1、電機與拖動基礎課程輔導系統第一章 直流電機原理一、內容提要本章主要介紹直流電機的工作原理及其基本結構。直流電機的工作原理是建立在電磁感應定律和電磁力定律的基礎上的。在不同的外部條件下，電機中能量轉換的方向是可逆的。如果從電機軸上輸入機械功率，電樞繞組中感應電動勢大于端電壓，即時，電機運行于發電機狀態，將機械能轉化為電能，從電刷兩端輸出電能；如果從電樞輸入電功率，電樞繞組中感應電動勢小于外加端電壓，即時，電機運行于電動機狀態，將電能轉換為機械能，從軸上輸出機械能。直流電機的結構可以分為定子、轉子兩大部分。定子部分包括：機座、主磁極（包括勵磁繞組）、換向極（包括換相極繞組）和電刷裝置。定子主要用來

2、建立磁場。轉子部分包括：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和軸承等。轉子主要通過電樞繞組傳遞電磁功率，是電動機的核心部件。常用的電樞繞組有單疊繞組和單波繞組。單疊繞組是將上層邊位于同一磁極下的元件先串聯成一條支路，不同磁極下的支路再并聯，故并聯支路數等于磁極數；單波繞組是將上層邊位于同極性磁極下的元件串聯成一條支路，由于磁極只有N、S兩種，故并聯支路數為2。繞組元件中感應電動勢和元件中流過的電流都是交變的，但經過換向器和電刷的機械整流作用，使在電刷和電刷接通的外電路上，電動勢、電壓和電流都變為直流。直流電機能量變換是依靠氣隙磁場進行的。空載時，直流電機的氣隙磁場由勵磁繞組的磁動勢產生；負載時，氣

3、隙磁場由勵磁繞組和電樞繞組的磁動勢共同產生。電樞磁動勢對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。當電刷位于幾何中性線時，只有交軸電樞反應。交軸電樞反應使氣隙磁場發生畸變，對電動機來說，其磁場的物理中性線逆轉偏離幾何中性線。在磁路飽和時，交軸電樞反應具有去磁效應，使每極磁通量減少。直流電機的能量變換可用電磁功率來表征，即。對直流電動機，感應電動勢是反電動勢，其方向與電樞電流方向相反。而對于電動機而言，電磁轉矩是拖動轉矩，與轉速方向一致。換向是指繞組元件從一條支路經過電刷轉入另一條支路時，元件中電流方向改變的過程。按換向的電磁理論分析，直線換向不會產生火花，延遲換向有可能出現火花，造成換向不良。為改善換向，直

4、流電機一般都裝設換向極，使換向元件在換向區感應電動勢抵消元件的電抗電動勢和電樞反應電動勢，力求實現直線換向。直流電動機的工作特性與勵磁方式密切相關。他、并勵直流電動機的電磁轉矩基本上正比于電樞電流，當負載變化時，轉速變化很小，特性較硬。串勵直流電動機的電磁轉矩近似與電樞電流的平方成比例，因此串勵電動機的起動力矩較大，負載變化時，轉速變化較大，特性較軟，在使用時注意不準空載或輕載工作，以免轉速過高。復勵直流電動機的特性介于二者之間。二、基本要求學習本章應主要掌握以下幾個方面的內容：1、掌握在磁場里運動導體產生感應電動勢和載流導體受力這兩個基本規律。這兩個規律是直流電機工作的理論基礎。2、了解直流

5、電機的主要結構和各部分的主要作用。要求知道直流電機的兩大組成部分：定子和轉子。3、 知道直流電機的銘牌中有哪些主要的額定數據及其含義以及在使用電機時應當注意的事項。4、 電樞繞組是直流電機的核心。(a)理解單疊繞組和單波繞組各節距的計算方法。(b)能夠看懂繪制好的繞組展開圖(c)了解各繞組的主要特點：知道什么情況下用單疊繞組，什么情況下用單波繞組5、 了解什么叫電樞反應；電樞反應對電機的影響；如何抵消電樞反應的影響6、 熟練掌握電樞電動勢和電磁轉矩的計算公式和性質。（1）在恒定磁場中轉動的電樞繞組產生感應電動勢，電動勢的大小可用下式計算：式中：，當電機制造好后僅與電機結構有關，稱為電動勢常數；

6、N是電樞導體總數。（2）在恒定的磁場內通電的電樞繞組產生電磁轉矩，轉矩的計算由下式給出：式中：僅與電機結構有關，成為轉矩常數。（3）兩個常數之間的關系為。以上兩個計算公式是直流電機中的最基本公式，貫穿直流電機及直流電機拖動分析的始終，應當牢記。 7、 了解直流電機的換向過程。什么叫直線換向？如何改善直流電機的換向？ 8、了解直流發電機的勵磁方式。 9、掌握電磁功率的關系式，這個公式說明了直流電機中機電能量是可以彼此相互轉換的。 10、掌握并勵直流發電機電壓建立的三個條件：電機主磁路有剩磁；并勵繞組極性連接正確；勵磁繞組回路電阻小于臨界電阻值。 11、掌握直流發電機的他外特性。 12、了解什么叫

7、電機的可逆原理。 13、掌握如何判斷一臺電機是處于電動狀態還是發電狀態。 14、掌握分析直流電機用的電動機慣例、發電機慣例，能根據慣例寫出直流電機穩態運行的基本方程式。 15、掌握他勵直流電動機運行時，電機內的功率關系 16、掌握他勵直流電動機的機械特性。三、重點與難點分析（一）直流電機結構與基本工作原理直流電機由定子和轉子兩大部分組成。定子主要作用是產生一定空間分布的磁場。定子由主磁極、機座、換向磁極、電刷裝置和端蓋等部分組成。轉子主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，直流電機中的能量轉換均發生在轉子中，轉子是直流電機的核心。轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、電機轉軸和軸承等部分組成。 在磁場

