工業(yè)電器及自動化(電工基礎(chǔ))

1、12緒 論 高等職業(yè)教育作為高等教育的一支生力軍在整個國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越大的重要作用。社會越來越需要既懂得一定專業(yè)知識,又具有高新技術(shù)；手腦并用、學(xué)以致遠(yuǎn)的新型人才。3 現(xiàn)代化進(jìn)程使行業(yè)間沒有了清晰的分水嶺，使各專業(yè)技術(shù)人員之間的界限越來越模糊。所以工藝人員與相關(guān)的其他工種工作人員之間要有一定的知識重疊區(qū)，作為現(xiàn)代工藝人員除了具備工藝專業(yè)的知識和能力外，還應(yīng)具有工業(yè)電器的使用和工程識圖的能力；操作自控儀器、儀表的能力；自動控制系統(tǒng)開、停車能力；判斷、分析及初步處理系統(tǒng)故障的能力；與自控人員合作及實(shí)施技改的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握過程生產(chǎn)中常用的電器特性和使用特點(diǎn)及過程控制的基本知識和基

2、本技能；了解過程控制工具的特性、工作原理和正確的使用方法。 4生產(chǎn)過程自動控制 在生產(chǎn)機(jī)器或設(shè)備上配備一些自動控制裝置，模仿、代替操作人員的部分直接勞動，使生產(chǎn)在不同程度上自動地進(jìn)行，即用自動控制裝置來操作及管理生產(chǎn)過程的辦法，稱為生產(chǎn)過程的自動控制，簡稱過程自動化。 5自動控制系統(tǒng)的組成1.自動檢測系統(tǒng) 用各種檢測儀表自動對相應(yīng)的工藝變量進(jìn)行檢測。 2.自動控制系統(tǒng) 用自動控制裝置對生產(chǎn)過程中的某些重要變量 進(jìn)行控制。 3.過程自動報(bào)警與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng) 當(dāng)變量接近臨界數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出聲、光報(bào)警提醒操作人員注意，若在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)，不能解除故障，則系統(tǒng)自動停車。4.過程的自動操縱系統(tǒng) 按預(yù)先規(guī)定

3、的步驟，自動地對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行周期性操作的系統(tǒng)。 6 工業(yè)電器基礎(chǔ)篇7跨世紀(jì)工程三峽 三峽水電站是目前世界上最大的水電站，共安裝26臺70萬千瓦的大型水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1820萬千瓦，從明年開始到2009年，26臺機(jī)組陸續(xù)發(fā)電，電站多年平均發(fā)電量為847億千瓦時(shí)。按照三峽工程建設(shè)計(jì)劃，2003年三峽電站首批機(jī)組發(fā)電、2009年機(jī)組全部投產(chǎn)。8 左岸1號機(jī)組水輪電機(jī)軸9 水輪機(jī)上冠外徑 9315毫米，下環(huán)外徑10600毫米，重達(dá)425噸。1011直徑24米、重七百多噸的定子吊裝成功12 電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，又是資金密集型、技術(shù)密集型和網(wǎng)絡(luò)性行業(yè),目前正醞釀著第十次變革。在電力發(fā)

4、展上先后提出“電力是先行工業(yè)”，“電力是先行官”，“能源工業(yè)的發(fā)展要以電力為中心”和“電力工業(yè)要適應(yīng)超前發(fā)展”等指導(dǎo)方針。 到2001年底，中國發(fā)電設(shè)備總?cè)萘恳堰_(dá)到3.38億千瓦，年發(fā)電量達(dá)到14780億千瓦時(shí)，在世界上僅次于美國，居第二位。 1314第一章15電工基礎(chǔ) 第一節(jié) 直流電路 復(fù)習(xí)：電流、電壓、電位、電動勢、 電功 率等基本物理量并引入?yún)⒖挤较颉?6實(shí)踐教學(xué)強(qiáng)化動手能力 17一、電路的組成及物理量 電路是電流通過的路徑。電路都是由電源、負(fù)載、連接導(dǎo)線和控制保護(hù)設(shè)備組成。對于一個完整的電路，把電源內(nèi)部稱為內(nèi)電路。其余稱為外電路。18核電站秦山三期工程 19電路和組成部分 電路：構(gòu)成電

