工业电器与自动化(电工基础)

1、12绪 论 高等职业教育作为高等教育的一支生力军在整个国民经济中发挥着越来越大的重要作用。社会越来越需要既懂得一定专业知识,又具有高新技术；手脑并用、学以致远的新型人才。3 现代化进程使行业间没有了清晰的分水岭，使各专业技术人员之间的界限越来越模糊。所以工艺人员与相关的其他工种工作人员之间要有一定的知识重叠区，作为现代工艺人员除了具备工艺专业的知识和能力外，还应具有工业电器的使用和工程识图的能力；操作自控仪器、仪表的能力；自动控制系统开、停车能力；判断、分析及初步处理系统故障的能力；与自控人员合作及实施技改的能力。通过本课程的学习，掌握过程生产中常用的电器特性和使用特点及过程控制的基本知识和基

2、本技能；了解过程控制工具的特性、工作原理和正确的使用方法。 4生产过程自动控制 在生产机器或设备上配备一些自动控制装置，模仿、代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，即用自动控制装置来操作及管理生产过程的办法，称为生产过程的自动控制，简称过程自动化。 5自动控制系统的组成1.自动检测系统 用各种检测仪表自动对相应的工艺变量进行检测。 2.自动控制系统 用自动控制装置对生产过程中的某些重要变量 进行控制。 3.过程自动报警与联锁保护系统 当变量接近临界数值时，系统会发出声、光报警提醒操作人员注意，若在相应的时间内，不能解除故障，则系统自动停车。4.过程的自动操纵系统 按预先规定

3、的步骤，自动地对生产设备进行周期性操作的系统。 6 工业电器基础篇7跨世纪工程三峡 三峡水电站是目前世界上最大的水电站，共安装26台70万千瓦的大型水轮发电机组，总装机容量1820万千瓦，从明年开始到2009年，26台机组陆续发电，电站多年平均发电量为847亿千瓦时。按照三峡工程建设计划，2003年三峡电站首批机组发电、2009年机组全部投产。8 左岸1号机组水轮电机轴9 水轮机上冠外径 9315毫米，下环外径10600毫米，重达425吨。1011直径24米、重七百多吨的定子吊装成功12 电力工业是国民经济重要的基础产业，又是资金密集型、技术密集型和网络性行业,目前正酝酿着第十次变革。在电力发

4、展上先后提出“电力是先行工业”，“电力是先行官”，“能源工业的发展要以电力为中心”和“电力工业要适应超前发展”等指导方针。 到2001年底，中国发电设备总容量已达到3.38亿千瓦，年发电量达到14780亿千瓦时，在世界上仅次于美国，居第二位。 1314第一章15电工基础 第一节 直流电路 复习：电流、电压、电位、电动势、 电功 率等基本物理量并引入参考方向。16实践教学强化动手能力 17一、电路的组成及物理量 电路是电流通过的路径。电路都是由电源、负载、连接导线和控制保护设备组成。对于一个完整的电路，把电源内部称为内电路。其余称为外电路。18核电站秦山三期工程 19电路和组成部分 电路：构成电

5、流通路的一切设备的总和。广义电路：含电磁信号所经过的路径。具体电路：一根导线、一个电阻、一个开关均可视为电路。IUSE20内电路电动势导线开关负载21小功率发电机小功率发电机22内电路:在电源的内部外电路:在电动势的外部 UISE外电路内电路23电器、仪表实验柜24电器元件符号 名称符号名称符号电 池电 感直流电机电 容电压源熔断器电流源电压表电 阻电流表GVA251 .电流、电荷有规律的定向运动 以正电荷的移动方向为正方向 单位时间内通过导体横截面积的电量定义为电流强度，简称电流，用符号I或i表示。0104+ +-电流方向26 2. 电 压恒量电场力作功能力的物理量。 Uab= Wab/q

6、方向： 电压（位）降为正方向+Uabab+ + + + +- - - - -273.电 位电路中任一点相对于参考点的电压 Uc=2V Ua=6V Ub=1V Ud=RI+E5VdRI2V3Vacb4V28 电动势 电动势：衡量外力克服电场力把单位电荷从负极移到正极所作功能力大小的物理量。单位：V qWEbaEUs-+ba+- - - - - -+负载01-1-429 参考方向 当电路分析时：电路的实际电流、电压方向很难判别时，便引入“参考方向”。 （1）当实际方向与参考方向一致， 为正；当实际方向与参考方向相反,为负。 （2）交流电路中电流方向作周期性的变化，所以电流方向并没有意义；但为了分析

