电磁电器、电磁设备课件

电力系统和电子设备中经常用电磁转换来实现能量的转换，或利用电磁力来进行控制。3．1磁路

3.1.1磁场的基本物理量1．磁感应强度B

表示某点磁场强弱和方向的物理量。电流产生的磁场方向可用右手螺旋定则来确定。2．磁通Ф磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积，即

Ф=BS或

Ф的单位是韦伯（Wb）3.磁导率μ是物质导磁性能。在真空中的μo为一常数，其值为

μo＝4π×10–7H／m

非磁性材料，如铜、铝、银等，其μ≈μo。铁磁性材料，如铁、钴、镍及其合金等，其磁导率μ比μo大得很多，可达几百至几万，且不是常数，随磁感应强度和温度变化而变化。4.磁场强度H

是与物质导磁率无关，与载流导体的形状、电流大小等有关的物理量。

H=或B=μH

H磁场强度的单位是A/m（安/米）

3.1.2磁性材料的磁性能

1.高导磁性在外磁场作用下，磁性材料磁化，使磁性材料内的B大大增加，图3-1中ab段。

2.磁饱和性磁性材料磁化所产生的磁场不会随外磁场的增强而无限增强。当外磁场增大到一定值时，B达到饱和值。图3-1中bc段。3.磁滞性和剩磁性磁性材料在H值作正负变化的反复磁化过程中，B的变化总是H的变化，称磁滞；当H=0时，Br≠0，称剩磁。当B=0时，H=-HC，称为矫顽磁力，进行去磁，图3-2的磁滞回线。HcHO–HCBrB图3-2磁滞回线–BrBμOHabcμB图3-1磁化曲线磁性材料按磁滞回线形状分成三类：

(1)软磁材料：剩磁和矫顽磁力均较小，如硅钢片、坡莫合金等，常用来做成电机、变压器的铁心等。

(2)硬磁材料：剩磁和矫顽磁力都较大，如碳钢、钨钢、钴钢及铁镍合金等。适宜做永久磁铁。

(3)矩磁材料：磁滞回线接近矩形，如镁锰铁氧体、1J51型铁镍合金等。在计算机和控制系统中，可用作记忆元件、开关元件和逻辑元件。3.1.3磁路

磁通集中通过的闭合路径称为磁路。几种常见电磁器件、设备的磁路有图3-3所示。

线圈中通入电流称励磁电流I

，磁路中磁通Φ，I和线圈匝数N的乘积IN称为磁动势Fma)铁心主磁通Ф原绕组副绕组Фδ漏磁通图3-3不同的磁路b)磁极励磁绕组磁扼电枢主磁通Фc)N永久磁铁空气隙S主磁通Ф

变压器是利用电磁感应原理传输电能或信号的器件，具有变换交流电压、交流电流和阻抗的作用。

变压器由铁心和绕在铁心上的多个绕组两部分组成。与电源相连的绕组称为原绕组（初级或原边），与负载相连的绕组称为副绕组（次级或副边），结构如图3-4。3.2变压器的原理和应用

铁心绕组(a)芯式(b)壳式图3-4变压器的结构

变压器原边的电流称为励磁电流i10，在忽略漏磁通和线圈电阻的情况下，原边电压的有效值U1为设φ=Φmsinωt，则

u1＝Nφmcosωt=2πfN1Φmsin(ωt+90˚)=Um1sin(ωt+90˚)

则电源电压有效值U1为

=4.44fN1Φm

3.2.1变压器的空载运行和电压变换uu1u20i10i2=0ФN1N2图3-5变压器空载运行u2++++––––

空载即副边开路，i2=0，由于i10=0产生的主磁通φ通过铁心闭合，既穿过原、副边，于是在副边产生的感应电压有效值U20为

U20=

4.44fN2Φm于是

ku称变压比。当N1>N2，ku>1，称降压变压器；当N1<N2，ku<1，称升压变压器。

3.2.2变压器的有载运行和电流变换当副绕组接上负载|Z|后，i2≠0，在副边N2将产生磁通，使主磁通变化，因U1和f固定，Φm近似于常数。故

i1N1+i2N2=i10N1

当i10远小于I1N时

i1N1≈–i2N2

则I1、I2的关系为

由于u2≈u20

于是U1I1=U2I2通过Φm实现了能量的传输。uu1u20i10i2≠0ФN1N2图3-6变压器有载运行u2|Z|++++––––3.2.3变压器的阻抗变换

变压器副边接负载阻抗|Z|后，则对电源来说可用阻抗|Z´|来等效代替，两者的关系可通过下面计算得出。

可见由改变匝数比ku来达到阻抗匹配的目的。图3-7变压器的阻抗变换i1i2u1a)|Z|b)|Z'|i1u1N2u2N1+++–––3.2.4变压器的额定值、外特性和效率