5、流通路的一切設(shè)備的總和。廣義電路：含電磁信號所經(jīng)過的路徑。具體電路：一根導(dǎo)線、一個電阻、一個開關(guān)均可視為電路。IUSE20內(nèi)電路電動勢導(dǎo)線開關(guān)負(fù)載21小功率發(fā)電機(jī)小功率發(fā)電機(jī)22內(nèi)電路:在電源的內(nèi)部外電路:在電動勢的外部 UISE外電路內(nèi)電路23電器、儀表實(shí)驗(yàn)柜24電器元件符號 名稱符號名稱符號電 池電 感直流電機(jī)電 容電壓源熔斷器電流源電壓表電 阻電流表GVA251 .電流、電荷有規(guī)律的定向運(yùn)動 以正電荷的移動方向?yàn)檎较?單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面積的電量定義為電流強(qiáng)度，簡稱電流，用符號I或i表示。0104+ +-電流方向26 2. 電 壓恒量電場力作功能力的物理量。 Uab= Wab/q

6、方向： 電壓（位）降為正方向+Uabab+ + + + +- - - - -273.電 位電路中任一點(diǎn)相對于參考點(diǎn)的電壓 Uc=2V Ua=6V Ub=1V Ud=RI+E5VdRI2V3Vacb4V28 電動勢 電動勢：衡量外力克服電場力把單位電荷從負(fù)極移到正極所作功能力大小的物理量。單位：V qWEbaEUs-+ba+- - - - - -+負(fù)載01-1-429 參考方向 當(dāng)電路分析時(shí)：電路的實(shí)際電流、電壓方向很難判別時(shí)，便引入“參考方向”。 （1）當(dāng)實(shí)際方向與參考方向一致， 為正；當(dāng)實(shí)際方向與參考方向相反,為負(fù)。 （2）交流電路中電流方向作周期性的變化，所以電流方向并沒有意義；但為了分析

7、過程的方便、明確，也設(shè)置“參考方向”。 30與參考方向一致的為 “ + + ”與參考方向相反的為“”+-+ +參考方向314. 電 阻 電流通過導(dǎo)體時(shí),其原子結(jié)構(gòu)的禁帶能級高低決定了阻礙作用的大小 。單位：歐姆 符號 均勻?qū)w、在一定溫度下的電阻 l：m ， S：m2 ：mSlR32 碳膜電阻金屬膜電阻33大功率線繞電阻 34電 導(dǎo) 電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，它也是反映導(dǎo)體導(dǎo)電能力的物理量，電導(dǎo)一般用字母G表示： 在SI制中，電導(dǎo)的單位為S（西門子）,簡稱為西。 RG1355. 功 率 電流流過電路時(shí)，不斷發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換。將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，或?qū)⑵渌问降哪苻D(zhuǎn)換為電能，向電路供出能量。為了表

8、征電路中某一段吸收或產(chǎn)生能量的速率，引入了電功率的概念。電功率用字母P表示。單位是W（瓦特）簡稱為瓦，也常用kW來表示，其換算關(guān)系為：1kW=103W。36二、歐姆定律均勻電路： I=U/R ；U=RI伏安特性線：線性 R= tg=U/I R+-UIUI037電阻的串聯(lián)電路 兩個或兩個以上電阻首尾相接，中間無分支的電路。主要特點(diǎn)：同流分壓II1I2I3UU1U2U3321IIII321UUUU38電阻的并聯(lián)電路 兩個或兩個以上電阻，具有相同的接點(diǎn)。主要特點(diǎn)：同壓分流。II1I2I3UU1U2U3321IIII321UUUU39三.基爾霍夫定律 歐姆定律：用于簡單回路 基爾霍夫定律：節(jié)點(diǎn)電流定律

