电机与拖动电子教案电机与拖动电子教案电机与拖动电子教案电机与拖动电子教案绪论绪论第一章第一章 直流电机直流电机第二章第二章 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动第三章第三章 变压器变压器第四章第四章 三相异步电动机三相异步电动机第五章第五章 三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动第六章第六章 同步电机同步电机第七章第七章 驱动和控制微电机驱动和控制微电机第八章第八章 电力拖动系统中电动机的选择电力拖动系统中电动机的选择电机与拖动电子教案绪 论 电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机是利用电磁感应原理工作的机械。 电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。有变压器和旋转电机。0.1 电机及电力拖动系统概述两种方法归纳如下两种方法归纳如下： 电机电机变压器变压器直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机交流电机交流电机控制电机控制电机同步电机同步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电机异步电机异步发电机异步发电机异步电动机异步电动机绪 论 电机拖动系统电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。它们之间的关系如下它们之间的关系如下 电动机电动机传动机构传动机构生产负载生产负载控制设备控制设备电源电源绪 论 本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。农业电气化与自动化等专业的一门专业基础课。0.2 本课程的性质、任务和内容 本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以本课程的任务是让学生掌握电机的基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。和工作打下坚实的基础。 本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、驱动和控制微电机、电动机的选择八个部分。驱动和控制微电机、电动机的选择八个部分。绪 论 电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专电机与拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。0.3 本课程的特点及学习方法 为了学好本门课程，必须做到以下几点：为了学好本门课程，必须做到以下几点：1 1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；2 2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3 3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；共性和特点，加深对原理和性能的理解；4 4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5 5、充分预习和复习。、充分预习和复习。 1.2 1.2 直流电机电枢绕组简介直流电机电枢绕组简介1.3 1.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。电动机的工作特性。1.4 1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.5 1.5 直流电机的换向直流电机的换向1.6 1.6 直流发电机直流发电机1.7 1.7 直流电动机直流电动机1.1直流电机的基本工作原理与结构直流电机的基本工作原理与结构思考题与习题思考题与习题基本要求：基本要求：1.掌握直流电机的基本工作原理；2.了解直流电机的基本结构和各部件的主要作用；3.明确直流电机的铭牌中主要额定数据及其含义以及在使用电机时应当注意的事项；4.理解单叠绕组和单波绕组各节距的计算方法；4.能够看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组的展开图。了解各绕组的主要特点；5.了解电枢反应对电机的影响；6.掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式；7.理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩的性质；8.了解直流电机的换向过程和改善换向的方法；9.了解直流电机的各种励磁方式；10.掌握电磁功率的关系式，并理解直流电机中机电能量是可以彼此互相转换的；11.了解电机的可逆原理。了解如何判断一台电机是电动状态还是发电状态；12.掌握根据发电机惯例和电动机惯例的稳态运行基本方程式；13.掌握自励直流发电机的自励建压过程和条件；14.掌握直流发电机的运行特性；15.掌握他励直流电动机运行时电机内的功率关系。1.1.1 直流电机的工作原理直流电机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，右图为直流发电机的物理模型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定在可是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端枢。线圈的首末端a a、d d连接到两个连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。电刷进行的。直流发电机直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。是将机械能转变成电能的旋转机械。 当原动机驱动当原动机驱动电机转子逆时针旋电机转子逆时针旋转时同，线圈转时同，线圈abcdabcd将感应电动势。如将感应电动势。如右图，导体右图，导体abab在在N N极极下，下，a a点高电位，点高电位，b b点低电位；导体点低电位；导体cdcd在在S S极下，极下，c c点高电点高电位，位，d d点低电位；电点低电位；电刷刷A A极性为正，电刷极性为正，电刷B B极性为负。极性为负。 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后，如右图后，如右图。 与电刷与电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下，与电刷极下，与电刷B B接触的导体总是位接触的导体总是位于于S S极下极下, ,电刷电刷A A的极性总是正的，的极性总是正的，电刷电刷B B的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷A A、B B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。 导体导体abab在在S S极下，极下，a a点低电位，点低电位，b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点点低电位，低电位，d d点高电位；电刷点高电位；电刷A A极性极性仍为正，电刷仍为正，电刷B B极性仍为负。极性仍为负。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N N、S S极交替旋转多对。极交替旋转多对。二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。 直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。 原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极极下，受力方向从左向右，原下，受力方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下，受力方极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。下继续逆时针方向旋转。 与直流发电机相同，实际的与直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。磁极也并非一对。 当电枢旋转到右图所示位置时当电枢旋转到右图所示位置时直流电直流电动机的动机的工作原工作原理示意理示意图图:1.1 直流电机的基本工作原理和结构1.1.2 直流电机的主要结构主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极换向磁极：改善换向。：改善换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。定子定子转子转子换向器换向器：与电刷装置配合与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互换。完成直流与交流的互换。电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。转转 轴：轴：由钢铁做成。由钢铁做成。轴轴 承：承：1.1.3 直流电机的铭牌数据及主要系列额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运欠载运行；运行电流大于额定电流行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。作性能等比较好。1.2.1 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识1.2 直流电机的电枢绕组简介元件元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。一根称为首端，另一根称为末端。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。表示。叠绕组叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。第一节距第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。合成节距合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第二节距第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。层边与第二个元件的上层边间的距离。单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。同一元件首末端连接的换向片之间的距离。1.2.2. 1.2.2. 单叠绕组单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件单叠绕组的特点是相邻元件( (线圈线圈) )相互叠压相互叠压, ,合成节距与换向合成节距与换向节距均为节距均为1,1,即：即： 单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。电刷间的相对位置关系。单叠绕组的展开图单叠绕组的展开图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图:单叠绕组的的特点单叠绕组的的特点：1 1）同一主磁极下的元件）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。数与支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。并联支路电动势。3 3）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路电流之和。电流之和。. . . 单波绕组单波绕组 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。图所示。 两个串联元件放在两个串联元件放在同极磁极下，空间位置同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，周向一个方向绕一周后，其末尾所边的换向片落其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻在与起始的换向片相邻的位置。的位置。单波绕组的并联支路图单波绕组的并联支路图:单波绕组的特点单波绕组的特点1 1）同极下各元件串联）同极下各元件串联起来组成一条支路，支起来组成一条支路，支路对数为路对数为1 1，与磁极对，与磁极对数无关；数无关；2 2）当元件的几何形）当元件的几何形状对称时，电刷在状对称时，电刷在换向器表面上的位换向器表面上的位置对准主磁极中心置对准主磁极中心线，支路电动势最线，支路电动势最大大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。1.3.1直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应电枢反应。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流，流过电流 ，每极的励，每极的励磁磁动势为：磁磁动势为： 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而电动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得小得多，大约是主磁通的多，大约是主磁通的20%20%。磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。大小和形状。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状 磁极中心及附近的气磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通几何中性线处，气隙磁通密度为零。密度为零。 空载时的气隙磁通密度为空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图一平顶波，如下图(b) (b) 所示。所示。 空载时主磁极磁通的分空载时主磁极磁通的分布情况，如右图布情况，如右图(c) (c) 所示。所示。 为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通的每极磁通 ，空载时，气隙磁，空载时，气隙磁通通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁或空载励磁电流电流 的关系，称为直流电机的空的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。载磁化特性。如右图所示。 为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁一般直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。性曲线开始进入饱和区的位置。1.3.2 直流电机负载时的负载磁场直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称中有电流，电枢电流产生的磁动势称为为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。电机的磁场发生变化。 右图为一台电刷放在几何中性右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。情况。 假设励磁电流为零，只有电枢电假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为为交轴磁动势交轴磁动势。 如果认为直流电机电枢上如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则有无穷多整距元件分布，则电电枢磁动势枢磁动势在气隙圆周方向空间在气隙圆周方向空间分布呈分布呈三角波三角波，如图中，如图中 所所示。示。 由于主磁极下气隙长度基由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的为对称的马鞍型马鞍型，如图中，如图中 所示。所示。1.3.31.3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为称为电枢反应电枢反应。电枢反应与电刷的。电枢反应与电刷的位置有关。位置有关。1 1、当电刷在几何中性线上时当电刷在几何中性线上时，将，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（如图（a a）所示。）所示。主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线通密度分布曲线由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线与空载角，磁通密度的曲线与空载时不同。时不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为性线时的电枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。2 2、当电刷不在几何中性线上时、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随角，电枢磁动势轴线也随之移动之移动 角，如图角，如图(a)(b)(a)(b)所示。所示。 电枢磁动势可以分解电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电为两个垂直分量：交轴电枢磁动势枢磁动势 和直轴电枢和直轴电枢磁动势磁动势 。电刷顺转向偏移电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁电动机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁1.4.1 直流电机的电枢电动势1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时电枢旋转时, ,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。枢电动势。性质性质: : 发电机发电机电源电势电源电势( (与电枢电流同方向与电枢电流同方向);); 电动机电动机反电势反电势( (与电枢电流反方向与电枢电流反方向).).)(电动势常数电动势常数为电机的结构常数为电机的结构常数其中其中可见可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。大小大小: :1.4.2 直流电机的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时, ,在磁场内受电磁力的作用在磁场内受电磁力的作用, ,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小: :性质性质: : 发电机发电机制动制动( (与转速方向相反与转速方向相反) )； 电动机电动机驱动驱动( (与转速方向相同与转速方向相同) )。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比流成正比为电机的转矩常数，有为电机的转矩常数，有其中其中1.5.1 1.5.1 换向概述换向概述1.5 直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时支路时, ,元件里的电流方向改变，即元件里的电流方向改变，即换向换向。 电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1的被短路，电流的被短路，电流被分流。被分流。 电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中的中的电流方向如图所示，大小为电流方向如图所示，大小为 。 电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中的电流方向如图所示，大小为的电流方向如图所示，大小为 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周换向周期期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。1.5.2 1.5.2 换向的电磁理论换向的电磁理论换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：自感电动势自感电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。程中电流改变而产生的。切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为： 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。是阻碍换向的。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。的电动势。换向电动势是帮助换向的换向电动势是帮助换向的。换向元件中的电流：换向元件中的电流： 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和和 ，元件，元件自身的电阻为自身的电阻为 , ,流过的电流为流过的电流为 , ,元件与换向片间的连线电阻为元件与换向片间的连线电阻为 , ,元件在换向时的回路方程：元件在换向时的回路方程： 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向片的接触总电阻为换向片的接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变，则可推导出换向元件中的电流变化规律为化规律为一、直线换向当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线性变化。线性变化。当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向当当 时换向元件电流随时间再时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向直线换向直线换向延迟换向延迟换向超越换向超越换向1.5.3 改善换向的方法改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。产生火花。 改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设换向磁极装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势的磁动势抵消电枢反应磁动势1.6.1 1.6.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.6 直流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励他励和和自励自励两大类，自励方式又分两大类，自励方式又分并励并励、串励串励和和复励复励三种方式。三种方式。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。由其它直流电源单独供给。 他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：2 2、并励、并励：发电机的励磁绕组与电发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足4 4、复励：、复励： 并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。1.6.2 1.6.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向一一. .电动势平衡方程电动势平衡方程从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足二二. . 转矩平衡方程转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转矩矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为：直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流三、励磁特性公式三、励磁特性公式每极气隙磁通每极气隙磁通四四. .功率平衡方程功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率电磁功率机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗铁损耗、附加损耗附加损耗 空载损耗空载损耗 包括：包括： 电磁功率电磁功率一方面代表电动势为一方面代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。械功率。电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗输出的电功率输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗1.6.3 他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性一、空载特性定义定义: :当当 、 时，时， 直流发电机的空载特性是非线直流发电机的空载特性是非线性的，上升与下降的过程是不相同性的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。为空载特性曲线。空载时空载时空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线平均空载特性曲线空载特性实质上就是空载特性实质上就是 。所以空载特性曲线的形状与空载磁所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。化特性曲线相同。二、外特性定义：当定义：当 、 时，时， 由曲线可见，负载电流增大时，端由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。电压有所下降。他励他励并励 根据根据 可知可知端电压下降端电压下降有两个原因：有两个原因：(一一)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；作用使每极磁通量减少，使电动势减少；(二二)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。下降。为什为什么低么低? ?三、调节特性定义：当定义：当 、 时，时， 由曲线可见，在负载电流变化由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响路电阻压降对对输出端电压的影响. .1.6.41.6.4 并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。条件称为自励条件。一、自励条件 曲线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线, ,曲线曲线2 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线，特性曲线，也称场阻线也称场阻线 。 原动机带动发电机旋转时，如果主磁原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生动势。在电动势作用下励磁回路产生 。增大增大 , ,场阻线变为曲线场阻线变为曲线3 3时，时， 称为临界电阻称为临界电阻 。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压与与 相等，达到稳定的平衡工作点相等，达到稳定的平衡工作点A A。可见，并励直流发电机的自励条件有：可见，并励直流发电机的自励条件有：二、空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确思考题思考题电机正转能自电机正转能自励励, ,反转能自励反转能自励吗吗? ?三、外特性三、外特性四、调节特性四、调节特性 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。 对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步进一步下降下降。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。1.7 直流电动机1.7.1 1.7.1 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理以他励电机为例说明可逆原理：以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变。联于直流电网上运行保持电源电压不变。 一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。就是直流电机的可逆原理。 