电机与拖动技术

高等职业教育机电类课程规划教材电机与拖动技术主编

郑立平张晶主审刘凤春大连理工大学出版社目录第1章直流电机的结构与工作原理第2章直流电机的基本理论及运行特性第3章直流电动机的电力拖动基础第4章直流电机的电力拖动第5章变压器第6章交流电机的绕组目录第7章三相异步电动机第8章三相异步电动机的电力拖动第9章单相异步电动机第10章同步电动机第11章微特电机第12章电动机的选择1.1直流电机的结构与工作原理1.2直流电机的电枢绕组1.3直流电机的铭牌数据及主要系列第1章直流电机的结构与工作原理

直流电机有直流发电机和直流电动机两种类型。1.1.1直流电机的结构直流电机主要分为定子和转子两大部分。定、转子之间存在的间隙称为气隙。

1.定子定子是电机的静止部分，主要用来产生磁场。它主要包括:

（1）主磁极主磁极包括铁心和励磁绕组两部分。主磁极总是N、S两极成对出现。

（2）换向极换向极也由铁心和绕组构成。1.1直流电机的结构与工作原理图1-1直流电机的结构

图1-2直流电机的正剖面图图1-3换向极结构

图1-4电刷盒装配

（3）电刷装置电刷装置由电刷、刷握、压紧弹簧和刷杆座等组成。

（4）机座和端盖

2.转子转子是电机的转动部分，转子的主要作用是感应电动势，产生电磁转矩，是机械能变为电能（发电机）或电能变为机械能（电动机）的枢纽。它主要包括:

（1）电枢电枢又包括铁心和绕组两部分。

（2）换向器

（3）转轴在转轴上安装电枢和换向器。

3.气隙静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙称为气隙。1.1.2直流电机的基本原理

1.直流发电机的基本工作原理图1-7是一台两极直流发电机的原理图。

2.直流电动机的基本工作原理图1-8是直流电动机的原理图。1.2.1电枢绕组的基本知识电枢绕组是直流电机的核心部分。电枢绕组是由许多分布在转子表面的线圈按一定规律联结而成的闭合绕组。根据联结规律的不同，电枢绕组可分为单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组及混和绕组五种型式1.绕组元件构成绕组的线圈称为绕组元件，是用绝缘铜线绕制的。2.元件数、槽数、换向片数的关系1.2直流电机的电枢绕组元件数等于换向片数等于槽数，即S=K=Z式中S—元件数;K—换向片数;Z—电枢实际槽数。包含虚槽的电机中元件数等于换向片数等于虚槽数，即S=K=Zu

3.叠绕组和波绕组叠绕组是指相串联的后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分的上面，整个绕组成褶叠式前进;波绕组是指相串联的两个元件像波浪式前进如图1-10所示。1.2.2电枢绕组的节距

1.极距极距就是一个磁极在电枢表面的空间距离，即τ=πD/2p字母τ表示极距，D表示电枢直径，p表示磁极对数。实际上，常用一个磁极表面所占的虚槽Zu来计算极距，即图1-10电枢绕纽和节距

τ=Zu/2p

2.第一节距y1第一节距是指一个线圈两个有效边之间在电枢表面上的跨距，以虚槽数表示，如图1-10所示。为了让绕组能感应出最大的电动势，应使接近或等于极距.即y1=Zu/2pε式中ε——正分数，是将y1补成整数的一个正分数。若ε=0，则y1=τ，称为整距绕组;若取正号，则y1>τ称为长距绕组;若取负号，则y1<τ，称为短距绕组。3.第二节距y2

它是指相串联的两个相邻线圈中，第一个线圈的下层边与相邻的第二个线圈的上层边之间的距离，用虚槽数表示。

4.换向片节距yk线圈的两端所联结的换向片之间距离，用该线圈跨过的换向片数来表示。

5.合成节距y它是指相串联的两个相邻线圈对应的有效边之间的距离，用虚槽数表示。1.2.3单叠绕组单叠绕组是指元件的首端和末端分别接到相邻的两片换向片上，后一个元件叠在前一个元件之上。1.单叠绕组的联结规律单叠绕组的联结规律可用绕组展开图来表示。绕组展开图,是想象把电枢沿轴向剖开展成平面，所见到的绕组图。

绘制展开图的步骤是:第一步:计算绕组的各节距。第二步:画槽、画元件，按顺序编号。第三步:画换向片，按顺序编号。第四步:排列、联结绕组。第五步:放置主磁极。第六步:安放电刷。

［例1-1］已知一台直流电机2p=2，S=K=Zu=8画出单叠绕组展开图。解计算绕组的各节距:极距τ=Zu/2p=8/2=4第一节距y1=Zu/2p=8/2=4合成节距y=yk=1按照上述步骤绘制单叠绕组的展开图，如图1-11所示。

2.单叠绕组的并联支路图并联支路图，就是绕组的电路简图。单叠绕组的瞬时并联支路图如图1-12所示。3.单叠绕组的特点（1）y=yk=1;（2）2a=2p;（3）同一个主磁极下的元件串联在一起组成一个支路，有几个主磁极就有几条支路;（4）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使支路感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势;（5）电枢电流等于各并联支路电流之和。1.2.4单波绕组

1.单波绕组的排列规律（1）单波绕组的节距（2）单波绕组的展开图图1-13是2p=4，Zu=15左行单波短距绕组的展开图。

2.单波绕组并联支路图单波绕组对应的瞬间并联支路图如图1-14所示。

3.单波绕组的特点（1）y=yk=K±1/p;（2）a=1;（3）电枢电动势等于支路感应电动势;（4）正负电刷间电动势最大。1.3.1直流电机的铭牌数据

铭牌数据主要包括:电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和励磁电流、励磁方式、励磁电压、工作方式、绝缘等级等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。

