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2.由于軸承損壞，軸彎曲等原因致使定、轉子磨擦（俗稱掃膛）引起鐵心溫度急劇上升，燒毀槽絕緣、匝間絕緣，從面造成繞組匝間短路或對地“放炮”。嚴重時會使定子鐵心倒槽、錯位、轉軸磨損、端蓋報廢等。軸承損壞一般由下列原因造成：①軸承裝配不當，如冷裝時不均勻敲擊軸承內圈使軸受到磨損，導致軸承內圈與軸承配合失去過盈量或過盈量變小，出現跑內圈現象，裝電機端蓋時不均勻敲擊導致端蓋軸承室與軸承外圈配合過松出現跑外圈現象。無論跑內圈還是跑外圈均會引起軸承運行溫升急劇上升以致燒毀，特別是跑內圈故障會造成轉軸嚴重磨損和彎曲。但間斷性跑外圈一般情況下不會造成軸承溫度急劇上升，只要軸承完好，允許間斷性跑外圈現象存在。②軸承腔內未清洗干凈或所加油脂不干凈。例如軸承保持架內的微小剛性物質未徹底清理干凈，運行時軸承滾道受損引起溫升過高燒毀軸承。③軸承重新更換加工，電機端蓋嵌套后過盈量大或橢圓度超標引起軸承滾珠游隙過小或不均勻導致軸承運行時磨擦力增加，溫度急劇上升直至燒毀。④由于定、轉子鐵心軸向錯位或重新對轉軸機加工后精度不夠，致使軸承內、外圈不在一個切面上而引起軸承運行“吃別勁”后溫升高直至燒毀。⑤由于電機本體運行溫升過高，且軸承補充加油脂不及時造成軸承缺油甚至燒毀。⑥由于不同型號油脂混用造成軸承損壞。⑦軸承本身存在制造質量問題，例如滾道銹斑、轉動不靈活、游隙超標、保持架變形等。⑧備機長期不運行，油脂變質，軸承生銹而又未進行中修。

相應對策：①卸裝軸承時，一般要對軸承加熱至80℃~100℃，如采用軸承加熱器，變壓器油煮等，只有這樣，才能保證軸承的裝配質量。②安裝軸承前必須對其進行認真仔細的清洗，軸承腔內不能留有任何雜質，填加油脂時必須保證潔凈。③盡量避免不必要的轉軸機加工及電機端蓋嵌套工作。④組裝電機時一定要保證定、轉子鐵心對中，不得錯位。⑤電機外殼潔凈見本色，通風必須有保證，冷卻裝置不能有積垢，風葉要保持完好。⑥禁止多種油脂混用。⑦安裝軸承前先要對軸承進行全面仔細的完好性檢查。⑧對于長期不用的電機，使用前必須進行必要的解體檢查，更新軸承油脂。

3.由于繞組端部較長或局部受到損傷與端蓋或其它附件相磨擦，導致繞組局部燒壞。

相應對策：電機在更新繞組時，必須按原數據嵌線。檢修電機時任何剛性物體不準碰及繞組，電機轉子抽芯時必須將轉子抬起，杜絕定、轉子鐵芯相互磨擦。動用明火時必須將繞組與明火隔離并保證有一定距離。電機回裝前要對繞組的完好性進行認真仔細的檢查確診。

4.由于長時間過載或過熱運行，繞組絕緣老化加速，絕緣最薄弱點碳化引起匝間短路、相間短路或對地短路等現象使繞組局部燒毀。

相應對策：①盡量避免電動機過載運行。②保證電動機潔凈并通風散熱良好。③避免電動機頻繁啟動，必要時需對電機轉子做動平衡試驗。

5.電機繞組絕緣受機械振動（如啟動時大電流沖擊，所拖動設備振動，電機轉子不平衡等）作用，使繞組出現匝間松馳、絕緣裂紋等不良現象，破壞效應不斷積累，熱脹冷縮使繞組受到磨擦，從而加速了絕緣老化，最終導致最先碳化的絕緣破壞直至燒毀繞組。

相應對策：①盡可能避免頻繁啟動，特別是高壓電機。②保證被拖動設備和電機的振動值在規定范圍內。二、三相異步電動機一相或兩相繞組燒毀（或過熱）的原因及對策

如果出現電動機一相或兩相繞組燒壞（或過熱），一般都是因為缺相運行所致。在這里不作深刻的理論分析，僅作簡要說明。

當電機不論何種原因缺相后，電動機雖然尚能繼續運行，但轉速下降，滑差變大，其中B、C兩相變為串聯關系后與A相并聯，在負荷不變的情況下，A相電流過大，長時間運行，該相繞組必然過熱而燒毀。

三相異步電動機繞組為Y接法的情況：電源缺相后，電動機尚可繼續運行，但同樣轉速明顯下降，轉差變大，磁場切割導體的速率加大，這時B相繞組被開路，A、C兩相繞組變為串聯關系且通過電流過大，長時間運行，將導致兩相繞組同時燒壞。

這里需要特別指出，如果停止的電動機缺一相電源合閘時，一般只會發生嗡嗡聲而不能啟動，這是因為電動機通入對稱的三相交流電會在定子鐵心中產生圓形旋轉磁場，但當缺一相電源后，定子鐵心中產生的是單相脈動磁場，它不能使電動機產生啟動轉矩。因此，電源缺相時電動機不能啟動。但在運行中，電動機氣隙中產生的是三相諧波成分較高的橢圓形旋轉磁場，所以，正在運行中的電動機缺相后仍能運轉，只是磁場發生畸變，有害電流成分急劇增大，最終導致繞組燒壞。

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三相異步電動機具有結構簡單,運行可靠,堅固耐用,價格便宜,維修方便等一系列優點。與同容量的直流電動機相比,異步電動機還具有體積小,重量輕,轉動慣量小的特點。，調速。因此,在工礦企業的電機拖動系統中異步電動機得到了更為廣泛的應用。

一、三相異步電動機基本的轉動原理

三相異步電動機是利用旋轉磁場工作的，其工作原理可通過以下演示實驗來直觀地了解。一個裝有手柄的蹄性磁鐵以軸座01為支撐自由轉動；在蹄性磁鐵兩磁極之間有一個鼠籠轉子，鼠籠轉子以軸座02為支撐自由轉動；軸座01和軸座02在同一條軸線上。蹄性磁鐵和鼠籠轉子之間沒有摩擦力和機械連動關系，兩者均可獨立自由轉動或保持靜止。當搖動手柄使蹄性磁鐵順時針方向旋轉時，磁場的磁力線就切割鼠籠轉子上的銅條，相當于轉子銅條逆時針方向切割磁感線，閉合的銅條中就會產生感生電流，其方向可用右手定則判斷。由于感生電流處在蹄性磁鐵的磁場中，因此銅條要受到磁場力的作用而使轉子轉動，磁場力的方向可根據左手定則判斷，從判定的結果可知轉子轉動方向與蹄性磁鐵旋轉方向一致。，調速。

二、三相異步電動機的重載起動

1、小功率三相異步電動機的重載起動

這種情況的主要問題是起動轉矩不足,而小功率三相異步電動機一般為鼠籠型,解決的辦法是用特殊電機獲得高起動轉矩,主要有高轉差率電機、深槽式電機和雙籠型電機.從起動電流公式和起動轉矩公式可以看出,增大轉子電阻既可限制起動電流又可提高起動轉矩。

高轉差率異步電動機的轉子導條不是普通的鋁條,而是采用電阻率較高的鋁合金.這種電機過載能力強,但功率因數低,正常運行時損耗較大,效率較低.所以只適用于頻繁起動的場合,主要是起重運輸機械.深槽式異步電動機是利用起動過程中轉子導條內的集膚效應使起動時的轉子電阻增大,改善起動性能又不降低正常運行效率,但功率因數和過載能力有所降低,適用于需要重載起動而對過載能力要求不高的場合.雙籠型異步電動機利用集膚效應改善了起動性能,又保證了基本的運行性能,但電機價格較高,一般用于要求起動轉矩較高的場合.

2、大功率三相異步電動機的重載起動

此種情況下既要有較高的起動轉矩又要限制起動電流,若高起動轉矩的籠型異步電動機不能滿足要求,可以采用繞線型異步電動機,在轉子電路中串聯合適的電阻,既可提高起動轉矩又能降低起動電流.因而,要求起動轉矩大或起動頻繁的生產機械常采用繞線型異步電動機拖動.大功率電動機一般為繞線型。，調速。

三相繞線型異步電動機常用的起動方法有轉子串固體電阻、頻敏電阻或液體電阻.大功率繞線型異步電動機轉子串固體電阻起動,不能無級調節,起動不夠平滑。，調速。為了減小沖擊,應在轉子回路中串入多級對稱電阻,并隨著轉速的升高逐漸切除起動電阻,因此設備投資大,操作、維修不便.串頻敏電阻器起動,結構簡單、維護方便,可以無級調節,但起動電流較大、功率因數低,使起動轉矩受到限制,且不同容量的電動機要配不同規格的頻敏變阻器.轉子回路串液體電阻,能連續無級調節使電機平滑起動,具有起動轉矩大、起動電流小、起動時間短、功率因數高、噪聲小、溫升低、結構簡單的特點,并且可以通過調節液體濃度來改變阻值,使一臺起動器適應不同功率的電動機,因此是大功率電動機重載起動的首選方案.

三、三相異步電動機的主要調速方法

三相異步電動機的調速方法包括：變極對數、定子調壓、定子變頻、串級調速、雙饋調速、液力耦合、電磁轉差離合器等，從調速時的能耗觀點來看，有高效調速方法與低效調速方法兩種：高效調速指時轉差率不變，因此無轉差損耗，如多速電動機、變頻調速以及能將轉差損耗回收的調速方法（如串級調速等）。有轉差損耗的調速方法屬低效調速，如轉子串電阻調速方法，能量就損耗在轉子回路中；電磁離合器的調速方法，能量損耗在離合器線圈中；液力耦合器調速，能量損耗在液力耦合器的油中。一般來說轉差損耗隨調速范圍擴大而增加，如果調速范圍不大，能量損耗是很小的。下面就對改變轉差率進行調速的幾種方法進行闡述：

1、改變定子電壓調速

異步電動機的轉矩與定子電壓的平方成正比，改變定子電壓就可以改變電動機的機械特性和轉矩，這種方法不適用于普通籠式電機，因為它的轉子電阻很小，轉速低時電流會急劇上升。，調速。可用于繞線式異步電動機，其轉子回路可串電阻或頻繁變阻器，大部分轉差能量損耗被引到外接電阻或頻繁變阻器上，減輕電動機的發熱。

2、改變轉子電阻調速

這種調速方法只適用于繞線式電動機，在異步電動機的轉子電路內串入調速電阻，當負載一定時，轉子回路中串接的電阻越大電動機的轉速越低，越小轉速越高。此方法設備簡單，控制方便，初期投資少，但轉差功率以發熱的形式消耗在電阻上，屬有級調速，機械特性較軟。

3、串級調速

目前，較先進的串級調速應用了可控硅逆變器控制的串級調速線路，其優點是能夠獲得較硬的機械特性，整流元件壓降小，設備占地面積小，無旋轉部分，噪聲小，維護較簡單，是繞線式電動機很有發展前途的調速方法之一，其缺點是，轉子回路裝有濾波用的電抗器，故功率因數較低。

四、使用過程中有必要加強三相異步電動機的過電流保護

為達到安全可靠的全面保護，只靠設計一種保護方法是不行的，必須全面分析各種故障引起的電流異常情況，采用智能保護器或多功能保護器來保護三相步電動機的安全運行，保護器的設計應具有下面的功能：

1、設置電流速斷保護

用于電動機內部定子繞組以及進線所發生的相間短路故障或相間接地短路故障，短路電流很大時，迅速切斷電源。，調速。

常見的電流速斷保護是熔斷器和低壓斷路器。熔斷器的熔體串聯在被保護的電路中，當電路正常工作時，熔斷器不起作用，相當于一根導線，其上面的壓降很小，可忽略不計。當電路短路時，很大的短路電流流過熔體，使熔體立即熔斷，切斷電動機電源，電動機停轉，起到保護作用。同樣，若電路中接入低壓斷路器，當再現短路時，低壓斷路器會立即動作，切斷電源，使電動機停轉。

2、設置定時限過流保護

作為電動機運行過程中短路保護的后備保護，以提高保護整定的靈活性。

3、設置反時的過負荷保護

防止電動機長時間過負荷運行而引起的電流過大，防止由于電流熱效應的累積作用，使定子部分過熱而引起的損壞。

4、設置負序電流保護

防止電動機的各類非接地性不對稱故障。

5、設置起動時間過長保護防止由于各種原因使得電動機不能成功起動時，大起動電流對繞組的損壞以及起動轉矩對軸承的損壞。

結語：為了保證三相異步電動機的安全、經濟和穩定運行，就必須要掌握有關異步電動機的安全運行的基本原理，對三相異步電機應用中可能出現的問題進行深入的探討與分析，做到盡可能合理地使用電動機，避免事故隱患的產生，確保電動機高效運行。

參考文獻：

1、湯天浩《電機與拖動基礎》[M]北京:機械工業出版社2004；

2、李興艷《淺談三相異步電動機的幾種常用調速方法》[J]甘肅科技縱橫2010（2）；

3、馬江鵬《淺析三相異步電動機的組成和工作原理》[J]現代經濟信息2010（3）；

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高性能交流調速系統許多在工藝上就需要調速的生產機械，過去多用直流傳動，鑒于交流電機比直流電機結構簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、轉動慣量小、效率高，如果改成交流調速，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機原理上的原因，其電磁轉矩難以像直流電機那樣直接通過電流實行靈活的即時控制。70年代初發明了矢量控制技術，通過坐標變換，把交流電機的定子電流分解成勵磁分量和轉矩分量，用來分別控制磁通和轉矩，就可以獲得和直流電機相媲美的高動態性能，從而使交流電機的調速技術取得了突破性的進展。

特大容量及高轉速的交流調速直流電機換向器的換向能力限制了它的容量和轉速，其極限容量與轉速的乘積約為10KW·r/min，超過這個數值時，直流電機的設計與制造就非常困難了。交流電機則不受這個限制，因此，特大容量的傳動，如厚板札機、礦井卷揚機等，和極高轉速的傳動，如高速磨頭、離心機等，都以采用交流調速為宜。

一、起重機發展趨勢

物料搬運成為人類生產活動的重要組成部分，距今已有五千多年的發展歷史。隨著生產規模的擴大，自動化程度的提高，作為物料搬運重要設備的起重機在現代化生產過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機的要求也越來越高。起重機正經歷著一場巨大的變革。發展趨勢：大型化和專用化、輕型化和多樣化、自動化和智能化、成套化和系統化、新型化和實用化。

二、電動葫蘆

電動葫蘆，簡稱電葫蘆。由電動機、傳動機構和卷筒或鏈輪組成，分鋼絲繩電動葫蘆和環鏈電動葫蘆兩種。通常用自帶制動器的鼠籠型錐形轉子電動機（本次設計既是選用此種電機）（或另配電磁制動器的圓柱形轉子電動機）驅動，起重量一般為0.1～80t，起升高度為3～30m。多數電動葫蘆由人用按鈕在地面跟隨操縱，也可在司機室內操縱或采用有線（無線）遠距離控制。電動葫蘆除可單獨使用外，還可同手動、鏈動或電動小車裝配在一起，懸掛在建筑物的頂棚或起重機的梁上使用。

三、三相異步電動機及工作原理簡介

三相異步電動機由定子和轉子兩大部分組成，定子和轉子之間是空氣隙。三相異步電動機具有結構簡單、性能優良、制造成本低、維修費用省、堅固耐用等優點，在工農業生產中得到了廣泛應用。正常情況下，定子旋轉磁場的轉速n和轉子轉速n不同步，這是因為如果同步，轉子與旋轉磁場之間不再有相對運動，導體不再切割磁場，就沒有感應電動勢產生，也就沒有了轉子電流和電磁轉矩，無法維持電動機繼續運行。

三相異步電動機有一個很重要的參數：轉差率——用s表示，其定義式為在很多情況下，用s表示電動機的轉速比直接用轉速n方便得多，使很多運算大為簡化。一般異步電動機的轉差率在0.02～0.05之間。大部分廠家生產的異步電動機的銘牌上標有下列數據：1．額定功率P：電動機額定運行時軸端輸出的機械功率，單位一般為kw

2．額定電壓U：電動機額定運行時定子加的線電壓，單位為v或kv

3．額定電流I：定子加額定電壓、軸端輸出額定功率時的定子線電流，單位為A

4．額定頻率f：我國工頻為50Hz

5．額定轉速n：電動機額定運行轉子的轉速，單位為r/min

四、籠形轉子異步電動機的特點

籠形轉子異步電動機具有轉子結構堅實、效率高、價格低、控制設備簡單和維護使用方便等優點，因此在各種應用領域中使用最廣泛。但這種電機的啟動性能較差，即啟動轉矩低而啟動電流很大。因此在選擇使用時應考慮啟動問題，即：1．啟動轉矩Tk應大于負載靜轉矩Tl；2．啟動電流在供電電網上造成的瞬間電壓降不能超過容許值；3．在啟動過程中電動機的能量損失要小。

本次設計用電機為錐形轉子三相異步電動機。常用的電動葫蘆用錐形轉子制動三相異步電動機型號有：YEZS、YREZ、YBFZ和YBEZX等幾種。該類型電機的主要特點是利用其錐形轉子的特殊結構在通電時產生磁拉力，打開制動機構，使電機正常運轉。

該類電動機的定額是斷續周期工作制S，負載持續率不低于25%，每小時等效起動次數不低于120次。電源頻率為50Hz，同步轉速為1500r/min。4.5KW及以下的額定轉速為1380r/min。7.5KW以上的額定轉速為1400r/min。允許最大轉速為3750r/min。新晨：

【參考文獻】

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Key words: soft-start and energy-saving devices; energy regulator; power consuming efficiency; power factor; minimum energy consumption optimization voltage adjusted

1、 引言

隨著我國現代化工業進程不斷加快，能源消耗越來越大，能源緊張問題日益突出，作為能源消耗大戶之一的電機在節能方面大有潛力可挖。對于帶周期性負載和長期輕載運行的電機，在不采取節能措施情況下用電效率低，功率因數低[1，2，3]。通過對電動機進行節能控制，可明顯提高用電效率和提高功率因數，達到節能降耗的目的[4-8]。因此，電動機經濟運行的理論研究和節能技術研究近年來備受關注。

2、節能運行原理

電動機運行時的用電效率是衡量經濟運行的重要指標，在滿足相同負載功率前提下，電機輸入有功功率越小，效率越高，則用電量越小。電動機的能耗包括:定子銅耗、轉子銅耗、摩擦損耗、鐵耗、雜耗及有效功率。 其中定子銅耗、轉子銅耗和鐵耗可以通過對電動機供電電源的合理控制，在滿足負載有效功率需求前提下，使定子銅耗、轉子銅耗和鐵耗減小。

將維持電機工作的定子電流分解為直角坐標系下兩個垂直分量：阻性電流IR1分量及感性電流IM1分量。感性電流分量依賴于電壓和磁通密度，在額定電壓下，磁場消耗的能量保持恒定，與負載所需的轉矩無關。支持負載轉矩的能量取決于阻性電流IR1分量，在滿電壓情況下負載轉矩變化引起的定子電流變化實質是阻性電流IR1的變化，隨著負載轉矩的減小，功率因數角 隨之增大。

恒壓供電方式下定子電壓電流矢量圖見圖1所示。

圖1 負載變化時恒壓供電方式下定子電壓電流矢量關系

Fig.1 When load changes the stator of the voltage and current vector relationship in the constant voltage supply

由于異步電動機運行在恒壓供電方式，所以電機的磁場耗能維持不變，即感性電流IM1分量維持不變，隨著負載減小，阻性電流分量IR1隨之減小，這就是為什么在負載輕時功率因數低的原因。

若在負荷發生變化的同時，對異步電動機采用變壓恒功率因數供電方式，若能實現合理恒功率因數控制，通過調整供電電壓來調整感性電流IM1分量，不僅能夠減少鐵耗，還可減少定子、轉子的銅耗，從而達到節能的目的。

圖2 負荷變化時變壓恒功率因數供電方式下定子電壓電流關系

Fig.2 When load changes the stator of the voltage and current vector relationship in the factor of variable voltage constant power supply

可知，，某一負載下電動機的用電效率與電壓、轉差率及功率因數三因素有關。而三因素之間存在耦合關系，因此異步電動機調壓節能控制是一個非線性問題。同時，輕載時不是所有的降低電壓行為都能起到節能效果，只有當電壓降低的幅度能補償轉差率變化和功率因數變化的幅度時才有節電效果。

3、自動最小能耗尋優控制（AEO）

由于交流異步電機的最佳功率因數在全工作范圍內呈曲線變化，不同制造廠生產的同一規格的異步電機的功率因數呈一定的離散性，同一臺電機在其新舊壽命期，在同一工況下的功率因數也呈現一定的離散性，這就給節能控制器設計帶來一定困難。最早出現的異步電機優化節電器NoLacosφ功率因數控制器為恒功率因數控制，故這種方法不能達到最佳節電效果。

3．1 以 為效率目標的最優預期調壓值的確定

從節能運行的角度出發，根據上述理論分析得知，在不同負載下供電電壓存在一個最佳值，這個最佳值取決于系統追求的最佳效率ηj和與之對應的功率因數。

3.2 在線自動尋優

并確定對應控制功率因數

采用恒功率因數控制實現節能運行，最關鍵的問題是給定功率因數的確定，如前所述，由于確定功率因數呈現一定的離散性，所以，鍵盤設定功率因數或機器內嵌入功率因數的辦法都不科學，如果采用機器上電后在線自動尋優并確定對應控制功率因數將是最為可行的方法。

具體做法是：設備上電軟啟動完成后，按30組功率因數給定值分別進行功率因數控制，并進行電動機單位耗能計算和效率計算，并將30組計算結果存儲，將30組數據按效率做降序排隊，得到的最高效率組即為節能器尋優和對應的控制功率因數 。

3.3 三相異步電動機自動最小能耗尋優控制系統（AEOS）

按照上述思想構成的三相異步電動機自動最小能耗尋優控制系統（AEOS）見圖3所示。

圖3 三相異步電動機自動最小能耗尋優控制系統

Fig.3 Automatic minimum three-phase asynchronous motor control system for optimizing energy consumption

系統工作分三個階段，上電后首先執行軟啟動過程，按照特定的軟啟動模式[6]控制異步電動機完成平滑無沖擊啟動。然后按程控功率因數給定，進入最小能耗尋優控制功率因數

值階段，當最優功率因數確定后進入恒功率因數閉環控制階段。

在實際設計中，節能控制器采用了LPC932 微控制器[9]為核心的單片機系統，很適合要求高集成度低成本的場合。系統反饋通道采用ATT7022A[10]與單片機LPC932接口技術，進行三相異步電動機供電多電量的檢測和計算。不僅減輕節能運行控制器工作負擔，提高了測量精度，還減少了系統硬件開支。

4 結束語

影響三相異步電動機用電效率的三個關鍵因素電壓、轉差和功率因數之間存在耦合關系，因此對三相異步電動機進行節能控制的問題是一個非線性控制問題。本文從異步電動機節能運行的角度出發，按能耗最小尋優目標功率因數 以及按負載率β確定最佳調整電壓U1j，不僅在理論上得出了控制方法，在技術實現上也是切實可行的。

參考文獻

[1] 羅文廣、陸英北，異步電動機按負載大小降壓節能的研究[J]，電工技術，1998，（8）

[2] 王雪丹、王若虛、王彥杰，異步電動機節能途徑的研究[J]，黑龍江礦業學院學報，1999.3，Vol.9 NO.1

[3] 秀東等，交流電動機軟起動節電器控制裝置的研究[J]，山東科技大學學報（自然科學版），2000.6，第19卷第2期

[4] 崔力，交流異步電動機軟起動及優化節能控制技術研究[J]，電氣傳動自動化，2003，25（1）

[5] 康健，朱殿琪，異步電動機軟起動節能控制器，電工技術，2001，1：26----27

[6] 劉建業，安曙明，付占穩等.三相異步電動機智能化節能器控制策略與控制算法[J].電工技術雜志，2004，2

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1 電動機工作原理

三相異步電動機是由固定不動的定子和利用電磁感應轉動的轉子組成的，他們之前由空隙分開，當電動機接通電源，定子和轉子利用電磁感應，進行相對轉動，從而實現電動機由電升動的過程。

具體來說，定子的組成有3個部分，有鐵心，鐵心上面會纏繞著線圈，即繞組，還有支撐整個結構的機座。三項異步電動機中還有成對的磁極，目的是用來讓定子和轉子進行轉動，在有不同方向的電流通過的時候，定子和轉子的轉動角度不同，從而控制電動機的正反轉。具體實現電動機的正轉反轉原理是當定子中有三相交流電流過，就會產生定子和轉子的相對轉動，具體轉動的方向是通過定子和轉子切割磁感應方向決定的。如果產生的三項交流電的方向和產生順時針轉動的方向一致，三相異步電動機的轉動方向就為順時針方向，如果三相交流異步電動機的轉動方向和通入電流逆時針的方向相同，那么三項交流異步電動機的轉動方向為逆時針方向。在不通電的時候，定子和轉子都是靜止的，當通入三相交流電，定子和轉子就會按照所通入交流電的方向產生相應的轉動，即同向性。電磁感應的原理是在通電的導體周圍會產生磁場，反過來磁場的變化也會使導體運動，這個電磁感應的原理就是電動機的基礎。定子上纏繞的線圈即繞組中通過三相交流電，如果是對稱的，就會產生一個順時針旋轉的磁場，轉子接通后，由靜止變成切割磁感應線運動，如果不是對稱的，產生的電流也使轉子切割磁感應線運動，但是是以逆時針的方向運動。這個使轉子和定子產生相對運動的力稱為電磁力，當力與方向相互結合后，產生了電磁轉矩，這個電磁轉矩就作為驅動電機旋轉的真正動力。

只要控制好電機的真正點動力電磁轉矩，就能控制電動機正反轉。電動機的正反轉是整個工業控制中最基礎最常用的控制，小到一個散熱風扇的旋轉，如控制正轉向室內送風，控制反轉向室外排風，大到蒸氣機中汽輪機的旋轉工作，都是通過電動機的正反轉為基礎，可見，控制好電動機的正反轉就是控制了整個工業的核心。

2 PLC對三相異步電機的正反轉控制

如前面所述，這個近代工業的開端是以蒸汽機為代表的用機器代替人力，蒸汽機中汽輪片的轉動可以通過電動機控制，同樣，在產品的生產中，機床的控制也需要用到電動機。比如機床的工作需要使用主軸需要轉動，也涉及到正轉和反轉，控制主軸的正轉和反轉正式電動機。機床的工作平臺需要前進和后退，使工件能夠在合適的位置進行加工，機床的工作平臺的運動也是通過電動機來控制。起重機吊鉤的上升與下降，機床工作臺的前進與后退等等。由電動機原理可知，只要把電動機的三相電源進線中的任意兩相對調，就可改變電動機的轉向。因此正反轉控制電路實質上是兩個方向相反的單相運行電路，為了避免誤動作引起電源相間短路，必須在這兩個相反方向的單向運行電路中加設必要的互鎖。按照電動機可逆運行操作順序的不同，就有了“正-停-反”和“正-反-停”兩種控制電路。

以前的電動機的正轉反轉控制電路需要用繼電器系統，改進的系統用PLC代替繼電器，同樣實現正轉反轉的功能。主要分為3個步驟：第一步，更改輸入輸出接線口，并畫出接線圖；第二步，部編寫梯形圖嗎，即控制正反轉的程序；第三步，接線，實現正反轉的控制。

KM1是控制電動機正轉的線圈，KM2是控制電動機反轉的線圈。在輸入端，輸入有電源，不需要接電源，但是在輸出端沒有電源，需要接220 V的交流電。

梯形圖中，X1、X2和X3分別代表3個按鈕，Y1、Y2分別代表繼電器的KM1和KM2。

3 結語

電動機在工業上有著廣泛的應用。基于PLC控制的步進電動機具有設計簡單、實現方便、參數設計置靈活等優點。該文闡述了用PLC控制步進電機系統的原理，及硬件和軟件設計方法。其內容主要包括I/O地址分配、梯形圖。該文設計過程中使用了16位移位寄存器，大大簡化了程序的設計，使程序更間湊，方便了設計，在實際應用中表明此設計是合理有效的。