8、里，運動導體產生感應電動勢該式說明，電機要產生感應電動勢必須具備三個條件：即要有磁場的存在；金屬導體處于磁場中；導體與磁場間產生相對運動。 在磁場中，載流導體受力：該式說明，在磁場中的有電電流流過的導體將受到電磁的作用產生電磁力。 為保證電機能夠安全可靠穩定運行，根據國家標準和電機數據及實驗數據，電機制造者規定了電機正常運行時的工作狀態即電機的銘牌數據，該數據也稱為額定數據，具體意義如下： 額定功率：也稱為額定容量，指在額定條件下電機所能供給的功率。 額定電壓：在額定運行條件下，電機出線端的平均電壓。 額定電流：運行于額定電壓、額定功率時對應的電樞電流值稱為電機的額定電流。 額定轉速：對應于額

9、定電壓、額定電流，幾電機運行于額定功率時所對應的轉速。 額定勵磁電流：指電機運行于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流。轉子繞組也稱為電樞，是直流電機進行能量轉換的核心部件。直流電機的轉子繞組是由一定形狀的繞組元件按照一定的規律組成的閉合繞組，其連接規律主要有單疊繞組和單波繞組兩種。單疊繞組并聯支路數多，允許通過的總電樞電流大，每個支路里的元件少，支路合成感應電動勢較低，因此單疊繞組適合用于低電壓、大電流的直流電機。對于單波繞組，支路對數永遠等于1，在支路電流與單疊繞組支路電流相同的情況下，單波繞組能允許通過的總電樞電流就較??；由于每個支路里含的元件較多，合成感應電動勢較高，所以

10、單波繞組適用于較高電壓、較小電樞電流的直流電機。（二）直流電機的磁場與電樞反應 為研究電樞反應對直流電機特性的影響，首先要研究直流電機的空載磁場。 當忽略主磁路中鐵磁性材料的磁阻時，主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的形狀和大小。磁極中心及附近的氣隙較小且均勻不變，磁通密度較大且基本為常數；靠近兩邊極尖處，氣隙逐漸變大，磁通密度減??；超出極尖以外，氣隙明顯增大磁通密度顯著減小，在磁極之間的幾何中性線處，氣隙磁通密度變為零。因此空載時的氣隙磁通密度分布為一平頂波。 氣隙中由電樞電流產生的磁通密度分布為對稱的馬鞍形波。電樞反應是由于電樞磁場的存在，電樞磁場對空載磁場的作用。電樞反應分為電刷在幾

11、何中性線上時的電樞反應和電刷不在幾何中性線上時的電樞反應兩種。當電刷在幾何中性線上且負載時，由于電樞反應的影響，氣隙磁場發生畸變，對于直流發電機而言，每一磁極下，電樞要進入的主磁極磁場一端的磁場被削弱，而另一端則被加強。磁場為零的位置由空載時的幾何中性線順轉向移動一個角。物理中性線與幾何中性線不再重合，使磁場的分布曲線發生畸變。同時使每極磁通比空載時的每極磁通略為減少，這種去磁作用完全由磁路的飽和引起，稱為附加的去磁作用。 當電刷不在幾何中性線時，電樞反應將分為交軸電樞反應和直軸電樞反應兩部分。交軸電樞反應的性質同電刷在幾何中性線上時的性質。直軸電樞反應對于發電機而言，當電刷順轉向移動時起去磁

12、作用；當電刷逆轉向移動時，起增磁作用。而對直流電動機而言，當電刷順轉向移動時起增磁作用；而當電刷逆向轉動時，起去磁作用。 電樞反應的結果在磁場飽和的情況下，將使磁場減弱，使電樞感應電動勢降低，同時電樞反應使磁場發生畸變，使電機的換向困難，有時會產生換向火花或環火。因此應盡可能減少電樞反應的影響。 不論是發電機還是電動機，在其運行時均在電樞繞組中產生感應電動勢和電磁轉矩。感應電動勢和電磁轉矩是電機進行能量轉換的重要因素。電機的感應電動勢可用下式計算：式中：是一個僅與電機結構有關的常數，稱為電動勢常數上式表明當電機制造好后，感應電動勢與氣隙磁通和電機轉速三者間的關系。對于發電機當轉速不變時，可通過

13、改變勵磁電流改變發出電壓的大小或當勵磁電流不變時通過改變電機轉速改變發出電壓的大?。粚τ陔妱訖C，當外加電樞電壓不變時，通過改變勵磁電流改變轉速的大小或當勵磁電流不變時通過改變外加電壓改變電機的轉速。上式是發電機調整輸出電壓和電動機調整輸出轉速的基礎。 電磁轉矩可用下式計算：式中：是僅與電機結構有關的常數，稱為轉矩常數。 從與的表達式可以看出： 或從中可看出，制造好的直流電機其電磁轉矩僅與電樞電流和氣隙磁通之積成正比。（三）換相問題 直流電機電樞繞組中一個元件經過電刷從一個支路轉換到另一個支路里時，電流方向改變的過程稱為換向。 換向不良會產生電火花或環火，嚴重時將燒毀電刷導致電機不能正常運行，甚

14、至引起事故。直流電機的火花等級見表2。改善電機換向的最有效方法是裝上換向極。換向極裝在兩個相鄰的主磁極之間的幾何中性線上，同時為防止環火出現有時在主磁極上還安裝補償繞組，從而抵消電樞反應的影響。此外選用適當的電刷，也有利于換向。在使用維修過程中，欲更換電刷時，必須選用與原來同一型號的電刷，如果實在配不到相同牌號的電刷，應盡量選擇特性與原來相接近的電刷，并全部更換。（四）直流機基本方程式直流發電機的方程式包括：電壓平衡方程式、電磁轉矩平衡方程式和功率平衡方程式。在列寫直流電機的基本方程式時，應按照發電機慣例確定各物理量間的參考方向，然后根據各物理量間的相互關系寫出關系式或方程式。表2 直流電機火

