電機(jī)及拖動授課教案

《電機(jī)與拖動》教案08級電子信息科學(xué)與技術(shù)皖西學(xué)院機(jī)電學(xué)院二〇一二年八月緒論§１電機(jī)及電力拖動簡介什么是電機(jī)在現(xiàn)代，電能是一種廣泛應(yīng)用的能源。電能與其他能源相比，有突出的優(yōu)點。首先電能的生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換比較經(jīng)濟(jì)；其次電能傳輸與分配比較容易；再者電能的使用與控制比較方便，且易于實現(xiàn)自動化。因此，在現(xiàn)代社會中，電能的應(yīng)用已遍及各行各業(yè)中。在電能的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配、使用與控制等方面，都必須通過能夠進(jìn)行能量(或信號)傳遞與變換的電磁機(jī)械裝置，這些電磁機(jī)械裝置被廣義地稱為電機(jī)。通常所說的電機(jī)，是指那些利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計制造而成的、用于實現(xiàn)能量(或信號)傳遞與變換的電磁機(jī)械的統(tǒng)稱。按電機(jī)的功能來分類，電機(jī)可分為：(1)發(fā)電機(jī)——把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能；(2)電動機(jī)——把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能；(3)變壓器、變頻機(jī)、變流機(jī)、移相器等，是分別用于改變電壓、頻率、電流及相位的，即把一種類型的電能轉(zhuǎn)變成另一種類型的電能；(4)控制電機(jī)——應(yīng)用于各類自動控制系統(tǒng)中的控制元件。值得指出的是，從基本工作原理來看，發(fā)電機(jī)與電動機(jī)只是電機(jī)的兩種不同的運行方式，從能量轉(zhuǎn)換的觀點來看，二者是可逆的。上述的各種電機(jī)中，有些是靜止的，如變壓器；有些是旋轉(zhuǎn)的，如各種類型的發(fā)電機(jī)與電動機(jī)。按電流的類型及工作原理的某些差異，旋轉(zhuǎn)電機(jī)又可分為直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)及各種具有專門用途的控制電機(jī)等。電機(jī)以及電力拖動的發(fā)展概況始于19世紀(jì)60～70年代的第二次工業(yè)技術(shù)革命，是以電力的廣泛應(yīng)用為顯著特點的。從此人類社會由蒸汽機(jī)時代步入了電氣化時代。在法拉第電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上，一系列電氣發(fā)明相繼出現(xiàn)。1866年，德國工程師西門子制成發(fā)電機(jī)；1870年比利時人格拉姆發(fā)明了電動機(jī)，電力開始成為取代蒸汽來拖動機(jī)器的新能源。隨后，各種用電設(shè)備相繼出現(xiàn)。1882年法國學(xué)者德普勒發(fā)明了遠(yuǎn)距離送電的方法。同年，美國著名發(fā)明家愛迪生創(chuàng)建了美國第一個火力發(fā)電站，把輸電線結(jié)成網(wǎng)絡(luò)。從此電力作為一種新能源而廣泛應(yīng)用。那時，電機(jī)剛剛在工業(yè)上初步應(yīng)用，各種電機(jī)初步定型，電機(jī)設(shè)計理論和電機(jī)設(shè)計計算初步建立。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對電機(jī)也提出了更高的要求，如：性能良好、運行可靠、單位容量的重量輕體積小等，而且隨著自動控制系統(tǒng)的發(fā)展要求，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的理論基礎(chǔ)上，又派生出多種精度高、響應(yīng)快的控制電機(jī)，成為電機(jī)學(xué)科的一個獨立分支。電機(jī)制造也向著大型、巨型發(fā)展。中小型電機(jī)正向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效節(jié)能方向發(fā)展。各種響應(yīng)快速、起?？焖俚奶胤N電機(jī)在各種復(fù)雜的計算機(jī)控制系統(tǒng)和無人工廠中實現(xiàn)了比人的手腳更復(fù)雜而精巧的運動。古老的電機(jī)學(xué)已經(jīng)和電力電子學(xué)、計算機(jī)、控制論結(jié)合起來，發(fā)展成了一門新的學(xué)科。在我國，電機(jī)制造業(yè)也發(fā)生了巨大的變化。我國的電機(jī)生產(chǎn)從1917年至今已有80多年的歷史，經(jīng)過改革開放20多年的發(fā)展，特別是近10年的發(fā)展，有了長足的進(jìn)步，令世人矚目。目前已經(jīng)形成比較完整的產(chǎn)業(yè)體系，電機(jī)產(chǎn)品的品種、規(guī)格、性能和產(chǎn)量滿足了我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。而且一些產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。近來世界上電機(jī)行業(yè)專家紛紛預(yù)測，中國將會成為世界電動機(jī)的生產(chǎn)制造基地。近年來我國已生產(chǎn)了不少大型直流電動機(jī)、異步電動機(jī)和同步電動機(jī)；在中小型電機(jī)和控制電機(jī)方面，亦自行設(shè)計和生產(chǎn)了不少新系列電機(jī)；對電機(jī)的新理論、新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料、新運行方式和調(diào)試方法，進(jìn)行了許多研究和試驗工作，取得不少成果。與電機(jī)發(fā)展過程一樣，電力拖動技術(shù)也有個不斷發(fā)展的過程。電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械的運轉(zhuǎn)稱為電力拖動(或稱為電氣傳動)。電力拖動系統(tǒng)一般由控制設(shè)備、電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械和電源五部分組成。它們之間的關(guān)系如圖0.1所示。圖0.1電力拖動系統(tǒng)的構(gòu)成電力拖動代替蒸汽或水力拖動之初，電力拖動的方式是成組拖動，就是由一臺電動機(jī)

