电机与电气控制技术

1、第15章 电机与电气控制技术,15.1 磁路与变压器,15.2 异步电动机,*15.3 同步电动机,*15.4 直流电动机,*15.5 控制电机,15.6 电气控制技术基础,15.1 磁路与变压器 1 磁路基础与磁路定律 2 变压器的工作原理 3 变压器的使用 4 特殊变压器简介,磁路：主磁通所经过的闭合路径。构成磁路的重 要材料是铁磁性材料。,1.磁路基础与磁路基本定律,1） 磁路基础,线圈通入电流后，产生磁通，分主磁通和漏磁通。,2） 磁路计算中的基本物理量,与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）。,二、磁导率,：表征各种材料导磁能力的物理量,三、磁场强度 H,磁场强度是计算磁场

2、所用的物理量，其大小为磁 感应强度和导磁率之比。,磁性材料的磁性能：,一. 安培环路定律（全电流律）：,3 磁路的基本定律,磁场中任何闭合回路磁场强度的线积分,等于通过这个闭合路径内电流的代数和.,电流方向和磁场强度的方向 符合右手定则，电流取正； 否则取负。,在无分支的均匀磁路（磁路的材料和截面积相同，各处的磁场强度相等）中，安培环路定律可写成：,磁路 长度L,线圈 匝数N,HL：称为磁压降。,总磁动势,在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中，总磁动势等于各段磁压降之和。,例：,对于均匀磁路,二. 磁路的欧姆律：,磁路和电路的比较（一）,磁 路,电 路,磁通,I,N,R,+

3、,_,E,I,磁压降,磁动势,U,基本定律,磁阻,磁感应 强度,安培环路 定律,磁 路,I,N,欧姆定律,电阻,电流 强度,基氏 电压定律,基氏 电流定律,磁路与电路的比较 (二),电 路,R,+,_,E,I,励磁电流：在磁路中用来产生磁通的电流,4 磁路的分析,I,U,一.直流磁路的分析,直流磁路的特点:,直流磁路和电路中的恒压源类似,（R 为线圈的电阻）,电路方程：,一般情况下 很小,二. 交流磁路的分析,假设,则,最大值,有效值,u,i,交流磁路的特点:,交流磁路中磁阻 对电流的影响,电磁铁吸合过程的分析：,在吸合过程中若外加电压不变, 则 基本不变。,i,u,(U不变，I不变）,( I

4、 随 Rm 变化）,（ U不变时， 基本不变）,直流磁路,交流磁路,磁路小结,（,随Rm变化）,变压器功能：,2) 变压器的工作原理,变压器应用举例,单相变压器,变压器的基本结构和工作原理,一.结构：,工作过程：,空载运行 ：原边接入电源，副边开路。,接上交流电源,二. 工作原理,（ 方向符合右手定则）,结论：改变匝数比，就能改变输出电压。,K为变比,原、副边电压关系,根据交流磁路的分析 可得：,时,（变电压）,负载运行,Z,副边带负载后对磁路的 影响：在副边感应电压的 作用下，副边线圈中有了 电流 i2 。此电流在磁路中 也会产生磁通，从而影响原边电流 i1。但当外加电压、频率不变时，铁芯中

5、主磁通的最大值在变压器空载或有负载时基本不变 。带负载后磁动势的平衡关系为：,结论：原、副边电流与匝数成反比,由于变压器铁芯材料的导磁率高、空载励磁电流 很小，可忽略 。即：,原、副边电流关系,（变电流）,（变阻抗）,原、副边阻抗关系,从原边等效：,结论：变压器原边的等效负载，为副边所带负载乘以 变比的平方。,阻抗变换举例：扬声器上如何得到最大输出功率,求：负载上得到的功率,解：（1）将负载直接接到信号源上得到的输出功率为：,（2）将负载通过变压器接到信号源上。,输出功率为：,结论：由此例可见加入变压器以后，输出功率提高了 很多。原因是满足了电路中获得最大输出的条 件（信号源内、外阻抗差不多相