15、花等級表火花等級電刷下的火花程度換向器與電刷狀態1無火花換向器上沒有黑痕；電刷上沒有灼痕電刷邊緣僅有微弱的點狀火花，或有非放電性的紅色火花電刷邊緣大部分或全部有輕微火花換向器上有黑痕，不可擦除；電刷上有輕微灼痕2電刷邊緣大部分或全部有較強烈的火花換向器上有黑痕但不擴大，用汽油可擦除；電刷上有灼痕，如短時出現該級別火化則換向器上不出現灼痕，電刷不被燒焦或損壞3電刷整個邊緣有強烈的火花，同時有大火花飛出黑痕相當嚴重，不可擦除；電刷上有灼痕，如在該級火花下運行，換向器將出現灼痕，電刷將被燒焦或損壞根據直流發電機慣例及基爾霍夫電壓定律可寫出電壓平衡方程式：式中：項為電樞電流在電樞回路串聯的各繞組（包括

16、電樞繞組、換向極繞組和補償繞組等）總電阻上的電壓降。為正、負電刷與換向器表面的接觸壓降，實際應用中，把 的作用歸人電樞回路總電阻中，此時電樞回路總電阻表示為，上式可重寫為該式說明直流發電機的感應電動勢一部分消耗在電樞繞組電阻（發電機內阻）上，另一部分向外輸出給負載。 作用在直流發電機軸上的轉矩有三個：即發電機的拖動轉矩、電磁轉矩和空載轉矩電磁轉矩、空載轉矩與轉速的方向相反，是阻轉矩。穩態運行時拖動轉矩和阻轉矩相平衡，據此可寫出穩態運行時的轉矩平衡方程式為將上式的兩端同乘以電樞軸上機械角速度，得出式中，為原動機輸人給發電機的機械功率；,為電磁功率；為空載損耗。因此，上式又可寫成：該式即為發電機的

17、功率平衡方程式。式中為空載損耗，包括機械摩擦損耗和鐵損耗，因此空載損耗又可表示為從形式上看，是屬于機械性質的功率，對的右邊進行變換可得：該式說明：一方面代表電動勢為的電源輸出電流時所發出的電功率，一方面又代表轉子以轉速旋轉時克服電磁轉矩所消耗的機械功率。 對電壓方程式兩邊分別乘以電樞電流得：式中：是直流發電機輸出給負載的電功率；是電樞回路繞組電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的電損耗，稱為銅損耗。 除上述各種損耗之外，還有雜散損耗（自勵發電機還有勵磁損耗，用表示）。因此，發電機的功率平衡方程為：式中：為發電機的總損耗。 直流發電機的功率平衡關系可用圖7表示。直流電機在一定的條件下，可作為發電機運

18、行，把機械能轉變為電能供給直流負載；而在另外的條件下又可把電能轉換為機械能拖動機械負載，這就是直流電機的可逆原理。 直流電機的運行狀態取決于電磁轉矩與拖動轉矩及電磁功率與機械功率之間的關系。當電磁轉矩大于機械轉矩時，電磁功率轉換為機械功率拖動機械負載，電機作為電動機運行；當電磁轉矩小于機械轉矩時，機械功率轉換為電磁功率供給直流電負載，電機作為發電機運行。當電機作為電動機運行時，電磁轉矩為拖動性轉矩；當電機作為發電機運行時，電磁轉矩為制動性轉矩。 根據電動機慣例，電動機的基本方程如下：式中：為負載轉矩；為空載轉矩。 把式電壓方程式兩邊同時乘以可得功率平衡方程：式中：，為直流電源輸人給電動機的電功

19、率；，為電磁功率；，為電樞回路銅損耗。 把電磁轉矩方程式兩端同時乘以機械角速度可得：式中：，為電機輸出的機械功率；，為空載損耗。 綜合上述各式可得：式中：為附加損耗。 直流電動機的功率平衡關系可用圖8表示。第二章 電力拖動系統的動力學基礎一、內 容 提 要 本章主要電力拖動系統的基本基本概念；典型生產機械的運動形式及轉矩；電路拖動系統運動方程式；多軸電力拖動系統轉矩及飛輪矩的折算，負載的機械特性等內容。二、基本要求 1了解電力拖動系統的組成。 2了解典型生產機械的運動形式。 3掌握電力拖動系統的運動方程式。 4掌握多軸旋轉系統的折算。 5掌握平移運動系統的折算。 6掌握升降運動系統的折算。三、

20、重點與難點分析（一）電力拖動系統的運動方程式1 電力拖動系統的基本運動方程式上式是針對單軸系統列出的，式中為電動機驅動性質電磁轉矩，為軸上制動性質總負載轉矩（包括生產機械負載轉矩和電動機本身的空載轉矩）。（1） 轉矩單位用N·m，轉速用r/min,飛輪矩用N·m2;（2） 以電動狀態轉速方向為正方向，則當方向與正方向一致時取正，方向與正方向相反時取正。（3） 運動狀態的判別：當 時,系統穩定;當 時,系統加速; 當 時,系統減速。2 多軸系統的運動方程式對于多軸或具有直線運動部件的系統，可用上述的單軸系統等效代替，只需將實際系統的負載轉矩，各軸的飛輪矩及平移部件質量折算到等