拖動一組生產(chǎn)機(jī)械，從電動機(jī)到各個生產(chǎn)機(jī)械的能量傳遞以及各個生產(chǎn)機(jī)械之間的能量分配完全用機(jī)械的方法，靠“天軸”以及機(jī)械傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)，車間里有大量的“天軸”、長皮帶和皮帶輪等。這種傳動方式效率低下，生產(chǎn)率低下，灰塵大，勞動條件和衛(wèi)生條件差，且容易出事故。另外，電動機(jī)發(fā)生故障，則成組拖動的所有生產(chǎn)機(jī)械都將停車，生產(chǎn)將可能停滯。顯然這是一種落后的電力拖動方式。20世紀(jì)20年代以來，生產(chǎn)機(jī)械上廣泛采用一種“單電機(jī)拖動系統(tǒng)”，即一臺生產(chǎn)機(jī)械用一臺單獨的電動機(jī)拖動。簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，且易于實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備運轉(zhuǎn)的全部自動化。但是，由于是一臺電動機(jī)拖動具有多個工作機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)機(jī)械，需要負(fù)責(zé)能量傳遞的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。所以，從20世紀(jì)30年代起，廣泛采用了“多電動機(jī)拖動系統(tǒng)”，即每個工作機(jī)構(gòu)由單獨的電動機(jī)拖動，因而生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以大大簡化，提高了機(jī)械機(jī)構(gòu)的可靠性。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技水平的提高，對拖動系統(tǒng)提出了更高的要求，如：要求提高加工精度與工作速度，要求快速起動、制動及反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)在大范圍內(nèi)調(diào)速以及整個生產(chǎn)過程自動化等。這些，都必須要有自動控制設(shè)備，以組成自動化的電力拖動系統(tǒng)。最早的電力拖動控制系統(tǒng)是繼電器-接觸器自動控制系統(tǒng)，屬于有觸點斷續(xù)控制系統(tǒng)。接著，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組，使得直流電動機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。并且在這個基礎(chǔ)上，發(fā)展成為采用電力電子器件組成的自動化直流電力拖動系統(tǒng)，并且正向大容量方向發(fā)展；自動化元件已有成套標(biāo)準(zhǔn)控制單元，控制裝置集成化、小型化、微型化，設(shè)備可靠性高，維護(hù)簡便，許多設(shè)備都可做到自動運行，不需要監(jiān)視和維護(hù)。由于交流電動機(jī)較之直流電動機(jī)具有：結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、維護(hù)方便、慣性小等一系列優(yōu)點，而且單機(jī)容量可以做得很大，電壓等級可以做得很高，可以實現(xiàn)高速拖動等，所以，人們一直在致力研究性能更高的交流調(diào)速系統(tǒng)。目前，隨著電力電子器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，性能指標(biāo)進(jìn)一步提高，容量進(jìn)一步增大，控制系統(tǒng)集成化程度進(jìn)一步提高。交流電力拖動系統(tǒng)取代直流電力拖動系統(tǒng)已經(jīng)是無可爭議的事實了。我國的電力拖動系統(tǒng)取得的發(fā)展是有目共睹的，但是，與國外比較，還是有很大差距。主要體現(xiàn)在：技術(shù)水平相對較低、拖動運行效率不高、成套技術(shù)不成熟等。目前，正在奮起直追，狠抓基礎(chǔ)，開展一些關(guān)鍵技術(shù)的研究，以期盡快縮短和國外的差距，力爭達(dá)到拖動系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最佳。3.電機(jī)及電力拖動系統(tǒng)的發(fā)展前景電氣化、信息化時代，在性能、可靠性及容量等方面，對電機(jī)提出了更高的要求。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)及變頻電機(jī)、大功率無刷直流電機(jī)、永磁同步無刷電機(jī)等得到了很大發(fā)展。同時，隨著新興行業(yè)的發(fā)展，微電機(jī)亦成為電機(jī)行業(yè)發(fā)展的亮點，是我國電工電器行業(yè)(電機(jī))發(fā)展的重點產(chǎn)品。稀土永磁電機(jī)，無軸承電機(jī)也是電機(jī)技術(shù)發(fā)展的新動向。與此相適應(yīng)，電機(jī)拖動也有了新的發(fā)展，對拖動系統(tǒng)又提出更高的要求，如要求提高加工的精度和工作的速度，要求快速啟動、制動和逆轉(zhuǎn)，實現(xiàn)很寬范圍內(nèi)的調(diào)速及整個生產(chǎn)過程的自動化等，這就需要有一整套自動控制設(shè)備組成自動化的電力拖動系統(tǒng)。而這些高要求的拖動系統(tǒng)隨著自動控制理論的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件和電力電子技術(shù)的采用，以及數(shù)控技術(shù)計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與采用，正在不斷地完善和提高。綜上所述，電力拖動技術(shù)發(fā)展至今，它具有許多其他拖動方式無法比擬的優(yōu)點。它啟動、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的控制簡單、方便、快速且效率高；電動機(jī)的類型多，且具有各種不同的運行特性來滿足各種類型生產(chǎn)機(jī)械的要求；整個系統(tǒng)各參數(shù)的檢測和信號的變換與傳送方便，易于實現(xiàn)最優(yōu)控制。因此，電力拖動已成為國民經(jīng)濟(jì)電氣自動化的基礎(chǔ)?！欤脖菊n程的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容和特點《電機(jī)及拖動》是電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它的主要任務(wù)是使學(xué)生掌握常用的交直流電機(jī)、變壓器、控制電機(jī)等的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，電力拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算，電機(jī)容量選擇及試驗方法等，為學(xué)習(xí)《工廠電氣控制設(shè)備》、《自動控制原理》、《信號與系統(tǒng)》等課程準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)知識?！峨姍C(jī)及拖動》是分析和解決電機(jī)與電力拖動系統(tǒng)的基本問題，主要包括直流電機(jī)及拖動、變壓器、異步電機(jī)及拖動、同步電動機(jī)、控制電機(jī)和電動機(jī)容量的選擇等內(nèi)容。課程學(xué)完后學(xué)生應(yīng)達(dá)到下列要求：掌握常用的交直流電機(jī)及變壓器的基本原理(電磁關(guān)系、能量關(guān)系)；掌握電動機(jī)機(jī)械特性以及各種運行狀態(tài)的基本原理；掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)的調(diào)速方法、調(diào)速原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；掌握電機(jī)與電力拖動系統(tǒng)的基本實驗方法與技能，并具有熟練的運算能力；掌握電力拖動系統(tǒng)中電動機(jī)容量的選擇；掌握控制電機(jī)的工作原理、特性及用途。本課程的特點是理論性強(qiáng)、實踐性也強(qiáng)。分析電機(jī)與電力拖動的工作原理要用電學(xué)、磁學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)理論，既要有時間概念，又要有空間概念，所以理論性較強(qiáng)；而用理論分析各種電機(jī)和電力拖動的實際問題時，必須結(jié)合電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)、采用工程觀點和工程分析方法，除要掌握基本理論以外，還應(yīng)注意培養(yǎng)實驗操作技能和計算能力，所以實踐性也較強(qiáng)。因此，學(xué)習(xí)本門課程應(yīng)該特別注意理論聯(lián)系實際?！欤潮菊n程常用的電磁定律與公式一．電路定律1．歐姆定律2．基爾霍夫第一定律（電流定律）或3．基爾霍夫第二定律（電壓定律）或二．全電流定律（安培環(huán)路定律）1．電流磁效應(yīng)凡是電流均會在其周圍產(chǎn)生磁場，叫電流的磁效應(yīng)，即所謂“電生磁”。磁力線的方向可根據(jù)電流的方向有右手螺旋定則確定。2．磁路的幾個基本物理量（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度ＢＢ的方向Ｂ的大小：與磁場方向垂直的單位面積即穿過的磁力線的數(shù)目。單位１Ｔ＝Ｇs（2）磁感應(yīng)通量穿過某一截面Ｓ的磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ的通量，即穿過某截面Ｓ的磁力線的數(shù)目，故稱為磁感應(yīng)通量，簡稱磁通。磁場均勻且與截面垂直時，。稱為磁通密度。的單位為Wb1Wb=108MxB的單位為T1T=1Wb/m21Gs=1Mx/cm2（3）磁場強(qiáng)度Ｈ或為導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率，反映介質(zhì)的導(dǎo)磁性能，大則導(dǎo)磁性能好。的單位Ｈ/ｍ，真空的=4πH/m。一般，＝，2000~6000（鐵磁性材料）H的單位為A/m或A/cm3．全電流定律磁場中沿任一閉回路的磁場強(qiáng)度Ｈ的線積分等于該閉回路回路所包圍的所有導(dǎo)體電流的代數(shù)和。這就是全電流定律。當(dāng)導(dǎo)體電流的方向與積分路徑的方向符合右螺旋關(guān)系時為正，反之為負(fù)。三．磁路及磁路定律磁路：磁通流通的路徑。鐵磁材料的磁化曲線（1）磁路的歐姆定律將全電流定律用于右圖所示的無分支磁路，可得

磁路中的磁通與作用在該磁路的上的磁動勢成正比，與磁路的磁阻成反比，稱為磁路的歐姆定律。磁阻磁導(dǎo)（2）磁路的基爾霍夫第一定律

對任一封閉面而言，穿入的磁通必于穿出的磁通，這是磁通連續(xù)原理。對有分支的磁路在磁通匯合處的封閉面上磁通的代數(shù)和等于零，即。圖中，（３）磁路的基爾霍夫第二定律將全電流定律應(yīng)用到任一閉合磁路上，有磁壓降的代數(shù)和等于磁動勢的代數(shù)和。圖例中磁路和電路的差別：（１）電路可以有電勢無電流，磁路中有磁動勢必然有磁通；（２）電路中有電流就有損耗（），恒定磁通下，磁路中無損耗；（３）而，磁路中必須考慮漏磁通；（４）電阻率在一定溫度下恒定不變，而鐵磁材料構(gòu)成的磁路中，隨Ｂ變化，即隨飽和度增加而增加。四．電磁感應(yīng)定律負(fù)號解釋：1．變壓器電動勢線圈與磁通之間沒有相對切割關(guān)系，僅由線圈交鏈的磁通發(fā)生變化而引起的感應(yīng)電動勢稱為變壓器電勢。見圖０－２，自感電動勢、互感2．運動電動勢（速率電動勢）若磁場恒定，構(gòu)成線圈的導(dǎo)體切割磁力線，使線圈交鏈的磁通發(fā)生變化，導(dǎo)體中感應(yīng)的電動勢稱為運動電動勢，三方向互相垂直時，其大小方向由右手定則確定。五．電磁力定律載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，三方向互相垂直時，其大小為方向由右手定則確定。六．能量守恒定律第一章直流電機(jī)的原理與結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)通稱為直流電機(jī)，二者是可逆的，若把直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量稱為電動機(jī)，反之稱為發(fā)電機(jī)。直流電動機(jī)與交流異步電動機(jī)相比，具有較好的啟動性能、在較寬的范圍內(nèi)達(dá)到平滑無級地調(diào)速，同時又比較經(jīng)濟(jì)；所以廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、電力機(jī)車、大型機(jī)床拖動系統(tǒng)以及玩具行業(yè)中。直流發(fā)電機(jī)主要是采用交流電機(jī)拖動用做直流電源，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管變流裝置將逐步取代用做直流電源的直流發(fā)電機(jī)。本篇主要分析直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理、運行特性以及起、制動、調(diào)速性能。電機(jī)是利用電磁作用原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械裝置。直流電機(jī)能將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或?qū)C(jī)械能換轉(zhuǎn)為直流電能。將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置稱為直流電動機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的裝置稱為直流發(fā)電機(jī)。直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用有色金屬多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、價格昂貴、運行可靠性差等缺點，限制了直流電機(jī)的廣泛應(yīng)用。隨著近年電力電子學(xué)和微電子學(xué)的迅速發(fā)展，在很多領(lǐng)域內(nèi)，直流電動機(jī)將逐步為交流調(diào)速電動機(jī)所取代，直流發(fā)電機(jī)則正在被電力電子器件整流裝置所取代。但是直流電機(jī)的主要優(yōu)點——良好的起動性能和調(diào)速性能、較大的過載能力等，使得直流電機(jī)在許多場合仍繼續(xù)發(fā)揮重要作用。如直流電動機(jī)常應(yīng)用于那些對起動和調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械，如大型機(jī)床、電力機(jī)車、軋鋼機(jī)、礦井卷揚機(jī)、船舶機(jī)械、造紙機(jī)和紡織機(jī)等。直流發(fā)電機(jī)作為直流電源，供給需要直流電能的場合，如化工中的電解、電鍍等。本章主要分析直流電動機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、磁場、感應(yīng)電動勢、電磁轉(zhuǎn)矩等問題。直流電機(jī)基本工作原理圖1.1是一臺直流電機(jī)的最簡單模型。N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個半圓形銅片(換向片)上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個半圓銅片上又分別放置一個固定不動而與之滑動接觸的電刷A和B，線圈abcd通過換向器和電刷接通外電路。1.直流電動機(jī)工作原理加于直流電動機(jī)的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電動機(jī)電樞線圈中流過的電流，方向是交變的，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動機(jī)的基本工作原理。實際的直流電動機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。2．直流發(fā)電機(jī)工作原理同直流電動機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動勢的方向也是交變的，而通過換向器和電刷的整流作用，在電刷A、B上輸出的電動勢是極性不變的直流電動勢。在電刷A、B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能。這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。從以上分析可以看出：一臺直流電機(jī)原則上可以作為電動機(jī)運行，也可以作為發(fā)電機(jī)運行，取決于外界不同的條件。將直流電源加于電刷，輸入電能，電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，作電動機(jī)運行；如用原動機(jī)拖動直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷上引出直流電動勢，作發(fā)電機(jī)運行。同一臺電機(jī)，既能作電動機(jī)運行，又能作發(fā)電機(jī)運行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和額定值1.直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由直流電動機(jī)和發(fā)電機(jī)工作原理示意圖可以看到，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。裝配后的電機(jī)如圖1.3所示。直流電機(jī)的縱向剖視圖如圖1.4所示。2．直流電機(jī)的電樞繞組按照連接規(guī)律的不同，電樞繞組分為單疊繞組(見圖1.11)、單波繞組(見圖1.12)、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、蛙繞組等多種類型。本節(jié)先介紹元件的基本特點，再以單疊繞組和單波繞組為例闡述電樞繞組的構(gòu)成原理和連接規(guī)律。1)電樞繞組元件電樞繞組元件由絕緣漆包銅線繞制而成，每個元件有兩個嵌放在電樞槽內(nèi)、能與磁場作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩或電動勢的有效邊，稱為元件邊。元件的槽外部分亦即元件邊以外的部分稱為端接部分。為便于嵌線，每個元件的一個元件邊嵌放在某一槽的上層，稱為上層邊，畫圖時以實線表示；另一個元件邊則嵌放在另一槽的下層，稱為下層邊，畫圖時以虛線表示。每個元件有兩個出線端，稱為首端和末端，均與換向片相連。如圖1.11、圖1.12所示。每一個元件有兩個元件邊，每片換向片又總是接一個元件的上層邊和另一個元件的下層邊，所以元件數(shù)S總等于換向片數(shù)K，即S=K；而每個電樞槽分上下兩層嵌放兩個元件邊，所以元件數(shù)S又等于槽數(shù)Z，即S=K=Z。2)節(jié)距節(jié)距是用來表征電樞繞組元件本身和元件之間連接規(guī)律的數(shù)據(jù)。直流電機(jī)電樞繞組的節(jié)距有第一節(jié)距y1、第二節(jié)距y2、合成節(jié)距y和換向器節(jié)距yk4種，如圖1.13所示。(1)第一節(jié)距。同一元件的兩個元件邊在電樞圓周上所跨的距離，用槽數(shù)來表示，稱為第一節(jié)距y1。一個磁極在電樞圓周上所跨的距離稱為極距τ，當(dāng)用槽數(shù)表示時，極距的表達(dá)式為式中p——磁極對數(shù)。(2)第二節(jié)距。第一個元件的下層邊與直接相連的第二個元件的上層邊之間在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為第二節(jié)距y2，如圖1.13所示。(3)合成節(jié)距。直接相連的兩個元件的對應(yīng)邊在電樞圓周上的距離，用槽數(shù)表示，稱為合成節(jié)距y，如圖1.13所示。(4)換向器節(jié)距。每個元件的首、末兩端所連接的兩片換向片在換向器圓周上所跨的距離，用換向片數(shù)表示，稱為換向器節(jié)距yk。由圖1.13可見，換向器節(jié)距yk與合成節(jié)距y總是相等的，即yk=y3.直流電機(jī)的勵磁方式勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按勵磁方式的不同，直流電機(jī)可以分為以下4類。1)他勵直流電機(jī)勵磁繞組由其他直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系，如圖1.20(a)所示。永磁直流電機(jī)也屬于他勵直流電機(jī)，因其勵磁磁場與電樞電流無關(guān)。圖1.20中電流正方向是以電動機(jī)為例設(shè)定的。2)并勵直流電機(jī)勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。如圖1.20(b)所示。勵磁電壓等于電樞繞組端電壓。以上兩類電機(jī)的勵磁電流只有電機(jī)額定電流的1%～5%，所以勵磁繞組的導(dǎo)線細(xì)而匝數(shù)多。3)串勵直流電機(jī)勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖1.20(c)所示。勵磁電流等于電樞電流，所以勵磁繞組的導(dǎo)線粗而匝數(shù)較少。4)復(fù)勵直流電機(jī)每個主磁極上套有兩套勵磁磁繞組，一個與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵繞組。一個與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵繞組，如圖1.20(d)所示。兩個繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相同時稱為積復(fù)勵，兩個磁勢方向相反時稱為差復(fù)勵，通常采用積復(fù)勵方式。直流電機(jī)的勵磁方式不同，運行特性和適用場合也不同。4.直流電機(jī)的額定值電機(jī)制造廠按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)電機(jī)的設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)而規(guī)定的每臺電機(jī)的主要性能指標(biāo)稱為電機(jī)的額定值。額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上或產(chǎn)品說明書上。直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項：