9、：回路電壓定律： 用于解復(fù)雜電路。40 歐姆定律；基爾霍夫定律 簡單電路：復(fù)雜電路： 單回路多回路 Iu1u2RRR3Rr41 1.支 路至少含有一個元件而無分支的電路。 A與B二個節(jié)點(diǎn)中有一個是假節(jié)點(diǎn)。EE R1R3R2R4R5422.節(jié)點(diǎn)（節(jié)上生支） 三條或三條以上支路的匯交點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)43原理：節(jié)點(diǎn)處電流連續(xù) 節(jié)點(diǎn)處：既不產(chǎn)生電荷也不湮滅電荷； 既不貯存電荷又不釋放電荷。 進(jìn)為“+”；出為“-”時(shí)：niI10+- - -44節(jié)點(diǎn)定律：電流的進(jìn)等于出；電流的代數(shù)和為零.代數(shù)和表示時(shí)：進(jìn)為正；出為負(fù)。 I45電壓回路定律：KVL 回路電壓的代數(shù)和為零： 電壓降為正；電壓升為負(fù)。 原理：電路中從任

10、一點(diǎn)出發(fā)，繞行一周 回到原點(diǎn)時(shí)電位不變。UiUAUA046 獨(dú)立方程數(shù) n 節(jié)點(diǎn)方程: (m-1)回路方程： n-(m-1)總 和： n個獨(dú)立方程n條支路,n個未知量,解得n個解。47圖 示UU+-I1I2I3R1R2R3480105復(fù)雜電路49列方程組由節(jié)點(diǎn)得： I1 + I2 I3 由回路得：13 I3 1 2I3I 3 解方程：采用代入法，消元法，并驗(yàn)算。50支路電流法小結(jié)復(fù)雜電路不能用歐姆定律來解。n條支路必須有n個方程組。掌握列方程式的方法：設(shè)定有序；排列有序。解題有方，驗(yàn)算有效。51實(shí)驗(yàn)圖示=6V+=2V+-4747474768032.6mA1.37mA31.2mA52第二節(jié) 電磁

11、特性 電和磁是物質(zhì)的運(yùn)動形式，兩者之間的聯(lián)系稱為電磁。有電荷運(yùn)動就有磁場存在。許多電氣設(shè)備都是通過電與磁的相互作用、相互轉(zhuǎn)化而工作的。例如電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、繼電器、電工儀表等。53條形磁鐵與馬蹄形磁鐵54各種磁鐵5556電動揚(yáng)聲器57一、電流的磁場一、電流的磁場 電生磁：電為因，磁為果，有電才有磁。I IBBBI II II IB58各種線圈59動電生磁 電生磁：電為因；磁為果,有電才有磁。I IBBBI II II IBr60多匝線圈61電磁感應(yīng) 1.導(dǎo)線；2.線圈導(dǎo)線 線圈 感生磁通NS+-v62二、描述磁場的物理量 電生磁：右手四指方向?qū)?zhǔn)電流方向，拇 指方向?yàn)榇艌龇较颉?電磁力：

12、F= IB 右手四指方向從電流轉(zhuǎn)向磁場方 向，拇指方向?yàn)殡姶帕Ψ较颉?電磁感應(yīng)：E= vB 文字?jǐn)⑹鋈缟希?v 轉(zhuǎn)向B ；拇指為電勢方向。631.磁通量磁通量反映某一面上磁力線的多少的量。 d=B cosdS=BndS 若是均勻磁場: =BS; 單位:Wb=Tm2 ds SSSndSBd642 .磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個描述磁場強(qiáng)弱的物理量。磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)值等于通過與磁場方向垂直的單位面積的磁力線數(shù)目，磁感應(yīng)強(qiáng)度用字母B表示，在均勻磁場中磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式如下： 單位：特斯拉 1T1Wb/m2 高斯：1G104 T SB 653. 磁導(dǎo)率 磁動勢：Em= N I 電流I與匝數(shù)N的乘積。 B