21、效單軸系統。（1） 負載轉矩的折算：電動狀態時：發電制動狀態時：式中：為總傳動比，等于各軸速比的乘積，為電動狀態時傳動機構總效率，等于各級傳動部件效率的乘積;為發電制動時傳動機構總效率。（2） 飛輪矩的折算：（3） 平移質量的折算：式中直線運動部件質量用N，直線運動線速度用m/s 。（二）生產機械的負載轉矩特性 1恒轉矩負載特性當轉速變化時，負載轉矩的大小保持不變，稱為恒轉矩負載。（1） 反抗性恒轉矩負載：的大小與無關，但是的方向始終與相反。（2） 位能性恒轉矩負載：的大小及方向均與無關，而且方向始終指向使位能部件的勢能減小的方向。2恒功率負載特性負載轉矩與轉速成反比，即 。則負載功率，故稱為

22、恒功率負載。3通風機負載特性負載轉矩與轉速平方成正比，即，對應風機、泵類負載，故稱為通風機負載。第三章 直流電動機的電力拖動一、內 容 提 要 本章主要他勵直流電動機的機械特性；他勵直流電動機的起動和反轉；他勵直流電動機的調速；他勵直流電動機的制動；電力拖動系統的過渡過程等內容。二、基本要求 1.掌握他勵直流電動機的固有機械特性和人為機械特性。2.掌握他勵直流電動機的主要起動方法。3.掌握他勵直流電動機的主要調速方法。 4.了解他勵直流電動機的制動原理和制動方法。 5.掌握他勵直流電動機在四象限中的運行狀態。 三、重點與難點分析（一）他勵（并勵）直流電動機的機械特性 1一般形式，理想空載轉速。

23、2固有特性是一條通過理想空載轉速的硬特性，額定負載時的轉速降很小。固有特性可用理想空載點和額定工作點兩點來確定。3人為機械特性（1）電樞回路串電阻人為特性：也是一條下降的直線，其跟固有特性相同;斜率，特性變軟，且越大時特性越軟。（2）改變端電壓人為特性：一般用降壓特性，當降低時，且越低是理想空載轉速越低;但與固有特性一樣，故降壓人為特性與固有特性平行。（3）減弱磁通人為特性：當弱磁時，理想空載轉速比固有特性高，且特性比固有特性軟。4電力拖動系統的穩定運行條件（1）必要條件是：電動機的機械特性與生產機械負載轉矩特性必須相交，只有交點處系統才處于平衡狀態。（2）充分條件是：在交點處必須滿足，所以具

24、有上翹機械特性的拖動系統運行是不穩定的。（二）他勵直流電動機的起動1起動方法（1）直接起動起動時，起動初瞬的電樞電流，太大的起動電流使換向惡化，甚至產生環火;很大的電磁力將損壞繞組;大的起動電流使直流電網電壓波動而影響電網上其它電氣設備的正常工作;過大的轉矩沖擊傳動機構損壞。為此，除小容量電機之外，直流電動機不允許直接起動。（2）限制起動電流的方法·首先應滿勵磁，據，當采取措施限制起動電流時，為保證有足夠大的起動轉矩，起動時應保證使。·據起動電流可知，減小起動電流的途徑有降低端電壓或電樞回路串電阻。2電樞回路分級起動電阻的計算起動時各級電樞回路總電阻為：各級起動電阻為：式中

25、起動電流比，為起動分級數，或為最大起動電流或起動轉矩，或為切換電流或切換轉矩。一般可取或，而或，式中為負載（穩定）電流。（三）他勵直流電動機的制動1制動運行一般保持大小與方向不變，使電磁轉矩與轉向相反，其特點是從軸上吸收機械能（動能或位能）轉換成電能而消耗在電機內部或反饋電網。他勵直流電動機的制動狀態的分析方法，可以仍采用電動狀態時的正方向，將所采用的制動方法的參數特點代入電動狀態的基本方程式或機械特性求解即可，負值的解答表示其物理意義或方向與電動狀態時相反。2能耗制動（1）方法：保持大小方向不變，將電樞回路從電網脫離經制動電阻閉合。（2）參數特點：，電樞回路總電阻。因而有：（3）能耗制動的機

26、械特性是一條通過原點安全無害第二和第四象限的直線 ，對應兩種制動狀態：·能耗制動停機過程，對應第二象限。設制動初瞬轉速為，則制動初瞬最大電流，可根據允許值來選取。當時，制動效果變差，然而，當時，對反抗性負載言，能耗制動可到可靠停機，不會反向起動。·位能性負載穩速下放，對應第四象限。穩定下放轉速，式中為穩定運行時電樞電流。計算結果為負值，表示重物下放，與提升狀態（電動狀態）時轉向相反。3。反接制動（1）電壓反向的反接制動用于快速停機·方法：保持大小方向不變，令電樞經制動電阻而反接于電網。·參數特點：,電樞回路總電阻，因而有：·機械特性是一條穿過第

27、二、三、四象限的直線，其理想空載轉速為，對應三處運行狀態：第二象限為反接制動停機過程。反接初瞬最大電樞電流為。當時，所以制動效果好，但停機時若不切斷電源，系統有可能反向起動。第三象限為反向電動狀態。對于反抗性負載若打通關節接制動至時不切斷電源，系統會反向起動，而穩定運行于第三象限，其且，與方向一致，故仍為電動狀態。第四象限為回饋制動狀態。對于位能性負載，反接后最終穩定運行于第四象限，以的高速將重物穩速下放，由下可知，這時屬于回饋制動。（2）電動勢反向的反接制動用于位能負載穩定低速下放·方法：保持及端電壓不變，僅在電樞回路串入足夠大的制動電阻。參數特點：，電樞回路總電阻，且足夠大。機械

28、特性：與電樞回路串電阻人為特性相同。只是其很大，使其人為特性與負載特性相交于第四象限，穩定下放轉速為：?？梢娍梢x擇得當，可使以極低轉速下放。（3）反接制動時的運行特點·制動運行時實際轉向與其理想空載轉速方向相反;·制動過程中一方面從電網吸收電功率，另方面又從軸上輸入機械功率，兩者都轉換成電功率而消耗在電樞回路電阻上。4。回饋制動（1）電壓反向的回饋制動方法：保持大小方向不變，將電樞反接，從而使位能性負載以較高的轉速穩速下放。參數特點與機械特性與電壓反向反接制動相同 ，只是對應第四象限部分，為此，回饋制動使重物穩速下放的轉速為：可見，為使下放轉速不至于太高，通常取。（2）電

