電機(jī)與電氣控制技術(shù)

第15章電機(jī)與電氣控制技術(shù) 15 1磁路與變壓器 15 2異步電動機(jī) 15 3同步電動機(jī) 15 4直流電動機(jī) 15 5控制電機(jī) 15 6電氣控制技術(shù)基礎(chǔ) 15 1磁路與變壓器1磁路基礎(chǔ)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(gòu)成磁路的重要材料是鐵磁性材料 1 磁路基礎(chǔ)與磁路基本定律 1 磁路基礎(chǔ) 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(dǎo)率 表征各種材料導(dǎo)磁能力的物理量 三 磁場強(qiáng)度H 磁場強(qiáng)度是計算磁場所用的物理量 其大小為磁感應(yīng)強(qiáng)度和導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)度的方向符合右手定則 電流取正 否則取負(fù) 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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度 安培環(huán)路定律 磁路 I N 歐姆定律 電阻 電流強(qiáng)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(diǎn) 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(shè) 則 最大值 有效值 u i 交流磁路的特點(diǎn) 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(jié) 隨Rm變化 變壓器功能 2 變壓器的工作原理 變壓器應(yīng)用舉例 單相變壓器 變壓器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 一 結(jié)構(gòu) 工作過程 空載運(yùn)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(jié)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(guān)系 根據(jù)交流磁路的分析可得 時 變電壓 負(fù)載運(yùn)行 Z 副邊帶負(fù)載后對磁路的影響 在副邊感應(yīng)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(dāng)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(fù)載時基本不變 帶負(fù)載后磁動勢的平衡關(guān)系為 結(jié)論 原 副邊電流與匝數(shù)成反比 由于變壓器鐵芯材料的導(dǎo)磁率高 空載勵磁電流很小 可忽略 即 原 副邊電流關(guān)系 變電流 變阻抗 原 副邊阻抗關(guān)系 從原邊等效 結(jié)論 變壓器原邊的等效負(fù)載 為副邊所帶負(fù)載乘以變比的平方 阻抗變換舉例 揚(yáng)聲器上如何得到最大輸出功率 求 負(fù)載上得到的功率 解 1 將負(fù)載直接接到信號源上得到的輸出功率為 2 將負(fù)載通過變壓器接到信號源上 輸出功率為 結(jié)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(yùn)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(guān)系 2變壓器的效率 為防止渦流損失 鐵芯一般由一片片導(dǎo)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(guān)系 即 U20 原邊加額定電壓 副邊開路時 副邊的輸出電壓 當(dāng)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(dāng)鐵芯中磁通變化 增大或減小 時 在兩線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)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(jié)2 3 110V 聯(lián)結(jié)1 3 2 4 線圈的接法 220V 聯(lián)結(jié)2 3 勵磁 兩種接法下線圈工作情況的分析 110V 聯(lián)結(jié)1 3 2 4 220V 聯(lián)結(jié)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(yīng)注意的問題 問題2 如果兩繞組的極性端接錯 結(jié)果如何 結(jié)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(shè)計中的一些概念 1 定鐵芯窗口 定導(dǎo)線直徑 在同樣變比情況下 匝數(shù)多好 還是少好 變壓器設(shè)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(shí)驗(yàn)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?yàn)镹變小時 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(jī) 1 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理2 三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性3 三相異步電動機(jī)的使用4 單相異步電動機(jī) 交流電動機(jī) 電動機(jī) 直流電動機(jī) 他勵 并勵 串勵 復(fù)勵 電動機(jī)的分類 1 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理 磁極旋轉(zhuǎn) 導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 導(dǎo)線長 切割速度 右手定則 異步 2 線圈比磁場轉(zhuǎn)得慢 三相異步機(jī)的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子 在旋轉(zhuǎn)磁場作用下 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或電流 三相定子繞組 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生 