1)額定功率PN額定功率是指電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運行時所能提供的輸出功率。對電動機(jī)來說，額定功率是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率；對發(fā)電機(jī)來說，額定功率是指電樞輸出的電功率。單位為kW(千瓦)。2)額定電壓UN額定電壓是電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V(伏)。

3)額定電流IN額定電流是電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A(安培)。4)額定轉(zhuǎn)速nN額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min(轉(zhuǎn)/分)。額定值一般標(biāo)在電機(jī)的銘牌上，又稱為銘牌數(shù)據(jù)。還有一些額定值，例如額定轉(zhuǎn)矩TN、額定效率ηN等，不一定標(biāo)在銘牌上，可查產(chǎn)品況明書或由銘牌上的數(shù)據(jù)計算得到。額定功率與額定電壓和額定電流之間有如下關(guān)系：直流電動機(jī)PN=UNINηN×103kW直流發(fā)電機(jī)PN=UNIN×103kW直流電機(jī)運行時，如果各個物理量均為額定值，就稱電機(jī)工作在額定運行狀態(tài)，亦稱為滿載運行。在額定運行狀態(tài)下，電機(jī)利用充分，運行可靠，并具有良好的性能。如果電機(jī)的電樞電流小于額定電流，稱為欠載運行；電機(jī)的電樞電流大于額定電流，稱為過載運行。欠載運行，電機(jī)利用不充分，效率低；過載運行，易引起電機(jī)過熱損壞。1.3直流電機(jī)的磁場、電動勢、轉(zhuǎn)矩一．直流電機(jī)的磁場由直流電機(jī)基本工作原理可知，直流電機(jī)無論作發(fā)電機(jī)運行還是作電動機(jī)運行，都必須具有一定強(qiáng)度的磁場，所以磁場是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介。因此，在分析直流電機(jī)的運行原理以前，必須先對直流電機(jī)中磁場的大小及分布規(guī)律等有所了解。直流電機(jī)空載時勵磁磁勢單獨產(chǎn)生的氣隙磁密分布為一平頂波，如圖1.23(b)所示，負(fù)載時，電樞繞組流過電樞電流Ia，產(chǎn)生電樞磁勢Fa，與勵磁磁勢Ff共同建立負(fù)載時的氣隙合成磁密，必然會使原來的氣隙磁密的分布發(fā)生變化。通常把電樞磁勢對氣隙磁密分布的影響稱為電樞反應(yīng)。電刷放在幾何中性線上時電樞反應(yīng)的影響為：(1)使氣隙磁場發(fā)生畸變。半個極下磁場削弱，半個極下磁場加強(qiáng)。對發(fā)電機(jī)，是前極端(電樞進(jìn)入端)的磁場削弱，后極端(電樞離開端)的磁場加強(qiáng)；對電動機(jī)，則與此相反。氣隙磁場的畸變使物理中性線偏離幾何中性線。對發(fā)電機(jī)，是順旋轉(zhuǎn)方向偏離；對電動機(jī)，是逆旋轉(zhuǎn)方向偏離。(2)磁路飽和時，有去磁作用。因為磁路飽和時，半個極下增加的磁通小于另半個極下減少的磁通，使每個極下總的磁通有所減小。二．電樞繞組的感應(yīng)電動勢電樞繞組的感應(yīng)電動勢是指直流電機(jī)正負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是電樞繞組一條并聯(lián)支路的電動勢。電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組元件邊內(nèi)的導(dǎo)體切割電動勢，由于氣隙合成磁密在一個極下的分布不均勻，所以導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的大小是變化的。為分析推導(dǎo)方便起見，可把磁密看成是均勻分布的，取每個極下氣隙磁密的平均值Bav，從而可得一根導(dǎo)體在一個極距范圍內(nèi)切割氣隙磁密產(chǎn)生的電動勢的平均值eav，其表達(dá)式為eav=Bavlv式中Bav——一個極下氣隙磁密的平均值，稱平均磁通密度；l——電樞導(dǎo)體的有效長度(槽內(nèi)部分)；

