《电磁与电动器》PPT课件.ppt

15.1 磁路与变压器15.2 机电能量变换与电动机分类15.3 三相异步电动机15.4 单相异步电动机15.9 电磁式低压电器,第十五章 电磁与电动器件,15.1 磁路与变压器,本节主要讨论的问题:,1磁路问题是局限于一定路径内的磁场问题，因此磁场的各个基本物理量也适合磁路。B、H、,2磁路主要是由具有良好导磁能力的材料构成。,3磁路与电路往往是相关联的，因此我们也要研究磁路和电路的关系及磁和电的关系。,5作为应用实例讨论变压器和电磁铁。,4分析与计算磁路的基本方法。,磁化过程相当复杂,并具有明显的非线性,一、磁 路,磁通集中的局部空间,主磁通经过铁芯、空气气隙而形成的闭合通路为磁路,漏磁通f：散布在外的磁通,主磁通f：集中的磁通,i,录:,i,磁化磁带,放:,e,i,录音机,特点：1.电激磁2.主要由规则材料构成,(103),基本物理量：,磁通,磁感应强度,磁场强度,磁导率,韦伯,B,H,特斯拉,安匝/米,亨/米,磁通密度，矢量，表示磁场中某一点磁场强弱和方向,磁场中通过某一截面S的磁感应强度的通量,与产生磁场的电流和载流导体分布有关,表示物质导磁能力大小,真空：,相对磁导率：,导磁材料,非导磁材料,物理量间关系,1.,2.,磁饱和性,磁滞性,剩磁Br,矫顽力Hc,高导磁性,导磁非线性,(均匀磁场),Br,Hc,二、安培环路定律,对于一般环路：,对于线圈：,材料一样、面积一样,1.若磁路是由若干段均匀磁场组合而成,-磁阻,电流参考方向与闭合路径的方向符合右手螺旋定则时,电流取正,（均匀磁路）,（非线性）,电阻公式,f,2.磁路欧姆定律,-磁动势,k=1,3.磁路基尔霍夫第二定律,k1,4.磁路基尔霍夫第一定律,（磁通连续性）,（类似于电路欧姆定律）,（针对有分支磁路）,三、铁芯线圈,(线圈-电路问题 铁芯-磁路问题),1.直流励磁,f,I,1)电路问题,2)磁路问题,I 不变,电激磁，磁对电没有影响,特性：,U一定 I一定（由于线圈做好后，R一定）,若N不变，则Fm=IN恒定,2.交流励磁,1)恒磁通特性,达到电平衡。,f,i,忽略R，则有,N一定，f 一定，当U 一定时，fm 一定,电激磁，磁影响电,受到反作用的电流i为非正弦,2)功率与损耗,磁滞损耗Ph,涡流损耗Pe,Pe=Ke f 2Bm2,Ph=Kh fBmn,硅钢,硅钢片,铁芯线圈交流电路的有用功率P,P=UIcos,=Pcu+PFe,=I2R+PFe,铁芯损耗-铁损PFe,PFe=P h+Pe,（经验公式，与材料特性有关）,3)等效电路,i,u=U,测,I,u,测,U，I，P,忽略漏磁等效为,四、变压器,1.工作原理,理想变压器（忽略损耗、磁饱和、漏磁通）,P1=P 2,i2N2,i2,f,u1,i1,i1N1,f,f 为合成磁通,f,N1,N2,i1,原边（初级）,副边（次级）,i2,2.变压比(电压变换),利用电磁感应作用传递交流电能和信号可变换电压、电流、阻抗,铁心+绕组（2个以上，N不同）,3.变流比,磁势平衡方程式：,其相量形式:,变压器中电流的大小由负载确定,S,N1,N2,i1,原边,副边,i2,4.阻抗比,通过变压器的变换阻抗的作用,可实现“阻抗匹配”,一正弦信号源的电动势US=5V，RS=1000,负载电阻RL=40.,举例,1)负载若直接与信号源连接,RL=4%RS，,U1 4%US=0.19V，,P=0.001W,2)通过变压器将信号源与负载连在一起,i)若 Ku=10,则 RL*=100 RL,=4RS,U1=4V,P1=0.04W,ii)若Ku=100，,则 RL*=1002 RL,U1 5V,但 P1=0.0625mW,则 RL*=RS,阻抗匹配,Ku=5,若Pmax,5.变压器的额定值,1.额定电流I1N、I2N：长期通过的最大电流,2.