7、过程的方便、明确，也设置“参考方向”。 30与参考方向一致的为 “ + + ”与参考方向相反的为“”+-+ +参考方向314. 电 阻 电流通过导体时,其原子结构的禁带能级高低决定了阻碍作用的大小 。单位：欧姆 符号 均匀导体、在一定温度下的电阻 l：m ， S：m2 ：mSlR32 碳膜电阻金属膜电阻33大功率线绕电阻 34电 导 电阻的倒数称为电导，它也是反映导体导电能力的物理量，电导一般用字母G表示： 在SI制中，电导的单位为S（西门子）,简称为西。 RG1355. 功 率 电流流过电路时，不断发生能量的转换。将电能转换成其他形式的能量，或将其他形式的能转换为电能，向电路供出能量。为了表

8、征电路中某一段吸收或产生能量的速率，引入了电功率的概念。电功率用字母P表示。单位是W（瓦特）简称为瓦，也常用kW来表示，其换算关系为：1kW=103W。36二、欧姆定律均匀电路： I=U/R ；U=RI伏安特性线：线性 R= tg=U/I R+-UIUI037电阻的串联电路 两个或两个以上电阻首尾相接，中间无分支的电路。主要特点：同流分压II1I2I3UU1U2U3321IIII321UUUU38电阻的并联电路 两个或两个以上电阻，具有相同的接点。主要特点：同压分流。II1I2I3UU1U2U3321IIII321UUUU39三.基尔霍夫定律 欧姆定律：用于简单回路 基尔霍夫定律：节点电流定律

9、：回路电压定律： 用于解复杂电路。40 欧姆定律；基尔霍夫定律 简单电路：复杂电路： 单回路多回路 Iu1u2RRR3Rr41 1.支 路至少含有一个元件而无分支的电路。 A与B二个节点中有一个是假节点。EE R1R3R2R4R5422.节点（节上生支） 三条或三条以上支路的汇交点。节点43原理：节点处电流连续 节点处：既不产生电荷也不湮灭电荷； 既不贮存电荷又不释放电荷。 进为“+”；出为“-”时：niI10+- - -44节点定律：电流的进等于出；电流的代数和为零.代数和表示时：进为正；出为负。 I45电压回路定律：KVL 回路电压的代数和为零： 电压降为正；电压升为负。 原理：电路中从任

10、一点出发，绕行一周 回到原点时电位不变。UiUAUA046 独立方程数 n 节点方程: (m-1)回路方程： n-(m-1)总 和： n个独立方程n条支路,n个未知量,解得n个解。47图 示UU+-I1I2I3R1R2R3480105复杂电路49列方程组由节点得： I1 + I2 I3 由回路得：13 I3 1 2I3I 3 解方程：采用代入法，消元法，并验算。50支路电流法小结复杂电路不能用欧姆定律来解。n条支路必须有n个方程组。掌握列方程式的方法：设定有序；排列有序。解题有方，验算有效。51实验图示=6V+=2V+-4747474768032.6mA1.37mA31.2mA52第二节 电磁

11、特性 电和磁是物质的运动形式，两者之间的联系称为电磁。有电荷运动就有磁场存在。许多电气设备都是通过电与磁的相互作用、相互转化而工作的。例如电动机、发电机、变压器、继电器、电工仪表等。53条形磁铁与马蹄形磁铁54各种磁铁5556电动扬声器57一、电流的磁场一、电流的磁场 电生磁：电为因，磁为果，有电才有磁。I IBBBI II II IB58各种线圈59动电生磁 电生磁：电为因；磁为果,有电才有磁。I IBBBI II II IBr60多匝线圈61电磁感应 1.导线；2.线圈导线 线圈 感生磁通NS+-v62二、描述磁场的物理量 电生磁：右手四指方向对准电流方向，拇 指方向为磁场方向。 电磁力：

12、F= IB 右手四指方向从电流转向磁场方 向，拇指方向为电磁力方向。 电磁感应：E= vB 文字叙述如上， v 转向B ；拇指为电势方向。631.磁通量磁通量反映某一面上磁力线的多少的量。 d=B cosdS=BndS 若是均匀磁场: =BS; 单位:Wb=Tm2 ds SSSndSBd642 .磁感应强度 磁感应强度是一个描述磁场强弱的物理量。磁感应强度的数值等于通过与磁场方向垂直的单位面积的磁力线数目，磁感应强度用字母B表示，在均匀磁场中磁感应强度计算公式如下： 单位：特斯拉 1T1Wb/m2 高斯：1G104 T SB 653. 磁导率 磁动势：Em= N I 电流I与匝数N的乘积。 B

