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1、15.1 磁路與變壓器15.2 機(jī)電能量變換與電動(dòng)機(jī)分類15.3 三相異步電動(dòng)機(jī)15.4 單相異步電動(dòng)機(jī)15.9 電磁式低壓電器,第十五章 電磁與電動(dòng)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(gè)基本物理量也適合磁路。B、H、,2磁路主要是由具有良好導(dǎo)磁能力的材料構(gòu)成。,3磁路與電路往往是相關(guān)聯(lián)的，因此我們也要研究磁路和電路的關(guān)系及磁和電的關(guān)系。,5作為應(yīng)用實(shí)例討論變壓器和電磁鐵。,4分析與計(jì)算磁路的基本方法。,磁化過程相當(dāng)復(fù)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(jī),特點(diǎn)： 1.電激磁 2.主要由規(guī)則材料構(gòu)成,(103),基本物理量：,磁通,磁感應(yīng)強(qiáng)度,磁場強(qiáng)度,磁導(dǎo)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(diǎn)磁場強(qiáng)弱和方向,磁場中通過某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度的通量,與產(chǎn)生磁場的電流和載流導(dǎo)體分布有關(guān),表示物質(zhì)導(dǎo)磁能力大小,真空：,相對磁導(dǎo)率：,導(dǎo)磁材料,非導(dǎo)磁材料,物理量間關(guān)系,,,,1.,2.,磁飽和性,磁滯性,剩磁Br,矯頑力Hc,高導(dǎo)磁性,導(dǎo)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(shí),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(dòng)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(lì)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(lì)磁

4、,1) 恒磁通特性,達(dá)到電平衡。,f,,i,,,,,,忽略R，則有,,N一定，f 一定，當(dāng)U 一定時(shí)，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(yàn)公式，與材料特性有關(guān)）,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(yīng)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(gè)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(fù)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(shí)現(xiàn)“阻抗匹配”,一正弦信號源的電動(dòng)勢US = 5V，RS=1000,負(fù)載電阻RL=40.,舉例,1) 負(fù)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(fù)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(yùn)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(yùn)行特性,1. U2隨負(fù)載I2的增大而降低,理想變壓器U20,實(shí)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(shí)，測得原邊側(cè)功率為鐵損,副邊短路,I2=I2N，原邊側(cè)功率為滿載下的銅損,鐵損U12，與負(fù)載無關(guān)，可看為常數(shù),2) 效率,PCu=PFe時(shí)， 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(jié)方式有關(guān),,,=,+,,15.2 機(jī)電能量變換與電動(dòng)機(jī)分類,動(dòng)力電動(dòng)機(jī),控制電動(dòng)機(jī),,旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī) 直線電動(dòng)機(jī),,交流 直流,,同步電動(dòng)機(jī) 異步電動(dòng)機(jī),,三相 單相,,有刷電動(dòng)機(jī) 無刷電動(dòng)機(jī),

9、,步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 測速電動(dòng)機(jī) 伺服電動(dòng)機(jī),,旋轉(zhuǎn) 直線,,交流 直流,,同步電動(dòng)機(jī) 異步電動(dòng)機(jī),功能,工作方式,電源方式,轉(zhuǎn)速與磁場關(guān)系,,,脈沖電動(dòng)機(jī)，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(dòng)作的職能,,交流 直流,15.3.5 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng),15.3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),15.3 三相異步電動(dòng)機(jī),15.3.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理,15.3.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系,15.3.4 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作特點(diǎn),15.3.6 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速,15.3.7 三相異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)及工作效率,15.3 三相異步電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī),直

10、流 交流,單相 三相,異步機(jī) 同步機(jī),電機(jī),鼠籠式 繞線式,按相數(shù),按轉(zhuǎn)子 結(jié)構(gòu),按輸入 電能 形式,按內(nèi)部磁場 與 軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系,15.3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),機(jī)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(fù)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(dòng)機(jī)械負(fù)載,轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出機(jī)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(yīng)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(dòng)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反向旋轉(zhuǎn)(逆時(shí)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(guān),1) 當(dāng)磁極對數(shù) p=1時(shí)，,n1= 60f1,?,串聯(lián):,2) 當(dāng)磁極對數(shù) p=2時(shí),,,,n1,，n1= 6