1.直流电机的型号国产电机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为:第一个字符用大写的汉语拼音表示产品系列代号;第二个字符用阿拉伯数字表示设计序号;

1.3直流电机的铭牌数据及主要系列第三个阿拉伯数字是机座中心高;第四个阿拉伯数字表示电枢铁心长度代号;第五个阿拉伯数字表示端盖的代号。例如型号是Z4—200—21的直流电机，Z是系列(即一般用途直流电动机）代号，4是设计序号，200是电机中心高(mm)，21中的2是电枢铁心长度代号，1是端盖的代号。

2.直流电机的额定值

（1）额定功率PN

指在规定的工作条件下，长期运行时的允许输出功率，单位为W。对于发电机来说，是指正负电刷之间输出的电功率;对于电动机，则是指轴上输出的机械功率。

（2）额定电压UN指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压，单位为V。

（3）额定电流IN指在额定情况下，直流发电机输出或直流电动机输入的电流，单位为A。直流发电机的额定电流为IN=PN/UN

直流电动机的额定电流为IN=PN/UNηN

（4）额定效率ηN=PN/P1×100%式中PN—额定（输出）功率;P1—输入功率。

（5）额定转速nN在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速，单位为r/min。

（6）额定励磁电压Uf在额定情况下，励磁绕组所加的电压，单位为V。

（7）额定励磁电流If在额定情况下，通过励磁绕组的电流，单位为A。1.3.2直流电机的主要系列我国直流电机的主要系列有:

（1）Z2系列。一般用途的中小型直流电机。

（2）Z和ZF系列。一般用途的中大型直流电机，其中“Z”为直流电动机系列，“ZF”为直流发电机系列。

（3）ZT系列。用于恒功率且调速范围较宽的宽调速直流发电机。

（4）ZZJ系列。冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机，它具有快速启动和承受较大过载能力的特性。

（5）ZQ系列。电力机车、工矿电机车和蓄电池供电的电车用的直流牵引电动机。

（6）Z—H系列。船舶上各种辅机船用直流电动机。

（7）ZA系列。用于矿井和易爆气体场合的防爆安全型直流电机。

（8）ZU系列。用于龙门刨床的直流电动机。

（9）ZW系列。是无槽直流电动机，在快速响应的伺服系统中作执行元件。

（10）ZLJ系列。是力矩直流电动机，在伺服系统中做执行元件。

（11）BFG系列。是直流三换向片永磁电动机，用于盒式录音机、电动玩具等。2.1直流电机的电枢反应2.2直流电机的电枢电动势和电磁转矩2.3直流电机的换向2.4直流电机的基本方程式2.5直流发电机的运行特性2.6直流电动机的工作特性第2章直流电机的基本理论及运行特性2.1.1直流电机的空载磁场与励磁绕组和电枢绕组相链的磁通称主磁通Φ0。还有一小部分磁通，从磁极出来，经气隙就闭合了，这一小部分磁通,称漏磁通。漏磁通仅为主磁通的15%—20%。主磁通对应主磁路，由气隙、电枢的齿槽部分、电枢磁轭、主磁极、定子磁轭五部分组成。每极磁通量和励磁磁通势间的关系曲线，即直流电机的磁化曲线Φ0=f（Ff0）。2.1直流电机的电枢反应2.1.2直流电机的负载磁场直流电机负载运行时，电枢绕组中便有电流流过，产生电枢磁通势。该磁通势所建立的磁场，称为电枢磁场。

图2-4直流电动机气隙磁场图2-4（c）为合成磁场，它是由主磁场和电枢磁场共同产生的。2.1.3直流电机的电枢反应直流电机在工作过程中，定子主磁极产生主磁场，电枢电流产生电枢磁场，电枢磁场对主磁场的影响叫做电枢反应。

电枢反应发生时，会有两个结果:一是使气隙磁场畸变;二是去磁效应。物理中性线与几何中性线不再重合。发电机的电枢反应结果与电动机类似。2.2.1直流电机的电枢电动势电枢感应电动势为:Ea=(N/2a)2pΦ(n/60)=(pN/60a)Φn=CeΦn式中，Ce是一个常数，称为电动势常数，Ce=pN/60a。2.2.2直流电机的电磁转当电枢绕组中有电流通过时，在气隙磁场作用下将产生电磁转矩Tem。Tem=(pN/2πa)ΦIa=CTΦIa

公式中，CT称为转矩常数，它由电机的结构决定。2.2直流电机的电枢电动势和电磁转矩直流电机运行时，随着电枢和换向器的旋转，电枢绕组的元件将依次地由一个支路转入另一个支路，元件中的电流将改变方向，这个过程称为换向。2.3.1直流电机的换向过程图2-5表示一个单叠绕组的换向过程。电刷不动，绕组和换向片以速度n自右向左运动。2.3直流电机的换向2.3.2影响换向的电磁原因实际上在换向过程中，由于电流的变化，要产生感应电动势，它会影响电流的换向。1.电抗电动势eX2.切割电动势eV由于电抗电动势和切割电动势的存在，它们将在换向元件中产生附加电流Iad。以弧光放电的方式转化成热能，散失在空气中，因而在电刷与换向器之间出现火花。2.3.3改善换向的方法1.安装换向极2.选择合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻2.4.1直流电机的励磁方式励磁绕组获得电流的方式称作励磁方式。直流电机按励磁方式的不同，可分为他励和自励两大类。自励电机，按励磁绕组与电枢绕组联结方式的不同，又可分为并励、串励和复励三种。2.4直流电机的基本方程式2.4.2直流电机的损耗1.机械损耗Pm2.铁损耗PFe