A Y C B Z 異步機(jī)中 旋轉(zhuǎn)磁場代替了旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)方向 取決于三相電流的相序 改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 換接其中兩相 旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的關(guān)系 三相異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 極對數(shù) 每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度 同步轉(zhuǎn)速 電動機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系 電動機(jī)轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)差率的概念 異步電機(jī)運(yùn)行中 轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)速之差 即 例 異步電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nN 720r min 電源頻率為50Hz 求 電機(jī)是幾極 額定轉(zhuǎn)差率是多少 解 額定轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速n0 750r min 該電機(jī)是8極電機(jī) 1三相異步電動機(jī)的 電 磁 關(guān)系 2三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性 取決于轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場的相對速度 轉(zhuǎn)子功率因數(shù) 電磁轉(zhuǎn)矩T 轉(zhuǎn)子中各載流導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下 受到電磁力所形成的轉(zhuǎn)距之總和 常數(shù) 每極磁通 轉(zhuǎn)子電流 轉(zhuǎn)子電路的 轉(zhuǎn)矩公式的推導(dǎo) 得到轉(zhuǎn)矩公式 2三相電動機(jī)的機(jī)械特性 根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式 可見 轉(zhuǎn)矩特性曲線會出現(xiàn)最大值Tmax 轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率sm 三個結(jié)論 1 T Tmax與U1成正比 2 Tmax與R2無關(guān) 3 Sm與R2成正比 三個重要轉(zhuǎn)矩 n0 T n 牛頓 米 如果電機(jī)將會因帶不動負(fù)載而停轉(zhuǎn) n0 T n 求解 過載系數(shù) 三相異步機(jī) n0 T n 電動機(jī)的自適應(yīng)負(fù)載能力 電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以隨負(fù)載的變化而自動調(diào)整 這種能力稱為自適應(yīng)負(fù)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(jī)械特性和電路參數(shù)的關(guān)系 與電壓的關(guān)系 結(jié)論 與轉(zhuǎn)子電阻的關(guān)系 機(jī)械特性的軟硬 硬特性 負(fù)載變化時 轉(zhuǎn)速變化不大 運(yùn)行特性好 軟特性 負(fù)載增加轉(zhuǎn)速下降較快 但起動轉(zhuǎn)矩大 起動特性好 1 三相異步機(jī)銘牌與技術(shù)數(shù)據(jù) 1 型號Y132M 4 轉(zhuǎn)差率 3三相異步電動機(jī)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(yīng)加的線電壓 說明 一般規(guī)定電動機(jī)的運(yùn)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(dāng)線電壓為220V時采用 接法 電壓波動對電動機(jī)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(jī)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(jī)在額定運(yùn)行時軸上輸出的功率 不等于從電源吸收的功率 兩者的關(guān)系為 其中 例 三相異步電動機(jī) PN 45kw F 50Hz nN 2970r M 91 5 起動能力 2 求 s TN Tst Tmax P1N 解 同步轉(zhuǎn)速n0 3000r M S 0 01 額定負(fù)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(fù)載時 功率因數(shù)最大 注意 實(shí)用中應(yīng)選擇合適容量的電機(jī) 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(jī)的起動 三相異步機(jī)的起動方法 1 直接起動 二三十千瓦以下的異步電動機(jī)一般采用直接起動 3 轉(zhuǎn)子串電阻起動 Y 起動 轉(zhuǎn)子串電阻起動 起動時將適當(dāng)?shù)腞串入轉(zhuǎn)子繞組中 起動后將R短路 轉(zhuǎn)子串電阻起動的特點(diǎn) 2 R2選的適當(dāng) 轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn) 3 三相異步電動機(jī)的正 反轉(zhuǎn) 制動方法 1 抱閘 加機(jī)械抱閘 2 反接制動 停車時 將電動機(jī)接電源的意兩相反接 使電動機(jī)由原來的旋轉(zhuǎn)方向反過來 以達(dá)制動的目的 4 三相異步電動機(jī)的制動 4 發(fā)電反饋制動 令電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 便會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩 5 三相異步電動機(jī)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(jī) 1 單相異步電動機(jī)的工作原理 結(jié)構(gòu) 