6、等）。, 额定电压 变压器副边开路（空载）时，原、副边绕组允 许的电压值。, 额定电流 变压器满载运行时，原、副边绕组允许的电流值。,1 变压器的铭牌数据（以单相变压器为例）,3 ) 变压器的使用,注意：变压器几个功率的关系,2 变压器的效率(),为防止涡流损失，铁芯一般由一片片导磁材料叠合而成。,3 变压器的外特性,副边输出电压和输出电流的关系。即：,U20：原边加额定电压、 副边开路时，副边的输 出电压。,当电流流入两个线圈(或流出）时，若产生的磁通方向相同，则两个流入端称为同极性端（同名端）。或者说，当铁芯中磁通变化（增大或减小）时，在两线圈中产生的感应电动势极性相同的两端为同极性端。,

7、同极性端(同名端),4 变压器绕组极性及连接方法,电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：,220V： 联结 2 3,110V： 联结 1 3，2 4,线圈的接法,220V：联结 2 3,励磁,两种接法下线圈工作情况的分析,110V：联结 1 3，2 4,220V：联结 2 3,问题1：在110V 情况下，如果只用一个绕组（N），行不行？,答：不行（两绕组必须并绕）,原边有两个相同绕组的电源变压器（220 / 110），使用中应注意的问题：,问题2：如果两绕组的极性端接错，结果如何？,结论：在极性不明确时，一定要先测定极性再通电。,答：有可能烧毁变压器,方法一：交流法,同极性端的测定方

8、法,若 说明 A 与 a 或 X 与 x 为同 极性端。,测量：,方法二：直流法,变压器设计中的一些概念(1),定铁芯窗口,定导线直径,在同样变比情况下，匝数多好，还是少好？,变压器设计中的一些概念(2),1 自耦变压器,4 ) 特殊变压器简介,使用时，改变滑动端的位置，便可得到不同的输出电压。实验室中用的调压器就是根据此原理制作的。注意：原、副边千万不能对调使用，以防变压器损坏。因为N变小时，磁通增大，电流会迅速增加。,2 电压互感器：用低量程的电压表测高电压,被测电压=电压表读数 N1/N2,3 电流互感器：用低量程的电流表测大电流,被测电流=电流表读数 N2/N1,15.2 异步电动机,

9、1.三相异步电动机的结构 与工作原理 2.三相异步电动机的机械特性 3.三相异步电动机的使用 4.单相异步电动机,交流电动机,电动机,直流电动机,他励、并励、串励、复励,电动机的分类,1 .三相异步电动机的结构与工作原理,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,切割速度,（右手定则）,异步,2. 线圈比磁场转得慢,三相异步机的结构,转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。,三相定子绕组：产生旋转 磁场。,旋转磁场的产生,A,Y,C,B,Z,异步机中,旋转磁场代替了旋转磁极,()电流出,()电流入,X,合成磁场方向： 向下,同理分析，可得 其它电流角度下 的磁场方向：,旋转方向

10、：取决于三相电流的相序。,改变电机的旋转方向：换接其中两相,旋转磁场的旋转方向,旋转磁场的转速大小,极对数（P）的概念,极对数（P）的改变,将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形 成的磁场则是两对磁极。,极对数,极对数和转速的关系,三相异步电动机的同步转速,极对数,每个电流周期 磁场转过的空间角度,同步转速,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速:,转差率 的概念：,异步电机运行中:,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：,例：异步电动机的额定转速nN=720r/min，电源频率为50Hz.,求：电机是几极？额定转差率是多少？,解：,额定转速接近同步转速n0=750r/

11、min,该电机是8极电机,1 三相异步电动机的“电磁”关系,2 三相异步电动机的机械特性,取决于转子和旋转磁场的相对速度,转子功率因数,电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。,常数,每极磁通,转子电流,转子电路的,转矩公式的推导,得到转矩公式,2 三相电动机的机械特性,根据转矩公式,可见，转矩特性曲线会出现最大值Tmax，转差率为临界转差率sm,三个结论,（1）T、Tmax与U1成正比,（2）Tmax与R2无关,（3）Sm与R2成正比,三个重要转矩,n0,T,n,（牛顿米）,如果 电机将会 因带不动负载而停转。,n0,T,n,求解,过载系数：,三相异

