工业电器与自动化电工基础课件.pptx

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1、1绪绪 论论 高等职业教育作为高等教育的一支生力军在整个国民经济中发挥着越来越大的重要作用。社会越来越需要既懂得一定专业知识,又具有高新技术；手脑并用、学以致远的新型人才。第1页/共154页2 现代化进程使行业间没有了清晰的分水岭，使各专业技术人员之间的界限越来越模糊。所以工艺人员与相关的其他工种工作人员之间要有一定的知识重叠区，作为现代工艺人员除了具备工艺专业的知识和能力外，还应具有工业电器的使用和工程识图的能力；操作自控仪器、仪表的能力；自动控制系统开、停车能力；判断、分析及初步处理系统故障的能力；与自控人员合作及实施技改的能力。通过本课程的学习，掌握过程生产中常用的电器特性和使用特点及过

2、程控制的基本知识和基本技能；了解过程控制工具的特性、工作原理和正确的使用方法。第2页/共154页3生产过程自动控制生产过程自动控制 在生产机器或设备上配备一些自动控制装置，模仿、代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，即用自动控制装置来操作及管理生产过程的办法，称为生产过程的自动控制，简称过程自动化。第3页/共154页4自动控制系统的组成1.自动检测系统 用各种检测仪表自动对相应的工艺变量进行检测。2.自动控制系统 用自动控制装置对生产过程中的某些重要变量 进行控制。3.过程自动报警与联锁保护系统 当变量接近临界数值时，系统会发出声、光报警提醒操作人员注意，若在相应的时间内，

3、不能解除故障，则系统自动停车。4.过程的自动操纵系统 按预先规定的步骤，自动地对生产设备进行周期性操作的系统。第4页/共154页5 工业电器基础篇第5页/共154页6跨世纪工程跨世纪工程三峡三峡 三峡水电站是目前世界上最大的水电站，共安装26台70万千瓦的大型水轮发电机组，总装机容量1820万千瓦，从明年开始到2009年，26台机组陆续发电，电站多年平均发电量为847亿千瓦时。按照三峡工程建设计划，2003年三峡电站首批机组发电、2009年机组全部投产。第6页/共154页7 左岸1号机组水轮电机轴第7页/共154页8 水轮机上冠外径 9315毫米，下环外径10600毫米，重达425吨。第8页/

4、共154页9第9页/共154页10直径24米、重七百多吨的定子吊装成功第10页/共154页11 电力工业是国民经济重要的基础产业，又是资金密集型、技术密集型和网络性行业,目前正酝酿着第十次变革。在电力发展上先后提出“电力是先行工业”，“电力是先行官”，“能源工业的发展要以电力为中心”和“电力工业要适应超前发展”等指导方针。到2001年底，中国发电设备总容量已达到3.38亿千瓦，年发电量达到14780亿千瓦时，在世界上仅次于美国，居第二位。第11页/共154页12第12页/共154页13第一章第13页/共154页14电工基础电工基础 第一节 直流电路 复习：电流、电压、电位、电动势、电功 率等基

5、本物理量并引入参考方向。第14页/共154页15实践教学强化动手能力 第15页/共154页16一、电路的组成及物理量一、电路的组成及物理量 电路是电流通过的路径。电路都是由电源、负载、连接导线和控制保护设备组成。对于一个完整的电路，把电源内部称为内电路。其余称为外电路。第16页/共154页17核电站秦山三期工程 第17页/共154页18电路和组成部分电路和组成部分 电路：构成电流通路的一切设备的总和。广义电路：含电磁信号所经过的路径。具体电路：一根导线、一个电阻、一个开关均可视为电路。IUSE第18页/共154页19内电路电动势导线开关负载第19页/共154页20小功率发电机第20页/共154