13、 B：磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中的介 質(zhì)有關(guān)。 鐵鈷鎳為強(qiáng)磁性物質(zhì)，B 銅鋁等為弱磁性物質(zhì)，B 導(dǎo)磁能力大小/（H/m） 。真空中的磁導(dǎo)率/410766 鐵心線圈67相對磁導(dǎo)率： r 某介質(zhì)與真空磁導(dǎo)率之比：r = / 0各種物質(zhì)的相對磁導(dǎo)率表名稱r名稱r鈷 174軟鋼2200鎳1120硅鋼片7500鑄鐵240620鎳鐵合金 13000C型坡莫合金115000錳鋅鐵氧體300500068磁場強(qiáng)度 H (A/m)定義:磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁導(dǎo)率的比值H=B/即: B= H= 0rH = NI/l以長直螺線管、環(huán)形螺線管為例： B0= 0NI/L ; B/B0=/0 B=rB ，H=NI/l 為常數(shù)，與介質(zhì)無關(guān)6

14、9電磁力：電和磁為因；力為果長直導(dǎo)線： 線框： 轉(zhuǎn)軸NSNS70三.磁 路磁性材料的分類軟磁材料剩磁小硬磁材料剩磁大矩磁材料剩磁強(qiáng) H B H B H B71 四.自感與互感1.純電感電路中電壓與電流的相位關(guān)系：設(shè)定電流：i=Im sint 則有：u= -eL = L d i /dt =LImdsint/dt =L Im sin （t+/2）Um=LIm ; Im=Um/L:U=LI ;XL=2f Lieu72正弦電流的交變磁通設(shè)電壓、電流與感應(yīng)電動勢同向： u= -e=Nd/dt =msint 時(shí)： Um=Nm=2fNm Ui= 4.44f N i m。uei73自感效應(yīng)+-ue iiL 由

15、于流過線圈本身的電流發(fā)生變化而引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象叫自感應(yīng)現(xiàn)象。 感生電流產(chǎn)生的磁通總是阻礙原磁通的變化。74互感效應(yīng)正向磁通反向磁通I I1 1I I2 2 兩個或兩個以上耦合線圈，感生電勢成正比。感生電勢與線圈的電流變化率成正比75交流鐵芯線圈的損耗1.銅損：PCu PCu=RI22.鐵損: PFe PFe=Ph+Pe 即:磁滯損失與渦流損失二項(xiàng)。交流鐵芯線圈的總損耗: P=PCu+PFe= PCu+ Ph + Pe 76 渦流是電磁感應(yīng)現(xiàn)象磁通變化時(shí)形成旋渦狀的電流。渦損與磁滯共稱為鐵損，避免方法： 加大阻抗， 層疊并互相 絕緣 77渦流的利用用于渦流進(jìn)加熱和冶煉金屬。電磁阻尼器。電度表。

16、利用渦流與趨膚效應(yīng)，高頻淬火，并控制加熱深度。78五.交流鐵芯線圈的等效電路圖:。ueiRXLXMUIURM79第三節(jié) 交流電路特性 0108t0u80 一、正弦交流電交流電：大小和方向隨時(shí)間作周期性變化 的電流、電壓和電動勢的總稱。正弦交流電：按正弦規(guī)律變化的交流電。 t00tue8182小功率發(fā)電機(jī)小功率發(fā)電機(jī)83小功率發(fā)電機(jī)小功率發(fā)電機(jī)84為什么廣泛使用交流電？發(fā)電容易：交流發(fā)電機(jī)效率高價(jià)格低。輸變電容易：可使用變壓器。用電方便：交流電機(jī)價(jià)格低、運(yùn)行可靠、 維修方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前使用直流電的地方很少： 如電解、電鍍和電動車。85正弦交流電動勢的產(chǎn)生 單根導(dǎo)條： el=lvB sin（