3.铜损耗（1）电枢回路铜损耗Pcua

（2）励磁回路的铜损耗Pcaf4.附加损耗Pad

2.4.3直流发电机的基本方程式下面以并励发电机为例加以讨论。

1.电压平衡方程式U=Ea–Ia/Ra

式中Ia=I+If;I是发电机的输出电流。If=U/（Rf+Rfad）

2.功率平衡方程式P1=Pem+Pm+PFe+Pad=Pem+P0=P2+pcuf+pcua

3.转矩平衡方程式T1=Tem+T0

2.4.4直流电动机的基本方程式

1.电压平衡方程式图2-9并励直流发电机的功率流程图

U=Ea+IaRa

式中，Ra为电枢回路的总电阻，Ia为电枢电流。

2.转矩平衡方程式Tem=TL+T0

3.功率平衡方程式P1=Pem+Pcua

P2=Pem-PFe-Pm-Pad

流电动机的效率:η=P2/P1×100%=P2/(P2+Σp)×100%一般中小型直流电动机的效率在75%～85%之间，大型直流电动机的效率约在85%～94%之间。

［例2-1］一台他励直流电动机的额定数据为:PN=17kW，UN=220V，nN=3000r/min，IN=87.7A，电枢回路总电阻Ra=0.114Ω，忽略电枢反应影响。求:（1）电动机额定负载时的输出转矩。（2）额定电磁转矩。（3）额定效率。解（1）额定输出转矩图2-11他励直流电动机的功率流程图

TN=PN/Ω=9.55PN/nN

=(9.55×17×103)/3000=54.1（N·m）

（2）额定电磁转矩CeΦ=(UN-INRa)/nN

=(220-87.7×0.114)/3000=0.07Tem=9.55CeΦIN=9.55×0.07×87.7=58.63（N·m）

（3）额定效率ηN=PN/P1×100%=PN/UNIN×100%=(17×103)/(220×87.7)=88%直流发电机的运行特性是指直流发电机运行时，端电压U、负载电流I和励磁电流If这三个基本物理量之间的函数关系。2.5.1直流发电机的空载特性

1.直流发电机的空载特性直流发电机的空载特性是指n=nN，负载电流I=0，空载电压与励磁电流之间的关系，即:U0=E0=f（If）2.并励发电机的空载自励过程2.5直流发电机的运行特性2-12他励直流发电机的空载特性并励发电机电压建立的过程，称为自励过程。

并励发电机的自励条件为:（1）直流发电机必须有剩磁。（2）励磁绕组与电枢的联结正确。（3）励磁电路电阻应小于发电机运行转速对应的临界电阻。2.5.2直流发电机的外特性

1.他励直流发电机的外特性他励直流发电机的外特性是指发电机接上负载后，在保持励磁电流不变的情况下，电枢的端电压U随负载电流变化而变化的规律，即n=nN，If=IfN，U=f（I）。如图2-14曲线1所示。是一条略微向下倾斜的曲线。图2-13并励发电机的自励过程

发电机端电压随负载电流变化的程度，通常用电压变化率ΔU%来衡量。ΔU%=(U0-UN)/UN×100%

2.并励直流发电机的外特性

并励直流发电机的外特性是指励磁回路总电阻=常数，端电压U与负载电流I的关系曲线，即U-f（I）。如图2-14中曲线2所示。2.5.3直流发电机的调节特性直流发电机的调节特性是指当n=nN,U=常数时，励磁电流If随负载电流I的变化关系，即If=f（I）。图2-14直流发电机的外特性曲线图2-15他励发电机的调节特性曲线2.6.1他励（并励）直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指U=UN（常数），电枢回路不串入附加电阻，励磁电流是额定值时，电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率η与输出功率P2之间的关系。

1.转速特性n=f（P2）转速特性是一条略微向下倾斜的曲线。

2.转矩特性Tem=f（P2）T2=f（P2）特性曲线是一条过坐标原点的直线。2.6直流电动机的工作特性

图2-16他励电动机工作特性曲线

3.效率特性直流电动机的效率公式为η=P2/P1×100%=(1-ΣP/P1)×100%效率曲线是一条先上升后下降的曲线。他励直流电动机获得最大效率的条件是:p0=pcua

2.6.2串励直流电动机工作特性3.1电力拖动系统的运动方程式3.2工作机构转矩．力．飞轮矩．质量的折算3.3生产机械的负载特性3.4直流电动机的机械特性3.5电力拖动系统的稳定运行条件第3章直流电动机的电力拖动基础3.1.1运动方程式Tem-TL=(GD2/375)·dn/dt

系统的旋转运动分为三种状态:（1）当Tem=TL，dn/dt=0时，系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。（2）当Tem>TL，dn/dt>0时，系统处于加速运行状态，即处于瞬态过程。（3）当Tem<TL，dn/dt<0时，系统处于减速运行状态，也是处于瞬态过程。3.1电力拖动系统的运动方程式3.1.2运动方程式中转矩方向的确定首先选定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速n的正方向。1.电磁转矩Tem与转速n的正方向相同时为正，相反时为负;2.负载转矩TL与转速n的正方向相反时为正，相同时为负;3.惯性转矩(GD2/375)·dn/dt的大小及正、负号由Tem和TL的代数和决定。3.2.1工作机构负载转矩的折算TL=TL’/kη3.2工作机构转矩．力．飞轮矩．质量的折算3.2.2直线工作机构负载力的折算TL=9.55FLvL/nη如果起重机下放重物TL=9.55(FLvL/n)η’3.2.3传动机构与工作机构飞轮矩的折算

图3-1旋转工作机构的电力拖动系

GD2=GD2M+GD21/k21+GD22/（k1·k22

+……+GD2L/k2在实际计算时，可以采用下式来估算系统总的飞轮矩GD2=（1+δ）GD2M

3.2.4直线工作机构运动质量的折算GD2=365GLv2L/n2

图3-2直线工作机构的电力拖动系统

［例3-1］某电力拖动系统如图3-3所示。已知转速比n/n1=5，n1/nL=4，飞轮矩GD2M=20N·m2，GD21=100N·m2，GD2L=800N·m2，工作机构上的静负载转矩TL=4000N·m（阻转矩），每对齿轮的传动效率η1=η2=0.96。求（1）折算到电动机轴上的负载转矩TL;（2）折算到电动机轴上的系统总飞轮矩GD2;（3）对电动机轴列出运动方程式（不计电动机的空载转矩）。图3-3例题3-1

