建筑电气工程第六章电气控制线路的设计.docx
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建筑电气工程第六章电气控制线路的设计
（建筑电气工程）第六章电气控制线路的设计
第六章电气控制线路的设计
第一节学习目的和要求
一、学习目的
1.了解电气控制线路的设计要求。
2.熟练掌握电气控制线路的一般设计方法。
3.掌握电气控制线路设计拖动方案和电动机的选择依据。
4.熟练掌握电气控制线路设计中电器元件的选择方法。
5.了解电气设备施工设计的内容和过程。
二、参考课时
第一章
授课内容
总学时
理论学时
实训学时
第一节
设计的基本原则和内容
1
16
第二节
电气控制线路的设计方法
3
第三节
电气控制线路设计中的电动机选择
3
第四节
电气控制线路设计中的元器件选择
3
第五节
生产机械电气设备施工设计
2
合计
28
12
16
三、学习要求
1．学会灵活运用所学知识，在满足生产机械工艺要求的前提下，设计出运行
安全可靠的电气控制线路。
2．能考虑调试与维修的要求，设计方案能操作容易、维修方便。
3．学会线路优化，使设备投资费用节省。
第二节学习与训练指导
本章要点
●电气控制线路设计的原则和内容
●电气控制线路设计的方法
●拖动方案和控制方案的确定原则
●元器件的选择方法
本章难点
●电气控制线路的设计与优化
一、设计的基本原则和内容
（一）重点内容：
本节重点学习电气控制线路设计的基本内容，即确定电力拖动方案、设计生产机械电力拖动自动控制线路、选择拖动电机及电气元件、进行生产机械电力装备施工设计、编写生产机械电气控制系统的电气说明书与设计文件。
在进行电力拖动方案的确定时，应遵循有关原则进行选择。
应当考虑电动机的调速特性与负载特性相适应，以求得电动机充分合理的应用；根据生产机械的调速要求如调速范围、调速平滑性、机械特性硬度、转速调节级数及工作可靠性等方面来选择合适的拖动方案；在满足技术指标的前提下，进行经济比较，最后确定最佳方案。
设备的电气控制方法很多，有继电器接触器的有触点控制，有无触点逻辑控制，有可编程序控制器控制、计算机控制等。
总之，合理地确定控制方案，设计实现、简便、可靠、经济、适用的电力拖动控制系统的重要前提。
应考虑以下几个方面：
1．控制方式与拖动需要相适应。
控制方式并非越先进越好，而应该以经济效益为标准。
2．控制方式与通用化程度相适应。
对于某些加工一种或几种零件的专用机床，它的通用化程度很低，但它可以有较高的自动化程度。
3．控制方式应最大限度满足工艺要求。
根据加工对象的工艺要求，控制线路应具有自动循环、半自动循环、手动调整、紧急快退、保护性连锁、信号指示和故障诊断等功能，以最大限度满足工艺要求。
4．控制电路的电源应当可靠。
简单的控制电路可直接用电网电源，元件较多、电路较复杂的控制装置，可将电网电压隔离降压，以降低故障率。
影响方案确定的因素很多，最后选定方案的技术水平和经济水平，取决于设计人员的设计经验和设计方案的灵活运用。
（二）学习方法：
1．以满足生产过程中机械加工工艺的要求为切入点，了解设计前必须做的准备工作，即对生产设备的主要工作性能、结构特点、实际工作情况做充分的了解，做到心中有数。
2．明确电气控制线路设计所包含的工作。
3．在总体方案正确的前提下，确定电力拖动方案和控制方案。
借鉴已经获得成功的经过生产实践检验的设备或生产工艺列出几种可选方案，根据条件和工艺要求进行选择。
（三）训练要点：
根据给定课题，练习在设计前对课题中的设备控制系统作全面的了解，认真作好调查研究工作，按所学内容，遵照给定原则，进行电力拖动方案和控制方案的确定。
（四）、注意事项：
1．在尽可能满足机械设备和工艺要求的基础上，保证电气控制系统稳定、可靠地工作。
生产过程中，对机械设备电气控制系统的可靠性和稳定性提出很高的要求，在强弱电结合的控制系统中，应充分考虑各种干扰的影响。