1．变压器的额定值

(1)额定电压U1N和U2N

U1N应加在原边的正常工作电压(或线电压)有效值；U2N是指加上U1N时副边输出的电压(或线电压)有效值

(2)额定电流I1N和I2N

原、副绕组中允许长期通过的最大工作电流(或线电流)有效值。

(3)额定容量SN

是指副边的额定额定视在功率，单位为伏安(VA)或千伏安(kVA)）。在单相变压器中SN=U2NI2N≈U1NI1N

在三相变压器中 SN=U2NI2N≈U1NI1N

(4)额定频率fN

是指变压器接入电源频率，我国规定工频为50Hz(2)变压器的损耗和效率

变压器运行时铜损ΔPCu和铁损ΔPFe，铜损为I12r1+I22r2，随负载而变；铁损有磁滞和涡流损耗，与负载无关。故输出功率P2比输入功率P1小。效率η是P2与P1的比值，即

η=×100%u2U20OI2Ncosφ2=0.8滞后i2cos(–φ2)=0.8超前cosφ2=1图3-9变压器的外特性

2．变压器的外特性、损耗和效率(1)外特性

输出电压u2随负载电流i2变化的关系，即u2=f(i2)，如图3-9。

当cosφ2=1负载呈电阻性时，u2随i2↑稍有↓；当cosφ2=0.8负载呈感性时，u2随i2时↑增大加大；当cos(–φ2)=0.8负载呈容性时，u2随i2的↑而↑。3.2.5特殊变压器1．自耦变压器

图3-12所示是自耦变压器或称单相调压器。它结构简单，原、副边除有磁和电联系，省铜，经济；可平滑调节输出电压。使用时注意：

(1)AX端严禁接反或副边绕组断线。

(2)原边和副边不可接反，会烧坏自耦变压器或电源短路。

(3)不允许作ku=1变压器来使用。AXax图3-12调压器外形图3-11自耦变压器

i1i2u1u2N2N1220V~0~250V~AXax++––2．仪用互感器

(1)电流互感器(CT)CT是满载运行的升压变压器。用于测量大电流。使用时副边严禁开路。如图3-13所示。

(2)电压互感器(PT)

PT是空载运行的降压变压器，用于测量高电压。使用时原、副边严禁短路。如图3-15所示。│Z│(a)(b)图3.-13电流互感器的接线图及其符号ALKkli2i1CTLi2N1~i1KklAN2CTPTFUN2图3-15电压互感器的接线图及符号UN1uVvu2u1V(b)FU1UVu1N1N2u2FU2vuVPT(a)++++–––––3.3电磁铁及其电磁电器3.3.1电磁铁电磁铁是利用通电的铁心线圈产生电磁力，吸引衔铁的一种电器。可构成电磁开关、电磁阀门和继电器、接触器等基本部件，因此用途十分广泛。电磁铁由绕组1、铁心2及衔铁3三部分组成，图3-16。根据线圈中的电流不同，电磁铁分直流电磁铁和交流电磁铁两种。123图3-16电磁铁的几种型式F(a)(b)(c)FFF3112321．直流电磁铁

特点：

(1)励磁电流I决定于励磁线圈上所加的直流电压U和线圈电阻R，磁动势IN恒定。

(2)随着衔铁的吸合，空气隙δ变小，磁阻Rm减小，B增大，电磁力F由小到大。FIIFOδ图3-17直流电磁铁的特性(3)由于电流恒定，无铁损，可用整块软钢做成。且噪音小。其特性如图3-17。2．交流电磁铁