v——電樞表面的線速度。由于，，所以，一根導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的平均值

設(shè)電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)為N(N＝2SW)，則每一條并聯(lián)支路總的串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為，因而電樞繞組的感應(yīng)電動勢式中，——對已經(jīng)制造好的電機(jī)，是一個常數(shù)，故稱為直流電機(jī)的電動勢常數(shù)。每極磁通Φ的單位用Wb(韋伯)，轉(zhuǎn)速單位用r/min時，電動勢Ea的單位為V。上式表明：對已制成的電機(jī)，電樞電動勢Ea與每極磁通Φ和轉(zhuǎn)速n成正比。三．電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩電樞繞組中流過電樞電流Ia時，元件的導(dǎo)體中流過支路電流ia，成為載流導(dǎo)體，在磁場中受到電磁力的作用。電磁力f的方向按左手定則確定，如圖1.27所示。一根導(dǎo)體所受電磁力的大小為如果仍把氣隙合成磁場看成是均勻分布的，氣隙磁密用平均值Bav表示，則每根導(dǎo)體所受電磁力的平均值為一根導(dǎo)體所受電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩，其大小為式中D——電樞外徑。不同極性磁極下的電樞導(dǎo)體中電流的方向也不同，所以電樞所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向部是一致的，因而電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩等于一根導(dǎo)體電磁轉(zhuǎn)矩的平均值Tav乘以電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)N，即式中——對已制成的電機(jī)是一個常數(shù)，稱為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。磁通的單位用Wb，電流的單位用A時，電磁轉(zhuǎn)矩T的單位為N·m(牛·米)。上式表明：對已制成的電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩T與每極磁通Φ和電樞電流Ia成正比。電樞電動勢電磁轉(zhuǎn)矩是直流電機(jī)兩個重要的公式。對于同一臺直流電機(jī)，電動勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT之間具有確定的關(guān)系：1.4直流電動機(jī)的基本平衡方程式直流電動機(jī)的基本平衡方程式是指直流電動機(jī)穩(wěn)定運行時，電路系統(tǒng)的電壓平衡方程式、能量轉(zhuǎn)換過程中的功率平衡方程式和機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式。一．電壓平衡方程式電樞回路的電勢平衡方程式為式中Ia——電樞電流；ra——電樞回路的電阻；2Δus——正負(fù)電刷的接觸電壓降落。在額定負(fù)載時，一般情況下取2Δus=2V。在電動機(jī)運行狀態(tài)下，由于U>Ea，電流從電網(wǎng)流入電樞繞組，成為電動機(jī)運行的電能。同樣，在電動機(jī)運行狀態(tài)下，電樞會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)向相同，成為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。同一臺電動機(jī)既可作為電動機(jī)運行，又可作為發(fā)電動機(jī)運行，只是各有異同。在兩種運行狀態(tài)下，電樞繞組中均產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如果端電壓U大于感應(yīng)電動勢Ea，即U>Ea，電流從電網(wǎng)流入電樞繞組，成為電動機(jī)運行；反之，如果U<Ea，則電樞繞組向外輸送電流，成為發(fā)電機(jī)運行。同樣，在這兩種運行狀態(tài)下，電樞均產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。在電動機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向同方向，成為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；而在發(fā)電動機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，使之成為制動轉(zhuǎn)矩。二．功率平衡方程式以并勵電動機(jī)為例來進(jìn)一步論述電動機(jī)內(nèi)部的功率平衡關(guān)系。并勵電動機(jī)的負(fù)載電流I為電樞電流Ia與勵磁電流If之和，I=Ia+If由電網(wǎng)輸入的電功率為式中MP稱為電磁功率，是電樞電流aI與電樞電動勢aE的乘積，是電樞繞組因切割主磁通而產(chǎn)生的電功率。輸入至電樞回路中的功率除了一小部分化作電樞回路的銅損ap和電刷接觸電損耗bp外，大部分為電磁功率MP。在直流電動機(jī)情況下，電磁功率就是轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功率的功率。這一轉(zhuǎn)變而來的機(jī)械功率尚不能全部被利用，還需克服鐵心損耗Fep、機(jī)械損耗mp和雜散損耗pΔ后，才是電動機(jī)軸上的輸出功率2P，即有電動機(jī)的功率平衡方程式為畫出直流并勵電動機(jī)的功率流程如圖所示。三．轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式是：式中，電動機(jī)軸的電磁轉(zhuǎn)矩一部分與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，另一部分是空載損耗。第二章變壓器§1變壓器的工作原理、分類及結(jié)構(gòu)變壓器的主要功能是把一種電壓的電能轉(zhuǎn)換為同頻率的另一種電壓的電能，故稱變壓器。實際上，它在變壓的同時還能改變電流，還可改變阻抗和相數(shù)。一．變壓器的工作原理變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組，如圖3－1所示。一個繞組接電源，稱為原繞組（一次繞組、初級），另一個接負(fù)載，稱為副繞組（二次繞組、次級）。原繞組各量用下標(biāo)1表示，副繞組各量用下標(biāo)2表示。原繞組匝數(shù)為N1，副繞組匝數(shù)為N2。圖1理想狀況如下（不計電阻、鐵耗和漏磁），原繞組加電壓，產(chǎn)生電流，建立磁通，沿鐵心閉合，分別在原副繞組中感應(yīng)電動勢和。說明只要改變原、副繞組的匝數(shù)比,就能按要求改變電壓。又∵∴說明變壓器在改變電壓的同時,亦能改變電流。二．變壓器的分類按用途分：電力變壓器和特種變壓器按相數(shù)分：單相、三相、多相變壓器按每相繞組數(shù)目分：雙繞組、三繞組、自耦變壓器三．變壓器的結(jié)構(gòu)（一）

鐵心作用、材料、基本形式（心式和殼式）（二）

繞組作用、材料、型式高壓繞組和低壓繞組同心式和交疊式（三）

油箱及其附件油箱、儲油柜、散熱器、分接開關(guān)、套管、氣體繼電器等（四）

銘牌及額定值1．型號2．額定容量kVA3．額定電壓V，kV4．額定電流A5．額定頻率HZ額定值之間的關(guān)系：單相變壓器：三相變壓器：例1§2單相變壓器的空載運行空載運行：原繞組加額定電壓，副繞組開路的運行情況稱為空載運行。圖3－1是變壓器空載運行示意圖。一．空載運行時的物理情況空載電流、主磁通、漏磁通、正方向（一）感應(yīng)電動勢和變比根據(jù)基爾霍夫電壓定律，原繞組電動勢平衡方程式由于，故，同時也很小，故可認(rèn)為。如果隨時間按正弦規(guī)律變化，則亦按正弦規(guī)律變化，根據(jù)可知，主磁通也按正弦規(guī)律變化。設(shè)則同理由此可知及在相位上均滯后于電角度，它們的有效值分別是寫成相量表達(dá)式為由于故有k稱為變壓器的變比，通常。(二)空載電流空載電流，又稱勵磁電流，包含兩個分量，分別承擔(dān)兩項不同的任務(wù)。一個分量叫磁化電流，其任務(wù)是建立幅值為的主磁通，為無功電流分量。另一個分量叫鐵耗分量，其任務(wù)為補償空載損耗（鐵耗），為有功分量。空載勵磁電流鐵耗電流與鐵耗的關(guān)系為通常，∴與之間的相位差接近。（三）漏電動勢與漏電抗漏磁通Φ1σ主要沿非鐵磁性物質(zhì)閉合的，磁路不會飽和，所以由漏磁通感應(yīng)的漏電動勢相量關(guān)系式式中—一次繞組的漏電抗,表征漏磁通對電路的電磁效應(yīng),為一常數(shù)。二．空載運行時的電動勢平衡方程式、相量圖及等效電路考慮漏電動勢和電阻壓降i0r1時，變壓器空載運行時的電動勢平衡方程式式中—原繞組的漏阻抗相應(yīng)的空載運行的相量圖如圖2所示。圖2變壓器的空載向量圖前面我們用了電抗壓降表示漏磁壓降（），從而引出漏電抗。如果主磁路也能如此處理，把電動勢也看成一個電抗壓降，從而引出勵磁電抗的概念，將對變壓器的分析和計算帶來許多方便。但考慮其主磁路與漏磁路不同，主磁通會在、鐵心中引起鐵耗。故還應(yīng)引入一電阻，亦即應(yīng)引入一個阻抗，即、、的計算根據(jù)可以畫出相應(yīng)的等效電路，如下圖3－3所示。

圖3§3變壓器的基本方程式一．負(fù)載運行時的物理情況負(fù)載運行時的物理情況可用下表表示

負(fù)載運行時的基本方程式圖4單相變壓器負(fù)載運行示意圖（一）

磁通勢平衡方程式不變，近似不變。故有上式表明，負(fù)載時原邊繞組電流由兩個分量組成：一個是維持主磁通的勵磁分量，另一個是用以補償二次繞組去磁磁通勢的負(fù)載分量。（二）

電動勢平衡方程式由基爾霍夫電壓定律可得綜合前面的分析，可得變壓器的基本方程式為§4變壓器的等效電路及相量圖一。繞組歸算歸算的目的：導(dǎo)出等效電路歸算的方法：是將一個匝數(shù)與一次繞組相等，電磁效應(yīng)與二次繞組相同的繞組去代替的二次繞組。歸算的算法如下：（一）

電動勢和電壓的歸算故同理動勢和電壓的歸算是乘以變比（二）

電流的歸算故電流的歸算是除以變比（三）

阻抗的歸算阻抗的歸算是乘以的平方變壓器歸算的基本方程式（1）（2）（3）（4）（5）二.等效電路根據(jù)經(jīng)過歸算以后的基本方程式，不難導(dǎo)出負(fù)載運行時的等效電路，如圖3－5所示，稱為T形等效電路?？梢姡儔浩髫?fù)載時的等效阻抗圖5

三.相量圖根據(jù)基本方程式和T形等效電路，不難畫出相應(yīng)的相量圖，如圖3－6所示。圖6相量圖的畫法視給定的條件而定，例如已知、、及變壓器的各個參數(shù)，則畫圖的步驟為：以作為參考相量，畫滯后一個角，在上加和得，主磁通超前，由此可以畫出和，落后于一個角度，在根據(jù)作出電流，再在上加上和，從而得原邊電壓.四.近似等效電路考慮到一般變壓器中，、，為簡化計算，可將勵磁支路前移，即把近似看成常數(shù)，不受負(fù)載影響，并忽略在、上的壓降，從而得到“”形等效電路，如圖7所示。在分析變壓器的許多負(fù)載問題時，如副邊電壓變化，并聯(lián)運行的負(fù)載分配等，由于，在工程實際中，可以忽略，即去掉勵磁支路，從而得到更為簡單的電路。如圖7圖8所示，稱為變壓器的近似等效電路。圖8§5等效電路參數(shù)的測定用基本方程式，等效電路或向量圖分析計算變壓器的運行性能時，必須知道變壓器的參數(shù)。對用戶來說，這些參數(shù)可以通過試驗方法測定。一．空載試驗從空載試驗可以求出變壓器的變比k，鐵耗及勵磁阻抗。單相變壓器空載試驗的接線圖如圖9。在工頻正弦的額定電壓下測取.圖9變壓器的變比（電壓比）：k=/變壓器的鐵耗：由于空載運行時空載電流很小，產(chǎn)生的銅耗可以忽略不計。為此近似認(rèn)為=.變壓器的勵磁阻抗：由空載運行時等效電路可得由于故可認(rèn)為由于的數(shù)值與磁路的飽和程度有關(guān)，一般應(yīng)以額定電壓下測得的數(shù)據(jù)計算勵磁參數(shù)?？蛰d試驗一般在低壓測取，測得的的數(shù)據(jù)后應(yīng)歸算到高壓側(cè)。二．短路試驗短路試驗可以測出變壓器的銅耗和短路阻抗。單相變壓器短路試驗的接線圖如10所示，在高壓側(cè)做。圖10高壓側(cè)加低電壓，約為額定電壓的5～10%，使低壓側(cè)電流等于額定電流，測取、和。變壓器的銅耗：由于施加電壓很低，鐵耗很小可忽略，所以變壓器的短路參數(shù)繞組的電阻隨溫度變化，而短路試驗一般在室溫下進(jìn)行。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，油浸式變壓器電阻應(yīng)折算到時的數(shù)值。短路試驗時，當(dāng)繞組中電流達(dá)到額定時，加在一次繞組的短路電壓應(yīng)為此電壓稱為阻抗電壓或短路電壓。通常用相對值表示：（阻抗電壓相對值）阻抗電壓相對值是變壓器很重要的參數(shù)之一。一般中小型電力變壓器的為4～10.5%，大型的為12.5～17.5%?！?三相變壓器三相變壓器有兩種型式：三相變壓器組和三相心式變壓器。三相變壓器對稱運行時，可以只分析其中的一相。猶如單相變壓器，但也有其特殊問題—電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)。一．三相變壓器的電路系統(tǒng)—聯(lián)結(jié)組（一）