2．考虑设置各种必要的保护装置和连锁环节，以确保操作人员和设备的安全。
机械设备在运行中，由于电网故障、电气元件损坏、控制失灵或者误操作等因素，都可能造成人身事故或设备的损坏。
在控制方式选择和线路设计中必须充分预防这些因素造成的故障。
3．充分考虑机械设备的调试与维修要求。
比较复杂、自动化程度高的控制系统，含有很多相互关联的运动部件和较多的信号检测与主令电器，既需要单独检查调整各个部分的动作，又需要检查一个工作周期中各个动作的配合情况，因此某些控制系统需要考虑手动、自动循环操作、点动与长动控制以及必要的信号显示，既便于调试，又有利于操作和维护。
4．尽量减少控制线路的电流种类，控制电源的电压等级应符合标准。
控制线路比较简单的情况下，可直接利用电网电压，即交流220V、380V供电，以省去控制变压器，当控制系统所用电器数量较多时，应采用控制变压器降低电压进行供电。
照明、显示、及报警等电路应采用安全电压。
二、电气控制线路的设计方法
（一）重点内容：
本节重点学习分析设计法，根据机械设备的工艺要求和工作过程，将现有的典型环节加以集聚，作适当的补充和修改，综合成所需要的电气控制线路。
要重点掌握设计时应当注意的问题，尽量避免发生差错，影响控制线路的可靠性和工作性能。
电气线路的一般设计顺序是：
首先设计主电路，然后设计控制电路。
继电器-接触器控制系统的控制线路设计，常用的设计方法有逻辑设计法和分析设计法。
１．分析设计法是根据机械设备的工艺要求和工作过程，将现有的典型环节集聚起来，根据经验加以补充和修改，综合成所需要的控制线路。
有时候再找不到现成电路的情况下要进行部分电路或全部电路的自行设计。
这种设计方法的主要缺点如下：
（1）在发现试画出来的线路达不到要求时，往往用增加电器元件或触点数量的方法加以解决，所以设计的线路往往不一定是最简单、最经济的。
（2）设计中可能因为考虑不周发生差错，影响线路的可靠性或工作性能。
尽管如此，对于一些比较简单的控制线路仍然采用分析设计法，但对于一些比较复杂的控制线路则多用逻辑设计法。
２．逻辑设计法是用真值表与逻辑代数式相结合对控制线路进行综合分析，就是参照在控制要求中由设计人员给出的执行元件及主令电器的工作状态表，找出执行元件线圈同主令电器触点间的逻辑关系，将主令电器的触点作为逻辑自变量，执行元件线圈作为逻辑应变量，写出有关逻辑代数式，最后根据逻辑式作出对应电路，由于逻辑代数式可以通过有关计算法则进行运算和化简，所以，逻辑设计法往往能得到功能相同，但简单优化的控制电路。
（二）学习方法：
1．学习电气控制线路设计常用的两种方法：
经验设计法和逻辑设计法，掌握这两种设计法的内容和实际应用。
2．理解设计电路的反复修改和多次优化的必要性、体会控制线路不仅简单易行而且准确可靠的重要性。
3．通过学习电气控制线路设计中各种必须引起注意的问题，避免在实际应用中重犯相同的错误。
（三）训练要点：
1．选择相对简单的设计课题，进行设计练习。
2．对自行设计的控制线路，进行电路的连接和调试，直至完成所要求的控制功能。
（四）注意事项：
1．对于比较简单的控制线路，而且电器元件也不多时，往往采用交流380V或220V电压供电，不附加控制电源变压器。
此时动力电源电路中的过电压将直接引进控制线路，不利于控制电路中电器元件的可靠工作。
同时控制电路电压较高，也不利于维护与安全操作。
2．电路设计中考虑完善的保护环节。
3．电路设计完成后，一定要反复分析检查，避免产生寄生回路，影响电路工作的可靠性。
三、电气控制线路设计中的电动机选择
（一）重点内容：
本节重点学习选择电动机的原则，即经济、合理、安全。
选择指标包括电动机的种类、结构形式、电动机的额定电流、电动机的额定转速、电动机的额定电压、电动机的额定功率，要考虑生产机械的调速要求，还要考虑电动机的工作环境。