6、页21内电路:在电源的内部外电路:在电动势的外部UISE外电路内电路第21页/共154页22电器、仪表实验柜第22页/共154页23电器元件符号名称符号名称符号电池电感直流电机电容电压源熔断器电流源电压表电阻电流表GVA第23页/共154页241.电流、电流、电荷有规律的定向运动电荷有规律的定向运动 以正电荷的移动方向为正方向 单位时间内通过导体横截面积的电量定义为电流强度，简称电流，用符号I或i表示。0104+-电流方向第24页/共154页25 2.电电 压压恒量电场力作功能力的物理量。Uab=Wab/q方向：电压（位）降为正方向+Uabab+-第25页/共154页263.电电 位位电路中任

7、一点相对于参考点的电压Uc=2VUa=6VUb=1VUd=RI+E5VdRI2V3Vacb4V第26页/共154页27 电动势电动势 电动势：衡量外力克服电场力把单位电荷从负极移到正极所作功能力大小的物理量。单位：V EUs-+ba+-+负载01-1-4第27页/共154页28 参考方向参考方向 当电路分析时：电路的实际电流、电压方向很难判别时，便引入“参考方向”。（1）当实际方向与参考方向一致，为正；当实际方向与参考方向相反,为负。（2）交流电路中电流方向作周期性的变化，所以电流方向并没有意义；但为了分析过程的方便、明确，也设置“参考方向”。第28页/共154页29与参考方向一致的为“+”与

8、参考方向相反的为“”+-+参考方向第29页/共154页304.电电 阻阻电流通过导体时,其原子结构的禁带能级高低决定了阻碍作用的大小。单位：欧姆符号均匀导体、在一定温度下的电阻 l：m，S：m2：m第30页/共154页31 碳膜电阻金属膜电阻第31页/共154页32大功率线绕电阻 第32页/共154页33电电 导导电阻的倒数称为电导，它也是反映导体导电能力的物理量，电导一般用字母G表示：在SI制中，电导的单位为S（西门子）,简称为西。第33页/共154页345.功功 率率电流流过电路时，不断发生能量的转换。将电能转换成其他形式的能量，或将其他形式的能转换为电能，向电路供出能量。为了表征电路中某

9、一段吸收或产生能量的速率，引入了电功率的概念。电功率用字母P表示。单位是W（瓦特）简称为瓦，也常用kW来表示，其换算关系为：1kW=103W。第34页/共154页35二、欧姆定律二、欧姆定律均匀电路：I=U/R；U=RI伏安特性线：线性R=tg=U/IR+-UIUI0第35页/共154页36电阻的串联电路电阻的串联电路 两个或两个以上电阻首尾相接，中间无分支的电路。主要特点：同流分压II1I2I3UU1U2U3第36页/共154页37电阻的并联电路电阻的并联电路 两个或两个以上电阻，具有相同的接点。主要特点：同压分流。II1I2I3UU1U2U3第37页/共154页38三三.基尔霍夫定律基尔霍

10、夫定律 欧姆定律：用于简单回路 基尔霍夫定律：节点电流定律：回路电压定律：用于解复杂电路。第38页/共154页39 欧姆定律；基尔霍夫定律欧姆定律；基尔霍夫定律 简单电路：复杂电路：单回路多回路 Iu1u2RRR3Rr第39页/共154页40 1.支支 路路至少含有一个元件而无分支的电路。A与B二个节点中有一个是假节点。EE R1R3R2R4R5第40页/共154页412.节点节点（节上生支节上生支）三条或三条以上支路的汇交点。节点第41页/共154页42原理原理：节点处电流连续节点处电流连续 节点处：既不产生电荷也不湮灭电荷；既不贮存电荷又不释放电荷。进为“+”；出为“-”时：+-第42页/

11、共154页43节点定律节点定律：电流的进等于出；电流的代数和为零.代数和表示时：进为正；出为负。I第43页/共154页44电压回路定律电压回路定律：KVL回路电压的代数和为零：电压降为正；电压升为负。原理：电路中从任一点出发，绕行一周回到原点时电位不变。UiUAUA0第44页/共154页45 独立方程数独立方程数 n 节点方程:(m-1)回路方程：n-(m-1)总和：n个独立方程n条支路,n个未知量,解得n个解。第45页/共154页46图图 示示UU+-I1I2I3R1R2R3第46页/共154页470105复杂电路第47页/共154页48列方程组列方程组由节点得：I1+I2I3由回路得：13