17、為速度v與磁感受應(yīng)強(qiáng)度B的夾角） 繞組電勢： e=nB2lrsin(t+)=Emsin(t+)SNSNSNBBBBvvvvn86交流電的周期：T /s定義：交流電循環(huán)一周所需時(shí)間。0tuTT287頻率f :1秒內(nèi)含有的周期數(shù)頻率： f /Hz 赫茨。換算: T=1/f ； f=1/T。工頻：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頻率，我國為50Hz。低頻：數(shù)Hz200k Hz。例音頻廣播中頻：200k HzM Hz， 835 k周。高頻：M Hz 以上。例子 105M Hz。通訊光纜：kM Hz以上。88正弦交流電：按正弦規(guī)律變化 瞬時(shí)值：i（t）= Im sin （t+）A Im為最大值：瞬時(shí)值中最大的絕對值。 交流電流

18、的概念：動態(tài)變化。 i（t）=limq/t=dq/dt。t0it0+-89交流電的基本特性三大要素：最大值 Um；Im；Em。 角頻率: = 2f=2/ T。 初相角： （- ，）函數(shù)解析式：i Imsin（ t+ ） A幾何曲線： 0tu90 正弦量旋轉(zhuǎn)矢量表示頻率矢量法：又稱旋轉(zhuǎn)矢量法。 轉(zhuǎn)速越快、角頻率越大。00t910110三相發(fā)電機(jī)原理圖92旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生三相交流電0308旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生交流電930111三相交流電波形圖940112三相交流電旋轉(zhuǎn)矢量圖95相量表示法相量：a = r cos b = r sin復(fù)數(shù)表達(dá)：三角函數(shù)式：B = r (cos +j sin)相量式： C = r

19、例：C = 10 450 0ReabImjr22barjba 96相位差 12= 1- 2同頻才有固定的相位差：是相對位置定義范圍：- + 正為導(dǎo)前；負(fù)為滯后。數(shù)軸上的幾何意義：左超前；右滯后。 0t左右u97同相與反相 =0 （同相）; =（反相、倒相）0 0ttu u98交流電的有效值（作功能力等效值）有效值是相當(dāng)于直流電作功能力的等效值。等效R Ru uiR RU+ +- -I99交流電有效值的圖示過程正弦交流電iImiImIm222mI100有效值的計(jì)算過程交流電路： 直流電路： P=Ri2 P=RI2 =R（Imsin t）2 =RIm2sin2 t = = 由此可得： I = Im

20、 22cos12tRIm22ImR22余弦在對稱區(qū)間內(nèi)作功為零101 I = Im = 0.707 Im U = Um = 0.707 Um E = Em = 0.707 Em 222222t0Umt0U有效值不是平均值正弦交流電在正負(fù)軸之間的平均值為零102二、單相正弦交流電路 電阻 電感 電容符號： R L C圖形： L CR1031.純電阻電路 在交流電路中電阻符合歐姆定律： 電阻在電路中無相位移,是有功功率，能量轉(zhuǎn)換是不可逆的,即電能轉(zhuǎn)換成熱能后不能通過電阻再逆轉(zhuǎn)換成電能。 電阻按結(jié)構(gòu)分為： 固定電阻；可調(diào)電阻；變電阻等。104電容元件（存儲電荷的容器）電容的充放電過程。容量：C =

21、Q/U；Q = C U 單位：F 法拉電容的種類固定電容：紙、陶、云、有機(jī)膜。極性電容：電解電容?？勺冸娙荩何⒄{(diào)電容：105鋁質(zhì)電解電容金屬箔式聚脂膜電容器 106平板電容:多片電容:平行導(dǎo)線:圓柱電容:dSC) 1(NdSC00lnralC12ln2rrlCSdn=5alr2107電容器的主要參數(shù)標(biāo)稱電容量:標(biāo)在電容器上的名義電容量。額定電壓:最高直流或交流電壓有效值。絕緣電阻:電容器上電壓與漏電流之比，其 數(shù)量級在千兆歐姆(kM)以上。介質(zhì)損耗:由于介質(zhì)絕緣不良引起的漏電 流以及交變電壓作用下介質(zhì)極 化產(chǎn)生的能量損耗.108電容的特性電容上的電荷變化，即電流。 ic= d q / d t