12、0f1/2,3) n1與磁極對數(shù)p的關(guān)系,三、三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)差率s,1. n < n1,2.,轉(zhuǎn)差率特點(diǎn)：,啟動(dòng) 或 堵轉(zhuǎn) (電機(jī)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(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)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(guān)系,s 很小 0， T s,s 很大 ， T 1/s

13、,,1,,,,,最大轉(zhuǎn)矩,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,Tst,Tm,額定轉(zhuǎn)矩,TN,sc,sN,,,,,2. ,并與R2有關(guān),令,,,二、異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性,n=f (TL),n =f (T ),,n,0,,,n1,Tst,,Tm,,90,T: 電磁轉(zhuǎn)矩 TL: 負(fù)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(diǎn)：,B點(diǎn)：,B點(diǎn)：,A點(diǎn)為穩(wěn)定點(diǎn),電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn),,,TL,A,B,,,,,,,,,,,,B點(diǎn)為不穩(wěn)定點(diǎn),,,,1. 運(yùn)行工作點(diǎn),,,,T =TL 達(dá)到力學(xué)平衡,(A、B 兩點(diǎn)),2. 工作點(diǎn)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(dòng)機(jī)的工

14、作特點(diǎn),A點(diǎn)：,3. 額定轉(zhuǎn)矩,T : N.m, P : W, n : r/min,4. 機(jī)械過載能力,一般1.8 2.2,5. 起動(dòng)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(dòng)機(jī)的起動(dòng),一、全壓起動(dòng)(直接起動(dòng)),機(jī)械條件:,通電,,電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速逐漸上升直至穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)）,電源容量足夠大（內(nèi)阻?。?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(fù)載的正常工作,起動(dòng)時(shí)間短，不會(huì)造成熱量積累,

15、電源,電器條件:,不需要頻繁起動(dòng),若不滿足,,,,,二、降壓起動(dòng),1. “-”換接起動(dòng)法,,,,,2.自耦降壓起動(dòng),1) 抽頭,k =73%、64%或55%,根據(jù)對起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求而選用,2),,,,,3. 軟起動(dòng)法,1) 限流起動(dòng)模式,2) 限壓起動(dòng)模式,電動(dòng)機(jī)按用戶期望的起動(dòng)特性完成起動(dòng)過程,,,,,UN,U0,t1,,三、 繞線型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法,適用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的生產(chǎn)機(jī)械起重機(jī),例如: 起重機(jī),,,,1.,2.,一、變極對數(shù)調(diào)速,p=2,p=1,特點(diǎn):,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(fù)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(dòng)機(jī)的調(diào)速,,雙速電機(jī),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(shù)數(shù)據(jù)：,Tst /TN,Tm /TN,Ist /IN,二、運(yùn)行特性,n1,n,,1,I1,,T,,在U1N 、f1N 條件下，I1、 1 、 、n、T與輸出機(jī)械功率P2的關(guān)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(guān)系,2.電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n,n < n1,,3.轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢頻率f2,小結(jié),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(dòng),1）“-”變換起動(dòng)法,2）自耦降壓起動(dòng),3）繞線型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法,可以滿載起動(dòng),只能輕載或空載起動(dòng),,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(dòng)磁場,分解為兩個(gè),旋轉(zhuǎn)磁場,15.4 單相異步電動(dòng)機(jī),由單相電源供電的異步電動(dòng)機(jī),一、單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),1. 定子繞組：一個(gè)或多個(gè)繞組,2. 轉(zhuǎn)子繞組：鼠籠式,大小、方向隨時(shí)間正弦變化,位置固定,,三、機(jī)械特性,結(jié)論：,1）電動(dòng)機(jī)無起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,2）一經(jīng)起動(dòng)