减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到一定程度时，使得一定程度时，使得 ，此时电枢电流为零，发电机输出的电，此时电枢电流为零，发电机输出的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。 继续降低原动机的转速，将有继续降低原动机的转速，将有 ，电枢电流反向，这时，电枢电流反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。 同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。转变到发电机状态。第1章 直流电机1.7.2 直流电动机的基本方程规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下：电动机的基本方程如下：1.7.3 1.7.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性1 1、转速特性、转速特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性定义：当定义：当 、 时，时，由方程式可得由方程式可得 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化载电流按线性关系变化2 2、转矩特性、转矩特性转矩表达式转矩表达式 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。比电流上升的慢。定义：当定义：当 、 时，时，3 3、效率特性、效率特性由方程式可得由方程式可得 空载损耗为不变损耗，不随负载电流空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。定程度时铜损快速增大此时效率又变小。定义：当定义：当 、 时，时，二、串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：磁电流呈线性关系。即：转速特性转速特性转矩特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。他励电动机相同。 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性2.2 他励直流电动机的机械特性 2.3 他励直流电动机的起动 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。2.4 他励直流电动机的制动2.5 他励直流电动机的调速2.6 串励直流电动机的电力拖动思考题与习题基本要求：基本要求：1、掌握电力拖动系统的运动方程式及转矩、转速正方向的规定原则；、掌握电力拖动系统的运动方程式及转矩、转速正方向的规定原则；2、了解各种典型负载的转矩特性及其特点；、了解各种典型负载的转矩特性及其特点；3、熟练掌握直流电动机的固有机械特性和人为机械特性；、熟练掌握直流电动机的固有机械特性和人为机械特性；4、掌握电力拖动系统稳定运行的条件，会分析判断系统的稳定性；、掌握电力拖动系统稳定运行的条件，会分析判断系统的稳定性；5、掌握直流电动机的起动方法；、掌握直流电动机的起动方法；6、掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动、掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动过程中工作点变化情况；过程中工作点变化情况；7、掌握各种制动状态下的机械特性、制动电流和制动电阻的计算；、掌握各种制动状态下的机械特性、制动电流和制动电阻的计算；8、掌握他励直流电动机的调速方法和调速性能指标的含义、调速范围与、掌握他励直流电动机的调速方法和调速性能指标的含义、调速范围与静差率之间的关系；静差率之间的关系；9、了解各种调速方法的优缺点。、了解各种调速方法的优缺点。2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。机转轴上的各种转矩。2.1.1 2.1.1 电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：可写出拖动系统的运动方程式：其中其中 为系统的惯性转矩。为系统的惯性转矩。运动方程的实用形式：运动方程的实用形式：系统旋转运动的三种状态系统旋转运动的三种状态1)1)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于静止静止或或恒转速恒转速运行状态，即处运行状态，即处于稳态。于稳态。2)2)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于加速加速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。3)3)当当 或或 时时, ,系统处于系统处于减速减速运行状态，即处于动态。运行状态，即处于动态。常把常把 或或 称为动负载转矩称为动负载转矩,把把 称为静负载转矩称为静负载转矩. 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：向，然后规定：二、运动方程式中转矩正、负号的规定二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1 1）电磁转矩）电磁转矩 与转速与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。的正方向相同时为正，相反时为负。（2 2）负载转矩）负载转矩 与转速与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。的正方向相同时为负，相反时为正。(3)(3)惯性转矩惯性转矩 的大小和正负号由的大小和正负号由 和和 的代数和决定。的代数和决定。2.1.2 2.1.2 负载的转矩特性负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速与转速 无关的无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.1.反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载T TL Ln2.2.位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载T TL Ln二、恒功率负载特性 恒功率负载特点是：负载转恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即矩与转速的乘积为一常数，即 与与 成反比，特性曲线为一条双成反比，特性曲线为一条双曲线。曲线。T TL Ln三、泵与风机类负载特性 负载的转矩负载的转矩 基本上与转基本上与转速速 的平方成正比。负载特性的平方成正比。负载特性为一条抛物线。为一条抛物线。T TL Ln理想的通理想的通风机特性风机特性实际通风实际通风机特性机特性TL02.2 他励直流电动机的机械特性2.2.1 2.2.1 机械特性的表达式机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：机的转速与电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。称为理想空载转速。实际空载转速实际空载转速2.2.2 2.2.2 固有机械特性和人为机械特性固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当当 时的机械特性称为固有机械特性：时的机械特性称为固有机械特性：二、人为机械特性当改变当改变 或或 或或 得到的机械特性称为人为机械特性。得到的机械特性称为人为机械特性。 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。是硬特性。1 1、电枢串电阻时的人为特性、电枢串电阻时的人为特性 保持保持 不变不变, ,只在电枢回路中串入电阻只在电枢回路中串入电阻 的人为的人为特性特性特点：特点：1 1） 不变，不变， 变大；变大； 2 2） 越大，特性越软。越大，特性越软。2 2、降低电枢电压时的人为特性、降低电枢电压时的人为特性 保持保持 不变，只改变电枢电压时的人为特性：不变，只改变电枢电压时的人为特性：特点：特点：1)1) 随随 变化变化, , 不变不变; ; 2) 2) 不同不同, ,曲线是一组平行线。曲线是一组平行线。3 3、减弱励磁磁通时的人为特性、减弱励磁磁通时的人为特性 保持保持 不变，只改变励磁回路调节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：的人为特性：特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2 2）弱磁，）弱磁， 增大增大2.2.3 2.2.3 机械特性求取机械特性求取一、固有特性的求取一、固有特性的求取 已知已知 ，求两点，求两点:1:1）理想空载）理想空载点点 和额定运行和额定运行 。具体步骤：具体步骤：(1)(1)估算估算(2)(2)计算计算(3)(3)计算理想空载点：计算理想空载点：(4)(4)计算额定工作点：计算额定工作点：二、人为特性的求取二、人为特性的求取 在固有机械特性在固有机械特性方程方程 的基础上，根据人为的基础上，根据人为特性所对应的参数特性所对应的参数 或或 或或 变化，重新变化，重新计算计算 和和 ，然后得，然后得到人为机械特性方程到人为机械特性方程式。式。2.2.4 2.2.4 电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在在 点，系统平衡点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由扰动使转速有微小增量，转速由 上升到上升到 ， 。扰动消失扰动消失, ,系统减速，回到系统减速，回到 点运行。点运行。扰动使转速有微小下降，由扰动使转速有微小下降，由 下降下降到到 。扰动消失扰动消失, ,系统加速，回到系统加速，回到 点运行。点运行。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：在在 点，系统平衡点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由扰动使转速有微小增量，转速由 上升到上升到 ， , ,系统加速系统加速 。即使扰动消失即使扰动消失, ,也不能回到也不能回到 点运行。点运行。扰动使转速有微小下降，由扰动使转速有微小下降，由 下降下降到到 , ,系统减速系统减速。即使扰动消失即使扰动消失, ,也不能回到也不能回到 点运行。点运行。(1)(1)必要条件必要条件: :电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点, ,即存在即存在(2)充分条件充分条件:在交点处在交点处,满足满足: 。或者说或者说,在交点的转速以上存在在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以在交点的转速以下存在下存在2.3 他励直流电动机的起动 电动机的电动机的起动起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电电枢回路串电阻阻或或降低电枢电压降低电枢电压起动。起动。 起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。一、起动过程2.3.1 2.3.1 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动以三级电阻起动时电动机为例以三级电阻起动时电动机为例二、分组起动电阻的计算 设对应转速设对应转速n n1 1、n n2 2、n n3 3时电势分别为时电势分别为E Ea1a1、E Ea2a2、E Ea3a3，则有，则有：b b点点c c点点d d点点e e点点f f点点g g点点比较以上各式得：比较以上各式得： 在已知起动电流比在已知起动电流比和电枢电和电枢电阻前提下，经推导可得各级串联电阻前提下，经推导可得各级串联电阻为阻为: :（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；（2 2）根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流 ；（3 3）选取起动级数）选取起动级数 ；（4 4）计算起动电流比：）计算起动电流比： 取整数取整数（5 5）计算转矩）计算转矩: :，校验校验：如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到满足该条件为止值并重新计算，直到满足该条件为止. .计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：2.3.2 2.3.2 降压起动降压起动 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。一定的数值上，保证按需要的加速度升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。2.4 他励直流电动机的制动 当电磁转矩的方向与转速方向相同时当电磁转矩的方向与转速方向相同时, ,电机运行于电动机状电机运行于电动机状态态; ;当电磁转矩方向与转速方向相反时当电磁转矩方向与转速方向相反时, ,电机运行于制动状态。电机运行于制动状态。 2.4.1 能耗制动电动电动制动制动电动状态，如图所示。电动状态，如图所示。将开关将开关S S投向制动电阻投向制动电阻 上即实现制动上即实现制动. . 由于惯性，电枢保持原来方向继续旋由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势转，电动势 方向不变。由方向不变。由 产生的电枢产生的电枢电流电流 的方向与电动状态时的的方向与电动状态时的 方向相反方向相反, ,对应的电磁转矩对应的电磁转矩 与与 方向相反方向相反, ,为制动为制动性质性质, ,电机处于制动状态。电机处于制动状态。 制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。能耗制动时的机械特性为：能耗制动时的机械特性为：电动机状态工电动机状态工作作点点制动瞬间制动瞬间工作点工作点制动过程制动过程工作段工作段电动机拖动反抗性电动机拖动反抗性负载，电机停转。负载，电机停转。若电动机若电动机带位能性带位能性负载负载, ,稳稳定工作点定工作点 制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是 能耗制动操作简单能耗制动操作简单, ,但随着转速下降但随着转速下降, ,电动势减小电动势减小, ,制动电流制动电流和制动转矩也随着减小和制动转矩也随着减小, ,制动效果变差。若为了尽快停转电机制动效果变差。若为了尽快停转电机, ,可可在转速下降到一定程度时在转速下降到一定程度时, ,切除一部分制动电阻切除一部分制动电阻, ,增大制动转矩。增大制动转矩。 改变制动电阻改变制动电阻 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率, ,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。 越小越小, ,特性曲特性曲线的斜率越小线的斜率越小, ,起始制动转矩越大起始制动转矩越大, ,而下放负载的速度越小。而下放负载的速度越小。其中其中 为制动瞬间的电枢电动势。为制动瞬间的电枢电动势。2.4.2 2.4.2 反接制动反接制动电压反接制动时接线如图所示。电压反接制动时接线如图所示。一、电压反接制动电动电动制动制动 开关开关S S投向投向“电动电动”侧时，电枢接正极侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向关投向“制动制动”侧，电枢回路串入制动电阻侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：产生反向电流： 反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用而产生很强的制动作用电压反接制动。电压反接制动。电压反接制动时的机械特性为：电压反接制动时的机械特性为：曲线如图中曲线如图中 所示。所示。工作点变化为：工作点变化为： 。制动过程中制动过程中 、 、 均为负均为负, ,而而 、 为正为正表明电机从电源吸收电功率表明电机从电源吸收电功率表明电机从轴上吸收机械功率表明电机从轴上吸收机械功率表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。 可见可见, ,反接制动时反接制动时, ,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。二、倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载电枢回路串入较大电电枢回路串入较大电阻阻 后特性曲线后特性曲线正向电动状态提正向电动状态提升重物升重物(A(A点点) )负载作用下负载作用下电机反向旋电机反向旋转转( (下放重物下放重物) )电机以稳电机以稳定的转速定的转速下放重物下放重物D D点点在电枢回路中串联一个较大的电阻在电枢回路中串联一个较大的电阻,即可实即可实现制动现制动.工作点由工作点由A-B-A-B-C-D,CDC-D,CD段为制段为制动段动段第二章 直流电动机的电力拖动 倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有 倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分串电阻时的人为特性在第四象限的部分。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。思考思考题题位能性以外的负载能否实现倒拉反转反接制动位能性以外的负载能否实现倒拉反转反接制动? ?0 02.4.3 2.4.3 回馈制动回馈制动 回馈制动时的机械特性方回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。程与电动状态时相同。 电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 情况，情况，此时此时 ， 反向，反向， 反向，由驱动变为制动。从能量方向看，反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态电机处于发电状态回馈制动状态。回馈制动状态。稳定运行有稳定运行有两种情况两种情况: :当电车下当电车下坡时，运坡时，运行转速可行转速可能超过理能超过理想空载转想空载转速速, ,进入第进入第二象限二象限电压反电压反接制动接制动带位能带位能性负载性负载进入第进入第四象限四象限 发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况: :1 1、降压调速时产、降压调速时产生的回馈制动生的回馈制动制动过程为制动过程为 线段线段2 2、增磁调速时产、增磁调速时产生的回馈制动生的回馈制动制动过程为制动过程为 线段线段 回馈制动时由于有功率回馈到电网，因此与能耗和反接制回馈制动时由于有功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。动相比，回馈制动是比较经济的。2.5 他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速机械调速；通；通过改变电动机参数进行调速的方法称为过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。电气调速方法电气调速方法: :1.1.调压调速调压调速; ;2.2.电枢串电阻调速电枢串电阻调速; ;3.3.调磁调速调磁调速。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。机械特性上。他励直流电动机的转速为他励直流电动机的转速为2.5.1 2.5.1 评价调速的指标评价调速的指标一、调速范围一、调速范围:二、静差率（相对稳定性）二、静差率（相对稳定性）%越小，相对稳定性越好；越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和与机械特性硬度和n n0 0有关有关。指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。 D D与与%相互制约相互制约: :越小越小,D,D越小越小, ,相对稳定性越好相对稳定性越好; ;在保证一定在保证一定的的指标的前提下指标的前提下, ,要扩大要扩大D,D,须减少须减少n,n,即提高机械特性的硬度。即提高机械特性的硬度。三、调速的平滑性三、调速的平滑性 越接近越接近1 1，平滑性越好，当，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。四、调速的经济性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数邻两级转速之比，为平滑系数主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。2.5.2 2.5.2 调速方法调速方法一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速未串电阻时未串电阻时的工作点的工作点串电阻后串电阻后, ,工作点由工作点由AABAAB0调速过程电流变调速过程电流变化曲线化曲线:调速前、调速前、后电流不变后电流不变调速过程转速调速过程转速变化曲线变化曲线结论：带恒转矩结论：带恒转矩负载时负载时, ,串电阻越串电阻越大大, ,转速越低。转速越低。调速过程中电流和转速的变化情况调速过程中电流和转速的变化情况优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2 2）低速时特性曲线斜率大）低速时特性曲线斜率大, ,静差率大静差率大, ,所以转速的相对稳定性差所以转速的相对稳定性差3 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2D2；4 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使电磁转矩和电枢电流不变，输入功率不变，输出增通不变而使电磁转矩和电枢电流不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点：缺点：1 1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；二、降低电源电压调速二、降低电源电压调速TemTLAAB调速压前调速压前工作点工作点A A降压瞬间降压瞬间工作点工作点稳定后工稳定后工作点作点 降压调速降压调速过程与电枢串过程与电枢串电阻调速过程电阻调速过程相似，调速过相似，调速过程中转速和电程中转速和电枢电流（或转枢电流（或转矩）随时间变矩）随时间变化的曲线也相化的曲线也相似似。优点优点：1 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。稳定性好。3 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.5D=2.5 1212。 4 4）电能损耗较小。）电能损耗较小。缺点缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。需要一套电压可连续调节的直流电源。三、减弱磁通调速三、减弱磁通调速调节磁场前调节磁场前工作点工作点弱磁瞬间工作弱磁瞬间工作点点AAAA弱磁稳定后的弱磁稳定后的工作点工作点AB减弱磁通后，减弱磁通后，理想空载转速理想空载转速上升上升, 曲线的曲线的斜率值增大。斜率值增大。 弱磁调速前、后的电枢电流和转速的变化情况弱磁调速前、后的电枢电流和转速的变化情况减弱磁通调速减弱磁通调速前、后转速变前、后转速变化曲线化曲线减弱磁通前、减弱磁通前、后的电枢电流后的电枢电流变化曲线变化曲线结论：磁场越弱，结论：磁场越弱，转速越高。因此电转速越高。因此电机运行时励磁回路机运行时励磁回路不能开路。不能开路。优点：优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2 2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般围不可能很大，一般 D2D2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压降压 调速。调速。缺点：缺点：1 1）机械特性的斜率变大，特性变软；）机械特性的斜率变大，特性变软；2.5.3 2.5.3 调速方式与负载类型的配合调速方式与负载类型的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。电流达到额定值。 当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。问题与调速方式和负载类型的配合有关。 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。 电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值值-恒转矩调速。恒转矩调速。 电枢串电阻调速和降压调速时，磁通电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若保持不变，若在不同转速下保持电流在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：许输出转矩和功率分别为： 减弱磁通调速时，磁通减弱磁通调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持是变化的，在不同转速下若保持电流电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为：率别为： 电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值值-恒功率调速。恒功率调速。9550C9550nnC9550TnPnCnCRIUCICTT222EaNNT NTem=-= 为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，应采用恒功率调速方式。恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，应采用恒功率调速方式。对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。压调速比弱磁调速合适一些。思考题思考题他励电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，他励电动机的降压调速属于恒转矩调速方式，因此只能拖动恒转矩负载，这种说法是否正确因此只能拖动恒转矩负载，这种说法是否正确？为什么？为什么？2.6 串励直流电动机的电力拖动2.6.1 串励电动机的机械特性当磁路不饱和时当磁路不饱和时 当磁路饱和时，磁通基本不变，当磁路饱和时，磁通基本不变，机械特性与他励直流电动机的机械特机械特性与他励直流电动机的机械特性相似。性相似。TemnABC磁路不饱和磁路不饱和时的机械特时的机械特性曲线性曲线ABAB段段磁路饱和时磁路饱和时的机械特性的机械特性曲线曲线BCBC段段一、固有特性一、固有特性固有特性是指当固有特性是指当 时的特性，具有以下特点时的特性，具有以下特点（1 1）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；（3 3）由于）由于 ，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。的起动转矩大，过载能力强。（2 2）空载时，）空载时， 为无穷大。为无穷大。实际上，空载时存在剩磁，实际上，空载时存在剩磁， 为有限值，但值也很大为有限值，但值也很大“飞车飞车”现象。现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。二、人为特性二、人为特性1 1、电枢串电阻的人为特性、电枢串电阻的人为特性 串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固有特性的下方，且特性变得更软。固有特性的下方，且特性变得更软。2 2、降低电压的人为特性、降低电压的人为特性 降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后，电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的后，电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的人为特性位于固有特性下方。人为特性位于固有特性下方。3 3、改变磁通的人为特性、改变磁通的人为特性 改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有特性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，特性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所以人为特性位于固有特性上方。所以人为特性位于固有特性上方。