电磁与电动器件

电磁与电动器件第1页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.1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第2页，共75页，2023年，2月20日，星期一一、磁路励磁电流空气隙铁芯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

：集中的磁通线圈fNiu_+录:i磁化磁带放:

ei录音机衔铁特点：1.电激磁2.主要由规则材料构成(103)第3页，共75页，2023年，2月20日，星期一基本物理量：磁通磁感应强度磁场强度磁导率韦伯BH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第4页，共75页，2023年，2月20日，星期一物理量间关系1.2.磁饱和性磁滞性剩磁Br矫顽力Hc铸钢铸铁硅钢片0.21.4200120040060080010000.40.60.81.01.2HB真空高导磁性导磁非线性(均匀磁场)BrHc第5页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、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,Niu---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第6页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.磁路欧姆定律---磁动势k=13.磁路基尔霍夫第二定律k>14.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）第7页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、铁芯线圈(线圈----电路问题铁芯----磁路问题)1.直流励磁fINU_+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恒定第8页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.交流励磁1)．恒磁通特性达到电平衡。fiNu_+e+_忽略R，则有N一定，f一定，当U一定时，fm一定电激磁，磁影响电第9页，共75页，2023年，2月20日，星期一faaabbbcccdddeee受到反作用的电流i为非正弦第10页，共75页，2023年，2月20日，星期一2)．功率与损耗磁滞损耗Ph涡流损耗PePe=Kef2Bm2Ph=KhfBmn硅钢硅钢片铁芯线圈交流电路的有用功率PP=UIcos=Pcu+PFe=I2R+PFe铁芯损耗---铁损PFePFe=Ph+Pe（经验公式，与材料特性有关）第11页，共75页，2023年，2月20日，星期一3)．等效电路iu=U测Iu测U，I，

P忽略漏磁等效为第12页，共75页，2023年，2月20日，星期一ZL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=P2i2N2i2fu1i1i1N1ff

为合成磁通fN11243N2u1_+

e1

+_

i1

原边（初级）副边（次级）e2

+_u2_+i22.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）第13页，共75页，2023年，2月20日，星期一3.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ZLSN11243N2u1_+

e1

+_

i1

原边副边e2

+_u2_+i2第14页，共75页，2023年，2月20日，星期一4.阻抗比_+_+_+通过变压器的变换阻抗的作用,可实现“阻抗匹配”第15页，共75页，2023年，2月20日，星期一一正弦信号源的电动势US

=5V，RS=1000Ω,负载电阻RL=40Ω.举例1)负载若直接与信号源连接RL=4%RS，U14%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*=100RL=4RSU1=4VP1=0.04Wii)若Ku=100，则

RL*=1002RL

U15V但

P1=0.0625mW则

RL*=RS

阻抗匹配Ku=5若Pmax_+第16页，共75页，2023年，2月20日，星期一5.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=INUNSN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!第17页，共75页，2023年，2月20日，星期一6.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8.0cos2=j(容性)1cos2=j8.0cos2=j(感性)(阻性)2INI202U2U第18页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.

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，max2Imaxhh第19页，共75页，2023年，2月20日，星期一7.三相变压器某三相变压器，SN=50KVA，U1N=10000V，U2N=400V，绕组接法Y/△，求：i)I1N，I2Nii)I1P，I2P，U1P，U2Piii)原、副边线电压之比i)∵理想变压器解：ii)原边Y:副边△:∴S1N=S2N=SN线电压线电流第20页，共75页，2023年，2月20日，星期一3)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，I2Nii)I1P，I2P，U1P，U2Piii)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第21页，共75页，2023年，2月20日，星期一=+15.2机电能量变换与电动机分类第22页，共75页，2023年，2月20日，星期一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第23页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.3.5三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第24页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.3三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发电机电动机电能)(机械能机械能)(电能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第25页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.3.1三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第26页，共75页，2023年，2月20日，星期一“△”型连接“Y”型连接W1U1V1V2W2U2电源W1U1V1V2W2U2电源W1U1V1V2W2U2U1U2V1W1V2W2接线方式第27页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、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第28页，共75页，2023年，2月20日，星期一闭合，产生i产生F=Bli在T=F·r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=BlvSN

n1Fn15.3.2三相异步电动机的工作原理F一、工作原理第29页，共75页，2023年，2月20日，星期一U1W2W1V2V1U2二、旋转磁场1.旋转磁场的产生

iA=ImsinωtiB=Imsin(ωt-1200)iC=Imsin(ωt+1200)iiBiCiA0120120120NSU1W2W1U2V2V1NSU1U2W2W1V2V1NS旋转大小不变

合成磁场第30页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.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U1U2W2W1V2V1iiBiCiA0(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n1n1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?第31页，共75页，2023年，2月20日，星期一U1U2U1/U2/V1V2V1/V2/W1W2W1/W2/iiBiCiA0串联:U1U2U1/U2/V1V2V1/V2/W1W2W1/W2/NSNSSSNN2)当磁极对数

p=2时n1，n1=60f1/2第32页，共75页，2023年，2月20日，星期一3)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s1.n<n12.