12、I312I3I 3解方程：采用代入法，消元法，并验算。第48页/共154页49支路电流法小结支路电流法小结复杂电路不能用欧姆定律来解。n条支路必须有n个方程组。掌握列方程式的方法：设定有序；排列有序。解题有方，验算有效。第49页/共154页50实验图示实验图示=6V+=2V+-4747474768032.6mA1.37mA31.2mA第50页/共154页51第二节第二节 电磁特性电磁特性 电和磁是物质的运动形式，两者之间的联系称为电磁。有电荷运动就有磁场存在。许多电气设备都是通过电与磁的相互作用、相互转化而工作的。例如电动机、发电机、变压器、继电器、电工仪表等。第51页/共154页52条形磁铁

13、与马蹄形磁铁第52页/共154页53各种磁铁第53页/共154页54第54页/共154页55电动扬声器第55页/共154页56一、电流的磁场一、电流的磁场 电生磁：电为因，磁为果，有电才有磁。I IBBBI II II IB第56页/共154页57各种线圈第57页/共154页58动电生磁动电生磁 电生磁：电为因；磁为果,有电才有磁。I IBBBI II II IBr第58页/共154页59多匝线圈第59页/共154页60电磁感应电磁感应 1.导线；导线；2.线圈线圈导线线圈感生磁通NS+-v第60页/共154页61二、描述磁场的物理量二、描述磁场的物理量 电生磁：右手四指方向对准电流方向，拇指

14、方向为磁场方向。电磁力：F=IB右手四指方向从电流转向磁场方向，拇指方向为电磁力方向。电磁感应：E=vB 文字叙述如上，v 转向B；拇指为电势方向。第61页/共154页621.磁通量磁通量磁通量反映某一面上磁力线的多少的量。d=BcosdS=BndS 若是均匀磁场:=BS;单位:Wb=Tm2 ds S第62页/共154页632.磁感应强度磁感应强度 磁感应强度是一个描述磁场强弱的物理量。磁感应强度的数值等于通过与磁场方向垂直的单位面积的磁力线数目，磁感应强度用字母B表示，在均匀磁场中磁感应强度计算公式如下：单位：特斯拉1T1Wb/m2高斯：1G104T第63页/共154页643.磁导率磁导率

15、磁动势：Em=N I 电流I与匝数N的乘积。B B：磁感应强度与线圈中的介 质有关。铁钴镍为强磁性物质，B铜铝等为弱磁性物质，B 导磁能力大小/（H/m）。真空中的磁导率/4第64页/共154页65 铁心线圈第65页/共154页66相对磁导率相对磁导率：r 某介质与真空磁导率之比：r=/0各种物质的相对磁导率表名称r名称r钴174软钢2200镍1120硅钢片7500铸铁240620镍铁合金13000C型坡莫合金115000锰锌铁氧体3005000第66页/共154页67磁场强度磁场强度 H (A/m)定义:磁感应强度与磁导率的比值H=B/即:B=H=0rH=NI/l以长直螺线管、环形螺线管为例

16、：B0=0NI/L;B/B0=/0B=rB，H=NI/l 为常数，与介质无关第67页/共154页68电磁力：电和磁为因；力为果电磁力：电和磁为因；力为果长直导线：线框：转轴NSNS第68页/共154页69三.磁 路磁性材料的分类软磁材料剩磁小硬磁材料剩磁大矩磁材料剩磁强 H B H B H B第69页/共154页70 四四.自感与互感自感与互感1.纯电感电路中电压与电流的相位关系：设定电流：i=Imsint则有：u=-eL=Ldi/dt=LImdsint/dt=L Imsin（t+/2）Um=LIm;Im=Um/L:U=LI;XL=2f Lieu第70页/共154页71正弦电流的交变磁通正弦电

