電機與電氣控制技術

1、第15章 電機與電氣控制技術,15.1 磁路與變壓器,15.2 異步電動機,*15.3 同步電動機,*15.4 直流電動機,*15.5 控制電機,15.6 電氣控制技術基礎,,15.1 磁路與變壓器1 磁路基礎與磁路定律2 變壓器的工作原理3 變壓器的使用4 特殊變壓器簡介,,磁路：主磁通所經過的閉合路徑。構成磁路的重 要材料是鐵磁性材料。,1.磁路基礎與磁路基本定律,1） 磁路基礎,線圈通入電流后，產生磁通，分主磁

2、通和漏磁通。,2） 磁路計算中的基本物理量,與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線）。,二、磁導率,：表征各種材料導磁能力的物理量,三、磁場強度 H,磁場強度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應強度和導磁率之比。,磁性材料的磁性能：,一. 安培環(huán)路定律（全電流律）：,,3 磁路的基本定律,磁場中任何閉合回路磁場強度的線積分,等于通過這個閉合路徑內電流的代數和.,電流方向和磁場強度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負。,

3、在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：,磁路長度L,線圈匝數N,,HL：稱為磁壓降。,總磁動勢,在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場強度不等）中，總磁動勢等于各段磁壓降之和。,例：,對于均勻磁路,二. 磁路的歐姆律：,磁路和電路的比較（一）,磁路,電路,,磁通,,,,,,,,,I,N,,,,R,,,+,_,E,,,,I,磁壓降,磁動勢,,U,,基本定律,磁阻,磁感應強

4、度,安培環(huán)路定律,磁 路,,,,,,,,,,I,N,,,歐姆定律,電阻,電流強度,基氏電壓定律,基氏電流定律,,,,,,磁路與電路的比較 (二),,電 路,,R,,+,_,E,,,,I,,,,,,勵磁電流：在磁路中用來產生磁通的電流,4 磁路的分析,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,U,,一.直流磁路的分析,直流磁路的特點:,直流磁路和電路中的恒壓源類似,（R 為線圈的電阻）,電路方程：,一般情況下 很小,

5、二. 交流磁路的分析,,假設,則,最大值,有效值,,,,,,,,,,,,,,u,,,,,i,交流磁路的特點:,交流磁路中磁阻 對電流的影響,電磁鐵吸合過程的分析：,在吸合過程中若外加電壓不變, 則 基本不變。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,i,u,,(U不變，I不變）,( I 隨 Rm 變化）,（ U不變時， 基本不變）,直流磁路,交流磁路,,,,磁路小結,,,,（,隨Rm變化）,變壓器功能：

6、,2) 變壓器的工作原理,變壓器應用舉例,單相變壓器,變壓器的基本結構和工作原理,一.結構：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,工作過程：,空載運行 ：原邊接入電源，副邊開路。,接上交流電源,二. 工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,（ 方向符合右手定則）,,,結論：改變匝數比，就能改變輸出電壓。,K為變比,原、副邊電壓關系,根據交流磁路的分析可得：,時,

7、（變電壓）,負載運行,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Z,,副邊帶負載后對磁路的影響：在副邊感應電壓的作用下，副邊線圈中有了電流 i2 。此電流在磁路中也會產生磁通，從而影響原邊電流 i1。但當外加電壓、頻率不變時，鐵芯中主磁通的最大值在變壓器空載或有負載時基本不變 。帶負載后磁動勢的平衡關系為：,結論：原、副邊電流與匝數成反比,由于變壓器鐵芯

8、材料的導磁率高、空載勵磁電流 很小，可忽略 。即：,原、副邊電流關系,（變電流）,,（變阻抗）,原、副邊阻抗關系,從原邊等效：,結論：變壓器原邊的等效負載，為副邊所帶負載乘以 變比的平方。,阻抗變換舉例：揚聲器上如何得到最大輸出功率,求：負載上得到的功率,解：（1）將負載直接接到信號源上得到的輸出功率為：,（2）將負載通過變壓器接到信號源上。,輸出功率為：,結論：由此例可見加入變壓器以后，輸出功率提高了

9、 很多。原因是滿足了電路中獲得最大輸出的條 件（信號源內、外阻抗差不多相等）。,? 額定電壓 變壓器副邊開路（空載）時，原、副邊繞組允 許的電壓值。,? 額定電流 變壓器滿載運行時，原、副邊繞組允許的電流值。,1 變壓器的銘牌數據（以單相變壓器為例）,3 ) 變壓器的使用,注意：變壓器幾個功率的關系,2 變壓器的效率(?),為防止渦流損失，鐵芯一般由一片片導磁材料疊合而成。,3 變壓器的外特