解电动机轴与工作机构轴之间的总转速比:k=（n/n1）·（n1/nL）=5×4=20传动机构的效率η=η1·η2=0.96×0.96=0.92（1）折算到电动机轴上的负载转矩TL=T’L/ηk=4000/(0.92×20)=217（N·m）（2）折算到电动机轴上的总飞轮矩GD2=GD2M+GD21/k21+GD2L（k1·k2）2

=［20+100/52+800/（5×4）2］=26（N·m2）（3）对电动机轴列写运动方程式根据Tem-TL=(GD2/375)·(dn/dt)得Tem-217=(26/375)·(dn/dt)=0.0693dn/dt负载的机械特性也称为负载转矩特性，简称负载特性。生产机械的负载转矩特性基本上可以分为三大类:3.3.1恒转矩负载特性恒转矩负载特性，是指生产机械的负载转矩TL的大小与转速n无关的特性。恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。

1.反抗性恒转矩负载3.3生产机械的负载特性图3-4反抗性恒转矩负载特性

2.位能性恒转矩负载3.3.2恒功率负载特性负载转矩TL与转速n成反比。恒功率负载特性是一条双曲线，如图3-6所示。3.3.3通风机类负载特性负载转矩基本上与转速的平方成正比。这类机械的负载特性是一条抛物线。实际生产机械的负载特性可能是以某种典型为主，或者是几种典型特性的结合。图3-5位能性恒转矩负载特性图3-6恒功率负载特性

图3-7通风机类负载特性

电动机的机械特性是指电动机的转速n与其电磁转矩Tem之间的关系:n=f（Tem）。3.4.1直流电动机机械特性的表达式n=n0-βTem=n0–Δn3.4.2固有机械特性3.4直流电动机的机械特性图3-9他励直流电动机的固有机械持性3.4.3人为机械特性1.电枢回路串接电阻的人为机械特性2.改变电枢电压的人为机械特性3.减弱磁通时的人为机械特性图3-10他励直流电动机电枢回路串电阻人为机械特性图3-11他励直流电动机降压人为机械特性图3-12他励直流电动机减弱磁通人为机械特性3.5.1电力拖动系统的稳定运行设有一电力拖动系统，原来处于某一转速下运行，由于受到外界某种扰动，如负载的突然变化或电网电压的波动等，导致系统的转速发生变化而离开了原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当外界扰动消失后能自动恢复到原来的转速下继续运行，则称该系统是稳定的;如果当外界扰动消失后，系统的转速或是无限制地上升，或是一直下降至零，则称该系统是不稳定的。3.5电力拖动系统的稳定运行条件3.5.2电力拖动系统的稳定运行条件（1）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，即存在Tem=TL;

（2）充分条件:在交点Tem=TL处，满足dTem/dn<dTL/dn。图3-14电力拖动系统稳定运行的条件4.1他励直流电动机的启动4.2他励直流运动机的制动4.3他励直流电动机的调速4.4直流电动机的应用第4章直流电机的电力拖动4.1.1启动过程存在的问题1.大的启动电流2.过大的启动转矩4.1.2直接启动直接启动又称全压启动。直接启动不需要专用启动设备，操作简便，主要缺点是启动电流太大。4.1.3电枢回路串电阻启动4.1他励直流电动机的启动4.1.4降低电枢电压启动

图4-2他励直流电动机电枢串三级启动电阻的启动

图4-3降压启动过程的特性当Tem与n同方向时，为电动运行状态，简称电动状态;当Tem与n方向相反时，为制动运行状态，简称制动状态。制动的方法有机械制动和电气制动两种。4.2.1能耗制动4.2他励直流电动机的制动

图4-4能耗制动接线

图4-5能耗制动的机械特性

能耗制动的优点是:

制动的减速较平稳可靠;控制线路较简单;当转速减至零时制动转矩也减小到零，便于实现准确停车.

其缺点是:

制动转矩随转速下降成正比地减小，影响制动效果。能耗制动适用于不可逆运行、制动减速要求较平稳的情况下。4.2.2反接制动反接制动分为电源反接制动和倒拉反转反接制动两种。

1.电源反接制动图4-6电源反接原理接线2.倒拉反转反接制动可用起重装置来说明。图4-7是电源反接机械特性

图4-8倒拉反接制动原理图4-9倒拉反接制动机械特性

反接制动的优点是:

制动转矩较恒定、制动较强烈、效果好。

其缺点是:需要从电网中吸收大量电能;电源反接制动转速为零时，如不及时切断电源，会自行反向加速。电源反接制动适用于要求迅速反转、较强烈制动的场合;倒拉反转反接制动应用于吊车以较慢的稳定转速下放重物。4.2.3回馈制动图4-10电动机反向回馈制动

回馈制动的优点是:

不需要改接线路即可从电动状态自行转化到制动状态，电能可反馈回电网，简单可靠经济。

其缺点是:制动只能出现在n>n0时，应用范围较小。回馈制动适用于位能负载的稳定速度下放。4.2.4直流电动机的反转一是改变电枢电流的方向;二是改变励磁电流的方向（即改变主磁场的方向）。4.3.1调速性能指标

1.调速范围4.3他励直流电动机的调速D=nmax/nmin

2.调速的平滑性K=ni/ni-1

3.调速的相对稳定性s=ΔnN/n0×100%

4.调速的经济性4.3.2调速方法

1.电枢回路串电阻调速

这种调速方法的特点是:（1）调度的平滑性差;（2）低速时，特性较软，稳定性较差（3）轻载时调速效果不大;