29、壓不反向的回饋制動·電動下坡時，若電機參數都不變，則最后穩定運行于機械特性向第二象限延伸段。·突然降低端電壓的初瞬，電機工作于降壓人為特性向第二象限的延伸段，在轉速降至之前的降速過程屬回饋制動。（3）回饋制動的運行特點·回饋制動時，電機實際轉向與其理想空載轉速方向一致，且。因而且與方向一致。·電機將軸上輸入的機械功率（即系統所儲的動能或位能）轉換成電能而送回電網。（四）他勵直流電動機的調速1。調速方法據可知，改變、及(即)可以方便地調節轉速。（1）電樞回路串電阻調速對于同一個負載，越大則越低。這種方法簡單，但只能應用于調速性能要求不高的場合。因為：

30、83;機械特性變軟，負載變化時轉速波動大，所以靜態穩定性差，調速范圍不大;·輕載時調速效果不明顯;·有級調速，調速平滑性差;·調速時上損耗大，效率低。（2）降壓調速降低電樞端電壓時，轉速也是向低于方向調節，且越低時也越低。降低調速雖然需增加一套可調壓電源，但它由于具備以下優點，所以被廣泛應用于對調速、起動與制動要求較高的場合。·人為特性與固有特性平行，硬度不變，所以不僅滿載或輕載時都有明顯的調速效果，而且負載變化時轉速波動小，靜態穩定性好，調速范圍大;·轉速調節平滑，可實現無級調速;·調速時能量損失小，效率高。（3）弱磁調速減小以減弱

31、磁通時，轉速向高于方向調節，且越小n越高。但是受機械強度與換向的限制，一般只能，調速范圍不大;由于弱磁調節也可做到高效無級調速，所以一般是與降壓調速配合使用以擴大調速范圍。2。調速指標評價調速方法主要技術經濟指標有：（1）調速范圍：在條件下，調速系統能達到的最高轉速與最低轉速之比，即。（2）靜差度：時的轉速降與其理想空載轉速之比，即。越大，轉速波動越大，為了使系統保持運行運行的相對穩定性，必須小于給定的允許值。所以與D是相互聯系又相互制約的兩個調速指標。（3）調速平滑性好。（4）調速時的電動機的容許輸出。在整個調速范圍內，如果使其電流始終等于，則電機既能充分利用又能安全運行，此時電動機的輸出功

32、率與轉矩分別稱為調速時容許輸出功率與允許輸出轉矩。對于降壓調速與電樞回路串電阻調速，調速，調速過程中為常數，幫稱為恒轉矩調速方式，此時;對于弱磁調速，調速過程中為常數，故稱為恒功率調速方式，此時。（5）經濟性，包括調速裝置初投資、調速時能耗及運行維護費用等。3。調速方式與負載性質的配合（1）恒轉矩負載采用恒轉矩調速方式時，只要電動機的，則在整個調速范圍內都做到，電機既能安全又充分利用，是最理想的配合。此時。（2）恒轉矩負載采用恒功率調速方式時，應使對應的最小與相等，即有：，可見除之外的所有都是，電機不能充分利用。（五）他勵直流電動機的過渡過程1。當電力拖動系統的負載、參數或運行方式等發生變化時

33、，由于系統具有慣性（機械慣性、電磁慣性與熱慣性等），使之從一個穩定運行狀態變為另一個穩定運行狀態時，系統各物理量的改變不可能瞬時完成，必須經一個連續變化的過程，稱為過渡過程。在此過程中，各物理量隨時間的變化規律稱為拖動系統的動態特性。通常機械慣性比電磁慣性大得多，而熱慣性又比機械慣性大得多。因此，在研究過渡過程中，可以不考慮熱慣性的影響，認為過程中溫度不變，因而電阻也不變;同時，還可以不考慮電磁慣性的影響，認為當機械過渡過程開始時（即轉速剛開始變化時）電磁過渡過程已經結束。這種只考慮機械慣性的過渡過程稱為電力拖動系統的機械過渡過程。研究機械過渡過程的主要工具是電力拖動系統的基本運動方程式。2。

34、他勵直流電動機械過渡過程的一般解電樞電流變化規律：電磁轉矩變化規律：轉速變化規律：加速度變化規律：過渡過程時間：以上各式中，為電力拖動系統機電時間常數;和為電動機械特性與負載轉矩特性的交點所對應的電樞電流和轉速（常為穩態值）;、為過渡過程起始初瞬的電流、轉矩、轉速的起始值;為從過渡過程開始至所考慮的某終了點所需時間，與為電流與轉速的終了值。3。他勵直流電動機各種方法的起動、制動、調速、負載變化或反轉等的機械過渡過程均可以利用以上各通式求解其動態特性，只是式中的值、終了值、穩定值應根據實際情況而定。第四章 變 壓 器一、內 容 提 要 本章主要介紹變壓器的基本工作原理和結構；單相變壓器的空載運行

35、和負載運行；變壓器參數的測定方法；標么值的表示方法；變壓器的運行特性；三相變壓器的磁路系統、電路系統及電動勢波形問題；其他用途的變壓器等內容。二、基本要求 1掌握變壓器的基本工作原理、基本結構與額定值。 2通過對變壓器空載時磁通、電動勢的分析，掌握變壓器的電動勢、電壓和磁通的關系。 3通過對變壓器空載電流和空載損耗的分析，掌握勵磁阻抗的物理意義。 4通過對變壓器負載運行的分析，熟練掌握變壓器的方程式、相量圖和等效電路。 5通過實驗，掌握變壓器的參數測定方法。 6掌握標么值的概念與計算方法。 7熟練掌握變壓器的運行性能及其計算方法。 8熟練掌握變壓器聯接組別的判定方法。 9了解自耦變壓器和儀用互