10、性,副邊輸出電壓和輸出電流的關系。即：,U20：原邊加額定電壓、副邊開路時，副邊的輸出電壓。,當電流流入兩個線圈(或流出）時，若產生的磁通方向相同，則兩個流入端稱為同極性端（同名端）?；蛘哒f，當鐵芯中磁通變化（增大或減?。r，在兩線圈中產生的感應電動勢極性相同的兩端為同極性端。,同極性端(同名端),4 變壓器繞組極性及連接方法,電器使用時兩種電壓（220V/110V）的切換：,220V： 聯結 2 －3,110V： 聯結 1 －

11、3，2 －4,線圈的接法,220V：聯結 2 －3,勵磁,兩種接法下線圈工作情況的分析,110V：聯結 1 －3，2 －4,220V：聯結 2 －3,,問題1：在110V 情況下，如果只用一個繞組（N），行不行？,答：不行（兩繞組必須并繞）,原邊有兩個相同繞組的電源變壓器（220 / 110），使用中應注意的問題：,問題2：如果兩繞組的極性端接錯，結果如何？,結論：在極性不明確時，一定要先測定極性再通電。,答：有可能燒毀變壓器,方法一：

12、交流法,,同極性端的測定方法,若 說明 A 與 a 或 X 與 x 為同 極性端。,測量：,方法二：直流法,,變壓器設計中的一些概念(1),定鐵芯窗口,定導線直徑,,,,在同樣變比情況下，匝數多好，還是少好？,變壓器設計中的一些概念(2),1 自耦變壓器,,,4 ) 特殊變壓器簡介,使用時，改變滑動端的位置，便可得到不

13、同的輸出電壓。實驗室中用的調壓器就是根據此原理制作的。注意：原、副邊千萬不能對調使用，以防變壓器損壞。因為N變小時，磁通增大，電流會迅速增加。,2 電壓互感器：用低量程的電壓表測高電壓,,被測電壓=電壓表讀數 ? N1/N2,3 電流互感器：用低量程的電流表測大電流,被測電流=電流表讀數 ? N2/N1,15.2 異步電動機,1.三相異步電動機的結構 與工作原理2.三相異步電動機的機械特性3.三相異步電動機的使用4.單相異

14、步電動機,,,交流電動機,電動機,直流電動機,,他勵、并勵、串勵、復勵,電動機的分類,,,,,1 .三相異步電動機的結構與工作原理,,磁極旋轉,導線切割磁力線產生感應電動勢,,導線長,切割速度,（右手定則）,,,,,,,,異步,2. 線圈比磁場轉得慢,三相異步機的結構,轉子：在旋轉磁場作用下， 產生感應電動勢或 電流。,三相定子繞組：產生旋轉 磁場。,旋轉磁場的產生,,,,,,,,,,,,

15、,A,Y,C,B,Z,異步機中,旋轉磁場代替了旋轉磁極,,,,,,,,(?)電流出,(?)電流入,,,,,,,X,,,合成磁場方向：向下,,,,,同理分析，可得其它電流角度下的磁場方向：,,,,,旋轉方向：取決于三相電流的相序。,改變電機的旋轉方向：換接其中兩相,,,,,,,,,旋轉磁場的旋轉方向,旋轉磁場的轉速大小,,,,,,極對數（P）的概念,極對數（P）的改變,,將每相繞組分成兩段，按右下圖放入定子槽內。形成的磁場則是兩對

16、磁極。,極對數,,,極對數和轉速的關系,三相異步電動機的同步轉速,,極對數,每個電流周期磁場轉過的空間角度,同步轉速,,,,,電動機轉速和旋轉磁場同步轉速的關系,電動機轉速:,轉差率 的概念：,異步電機運行中:,轉差率為旋轉磁場的同步轉速和電動機轉速之差。即：,例：異步電動機的額定轉速nN=720r/min，電源頻率為50Hz.,求：電機是幾極？額定轉差率是多少？,解：,額定轉速接近同步轉速n0=750r/min,