17、流的交变磁通设电压、电流与感应电动势同向：u=-e=Nd/dt =msint 时：Um=Nm=2fNm Ui=4.44f N i m。uei第71页/共154页72自感效应+-ue iiL 由于流过线圈本身的电流发生变化而引起的电磁感应现象叫自感应现象。感生电流产生的磁通总是阻碍原磁通的变化。第72页/共154页73互感效应正向磁通反向磁通I I1 1I I2 2 两个或两个以上耦合线圈，感生电势成正比。感生电势与线圈的电流变化率成正比第73页/共154页74交流铁芯线圈的损耗交流铁芯线圈的损耗1.铜损：PCu PCu=RI22.铁损:PFe PFe=Ph+Pe 即:磁滞损失与涡流损失二项。交

18、流铁芯线圈的总损耗:P=PCu+PFe=PCu+Ph+Pe 第74页/共154页75 涡流是电磁感应现象涡流是电磁感应现象磁通变化时形成旋涡状的电流。涡损与磁滞共称为铁损，避免方法：加大阻抗，层叠并互相 绝缘 第75页/共154页76涡流的利用涡流的利用用于涡流进加热和冶炼金属。电磁阻尼器。电度表。利用涡流与趋肤效应，高频淬火，并控制加热深度。第76页/共154页77五五.交流铁芯线圈的等效电路交流铁芯线圈的等效电路图:。ueiRXLXMRM第77页/共154页78第三节第三节 交流电路特性交流电路特性0108t0u第78页/共154页79 一、正弦交流电一、正弦交流电交流电：大小和方向随时间

19、作周期性变化 的电流、电压和电动势的总称。正弦交流电：按正弦规律变化的交流电。t00tue第79页/共154页80第80页/共154页81小功率发电机第81页/共154页82小功率发电机第82页/共154页83为什么广泛使用交流电为什么广泛使用交流电？发电容易：交流发电机效率高价格低。输变电容易：可使用变压器。用电方便：交流电机价格低、运行可靠、维修方便等一系列优点。目前使用直流电的地方很少：如电解、电镀和电动车。第83页/共154页84正弦交流电动势的产生正弦交流电动势的产生 单根导条：el=lvB sin（为速度v与磁感受应强度B的夹角）绕组电势：e=nB2lrsin(t+)=Emsin(

20、t+)SNSNSNBBBBvvvvn第84页/共154页85交流电的周期交流电的周期：T/s定义：交流电循环一周所需时间。0tuTT2第85页/共154页86频率频率f:1秒内含有的周期数秒内含有的周期数频率：f/Hz赫茨。换算:T=1/f；f=1/T。工频：工业标准频率，我国为50Hz。低频：数Hz200kHz。例音频广播中频：200kHzMHz，835k周。高频：MHz以上。例子105MHz。通讯光缆：kMHz以上。第86页/共154页87正弦交流电：按正弦规律变化正弦交流电：按正弦规律变化 瞬时值：i（t）=Imsin（t+）A Im为最大值：瞬时值中最大的绝对值。交流电流的概念：动态变

21、化。i（t）=limq/t=dq/dt。t0it0+-第87页/共154页88交流电的基本特性交流电的基本特性三大要素：最大值 Um；Im；Em。角频率:=2f=2/T。初相角：（-，）函数解析式：i Imsin（t+）A几何曲线：0tu第88页/共154页89 正弦量旋转矢量表示频率正弦量旋转矢量表示频率矢量法：又称旋转矢量法。转速越快、角频率越大。00t第89页/共154页900110三相发电机原理图第90页/共154页91旋转磁场产生三相交流电0308旋转磁场产生交流电第91页/共154页920111三相交流电波形图第92页/共154页930112三相交流电旋转矢量图第93页/共154页

22、94相量表示法相量表示法相量：a=rcosb=rsin复数表达：三角函数式：B=r(cos+jsin)相量式：C=r例：C=104500ReabImjr第94页/共154页95相位差相位差 12=1-2同频才有固定的相位差：是相对位置定义范围：-+正为导前；负为滞后。数轴上的几何意义：左超前；右滞后。0t左右u第95页/共154页96同相与反相同相与反相=0（同相）;=（反相、倒相）0 0ttu u第96页/共154页97交流电的有效值交流电的有效值（作功能力等效值作功能力等效值）有效值是相当于直流电作功能力的等效值。等效R Ru uiR RU+-I第97页/共154页98交流电有效值的图示过