22、= C d u c /dt電容的能量： WC =ui dt=Cudu= CUc2/2 能量轉(zhuǎn)換 電源電場能ic電能109電感元件電感元件上伏安特性符合電磁感應(yīng)定律： e=Nd /dt自感：LN /I； N =LI自感電動勢： e L = Ld i/ d t u L= e L = Ld i/ d t 設(shè)：三者方向一致uieL110可調(diào)式中頻變壓器111 電感元件及電路符號 空心線圈 鐵芯線圈 符號符號實(shí)物實(shí)物112空心線圈113各種鐵心線圈114 電感線圈的電感量線圈的自感系數(shù): L=/i H(亨利 )=103mH= 106H線性電感:線圈繞制在非磁性材料上。真空中(空氣或非導(dǎo)磁物質(zhì))的磁導(dǎo)率:

23、 0= 410-7 H/m磁導(dǎo)率: =r 0 115交流電路中的電感元件eL=uL ，uL=eL= L diL/dt電感上的能量：QL= LiLdi= Li2/2交流電路中的電感： 電 源鐵心線圈磁能電能i116名稱 圖形 電感量 環(huán)形 L = N2S/l螺線管 l=2（ r1+r2） 長直 L= N 2S/l螺線管 d 0時(shí)：電路為感性電路； XLXC當(dāng) = 0時(shí): 電路為純電阻電路；XL = XC當(dāng) 0時(shí)：電路為容性電路； XL XC結(jié)論：感性電路是最為普遍的電路。功率計(jì)算：S = P = S cos ； Q = S sin QP22135 R-LC 電路實(shí)際電感是一個電阻和電感的串聯(lián)電路

24、。 并聯(lián)電路的特點(diǎn)： 同壓、分流。 I1=U/Z1 IC=U/XC i= i1+icRiiCui1136電流下降、功率因素上升矢量圖CIII1UCjIC)(/22CLRLCCtgtgPCUXUQ I1a IC I1r Ir I I1 137串聯(lián)電壓諧振電路及矢量圖 URUCULIRULLCuiUCUR138當(dāng)XL=XC則有：X= XL- XC = 0Z=R為最小值，I為最大值，I=U/Z=U/R。由UL=UC 得： UL =（XL/R）UR電路的品質(zhì)因素： Q= XL/R=XC/R=L/R=1/RC諧振頻率：0 L=1/0C ; 0=無功功率互補(bǔ)：QL= QC ；Q = QL- QC = 0L

25、C1139并聯(lián)諧振（電流諧振）電路圖 Ruii1iCi1iCuRi1r140并聯(lián)電容功率因素補(bǔ)償法電路圖： Ruii1iCi1iCuRi1r 1i141電路分析:分解后的合并I1分為：I1a=I1cos ， I1r =I1sin 1 = IC 0= 1/C=L；C = 1/2L 。品質(zhì)因素：Q=XL/R=L/R=XC /R=1/RC。特點(diǎn)：總電流最小，阻抗最大。 LCLRLC1122142三、三相交流電路內(nèi)容提要三相供電具有極大的優(yōu)越性三相電源及負(fù)載連接與分析計(jì)算143概 述三相交流電源: 同頻、同幅、相位錯開 1200正弦交流電動勢。優(yōu)點(diǎn)：發(fā)電、變電效率高、體積小、經(jīng)濟(jì)； 三相三（四）線制輸電省材料； 三相電機(jī)、電器性能良好、價(jià)格低廉。分析：每一相可視為單相交流電路；三相 則為復(fù)雜電路。1441.三相正弦交流電動勢三相交流電勢：同頻、等幅相位互錯1200 表示，波形圖如下。 NSU2U1V1V2W1W2te02uvw145 2 .三相對稱電源的連接三相六線制：已不用。三相四線制：低壓系