图4-14电枢串电阻调速的机械特性（4）串入的电阻损耗大，效率越低;（5）电动机的转速不宜调节得太低，因此调速范围小，一般D=2～3。但这种调速方法具有设备简单，操作方便的优点，适于作短时调速，在起重和运输牵引装置中得到广泛的应用。

2.减弱磁通调速4-15他励电动机改变磁通调速接线图4-16改变磁通调速机械特性

这种调速方法的优点是:（1）可以用小容量调节电阻，控制简单，调速平滑性较好;（2）投资少，能量损耗小，调速的经济性好。

这种调速方法的主要缺点是:因为正常工作时，磁路已趋饱和，所以只能采取弱磁调速方式，调速范围不广。普通电机D=1.2～2，特殊设计D可达到3～4。

3.降低电枢电压调速图4-17改变电枢电压的机械特性

降压调速的特点是:（1）可以实现无级调速，平滑性很好;（2）由于机械特性斜率不变，相对稳定性较好;（3）调速范围较广;（4）调速过程能量损耗较小;（5）需专用电源，设备投资较大。为了扩大调速范围，常常把降压和弱磁两种调速方法结合起来。4.4直流电动机的应用5.1变压器的基本原理和结构及其额定值5.2单相变压器的空载运行和负载运行5.3变压器的参数测定5.4三相变压器5.5变压器的应用第5章变压器5.1.1变压器的主要用途

1.变压器的作用它的作用是将一种电压等级的交流电能转换成另一种电压等级的交流电能。

2.变压器的分类

（1）按用途，变压器可分为:电力变压器（包括升压变压器、降压变压器、配电变压器等）、仪用互感器（电压互感器和电流互感器）和特种变压器（调压变压器、电炉变压器、电焊变压器、整流变压器等）。（2）按相数可分为:单相变压器和三相变压器。5.1变压器的基本原理和结构及其额定值

（3）按绕组的个数可分为:自耦变压器、双绕组变压器、三绕组变压器、多绕组变压器。

（4）按铁心结构，可分为:心式变压器和壳式变压器。

（5）按冷却介质和冷却方式可分为:干式（空气冷却）变压器、油浸式变压器（包括油浸自冷式、油浸风冷式、油浸强迫油循环式等）和充气式冷却变压器。5.1.2变压器的工作原理5.1.3变压器的基本结构1.铁心2.绕组3.绝缘套管图5-1变压器工作原理示意图

图5-2油浸式电力变压器的外形图

4.油箱及变压器油5.保护装置（1）储油柜（2）吸湿器（3）气体继电器和安全气道（4）散热器5.1.4变压器的铭牌1.变压器的额定容量SN。是指变压器在额定运行时输出的视在功率。

2.变压器的额定电压U1N/U2N。是指变压器在空载状态下一次侧允许的电压和二次侧测得的电压。

3.变压器的额定电流I1N/I2N。变压器在额定容量下，一次侧和二次侧绕组允许长期通过的电流。

4.变压器的额定频率fN。变压器电压或电流每秒交变的次数，我国规定工业用电的标准频率为50Hz。

［例5-1］一台三相双绕组变压器，额定数据SN=750kV·A，U1N/U2N=6000/400V。求变压器一次侧和二次侧绕组的额定电流。解I1N=SN/√3U1N=750×103/√3×6000=72.17（A）I2N=SN/√3U2N=750×103/√3×400=1082.56（A）变压器的空载运行是指变压器一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧开路时的运行状态。

1.正方向的规定正方向就是先规定一个参考方向。5.2单相变压器的空载运行和负载运行（1）在负载支路（变压器的一次侧对电源而言相当于负载），电流的正方向与电压降的正方向一致;在电源支路（变压器的二次侧对负载而言相当于电源），电流的正方向与电动势的正方向一致。（2）磁通的正方向与产生它的电流的正方向符合右手螺旋定则。（3）感应电动势的正方向与产生它的磁通的正方向符合右手螺旋定则。

2.空载运行的电磁关系（1）主磁通和漏磁通主磁通占总磁通的绝大部分，而漏磁通只大约占主磁通的1%。

图5-11单相变压器的空载运行

（2）感应电动势与电压比设主磁通Φ=Φmsinωt各感应电动势的有效值为E1=ωN1Φm/√2=2πf1N1Φm/√2=4.44f1N1Φm

E2=ωN2Φm/√2=2πf1N2Φm/√2=4.44f1N2Φm

E1σ=ωN1Φ1σm/√2=2πf1N1Φ1σm/√2=4.44f1N1Φ1σm

一、二次绕组电动势之比称为电压比，用k表示k=E1/E2=N1/N2

3.空载运行的电动势平衡方程U1=-E1-E1σ+I0r1=-E1+I0（r1+jx1）=-E1+I0Z14.空载运行的等效电路U1=-E1+I0Z1=I0（rm+jxm）+I0（r1+jx1）5.2.2单相变压器的负载运行变压器的负载运行，是指变压器的一次侧接在额定频率、额定电压的交流电源上，二次侧接负载时的运行状态。

