电器原理与应用 1-1

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1、电 器 原 理 与 应 用电 器 原 理 与 应 用?工业所说的电器工业所说的电器: 是指能够根据外界施加的信号或要求，自动 或手动地接通和分断电路，断续或连续地改变电路参数， 以实 现对电路或非电量对象的变换、检测、控制、保护、调节和传 递信息用的电气器件；是指能够根据外界施加的信号或要求，自动 或手动地接通和分断电路，断续或连续地改变电路参数， 以实 现对电路或非电量对象的变换、检测、控制、保护、调节和传 递信息用的电气器件；?电器，是一种电工器件和装置；电器，是一种电工器件和装置；?电器，简单的说，就是各种电路的电器，简单的说，就是各种电路的“开关开关”，可通过控制信号， 控制电路的接通

2、和分断；，可通过控制信号， 控制电路的接通和分断；什么是电器什么是电器课程目的课程目的?了解了解/掌握掌握 主要电器主要电器的的?工作原理，基本结构工作原理，基本结构?器件的主要指标，及物理意义器件的主要指标，及物理意义?选择、计算与应用选择、计算与应用?培养学生对电气控制系统的基本的分析和设计能力。培养学生对电气控制系统的基本的分析和设计能力。刀闸起隔离作用刀闸起隔离作用简单的接触器控制简单的接触器控制ABCM 3自保持自保持停止 按钮停止 按钮起动 按钮起动 按钮考虑要点：考虑要点： 小电流控制大电流 机械电器面临的问题 电子电器的局限性小电流控制大电流 机械电器面临的问题 电子电器的局限

3、性课程内容与参考书课程内容与参考书1. 电器的基础理论电器的基础理论 参考书：电器学第一篇 电器的理论基础2. 常用有触点控制电器常用有触点控制电器 参考书：控制电器及其应用第一章3. 常用有触点保护电器常用有触点保护电器 参考书：控制电器及其应用第二章4. 常用半导体式控制电器常用半导体式控制电器 参考书：控制电器及其应用第三章5. 电器控制典型环节的分析电器控制典型环节的分析 参考书：控制电器及其应用第四章6.变频器与伺服控制器变频器与伺服控制器7. 智能控制电器智能控制电器 参考书：控制电器及其应用第七章8. 电器控制电路设计电器控制电路设计 参考书：控制电器及其应用第六章9. 三个实验

4、三个实验对电器设备的要求和表征这些要求的参数?安全可靠的绝缘安全可靠的绝缘?额定电压、最高工作电压、工频试验电压和冲击试验电压额定电压、最高工作电压、工频试验电压和冲击试验电压?必要的载流能力必要的载流能力?额定电流、热稳定电流和动稳定电流等。额定电流、热稳定电流和动稳定电流等。?较高的通断能力较高的通断能力?接通电流、分断电流和通断电流（或容量等）。接通电流、分断电流和通断电流（或容量等）。?良好的机械性能良好的机械性能?必要的电寿命必要的电寿命?完善的保护功能完善的保护功能电器设备的工作环境?周围环境温度周围环境温度?海拔高度海拔高度?高压电器使用环境的海拔高度为高压电器使用环境的海拔高度

5、为1000mm?低压电器使用环境的海拔高度为低压电器使用环境的海拔高度为2000m。?相对湿度相对湿度?其他条件影响电器工作的其他条件尚有污染等级、振动、介质中是否含易爆气体以及是否有风霜雨雪等天气条件。其他条件影响电器工作的其他条件尚有污染等级、振动、介质中是否含易爆气体以及是否有风霜雨雪等天气条件。第一篇 电器的理论基础浙江大学 电气学院 陈阳生 杨浩东主要内容本篇主要研究电器的共性问题?第一章：电器的发热与电动力?第二章：电接触与电弧理论?第三章：电磁机构理论第一章 电器的发热与电动力?各种电器设备都有载流系统，因而都会有热效 应热效 应和电动力效应电动力效应。在故障情况下，这两种效应