电动机的机械特性的选择中，应能满足机械设备提出的要求，要与负载机械特性相适应，以保证一定负载下的转速稳定，并具有一定的调速范围和良好的起动、制动性能；在电动机的工作过程中，其额定功率能得到充分利用，即温升达到额定温升值。
在电动机类型的选择中，优先考虑采用结构简单、价格便宜、使用维护方便的三相交流异步电动机，如一般机床、自动生产线、传送带、风机及各类机泵等电力拖动场合，大量选用普通三相鼠笼式异步电动机；高起动转矩的三相鼠笼式异步电动机适用于某些纺织机械的压缩机及皮带运输机等；对于调速要求不高的有级调速机械，可选用双速或三速鼠笼式异步电动机。
近年来随着晶闸管变频调速技术的迅速发展，三相异步电动机在无级调速机械上的应用越来越多，使鼠笼式异步电动机的应用范围更加广泛。
起动转矩大并有一定调速要求的机械设备，宜选用绕线式异步电动机；拖动功率大，又不要求调速的机械设备，一般采用交流同步电动机，它具有效率高并能改善电网功率因数的优点。
在要求调速范围大，调速性能好，并具有硬机械特性和起动转矩大的拖动系统中，一般都选用直流电动机。
随着晶闸管交流技术的迅速发展和高性能大功率晶体管器件的不断出现，进一步扩大了直流电机的应用范围，数字化直流调速系统获得越来越多的使用。
（二）学习方法：
学习运用相关经验公式，对不同的设备确定合理的电动机的功率和转速。
通过网络在线查找、使用手册、查看产品样本等多种方法进行比较，正确选择电动机。
（三）训练要点：
仔细研究给定课题中的相关条件，尝试作相关计算，从有关指标、参数着手，考虑工作环境、供电电压等诸多因素合理选择电动机。
（四）注意事项：
考虑工作环境选择电动机时，要特别注意在有爆炸危险、腐蚀性气体的场合，应选择防爆型和防腐型的电动机。
四、电气控制线路设计中的元器件选择
（一）重点内容：
本节主要学习常用低压电器元件的选择方法。
能够认识到正确合理地选择低压电器是电气系统安全运行、可靠工作的保证。
根据各类电器在设备电器控制系统中所处的不同位置、所起的不同的作用，采用不同的选择方法。
1．熔断器的选择
熔断器的类型应满足电路要求；熔断器的额定电压应大于或等于电路的额定电压；熔断器的额定电流应大于或等于所装熔体的额定电流。
熔体的额定电流可以有以下几种选择：
（1）对于阻性负载的保护，应使熔体的额定电流等于或稍大于电路的工作电流，即：
；
（2）对于一台电动机的短路保护，考虑到电动机的起动冲击电流的影响，可按下式选择：
；
（3）对于多台电动机应按下式计算：
∑IN
使用熔断器时，对于螺旋式熔断器，将带色标的熔断管一端插入瓷帽，再将瓷帽连同熔管一起拧入瓷套，负载端接到金属螺纹壳的上接线端，电源线接到瓷座上的下接线端，并保证各处接触良好。
还应当考虑熔体材料，铅锡锌为低熔点材料，所制成的熔体不易熄弧，一般用在小电流电路中；银、铜、铝为高熔点材料，所制成的熔体容易熄弧，一般用在大电流电路中，当熔体已熔断或已严重氧化，需要更换熔体时，还应注意使新换熔体和原来熔体的规格保持一致。
２．接触器的选择
正确地选择接触器就是要使得所选用的接触器的技术数据，能满足控制线路对它提出的要求，选择接触器可按下列步骤进行：
（1）根据接触器的任务，确定用哪一系列的接触器；
（２）根据接触器所控制电路的额定电压确定接触器的额定电压；
（３）根据被控制电路的额定电流及接触器安装的条件来确定接触器的额定
电流。
如接触器在长期工作制下使用时，其负载能力应适当降低。
这是因为在长期工作制下，触点的氧化膜得不到清除，使接触电阻增大，因而必须降低电流值以保持锄头的允许升温；
（４）一般情况下对于控制主电路为交流的应采用交流的控制电路。
电磁线圈的额定电压要与所接的电源电压相符，且要考虑安全和工作的可靠性。
交流电磁线圈的电压等级有：
36V、110V、127V、220V和380V等；直流电磁线圈的电压等级有：
24V、48V、110V、220V和440V等；
（５）对于某些机械设备对接触器的固有吸合时间、固有释放时间及释放电压所提出的要求也应予以考虑。
３．时间继电器的选择