聯(lián)結(jié)法高低壓繞組分別可以采用行星和三角形聯(lián)結(jié)方法。分別用Y(y)和D(d)表示。Y接有中線的用表示。（二）

聯(lián)結(jié)組三相變壓器原副繞組不同的聯(lián)結(jié)方法，繞組出線端的標(biāo)法，繞組的繞法均會使三相變壓器原副繞組線電動勢之間出現(xiàn)不同的相位差，對使用變壓器有重要影響。為此，必須確定每臺變壓器的聯(lián)結(jié)組。聯(lián)結(jié)組含有兩個內(nèi)容：原副繞組的聯(lián)結(jié)方法和反映相位差的聯(lián)結(jié)組標(biāo)號。1．

單相變壓器的聯(lián)結(jié)組通常同一相的原、副繞組套在同一個鐵心住上，設(shè)繞組的繞法相同。出線端的標(biāo)號如圖19（a）所示，電動勢的正方向總是由首端指向末端。由于A點的電位高于X時，a點的電位高于x（楞次定律）,即A和a同處于高電位或同處于低電位，稱為同極端，用“·”標(biāo)記。*********畫相量圖和同相，用“時鐘表示法”相當(dāng)于12點，標(biāo)號為“0”或“12”，其聯(lián)結(jié)組為I/I-12.圖19b)和反相，差，相當(dāng)于6點，其聯(lián)結(jié)組為I/I-6。規(guī)則：同極性端同為首端，電動勢同相；反之反相。2．

三相變壓器聯(lián)結(jié)組（1）Y,y聯(lián)結(jié)方法a.

Y,或Y,聯(lián)結(jié)組（圖3－20） 圖20 Y，y0聯(lián)接組 圖21Y，d11 a)聯(lián)接圖b)相量圖 a)聯(lián)接圖b)相量圖

畫繞組聯(lián)接圖，標(biāo)出首、末端和同名端；畫原邊電動勢相量圖；畫副邊電動勢相量圖，讓a與A重合；以為分針，指向12，以為時針，與重合，故標(biāo)號為“12”,聯(lián)結(jié)組為Y,。副繞組中性點引出中線時，聯(lián)結(jié)組為Y,,0b.Y,聯(lián)結(jié)組（2）或，聯(lián)結(jié)組（圖3－21）畫繞組聯(lián)接圖，標(biāo)上首、末和同名端；畫原繞組電動勢相量圖；畫副繞組電動勢相量圖，讓a與A重合；以為分針，指12，以為時針，指“11”，故標(biāo)號為“11”，聯(lián)結(jié)組為。原繞組中性點引出中線是，聯(lián)結(jié)組為，。如果將副繞組的首、末端對調(diào)，則聯(lián)結(jié)組為。二．三相變壓器的磁路系統(tǒng)——鐵心的結(jié)構(gòu)形式三相變壓器的磁路系統(tǒng)分兩種，三相變壓器隨之分為兩種。（一）三相變壓器由三臺單相變壓器組成，如圖3－22所示。三相變壓器互相獨立互不相關(guān)，三相空載電流對稱。費材料，價格較貴，運輸方便，備用容量小。（二）三相心式變壓器三相公用同一鐵心，如圖3－23C)所示?？梢钥闯墒怯扇龁蜗嘈氖借F心經(jīng)圖3－23a)、b)演變而來。三相磁路互相關(guān)聯(lián)，互成通路。三相磁路不完全對稱，三相空載電流也不完全對稱，B相的小，A、C三．三相變壓器電路系統(tǒng)和磁路系統(tǒng)對電動勢波形的影響考慮到磁路飽和的影響時，磁路中的磁通與勵磁電流的關(guān)系為非線性的磁化曲線。為此，如果磁通隨時間按正弦規(guī)律變化，則勵磁電流的波形為尖頂波。如圖24所示、除基波外還包含各奇數(shù)次諧波，當(dāng)磁化電流作正弦變化時，可得主磁通的波形為平頂波，除基波外，也含有奇次高次諧波，其中主要為三次諧波。諧波對電動勢、電流的大小影響不大，但對原、副繞組電動勢的波形有明顯影響，必須加以注意。

（一）聯(lián)結(jié)的三相變壓器中電動勢的波形由于原繞組接，三次諧波電流流不通，為正弦，為平頂波，包含三次諧波。1．三相變壓器組能順利流過，在原、副繞組中感應(yīng)電動勢和，與基波磁通感應(yīng)電動勢和相加，可知相電動勢的波形為尖頂波。由于電動勢中三次諧波對基波的比值三倍于磁通中的比值，三次諧波電動勢的含量可達(dá)基波電動勢的45～60℅以上，易使繞組絕緣擊穿。為此，三相變壓器不能采用或聯(lián)結(jié)組。2．三相心式變壓器由于不能在心式鐵心中閉合，只能通過油、油箱壁和鐵扼等形成閉路，磁阻大，使大為削弱，電動勢中的三次諧波不明顯，電動勢波形接近正弦。只是有三次諧波磁通通過油箱壁，會產(chǎn)生附加損耗，降低效率，并引起局部過熱，故一般只適用于1800KVA以下。（二）聯(lián)結(jié)的三相變壓器中電動勢的波形聯(lián)結(jié)組，原繞組可以流過三次諧波電流，勵磁電流為獎頂波。磁通接近正弦波，相電動勢接近正弦波。所以三相變壓器組和三相心式變壓器和電動勢均無問題。聯(lián)結(jié)組，勵磁電流接近正弦，磁通中本應(yīng)包含三次諧波，由于副繞組為三角形聯(lián)結(jié)，副繞組回路的三次諧波電動勢在副繞組中產(chǎn)生三次諧波環(huán)流。產(chǎn)生的磁通在相位上與近于反相，從而削弱，使鐵心中合成磁通的三次諧波很小，原、副繞組中感應(yīng)電動勢接近正弦波。由上可知，三相變壓器只要有一側(cè)作三角形聯(lián)結(jié)，電動勢的波形就不會有問題?！?變壓器的穩(wěn)態(tài)運行一．變壓器的運行特性變壓器運行特性的主要指標(biāo)有兩個：電壓調(diào)整率和效率。（一）

電壓調(diào)整率變壓器的外特性：、常數(shù)時的變壓器帶不同性質(zhì)負(fù)載時的外特性如圖3－26所示。純電阻負(fù)載時，端電壓變化較??；感性負(fù)載時，變化較大，但外特性都是下降的；容性負(fù)載時，外特性可能上翹，上翹程度隨容性的增大而增大。圖26圖27電壓調(diào)整率：，常數(shù)，從空載到負(fù)載時輸出電壓之差與副邊額定電壓之比，用百分?jǐn)?shù)表示：℅℅℅電壓調(diào)整率計算公式：由近似等效電路可得根據(jù)此式可以作出相應(yīng)的相量圖，如圖3－27所示。再作兩根輔助線。圖中實際上，bc很小，可近似為為此可得℅℅℅℅式中稱為負(fù)載系數(shù)由公式也可看出：電阻性負(fù)載：且較小；感性負(fù)載時：且較大；電容性負(fù)載時：，且故往往（都可能）。（二）

效率變壓器的損耗包含鐵耗和銅耗。鐵耗包括基本鐵耗（渦流損耗和磁滯損耗）和附加鐵耗；銅耗包括基本銅耗（直流電阻損耗）和附加銅耗兩部分。鐵耗可視為不變損耗。銅耗為可變損耗。變壓器的效率℅℅℅℅式中可近似認(rèn)為：,,,如此可得℅變壓器的效率特性如圖3－28所示。最高時的最高效率℅二．變壓器的并聯(lián)運行并聯(lián)運行的優(yōu)點：1．

供電的可靠性；2．提高系統(tǒng)的運行效率；3．減少備用容量；4．分期分批投資。并聯(lián)運行的理想情況：1．負(fù)載時，各變壓器之間無環(huán)流；2．負(fù)載時，各變壓器能合理分擔(dān)負(fù)載，即負(fù)載與容量成正比分配。變壓器并聯(lián)運行的理想條件：1．

原、副繞組的額定電壓相等，變比相等；2．

變壓器的聯(lián)結(jié)組相同；3．

變壓器阻抗電壓的相對值相等。前兩個條件之一不滿足時會產(chǎn)生環(huán)流，第三個不滿足時負(fù)載分配不合理。下面簡要分別加以說明：1．電壓比不等，則產(chǎn)生環(huán)流為=式中,為變壓器I,II歸算到二次側(cè)的短路阻抗。由于短路阻抗很小，所以KI,KII稍有不等，就可能產(chǎn)生較大的環(huán)流。環(huán)流必須增加空載時的損耗，負(fù)載時影響每臺變壓器的均衡性。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，空載環(huán)流不超過額定電流的0.5%，為此要求變壓器的電壓比的誤差=0.5%2、聯(lián)結(jié)組不同，將產(chǎn)生很大的環(huán)流，導(dǎo)致變壓器的損壞。如果一臺Y,y0與一臺Y,d11聯(lián)結(jié)組的變壓器并聯(lián)運行，它們副邊電壓相位相差300，向量圖如右所示。回路中兩電壓之差，回路中環(huán)流=