23、程交流电有效值的图示过程正弦交流电iImiImIm2第98页/共154页99有效值的计算过程有效值的计算过程交流电路：直流电路：P=Ri2P=RI2=R（Imsint）2=RIm2sin2t=由此可得：I=Im余弦在对称区间内作功为零第99页/共154页100 I=Im=0.707ImU=Um=0.707UmE=Em=0.707Emt0Umt0U有效值不是平均值正弦交流电在正负轴之间的平均值为零第100页/共154页101二、单相正弦交流电路二、单相正弦交流电路 电阻 电感 电容符号：RL C图形：LCR第101页/共154页1021.纯电阻电路纯电阻电路 在交流电路中电阻符合欧姆定律：电阻在

24、电路中无相位移,是有功功率，能量转换是不可逆的,即电能转换成热能后不能通过电阻再逆转换成电能。电阻按结构分为：固定电阻；可调电阻；变电阻等。第102页/共154页103电容元件（存储电荷的容器）电容元件（存储电荷的容器）电容的充放电过程。容量：C=Q/U；Q=C U 单位：F法拉电容的种类固定电容：纸、陶、云、有机膜。极性电容：电解电容。可变电容：微调电容：第103页/共154页104铝质电解电容金属箔式聚脂膜电容器 第104页/共154页105平板电容:多片电容:平行导线:圆柱电容:Sdn=5alr2第105页/共154页106电容器的主要参数电容器的主要参数标称电容量:标在电容器上的名义电

25、容量。额定电压:最高直流或交流电压有效值。绝缘电阻:电容器上电压与漏电流之比，其 数量级在千兆欧姆(kM)以上。介质损耗:由于介质绝缘不良引起的漏电 流以及交变电压作用下介质极 化产生的能量损耗.第106页/共154页107电容的特性电容的特性电容上的电荷变化，即电流。ic=d q/d t=C d uc/dt电容的能量：WC=ui dt=Cudu=CUc2/2 能量转换 电源电场能ic电能第107页/共154页108电感元件电感元件电感元件上伏安特性符合电磁感应定律：e=Nd/dt自感：LN/I；N=LI自感电动势：eL=Ld i/d tu L=eL=Ld i/d t 设：三者方向一致uieL

26、第108页/共154页109可调式中频变压器第109页/共154页110 电感元件及电路符号电感元件及电路符号 空心线圈 铁芯线圈 符号符号实物实物第110页/共154页111空心线圈第111页/共154页112各种铁心线圈第112页/共154页113 电感线圈的电感量电感线圈的电感量线圈的自感系数:L=/iH(亨利)=103mH=106H线性电感:线圈绕制在非磁性材料上。真空中(空气或非导磁物质)的磁导率:0=410-7H/m磁导率:=r0第113页/共154页114交流电路中的电感元件交流电路中的电感元件eL=uL，uL=eL=L diL/dt电感上的能量：QL=LiLdi=Li2/2交流

27、电路中的电感：电 源铁心线圈磁能电能i第114页/共154页115名称 图形 电感量 环形 L=N2S/l螺线管 l=2（r1+r2）长直 L=N 2S/l螺线管 d 0时：电路为感性电路；XLXC当=0时:电路为纯电阻电路；XL=XC当0时：电路为容性电路；XLXC结论：感性电路是最为普遍的电路。功率计算：S=P=Scos；Q=S sin第133页/共154页134 R-LC 电路电路实际电感是一个电阻和电感的串联电路。并联电路的特点：同压、分流。I1=U/Z1IC=U/XC i=i1+icRiiCui1第134页/共154页135电流下降、功率因素上升电流下降、功率因素上升矢量图 I1a