6、有可能导致设备破坏；?发热对设备的限制；?本章主要讨论发热过程和载流体受到的电动力 的计算方法，以及载流体在大电流下热稳定性 和电动稳定性。第一节 电器中的基本热源?电器中热源有： 1.铜耗：导体通过电流产生的热损耗 2.铁耗：铁磁材料在交流磁场下产生的铁损耗 3.介质损耗: 绝缘体内的介质损耗 4.机械损耗: 机械摩擦等产生的热源机械摩擦产生的热损耗相比其它三种较小，常不考虑， 本节只介绍其它三种热源产生的机理与计算方法。1.导体通过电流时的能量损耗当导体通过电流 I 时，其中的能量损耗为：=t RdtIW02R：导体电阻t： 通电时间I： 交流电时为有效值电阻值电阻值R会随温度的变化而变化

7、会随温度的变化而变化注意二点注意二点 集肤效应和邻近效应集肤效应和邻近效应AlR=电阻A、l：分别为导体的横截面积横截面积和长度长度；：导体材料的电阻率电阻率，该值与温度有关温度有关，一般采用如下计算公式：)1 (22 0 +=0：导体材料0C时的电阻率； ：分别为电阻系数。工程上：工程上：)1 (0+=当导体温度变化较大时，必须考虑电阻随温度变化的影响当导体温度变化较大时，必须考虑电阻随温度变化的影响当导体温度变化较大时，必须考虑电阻随温度变化的影响当导体温度变化较大时，必须考虑电阻随温度变化的影响! !电阻值电阻值R会随温度的变化而变化会随温度的变化而变化集肤效应和邻近效应集肤效应和邻近效

8、应a. 电流密度b. 电流相位a. 电流同向b. 电流反向集肤效应集肤效应 当一正方形截 面导体通入交流 电时，电流密度 分布会向边界集 中。 集肤效应导致 电阻增大。邻近效应邻近效应 构成回路的二 平行导线通过交 流电流时，由于 磁场间的相互作 用，出现导线电 流分布不均附加涡流损耗附加涡流损耗考虑集肤效应和邻近效应的计算考虑集肤效应和邻近效应的计算?由于集肤效应和邻近效应的出现，在计算交流 电的损耗时要比通入同样电流的直流电的损耗 大。?具体在计算时可以先在不考虑这两种效应的基 础上计算，然后用乘一附加损耗系数附加损耗系数Ka来校 正。 Ka=KsKnKs：集肤效应影响系数，Kn：邻近效应

9、影响系数。具体数值 可通过查阅手册得到。2.非载流铁磁质零部件的损耗?非载流铁磁材料在交变电磁场的作用下产生的 损耗成为铁损PFe, 包含磁滞损耗Pn和涡流损耗 Pe两部分，即： PFe=Pn+Pef：电源频率Bm：铁磁材料中的磁感应强度幅值：铁磁材料的密度V：铁磁材料零部件体积n 、e：磁滞损耗系数和涡流损耗 系数，与材料有关，可以查表得到。铁磁材料选型铁磁材料选型3.电介质损耗?在交变电磁场的作用下，绝缘层内将出现电介质损耗：tan2CUPd=其中： ：电压的角频率；C：绝缘层的电容；U：绝缘件上的电压；tan：绝缘材料介质损耗角的正切。介质损耗角与材料的品种规格、温度、环境以及处理工艺有

10、关，可以在 有关手册中查到。第二节 电器的允许温度和温升?温度超过极限后产生的影响?会使金属导体变形，影响正常工作；?材料机械强度下降；软化点：极限强度开始明显下降的温度?加剧电器中电接触表面与周围大气中 某些 气体的化学反应，出现氧化， 加大接触电阻。恶行循环1加热时 间为10s 时铜材2长期加 热时的 铜材4长期加热时的 铝材3加热时间为10s 时的铝材电气绝缘材料耐热等级高温使得绝缘的寿命缩短 ，甚至烧毁。 是电器的常见故障。高温使得绝缘的寿命缩短 ，甚至烧毁。 是电器的常见故障。温升指标：?考察电器的质量时一般以温升作为指标，即零部件温度与周围介 质温度之差。?我国一般35oC作为基准