定子放單相繞組 其中通單相交流電 轉(zhuǎn)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(yīng)強(qiáng)度按正弦分布 且隨時間按正弦變化 單相異步電動機(jī)的特點(diǎn) 1 自身沒有起動轉(zhuǎn)矩 當(dāng)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(zhuǎn)子導(dǎo)條左 右受力大小相等方向相反 所以沒有起動轉(zhuǎn)矩 2 轉(zhuǎn)子借助其它力量轉(zhuǎn)動后 外力去除后仍按原方向繼續(xù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場合成而等效 即 脈動磁場的分解 正反向旋轉(zhuǎn)磁場的合成轉(zhuǎn)矩特性 合成轉(zhuǎn)矩 正向 反向 電容分相式起動 2 單相異步電動機(jī)的起動 罩極式單相電機(jī) 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(yīng)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(zhuǎn)磁場 使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來 圖中電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向 瞬時針旋轉(zhuǎn) 因?yàn)闆]有短路環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先 15 3同步電動機(jī) 15 4直流電動機(jī) 15 5控制電機(jī) 三節(jié)內(nèi)容從略 15 6電氣控制技術(shù) 1常用低壓控制電器2基本控制環(huán)節(jié)3電動機(jī)的保護(hù)4控制電路綜合舉例 低壓電器 配電電器 控制電器 開關(guān)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(guān) 控制對象 380V 5 5kW以下小電機(jī) 考慮到電機(jī)較大的起動電流 刀閘的額定電流值應(yīng)如下選擇 3 5 異步電機(jī)額定電流 電路符號 QS 2 熔斷器 作用 用于短路保護(hù) 3 按鈕 帶自鎖 不帶自鎖 4 行程開關(guān) 用作電路的限位保護(hù) 行程控制 自動切換等 5 接觸器 接觸器有關(guān)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(hù) 熱繼電器 結(jié)構(gòu) 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(jī)起動 停車 點(diǎn)動 連續(xù)運(yùn)行 多地點(diǎn)控制 順序控制等 電機(jī)正反轉(zhuǎn)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(jī)的直接起動 1 A B C KM FU QS B C KM SB 點(diǎn)動控制 動作過程 控制電路 主電路 異步機(jī)的直接起動 2 電動機(jī)連續(xù)運(yùn)行 自保的作用 KM SB1 KM SB2 KH A B C KM FU QS KH 異步機(jī)的直接起動 過載保護(hù) 例如 甲 乙兩地同時控制一臺電機(jī) 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(fù)合按鈕 點(diǎn)動 連續(xù)運(yùn)行 1 主電路 控制電路 點(diǎn)動 連續(xù)運(yùn)行 2 SB KA SB1 KA SB2 KH KM KA 方法二 加中間繼電器 KA 2電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制 1 A B C KMF FU QS KH 電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制 2 加互鎖 互鎖作用 正轉(zhuǎn)時 SBR不起作用 反轉(zhuǎn)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(jī)的正反轉(zhuǎn)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(yùn)行同樣分析 行程控制 2 自動往復(fù)運(yùn)動 正程 逆程 電機(jī) 工作要求 1 能正向運(yùn)行也能反向運(yùn)行2 到位后能自動返回 自動往復(fù)運(yùn)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(diǎn) 常開觸點(diǎn) 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(jī)的Y 起動 Y 轉(zhuǎn)換完成 控制要求 1 M1起動后 M2才能起動2 M2可單獨(dú)停 2 順序控制 順序控制電路 1 兩電機(jī)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(jī)各自要有獨(dú)立的電源 這樣接 主觸頭 KM1 的負(fù)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(shí)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(jī)的保護(hù) 電動機(jī)保護(hù)的類型 失壓保護(hù) 采用繼電器 接觸器控制 短路保護(hù) 加熔斷器 過載保護(hù) 加熱繼電器 A B C KM FU QS 主電路 1失壓保護(hù) 采用繼電器 接觸器控制 2短路保護(hù) 加熔斷器 頻繁起動的電機(jī) 異步電動機(jī)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(hù)作用 通常用以下關(guān)系 一般電機(jī) 電機(jī)工作時 若因負(fù)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(hù)作用 應(yīng)加熱繼電器 進(jìn)行過載保護(hù) 3過載保護(hù) 加熱繼電器 作用 可實(shí)現(xiàn)短路 過載 失壓保護(hù) 自動空氣斷路器 自動開關(guān) 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(yùn)料小車的控制 設(shè)計一個運(yùn)料小車控制電路 同時滿足以下