篇6

一、以研產學結合為基礎，不斷深化教學內容改革

（一）科學研究聯系生產實際，并以此拓展、加深教學內容

在本地，異步電動機用電量占電力負荷的60%以上，為了緩解用電矛盾，電動機的節能，就具有至關重要的作用。在講授《電機與拖動基礎》（以下簡稱《電拖》）課程“異步電動機的效率與損耗”時，還結合本地生產中電機節能方面存在的問題，從“減少有功損耗”與“減少無功”兩方面詳細論述了實現節能的方法，大大深化和豐富了教材內容。有些學生還開發性地應用到其它感性負載（如硅整流設備）中，取得了較好的節電效果。

在本地農村，由于村落分散，輸電線路長，加之農忙與農閑用電負荷變化很大，且農閑輕負荷時間長等原因，使得農電變壓器的損耗大。在講授《電拖》課程“變壓器的工作特性”時，還深入講述變壓器節電運行的多項措施，并介紹了實際應用中的具體做法，被學生創造性地運用在各自的家鄉，收到了好的節電效果，得到了供電部門的表揚。

本地屬于農業大省農業大市，農用電動機較多，而配變容量較小、供電線路長且阻抗大，因此農用電動機起動時可不考慮對高壓系統的影響，加之農用電動機容量較小，起動次數少，因而對電網與電機壽命的影響都小。在講授《電拖》課程“三相異步電動機的起動”時，還結合本地農用電動機的具體情況，對教材中允許直接起動電動機的容量公式進行了修正，擴大了允許直接起動的農用電動機容量，減少了擴大容量的電動機所用的降壓起動設備，節省了開支。

在講授《電路分析》課程“高頻交流電”時，補充講解了高頻設備的電磁輻射及其防護措施，以滿足本地在通訊、廣播電視及醫療等方面工作人員的需要。在講授《供電技術》課程“供電系統的保護”時，補充講述了電力系統諧波的產生、危害與抑制方法，更好地滿足電力工作人員的需要。在講授《電拖》課程“單相異步電動機”電容時，還對單相電動機運行電容的正確選取提出了具體的計算公式與確定方法；在講授“儀用互感器”時，還對互感器的接線方式及使用注意事項作了深入分析，以滿足本地農村鄉鎮企業與城市工礦企業電氣人員的需要。

（二）科學研究面向生產需要，并以此調整、補充教學內容

在我市有線電廠、無線電一廠等多家單位，由于生產需要，工程技術人員不僅要掌握普通可控硅方面的知識，還要掌握雙向可控硅與可關斷可控硅知識。根據這一實際，我們把《變流技術》教材中在本地應用很少的“斬波器”省略（學生自學），而補充講解雙向可控硅與可關斷可控硅知識，并結合教師的實踐經驗，具體介紹了普通型、雙向型、可關斷三種類型可控硅的電極確定、觸發性能檢測、電路設計要點及使用注意事項，受到了學生與廠方的好評。

我們還把《電拖》教材中分析電拖系統過渡過程情況的繁瑣推導省略掉，而采用電路過渡過程的“三要素”法求取電拖系統的過渡過程，快速、簡捷明了、實用；把電機“轉子串頻敏變阻器起動”中的頻敏變阻器的結構讓同學們自學，而補充講解頻敏變阻器選用與調整的實用知識。

在講授《電拖》課程“三相異步電動機的起動”時，還把在電源容量較小時工廠起動電動機的特殊方法介紹給同學們。因為電源容量較小，電機難以采用降壓起動，更不能采用直接起動，而工廠采用小電機拖動大電機的起動方法，有效地解決了這一難題，同學們增長了實踐知識。在講授“直流電機的換向”、“電機負載率的測定”與“變壓器參數的測定”時，把工廠維護直流電動機換向的方法與電機負載率和變壓器線圈匝數的簡單適用的測定方法介紹給學生。

在講授《變流技術》課程“可控硅的保護”時，還把工廠實用的選擇快速熔斷器的具體方法和使用快速熔斷器應注意的事項介紹給學生。

二、以研產學結合為契機，不斷增強培養人才的適應性

（一）把課堂教學中的相關內容轉入工廠講授

本地許多工廠中生產用的電機等電氣設備，因接地保護工作做得不周，常出現停機、損壞設備，有時甚至造成人身傷亡。根據這一實際，在講授《電工學》課程“接地與接零保護”時，由于教材只簡單介紹其基本原理，我們把學生帶到工廠，對照實際設備全面講述了接地裝置的安全、安裝與檢修要求以及接地電阻的測量方法，師生還檢查、修理了現場的一些接地保護裝置。

電氣專業的學生畢業后一走上工作崗位大都要與工廠使用得最多的電機打交道，許多已畢業的學生參加工作后還登門求教電機檢修方面的知識。根據這一普遍要求，在講授《電拖》課程“電機的結構”、“電機繞組的排列與絕緣”等內容時，把學生帶到電機制造廠和使用電機較多的工廠，利用工廠的工具儀表，與技術人員、工人師傅一起，現場對學生進行教學，學生邊學邊用，學用結合，當場就能掌握一些電機檢修方面的方法與知識。

在指導學生電工實習、帶學生下廠對一般電氣設備與線路進行實際操作的同時，還著重對本地應用較多且前景廣闊的PLC控制系統進行學習。對于生產現場造成對PLC的干擾這一重要問題，同工廠技術人員、學生一起進行了研討與實驗，提出了一些行之有效的抗干擾措施，使學生學到了實用的知識，如從抗電源干擾、抗線間干擾、抗負載干擾、抗環境干擾四個方面采取有效手段。

（二）把生產實際中的有關問題引入課堂教學

本地一工廠的吊車在輕載運行時制動失效，我們對此進行了原因分析，提出了改進措施，收到了好的效果。在講授“異步電動機的制動”時，結合這一實例給同學們深入挖掘了制動失效的多種原因,同學們不僅從理論上弄清了這一問題，而且還提出了另外一些實用的改進措施。

在講授 “電動機的繼電保護”時，把當時本地工廠損壞一臺200KW大電機與多臺小電機的事故介紹給同學們，分析事故原因在于造成電動機的缺相運行與集電環、軸承過熱，電機的勵磁保護與絕緣保護失效，師生還共同討論了應該采取的繼電保護措施。

國家技術人員聯合研制的起重機控制設備20多年來廣泛應用在全國的大中型吊車上，但由于控制線路設計中考慮不完善，對操作人員有技術上的特殊要求，人性化不夠、勞動強度大，因而在廠里和碼頭上經常需要修理，于是我們進行了故障診斷和集體研究，發現它有幾個值得改進的地方。在講授《工廠電氣控制設備》時，在課堂上進行仔細介紹，并提出一些在生產實際中可能遇到的類似問題，讓學生去討論，甚至讓個別學生作為畢業設計課題，學生興趣很濃，勁頭很足,收效很大。

三、形成研產學良性互動，實現多贏互促局面

（一）在課堂教學中引入科研

在講授《電拖》課程“繞線轉子異步電動機的起動與調速”時，把當時為市電機廠進行的一項科研工作“異步電動機轉子串電阻電感起動與調速”的情況進行了詳細介紹，使同學們開闊了思路，增加了學習與研究的興趣。在講授“三相異步電動機的工作特性”時，還把教師自己研究的利用銘牌數據計算工作特性的方法告訴同學們，使學生認識到：不用儀表試驗測取，只需較簡單的計算就可求得工作特性，方便實用。

在《變流技術》課程中講述雙向可控硅的結構、工作原理及應用情況時，把老師和幾位同學為廠礦機關大樓的路燈及室外路燈研制的“路燈節電控制器”、“簡易調光電路”和農村養殖業用的“溫控器”、“土壤測濕儀”介紹給同學們，使同學們認識到：用雙向可控硅構成的控制器更加工作可靠、線路簡單、使用方便，增強了同學們的創新開發意識。

在講授《供電技術》課程“電力網絡的基本接線方式”時，把教師研究的“變壓器切換過程中不間斷供電”的接線方法介紹給同學們，使學生認識到：選用恰當組別標號的變壓器，先與要被切換下來的變壓器并聯供電，再切除原變壓器，就能做到不間斷供電，克服以往變壓器切換時需停電的弊端，從而開發了學生的思維。

（二）在科研工作中啟發教學

在為市開關廠進行“異步電動機的電容補償與阻容起動裝置”及“電動機的自起動裝置”兩項科研工作中，把開辟的異步電動機起動的一種新方法與自起動電路補充到《電拖》教材“三相異步電動機的起動”內容中，對學生進行啟發教學,所介紹的自起動電路，具有逆向思維的觀點，電路簡單、功能齊全、可靠實用，使學生開闊了思路。在研究“三相變壓器的聯接組別標號”與“變壓器的并聯運行”時，把探索出的組別標號變化規律與并聯運行的新規律引入教材“三相變壓器”內容中，并啟發他們如何把這些規律應用到實際工作中去。

由國家勞動部資助，常德市新藝勞保用品總廠承擔的科研項目“機床用超聲波安全生產保護裝置”，由楊斌文教授主要負責研制。他把其中應用的負反饋信號放大電路引入《電工學》教材“晶體三極管的放大電路”中，啟發學生如何把多種反饋電路選擇性地應用到實際放大器中。還把和同學們為工廠、實驗室設計制作的“變壓器過熱報警器”與“失電報警器”所用振蕩電路引入《電工學》“晶體管振蕩電路”中；把為工礦企業研究的“無功補償后的增容問題”引入《供電技術》課程“工廠供電系統經濟運行管理”教學中，啟發學生靈活運用所學知識。

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從效果來看，近幾屆的畢業生中有數量較多的學生直接進入電機、變壓器生產企業工作，如湖北電機廠、江西特種電機廠等，或在大型企業中從事電機、變壓器的進場試驗工作，并且這些學生表現優秀，受到企業的重用。

一、項目教學法在“電機及拖動”課程中的應用方法

項目教學法，是指將傳統的學科體系中的知識內容轉化為若干個教學項目，圍繞著項目組織和展開教學，使學生直接參與項目全過程的一種教學方法。在“電機及拖動”課程中采用項目教學法，利用項目任務將電機理論知識和電機應用實際結合起來，且與企業實際生產過程直接聯系；學生在完成項目的過程中發現問題，并通過實踐解決問題，這樣既可以培養學生的學習能力，又可使學生更快地掌握理論知識與操作技能，同時實現與將來從事相關職業崗位工作的零距離對接。

“電機及拖動”課程是一門實踐性較強的課程，與工程實際密切聯系。各類電機的空載、短路、運行及電動機的起動、調速等實驗也是實際的檢修、維護和試運行及出廠實驗項目。由此在“電機及拖動”課程教學中，直流發電機的運行分析，直流電動機起動、調速、制動，變壓器空載短路試驗、運行分析，交流繞組，異步電動機起動、調速、制動，同步電動機起動、運行分析等主要內容都可采用項目教學法。

二、項目教學法在“電機及拖動”課程中的應用實例

1.明確項目任務：三相異步電動機的維修

交流繞組是交流電機最重要的部分，又是最容易發生故障的部分，而電動機修理的大部分工作是對繞組的修理。例如三相異步電動機一相斷線，如果保護設備不完善，只需十幾分鐘的單相運行，繞組就會燒壞。另外，電機長期過熱，使絕緣老化，或者繞組局部修理無法挽救，都需要全部拆換繞組。通過三相異步電動機的維修實習，讓每個學生更深入、全面地掌握交流電機的結構和電樞繞組在鐵芯中的分布規律及連接方式；學習定子繞組的重嵌工藝，學會對維修后的電機進行測試、實驗、試運行；使學生能將所學的電磁理論與實際電機相結合，為將來從事相關專業技術工作打下一定的基礎。

項目要求：掌握定子繞組常用術語及展開圖。24槽四極單層鏈式繞組下線。掌握電機的結構和電樞繞組在鐵芯中的分布規律及連接方式。掌握電機的拆裝、檢修、試驗的基本知識，培養初步操作技能。培養學生良好的職業道德和嚴謹的工作作風。項目重點：定子繞組的空間分布與連接規律。項目難點：快速準確的嵌放線圈。項目教學準備：舊三相異步電動機15臺；繞線機及線模三套；萬用表；絕緣電阻表；漆包線、絕緣紙、竹片若干；包扎帶4捆；電烙鐵10把；劃線板30個、壓線腳15把、橡皮錘15把、鐵錘15把、起子15把等。

2.制訂項目計劃

由于高職學生文化基礎不好，學習自覺性差或不會學習，學習較被動，普遍缺乏邏輯思維能力，導致學生自主進行項目設計有一定難度。因此教師要加以詳細指導，明確告知學生應該準備的相關學習內容，并將制訂的項目計劃發給學生。

（1）定子繞組常用術語及繞組分布與連接方式（1節）。

（2）24槽單層鏈式繞組展開圖（1節）。

（3）異步電動機的工作原理與結構（1節）。

（4）電機拆卸（1節）。

（5）電機繞組拆除（2節）。

（6）絕緣結構及工具、材料（1節）。

（7）24槽4極單層鏈式繞組繞線（2節）。

（8）24槽4極單層鏈式繞組下線（8節）。

（9）24槽4極單層鏈式繞組出線焊接（2節）。

（10）24槽4極單層鏈式繞組端部整形包扎（2節）。

（11）電機試驗（2節）。

（12）電機故障及處理（2節）。

（13）電機裝配（2節）。

（14）總結與評價（1節）。

（15）教師項目測評：觀察電機通電運轉情況（2節）。

總計項目計劃用時30節。

3.項目實施

（1）合理進行學生分組：項目小組大概2～4人為宜。先由學生自由組合成項目小組，教師再適當調整，力求各個小組的實力較為均衡，小組內部能做到優勢互補，各成員能發揮各自的特長和優勢。確認每組組長即項目負責人，負責協調小組內部的各種問題及向教師匯報小組的進展情況和所遇到的問題。

（2）按照已確定的工作步驟開展工作：在項目教學開展的初期，由于學生缺乏解決問題的能力和自信，項目進展相對比較緩慢。這時教師要根據知識的難易程度，將項目涉及到的理論知識和操作技能進行必要的講授或演示。比如教師要演示定子繞組繞線、下線步驟等，講解注意事項及工藝要求。教師還要隨時協助解決學生提出的問題，并予以引導、表揚和鼓勵。

（3）各組進行總結寫出項目總結報告及項目體會。

4.項目評價

（1）提交成果、評價總結。根據每個學生在該項活動中的參與程度、所起的作用、合作能力及成果等進行評價。項目結束后，學生應提交一份報告書。先由學生對自己維修的電機質量進行自我評價，總結自己的收獲，分析自己的不足之處，確立以后應努力的方向；并給出自我評定等級。然后由教師進行檢查評分。通過對比師生評價結果，找出造成評價結果差異的原因。

（2）教師對本項目進行評價總結。主要包括本項目的重要知識點，解釋重要概念，學生在項目實施過程中出現的共性問題及解決方法，總結內容要求學生整理成文字資料以備今后復習鞏固。

（3）成績評定。1）組內評定：由各小組成員根據各組員對本項目貢獻的情況進行互評，占成績的40﹪，包括：工作量、努力程度、知識運用、合作互助四方面，各占25分。2）組間互評：學生們互相交流學習，取長補短，并推薦優秀電機，占成績的20﹪。包括：實用、創新、工作態度、質量、知識運用五方面，各占20分。3）教師評定：由教師對各小組完成項目情況進行評定，占成績的40﹪。如果只檢查成果的話，小組內每個學生的成績相同，這顯然是不公平的，因此應對項目的全過程進行評價。觀察小組工作中哪些學生是主角，做的工作多而且重要，哪些學生處于次要地位，是在別人的指導下工作的；和不同的學生談話并提出一些問題來了解學生的知識技能掌握情況。包括實用、創新、工作態度、質量、知識運用五方面，各占20分。

（4）綜合三個評定情況，確定每一名學生的學習成績。

三、采用項目教學法的教學體會

（1）采用項目教學法組織教學，學生的熱情高，往往能給教師意外的驚喜，發現了不少實踐能力很強的學生，再以他們為各小組的組長，調動了他們的學習積極性。在整個項目實施過程中，學生不懂的問題能積極主動的向教師尋求幫助，學生的學習自覺性和主動性都有明顯提高。

（2）項目教學法又稱為“跨學科的課程”，它可以讓不同的課程內容在教學中反映出來，事實上是相關課程整合的一種方式。因此采用項目教學法組織教學，對教材的要求也很高，項目教學中往往一本教材不能滿足教學的需求，需要多本教材甚至多門學科結合使用。因此需要教師自編項目教材。

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關鍵詞 異步電動機；節能；抗干擾；變頻調速；變頻節能；損耗

0　前言

作為一種重要的動力設備，異步電動機的用電量是非常大的。這些異步電動機一般都是按照設計的負載進行選擇的，但在實際使用中，大都經常處在輕載，甚至在空載下運行。電動機的負載率低，效率不高，電能的浪費現象十分嚴重。因此在目前我國工業生產不斷發展，能源日趨緊張，環保要求日趨高漲的情況下，提高電機運行效率可以極大緩解能源緊張狀況，提高國民經濟效益，具有十分重要的現實意義。

1　異步電動機節能控制的基本方法

異步電動機運行時，一般有三種方式可以達到節能的目的：一是變頻節能；二是降低定子電壓節能；三是優化電動機本體設計節能。本論文將重點研究電機智能軟啟動節能控制方式。

異步電機是以反電勢來平衡外電壓的，反電勢隨著轉子轉速的增加而逐漸增大，電動機在起動之初反電勢為零，所以起動時沖擊電流很大，約為額定電流的5~7倍。對于功率較大的異步電機起動時電流會達到幾千安培，會對電網造成很大的沖擊，使電源電壓下降，影響同一電網上的其它設備的起動和正常工作。基于以上的原因，電動機一般不允許直接起動，必須對其起停加以控制。

可以實現異步電機軟起動的方式主要有：離心連接方式、變頻調速起動方式、降壓起動方式。

1.1　離心連接方式

包括液力耦合器，電磁轉差離合器等多種形式。其基本原理是在電機和負載之間加入中間級以起到緩沖作用，離心連接可用于調速，但調速范圍不大，精度低。這種起動方式可以防止起動時對負載設備的沖擊，但不能防止起動過程中沖擊電流對電網的影響。

1.2　變頻調速起動方式

變頻調速系統除進行電機調速外，還可以實現平滑起動。在電機起動加速時，逆變器輸出頻率做線性增長，隨頻率增大電壓隨之增高，可使電機起動時的電流限制在1.5IN左右。對于有調速要求的電力拖動系統，宜采用變頻器調速方式。但這種電機控制器的電路復雜，成本較高，當不需要精確調速時，不適合應用這種起動方式。

1.3　降壓起動方式

包括常規的降壓起動和固態軟起動器起動兩種方法。常規的降壓起動方式主要有：定子電路中串入起動電抗、星—三角形起動、自耦變壓器降壓起動等。這類起動控制可以達到減小起動時的機械及電器沖擊的基本要求，但它們僅僅是名義上的軟起動控制器，因為它們將起動階段分為兩個或多個步驟，起動電流由一級向相鄰一級跳變時會產生跳躍沖擊，且這類控制器均以接觸器為主要部件，雖然經過不斷的設計改進，但還是存在不可消除的缺點，如體積大、機械磨損、觸頭燒熔、工作噪聲、工作時的射頻干擾和機械震動，為此，起動設備需要經常維修，實踐表明，這類起動器的性能比電機本身還要差。

另外一種降壓起動方式是用固態起動器起動。固態起動器是一種新型的無觸點起動器，通過半導體元件來控制。在三相電路的每一相有兩個晶閘管反并聯連接，控制輸出的觸發脈沖即可調整晶閘管的輸出電壓。

2　異步電動機的損耗分析

2.1　恒定損耗

恒定損耗是指異步電動機運行時固有損耗，它與電動機材料、制造工藝、結構設計、轉速等參數有關，而與負載大小無關。恒定損耗包括鐵心損耗（含空載雜散損耗）及機械損耗。

2.1.1　鐵心損耗

鐵心損耗pFe（含空載雜散損耗）亦稱鐵耗，指主磁場在電動機鐵心中交變所引起的渦流損耗和磁滯損耗。異步電動機在正常運行時，轉差率很小，轉子鐵心中磁通變化的頻率很小，一般僅為每秒1~3周，故異步電動機鐵耗主要為定子鐵心損耗。

鐵耗大小取決于組成電動機的鐵心材料性能、頻率及磁通密度，近似公式pFe≈kf1.3B2，k為系數，B為磁通密度，f為轉子磁通變化的頻率。

空載雜散損耗pσs是指空載電流通過定子繞組的漏磁通在定子機座、端蓋等金屬中產生的損耗，一般空載電流近似不變，因此這些損耗也是恒定的。鐵耗一般占異步電動機總損耗的20%~25%。

2.1.2　機械損耗

機械損耗PΩ通常包括通風系統損耗pV及軸承摩擦損耗pr，繞線式轉子還有電刷摩擦損耗。通風系統的風摩損耗主要為產生冷卻電機的氣流所需的風扇總功率。，H為風扇有效壓力，V為氣體流量，η為風扇效率。可見，合理的選用冷卻風扇所用材料及合理的風道設計等可降低通風系統損耗，具體的不在本文涉及范圍。

軸承摩擦損耗主要與軸承型號，裝配水平，脂有關。對于滾動軸承，軸承摩擦損耗一般形式為： pr=9.81GVsμ，G為軸承承受的負荷，Vs為軸徑線速度，μ為摩擦系數。

機械損耗一般占總損耗的10%~50%，電動機容量越大，由于通風損耗變大，在總損耗中比重也增大。

2.2　負載損耗

負載損耗主要是指電動機運行時，定子、轉子繞組通過電流而引起的損耗，亦稱銅耗。pCu=mI2r，m為相數，I為每相電流，r為每相電阻。銅耗約占總損耗的20%~70%，電動機容量越大，銅耗占比例越小。

2.3　雜散損耗

雜散損耗主要由定子漏磁通和定子、轉子的各種高次諧波在導線、鐵心及其他金屬部件內所引起的損耗。這些損耗約占總損耗的10%~15%。

3　異步電動機節能控制方法

3.1　異步電動機調壓節能

對于變轉矩負載，降低端電壓不僅可以降低電動機本身的鐵耗和銅耗，而且輸出功率的降低進一步減小了電動機的輸入功率，節能率更高。或者可以理解為降低電動機端電壓同時提高了電動機本身和負載的效率。

降壓節能電動機

異步電動機采用降壓節能運行方式時，必須滿足兩個先決條件：首先，必須保證電機的穩定運行；第二，轉子電流不能超過額定允許值，否則會造成轉子過熱，嚴重時會燒毀電機。

電動機轉矩不僅與電壓的平方成正比，與負載率成反比，而且還與電動機本身的承載能力有關。

功率因數在空載時數值很小，僅為0.1～0.15，隨著負載率增加而遞增。通常6、8、10極電動機遞增幅度比2、4極電動機來得大，小容量電動機的增幅度比大容量遞增幅度來得大。不同系列、不同類型的電動機效率、功率因數均不相同。一般說來，同容量的鼠籠型電動機的效率、功率因數要比繞線式電動機高；轉速高的電動機效率、功率因數比轉數低的高；同一類型電動機容量大的電動機的效率、功率因數比容量小的電動機高。對于同一臺電動機，其效率曲線也不是一成不變的，使用時間過長，維護保養不良將使各種損耗增加，導致效率曲線的下降。

要使電動機經濟運行，必須合理選擇電動機類型、容量與負載機械特性適應，力求有最高的運行效率；對運行的電動機要提高電動機的負載率；加強維護檢修，采取各種改造措施減少損耗，提高電動機的效率。

在恒定負載長期輕載運行時，不宜采用降低端電壓而應更換小容量電機。需注意的是：降低定子端電壓并不顯著降低電機轉速，即電機轉差率在允許范圍之內；

電動機本身的空載電流較大，或者電網電壓偏高的場合也很適宜降壓節電運行。

降低端電壓有利于電機經濟運行，提高效率，改善功率因數。輕載時，降低定子端電壓，可以提高電動機效率，但必須降壓合適，否則就不能達到節能效果。

3.2　異步電動機變頻節能

電氣傳動的PWM控制技術是調速傳動的關鍵技術之一，是電氣傳動自動控制領域研究的熱點。PWM控制技術是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓的目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術。

在交流變頻傳動中，使用較早的控制技術是VVVF控制技術，該控制技術分為兩種：一是把VV與VF分開完成，即先把交流電整流為直流的同時進行相控調壓，而后逆變為可調頻率的交流電，這種前后分開控制的VVVF控制技術稱為脈沖幅值調制方式（pulseAmplitudeModulation）。二是將VV與VF集中于逆變器一起來完成，即前面為不可控整流器，中間直流電壓恒定，而后由逆變器既完成變頻又完成變壓，這種控制技術稱為脈沖寬度調制技術（PulseWidthModulation）。這種控制技術整流器無須控制，簡化了電路結構，而且以全波整流代替相控整流，提高了輸入端的功率因數，減小了高次諧波對電網的影響。

PWM控制技術有許多種，而且在不斷發展之中，從控制思它們分為四類：（1）等脈寬PWM法，（2）正弦波PWM法，即s流跟蹤型PWM法，（3）磁鏈追蹤型PWM法（SVPWM法，也稱電壓法）。具體實現的技術有:自然采樣法，對稱規則采樣法、特定諧調制技術，相位調制技術，面積等效法等10多種調制技術。

等脈寬PWM法的每一脈沖的寬度均相等，改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓，采用適當控制方法可以實現電壓與頻率的協調變化，其缺點是輸出電壓除基波外，包含較多的諧波分量。

SPWM法克服了等脈寬PWM法的缺點，它從電動機供電電源的角度出發，著眼于如何產生一個可調頻調壓的三相正弦波電源，它是以一個正弦波作為基準波（稱為調制波），用等幅的三角波（稱為載波）與基準正弦波相交，由它們的交點確定逆變器的開關模式。

電流跟蹤型PWM法采用電壓源型逆變器，卻是控制輸出電流的，其基本思想是將電動機定子電流的檢測信號與正弦波電流給定信號相比較，如果實際電流大于給定值，則通過逆變器的開關動作使之減小，反之使之增大，這樣實際電流波形圍繞給定的正弦波做鋸齒狀變化，而且開關器件的開關頻率越高電流波動就越小，使用這種方法，電動機的電壓數學模型改成電流模型，可使控制簡單，動態響應加快，還可以防止逆變器過電流。

磁鏈追蹤型PWM法，把電動機與逆變器看為一體，著眼于如何使電動機獲得幅值恒定的圓形磁場為目標，它以三相對稱正弦電壓供電時交流電動機中的理想磁鏈為基準，用逆變器不同的開關模式所產生的磁鏈有效矢量來逼近基準圓，理論分析和實驗表明SVPWM調制具有脈動轉矩小、噪音低，直流電壓利用率高（比普通的SPWM調制約高15%）。

在進行電機調速時，通常要考慮的一個重要因素是希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。因為如果磁通太弱，沒有充分利用電機鐵心，這是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會使繞組因過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對電樞反應進行適當補償，保持磁通恒定是很容易做到的。而在異步電動機中，磁通是定子和轉子磁動勢合成的，故要達到磁通恒定的目的就困難得多。

4　抗干擾技術

異步電機節電控制器的工作環境比較復雜和惡劣，其應用的可靠性、安全性就成為一個非常突出的問題。影響系統可靠、安全運行的主要因素是來自系統內部和外部的各種電氣干擾，以及系統結構設計、元器件選擇、安裝和外部環境條件等。這些因素對節電控制器造成的干擾后果主要表現在下述幾個方面。

單片機系統常用的抗電磁干擾的硬件措施有濾波技術、去藕電容技術、屏蔽技術與信號隔離技術、接地技術等。常用的軟件措施主要有數字濾波、軟件冗余、程序運行監視及故障自動恢復技術等。現在介紹主要的硬件抗干擾措施。

