第15章电机与电气控制技术 15 1磁路与变压器 15 2异步电动机 15 3同步电动机 15 4直流电动机 15 5控制电机 15 6电气控制技术基础 15 1磁路与变压器1磁路基础与磁路定律2变压器的工作原理3变压器的使用4特殊变压器简介 磁路 主磁通所经过的闭合路径 构成磁路的重要材料是铁磁性材料 1 磁路基础与磁路基本定律 1 磁路基础 线圈通入电流后 产生磁通 分主磁通和漏磁通 2 磁路计算中的基本物理量 与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通 磁力线 二 磁导率 表征各种材料导磁能力的物理量 三 磁场强度H 磁场强度是计算磁场所用的物理量 其大小为磁感应强度和导磁率之比 磁性材料的磁性能 一 安培环路定律 全电流律 3磁路的基本定律 磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分 等于通过这个闭合路径内电流的代数和 电流方向和磁场强度的方向符合右手定则 电流取正 否则取负 在无分支的均匀磁路 磁路的材料和截面积相同 各处的磁场强度相等 中 安培环路定律可写成 磁路长度L 线圈匝数N HL 称为磁压降 总磁动势 在非均匀磁路 磁路的材料或截面积不同 或磁场强度不等 中 总磁动势等于各段磁压降之和 例 对于均匀磁路 二 磁路的欧姆律 磁路和电路的比较 一 磁路 电路 磁通 I N R E I 磁压降 磁动势 U 基本定律 磁阻 磁感应强度 安培环路定律 磁路 I N 欧姆定律 电阻 电流强度 基氏电压定律 基氏电流定律 磁路与电路的比较 二 电路 R E I 励磁电流 在磁路中用来产生磁通的电流 4磁路的分析 I U 一 直流磁路的分析 直流磁路的特点 直流磁路和电路中的恒压源类似 R为线圈的电阻 电路方程 一般情况下很小 二 交流磁路的分析 假设 则 最大值 有效值 u i 交流磁路的特点 交流磁路中磁阻对电流的影响 电磁铁吸合过程的分析 在吸合过程中若外加电压不变 则基本不变 i u U不变 I不变 I随Rm变化 U不变时 基本不变 直流磁路 交流磁路 磁路小结 随Rm变化 变压器功能 2 变压器的工作原理 变压器应用举例 单相变压器 变压器的基本结构和工作原理 一 结构 工作过程 空载运行 原边接入电源 副边开路 接上交流电源 二 工作原理 方向符合右手定则 结论 改变匝数比 就能改变输出电压 K为变比 原 副边电压关系 根据交流磁路的分析可得 时 变电压 负载运行 Z 副边带负载后对磁路的影响 在副边感应电压的作用下 副边线圈中有了电流i2 此电流在磁路中也会产生磁通 从而影响原边电流i1 但当外加电压 频率不变时 铁芯中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变 带负载后磁动势的平衡关系为 结论 原 副边电流与匝数成反比 由于变压器铁芯材料的导磁率高 空载励磁电流很小 可忽略 即 原 副边电流关系 变电流 变阻抗 原 副边阻抗关系 从原边等效 结论 变压器原边的等效负载 为副边所带负载乘以变比的平方 阻抗变换举例 扬声器上如何得到最大输出功率 求 负载上得到的功率 解 1 将负载直接接到信号源上得到的输出功率为 2 将负载通过变压器接到信号源上 输出功率为 结论 由此例可见加入变压器以后 输出功率提高了很多 原因是满足了电路中获得最大输出的条件 信号源内 外阻抗差不多相等 额定电压变压器副边开路 空载 时 原 副边绕组允许的电压值 额定电流变压器满载运行时 原 副边绕组允许的电流值 1变压器的铭牌数据 以单相变压器为例 3 变压器的使用 注意 变压器几个功率的关系 2变压器的效率 为防止涡流损失 铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成 3变压器的外特性 副边输出电压和输出电流的关系 即 U20 原边加额定电压 副边开路时 副边的输出电压 当电流流入两个线圈 或流出 时 若产生的磁通方向相同 则两个流入端称为同极性端 同名端 或者说 当铁芯中磁通变化 增大或减小 时 在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端 