17、該電機是8極電機,1 三相異步電動機的“電－磁”關系,2 三相異步電動機的機械特性,,,,取決于轉子和旋轉磁場的相對速度,,,轉子功率因數,電磁轉矩 T：轉子中各載流導體在旋轉磁場的作用下,受到電磁力所形成的轉距之總和。,常數,每極磁通,轉子電流,轉子電路的,轉矩公式的推導,得到轉矩公式,2 三相電動機的機械特性,,根據轉矩公式,可見，轉矩特性曲線會出現最大值Tmax，轉差率為臨界轉差率sm,三個結論,,（1）T、Tmax與U1成正

18、比,（2）Tmax與R2無關,（3）Sm與R2成正比,三個重要轉矩,,,n0,T,n,,（牛頓?米）,如果 電機將會因帶不動負載而停轉。,,,n0,T,n,,,求解,,過載系數：,三相異步機,,,,,n0,T,n,,電動機的自適應負載能力,電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整，這種能力稱為自適應負載能力。,直至新的平衡。此過程中， 時， 電源提供的功率自動增加。,機械特

19、性和電路參數的關系,,,,與電壓的關系,結論：,與轉子電阻的關系,,,機械特性的軟硬,硬特性：負載變化時，轉速變化不大，運行特性好。軟特性：負載增加轉速下降較快，但起動轉矩大，起 動特性好。 ,,1）三相異步機銘牌與技術數據,（1）型號 Y 132M－4,,轉差率,3 三相異步電動機的使用,,（3） 聯接方式：Y/ ?接法：,（4） 額定電壓：定子繞組在指定接法下應加的線電壓.,說明：一般規(guī)定電動機的運行電壓

20、不能高于或低于額定值的 5 ％。,例：380/220 Y/?是指：線電壓為380V時采用Y接法； 當線電壓為220V時采用?接法。,,,電壓波動對電動機的影響,,,,（5） 額定電流：定子繞組在指定接法下的線電流。,如：,表示三角接法下，電機的線電流為11.2A，相電流為6.48A；星形接法時線、相電流均為6.48A。,（6）額定功率： 額定功率指電機在額定運行時軸上輸出的功率（ ），不等于從電源吸收的功率（

21、 ）。兩者的關系為：,其中,例：三相異步電動機，PN=45kw。F=50Hz，nN=2970r/M,?=91.5％，,起動能力=2，,求：s、TN、Tst、Tmax、P1N,解：同步轉速n0=3000r/M,S=0.01,額定負載時一般為0.7 ~ 0.9 ， 空載時功率因數很低約為0.2 ~ 0.3。額定負載時，功率因數最大。,注意：實用中應選擇合適容量的電機，防止“大馬” 拉“小車”的現象。,（7）功率因數(co

22、s?1)：,,,,P2,,PN,cos?1,2）三相異步機的起動,,三相異步機的起動方法：,（1） 直接起動。二三十千瓦以下的異步電動機一般 采用直接起動。,（3）轉子串電阻起動。,,Y－ ? 起動：,,,,轉子串電阻起動,起動時將適當的R串入轉子繞組中，起動后將R短路。,轉子串電阻起動的特點：,（2）R2選的適當，轉子串電阻既可以降低起動電流， 又可以增加起動力矩。,方法：和電源相接的任意兩相互

23、換，就可實現反轉。,3）三相異步電動機的正、反轉,制動方法： 1. 抱閘：加機械抱閘； 2. 反接制動：停車時，將電動機接電源的意兩相反接，使電動機由原來的旋轉方向反過來，以達制動的目的；,4 ）三相異步電動機的制動,4.發(fā)電反饋制動： 令電機轉子的轉速超過 旋轉磁場的同步轉速，便 會產生制動轉矩。,3. 能耗制動：停車時，斷開交流電源，接至直流 電源上

24、，產生制動轉矩；,5.三相異步電動機的調速,,3. 改變電源頻率 (變頻調速) 無級調速,此種調速方法發(fā)展很快，且調速性能較好。其主要環(huán)節(jié)是研制變頻電源（常由整流器、逆變器等組成）。,4 單相異步電動機,1）單相異步電動機的工作原理,結構：定子放單相繞組（其中通單相交流電）； 轉子一般用鼠籠式。,定子中通入單相交流電后，形成脈動磁場。其磁感應強度按正弦分布，且隨時間按正弦變化。,單相異步電動機

25、的特點：,（1）自身沒有起動轉矩,,?,當定子繞組產生的合成磁場增加時，根據右手螺旋定則和左手定則，可知轉子導條左、右受力大小相等方向相反，所以沒有起動轉矩。,（2）轉子借助其它力量轉動后，外力去除后仍按原方 向繼續(xù)轉動。其原理分析如下：,定子繞組產生的脈動磁場（?），可用正、反兩個旋轉磁場合成而等效。即：,脈動磁場的分解,,,?,,正反向旋轉磁場的合成轉矩特性,,,,,合成轉矩,,（正向）,（反向）,電容分相式起動,2 ）單