额定电压U1N:在额定运行条件下,原边正常工作电压,3.额定容量SN：SN=INUN,SN表征变压器的传输能力,变压器没有额定功率,额定电压 U2N：在U1N条件下,副边的空载电压。,受铁心饱和度的限制.,配置变压器,S,!,6.变压器的运行特性,1.U2随负载I2的增大而降低,理想变压器U20,实际变压器,电压调整率,2.功率与效率,P1=P2+PFe+PCu,副边开路,1)功率,U1=U1N时，测得原边侧功率为铁损,副边短路,I2=I2N，原边侧功率为满载下的铜损,铁损U12，与负载无关，可看为常数,2)效率,PCu=PFe时，max,7.三相变压器,某三相变压器，SN=50KVA，U1N=10000V，U2N=400V，绕组接法Y/，求：i)I1N，I2N ii)I1P，I2P，U1P，U2P iii)原、副边线电压之比,i)理想变压器,解：,ii)原边Y:,副边:,S1N=S2N=SN,线电压,线电流,3)原副边线电压之比,Y/：,Y/Yo：,某三相变压器，SN=50KVA，U1N=10000V，U2N=400V，绕组接法Y/，求：i)I1N，I2N ii)I1P，I2P，U1P，U2P iii)原、副边线电压之比,三相变压器变压比与变压器联结方式有关,=,+,15.2 机电能量变换与电动机分类,动力电动机,控制电动机,旋转电动机直线电动机,交流直流,同步电动机异步电动机,三相单相,有刷电动机无刷电动机,步进电动机测速电动机伺服电动机,旋转直线,交流直流,同步电动机异步电动机,功能,工作方式,电源方式,转速与磁场关系,脉冲电动机，将输入脉冲信号转换成输出轴的角位移（或直线位移）,具有服从控制信号的要求而动作的职能,交流直流,15.3.5 三相异步电动机的起动,15.3.1 三相异步电动机结构,15.3 三相异步电动机,15.3.2 三相异步电动机的工作原理,15.3.3 三相异步电动机的电磁转矩与转速的关系,15.3.4 三相异步电动机的工作特点,15.3.6 三相异步电动机的调速,15.3.7 三相异步电动机的功率因数及工作效率,15.3 三相异步电动机,电动机,直流交流,单相三相,异步机同步机,电机,鼠笼式绕线式,按相数,按转子结构,按输入电能形式,按内部磁场与轴转速的关系,15.3.1 三相异步电动机结构,机座：,铁心：,由互相绝缘的硅钢组成,铸铁或铸钢制成,绕组：,一、定子,线圈的复杂组合,对称的三相绕组,接线盒,“”型连接,“Y”型连接,接线方式,二、转子,转轴：,绕组：,带动机械负载,转动，输出机械能,铁心：,由互相绝缘的硅钢组成,圆柱型，表面有槽,产生感应电流,鼠笼式,绕线式,闭合，产生 i,产生 F=Bli,在T=Fr 作用下转子旋转转动方向与磁场旋转的方向相同。,切割磁力线 e=Blv,15.3.2 三相异步电动机的工作原理,一、工作原理,二、旋转磁场,1.旋转磁场的产生,iA=Im sint,iB=Im sin(t-1200),iC=Im sin(t+1200),旋转,大小不变,合成磁场,2.旋转磁场的转向,旋转磁场的旋转方向与对称三相电流的相序一致,(iA),(iB),(iC),n1,怎样实现电动机的反向旋转(逆时针方向)?,任意两接线端换位,3.旋转磁场的同步转速 n1,n1决定于磁场的极数,极数与三相绕组的安排有关,1)当磁极对数 p=1时，,n1=60f1,?,串联:,2)当磁极对数 p=2时,n1,，n1=60f1/2,3)n1与磁极对数p的关系,三、三相异步电动机的转速n与转差率s,1.n n1,2.,转差率特点：,启动 或 堵转(电机卡住),n=0,理想状态(没有摩擦),n=n1 s=0,一般情况,n 从 0 n1,s 从 1 0,s=1,15.3.3 三相异步电动机的电磁转矩与转速的关系,一、电磁转矩T,U1,n1,v,E2,I2,F,T,n,电磁转矩,n=0 