- 步步圖解自動化綜合技能
- 韓雪濤主編
- 2798字
- 2021-11-12 10:16:27
1.1 電磁感應與交直流
1.1.1 電磁感應
1.電流感應磁場
通俗地講，磁場就是存在磁力的場所，可以用鐵粉末驗證磁場的存在。圖1-1所示為磁鐵周圍的磁場現象。
圖1-1 磁鐵周圍的磁場
兩個磁極附近和兩個磁極之間被磁化的鐵粉所形成的紋路圖案是很有規律的線條。它是從磁體的N極出發經過空間到磁體的S極的線條，在磁體內部從S極又回到N極，形成一個封閉的環。通常磁力線的方向就是磁體N極所指的方向。
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磁鐵的磁極之間存在的由鐵粉構成的曲線，代表著磁極之間相互作用的強弱。只要有磁極存在，它就向空間不斷地發出磁力線，而且離磁極越近的地方磁力線的密度越大，而遠處磁力線的排列則比較稀疏。
如圖1-2所示，如果金屬導線通過電流，那么借助鐵粉末，可以看到在導線的周圍也會產生磁場，而且導線中通過的電流越大，產生的磁場越強。
圖1-2 電流感應出磁場
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流過導體的電流的方向和所產生的磁場方向之間有著明確的關系。圖1-3所示為右手定則（即安培定則），說明了電流周圍磁場方向與電流方向的關系。
圖1-3 安培定則（右手定則）
直線電流的安培定則：用右手握住導線，讓伸直的大拇指所指的方向與電流的方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁力線的環繞方向，如圖1-3a所示。
環形電流的安培定則：讓右手彎曲的四指和環形電流的方向一致，那么伸直的大拇指所指的方向就是環形電流中心軸線上磁力線（磁場）的方向，如圖1-3b所示。
2.磁場感應出電流
磁場也能感應出電流，把一個螺線管兩端接上檢測電流的檢流計，在螺線管內部放置一根磁鐵。當把磁鐵很快地抽出螺線管時，可以看到檢流計的指針發生了偏轉，而且磁鐵抽出的速度越快，檢流計指針偏轉的程度越大，如圖1-4所示。同樣，如果把磁鐵插入螺線管，則檢流計的指針也會偏轉，但是偏轉方向和抽出時相反，檢流計指針偏擺表明線圈內有電流產生。
也就是說，當閉合回路中一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，回路中就有電流產生；當穿過閉合線圈的磁通發生變化時，線圈中有電流產生。這種由磁產生電的現象，稱為電磁感應現象，產生的電流叫感應電流。
圖1-4 磁場感應出電流
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感應電流的方向與導體切割磁力線的運動方向和磁場方向有關，即當閉合回路中一部分導體做切割磁力線運動時，所產生的感應電流方向可用右手定則來判斷，如圖1-5所示。伸開右手，使拇指與四指垂直，并都與手掌在一個平面內，讓磁力線穿入手心，拇指指向導體運動方向，四指所指的即為感應電流的方向。
圖1-5 右手定則
1.1.2 交流電與直流電
1.直流電
直流電（Direct Current，DC）的電流流向單一，其方向不隨時間做周期性變化，即電流的方向固定不變，是由正極流向負極，但電流的大小可能不固定。
直流電可以分為脈動直流和恒定直流兩種，脈動直流中直流電流大小不穩定；而恒定電流中的直流電流大小能夠一直保持恒定不變。圖1-6所示為脈動直流和恒定直流。
圖1-6 脈動直流和恒定直流
要點說明
一般將可提供直流電的裝置稱為直流電源，它是一種能在電路中形成并保持恒定直流的供電裝置，例如干電池、蓄電池、直流發電機等。直流電源有正、負兩極、當直流電源為電路供電時，直流電源能夠使電路兩端保持恒定的電位差，從而在外電路中形成由電源正極到負極的電流，如圖1-7所示。
圖1-7 直流的形成