36、感器的工作原理和特點。 三、重點與難點分析（一）變壓器的基本工作原理和結構 1.基本工作原理 由電磁感應原理可知，一次繞組（原繞組）、二次繞組（副繞組）交鏈于同一磁通，在相同的磁通變化率下，因此，只需改變一次、二次繞組的匝數，就能達到改變電動勢（電壓）的目的。匝數多的一側電動勢就高，匝數少的一側電動勢就低?！霸吒钡汀保ㄒ淮卫@組匝數多，二次繞組匝數少）為降壓變壓器，“原低副高”（一次繞組匝數少，二次繞組匝數多）為升壓變壓器。從物理意義上理解：單位匝數上的感應電動勢相等，因此，匝數多電動勢高，匝數少電動勢就低。 2型號與額定值 要求掌握變壓器型號中各字母和數字所表示的含義。 變壓器的額定容量用視

37、在功率表示，單位為。變壓器二次額定電壓定義為：變壓器一次加額定電壓時，二次空載時的端電壓（并非是二次加額定負載時的電壓）。對三相變壓器而言，額定電壓和額定電流指的是線電壓和線電流。（二)單相變壓器的空載運行 1.空載運行時的電磁關系 變壓器空載運行時，一次側（原邊）加額定電壓，二次側（副邊）開路。在民作用下，一次繞組中將產生入，建立磁動勢，作用磁路上將產生磁通，根據路徑不同，分主磁通和漏磁通。要求掌握主、漏磁通在性質、大小和作用上的不同點。 主磁通感應的電動勢：由上式可知，（1）感應電動勢與、成正比；（2）磁通為正弦波形時，電動勢也為正弦波形（3）在相位上電動勢滯后于磁通。 漏磁通感應的電動勢

38、可用漏電抗壓降來表示。即式中：，很小且為常數。2空載電流和空載損耗（1）空載電流 空載電流的作用與組成 ，其中（有功分量）供給鐵心損耗；（無功分量）建立主磁通。 空載電流的大小及性質 ，大型電力變壓器。由可知，的大小主要與磁路的飽和程度、一次繞組匝數、鐵心材質和磁路的幾何尺寸有關系。 因為，故，空載電流基本為一無功性質電流。 空載電流波形 對于單相變壓器而言，由于磁路飽和，當中。為正弦波形時，I。就為尖頂波。（2）空載損耗 變壓器損耗包括銅損耗和鐵損耗空載時銅損耗為，由于和均很小，則有，即空載損耗可近似等于鐵損耗。 3空載時的電動勢方程、等效電路和相量圖（1）電動勢平衡方程由于漏阻抗壓降很小，

39、可忽略，則有：由上式可知，變壓器主磁通的大小與有關。其中為結構因素，和為電源因素。它的大小與鐵心材質和幾何尺寸基本無關。那么變壓器為什么還要采用鐵心呢？ 由磁路歐姆定律可知，當電源電壓和匝數一定，則主磁通也一定，即主磁路磁阻的大小（鐵心的材質和幾何尺寸）影響變壓器空載電流的大小，所以采用鐵磁材料，磁阻小，所需空載電流小。（2）空載時的等效電路和相量圖 主磁通在一次繞組中感應的主電動勢可以用一個阻抗壓降的形式來表示，即：式中是對應于鐵心損耗的等效電阻；是對應于主磁通的電抗。 變壓器空載時的相量圖反應了空載時各電磁量之間的相位關系。（三）單相變壓器的負載運行 1負載運行時的電磁關系 在學習單相變壓

40、器的負載運行時，首先應弄清楚負載時的電磁關系。即在鐵心中有主磁通通過，分別在一次、二次繞組中感應電動勢和。主磁通將由合成磁動勢產生。和還分別產生只交鏈于各自繞組的漏磁通和并分別在一次、二次繞組中感應電動勢和此外，電流和。還在一次、二次繞組中分別產生電阻壓降和。2負載運行時的基本方程式 負載運行時的電動勢平衡方程式為 由于很小，所以有，則當、和不變時，不變，空載和負載時均外加額定電壓，故空載和負載時的主磁通也相等。又因為空載和負載時的鐵心磁阻不變，所以空載和負載時建立主磁通所需的勵磁磁動勢基本相等，即或 由教材中式（3.3.2）可知，變壓器負載運行時，一次電流包含兩個分量，一個是勵磁分量，用來建

41、立負載時的主磁通，另一個是負載分量，用以抵消二次磁動勢的作用。 由于負載時，可忽略，則有，即一、二次電流的大小近似與繞組匝數成反比。說明變壓器不僅能變電壓，而且能變電流。 3變壓器的等效電路和相量圖 由于變壓器的電磁關系比較復雜，一次、二次繞組電路間存在磁的耦合關系，因此有必要找到一個既能正確反映變壓器內部電磁過程，又便于工程計算的等效電路來。要想得到這樣一種三單相變壓器的等效電路，首先需對變壓器進行折算。 折算的實質是把一臺變比不等于1（）的變壓器看成是變比等于1的變壓器。 折算的原則是不改變變壓器的電磁效應。即折算時保持折算側的磁動勢不變；保持折算側的各功率損耗不變；保證變壓器的主、漏磁場