19、，就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)而且不致停止,,,T,0,1,s,0,s,2,2,四、產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的措施,1電容分相起動(dòng)電動(dòng)機(jī),定子繞組分為,繞組W2為起動(dòng)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(dòng)機(jī),五、三相異步電動(dòng)機(jī)與單相異步電動(dòng)機(jī),,,15.9 電磁式低壓電器,DC: 1200V以下 AC: 1500V以下,,低壓電器:,能手動(dòng)或自動(dòng)分合低壓電路,可實(shí)現(xiàn)被控對象的控制, 調(diào)節(jié),變換,檢測,保護(hù)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(jī)構(gòu),,吸引線圈(勵(lì)磁線圈),磁路:,鐵心,,鐵軛,,銜鐵,,空氣隙,吸引線圈,,,,銜鐵運(yùn)動(dòng),觸頭的斷開或閉合,,U/E型,銜鐵:,,沿棱角運(yùn)動(dòng),沿軸轉(zhuǎn)動(dòng),沿直線運(yùn)動(dòng),,電磁鐵,勵(lì)磁線圈、鐵心、銜鐵,動(dòng)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(dòng)，與銜鐵的位置無關(guān),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(guān),電流與銜鐵的位置有關(guān),二.電器控制概述,1.控制分類,1) 按控制動(dòng)作,開關(guān)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(dòng),自動(dòng),4) 按控制距離,就地,遠(yuǎn)程,2. 繼電接觸器控制

21、,主電路,控制電路,,,,,,,(大電流),手動(dòng)電器,(小電流),(溫度),(時(shí)間),,三.開關(guān)電器,直接由人力推動(dòng)使電路接通或斷開,1刀開關(guān)(刀閘),作用： 使電器設(shè)備通電與斷開,2. 轉(zhuǎn)換開關(guān) (SR),,,(QS),3. 自動(dòng)空氣斷路器 (自動(dòng)空氣開關(guān)),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(guān)、大負(fù)荷電力線路等。但因滅弧結(jié)構(gòu)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(hù),,,三相自動(dòng)空氣開關(guān),單相自動(dòng)空氣開關(guān),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(fù)合按鈕,單按鈕,SB,2. 行程開關(guān),

22、1) 原理：,觸桿,動(dòng)斷觸點(diǎn),動(dòng)合觸點(diǎn),2) 圖形符號及文字符號：,電器符號,ST,動(dòng)斷觸點(diǎn),動(dòng)合觸點(diǎn),機(jī)械符號,3) 作用：,自動(dòng)切換電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,終端限位保護(hù),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(diǎn),輔助觸點(diǎn),三個(gè)主觸點(diǎn)：接于電動(dòng)機(jī)定子繞組,線圈和輔助觸點(diǎn)：接于控制電路,(自動(dòng)控制開關(guān)電器),交流接觸器結(jié)構(gòu)圖,作用,2.繼電器,基本結(jié)構(gòu)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(dòng)斷觸點(diǎn),動(dòng)合觸點(diǎn),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(shí)間繼電器,反映時(shí)間的自動(dòng)控制電器,工作原理,符號,

23、線圈,KT,KT,通電延時(shí)閉合,斷電延時(shí)閉合,通電延時(shí)斷開,斷電延時(shí)斷開,接于控制電路,,,KT,KT,KT,KA,繼電器,時(shí)間繼電器,作用,3) 熱繼電器,工作原理,符號,過載保護(hù),接于主電路,控制環(huán)節(jié)熱元件,,被控環(huán)節(jié)動(dòng)斷觸點(diǎn),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(hù),FU,熔斷器,七.電磁閥,機(jī)械設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu), 用電磁力打開閥門,例：一個(gè)40KVA的單相變壓器，副邊開路，原邊側(cè)的輸入功率為2KW，當(dāng)副邊短路，滿載下的功率為4KW，計(jì)算下列條件下變壓器的效率。,1) 滿載 2) 50%負(fù)載，功率因數(shù)為0.8 (滯后),解：,PFe=2kW， PCu= 4kW (滿負(fù)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(dāng)負(fù)載為滿載的70.7%時(shí)，變壓器的 max,設(shè) max時(shí)的負(fù)載為滿載的 X,此時(shí)PCu=Pfe=2kW,?,負(fù)載為多大時(shí)，變壓器的效率最高?,