《电磁与电动器》PPT课件

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,R2<R2,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?,