2.6.22.6.2 串励电动机的起动、调速与制动串励电动机的起动、调速与制动一、起动与调速一、起动与调速 串励电动机的调速也采用电枢串电阻、降压和弱磁三种方串励电动机的调速也采用电枢串电阻、降压和弱磁三种方法，其中串电阻常用，弱磁用得较少法，其中串电阻常用，弱磁用得较少。 为了限制起动电流，串励电动机的起动方法与他励电动机为了限制起动电流，串励电动机的起动方法与他励电动机一样，也采用电枢串电阻和降低电源电压起动。一样，也采用电枢串电阻和降低电源电压起动。 串励电动机若不考虑剩磁，理想空载转速为无穷大，因此串励电动机若不考虑剩磁，理想空载转速为无穷大，因此不能有回馈制动。不能有回馈制动。串励电动机的制动只有能耗和反接制动。串励电动机的制动只有能耗和反接制动。二、制动二、制动 能耗制动分他励磁式和自励式，反接制动分电压反接和倒能耗制动分他励磁式和自励式，反接制动分电压反接和倒拉反转反转反接制动。拉反转反转反接制动。3.1 3.1 变压器的基本工作原理和结构变压器的基本工作原理和结构3.2 3.2 单相变压器的空载运行单相变压器的空载运行 3.3 3.3 单相变压器的负载运行单相变压器的负载运行3.4 3.4 变压器的参数测定变压器的参数测定3.5 3.5 标么值标么值3.6 3.6 变压器的运行特性变压器的运行特性3.7 3.7 三相变压器三相变压器3.8 3.8 变压器的并联特性变压器的并联特性 变压器是一种静止电器变压器是一种静止电器, ,它通过线圈间的电磁感应它通过线圈间的电磁感应, ,将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流电能等级的交流电能.基本要求：基本要求：1.掌握变压器的基本工作原理、基本结构与额定值；掌握变压器的基本工作原理、基本结构与额定值；2.通过对变压器空载时磁通、电动势的分析，掌握变压器的电动势、通过对变压器空载时磁通、电动势的分析，掌握变压器的电动势、电压和磁通的关系；电压和磁通的关系；3.通过对变压器空载电流和空载损耗的分析，掌握励磁阻抗的物理通过对变压器空载电流和空载损耗的分析，掌握励磁阻抗的物理意义；意义；4.通过对变压器负载运行的分析，熟练掌握变压器的方程式、相量通过对变压器负载运行的分析，熟练掌握变压器的方程式、相量图和等效电路；图和等效电路；5.通过实验，掌握变压器的参数测定方法；通过实验，掌握变压器的参数测定方法；6.掌握标么值的概念与计算方法；掌握标么值的概念与计算方法；7.熟练掌握变压器的运行性能及其计算方法；熟练掌握变压器的运行性能及其计算方法；8.熟练掌握变压器联结组别的判定方法；熟练掌握变压器联结组别的判定方法；9.掌握变压器并联运行的理想条件；掌握变压器并联运行的理想条件；10.了解自耦变压器、仪用互感器、电焊变压器和整流变压器的工作了解自耦变压器、仪用互感器、电焊变压器和整流变压器的工作原理和特点。原理和特点。3.1 变压器的基本工作原理和结构3.1.1 3.1.1 基本工作原理和分类基本工作原理和分类一、基本工作原理 变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的变压器的主要部件是铁心和套在铁心上的两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一两个绕组。两绕组只有磁耦合没电联系。在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。 只要只要(1)磁通有磁通有变化量变化量;(2)一、二一、二次绕组的匝数不同，次绕组的匝数不同，就能达到改变压的就能达到改变压的目的。目的。二、分类按用途分：电力变压器和特种变压器。按用途分：电力变压器和特种变压器。 按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压按绕组数目分：单绕组（自耦）变压器、双绕组变压器、三绕组变压器和多绕组变压器。器、三绕组变压器和多绕组变压器。 按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。按相数分：单相变压器、三相变压器和多相变压器。 按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。按铁心结构分：心式变压器和壳式变压器。 按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器按调压方式分：无励磁调压变压器和有载调压变压器。 按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和按冷却介质和冷却方式分：干式变压器、油浸式变压器和充气式变压器。充气式变压器。 3.1.23.1.2 基本结构基本结构一、铁心 变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为变压器的主磁路，为了提高导磁性能和减少铁损，用厚为0.35-0.5mm0.35-0.5mm、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成。 变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。变压器的电路，一般用绝缘铜线或铝线绕制而成。 油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，油浸式变压器的器身浸在变压器油的油箱中。油是冷却介质，又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。又是绝缘介质。油箱侧壁有冷却用的管子（散热器或冷却器）。 将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负将线圈的高、低压引线引到箱外，是引线对地的绝缘，担负着固定的作用。着固定的作用。二、绕组四、油箱三、绝缘套管此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。此外，还有储油柜、吸湿器、安全气道、净油器和气体继电器。连接发电机与电网的升压变压器连接发电机与电网的升压变压器连接发电机的连接发电机的封闭母线封闭母线与电网相连与电网相连的高压出线端的高压出线端返回三相干式变压器接触调压器电源变压器环形变压器控制变压器3.1.33.1.3 型号与额定值型号与额定值一、型号 型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方型号表示一台变压器的结构、额定容量、电压等级、冷却方式等内容，表示方法为式等内容，表示方法为如如OSFPSZ-250000/220OSFPSZ-250000/220表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有表明自耦三相强迫油循环风冷三绕组铜线有载调压，额定容量载调压，额定容量250000kVA250000kVA，高压额定电压，高压额定电压220kV220kV电力变压器电力变压器二、额定值此外，额定值还有此外，额定值还有额定频率、效率、温升额定频率、效率、温升等。等。指铭牌规定的额定使用条件指铭牌规定的额定使用条件下所能输出的视在功率。下所能输出的视在功率。额定容量额定容量指长期运行时所能承受的工作电压指长期运行时所能承受的工作电压额定电压额定电压 是指一次侧所加的额定电压，是指一次侧所加的额定电压， 是指一次侧加额定电压时二是指一次侧加额定电压时二次侧的开路电压。在三相变压器中额定电压为线电压。次侧的开路电压。在三相变压器中额定电压为线电压。三者关系：三者关系：单相：单相：三相：三相：指在额定容量下，允许长期通过的额定指在额定容量下，允许长期通过的额定电流。在三相变压器中指的是线电流电流。在三相变压器中指的是线电流额定电流额定电流3.2 单相变压器的空载运行3.2.1 电磁关系一、物理情况二、各电磁量参考方向的规定1 1）性质上：）性质上： 与与 成非线性关系；成非线性关系； 与与 成线性关系成线性关系；2 2）数量上：）数量上： 占占99%99%以上，以上， 仅占仅占1%1%以下以下；3 3）作用上：）作用上： 起传递能量的作用，起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。起漏抗压降作用。主磁通与漏磁通的区别主磁通与漏磁通的区别一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。一次侧遵循电动机惯例，二次侧遵循发电机惯例。强调强调：磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感磁通与产生它的电流之间符合右手螺旋定则；电动势与感应它的磁通之间符合右手螺旋定则。应它的磁通之间符合右手螺旋定则。三、感应电动势分析 1.主磁通感应的电动势主磁通感应的电动势主电动势主电动势设则有效值相量同理，二次主电动势也有同样的结论。同理，二次主电动势也有同样的结论。 可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动可见，当主磁通按正弦规律变化时，所产生的一次主电动势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通势也按正弦规律变化，时间相位上滞后主磁通 。主电动势的。主电动势的大小与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比。大小与电源频率、绕组匝数及主磁通的最大值成正比。2.漏磁通感应的电动势漏磁通感应的电动势漏电动势漏电动势漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即漏电动势也可以用漏抗压降来表示，即根据主电动势的分析方法，同样有根据主电动势的分析方法，同样有由于漏磁通主要经过非铁磁路径由于漏磁通主要经过非铁磁路径, ,磁路不饱和磁路不饱和, ,故磁阻很大且为故磁阻很大且为常数常数, ,所以漏电抗所以漏电抗 很小且为常数很小且为常数, ,它不随电源电压负载情况它不随电源电压负载情况而变而变. .3.2.2 3.2.2 空载电流和空载损耗空载电流和空载损耗一、空载电流1. 作用与组成2、性质和大小 性质性质：由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电由于空载电流的无功分量远大于有功分量，所以空载电流主要是感性无功性质流主要是感性无功性质也称励磁电流；也称励磁电流；大小大小：与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有与电源电压和频率、线圈匝数、磁路材质及几何尺寸有关，用空载电流百分数关，用空载电流百分数I I0 0% %来表示来表示：空载电流空载电流 包含两个分量，一个是励磁分量包含两个分量，一个是励磁分量 ，作用是建立磁，作用是建立磁场，另一个是铁损耗分量场，另一个是铁损耗分量 ，主要作用是供铁损耗。，主要作用是供铁损耗。3、空载电流波形由于磁路饱和，空载电流由于磁路饱和，空载电流与由它产生的主磁通与由它产生的主磁通呈非呈非线性关系。线性关系。 当磁通按正弦规律当磁通按正弦规律变化时，空载电流呈尖变化时，空载电流呈尖顶波形。顶波形。 当空载电流按正弦规律变当空载电流按正弦规律变化时，主磁通呈尖顶波形。化时，主磁通呈尖顶波形。实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在实际空载电流为非正弦波，但为了分析、计算和测量的方便，在相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。相量图和计算式中常用正弦的电流代替实际的空载电流。二、空载损耗 对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，对于已制成变压器，铁损与磁通密度幅值的平方成正比，与电流频率的与电流频率的1.31.3次方成正比，即次方成正比，即 空载损耗约占额定容量的空载损耗约占额定容量的0.2%0.2% 1%1%，而且随变压器容量的，而且随变压器容量的增大而下降。增大而下降。为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优为减少空载损耗，改进设计结构的方向是采用优质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。质铁磁材料：优质硅钢片、激光化硅钢片或应用非晶态合金。3.2.3 3.2.3 空载时的电动势方程、等效电路和相量图空载时的电动势方程、等效电路和相量图一、电动势平衡方程和变比1 1、电动势平衡平衡方程、电动势平衡平衡方程（1 1）一次侧电动势平衡方程）一次侧电动势平衡方程忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有忽略很小的漏阻抗压降，并写成有效值形式，有则 可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及可见，影响主磁通大小的因素有电源电压和频率，以及一次线圈的匝数。一次线圈的匝数。重要公式（2 2）二次侧电动势平衡方程）二次侧电动势平衡方程2 2、变比、变比定义定义 对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似对三相变压器，变比为一、二次侧的相电动势之比，近似为额定相电压之比，具体为为额定相电压之比，具体为Y，d接线接线D，y接线接线二、空载时的等效电路和相量图二、空载时的等效电路和相量图1 1、等效电路、等效电路一次侧的电动势平衡方程为一次侧的电动势平衡方程为空载时等效电路为空载时等效电路为励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱励磁电阻、励磁电抗、励磁阻抗。由于磁路具有饱和特性，所以和特性，所以 不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。不是常数，随磁路饱和程度增大而减小。由于由于 ，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只，所以有时忽略漏阻抗，空载等效电路只是一个是一个 元件的电路。在元件的电路。在 一定的情况下，一定的情况下， 大小取决于大小取决于 的大小。从运行角度讲，希望的大小。从运行角度讲，希望 越小越好，所以变压器常采用越小越好，所以变压器常采用高导磁材料，增大高导磁材料，增大 ，减小，减小 ，提高运行效率和功率因数。，提高运行效率和功率因数。 2 2、相量图、相量图根据前面所学的方程，可作根据前面所学的方程，可作出变压器空载时的相量图：出变压器空载时的相量图：（1）以 为参考相量（2） 与 同相， 滞后 ，（3） 滞后 ， ；（4）（5）空载运行小结空载运行小结（1 1）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡）一次侧主电动势与漏阻抗压降总是与外施电压平衡, ,若忽若忽略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定略漏阻抗压降，则一次主电势的大小由外施电压决定. .（2 2）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，）主磁通大小由电源电压、电源频率和一次线圈匝数决定，与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关与磁路所用的材质及几何尺寸基本无关。（3 3）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁）空载电流大小与主磁通、线圈匝数及磁路的磁阻有关，铁心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。心所用材料的导磁性能越好，空载电流越小。（4 4）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比）电抗是交变磁通所感应的电动势与产生该磁通的电流的比值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随值，线性磁路中，电抗为常数，非线性电路中，电抗的大小随磁路的饱和而减小。磁路的饱和而减小。3.3 单相变压器的负载运行3.3.13.3.1 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次接上负载的运行状态，称为上负载的运行状态，称为负载运行负载运行。用图示负载运行时的电磁过程用图示负载运行时的电磁过程3.3.23.3.2 基本方程基本方程一、磁动势平衡方程或 电磁关系将一、二次联系起来电磁关系将一、二次联系起来, ,二次电流增加或减少必然引起二次电流增加或减少必然引起一次电流的增加或减少一次电流的增加或减少. .用电流形式表示用电流形式表示。,I;,I:L作用作用它起平衡二次磁动势的它起平衡二次磁动势的另一个是负载分量另一个是负载分量产生主磁通产生主磁通它用来它用来一个是励磁电流一个是励磁电流两个分量两个分量变压器的负载电流包括变压器的负载电流包括表明表明10&二、电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出一、二次侧电动势平衡方程负载运行时负载运行时, ,忽略空载电流有忽略空载电流有: :表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不表明，一、二次电流比近似与匝数成反比。可见，匝数不同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。同，不仅能改变电压，同时也能改变电流。3.3.33.3.3 等效电路及相量图等效电路及相量图一、折算折算原则折算原则：1 1）保持二次侧磁动势不变；保持二次侧磁动势不变；2 2）保持二次侧各功率）保持二次侧各功率或损耗不变。或损耗不变。方法方法：（将二次侧折算到一次侧（将二次侧折算到一次侧) )折算：折算：将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组将变压器的二次（或一次）绕组用另一个绕组(N(N2 2=N=N1 1) )来等来等效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关效，同时对该绕组的电磁量作相应的变换，以保持两侧的电磁关系不变系不变, ,用一个等效的电路代替实际的变压器。用一个等效的电路代替实际的变压器。折算后的方程式为折算后的方程式为二、等效电路根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。根据折算后的方程，可以作出变压器的等效电路。T T型等效电路型等效电路：近似等效电路近似等效电路简化等效电路：简化等效电路：其中分别称为分别称为短路电阻短路电阻、短路短路电抗电抗和和短路阻抗短路阻抗。 由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由简化等效电路可知，短路阻抗起限制短路电流的作用，由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般由于短路阻抗值很小，所以变压器的短路电流值较大，一般可达额定电流的可达额定电流的1010 2020倍。倍。三、相量图作相量图的步骤作相量图的步骤对对应应T T型等效电路，型等效电路， 假定假定变压器带感性负载变压器带感性负载。作相量图的步骤（假定带感性负载）作相量图的步骤（假定带感性负载）对应简化等效电路对应简化等效电路由等效电路可知由等效电路可知根据方程可作出简化相量图根据方程可作出简化相量图思考思考题题 作出变压器带上不同性质作出变压器带上不同性质负载时的简化相量图负载时的简化相量图? ?3.4 变压器的参数测定3.4.13.4.1 空载实验空载实验一、目的：通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算通过测量空载电流和一、二次电压及空载功率来计算变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗变比、空载电流百分数、铁损和励磁阻抗。二、接线图二、接线图三、要求及分析WAVV*1 1）低压侧加电压，高压侧开路；）低压侧加电压，高压侧开路；4 4）求出参数）求出参数5 5）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取）空载电流和空载功率必须是额定电压时的值，并以此求取励磁参数；励磁参数；6 6）若要得到高压侧参数，须折算）若要得到高压侧参数，须折算；7 7）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；）对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；3.4.23.4.2 短路实验短路实验1.目的：通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器通过测量短路电流、短路电压及短路功率来计算变压器的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。的短路电压百分数、铜损和短路阻抗。2. 接线图3. 要求及分析1 1）高压侧加电压，低压侧）高压侧加电压，低压侧短路；短路；WAV*3 3）同时记录实验室的室温；）同时记录实验室的室温；4 4）由于外加电压很小，主磁通很少，）由于外加电压很小，主磁通很少，铁损耗很少，忽略铁损，认为铁损耗很少，忽略铁损，认为 。5 5）参数计算）参数计算对对T T型等效电路：型等效电路：四、短路电压短路时，当短路电流为额定值时一次所加的短路时，当短路电流为额定值时一次所加的电压，称为短路电压，记作电压，称为短路电压，记作短路电压也称为阻抗电压短路电压也称为阻抗电压。6 6）温度折算：电阻应换算到基准工作温度）温度折算：电阻应换算到基准工作温度时的数值。时的数值。8 8）对三相变压器，各公式中的电压、电流对三相变压器，各公式中的电压、电流和功率均为相值；和功率均为相值；7 7）若要得到低压侧参数，须折算；）若要得到低压侧参数，须折算；短路电压常用百分值表示短路电压常用百分值表示 短路电压的大小直接短路电压的大小直接反映短路阻抗的大小，而反映短路阻抗的大小，而短路阻抗又直接影响变压短路阻抗又直接影响变压器的运行性能。器的运行性能。 从正常运行角度看，从正常运行角度看，希望短路电压小些，这样希望短路电压小些，这样可使副边电压随负载波动可使副边电压随负载波动小些；从限制短路电流角小些；从限制短路电流角度，希望它大些，相应的度，希望它大些，相应的短路电流就小些。短路电流就小些。3.5 标么值 标么值标么值, ,就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的就是指某一物理量的实际值与选定的同一单位的基准值的比值基准值的比值, ,即即一、定义二、基准值的确定1 1、通常以额定值为基准值。通常以额定值为基准值。 2 2、各侧的物理量以各自侧的额定值为基准；各侧的物理量以各自侧的额定值为基准； 线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值；线值以额定线值为基准值，相值以额定相值为基准值；单相值以额定单相值为基准值，三相值以额定三相值为基准值；单相值以额定单相值为基准值，三相值以额定三相值为基准值； 3 3、标么值标么值= =实际值实际值基准值基准值三、优点四、缺点标么值没有单位，物理意义不明确。标么值没有单位，物理意义不明确。3 3、折算前、后的标么值相等。线值的标么值折算前、后的标么值相等。线值的标么值= =相值的标么值；相值的标么值； 单相值的标么值单相值的标么值= =三相值的标么值；三相值的标么值； 1 1、额定值的标么值为额定值的标么值为1 1。 2 2、百分值百分值= =标么值标么值100% 100% ；4 4、某些意义不同的物理量标么值相等、某些意义不同的物理量标么值相等3.6 变压器的运行特性3.6.1 3.6.1 电压变化率电压变化率用相量图可以推导出电压变化率的表达式用相量图可以推导出电压变化率的表达式：定义：是指一次侧加定义：是指一次侧加50Hz50Hz额定电压、二次空载电压与带负载后额定电压、二次空载电压与带负载后在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即在某功率因数下的二次电压之差，与二次额定电压的比值，即 电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一电压变化率是表征变压器运行性能的重要指标之一, ,它大小它大小反映了供电电压的稳定性。反映了供电电压的稳定性。式中式中称为负载系数称为负载系数 由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及由表达式可知，电压变化率的大小与负载大小、性质及变压器的本身参数有关。变压器的本身参数有关。1.001.03.6.2 电压调整 为了保证二次端电压在允许范围之内为了保证二次端电压在允许范围之内, ,通常在变压器的高通常在变压器的高压侧设置抽头压侧设置抽头, ,并装设分接开关并装设分接开关, ,调节变压器高压绕组的工作调节变压器高压绕组的工作匝数匝数, ,来调节变压器的二次电压。来调节变压器的二次电压。 分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称分接开关有两种形式：一种只能在断电情况下进行调节，称为无载分接开关为无载分接开关-这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以这种调压方式称为无励磁调压；另一种可以在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关在带负荷的情况下进行调节，称为有载分接开关-这种调压方这种调压方式称为有载调压。式称为有载调压。 中、小型电力变压器一般有三个分接头，记作UN 5%。大型电力变压器采用五个或多个分接头,例UN 2x2.5%或UN 8x1.5%。3.6.33.6.3 损耗、效率及效率特性损耗、效率及效率特性 铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也铁损耗与外加电压大小有关，而与负载大小基本无关，故也称为不变损耗。称为不变损耗。一、变压器的损耗 铜损耗分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流铜损耗分基本铜损耗和附加铜损耗。基本铜损耗是在电流在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应在一、二次绕组直流电阻上的损耗；附加损耗包括因集肤效应引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。引起的损耗以及漏磁场在结构部件中引起的涡流损耗等。变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。变压器的损耗主要是铁损耗和铜损耗两种。 铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损铁损耗包括基本铁损耗和附加铁损耗。基本铁损耗为磁滞损耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部耗和涡流损耗。附加损耗包括由铁心叠片间绝缘损伤引起的局部涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。涡流损耗、主磁通在结构部件中引起的涡流损耗等。 铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。铜损耗大小与负载电流平方成正比，故也称为可变损耗。 效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器效率大小反映变压器运行的经济性能的好坏，是表征变压器运行性能的重要指标之一。运行性能的重要指标之一。二、效率及效率特性效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。效率是指变压器的输出功率与输入功率的比值。其中效率表达式效率表达式 变压器效率的大小与负载的变压器效率的大小与负载的大小、功率因数及变压器本身参数大小、功率因数及变压器本身参数有关。有关。效率特性：在功率因数一定时，变效率特性：在功率因数一定时，变压器的效率与负载电流之间的关系压器的效率与负载电流之间的关系=f(),=f(),称为变压器的效率特性。称为变压器的效率特性。 即当铜损耗等于铁损耗即当铜损耗等于铁损耗( (可变损耗等于不变损耗可变损耗等于不变损耗) )时时, ,变压变压器效率最大：器效率最大：或或 为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁为了提高变压器的运行效益，设计时应使变压器的铁损耗小些。损耗小些。令令 , ,则则 3.7 三相变压器3.7.1 3.7.1 磁路系统磁路系统一、组式磁路变压器二、心式磁路变压器特点是：三相磁路特点是：三相磁路彼此无关联。彼此无关联。特点是：三相磁路特点是：三相磁路彼此有关联。彼此有关联。3.7.23.7.2 电路系统电路系统一、变压器的端头标号绕组绕组名称名称单相变压器三相变压器中性点首端首端末端末端首端首端末端末端高压高压绕组绕组U1U2U1、V2、W1U2、V2、W2N低压低压绕组绕组u1u2u1、v1、w1u2、v2、w2n中压中压绕组绕组U1mU2mU1m、V1m、W1mU2m、V2m、W2mNm二、单相变压器的极性*一、二次绕组的同极性端一、二次绕组的同极性端同标志时，一、二次绕组同标志时，一、二次绕组的电动势同相位。的电动势同相位。*一、二次绕组的同极性端一、二次绕组的同极性端异标志时，一、二次绕组异标志时，一、二次绕组的电动势反相位。