1.负载运行的磁通势平衡方程I1=I0+I2（-N2/N1）=I0+I2（-1/k）图5-12变压器空载时的等效电路图5-13单相变压器的负载运行

2.负载运行的电动势平衡方程

（1）一次绕组的电动势方程式

U1=-E1-E1σ+I1r1=-E1+I1（r1+jx1）=-E1+I1Z1

（2）二次绕组的电动势方程式U2=-E2-E2σ+I2r2=-E2+I2（r2+jx2）=-E2+I2Z2

（3）负载运行时变压器的基本方程式U1=-E1+I1Z1U2=-E2+I2Z2I1=I0+(-I2/k）k=E1/E2

-E1=I0ZmU2=I2ZL3.变压器的参数折算（1）变压器折算的目的（2）变压器折算的方法①二次电动势、电压的折算E’2=kE2

同理U’2=kU2图5-14变压器一、二次侧等效电路

②二次电流的折算I’2=(N2/N1)I2=I2/k③二次阻抗的折算r’2=（I2/I’2）2r2=k2r2

x’2=（I2/I’2）2x2=k2x2④二次负载阻抗的折算ZL=k2ZL

4.变压器负载时的等效电路图5-15变压器的T型等效电路图5-16变压器的近似等效电路5.3.1空载试验空载试验的目的是测出空载电流I0、空载电压U0和空载损耗P0，并计算出电压比k和励磁阻抗Zm。变压器空载时的总阻抗为|Z0|=|Z1+Zm|=U1N/I0

k=U20/U1N

5.3.2短路试验短路试验的目的是测量短路电流IK、短路损耗PK和短路电压UK，并计算变压器的短路阻抗ZK。5.3变压器的参数测定图5-18空载试验原理接线图

|Zk|=UK/IK

rk=PK/I2k

Xk=√Z2K-R2k

对于T形等效电路，可以认为:r1≈r’2=rK/2，x1≈x’2=xK/2。根据国家标准规定，油浸电力变压器和电机的绕组应换算为75°下的数值。rK75°=(234.5+75°)/(234.5+θ)rK

在75℃时的短路阻抗为|ZK75°|=√r2K75°+r2K

UK75°=I1N|ZK75°|/U1N×100%图5-19短路试验原理线图

5.4.1三相变压器的磁路系统

1.三相变压器组的磁路系统

5.4三相变压器图5-20三相变压器组的磁路系统

2.三相心式变压器的磁路系统5.4.2三相变压器的电路系统（联结组别）

1.三相变压器的绕组联结（1）三相绕组的端点标识

对于三相变压器而言，绕组的标识为:A、B、C表示三相高压绕组的首端;图5-21三相心式变压器磁路系统X、Y、Z表示三相高压绕组的末端;x、y、z表示三相低压绕组的首端;a、b、c表示三相低压绕组的末端;N、n表示星形联结的高压和低压绕组的中性点。（2）三相绕组的联结法①星形联结②三角形联结图5-22星形联结

图5-23三角形联结

2.三相变压器的联结组标号

（1）三相变压器的联结组三相变压器高、低压侧的联结方式有Y,y;Y,d;D,d;D,y四种。逗号前面字母表示高压侧的联结方式，逗号后面字母表示低压侧的联结方式，绕组的联结方式就是变压器的联结组。

（2）三相变压器的联结组别①Y，y0联结

图5-24Y，y0联结组②Y，d联结Y，d联结的三相变压器有1、3、5、7、9、11六种奇数组号的联结组。

（3）三相变压器的标准联结组国家对变压器的联结组作了统一规定，规定Y，yn0;Y，d11;YN，d11;YN，y0;Y，y0五种作为三相双绕组电力变压器的标准联结组。

最常用的联结组标号有三种:图5-25Y，d11联结组

①Y，yn0:主要用于配电线路中，高压侧电压不超过35kV,低压侧电压低于400V，由于低压侧有中性线，因此低压侧还可提供单相电压200V。

②Y，d11:用于高压侧电压不超过35kV，低压侧电压超过400V的配电线路中。

③YN，d11:用于110kV及以上高压输电线路。可为高压侧电力系统的中性点接地提供条件。5.5.1整流变压器

1.整流变压器的作用5.5变压器的应用整流变压器主要用作硅整流设备的电源变压器，它将电源电压变换成整流器所需要的交流电压，还可以将三相交流系统变换为多相系统，以减小整流器输出直流电压脉动的作用。

2.整流变压器的特点（1）一、二次绕组的视在功率不相等，而且二次视在功率大于一次视在功率。（2）由于阻抗大，其外形较短胖，并且绕组和铁心的机械强度也大。（3）有特殊的绕组联结组及补偿装置。（4）效率较低。3.整流变压器的分类4.整流变压器的运行原理图5-26单相半波不可控整流电路5.5.2电焊变压器电焊变压器又称焊接用变压器。对电焊变压器有几点要求:（1）电焊变压器应具有60～70V空载电压，以保证容易起弧.（2）焊接电流要求能够调节大小。（3）电焊变压器应有迅速下降的外特性。（4）短路电流要大小适宜。图5-28电焊变压器的原理接线图

5.5.3自耦变压器1.自耦变压器的结构特点

2.自耦变压器的主要优缺点和用途降低成本，减少变压器的体积、重量，且有利于大型变压器的运输和安装。并且内部铜损耗和铁损耗小，提高了效率。图5-29自耦变压器自耦变压器的缺点是由于一、二次绕组之间有电的联系，当高压侧发生电气故障将直接涉及到低压侧，因此变压器内部绝缘与过电压保护措施要加强。自耦变压器不能作为安全照明变压器使用。在高电压、大容量的输电系统中，自耦变压器主要用来联结两个电压等级相近的电力网，作联络变压器。在实验室中采用二次侧带滑动接触的自耦变压器用作调压器。此外，自耦变压器还可用作异步电动机的启动补偿器。

3.自耦变压器的基本方程式

（1）电压关系U1a≈E1=4.44fN1ΦmU2a≈E2=4.44fN2Φmk=E1/E2=N1/N2

（2）电流关系I2=I1a+I2a=（-1/k）I2a+I2a=(1–I/k)I2a

（3）自耦变S2=U2aI2a=U2a（I2+I1a）=U2aI2+U2aI1a

4.使用应注意的问题（1）在电网中运行的自耦变压器，中性点必须可靠接地。（2）一次侧、二次侧需加装避雷装置。（3）自耦变压器短路保护措施的要求比双绕组变压器要高,要有限制短路电流的措施。（4）使用三相自耦变压器时，通常增加一个三角形联结的附加绕组，用来抵消三次谐波。5.5.4仪用互感器1.电压互感器

