第6章電機(jī)與電器

第6章電機(jī)與電器本章介紹常用的電工設(shè)備，變壓器、電動(dòng)機(jī)和各種低壓電器的工作原理和使用。這些電工設(shè)備不僅有電路的分析問題，同時(shí)還有磁路的問題，只有同時(shí)掌握電路和磁路的基本理論，才能對(duì)電工設(shè)備作全面的分析。6.1磁路與變壓器在電工設(shè)備中常用磁性材料做成一定形狀的鐵心，通常把線圈繞在鐵心上。當(dāng)線圈中通過電流時(shí)，產(chǎn)生的磁通絕大部分通過鐵心構(gòu)成的閉合路徑。這種人為造成的磁通的閉合路徑，稱為磁路。6.1磁路與變壓器直流電機(jī)磁路交流接觸器的磁路6.1.1磁路的基本知識(shí)1.磁路的基本物理量（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度B又稱為磁通密度，是表示磁場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)弱及方向的物理量。它是一個(gè)矢量，磁場(chǎng)的方向與勵(lì)磁電流的方向有關(guān)，可用右手螺旋定則來表示。磁感應(yīng)強(qiáng)度B的單位是特［斯拉］（T）（2）磁通磁感應(yīng)強(qiáng)度B(如果不是均勻磁場(chǎng)，則取B的平均值)與垂直于磁場(chǎng)方向的面積S的乘積，稱為該面積的磁通?；虼磐ǖ膯挝皇琼f［伯］(Wb)（3）磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是表示物質(zhì)磁性能的物理量，用來表示物質(zhì)導(dǎo)磁能力大小的物理量。磁導(dǎo)率的單位是亨[利]每米（H/m）。自然界的物質(zhì)按導(dǎo)磁率的大小可分為非磁性材料和磁性材料。6.1.1磁路的基本知識(shí)相對(duì)磁導(dǎo)率或是真空的磁導(dǎo)率

H/m

6.1.1磁路的基本知識(shí)（4）磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)度是為了方便計(jì)算不同磁性材料磁場(chǎng)時(shí)所引用的一個(gè)物理量，也是矢量。磁場(chǎng)強(qiáng)度只與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流以及這些電流的分布情況有關(guān)。磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位是安[培]每米（A/m）。磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系或2.磁性材料的磁性能磁性材料主要的是指鐵、鎳、鉆及其合金以及鐵氧體等，其磁導(dǎo)率很高，是制造變壓器、電機(jī)等各種電工設(shè)備的主要材料。在分析磁路,首先要了解磁性材料的磁性能。6.1.1磁路的基本知識(shí)（1）高導(dǎo)磁性磁性材料的磁導(dǎo)率很高，＞＞1，可達(dá)數(shù)百乃至數(shù)萬。這就使它們具有被強(qiáng)烈磁化（呈現(xiàn)磁性）的特性。（2）磁飽和性磁性材料所產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)不會(huì)隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)而無限增強(qiáng)，當(dāng)外磁場(chǎng)增大到一定值時(shí)，這時(shí)外磁場(chǎng)再加強(qiáng)，磁化磁場(chǎng)的強(qiáng)度也不會(huì)增加了，這表明磁化已經(jīng)達(dá)到飽和值。6.1.1磁路的基本知識(shí)（3）磁滯性

當(dāng)鐵心線圈中通有交流電時(shí)，鐵心就受到交變磁化。在電流變化一次時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場(chǎng)強(qiáng)度H而變化的關(guān)系如圖所示。

稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為矯頑磁力6.1.1磁路的基本知識(shí)根據(jù)磁滯性的不同，可將磁性材料分為軟磁性材料和硬磁性材料軟磁性材料的磁滯回線較窄，剩磁和矯頑磁力都較小硬磁性材料的特點(diǎn)是磁滯回線較寬，剩磁和矯頑磁力都較大6.1.1磁路的基本知識(shí)由于磁滯現(xiàn)象的存在，可將磁性材料在交變磁化過程中產(chǎn)生了磁滯損耗，它會(huì)使鐵心發(fā)熱。磁滯損耗的大小與磁滯回線的面積成正比。渦流在鐵心中流動(dòng)會(huì)使鐵心發(fā)熱，由渦流而引起的損耗叫渦流損耗。在交流勵(lì)磁時(shí)為了減小渦流損耗，通常將鐵心做成疊片狀以減小渦流的路徑。例如變壓器、電動(dòng)機(jī)等的鐵心都做成疊片狀。3.磁場(chǎng)的基本定律（1）全電流定律全電流定律是計(jì)算磁場(chǎng)的基本定律，在磁場(chǎng)中沿任何閉合回線，磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量的線積分等于穿過該閉合回線所包圍面積電流的代數(shù)和計(jì)算電流代數(shù)和時(shí)，與繞行方向符合右螺旋定則的電流去正號(hào)，反之取負(fù)號(hào)。6.1.1磁路的基本知識(shí)6.1.1磁路的基本知識(shí)當(dāng)閉合回線上各點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等且其方向與閉合回線的切線方向一致，則全電流定律可簡(jiǎn)化為由于電流和閉合回線繞行方向符合右螺旋定則，線圈有匝，即電流穿過回線次稱為磁動(dòng)勢(shì)，單位是安[培]（A）。

6.1.1磁路的基本知識(shí)在磁路中我們定義一個(gè)對(duì)應(yīng)的物理量磁阻，它對(duì)磁通起阻礙作用，磁阻與磁路的平均長(zhǎng)度，磁路截面積及磁路材料的磁導(dǎo)率有關(guān)磁路的磁動(dòng)勢(shì)、磁通及磁阻之間的關(guān)系為上式與電路中的歐姆定律類似，因此稱為磁路歐姆定律。6.1.2鐵心線圈電路把線圈繞在鐵心便構(gòu)成鐵心線圈，根據(jù)線圈勵(lì)磁電源的不同，可分為直流鐵心線圈和交流鐵心線圈。1.電磁關(guān)系主磁通：漏磁通：主磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為漏磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為6.1.2鐵心線圈電路由基爾霍夫電壓定律，可得鐵心線圈的電壓方程式為由于線圈電阻上的電壓為、漏磁電動(dòng)勢(shì)與主磁電動(dòng)勢(shì)相比較都非常小，故可忽略不計(jì)有：6.1.2鐵心線圈電路設(shè)有主磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值在忽略線圈電阻與漏磁通的條件下，主磁通的幅值與線圈外加電壓有效值的關(guān)系為6.1.2鐵心線圈電路2.功率損耗交流鐵心線圈中的功率損耗有兩部分，一部分是線圈電阻上的功率損耗；另一部分是鐵心中的功率損耗。線圈電阻上的功率損耗銅損鐵心中的功率損耗鐵損交流鐵芯線圈總的功率損耗可表示為6.1.3變壓器1.變壓器分類(1)電力變壓器