的电动势反相位。三、三相变压器的连接组别连接组别连接组别：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或：反映三相变压器连接方式及一、二次线电动势（或线电压）的相位关系。线电压）的相位关系。 三相变压器的三相变压器的连接组别连接组别不仅与绕组的绕向和首末端标志有不仅与绕组的绕向和首末端标志有关，而且还与三相绕组的连接方式有关。关，而且还与三相绕组的连接方式有关。理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动理论和实践证明，无论采用怎样的连接方式，一、二次侧线电动势（可电压）的相位差总是势（可电压）的相位差总是30300 0的整数倍。因此可以采用时钟表的整数倍。因此可以采用时钟表示法示法 作为时钟的分针，指向作为时钟的分针，指向1212点，点， 作为时钟的时针，作为时钟的时针，其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以其指向的数字就是三相变压器的组别号。组别号的数字乘以30300 0，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。，就是二次绕组的线电动势滞后于一次侧电动势的相位角。连接组别可以用相量图来判断：连接组别可以用相量图来判断：若高压绕组三相标志不变，低若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可压绕组三相标志依次后移，可以得到以得到Y,y4Y,y4、Y,y8Y,y8连接组别。连接组别。1 1、Y Y，y y连接连接 同名端在对应端，对应的同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势相电动势同相位，线电动势 和和 也同相位，连接组别为也同相位，连接组别为Y Y，y0y0。同理，若异名端在对应端，可同理，若异名端在对应端，可得到得到Y Y，y6y6、Y,y10Y,y10和和Y,y2Y,y2连接连接组别。组别。若高压绕组三相标志不变，低若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，可压绕组三相标志依次后移，可以得到以得到Y,d3Y,d3、Y,d7Y,d7连接组别。连接组别。2 2、Y Y，d d连接连接-11-11 同名端在对应端，对应的相同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动势电动势同相位，线电动势 和和 相差相差3303300 0，连接组别，连接组别为为Y Y，d11d11。同理，若异名端在对应端，可同理，若异名端在对应端，可得到得到Y Y，d5d5、Y,d9Y,d9和和Y,d1Y,d1连接连接组别。组别。若高压绕组三相标志不变，若高压绕组三相标志不变，低压绕组三相标志依次后移，低压绕组三相标志依次后移，可以得到可以得到Y,d5Y,d5、Y,d9Y,d9连接组连接组别。别。3 3、Y Y，d1d1同名端在对应端，对应的同名端在对应端，对应的相电动势同相位，线电动相电动势同相位，线电动势势 和和 相差相差30300 0，连接，连接组别为组别为Y Y，d1d1。同理，若异名端在对应端，同理，若异名端在对应端，可得到可得到Y Y，d7d7、Y,d11Y,d11和和Y,d3Y,d3连接组别。连接组别。 总之，对于总之，对于Y Y，y y（或（或D D，d d）连接，可以得到）连接，可以得到0 0、2 2、4 4、6 6、8 8、1010等六个偶数组别；而等六个偶数组别；而Y Y，d d（或（或D D，y y）连接，可以得到）连接，可以得到1 1、3 3、5 5、7 7、9 9、1111等六个奇数组别。等六个奇数组别。 变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国变压器的连接组别很多，为了便于制造和并联运行，国家标准规定，家标准规定，Y Y，yn0yn0、Y Y，d11d11、YNYN，d11d11、YNYN，y0y0和和Y Y，y0y0连连接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。接组为三相双绕组电力变压器的标准连接组别。 其中前三种最为常用：其中前三种最为常用：Y,yn0 Y,yn0 连接的二次绕组可以引出中连接的二次绕组可以引出中线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负线，成为三相四线制，用作配电变压器时可兼供动力和照明负载。载。Y,d11Y,d11连接用于低压侧电压超过连接用于低压侧电压超过400V400V的线路中。的线路中。YN,d11YN,d11连连接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。接主要用于高压输电线路中，使电力系统的高压侧可以接地。3.7.3 3.7.3 磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响磁路系统和绕组连接方式对电动势波形的影响 i i0 0中有无中有无i i0303 , ,看电路连接中有无看电路连接中有无i i0303通路，通路，Y Y连接中，无连接中，无i i0303通路通路,i,i0 0为正弦波为正弦波;YN;YN或或D D连接连接,i,i0303可以在绕组中流过，可以在绕组中流过，i i0 0为尖顶波。为尖顶波。 单相变压器，当磁路饱和时，单相变压器，当磁路饱和时，u u1 1为正弦波，为正弦波，和和e e1 1也是正弦也是正弦波，而波，而i i0 0为尖顶波为尖顶波分解为基波分解为基波i i0101和三次谐波和三次谐波i i0303（忽略其它（忽略其它高效次谐波）。高效次谐波）。 对三相变压器，由于绕组的连接方式不同，对三相变压器，由于绕组的连接方式不同，i i0 0 中可能中可能i i0303 ，使使和和e e1 1为非正弦波为非正弦波同样可同样可分解为基波和三次谐波分解为基波和三次谐波（忽略其（忽略其它高效次谐波）它高效次谐波） 。 中有无中有无3 3 ，看磁路结构，三相组式变压器，看磁路结构，三相组式变压器， 3 3可以可以在铁心中流过，在铁心中流过， 为平顶波；三相心式变压器，为平顶波；三相心式变压器， 3 3不能在铁不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大， 3 3很小，很小， 基本为正弦波。基本为正弦波。三三相相励励磁磁电电流流返回磁磁动动与与电电势势的的相相位位关关系系返回一、Y，y连接的三相变压器一次侧一次侧Y Y接线，接线，i i0303=0=0，i i0 0为正弦波，磁通为正弦波，磁通应为平顶波。应为平顶波。（2 2）对三相心式变压器，）对三相心式变压器，3 3不能在铁心中流过，只能借助油和不能在铁心中流过，只能借助油和油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大，油箱壁等形成回路，磁路磁阻很大， 3 3很小，很小， 基本为正弦基本为正弦波，感应电动势波，感应电动势 e e 也基本为正弦波也基本为正弦波 。但通过油箱壁时将产生。但通过油箱壁时将产生涡流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大涡流损耗，造成局部过热，降低变压器的效率，因此，容量大于于1800kVA1800kVA时，不宜采用心式时，不宜采用心式Y Y，y y连接。连接。（1 1）对三相组式变压器，）对三相组式变压器，3 3可以在铁心中存在，所以可以在铁心中存在，所以为平顶为平顶波，感应电动势波，感应电动势e e 为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅为尖顶波，其中的三次谐波幅值可达基波幅值的值的45%60%45%60%，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝，使相电动势的最大值升高很多，可能击穿绕组绝缘，因此，三相组式变压器不采用缘，因此，三相组式变压器不采用Y Y，y y连接。连接。二、YN，y连接的三相变压器 一次侧一次侧YNYN接线，接线，i i0303可以流过，可以流过，i i0 0为尖顶波，磁通为尖顶波，磁通应为应为正弦波，感应电动势正弦波，感应电动势 e e 也为正弦波也为正弦波 。 一次绕组一次绕组Y Y连接，连接， i i0303=0=0， i i0 0为正弦波，为正弦波，应为平顶波，其应为平顶波，其中的中的3 3在二次绕组中感应电动势在二次绕组中感应电动势e e2323，并在，并在D D内产生内产生i i2323。i i2323建立建立的磁通的磁通2323大大削弱大大削弱3 3的作用，因此合成磁通和电动势均接近的作用，因此合成磁通和电动势均接近正弦波。正弦波。三、D，y连接的三相变压器 一次侧一次侧D D接线，接线，i i0303可以流过，可以流过，i i0 0为尖顶波，磁通为尖顶波，磁通应为正应为正弦波，感应电动势弦波，感应电动势 e e 也为正弦波也为正弦波 。四、Y，d连接的三相变压器五、Y，yn连接的三相变压器 二次侧二次侧 yn yn 接线，负载时可以为三次谐波提供通路，使接线，负载时可以为三次谐波提供通路，使相电动势波形得到改善。但是由于负载的影响，产生相电动势波形得到改善。但是由于负载的影响，产生i i2323不能不能很大，所以相电动势波形不能得到很好改善，这种情况基本很大，所以相电动势波形不能得到很好改善，这种情况基本与与Y Y，y y连接一样，只适用于容量较小的三相心式变压器，而连接一样，只适用于容量较小的三相心式变压器，而组式变压器仍然不采用。组式变压器仍然不采用。结论：结论：（1 1）变压器一次侧是）变压器一次侧是YNYN连接时，电动势波为正弦。连接时，电动势波为正弦。（2 2）变压器有一侧是变压器有一侧是D D连接时，电动势波为正弦连接时，电动势波为正弦。（3 3）无论相电动势是否为正弦波，但线电动势一定是正弦波。无论相电动势是否为正弦波，但线电动势一定是正弦波。（4 4）若一定需要）若一定需要Y Y，y y连接，则可以增加第三绕组，采用连接，则可以增加第三绕组，采用D D接线接线3.8 变压器的并联运行3.8.13.8.1 并联运行的理想条件并联运行的理想条件并联运行的优点：并联运行的优点： 并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、并联运行是指将几台变压器的一、二次绕组分别接在一、二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。二次侧的公共母线上，共同向负载供电的运行方式。并联运行的理想情况是：并联运行的理想情况是：1 1、空载时各变压器绕组之间无环流；、空载时各变压器绕组之间无环流；2 2、负载后，各变压器的负载系数相等；、负载后，各变压器的负载系数相等；3 3、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。、负载后，各变压器的负载电流与总的负载电流同相位。1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性；2 2、提高供电的经济性。、提高供电的经济性。 为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足为了达到上述理想运行情况，并联运行的变压器需满足以下条件：以下条件：1 1、各变压器一、二次侧的额定电压分别相等，即变比相同；、各变压器一、二次侧的额定电压分别相等，即变比相同；2 2、各变压器的连接组别相同；、各变压器的连接组别相同；3 3、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路、各变压器的短路阻抗（短路电压）的标么值相等，且短路阻抗角也相等。阻抗角也相等。其中，第二条必须绝对满足。其中，第二条必须绝对满足。3.8.2 3.8.2 并联条件不满足时的运行分析并联条件不满足时的运行分析变比不等的两台变压器并联运行变比不等的两台变压器并联运行时，二次空载电压不等。折算到时，二次空载电压不等。折算到二次侧的等效电路如图所示。二次侧的等效电路如图所示。由等效电路可以列出方程式：由等效电路可以列出方程式：则二次侧电流为：则二次侧电流为：一、变比不等时并联运行 为了保证空载时环流不超过额定电流的为了保证空载时环流不超过额定电流的10%10%，通常规定并联，通常规定并联运行的变压器的变比差不大于运行的变压器的变比差不大于1%1%。 当变压器的变比不等时，在空载时，环流当变压器的变比不等时，在空载时，环流 就存在。变就存在。变比差越大，环流越大。由于变压器的短路阻抗很小，即使变比差越大，环流越大。由于变压器的短路阻抗很小，即使变比差很小，也会产生很大的环流。环流的存在，既占用了变比差很小，也会产生很大的环流。环流的存在，既占用了变压器的容量，又增加了变压器的损耗，这是很不利的。压器的容量，又增加了变压器的损耗，这是很不利的。二、连接组别不同时并联运行 连接组别不同时，二次侧线电压之间至少相差连接组别不同时，二次侧线电压之间至少相差30300 0，则二，则二次线电压差为线电压的次线电压差为线电压的51.8%51.8%，由于变压器的短路阻抗很小，由于变压器的短路阻抗很小, ,这么大的电压差将产生几倍于额定电流的空载环流，会烧毁这么大的电压差将产生几倍于额定电流的空载环流，会烧毁绕组，所以连接绕组，所以连接 组别不同绝不允许并联。组别不同绝不允许并联。三、短路阻抗标么值不等时并联运行由等效电路可知：由等效电路可知： 等效电路如图所示。等效电路如图所示。 可见，各台变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值可见，各台变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值成反比。成反比。 为了充分变压器的容量，理想的负载分配，应使各台变压为了充分变压器的容量，理想的负载分配，应使各台变压器的负载系数相等，而且短路阻抗标值相等。器的负载系数相等，而且短路阻抗标值相等。 变压器运行规程规定：在任何一台变压器不过负荷的情变压器运行规程规定：在任何一台变压器不过负荷的情况下，变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器可以并联运况下，变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器可以并联运行。又规定：阻抗标么值不等的变压器并联运行时，应适当行。又规定：阻抗标么值不等的变压器并联运行时，应适当提高短路阻抗标么值大的变压器的二次电压，以使并联运行提高短路阻抗标么值大的变压器的二次电压，以使并联运行的变压器的容量均能充分利用。的变压器的容量均能充分利用。 为了使各台变压器所承担的电流同相位，要求各变压器的为了使各台变压器所承担的电流同相位，要求各变压器的短路阻抗角相等。一般来说，变压器容量相差越大，短路阻抗短路阻抗角相等。一般来说，变压器容量相差越大，短路阻抗角相差也越大，因此要求并联运行的变压器的最大容量之比不角相差也越大，因此要求并联运行的变压器的最大容量之比不超过超过3 3：1 1。4.1 4.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构三相异步电动机的基本工作原理和结构4.2 4.2 交流电机的绕组交流电机的绕组4.3 4.3 交流电机绕组的感应电动势交流电机绕组的感应电动势4.4 4.4 交流电机绕组的磁动势交流电机绕组的磁动势4.5 4.5 三相异步电动机的空载运行三相异步电动机的空载运行4.6 4.6 三相异步电动机的负载运行三相异步电动机的负载运行4.74.7三相异步电动机的等效电路和相量图三相异步电动机的等效电路和相量图. .4.84.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡 三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。基本要求：基本要求：1.熟练掌握三相异步电动机的基本工作原理、转差率的概念及异步电机的三种运行状态；2.了解三相异步电动机的基本结构；3.掌握异步电动机型号和额定值；4.理解交流电机绕组的几个名词术语，会做单层整矩叠绕组、单层链式、单层同心式、单层交叉式和双层叠绕组展开图；5. 掌握交流电机绕组的感应电动势，掌握短矩系数和分布系数的物理意义及改善电动势波形的方法；6.掌握单相脉动磁动势的幅值计算方法及性质；7.熟练掌握三相绕组合成磁动势的幅值计算方法及基本性质；8.掌握异步电动机和负载运行时的物理情况，熟练掌握转子绕组的各电磁量及电动势、磁动势平衡关系；9.能熟练应用基本方程、等效电路和相量图来分析异步电动机的运行情况，掌握频率折算的物理本质及附加电阻的物理意义；10.能根据等效电路导出异步电动机的功率平衡关系，画出功率流程图，掌握转矩平衡关系；11.了解三相异步电动机的工作特性；12.了解三相异步电动机的参数测定方法。4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.14.1.1三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构一、定子部分1.1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。导磁部分。2 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。导电部分。3 3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。二、转子部分1 1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2 2、转子绕组转子绕组： 1 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2 2）绕线式转子：转子绕）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。 异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。的最小值。三、气隙按转子结构分按转子结构分：绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机继续继续下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要部件的拆分图。右图是一台三相鼠笼型异步电右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。动机的外形图。鼠笼型转子鼠笼型转子铁心和绕组铁心和绕组结构示意图结构示意图三相绕线型三相绕线型转子结构图转子结构图返回4.1.2 4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V2n一、转动原理1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割转旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。子导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。为机械能。二、转差率 转差率转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。运行情况。转子未转动时转子未转动时，电机理想空载时电机理想空载时，作为电动机，转速在作为电动机，转速在范围内变化，转差率在范围内变化，转差率在0 0 1 1范围内变。范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：速为： 额定运行时，转差率一般在额定运行时，转差率一般在0.010.060.010.06之间，即电机转速接之间，即电机转速接近同步速。近同步速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s s表示，表示，即：即：三、异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负, ,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态机械能转变为电机械能转变为电能能电能和机械能变电能和机械能变成内能成内能电能转变为机电能转变为机械能械能能量关系制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速外力使电机快速旋转旋转外力使电机沿磁外力使电机沿磁场反方向旋转场反方向旋转定子绕组接对定子绕组接对称电源称电源实现发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态4.1.3 4.1.3 型号和额定值型号和额定值一、型号例例: :额定值关系有：额定值关系有：额定运行状态时加在额定运行状态时加在定子绕组上的线电压定子绕组上的线电压. .额定条件下转轴上额定条件下转轴上输出的机械功率。输出的机械功率。在额定运行状态下流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流入定子绕组的线电流.额定运行时电额定运行时电动机的转速动机的转速.二、额定值二、额定值 三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成地接成“Y Y”形或形或“D D”形。形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结联结Y联结联结三、接线三、接线4.2交流电机的绕组4.2.1 交流绕组的基本知识一、基本要求和分类1 1）三相绕组对称；）三相绕组对称；2 2）力求获得最大的电动势和磁动势；）力求获得最大的电动势和磁动势；3 3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；4 4）节省用铜量；）节省用铜量；5 5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；6 6）工艺简单、便于制造、安装和检修。）工艺简单、便于制造、安装和检修。二、交流绕组的基本概念二、交流绕组的基本概念1 1、极距、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为槽数为Z Z，磁极对数为，磁极对数为p p，则极距：，则极距：2 2、线圈节距、线圈节距一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。3 3、电角度、电角度4 4、槽距角、槽距角相邻两个槽之间的电角度相邻两个槽之间的电角度：6 6、相带、相带 每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。面下所占的范围，用电角度表示称为相带。 每一个极面下每相所占的槽数为每一个极面下每相所占的槽数为5 5、每极每相槽数、每极每相槽数4.2.24.2.2 三相单层绕组三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。一、单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。成，整个外形如长链。 链式绕组的每个线链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于并且省铜。主要用于q=2q=2的的4 4、6 6、8 8极小型三极小型三相异步电动机。相异步电动机。二、单层交叉式绕组二、单层交叉式绕组 单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。相交叉。 交叉式绕组由交叉式绕组由两大一小线圈交叉两大一小线圈交叉布置。线圈端部连布置。线圈端部连线较短，有利于节线较短，有利于节省材料，并且省铜。省材料，并且省铜。广泛用于广泛用于q1q1的且为的且为奇数的小型三相异奇数的小型三相异步电动机步电动机。三、单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。状的线圈组构成。 同心式绕组端同心式绕组端部连线较长，适用部连线较长，适用于于q=4q=4、6 6、8 8等偶等偶数的数的2 2极小型三相极小型三相异步电动机。异步电动机。优点优点不适宜于大中型电机元件少，结构简元件少，结构简单，嵌线方便，单，嵌线方便，槽内无层间绝缘槽内无层间绝缘广泛应用于广泛应用于10kW10kW以下的以下的异步电动机定子绕组异步电动机定子绕组单层绕组为单层绕组为整距绕组整距绕组缺点电动势和磁动电动势和磁动势波形较差势波形较差铁损和噪铁损和噪声较大声较大起动性能较差三相单层绕组的优缺点4.2.3 4.2.3 三相双层绕组三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y y 的另一槽的下层。的另一槽的下层。双层绕组分双层叠绕组（如图双层绕组分双层叠绕组（如图2a=12a=1）和双层波绕组（略）和双层波绕组（略）。 双层绕组的特点：双层绕组的特点：1 1）线圈数等于槽数；）线圈数等于槽数；2 2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；3 3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。优点可以选择最有利的节可以选择最有利的节距，使电动势和磁动距，使电动势和磁动势波形更接近正弦波势波形更接近正弦波所有线圈的形状所有线圈的形状和尺寸相同，便和尺寸相同，便于实现机械化于实现机械化端部排列整齐端部排列整齐机械强度高机械强度高可组成较可组成较多的并联多的并联支路支路缺点嵌线困难用铜用铜量大量大4.34.3交流电机绕组的感应电动势交流电机绕组的感应电动势4.3.1 4.3.1 线圈的感应电动势及短距系数线圈的感应电动势及短距系数一、一根导体的电动势二、整距绕组的电动势 每个整距绕组由每个整距绕组由N Nc c个相同和线匝组成，每个整距线圈的电个相同和线匝组成，每个整距线圈的电动势动势: :电动势频率电动势频率: :电动势大小电动势大小: :电动势波形电动势波形: :随时间变化的波形随时间变化的波形取决于气隙磁密在取决于气隙磁密在空间的分布波形空间的分布波形三、短距线圈的电动势每个短距线圈的电动势每个短距线圈的电动势: :称为称为短距系数短距系数：线圈短距时电动势线圈短距时电动势比整距时打的一个比整距时打的一个折扣折扣4.3.2 4.3.2 线圈组的感应电动势及分布系数线圈组的感应电动势及分布系数 一组线圈由一组线圈由q q个线圈组成个线圈组成, ,若若q q个线圈为集中绕组时个线圈为集中绕组时, ,各线圈各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为: : 若若q q个线圈为分布绕组个线圈为分布绕组, ,放在放在q q个槽内个槽内, ,各线圈电动势大小相同各线圈电动势大小相同, ,相位相差相位相差电角度电角度, ,电动势为电动势为: :称为称为基波分布系数基波分布系数:线圈组电动势等于集线圈组电动势等于集中线圈组电动势打的中线圈组电动势打的一个折扣一个折扣.称为称为基波绕组基波绕组系数。系数。4.3.3 4.3.3 一相绕组的基波感应电动势一相绕组的基波感应电动势 一绕组有一绕组有2a2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势一、一相绕组的基波电动势对单层绕组：对单层绕组：对双层绕组：对双层绕组：二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响对V次谐波：改善电动势波形的方法改善电动势波形的方法: :（）（）采用短距绕组来削弱高次谐波采用短距绕组来削弱高次谐波（）采用分布绕组来削弱高次谐波（）采用分布绕组来削弱高次谐波改善主磁极磁场的分布改善主磁极磁场的分布改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势采用接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波采用接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1 4.4.1 单相绕组的磁动势单相绕组的磁动势一、整距集中绕组的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机一台两极气隙均匀的交流电机, ,一个整距一个整距绕组通入交流电流绕组通入交流电流, ,线圈磁动势在某瞬间的分线圈磁动势在某瞬间的分布如图布如图, ,由全电流定律得由全电流定律得: : 忽略铁心磁阻忽略铁心磁阻, ,磁动势完全降落在两磁动势完全降落在两个气隙上个气隙上. .每个气隙的磁动势为每个气隙的磁动势为: : 空间分布为空间分布为矩形波矩形波, ,随时间按随时间按正弦规律正弦规律变变化化. .变化变化频率为电流频率频率为电流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁脉动磁动势动势。矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波: :基波磁动势为基波磁动势为: :基波磁动势最大值为基波磁动势最大值为: : 整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为仍然为脉动磁动势脉动磁动势。