使用电压互感器需注意以下事项:（1）使用电压互感器时二次侧不允许短路。（2）二次绕组和铁心应可靠接地，保证测量人员的安全。

2.电流互感器

使用电流互感器需注意以下事项:（1）使用电流互感器时不允许二次侧开路。（2）二次绕组和铁心应可靠接地，保证测量人员的安全。图5-31电流互感器原理图

图5-30电压互感器原理图6.1交流绕组的基本知识6.2三相单层绕组及双层绕组6.3交流绕组的电动势6.4交流绕组的磁通势第6章交流电机的绕组6.1.1交流电机的主要型式1.同步电机2.异步电机6.1.2交流电机绕组的基本要求和分类1.对交流绕组的基本要求（1）三相绕组必须对称。（2）线圈的组成应遵循电动势相加的原则，以获得尽可能大的线圈电动势和磁通势。（3）波形好。6.1交流绕组的基本知识

（4）有足够的机械强度和绝缘强度，散热条件好。（5）制造简单、节省材料、工艺性好、维修方便。

2.交流绕组的分类（1）按相数可分为单相绕组和多相绕组。（2）按槽内层数可分为单层绕组和多层绕组。（3）按每极每相槽数可分为整数槽绕组和分数槽绕组。6.1.3交流绕组的几个基本术语

1.极距τ相邻磁极轴线之间沿定子内圆表面跨过的距离称为极距，用τ表示。τ=Z/2p

2.电角度电角度=p×机械角度

3.槽距角αα=(p×360°)/Z

4.线圈（元件）线圈是构成交流绕组的基本单元。

5.线圈节距y1（第一节距）一个线圈的两个有效边所间隔的距离称为线圈节距，用槽数表示。线圈节距等于极距（y1=τ）的绕组称为整距绕组;线圈节距大于极距（y1>τ）的绕组称为长距绕组;线圈节距小于极距（y1<τ）的绕组称为短距绕组。

6.每极每相槽数q每个磁极下每相绕组有效边所占有的槽数，称为每极每相槽数，用q表示。q=Z/2mp

7.相带每一磁极下，每相绕组所占有的电角度称为绕组的相带。图6-1相带分布情况6.2.1三相单层绕组单层绕组的每个槽内只放置一个线圈边，整台电机的线圈总数等于定子槽数的一半。

1.三相单层同心式绕组同心式绕组是由几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。现以一台三相单层绕组，定子槽数Z=24，磁极数2p=2，每相支路数2a=2的三相交流电机为例。6.2三相单层绕组及双层绕组图6-2三相单层同心式绕组展开图（A相）2.三相单层链式绕组单层链式绕组是由形状、几何尺寸和节距都相同的线圈构成，每个线圈都像链条上的一个个环，故称为链式绕组。以定子槽数为24，磁极数为4，每相支路数为1的三相异步电动机定子绕组为例。

图6-3三相单层链式绕组展开图（A相）

3.三相单层交叉式绕组由两组大小线圈交叉布置，故称交叉式绕组。以一台Z=36，2p=4，2a=2的三相交流电机为例。图6-4三相单层交叉式绕组展开图（A相）

单层绕组的优点是:工艺简单，制造较容易;下线方便，槽的利用率比较高，不会在槽内发生层间或相间绝缘击穿故障。

单层绕组的缺点是:故槽漏抗较大;不能通过选择节距来抑制电动势和磁通势中的高次谐波，电磁性能较差。单层绕组广泛应用于10kW以下的小型异步电动机中。6.2.2三相双层绕组双层绕组的每个槽内放置两个线圈边，分上下两层嵌放，中间用层间绝缘隔开。以一台定子槽数Z=36，磁极数2P=4，每相支路数2a=2的三相交流电机为例。

双层绕组的优点是:

所有线圈尺寸相同，有利于绕制;图6-5三相双层叠绕组A相展开图（a=1）有利于散热;绕组节距可以合理灵活地选择;可以得到较多的并联支路数。

双层绕组的缺点是:嵌线工艺复杂，下线较困难;线圈组间连线较长，不经济;降低了槽的利用率;短距时，存在相间绝缘击穿的可能性。三相双层绕组广泛应用于10kW以上的同步电机和大中型异步电动机中。6.3.1线圈的感应电动势及短距系数

1.导体的电动势气隙中离坐标原点处的磁通密度的表达式为Bx=Bmsinα6.3交流绕组的电动势图6-6交流发电机模型

图6-7导体的电动势

（1）电动势频率f1=pn/60

（2）电动势的大小e=Bxlv=Bmlvsinα=Emsinωt有效值Ec1=(Bl/√2)×(2pτ/60)n=(π/√2)f1Φ1=2.22f1Φ1

2.整距线圈的电动势整距线圈的电动势的有效值为Eyl（y1=τ）=4.44f1NcΦ1

3.短距线圈的电动势图6-8整距线圈电动势

短距线圈电动势的有效值为Eyl（y1<τ）=4.44f1Ncky1Φ16.3.2线圈组的感应电动势及分布系数短矩分布线圈基波电动势的有效值为Eql=4.44f1qNcky1kq1Φ1