s=1,f2=f1,E20=4.44f1N2m,E2=sE20,E2=4.44f2N2m,1.T与s有着直接的关系,s 很小 0，T s,s 很大，T 1/s,1,最大转矩,起动转矩,Tst,Tm,额定转矩,TN,sc,sN,2.,并与R2有关,令,二、异步电动机的机械特性,n=f(TL),n=f(T),n,0,n1,Tst,Tm,90,T:电磁转矩TL:负载转矩T0:空载转矩,转轴转矩,阻转矩Tm,减速,平衡,加速,忽略,A点：,B点：,B点：,A点为稳定点,电动机停转,TL,A,B,B点为不稳定点,1.运行工作点,T=TL 达到力学平衡,(A、B 两点),2.工作点的稳定性,为不稳定区,为稳定区,nc,15.3.4 三相异步电动机的工作特点,A点：,3.额定转矩,T:N.m,P:W,n:r/min,4.机械过载能力,一般1.8 2.2,5.起动能力,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 三相异步电动机的起动,一、全压起动(直接起动),机械条件:,通电,电动机轴旋转（转速逐渐上升直至稳定运转状态）,电源容量足够大（内阻小）,问题:,通电瞬间转子绕组与旋转磁场间相对切割速度最大,影响:,自身,有内阻，造成电网电压瞬间降低，影响同一电网上其它负载的正常工作,起动时间短，不会造成热量积累,电源,电器条件:,不需要频繁起动,若不满足,二、降压起动,1.“-”换接起动法,2.自耦降压起动,1)抽头,k=73%、64%或55%,根据对起动转矩的要求而选用,2),3.软起动法,1)限流起动模式,2)限压起动模式,电动机按用户期望的起动特性完成起动过程,UN,U0,t1,三、绕线型电动机的起动方法,适用起动转矩较大的生产机械起重机,例如:起重机,1.,2.,一、变极对数调速,p=2,p=1,特点:,有级调速,p=1 p=2,p=2 p=4,主要用于调速范围大的地方,在同一负载下得到不同的转速,改变电源频率f1、极对数p、转差率s,15.3.6 三相异步电动机的调速,双速电机,二、变转差率s 调速,R2R2,TL,TL,若TL=TN，,则 I2 I2N，,适用于绕线型电动机,三、变频调速,1)恒磁通,T不变,(恒转矩-T 不变),基频以下的机械特性相互平行,2)恒功率,P2 不变,机械特性变软,无级调速,便于自动控制,节能,变频调速特点:,15.3.7 三相异步电动机的功率因数及工作效率,一、铭牌数据,类型代号 结构-极数,PN：电动机工作在额定条件下输出的机械功率,工作频率 f1N,定子绕组上应加的线电压UN,nN：,380V/220V,10A/17.3A,Y/,定子绕组的线电流IN,TN nN=9550 PN,TN,其他技术数据：,Tst/TN,Tm/TN,Ist/IN,二、运行特性,n1,n,1,I1,T,在U1N、f1N 条件下，I1、1、n、T与输出机械功率P2的关系,1.转速 n,2.电磁转矩 T,内部有摩擦T 0，且P=T,曲线上翘,3.定子电流 I1,P2 n,I1=0.4 IN,4.功率因数 1,5.效率,=P2/P1,P2 n,e2 I2,I1,1,1.旋转磁场转速 n1与磁极对数p的关系,2.电动机的转速n,n n1,3.转子感应电动势频率f2,小结,转差,旋转方向与旋转磁场方向一致，取决于电源相序,4.电磁转矩T,5.额定转矩TN,T:N.m,P:kW,n:r/min,6.功率,7.起动,1）“-”变换起动法,2）自耦降压起动,3）绕线型电动机的起动方法,可以满载起动,只能轻载或空载起动,8.调速,1）变极对数调速,2）变转差率s 调速,3）变频调速,二、工作原理,产生交变脉动磁场,分解为两个,旋转磁场,15.4 单相异步电动机,由单相电源供电的异步电动机,一、单相异步电动机结构,1.