42、不改變，保證功率傳遞不變。 折算的方法（低壓側折算到高壓側）是：電壓、電動勢乘以，電流除以，電阻和電抗乘以。 變壓器的等效電路有“”形等效電路、近似等效電路和簡化等效電路。 “”形等效電路為精確等效電路。近似等效電路是將勵磁支路從“”形電路的中部移到電源側而得到的。和“”形等效電路相比，相當于在負載回路忽略了漏阻抗壓降，在勵磁回路忽略了壓降。簡化等效電路是將勵磁支路開路，即忽略勵磁電流情況下的等效電路。 負載時的相量圖能較清晰地反映了負載時各電磁量之間的相位關系，要求會畫出變壓器帶各種性質負載時的相量圖和簡化相量圖。 方程式、等效電路和相量圖分析方法是分析變壓器乃至各種交流電機的重要方法，通常

43、稱為“三要素”分析方法，要求熟練掌握。(四）變壓器參數的測定 變壓器等效電路是一個無源二端口網絡，其參數可用空載和短路試驗求取。 在本節中，應重點掌握空載和短路試驗的目的、試驗方法、試驗接線以及各種參數的計算方法。 空載和短路試驗可以在任何一側進行，但通?？蛰d試驗在低壓側進行，而短路試驗在高壓側進行。（五）標么值 標么值實質上是一種用“相對值”表示參數大小的方法 在變壓器及其他電機中，基準值常取額定值，故許多額定值的標么值均為1.用標么值計算時，下列各值相等： 用標么值表示后，折算后求標么值和未折算“就地”求標么值數值相等，故用標么值表示參數時，可省去折算。（六）變壓器的運行特性 變壓器的運行

44、特性主要有外特性和效率特性，表征運行性能的主要指標有電壓變化率和效率。 1外特性和電壓變化率 變壓器的外特性是指電源電壓和負載功率因數不變時，二次端電壓隨負載電流變化的規律，即曲線。 為了表示隨電流變化而變化的程度，引人電壓變化率的概念。電壓變化率的定義式為：電壓變化率的計算式為：求出后，可通過公式來求變壓器的二次電壓。影響二次端電壓（或）的因素是：負載的大小及性質短路阻抗路電抗參數。2變壓器的損耗、效率和效率特性變壓器的損耗主要包括鐵損耗和銅損耗。鐵損耗與一次側外加電源電壓的大小有關，而與負載大小基本無關，故稱鐵損耗為“不變損耗”。銅損耗與負載電流的平方成正比，故稱銅損耗為“可變損耗”。變壓

45、器的效率可按下式計算：影響效率的因素：負載的大小及性質；變壓器本身參數（、鐵損（?。┖豌~損耗）。 當，即銅損耗等于鐵損耗時或時，變壓器效率最高。（七）三相變壓器 本節只講授三相變壓器的磁路系統、電路系統以及電動勢的波形等幾個特殊問題。 1三相變壓器的磁路系統 三相變壓器的磁路系統可分為組式磁路和心式磁路。組式磁路由三臺單相變壓器組成，三相磁路彼此獨立。而心式磁路的特點是三相碰路彼此相關，即任何一相的主磁通都要通過其他兩相磁路作為自己的閉合磁路。 2三相變壓器的電路系統 三相變壓器的電路系統主要是研究變壓器兩側電動勢（或電壓）間的相位關系。 單相變壓器一次、二次繞組間的相位關系要么同相位要么反相

46、位，它取決于繞組的繞向和首末端標記。即同極性端子同樣標號，電動勢同相位。 三相變壓器的聯結組反映三相變壓器兩側對應線電動勢（線電壓）間的相位關系，影響三相變壓器聯結組的因素有：繞組繞向和首末端標記，以及三相繞組的聯結方式。（1）已知接線畫位形圖判定組別（圖1） 作圖步驟： 作出一次側電動勢相量圖。 按一次、二次繞組電動勢間的相位關系作出二次測電動勢位形圖，即與同相位與同相位，與同相位。 平移二次側相量圖，讓“”點與“”點等電位（這樣做便于比較一次、二次側電動勢的相位關系）。比較與相位差，判定組別，本例為Y,d3聯結組別。（2）已知聯接組別畫出接線圖已知Y，y10聯結組別，試作出繞組的接線（圖2

47、）。作題步驟：作出一次側電動勢相量圖。據Y，y10作出相量，超前相角。根據一次、二次測相序一致找出w點（順時針）。作出二次側三相電動勢相量（）。找出同極性端子。連接一次側三相繞組門接），并標出 U1、U2、V1、V2、W1、W2；根據同一鐵心柱要么同相位，要么是反相位，從相量圖上看與反相位，作u1、u2標記，按相序方向作另外二次側兩相，并將u2、v2 和w2聯接在一起成星形聯結。3磁路系統和繞組聯結組對電動勢波形的影響 首先應掌握以下基本知識：（1）對于飽和磁路，尖頂波的勵磁電流產生正弦波的磁通，而正弦波的勵磁電流產生平頂波的磁通。（2）三次諧波電流的流通情況與繞組聯結組有關，如在YN、D聯結

48、中，三次諧波電流能流通。Y聯結中三次諧波電流無通路。（3）三次諧波磁通的流通情況與磁路結構有關，如組式磁路，每相都有獨立的磁通回路，則三次諧波磁通能流通。而心式（或柱式）磁路，無三次諧波通路，故三次諧波磁通不能流通。 有了以上基本知識，就可以分析各種聯結組和磁路結構的變壓器的電動勢波形問題了。 現將分析過程表述如下： 結論： 三相組式Y,y聯結和組式Y,yn 聯結變壓器不能被采用，而三相心式Y，y和心式Y，yn聯結只能用于 1800以下的小型變壓器。 D(d)聯結能改善電動勢波形。（八）其他用途的變壓器 1自耦變壓器自耦變壓器的一、二次繞組之間不僅有磁的耦合，而且還有電的直接聯系。學習時要弄清