28、IC I1r Ir I I1 第135页/共154页136串联电压谐振串联电压谐振电路及矢量图 URUCULIRULLCuiUCUR第136页/共154页137当XL=XC则有：X=XL-XC=0Z=R为最小值，I为最大值，I=U/Z=U/R。由UL=UC 得：UL=（XL/R）UR电路的品质因素：Q=XL/R=XC/R=L/R=1/RC谐振频率：0L=1/0C;0=无功功率互补：QL=QC；Q=QL-QC=0第137页/共154页138并联谐振并联谐振（电流谐振电流谐振）电路图 Ruii1iCi1iCuRi1r第138页/共154页139并联电容功率因素补偿法并联电容功率因素补偿法电路图：R

29、uii1iCi1iCuRi1r 1i第139页/共154页140电路分析电路分析:分解后的合并分解后的合并I1分为：I1a=I1cos，I1r=I1sin 1=IC 0=1/C=L；C=1/2L。品质因素：Q=XL/R=L/R=XC/R=1/RC。特点：总电流最小，阻抗最大。第140页/共154页141三、三相交流电路三相交流电路内容提要三相供电具有极大的优越性三相电源及负载连接与分析计算第141页/共154页142概概 述述三相交流电源:同频、同幅、相位错开 1200正弦交流电动势。优点：发电、变电效率高、体积小、经济；三相三（四）线制输电省材料；三相电机、电器性能良好、价格低廉。分析：每一

30、相可视为单相交流电路；三相 则为复杂电路。第142页/共154页1431.三相正弦交流电动势三相正弦交流电动势三相交流电势：同频、等幅相位互错1200表示，波形图如下。NSU2U1V1V2W1W2te02uvw第143页/共154页144 2.三相对称电源的连接三相对称电源的连接三相六线制：已不用。三相四线制：低压系统。三相三线制：高压系统，大于10kV。Ul=Up UpUlVUWN第144页/共154页145 三相电源绕组的三相电源绕组的连接连接将三相电源首尾相接组成一个三角形XYZABCEAEBEC第145页/共154页146 三相负载的连接三相负载的连接 三相负载有：“Y”、“”二种连接

31、方式，则有不同的相电压。对称负载时：UYp=Up=220V Up=Ul=Ul=380V对负载的讨论分为：不考虑输电线阻抗；要考虑输电线阻抗。第146页/共154页147三相对称负载三相对称负载对称：模相等、阻抗角相同。Z1=Z2=Z3；1=2=3对称负载时的中线电流：IN=IU+IV+IW；I=0，故对称负载可用三线制。使用场合：高压系统；三相电机。第147页/共154页148 三相负载的三相负载的“Y”形连接形连接 中线（零线）；端线（火线）相电压：端线与中线之间的电压 线电压：端线与端线之间的电压 Ul=Up 线电压超前相对应的 相电压300。UBUAUC-UBUABUBCUCA第148页

32、/共154页149三相三相“Y”连接时的电量连接时的电量Upi=UpIA=Ia；IB=IbIC=Ic相电流等于线电流。RRRIPbIPaIPcIlAIlCIlBIN第149页/共154页150负载的负载的“”连接连接电路图：RRRIVIWIUIp1Ip2Ip3第150页/共154页151“”形负载的线电流与相电流形负载的线电流与相电流矢量图 线电流是相电流的 倍;相位滞后。300。IP1ILVIP2IP3ILWILU-IP3作用于负载上的电压是电源的线电压。第151页/共154页1523.三相电功率三相电功率在三相负载对称的情况下：=3UPIP=UlIlpcos；Q=Ssin“Y”形（220/380V）“”形：U220VU=380VIl=Ip=Up/ZI1=Ip=Ul/Z第152页/共154页153电工技术基础小结电工技术基础小结1.电路的组成与电量，解题方法是欧姆定律与基尔霍夫定律。2.动电生磁,动磁生电,载流导体在磁场中受力。3.交流电的平均值是63.7%;有效值是70.7%。4.电阻不产生相位差;感压压在前;容压压在后。5.“Y”:UYp=220V，IYl=IYp；“”:UP=380V;Il=Ip第153页/共154页154感谢您的观看。第154页/共154页