4.1　濾波技術

濾波是抑制和防止干擾的一項重要措施。濾波器可以顯著地減小傳導干擾的電平，因為干擾頻譜成份不同于有用信號的頻率，濾波器對于這些與有用信號頻率不同的成份有良好的抑制能力，從而起到其它干擾抑制難以起到的作用。所以，采用濾波網絡無論是抑制干擾源和消除干擾藕合，或是增強設備的抗干擾能力，都是有力措施。此技術在本設計中的直流電源電路、同步信號檢測、電流過零點檢測等電路中都有用到。

4.2　去藕電容技術

數字電路信號電平轉換過程中會產生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供電電源內阻上產生較大的壓降，形成嚴重的干擾。為了抑制這種干擾，在電路中適當配置去藕電容。去藕電容一方面提供和吸收該集成電路開門關門瞬間的充放電能量，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。

4.3　屏蔽技術與信號隔離技術

屏蔽技術可以抑制外部電磁干擾的作用，屏蔽是用屏蔽體把通過空間進行電場、磁場或電磁場藕合的部分隔離開來，割斷其空間場的藕合通道。良好的屏蔽是和接地緊密相連的，因而可以大大降低噪聲藕合，取得較好的抗干擾效果。在本系統中可采用鋁盒將內部電路板屏蔽起來，對外只留有幾個接口。此技術體現在電路板的制作上。

信號的隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使單片機與現場僅保持信號聯系，但不直接發生電的聯系。隔離的實質是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現場干擾的目的。常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等。本控制器的同步信號檢測、電流過零點檢測等電路中都采用了光電隔離技術；晶閘管驅動電路中采用了變壓器隔離技術。

4.4　接地技術

接地技術是抑制噪聲的重要手段，良好的接地可以在很大程度上抑制系統內部噪聲藕合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。接地目的有三個：其一是為各電路的工作提供基準電位；其二是為了安全；其三是為了抑制干擾。

4.5　電路抗干擾技術

由于可控硅開關高次諧波、外部干擾等在采用屏蔽和濾波后仍不能滿足抑制和防止干擾的要求，可以結合電路屏蔽，采取平衡措施等電路技術，在電路設計合理布置地線，還可采用其它一些電路技術，例如接點網絡，整形電路，積分電路和選通電路等等。總之，采用電路技術也是抑制和防止干擾的重要措施。此外，實際的無源元件并不是理想的，其特性與理想的特性是有差異的。元件本身可能就是一個干擾源，因此選用優質無源元件非常重要。也可以利用元件具有的特性進行抑制和防止干擾。

參考文獻

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篇10

1.1由于電機本身密封不良，加之環境跑冒滴漏，使電機內部進水或進入其它帶有腐蝕性液體或氣體，電機繞組絕緣受到浸蝕，最嚴重部位或絕緣最薄弱點發生一點對地、相間短路或匝間短路現象，從而導致電機繞組局部燒壞。

相應對策：①盡量消除工藝和機械設備的跑冒滴漏現象；②檢修時注意搞好電機的每個部位的密封，例如在各法蘭涂少量704密封膠，在螺栓上涂抹油脂，必要時在接線盒等處加裝防滴濺盒，如電機暴漏在易侵入液體和污物的地方應做保護罩；③對在此環境中運行的電機要縮短小修和中修周期，嚴重時要及時進行中修。

1.2由于軸承損壞，軸彎曲等原因致使定、轉子磨擦（俗稱掃膛）引起鐵心溫度急劇上升，燒毀槽絕緣、匝間絕緣，從面造成繞組匝間短路或對地“放炮”。嚴重時會使定子鐵心倒槽、錯位、轉軸磨損、端蓋報廢等。軸承損壞一般由下列原因造成：①軸承裝配不當，如冷裝時不均勻敲擊軸承內圈使軸受到磨損，導致軸承內圈與軸承配合失去過盈量或過盈量變小，出現跑內圈現象，裝電機端蓋時不均勻敲擊導致端蓋軸承室與軸承外圈配合過松出現跑外圈現象。無論跑內圈還是跑外圈均會引起軸承運行溫升急劇上升以致燒毀，特別是跑內圈故障會造成轉軸嚴重磨損和彎曲。但間斷性跑外圈一般情況下不會造成軸承溫度急劇上升，只要軸承完好，允許間斷性跑外圈現象存在。②軸承腔內未清洗干凈或所加油脂不干凈。例如軸承保持架內的微小剛性物質未徹底清理干凈，運行時軸承滾道受損引起溫升過高燒毀軸承。③軸承重新更換加工，電機端蓋嵌套后過盈量大或橢圓度超標引起軸承滾珠游隙過小或不均勻導致軸承運行時磨擦力增加，溫度急劇上升直至燒毀。④由于定、轉子鐵心軸向錯位或重新對轉軸機加工后精度不夠，致使軸承內、外圈不在一個切面上而引起軸承運行“吃別勁”后溫升高直至燒毀。⑤由于電機本體運行溫升過高，且軸承補充加油脂不及時造成軸承缺油甚至燒毀。⑥由于不同型號油脂混用造成軸承損壞。⑦軸承本身存在制造質量問題，例如滾道銹斑、轉動不靈活、游隙超標、保持架變形等。⑧備機長期不運行，油脂變質，軸承生銹而又未進行中修。

相應對策：①卸裝軸承時，一般要對軸承加熱至80℃~100℃，如采用軸承加熱器，變壓器油煮等，只有這樣，才能保證軸承的裝配質量。②安裝軸承前必須對其進行認真仔細的清洗，軸承腔內不能留有任何雜質，填加油脂時必須保證潔凈。③盡量避免不必要的轉軸機加工及電機端蓋嵌套工作。④組裝電機時一定要保證定、轉子鐵心對中，不得錯位。⑤電機外殼潔凈見本色，通風必須有保證，冷卻裝置不能有積垢，風葉要保持完好。⑥禁止多種油脂混用。⑦安裝軸承前先要對軸承進行全面仔細的完好性檢查。⑧對于長期不用的電機，使用前必須進行必要的解體檢查，更新軸承油脂。

1.3由于繞組端部較長或局部受到損傷與端蓋或其它附件相磨擦，導致繞組局部燒壞。

相應對策：電機在更新繞組時，必須按原數據嵌線。檢修電機時任何剛性物體不準碰及繞組，電機轉子抽芯時必須將轉子抬起，杜絕定、轉子鐵芯相互磨擦。動用明火時必須將繞組與明火隔離并保證有一定距離。電機回裝前要對繞組的完好性進行認真仔細的檢查確診。

1.4由于長時間過載或過熱運行，繞組絕緣老化加速，絕緣最薄弱點碳化引起匝間短路、相間短路或對地短路等現象使繞組局部燒毀。

相應對策：①盡量避免電動機過載運行。②保證電動機潔凈并通風散熱良好。③避免電動機頻繁啟動，必要時需對電機轉子做動平衡試驗。

1.5電機繞組絕緣受機械振動（如啟動時大電流沖擊，所拖動設備振動，電機轉子不平衡等）作用，使繞組出現匝間松馳、絕緣裂紋等不良現象，破壞效應不斷積累，熱脹冷縮使繞組受到磨擦，從而加速了絕緣老化，最終導致最先碳化的絕緣破壞直至燒毀繞組。

相應對策：①盡可能避免頻繁啟動，特別是高壓電機。②保證被拖動設備和電機的振動值在規定范圍內。

2三相異步電動機一相或兩相繞組燒毀（或過熱）的原因及對策

如果出現電動機一相或兩相繞組燒壞（或過熱），一般都是因為缺相運行所致。當電機不論何種原因缺相后，電動機雖然尚能繼續運行，但轉速下降，滑差變大，其中B、C兩相變為串聯關系后與A相并聯，在負荷不變的情況下，A相電流過大，長時間運行，該相繞組必然過熱而燒毀。為三相異步電動機繞組為Y接法的情況：電源缺相后，電動機尚可繼續運行，但同樣轉速明顯下降，轉差變大，磁場切割導體的速率加大，這時B相繞組被開路，A、C兩相繞組變為串聯關系且通過電流過大，長時間運行，將導致兩相繞組同時燒壞。

篇11

一、工程概況

龍江拉浪水電站位于廣西宜州市拉浪鄉上游11km處的珠江流域柳江支流龍江河段中游，是龍江開發的第八梯級，下游宜州市64km。其擴建工程為壩后式電站，設計裝機臺21000kW軸流轉槳式機組。 電站廠房配備一臺110/20t廠房橋機，該橋機要求能精確控制主、副鉤升降距離，大、小車平移距離的操作系統，精確范圍達到1mm～5mm之間，使安裝設備之間能精確就位，同時要求具有快速的動態響應，不會出現溜鉤并真正實現“零速交叉功能”。

二、設計方案

交流電機有多種調速方式，目前較為先進的調速方式為變頻調速。使用變頻器控制電機的運行控制，可以進行電機的軟啟動，而讓電機具有很快的動態響應并且實現無級調速；另外對電機的一些參數做到補償；對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到很及時很準確的檢測而自動采取應變措施保護電機。根據此項目中的橋機運行控制要求，選用變頻調速方式。

1、 電動機選型

電動機采用YZP系列變頻調速三相異步電動機，該系列電動機可在3~100Hz范圍內連續調速運行。3~50Hz范圍內為恒轉矩運行;50~100Hz范圍內為恒功率運行。

2、 調速方法

采用目前國際先進技術具有矢量控制功能的變頻調速系統。變頻器的速度指令采用電位器控制0~+10V電壓信號，使其連續可調，實現無級調速。

3、 運行狀態的顯示

在橋機上的大、小車，主、副鉤的運行機構上都裝置了絕對型編碼器，通過PLC采集編碼器的信息，經轉換后在橋機司機室里的觸摸屏上顯示各個運行機構運行的相對距離。

4、 制動方式

采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結合的方法。

三、主要元器件的選擇

1、 可編程序控制器（PLC）的選擇

此方案，選用西門子S7-200系列PLC，這一系列產品可以滿足多種多樣的自動化控制需要。由于其具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格以及強大的指令，使得S7-200可以近乎完美的滿足小規模控制要求。同時選用了西門子TP170A觸摸屏，用于顯示橋機的各種運行數據。

2、 變頻器的選擇

從實用性與經濟性上考慮，該方案選擇安川G7系列變頻器。通常應根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05～1.10）電動機的額定電流或電動機實際運行中的最大電流。

I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax

式中I1nv--變頻器額定輸出電流（A）；

In--電動機的額定電流（A）；

Imax--電動機實際最大電流（A）。

此項目所選變頻器的容量均為大于電機一個級別的容量。主、副起升機構的電機裝置了增量型編碼器，與變頻器形成帶PG的矢量閉環控制。主起升變頻器還選用了安川起重專用的軟件，提高了變頻器的可靠性和安全性。

四、實際運行情況

1、調試

此臺橋機的主、副鉤采用帶PG矢量控制，小車電機無PG矢量控制，大車電機由一臺變頻器拖動兩臺電機，采用無PG V/f 控制。。安川G7系列變頻器在運行前，有必要進行變頻器的自學習模式。這里一般采用停止型自學習模式，參數里設置T1-01=1。首先，進入變頻器T參數設置里，根據電動機銘牌上的數據，設定好電動機的額定電壓、電流，電機極數、轉速等參數。然后按下數字數字操作器上的RUN鍵，約1分鐘后完成自學習。

值得注意的是，由于起升機構采用的變頻器采用的是安川的起重專用軟件，必須按起升方向作為電機正轉，下降方向作為電機反轉。同時該變頻器對抱閘時序有著嚴格的控制。起動和停止時，為了在確保符合負載力矩的狀態下進行抱閘開閉，變頻器根據內部頻率指令、電機電流、力矩指令大小，

輸出抱閘松開指令。

2、試運行

在試吊過程中，輕載時橋機一切正常。然而在試吊1.25倍額定載荷的重物的時候，出現了下滑飛車的情況。經過對變頻器抱閘松開指令的調整，及制動器預緊力的調整，下滑現象得到消除。

3、實際應用

該橋機已交付使用有1年多的時間，在2009年10月份成功吊裝了重約75t的發電機轉子。至今該橋機使用狀態良好。

五、結束語

篇12

2．了解常用電氣元件的電路符號，能夠看懂電路圖的連接關系；

3．熟練掌握歐姆定律的兩種形式，明確U，J，R，E，r之間的關系；

4．準確辨識簡單電路電阻的串、并聯關系，掌握兩種連接形式中每個元件上電壓、電流與總電壓、總電流的關系。

現實生活中，我們經常聽到或說起很多有關電方面的名詞、術語，也經常有很多用電方面的困惑。這些名詞、術語究竟是怎樣定義的?它們之間有什么關系?是什么因素導致電壓的高低、電流的大小?為什么會發生由用電引發的火災?為什么家里幾個月沒人住，還會產生電費?很多經常聽到的，看似簡單，又不容易說清的問題，通過本章的學習都會有明確的答案。

§1—1 電學的基本物理量

一、電量

自然界中的一切物質都是由分子組成的，分子又是由原子組成的，而原子是由帶正電荷的原子核和一定數量帶負電荷的電子組成的。在通常情況下，原子核所帶的正電荷數等于核外電子所帶的負電荷數，原子對外不顯電性。但是，用一些辦法，可使某種物體上的電子轉移到另外一種物體上。失去電子的物體帶正電荷，得到電子的物體帶負電荷。物體失去或得到的電子數量越多，則物體所帶的正、負電荷的數量也越多。

物體所帶電荷數量的多少用電量來表示。電量是一個物理量，它的單位是庫侖，用字母C表示。1C的電量相當于物體失去或得到6.25×1018個電子所帶的電量。

二、電流

電荷的定向移動形成電流。電流有大小，有方向。

1．電流的方向

1、人們規定正電荷定向移動的方向為電流的方向。金屬導體中，電流是電子在導體內電場的作用下定向移動的結果，電子流的方向是負電荷的移動方向，與正電荷的移動方向相反，所以金屬導體中電流的方向與電子流的方向相反，如圖1—1所示。

2．電流的大小

電學中用電流強度來衡量電流的大小。電流強度就是l秒鐘通過導體截面的電量。電流強度用字母表示，計算公式如下：

式中 ——電流強度，單位安培(A)；

——在t秒時間內，通過導體截面的電量數，單位庫侖(C)；

——時間，單位秒(s)。

實際使用時，人們把電流強度簡稱為電流。電流的單位是安培，簡稱安，用字母A表示。如果1秒內通過導體截面的電量為1庫侖，則該電流的電流強度為1安培，習慣簡稱電流為1安。實際應用中，除單位安培外，還有千安()、毫安()和微安()。它們之間的關系為：

三、電壓

為了弄清楚電荷在導體中定向移動而形成電流的原因，我們對照圖1—2a水流的形成來理解這個問題。

從圖1—2a可以看到外水由一A槽經C管向8槽流去。水之所以能在C管中進行定向移動，是由于A槽水位高，B槽水位低所致：A，B兩槽之間的水位差即水壓，是實現水形成水流的原因。與此相似，當圖1—2b中的開關S閉合后，電路里就有電流。這是因為電源的正極電位高，負極電位低。兩個極間電位差(電壓)使正電荷從正極出發，經過負載R移向負極形成電流。所以，電壓是自由電荷發生定向移動形成電流的原因。在電路中電場力把單位正電荷由高電位a點移向低電位b點所做的功稱為兩點間的電壓，用表示。所以電壓是a與b兩點間的電位差，它是衡量電場力做功本領大小的物理量。

電壓用字母U表示，單位為伏特，電場力將1庫侖電荷從a點移到b點所做的功為1焦耳，則ab間的電壓值就是1伏特，簡稱伏，用字母V表示。常用的電壓單位還有千伏(kV)，毫伏(mV)等。它們之間的關系為：

1 kV=V

l V=mV

電壓與電流相似，不但有大小，而且有方向。對于負載來說，電流流人端為正端，電流流出端為負端。電壓的方向是由正端指向負端，也就是說負載中電壓實際方向與電流方向一致。在電路圖中，用帶箭頭的細實線表示電壓的方向。

四、電動勢、電源

在圖1—2a中，為使水在C管中持續不斷地流動，必須用水泵把B槽中的水不斷地泵入A槽，以維持兩槽間的固定水位差，也就是要保證C管兩端有一定的水壓。在圖1—2b中，電源與水泵的作用相似，它把正電荷由電源的負極移到正極，以維持正、負極間的電位差，即電路中有一定的電壓使正電荷在電路中持續不斷地流動。

電源是利用非電力把正電荷由負極移到正極的，它在電路中將其他形式能轉換成電能。電動勢就是衡量電源能量轉換本領的物理量，用字母E表示，它的單位也是伏特，簡稱伏，用字母V表示。

電源的電動勢只存在于電源內部。人們規定電動勢的方向在電源內部由負極指向正極。在電路中也用帶箭頭的細實線表示電動勢的方向，如圖1—2b所示。當電源兩端不接負載時，電源的開路電壓等于電源的電動勢，但二者方向相反。

生活中用測量電源端電壓的辦法，來判斷電源的狀態。比如測得工作電路中兩節5號電池的端電壓為2.8 V，則說明電池電量比較充足。

五、電阻

一般來說，導體對電流的阻礙作用稱為電阻，用字母R表示。電阻的單位為歐姆，簡稱歐，用字母表示。

如果導體兩端的電壓為1伏，通過的電流為1安，則該導體的電阻就是1歐。

常用的電阻單位還有千歐(k)、兆歐(M)。它們之間的關系為：

1 k=

1 M=k

應當強調指出：電阻是導體中客觀存在的，它與導體兩端電壓變化情況無關，即使沒有電壓，導體中仍然有電阻存在。實驗證明，當溫度一定時，導體電阻只與材料及導體的幾何尺寸有關。對于二根材質均勻、長度為L、截面積為S的導體而言，其電阻大小可用下式表示：

式中 ——導體電阻，單位為歐()；

——導體長度，單位為米(m)；

——導體截面積，單位為平方毫米()；

——電阻率，單位為歐·米(·m)。

式中電阻率是與材料性質有關的物理量。電阻率的大小等于長度為1m，截面積為1的導體在一定溫度下的電阻值，其單位為歐米(：m)。例如，銅的電阻率為1.7×·m，就是指長為1m，截面積為1mmz的銅線的電阻是1.7×。幾種常用材料在20時的電阻率見表1—1。

從表中可知，銅和鋁的電阻率較小，是應用極為廣泛的導電材料。以前，由于我國鋁的礦藏量豐富，價格低廉，常用鋁線作輸電線。由于銅線有更好的電氣特性，如強度高、電阻率小，現在銅制線材被更廣泛應用。電動機、變壓器的繞組一般都用銅材。

表1—1  幾種常用材料在20℃時的電阻率

材料名稱電阻率(·m)

銀1.6×

銅1.7×

鋁2.9×

鎢5.3×

鐵1.0×

康銅5.0×

錳銅4.4×

鋁鉻鐵電阻絲1.2×

六、電功、電功率

電流通過用電器時，用電器就將電能轉換成其他形式的能，如熱能、光能和機械能等。我們把電能轉換成其他形式的能叫做電流做功，簡稱電功，用字母W表示。電流通過用電器所做的功與用電器的端電壓、流過的電流、所用的時間和電阻有以下的關系：

如果公式(1—3)中，電壓單位為伏，電流單位為安，電阻單位為歐，時間單位為秒，則電功單位就是焦耳，簡稱焦，用字母J表示。

電流在單位時間內通過用電器所做的功稱為電功率，用字母P表示。其數學表達式為：

將公式(1—3)代入公式1—4后得到：

若在公式(1—4)中，電功單位為焦耳，時間單位為秒，則電功率的單位就是焦耳/秒。焦耳/秒又叫瓦特，簡稱瓦，用字母W表示。在實際工作中，常用的電功率單位還有千瓦(kW)、毫瓦(mW)等。它們之間的關系為：

1kW=W

1W=mW

從公式1—5中可以得出如下結論：

1．當用電器的電阻一定時，電功率與電流平方或電壓平方成正比。若通過用電器的電流是原來電流的2倍，則電功率就是原功率的4倍；

若加在用電器兩端電壓是原電壓的2倍,則電功率就是原功率的4倍。

2．當流過用電器的電流一定時，電功率與電阻值成正比。對于串聯電阻電路，流經各個電阻的電流是相同的，則串聯電阻的總功率與各個電阻的電阻值的和成正比。

3．當加在用電器兩端的電壓一定時，電功率與電阻值成反比。對于并聯電阻電路，各個電阻兩端電壓相等，則各個電阻的電功率與各電阻的阻值成反比。

在實際工作中，電功的單位常用千瓦小時(kW·h)，也叫“度”。1千瓦小時是1度，它表示功率為1千瓦的用電器1小時所消耗的電能，即：

1kW·h=1kW×1h=3.6×J

例題1 一臺42英寸(1英寸=2.54厘米)等離子電視機的功率約為300W，平均每天開機3小時，若每度電費為人民幣0.48元，問一年(以365天計算)要交納多少電費?

解：

電視機的功率P=300 W=0.3 kW

電視機一年開機的時間t=3×365=1 095 h

電視機一年消耗的電能W=Pt=0.3×1 095=328.5 kW·h

一年的電費為328.5×0.48=157.68元

想一想：現在的電氣在不工作時經常是通電的，(待機狀態)，此時的功耗很低，一般不超過10 W(計算時可以估算為5 W)，假定家中有空調、電視機、DVD播放器、家庭影院功放、計算機主機、計算機顯示器，如果這些電氣長期處在待機狀態，它們一年要消耗多少電費?有沒有其他問題?

七、電流的熱效應

電流通過導體使導體發熱的現象叫做電流的熱效應。電流的熱效應是電流通過導體時電能轉換成熱能的效應。

電流通過導體產生的熱量，用焦耳一楞次定律表示如下：

式中 ——熱量，單位焦耳(J)；

——通過導體的電流，單位安培(A)；

——導體電阻，一單位歐姆()；

——導體通過電流的時間，單位秒(S)

焦耳一楞次定律的物理意義是：電流通過導體所產生的熱量，與電流強度的平方、導體的電阻及通電時間成正比。

在生產和生活中，應用電流熱效應制作各種電氣。如白熾燈、電烙鐵、電烤箱、熔斷器等在工廠中最為常見；

電吹風、電褥子等常用于家庭中。但是電流的熱效應也有其不利的一面，如電流的熱效應能使電路中不需要發熱的地方(如導線)發熱，導致絕緣材料老化，甚至燒毀設備，導致火災，是一種不容忽視的潛在禍因。

例題2 已知當一臺電烤箱的電阻絲流過5 A電流時，每分鐘可放出1.2×J的熱量，求這臺電烤箱的電功率及電阻絲工作時的電阻值。

解：

根據公式(1—4)，電烤箱的電功率為：

電阻絲工作時電阻值為：

§1—2 電 路

一、電路的組成和作用

電流所流過的路徑稱為電路。它是由電源、負載、開關和連接導線等4個基本部分組成的，如圖1—3所示。電源是把非電能轉換成電能并向外提供電能的裝置。常見的電源有干電池、蓄電池和發電機等。負載是電路中用電器的總稱，它將電能轉換成其他形式的能。如電燈把電能轉換成光能；

電烙鐵把電能轉換成熱能；

電動機把電能轉換成機械能。開關屬于控制電器，用于控制電路的接通或斷開。連接導線將電源和負載連接起來，擔負著電能的傳

輸和分配的任務。電路電流方向是由電源正極經負載流到電源負極，在電源內部，電流由負極流向正極，形成一個閉合通路。

二、電路圖

在設計、安裝或維修各種實際電路時，經常要畫出表示電路連接情況的圖。如果是畫如圖1—3所示的實物連接圖，雖然直觀，但很麻煩。所以很少畫實物圖，而是畫電路圖。所謂電路圖就是用國家統一規定的符號，來表示電路連接情況的圖。表1—2是幾種常用的電工符號。圖1—4是圖1—3的電路圖。

表1—2  幾種常用的電工符號

名稱符號名稱符號

電池電流表

導線電壓表

開關熔斷器

電阻電容

照明燈接地

三、電路的三種狀態

電路有三種狀態：即通路、開路、短路。

通路是指電路處處接通。通路也稱為閉合電路，簡稱閉路。只有在通路的情況下，電路才有正常的工作電流開路是電路中某處斷開，沒有形成通路的電路。開路也稱為斷路，此時

電路中沒有電流；

短路是指電源或負載兩端被導線連接在一起，分別稱為電源短路或負載短路。電源短路時電源提供的電流要比通路時提供的電流大很多倍，通常是有害的，也是非常危險的，所以一般不允許電源短路。

§1—3 歐姆定律

一、一段電阻電路的歐姆定律

所謂一段電阻電路是指不包括電源在內的外電路，如圖1—5所示。實驗證明，二段電阻電路歐姆定律的內容是，流過導體的電流強度與這段導體兩端的電壓成正比；

與這殷導體的電阻成反比。其數學表達式為：

式中 ——導體中的電流，(A)；

——導體兩端的電壓，(V)；

——導體的電阻，()。

在公式（1—7)中，已知其中兩個量，就可以求出第三個未知量；

公式(1—7)又可寫成另外兩種形式：

1. 已知電流、電阻，求電壓：

2. 已知電壓、電流，求電阻：

例題3 一臺直流電動機勵磁繞組在220V電壓作用下，通過繞組的電流為0.427A，求繞組的電阻。

解：

已知電壓U=220 V，電流I=0.427 A，由公式(1—9)得：

二、全電路歐姆定律

全電路是指含有電源的閉合電路。全電路是由各段電路連接成的閉合電路。如圖1—6所示，電路包括電源內部電路和電源外部電路，電源內部電路簡稱內電路，電源外部電路簡稱外電路。在全電路中，電源電動勢、電源內電阻、外電路電阻和電路電流之商的關系為：

式中 ——電路中的電流，(A)；

——電源電動勢，(V)；

——外電路電阻，()；

——內電路電阻，()。

公式(1—10)是全電路歐姆定律。定律說明電路中的電流強度與電源電動勢()成正比，與整個電路的電阻（）成反比。

將公式(1—10)變換后得到：

式中 ——外電路電壓；

——內電路電壓。

外電路電壓是指電路接通時電源兩端的電壓，又叫做路端電壓，簡稱端電壓。這樣，公式(1—11)的含義又可敘述為：電源電動勢在數值上等于閉合回路的各部分電壓之和。根據全電路歐姆定律研究全電路處于三種狀態時，全電路中電壓與電流的關系是：

1．當全電路處于通路狀態時，由公式(1—11)可以得出端電壓為：

由公式可知，隨著電流的增大，外電路電壓也隨之減小。電源內阻越大，外電路電壓減小得越多。在直流負載時需要恒定電壓供電，所以總是希望電源內阻越小越好。

2. 當全電路處于斷路狀態時，相當于外電路電阻值趨于無窮大，此時電路電流為零，開路內電路電阻電壓為零，外電路電壓等于電源電動勢。

3．當全電路處于短路狀態時，外電路電阻值趨近于零，此時電路電流叫短路電流。由于電源內阻很小，所以短路電流很大。短路時外電路電壓為零，內電路電阻電壓等于電源電動勢。

全電路處于三種狀態時，電路中電壓與電流的關系見表1—3。

表1—3    電路中電壓與電流的關系

電路狀態負載電阻電路電流外電路電壓

通路=常數

開路

短路0

通常電源電動勢和內阻在短時間內基本不變，且電源內阻又非常小，所以可近似認為電源的端電壓等于電源電動勢。今后不特別指出電源內阻時，就表示其阻值很小忽略不計。但對于電池來說，其內阻隨電池使用時間延長而增大。如果電池內阻增大到一定值時，電池的電動勢就不能使負載正常工作了。如舊電池開路時兩端的電壓并不低，但裝在收音機里，卻不能使收音機發聲，這是由于電池內阻增大所致。