二、单相脉动磁动势1 1、整距分布绕组的磁动势、整距分布绕组的磁动势 每个绕组由每个绕组由q q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角槽距角,绕组的基波磁动势为绕组的基波磁动势为q q个线圈基波磁动势的空间矢量个线圈基波磁动势的空间矢量和：和：2 2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势、一组双层短距分布绕组的基波磁动势 双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：3 3、相绕组的磁动势、相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p p对磁极，就有对磁极，就有p p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为每相电流为I Ip p: : 单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布，单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的幅值大小随时间按正弦规律变化的脉动磁动势脉动磁动势。三、单相脉动磁动势的分解即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。先分析取幅值点分析综上分析综上分析可见(1)(1)单相绕组的基波磁动势为脉动单相绕组的基波磁动势为脉动, ,它可以分解为大小相等、它可以分解为大小相等、转速相同而转身相反的两个旋转磁场。转速相同而转身相反的两个旋转磁场。(2)(2)反之反之, ,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。动磁动势。（3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。圆形旋转磁动势。4.4.2 4.4.2 三相绕组基波合成磁动势三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势旋转磁动势三相的合成磁动势：三相的合成磁动势： 取取U U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x x的参考方向、的参考方向、U U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：势为：可见：三相合成磁动势也是一个可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组交流电机三相对称绕组, , 通入三相对称电流，磁动势是三相通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。的合成磁动势。 为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，律变化，U U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：U2U1W2V1W1V2用图解法分析用图解法分析不同时刻三相合成磁动势不同时刻三相合成磁动势 合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。流的相。 产生圆形旋转磁动势的条件：产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。旋转磁动势。 三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/23/2倍。倍。(2)(2)转向由电流相序决定转向由电流相序决定, ,从载有超前电流相转到载有滞后电从载有超前电流相转到载有滞后电流相流相. .(3)(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数转速决定于电流的频率和电机的磁极对数(4)(4)当某相电流达最大值时当某相电流达最大值时, ,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该旋转磁动势的波幅位置刚好转到该相绕组的轴线位置上相绕组的轴线位置上4.5.1 4.5.1 空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系4.5三相异步电动机的空载运行一、主、漏磁通的分布 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕组，主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心其路径为：定子铁心气隙气隙转子转子铁心铁心气隙气隙定子铁心。主磁通起定子铁心。主磁通起传递能量的作用。传递能量的作用。 除了主磁通以外的磁通称为漏除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。压降作用。二、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。三、电磁关系4.5.2 4.5.2 空载运行时的电压平衡方程空载运行时的电压平衡方程一、感应电动势与变压器一样与变压器一样, ,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。二、电压平衡方程与等效电路 与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：定子每相电压方程式：同样也有：同样也有： 根据上两式，可以作出空载时根据上两式，可以作出空载时等效电路。等效电路。 尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：有差别的：1 1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场磁场.4 4）由于存在气隙）由于存在气隙, ,异步电动机漏抗较变压器的大异步电动机漏抗较变压器的大. .5)5)异步电动机通常采用短距和分布绕组异步电动机通常采用短距和分布绕组, ,计算时需考虑绕组计算时需考虑绕组系数系数, ,变压器则为整距集中绕组变压器则为整距集中绕组, ,可认为绕组系数为可认为绕组系数为1.1.4.6.1 4.6.1 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系4.6三相异步电动机的负载运行4.6.2 4.6.2 转子绕组各电磁量转子绕组各电磁量一、转子电动势的频率 感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度, ,故故转子电动势的频率为转子电动势的频率为: :转子不转时,理想空载时,二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势转子旋转时的感应电动势: :转子不转时的感应电动势转子不转时的感应电动势: :二者关系为二者关系为: :三、转子绕组的漏阻抗电抗与频率成正比电抗与频率成正比, ,转子旋转时转子漏电抗转子旋转时转子漏电抗: :二者关系二者关系: :转子绕组的漏阻抗转子绕组的漏阻抗: :四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组转子绕组为闭合绕组, ,转子电流为转子电流为转子不转时转子漏电抗转子不转时转子漏电抗: :当转速降低时当转速降低时, ,转差率增大转差率增大, ,转子电流也增大转子电流也增大. .五、转子绕组的功率因数 转子功率因数与转差率有关转子功率因数与转差率有关, ,当转差率增大时当转差率增大时, ,转子功率因数转子功率因数则减小。则减小。六、转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势. .1)1)幅值幅值2)2)转向转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同, ,转子旋转磁转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致动势的方向与转子电流相序一致. .转子旋转磁动势相对定子的速度为转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见可见, ,无论转子转速怎样变化无论转子转速怎样变化, ,定、转子磁动势总是以同速、定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。4.6.3 4.6.3 磁动势平衡方程磁动势平衡方程磁动势的平衡方程为：磁动势的平衡方程为：可以改写为：可以改写为：写成磁动势幅值公式写成磁动势幅值公式：4.6.4 4.6.4 电动势平衡方程电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：4.7.1 4.7.1 折算折算4.7三相异步电动机的等效电路和相量图 频率折算频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统统, ,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。一、频率折算 在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。转子回路电流转子回路电流 实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻了一个附加电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和耗的功率等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。总的机械功率。 从等效电路角度，可以把从等效电路角度，可以把 看成是异步电动机看成是异步电动机的的”电阻负载电阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压，其上的压降可以看成是转子回路的端电压:二、绕组折算4.7.2 等效电路一、绕组后的基本方程二、T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路由基本方程可以作出等效电路: :T T型等效电路型等效电路简化等效电路简化等效电路从等效电路分析可知从等效电路分析可知: :3)3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；三相异步电动机的功率因数永远滞后；4)4)附加电阻不能用电感或电容来代替。附加电阻不能用电感或电容来代替。5)5)在等效电路中负载的变化是用转差率在等效电路中负载的变化是用转差率s s来体现的来体现的4.7.3 相量图 按照基本方程和等效电路可以按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。作出异步电动机的相量图。4.8.1 4.8.1 功率平衡和转矩平衡功率平衡和转矩平衡4.84.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡和工作特性三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡和工作特性异步电动机的功率和损耗有：异步电动机的功率和损耗有：一、功率平衡输入功率输入功率定子铁损定子铁损电磁功率电磁功率机械功率机械功率输出功率输出功率定子铜损定子铜损转子铜损转子铜损在等效电路上表示功率和损耗在等效电路上表示功率和损耗：两个重要关系式两个重要关系式 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。电机的转差率均很小。二、转矩平衡即即或或电磁转矩电磁转矩 在式在式 的两边同时除以机械角速度的两边同时除以机械角速度 得得 电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。角速度。4.8.2 4.8.2 三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性一、转速特性二、转矩特性三、定子电流特性四、定子功率因数特性五、效率特性工作特性的曲线如工作特性的曲线如图所示：图所示：5.1 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性5.2 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动5.3 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动5.4三相异步电动机的调速三相异步电动机的调速思考题与习题本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。调速等问题。基本要求：基本要求：1.熟练掌握三相异步电动机电磁转矩的物理表达式和参数表达式、掌握实用表达式及其计算；2.熟练掌握三相异步电动机固有机械特性曲线，深入理解特性曲线上的起动点、最大转矩点，额定运行点和同步点的意义；3.熟练掌握三相异步电动机降低定子电压的人为机械特性和绕线转子异步电动机串联对称电阻的人为机械特性以及与固有特性比较，人为机械特性的最大转矩、起动转矩和临界转差率的变化情况；4.了解三相笼型异步电动机直接起动的特点，熟练掌握星一三角形降压起动和自耦变压器降压起动的方法及其有关计算；5.了解深槽式及双笼型异步电动机的特点；掌握三相绕线转子异步电动机的转子串电阻起动方法及其分级起动电阻的计算；6.了解三相绕线转子异步电动机的转子串接频敏变阻器起动方法及其特点；7.掌握能耗制动的方法及转子电阻大小和直流励磁电流大小对制动的影响，了解能耗制动机械特性曲线的特点；掌握电源两相反接制动和倒拉反转反接制动的方法制动时的能量关系。熟知反接制动过程中工作点变化情况；掌握回馈制动的条件、回馈制动机械特性的形状，了解生产实践中出现回馈制动的例子；8.掌握三相异步电动机的三种调速方法，掌握变极调速的原理、容许输出和机械特性，掌握变频调速时电压随频率调节的规律、机械特性，了解变频装置，熟练掌握绕线转子异步电动机的转子串接电阻调速方法，掌握调压调速方法，了解电磁调速异步电动机结构、工作原理和应用。5.1三相异步电动机的机械特性一、物理表达式5.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式二、参数表达式 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用异步电动机的机械特性通常用 表示。表示。表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的与转子电流的有功分量有功分量 相互作用产生的。相互作用产生的。 说明：电磁转矩与电源参数（说明：电磁转矩与电源参数（1 1、f f1 1）、结构参数（）、结构参数（R R、X X、m m、p p）和运行参数（）和运行参数（s s）有关。）有关。 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 曲线曲线在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令转差率，可令 求得求得: : 最大转矩与额定转矩之比称为过载能力最大转矩与额定转矩之比称为过载能力: :2 2、 越大，越大， 越大；越大； 与与 无关。无关。1 1、 与与 成正比；成正比； 与与 无关。无关。3 3、 和和 都近似与漏抗成反比都近似与漏抗成反比在特性曲线上还有一个起动转矩，即在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩时的转矩: : 结论：当其它参数一定时结论：当其它参数一定时1 1、起动转矩与电源电压平方成正比；、起动转矩与电源电压平方成正比；2 2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3 3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。4 4、起动转矩倍数、起动转矩倍数三、实用表达式 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：求出实用表达式。方法是：将将T Tm m和和s sm m代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式。利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：5.1.25.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem几个特殊点：几个特殊点：A AB BC CD1.起动点A:2.最大转矩点B:3.额定运行点C4.同步运行点D二、人为机械特性人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。械特性。1. 1. 降压时的人为机械特性降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm 下降后下降后, 和和 均下降均下降, 但但 不变不变, 和和 减少。减少。 如果电机在定额负载下运如果电机在定额负载下运行行, 下降后下降后, 下降下降, 增大增大, 转子电流因转子电流因 增大而增增大而增大大,导致电机过载。长期欠压导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减过载运行将使电机过热，减少使用寿命。少使用寿命。2. 2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后串电阻后, , 、 不变，不变， 增大。增大。在一定范围内增加电阻，可以在一定范围内增加电阻，可以增加增加 。当。当 时时 ，若，若再增加电阻，再增加电阻， 减小。减小。 串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 除了上述特性外，还有除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人改变电源频率、极对数等人为机械特性。为机械特性。1 0TstTmTems n0n1smR2TstsmR2+Rs5.2三相异步电动机的起动 起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程过程. .对电动机的起动性能要求二：起动电流小对电动机的起动性能要求二：起动电流小, ,起动转矩不大。起动转矩不大。1.1.起动电流大的原因起动电流大的原因 起动时起动时, , ,转子感应电动势大转子感应电动势大, ,使转子电流大使转子电流大, ,根据磁根据磁动势平衡关系动势平衡关系, ,定子电流必然增大定子电流必然增大. .2.2.起动转矩不大的原因起动转矩不大的原因从下述公式分析从下述公式分析 起动时起动时, , ,远大于运行时的远大于运行时的 , ,转子漏抗转子漏抗 很大很大, , 很低很低, ,尽管尽管 很大很大, ,但但 并不大并不大. . 由于起动电流大由于起动电流大, ,定子漏阻抗压降大定子漏阻抗压降大, ,使定子感应电动势减小使定子感应电动势减小, ,对应的气隙磁通减小对应的气隙磁通减小. .由上述两个原因使得起动转矩不大由上述两个原因使得起动转矩不大. .5.2.15.2.1 三相笼型异步电动机的起动三相笼型异步电动机的起动一、直接起动可以直接起动的条件：起动电流倍数可以直接起动的条件：起动电流倍数二、降压起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。的电动机。起动时起动时 Y Y接；运行时接；运行时接。接。起动电流关系:Y- Y- 降压起动降压起动多用于空载或轻载起动多用于空载或轻载起动1.Y-1.Y- 降压起降压起动动起动转矩关系:2.2.自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动直接起动时的起动电流：直接起动时的起动电流：降压后二次侧起动电流：降压后二次侧起动电流：变压器一次侧电流：变压器一次侧电流：电网提供的起动电流减小倍数：电网提供的起动电流减小倍数：起动转矩减小的倍数：起动转矩减小的倍数：自耦变压器一般有三个分接头可供选用。自耦变压器一般有三个分接头可供选用。5.2.2 三相绕线型异步电动机的起动一、转子回路串电阻起动 在转子回路中串联适当的电阻在转子回路中串联适当的电阻, ,既能既能限制起动电流，又能增大起动转矩。限制起动电流，又能增大起动转矩。 为了有较大的起动转矩、使起动为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。切除起动电阻。 电动机由电动机由a a点点开始起动，经开始起动，经bcdebcdef ghf gh，完，完成起动过程。成起动过程。起动过程起动过程二、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。 起动时，起动时，S2S2断开，转子串入频敏断开，转子串入频敏变阻器变阻器,S1,S1闭合，电机通电开始起动。闭合，电机通电开始起动。起动时起动时, , ,频敏变阻器铁损大频敏变阻器铁损大, ,反反映铁损耗的等效电阻映铁损耗的等效电阻 大大, ,相当于转相当于转子回路串入一个较大电阻。随着子回路串入一个较大电阻。随着 上上升升, , 减小减小, ,铁损减少铁损减少, ,等效电阻等效电阻 减小减小, ,相当于逐渐切除相当于逐渐切除 , ,起动结束起动结束,S2,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。路直接短路。 5.3三相异步电动机的制动5.3.1 能耗制动实现实现：制动时，：制动时，S1S1断开断开, ,电机脱离电网，电机脱离电网，同时同时S2S2闭合闭合, ,在定子绕组中通入直流励磁在定子绕组中通入直流励磁电流。电流。 直流励磁电流产生一个恒定的磁场，直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电动势和电速下降，当转速为零时，感应电动势和电流为零，制动过程结束。流为零，制动过程结束。 制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上上能耗制动。能耗制动。nTemA0n1C1B23 对笼型异步电动机对笼型异步电动机, ,可以增可以增大直流励磁电流来增大初始制大直流励磁电流来增大初始制动转矩动转矩 。 对绕线型异步电动机对绕线型异步电动机, ,可可以增大转子回路电阻来增大以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩初始制动转矩 。制动电阻大小：制动电阻大小：一、电源两相反接的反接制动5.3.25.3.2 反接制动反接制动实现实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。：将电动机电源两相反接可实现反接制动。机械特性由曲线机械特性由曲线1 1变为曲线变为曲线2 2，工作点由，工作点由AB CAB C，n=0,n=0,制动过程结束。制动过程结束。绕线式电动机绕线式电动机在定子两反在定子两反接同时接同时, ,可在转子回路串联可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩和增大制动转矩 , ,曲线曲线3 3。二、倒拉反转的反接制动条件条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现实现：在转子回路串联适当大电阻：在转子回路串联适当大电阻R RB B。电机工作点由电机工作点由AB AB CC，n=0n=0，制动过程，制动过程开始，电机反转子，开始，电机反转子，直到直到D D点。在第四象点。在第四象限才是制动状态。限才是制动状态。由于电机反向旋转，由于电机反向旋转，n0n1s1。反接制动时，反接制动时，s1s1，所以有，所以有机械功率为机械功率为电磁功率为电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。而而表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。耗较大。5.3.3 回馈制动实现实现：电动机转子在外力作用下，使：电动机转子在外力作用下，使nnnn1 1. . 回馈制动状态实际上就是将轴上的机回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。机状态。一、下放重物时的回馈制动 首先将定子两相反接首先将定子两相反接, ,定子旋转磁场定子旋转磁场的同步速为的同步速为-n-n1 1，特性曲线变为特性曲线变为2 2。工作。工作点由点由A A到到B B。经过反接制动过程（由。经过反接制动过程（由B B到到C C）、反向加速过程（）、反向加速过程（C C到到-n-n1 1变化），最变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过同后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到步速，直到C C点保持稳定运行。点保持稳定运行。电机机械特性曲线电机机械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。二、变极或变频调速过程中的回馈制动电机机械特性曲线电机机械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。电机工作点由电机工作点由A A变到变到B B，电磁转矩，电磁转矩为负，为负， ，电机处于回馈制，电机处于回馈制动状态。动状态。当电机采用变极（增加极数）或变当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械频（降低频率）进行调速时，机械特性变为特性变为2 2。同步速变为。同步速变为 。5.4三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。5.4.1 变极调速一、变极原理变极调速只用于笼型电动机。变极调速只用于笼型电动机。 以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：U U相两个线圈，相两个线圈，顺向串联顺向串联，定子绕组产生定子绕组产生4 4极磁场：极磁场：反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组，定子绕组产生产生2 2极磁场：极磁场：二、三种常用变极接线方式Y反并反并YY，2p-pY反串反串Y，2p-pYY，2p-p注意注意：当改变当改变定子绕定子绕组接线组接线时，必时，必须同时须同时改变定改变定子绕组子绕组的相序的相序三、变极调速时容许输出 容许输出容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电动机轴上输出的功率和转矩。动机轴上输出的功率和转矩。1. 1. Y-YYY-YY联结方式联结方式Y-YYY-YY后后, ,极数减少一半极数减少一半, ,转速增大一倍转速增大一倍, ,即即 ，保持每一绕组，保持每一绕组电流为电流为 , ,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为 可见，可见，Y-YYY-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。2. 2. -YY-YY联结方式联结方式-YY-YY后后, ,极数减少一半极数减少一半, ,转速增大一倍转速增大一倍, ,即即 ，保持每一，保持每一绕组电流为绕组电流为 , ,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为 可见，可见，-YY-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。 同理可以分析，同理可以分析，正串正串Y-Y-反串反串Y Y联结方式的变极调速属恒功联结方式的变极调速属恒功率调速。率调速。四、变极调速时的机械特性1. Y-YY联结方式联结方式2. -YY联结方式联结方式 变极调速时变极调速时, ,转速几乎是成倍变化的转速几乎是成倍变化的, ,调速的平滑性较差调速的平滑性较差, ,但但具有较硬的机械特性具有较硬的机械特性, ,稳定性好稳定性好, , 可用于恒功率和恒转矩负载可用于恒功率和恒转矩负载. .5.4.2 变频调速一、电压随频率调节的规律 当转差率当转差率s s变化不大时，电动机的转速变化不大时，电动机的转速n n基本与电源频率基本与电源频率f f1 1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，是， 频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：求下式成立：1 1、恒转矩变频率调速、恒转矩变频率调速此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。对恒转矩负载对恒转矩负载2 2、恒功率变频率调速、恒功率变频率调速此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。对恒功率负载对恒功率负载得二、频率调速时电动机的机械特性变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示最大转矩最大转矩起动转矩起动转矩临界点转速降临界点转速降在基频以下调速时在基频以下调速时, ,保持保持 , ,即恒转矩调速。即恒转矩调速。 在基频以上调速时在基频以上调速时, ,电压只能电压只能 ，迫使主磁通与频率成，迫使主磁通与频率成反比降低，近似为恒功率调速。反比降低，近似为恒功率调速。