(2)特種電源變壓器

(3)專用變壓器2.變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器由鐵心和繞阻兩部分組成。鐵心變壓器的磁路部分，多用厚度0.35~0.55mm的硅鋼片疊成。結(jié)構(gòu)不同可分為心式與殼式兩種6.1.3變壓器3.變壓器的工作原理變壓器由閉合鐵心和繞在鐵心上的兩個(gè)繞組構(gòu)成，接電源的繞組稱為一次繞組（原繞組），接負(fù)載的繞組稱為二次繞組（副繞組），變壓器的名稱用T表示。6.1.3變壓器（1）空載運(yùn)行和電壓變換一、二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為由于采用鐵磁性材料作磁路，漏磁很小，可以忽略。空載電流很小，一次繞組上的壓降也可以忽略。一、二次繞組的端電壓近似等于一、二次繞組電動(dòng)勢(shì)，所以一、二次繞住的電壓之比為（匝比）K為變比結(jié)論：改變?cè)褦?shù)比，就能改變輸出電壓。6.1.3變壓器（2）負(fù)載運(yùn)行和電流變換變壓器的二次繞組接上負(fù)載，稱為負(fù)載運(yùn)行。一、二次繞組的電阻和鐵心的磁滯損耗、渦流損耗都會(huì)損耗一定的能量，但該能量通常遠(yuǎn)小于負(fù)載消耗的能量，可以忽略。這樣，可以認(rèn)為變壓器輸入功率等于負(fù)載消耗的功率，即可得一、二次繞組電流之比等于其匝數(shù)之比的倒數(shù)。6.1.3變壓器6.1.3變壓器（3）阻抗變換作用等效阻抗模為可以用不同的匝數(shù)比把實(shí)際負(fù)載變換為所需要的比較合適的數(shù)值，這種做法通常稱為阻抗匹配。6.1.3變壓器6.1.3變壓器6.1.3變壓器4.常用變壓器及額定值（1）自耦變壓器（2）自耦調(diào)壓器（3）三相電力變壓器6.1.3變壓器（4）變壓器的額定值①額定電壓②額定電流③額定容量④額定頻率（5）變壓器的外特性100℅

（6）變壓器的功率損耗與效率6.2三相交流異步電動(dòng)機(jī)6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理1、三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理（1）三相異步電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)

異步電動(dòng)機(jī)的定子主要由機(jī)座、定子鐵心和定子繞組構(gòu)成6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理（2）三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組按結(jié)構(gòu)不同可分為籠型和繞線型兩種。鼠籠式轉(zhuǎn)子6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理繞線轉(zhuǎn)子異步相電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子如圖所示。它的轉(zhuǎn)子繞組也是對(duì)稱的三相繞組，且接成星形。繞線轉(zhuǎn)子異步相動(dòng)機(jī)和籠型異步電動(dòng)機(jī)雖然在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上不同，但它們的工作原理是一樣的。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比籠型導(dǎo)步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但它可以通過3個(gè)集電環(huán)外接電阻以滿足電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和調(diào)速的要求。6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理2、三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

當(dāng)搖動(dòng)磁極時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子跟著磁極一起轉(zhuǎn)動(dòng)，搖得快，轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)得快；搖得慢，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的也慢，反搖，轉(zhuǎn)子馬上反轉(zhuǎn)。從這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)中得出兩點(diǎn)啟示：第一，有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；第二，轉(zhuǎn)子跟著磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。因此，在三相異步電動(dòng)機(jī)中，只要有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和一個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子就可以了。6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理（1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理（2）.磁場(chǎng)的方向只要將同三相電源連接的三根導(dǎo)線中的任意兩根的一端對(duì)調(diào)位置旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就反轉(zhuǎn)。6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理（3）.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極數(shù)與每相繞組的串聯(lián)個(gè)數(shù)有關(guān)，以上為每相有一個(gè)繞組，能產(chǎn)生一對(duì)磁極（p為極對(duì)數(shù)）。當(dāng)每相有兩個(gè)繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有兩對(duì)極（p=2）。6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理（4）.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于磁極數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為(5).電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理U1U2V2W1V1W2方向:順時(shí)針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E20旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)左手定則電磁力FF電磁轉(zhuǎn)矩TnF(3).轉(zhuǎn)差率電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同。但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不能與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，如果兩者相等，則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間就沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)了，因而轉(zhuǎn)子導(dǎo)條就不切割磁力線，轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流及電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩就不存在了。這樣轉(zhuǎn)子就不會(huì)繼續(xù)以的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速之間必須要有差值，這就是異步電動(dòng)機(jī)名稱的由來。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速常稱為同步轉(zhuǎn)速。用轉(zhuǎn)差率s來表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相差的程度轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要物理量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越接近同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率越小。轉(zhuǎn)差率約為1%~9%。6.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和轉(zhuǎn)動(dòng)原理6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性1.三相交流異步電動(dòng)機(jī)的磁通與轉(zhuǎn)子電流磁通最大值轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（有效值）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性引入轉(zhuǎn)差率可得設(shè)轉(zhuǎn)子內(nèi)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值轉(zhuǎn)子繞組的電抗6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性轉(zhuǎn)子電路電流為轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)都是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)。6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性2.轉(zhuǎn)矩公式設(shè)