例題4如圖1一6所示的電路。電源電動勢=24 V，電源內阻=-4，負載電阻=20 。求電路中的電流，電源的端電壓，負載電壓和電源內阻電壓。

解：

根據公式(1—10)，電路中的電流：

由公式(1一11)，電路中電源的端電壓：

根據公式(1—8)，電路中的負載電壓：

根據公式(1一8)，電路中電源內阻的電壓：

§1—4 電阻的串聯、并聯電路

一、電阻的串聯電路

在一段電路上，將幾個電阻的首尾依次相連所構成的一個沒有分支的電路，叫做電阻的串聯電路。如圖1—7a所示是電阻的串聯電路。圖1—7b是圖1—7a的等效電路。電阻的串聯電路有以下特點：

1．串聯電路中流過各個電阻的電流都相等，即：

2．串聯電路兩端的總電壓等于各個電阻兩端的電壓之和，即：

3．串聯電路的總電阻(即等效電阻)等于各串聯的電阻之和，即：

根據歐姆定律得出，，，…，可以得出：

或者

此公式表明，在串聯電路中，龜阻的阻值越大，這個電阻所分配到的電壓越大；

反之，電壓越小，即電阻上的電壓分配與電阻的阻值成正比。這個理論是電阻串聯電路中最重要的結論，用途極其廣泛。比如，用串聯電阻的辦法來擴大電壓表的量程：

在如圖1—7a所示的，電路中，將代人公式(1—14）式中

這兩個公式可以直接計算出每個電阻從總電壓中分得的電壓值，習慣上就把這兩個式子叫做分壓公式。

電阻串聯的應用極為廣泛。例如：

(1)用幾個電阻串聯來獲得阻值較大的電阻。

(2)用串聯電阻組成分壓器，使用同一電源獲得幾種不同的電壓。如圖1—8所示，由

R1～R4組成串聯電路，使用同一電源，輸出4種不同數值的電壓。

(3)當負載的額定電壓(標準工作電壓值)低于電源電壓時，采用電阻與負載串聯的方法，使電源的部分電壓分配到串聯電阻上，以滿足負載正確的使用電壓值。例如，一個指示燈額定電壓6 V，電阻6，若將它接在12 V電源上，必須串聯一個阻值為6的電阻，指示燈才能正常工作。

(4)用電阻串聯的方法來限制調節電路中的電流。在電工測量中普遍用串聯電阻法來擴大電壓表的量程。

二、電阻的并聯電路

將兩個或兩個以上的電阻兩端分別接在電路中相同的兩個節點之間，這種連接方式叫做電阻的并聯電路。如圖1—9a所示是電阻的并聯電路，圖1—9b是圖1—9a的等效電路。

電阻的并聯電路有如下特點：

1．并聯電路中各個支路兩端的電壓相等，即：

2．并聯電路中總的電流等于各支路中的電流之和，即：

3．并聯電路的總電阻(即等效電阻)的倒數等于各并聯電阻的倒數之和，即：

若是兩個電阻并聯，根據公式1—18可求并聯后的總電阻為：

根據公式(1—l6)及歐姆定律可以得出：

公式(1—20)表明，在并聯電路中，電阻的阻值越大，這個電阻所分配到的電流越小，反之越大，即電阻上的電流分配與電阻的阻值成反比。這個結論是電阻并聯電路特點的重要推論，用途極為廣泛，比如，用并聯電阻的辦法，擴大電流表的量程。

電阻并聯的應用，同電阻串聯的應用一樣，也很廣泛。例如：

(1)因為電阻并聯的總電阻小于并聯電路中的任意一個電阻，因此，可以用電阻并聯的方法來獲得阻值較小的電阻。

(2)由于并聯電阻各個支路兩端電壓相等，因此，工作電壓相同的負載，如電動機、電燈等都是并聯使用，任何一個負載的工作狀態既不受其他負載的影響，也不影響其他負載。在并聯電路中，負載個數增加，電路的總電阻減小，電流增大，負載從電源取用的電能多，負載變重；

負載數目減少，電路的總電阻增大，電流減小，負載從電源取用的龜能少，負載變輕。因此，人們可以根據工作需要啟動或停止并聯使用的負載。

(3)在電工測量中應用電阻并聯方法組成分流器來擴大電流表的量程。

§1—5 電工測量基本知識

自然界中的物理量，都可以使用特定的工具來進行測量。測量各種電量的儀器儀表，統稱為電工測量儀表。電工測量儀表種類繁多，最常見的是測量基本電量的儀表。

電工儀表依據測量方法、儀表結構、儀表用途來分，有很多種。概括來說，電工儀表用來測量電路中的電流、電壓、電功率、電功、功率因數、電量的頻率{電阻、絕緣狀況等物理量。由此就有用各種被測物理量冠名的儀表，如電流表、電壓表等。其中一些電量要在后續課程中介紹。本書簡單介紹電工應用中最常用的儀表——萬用表。萬用表是一種便攜式儀表。由于其能夠測量交流、直流電壓或電流參數：以及電路中的電阻等；

被稱為萬用表。根據萬用表內部結構、工作原理的不同，可以把萬用表分為：機械指針式萬用表(簡稱機械表)籠和電子數顯式萬用表(簡稱電子表)兩類。本節重點介紹機械表。

一、萬用表的外形及基本組成

如圖1-10所示，是機械指針式萬用表的外形。

操作萬用表的主要部分有三個：擋位撥盤、表筆、讀數表頭。萬用表除了這幾部分外，最主要的是表內電路和表頭機電基本體模塊部分。萬用表的表殼部分承擔著各部分的保護與承載的責任。由于萬用表是一種移動測量儀表，容易受到磕碰摔砸的損害，所以應注意防護：

1. 擋位撥盤

如圖1—11所示，用于選擇測量哪種物理量，一般萬用表都至少設有如下四個擋位，每個擋位又分為幾個不同量限或不同倍率的擋位：

交流電壓擋：測量交流電壓，如圖1—11所示，又分為10 V，50 V，250 V，500 V，1 000 V五個子擋位。

直流電壓擋：測量直流電壓，如圖1—11所示，又分為0.25 V，2.5 V，10 V，50 V，250 V，500 V六個子擋位。

直流電流擋：用于測量直流電流值，如圖1—11所示，又分為1 mA，10 mA，100 mA，1 000 mA四個子擋位。

電阻擋：用于測量電器阻值，如圖1—11所示，又分為×1，×10，×l00，×1 k四個子擋位。

電壓、電流的每個擋位的數值表示的是量限(或量程)，待測的物理量值應小于該值。在選擇擋位時，要選擇一個擋位量限大于被測量值，并且與被測量值最接近的一個量限的擋位。比如，要測一個直流電壓，估計其值約為190 V，則應選擇直流250 V擋位。此時擋位值250 V大于被測量190 V，且250 V擋位比500 V，1 000 V兩個擋位更接近被測量值。這樣選擇既能保證萬用表的安全，又能保證測量精度。

機械表電阻擋的幾個擋位表示幾個不同的倍率。由于機械表的表頭指針在整個刻度的20％～80％之間，讀數比較準確，尤其是電阻擋位對應的表頭刻度的非均勻性，在這個范圍內更利于讀取數值，所以，利用電阻擋的倍率選擇，可以使表頭指針落在該范圍內。電子表電阻擋位的標示數值與電流、電壓的數值一樣，表示量限，不是倍率。電子表的擋位選擇方法與電流、電壓擋位一樣。

2．表頭

如圖1—12所示為萬用表表頭。

機械表頭有若干條刻度線：刻度線1是電阻值讀取線，指針指向最右端，指示值為0；

指針指向最左端，指示值為。注意被測電阻的實際阻值是指示值與所選擋位的倍率的乘積。比如，在R×1 k擋，當從刻度線上讀取35時，如圖1—13所示，電阻的測量阻值為35×1 k=35 k；

刻度線2是均勻刻度線，用于

讀取電壓、電流的指示值。被測對象的測量值也經常需要從讀取值換算而得到。比如使用直流電壓500 V擋，按50刻度線讀數，如果讀取值為43，如圖1一14所示，則被測電壓的測量值為43×(500+50)=430 V；

如果按250刻度線讀數，見刻度線，讀數應為215，則被測電壓的測量值為215×(500÷250)=430 V，即從同二類的刻度線讀數，經過換算，得到的測量值是一樣的。機械表頭經常還有其他一些刻度線，請參照有關書籍。

電子表頭的讀數比較簡單，可直接讀數，然后冠以所選擋位的單位，即是被測對象的測量值。比如使用電流20 mA擋，讀數值為15.5，則測量值為l5.5 mA。

3．表筆

萬用表的兩表筆一般使用紅黑兩種顏色，紅表筆一般插在標有“十”的插孔內，黑表筆一般插在標有“一”的插孔內。測量電壓時，紅、黑表筆分別接在高、低電位端；

測量電流時，紅、黑表筆分別接在電流的流入端和流出端。否則表針會反向打針，對萬用表不利。

二、萬用表的使用步驟

1．確認萬用表的狀態，保證各部分的功能正常可靠。

2. 明確要測量的物理量。一般包括交流電壓、直流電壓、直流電流和電阻器阻傅。

3．選擇合適的擋位，如前所述。

4．適當接人被測對象。測量電壓時，直接將紅、黑表筆并接在被測元件的高、低電位兩端或電路中的高、低電位點上。測量電流時，須斷開被測電路，將紅、黑表筆接八電路的電流流出、流入端，使電流經紅表筆流入表內，從黑表筆流出時測量電阻器阻值時，電阻器須脫離電路，然后將表筆兩端接在電阻器兩端測量即可。

5．獲取測量值。讀取刻度值，并進行必要的換算及冠以單位，如前所述。

6．測量值的分析。對測得值要進行確認，是否合理，是否具備科學性。

三、萬用表的使用注意事項

1．萬用表是便攜式儀表，本身精度不高，可能有5％以內的誤差。

2．測量電阻時，首先要進行電阻值調零，方法是將表筆短接，使用萬用表面板上的調零鈕進行調整。

3．注意檢查萬用表內的電池，當電量不足時，會影響電阻的測量。

4．萬用表最容易發生的損壞是，當萬用表處在電流擋時，測量電壓，此時極易永久性損壞內部電路及表頭。避免的辦法是，每次用完萬用表，都將擋位置于交流電壓最高擋(一般為1 000 V)。

習 題

1．電流是用來表示_________的物理量，常用的單位是_________。

2．電阻是用來表示_________的物理量，常用的單位是_________。

3．電壓是用來表示_________的物理量，常用的單位是_________。

4．分別用公式來表示下面各組量之間的關系：

(1) 電量、電流、時間

(2) 電流、電壓、電阻

(3) 電功、電功率、時間

5．電流通過導體的發熱現象叫__________，發熱的多少與_________的平方成正比，與電阻的阻值成_________，與時間成正比，這個關系寫成公式是__________。

6．導體中電流的方向規定是__________的方向。電流方向與電子流方向___________。

7．簡單描述電路各組成部分的作用。

8．畫圖表示電路的3種狀態。

9．鎳鉻電爐絲的電阻率是1.1×·m，爐絲截面積0.6。如果將電爐接在220 V的電源上，使爐絲通過3 A的電流，應選用多長的電爐絲?

10．有兩只燈泡，一只110 V 110 W，另一只110 V 60 W，試問哪只燈泡的電阻大?若將兩只燈泡串聯接在220 V的線路中，是否可以正常使用，通電后有什么現象。

11．有3個電阻=5 ， =3 ，=2 ，串聯后接在12 V的電源上，求電路中的電流，各電阻上的電壓。

12．有兩只220 V的燈泡，一只15 W，另一只25 W，并聯接在220 V電源上。求電路的等效電阻、總電流和各燈泡流過的電流。

13．有60 W，40 W，20 W三只220 V的燈泡，要接在220 V電源上正常使用，應采取哪種連接方式?畫出電路圖。

14．將兩只220 V 60 W的燈泡串聯接入220 V電路中，每只燈泡實際消耗的電功率是多少?燈泡的壽命有何變化? 這種情況是否可以應用到實際生活中(舉例說明)?

15．簡單敘述電工技術中廣泛使用銅材料的原因。

16．列舉幾項節電方法。

17．萬用表一般有__________和__________兩種類型，一般萬用表可用來測量__________、__________和__________三種物理量。

18．萬用表最容易發生的永久損壞是當萬用表處于__________擋位時，被用來測量

19．用萬用表測量電阻時，要先對萬用表進行__________操作。

20．使用萬用表測量交、直流電壓、電流。

第二章 電磁的基本知識

本章學習要點：

1．熟悉磁的特性及磁的表示方法，熟悉磁通、磁感應強度、磁導率的概念以及鐵磁材料的特點。

2．熟悉電生磁、-磁生電及磁對電流的力的作用的三個現象，了解三個現象方向判定關系，定性掌握磁場對電流的力的作用規律。

3。熟悉自感、互感現象，了解典型應用和避害知識。

人們的生活因為有了電而便捷、精彩、時尚。人們總愛假想“如果有一天，這個世界突然沒了電……”，可是，如果這個世界沒有了磁，會怎樣呢?

實際上電與磁有著密不可分的關系。正因為有了這個關系，我們才有了電、電燈、電視、電話、計算機、電動機……，同時一也因為這個關系，導致了我們的電氣壽命的短暫，突發故障的不約而至。你想知道這是什么原因嗎?

§2—1 磁的基本知識

一、磁現象

早在2 000多年前，我們的祖先就發現了磁鐵礦石具有吸引鐵的性質。人們把物體能夠吸引鐵、鉆、鎳及其合金的性質稱為磁性，把具有磁性的物體叫做磁體。磁體上磁性最強的位置稱為磁極，磁體有兩個磁極：即南極和北極，通常用字母S表示南極(常涂紅色)，用字母N表示北極(常涂綠色或白色)。條形、蹄形、針形磁鐵的磁極位于它們的兩端。值得注意的是任何一個磁體的磁極總是成對出現的。若把一個條形磁鐵分割成若干段，則每段都會同時出現南極、北極。這叫做磁極的不可分割性。磁極與磁極之間存在的相互作用力稱為磁力：?其作用規律是同性磁極相斥，異性磁極相吸。一根沒有磁性的鐵棒，在其他磁鐵的作用下獲得磁性的過程叫磁化。如果把磁鐵拿走，鐵棒仍有的磁性則稱為剩磁。

二、磁場、磁感應線

磁體周圍存在磁力作用的空間稱為磁場。我們經常看見兩個互不接觸的磁體之間具有相互作用力，它們是通過磁場這一特殊物質進行傳遞的。磁場之所以是一種特殊物質，是因為它不是由分子和原子等粒子組成的。雖然磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質，但通過實驗可以證明它的存在。例如，在一塊玻璃板上均勻地撒些鐵粉，在玻璃板下面放置一個條形磁鐵。鐵粉在磁場的作用下排列成規則線條，如圖2—1所示。這些線條都是從磁鐵的。N極到S極的光滑曲線，如圖2一1b所示。我們把這些曲線稱為磁感應線，用它能形象描述磁場的性質。

實驗證明磁感應線具有下列特點：

1．磁感應線是閉合曲線

在磁體外部，磁感應線從N極出發，然后回到S極，在磁體內部，是從S極到N極，這叫做磁感應線的不可中斷性，如圖2—2所示。

2. 磁感應線互不相交

這是因為磁場中任何一點磁場方向只有一個。

3．磁感應線的疏密程度與磁場強弱有關。

磁感應線稠密表示磁場強，-磁感應線稀疏表示磁場弱。

三、磁通、磁感應強度

為了描述磁場在上定面積上的分布情況而引入了磁通這一物理量。

在磁場中，把通過與磁場方向垂直的某一面積的磁感應線的總數目，叫做通過該面積的磁通，用字母表示。磁通的單位是韋伯“簡稱韋，用Wb表示。

磁感應強度是用來表示磁場中各點磁場強弱和方向的物理量，用字母B表示。

垂直通過單位面積的磁感應線的數目叫做該點的磁感應強度。它既有大小，又有方向。在磁場中某點磁感應強度的方向，就是位于該點磁針北極所指的方向，它的大小在均勻磁場中可表示為：

式中 —一磁感應強度 (T)；

——磁通(Wb)；

——垂直于磁感應線方向通過磁感應線的面積()。

公式(2—1)說明磁感應強度的大小等于單位面積的磁通。如果通過單位面積的磁通越多，則磁感應線越密，磁場也越強，反之磁場越弱。

磁感應強度的單位是韋/米，稱為特斯拉，簡稱特，用字母T表示。

四、磁導率

實驗證明，鐵、鉆、鎳及其合金對磁場影響強烈，具有明顯的導磁作用。但是自然界絕大多數物質對磁場影響甚微，導磁作用很差。為了衡量各種物質導磁的性能，引入磁導率這一物理量，用字母表示。磁導率的單位為亨利/米(H/m)。不同物質有不同的磁導率。在其他條件相同的情況下，某些物質的磁導率比真空中的強，另一些物質的磁導率比真空中的弱。

經實驗測得真空的磁導率為，且是常數。

為了便于比較各種物質的導磁性能，把各種性質的磁導率與真空中的磁導率進行比較，引人相對磁導率這一物理量。任何一種物質的磁導率與真空的磁導率的比值叫做相對磁導率，用以表示。即：

相對磁導率沒有單位，只是說明在其他條件相同的情況下，物質的磁導率是真空磁導率的多少倍。

根據各種物質的磁導率的大小，可將物質分成三類。

>1的物質叫做順磁物質，如空氣、鋁等；

>>1的物質叫做鐵磁物質，如鐵、鈷、鎳及其合金等。

由于鐵磁物質的相對磁導率很高，所以鐵磁物質被廣泛地應用于電工技術方面(如制作變壓器、電磁鐵。電動機的鐵心等)。

表2—1中列出了幾種鐵磁物質的相對磁導率，供參考。

表2—1  幾種鐵磁物質的相對磁導率

鐵磁物質名稱相對磁導率

鈷174

鎳1 120

退火的鐵7 000

軟鋼2 180

硅鋼片7 500

鎳鐵合金60 000

坡莫合金115 000

§2—2 電流的磁場

一、通電直導線的磁場

磁鐵周圍有磁場，通電直導線的周圍也有磁場。例如，一根直導線垂直穿過水平放置的紙板，在紙板上均勻地撒些鐵粉。當直導線通電時，鐵粉以導線為中心形成許多同心圓，如圖2—3所示：鐵粉的分布情況表示磁感應線分布情況。若直導線中電流消失，則紙板上的鐵粉又呈均勻分布。從而證明了“動電生磁”，即磁場是伴隨電流而存在的，而電流永遠被磁場所包圍。經實驗證明，磁場方向與電流方向有關。若直導線垂直紙面，電流向著讀者而來，則磁場方向是逆時針方向；

若直導線上的電流是離開讀者而丟，則磁場方向為順時針方向，如圖2—4a

所示：為了討論問題方便起見；

規定用符號，分別表示電流或磁感應線垂直進人和流出紙面的方向。

通電直導線周圍磁場方向與導線中的電流方向之間的關系可用安培定則(又稱右手螺旋定則)進行判定。其具體內容是：右手拇指指向電流方向，貼在導線上，其余四指彎曲握住直導線，則彎曲四指的方向就是磁感應線的環繞方向；

如圖2—4b所示。

實驗證明，通電直導線四周的磁感應線距直導線越近，磁感應線越密，磁感應強度越大，反之，磁感應線越疏k磁感應強度越小。導線中通過電流越大，靠近直導線的磁感應線越密集，磁感應強度越大；

反之，導線中通過電流越小，靠近直導線的磁感應線越稀疏，磁感應強度越小。

二、通電螺線管的磁場

已經知道通電直導線周圍有磁場存在。若將通電直導線繞成多匝螺線管后，在它的周圍還有磁場存在嗎?為證實這個問題。將磁針放在螺線管附近科當螺線管不通電時，磁針沒有偏轉。當通電時，磁針發生偏轉。這就說明通電螺線管周圍有磁場存在。對于一個確定的螺線管，磁場的強弱與螺線管中所通過的電流大小成正比。

通電螺線管磁場方向，與螺線管中通過的電流方向的關系，用右手螺旋定則進行判定，如圖2—5所示。

右手螺旋定則的內容是：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向與螺線管中流過的電流方向一致，那么拇指所指的那一端就是螺線管的N極。由圖2—5可知，通電螺線管的磁場與條形磁鐵的磁場相似。因此，一個通電螺線管相當于一塊條形磁鐵。

總之，凡是通電的導線，在其周圍必定會產生磁場，從而說明電流與磁場之間有著不可分割的聯系。電流產生磁場的這種現象叫做電流的磁效應。

想一想：如果將一個鐵磁性材料插入到線圈中，對線圈的磁場有什么影響?這一點會有什冬應用?

三、磁場對載流直導線的作用

通過前面學習已經知道，兩塊磁鐵之間有力的作用一載流直導線周圍也存在磁場，若將其放入磁場中，兩者之間也會產生力，現在用如圖2—6所示的實驗來證實這一問題。

在圖2—6a中，U形磁鐵中水平放置一根直導線，它與磁感應線垂直。當導線上沒有電流通過時，導線在磁場里靜止不動。當導線上有電流通過，且背離讀者而去，則導線因受磁場作用而向左運動。若改變導線中的電流方向(見圖2—6b)，即電流方向指向讀者，則導線受磁場作用向右運動。上述實驗說明載流直導線在磁場的作用下而產生運動。在磁極固定時，運動方向與電流方向有關；

若導線中電流方向不變，只改變磁極方向，則導線的運動方向也發生改變。電動機就是利用載流導線在磁場中產生運動的原理制成的。

載流直導線在磁場作用下產生運動，而運動是在力的作用下產生的。載流直導線在磁場中所受到的力稱為電磁作用力，簡稱電磁力，用字母F表示。電磁力既有大小，也有方向。

電磁力方向(即導線運動方向)、電流方向和磁場方向三者相互垂直。因為電磁力的方向與磁場方向及電流方向有關。所以，用左手定則(又稱電動機定則)來判定蘭者之間的關系。

左手定則的內容是：伸平左手，使大拇指與其余四指垂直，手心對著N極，讓磁感應線垂直穿過手心，四指的指向代表電流方向，則大拇指所示的方向就是磁場對載流直導線的作用力方向，如圖2—7所示。

實驗證明，在勻強磁場中，當載流直導線與磁場方向垂直時，磁場對載流直導線作用力的大小，與導線所處的磁感應強度、通過直導線的電流以及導線在磁場中的長度的乘積成正比。即：

式中 ——磁感應強度(Wb/)；

——直導線中通過的電流(A)；

——直導線在磁場中的長度(m)；

——直導線受到的電場力(N)。

四、磁場對通電線圈的作用

由于磁場對通電導線有作用力，因此，磁場對通電線圈也有力的作用。在均勻磁場中放置一個矩形通電線圈abcd，如圖2—8所示。

當線圈平面與磁感應線平行時，因為ab和dc邊與磁感應線平行，不受磁場作用，沒有電磁力，ad和bc邊與磁感應線

垂直，受磁場作用而有電磁力。根據左手定則，ad邊的受力方向是垂直向上，而bc邊的受力方向是垂直向下。因為，ad=bc，根據公式(2—3)，可知，ad和bc邊所受的電磁力大小相等。由于這一對電磁力大小相等，方向相反，所以構成一對力偶。故線圈在力偶的作用下，圍繞軸線做順時針旋轉。如圖2—8所示是一個單匝線圈的直流電動機的工作原理圖。

§2—3 電磁感應

電和磁是可以互相轉化的。在一定條件下，電流能夠產生磁場；

同樣，磁場也能使導線中產生電流。：磁轉化為電的現象叫做電磁感應。

一、電磁感應現象

為了研究電磁感應現象，先做兩個實驗。

實驗一：將直導線AB放在磁場中，它的兩端與檢流計連接構成閉合回路，如圖2—6所示。當導線向右移動垂直切割磁感應線時，檢流計指針偏轉，如圖2—9a所示，表示導線中有電流產生；

導線向左方垂直移動切割磁感應線時，檢流計指針也發生偏轉，但方向與前面的相反；

如圖2—9b所示。

導體不動，沒有切割磁感應線時，檢流計指針無偏轉，說明導線中沒有電流。通過實驗可以看到，導線的移動速度越快，檢流計指針偏轉越大，即電流越大。

實驗二：將線圈的兩端與一個檢流計連接而構成閉合回路，如圖2—10所示。

當條形磁鐵插入線圈瞬間，線圈中的磁通量增加，檢流計指針向右偏轉。如圖2—10a所示，說明線圈中磁通發生變化，線圈中有電流出現。若把條形磁鐵從線圈中拔出，在拔出瞬間，檢流計指針向相反方向偏轉，說明線圈中磁通也發生變化，線圈中也有電流出現，如圖2—10b所示。當條形磁鐵在線圈中停止運動時，檢流計指針無偏轉，線圈中磁通沒有變化，線圈中也沒有電流。如果條形磁鐵插人或拔出的速度越快，即磁通量變化得越快，則檢流計指針偏轉越大，反之，檢流計指針偏轉越小。

上述兩個實驗說明，無論是直導線在磁場中作切割磁感應線運動，還是磁鐵對線圈作相對運動，都是由于運動使得穿過(直導線或線圈組成的)閉合回路中的磁通量發生了改變，因而在直導線或線圈中產生電動勢。若直導線或線圈構成回路，則直導線或線圈中將有電流出現。回路中磁通量的變化是導致直導線或線圈中產生電動勢的根本原因，即“動磁生電”。磁通量的變化越大，產生的電動勢越大。

因磁通變化而在直導線或線圈中產生電動勢的現象，叫做電磁感應。由電磁感應產生的電動勢叫做感應電動勢。由感應電動勢在閉合電路形成的電流，叫做感應電流。

二、法拉第定律

從如圖2—10所示的實驗中可知，感應電動勢的大小，取決于條形磁鐵插入或拔出的快慢，即取決于磁通變化的快慢。磁通變化越快，感應電動勢就越大；

反之就越小。磁通變化的快慢，用磁通變化率來表示。例如，有一單匝線圈，在時刻穿過線圈的磁通為，在此后的某二時刻，穿過線圈的磁通為，那么在這段時間內，穿過線圈的磁通變化量為：

因此，單位時間內的磁通變化量，即磁通變化率是：

在單匝線圈中產生的感應電動勢的大小是：

式中的絕對值符號，表示只考慮感應電動勢的大小，不考慮方向。

對手多匝線圈來說，因為通過各匝線圈的磁通變化率是相同的，所以每匝線圈感應電動勢大小相等。因此，多匝線圈感應電

動勢是單匝線圈感應電動勢的N倍，即：

式中 ——在時間內感應電動勢的平均值(V)；

——線圈匝數；

/——磁通變化率；

——線圈中磁通變化量 (Wb)；

——磁通變化所用的時間(s)。

公式(2—5)說明，當穿過線圈的磁通發生變化時，線圈兩端的感應電動勢的大小只與磁通變化率成正比。這就是法拉第定律。

想一想：上述規律可以用幾件簡單的元件、儀表進行驗證。

三、楞次定律

法拉第電磁感應定律，只解決了感應電動勢的大小取決于磁通變化率，但無法說明感應電動勢的方向與磁通量變化之間的關系。為了找出它們之間的規律，必須對前面的實驗再作進一步研究。

從圖2—10實驗中可以看到穿過線圈的原磁通的方向是向下的。

如圖2—11a所示，當磁鐵插入線圈時，線圈中的原磁通量增加，產生感應電動勢。感應電流由檢流計的正端流人。此時，感應電流在線圈中產生一個新的磁通。根據安培定則可以判定，新磁通與原磁通的方向相反，也就是說，新磁通阻礙原有磁通增加。

如圖2—1lb所示，當磁鐵由線圈中拔出時，線圈中的原有磁通減少，產生感應電動勢，感應電流由檢流計的負端流人。此時，感應電流在線圈中產生一個新的磁通，根據安培定則判定，新磁通與原有磁通的方向是相同的，也就是說，新磁通阻礙原有磁通的減少。

經過上面的討論得出一個規律：線圈中磁通變化時，線圈中產生感應電動勢，其方向是使它形成的感應電流產生新磁通來阻礙原有磁通的變化。也就是說，感應電流的新磁通總是阻礙原有磁通的變化。這個規律被稱為楞次定律。

應用楞決定律來判定線圈中產生感應電動勢的方向或感應電流的方向，具體方法步驟如下：

1．首先明確原磁通的方向和原磁通的變化(增加或減少)的情況。

2．根據楞次定律判定感應電流產生新磁通的方向。

3．根據新磁通的方向，應用安培定則(右手螺旋定則)判定出感應電動勢或感應電流的方向。

例如，在圖2—11中，線圈固定不動，條形磁鐵向下、向上運動時，判斷線圈a、b兩端感應電動勢的方向。

當磁鐵向下運動時，原磁通西增加，且方向向下，由楞次定律可知新磁通西7的方向向上。根據安培定則可判斷出，大拇指的指向是新磁通的方向，其余四指的指向就是感應電動勢的方向，即由b到a，如圖2—11a所示。

當磁鐵向上運動時，原磁通減少，且方向向下，由楞次定律可知新磁通的方向向下，阻礙原磁通的減少，根據安培定則可判斷出，感應電動勢的方向是由a到b，如圖2—11b所示。

對于直導線切割磁感應線向產生感應電動勢的方向，用右手定則進行判定。右手定則內容是：伸開右手，使大拇指與其余四指垂直并且與手掌在同一平面內，手心對著磁極的N極，讓磁感應線垂直穿過手心，大拇指指向導體的運動方向，其余四指所指的方向就是感應電動勢的方向，如圖2—12所示。右手定則又叫發電機定則。

四、電磁感應定律

為了使法拉第定律不僅能表示出感應電動勢的大小，同時也能表示出它的方向。把法拉第定律與楞次定律結合起來就是電磁感應定律。電磁感應定律的內容是：感應電動勢的大小與磁通變化率成正比，感應電流的方向總是阻礙原磁通變化。

§2—4 自感、互感

一、自感

自感是一種電磁感應現象；

下面通過實驗說明什么是自感。在圖2—13a中，有兩個相同的燈泡。合上開關后，燈泡HL1立刻正常發光。燈泡HL2慢慢變亮。其原因是在開關S閉合的瞬間，線圈L中的電流是從無到有，線圈中這個電流所產生的磁通也隨之增加，于是在線圈中產生感應電動勢。根據楞次定律，由感應電動勢所形成的感應電流產生的新磁通，要阻礙原磁通的增加；

感應電動勢的方向與線圈中原來電流的方向相反，使電流不能很快地上升，所以燈泡HL2只能慢慢變亮。

在圖2—13b中，當開關S斷開時，HL燈泡不會立即熄滅，而是突然一亮然后熄滅。其原因是在開關S斷開的瞬間，線圈中電流要減小到零，線圈中磁通也隨之減小。由于磁通變化在線圈中產生感應電動勢。根據楞次定律；

感應電動勢所形成的感應電流產生的新磁通，阻礙原磁通的減少，感應電動勢方向與線圈中原來的電流方向一致，阻止電流減少，即感應電動勢維持電感中的電流慢慢減小。所以燈泡HL不會立刻熄滅。

想一想：為什么燈泡的亮度會有變化?開卷閉合的時候，HL中的電流由誰決定?開關斷開時，HL中的電流由誰決定?