13、 B：磁感应强度与线圈中的介 质有关。 铁钴镍为强磁性物质，B 铜铝等为弱磁性物质，B 导磁能力大小/（H/m） 。真空中的磁导率/410766 铁心线圈67相对磁导率： r 某介质与真空磁导率之比：r = / 0各种物质的相对磁导率表名称r名称r钴 174软钢2200镍1120硅钢片7500铸铁240620镍铁合金 13000C型坡莫合金115000锰锌铁氧体300500068磁场强度 H (A/m)定义:磁感应强度与磁导率的比值H=B/即: B= H= 0rH = NI/l以长直螺线管、环形螺线管为例： B0= 0NI/L ; B/B0=/0 B=rB ，H=NI/l 为常数，与介质无关6

14、9电磁力：电和磁为因；力为果长直导线： 线框： 转轴NSNS70三.磁 路磁性材料的分类软磁材料剩磁小硬磁材料剩磁大矩磁材料剩磁强 H B H B H B71 四.自感与互感1.纯电感电路中电压与电流的相位关系：设定电流：i=Im sint 则有：u= -eL = L d i /dt =LImdsint/dt =L Im sin （t+/2）Um=LIm ; Im=Um/L:U=LI ;XL=2f Lieu72正弦电流的交变磁通设电压、电流与感应电动势同向： u= -e=Nd/dt =msint 时： Um=Nm=2fNm Ui= 4.44f N i m。uei73自感效应+-ue iiL 由

15、于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象叫自感应现象。 感生电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。74互感效应正向磁通反向磁通I I1 1I I2 2 两个或两个以上耦合线圈，感生电势成正比。感生电势与线圈的电流变化率成正比75交流铁芯线圈的损耗1.铜损：PCu PCu=RI22.铁损: PFe PFe=Ph+Pe 即:磁滞损失与涡流损失二项。交流铁芯线圈的总损耗: P=PCu+PFe= PCu+ Ph + Pe 76 涡流是电磁感应现象磁通变化时形成旋涡状的电流。涡损与磁滞共称为铁损，避免方法： 加大阻抗， 层叠并互相 绝缘 77涡流的利用用于涡流进加热和冶炼金属。电磁阻尼器。电度表。

16、利用涡流与趋肤效应，高频淬火，并控制加热深度。78五.交流铁芯线圈的等效电路图:。ueiRXLXMUIURM79第三节 交流电路特性 0108t0u80 一、正弦交流电交流电：大小和方向随时间作周期性变化 的电流、电压和电动势的总称。正弦交流电：按正弦规律变化的交流电。 t00tue8182小功率发电机小功率发电机83小功率发电机小功率发电机84为什么广泛使用交流电？发电容易：交流发电机效率高价格低。输变电容易：可使用变压器。用电方便：交流电机价格低、运行可靠、 维修方便等一系列优点。目前使用直流电的地方很少： 如电解、电镀和电动车。85正弦交流电动势的产生 单根导条： el=lvB sin（

17、为速度v与磁感受应强度B的夹角） 绕组电势： e=nB2lrsin(t+)=Emsin(t+)SNSNSNBBBBvvvvn86交流电的周期：T /s定义：交流电循环一周所需时间。0tuTT287频率f :1秒内含有的周期数频率： f /Hz 赫茨。换算: T=1/f ； f=1/T。工频：工业标准频率，我国为50Hz。低频：数Hz200k Hz。例音频广播中频：200k HzM Hz， 835 k周。高频：M Hz 以上。例子 105M Hz。通讯光缆：kM Hz以上。88正弦交流电：按正弦规律变化 瞬时值：i（t）= Im sin （t+）A Im为最大值：瞬时值中最大的绝对值。 交流电流

18、的概念：动态变化。 i（t）=limq/t=dq/dt。t0it0+-89交流电的基本特性三大要素：最大值 Um；Im；Em。 角频率: = 2f=2/ T。 初相角： （- ，）函数解析式：i Imsin（ t+ ） A几何曲线： 0tu90 正弦量旋转矢量表示频率矢量法：又称旋转矢量法。 转速越快、角频率越大。00t910110三相发电机原理图92旋转磁场产生三相交流电0308旋转磁场产生交流电930111三相交流电波形图940112三相交流电旋转矢量图95相量表示法相量：a = r cos b = r sin复数表达：三角函数式：B = r (cos +j sin)相量式： C = r

19、例：C = 10 450 0ReabImjr22barjba 96相位差 12= 1- 2同频才有固定的相位差：是相对位置定义范围：- + 正为导前；负为滞后。数轴上的几何意义：左超前；右滞后。 0t左右u97同相与反相 =0 （同相）; =（反相、倒相）0 0ttu u98交流电的有效值（作功能力等效值）有效值是相当于直流电作功能力的等效值。等效R Ru uiR RU+ +- -I99交流电有效值的图示过程正弦交流电iImiImIm222mI100有效值的计算过程交流电路： 直流电路： P=Ri2 P=RI2 =R（Imsin t）2 =RIm2sin2 t = = 由此可得： I = Im