26、相異步電動機的起動,,罩極式單相電機,定子通入電流以后，部分磁通穿過短路環(huán)，并在其中產生感應電流。短路環(huán)中的電流阻礙磁通的變化，致使有短路環(huán)部分和沒有短路環(huán)部分產生的磁通有了相位差，從而形成旋轉磁場，使轉子轉起來。,圖中電機的轉動方向：瞬時針旋轉。因為沒有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領先。,*15.3 同步電動機,*15.4 直流電動機,*15.5 控制電機,三節(jié)內容從略,15.6電氣控制技術,1 常用低壓控制電器2 基本

27、控制環(huán)節(jié)3 電動機的保護4 控制電路綜合舉例,低壓電器,配電電器,控制電器,開關熔斷器……,接觸器繼電器起動器……,時間繼電器熱繼電器……,,,,,1 低壓電器簡介,,1 ）刀閘開關,,,,,,,,,,,,控制對象：380V， 5.5kW 以下小電機,考慮到電機較大的起動電流，刀閘的額定電流值應如下選擇：（3~5)*異步電機額定電流,電路符號,QS,2 )熔斷器,作用：用于短路保護。,3)按鈕（帶自鎖、不帶

28、自鎖）,4)行程開關,用作電路的限位保護、行程控制、自動切換等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,5)接觸器,接觸器有關符號：,,,簡單的接觸器控制,A,B,C,M3~,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,刀閘起隔離作用,自保持,停止按鈕,起動按鈕,,,,,,,,,,,,,,,,6)繼電器,繼電器和接觸器的工作原理一樣。

29、主要區(qū)別在于，接觸器 的主觸頭可以通過大電流，而繼電器的 觸頭只能通過小電流。所以，繼電器只能用于控制電路中。,發(fā)熱元件,,功能：過載保護,熱繼電器,結構：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,I,,,常閉觸頭,,,,,,,熱繼電器的符號,發(fā)熱元件,串聯在主電路中,串聯在控制電路中,電機起動、停車（點動、連續(xù)運行、多地點

30、 控制、順序控制等） 電機正反轉控制 行程控制 時間控制 速度控制 ……,2.基本控制環(huán)節(jié),,1 )異步機的直接起動（1）,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,KM,FU,QS,,,,B',C',KM,SB,,,點動控制,,,動作過程,控制電路,主電路,異步機的直接起動（2）,電動機連續(xù)運行,自保的作用,,,KM,SB1,,,KM,SB2,KH,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,KM,FU

31、,QS,,,KH,,異步機的直接起動 + 過載保護,,例如：甲、乙兩地同時控制一臺電機,方法：兩起動按鈕并聯；兩停車按鈕串聯。,多處控制,,,,,,FU,,方法一：用復合按鈕。,點動+連續(xù)運行(1),,主電路,控制電路,點動+連續(xù)運行(2),,,SB,,KA,SB1,,,KA,SB2,KH,,,KM,,,,KA,,,,方法二：加中間繼電器（KA）。,,,2 電機的正反轉控制(1),,,,,,,,,,,,,,A,B,C,KMF,FU,Q

32、S,,,KH,,,,,,,,電機的正反轉控制(2) -- 加互鎖,互鎖作用：正轉時，SBR不起作用；反轉 時，SBF不起作用。從而避免兩觸發(fā) 器同時工作造成主回路短路。,KMF,SB1,,KMF,,,,,,SBF,,,,,,,KH,,,,,,KMR,,,,KMR,,,,,,,,,,,,,M3~,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,KMF,FU,Q S,,,KH,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

33、,,,,,,,,,,,,,,,,KMF,SB1,,KMF,SBF,KH,,,,,KMR,,,KMR,,,,,,KMR,KMF,電機的正反轉控制(3)--雙重互鎖,KMR,,,,,,,,,,,,,M3~,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,KMF,FU,QS,,,KH,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,3 行程控制,行程控制電路（1）,,（反向運行同樣分析）,,,行程控制(2) --自動往復運動,,,,正