特点：

(1)因I交变，磁场交变，电磁力F在0与Fm之间交变。造成衔铁颤动，噪音大。但平均吸力F基本不变。

(2)因当U、N、f不变时，Φm不变。随着δ的减小，磁阻显著减小，励磁电流I由大显著变小，特性如图3-20。

(3)在磁极的部分端面上套上分磁(短路)环，如图3-19所示，使Φ1与Φ2之间有一相位差，F不同时为零、消除噪音。

(4)交流电磁铁有铁损，铁心由硅钢片制成。FIIFOδ图3-20交流电磁铁的特性图3-19分磁（短路）环Ф1Ф2

分磁（短路）环

交流接触器是利用电磁力使电路接通和断开自动电器，由电磁铁和触头两部分组成。触头分主触头和辅助触头两种。主触头通断主电路，辅助触头通断控制电路。结构、符号如图3-21所示。当吸引线圈通电时，所有动合(动断)触头同时闭合(断开)；当线圈断电或电压过低时，各触头恢复原位。

动断辅助触点动合辅助触点主触点吸引线圈衔铁静铁心复位弹簧动触片静触头（a）结构图3-21交流接触器KM（b）符号动断辅助触点动合辅助触点吸引线圈KM主触点动合辅助触点动断辅助触点KM3.3.2交流接触器3.3.3电磁阀电磁阀是利用电磁力控制气体或液体管路开闭的自动控制阀体。图3-22所示。当吸引线圈不通电时，衔铁由于受弹簧作用，阀流体入口线圈阀门衔铁弹簧铁心流体出口(a)断电图3-22电磁阀原理和符号(b)通电YV(c)符号门处于关闭状态，如图(a)；当线圈通电时，衔铁与铁心吸合，阀门处于打开状态，如图(b)。广泛应用在液压机械、空调系统、组合机床、自动机床及自动生产线中。3.4三相异步电动机发电机(将机械能转换成电能)电动机(将电能转换成机械能)

按能量转换分

三相异步电动机因结构简单、运行可靠、维护方便、效率较高、价格低廉等优点而应用广泛。按电流分交流电动机直流电动机同步异步按相数分按转速分三相单相笼型绕线型3.4.1三相异步电动机的结构

1．定子

定子由机座用铸铁或铸钢制成；定子铁心由硅钢片叠成作磁路部分；定子绕组由三个彼此独立的绕组U1U2、V1V2、W1W2构成对称的三相绕组。根据电动机的额定电压和电源电压，将三相定子绕组联接成星形或三角形，如图3-24。

(a)星形(b)三角形L1L2L3W2U2V2U1V1W1图3-24三相定子绕组的接法L1L2L3U1V1W1W2U2V22．转子转子由转子铁心为硅钢片叠成的圆柱体、作磁路部分；转子绕组产生电磁转矩；转轴输出机械转矩；风叶作冷却等组成。根据转子绕组结构的不同，三相异步电动机有笼型和绕线型两种，如图3-25、图3-26。图3-25笼型转子(a)转子绕组(b)转子外形图3-26绕线型异步电动机接线(a)定子接线转子绕组电刷滑环起动位置运行位置可变电阻L1L2L3转轴(b)转子接线定子绕组ωtiUiViWi2π/34π/32π图3-28三相对称电流的波形O1．旋转磁场

(1)旋转磁场的产生

定子绕组中通以三相对称电流：

iU=ImsinωtiV=Imsin(ωt–120˚)iW=Imsin(ωt+120˚)

其定子绕组结构和电流波形如图3-27、图3-28所示。图3-27三相定子绕组的布置L1L3L2iUiViWU1W1V1U2V2W23.4.1三相异步电动机的工作原理

(a)iU=0iViWL1L3U1W1V1L2U2V2W2NNS图3-29ωt=0º时三相电流产生的磁场当ωt=0º时，iU=0；iV为负；iV为正，则三相电流产生的磁场如图3-29a。ωtiUiViWi2π/34π/32π图3-28三相对称电流的波形Oωt=0º三相电源电源与电动机连接电动机b)iUiV=0iWU1W1V1U2V2W2NS图3-29ωt=120º时三相电流产生的磁场

当ωt=2π/3=120º时，iU为正；iV

=0

；iV为负，则三相电流产生的磁场如图3-29b。ωtiUiViWi2π/34π/32π图3-28三相对称电流的波形Oωt=120ºL1L3L2三相电源电源与电动机连接电动机c)iUiViW=0U1W1V1U2V2W2NS图3-29ωt=120º时三相电流产生的磁场ωtiUiViWi2π/34π/32π图3-28三相对称电流的波形Oωt=240º当ωt=4π/3=240º时，iU为负；iV为正；iV