时间继电器的种类很多，选择时主要考虑控制线路提出的技术要求，如电源电压等级、电压种类（交流还是直流）以及触点的型式（瞬时触点还是延时触点）、数量、延时时间等。
此外在满足技术要求的前提下尽可能选择结构简单、价格便宜的型号。
目前在工业上经常使用一些质优价廉的数字化时间继电器，其核心一般是单片机或高精度的数字电路，具有精度高、使用灵活、故障率低等优点，是时间继电器发展的主流。
４．热继电器的选择
一般情况下，可选用两相结构的热继电器；对电网电压严重不平衡、工作环境恶劣或较少有人照管的电动机，可选用三相式结构的热继电器；对于三角形接线的电动机，为了进行断相保护，可选用带断相保护的装置的热继电器。
工作时间较短、停歇时间较长的电动机，如机床的刀架或工作台快速移动所用的电机及恒定负载下长期运行的电动机（如风扇、油泵等），可不必设置热过载保护。
热继电器的具体选择如下：
（１）保护电动机的额定电流，一般选用热继电器额定电流的0.95~1.05倍。
（２）根据需要的整定电流值选择热继电器热元件的编号和额定电流。
选择时应使热元件的整定电流等于电动机的额定电流，同时整定电流应留有一定限度的上、下调整范围。
在重载起动以及起动时间较长时，为防止热继电器误动作，可将热元件在起动期间予以短路。
（二）学习方法：
1．学习掌握有关计算公式，进行有关低压电器如熔断器、热继电器、自动空气开关的参数的选择。
2．分析在不同的使用场合，进行同一种低压电器的不同种类和不同型式的选择。
如按钮，它的种类有开启式、保护式、防水式、防腐式等；它的型式有手把旋转式、钥匙式、紧急式、带灯式等。
3．学会根据不同的控制对象选择同一低压电器的不同系列，如行程开关分一般用途的行程开关和起重设备中用的行程开关。
4．按照电气控制线路的需要，选择的低压电器要具有合适的触点数量或触点类型，如交流接触器的辅助触点中需要的常开触点和常闭触点的数量；是否需要带扩展触点的接触器。
（三）训练要点：
根据电气控制线路要求、设备使用环境、及其他必要条件，合理选择相关的低压电器，练习查找和比较电器产品目录上的各项指标或数据。
（四）注意事项：
选择低压电器时，注意某些电器之间的区别。
有的电器在一定条件下可以相互替代，如在通断电流较小的情况下，中间继电器可以代替接触器起动电动机；有的电器在电动机负载的情况下不能互相替代，如热继电器和熔断器，都是保护电器，都是串接于电路中对非额定电流实施保护，但是短路电流太大，热继电器由于热惯性不能马上动作，不能进行短路电流的保护，所以不能代替熔断器；而过载电流远小于短路电流，不足以使熔断器动作，但一定时间后将破坏电动机的绝缘，所以熔断器不能代替热继电器。
五、生产机械电气设备施工设计
（一）重点内容：
本节主要学习电气设备施工设计的有关内容和设计步骤。
包括：
电气设备的总体布置、绘制电器控制装置的电器布置图、电器控制装置的电器接线图、电气设备的内部接线图和外部接线图。
电气控制系统在完成电气控制电路设计、电气元件选择后，就应该进行电气设备的施工设计。
电气设备施工设计的依据是电气控制电路图和所选定的电器元件明细表。
１．在进行电气设备的总体布置时，按照国标规定，首先要根据设备电气控制电路图和设备控制操作要求，决定采用哪些电气控制装置，如控制柜、操纵台或悬挂操纵箱等，然后确定设备电气装置的安放位；尽可能把电气设备组装在一起，使其成为一台或几台控制装置。
只有那些必须安装在特定位置的部件，如按钮、手动控制开关、行程开关、离合器、电动机等才允许分散安装在设备的各处。
所有电气设备应该可以靠近安放，便于更换、识别与检测。
２．绘制电气控制装置的电器布置图时，电源开关最好安装在电气柜内右上方，其操作手柄应装在电气柜前面或侧面。
电源开关上方最好不安装其他电器，否则，应把电源开关用绝缘材料盖住，以防电击；除了人工控制开关、信号和测量部件，电气柜的门上不得安装任何器件。
由电源电压直接供电的电器最好装在一起，从而与控制电压供电的电器分开。