12、步机,n0,T,n,电动机的自适应负载能力,电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整， 这种能力称为自适应负载能力。,直至新的平衡。此过程中， 时， 电源提供的功率自动 增加。,机械特性和电路参数的关系,与电压的关系,结论：,与转子电阻的关系,机械特性的软硬,硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。 软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起 动特性好。 ,1）三相异步机铭牌与技术数据,（1）型号 Y 132M4,转差率,3 三相异步电动机的使用,（3） 联接方式：Y/ 接法：,（4） 额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压.,说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值

13、的 5 。,例：380/220 Y/是指：线电压为380V时采用Y接法； 当线电压为220V时采用接法。,电压波动对电动机的影响,（5） 额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。,如：,表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。,（6）额定功率： 额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率 （ ），不等于从电源吸收的功率（ ）。两者的关系为：,其中,例：三相异步电动机，PN=45kw。F=50Hz，nN=2970r/M,=91.5，,起动能力=2，,求：s、TN、Tst、Tmax、P1N,解：同步转速n0=3000r/M,S=0.01,额定

14、负载时一般为0.7 0.9 ， 空载时功率因数很低约为0.2 0.3。额定负载时，功率因数最大。,注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马” 拉“小车”的现象。,（7）功率因数(cos1)：,P2,PN,cos1,2）三相异步机的起动,三相异步机的起动方法：,（1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。,（3）转子串电阻起动。,Y 起动：,转子串电阻起动,起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。,转子串电阻起动的特点：,（2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流， 又可以增加起动力矩。,方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。,3）三相异步电动机的正

15、、反转,制动方法： 1. 抱闸：加机械抱闸； 2. 反接制动：停车时，将电动机接电源的意 两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；,4 ）三相异步电动机的制动,4.发电反馈制动： 令电机转子的转速超过 旋转磁场的同步转速，便 会产生制动转矩。,3. 能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流 电源上，产生制动转矩；,5.三相异步电动机的调速,3. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速,此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。,4 单相异步电动机,1）单相异步电动机的工作原理,结构：定子放单相绕组（其中通单相交流电）； 转子一般

16、用鼠笼式。,定子中通入单相交 流电后，形成脉动 磁场。其磁感应强 度按正弦分布，且 随时间按正弦变化。,单相异步电动机的特点：,（1）自身没有起动转矩,当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。,（2）转子借助其它力量转动后，外力去除后仍按原方 向继续转动。其原理分析如下：,定子绕组产生的脉动磁场（），可用正、反两个旋转磁场合成而等效。即：,脉动磁场的分解,正反向旋转磁场的合成转矩特性,合成转矩,（正向）,（反向）,电容分相式起动,2 ）单相异步电动机的起动,罩极式单相电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其

17、中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。,图中电机的转动方向：瞬时针 旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的 磁通领先。,*15.3 同步电动机,*15.4 直流电动机,*15.5 控制电机,三节内容从略,15.6电气控制技术,1 常用低压控制电器 2 基本控制环节 3 电动机的保护 4 控制电路综合举例,低压 电器,配电 电器,控制 电器,开关 熔断器 ,接触器 继电器 起动器 ,时间继电器 热继电器 ,1 低压电器简介,1 ）刀闸开关,控制对象： 380V， 5.5kW 以下小电机,考虑到电

18、机较大的起动电流，刀 闸的额定电流值应如下选择： （35)*异步电机额定电流,电路符号,QS,2 )熔断器,作用：用于短路保护。,3)按钮（带自锁、不带自锁）,4)行程开关,用作电路的限位保护、行程控制、 自动切换等。,5)接触器,接触器有关符号：,简单的接触器控制,A,B,C,M 3,刀闸起隔离作用,自保持,停止 按钮,起动 按钮,6)继电器,继电器和接触器的工作原理一样。主要区别在于，接触器 的主触头可以通过大电流，而继电器的 触头只能通过小电流。所以，继电器只能用于控制电路中。,发热元件,功能：过载保护,热继电器,结构：,I,常闭触头,热继电器的符号,发热元件,串联在主电路中,串联在控制