=0，则三相电流产生的磁场如图3-29c。L1L3L2三相电源电源与电动机连接电动机图3=29ωt=360º时三相电流产生的磁场ωtiUiViWi2π/34π/32π图3-28三相对称电流的波形Oωt=360º当ωt=2π=360º时，iU=0；iV为负；iW为正，则三相电流产生的磁场如图3-29d。当三相电流变化360º时，磁场旋转一圈。(d)iU=0iViWL1L3U1W1V1L2U2V2W2NNS三相电源电源与电动机连接电动机

(2)旋转磁场的速度旋转磁场的转速no称同步转速单位r/min，p称磁极对数，取决于三相绕组的布置，f1为定子电流的频率。当f1=50Hz时，no与p的关系见下表（3)旋转磁场的转向旋转磁场的旋转方向由三相绕组中电流到达最大值的顺序，即相序决定。实际应用中，常把电动机与电源相连的三相电源线调换任意两根，即可改变电动机的旋转磁场的转向。p12345no(r/min)300015001000750600a)iU=0iViWL1L3U1W1V1L2U2V2W2NSNωtiUiViWi2π/34π/32π图3-27三相对称电流的波形Oωt=0º三相电源电源与电动机连接电动机电动机的旋转磁场转向的改变b)iUiV=0iWU1W1V1U2V2W2NSωtiUiViWi2π/34π/32π图3-28三相对称电流的波形Oωt=120ºL1L3L2三相电源电源与电动机连接电动机c)iUiViW=0U1W1V1U2V2W2NSωtiUiViWi2π/34π/32π图3-28三相对称电流的波形Oωt=240ºL1L3L2三相电源电源与电动机连接电动机SNnonoBvvI2I2FFn2．三相异步电动机的转动原理

nnoNFBvSnoFI2I2v

2．三相异步电动机的转动原理

NSnonoBvvI2I2nFF

2．三相异步电动机的转动原理

nnoI2BvNSnoI2FFv

2．三相异步电动机的转动原理

SNnonoBvvI2I2FFn可见转子转动的方向与旋转磁场的方向相同。

2．三相异步电动机的转动原理

转子转动的速度n<no，因n=no时，转子与旋转磁场之间无相对运动，转子导体将不再切割磁力线，其感应电动势、感应电流和电磁转矩均为零，转子便不可能转动。故称为异步电动机。其转速差为no-n，转速差与同步转速的比值称转差率s

转差率s是分析异步电动机运动情况的一个重要参数。在电动机起动时n=0，s=1；当n=no时(理想空载运行)，s=0；额定运行时，n=nN，n接近no，sN在0.02~0.08之间。3.4.3三相异步电动机的转矩特性和机械特性根据理论分析，电磁转矩T可用下式确定，即

T=kTΦI2cosφ21.额定转矩TN

2.最大转矩Tm用Tm/TN来表示过载能力，为1.8~2.2。3.起动转矩Tst

用Tst//TN来表示起动能力，为1.0~2.2。图3-32三相异步电动的转矩特性

TTNssm01图3-33三相异步电动机的机械特性nonNnTTNTstTmOTmsNTst3.4.5三相异步电动机的铭牌与技术数据三相异步电动机型号Y160M-4功率18.5kW电压380V电流35.9A频率50Hz转速1470r/min接法Δ工作方式连续绝缘等级E1．型号Y160M-4─磁极数(p=2)

││└─中机座(S–短，L–长)

│└──中心高(160mm)