··

6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性3.機(jī)械特性研究機(jī)械特性的目的是為了分析電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。6.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性4.三個(gè)重要轉(zhuǎn)矩（1）額定轉(zhuǎn)矩

（2）最大轉(zhuǎn)矩

·

過載系數(shù)（3）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩6.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的使用1.三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)（1）額定容量:

軸上輸出的機(jī)械功率（2）額定電壓

電動(dòng)機(jī)外施電源電壓（3）額定電流

電機(jī)的母線電流（4）額定轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（5）額定頻率

我國(guó)規(guī)定工頻為50Hz6.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的使用2.電動(dòng)機(jī)的選擇（1）容量的選擇

（2）電壓的選擇（3）轉(zhuǎn)速的選擇

3.電動(dòng)機(jī)起動(dòng)為了減小異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，有時(shí)也為了提高或減小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，需采用適合的起動(dòng)方法。由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種結(jié)構(gòu)型式，因此，這兩種電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的方法有所不同，鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)有直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)，繞線式異步電動(dòng)機(jī)則采用轉(zhuǎn)子串接電阻起動(dòng)等方法。6.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的使用（1）鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直接起動(dòng)：直接起動(dòng)是利用閘刀開關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)定子繞組直接接到具有額定電壓的交流電源上，這種起動(dòng)方法稱為直接起動(dòng)或全壓起動(dòng)。降壓起動(dòng)：可采用降壓起動(dòng)來降低起動(dòng)電流。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)可以使起動(dòng)電流減小，但是同時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也減小，所以這種起動(dòng)方法只適用于對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的生產(chǎn)機(jī)械。6.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的使用星形-三角形（Y－Δ）換接起動(dòng)Y起動(dòng)△運(yùn)行

Ｙ-△換接起動(dòng)的電路圖Y-Δ換接起動(dòng)接線圖自耦降壓起動(dòng)：自耦降壓起動(dòng)是利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的端電壓降低。6.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的使用UUVVWWM3~3~3~起動(dòng)運(yùn)行FU

繞線式電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)：在轉(zhuǎn)子電路中接入大小適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)電阻，就可達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的，同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也提高了。

FU4.電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)改變?nèi)嘟涣鳟惒诫妱?dòng)機(jī)，只要將電動(dòng)機(jī)接向電源的三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)一下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與電源線對(duì)調(diào)前的轉(zhuǎn)向相反。5.電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（1）變頻調(diào)速（2）變極調(diào)速⑶變轉(zhuǎn)差率調(diào)速6.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的使用6.3直流電動(dòng)機(jī)6.3.1直流電電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和工作原理1.直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造（1）主磁極（2）機(jī)座（3）電樞鐵芯和電樞繞組（4）換向器和電刷裝置(5)換向極6.3.1直流電電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造和工作原理2.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理在電刷A、B兩端接上直流電源U，電刷A接至電源的正極，電刷B接至電源的負(fù)極。則線圈中有電流流過，位于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體必將受到電磁力的作用，至于電磁力的方向可用左手定則確定。這一電磁力形成了作用于電樞鐵芯的電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針的。電動(dòng)機(jī)的電樞在此轉(zhuǎn)矩的作用下，將逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)的種類6.3.2他勵(lì)電動(dòng)機(jī)6.3.3并勵(lì)電動(dòng)機(jī)6.3.4