通過兩個實驗可以看到，由于線圈自身電流的變化，線圈中也要產生感應電動勢。把由于線圈自身電流變化而引起的電磁感應叫做自感應，簡稱自感。由自感現象產生的電動勢叫做自感電動勢。

為了表示自感電動勢的大小，引入一個新的物理量，叫自感系數。當一個線圈通過變化電流后，單位電流所產生的自感磁通數，稱為自感系數，也稱電感量，簡稱電感，用字母L表示。電感是測量線圈產生自感磁通本領大小的物理量。如果一個線圈中流過1安電流，能產生1韋的自感磁通，則該線圈的電感就是1亨利，簡稱亨，用字母H表示。在實際使用中，有時用亨利單位太大，常采用較小的單位毫亨(mH)、微亨(pH)。它們之間的關系為：

電感L是線圈的固有參數，它取決于線圈的幾何尺寸以及線圈中介質的磁導率。如果介質磁導率恒為常數，這樣的電感叫線性電感，如空心線圈的電感L為常數；

反之，則稱為非線性電感，如有鐵心的線圈的電感L不是常數。

自感在電工技術中，既有利又有弊。如日光燈是利用鎮流器(鐵心線圈)產生自感電動勢提高電壓來點亮燈管的，同時也利用它來限制燈管電流。但是，在有較大電感元件的電路被切斷瞬間，電感兩端的自感電動勢很高，在開關刀口斷開處產生電弧，燒毀刀口，影響設備的使用壽命；

在電子設備中，這個感應電動勢極易損壞設備的元器件，必須采取相應措施，予以避免。

二、互感

互感也是一種電磁感應現象。圖2—14中有兩個互相靠近的線圈。當原線圈電路的開關S閉合時，原線圈中的電流增大，磁通也增加，副線圈中磁通也隨之增加而產生感應電動勢，檢流計指針偏轉，說明副線圈中也有電流。當原線圈電路開關S斷開時，原線圈中的電流減小，磁通也減小，這個變化的磁通使副線圈中產生感應電動勢，檢流計指針向相反方向偏轉。

這種由于—個線圈電流變化，引起另一個線圈中產生感應電動勢的電磁感應現象，叫做互感現象，簡稱互感。由互感產生的感應電動勢稱為互感電動勢。

人們利用互感現象，制成了電工領域中偉大的電器——變壓器。

習  題

1. 人們把具有__________的特性叫磁性，把具有__________特性的物體叫磁體。

2．每個磁體都有__________個磁極，即__________極和__________極。

3．自然界有一些物質，如__________，它們受到磁場作用后會帶有磁性，這種現象叫__________。

4．磁鐵之間存在力的作用，兩個磁鐵的__________性磁極相互排斥，__________性磁極相互吸引。

5．磁感應線是一些__________曲線。在磁體外部磁感應線是從__________極出發到__________極終止；

在磁體內部是從__________極出發到__________極終止。

6．磁通是描述__________的物理量，單位是__________。

7．磁感應強度是描述__________的物理量，單位是__________。

8．感應電動；

勢是指__________產生的電動勢,一般可以用__________判定它的方向。

9．通電直導線感應電動勢的大小與__________、__________和__________有關,線圈的感應電動勢大小與__________有關。

10．電磁鐵是利用____________________原理做成的，發電機是利用______________________原理做成的，而電動機是利用____________________原理制成的。

11．工業應用的磁鐵，都是通電線圈使鐵心磁化現象的具體應用。試應用安培定則判定習題圖2—1中線圈通電后磁極的極性，或根據磁極的極性判定電源的極性。

12．應用右手定則，判定習題圖2—2的感應電動勢方向、導線運動方向、磁場方向。

13．根據楞次定律和安培定則，判定線圈中感應電動勢或感應電流的方向，見習題圖2—3。

14．自感是在__________中產生感應電動勢的現象，互感是在__________中產生感應電動勢的現象。

15．說說在日常生活中，應用最多的自感是什么?

16．自盛電動勢的威力巨大，你能有什么辦法降低它產生的電壓嗎?

17．設計一個試驗，測一測一群人中誰的反應最快?

第三章 正弦交流電路

本章學習要點：

1．明確交流電、正弦交流電的概念及其三要素；

2．了解正弦交流電的表示法；

3．熟悉單相交流電路中R，L，C元件的歐姆定律形式，了解R，L，C電路中三元件兩端電壓、電流的相位關系特點；

4．掌握三相電路的連接形式及特點；

5．熟悉照明電路的連接要點及常用照明元件的特點。

18世紀中葉，有個叫歐拉的瑞士數學家。他在前人研究的基礎上，取得了非常多的研究成就，共寫下了886本書籍和論文，其中分析、代數、數論占。40％，幾何占18％，物理和力學占28％，天文學占11％，彈道學、航海學、建筑學等占3％。在他之后的數學家拉格朗日、拉普拉斯，都把歐拉當導師。在數學中，歐拉首次提出很多現在還在使用的基本概念，如sin，cos，tan，， ()。

歐拉提出的正弦函數在當今的電氣技術中，有很大的應用。因為現在我們這個世界上，幾乎找不到與正弦方式輸送無關的電能，幾乎到處都能找到以正弦方式使用的電能。

實踐證明，使用正弦規律是最聰明、最科學的。

§3—1 正弦交流電的產生

一、正弦交流電的特點種

第一章直流電路中所討論的直流電；

其電流(及電壓、電磁勢)的大小和方向是不隨時間變化的。但是在生產實際中，除了應用直流電外，還廣泛地應用交流電。所謂交流電是指電流(及電壓、電動勢)的大小和方向隨時間的變化而變化。交變電流、交變電壓和交變電動勢統稱為交流電。通常將交流電分為正弦交流電和非正弦交流電兩大類。正弦交流電是指其交流量隨時間按正弦規律變化。

人們經常用圖形表示電流(及電壓、電動勢)隨時間變化的規律，這種圖形稱為波形圖，如圖3—1所示。

圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示不同時刻的交流量(電流、電壓、電動勢)值。從如圖3—1b所示的波形圖中可以看到，正弦交流電(如無特別說明都簡稱交流電)的特點是：

1．變化的瞬時性

正弦交流電的大小和方向時時刻刻都在變化。

2. 變化的周期性

正弦交流電每隔一定時間又作重復的變化。

3．變化的規律性

正弦交流電是隨著時間按正弦規律變化的。

正弦交流電在工農業生產以及日常生活中應用廣泛，是由于它具有便于遠距離傳輸和分配，交流發電機結構簡單、運行可靠、維修方便、節省材料、具有更低的電磁干擾等優點。

二、正弦交流電的產生

正弦交流電是由交流發電機產生的。如圖3—2a所示是最簡單的交流發電機示意圖j它由定子和轉子組成。定子有N，S兩個固定磁極。轉子是一個可以轉動的鋼質圓柱體，其上緊繞著一匝導線。導線兩端分別接到兩個相互絕緣的銅環上，銅環與連接外電路的電刷相接觸。

當用原動機(如水輪機或汽輪機)拖動電樞轉動時，由于運動導線切割磁感應線而在線圈中產生感應電動勢。為了得到正弦波形的感應電動勢，應采用特定形式的磁極，使磁極與電樞之間的空隙中的磁感應強度按下列規律分布：

第一，磁感應線垂直于電樞表面。

第二，磁感應強度B在電樞表面按正弦規律分布。

如圖3—2b所示。在磁極中心位置處的磁感應強度最大，用表示；

在磁性分界面處的磁感應強度為零。磁感應強度等于零的平面叫做中性面，如圖3—2b所示的水平面。如線圈所在位置的平面與中性面成a角，此處電樞表面的磁感應強度為：

當電樞在磁場中從中性面開始，以勻角速度逆時針轉動時，單匝線圈的a、b邊在磁場內切割磁感應線產生感應電動勢。單匝線圈中產生的磁感應電動勢為：

如果線圈有N匝，則總的感應電動勢為：

當=90及=270時，感應電動勢具有最大值，即：

式中  ——感應電動勢最大值 (V)；

——線圈的匝數；

——最大磁感應強度(Wb/)；

——線圈的有效長度（m）

——導線運動速度（m/s）

將公式(3—3)代人公式(3—2)后，得：

因為電樞在磁場中以角速度作勻速轉動，在任意時刻線圈平面與中性面的夾角等于角速度與時間的乘積，即：

因此，感應電動勢的數學式又可以寫成：

這樣就把感應電動勢隨角度變化轉為隨時間變化。為今后研究交流電正弦量提供了方便。同理，交流電壓、交流電流可表示為：

§3—2 正弦交流電的三要素

一、周期、頻率、角頻率

由如圖3—1所示中的正弦交流電流波形圖可以看出，它從零開始隨時間延長而增至最大值，然后逐漸減到零；

以后由零開始反向增至最大值，然后再回到零。這樣，交流電流就變化一次。交流電就按照這樣的規律做周而復始的變化，變化一次叫做一周。交流電變化一周所需要的時間叫做周期，用字母T表示，單位是秒(s)，較小的單位有毫秒(ms)和微秒()。它們之間的關系為：

周期的長短表示交流電變化的快慢l周期越小，說明交流電變化一周所需的時間越短，交流電的變化越快；

反之，交流電的變化越慢。

頻率是指在一秒鐘內交流電變化的次數，用字母表示，單位為赫茲；

簡稱赫，用Hz表示。當頻率很高時，可以使用千赫(kHz)、一兆赫(MHz)、吉赫(GHz)：等。它們之間的關系為：

頻率和周期一樣，是反映交流電變化快慢的物理量。它們之間的關系為：

   

我國農業生產及日常生活中使用的交流電標準頻率為50Hz。通常把50Hz，的交流電稱為工頻交流電。

交流電變化的快慢除了用周期和頻率表示外，還可以用角頻率表示。所謂角頻率就是交流電每秒鐘變化的角度，用字母表示，單位是rad/s(弧度/秒)。

周期、頻率和角頻率的關系是：

二、瞬時值、最大值、有效值

正弦交流電(簡稱交流電)的電動勢、電壓、電流，在任袁

瞬間的數值叫交流電的瞬時值，用小寫字母，，表示。

瞬時值中最大的值稱為最大值。最大值也稱為振幅或峰值。在波形圖生，曲線的最高點對應的縱軸值，即表示最大值。用，，分別表示電動勢、電壓、電流的最太值。它們之間的關系為：

由公式(3—9)可知，交流電的大小和方向是隨時間變化的，瞬時值在零值與最大值之間變化，沒有固定的數值。因此，不能隨意用一個瞬時值來反映交流電的做功能力。如果選用最大值，就夸大了交流電的做功能力，因為交流電在絕大部分時間內都比最大值要小。這就需要選用一個數值，能等效地反映交流電做功的能力。為此，引人了交流電的有效值這一概念。

正弦交流電的有效值是這樣定義的：如果一個交流電通過一個電阻，在一個周期內所產生的熱量，和某一直流電流在相同時間內通過同一電阻產生的熱量相等，那么，這個直流電的電流值就稱為交流電的有效值。正弦交流電的電動勢。電壓、電流的有效值分別用字母，，表示。通常所說的交流電的電動勢、電壓、電流的大小都是指它的有效值，交流電氣設備銘牌上標注的額定值、交流電儀表所指示的數值也都是有效值。今后在談到交流電的數值時，如無特殊注明，都是指有效值。

理論計算和實驗測試都可以證明，它們之間的關系為：

三、相位、初相和相位差

在如圖3—3所示中，兩個相同的線圈固定在同一個旋轉軸上，它們相互垂直，以角速度叫逆時針旋轉。在AX和BY線圈中產生的感應電動勢分別為和，如圖3—4所示。

當t=0時，AX線圈平面與中性面之間的夾角=0，BY

線圈平面與中性面之間的夾角=90。在任意時刻兩個線圈的感應電動勢分別為：

公式中，和是表示交流電變化進程的一個角度，稱為交流電的相位或相角，它決定了交流電在某一瞬時所處的狀態。=0時的相位叫初相位或初相。它是交流電在計時起始時刻的電角度，反映了交流電的初始值。例如，AX，BY線圈的初相分別是=0，=90。在=0時，兩個線圈的電動勢分別為=0，。兩個頻率相同的交流電的相位之差叫相位差。令上述的初相位=0，的初相位=90，則兩個電動勢的相位差為：

可見，相位差就是兩個電動勢的初相差。

從如圖3—5所示可以看到，初相分別為和的頻率相同的兩個電動勢的同向最大值，不能在同一時刻出現。就是說比超前角度達到最大值，或者說比滯后角度達到最大值。

綜上所述，一個交流電變化的快慢用頻率表示；

其變化的幅度，用最大值表示；

其變化的起點用初相表示。

如果交流電的頻率、最大值、初相確定后，就可以準確確定交流電隨時間變化的情況。因此，頻率、最大值和初相稱為交流電的三要素。

例題1 已知兩正弦電=1OOsin(10060)V，=65sin(10030) V，求各電動勢的最大值、頻率、周期、相位、初相及相位差。

解：

（1）振幅

（2）頻率

（3）周期

（4）相位

（5）初相

（6）相位差

§3—3 正弦交流電的表示法

正弦交流電的表示方法有三角函數式法和正弦曲線法兩種。它們能真實地反映正弦交流電的瞬時值隨時間的變化規律，同時也能完整地反映出交流電的三要素。

一、三角函數式法

正弦交流電的電動勢、電壓、電流的三角函數式為：

若知道了交流電的頻率、最大值和初相，就能寫出三角函數式，用它可以求出任一時刻的瞬時值。

例題2 已知正弦交流電的頻率=50 Hz，最大值=310 V，初相=。求=1/300 S時的電壓瞬時值。

解：

電壓的三角函數標準式為：

則其電壓瞬時值表達式為：

將t=0.01 s代人上式

二、正弦曲線法-波形法

正弦曲線法就是利用三角函數式相對應的正弦曲線，來表示正弦交流電的方法。

在如圖3—6所示中，橫坐標表示時間或者角度，縱坐標表示隨時間變化的電動勢瞬時值。圖中正弦曲線反映出正弦交流電的初相=0。最大值，周期T以及任一時刻的電動勢瞬時值。這種圖也叫做波形圖。

§3—4 單相交流電路

在直流電路中，電路的參數只有電阻R。而在交流電路中，電路的參數除了電阻R以外，還有電感L和電容C。它們不僅對電流有影響，而且還影響了電壓與電流的相位關系。因此，研究交流電路時，在確定電路中數量關系的同時，必須考慮電流與電壓的相位關系，這是交流電路與直流電路的主要區別。本節只簡單介紹純電阻、純電感、純電容電路。

一、純電阻電路

純電阻電路是只有電阻而沒有電感、電容的交流電路。如白熾燈、電烙鐵、電阻爐組成的交流電路都可以近似看成是純電阻電路，如圖3—7所示。在這種電路中對電流起阻礙作用的主要是負載電阻。

加在電阻兩端的正弦交流電壓為，在電路中產生了交流電流，在純電阻電路中，龜壓和電流瞬時值之間的關系，符合歐姆定律，即：

由于電阻值不隨時間變化，則電流與電壓的變化是一致的。就是說，電壓為最大值時，電流也同時達到最大值；

電壓變化到零時，電流也變化到零。如圖3—8所示。純電阻電路中，電流與電壓的這種關系稱為“同相”。

通過電阻的電流有效值為：

公式3—14是純電阻電路的有效值。在純電阻電路中，電流通過電阻所做的功與直流電路的計算方法相同，即：

二、純電感電路

純電感電路是只有電感而沒有電阻和電容的電路。如由電匪很小的電感線圈組成的交流電路，都可近似看成是純電感電路，如圖3—9所示。

在如圖3—9所示的純電感電路中；

如果線圈兩端加上正弦交流電壓，則通過線圈的電流也要按正弦規律變化。由于線圈中電流發生變化，在線圈中就產生自感電動勢，它必然阻礙線圈電流變化。經過理論分析證明，由于線圈中自感電動勢的存在，使電流達到最大值的時間，要比電壓滯后90，即四分之一周期。也就是說，在純電感電路中，雖然電壓和電流都按正弦規律變化，但兩者不是同相的，如圖3—10所示，正弦電流比線圈兩端正弦電壓滯后90，或者說，電壓超前電流90。

理論證明，純電感電路中線圈端電壓的有效值，與線圈通過電流的有效值之間的關系是：

是電感線圈對角頻率為叫的交流電所呈現的阻力，稱為感抗，用表示，即：

式中 ——感抗()；

——頻率(Hz)；

——電感(H)。

感抗是用來表示電感線圈對交流電阻礙作用的物理量。感抗的大小，取決于通過線圈電流的頻率和線圈的電感量。對于具有某一電感量的線圈而言，頻率越高，感抗越大，通過的電流越小；

反之，感抗越小，通過的電流越大。收音機中的高頻扼流圈不讓高頻電流通過，只讓低頻電流通過，就是這個道理。在直流電路中，由于頻率為零，故線圈的感抗也為零，線圈的電阻很小，可以把線圈看成是短路的。

例題3有一電感為0.1 mH的線圈，分別接在電壓=0.1 V，頻率為=1 000 Hz，=1 MHz的兩個交流電源上。求兩種情況下通過線圈的電流。

解：

當=1 000 Hz時，感抗為：

當=1 MHz時，感抗為：

結論：同一個電源電壓、同一個電感，交流電頻率差1 000倍，差1 000倍，電流差1 000倍!

三、純電容電路

電容器是由兩個金屬板中間隔著不同的介質(云母、絕緣紙等)組成的。它是存放電荷的容器。電容器中的兩個金屬板叫電

容器兩個極板。如果把電容器的兩個極板分別與直流電路兩端連接，如圖3—11所示，則兩極板間有電壓，在極板間建立了電場。在電場力作用下，驅使自由電子運動，使兩個極板分別帶上數量相等符號相反的電荷。與電源正極相連的極板帶正電荷，與電源負極相連的極板帶負電荷。實驗證明，極板上存有電荷越多，則極板間的電壓越高，二者成正比。因此，將電容器的電量與極板間電壓的比值叫做電容器的電容量，簡稱電容，用字母表示，即：

式中  ——下任意極板上的電量 (C)；

——兩極板間的電壓(V)；

——電容量(F)

當電容器極板間電壓為l伏，極板上電量為1庫侖，則電容器的電容量為1法拉，簡稱法，用字母F表示。在實際應用中，由于法拉單位過大，所以經常使用微法()和皮法()為電容的單位，它們之間的關系為：

常用的電容器符號如圖3—12所示。

電容器在電工和電子技術中應用廣泛。如在電力系統中用它改善系統的功率因數，在電子技術中用它進行濾波、耦合、隔直、旁路、選頻等。在這里只簡單介紹電容在交流電路的作用。

純電容電路是只有電容而沒有電阻、電感的電路。如電介質損耗很小，絕緣電阻很大的電容器組成的交流電路。可近似看成純電容電路。

在如圖3—13所示的純電容電路中，電容器接上交流電源。在電壓升高的過程中，電容器充電，在電壓降低的過程中，電容器放電。由于電容器端電壓按正弦規律變化，致使電容器不斷地進行充電、放電。于是在電路中形成按正弦規律變化的電流。理論分析證明：電路中電流達到同方向最大值的時間，比電容器的端電壓超前90，即提前四分之一周期。也就是說在純電容電路中，雖然電流與電壓都按正弦規律變化；

但兩者的相位不同，如圖3—14所示，純電容電路中的電流超前電壓90。

理論證明：在純電容電路中，電容兩端電壓的有效值與電路電流有效值之間的關系是：

1/是電容對角頻率為的交流電所呈現的阻力，稱為容抗，用表示，即：

容抗是用來表示電容器對電流阻礙作用大小的一個物理量，單位是歐，用表示。容抗的大小與頻率及電容量成反比。當電容器的容量一定時，頻率越高，容抗越小，電流越大；

反之，頻率越低，容抗越大電流越小。在直流電路中，由于電流電頻率為零，因此，容抗為無限大。這表明，電容器在直流電路中相當于開路。但在交流電路中，隨著電流頻率的增加，容抗逐漸減小。因此，電容器在交流電路中相當于通路。這就是電容器隔斷直流，通過交流的原理。

例題4 有一個電容器的電容C=0.159，試求它在頻率為50 Hz和1 MHz時的容抗。如果電源電壓為100 V，求在頻率為50 Hz和1 MHz時的電流。

解：

當=50 Hz時

當=1 MHz時

§3—5 三相交流電路

在單相交流電路的電源電路上有兩根輸出線，而且電源只有—個交變電動勢。如果在交流電路中三個電動勢同時作用，每個電動勢大小相等，頻率相同，但初相不同，則稱這種電路為三相制交流電路。其中，每個電路稱為三相制電路的一相。

三相制電路應用廣泛，其電源是三相發電機。和單相交流電相比；

三相交流電具有以下優點：

1．三相發電機比尺寸相同的單相發電機輸出的功率大。

2．三相發電機的結構和制造與單相發電機相比，并不復雜，使用方便，維修簡單，運轉時振動也很小。

3. 在條件相同、輸送功率相同的情況下，三相輸電線比單相輸電線可節約25％左右的線材。

一、三相電動勢的產生

三相交流電是由三相發電機產生的，如圖3—15所示是三相發電機的結構示意圖。它由定子和轉子組成。在定子上嵌入三個繞組，每個繞組叫一相，合稱三相繞組。繞組的一端分別用U1，V1，W1表示，叫做繞組的始端，另一端分別用U2，V2，W2表示，叫繞組的末端。三相繞組始端或末端之間的空間角為120。轉子為電磁鐵，磁感應強度沿轉子表面按正弦規律分布。

當轉子以勻角速度逆時針方向旋轉時，在三相繞組中分別感應出振幅相等，頻率相同，相位互差120的三個感應電動勢，這三相電動勢稱為對稱三相電動勢。三個繞組中的電動勢分別為：

顯而易見，相繞組的比相繞組的落后120，相繞組的比V相繞組的落后120。

  

如圖3—16所示是三相電動勢波形圖。由圖可見三相電動勢的最大值。角頻率相等，相位差120。電動勢的方向是從末端指向始端，即U2到U1，V2到V1，W2到W1。

在實際工作中經常提到三相交流電的相序問題，所謂相序就是指三相電動勢達到同向最大值的先后順序。在圖中，最先達到最大值的是，其次是，最后是；

它們的相序是U一V一W，該相序稱為正相序，反之是負序或逆序，即W—V一U。通常三相對稱電動勢的相序都是指正相序，用黃、綠、紅三種顏色分別表示U，V，W三相。

二、三相電源繞組的聯結

三相發電機的每相繞組都是獨立的電源，均可以采用如圖3—17所示的方式向負載供電。這是三個獨立的單相電路，構成三相六線制，有六根輸電線，既不經濟又沒有實用價值。在現代供電系統中，發電機三相繞組通常用星形聯結或三角形聯結兩種方式。但是，發電機繞組一般不采用三角形接法而采用星形接法。因此，這里只介紹星形接法。

將發電機三相繞組的末端U2，V2，W2連在一起，成為一個公共點，再將三相繞組的始端U1，V1，W1引出，接負載的三根輸電線。這種接法稱為星形接法或Y形接法，如圖3—18所示。公共點稱作電源中點，用字母N表示。從始端引出的三根輸電線叫做相線或端線，俗稱火線。從電源中點N引出的線叫做中線。中線通常與大地相連接，因此，把接地的中點叫零點，把接地的中線叫零線。

如果從電源引出四根導線，這種供電方式叫星接三相四線制；

如果不從電源中點引出中線，這種供電方式叫星接三相三線制。

電源相線與中線之間的電壓叫做相電壓，在如圖3—18所示中用，，表示，電壓方向是由始端指向中點。

電源相線之間的電壓叫做線電壓，分別用，， 表示。電壓的正方向分別是從端點U1到V1，V1到W1，W1到U1。

三相對稱電源的相電壓相等，線電壓也相等，則相電壓與線電壓之間的關系為：

公式(3一21)表明三相對稱電源星形聯結時，線電壓的有效值等于相電壓有效值的1.7倍。

三、三相交流電路負載的聯結

在三相交流電路中，負載由三部分組成，其中，每二部分稱為一相負載。如果各相負載相同，則叫做對稱三相負載；

如果各相負載不同，則叫做不對稱三相負載。例如，三相電動機是對稱三相負載，日常照明電路是不對稱三相負載。根據實際需要，三相負載有兩種連接方式，星形(Y形)聯結和三角形(形)聯結。

1．負載的星形聯結

設有三組負載，，，若將每組負載的一端分別接在電源三根相線上，另一端都接在電源的中線上，如圖3—19，所示，這種連接方式叫做三相負載的星形聯結。圖中，，為各相負載的阻抗，N為負載的中性點：

由圖可見，負載兩端的電壓稱為相電壓。如果忽略輸電線上的壓降，則負載的相電壓等于電源的相電壓；

三相負載的線電壓就是電源的線電壓。負載相電壓與線電壓間的關系為：

星接三相負載接上電源后，就有電流流過相線、負載和中線。流過相線的電流，，叫做線電流，統一用表示。流過每相負載的電流，，叫做相電流，統一用表示。流過中線的電流叫做中線電流。

如果圖3—19所示中的三相負載各不相同(負載不對稱)時，中線電流不為零，應當采取三相四線制。如果三相負載相同(負載對稱)時，流過中線的電流等于零，此時可以省略中線。如圖3—20所示是三相對稱負載星形聯結的電路圖。可見去掉中線后，電源只需三根相線就能完成電能輸送，這就是三相三線制。

三相對稱負載呈星形聯結時，線電流等于相電流，即：

在工業上，三相三線制和三相四線制應用廣泛。對于三相對稱負載(如三相異步電動機)應采用三相三線制，對于三相不列稱的負載，如圖3—21所示的照明線路，應采用三相四線制。

值得注意的是，采用三相四線制時，中線的作用是使各相的相電壓保持對稱。因此，在中線上不允許接熔斷器t更不能拆除中線。

想一想：有四根三相四線制的線，哪一根是中線?