一般變壓器的短路阻抗為0.04~0.07，設(shè)和的相對值均為0.05，則環(huán)流的相對值將為==5.2

說明環(huán)流將為額定電流的5.2倍。為此，聯(lián)結(jié)組別相同的條件必須嚴(yán)格滿足。3、阻抗電壓的相對值不等，負(fù)載就不能合理分配。兩臺變壓器并聯(lián)時的近似等效電路如圖30所示，由圖可知；圖30=又因=故有=即=

由上面兩個式子相比，可得==

即

可見并聯(lián)變壓器的負(fù)載系數(shù)與短路阻抗的相對值（短路阻抗電壓的相對值）成反比。

例3（p89）

§8自耦變壓器與互感器一．自耦變壓器（一）

結(jié)構(gòu)特點每只只有一個繞組，原繞組的一部分兼作副繞組。如圖31所示。圖中標(biāo)出了每個物理量的正方向。其主要特點是原邊和副邊不但有磁的聯(lián)系，還有電的聯(lián)系。繞組的Aa部分稱為串聯(lián)部分，ax部分稱為公共部分。]（二）

工作原理繞組AX加上原邊輸入額定電壓，鐵心中產(chǎn)生主磁通，在繞組中感應(yīng)電動勢，每匝電勢均為，原繞組的電動勢副繞組的電動勢電壓比與雙繞組變壓器相同。繞組公共部分電流：忽略勵磁電流時，由磁通勢平衡關(guān)系，可得前式代入上式可得則有代入式70得可見，公共部分的電流比額定負(fù)載電流還要小。（三）

容量關(guān)系由式（73）可知，與反相，所以自耦變壓器的通過容量（額定容量）由此可知，自耦變壓器的額定容量由兩部分組成：一部分為電磁容量。另一部分為傳導(dǎo)容量，直接通過電的聯(lián)系由原邊傳導(dǎo)副邊。（四）

優(yōu)缺點及適用場合繞組容量（電磁容量）小于額定容量。用材料少，體積小，重量輕，成本低。鐵耗，銅耗小，效率高。缺點是內(nèi)部絕緣和過電壓保護(hù)均需加強(qiáng)。適用于k<3的電力變壓器，實驗室的調(diào)壓和異步電動機(jī)降壓起動等。二．互感器（一）

電壓互感器功能是將高電壓變?yōu)榈碗妷哼M(jìn)行測量。結(jié)構(gòu)特點是原繞組匝數(shù)很多，副繞組匝數(shù)很少，相當(dāng)于特殊的將壓變壓器。工作時副邊接電壓表，一般為100V，相當(dāng)于開路。工作原理：原繞組并接于被測線路。副繞組接入電壓表或其他測量儀表的電壓線圈。則—電壓互感器的電壓變化根據(jù)可知，如用配套的電壓表，表上可直讀的數(shù)值互感器的電壓比有誤差，相位亦有誤差，誤差的大小與勵磁電流的大小和漏阻抗的大小有關(guān)，為減少誤差，鐵心采用高度硅鋼片，且使鐵心工作在不飽和狀態(tài)。根據(jù)實際誤差的大小，精度分0.5、1.0和3.0三級。使用注意事項：1．二次側(cè)有一端可靠接地；2．二次側(cè)不能短路；3．負(fù)載不能超過規(guī)定值。（二）

電流互感器功能是將大電流變?yōu)樾‰娏鬟M(jìn)行測量。結(jié)構(gòu)特點是原繞組的匝數(shù)很少，副繞組的匝數(shù)很多。工作時副邊接電流表或其他測量儀表的電流線圈，相當(dāng)于工作在短路狀態(tài)的升壓變壓器。一次側(cè)電流可為5～2500A，二次側(cè)電流為5A.工作原理：原繞組為一匝（穿心）或幾匝，串接于被側(cè)電路。副繞組接電流表，測得電流，則被測電流—電流互感器的電流變化比根據(jù)，可知，如用配套的電流表，可直接讀取的數(shù)值。電流互感器亦有變化比和相位誤差，按電流比誤差的大小，精度分0.2、0.5、1.0、3.0、10.0五級。使用注意事項：1．二次側(cè)有一端可靠接地；2．副邊不準(zhǔn)開路；3．負(fù)載不能超過規(guī)定值。第三章三相異步電動機(jī)的基本原理異步電機(jī)是交流電機(jī)，主要做電動機(jī)用。異步電動機(jī)的優(yōu)缺點及用途。§1三相異步電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)一．旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場：極性和大小不變且以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生：對稱三相繞組流過對稱三相電流，產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢和旋轉(zhuǎn)磁場。三相對稱繞組：三套數(shù)據(jù)相同，空間（沿定子內(nèi)圓）互差電角度的繞組組成三相對稱繞組，圖1為最簡單的三相對稱繞組。三相對稱電流：（1）瞬時表達(dá)式：（2）電流變化曲線（圖2）旋轉(zhuǎn)磁場：規(guī)定電流為正時，從首端出，分析幾個特定瞬間：

由圖1分析可知：（1）對稱三相電流通過對稱三相繞組時，必然會產(chǎn)生一個大小不變，轉(zhuǎn)速一定的磁場。（2）由于電流變化一個周期，磁場轉(zhuǎn)過一對磁極，所以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速：（）稱為同步轉(zhuǎn)速。（一）工作原理定子三相對稱繞組，接通三相對稱電源，流過三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場（電生磁），切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，感應(yīng)電勢和電流（磁變生電），載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩（電磁生力），使轉(zhuǎn)子朝著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。（二）轉(zhuǎn)差率與運動狀態(tài)一般情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是略低于同步轉(zhuǎn)速“異步”之名由此而來，轉(zhuǎn)差是異步電機(jī)運行的必要條件，將轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速之比的百分值稱為轉(zhuǎn)差率S：轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)的一個基本參量，不同的數(shù)值范圍反映不同的運行狀態(tài)。電動機(jī)的運行狀態(tài)發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)電磁制動狀態(tài)三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)：圖3表示繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)，由定子和轉(zhuǎn)子組成。（一）定子定子鐵芯：導(dǎo)磁和嵌放定子三相繞組；0.5mm硅鋼片沖制涂漆疊壓而成；內(nèi)圓均勻開槽；槽形有半閉口；半開口和開口槽三種；適用于不同的電機(jī)定子繞組：電路；絕緣導(dǎo)線繞制線圈；由若干線圈按一定規(guī)律連接成三相對稱繞組；交流電機(jī)的定子繞組稱為電樞繞組機(jī)座：支撐和固定作用；鑄鐵或鋼板焊接（二）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵芯：導(dǎo)磁和嵌放轉(zhuǎn)子繞組；0.5mm硅鋼片；外圓開槽轉(zhuǎn)子繞組：分為籠型和繞線型兩種籠型繞組：電路；鑄鋁或銅條；優(yōu)缺點

繞線型繞組：對稱三相繞組；星接；集電環(huán)；優(yōu)缺點氣隙：氣隙大小的影響；中小型電機(jī)的氣隙為0.2~2mm§2三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)一．型號二．銘牌數(shù)據(jù)（額定數(shù)據(jù)）1.

額定功率。額定運行時輸出的機(jī)械功率2.

額定電壓3.

額定電流4.

額定頻率5.

額定轉(zhuǎn)速銘牌上還應(yīng)標(biāo)示定子繞組接法、絕緣等級（允許溫升）、繞線型異步電動機(jī)還應(yīng)標(biāo)示轉(zhuǎn)子額定電動勢及額定電流。§3三相異步電動機(jī)的定子繞組三相定子繞組的作用和要求。一．交流繞組的基本知識和基本量（一）電角度與機(jī)械角度電角度=P×機(jī)械角度（二）線圈一匝或多匝，首端和末端（三）節(jié)距一個線圈兩邊所跨定子圓周上的距離，用y1表示一般以槽數(shù)計，節(jié)距應(yīng)近似等于極距，時為整距，時為短距，其中。（四）槽距角相鄰兩槽之間的電角度（一個槽所在距離相應(yīng)的電角度）（五）每級每相槽數(shù)q每一個極下每相繞組所占的槽數(shù)

§4三相異步電動機(jī)的定子磁通勢及磁場根據(jù)繞組的構(gòu)成原理，先分析一個線圈的磁通勢，進(jìn)而分析一個線圈的磁通勢和一相繞組產(chǎn)生的磁通勢，再求三相繞組共同產(chǎn)生的合成磁通勢。一、

單相繞組的磁通勢（一）

整距線圈的磁通勢（圖12）一個整距線圈AX通以電流I時，電流為正（A出，X進(jìn)）時，下半部為N極，上半部為S極，用安培環(huán)路定律可得每個極下磁通勢為一常數(shù)，設(shè)磁力線自定子出為正，則氣隙中磁通勢沿圓周分布幅值應(yīng)為。如果電流為正弦交流，則此矩形波的高度將隨時間以電流交變的頻率交變。時，，范圍內(nèi)。矩形波高度為。時，，矩形波高度為零。，，磁通勢變?yōu)?，改變了方向。所以整距線圈產(chǎn)生的磁通勢任何瞬間，空間分布總為矩形波。而空間任何一點的大小隨電流的變化而變化。這種空間分布位置固定不變，而大小隨時間交變的磁通勢稱為脈振磁通勢，脈振頻率即電流變化的頻率。其數(shù)學(xué)表達(dá)式：對于多極電機(jī)，每一對極的磁通勢，分布情況與上相同，只是空間分布增加了p倍而已。為將線圈的磁通勢合成，用矩形波疊加很不方便，一般先用傅氏級數(shù)，將矩形分布的磁通勢分解成基波和一系列諧波，然后分別合成。矩形波分解如圖所示。對橫軸對稱，即，只含奇次諧波。又對縱軸對稱，即，∴只含余弦項，故有式中 =（二）線圈組的磁通勢1.整距線圈的線圈組磁通勢設(shè)q=3，三個線圈各產(chǎn)生一個矩形波磁通勢，分別進(jìn)行分解，則三個基波磁通勢大小相等，均為空間互差一個槽距角，可得線圈組基波合成磁通勢的幅值為：,而，所以式中稱為基波磁通勢的分布系數(shù)，其物理意義為：由于采用分布繞組，使基波磁通勢減小的倍數(shù)（<1）。同理，對于高次諧波式中稱為諧波磁通勢的分布系數(shù)。