5.4.35.4.3 变转差率调速变转差率调速一、绕线转子电动机的转子串接电阻调速绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为绕线转子电动机的转子回路串接对称电阻时的机械特性为 从机械特性看，转子串电阻从机械特性看，转子串电阻时，同步速和最大转矩不变，但时，同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。当恒转矩负载临界转差率增大。当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。的增大而减小。设设 、 、 是转子串联电阻是转子串联电阻 前的量，前的量， 、 、 是串联电阻后是串联电阻后的量，的量， 则转子串接的电阻为：则转子串接的电阻为：二、绕线转子电动机的串级调速在绕线转子电动机的转子回在绕线转子电动机的转子回路串接一个与转子电动势路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势同步频率的附加电动势 。通过改变通过改变 的幅值和相的幅值和相位，也可实现调速，这就位，也可实现调速，这就是串级调速。是串级调速。 改变电动机的电压改变电动机的电压时，机械特性为时，机械特性为三、调压调速 调压调速既非恒转矩调调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，它最速，也非恒功率调速，它最适用于转矩随转速降低而减适用于转矩随转速降低而减小的负载，如风机类负载，小的负载，如风机类负载，也可用于恒转矩负载，最不也可用于恒转矩负载，最不适用恒功率负载。适用恒功率负载。6.1 6.1 同步电机的基本工作原理与结构同步电机的基本工作原理与结构6.2 6.2 同步发电机的空载运行同步发电机的空载运行6.36.3同步发电机的电枢反应同步发电机的电枢反应6.4 6.4 同步发电机的负载运行同步发电机的负载运行6.56.5同步发电机的并联运行同步发电机的并联运行6.66.6同步电动机和同步调相机同步电动机和同步调相机思考题与习题思考题与习题 同步电机是交流旋转电机的一种同步电机是交流旋转电机的一种, ,因其转速恒等于同步速机因其转速恒等于同步速机时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。时得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分本章主要分析同步发电机的稳态运行原理和运行特性，简要分析同步电动机和调相机的运行状态。析同步电动机和调相机的运行状态。6.76.7同步电动机的同步电动机的电力拖动电力拖动基本要求：基本要求：1.掌握同步发电机和同步电动机的基本工作原理，了解凸极机和隐极机的基本结构特点并熟悉同步电机的额定值；2.掌握对称负载运行时的电枢反应和机一电能量转换关系；3.了解同步电机中各种电抗的物理意义及大小关系；4.了解同步电机的电动势方程式、相量图和等效电路；5.掌握三相同步电动机的功角特性、矩角特性与V形曲线；6.掌握三相同步发电机的功率、转矩和运行特性；7.掌握三相同步发电机的并联运行的条件与方法，有功功角特性及有功功率的调节，无功功率的调节及V形曲线；8.了解同步发电机的三相突然短路电流；9.对同步调相机作一般了解；10.了解同步电动机的起动、调速和制动方法以及控制方式。.1同步电机的基本工作原理与结构.1.1 同步电机的基本结构以汽轮发电机为例以汽轮发电机为例: :定子铁心定子铁心：硅钢片叠成。：硅钢片叠成。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。机座：钢板焊接面成，有足够的强度和钢度。电枢绕组电枢绕组：三相对称绕组：三相对称绕组铜线制成铜线制成定子定子( (电枢电枢) )转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成转子铁心：采用整块的含铬、镍和钼的合金钢锻成护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出护环：保护励磁绕组受离心力时不甩出励磁绕组：铜线制成励磁绕组：铜线制成滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组滑环：引励磁电流经电刷、滑环进入励磁绕组中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动中心环：支持护环，阻止励磁绕组轴向移动转子转子机械端口机械端口转子转子定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心电端口电端口ABC返回返回1 1、汽轮发电机结构、汽轮发电机结构 （1 1）定子铁心）定子铁心返回返回1 1、汽、汽轮发电轮发电机结构机结构返回2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构(1)(1)立式水轮发电机立式水轮发电机(2)(2)卧式水轮发电机卧式水轮发电机2 2、水轮发电机结构、水轮发电机结构转子结构转子结构10000kW10000kW水轮机转子水轮机转子1.1.发电环节发电环节各种电机各种电机引进引进600MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产300MW汽轮发电机汽轮发电机国产国产200MW汽轮发电机定子汽轮发电机定子国产国产200MW汽轮发电机定子铁心汽轮发电机定子铁心现场运行的水轮发电机现场运行的水轮发电机.1同步电机的基本工作原理与结构.1.2 同步电机的基本工作原理与分类一、同步发电机的基本工作原理大小大小：频率频率： 励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动转子以转速场，原动机拖动转子以转速 旋转时，其旋转时，其磁场切割定子绕组而感应交流电动势磁场切割定子绕组而感应交流电动势 . . 相序相序：由转子的转向决定。：由转子的转向决定。波形波形：由：由 可知，波形可知，波形取决于取决于 的空间分布。的空间分布。U2U1W2V1W1V2发电机的物理过发电机的物理过程可用图示表示程可用图示表示旋转示意图1旋转示意图2二、同步电机的分类按按运行运行方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。方式，同步电机分发电机、电动机和调相机。按按结构结构型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。型式，同步电机分旋转电枢式和旋转磁极式。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。旋转磁极式同步电机按磁极形状，又分隐极式和凸极式两种。按原动机类别按原动机类别, ,同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油同步电机分为汽轮发电机、水轮发电机和柴油发电机等。发电机等。汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为汽轮发电机一般作成隐极式，现代汽轮发电机均为2 2极，转速极，转速为为30003000转转/ /分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。分钟，水轮发电机采用凸极式，极数多，转速低。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。同步电动机、柴油发电机和调相机一般作成凸极式。.1.3 同步电机的额定值对同步发电机额定值之间关系为：对同步发电机额定值之间关系为：额定运行时加在额定运行时加在三相定子绕组上三相定子绕组上的线电压。的线电压。 指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输指电机额定运行时，输出功率的保证值。同步发电机是指输出的额定视在功率或有功功率，单位是出的额定视在功率或有功功率，单位是KVAKVA或或KWKW。电动机额定容。电动机额定容量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是量是指额定条件下转轴上输出的机械功率，单位是KWKW。调相机用。调相机用KVAKVA或或KvarKvar表示。表示。在额定运行状在额定运行状态下三相定子态下三相定子绕组的线电流绕组的线电流.2 同步发电机的空载运行电磁关系：电磁关系：空载特性：空载特性： 同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流电流电流 ，定子绕组开路的运行称为，定子绕组开路的运行称为空载运行空载运行。空载电动势空载电动势 大小：大小：.3 同步电机的电枢反应电枢反应电枢反应: :电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙电机带上负载后，电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化磁通的大小及位置均发生变化, , 这种影响称为电枢反应这种影响称为电枢反应. .电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波 和励磁磁动势基波和励磁磁动势基波 之间的相对位置，即与空载电动势之间的相对位置，即与空载电动势 和电枢电流和电枢电流 之间的夹角之间的夹角 有关有关. .励磁磁势和电枢磁势的区别励磁磁势和电枢磁势的区别基波基波波形波形大小大小位置位置转速转速转向转向励磁磁动励磁磁动势势正弦正弦波波恒定，由励恒定，由励磁电流决定磁电流决定由转子位置由转子位置决定决定由原动机的转速由原动机的转速决定决定由原动机由原动机决定决定电枢反应电枢反应磁动势磁动势正弦正弦波波恒定，由电恒定，由电枢电流决定枢电流决定由电流瞬时由电流瞬时值决定值决定由磁极对数和电由磁极对数和电流频率决定流频率决定由电流相由电流相序决定序决定.3.1 时的电枢反应d轴轴q轴轴U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴电枢反应性质：电枢反应性质：交轴电枢反应空载电动势空载电动势 和和电枢电流电枢电流 同同相位相位. .d轴轴q轴轴U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴.3.2 时的电枢反应空载电动势空载电动势 超超前电枢电流前电枢电流 电枢反应性质：电枢反应性质：直轴去磁电枢反应d轴轴q轴轴U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴6.3.36.3.3 时的电枢反应时的电枢反应空载电动势空载电动势 滞后滞后电枢电流电枢电流 电枢反应性质：电枢反应性质：直轴助磁电枢反应d轴轴q轴轴U轴轴U1U1U2U2 W2W2V1V1W1V2NSW轴轴V轴6.3.4 一般情况下的电枢反应空载电动势空载电动势 超前超前电枢电流电枢电流 角角, , 电枢反应性质：电枢反应性质：既有交轴,还有直轴去磁电枢反应此种情况下此种情况下-直轴分量直轴分量-交轴分量交轴分量-直轴分量直轴分量电流产生的合成磁动势电流产生的合成磁动势-交轴分量交轴分量电流产生的合成磁动势电流产生的合成磁动势6.3.4 一般情况下的电枢反应（总结）上升上升下降下降 上升上升下降下降下降下降下降下降不变不变不变不变下降下降R、C增强增强交轴直交轴直轴助磁轴助磁d、q轴R、L削弱削弱交轴直交轴直轴去磁轴去磁d、q轴C增强增强直轴直轴助磁助磁d轴L削弱削弱直轴直轴去磁去磁d轴R波形波形畸变畸变交轴交轴q轴 负载负载性质性质对电机的影响电枢反应性质记作记作夹角夹角 位置位置6.3.5 电枢反应与机-电能量转换 电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机-电能电能量转换的枢纽。量转换的枢纽。输出的有功功率越大，有功分量电流就越输出的有功功率越大，有功分量电流就越大，交轴电枢反应越强，大，交轴电枢反应越强， 越大，这就越大，这就要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电要求原动机输入更大的驱动转矩，维持电机的转速不变。机的转速不变。 说明发电机带感性说明发电机带感性( (或容性或容性) )无无功负载时功负载时, ,不需要原动机增加能量不需要原动机增加能量. . 但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙但是直轴去磁（或助磁）电枢反应对气隙磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降磁场有去磁（或助磁）作用，致使电压下降（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流（或上升）。为维持电压恒定所需的励磁电流也需要相应增加（或减小）。也需要相应增加（或减小）。 直轴电枢反应磁场与励磁直轴电枢反应磁场与励磁电流共同作用电流共同作用, ,在励磁绕组上产在励磁绕组上产生电磁力生电磁力, ,但不能形成电磁转矩但不能形成电磁转矩. . 一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流的变化影响发电机的电压。的变化影响发电机的电压。 综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机电能量转电能量转换的关键。换的关键。为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。6.4.1 凸极同步发电机的电动势方程和相量图.4 同步电机的负载运行一、凸极同步发电机的电动势方程电磁关系：电磁关系：不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系由于由于且令且令则电动势平衡方程则电动势平衡方程-直轴同步电抗直轴同步电抗-交轴同步电抗交轴同步电抗分别表征在对称负载下，单位直轴或分别表征在对称负载下，单位直轴或交轴三相电流产生的总电枢磁场在电交轴三相电流产生的总电枢磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。枢每一相绕组中感应的电动势。二、凸极同步发电机的相量图作图步骤作图步骤6.4.2隐极同步发电机的电动势方程、相量图和等效电路一、电动势方程电磁关系：电磁关系：不计磁路饱和时有下列关系不计磁路饱和时有下列关系令令电动势平衡方程电动势平衡方程-同步电抗同步电抗 表征在对称负载下，单位三相电流表征在对称负载下，单位三相电流产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中产生的电枢总磁场在电枢每一相绕组中感应的电动势。感应的电动势。二、等效电路和相量图等效电路等效电路相量图相量图根据相量图可求出根据相量图可求出 当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为当忽略电枢回路电阻时得到的等效电路称为简化等简化等效电路效电路, ,对应的相量图称为对应的相量图称为简化相量图简化相量图思考题 分别作出汽轮同步发电机带分别作出汽轮同步发电机带阻性阻性、纯感性纯感性、纯容性纯容性、电感性电感性、电容性电容性负负载时的简化相量图？并说明各种情况载时的简化相量图？并说明各种情况下下电枢反应电枢反应的性质？的性质？6.4.3 同步发电机特性一、空载特性定义定义： 空载特性是发电机的基本特性空载特性是发电机的基本特性之一。它一方面表征了磁路的饱和之一。它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。电压变化率等。 实际生产中，它还可以检查三实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。等。 二、短路特性定义定义：短路时的等效电路短路时的等效电路短路特性曲线短路特性曲线 短路特性与短路特性与空载特性配合可空载特性配合可以求出电机的同以求出电机的同步电抗。步电抗。三、外特性定义定义：外特性曲线外特性曲线 当发电机带当发电机带阻性阻性和和感性负载感性负载时，时，外特性是下降的，原因是电枢反应的外特性是下降的，原因是电枢反应的去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降去磁作用和电枢漏阻抗产生了电压降. 带带容性容性负载时且（发电机负载的负载时且（发电机负载的容抗大于同步电抗）时，外特性是上容抗大于同步电抗）时，外特性是上升的，原因是电枢反应的助磁作用和升的，原因是电枢反应的助磁作用和容性电流在漏抗上的压降。容性电流在漏抗上的压降。四、调节特性定义定义：调整特性曲线调整特性曲线 在在感性感性和和阻性阻性负载时，随着负载电流负载时，随着负载电流的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反的增加，必须增加励磁电流，补偿电枢反应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压应的去磁作用和漏阻抗压降，保持端电压恒定；对恒定；对容性容性负载，随着负载电流的增加，负载，随着负载电流的增加，必须减小励磁电流。必须减小励磁电流。 在功率因数一定情况下在功率因数一定情况下, ,根据调整特根据调整特性曲线性曲线, ,可确定在负载变化范围内可确定在负载变化范围内, ,维持维持电压不变所需的励磁电流的变化范围。电压不变所需的励磁电流的变化范围。运行人员可利用调整特性曲线运行人员可利用调整特性曲线, ,使系统中使系统中无功功率的分配更合理一些。无功功率的分配更合理一些。并联运行的含义.5 同步电机的并联运行1 1、提高供电的可靠性；、提高供电的可靠性；2 2、提高供电的经济性；、提高供电的经济性；3 3、提高电能的质量。、提高电能的质量。无穷大电网的含义 将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或将两台或更多台发电机分别接在电力系统对应母线上，或通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷通过变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向负荷供电。供电。并联运行的优点并列方法1.1.准同期法准同期法2.2.自同期法自同期法6.5.1 并联运行的条件与方法一、准同期并列的条件1.1.待并发电机的电压与电网电压大小相等；待并发电机的电压与电网电压大小相等；2.2.待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；待并发电机电压相位相同与电网电压相位相同；3.3.待并发电机电压频率与电网电压频率相同；待并发电机电压频率与电网电压频率相同； 4.4.待并发电机的相序与电网的相序相同。待并发电机的相序与电网的相序相同。 上述条件（上述条件（4 4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。机使其满足其它三个条件即可。 不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严不满足任一条件的并列称为非同期并列，将对电机产生严重的危害。重的危害。重点重点内容内容1. 1. 电压大小不等电压大小不等此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差 在电位差的作用下发电机产生在电位差的作用下发电机产生冲击电流，即冲击电流，即 冲击电流为无功冲击电流为无功分量，不会加重原动分量，不会加重原动机的负担，但会在电机的负担，但会在电枢绕组中产生很大的枢绕组中产生很大的冲击力，使电枢绕组冲击力，使电枢绕组端部受冲击力的作用端部受冲击力的作用而变形。而变形。2. 2. 相位不同相位不同 电位差可达发电机电位差可达发电机电压的两倍，若此时并电压的两倍，若此时并列，会产生很大的冲击列，会产生很大的冲击电流，发电机会因遭受电流，发电机会因遭受巨大的冲击力而损坏。巨大的冲击力而损坏。冲击电流的影响：冲击电流的影响：1)1)电枢绕组端电枢绕组端部受部受力力变形变形; 2); 2)转轴上受冲击转轴上受冲击转转矩矩的作用的作用, ,使机轴扭曲变形使机轴扭曲变形; ;) )电电枢绕组枢绕组发热发热. .此时此时,ab,ab两端有电位差两端有电位差3. 3. 频率不同频率不同转轴上时而产生制动转矩、时而产转轴上时而产生制动转矩、时而产生驱动转矩，结果是电机振动。生驱动转矩，结果是电机振动。拍振电流使电枢绕组端拍振电流使电枢绕组端部受力变形，使电枢绕部受力变形，使电枢绕组发热。组发热。 频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠频率差过大电机不能并列；频率差较小时，靠自整步作作用，可以把发电机拉入同步。用，可以把发电机拉入同步。4. 4. 相序不同相序不同 发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允发电机实际并列时，除了相序必须一致外，其它条件允许有一定的偏差，如许有一定的偏差，如U U不超过不超过10%10%，相位差不超过，相位差不超过10%10%，频率，频率偏差不超过偏差不超过0.2%0.5%0.2%0.5%（0.10.25Hz)0.10.25Hz)。二、自同期法 相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同相序正确前提下，起动未加励磁的发电机，当其转速接近同步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁步速时，合上同步开关，将发电机并网，然后加上发电机励磁将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。将发电机牵入同步。并网前，励磁绕组需经限流电阻闭合。6.5.2 有功功角特性及有功功率调节.5 同步电机的并联运行一、功率和转矩平衡输入输入功率功率P1机械损机械损耗耗pmec附加损附加损耗耗p padad铁损铁损pFe电磁功电磁功率率Pem定子铜损定子铜损pcu1输出功输出功率率P P2 2可得转矩平衡方程为可得转矩平衡方程为或 上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制上式说明，电机稳定运行时，驱动性质的原动机转矩与制动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。动性质的电磁转矩和空载转矩之和平衡。二、有功功率功角特性定义定义： 并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、并联于无穷大电网的同步发电机，当电网电压和频率一定、参数（参数（ ）为常数、空载电动势）为常数、空载电动势 不变（即不变（即 不不变）时，变）时， 为有功功率功角特性。为有功功率功角特性。凸极发电机的有功功率功角特性凸极发电机的有功功率功角特性隐极发电机的有功功率功角特性隐极发电机的有功功率功角特性水轮发电机有功功水轮发电机有功功率功角特性曲线率功角特性曲线 水轮发电机的有功水轮发电机的有功功率功角特性分两部分功率功角特性分两部分: :附加电磁功率的特点附加电磁功率的特点: :汽轮发电机的功角特汽轮发电机的功角特性曲线性曲线汽轮发电机的有功功汽轮发电机的有功功率功角特性的特点率功角特性的特点: :1 1、是电动势、是电动势 和电压和电压 间的时间相位角间的时间相位角; ;或称是励磁磁势或称是励磁磁势 和合成磁势和合成磁势 间的空间夹角。间的空间夹角。2 2、是感应电动势、是感应电动势 的主磁通和产生电压的主磁通和产生电压 的电枢等效假想的电枢等效假想磁通之间的夹角。磁通之间的夹角。功角功角 的双重物理意义的双重物理意义用图示功角的双重物理意义用图示功角的双重物理意义 转子因有原动机的驱动转矩克服定子合成磁极的制动转矩而作功,实现机电能量转换,将由原动机输入的机械能转变为电能输出。 可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，可见，功角是研究同步发电机运行状态的一个重要参数，它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电它不仅决定了发电机输出有功功率的大小，而且还反映发电机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机机转子的相对空间位置，通过它把同步电机的电磁关系和机械运动紧密联系起来。械运动紧密联系起来。 发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，发电机空载运行时，原动机输入的功率用来平衡各种损耗，此时此时 ，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无，定、转子磁极轴线重合，它们之间只有径向力而无切向力，所以切向力，所以 ，在功角特性的，在功角特性的0 0点上。点上。 可见，并联于无穷大电网的同步发可见，并联于无穷大电网的同步发电机要调节有功功率输出，只需调节原电机要调节有功功率输出，只需调节原动转矩。在功率极限角范围内，输入转动转矩。在功率极限角范围内，输入转矩越大，有功功率输出就越大。矩越大，有功功率输出就越大。四、静态稳定的概念静态稳定：指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电指并联在电网上稳定运行的同步发电机，当受电网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继网或原动机方面某些微小扰动时，能在这种干扰消失后，继续保持原来稳定运行状态的能力。续保持原来稳定运行状态的能力。在在a a点运行时电机具有静态稳定的能力。点运行时电机具有静态稳定的能力。若干扰使功角若干扰使功角增大到增大到aa点，点， P Pemem和和T Temem增大，迫使电机减速，功角增大，迫使电机减速，功角变小，电机变小，电机回到回到a a点。点。干扰使功角干扰使功角减小时，有同样结论。所以减小时，有同样结论。所以a a点称为稳定运行点。点称为稳定运行点。而而b b点为不稳定运行点，分析略。点为不稳定运行点，分析略。静态稳定的判据：比整步功率(kW/rad)对汽轮发电机，对汽轮发电机，比整步功率为比整步功率为在电机稳定区域内，在电机稳定区域内， 越大，电机稳定增越大，电机稳定增长性越好。长性越好。五、过载能力汽轮发电机的过载能力汽轮发电机的过载能力最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。最大电磁功率与额定功率的比值称为过载能力。 过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳过载能力越大，电机的稳定性越好。过载能力是表达静态稳定的能力，不是发电机可以过载的倍数。定的能力，不是发电机可以过载的倍数。 过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从过载能力设计得在一点，是从提高称定观点考虑的，不是从发热观点考虑的。发热观点考虑的。6.5.3 无功功角特性及V形曲线一、无功功率功角特性 并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参并联于无穷大电网的同步发电机当电网电压和频率恒定、参数（数（x xd d、x xq q、x xt t）为常数、空载电势）为常数、空载电势E E0 0不变（即不变（即 I If f 不变）时，不变）时，Q=f()Q=f()为无功功率功角特性为无功功率功角特性。水轮发电机无功功率的功角特性水轮发电机无功功率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性汽轮发电机无功功率的功角特性曲线汽轮发电机无功功率的功角特性曲线几个特殊点几个特殊点: : 从能量守恒观点看，并从能量守恒观点看，并网运行的同步发电机调节无网运行的同步发电机调节无功功率，不需调节原动机来功功率，不需调节原动机来的输入功率，只需改变励磁的输入功率，只需改变励磁电流。电流。调节 前，增大 后调节调节 不影响发电机的有功功率输出不影响发电机的有功功率输出, ,但影响电机的稳定性能。但影响电机的稳定性能。调节无功时不影响有功功率的输出调节无功时不影响有功功率的输出, ,但是调节有功时影响无功功但是调节有功时影响无功功率输出率输出. .三、相量分析1.1.正常励磁正常励磁2.2.过励磁过励磁3.3.欠励磁欠励磁四、V形曲线 并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表并联于无穷大电网的同步发电机，保持有功功率不变时，表示电枢电流示电枢电流 和励磁电流和励磁电流 的关系曲线的关系曲线 称为称为“V V”形形曲线。曲线。 发电机运行时，发电机运行时，定子电流定子电流和和励磁电流励磁电流是运行人员主要监视的是运行人员主要监视的两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵两个物理量，这两个量关系到定子绕组和励磁绕组的温度，又牵涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。涉到功率因数的超前或滞后以及运行的稳定性问题。 对于一个给定的有功功率输出就有一条对于一个给定的有功功率输出就有一条V V形曲线，有功功率形曲线，有功功率越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇越大，曲线向上移，因此可是以得到一簇“V”V”形曲线。形曲线。V形曲线的特点2.2.不稳定区域边缘：不稳定区域边缘：=90=900 0，连线向右倾斜，连线向右倾斜; ;1.1.每条曲线的最低点每条曲线的最低点, , ,定子电流最小定子电流最小, ,且全为有功电流，且全为有功电流，这些点的连线向右倾斜；这些点的连线向右倾斜；3.3.