答：細的那一根是。因為中線的電流小。

2．負載的三角形聯結

設有三相對稱負載，；

，將它們分別接在三相電源兩相線之間，如圖3—22所示，這種連接方式叫做負載的三角形聯結。

負載呈三角形聯結時，負載的相電壓就是電源的線電壓，即：

當對稱負載呈三角形聯結時，電源線上的線電流有效值與負載上相電流有效值有如下的關系：

分析了三相負載的兩種聯結方式后，可以知道，負載呈三角形聯結時的相電壓是其呈星形聯結時的相電壓的1.7倍。因此，當三相負載接到電源時，究竟是采用星形連接還是三角形聯結，應根據三相負載的額定電壓而定。

§3—6 常用電氣照明電路

在工農業生產及日常生活中使用廣泛的照明燈具，有白熾燈、節能燈、日光燈、碘鎢燈、高壓汞燈和高壓鈉燈等。本節只簡單介紹白熾燈、節能燈和日光燈等照明電路。

一、白熾燈照明電路

白熾燈一般是真空玻璃泡內包含燈絲的結構，因此白熾燈有時也稱為燈泡。白熾燈要通過燈口與電路相接。歷史上曾經有兩種燈口形式：螺口式和卡口式。相對應的燈泡也有兩種接口形式：螺口式和卡口式。由于卡口式的安全缺陷，國家標準中已經禁止生產和使用卡口式燈具。螺口式燈具如圖3—23所示。燈絲是由高熔點鎢絲繞制的。當燈絲流過電流時，根據電流熱效應，使其發熱到白熾程度而發光。

如圖3—24所示是白熾燈照明電路。由圖可知，只要將白熾燈和開關串接后再并接到電源上，就組成了照明電路。

應當指出，白熾燈安裝時要注意下列事項：

1．應檢查燈泡額定電壓與供電電壓是否一致。否則，燈泡不能正常工作。

2．安裝螺口燈泡時，必須將火線經開關接到螺口燈頭底座的中心接線端上，以防觸電。

3．白熾燈與開關串接后再并接到電源上，火線應當進入開關，既能控制燈，又能保證安全。

4．白熾燈的安裝應遠離易燃易爆物質。

在安裝白熾燈時，通常使用驗電筆來判定電源火線。驗電筆的構造如圖3—25所示。驗電時手要接觸筆尾的金屬體，筆尖接觸電線或與之相連的插座、導體等，如圖3—26所示。當筆中的氖管發光時，筆尖接觸的就是火線。

二、節能燈照明電路

節能燈作為一種新型燈具，經過近十年的發展，已經形成了相當的產業規模，據有關部門統計，原來白熾燈應用空間的60％已經被節能燈具占有。之所以形成這種局面，是由于節能燈使用壽命長、耗電低的特性，一只5 W的節能燈可以達到25 W的白熾燈的照度，其平均使用壽命是白熾燈使用壽命的8倍。

節能燈的接口部分與白熾燈標準相同，可以互換使用。

節能燈的結構和工作原理與白熾燈有很大的不同。白熾燈是一種簡單的電加熱高溫致光原理，而節能燈是借助電子技術，產生高頻高壓，進而使特種氣體啟輝發光。結構、原理的不同，導致性能的差異，也導致價格的不同，所以節能燈要貴一些。

節能燈與白熾燈安裝注意事項一樣，特殊提示一點，盡管節能燈有快速啟輝的特點，但節能燈不適合在頻繁開關的場合使用，否則會影響其使用壽命。在有調光要求的場合使用節能燈，會導致調光的不連續。

三、日光燈照明電路

日光燈照明電路由目光燈管、鎮流器、．啟輝器和燈腳架組成。如圖3—27所示是日光燈電路。

日光燈管是一抽成真空后再充入少量氬氣的玻璃管，在管子兩端各裝有一個通電時發射大量電子的燈絲。管內壁涂有熒光粉，管內還放有微量水銀。

鎮流器是一個鐵心線圈。它有兩個作用，一是產生較高的電壓來點燃燈管，二是目光燈管點燃后用它來限制燈管電流。

啟輝器的結構如圖3—28所示，充有氖氣的玻璃泡中封裝有動觸片與靜觸片，其中動觸片是雙金屬片，受熱時伸展與靜觸片相接觸，冷卻后恢復原狀又與靜觸片分離。在動、靜觸片的引出端上并接一個容量較小的紙介質電容器。玻璃泡和電容器被封裝在一個圓柱形的鋁殼中。

日光燈不工作時，燈管的燈絲、鎮流器、啟輝器和開關是串聯在一起的，如圖3—27所示。當合上開關S后，220 V交流電壓全部加在啟輝器的動、靜觸片間而使之產生輝光(紅色)放電。放電所產生的熱量使雙金屬片伸展與靜觸片相接觸，則此刻整個電路構成通路：就在電路被接通的瞬間，燈絲因流過電流而發射大量電子。同時，動靜觸片接觸時，輝光消失。雙金屬片

因失去熱源恢復原狀與靜觸片脫離。此時，鎮流器(鐵心線圈)因突然斷電而產生自感電動勢，其方向與電源電壓方向相同，自感電動勢與電源電動勢一起加在燈管兩端。燈絲附近的電子在高壓下加速運動，使管內的氬氣電離而導電；

進而使管內水銀變為蒸氣，水銀蒸氣也因被電離而導電，輻射出紫外線激勵管內壁熒光粉發光。

習   題

1．直流電(電壓或電流)的__________和_________都不隨時間變化，交流電是指電流(或電壓)的__________和__________都隨時間變化。

2．正弦交流電是指電壓或電流按__________規律變化的交流電。

3．正弦交流電可以由__________產生。

4．正弦交流電可以用__________、_________和__________三個量值準確表示，這三個量一般被稱作正弦交流電的__________。

5．正弦交流電的頻率廠是指__________，與周期T的關系是__________。

6．正弦交流電的瞬時值是指___________________，最大值是指__________，有效值是指__________，最大值是有效值的__________倍。

7．日常生活中所用的動力電、照明電都是近似的__________。經常提到的220 V指的是__________值是220 V，工頻指的是它的頻率為__________Hz。

8．在比較兩個同頻率的正弦交流電時，不僅可以比較其大小，還可以比較其__________，這個量表示兩個正弦交流電變化的步調。

9．當正弦交流電流過_只電阻器時，電阻器兩端的電壓與流過電阻器的電流的相位是__________。

10．當正弦交流電流過一只電感器時，電感器兩端的電壓比流過電感器的電流的相位__________。

11．當正弦交流電流過一只電容器時，電容器兩端的電壓比流過電容器的電流的相位__________。

12．電阻器、電感器、電容器對電流都有阻礙作用，阻礙作用的大小分別用__________、__________和__________表示。

13. 當交流電的頻率增高時，電阻器的電阻值__________，電感器感抗值__________，電容器的容抗值__________。

14．衡量電容器容量大小的物理量叫__________，簡稱為__________，用__________表示。電容器可以存儲__________，用__________表示。當電容器存儲電荷，它的兩端就有電壓U。三者的關系是__________。

15. 大型電力電容器存有一定數量的電荷時，它兩端的__________很高，可能導致人身__________事故，這種電容器保存時，一般都用導線將__________短路連接，使它充分放電。

16．三相正弦交流電的三相一般用__________、__________和__________標志，三相的關系是有效值__________，頻率__________，相位__________。

17．三相四線是指____________________，相對應的另一種接法是__________。

18．三相負載的連接方式有__________和__________。

19．三相負載在星形接時，=__________，=__________；

三相負載在三角形接時，=__________，=__________。

20．畫圖說明哪條線是中線? 它有什么作用?

21．已知一正弦交流電，在O.05 s內變化50個周期(簡稱50周)。求它的周期和頻率。

22．已知工頻電流的頻率為50 Hz，求它的周期和角頻。

23．指出習題圖3—1中四組負載的連接種類。

第四章  變壓器與三相異步電動機

本章學習要點：

1．熟悉變壓器的用途、結構、電路符號，了解其工作原理、主要技術參數，應用中基本的保護知識；

2．熟悉三相異步電動機的用途特點、結構關系。電路符號，了解其工作原理、主要銘牌參數、應用中基本的保護知識；

3．熟悉單相異步電動機的使用特點，了解運轉原理、應用中基本的保護知識。

變壓器和交流電動機是比較耐用的電器，但這兩種電器在具體的應用環境中，處于“頂天立地”的特殊地位。前者一般要給所有的設備供電，后者一般是最終的執行設備。特殊的地位，特殊的作用，往往受到特殊的關照。一個變壓器出現問題，可能影響一家工廠的生產，一個社區的供電。作為使用者，應了解它們的特性，給予它們恰當的維護，使它們始終處于正常的工作狀態。

§4—1 變壓器的基本結構和工作原理

變壓器是一種能改變交流電壓而保持交流電頻率不變的靜止的電器設備。

在電力系統的送變電過程中，變壓器是一種重要的電器設備。送電時，通常使用變壓器把發電機的端電壓升高。對于輸送一定功率的電能，電壓越高，電流就越小，輸送導線上的電能損耗越小。由于電流小，則可以選用截面積小的輸電導線，能節約大量的金屬材料。用電時，又利用變壓器將輸電導線土的高電壓降低，以保證人身安全和減少用電器絕緣材料的消耗。

通常超高壓輸電線上的電壓可達500 kV(即50萬伏)。但是，在工農業生產和日常生活中需要各種不同等級的交流電壓。例如，應用廣泛的三相異步電動機的額定電壓為380 V或220 V，一般照明電壓為220 1V，機床局部照明的額定電壓為36 V、24 V或者更低，許多設備經常要求多種電壓供電。所以在實際工作中，采用各種規格的變壓器來滿足不同的需要。變壓器除了能改變交變電壓外，還具有改變交流電流(如電流互感器)，變換阻抗(如電子電路中的輸入，輸出變壓器)以及改變相位等作用。所以，變壓器是輸配電、電工測量和電子技術等方面不可缺少的電器設備。

一、變壓器的基本結構

雖然變壓器種類繁多，用途各異，電壓等級和容量不同，但變壓器的基本結構大致相同。最簡單的變壓器是由一個閉合的軟磁鐵心和兩個套在鐵心上又相互絕緣的繞組所構成，如圖4—1所示。

繞組又稱線圈，是變壓器的電路部分。與交流電源相接的繞組叫做一次繞組，簡稱一次；

與負載相接的繞組叫做二次繞組，簡稱二次，如圖4-2所示。

鐵心是變壓器的磁路部分，

用厚度為0.35～0.5 mm時硅鋼片疊戲。根據變壓器鐵心構造及繞組配置情況，變壓器有芯式和殼式兩種。如圖4—3a所示是單相芯式變壓器，采用口形鐵心。一、二次繞組分別套在鐵心上。如圖4—3b所示是單相殼式變壓器，常用的有山字形（E1）F形、日字形等鐵心，如圖4—4既示。

二、變壓器的工作原理

如圖4—5所示是單相變壓器工作原理示意圖。為了分析問題方便。規定：凡與一次有關的各量，在其符號右下角標以“1”，而與二次有關的各量，在其符號右下角標以“2”。如一、二次電壓：電流、匝數及電動勢分別用、，、，、，、表示。

當變壓器一次接人交流電源以后，在一次繞組中就有交流電流流過，于是在鐵心中產生交變磁通，稱為主磁通。它隨著電源頻率而變化，主磁通集中在鐵心內；

極少一部分在繞組外閉合，稱為漏磁通，它一般很小，可忽略不計。所以L可以認為一、二次繞組同時受主磁通作用。根據電磁感應定律，一、二次繞組都將產生感應電動勢。如果二次接有負載構成閉合回路，就有感應電流產生。變壓器通過一、二次繞組的磁耦合把電源的能量傳送給負載。

1．變壓器變壓原理

設一、二次的匝數分別為和，忽略漏磁通和一、二次直流電阻的影響。由于一、二次繞組同時受主磁通的作用，在兩個繞組中產生的感應電動勢和的頻率與電源的頻率相同。若主磁通隨時間的變化率為/，則由電磁感應定律可得一、二次繞組的感應電動勢為：

變壓器一、二次的端電壓與感應電動勢在數值上是近似相等的，所以在考慮了上面兩個式子，以及不考慮相位關系，只考慮它們的大小，則可以得到一、二次電壓有效值之間如下關系：

式中 ——一次交流電壓的有效值(V)；

——二次交流電壓的有效值 (V)；

——一次繞組的匝數；

—一二次繞組的匝數；

——一、二次的電壓比，或稱匝數比。

公式(4—1)表明變壓器一、二次繞組的電壓比等于它們的匝數出。當>1時，>，則>，這種變壓器是降壓變壓器；

當

例題1 一臺變壓器的一次繞組接在10 kV的高壓輸電線上，要求二次繞組輸出400 V電壓，如果二次繞組的匝數為800匝。求變壓器的電壓比和二次繞組的匝數。

解：

根據公式(4—1)電壓比為：

則

2．變壓器變換電流原理

任何一種變壓器在變壓過程中只起能量傳遞作用，無論變換后的電壓是升高還是降低，電能都不會增加，也不能減少。根據能量守恒定律；

在忽略損耗時，變壓器輸出的功率應與變壓器從電源獲得的功率相等，即：

或

由此則有：

公式(4—2)是變壓器變換電流公式。此式說明變壓器工作時，一、二次繞組的電流大小與一、二次韻電壓或匝數成反比，或者為變壓器電壓比的倒數。實際上，變壓器在改變電壓的同時也改變了電流。電流互感器就是根據這二原理制成的。

例題2 在3 300 V的交流電路中接入一臺變壓器，若把電壓降至為220 V，已知一次繞組的匝數是2 100匝，二次繞組接入的負載為10。求二次繞組的匝數和一、二次繞組中的電流?

解：

根據公式(4—1)得出變壓器的電壓比為：

根據歐姆定律得出二次繞組的電流為：

由公式(4—2)可得出一次繞組中電流為：

三、幾種常見變壓器

1．單相照明變壓器

如圖4—6 所示是一種常見的單相照明變壓器：它由鐵心和兩個相互絕緣的線圈組成，一般為殼式。這種變壓器的一次額定電壓有220 V和880 V兩種，二次電壓多為36 V。在特殊危險場合使用時，二次電壓為24 V或12 V。有的變壓器二次電壓為6 V，專供指示燈用。單相照明變壓器經常為工廠內部的局部照

明燈具提供安全電壓，以確保人身安全。

2．三相變壓器

在工業生產中三相變壓器應用較為廣泛。所謂三相變壓器實質上是三個容量相同的單相變壓器組成的。如圖4—7所示是三相變壓器的示意圖。在每個鐵心柱上都繞著同一相的一次(即高壓)繞組和二次 (即低壓)繞組。

根據三相電源和負載的不同情況，

變壓器一、二次繞組都可作Y形或形聯結。如圖4—8所示是三相變壓器的標準接線圖。對于大容量的三相變壓器多采用Y/聯結，即高壓繞組為Y形聯結，低壓繞組為形聯結。這是因為Y形聯結的相電壓是線電壓的1/，有利于線圈絕緣；

而低壓繞組呈形聯結，可使導線截面比Y形聯結的小。對于容量不大且需要中線的變壓器，多采用Y/聯結，即高壓繞組為Y形聯結。表示低壓繞組是Y形聯結并接有中線。這種連接可使用戶獲得線電壓和相電壓兩種電壓，特別適用于動力和照明混合性質的負載。

3．自耦變壓器

如圖4—9所示是自耦變壓器示意圖。自耦變壓器有一個環形鐵心，線圈繞在鐵心上，即只有一個繞組。一、二次繞組有一部分是公用的，也就是說高壓繞組的一部分兼作低壓繞組。它與一般變壓器一樣，一、二次的電壓比等于一、二次的匝數比。二次電壓的引出點是一個能沿著線圈的裸露表面自由滑動的電刷觸頭；

改變觸頭的位置，就能得到需要的輸出電壓。

自耦變壓器常用于實驗室和交流異步電動機的降壓啟動設備中，它的最大特點是可以通過“調壓”來獲得所需要的電壓。

四、變壓器的主要技術數據

變壓器的規格型號及其主要技術數據都標在它的銘牌上，作為使用變壓器的重要依據。變壓器的主要技術數據包括：額定電壓、額定電流、額定容量和溫升等。

1．額定電壓

變壓器一次的額定電壓，是指變壓器所用絕緣材料的絕緣強度所規定的電壓值，二次額定電壓是變壓器空載時，一次加上額定電壓后，二次兩端的電壓值。兩個額定電壓分別用，表示。單相變壓器，是指一、二次交流電壓的有效值，三相變壓器，是指一、二次線電壓的有效值。

2．額定電流

指變壓器在允許溫升的條件下，所規定的一、二次繞組中允許流過的最大電流，變壓器飛二次電流分別用和表示。單相變壓器和是指電流的有效值，三相變壓器是指線電流的有效值。

3．額定容量

表示變壓器工作時所允許傳遞的最大功率。單相變壓器的額定容量是二次額定電壓和額定電流之積；

三相變壓器的額定容量也是二次額定電壓和額定電流之積(應為三相之和)。額定容量用字母S表示，單位是伏安(V·A)。

4．溫升

溫升是指變壓器在額定工作時；

允許超出周圍環境溫度的數值。它取決于變壓器絕緣材料的耐熱等級，見表4—1。

表4—1    絕緣材料耐熱等級

絕緣等級YAEBFHC

最高工作溫度()90105120130155180>180

五、變壓器的使用要點

電工應用環境中的變壓器，一般用于電能的高、低電壓的變換。一臺變壓器往往為一個社區、一個工廠、一個車間、一套設備轉換能源。它工作的自然環境、自身品質、所帶負載的變化、保養的狀況都可能影響其工作。變壓器如出現小事故則影響工作，并可能報廢設備。大型變壓器出現事故，嚴重時可能發生爆炸，危及人身安全。

大型專用變壓器都有專人進行維護、監管。一般相關人員只要注意變壓器的外在特征變化，及時報告有關人員，履行告知即可。

正常工作的變壓器，一般都有一些輕微的振動聲音，有一定溫升，沒有氣味。一旦振動聲音明顯增加，出現怪味、打火等特殊現象時，就必須及時報告并遠離。

§4—2 三相異步電動機的用途和結構

一、電動機概述

電動機是把電能轉換成機械能，并輸出機械轉矩的動力設備。現代各種機械廣泛應用電動機來驅動。

一般電動機可分為直流電動機和交流電動機兩大類。交流電動機按使用電源相數可分為單相電動機和三相電動機兩種，而三相電動機又分同步式和異步式兩種，異步電動機按轉子結構不同又分成籠式和繞線式兩種。

三相異步電動機結構簡單、維修方便、運行可靠，與相同容量的其他電動機相比具有質量輕、成本低、價格便宜等優點。因此，被廣泛用來做中、小型軋鋼機、各種機床以及輕工機械和鼓風機的拖動部分。根據統計，國內有90％左右的電力拖動機械使用異步電動機，其中，小型異步電動機占70％以上。在電網的總負載中異步電動機的用電量占60％以上。

二、三相籠式異步電動機的基本結構

三相籠式異步電動機主要是由定子和轉子兩部分組成，如圖4—10所示。

三相異步電動機的定子部分包括機座、定子鐵心和定子繞組。機座用鑄鐵或鑄鋼制成。它支承著定子鐵心。定子鐵心由互相絕緣的硅鋼片疊制而成，內圓有槽孔，定子繞組嵌在槽內，如圖4—11所示。

定子繞組是定子的電路部分，由三相對稱繞組組成。三相繞組的各相彼此獨立，按互差120的電角度嵌放在定子槽內，并與定子鐵心絕緣。定子繞組的首端分別用U1，V1，W1表示，而繞組的末端分別用U2，V2，W2表示。

轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸等部分組成。轉子鐵心是由外圓有槽孔的硅鋼片疊制而成，槽內放置銅條(或鑄鋁)。鐵心兩端分別用導電的端環將槽內的銅條連接起來，形成短接回路；

如果去掉轉子鐵心，轉子的結構與籠子相似，如圖4—12所示。

繞線式異步電動機只是轉子結構不同，它的轉子是由繞組組成的，與定子繞組一樣也是三相的。

§4—3 三相異步電動機的轉動原理

一、演示實驗

為子說明三相異步電動機的轉子是怎樣旋轉起來的，先做二個演示實驗。

如圖4—13所示中有一個裝有手柄的馬蹄形磁鐵，在磁極中間放置一個可以自由轉動的導電的鼠籠轉子，轉子與磁極之間沒有機械聯系。當搖動手柄使馬蹄形磁鐵旋轉時，就會看到鼠籠轉子跟著磁鐵旋轉。手柄搖得越快，轉子轉得越快，若是改變磁鐵的旋轉方向，鼠籠轉子的旋轉方向也跟著改變。

由上述實驗可知，轉子轉動的首要條件是要有一個旋轉磁場。

二、定子旋轉磁場的產生

實際的籠式異步電動機中，旋轉磁場是由定子繞組中的三相交流電產生的。

如果三相異步電動機的定子鐵心中放有三相對稱繞組U1一U2，V1一V2，W1一W2，并呈星形(Y)聯結，接人三相對稱電源時，三相對稱繞組中有電流通過，即：

三相對稱電流的波形圖如圖4—14所示。規定交流電正半周時，電流從繞組首端流人，尾端流出；

負半周時，電流從繞組末端流入，首端流出。流人以符號表示，流出以符號 表示；

當交流電流過三相繞組時，每相繞組都將產生一個按正弦規律變化的磁場，三相繞組的合成磁場隨著時間的推移而不斷改變方向形成旋轉磁場，如圖4—15所示。

當=0時，U相繞組電流=0；

V相繞組電流為負半周，按規定電流是從末端V2流入，從首端V1流出；

W相繞組電流為正半周，電流是從繞組首端W1流人，從末端W2流出。根據右手螺旋定則可以判定，互相電流的合成磁場的N極在正上方，S極在正下方，如圖4—15a所示。

當=90時，為正半周；

電流從繞組首端U1流人，由末端U2流出；

V相和W相電流和都是負半周，電流分別從繞組末端V2和W2流人，從首端V1和W1流出。三相電流的合成磁場如圖4—15b所示，可以看出合成磁場的軸線沿順時針方向轉了90。此刻，磁場的N極在右方，S極在左方。

當=180時，U相繞組電流=0；

V相繞組電流為正半周，按規定電流是從首端V1流入，從末端V2流出；

W相繞組電流為負半周，電流是從繞組末端W2流入，從首端W1流出。可以判定，量相電流的合成磁場的N極在正下方，S極在正上方，如圖4—15c所示。三相電流的合成磁場的軸線又沿順時針方向轉了90。

從上面分析可知，當異步電動機定子繞組分別通人對稱三相交流電后，在定子空間能產生一個隨時間延續的旋轉磁場。

在如圖4—15所示中，每相定子繞組只有二個線圈，三相繞組的首端之間空間角相差120。合成磁場有兩個磁極，也稱一對磁極。對一對磁極來說，在三相交流電流變化一周時，磁場在空間旋轉一周。當交流電流的頻率為2 Hz，磁場轉速為2 r/s；

當交流電流頻率為3 Hz時，磁場轉速為3 r/s；

以此類推，當交流電流的頻率為Hz時，則磁場的轉速為r/s。通常旋轉磁場的轉速都折合成每分鐘多少轉，這樣一對磁極旋轉磁場的轉速(r/min)是：

如果每相繞組由兩個線圈串聯組成，則每相繞組的首端之間相差60空間角。如圖4—16所示，磁場有4個磁極，即有兩對磁極。可以看到，交流電流變化一周只轉過180。

以此類推，當旋轉磁場具有任意磁極對數時，交流電流變化一周，旋轉磁場在空間只能轉過1/周，字母表示旋轉磁場的磁極對數。因此，旋轉磁場的轉速咒，與交流電頻率、磁極對數之間的關系為：

式中  ——旋轉磁場的轉速(也叫做同步轉速)，r/min；

——三相交流電源的頻率，Hz；

旋轉磁場的磁極對數。

公式(4—3)表明旋轉磁場的轉速隨磁極對數增加而降低。表4—2是電源頻率為50 Hz時，相對應磁極對數的旋轉磁場轉速。

表4—2 電源頻率為50 Hz時磁極對數與旋轉磁場轉速的關系

磁極對數123456

旋轉磁場轉速(r/min)3 0001 5001 000750600500

三、旋轉磁場對轉子的作用

定子中產生的旋轉磁場將切割轉子銅條，此時可以把磁場看成不動，而認為：轉子相對于磁場運動。假設旋轉磁場是順時針方向旋轉，那么轉子相對于磁場，可看成是作逆時針方向轉動，如圖4一17所示。在轉子銅條中產生感應電動勢和感應電流，可用右手定則確定其方向。在轉子上半部的銅條中，感應電流的方向指向讀者，在轉子下半部銅條中感應電流的方向背離讀者。

轉子中載有感應電流的銅條與旋轉磁場作用，產生電磁力。根據左手定則判定：轉子上頂部銅條所受的力是指向右方，下底部銅條所受的力是指向左方。這兩個力大小相等，方向相反，構成電磁轉矩，于是轉子就跟隨旋轉磁場轉動起來，這就是三相籠式異步電動機的轉動原理。轉子轉速必定小于同步轉速。如果，，則轉子與旋轉磁場之間沒有相對運動，轉子上的鎘條不能切割磁感應線，就不會產生感應電動勢和感應電流，也就不能形成電磁轉矩，所以轉子不能以同步轉速運行。實際上，轉子轉速總是小于同步轉速，即。也就是說，轉子轉速與旋轉磁場的轉速不同步，而是異步的，這就是異步電動機名稱的由來。

正常運行時，轉子的轉速稱為至相異步電動機的額定轉速。比如有一種一對磁極的三相異步電動機，同步轉速為3 000 r/min，正常運行時的額定轉速為2 906 r/min。

轉子的轉動方向與旋轉磁場的旋轉方向是一致的。如果把按順時針方向旋轉叫做電動機的正轉，那么就把按逆時針方向旋轉叫做電動機的反轉。旋轉磁場的轉向與通人定子繞組的三相交流電流的相序有關。如果把三相電源接到定子繞組首端的三根導線中的任意兩相對調位置，旋轉磁場則反轉，電動機也就跟著改變轉動方向。

§4—3 三相異步電動機的使用

一、啟動

電動機接通電源后，轉子轉速從零達到穩定轉速的過程，叫做啟動。

啟動時若加在電動機定子繞組上的電壓是電動機工作時的額定電壓，就稱為全壓啟動，如圖4—18所示。

在剛啟動時，轉子尚未轉動，但旋轉磁場已經產生。磁場以最大相對速度切割轉子銅條，在銅條中產生很大的感應電流。與變壓器的原理相似，定子繞組相當于變壓器的一次，轉子的銅條相當于變壓器的二次。所以，在電動機啟動瞬間，定子繞組中要出現很大的啟動電流，一般全壓啟動時的啟動電流是額定電流的4～7倍。電動機在不頻繁啟動時，啟動時間很短；

(只有1～3 s)，雖然電流很大，但對電動機影響不大。如果電動機啟動頻繁，由于熱量積累，可使電動機過熱，容易造成絕緣材料老化，縮短電動機的使用壽命。電動機啟動電流過大；

還會在短時間內造成供電線路電壓降增大，使負載兩端電壓短時間下降。這樣小但使電動機本身啟動轉矩減小，以至于啟動不起來，還會影響同一供電線路上其他負載正常運行。若是三相電動機，由于電壓下降，使轉速降低，轉矩減小，以至于帶不動負載，而產生堵轉現象。