2．短距線圈的線圈組磁通勢雙層線圈一般采用短距線圈，對合成磁通勢有影響。以雙層繞組為例，q=2,一對極下兩個短距線圈組。根據(jù)只要不改變各線圈邊中的電流大小和方向，產(chǎn)生的磁通勢就不變的規(guī)律，可以等效為兩個整距線圈組。這兩個整距線圈組在空間位移的角度正好等于線圈節(jié)距縮短的角度，為線圈組基波合成磁通勢式中稱為基波磁通勢的短距系數(shù)。其物理意義為：由于采用短距線圈，使基波磁通勢減小的倍數(shù)。對于次諧波，短距系數(shù)為如果取，因ν為奇數(shù)，則，次諧波得以完全消除。（三）一相繞組磁通勢一相繞組磁通勢不是整個繞組的安匝數(shù)，而是每對極下的合成磁通勢。為此，基波合成磁通勢的幅值式中稱為基波繞組系數(shù)。諧波磁通勢的幅值（安匝/極）一相繞組磁通勢的表達(dá)式：一相繞組磁通勢的幾點結(jié)論：（1）是脈振磁通勢；（2）基波的磁通勢幅值的位置與繞組的柱線重合；（3）基波的磁通勢幅值：，諧基波的磁通勢幅值：。二．三相繞組磁通勢——旋轉(zhuǎn)磁通勢（一）

脈振磁通勢的分解根據(jù)三角函數(shù)公式：可將一繞組的脈振磁通勢公式寫成： 此式表明一個脈振磁通勢分解為兩個分量，先分析第一個分量：時，磁通勢在空間分布如圖4—19，觀察此正弦分布曲線上為某一定值的A點，由于常數(shù)則有常數(shù)兩邊對t微分，可得沿氣隙周圍移動的線速度v沿氣隙周圍旋轉(zhuǎn)的速度由此可見是一個旋轉(zhuǎn)磁通勢，其幅值為一相磁通勢幅值的1/2，轉(zhuǎn)速。同理分析可得，亦是一個旋轉(zhuǎn)磁通勢，幅值為只是轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)向相反。結(jié)論：一個脈振磁通勢可以分解為兩個幅值相等、轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁通勢。三．三相繞組的基波合成磁通勢 若取A相繞組的軸線處作為空間坐標(biāo)的原點，則可得A，B，C三相基波磁通勢的表達(dá)式為： 分別將這3個脈振磁通勢分解，則得三相繞組的基波合成磁通勢顯然這亦是一個的旋轉(zhuǎn)磁通勢，只是幅值為一相磁通勢幅值的，用F1表示。以上是數(shù)學(xué)方法結(jié)論。亦可直觀圖解得到。綜和以上兩種方法?？傻萌嗬@組的基波合成磁通勢有一下三特征：（1）

是一過旋轉(zhuǎn)磁通勢，速度為同步轉(zhuǎn)速（）。旋轉(zhuǎn)方向決定于電源相序，從超前相轉(zhuǎn)向滯后相。（2）

幅值為一相磁通勢幅值的。恒定不變，故為圓形旋轉(zhuǎn)磁通勢。（3）

哪一相的電流達(dá)正的最大值，三相基波合成磁通勢的幅值就在哪一相繞組的軸線上。用同樣方法，可以分析各次諧波磁通勢。次，諧波合成磁通勢為正轉(zhuǎn)(與基波合成磁通勢轉(zhuǎn)向相同)旋轉(zhuǎn)磁通勢，次諧波合成磁通勢等于零。三．三相異步電動機(jī)的定子磁場

§5三相異步電動機(jī)定子繞組的電動勢三相異步電動機(jī)運行時，氣隙中總存在旋轉(zhuǎn)磁通勢建立的旋轉(zhuǎn)磁場，同時切割定、轉(zhuǎn)子繞組，分別在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢。基波旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生基波電動勢，諧波旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)產(chǎn)生諧波電動勢。一．繞組的基波電動勢設(shè)，如下圖b）所示

式中為離開坐標(biāo)原點的電角度，應(yīng)等于ωt，所以Bx=B1mSinωt（一）導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢e=Bxlv=B1mlvSinωt=Ec1Sinωt此電動勢的頻率f1=此電動勢的有效值Ec1=B1mlv由于一個極距內(nèi)磁通密度的平均值Bav=B1m，B1m=Bav=又v==2f1故（二）整距線圈的電動勢整距線匝的電動勢整距線圈的電動勢(三)短距線圈的電動勢一個線匝的兩根導(dǎo)體的電動勢，和的相位差比1800小一個ε角（個槽相應(yīng)的電角度），故匝電動勢：式中稱為基波電動勢的短距系數(shù)。計算方法與基波磁通勢的短距系數(shù)相同，大小相等。以后統(tǒng)稱為基波短距系數(shù)。（四）線圈組的感應(yīng)電動勢單層繞組，每相繞組線圈組的數(shù)目等于p，雙層繞組，每相線圈組數(shù)目等于，線圈組中每個線圈的電動勢大小相等，只是時間相位上互差一個槽距角。線圈組的電動勢應(yīng)是q個線圈電動勢的相量和，設(shè)q=3，則相量圖為下圖所示。

可見式中，稱為基波電動勢的分布系數(shù)線圈組的基波電動勢式中，稱為基波繞組系數(shù)。（五）一相繞組的基波電動勢對于單層繞組，a條并聯(lián)支路，共有p個線圈組，故有式中，為每相串聯(lián)匝數(shù)，即一條支路串聯(lián)的匝數(shù)。對于雙層繞組，a條并聯(lián)支路，共有2p個線圈組式中，為每相串聯(lián)匝數(shù)同理，可得一相繞組諧波電動勢有效值的計算公式E設(shè)計繞組時，可以采用適當(dāng)?shù)姆植级叹嗬@組，使接近于1，接近于零，就能明顯削弱諧波，從而改善電動勢的波形二．三相繞組的電動勢（一）