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

0s=1第33页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.3.3三相异步电动机的电磁转矩与转速的关系一、电磁转矩TU1n1vE2I2FTn电磁转矩∵

n=0s=1∴

f2=f1∵

E20=4.44f1N2m∴E2=sE20E2=4.44f2N2mE2=sE20第34页，共75页，2023年，2月20日，星期一1.T与s有着直接的关系s

很小

0，T∝ss

很大

∞，T∝1/s0Ts1最大转矩起动转矩TstTm额定转矩TNscsN临界转差率额定转差率2.,并与R2有关令U1'U10TsscR2'R20TsTm第35页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、异步电动机的机械特性n=f(TL)n=f(T)0Ts1n0n1TstTm0n1nT90T:电磁转矩TL:负载转矩T0:空载转矩转轴转矩阻转矩Tm减速平衡加速忽略第36页，共75页，2023年，2月20日，星期一A点：B点：B点：A点为稳定点电动机停转机械特性曲线

n=f(T)TstTm0n1nTTLABB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nc15.3.4三相异步电动机的工作特点A点：第37页，共75页，2023年，2月20日，星期一3.额定转矩T:N.m,P:W,n:r/min4.机械过载能力一般1.8~2.25.起动能力一般1.4~2.2机械特性曲线

n=f(T)TstTm0n1nT常用公式：T:N.m,P:kW,n:r/minT:N.m,P:kW,n:r/min第38页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.3.5三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第39页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、降压起动1.“Ｙ-△”换接起动法

第40页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.自耦降压起动1)抽头k=73%、64%或55%电动机电源根据对起动转矩的要求而选用2)

第41页，共75页，2023年，2月20日，星期一3.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软起动器M3~UVWL1L2L3ILIm1Im2It0Ut0UNU0t1第42页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、

绕线型电动机的起动方法0Tnn1适用起动转矩较大的生产机械起重机例如:起重机1.2.第43页，共75页，2023年，2月20日，星期一一、变极对数调速NSNSU1U2U1U2U1U2p=2p=1NSU1U2特点:

有级调速p=1p=2,p=2p=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s15.3.6三相异步电动机的调速双速电机第44页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、变转差率s调速R2<R2'U1n10TnTLTL若TL=TN，则I2>I2N，适用于绕线型电动机R2'R20Tnn1第45页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、变频调速1)恒磁通-+~f=50Hz逆变器3~M整流器T不变f可变~(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:第46页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.3.7三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UNnN：380V/220V10A/17.3AY/△定子绕组的线电流INTNnN=9550PNTN其他技术数据：Tst/TNTm/TNIst/IN第47页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、运行特性n1n1I1T在U1N

、f1N条件下，I1、

1

、、n、T与输出机械功率P2的关系1.转速n2.电磁转矩T∵内部有摩擦T

0，且P=

T∴曲线上翘3.定子电流

I1P2

nI1=0.4IN4.功率因数

1

5.效率=P2/P10P2/PNI1、

1、

、T、nP2

ne2I2I11第48页，共75页，2023年，2月20日，星期一1.

旋转磁场转速n1与磁极对数p的关系2.电动机的转速nn<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，取决于电源相序第49页，共75页，2023年，2月20日，星期一4.电磁转矩T5.额定转矩TNT:N.m,P:kW,n:r/min6.功率第50页，共75页，2023年，2月20日，星期一7.起动1）“Ｙ-△”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）变频调速第51页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、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i0第52页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、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T01sT

0s22TT第53页，共75页，2023年，2月20日，星期一四、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i1i2C~W2SW190°t0i45°i1i2W1W2W1W2W1W2t=0°t=45°t=90°两相旋转磁场的产生第54页，共75页，2023年，2月20日，星期一2．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~~第55页，共75页，2023年，2月20日，星期一15.9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第56页，共75页，2023年，2月20日，星期一一.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第57页，共75页，2023年，2月20日，星期一电磁铁励磁线圈、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第58页，共75页，2023年，2月20日，星期一二.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PLC2)按控制目的开环闭环检测(电机)自耦变压器U1U23)按控制手段手动自动4)按控制距离就地远程第59页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.继电接触器控制主电路控制电路用电设备主令电器接触器/继电器(大电流)手动电器(小电流)(温度)(时间)第60页，共75页，2023年，2月20日，星期一三.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QS电源用户QSQS2.转换开关(SR)静触点动触点(QS)转换手柄第61页，共75页，2023年，2月20日，星期一3.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、欠压保护第62页，共75页，2023年，2月20日，星期一三相自动空气开关第63页，共75页，2023年，2月20日，星期一单相自动空气开关第64页，共75页，2023年，2月20日，星期一3)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动合触点动断触点SB第65页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.行程开关1)原理：触杆动断触点动