電機與電氣控制技術

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(jīng)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(chǎn)生磁通 分主磁通和漏磁通 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(nèi)電流的代數(shù)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 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(shù)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(chǎn)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 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 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(shù)比 就能改變輸出電壓 K為變比 原 副邊電壓關系 根據(jù)交流磁路的分析可得 時 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(chǎn)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(shù)成反比 由于變壓器鐵芯材料的導磁率高 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 輸出功率提高了很多 原因是滿足了電路中獲得最大輸出的條件 信號源內(nèi) 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(shù)據(jù) 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(chǎn)生的磁通方向相同 則兩個流入端稱為同極性端 同名端 或者說 當鐵芯中磁通變化 增大或減小 時 在兩線圈中產(chǎn)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(lián)結2 3 110V 聯(lián)結1 3 2 4 線圈的接法 220V 聯(lián)結2 3 勵磁 兩種接法下線圈工作情況的分析 110V 聯(lián)結1 3 2 4 220V 聯(lián)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 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(shù)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 便可得到不同的輸出電壓 實驗室中用的調(diào)壓器就是根據(jù)此原理制作的 注意 原 副邊千萬不能對調(diào)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(shù) 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(shù) 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(chǎn)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(chǎn)生感應電動勢或電流 三相定子繞組 產(chǎn)生旋轉磁場 旋轉磁場的產(chǎn)生 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(shù) P 的概念 極對數(shù) P 的改變 將每相繞組分成兩段 按右下圖放入定子槽內(nèi) 形成的磁場則是兩對磁極 極對數(shù) 極對數(shù)和轉速的關系 三相異步電動機的同步轉速 極對數(shù) 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 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(shù) 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(shù) 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(jù)轉矩公式 可見 轉矩特性曲線會出現(xiàn)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(shù) 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(diào)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 機械特性和電路參數(shù)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(shù)據(jù) 1 型號Y132M 4 轉差率 3三相異步電動機的使用 3 聯(lián)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不能高于或低于額定值的5 例 380 220Y 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 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(shù)很低約為0 2 0 3 額定負載時 功率因數(shù)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(xiàn)象 7 功率因數(shù) cos 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?shù)腞串入轉子繞組中 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換 就可實現(xiàn)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(chǎn)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 產(chǎn)生制動轉矩 5 三相異步電動機的調(diào)速 3 改變電源頻率 變頻調(diào)速 無級調(diào)速 此種調(diào)速方法發(fā)展很快 且調(diào)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 單相異步電動機的特點 1 自身沒有起動轉矩 當定子繞組產(chǎn)生的合成磁場增加時 根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)容從略 15 6電氣控制技術 1常用低壓控制電器2基本控制環(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 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(lián)在主電路中 串聯(lián)在控制電路中 電機起動 停車 點動 連續(xù)運行 多地點控制 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 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(lián) 兩停車按鈕串聯(lián) 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 QS 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 QS KH 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(shù)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 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 控制電路 實現(xiàn)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(lián) 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 Ist 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 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(xiàn)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