20、 22cos12tRIm22ImR22余弦在对称区间内作功为零101 I = Im = 0.707 Im U = Um = 0.707 Um E = Em = 0.707 Em 222222t0Umt0U有效值不是平均值正弦交流电在正负轴之间的平均值为零102二、单相正弦交流电路 电阻 电感 电容符号： R L C图形： L CR1031.纯电阻电路 在交流电路中电阻符合欧姆定律： 电阻在电路中无相位移,是有功功率，能量转换是不可逆的,即电能转换成热能后不能通过电阻再逆转换成电能。 电阻按结构分为： 固定电阻；可调电阻；变电阻等。104电容元件（存储电荷的容器）电容的充放电过程。容量：C =

21、Q/U；Q = C U 单位：F 法拉电容的种类固定电容：纸、陶、云、有机膜。极性电容：电解电容。可变电容：微调电容：105铝质电解电容金属箔式聚脂膜电容器 106平板电容:多片电容:平行导线:圆柱电容:dSC) 1(NdSC00lnralC12ln2rrlCSdn=5alr2107电容器的主要参数标称电容量:标在电容器上的名义电容量。额定电压:最高直流或交流电压有效值。绝缘电阻:电容器上电压与漏电流之比，其 数量级在千兆欧姆(kM)以上。介质损耗:由于介质绝缘不良引起的漏电 流以及交变电压作用下介质极 化产生的能量损耗.108电容的特性电容上的电荷变化，即电流。 ic= d q / d t

22、= C d u c /dt电容的能量： WC =ui dt=Cudu= CUc2/2 能量转换 电源电场能ic电能109电感元件电感元件上伏安特性符合电磁感应定律： e=Nd /dt自感：LN /I； N =LI自感电动势： e L = Ld i/ d t u L= e L = Ld i/ d t 设：三者方向一致uieL110可调式中频变压器111 电感元件及电路符号 空心线圈 铁芯线圈 符号符号实物实物112空心线圈113各种铁心线圈114 电感线圈的电感量线圈的自感系数: L=/i H(亨利 )=103mH= 106H线性电感:线圈绕制在非磁性材料上。真空中(空气或非导磁物质)的磁导率:

23、 0= 410-7 H/m磁导率: =r 0 115交流电路中的电感元件eL=uL ，uL=eL= L diL/dt电感上的能量：QL= LiLdi= Li2/2交流电路中的电感： 电 源铁心线圈磁能电能i116名称 图形 电感量 环形 L = N2S/l螺线管 l=2（ r1+r2） 长直 L= N 2S/l螺线管 d 0时：电路为感性电路； XLXC当 = 0时: 电路为纯电阻电路；XL = XC当 0时：电路为容性电路； XL XC结论：感性电路是最为普遍的电路。功率计算：S = P = S cos ； Q = S sin QP22135 R-LC 电路实际电感是一个电阻和电感的串联电路

24、。 并联电路的特点： 同压、分流。 I1=U/Z1 IC=U/XC i= i1+icRiiCui1136电流下降、功率因素上升矢量图CIII1UCjIC)(/22CLRLCCtgtgPCUXUQ I1a IC I1r Ir I I1 137串联电压谐振电路及矢量图 URUCULIRULLCuiUCUR138当XL=XC则有：X= XL- XC = 0Z=R为最小值，I为最大值，I=U/Z=U/R。由UL=UC 得： UL =（XL/R）UR电路的品质因素： Q= XL/R=XC/R=L/R=1/RC谐振频率：0 L=1/0C ; 0=无功功率互补：QL= QC ；Q = QL- QC = 0L

25、C1139并联谐振（电流谐振）电路图 Ruii1iCi1iCuRi1r140并联电容功率因素补偿法电路图： Ruii1iCi1iCuRi1r 1i141电路分析:分解后的合并I1分为：I1a=I1cos ， I1r =I1sin 1 = IC 0= 1/C=L；C = 1/2L 。品质因素：Q=XL/R=L/R=XC /R=1/RC。特点：总电流最小，阻抗最大。 LCLRLC1122142三、三相交流电路内容提要三相供电具有极大的优越性三相电源及负载连接与分析计算143概 述三相交流电源: 同频、同幅、相位错开 1200正弦交流电动势。优点：发电、变电效率高、体积小、经济； 三相三（四）线制输电省材料； 三相电机、电器性能良好、价格低廉。分析：每一相可视为单相交流电路；三相 则为复杂电路。1441.三相正弦交流电动势三相交流电势：同频、等幅相位互错1200 表示，波形图如下。 NSU2U1V1V2W1W2te02uvw145 2 .三相对称电源的连接三相六线制：已不用。三相四线制：低压系