=4.44f1qNcKwlΦ1

图6-9短距线圈电动势

图6-10线圈组的电动势6.3.3单相绕组的感应电动势

1.一相绕组的电动势一相绕组基波电动势有效值的公式均可表示为Ep1=4.44f1N1kw1Φ12.三相绕组的电动势6.3.4短距、分布绕组对电动势波形的影响

1.采用短距绕组将节距缩短(1/υ)τ，即可完全消除v次谐波电动势。

2.采用分布绕组交流电机的定子绕组采用分布绕组，同样可以起到削弱高次谐波的作用。6.4.1单相绕组的磁通势（脉振磁通势）

1.整距线圈的磁通势（1）磁通势的空间分布6.4交流绕组的磁通势

图6-11整距线圈产生的磁通势整距线圈的每极磁通势方程式为fc（x，t）=(1/2)icNc

=(√2/2)IcNcsinωt=Fcmsinωt这种空间位置固定不动而大小和极性随电流交变的磁通势和磁场,称为脉振磁通势和脉振磁场。（2）矩形波磁通势的分解整距线圈每极磁通势瞬时值的表达式为fc（x，t）=0.9INc（cos(π/τ)x-1/3cos3(π/τ)x+1/5cos5(π/τ)x+…）sinωt图6-12矩形波磁通势分解成基波及谐波分量2.线圈组的磁通势（1）整距分布线圈组的磁通势整距分布线圈组的基波磁通势为Fqm1=qFcm1kq1=0.9（qINc）kq1（2）短距分布线圈组的磁通势短距分布线圈组的基波磁通势的最大幅值为Fym1=0.9（2qINc）kq1ky1=0.9（2qINc）kw1

3.单相绕组的磁通势相绕组每极磁通势的瞬时值表达式为fp1（x，t）=Fpm1sinωtcos(π/τ)x6.4.2三相绕组的磁通势（旋转磁通势）

1.数学分析法三相绕组的基波合成磁通势为f1（x，t）=fA1（x，t）+fB1（x，t）+fC1（x，t）=3/2Fpm1sin（ωt-(π/τ)x）=F1sin（ωt-(π/τ)x）2.矢量合成法图6-13三相对称交流电流的波形图6-14三相基波合成旋转磁通势的产生7.1三相异步电动机的基本工作原理及结构7.2三相异步电动机的运行7.3三相异步电动机的参数测定7.4三相异步电动机的功率和转矩7.5三相异步电动机的工作特性第7章三相异步电动机7.1.1三相异步电动机的基本工作原理

1.基本特点及用途2.异步电动机的主要分类3.三相异步电动机的工作原理当三相对称定子绕组接于三相对称电源，流过三相对称电流时，在气隙中产生旋转磁场，切割转子导体，根据电磁感应定律，转子导体中将有感应电动势产生，闭合的转子绕组中便有电流流过。根据电磁力定律，载流的转子绕组在气隙旋转磁场中将受到电磁力作用，所有转子导体受到的电磁力形成电磁转矩，使转子以转速n随着定子旋转磁场旋转。7.1三相异步电动机的基本工作原理及结构转差率ss=(n1–n)/n1

4.三相异步电动机的三种运行状态（1）电动运行状态（2）发电运行状态（3）电磁制动运行状态图7-1异步电动机工作原理示意图图7-2异步电机的三种运行状态7.1.2三相异步电动机的结构

1.定子（1）定子铁心（2）定子绕组（3）机座

2.转子（1）转子铁心（2）转子绕组

3.气隙图7-3三相鼠笼式异步电动机的结构图7.1.3三相异步电动机的铭牌及主要系列

1.铭牌

（1）额定功率PNPN=√3UNINηNcosφN

（2）额定电压UN指电动机额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压值，单位为V或kV。

（3）额定电流IN指电动机外加额定频率、额定电压、轴上输出额定功率时流入定子绕组的线电流，单位为A或kA。

（4）额定频率fN指在额定状态下运行时，电机定子侧电压的频率，我国工业电网标准频率为50Hz。

（5）额定转速nN指电动机在额定电压、额定频率和额定负载下的转子转速，单位是r/min。

（6）额定功率因数cosφN指电动机在额定运行时定子电路的功率因数。

（7）定子接线接线是指在额定运行时，三相异步电动机定子三相绕组有星形或三角形联结两种。具体采用哪种接线，视额定电压和电源电压的配合情况而定，取决于相绕组能承受220V的电压设计值。铭牌上还标明绝缘等级、定子绕组相数、额定效率、额定温升、防护型式、重量和生产日期等。

2.异步电动机的主要系列新系列主要为Y系列。我国三相异步电动机型号主要由产品代号和规格代号组成.现以Y系列异步电动机为例，对型号予以说明。

中小型三相异步电动机

Y500-2-4规格代号：表示中心高500mm．短机座．4磁极产品代号：表示三相异步电动机

表7-1系列产品的规格代号序号系列产品规格代号1中小型异步电动机中心高（mm）-机座长度（字母代号）-铁心长度（数字代号）-极数2大型异步电动机功率（kW）-极数/定子铁心外径（mm）

大型三相异步电动机

我国生产的异步电动机主要产品系列有:

（1）Y系列:一般用途的鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机.

（2）YR系列:三相绕线式异步电动机。一般用在电源容量小，不能用同容量笼型异步电动机启动的生产机械上。

（3）YD系列:变极多速三相异步电动机。

（4）YDT系列:通风机用多速三相异步电动机。

（5）YB系列:防爆式笼型异步电动机。

（6）YTD系列:电梯用多速三相异步电动机。Y630-10/1180规格代号：表示功率630ＫＷ．10极．定子铁心外径1180mm产品代号：表示三相异步电动机

（7）YZ系列:起重和冶金用三相鼠笼式异步电动机。

（8）YZR系列:起重和冶金用三相绕线式异步电动机。

（9）YQ系列:高启动转矩的三相异步电动机。用在启动静止负载或惯性负载较大的机械上。如压缩机、粉碎机等。

（10）YCT系列:电磁调速异步电动机。主要用于纺织、印染、化工、造纸、船舶及要求变速的机械上。7.2.1转子静止时三相异步电动机的运行

1.主磁通和漏磁通2.转子静止时的电磁关系（1）主、漏磁通感应的电动势7.2三相异步电动机的运行E1=4.44f1N1kw1Φm