的,開環(huán),閉環(huán),,,3) 按控制手段,手動,自動,4) 按控制距離,就地,遠程,2. 繼電接觸器控制

21、,主電路,控制電路,,,,,,,(大電流),手動電器,(小電流),(溫度),(時間),,三.開關電器,直接由人力推動使電路接通或斷開,1刀開關(刀閘),作用： 使電器設備通電與斷開,2. 轉(zhuǎn)換開關 (SR),,,(QS),3. 自動空氣斷路器 (自動空氣開關),作用,工作原理,接通、切斷電路,用于低壓配電變電所的總開關、大負荷電力線路等。但因滅弧結構限制，不適合于具有頻繁操作的電路。,，用于短路、過載、欠壓保護,,,三相自動空氣開關,單相自動空氣開關,3) 作用：接通或斷開控制電路,1. 按鈕,1) 原理：,2) 圖形符號及文字符號：,四.主令電器,,復合按鈕,單按鈕,SB,2. 行程開關,

22、1) 原理：,觸桿,動斷觸點,動合觸點,2) 圖形符號及文字符號：,電器符號,ST,動斷觸點,動合觸點,機械符號,3) 作用：,自動切換電動機的旋轉(zhuǎn)方向,終端限位保護,五.執(zhí)行電器,3) 作用,1交流接觸器,1) 工作原理,2) 符號,線圈,主觸點,輔助觸點,三個主觸點：接于電動機定子繞組,線圈和輔助觸點：接于控制電路,(自動控制開關電器),交流接觸器結構圖,作用,2.繼電器,基本結構和工作原理 與接觸器相同,符號,線圈,1) 電磁式繼電器(中間繼電器),動斷觸點,動合觸點,接通或斷開控制電路中的某些支路,,接于控制電路,KA,KA,,2) 時間繼電器,反映時間的自動控制電器,工作原理,符號,

23、線圈,KT,KT,通電延時閉合,斷電延時閉合,通電延時斷開,斷電延時斷開,接于控制電路,,,KT,KT,KT,KA,繼電器,時間繼電器,作用,3) 熱繼電器,工作原理,符號,過載保護,接于主電路,控制環(huán)節(jié)熱元件,,被控環(huán)節(jié)動斷觸點,接于控制電路,,六.熔斷器,1. 工作原理,2. 符號,3. 作用,短路保護,FU,熔斷器,七.電磁閥,機械設備執(zhí)行機構, 用電磁力打開閥門,例：一個40KVA的單相變壓器，副邊開路，原邊側的輸入功率為2KW，當副邊短路，滿載下的功率為4KW，計算下列條件下變壓器的效率。,1) 滿載 2) 50%負載，功率因數(shù)為0.8 (滯后),解：,PFe=2kW， PCu= 4kW (滿負荷),1) cos 2 =1,P2 = 401=40kW,2) cos 2 =0.8,P2 = 400.5 0.8 =16kW,PCu= 0.52 4=1 kW,X2 4=2,X=0.707,當負載為滿載的70.7%時，變壓器的 max,設 max時的負載為滿載的 X,此時PCu=Pfe=2kW,?,負載為多大時，變壓器的效率最高?,