同极性端 同名端 4变压器绕组极性及连接方法 电器使用时两种电压 220V 110V 的切换 220V 联结2 3 110V 联结1 3 2 4 线圈的接法 220V 联结2 3 励磁 两种接法下线圈工作情况的分析 110V 联结1 3 2 4 220V 联结2 3 问题1 在110V情况下 如果只用一个绕组 N 行不行 答 不行 两绕组必须并绕 原边有两个相同绕组的电源变压器 220 110 使用中应注意的问题 问题2 如果两绕组的极性端接错 结果如何 结论 在极性不明确时 一定要先测定极性再通电 答 有可能烧毁变压器 方法一 交流法 同极性端的测定方法 若说明A与a或X与x为同极性端 测量 方法二 直流法 变压器设计中的一些概念 1 在同样变比情况下 匝数多好 还是少好 变压器设计中的一些概念 2 1自耦变压器 4 特殊变压器简介 使用时 改变滑动端的位置 便可得到不同的输出电压 实验室中用的调压器就是根据此原理制作的 注意 原 副边千万不能对调使用 以防变压器损坏 因为N变小时 磁通增大 电流会迅速增加 2电压互感器 用低量程的电压表测高电压 被测电压 电压表读数 N1 N2 3电流互感器 用低量程的电流表测大电流 被测电流 电流表读数 N2 N1 15 2异步电动机 1 三相异步电动机的结构与工作原理2 三相异步电动机的机械特性3 三相异步电动机的使用4 单相异步电动机 交流电动机 电动机 直流电动机 他励 并励 串励 复励 电动机的分类 1 三相异步电动机的结构与工作原理 磁极旋转 导线切割磁力线产生感应电动势 导线长 切割速度 右手定则 异步 2 线圈比磁场转得慢 三相异步机的结构 转子 在旋转磁场作用下 产生感应电动势或电流 三相定子绕组 产生旋转磁场 旋转磁场的产生 A Y C B Z 异步机中 旋转磁场代替了旋转磁极 电流出 电流入 X 合成磁场方向 向下 同理分析 可得其它电流角度下的磁场方向 旋转方向 取决于三相电流的相序 改变电机的旋转方向 换接其中两相 旋转磁场的旋转方向 旋转磁场的转速大小 极对数 P 的概念 极对数 P 的改变 将每相绕组分成两段 按右下图放入定子槽内 形成的磁场则是两对磁极 极对数 极对数和转速的关系 三相异步电动机的同步转速 极对数 每个电流周期磁场转过的空间角度 同步转速 电动机转速和旋转磁场同步转速的关系 电动机转速 转差率的概念 异步电机运行中 转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差 即 例 异步电动机的额定转速nN 720r min 电源频率为50Hz 求 电机是几极 额定转差率是多少 解 额定转速接近同步转速n0 750r min 该电机是8极电机 1三相异步电动机的 电 磁 关系 2三相异步电动机的机械特性 取决于转子和旋转磁场的相对速度 转子功率因数 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 常数 每极磁通 转子电流 转子电路的 转矩公式的推导 得到转矩公式 2三相电动机的机械特性 根据转矩公式 可见 转矩特性曲线会出现最大值Tmax 转差率为临界转差率sm 三个结论 1 T Tmax与U1成正比 2 Tmax与R2无关 3 Sm与R2成正比 三个重要转矩 n0 T n 牛顿 米 如果电机将会因带不动负载而停转 n0 T n 求解 过载系数 三相异步机 n0 T n 电动机的自适应负载能力 电动机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 直至新的平衡 此过程中 时 电源提供的功率自动增加 机械特性和电路参数的关系 与电压的关系 结论 与转子电阻的关系 机械特性的软硬 硬特性 负载变化时 转速变化不大 运行特性好 软特性 负载增加转速下降较快 但起动转矩大 起动特性好 1 三相异步机铭牌与技术数据 1 型号Y132M 4 转差率 3三相异步电动机的使用 3 联接方式 Y 接法 4 额定电压 定子绕组在指定接法下应加的线电压 说明 一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5 例 380 