19、电路中,电机起动、停车（点动、连续运行、多地点 控制、顺序控制等） 电机正反转控制 行程控制 时间控制 速度控制 ,2.基本控制环节,1 )异步机的直接起动（1）,A,B,C,KM,FU,QS,B,C,KM,SB,点动控制,动作过程,控制电路,主电路,异步机的直接起动（2）,电动机连续运行,自保的作用,KM,SB1,KM,SB2,KH,A,B,C,KM,FU,QS,KH,异步机的直接起动 + 过载保护,例如：甲、乙两地同时控制一台电机,方法：两起动按钮并联；两停车按钮串联。,多处控制,FU,方法一：用复合按钮。,点动+连续运行(1),主电路,控制电路,点动+连续运行(2),SB,KA,SB1,

20、KA,SB2,KH,KM,KA,方法二：加中间继电器（KA）。,2 电机的正反转控制(1),A,B,C,KMF,FU,QS,KH,电机的正反转控制(2) - 加互锁,互锁作用：正转时，SBR不起作用；反转 时，SBF不起作用。从而避免两触发 器同时工作造成主回路短路。,KMF,SB1,KMF,SBF,KH,KMR,KMR,M 3,A,B,C,KMF,FU,Q S,KH,KMF,SB1,KMF,SBF,KH,KMR,KMR,KMR,KMF,电机的正反转控制(3)-双重互锁,KMR,M 3,A,B,C,KMF,FU,QS,KH,3 行程控制,行程控制电路（1）,（反向运行同样分析）,行程控制(2)

21、 -自动往复运动,正程,逆程,电机,工作要求：1. 能正向运行也能反向运行 2. 到位后能自动返回,自动往复运动控制电路,时间继电器 定时类型：,钟表式,空气式,电子式,阻容式 数字式,4 定时控制,。,空气式时间继电器的工作原理,时间继电器触头类型,通 电 式,瞬 时 动 作,延 时 动 作,常闭触点,常开触点,常开 通电后 延时闭合,常闭 通电后 延时断开,KM,FU,QS,KH,A,x,B,y,C,z,定时控制-举例：,主电路,（1）电机的Y起动,Y 转换完成,控制要求： 1. M1 起动后，M2才能起动 2. M2 可单独停,（2）顺序控制,顺序控制电路（1）：两电机只保证起动的先后顺

22、序， 没有延时要求。,控制电路,不可以 ! 两电机各自要有独立 的电源；这样接，主触头 （KM1）的负荷过重。,主电路,控制电路,KM1,SB1,SB2,KT,KH,KM1,KM2,KM2,KT,顺序控制电路(2)：M1起动后，M2延时起动。,SB2 ,主电路同前,控制电路,实现M1起动后M2延时起动的顺序控制，用以下电路是否可以？,不可以！ 继电器、 接触器的线 圈有各自的 额定值， 线圈不能串 联。,5 速度控制,速度继电器,速度控制反接制动电路,KM1,R,KM2,KS,3.电动机的保护,电动机保护 的类型：,失压保护：采用继电器、接触器控制,短路保护：加熔断器,过载保护：加热继电器,A

23、,B,C,KM,FU,QS,主 电 路,1 失压保护：采用继电器、接触器控制,2 短路保护：加熔断器,频繁起动 的电机：,异步电动机的起动电流 （ Is t）约为额定电流（IN）的 (57）倍。选择熔体额定电流 （ ）时，必须 躲开起动电流，但对短路电流仍能起保护作用。通常用以下关系：,一般电机：,电机工作时，若因负载过重而使 电流增大，但又比短路电流小。此 时熔断器起不了保护作用，应加热 继电器，进行过载保护。,3 过载保护：加热继电器,作用：可实现短路、过载、失压保护。,自动空气断路器（自动开关）,工作原理：过流时，过流脱扣器将脱钩顶开，断开电 源；欠压时，欠压脱扣器将脱钩顶开，断开电源。,例(1)-运料小车的控制,设计一