2.交流電
交流電（Alternating Current，AC）一般是指電流的大小和方向會隨時間做周期性的變化。
我們在日常生活中所有的電氣產品都需要有供電電源才能正常工作，大多數的電器設備都是由交流220V、50Hz的市電作為供電電源。這是我國公共用電的統一標準，交流220V電壓是指相線（即火線）對零線的電壓。
交流電是由交流發電機產生的，交流發電機可以產生單相和多相交流電壓，如圖1-8所示。
（1）單相交流電 單相交流電是以一個交變電動勢作為電源的電力系統。在單相交流電路中，只具有單一的交流電壓，電流和電壓都按一定的頻率隨時間變化。
圖1-9所示為單相交流電的產生。在單相交流發電機中，只有一個線圈繞制在鐵心上構成定子，轉子是永磁體，其內部的定子上有一組線圈，它所產生的感應電動勢（電壓）也為一組，由兩條線進行傳輸，這種電源就是單相電源，這種配電方式稱為單相二線制。
圖1-8 單向交流電和多相交流電的產生
圖1-9 單相交流電的產生
（2）多相交流電 多相交流電根據相線數量的不同，可以分為兩相交流電和三相交流電。
圖1-10所示為兩相交流電的產生。在發電機內設有兩組定子線圈互相垂直的分布在轉子外圍。轉子旋轉時兩組定子線圈產生兩組感應電動勢，這兩組電動勢之間有90°的相位差，這種電源為兩相電源，這種方式多在自動化設備中使用。
圖1-10 兩相交流電的產生
圖1-11所示為三相交流發電機。通常，把三相電源電路中的電壓和電流統稱三相交流電，這種電源由三條線來傳輸，三線之間的電壓大小相等（380V）、頻率相同（50Hz）、相位差為120°。三相380V交流電源是我國采用的統一標準。
圖1-11 三相交流發電機
三相交流電是由三相交流發電機產生的。在定子槽內放置著三個結構相同的定子繞組A、B、C，這些繞組在空間上互隔120°。轉子旋轉時，其磁場在空間按正弦規律變化，當轉子由水輪機或汽輪機帶動以角速度ω等速順時針旋轉時，在三個定子繞組中，就產生頻率相同、幅值相等、相位上互差120°的三個正弦電動勢，這樣就形成了對稱三相電動勢。
三相電路由三相電源、三相負載以及三相電路組成，通常有三根相線和一根零線（標準術語為中性線），一般情況下三相電為380V多動力設備供電。實際上，住宅用電的供給也是從三相配電系統中抽取其中的某一相與零線構成的。在三相電路中，相線與相線之間的電壓為380V，而相線與零線之間的電壓為220V，如圖1-12所示。
圖1-12 三相交流電路電壓的測量
交流發電機的基本結構如圖1-13所示，轉子是由永磁體構成的，當水輪機或汽輪機帶動發電機轉子旋轉時，轉子磁極旋轉，會對定子線圈輻射磁場，定子線圈切割磁力線，使其中產生感應電動勢，轉子磁極轉動一周就會使定子線圈產生相應的電動勢（電壓）。由于感應電動勢的強弱與感應磁場的強度成正比，感應電動勢的極性也與感應磁場的極性相對應，所以定子線圈所受到的感應磁場是交替周期性變化的。轉子磁極勻速轉動時，感應磁場是按正弦規律變化的，發電機輸出的電動勢則為正弦波形。
圖1-13 交流發電機的結構和原理
要點說明
發電機是根據電磁感應原理產生電動勢的，當線圈受到變化磁場的作用（即線圈切割磁力線時便會產生感應磁場，感應磁場的方向與作用磁場方向相反。發電機的轉子可以被看作是一個永磁體，如圖1-14a所示。當N極旋轉并接近定子線圈時，會使定子線圈產生感應磁場，方向為N/S，線圈產生的感應電動勢為一個逐漸增強的曲線，當轉子磁極轉過線圈繼續旋轉時，感應磁場則逐漸減小。
圖1-14 發電機感應電動勢產生的過程
圖1-14 發電機感應電動勢產生的過程（續）
當轉子磁極繼續旋轉時，轉子磁極S開始接近定子線圈，磁場的磁極發生了變化，如圖1-14b所示，定子線圈所產生的感應電動勢極性也翻轉180°，感應電動勢輸出為反向變化的曲線。轉子旋轉一周，感應電動勢又會重復變化一次。由于轉子旋轉的速度是均勻恒定的，因此輸出電動勢的波形為正弦波。