└Y系列异步电动机(YR：绕线式；

YB：防爆式；YD：多速)2．接法指电动机在额定电压下，三相定子绕组的接法（Y或Δ）。

3.额定频率fN

电动机定子绕组所加电源频率，我国工业用交流电标准频率为50Hz。

4.额定电压UN

指电动机额定运行时加到定子绕组按接法加上的线电压有效值。Y系列UN=380V。

5.额定电流IN

指电动机在额定运行时，定子绕组线电流有效值。

6.额定功率PN和效率η

在fN、UN、IN时，电动机轴上输出的机械功率PN

；η是指PN与P1的比值。

7.额定转速nN

转速是指在fN、UN、PN时，电动机每分钟的转数。8.温升和绝缘等级

电动机温度高出环境温度的容许值叫容许温升；绝缘等级是指绕组所用绝缘材料允许的最高温度等级，绝缘等级及其最高容许温度关系如下表。

9.功率因数cosφ

定子相电压与相电流相位差的余弦，额定运行时为0.7〜0.9，轻载或空载时仅0.2〜0.3。10.工作方式

(1)连续工作方式S1可按额定值长期连续运行。

(2)短时工作方式S2只允许规定时间内按PN运行。

(3)断续工作方式S3以间歇方式运行。

级别AEBFH最高允许温度105°C120°C130°C155°C180°C3.4.5

三相异步电动机的起动、调速和制动1.三相异步电动机的起动

(1)直接起动

将额定电压加在电动机定子绕组起动。

(2)降压起动

起动时降低电动机定子绕组上的电压，待n升高到接近nN时，恢复到额定电压，转入正常运行。

1）Y-△换接起动

起动时把定子绕组接成星形，待n升高到接近nN时，换接成三角形进入正常运行，电路如图3-35所示。图3-35Y-△换接起动M3~∆运行L1L3L2Q1Q2U1U2V1V2W1W2Y起动停止

2）自耦降压起动起动时用三相自耦变压器来降低加在定子绕组上的电压，待n升高到接近nN时，换接成三角形进入正常运行，图3-36。2．三相异步电动机的调速

(1)变极调速采用多速电动机改变定子绕组的接法，可以改变磁极对数，进行调速。不能实现无级调速。

(2)变频调速随着电力电子技术的迅速发展，可在大范围内平滑地改变电源频率f1，从而得到平滑的无极调速。

(3)变转差率调速在转子绕组中串入电阻进行调速图3-36自耦变压器降压起动接线图L1L2L3Q1Q2运行80%60%40%停止起动M3~3.三相异步电动机的制动

制动就是刹车。当电动机断电后，由于惯性才能停转。机械设备中常用反接制动和能耗制动。图3-38反接制动L1L2L3M3~RRQ（a）nonF（b）FB

(1)反接制动

在电动机脱离电源后，把电动机与电源联接的三根导线中的任意两根对调一下，再接入电动机，使旋转磁场反转，它与转子惯性转动方向相反，产生制动转矩而迅速减速，如图3-38。当转速接近于零时，必须将三相电源切断，以免反转。(2)能耗制动

能耗制动如图3-39所示，在切断三相电源的同时给定子绕组通入直流电，在定子与转子之间形成一个固定磁场，由于转子仍按原方向转动，而切割固定磁场，产生一个与转子旋转方向相反的电磁转矩，使电动机迅速停转。停转后，转子与磁场相对静止，制动转矩随之消失。图3-339能耗制动nF（b）FBL1L2L3M3~Q（a）+–3.4.6三相异步电动机的选择

在选择电动机时，应根据实际需要和经济、安全出发，合理选择其功率、种类和型号等。1．功率（即容量）的选择由生产机械所需的机械功率决定。功率选得过大，会造成“大马拉小车”；功率选得过小，将使电动机烧坏而造成严重事故。2．类型的选择可根据电源类型、机械特性、调速与起动特性、维护及价格等方面来考虑。3．电压的选择根据电动机类型、功率及使用地点的电源电压来决定。4．转速的选择取决于生产机械的要求和传动机构的变速比。3.5单相异步电动机

单相异步电动机具有结构简单，成本低廉，噪声小等优点，因此广泛用于工业、农业、医疗和家用电器等方面3.5.1单相异步电动机的工作原理

单相正弦交流电通入单相定子绕组时，在空气隙中各点的B随交变电流变化按正弦规律变化，产生绕组轴线方向上静止的一个交变脉动磁场，如图3-40所示。可见，单相异步电动机中的磁场是一个静止的脉动磁场。图3-40不同瞬间空气隙中B的分布Nc220V~LabdibcdaBta(a)(b)

脉动磁场可以分解为幅值相等，以同一同步转速no在相反方向旋转的两个旋转磁场，如图3-41所示，分别在转子中感应出大小相等，方向相反的电动势和电流。因此，产生的电磁转矩T1、T2也必然大小相等，方向相反，合成转矩T为零。即单相异步电动机没有起动转矩，它不能自行起动。图3-41单相异步电动机脉动磁场的分解B–BmOtt1t2t3t4t5Bm

当用外力将转子沿某一方向转动一下时，一个与转动方向相同的旋转磁场，产生的电磁转矩T1使转子继续旋转；另一个与转动方向相反的旋转磁场，产生的电磁转矩T2，使转子转速减低。则合成转矩T=T1–T2不再等于零，使单相异步电动机沿着外力方向加速转动。其转矩特性如图3-42。因此。只有首先在单相异步电动机内部建立一个旋转磁场，才能起动正常运行。0