11、环境温度来计算温升。?温升=实际温度-35第三节 电器的散热与综合散热系数主要内容主要内容主要内容主要内容?热传导?对流三种散热方式?辐射?综合散热系数一、热传导?热能从物体的一部分向另一部分，或从物体向 与之接触的另一物体传递的现象，称为热传 导，它是借分子的热运动而实现的。?热传导是固态物质固态物质传热的主要方式，温差的存 在是热交换的充要条件。?两等温线的温差与 等温线间距n之比的极 限称为温度梯度，也可 理解为温度变化最快的 方向。?在单位时间内通过垂直 于热流方向单位面积的 热量称为热流密度。?Q热量；A面积；t时间热传导基本定律：热传导基本定律：0lim() ngradnn =qg

12、rad= QqAt= 热传导基本定律，热流密度与温度梯度之间的关系：比例系数称为热导率或导热系数。qgrad= 由于热量是向温度降低的方向扩散，而温度梯度则是指向 温度升高的方向，故上式有一负号。热导系数，其单位为W/(mK)。相当于沿热流方向单位长 度上的温差为1K时，单位时间内通过单位面积的热量。一般来说：热导率0(1) =+0 发热体温度为0C时的热导率； 发热体的温度；热传导温度系数。热导率范围很大，如银为425， 铜为390，铝为210，黄 铜为85，某些气体为0.06。二、对流?借液体或气体粒子的移动传输热能的现象，称 为对流。?对流一般总于热传导共存。?只有在粒子能方便移动的流体

13、中才能实现对流。?影响对流的因素很多，包括粒子运动的本质和 状态、介质的物理性质以及发热体的几何参数 和状态。?对流传递热量的过程随流体的性质而异，直接影响该 过程的因素有热导率、比热容、密度和粘滞系数等。?对流的热交换可按下经验公式计算：dQ：在dt时间内以对流方式散出的热量； 、0:发热体和周围介质的温度； A：散热面的面积 Kc：对流散热系数0()cdQKAdt=三、热辐射?以电磁波传递能量的现象为热辐射。具有二重 性：将热能转换为辐射能，在将辐射能转换为 热能。热辐射能在真空中传递。?热辐射计算公式：44 0()rdQK TTdt=：物体的黑度，在01之间；K：玻尔兹曼常数，K=5.6

14、7*10e-8W /(m2K4);T、T0：辐射面和受热体热力学温度；dQr：在dt时间内，以热辐射方式散出的热量。四、 综合散热系数?由于发热体的散热一般三种方式同时存在，分 开计算十分不便，一般工程上采用一个综合散 热系数KT来计算。?KT在数值上相当于每1m2发热面与周围介质的 温差为1K时，向周围散出的功率，单位为 W/(m2K)?KT的数值可通过查表或有关经验公式得到。四、 冷却方式?自然冷却 （考虑散热面）?强迫风冷?水冷第四节 电器的发热计算与牛顿公式?电器的发热计算是有内部热源时的发热计算。 在计算时假定：热源是温度为的均匀发热 体，其功率P为恒值，比热容c和综合散热系数 KT

15、也是均匀的，并与温度无关。发热体质量为 m，散热面积为A，d为温升，于是：TPdtcmdK A dt=+式左端为热源在时间dt内产生的热量，右端第一项为用于发热体升温的热量 （短路，短时）右端第二项为发热体散到周围的热量。TPdtcmdK A dt=+0TK AdP dtcmcm+=解：= 齐次解2+ 特解121 ()t TTC eTK A=称为发热时间常数1 TP K A=1P12t TTC eK A=+=+1P12t TTC eK A=+=+当t=0时，温升为=0，故C1=P/(KTA),所以：(1)t TTPeK A=当发热体有初始温升0时，即t=0时， =0，则有；0(1)tt TT

16、see=+显然，当t-无穷，温升会趋于一个稳定值：s TP K A=另外，由上几式可以得到： 0|stTd dt =T可以认为温升 从零到稳态时温 度的63.2%时的 所经历的时间达到稳态可以认 为是经历了4T或 5T的时间发热时间常数：几分钟几个小时?当发热体开始冷却时，发热体再不从外部吸收热量，上式 平衡方程变为：TPdtcmdK A dt=+0TcmdK A dt+=热平衡方程：2t TC e=解：解：由于t=0时，=s，所以，C2=stt TT s TPeeK A=?上公式中，由于发热体温度不可能均匀分布，且比 热容c和综合散热系数KT也是温度的函数，因此实 际的散热要复杂的多。?上述公式虽然有一定的假设，但仍能相当程度的反 应客观实