在實際工作中要盡量避免電動機的頻繁啟動。如車削加工時，使用摩擦離合器或電磁離合器將主軸與電動機轉軸分離，從而減少電動機的啟動和停車，避免啟動電流過大，影響電動機的使用壽命。

一般說來，籠式異步電動機額定功率小于7.5 kW，或者額定功率大于7.5 kW且小于供電電源容量的20％，都可以采用全壓啟動。

如果線路不允許電動機全壓啟動，則采用降壓啟動的方式來限制啟動電流。降壓啟動是利用啟動設備將電壓適當降低后，加到電動機定子繞組上進行啟動，待電動機啟動以后，再使電壓恢復到額定值。降壓啟動適用于空載或輕載下啟動。

常見的降壓啟動方法有4種：-在定子繞組中串聯電阻(或電抗器)的降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動、延邊三角形降壓啟動、星形(Y)一三角形()變換降壓啟動。

二、反轉

在生產上常需要電動機反轉，如圖4—19所示。當開關向上合時，電動機正轉。當開關向下合時，把接在電動機上的三相電源的U相和V相進行對調，改變定子繞組中三相交流電流的相序，因此，旋轉磁場改變了轉向≯電動機即可實現反轉。

三、制動

制動就是在電動機切斷電源后，給它一個與轉動方向相反的轉矩，使它很快地減速或停車。如起重機的吊鉤需要立即減速或停車以達到準確定位，萬能銑床主軸迅速停轉等，都需要制動。

制動的方法一般有機械制動和電力制動兩大類。

機械制動是利用機械裝置，使電動機在切斷電源后，達到迅速停轉的方法。使用較普遍的有電磁抱閘，如圖4—20所示。

電磁抱閘的工作原理如下：當接通電源后，電磁抱閘的線圈得電而吸引銜鐵，克服了彈簧的拉力，迫使杠桿向上移動，使閘瓦和閘輪分開，此時電動機啟動，正常運轉。一旦電動機的電源被切斷，-電磁抱閘的線圈也同時失電。于是銜鐵被釋放，在彈簧拉力的作用下，閘瓦緊緊抱住閘輪，電動機被迅速制動而停車。

電磁抱閘方法在起重機械中被廣泛采用，這種制動方法不但可以準確定位，而且在電動機突然斷電時，還可以避免重物自行掉落而產生事故。

電力制動常用的方法有反接制動和能耗制動。

反接制動是依靠改變輸入電動機的電源相序，使定子繞組產生反向旋轉磁場，從而使轉子受到與原來轉動方向相反的轉矩，而迅速停轉。采用反接制動必須注意，當制動到轉子轉速接近零時，應及時切斷電源，否則電動機將反向運行。

能耗制動是電動機脫離電源后，立即向它的定子繞組通人直流電流，就能使電動機制動，這種方法制動平穩，定位準確。

四、三相籠式異步電動機的銘牌數據

目前我國已經推廣使用Y系列三相異步電動機。現在以Y132M2—4為例，介紹銘牌數據。

1．型號

Y系列電動機型號由4部分組成，第二部分漢語拼音字母Y表示異步電動機，第二部分數字表示中心高(轉軸中心至安裝平臺表面的高度)；

第三部分英文字母為機座長度代號(S表示短機座、M表示中機座，L表示長機座)，字母后的數字為鐵心長度代號(1一短鐵心，2一長鐵心)，橫線后的數字為電動機的極數；

第四部分為特殊環境代號，沒標符號者表示電動機只適用于普通環境，W表示用于戶外環境，F表示用于化工防腐環境。

2．功率

銘牌上所標出的功率是在額定運行情況下，電動機轉軸上輸出的機械功率，又叫容量，通常用或表示，單位是瓦(W)或千瓦(kW)。

3．額定頻率

指電動機在額定運行時的電頻率，我國規定工頻為50 Hz。

4．額定電壓

指電動機額定運行時加在定子繞組上的線電壓值，單位是伏(V)

5．額定電流

指電動機在額定運行時定子繞組的電流值，單位是安(A)。

6．額定轉速

指電動機在額定運行時電動機的轉速，單位是r/min。

7．工作方式：

也稱為定額，是指電動機的運轉狀態H分連續、短時、斷續等三種。“連續”是指電動機在額定運行情況下長期連續使用，用表示；

“短時”是指電動機在限定時間內短期運行，用表示，“續”是指電動機以間歇方式運行，用表示。

8．接線

指定子繞組的連接方式，有星形接法和三角形接法兩種。使用時根據銘牌標志正確連接。如圖4—21所示，籠式三相異步電動機的接線盒有6根引出線，標有U1，V1，W1，U2，V2，W2，其中，U1，U2是第一相繞組的兩端，V1，V2是第二相繞組的兩端，W1，W2是第三相繞組的兩端。

9．絕緣等級

指絕緣材料的耐熱等級，通常為7個等級。

此外，三相異步電動機的主要技術數據還有功率因數、效率、啟動電流、啟動轉矩和最大轉矩等，但不在銘牌上標出，可從產品目錄中查得。

五、三相異步電動機使用要點

三相異步電動機是一種比較耐用的電動機種類，但由于它是機電一體的設備，以及由于使用頻度、工作環境、保養程度的原因，故障比較多發。作為直接的使用者，要熟悉使用要點，及時告知有關人員設備狀況，保證設備安全、正常工作。

1．過于頻繁的啟、停，正、反轉，會影響使用壽命及導致過載。

2．電動機內部不正常的聲音，都是故障的表現，處理不及時，都會導致電動機的災難。電動機缺相運行、連續過載、軸承等機械故障，都會伴有不正常聲音，應及時采取相應措施。

3．當電動機發出怪味時，應及時檢查，防止故障擴大。

§4—5單相異步電動機

單相異步電動機被廣泛用于工業設備和日常生活上。例如，民用電風扇、洗衣機、脫水機、電冰箱、家用空調器等，都是用單相異步電動機作動力。單相異步電動機的功率較小，一般為幾瓦至幾百瓦。

單相異步電動機的定子繞組是單相的，轉子通常是籠式。當交流電流通過定子繞組時，電動機內產生交變磁通，該磁通的方向是時而垂直向上，時而垂直向下，是一個脈動磁場。也就是說，單相定子繞組產生的磁場不是旋轉磁場，因而轉子不能自行轉動起來。

為了使它能自行轉動，通常在電動機的定子鐵心上，再裝一個啟動繞組。如圖4—22所示是單相電容式異步電動機原理圖。它的定子繞組有兩個，一個是工作繞組A1A2(又叫主繞組或運行繞組)，一個是啟動繞組B1B2 （又叫副繞組)。A1A2與BlB2在空間互成90，在啟動繞組中串接一個適當的電容器。

當電動機與電源接通后，各繞組就分別通入交流電流，A1A2繞組中電流。要滯后電源電壓，而B1B2繞組串有電容器，電流要超前電源電壓。如果電容器的容量選擇適當，可使電流與之間具有90的相位差，如圖4—23a所示。此時，電動機定子繞組就產生一個旋轉磁場，如圖4—23 b所示。籠式轉子在旋轉磁場的作用下，就隨著旋轉磁場而轉動起來。

實際使用時，注意電容器是一個故障多發元件。更換時，應選用與原電容器容量相同、耐壓等級不低于原件的電容器。

習 題

1．變壓器是利用__________原理制成的。

2．變壓器除了能改變__________外， 還具有__________、__________和__________等作用。

3. 變壓器的電壓比由__________決定，變壓器的一、二次電壓之比等于變壓器的__________。

4．當需要獲得連續變化的交流電壓時，可以選用__________。

5. 通常大型動力變壓器一般都是__________相結構，小功率的電源變壓器、照明變壓器一般是___________相結構。

6. 與其他種類的電動機相比，三相異步電動機具有__________、__________和_________等優點，使用極為廣泛。

7．作為一般使用人員，應注意大型動力變壓器的__________，如變壓器的__________、__________和__________等。一旦有明顯的變化，應履行__________義務。

8．電動機外殼的鐵肋是用于__________，使用時應注意保持__________。

9. 三相異步電動機正常使用時，它的轉速主要由電動機的__________決定，受負載變化的影響不大。

10．電動機的啟動是指——的過程。全壓啟動是指____________________的啟動方式。三相異步電動機全壓啟動時的啟動電流會很高，可能達額定電流的__________倍，為了避免這種沖擊電流導致的不良影響，必要時須采用___________。

11．降壓啟動是指__________的啟動方式。適用于__________場舍，常用的降壓啟動方式主要有__________、___________和__________四種。

12．三相異步電動機的反轉可以通過改變____________的方法實現。

13．電動機的制動是指____________________的過程。常用的方法有__________、__________和__________等。

14．單相交流電動機一般都有__________套繞組，用于__________和__________。

15．畫出三相異步電動機的接線端子圖，并分別表示出電動機接成星形和三角形的聯結方法。

16．三相異步電動機的使用者，應注意什么事項?

17．變壓器一次接在=220 V的電源上，已知二次電壓=20 V，如果二次匝數=120匝，問一次匝數是多少?

18．有-單相變壓器，一次電壓為3 300 V，二次電流為60 A，變壓比為15。求二次電壓和一次電流各為多少?

19．有一變壓器一次電壓為6 600 V，二次電壓為220 V。如果在二次接一電阻爐，其額定電壓為220 V，功率為40 kW。問該變壓器的一、二次電流各為多少?

第五章 簡單機床電路

本章學習要點：

1．熟悉刀開關、組合開關：鐵殼開關、接觸器、熱繼電器、熔斷器的用途、工作機理、電路連接特點、常見的故障現象；

2．熟悉繼電接觸器控制電路的展開法連接關系(主要是

接觸器)；

能夠分析電路的工作過程(啟動、停止)，能夠解釋電路每個符號對應的電氣作用。

很多人習慣說，做電工的人，做得時間越長越膽小。為什么呢?原因可能是與電的特點有關。電看不見，卻摸得著，不小心就可能觸電。電路檢修以后，首次通斷電都是由電工完成。正常則可，不正常時，即使有二次在他的臉邊手下，“嘭”的一個大火球，不受傷，也夠記一輩子的。直接操縱大電流的通斷是有危險的。

但是現在有很多技術，讓電工及設備操作員，擺脫了直接在手底下操作大電流的通、斷。這種技術可以用小至幾個微安的電流，控制數千安培電流的通、斷。采用這種技術后，即使有短路等故障，操作者也不必冒著被電弧燒傷的危險：

這種技術可以是復雜的電力電子技術，但更常見的是繼電接觸器控制技術。繼電接觸器控制技術是使用極為廣泛的以弱控強、遠距離(遙)控制的技術，它使操作者安全、輕松、快速、可靠地控制電路的通斷：本章將介紹繼電接觸控制的最基本原理與應用。

§5—1 常用低壓電器

低壓電器一般指工作電壓低于1 000 V的電器。

機床常用低壓電器在機床控制電路中主要起通斷、控制、保護、調節等作用。

低壓電器分為手動電器和自動電器兩類。手動電器是由工作人員手動操作的，這類電器包括刀開關、組合開關、鐵殼開關和按鈕等。自動電器是按照指令、信號或某個物理量的變化而自或動作的。這類電器有各種繼電器、接觸器等，還有起保護作用能電器，如熔斷器等。

一、開關

開關通常是指用手操縱，對電路進行接通或斷開的一種控制電器。

1．刀開關

它是一種應用廣泛、結構簡單的手動電器。刀極數目有二極和三極兩種，如圖5—1a所示是二極刀開關的結構圖及符號。在瓷質底座上裝有靜插座，安裝熔絲的接頭和帶瓷質手柄的閘刀等。膠蓋罩住刀片和靜插座，當電源被切斷時，它能熄滅刀片和靜插座之間產生的電弧，防止電弧燒傷操作人員。

安裝刀開關時應將電源線接在靜插座上，將用電器接在刀開關的出線端。這樣在分閘時，刀片和熔絲不會帶電，以保證裝換熔絲和維修用電器的人員安全。

刀開關主要用于接通和切斷電路或隔離電源。常用的刀開關有，系列膠蓋瓷底刀開關，它們的額定電壓為交流380 V，額定電流有15 A，30 A和60 A三種。

長期使用的刀開關，刀口部分易被電弧灼傷，嚴重灼傷的刀開關應及時更換。應正確使用熔斷器(見后面單元)，如果出現熔斷器連接部分、導線連接部分氧化、燒黑的部分，要進行清理，必要時進行更換。

嚴禁在沒有蓋好開關蓋的情況下，接通或斷開有負載電路。操作刀開關時不能動作遲緩，猶豫不決。動作越慢，越容易出電弧，影響開關使用壽命，容易出危險。

2．鐵殼開關

鐵殼開關又叫負荷開關。如圖5—2所示，鐵殼開關主要由動閘刀、速斷彈簧、刀座、操作手柄、熔斷器等組成。將這些元件裝在一個鐵殼內，所以稱為鐵殼開關。速斷彈簧能迅速將動閘刀從刀座拉開，使電弧迅速拉長而熄滅。在操作手柄一側的鐵殼邊上有一凸肋，它的作用是當開關接通時，鐵殼蓋不能打開；

而鐵殼蓋打開時，開關不能合閘，以保證安全。安裝時，鐵殼應可靠接地對以防意外漏電引起操作者觸電。長期使用的鐵殼開關應注意觸頭的使用狀況，觸頭狀況不佳，可能導致被控電動機缺相運行，燒壞電動機：

鐵殼開關實質上也是刀開關，它可以用28 kW以下的電動機直接啟動控制，也可用作電源隔離開關或負荷開關。常用的鐵殼開關有HH3系列，額定電壓為交流440 V，額定電流有15 A，30 A，60 A，100 A和200 A等幾種。

3．組合開關

組合開關是一種結構緊湊的手動開關，又叫手動轉換開關。它的種類很多，如圖5—3所示是HZ10—25/3型三級組合開關。三極組合開關共有6個靜觸頭和3個動觸頭；

靜觸頭的一端固定在膠木邊框內，另一端伸出盒外，并附有接線螺釘，以便和電源及用電器相連接。從如圖5—3b，c所示可見三個動觸片裝在絕緣墊板上，并套在方軸上，通過手柄可使方軸作90正反向轉動，從而使動觸片與靜觸片保持接通。

組合開關在機床控制電路中，經常作電源引人開關。它可以用于直接啟動5.5 kW以下的小功率籠式電動機，或用作正、反轉換開關等，也可以控制局部照明線路；

常用的HZ10系列普通類型組合開關的額定電壓為交流380 V，額定電流有10 A，25 A，60 A，100 A四種，極數有1～4極4種。

4．按鈕

按鈕也是一種手動開關，用于控制電動機或機床控制電路的接通或斷開。

按照按鈕的用途和觸頭配置，可把按鈕分為常開的啟動按鈕、常閉的停止按鈕和復合按鈕三種，如圖5—4所示。按鈕在松手停按后，一般都自動復位。

復合按鈕有兩對觸頭，橋式動觸頭和上部兩個靜觸頭組成一對常閉觸頭，又和下部兩個靜觸頭組成一對常開觸頭。按下按鈕時，橋式動觸頭向雨移動，先斷開常閉觸頭，然后閉合常開觸頭，停按后，在彈簧作用下自動復位。復合按鈕如果只使用其中一對觸頭，即成為常開的啟動按鈕或常閉的停止按鈕。常用按鈕為LAl9和LA-10系列，除單只按鈕外，還有雙連和三連按鈕。按鈕的額定電壓為交流380 V，觸頭額定電流為5 A。LA19一11型按鈕帽中還裝有指示燈，可以用燈亮與不亮來表示電路某種工作狀態。

按鈕一般通過按鈕帽螺釘，固定在操作面板上，使用時注意螺釘一旦松動，及時擰緊，防止按鈕被按人面板內，導致失控及內部短路。

二、接觸器

接觸器是一種自動的電磁式開關。它通過電磁力作用下的吸合和反向彈簧力作用下的釋放，使觸頭閉合和分斷，導致電路的接通和斷開。接觸器是電力拖動中最主要的控制電器之一。接觸器分為直流和交流兩大類，結構大致相同。這里只簡單介紹交流接觸器。

如圖5—5a所示是交流接觸器的結構圖。它主要由電磁鐵和觸頭兩部分組成。電磁鐵包括靜鐵心、線圈和動鐵心等，其中靜鐵心與線圈固定不動，動鐵心又稱銜鐵，可以移動。觸頭由橋式動觸頭和靜觸頭組成，橋式動觸頭和電磁系統的動鐵心通過絕緣支架固定在一起。

如圖5—5b所示是交流接觸器的工作原理圖。當按下按鈕時線圈得電，靜鐵心產生電磁力，將動鐵心吸合，帶動橋式動觸頭向下移動，使之與靜觸頭接觸。這時電動機與電源接通，電動機啟動運轉。當松開按鈕時線圈斷電，I電磁力消失，在反向彈簧力作用下，動、靜觸頭分離，自動切斷電動機的電源，電動機停轉。因此，只要控制線圈的通、斷電，就可以使接觸器的觸頭開閉，從而達到控制主電路的接通或切斷。

接觸器的觸頭有主觸頭和輔助觸頭兩種。通常主觸頭有三對，它的接觸面積較大；

并有滅弧裝置，能通過較大的電流。主觸頭在電路中，控制用電器的啟動與停止。

接觸器的常態是線圈沒有通電時觸頭的工作狀態。此時，處于斷開的觸頭稱為常開觸頭，處于閉合的觸頭稱常閉觸頭。常態時，主觸頭是常開的，輔助觸頭有常開與常閉兩種形式。

接觸器的符號。(見圖5—5c)。主觸頭、輔助觸頭和線圈接在不同電路中，所以在電路圖經常分開畫出。輔助觸頭符號用一段的常開觸頭和常閉觸頭符號表示，如圖5—5c右側所示。主觸頭符號由一般常開觸頭符號加接觸器功能符號組成，如圖5—5c左側所示。圖5—5c中間是表示線圈的符號。

如圖5—5d所示是交流接觸器的剖面圖。

接觸器一般直接控制電動機等設備的動力電源電路。主觸頭受電弧影響，使用壽命較短，應定期檢查監視觸頭使用情況。避免由于觸頭問題，導致不能停車、缺相不能啟動、電動機缺相運行等。禁止接觸器在沒有滅弧罩的情況下負載工作。正常工作的接觸器有輕微的振動聲，一旦發出連續的較強的振動聲，應及時通知專業人員。

三、熱繼電器

電動機在運行過程中，由于長期負荷過大，頻繁啟動或者缺相運行等，都可能使電動機定子繞組的電流超過額定值，這種現象叫做過載。此時，熔斷器并不熔斷，定子繞組將發熱，溫度升高，使繞組的絕緣材料損壞，嚴重時燒毀電動機。熱繼電器就是用來作過載保護的電器。

熱繼電器是利用電流熱效應而制作的繼電器。使用熱繼電器時，應將熱元件的電阻絲串接在主電路中，將常閉觸頭串接在有接觸器線圈的控制電路中。如圖5—6所示是熱繼電器的工作原理圖。熱元件是一段電阻不大的電阻絲，串接在主電路中。雙金屬片2由膨脹系數不同的兩種金屬輾壓而成，上層金屬的膨脹系數小，下層金屬的膨脹系數大。當負載電流超過額定值時，雙金屬片2受熱產生足夠的膨脹，向上彎曲，使扣板3脫扣，彈簧4拉下扣板，使常閉觸頭5斷開。觸頭5與接觸器線圈串聯，所以線圈斷電，主觸頭斷開，負載停止工作。

由于雙金屬片有熱慣性，因而熱繼電器不能做短路保護。當出現短路事故時，要求電路立即斷開，而熱繼電器卻不能馬上動作。但是，熱繼電器的熱慣性；

也有一定好處。例如，電動機啟動或者短時過載，熱繼電器不會立即動作，這樣就避免了電動機不必要的停車。熱繼電器復位時，按下復位鍵6即可。

四、熔斷器

熔斷器是一種簡單而有效的保護電器，主要用于保護電源免受短路的損害。熔斷器串聯在被保護的電路中，在正常情況下相當于一根導線。當發生短路或嚴重過載時，電路電流超過額定值，熔絲或熔片因過熱而熔斷，自動切斷電路。

熔體是熔斷器的主要元件，一般用低熔點鉛錫合金做成熔絲，大電流電路中使用的熔體是用銅銀制成的薄片。在熔體熔斷時將會產生強烈的電弧，熔化金屬飛濺，會燒傷人身或引起電路事故。因此，熔體要裝在外殼里面組成熔斷器。

常用的熔斷器為螺旋式，它的形狀與結構如圖5—7 a，b所示。熔斷器的表示符號

如圖5—7c所示。

系列螺旋式熔斷器的額定電壓為500 V，額定電流為2 A，4 A，6 A，…，200 A等。熔絲額定電流、熔斷電流與線徑有關，具體數值見表5—1。

表5—1 部分鉛錫合金(鉛95％，錫5％)熔絲的額定電流和熔斷電流

直徑(mm)額定電流(A)熔斷電流(A)

0.50823

0.5592.33.5

0.612.64

0.713.35

0.8134.16

0.9154.87

1.22710

1.631116

1.831319

2.O31522

2.341827

2.652232

2.952637

3.263044

選擇熔斷器的容量時，應根據電路的工作情況而定。對于工作電流穩定的電路，如照明、電熱等電路，熔體額定電流應等于或稍大于負載工作電流。在異步電動機直接啟動電路中，啟動電流可達到額定電流的4～7倍，此時熔體額定電流應是電動機額定電流的2.5～4倍。

熔斷器發生熔斷時，尤其是熔絲爆斷時，切忌不加分析直接更換熔絲，或更換更大容量的熔絲，馬上投入使用。熔絲的熔斷主要是電路的故障導致的，應確認排除故障，才可通電繼續工作。

§5—2 機床的幾種控制線路

一、點動控制線路

如圖5—8所示是接觸器點動控制線路。這種控制線路的特點是按下按鈕，電動機就轉動，松開按鈕，電動機就停轉，所以叫做點動控制線路。電動葫蘆的起重電動機控制，車床拖板箱快速移動的電動機控制等，都采用點動控制線路。

如圖5—8所示的電氣線路可分為兩部分，一是由三相電源L1，L2和L3經熔斷器FU1和接觸器的三對主觸頭KM到三相異步電動機電路，是動力電路又稱主電路。二是由熔斷器FU2、按鈕SB和接觸器線圈KM組成的控制電路，又稱輔助電路。該線路的工作原理如下：

1．準備使用時先合上開關S。

2．啟動與運行

按下SB線圈KM得電三對主觸頭KM閉合(電源與負載接通)電動機M啟動、運行。

3．停止

松開SB線圈KM失電三對主觸頭KM斷開(電源與負載斷開)電動機M停轉。

二、看懂機床控制線路的基本要領

為了便于掌握機床控制線路，下面介紹一些識圖的基本要求。

1．電氣原理圖

用以表達機床控制線路工作原理的是電氣原理圖。電氣原理圖是根據電氣作用原理用展開法繪制的，不考慮電氣設備和電氣元件的實際結構及安裝情況，只作研究電氣原理與分析故障用。它能清楚地指出電流的路徑、控制電器與用電器的相互關系和線路的工作原理。

所謂展開法，就是把某個電氣設備的一條或數條電路按水平或垂直位置畫出，按照電路的先后工作順序一一排列起來，然后接到電源上。一般將主電路畫在圖樣左邊或上部，把控制電路畫在圖樣的右邊或下部。這種畫法可把同一電氣的部件分開，分別畫在主電路和控制電路的相應部位，但要用同一符號表示。如圖5—8所示，接觸器的主觸頭在主電路中，而接觸器的線圈在控制電路中，但是都用KM符號表示，說明它們是同一電氣的部件。這樣使得主電路與控制電路容易區別，便于單獨對主電路與控制電路的各自工作過程，及它們的相互聯系進行分析。各電氣觸頭的位置是電路沒有通電或電氣未受外力的常態位置，分析控制線路工作時應從觸頭的常態位置進行。

2．看圖的基本原則

看圖時，先分析主電路，然后研究控制電路，以及控制電路對主電路的控制作用。

主電路在電氣原理圖的左邊或上部，表示該電路通過電流較大，是給負載供電的電路，并受控制電路的控制。

控制電路在電氣原理圖的右邊或下部，表示該電路通過的電流較弱。控制電路是給控制電器供電的電路，又是控制主電路動作的電路。

(1)分析主電路。分析主電路應注意如下內容。

1)要搞清楚主電路的負載是什么，有幾個。知道負載的特點、用途、接法方式和具體要求。

2)要知道用電器是用什么電氣控制的，這樣才能更好地了解用電器的工作過程。

3)了解主電路中的保護元件和電氣。

4)最后要看電源是380 V，還是220 V，以及供電設備等。

(2)分析控制電路。分析控制電路應注意如下內容。

1)看電源是交流電源還是直流電源，是從什么地方接來的，電壓等級是什么。一般從主電路的一根相線和中線接來的是單相220 V，從兩根相線接過來的是單相380 V。若是從控制變壓器上接來的，目前常用的電壓值有l27 V，36 V，6.3 V等：有時也采用直流電源。

2)看清楚控制電路的結構是由什么電氣元件組成，根據控制電路分析主電路的動作情況。

3)知道各電氣元件之問的相互聯系。電路中所有的電氣元件都不是孤立的，而是相互聯系的。在電路中有時是用甲電氣去控制乙電氣，再用乙電氣去控制丙電氣。所以要了解它們的相互聯系，知道動作的次序，才能清楚控制電路的控制作用。

最后還要看看是否還有其他電路，如機床照明電路等。

三、接觸器自鎖控制線路

在點動控制線路中，電動機運行時操作人員的手必須始終按下按鈕，否則電動機就要停轉。若要求電動機長時間連續運轉，是不適宜的。可采用如圖5—9所示的接觸器自鎖控制線路。這種線路的主電路與如圖5—8所示的點動控制線路相同，不再重述。但在控制電路中增加一個常閉停止按鈕SB1，在常開啟動按鈕SB2的兩端，并聯了接觸器的一對常開輔助觸頭KM。

接觸器自鎖控制線路的工作原理如下：

1．準備

使用時先合上開關S。

2．啟動

按下SB2使其常開觸頭閉合線圈KM得電

電動機M啟動運行

當松開SB2，其常開觸頭恢復分斷后，因為接觸器的常開輔助觸頭KM仍然閉合，將SB2短接，控制電路仍保持接通狀態，所以接觸器線圈KM繼續得電，電動機能持續運轉。

這種松開啟動按鈕后，接觸器能夠自己保持得電的作用叫做自鎖，與啟動按鈕并聯的接觸器一、對常開輔助觸頭叫做自鎖觸頭。

3. 停止

按下SB1使其常閉觸頭立即分斷線圈KM失電

電動機M斷電停轉

當松開SB1；

其常閉觸頭恢復閉合后，因接觸器的自鎖觸頭KM在切斷控制電路時已經分斷，停止了自鎖，這時接觸器線圈KM不可能得電。要使電動機重新運行，必須進行重新啟動。

接觸器自鎖控制線路另一個重要特點是具有欠壓和失壓保護作用。當電源電壓低于額定電壓85％時，稱為欠壓，由于某種原因突然斷電，稱為失壓。在工作過程中，出現欠壓或失壓時，接觸器電磁鐵的吸力將減弱或消失，接觸器的觸頭將恢復常態，電動機停轉，同時機床的運動部件也停止運行：車削刀具被卡在工件上，若沒有自鎖保護時，一旦恢復正常供電，電動機自行啟動，將會造成設備損壞和人身傷害事故。

采用這種接觸器自鎖控制線路，由于自鎖觸頭與主觸頭在欠壓或失壓時同時斷開。即使供電恢復正常，控制電路也不能接通，電動機不會自行啟動。操作人員可以從容地將卡住的刀具退出，重新啟動機床。

四、接觸器聯鎖的正反轉控制線路

大多數生產機械的運動部件，往往要求正反兩個方向運動。如銑床主軸正轉和反轉，起重機的提升或下降，磨床砂輪架的起落等，都需要電動機正反轉來實現。要想改變異步電動機的轉向，必須將接在定子繞組三相電源的任意兩根相線對調。