一般可通过实物排列来进行电气柜的设计。
操纵台及悬挂操纵箱则可采用标准结构设计，也可根据要求选择，或适当进行补充加工和单独自行设计。
３．根据电气控制原理图与电气装置布置图，可进一步绘制电气控制装置接线图。
接线图的接线关系有两种画法：
一是直接接线法，即直接画出两元件之间的接线。
它适用于电气系统简单、电器元件少、接线关系简单的场合。
二是符号标准接线法，即仅在电器元件接线端处标注符号，以表明相互连接关系。
它适用于电气系统复杂、电器元件多、接线关系较为复杂的场合。
４．设备内部接线图应标明分线盒进线与出线的接线关系。
接线柱排上的线号应标清，以便配线施工；设备外部接线图表示设备外部的电动机或电器元件的接线关系。
它主要供用户单位安装配线用，应按电气设备的实际相应位置绘制、其要求与设备内部接线图相同。
（二）学习方法：
1．了解电气设备的总体布置的原则如下：
（1）功能类似的元件尽量组合在一起。
用于操作的各类按钮、开关、键盘、指示检测、调节等元件集中为控制面板组件；各种继电器、接触器、熔断器、照明变压器等控制电器集中为电气板组件；各类控制电源、整流、滤波元件集中为电源组件等。
（2）尽可能减少组件之间的连线数量。
接线关系密切的控制电器置于同一组件中，强弱电控制器尽量分离，以减少相互干扰。
（3）力求整齐美观
外形尺寸、重量相近的电器组合在一起。
电器在电气柜体内要做到布局合理和美观，柜体不能做得太大或太小。
（4）电器在电气柜体内的安装要便于检修。
为便于检查与调试，将需要经常调节、维护和易损元件组合在一起，置于电气柜中容易触及到的位置。
2．学习安排电器元件的位置的原则，学会通过实物排列进行电气柜内电器元件合理分布，安排好后绘制电器布置图。
3．依据电气原理图和电气控制装置的电器布置图，绘制电气控制装置的接线图，电气系统简单、电器元件少、接线关系简单的场合可采用直接接线法，即直接画出两元件之间的接线；电气系统复杂、电器元件多、接线关系较为复杂的场合，宜采用标准接线法，在电器元件接线端处标注符号，以表明相互连接关系。
（三）训练要点：
按实际例子，熟悉电气设备的总体布置的原则，学习绘制电气控制装置的电器布置图和电气控制装置的接线图。
（四）注意事项：
1．与电气原理图不同，在接线图中同一电器元件的各个部分如触点、线圈等必须画在一起。
2．除了人工控制开关、信号显示、测量器件外，电气柜门上不得安装任何器件。
3．将交流或直流动力电路、交流控制电路、直流控制电路分别用黑色、红色、蓝色等不同颜色的导线加以区分，保护导线采用黄绿双色线，使电气控制柜内的各部分电路一目了然。
第三节习题与思考题选解
一、教材中的习题解答
6-1．什么叫寄生电路？
设计电路时应如何防止产生寄生电路？
并举例说明。
答：
在控制电路的故障情况下或动作过程中，意外接通或非正常接通的电路叫寄生电路。
因为它会破坏电器元件和控制电路的动作顺序，损坏电器，因此在设计电路时要避免出现寄生电路，通常的做法是：
仔细分析构成电路的各组成部分，不仅要确认工作时相应部分的电器元件和电路都能正常反应，而且要确认电路指示部分或保护部分工作时是否会接通不该通的电路，甚至停止时是否会有意外接通的电路。
如下述电路：
控制电路的线电压为380V，KM1和KM2的线圈额定电压分别为380V和220V，当按下按钮SB2后，KM1和KM2线圈得电正常工作，但是按下按钮SB1后，即电路应该处于断电状态时，却产生了寄生回路，如图中虚线所示，使KM1和KM2线圈不正常得电而烧毁。
6-2．接触器两个线圈为何不允许串联后接于控制电路？
答：
电压线圈通常不能串联使用，如图（a）所示为不正确的连接。
由于他们的阻抗不尽相同，造成两个线圈上的电压分配不等。
即使是两个同型号线圈，外加电压是他们的额定电压之和，也不允许这样连接，因为电器动作总有先后，当有一个接触器先动作时，其线圈阻抗增大，该线圈上的电压降增大，使另一个接触器不能吸合，严重时将使线圈烧毁。