220Y 是指 线电压为380V时采用Y接法 当线电压为220V时采用 接法 电压波动对电动机的影响 5 额定电流 定子绕组在指定接法下的线电流 如 表示三角接法下 电机的线电流为11 2A 相电流为6 48A 星形接法时线 相电流均为6 48A 6 额定功率 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率 不等于从电源吸收的功率 两者的关系为 其中 例 三相异步电动机 PN 45kw F 50Hz nN 2970r M 91 5 起动能力 2 求 s TN Tst Tmax P1N 解 同步转速n0 3000r M S 0 01 额定负载时一般为0 7 0 9 空载时功率因数很低约为0 2 0 3 额定负载时 功率因数最大 注意 实用中应选择合适容量的电机 防止 大马 拉 小车 的现象 7 功率因数 cos 1 P2 PN cos 1 2 三相异步机的起动 三相异步机的起动方法 1 直接起动 二三十千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动 3 转子串电阻起动 Y 起动 转子串电阻起动 起动时将适当的R串入转子绕组中 起动后将R短路 转子串电阻起动的特点 2 R2选的适当 转子串电阻既可以降低起动电流 又可以增加起动力矩 方法 和电源相接的任意两相互换 就可实现反转 3 三相异步电动机的正 反转 制动方法 1 抱闸 加机械抱闸 2 反接制动 停车时 将电动机接电源的意两相反接 使电动机由原来的旋转方向反过来 以达制动的目的 4 三相异步电动机的制动 4 发电反馈制动 令电机转子的转速超过旋转磁场的同步转速 便会产生制动转矩 3 能耗制动 停车时 断开交流电源 接至直流电源上 产生制动转矩 5 三相异步电动机的调速 3 改变电源频率 变频调速 无级调速 此种调速方法发展很快 且调速性能较好 其主要环节是研制变频电源 常由整流器 逆变器等组成 4单相异步电动机 1 单相异步电动机的工作原理 结构 定子放单相绕组 其中通单相交流电 转子一般用鼠笼式 定子中通入单相交流电后 形成脉动磁场 其磁感应强度按正弦分布 且随时间按正弦变化 单相异步电动机的特点 1 自身没有起动转矩 当定子绕组产生的合成磁场增加时 根据右手螺旋定则和左手定则 可知转子导条左 右受力大小相等方向相反 所以没有起动转矩 2 转子借助其它力量转动后 外力去除后仍按原方向继续转动 其原理分析如下 定子绕组产生的脉动磁场 可用正 反两个旋转磁场合成而等效 即 脉动磁场的分解 正反向旋转磁场的合成转矩特性 合成转矩 正向 反向 电容分相式起动 2 单相异步电动机的起动 罩极式单相电机 定子通入电流以后 部分磁通穿过短路环 并在其中产生感应电流 短路环中的电流阻碍磁通的变化 致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差 从而形成旋转磁场 使转子转起来 图中电机的转动方向 瞬时针旋转 因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先 15 3同步电动机 15 4直流电动机 15 5控制电机 三节内容从略 15 6电气控制技术 1常用低压控制电器2基本控制环节3电动机的保护4控制电路综合举例 低压电器 配电电器 控制电器 开关熔断器 接触器继电器起动器 时间继电器热继电器 1低压电器简介 1 刀闸开关 控制对象 380V 5 5kW以下小电机 考虑到电机较大的起动电流 刀闸的额定电流值应如下选择 3 5 异步电机额定电流 电路符号 QS 2 熔断器 作用 用于短路保护 3 按钮 带自锁 不带自锁 4 行程开关 用作电路的限位保护 行程控制 自动切换等 5 接触器 接触器有关符号 简单的接触器控制 A B C M3 刀闸起隔离作用 自保持 停止按钮 起动按钮 6 继电器 继电器和接触器的工作原理一样 主要区别在于 接触器的主触头可以通过大电流 而继电器的触头只能通过小电流 所以 继电器只能用于控制电路中 发热元件 功能 过载保护 热继电器 结构 I 常闭触头 热继电器的符号 发热元件 串联在主电路中 串联在控制电路中 电机起动 停车 点动