如圖5—10所示是接觸器聯鎖的正反轉控制線路。使用了兩個接觸器KM1、KM2，分別控制電動機的正轉和反轉。從主電路可以看出，兩個接觸器主觸頭所接通的電源相序不同，KM1按L1—L2一L3接線；

KM2按L3一L2一L1接線，所以能改變電動機的轉向。相應地有兩個控制電路，由按鈕SB2和線圈KM1等組成正轉控制電路；

由按鈕SB3和線圈KM2組成反轉控制電路。

該控制線路的工作原理如下：

1．準備

使用時先合上開關S。

2．正轉控制

按下SB2線圈KM1得電

3. 停車

按SB1

4. 反轉控制

按SB3線圈KM2得電

從上面分析可以看到，當正轉控制電器工作時，反轉控制電路中串接的常閉輔助觸頭KM1是分斷的，使接觸器KM2不能得電，電動機不能反轉。同樣，在反轉控制電路工作時，正轉控制電路中串接的常閉輔助觸頭KM2，是分斷的，使接觸器KM1不能得電，電動機也不能正轉。就是說，正轉控制電路與反轉控制電路不能同時得電，主觸頭KM1和KM2不能同時閉合，否則將造成電源兩相短路事故。盡有接觸器KM1失電復位后，接觸器KM2才能得電；

同樣，只有接觸器KM2失電復位后，接觸器KM1才能得電。這種相互制約的作用稱為聯鎖(或互鎖)，所有的常閉輔助觸頭稱為聯鎖觸頭(或互鎖觸頭)。由于聯鎖雙方是接觸器，所以把這種控制方式叫做接觸器聯鎖。

該控制線路還采用熱繼電器作過載保護，其熱元件FR串聯在主電路電。當主電路電流超過額定值時：熱元件FR發熱使雙金屬片彎曲，將扣板脫扣，把控制電路中熱繼電器常閉觸頭FR分斷，控制電路失電，線圈KM1或KM2失電，主觸頭分斷，電動機停轉，這樣就起到了過載保護作用。若重新啟動，應按下熱繼電器復位鍵，使常閉觸頭FR復位；

以保證控制電路的接通。

如圖5一10所示控制線路不足之處是改變電動機的轉向時，必須先停車，再啟動，對操作者不夠方便。

為了解決這個問題，可增設按鈕聯鎖。如圖5—11所示為雙重聯鎖的正反轉控制線路。它采用復合按鈕，將正轉啟動按鈕SB2的常閉觸頭串接在反轉控制電路中，同樣將反轉控制電路中的啟動按鈕SB3的常閉觸頭串接在正轉控制電路中。圖中虛線相連的為同一按鈕的另外一對觸頭。這樣便可以保證正、反轉兩條控制電路不會同時被接通。

如圖5一11所示。在按下SB2時，其常閉觸頭先行分斷，斷開反轉控制電路，使接觸器KM2失電釋放，電動機停轉。與此同時SB2常開觸頭閉合，接通正轉控制電路，使接觸器KM1得電動作，電動機正轉。同樣，按SB3時，先行斷開正轉控制電路，使電動機停轉，與此同時，接通反轉控制電路，使電動機反轉。這種線路兼有接觸器聯鎖和按鈕聯鎖的優點，操作方便，安全可靠且反轉迅速，因此，應用廣泛。

五、C620—1型車床控制線路

如圖5—12所示是C620一1型車床控制線路。動力電路由電源開關S1、主軸電動機電路和冷卻液泵電動機電路組成。控制電路由主軸電動機控制電路、冷卻液泵電動機控制電路、照明電路等部分組成。

動力電路有兩臺三相異步電動機，M1是車床主軸電動機，M2是冷卻液泵電動機，由接觸器KM控制，它們都接在主觸頭KM的一側。冷卻液開關S2，通常放在常開的位置。M1與M2分別接有熱繼電器FR1和FR2，經過熔斷器FUZ接至開關S1。

車床主軸控制電路由三相電源L1和L2相供電。由串聯的熱繼電器FR1和FR2的常閉觸頭，與接觸器線圈KM相聯，再接啟動按鈕SB2及并聯的自鎖觸頭KM、停止按鈕SB1。

冷卻液泵電動機由負荷開關S2控制。

機床照明電路中，EL是車床照明燈，S3是照明燈開關，TR是380 V/36 V變壓器，照明燈由變壓器副邊供給36 V安全電壓。

該線路的衛作原理如下：

1．準備

工作時先合上開關S1。

2．啟動

按下SB2線圈KM得電

3．停止

按下SB1線圈KM失電

4．照明

由S3控制EL燈的工作。

電路中各保護作用部分不再重述，請自己分析。

工作結束時，應依次拉開S2，S3，S1等開關。

習  題

1. 繼電接觸器控制技術是使用極為廣泛的__________、__________的技術。

2．低壓電器一般指工作電壓低于__________的電器。

3．機床常用低壓電器在機床控制電路中主要起____________________等作用。

4．使用刀開關時，嚴禁在__________的情況下接通或斷開有負載電路。操作刀開關時要__________，不能動作遲緩，猶豫不決。動作越慢，越容易__________，越影響開關使用壽命，越容易出危險。

5．按鈕一般通過__________固定在操作面板上，使用時注意一旦松動，要及時加固，防止按鈕被按入面板內，導致__________。

6．接觸器主觸頭受__________影響，使用壽命較短，應定期檢查監視觸頭使用情況。

7．接觸器主觸頭出現問題，可能導致__________、__________和__________等問題。

8．禁止接觸器在__________情況下控制負載工作。

9．正常工作的接觸器有輕微的振動聲，一旦__________，應及時通知專業人員。

10．電動機在運行過程中，由于長期負荷過大、頻繁啟動、缺相運行等原因，都可能使電動機定子繞組的電流超過額定值，這種現象叫做__________。

11．熱繼電器是用于保護____________________的，熔斷器用于保護__________。

12．什么生產機械常采用點動控制線路?這種控制線路的特點是什么?

13．結合圖5—9簡述自鎖作用。

14．三相異步電動機正、反轉控制線路是根據__________原理設計的?

15．結合圖5—10，說明聯鎖的使用目盼。

16．結合圖5—11，說明雙重聯鎖好處。

17. 畫圖說明自鎖觸頭和互鎖觸頭在控制線路中各是怎樣連接的?

18．敘述C620一1型車床控制線路的啟動、停止工作過程。

第六章 安全用電

本章學習要點：

1．明確可能發生觸電的情況、觸電可能的危害。

2．熟悉安全用電措施，熟悉接地保護措施。

3．能夠準確描述觸電急救的方法、電火警的應急處理方法。熟悉對所用設備的聽、看、聞、摸的要領。熟悉防雷擊的要點。

安全問題無小事。安全用電是用電環境中永恒的話題，永遠的任務。掌握必要的安全用電知識，可以使自己避免觸電的危險，關鍵時還可以幫助別人，保護財產。

§6—1 觸 電

一、觸電事故

機床是將電能轉換為機械能的生產設備。機床配電線路與機床緊密相連，裝配時電氣應具有良好的絕緣設置，但長期工作的絕緣材料容易發生老化或破損，造成漏電。人體不慎接觸或接近帶電體會發生觸電。

人體接觸或接近帶電體，而引起局部受傷或死亡的現象稱為觸電。

按人體受傷害的程度，觸電可分為電傷和電擊兩種。電傷是

指人體外部受傷，如電弧灼傷，與帶電體接觸后的皮膚紅腫，大電流下熔化金屬飛濺燒傷皮膚等。電擊則是指人體內部器官受損傷的現象。電擊是電流流過人體而引起的，人體常因電擊而死亡，所以它是最危險的觸電事故。電擊傷人的程度，與流過人體電流的頻率、大小、途徑、持續時間長短以及觸電者本身的情況有關。實踐證明，頻率為25～300 Hz的電流最危險，隨著頻率的增加，危險勝減小。人體通過1 mA的工頻電流，就有麻木的感覺，電流大于50 mA，就會有生命危險，100 mA的工頻電流則足以致人死亡。電流通過心臟和大腦易發生死亡事故，所以頭部觸電或左手到右腳觸電最危險。另外，人體通電時間越長，危險性越大。

通過人體的電流大小與觸及的電壓、人體的電阻有關。人體電阻與觸電部位皮膚表面的干濕情況，接觸面積的大小及身體素質有關。人體電阻各不相同，通常人體電阻約800歐至幾萬歐。若人體電阻為1 k，觸及50 V工頻電源，流過人體電流為50 mA，就有生命危險。所以國家規定安全電壓額定值等級為42 V，36 V，24 V，12 V，6 V。但必須注意，42 V或36 V并非絕對安全，在充滿導電粉末、相對濕度較高或酸堿蒸氣濃度大等情況下，可能發生觸及36V電壓而死亡的事故。在上述情況下，必須使用24V或更低等級的電壓。

除上述兩種觸電情況外，還有高壓電弧觸電和跨步電壓觸電。高壓電弧觸電是人體接近高壓帶電體時，由于兩者電位差很大而引起電弧，使人觸電傷亡。

當高壓線破斷落地時，以高壓線為中心在其周圍形成一個強電場，如圖6一1所示。當人或牲畜走入斷線點8 m以內的電場時，由于前后腳之間有較高的電壓引起觸電，這種觸電稱為跨步觸電。

二、觸電原因及方式

常見的觸電原因有三個方面：一是缺乏電氣知識，如用潮濕的手去開關電燈。接觸電氣，或者發現有人觸電時，不去迅速拉斷電源，直接去拉觸電者而造成觸電；

二是違章操作，明知不準帶電操作，而冒險進行，結果觸電受傷或死亡；

三是輸電線或電氣設備的絕緣老化或破損，造成漏電，人體觸碰時造成觸電事故。觸電方式有兩種，一是人體直接與正常帶電體接觸。如圖6—2a所示，在三相四線制配電中，人的手觸及一根相線時稱為單相觸電。這時人體處在相電壓下，電流從人手經過全身，由腳經地回到電源中線，這是十分危險的。如果腳與地面橡膠絕緣，則回路電阻增加，電流減小，危險性會大大減小。若身體出汗或赤腳著地，回路電阻減小，危險性增加。

在三相三線制的配電線路中，沒有中線，但輸電線與大地之間存在電容，交流電也能形成通路。二只手觸及任一相線時，能形成單相觸電，如圖6—2所示。

在三相電路中若人體與兩根相線接觸，如圖6一3所示為兩

相觸電。此時，人體在線電壓作用下，危險性變大。

另一種觸電方式是與正常工作的不應帶電的金屬部分接觸而觸電。例如，電動機金屬外殼。由于定子繞組絕緣損壞，漏電繞組與外殼相碰，人體觸及電機金屬外殼時，會使人體觸電，如圖6—4所示。

§6—2 安全用電措施

一、常用安全用電措施

安全用電的基本原則是不接觸低壓帶電體，不靠近高壓帶電體。常用的安全用電措施如下：

1．火線必須進開關

在開關處于分斷狀態時，用電器就不帶電，有利于維修和避免觸電。

2．合理選擇照明電壓

一般工廠和家庭照明選用220 V電壓供電。機床照明決不允許選用220 V電壓供電：而應選36 V以下電壓供電。

3．合理選擇導線和熔絲

導線通過電流時，不允許過熱，所以導線的額定電流應比實際電流大些。而熔絲在電路中起保護作用，要求電路短路時熔絲能迅速熔斷，應選比額定電流稍大的熔絲來保護較大電流的電路。

4．電氣設備應有一定的絕緣電阻

電氣設備金屬外殼與通電線圈之間必須有一定的絕緣電阻，否則當人體觸及正在工作的電氣設備。(如電動機、電風扇)的金屬外殼時，就會觸電。通常要求固定電氣設備的絕緣電阻不應低于1 M，可移動的電氣設備絕緣電阻應大于1 M。

5．電氣設備的安裝要正確

電氣設備應根據安裝說明書進行安裝。帶電部分應加防護罩，高壓帶電體更應注意有效防護，使一般人無法靠近高壓帶電體。必要時應加聯鎖裝置以防觸電。

6．采用各種保護用具

如絕緣手套、絕緣鞋、絕緣鉗、棒、墊等，以保證工作人員安全操作。在家庭中可使用干燥的木質桌凳、玻璃、橡皮等做保護用具，保證人身安全。

7．正確使用移動電具

使用手電鉆等移動電具必須戴絕緣手套，調換鉆頭時應切斷電源。

8．嚴禁違章冒險

一般不允許帶電操作，緊急情況急需處理帶電電氣時要用右手，將左手放在口袋中，以減少電傷害程度。

9．正確使用、遵守安全標志要求

現在企業用電比較規范，重要場合都有明顯的標志，要養成正確使用、遵守安全標志要求的習慣。安全標志有如下幾個種類：

禁止類：禁止合閘，有人工作；

禁止攀登，高壓危險；

禁止合閘，線路有人工作；

允許類：在此工作；

提示類：由此向下；

警告類：止步，高壓危險。

二、電氣設備的保護接地和保護接零

在正常情況下電氣設備的金屬外殼是不帶電的。但在絕緣損壞時外殼就會帶電。為保證人體觸及漏電設備金屬外殼不會觸電，通常都采用保護接地或保護接零的安全措施。

1．保護接地

把電動機、變壓器、鐵殼開關等不帶電的金屬外殼或構架與大地做可靠的連接，稱作保護接地。通常采用深埋在地下的角鐵、鋼管作為接地體。接地電阻不得大于4。

保護接地適甩于1 000 V以上的電氣設備以及電源中線不直接接地的1 000 V以下的電氣設備。如圖6—5所示，電動機采用了保護接地。這樣即使人體觸及漏電的電氣設備的金屬外殼也不會觸電；

因人體電阻比接地體電阻大得多，兩者并聯，則漏電電流幾乎全部經接地電阻流人大地，從而保證了人身安全。

所有涉及人身安全的設備，都應采取可靠的接地保護。

2．保護接零

將電氣設備在正常情況下，不應帶電的金屬外殼或構架與供電系統中的零線連接，叫做保護接零，如圖6—6所示。

保護接零適用于三相四線制中線接地系統中的電氣設備。接零后若電氣設備的某相因破損而漏電時，叫做該相短路。短路電流立即將熔斷絲燒斷或采取其他保護電器動作，切斷電源以避免觸電危險。

如圖6—7所示是單相用電器(如電風扇、洗衣機)使用的三腳插頭和三孔插座。插頭的正確接法是把用電器會屬外殼用導線接在插頭的2號插腳上。單相用電器保護接零時，必須注意把用電器的金屬外殼用導線直接與保護零線相連，而絕不允許將金屬外殼直接與用電器零線相連，如圖6—8所示。如圖6—8b所示是單相用電器保護接零的錯誤接法，這種接法一旦零線熔絲熔斷，用電器的金屬外殼就帶電，將會造成人體觸電。

三、安全用電十不準

1．不準帶電移動電氣設備。

2．不準赤腳站在地面上帶電作業。

3．不準掛鉤接線。

4．不準使用三危線路。三危線路是指對地距離不符合要求的“攔腰線、地爬線、碰頭線”。

5．所有進行電氣操作及值班工作人員不準喝酒。

6．不準帶負荷拉刀閘。停電時先拉分開關再拉總開關，送電時則順序相反。

7．對電氣知識一知半解者，要嚴加管理，不準玩弄電氣設備或亂拉亂接線。

8．照明不準一線一地制。

9．不準約時停、送電。

10．不準私設電網。未經公安及主管部門批準，任何單位和個人私設電網都是違法行為。

§6—3 電氣事故及緊急處理

一、觸電急救

1．觸電解救

凡遇到觸電者，救護人員要采取最快的辦法使觸電者迅速脫離電源。如果距離電源開關或插座較近，當立即切斷電源或者用干燥的竹竿或木棒打掉帶電體使觸電者脫離電源；

救護者也可用絕緣鉗或戴絕緣手套、穿絕緣鞋，將觸電者拉離電源。千萬不能赤手去拉觸電者!

2．緊急救護

在觸電者脫離電源后，應立即進行現場緊急救護并及時報告醫院。當觸電者還未失去知覺時，應將他抬到空氣流通的地方休息，不能讓他亂走亂動。當觸電者出現心臟停搏、無呼吸等假死現象時，應在現場采用人工呼吸或胸外擠壓法進行搶救。決不能給休克者注射強心針劑。

人工呼吸法適用于有心跳但無呼吸的觸電者，如圖6—9所示。

首先將觸電者仰臥在平地上，鼻孔朝天頸后仰。然后清理口鼻腔的阻塞物使其通暢，解扣松衣使觸電者身體放松。做人工呼吸時，要捏住觸電者鼻子，貼嘴吹氣；

松開鼻子讓廢氣從鼻、口排出。每隔3～5 S重復一次。

胸外擠壓法適用于有呼吸但無心跳的觸電者。具體操作方淮如圖6—10所示。觸電者仰臥在平地上，松扣解衣，救護者把一只手的中指對準凹膛，手掌平鋪前胸，然后掌根用力下按，迫使心臟血液流出心房。突然松手，讓血液流回心房。每隔1 S重復一次。

當觸電者既無呼吸又無心跳時，可同時采用人工呼吸法和胸外擠壓法進行急救。

二、對電氣設備做好監護

機床的電氣控制線路或電器在運行過程中。往往會產生一些故障，如電動機不能啟動或停車，甚至發生電動機燒毀等事故。事故發生之前通常都有異常現象。如果操作人員能及時覺察并采取措施，就可以避免事故發生，做到安全生產。

做好運行中的監護工作，首先必須熟悉電動機或電氣的性能，才能分辨它們在運行中出現的癥狀是否異常。監護工作是通過操作人員的感官進行的，一般方法是聽、聞、看、摸。

1．聽

就是注意電動機和電氣的聲響是否正常。如電動機正常運行時發出均勻輕微聲，過載時出現“嗡嗡”聲，軸承損壞時出現“喀喀”聲；

交流接觸器正常動作時發出“叭噠”聲，出現故障時，聽不到聲音或出現抖動聲。

2．聞

就是注意電動機和電氣在運行中是否出現怪味。正常情況下是沒有怪味的，如聞到焦臭味，可能是電動機或電氣繞組的絕緣材料將要燒損。

3．看

就是觀察電動機和電氣運行中是否有冒煙或打火現象。若有這種現象可能是繞組正在燒損，或者接頭有松斷處。此外，還要觀察電動機運行中有無振動現象。

4．摸

就是觸摸電動機和電氣外殼溫度是否正常。如果過熱，可能是電動機或電氣繞組燒損前的征兆，應立即停車檢修。

注重運行中的監護工作，可及時發現異常現象，采取適當措施，找有關人員進行檢查和修理。這樣可以減少事故，特別是可以避免嚴重事故的發生。

三、電火警的緊急處理

發生電火警時，最重要的是立即切斷電源，然后救火，并及時報警。

沒有確切知道電源是否被切斷時，決不能用水或普通滅火器滅火，因為萬一電源未被切斷，就會造成觸電。可選用四氯化碳滅火器、砂土等滅火。也可用二氧化碳滅火器滅火，但使用時應注意，不要噴射到人的皮膚或臉上，以防凍傷和使人窒息。

救火時不要隨便扯動電線或觸及電氣設備。搶運物品時，要留心地上的電線。

四、防雷擊的安全措施

通常在高大建筑物或在雷區的每個建筑物的頂部，安裝避雷針來預防雷擊。對于使用室外電視機或收錄機天線的用戶，應裝避雷器或防雷用轉換開關。在正常天氣時將天線接人室內，在雷雨前將天線轉接到接地體上；

以防由天線引人雷擊。

在雷雨天氣人們盡量少外出走動，更不要在大樹下避雨，不應站在高處，而應蹲在低處且兩腳并攏。

習  題

1．人體接觸或接近帶電體，而弓l起局部受傷或死亡的現象稱為__________。

2．按人體受傷害的程度，觸電可分為__________和__________兩種。

3．高壓電弧觸電是指______________________________。

4．跨步電壓觸電是指______________________________。

5．發生電火警時，最重要的是立即__________，然后__________，并及時__________。

6．對電氣設備做好監護的四字要訣是__________。

7．觸電解救是指______________________________，觸電急救是指______________________________。觸電急救一般有__________和__________兩種辦法。

8．受電擊者在__________情況下，使用人工呼吸法施救；

在__________情況下，使用胸外擠壓法施救，在__________情況下，使用兩種方法施救。

9．請寫出五種以上安全用電措施。

10．畫圖說明保護接地和保護接零兩種保護措施的接線方法。

11．列出五種以上用電禁忌。

《電工基礎知識》

建議課時安排

主要內容教學重點課時

第一章 直流電路

1—1 電學的基本物理量

1—2 電路

1一3 歐姆定律

1一4 電阻的串聯、并聯電路

1—5 電工測量基本知識

電量基本概念

萬用表的使用

歐姆定律及應用

電阻器的串、并聯形式及應用思想

第二章 電磁的基本知識

2一1 磁的基本知識

2—2 電流的磁場

2—3 電磁感應

2—4 自感、互感

各種電磁現象

定性掌握磁場對電流的作用

定性掌握電磁感應現象自感互感現象

第三章  正弦交流電路

3—1 正弦交流電的產生

3—2 正弦交流電的三要素

3—3 正弦交流電的表示法

3—4 單相交流電路

3—5 三相交流電路

3—6 常用電氣照明電路

正弦交流電的概念及參數

R，L，C三種電路的應用特點

三相電路的連接形式

照明燈具特點及驗電筆使用

第四章 變壓器與三相異步電動機

4一1 變壓器的基本結構和工作原理

4—2 三相異步電動機的用途和結構

4—3 三相異步電動機的轉動原理

4—4 三相異步電動機的使用

4—5 單相異步電動機

變壓器安全使用知識

三相異步電動機結構、運轉機理及使用要點

第五章 簡單機床電路

5—1 常用低壓電器

5—2 機床的幾種控制線路

低壓電器的外形用途、可能的問題

第六章 安全用電

6一1 觸電

6—2 安全用電措施

篇13

三相異步電動機主要調速類型有調壓調速、電磁轉差離合器調速系統、繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻調速、繞線轉子異步電動機串級調速、變極對數調速、變頻調速等數種方法。其核心技術是變頻調速，即把直流電逆變成不同頻率的交流電，或者把交流電變成直流電再逆變成不同頻率的交流電。電動機交流變頻調速技術是當今節點、改變工藝流程以提高產品質量和改善環境、推進技術進步的一種主要手段。變頻調速技術以其優異的調速性能和起制動性能、高效率、高功率因數、優異的節電效果、廣泛的適用范圍及其它許多優點而被國內外公認為最理想的調速方式[1]。

在化工企業水煤漿氣化裝置中的高壓料漿泵作為系統核心設備，工藝中不但要求其轉速控制精密高，同時又要保證其穩定性，為此對高壓料漿泵進行變頻調速控制，本文變頻調速器使用ABB公司ACS800變頻器。

1 變頻器的基本組成和各部分作用

1.1 變頻器基本組成

交—直—交型變頻器的主電路框圖如圖1，主電路主要包括整流器、中間環節、逆變器三部分[2]。

1.2 各部分作用

1.2.1 整流器

整流器的作用是通過電力開關器件將電網供給的三相交流電整流成直流電。

1.2.2 中間環節

經過整流器整流后的直流電壓或直流電流含有頻率為電源頻率6倍的波紋，如果未經處理直接供給逆變器，則逆變后的交流電壓或電流波紋會很大，會給電機造成很大的傷害，因此必須對整流后的輸出進行濾波，以減少電壓或者電流的波動。同時由于電機處于電動或者發電制動狀態，其功率引述不可能為0，在中間環節和發電機之間始終存在無功功率的交換，這種無功能量需要中間環節的儲能元件來（電容器和電抗器）來緩沖，所以中間環節的主要作用是濾波和能耗制動。

1.2.3 逆變器

逆變器的作用是通過電力開關器件把直流電壓或者電流逆變成三相交流電，通過有規律的控制逆變器中主開關器件的通和斷，可以得到任意頻率三相交流電壓和電源。

1.2.4 控制電路

控制電路常由計算電路、檢測電路、控制信號的輸入和輸出電路和驅動電路等構成，其主要作用是完成對逆變器開關的控制，對整流器的電壓控制及完成電路的各種保護功能等，控制方法可以采用模擬控制和數字控制等。現在普遍使用的高性能變頻器已經采用微型計算機全數字控制，這樣可以在盡可能簡單的硬件電路基礎上，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數字控制常可以完成模擬控制難以完成的功能。

2 變頻調速系統方案設計

2.1 系統結構

高壓料漿泵控制原理圖如圖2所示。

系統主要由ABB變頻器、交流電源控制元器件及控制回路組成。其中，電源控制元器件包含電源空開和交流接觸器，由其控制變頻器的通斷電源，小學語文負責向變頻器提供電源。變頻器為高壓料漿泵實現變頻控制的基礎，由其實現對電機的變頻控制。控制回路主要實現對主電源的接觸器的控制、變頻器的控制及各種運行指示等功能。

2.2 變頻器的控制原理及系統工作過程

本次實際的控制方式采用操作室及現場分地控制，變頻器自身配置的液晶面板僅僅提供查閱、設置相關參數之用，同時高壓料漿泵運行信號、電流、頻率等信號引入DCS，使操作人員直觀的查閱到精確的電機轉速，從而計算料漿的流量。

本系統完成的是對一臺設備的拖動和保護作用，系統主要考慮工藝生產要求未引入工頻控制，僅僅運行于變頻控制狀態下。系統運行過程如下，由現場控制交流接觸器的通斷，為變頻器主回路送電；合上轉換開關SK后，變頻器啟動；最后通過控制在操作室內的按鈕SB1和SB2即可控制變頻器的轉速。

2.3 變頻器應用中的干擾及其抑制

變頻器就是將50Hz的工頻電通過整流和逆變轉換為頻率可調方向的交流電源。變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，這些都是由非線性元件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產生高次諧波[3]。

為防止諧波干擾，可采用硬件和軟件的抗干擾（下轉第20頁）（上接第8頁）措施。其中，硬件抗干擾是最基本和最重要的抗干擾措施，一般從抗和防兩方面入手來抑制干擾，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。

具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。本次采用在變頻調速系統中加裝電抗器抑制諧波的方法（如圖3所示）。

同時，由于高壓料漿泵為往復式工作原理，因此導致其負載變化非常大，從而引起電機電流和變頻器直流母線變化波動也很大，嚴重的時候引起變頻器保護跳車，從而引起氣化水煤漿制氨裝置生產線停車，產生的影響和損失都比較大，因此，在變頻器直流母線上串接制動單元和制動電阻，抑制其直流母線電壓波動，保證生產系統的穩定。

3 系統特點

根據長時間的運行測試，并根據現場的數據比較，可以發現變頻器調速具有如下優點：

1）高壓料漿泵啟動時，電流上升平穩，不會產生沖擊電流，具有很好的軟啟動性能。

2）高壓料漿泵的轉速實時在線可調，可以根據生產料漿的要求，動態的調整頻率。

3）變頻器可以提高功率因數，在測試時電機的功率因數可以達到0.98，避免了增加無功補償，節約了一定的投資。

4）變頻器控制系統完善，一方面可以操作人員在操作室即可以調整變頻器頻率值，另一方面把轉速轉換成4～20mA信號，對應頻率0Hz～50Hz，轉速0～980r/min，可以在DCS上面隨時可以觀察到變頻器運行狀態和轉速。

5）由于工藝要求高，引入工藝連鎖跳車信號，接入ABB變頻器DI5與+24V端子，閉合狀態為正常開車狀態，斷開為工藝跳車，變頻器停止運轉，同時顯示為EXTERNAL FAULT（外部故障報警），這樣就可以迅速的判斷故障原因。

6）高壓料漿泵為37kW，對應最高轉速為980轉，工藝生產正常大概需要在680轉，因此在運行過程中具有節能效果，減少生產成本。

4 結束語

本化工高壓料漿泵變頻系統效果顯著。通過后期運行觀察，裝置的穩定性大大提高了，并且減少了設備的故障率和各種檢修的費用，而且工藝人員的操作更加方便。考慮到當前的資源形式，變頻器必將對節能減排、可持續發展帶來更深遠的影響。

【參考文獻】