34、程,逆程,,,電機,工作要求：1. 能正向運行也能反向運行 2. 到位后能自動返回,,,,,自動往復運動控制電路,時間繼電器定時類型：,鐘表式,空氣式,電子式,阻容式數字式,,,4 定時控制,。。。。。。。。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,空氣式時間繼電器的工作原理,,時間繼電器觸頭類型,,通 電 式,瞬

35、時動作,延時動作,常閉觸點,常開觸點,常開通電后延時閉合,常閉通電后延時斷開,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,KM,FU,QS,,,KH,,,,,,,,,,A',x,B',y,C',z,定時控制--舉例：,主電路,（1）電機的Y－?起動,,,,,,Y?? 轉換完成,控制要求： 1. M1 起動后，M2才能起動 2. M2 可單獨停,（2）順序控制,順序控制電路（1

36、）：兩電機只保證起動的先后順序， 沒有延時要求。,,控制電路,不可以 ! 兩電機各自要有獨立的電源；這樣接，主觸頭（KM1）的負荷過重。,,,,,,,,,,,,,,,,,,主電路,控制電路,,,,,,,,,,,,,,,,KM1,SB1,SB2,KT,,,,,KH,KM1,,,,KM2,,,,,,KM2,KT,順序控制電路(2)：M1起動后，M2延時起動。,SB2 ?,,主電路同前,控

37、制電路,實現M1起動后M2延時起動的順序控制，用以下電路是否可以？,,不可以！繼電器、接觸器的線圈有各自的額定值，線圈不能串聯。,,5 速度控制,,,,,,,,,,,,,,,速度繼電器,速度控制－反接制動電路,,,,,,,,,,,,,,,,KM1,R,,,,,,,,,,,KM2,,,,,,,,,,,,,,,KS,3.電動機的保護,電動機保護的類型：,失壓保護：采用繼電器、接觸器控制,短路保護：加熔斷器,過載保護：加熱繼電

38、器,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,KM,FU,QS,,主電路,1 失壓保護：采用繼電器、接觸器控制,,2 短路保護：加熔斷器,頻繁起動 的電機：,異步電動機的起動電流 （ Is t）約為額定電流（IN）的 (5~7）倍。選擇熔體額定電流 （ ）時，必須躲開起動電流，但對短路電流仍能起保護作用。通常用以下關系：,一般電機：,電機工作時，若因負載過重而使電流增大，但又比短路電流小。此時熔斷器起不了保護作用

39、，應加熱繼電器，進行過載保護。,3 過載保護：加熱繼電器,作用：可實現短路、過載、失壓保護。,自動空氣斷路器（自動開關）,工作原理：過流時，過流脫扣器將脫鉤頂開，斷開電 源；欠壓時，欠壓脫扣器將脫鉤頂開，斷開電源。,例(1)----運料小車的控制,設計一個運料小車控制電路，同時滿足以下要求： 1. 小車啟動后，前進到A地。然后做以下往復運動： 到A地后停2分鐘等待裝料，然后自動走向B。 到B地后停

40、2分鐘等待卸料，然后自動走向A。 2. 有過載和短路保護。 3. 小車可停在任意位置。,4 控制電路綜合舉例,運料小車控制電路,,KMR,,STa 、STb 為A、B 兩端的限位開關,KTa 、KTb 為兩個時間繼電器,,主回路,該電路的問題：小車在兩極端位置時，不 能停車。,動作過程,SBF??KMF??小車正向運行?至A端?撞STa ?KTa? ?延時2分鐘?KMR ? ?小車反向

41、運行?至B端?撞STb? KTb? ?延時2分鐘?KMF ? ?小車正向運行……如此往反運行。,,,KMF,,,,KMF,KH,,KMR,,,SB1,,STa,,,,,STa,KTa,STb,,,,,KTb,,KMR,,KMR,KMF,STb,KTa,,,,KMF,,,,,,KMF,,,,KMR,KH,,STa,STb,,,,,KTb,,KMR,,KTa,KMR,KMF,STb,,,,SB1,,,SB2,加中間繼電器（KA）實

42、現任意位置停車的要求,,,,,---工作臺位置控制,控制電路綜合舉例：例(2),起動后工作臺控制要求：,工作臺位置控制電路,工作臺位置控制電路,該電路有何問題？,電路的改進方法同前：,加中間繼電器（KA）,繼電器、接觸器控制電路讀圖和設計中應注意的問題：,小 結,1、首先了解工藝過程及控制要求；2、搞清控制系統中各電機、電器的作用以及它們的 控制關系；3、主電路、控制電路分開閱讀或設計；4、控制電路中，根據控制要求按自上