相電動勢實際電機(jī)定子一相繞組中的電動勢除基波分量以外，還有少量諧波分量，故每相電動勢的有效值應(yīng)為：（二）

線電動勢1．星形接法，線電勢不包含三和三的倍數(shù)次諧波2．三角形接法不包含三和三的倍數(shù)次諧波

第四章同步電動機(jī)前言：①同步電機(jī)是一種交流電機(jī)，主要作發(fā)電機(jī)使用；也可作電動機(jī)和調(diào)相機(jī)（專門用于電網(wǎng)的無功補償）使用；②同步電機(jī)定義：同步電機(jī)轉(zhuǎn)速n與定子電流頻率f和極對數(shù)p保持嚴(yán)格不變的關(guān)系，即；③主要內(nèi)容：電樞反應(yīng)；有功和無功調(diào)節(jié)；并聯(lián)運行；不對稱和突然短路6.1同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)1.旋轉(zhuǎn)磁極式定子-放置三相交流繞組轉(zhuǎn)子-放置勵磁繞組(主磁極)凸極式隱極式2旋轉(zhuǎn)電樞式定子-放置勵磁繞組(主磁極)轉(zhuǎn)子-放置三相交流繞組(需三個滑環(huán)引出或引入三相電流)一、同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)隱極同步電機(jī)(以汽論發(fā)電機(jī)為例)特點:轉(zhuǎn)速高為保證頻率f=50Hz,則發(fā)電機(jī)的極對數(shù)P少(一般為二極,2P=2)離心力大,需細(xì)長轉(zhuǎn)子(隱極式)0.5mm硅鋼片疊壓而成定子鐵心大型電機(jī)由扇型片拼成圓形1.定子矩形開口槽,徑向,軸向通風(fēng)道定子繞組-三相雙層繞組,扁銅線繞制而成,采用成型線圈外殼-用鋼板焊接而成轉(zhuǎn)子(1)由合金鋼鍛成,與轉(zhuǎn)軸制成一個整體,外園開槽,大齒和小齒(2)勵磁繞組為同心式繞組(3)采用高強(qiáng)度鋁合金槽楔,端部采用保護(hù)環(huán)固定3.滑環(huán)(集電環(huán))與電刷裝置.凸極同步電機(jī)特點:轉(zhuǎn)速低為保證f=50Hz,則需發(fā)電機(jī)的極對數(shù)P增大為保證放置P對磁極,則需轉(zhuǎn)子的直徑大.1.定子:定子鐵心-硅鋼片疊成,直徑可達(dá)20多米,矩形開口槽.定子繞組-雙層繞組2.轉(zhuǎn)子:凸極式鐵心由厚鋼板疊成勵磁繞組由扁銅線繞制而成阻尼繞組(起動繞組)-由銅條和端環(huán)構(gòu)成,用于同步電動機(jī)異步起動.二、同步電機(jī)的運行狀態(tài)穩(wěn)態(tài)運行情況下,定轉(zhuǎn)子磁場相對靜止功率角δ-定子合成磁場軸線與主極磁場(轉(zhuǎn)子磁場)軸線之間夾角.(用電角度表示)三種運行狀態(tài)發(fā)電機(jī)運行物理過程:直流電流→電刷→滑環(huán)→勵磁繞組→磁場原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)三相交流電動勢(頻率為),接入負(fù)載后,三相對稱電流,定子旋轉(zhuǎn)磁場以n1旋轉(zhuǎn).特點:<1>功率角δ>0(即主極磁場超前定子合成磁場)<2>轉(zhuǎn)子受到制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩Te<3>f∝,為保證f=50Hz恒定,需保證恒定,應(yīng)輸入轉(zhuǎn)矩T1與Te平衡.補償機(jī)運行狀態(tài)(或空載運行狀態(tài))當(dāng)δ=0時→Te=0物理過程:轉(zhuǎn)子同發(fā)電機(jī)運行狀態(tài),-主極磁場以旋轉(zhuǎn)定子接入三相對稱電源-定子合成磁場以旋轉(zhuǎn)特點:<1>δ=0.(主磁場與定子合成磁場重合)<2>電機(jī)內(nèi)沒有有功功率轉(zhuǎn)換電動機(jī)運行當(dāng)δ<0時→Te→(即主機(jī)磁場滯后定子合成磁場物理過程:定子接三相電源-定子合成磁場以旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子接直流電源-恒定磁場,去掉原動機(jī).特點:<1>δ<0<2>外施T2↑→δ↑→Te↑(與T2+T0平衡)保證n==常數(shù)<3>轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n==60f/p,即當(dāng)f一定,p一定時,n恒定.三.同步電機(jī)的勵磁方式四.額定值1.額定容量SN(或額定功率PN)-指輸出功率發(fā)電機(jī)用視在功率(KVA)或有功功率電動機(jī)用有功功率(KW)表示補償機(jī)用無功功率(Kvar)表示2.額定電壓UN—定子線電壓(V)3.額定電流IN—定子線電流(A)4.其他:,ηN,fN,nN,θN,UfN,IfN等三相同步電動機(jī)1同步電動機(jī)的工作原理一、三相異步電動機(jī)的同步運行n=n1時，異步電動機(jī)I2=0.此時轉(zhuǎn)子繞組通直流電時，轉(zhuǎn)子就會建立相對于轉(zhuǎn)子本身精致的磁場（恒定）。由于定轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速相同，因此相對靜止。根據(jù)同性相斥、異性相吸的原則，就可以是一臺異步電動機(jī)實現(xiàn)同步運行。：二、三相同步電動機(jī)的工作原理：三、同步電動機(jī)的電磁功率的公式：1．電壓方程：隱極機(jī)：凸極機(jī)：2．電磁功率：凸極機(jī)：隱極機(jī)：3.電磁轉(zhuǎn)矩方程：4.功率平衡：四、同步電動機(jī)的V形曲線和功率因數(shù)調(diào)整;1.三種激磁狀態(tài)：①正常激磁狀態(tài)：與同相，，吸有功P，Q=0；②過激運行狀態(tài)：超前，吸有功P，吸容性Q（發(fā)感性Q）；③欠激運行狀態(tài)：滯后，吸有功P，吸感性Q（發(fā)容性Q）；2.V形曲線：**結(jié)論：同步電動機(jī)最可貴的優(yōu)點，調(diào)If可改變它的無功輸出。五、同步電動機(jī)的起動異步起動法其他起動方法五、同步補償機(jī)1.目的：補償無功功率的不足；2.同步補償機(jī)運行實質(zhì)：運行于同步電動機(jī)（空載）狀態(tài)；3.同步補償機(jī)定義：是一種專門設(shè)計的無功功率發(fā)電機(jī)，更確切地說是一種不帶機(jī)械負(fù)載（即空載運行）的同步電動機(jī)。4.三種激磁狀態(tài)：①正常激磁狀態(tài)；②過激運行狀態(tài)；③欠激運行狀態(tài)；5.同步補償機(jī)特點：①同步調(diào)相機(jī)的額定容量是指在過激狀態(tài)時的額定視在功率；②由于軸上不帶負(fù)載，調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)軸比同容量的電動機(jī)的軸細(xì)；③提供感性無功，激磁線圈截面大，損耗也較大，通風(fēng)冷卻；動：異步電動機(jī)或輔助電動機(jī)法。第五章特種電機(jī)§１伺服電機(jī)運行時的電磁過程一．伺服電機(jī)負(fù)載時的物理情況定子三相對稱繞組接通三相對稱電源，流過三相對稱電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢F1和旋轉(zhuǎn)磁場,以同步轉(zhuǎn)速n0切割定，轉(zhuǎn)子繞組，分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和，轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，因而產(chǎn)生三相對稱電流，轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場當(dāng)中受到電磁力作用，使轉(zhuǎn)子朝著旋轉(zhuǎn)磁場的方向以轉(zhuǎn)速n(<n0)旋轉(zhuǎn)，空載時，電磁轉(zhuǎn)矩僅需克服摩擦和風(fēng)阻的阻轉(zhuǎn)矩，很小，為此，，電機(jī)的磁通勢Fmo=F10，異步電機(jī)負(fù)載時，轉(zhuǎn)速下降，n(<n0)，及均增大，I2產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁通勢F2，此時電機(jī)中的磁通勢應(yīng)由定、轉(zhuǎn)子繞組共同產(chǎn)生。（一）

轉(zhuǎn)子磁通勢以繞線型轉(zhuǎn)子為例，結(jié)論同樣適用于鼠籠轉(zhuǎn)子。1．F2的旋轉(zhuǎn)方向如圖5－1所示，轉(zhuǎn)子繞組的相序取決于定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢的轉(zhuǎn)向又取決于轉(zhuǎn)子繞組的相序，因而旋轉(zhuǎn)磁通勢的方向與定子磁通勢的旋轉(zhuǎn)方向相同。圖5-1轉(zhuǎn)子繞組的相序

2．F2的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子電路的頻率轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通勢F2相對于轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子本身以轉(zhuǎn)速n向前旋轉(zhuǎn)，所以F2相對于定子的轉(zhuǎn)速（空間轉(zhuǎn)速）為即轉(zhuǎn)子磁通勢Ｆ２和定子磁通勢Ｆ１的轉(zhuǎn)速是相同的，均為ｎ０，所以Ｆ２與Ｆ１在空間相對靜止，無相對運動。（二）

磁通勢平衡關(guān)系負(fù)載時，轉(zhuǎn)子磁通勢F2與定子磁通勢F1在空間相對靜止，其合成磁通勢保持定值，此時氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場由此合成磁通勢產(chǎn)生，即而空載時

由于電動機(jī)空載和負(fù)載時，所加電壓U1N保持不變，電動勢近似不變，所以，故有即上式表明：負(fù)載時定子磁通勢包含兩個分量：一個分量（）作用是抵消轉(zhuǎn)子磁通勢對主磁通勢的影響，其大小與相同，方向則相反，另一個分量，它的作用是產(chǎn)生主磁通。（三）

電磁關(guān)系異步電機(jī)負(fù)載時內(nèi)部的電磁關(guān)系可用圖5－2表示圖5－2異步電動機(jī)負(fù)載運行時的電磁關(guān)系圖中二．基本方程式（一）

磁通勢平衡方程式已知即寫成式中稱為異步電機(jī)的電流比由此可得用電流形式表示的磁通勢平衡平衡方程式說明負(fù)載時定子電流包含兩個分量，一個分量為負(fù)載分量（），其作用為抵消轉(zhuǎn)子電流對主磁通的影響；另一個分量為勵磁分量，其作用是產(chǎn)生氣隙主磁通。（二）

電動勢平衡方程式仿照變壓器中各物理量正方向確定方法規(guī)定各量正方向。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可以寫出定、轉(zhuǎn)子的電動勢平衡方程式式中－轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)的電阻，對籠型轉(zhuǎn)子，。與變壓器中一樣，可將電動勢用相應(yīng)的阻抗壓降來表示：式中Zm－勵磁阻抗，表征鐵芯磁化特性和鐵耗的綜合參數(shù)Xm—勵磁電抗，與氣隙主磁通相對應(yīng)rm—勵磁電阻，反映鐵耗同理式中X1—定子漏抗X2s—轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)差率S旋轉(zhuǎn)時的漏抗X2s=SX2由此，電動勢平衡方程式可表示為：加上（稱為異步電機(jī)的電動勢比）稱為異步電機(jī)負(fù)載時的基本方程式。

§2伺服電機(jī)的等效電路及相量圖一．等效電路三相異步電機(jī)負(fù)載運行時，不但原、副繞組的電動勢不相等，而且頻率也不一樣（），為此，得出等效電路，不但要像變壓器那樣進(jìn)行繞組歸算，還應(yīng)進(jìn)行頻率歸算。（一）

頻率歸算轉(zhuǎn)子對定子的作用是通過磁通勢Ｆ２產(chǎn)生，只要維持歸算前后Ｆ２不變即可。亦即只要維持轉(zhuǎn)子繞組的電流不變。由轉(zhuǎn)子繞組電動勢平和方程式可得：式中分別為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時每相繞組的電動勢、電流和漏電抗。經(jīng)過以上變換后得到的電流在大小和相位上完全與一樣，但物理意義卻大不相同，等于轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的電動勢除以轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的漏電抗Ｘ２和轉(zhuǎn)子等效電阻，所以這時的頻率已經(jīng)變成了。變換后的轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)角也與原來一樣，即綜上所述，用一個靜止的轉(zhuǎn)子去等效代替一個實際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，只要把轉(zhuǎn)子電路的電阻ｒ２改為ｒ２／２（相當(dāng)于在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)了一個的電阻），電抗改為，用這些阻抗去除轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的，就能得到一個大小和相位與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時一樣，而頻率為的轉(zhuǎn)子電流。這個電流產(chǎn)生的與原來的一樣。這種用一個靜止不動的轉(zhuǎn)子代替實際旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，從而使轉(zhuǎn)子回路的頻率由變?yōu)榈姆椒?，就叫頻率歸算。（二）

繞組歸算頻率歸算后的電路如圖5－3所示，與變壓器情況類似，雖然兩邊的頻率已相同，但欲連成一個電路，還需進(jìn)行繞組歸算。繞組歸算是人為地假想相數(shù)、每相串聯(lián)匝數(shù)以及繞組系數(shù)均和定子繞組相同的繞組等效替代相數(shù)為、每相串聯(lián)匝數(shù)為以及繞組系數(shù)為，并經(jīng)過頻率歸算的轉(zhuǎn)子繞圖5-3頻率歸算后異步電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電路圖

組，歸算原則是歸算前后轉(zhuǎn)子對定子的電磁效應(yīng)不變，即轉(zhuǎn)子磁通勢不變，各部分的功率不變。1．電流的歸算歸算前后轉(zhuǎn)子磁通勢不變，可得歸算后的電流即除以電流比2．電動勢的歸算由轉(zhuǎn)子總視在功率不變，得歸算后