每条曲线上的电流变化量每条曲线上的电流变化量I I 为无功分量为无功分量; ;4.4.励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小励磁电流从零开始增大时，定子电枢电流变化规律为先减小后增大。后增大。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明要输出纯有功功率，必须相应增加一些励磁电流。表明输出有功功率越多，维持稳定所需的励磁电流也越大。6.6.1 同步电动机.6 同步电动机和同步调相机一、同步电机的可逆原理 同步电机运行于发电同步电机运行于发电机状态时，如图所示。机状态时，如图所示。 转子磁极轴线超前定子转子磁极轴线超前定子合成磁极轴线，合成磁极轴线，00，电机，电机把机械能转变成电能。把机械能转变成电能。 同步电机的运行是可逆同步电机的运行是可逆的，既可以用作发电机，还的，既可以用作发电机，还可以用作电动机。可以用作电动机。 逐步减少发电机的逐步减少发电机的输入功率，转子将瞬时输入功率，转子将瞬时减速，减速，角减小，相应角减小，相应的电磁功率也减少。的电磁功率也减少。 当发电机的输入功率当发电机的输入功率只能满足空载损耗时，发只能满足空载损耗时，发电机处于空载运行状态。电机处于空载运行状态。 继续减少发电机的输入功率，继续减少发电机的输入功率，则则和和 P Pemem变为负值变为负值。卸动原动机，。卸动原动机，电机从电网吸收功率满足空载损耗，电机从电网吸收功率满足空载损耗，成为空转的电动机。成为空转的电动机。 电机轴上加上机械负载，电机轴上加上机械负载，负负值的值的增大增大，由电网向电机输入，由电网向电机输入的电功率和相应的电磁功率增大，的电功率和相应的电磁功率增大，转子磁极轴线落后定子合成磁极转子磁极轴线落后定子合成磁极轴线，转子受到驱动性质的电磁轴线，转子受到驱动性质的电磁转矩作用。转矩作用。二、同步电动机的基本方程 按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功按照发电机惯例，同步电动机可以看成是一台输出负的有功功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机为功率的发电机，其电动势方程与发电机的方程相同，以隐极机为例：例： 按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其按照电动机惯例，把输出负电流看成是输入正电流即可，其电动势方程：电动势方程：隐极机：隐极机：凸极机：凸极机： 同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用同步电动机的功角特性与发电机的也相似，用M M=-=-代替代替即可。即可。三、同步电动机的V形曲线 与同步发电机相似与同步发电机相似, ,当同步电当同步电动机的输入有功功率恒定而调节励动机的输入有功功率恒定而调节励磁电流时磁电流时, ,也有三种励磁状态也有三种励磁状态,“,“正正常励磁常励磁”时时, ,电动机没有无功功率电动机没有无功功率输出；输出；“过励过励”时电动机从电网吸时电动机从电网吸收容性无功（或发出感性无功）收容性无功（或发出感性无功）;“;“欠励欠励”时电动机从电网吸收感时电动机从电网吸收感性无功（或发出容性无功）性无功（或发出容性无功）. .也可也可以调节无功功率以调节无功功率. . 调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数调节励磁电流可以调节同步电动机的无功功率和功率因数, ,这是同步电动最可贵的特点这是同步电动最可贵的特点. . 由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，由于同步电动机的平均起动转矩为零，所不能自行起动，必须借用其它方法。必须借用其它方法。 常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异常用的起动方法有：辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。其中异步起动法应用最广泛。步起动法。其中异步起动法应用最广泛。6.6.2 同步调相机 同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一同步调相机是专门发送无功功率的同步电机，实质上是一台空载运行的同步电动机。台空载运行的同步电动机。 在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数在电网的受电端接上同步调速相机，是提高电网功率因数的重要方法之一的重要方法之一。一、同步调相机的励磁1.正常励磁2.过励磁3.欠励磁二、同步调相机的特点1.1.调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。调相机的额定容量指的是在过励状态下的额定视在功率。2.2.由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电由于转轴上不带机械负载，所以调相机的转轴比同容量的电动机转轴细，没有过载能力的要求。动机转轴细，没有过载能力的要求。3.3.为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较为了提高调相机提供感性无功的能力，励磁线圈导线截面较大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。大，但励磁损耗仍然很大，对通风冷却要求较高。 同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选同步调相机的起动一般采用异步起动法或辅助电动机法。选择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩择起动方法时，首先考虑限制起动电流，然后考虑满足起动转矩的要求。的要求。6 .7 同步电动机的电力拖动同步电动机的电力拖动起动方法：起动方法： （1）辅助电动机起动）辅助电动机起动 （2）异步起动）异步起动 （3）变频起动）变频起动6.7.1 同步电动机的起动同步电动机的起动图图6.7.1 同步电动机起动时定子同步电动机起动时定子 磁场对转子磁场的作用磁场对转子磁场的作用同步电动机的异步起动方法同步电动机的异步起动方法第一步：将同步电动机的励磁绕组通过一个电阻短接第一步：将同步电动机的励磁绕组通过一个电阻短接第二步：将同步电动机的定子绕组接通三相交流电源第二步：将同步电动机的定子绕组接通三相交流电源第三步：当同步电动机的转速达到同步转速的第三步：当同步电动机的转速达到同步转速的95%左右时，左右时，将励磁绕组与直流电源接通，则转子磁极就有了确定的极将励磁绕组与直流电源接通，则转子磁极就有了确定的极性。这时转子上增加了一个频率很低的交变转矩，转子磁性。这时转子上增加了一个频率很低的交变转矩，转子磁场与定子磁场之间的吸引力产生的整步转矩，将转子逐步场与定子磁场之间的吸引力产生的整步转矩，将转子逐步牵入同步牵入同步7.2 7.2 伺服电动机伺服电动机7.3 7.3 测速发电机测速发电机7.4 7.4 自整角机自整角机7.5 7.5 旋转变压器旋转变压器 本章主要介绍单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋本章主要介绍单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器、微型同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动机、直线异步电动机、转变压器、微型同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动机、直线异步电动机、永磁无刷直流电动机和交直流两用电动机的工作原理及其应用。永磁无刷直流电动机和交直流两用电动机的工作原理及其应用。7.1 7.1 单相异步电动机单相异步电动机7.67.6 微型微型同步电动机同步电动机7.8 7.8 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 7.7 7.7 步进电动机步进电动机 7.9 7.9 直线异步电动机直线异步电动机7.10 7.10 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机7.11 7.11 交直流两用电动机交直流两用电动机基本要求：基本要求：1.熟练掌握单相异步电动机的工作原理及主要类型，了解其应用情况；2.熟练掌握直流伺服电动机的基本结构、运行特性及实际应用，熟练掌握交流伺服电动机的工作原理、特性、控制方式及实际应用；3.掌握测速发电机的工作原理，了解测速发电机的输出误差的原因，掌握减小输出误差的方法；4.了解自整角机的结构与工作原理，误差分析与选用时应注意的问题以及应用情况；5.了解旋转变压器的结构与工作原理、误差及其改进方法，掌握旋转变压器的各种补偿控制方法，了解旋转变压器的应用情况；6.了解永磁式、反应式和磁滞式同步电动机的结构、工作原理、特点及应用情况；7.掌握步进电机的结构和工作原理，了解步进电机的频率特性、驱动电源以及应用情况；8.了解开关磁阻电动机系统的组成、特点及应用情况；9.了解直线异步电动机的结构、工作原理及应用情况；10.了解永磁直流无刷电动机的结构、工作原理、运行特性、控制方法以及应用情况。11.了解交直流两用电动机的结构、工作原理、工作特性及应用情况；7.1 7.1 单相异步电动机单相异步电动机教学要求：教学要求： 了解单相异步电动机的结构特点；了解单相异步电动机的结构特点； 掌握单相异步电动机的工作原理，弄清单相异步电动掌握单相异步电动机的工作原理，弄清单相异步电动 机为什么不能自起动？机为什么不能自起动？ 重点掌握单相异步电动机的的起动方法与类型。重点掌握单相异步电动机的的起动方法与类型。 7.1.1 7.1.1 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理一、一、单相异步相异步电动机的机的结构构单相异步电动机的转子就是普通的笼型转子。定子铁心由单相异步电动机的转子就是普通的笼型转子。定子铁心由硅钢片叠压而成，嵌有定子绕组。硅钢片叠压而成，嵌有定子绕组。为了产生起动转矩，单相异步电动机定子上都安放两套绕为了产生起动转矩，单相异步电动机定子上都安放两套绕组，一个为工作绕组，另一个为起动绕组，两个绕组在空间相组，一个为工作绕组，另一个为起动绕组，两个绕组在空间相距距900电角度。电角度。起动绕组一般只在起动时接入，起动完毕就与电源断开，起动绕组一般只在起动时接入，起动完毕就与电源断开，正常运行只有一个工作绕组接在电源上。正常运行只有一个工作绕组接在电源上。也有一些电容或电阻电动机，运行也有一些电容或电阻电动机，运行时仍然接于电源上，实时仍然接于电源上，实质是两相电机，由于接在单相电源上，仍称为单相异步电动机。质是两相电机，由于接在单相电源上，仍称为单相异步电动机。图图7.1.1单相异步电动机结构单相异步电动机结构 二、单相异步电动机的工作原理二、单相异步电动机的工作原理1 1 、单相绕组通入单相交流电时的情况、单相绕组通入单相交流电时的情况单相交流绕组通入单相正弦交流电流产生脉动磁动势，单相交流绕组通入单相正弦交流电流产生脉动磁动势，它可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形它可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形旋转磁动势旋转磁动势F+和和F-，建立起正转和反转旋转磁场，建立起正转和反转旋转磁场+和和-，这两个旋转磁场切割转子导体，分别在转子导体中产生感这两个旋转磁场切割转子导体，分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流，从而产生正向电磁转矩应电动势和感应电流，从而产生正向电磁转矩Tem+和反向和反向电磁转矩电磁转矩Tem_，叠加后即为推动转子转动的合成转矩，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。图7.1.2 单相异步电动机的磁场和转矩 图7.1.3 三相异步电动机的 曲线设电动机转速为设电动机转速为n n，则对正转磁场而言，转差率，则对正转磁场而言，转差率s s+ +为为 对反转磁场而言，转差率对反转磁场而言，转差率s s- -为为 分析分析分析分析：当当s1时时，T0，T的的方方向向，取取决决于于s的的正正负负。一一旦旦旋旋转转，转转向向依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。由由于于存存在在负负序序转转矩矩，使使合合成成转转矩矩减减小小，过过载载能能力力降降低低，TL不变，不变，n下降下降S上升上升I2上升上升I1上升上升温升增加。温升增加。转子静止时，转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为，合成转矩为0。单相异步电动机无起。单相异步电动机无起动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。三相异步电动机电源一相断线时，相当于一台单相异步电动三相异步电动机电源一相断线时，相当于一台单相异步电动机，故不能自起动。机，故不能自起动。7.1.2 7.1.2 单相异步电动机的主要类型单相异步电动机的主要类型一、分相起动电动机一、分相起动电动机包括：电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机包括：电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机. 根据获得旋转磁场方式的不同，分为分相电动机和罩极电动机根据获得旋转磁场方式的不同，分为分相电动机和罩极电动机1 1、电容起动电动机、电容起动电动机 特点特点： 起动绕组和电容按短时工作设计；起动绕组和电容按短时工作设计； 电容起分相和提高功率因数的作用。电容起分相和提高功率因数的作用。由由于于起起动动绕绕组组和和电电容容按按短短时时工工作作设设计计，因因此此，当当n达达7085%n1时，离心开关自动断开。时，离心开关自动断开。 改改变变电电容容起起动动电电动动机机的的转转向向，只只需需将将工工作作绕绕组组或或起起动动绕绕组组的两个出线端对调即可。的两个出线端对调即可。 图7.1.5 单相电容起动电动机 实质上是一台两相异步电动机，起动绕组和工作电容应按长实质上是一台两相异步电动机，起动绕组和工作电容应按长期工作方式设计。期工作方式设计。 图7.1.6 单相电容电动机2 2、电容电动机、电容电动机特点：特点： 起动绕组和工作电容器按长期工作设计；起动绕组和工作电容器按长期工作设计； 过载能力、功率因数和效率均较高；过载能力、功率因数和效率均较高； 容量能做到五十瓦至几千瓦；容量能做到五十瓦至几千瓦； 应用比较广泛，如应用于压气机、空调等；应用比较广泛，如应用于压气机、空调等； 电容电动机反转的方法与电容起动电动机相同。电容电动机反转的方法与电容起动电动机相同。3 3、电阻起动电动机、电阻起动电动机 在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗大；在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗大；起动绕组电阻大，电抗小。起动绕组电阻大，电抗小。 特点特点： 起动转矩较小，只适用于空载或轻载起动的场合。起动转矩较小，只适用于空载或轻载起动的场合。二、罩极电动机二、罩极电动机 定定子子铁铁心心做做成成凸凸极极式式，由由硅硅钢钢片片叠叠压压而而成成，工工作作绕绕组组为为集集中中绕绕组组，套套在在定定子子磁磁极极上上，每每个个极极靴靴表表面面1/31/31/41/4处处开开有有一一个个凹凹槽槽，放放入入罩罩极极绕绕组组（短短路路环），如图环），如图7.1.77.1.7所示：所示： 1 1、结构特点：、结构特点： 图7.1.7 单相罩极电动机2 2、工作原理、工作原理在在时时间间上上滞滞后后一一个个角角度度，而而两两个个绕绕组组在在空空间间也也相相隔隔一一个个角角度度，产产生生旋旋转转磁磁场场，转转向向由由未未罩罩极极部部分分转转向向罩罩极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。3 3、改变转向的方法：、改变转向的方法：1）定子上绕制两套起动绕组；定子上绕制两套起动绕组；2）将定、转子反向安装。将定、转子反向安装。4 4、优缺点：、优缺点：起动转矩小，结构简单，不需要电容器。起动转矩小，结构简单，不需要电容器。5、应应用用:用用于于小小容容量量电电动动机机中中。如如应应用用于于小小型型风风扇扇、电电动模型和电唱机中。动模型和电唱机中。7.1.3 7.1.3 单相异步电动机的应用单相异步电动机的应用1 1、单单相相异异步步电电动动机机广广泛泛应应用用于于家家用用电电器器、医医疗疗器器械械及及轻轻工工设设备中。备中。2 2、单相异步电动机应用于电风扇的情况：、单相异步电动机应用于电风扇的情况： 电风扇的工作原理；电风扇的工作原理； 电风扇的调速方法：串电抗器调速法；电风扇的调速方法：串电抗器调速法； 电动机绕组抽头法。电动机绕组抽头法。7.2 7.2 伺服电动机伺服电动机教学要求：教学要求： 了解伺服电动机的结构和类型；了解伺服电动机的结构和类型； 掌握直流伺服电动机的工作特性；掌握直流伺服电动机的工作特性； 掌握交流伺服电动机的工作原理及控制方式；掌握交流伺服电动机的工作原理及控制方式； 了解伺服电动机的应用。了解伺服电动机的应用。伺服电动机又称执行电动机，它可以把输入的电压信号转换为电机轴伺服电动机又称执行电动机，它可以把输入的电压信号转换为电机轴上的角速度或角位移等机械信号输出。上的角速度或角位移等机械信号输出。伺服电动机分为：直流和交流伺服电动机两类。伺服电动机分为：直流和交流伺服电动机两类。7.2.1 7.2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机一、直流伺服电动机的结构和分类一、直流伺服电动机的结构和分类直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。分类：分类：传统型直流伺服电动机传统型直流伺服电动机：普通型直流伺服电机，分为电：普通型直流伺服电机，分为电磁式和永磁式两种。磁式和永磁式两种。低惯量型直流伺服电动机低惯量型直流伺服电动机盘形电枢直流伺服电动机；盘形电枢直流伺服电动机；空心杯电枢直流伺服电动机；空心杯电枢直流伺服电动机；无槽电枢直流伺服电动机。无槽电枢直流伺服电动机。 图7.2.1 盘形电枢直流伺服电动机结构 图7.2.2 空心杯电枢直流伺服电动机结构 图7.2.3 无槽电枢直流伺服电动机结构二、直流伺服电动机的运行特性二、直流伺服电动机的运行特性1 1、机械特性：、机械特性：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速电动机的转速n n随转矩变化的关系。随转矩变化的关系。 式中：式中：转速关系式：转速关系式：控制方式：电枢控制和磁极控制，实际中主要采用电枢控制方式。控制方式：电枢控制和磁极控制，实际中主要采用电枢控制方式。 当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为矩称为堵转转矩。堵转转矩。 当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转速称为速称为理想空载转速。理想空载转速。直流伺服电动机的机械特性如图直流伺服电动机的机械特性如图7.2.47.2.4所示：所示：2 2、调节特性：、调节特性：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。关系。 直流伺服电动机的调节特性如图直流伺服电动机的调节特性如图7.2.5所示。所示。图7.2.4 电枢控制的直流伺服电机机械特性 图7.2.5 直流伺服电机调节特性7.2.2 7.2.2 交流伺服电动机交流伺服电动机 一、交流伺服电动机的基本结构一、交流伺服电动机的基本结构 交流伺服电动机为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有高交流伺服电动机为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有高电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯型转子两种。定子为两相绕组，并在电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯型转子两种。定子为两相绕组，并在空间相差空间相差90电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如图电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如图7.2.6所示：所示： 图7.2.6 交流伺服电机工作原理图 二、交流伺服电动机的工作原理二、交流伺服电动机的工作原理1.1.当控制电压为零时：只有励磁电流产生脉动磁场，当控制电压为零时：只有励磁电流产生脉动磁场，转子不动。转子不动。2.2.当有控制电压时：励磁绕组和控制绕组中的电流共当有控制电压时：励磁绕组和控制绕组中的电流共同产生一个合成的旋转磁场，带动转子旋转。同产生一个合成的旋转磁场，带动转子旋转。 “自转自转”现象现象：当励磁电压不为零，：当励磁电压不为零，控制电压为零时控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机仍然旋转。小，则电机仍然旋转。 避免避免“自转自转”现象方法现象方法：增大转子电阻值增大转子电阻值。说明：说明：三、交流伺服电动机的控制方式三、交流伺服电动机的控制方式 交流伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值交流伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值相位控制相位控制 1 1、幅值控制、幅值控制 控制电压和励磁电压保持相位差控制电压和励磁电压保持相位差9090，只改变控制电压的大小来调节电，只改变控制电压的大小来调节电机的转速，这种控制方法称为幅值控制。机的转速，这种控制方法称为幅值控制。 2、相位控制相位控制 控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。 3、幅值幅值相位控制相位控制 通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电动通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电动机的转速，这种控制方法称为幅值机的转速，这种控制方法称为幅值相位控制。相位控制。 7.2.3 7.2.3 伺服电动机的应用伺服电动机的应用伺服电动机通常作为随动系统、遥测和遥控系统及各伺服电动机通常作为随动系统、遥测和遥控系统及各种增量运动控制系统的主传动元件。种增量运动控制系统的主传动元件。伺服电动机在雷达天线中的应用：典型的位置控制随伺服电动机在雷达天线中的应用：典型的位置控制随动系统。动系统。教学要求：教学要求： 掌握直流测速发电机的输出特性及减小误差的方法；掌握直流测速发电机的输出特性及减小误差的方法； 掌握空心杯型异步测速发电机的工作原理；掌握空心杯型异步测速发电机的工作原理； 掌握异步测速发电机的输出特性及其误差；掌握异步测速发电机的输出特性及其误差； 了解测速发电机的实际应用。了解测速发电机的实际应用。测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置，它的基本任务是把机械测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置，它的基本任务是把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。测速发电机分为：直流和交流测速发电机及无刷测速发电机。测速发电机分为：直流和交流测速发电机及无刷测速发电机。7.3 7.3 测速发电机测速发电机 根据励磁方式不同分为永磁式和电磁式两种。根据励磁方式不同分为永磁式和电磁式两种。7.3.1 7.3.1 直流测速发电机直流测速发电机一、直流测速发电机的输出特性一、直流测速发电机的输出特性 当励磁磁通当励磁磁通和负载电阻和负载电阻RL一定时，测速发电机一定时，测速发电机输出电压输出电压U2与转与转速速n之间的关系，称为输出特性，如图之间的关系，称为输出特性，如图7.3.1所示。所示。n 图图7.3.1不同负载电阻时的输出特性不同负载电阻时的输出特性图图7.3.1不同负载电阻时的输出特性不同负载电阻时的输出特性2.2.减少误差的方法：减少误差的方法：二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法1.直流测速发电机的误差直流测速发电机的误差电枢反应的影响；电枢反应的影响；电刷接触电阻的影响；电刷接触电阻的影响；温度的影响；温度的影响；纹波的影响。纹波的影响。7.3.2 7.3.2 交流异步测速发电机交流异步测速发电机 分为同步测速发电机和异步测速发电机两种，其中异步测速发电机应用分为同步测速发电机和异步测速发电机两种，其中异步测速发电机应用广泛，其又分为笼型和空心杯型两种。空心杯型测速发电机测量精度高、广泛，其又分为笼型和空心杯型两种。空心杯型测速发电机测量精度高、转动惯量小，性能稳定，适于快速系统，应用比较广泛。转动惯量小，性能稳定，适于快速系统，应用比较广泛。一、空心杯转子异步测速一、空心杯转子异步测速发电机的工作原理发电机的工作原理图7.3.2 异步测速发电机工作原理切割电动势切割电动势计算公式计算公式1、n=0电机不转 输出电压 U2=02、n 0 电机旋转切割电动势大小切割电动势大小: :即：输出绕组的感应电动势即：输出绕组的感应电动势的幅值正比于电机的转速。的幅值正比于电机的转速。二、异步测速发电机的输出特性二、异步测速发电机的输出特性U2n理想输出 特性实际输出特性 图7.3.3 异步测速发电机的输出特性三、异步测速发电机的误差三、异步测速发电机的误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差1、幅值及相位误差幅值及相位误差 产生原因：产生原因：励磁绕组的漏抗存在。励磁绕组的漏抗存在。 减小该误差的方法：减小该误差的方法：增大转子电阻。增大转子电阻。2 2、剩余电压误差、剩余电压误差 产生原因：产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上由于加工、装配过程中存在机械上 的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。剩余电压误差。 减小剩余电压误差的方法：减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方向选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。机械精度以及装配补偿绕组。7.3.3 7.3.3 测速发电机的应用测速发电机的应用 测速发电机在自动控制系统和计算装置中测速发电机在自动控制系统和计算装置中通常作通常作 为测速元件、校正元件、解算元件为测速元件、校正元件、解算元件等。等。直流测速发电机在模拟式随动系统中的应直流测速发电机在模拟式随动系统中的应用，如图用，如图7.3.47.3.4。手轮手轮自整角机放大器直流伺服电动机控制对象（火炮）直流测速发电机图图7.3.4模拟式随动系统原理图模拟式随动系统原理图7.4 7.4 自整角机自整角机 自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式微特电机。一般成对或多台组合使用。式微特电机。一般成对或多台组合使用。 教学要求：教学要求：1.1.了解自整角机的结构；了解自整角机的结构；2.2.掌握自整角机的工作原理；掌握自整角机的工作原理；3.3.掌握自整角机的误差；掌握自整角机的误差；4.4.了解自整角机的应用。了解自整角机的应用。分类：控制式自整角机和力矩式自整角机分类：控制式自整角机和力矩式自整角机一、力矩式自整角机的结构与工作原理一、力矩式自整角机的结构与工作原理7.4.1 7.4.1 自整角机的结构与工作原理自整角机的结构与工作原理 有凸极式和隐极式两种结构，通常采用两极有凸极式和隐极式两种结构，通常采用两极结构，绝大部分采用凸极式结构。只在频率较高、结构，绝大部分采用凸极式结构。只在频率较高、尺寸较大的力矩式自整角机采用隐极式结构。尺寸较大的力矩式自整角机采用隐极式结构。 力矩式自整角机的三种结构：图图7.4.2 7.4.2 为力矩式自整角机的工作原理图为力矩式自整角机的工作原理图发送机的转子位置为发送机的转子位置为1，接收机的转子位置为，接收机的转子位置为2，失调角，失调角为为 =1-2力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流 每相整步绕组中的感应电动势：每相整步绕组中的感应电动势：发送机：发送机： 接收机：接收机：各相绕组中的总电动势：各相绕组中的电流：2力矩式自整角机整步绕组的磁动势：力矩式自整角机整步绕组的磁动势：发送机的交轴磁动势分量：发送机的交轴磁动势分量：发送机的直轴磁动势分量发送机的直轴磁动势分量：合成磁动势的幅值合成磁动势的幅值：接收机的整步磁动势为：接收机的整步磁动势为：3力矩式自整角机的转矩：力矩式自整角机的转矩：式中：式中：k1为转矩系数，为转矩系数，为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。二、控制式自整角机的结构与工作原理二、控制式自整角机的结构与工作原理 控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。