（a）接触器线圈的错误连接（b）电磁铁与继电器线圈错误的连接
在直流控制电路中，对于电感较大的电磁线圈，如电磁阀、电磁铁或直流电动机励磁线圈等不宜与相同电压等级的继电器直接并联工作。
如图（b）所示直流电磁铁YA与继电器KA并联，在KM触点闭合，接通电源时，可正常工作，但在KM触点断开后，由于电磁铁线圈的电感比继电器线圈的电感大得多，所以断电时，继电器很快释放，但电磁铁线圈产生的自感电动势可能时继电器又吸合一段时间，从而造成继电器的误动作。
图（c）所示的两个电路可以可靠工作。
图（c）
6-3．如何选用熔断器和热继电器？
答：
熔断器选择内容主要是熔断器种类、额定电压、额定电流等级和熔体的额定电流的确定。
（1）熔断器类型与额定电压选择。
根据负载保护特性和短路电流大小、各类熔断器的适用范围来选用熔断器的类型。
根据被保护电路的电压来决定熔断器的额定电压。
（2）熔体与熔断器额定电流选择。
熔断器熔体的额定电流大小与负载大小、负载性质有关。
对于负载平稳、无冲击电流，如一般照明电路、电热电路可按照负载电流大小来确定的熔体额定电流。
对于有冲击电流的电动机负载为达到短路保护目的，又保证电动机正常起动，对三相鼠笼式异步电动机其熔断器熔体的额定电流为：
单台电动机
式中IR----为熔体额定电流，A；
IN----为电动机额定电流，A；
多台电动机共用一个熔断器保护
式中IR----为熔体额定电流，A；
INMAX----为容量最大的电动机的额定电流，A；
∑IN----其他电动机额定电流之和，A
轻载起动或起动时间较短时，式中系数取1.5；重载起动或起动时间较长时，式中系数取2.5。
熔断器的额定电流大于或等于熔体额定电流。
（3）．熔断器上下级的配合
为满足选择性保护的要求，应注意熔断器上下级之间的配合，一般要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍，不然将会发生越级动作，扩大停电范围。
为此，当上下级采用同一种型号的熔断器时，其电流等级以相差两级为宜；若上下级所采用的熔断器型号不同时，则应根据保护特性上给出的熔断时间选取。
热继电器主要用于电动机的过载保护，因此必须了解电动机的工作环境、起动情况、负载性质、工作制及允许过载能力等因素之后再来综合考虑。
应使热继电器的安秒特性位于电动机的过载特性之下，并尽可能接近，以便充分发挥电动机的过载能力，同时对电动机在短时过载与起动瞬间不受影响。
（1）热继电器结构形式的选择。
星形连接的电动机可以选择两相或三相结构的热继电器，三角形连接的电动机应当选择带断相保护装置的三相结构热继电器。
（2）热元件额定电流的选择。
一般可按下式选取：
式中IR----热元件的额定电流。
A；
IN----电动机的额定电流。
A；
对于工作环境恶劣、起动频繁的电动机，则按下式选取
（3）根据需要的整定电流值选择热继电器的发热元件的编号和额定电流。
选择时应使发热元件的整定电流等于电动机的额定电流，同时整定电流应流有一定限度的上、下调整范围。
在重载起动以及起动时间较长时，为防止热继电器产生误动作，可将热元件在起动期间予以短接。
6-4．如何确定变压器的容量？
答：
控制变压器一般用于降低控制电路或辅助电路的电压，以保证控制电路安全可靠。
选择控制变压器的原则为：
（1）控制变压器原、副边电压应与交流电源电压、控制电路电压、与辅助电路电压要求相符。
（2）应保证接于变压器副边的交流电磁器件在通电时能可靠地吸合。
（3）电路正常运行时，变压器温升不应超过允许温升。
（4）控制变压器可按长期运行的稳升来考虑，这时变压器的容量应大于或等于最大工作负载的功率，即：
式中S-------控制变压器容量。
VA；
S1------电磁器件的吸持功
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