49、自耦變壓器繞組容量和銘牌容量的關系。普通雙繞組變壓器：繞組容量=銘牌容量，而自耦變壓器的繞組容量<銘牌容量。導致以上關系的原因是自耦變壓器的輸出功率由兩部分組成：電磁功率，由磁的耦合產生；傳導功率，由電的直接聯系產生，它無需增加繞組的容量。而普通變壓器則沒有傳導功率。 2. 儀用互感器 儀用互感器分電流互感器和電壓互感器兩種，其工作原理同變壓器相同。 要求掌握電流互感器和電壓互感器的工作特點及使用時的注意事項。第五章 三相異步電動機原理一、內容提要 本章主要介紹交流電機的繞組；交流繞組的感應電動勢；交流電機繞組的磁動勢；三相異步電動機的基本工作原理與結構；三相異步電動的空載運行和負載運行

50、；三相異步電動機的等效電路和相量圖；三相異步電動機的功率平衡、轉矩平衡和工作特性；三相異步電動機的參數測定等內容等內容。二、基本要求 1熟練掌握交流電機的基本工作原理。2掌握交流電機繞組的幾個基本概念，對交流電機繞組作一般了解。3掌握交流電機繞組的感應電動勢，重點理解短矩系數和分布系數的物理意義及其對改善電動勢波形的作用。 4掌握單相繞組磁動勢的大小及性質，熟練掌握三相繞組合成磁動勢的大小及基本性質。 5通過與變壓器電磁關系的比較，掌握異步電動機空載和負載運行時的物理情況，重點掌握轉子繞組的各電磁量及電動勢、磁動勢平衡關系。 6能熟練應用基本方程、等效電路和相量圖來分析異步電動機的運行情況，掌

51、握頻率折算的物理本質及附加電阻的物理意義。 7能用等效電路導出異步電動機的功率平衡關系，畫出功率流程圖，掌握轉矩平衡關系。 8熟悉三相異步電動機的工作特性。 9掌握三相異步電動機的參數測定方法三、重點與難點分析（一）交流電機的繞組 首先要求掌握交流繞組的基本知識，即了解對交流電機繞組的基本要求和分類，弄清極距。線圈節距、電角度與機械角度的關系、槽距角、每極每相槽數和相帶等基本概念。其次，要會畫三種單層繞組的展開圖及了解三種單層繞組的適用范圍。對于三相雙層繞組，只要求會畫三相雙層疊繞組展開圖，并掌握繞組的并聯支路數的概念。（二）交流電機繞組的感應電動勢相繞組基波感應電動勢的大小式中：為一條支路串

52、聯總匝數，對單層繞組，對于雙層繞組，；，為繞組系數，其中為短距系數，為分布系數。基波短距系數、基波分布系數及其物理意義基波短距系數，而。的物理意義是線圈短距放置后其感應電動勢比整距時減少了，即相當于把整距線圈的感應電動勢打了一個折扣，這個折扣系數就是。基波分布系數，顯然<1，即繞組分布放置和繞組集中放置相比，其感應電動勢將減少，表示減少的程度，這是的物理意義?；ɡ@組系數；表示交流繞組采用短距和分布后對基波電動勢大小的影響。 3交流繞組采用短距、分布放置能有效地改善感應電動勢的波形。（三）交流電機繞組的磁動勢單相繞組磁動勢為一個空間按余弦規律分布，幅值大小隨時間按正弦規律變化的脈動磁動勢

53、。其數學表達式為其中單相磁動勢幅值為。 由前式分解得：（1）單相繞組的基波磁動勢為一正弦脈動磁動勢，它可分解為大小相等、轉速相同而轉向相反的兩個旋轉磁動勢。（2）反之，凡大小相等、轉速相同、轉向相反的兩個旋轉磁動勢的合成即為一脈動磁動勢。 2三相繞組基波合成磁動勢為一旋轉磁動勢。凡滿足兩個對稱，即對稱的三相繞組通入對稱的三相正弦電流，產生的三相合成磁動勢為一圓形旋轉磁動勢，其數學表達式為該圓形旋轉磁動勢的性質為（1）幅值為單相脈動磁動勢最大幅值的倍，即：（2）轉速為：當時，即電流頻率決定旋轉磁動勢的轉速。（3）轉向與電流相序一致。（4）當某相電流達最大值時，則旋轉磁動勢恰好轉到該相繞組的軸線上

54、。（四）三相異步電動機的基本工作原理與結構 1三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機的基本結構主要由定子和轉子兩大部分組成，在定子和轉子之間有一個很小的氣隙。 定子由定子鐵心、定子繞組、機座和端蓋組成；轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。 根據轉子型式的不同，異步電動機分為籠型轉子和繞線轉子兩種?；\型轉子繞組是裸銅條插人轉子鐵心槽里，或者用鋁液澆鑄在轉子鐵心槽里，并且連同端環和風扇一次鑄成；繞線轉子繞組則在轉子鐵心槽里嵌人與定子相同相數的繞組，繞組引線與滑環相連，然后用電刷裝置與外電路相連。 2三相異步電動機的基本工作原理（1）電生磁。三相對稱繞組通人三相對稱正弦交流電流，在電動機氣隙中產生圓形旋轉磁場。（2）磁生電。定子產生的旋轉磁場切割轉子繞組，在轉子繞組中感應電動勢和電流。（3）電磁力（矩）。轉子載流導體在磁場中受到電磁力的作用，形成電磁轉矩，使轉子旋轉。 3異步電機的重要物理量轉差率 轉差率是個相對值，當、已知時，可算出： 當轉子不轉（如起動瞬間）時，則；當轉子轉速接近同步轉速時，則。所以，異步電動機轉差率的范圍是：。但在正常運行時，S僅在0.010.06之間。 轉差率是異步電機的一個重要物理量，它反映了轉子轉速的快慢或負載的大小。即：負載越大，轉速就越慢，其轉差率就越大；反之，負載越小，轉速就越快，其轉差率就越小。 4異步電機的三種運行狀