图7.4.3为控制式自整角机的工作原理图图7.4.3 控制式自整角机的工作原理7.4.2 7.4.2 自整角机的误差与选用时应注意的问题自整角机的误差与选用时应注意的问题 力矩式自整角机的误差：力矩式自整角机的误差： 主要有零位误差和静态误差主要有零位误差和静态误差。 控制式自整角机的误差：控制式自整角机的误差： 主要有电气误差和零位电压误差。主要有电气误差和零位电压误差。7.4.3 7.4.3 自整角机的应用自整角机的应用 力矩式自整角机常用于精度较低的指示系力矩式自整角机常用于精度较低的指示系统，如液面的高低、核反应堆控制棒位置的指统，如液面的高低、核反应堆控制棒位置的指示等。示等。控制式自整角机适用于精度较高、负载较控制式自整角机适用于精度较高、负载较大的伺服系统，如雷达高低角自动显示系统等。大的伺服系统，如雷达高低角自动显示系统等。 7.5 7.5 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是自动控制系统中的一类精密控制微电机。旋转变压器是自动控制系统中的一类精密控制微电机。可分为：可分为： 按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：分为接触式旋转变压器和非接触按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：分为接触式旋转变压器和非接触式旋转变压器。式旋转变压器。 按电机的极对数多少来分：分为单极对旋转变压器和多极对式旋转变压器。按电机的极对数多少来分：分为单极对旋转变压器和多极对式旋转变压器。 按使用要求来分：分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转按使用要求来分：分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器，前者又分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器。变压器，前者又分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器。1.了解旋转变压器的结构，掌握其工作原理；了解旋转变压器的结构，掌握其工作原理；2.了解旋转变压器的误差改进方法；了解旋转变压器的误差改进方法；3.了解旋转变压器的应用。了解旋转变压器的应用。教学要求：教学要求： 定子上放置两套互差定子上放置两套互差9090 空间角度的匝数、型式完全空间角度的匝数、型式完全相同的正弦绕组，一个作为励磁相同的正弦绕组，一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕绕组，另一个作为交轴绕组。组。励磁励磁绕组上施加交流绕组上施加交流励磁电压，定义励磁绕组的轴线励磁电压，定义励磁绕组的轴线方向为方向为d d轴，在气隙中产生轴，在气隙中产生d d轴磁通轴磁通d d，励磁绕组中，励磁绕组中的感应的感应电动势为：电动势为： 转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套绕组的转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套绕组的空间位置也空间位置也互差互差9090 ，d d轴磁通与转子交链，产生变压器轴磁通与转子交链，产生变压器电动势，转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组电动势，转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组的相对位置有关。的相对位置有关。一、正余弦旋转变压器的工作原理一、正余弦旋转变压器的工作原理7.5.1 7.5.1 旋转变压器的结构与工作原理旋转变压器的结构与工作原理将将d d分解为两个分量：分解为两个分量：与正弦绕组轴线方向一致的磁通与正弦绕组轴线方向一致的磁通r1r1和与正弦绕组轴线相垂和与正弦绕组轴线相垂直的磁通直的磁通r2r2。图7.5.1 正余弦旋转变压器的空载运行（1）正余弦旋转变压器的空载运行正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为：正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为：（2 2）正余弦旋转变压器的负载运行）正余弦旋转变压器的负载运行图7.5.2 正弦旋转变压器的负载运行图7.5.3 正余弦旋转变压器正弦绕组输出电压与转角关系曲线二次侧补偿、一次侧补偿和一、二次补侧同时补偿的概念二次侧补偿、一次侧补偿和一、二次补侧同时补偿的概念图7.5.4 旋转变压器的二次侧补偿图7.5.5 旋转变压器的一次侧补偿二、线性旋转变压器的工作原理二、线性旋转变压器的工作原理 输出电压的大小与转子转角输出电压的大小与转子转角 成正比关系成正比关系图图7.5.6 一次侧补偿的线性旋转变压器一次侧补偿的线性旋转变压器正弦绕组的开路输出电压：进行级数展开：设设k ku u=0.5,=0.5,将级数展开式代入（将级数展开式代入（1 1）式中，得：）式中，得：忽略转角的高次项时，上式可写为：忽略转角的高次项时，上式可写为：二次补偿的线性旋转变压器：二次补偿的线性旋转变压器：图图7.4.8 二次侧补偿的线性旋转变压器二次侧补偿的线性旋转变压器7.5.2 7.5.2 旋转变压器的误差及其改进方法旋转变压器的误差及其改进方法1 1、产生误差的原因：、产生误差的原因： 磁动势非正弦分布；定转子铁心齿槽的影响；磁路饱和磁动势非正弦分布；定转子铁心齿槽的影响；磁路饱和影响；材料的影响；制造工艺影响。影响；材料的影响；制造工艺影响。2 2、改进方法、改进方法7.5.3 7.5.3 旋转变压器的应用旋转变压器的应用主要有函数误差、零位误差、线性误差和电气误差。主要有函数误差、零位误差、线性误差和电气误差。介绍正余弦旋转变压器的矢量运算原理介绍正余弦旋转变压器的矢量运算原理7.6 7.6 微型同步电动机微型同步电动机 微型同步电动机根据转子型式的不同，主要有永磁式、反应式和磁微型同步电动机根据转子型式的不同，主要有永磁式、反应式和磁滞式三种类型。滞式三种类型。 由于这三种电机的转子上没有励磁绕组，也不需要电刷和滑环，因由于这三种电机的转子上没有励磁绕组，也不需要电刷和滑环，因而具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点。而具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点。1.了解微型同步电动机的基本结构；了解微型同步电动机的基本结构；2.掌握微型同步电动机的工作原理及其特点；掌握微型同步电动机的工作原理及其特点；3.了解微型同步电动机的实际应用。了解微型同步电动机的实际应用。教学要求：教学要求：1. 1. 永磁式同步电动机的工作原理：永磁式同步电动机的工作原理： 定子旋转磁场吸引转子磁极，带动转定子旋转磁场吸引转子磁极，带动转子一起旋转。转子转速为：子一起旋转。转子转速为： 2.2. 永磁式同步电动机不能自起动原因：永磁式同步电动机不能自起动原因： 转子本身存在惯性；转子本身存在惯性； 定转子磁场之间转速相差过大。定转子磁场之间转速相差过大。永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，可以做成两极，也可做成多极。永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，可以做成两极，也可做成多极。7.6.1 7.6.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机图7.6.1 永磁式同步电动机的工作原理3. 3. 永磁式同步电动机的起动：永磁式同步电动机的起动： 转子上附加笼型绕组转子上附加笼型绕组又称为异步起动永磁同步电动机又称为异步起动永磁同步电动机 磁滞环永磁钢极间填充材料图7.6.2 具有磁滞材料环的永磁同步电动机转子永磁钢起动笼图7.6.3 永磁钢径向结构形式的永磁 同步电动机转子4. 4. 永磁式同步电动机的特点：永磁式同步电动机的特点： 出力大，体积小，耗电小，结构简单可靠，出力大，体积小，耗电小，结构简单可靠，在自动控制系统中得到广泛应用。在自动控制系统中得到广泛应用。1. 1. 反应式同步电动机的工作原理：反应式同步电动机的工作原理： 利用转子上直轴和交轴磁阻不等产生的反应转利用转子上直轴和交轴磁阻不等产生的反应转矩即磁阻转矩而工作的，又称为磁阻电动机。矩即磁阻转矩而工作的，又称为磁阻电动机。 最大同步转矩发生在最大同步转矩发生在=45=45时，当负载转矩大时，当负载转矩大于最大同步转矩，电动机因失步而进入异步运行状于最大同步转矩，电动机因失步而进入异步运行状态。态。 2.2. 反应式同步电动机不能自起动：反应式同步电动机不能自起动： 采取措施：采取措施：转子上设供异步起动用的笼型绕组转子上设供异步起动用的笼型绕组作起动绕组。作起动绕组。7.6.2 7.6.2 反应式同步电动机反应式同步电动机 反应式同步电动机的工作原理图：反应式同步电动机的工作原理图： (a)(b)(c)(d)(e)图7.6.4 反应式同步电动机的工作原理模型3. 3. 反应式同步电动机的特点：反应式同步电动机的特点： 优点：优点：结构简单、成本低廉、运行可靠；结构简单、成本低廉、运行可靠；缺点：缺点：功率因数较低，不能自行起动。功率因数较低，不能自行起动。1. 1. 磁滞式同步电动机的工作原理：磁滞式同步电动机的工作原理： 定子旋转磁场相对转子转动以后，转子磁分子也随着一起旋转。定子旋转磁场相对转子转动以后，转子磁分子也随着一起旋转。磁滞式同步电动机的转子铁心用硬磁材料做成，结构为隐极式。磁滞式同步电动机的转子铁心用硬磁材料做成，结构为隐极式。7.6.3 7.6.3 磁滞式同步电动机磁滞式同步电动机(a)(b)图7.6.5 磁滞同步电动机的工作原理2. 2. 磁滞式同步电动机的特点：磁滞式同步电动机的特点： 优点：优点：具有自起动能力，结构简单，工作可靠，运行具有自起动能力，结构简单，工作可靠，运行噪噪声低，既可同步运行，又能异步运行。声低，既可同步运行，又能异步运行。缺点：缺点：效率和功率因数低，材料利用率低，电机重量和尺效率和功率因数低，材料利用率低，电机重量和尺寸大，价格较高。寸大，价格较高。1.单体电动机主要应用在定时装置中单体电动机主要应用在定时装置中，例如微波炉定时器、，例如微波炉定时器、冰箱中定时器、全自动洗衣机程控器等家用定时装置。冰箱中定时器、全自动洗衣机程控器等家用定时装置。2.带减速齿轮箱的电动机主要用在：带减速齿轮箱的电动机主要用在：要求低转速、大转矩的要求低转速、大转矩的装置中作执行元件。目前广泛应用于微波炉转盘的直接驱动、装置中作执行元件。目前广泛应用于微波炉转盘的直接驱动、舞台灯光的旋转驱动，以及洗衣机电动排水阀、窗帘机等。舞台灯光的旋转驱动，以及洗衣机电动排水阀、窗帘机等。7.6.4 7.6.4 微型同步电动机的应用微型同步电动机的应用步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的直线位移或角位移的一种步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的直线位移或角位移的一种特殊电机。电脉冲由专用驱动电源供给。特殊电机。电脉冲由专用驱动电源供给。步进电动机的种类主要有步进电动机的种类主要有反应反应式步进电动机式步进电动机、永磁式步进电动机永磁式步进电动机、直线步进电动机直线步进电动机和和平面步进电动机平面步进电动机等。其中反应式步进电动机具有步距角小、结构简单和寿命长等特点，等。其中反应式步进电动机具有步距角小、结构简单和寿命长等特点，应用比较广泛。应用比较广泛。7.7 7.7 步进电动机步进电动机1.了解了解反应式步进电动机反应式步进电动机的结构；的结构；2.掌握反应式步进电动机的工作原理；掌握反应式步进电动机的工作原理；3.了解步进电动机的静态特性和动态特性；了解步进电动机的静态特性和动态特性；4.了解驱动电源的重要作用；了解驱动电源的重要作用；5.了解步进电动机的应用。了解步进电动机的应用。教学要求：教学要求：7.7.1 7.7.1 反应式步进电动机的结构与工作原理反应式步进电动机的结构与工作原理1.单段式：单段式：如图如图7.7.1所示所示优优点点：制制造造简简便便，精精度度易易于于保保证证，步步距距角角可可以以做做得得较较小小，容容易易得得到到较较高的起动和运行频率。高的起动和运行频率。缺点：缺点：电机直径较小而相数又较多电机直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难，消耗功时，沿径向分相较为困难，消耗功率大，断电时无定位转矩。率大，断电时无定位转矩。 2.多段式：多段式： 一、反应式步进电动机的结构一、反应式步进电动机的结构U1U2V2V1W1W2UVW 图7.7.1 三相反应式步进电动机的结构 二、反应式步进电动机的工作原理二、反应式步进电动机的工作原理 图图7.7.27.7.2是一台三相反应式步进电动机的工作原理图。定子铁心为是一台三相反应式步进电动机的工作原理图。定子铁心为凸极式，共三对（六个）磁极，每两个相对的磁极上绕有控制绕组，组成凸极式，共三对（六个）磁极，每两个相对的磁极上绕有控制绕组，组成一相。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子一相。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极靴宽，没有绕组。的极靴宽，没有绕组。图7.7.2 三相反应式步进电动机的工作原理图(a) U相通电(b) V相通电(c) W相通电U1U2V2U1U1U2U2V2V2V1V1V1W1W1W1W2W2W2步距角步距角：步进电动机每改变一次通电状态（一拍）转子所步进电动机每改变一次通电状态（一拍）转子所转过的角度称为步距角。其计算公式为：转过的角度称为步距角。其计算公式为：式中：式中：m m为步进电机的相数；为步进电机的相数；C C为通电状态系数，单拍或双为通电状态系数，单拍或双拍工作时拍工作时C=1C=1，单双拍混合方式工作时，单双拍混合方式工作时C=2C=2；Z Zr r为步进电机为步进电机转子的齿数。转子的齿数。步进电动机的控制方式分三种：步进电动机的控制方式分三种： 三相单三拍工作方式，三相单三拍工作方式，U-V-W-U;U-V-W-U; 三相单、双六拍工作方式，三相单、双六拍工作方式， U-UV-V-VW-WU-U;U-UV-V-VW-WU-U; 三相双三拍工作方式，三相双三拍工作方式， UV-VW-WU-UV;UV-VW-WU-UV;反应式步进电动机调速：反应式步进电动机调速：通过改变通过改变脉冲频率脉冲频率来改变电机转来改变电机转速，实现速，实现无级调速无级调速。 步进电动机的转速为：步进电动机的转速为：式中：式中：f f为步进电动机每秒的拍数，称为步进电动机通电脉为步进电动机每秒的拍数，称为步进电动机通电脉冲频率。冲频率。一、反应式步进电动机的静态特性一、反应式步进电动机的静态特性 矩角特性矩角特性7.7.2 7.7.2 反应式步进电动机的特性反应式步进电动机的特性 步进电动机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件下步进电动机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件下，步进电动机的转矩与失调角之间的关系。用，步进电动机的转矩与失调角之间的关系。用T=f(T=f() )表示。表示。步进电动机的静态稳定区：步进电动机的静态稳定区：2.2.最大静转矩最大静转矩图图7.7.3 步进电机的矩角特性步进电机的矩角特性二、反应式步进电动机的动态特性二、反应式步进电动机的动态特性动态特性：动态特性：指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电状态所表现出的性质。状态所表现出的性质。动态特性：动态特性：动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频特性等。动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频特性等。1.1.动稳定区动稳定区 步进电动机的动稳定区是指步进电动机从一个稳定状态步进电动机的动稳定区是指步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。切换到另一稳定状态而不失步的区域。 空载稳定区：空载稳定区：稳定裕量角：稳定区的边界点稳定裕量角：稳定区的边界点a a到初始稳定平衡点到初始稳定平衡点A A的角度，用的角度，用rr表示。表示。说明：说明：稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电机不能稳定工作。角趋于零时，电机不能稳定工作。2.2.起动转矩：起动转矩：3.3.起动频率：起动频率：在一定负载条件下，电机能够不失步地起动的脉冲在一定负载条件下，电机能够不失步地起动的脉冲最高频率。最高频率。 4.4.矩频特性：矩频特性：指步进电动机的转动力矩与脉冲频率之间的关系。指步进电动机的转动力矩与脉冲频率之间的关系。 7.7.3 7.7.3 驱动电源驱动电源一、对驱动电源的基本要求一、对驱动电源的基本要求二、驱动电源的组成：二、驱动电源的组成：一般由脉冲信号发生器、脉冲分配器和脉冲放一般由脉冲信号发生器、脉冲分配器和脉冲放大器三部分组成。脉冲信号发生器产生基准频率信号供给脉冲分配器，脉大器三部分组成。脉冲信号发生器产生基准频率信号供给脉冲分配器，脉冲分配器完成步进电动机控制的各相脉冲信号，脉冲放大器对脉冲分配器冲分配器完成步进电动机控制的各相脉冲信号，脉冲放大器对脉冲分配器输出的控制信号进行放大驱动步进电动机的各相绕组，使步进电动机转动。输出的控制信号进行放大驱动步进电动机的各相绕组，使步进电动机转动。7.7.4 7.7.4 步进电动机的应用步进电动机的应用步进电动机的应用十分广泛，如机械加工、绘图机、机器人、计算步进电动机的应用十分广泛，如机械加工、绘图机、机器人、计算机的外部设备、自动记录仪表等等。它主要用于工作难度大、要求的速机的外部设备、自动记录仪表等等。它主要用于工作难度大、要求的速度快、控制精度高的场合。尤其是电力电子技术和微电子技术的发展为度快、控制精度高的场合。尤其是电力电子技术和微电子技术的发展为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。步进电动机的应用开辟了广阔的前景。7.8 7.8 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 开关磁阻电动机（系统）是开关磁阻电动机（系统）是2020世纪世纪8080年代迅猛发展起来的一种新型年代迅猛发展起来的一种新型调速电动机驱动系统。它的结构和控制系统简单，调速范围宽，调速性调速电动机驱动系统。它的结构和控制系统简单，调速范围宽，调速性能优异，系统可靠性高，获得广泛应用。能优异，系统可靠性高，获得广泛应用。 1.了解了解开关磁阻电动机系统的组成开关磁阻电动机系统的组成；2.掌握开关磁阻电动机的工作原理；掌握开关磁阻电动机的工作原理；3.了解了解开关磁阻电动机系统的特点开关磁阻电动机系统的特点；4.了解了解开关磁阻电动机系统开关磁阻电动机系统的应用。的应用。教学要求：教学要求： 开关磁阻开关磁阻电动机系统由电动机系统由开关磁阻开关磁阻电动机电动机、功率变换器功率变换器、控制器控制器和和检检测器测器四部分组成。如图所示：四部分组成。如图所示：7.8.1 7.8.1 开关磁阻电动机的系统组成开关磁阻电动机的系统组成图图7.8.1 开关磁阻电动机系统框图开关磁阻电动机系统框图7.8.2 7.8.2 开关磁阻电动机的工作原理开关磁阻电动机的工作原理图图7.8.2 开关磁阻电动机各相通电开始时的情况开关磁阻电动机各相通电开始时的情况7.8.3 7.8.3 开关磁阻电动机系统的特点及应用开关磁阻电动机系统的特点及应用一、开关磁阻电动机系统的特点一、开关磁阻电动机系统的特点1.1.与反应式步进电动机的主要区别与反应式步进电动机的主要区别2.2.开关磁阻电动机的主要优点开关磁阻电动机的主要优点3.3.开关磁阻电动机开关磁阻电动机的主要缺点的主要缺点二、开关磁阻电动机的应用二、开关磁阻电动机的应用开关磁阻电动机已成功应用于电动车驱动、航开关磁阻电动机已成功应用于电动车驱动、航空工业、家用电器、纺织机械等各个领域。空工业、家用电器、纺织机械等各个领域。 7.9 7.9 直线异步电动机直线异步电动机 直线电动机是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电直线电动机是一种不需要中间转换装置，而能直接作直线运动的电动机械，系统结构简单、运行可靠、精度高、效率高，因此是近年来国动机械，系统结构简单、运行可靠、精度高、效率高，因此是近年来国内外积极研究开发的电动机之一内外积极研究开发的电动机之一 。与旋转电动机对应，直线电动机可分为直线异步电动机、直线同步电动机、与旋转电动机对应，直线电动机可分为直线异步电动机、直线同步电动机、直线直流电动机和其他直线电动机。其中以直线异步电动机应用最广泛，故本直线直流电动机和其他直线电动机。其中以直线异步电动机应用最广泛，故本节主要介绍直线异步电动机。节主要介绍直线异步电动机。 1.了解直线异步电动机的结构；了解直线异步电动机的结构；2.掌握直线异步电动机的工作原理；掌握直线异步电动机的工作原理；3.了解直线异步电动机的实际应用。了解直线异步电动机的实际应用。教学要求：教学要求：一、平板型直线异步电动机一、平板型直线异步电动机7.9.1 7.9.1 直线异步电动机分类和结构直线异步电动机分类和结构直线异步电动机主要有平板型、圆筒型和圆盘型三种形式，其中平板型应用最直线异步电动机主要有平板型、圆筒型和圆盘型三种形式，其中平板型应用最为广泛。为广泛。 (b) 长初级图7.9.1 平板型直线异步电动机（单边型）初级(a) 短初级次级初级次级图7.9.2 双边型直线电动机初级次级初级二、圆筒型（或称管型）直线异步电动机二、圆筒型（或称管型）直线异步电动机三、圆盘型直线异步电动机三、圆盘型直线异步电动机初级次级(a) 平板型初级次级(b) 圆筒型图7.9.3 圆筒型直线异步电机的形成直线定子（初级）直线定子（初级）转动圆盘（次级）图7.9.4 圆盘型直线异步电动机7.9.2 7.9.2 直线异步电动机的工作原理直线异步电动机的工作原理 当当初初级级的的多多相相绕绕组组中中通通入入多多相相电电流流后后，产产生生一一个个气气隙隙基基波波磁磁场场，该该磁磁场场沿沿直直线线移移动动，称称为为行行波波磁磁场场。该该磁磁场场在在空空间间作作正正弦弦分分布布，如图如图7.9.57.9.5所示。它的移动速度为：所示。它的移动速度为：行波磁场初级次级图7.9.5 直线电机的工作原理说明：说明：改变极距改变极距或电源频率或电源频率f1均可改变次级的移动速度。均可改变次级的移动速度。7.9.3 7.9.3 直线异步电动机的应用直线异步电动机的应用直线异步电动机主要应用在各种直线运动的直线异步电动机主要应用在各种直线运动的电力拖动系统中，如自动搬运装置、传送带、带电力拖动系统中，如自动搬运装置、传送带、带锯、直线打桩机、电磁锤、矿山用直线电机推车锯、直线打桩机、电磁锤、矿山用直线电机推车机及磁悬浮高速列车等；也用于自控系统中，如机及磁悬浮高速列车等；也用于自控系统中，如液态金属电磁泵、门阀、开关自动关闭装置及自液态金属电磁泵、门阀、开关自动关闭装置及自动生产线机械手等。动生产线机械手等。7.10 7.10 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机永永磁磁无无刷刷直直流流电电动动机机是是集集永永磁磁电电动动机机、微微处处理理器器、功功率率逆逆变变器器、检检测测元元件件、控控制制软软件件和和硬硬件件于于一一体体的的新新型型机机电电一一体体化化产产品品，它它采采用用功功率率电电子子开开关关和和位位置置传传感感器器代代替替电电刷刷和和换换向向器器，既既保保留留了了直直流流电电动动机机良良好好的的运运行行性能，又具有交流电动机结构简单、维护方便和运行可靠等特点。性能，又具有交流电动机结构简单、维护方便和运行可靠等特点。1.了解永磁无刷直流电动机的基本结构；了解永磁无刷直流电动机的基本结构；2.掌握永磁无刷直流电动机的工作原理；掌握永磁无刷直流电动机的工作原理；3.掌握永磁无刷直流电动机的运行特性；掌握永磁无刷直流电动机的运行特性；4.了解永磁无刷电动机的应用。了解永磁无刷电动机的应用。教学要求：教学要求：一、永磁无刷直流电动机的基本结构一、永磁无刷直流电动机的基本结构7.10.1 7.10.1 永磁无刷直流电动机的基本结构和工作原理永磁无刷直流电动机的基本结构和工作原理U1U2V1V2W1W2永磁电机转子位置传感器控 制 电 路图7.10.1 永磁无刷直流电动机的结构简图由永磁电动机本体、转子位置传感器和功率电子开关（逆变器）三部分组成。由永磁电动机本体、转子位置传感器和功率电子开关（逆变器）三部分组成。直流电源通过电子开关向电动机定子绕组供电，由位置传感器检测电动机转子位直流电源通过电子开关向电动机定子绕组供电，由位置传感器检测电动机转子位置并发出电信号去控制功率电子开关的导通或关断，使电动机转动。置并发出电信号去控制功率电子开关的导通或关断，使电动机转动。 二、永磁无刷直流电动机的工作原理二、永磁无刷直流电动机的工作原理UU1U2V2V1W1W2图7.10.2 星形三相三状态永磁无刷直流电动机(a) U相导通(b) V相导通U2U2U2(c) W相导通图7.10.3 三相三状态无刷电机绕组通电顺序和磁动势位置图U1U1U1V1V1V1V2V2V2W2W1W2W1W1W21 1、机械特性：、机械特性：机械特性曲线：机械特性曲线：一、永磁无刷直流电动机的运行特性一、永磁无刷直流电动机的运行特性7.10.2 7.10.2 永磁无刷直流电动机的运行特性及应用永磁无刷直流电动机的运行特性及应用图7.10.4 无刷直流电动机的机械特性曲线2 2、调节特性：、调节特性：调节特性曲线：调节特性曲线：结论结论：永磁无刷直流电动机具有与有刷直流电动机一样良永磁无刷直流电动机具有与有刷直流电动机一样良好的控制性能，可以通过改变电压实现无级调速。好的控制性能，可以通过改变电压实现无级调速。 图7.10.5 无刷直流电动机的调节特性曲线 由于永磁无刷直流电动机具有调速性能好、控由于永磁无刷直流电动机具有调速性能好、控制方便、无换向火花和励磁损耗及使用寿命长等优制方便、无换向火花和励磁损耗及使用寿命长等优点。目前，无刷直流电动机的应用范围包括计算机点。目前，无刷直流电动机的应用范围包括计算机系统、家用电器、办公自动化、汽车、医疗仪器、系统、家用电器、办公自动化、汽车、医疗仪器、军事装备控制、数控机床、机器人伺服控制等。军事装备控制、数控机床、机器人伺服控制等。 二、永磁无刷直流电动机的应用二、永磁无刷直流电动机的应用7.11 7.11 交直流两用电动机交直流两用电动机交交直直流流两两用用电电动动机机既既适适用用于于交交流流电电源源，又又适适用用于于直直流流电电源源。当当采采用用交交流流电电源源供供电电时时，称称为为交交流流串串励励电电动动机机；当当采采用用直直流流电电源源供供电电时时，称称为为直直流流串串励励电电动动机机。这这种种电电机机转转速速高高、体体积积小小、质质量量轻轻、调调速速方方便便，获获得得了了广广泛应用。泛应用。1.了解交直流两用电动机的基本结构；了解交直流两用电动机的基本结构；2.掌握交直流两用电动机的工作原理；掌握交直流两用电动机的工作原理；3.了解交直流两用电动机的应用。了解交直流两用电动机的应用。教学要求：教学要求：一、基本结构一、基本结构7.11.1 7.11.1 交直流两用电动机的基本结构和工作原理交直流两用电动机的基本结构和工作原理1234567891-端盖；2-机壳；3-定子铁心；4-定子绕组；5-换向器；6-电刷装置；7-电枢；8-风扇；9-轴承图7.11.1 交直流两用电动机结构图普通直流串励电动机接到单相交流电源上的运行情况如何？普通直流串励电动机接到单相交流电源上的运行情况如何？ 该电机的运行情况将十分恶劣，甚至不能运转：该电机的运行情况将十分恶劣，甚至不能运转：直流直流电机磁极铁心的定子磁轭均系铸钢制成，将有很大的涡流损电机磁极铁心的定子磁轭均系铸钢制成，将有很大的涡流损耗；耗；在励磁绕组和电枢绕组中将有很大的电抗压降；在励磁绕组和电枢绕组中将有很大的电抗压降；换换向元件中将产生直流电机所没有的短路电动势，使换向发生向元件中将产生直流电机所没有的短路电动势，使换向发生困难，甚至产生严重的换向火花。所以，交直流两用电动机困难，甚至产生严重的换向火花。所以，交直流两用电动机的结构与普通直流串励电动机在总体上相似，但在细节处有的结构与普通直流串励电动机在总体上相似，但在细节处有所不同。所不同。二、工作原理二、工作原理(a) 直流串励电动机(b) 单相交流串励电动机图7.11.3 交直流两用电动机的电枢电流、磁通和电磁转矩可见，通入交流后，电磁转矩是一脉动转矩，但其平均可见，通入交流后，电磁转矩是一脉动转矩，但其平均值为正，故能驱动电动机连续旋转。值为正，故能驱动电动机连续旋转。7.11.2 7.11.2 交直流两用电动机的特点及应用交直流两用电动机的特点及应用1.转速高、体积小、质量轻。转速高、体积小、质量轻。 2. 起动转矩大、过载能力强。起动转矩大、过载能力强。3.使用方便。使用方便。 一、交直流两用电动机的特点一、交直流两用电动机的特点二、交直流两用电动机的应用二、交直流两用电动机的应用交直流两用电动机主要用于各类电动工具、家用电器、医疗器械和交直流两用电动机主要用于各类电动工具、家用电器、医疗器械和小型机床，如手电钻、冲击电钻、电磨、电刨、电锯、电剪刀、电扳手、小型机床，如手电钻、冲击电钻、电磨、电刨、电锯、电剪刀、电扳手、羊毛剪、电链锯、电动螺丝刀、吸尘器、搅拌机、榨汁机、电吹风、豆羊毛剪、电链锯、电动螺丝刀、吸尘器、搅拌机、榨汁机、电吹风、豆浆机、啐纸机、咖啡机、绞肉机、地板打蜡机和电动缝纫机等。此外，浆机、啐纸机、咖啡机、绞肉机、地板打蜡机和电动缝纫机等。此外，它也可制成通用电机型式，作驱动及伺服电机使用。它也可制成通用电机型式，作驱动及伺服电机使用。