定子绕组：一个或多个绕组,2.转子绕组：鼠笼式,大小、方向随时间正弦变化,位置固定,三、机械特性,结论：,1）电动机无起动转矩,2）一经起动，就会转动而且不致停止,T,0,1,s,0,s,2,2,四、产生起动转矩的措施,1电容分相起动电动机,定子绕组分为,绕组W2为起动绕组,绕组W1为工作绕组,90,45,i1,i2,t=0,t=45,t=90,两相旋转磁场的产生,2罩极式单相异步电动机,五、三相异步电动机与单相异步电动机,15.9 电磁式低压电器,DC:1200V以下AC:1500V以下,低压电器:,能手动或自动分合低压电路,可实现被控对象的控制,调节,变换,检测,保护等作用的基本器件.,电磁式低压电器电子式低压电器可通信电器终端组合式电器智能化电器模数化电器,一.电磁式低压电器的主要电磁机构,吸引线圈(励磁线圈),磁路:,铁心,铁轭,衔铁,空气隙,吸引线圈,衔铁运动,触头的断开或闭合,U/E型,衔铁:,沿棱角运动,沿轴转动,沿直线运动,电磁铁,励磁线圈、铁心、衔铁,动铁心,直流电磁铁:,交流电磁铁:,交流电磁力以二倍工频的频率脉动，与衔铁的位置无关,空气隙,两级间,若U不变，I不变,若u不变，不变,吸力与衔铁的位置有关,电流与衔铁的位置有关,二.电器控制概述,1.控制分类,1)按控制动作,开关式,连续式,数字式,PLC,2)按控制目的,开环,闭环,3)按控制手段,手动,自动,4)按控制距离,就地,远程,2.继电接触器控制,主电路,控制电路,(大电流),手动电器,(小电流),(温度),(时间),三.开关电器,直接由人力推动使电路接通或断开,1刀开关(刀闸),作用：使电器设备通电与断开,2.转换开关(SR),(QS),3.自动空气断路器(自动空气开关),作用,工作原理,接通、切断电路,用于低压配电变电所的总开关、大负荷电力线路等。但因灭弧结构限制，不适合于具有频繁操作的电路。,，用于短路、过载、欠压保护,三相自动空气开关,单相自动空气开关,3)作用：接通或断开控制电路,1.按钮,1)原理：,2)图形符号及文字符号：,四.主令电器,复合按钮,单按钮,SB,2.行程开关,1)原理：,触杆,动断触点,动合触点,2)图形符号及文字符号：,电器符号,ST,动断触点,动合触点,机械符号,3)作用：,自动切换电动机的旋转方向,终端限位保护,五.执行电器,3)作用,1交流接触器,1)工作原理,2)符号,线圈,主触点,辅助触点,三个主触点：接于电动机定子绕组,线圈和辅助触点：接于控制电路,(自动控制开关电器),交流接触器结构图,作用,2.继电器,基本结构和工作原理 与接触器相同,符号,线圈,1)电磁式继电器(中间继电器),动断触点,动合触点,接通或断开控制电路中的某些支路,接于控制电路,KA,KA,2)时间继电器,反映时间的自动控制电器,工作原理,符号,线圈,KT,KT,通电延时闭合,断电延时闭合,通电延时断开,断电延时断开,接于控制电路,KT,KT,KT,KA,继电器,时间继电器,作用,3)热继电器,工作原理,符号,过载保护,接于主电路,控制环节热元件,被控环节动断触点,接于控制电路,六.熔断器,1.工作原理,2.符号,3.作用,短路保护,FU,熔断器,七.电磁阀,机械设备执行机构,用电磁力打开阀门,例：一个40KVA的单相变压器，副边开路，原边侧的输入功率为2KW，当副边短路，满载下的功率为4KW，计算下列条件下变压器的效率。,1)满载 2)50%负载，功率因数为0.8(滞后),解：,PFe=2kW，PCu=4kW(满负荷),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,当负载为满载的70.7%时，变压器的 max,设 max时的负载为满载的 X,此时PCu=Pfe=2kW,?,负载为多大时，变压器的效率最高?,