电机学基础知识●

电机学基础知识● 第1章 电机学基础知识 1.1 基本要求 1. 了解电机的基本分类。 2. 了解磁场的基本物理量。 3. 掌握磁路的分析方法。 4. 掌握电机学的基本定律:全电流定律、电磁感应定律和电磁力定律。 5. 理解电机的可逆性原理。 6. 了解电机的主要制造材料，掌握铁磁材料的重要特性。 1.2 学习指导 1(电机的分类 电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置，在现代社会中起着重要的作用。按照电机的结构特点及电源性质不同，电机分类如图1-1所示。 变压器(静止电机) 电机直流电机 同步电机旋转电机 交流电机 异步电机 图1-1 电机的分类 2(电机中的电与磁 电机是通过电磁感应原理来实现能量变换的，电和磁是构成电机的两大要素，二者缺一不可。电在电机中主要是以路的形式出现，即由电机内的绕组构成电机的电路。磁在电机中是以场的形式存在的。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征磁场强弱的物理量是磁感应强度B，磁场中各点的磁感应强度可以用磁感线的疏密程度来表示，应注意磁感线是人为地设想出来、画出来的，并非磁场中真的有这种线存在。 , 穿过某一截面A的磁感应强度B的通量称为磁通量，简称磁通，用表示，定义为 ,,BdA ,A 磁场强度H是进行磁场计算时引进的一个辅助物理量，在各向同性介质中，它与磁感应强度B之间有如下关系: B,,H 在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 分析计算中，常将磁场简化为磁路来简化电机的分析与设计。电路和磁路的类比见表1-1。 表1-1 电路与磁路的类比 电路 磁路 ,电流I 磁通 电流密度J 磁通密度B 电动势E 磁动势F ll电阻 R,,磁阻R ,Am,A EF电阻欧姆定律 I,磁阻欧姆定律 ,,RRm 但是，必须指出，电路和磁路只是形式上相似，二者在本质上是有区别的，主要体现在以下方面: 1) 在电路中有真正的带电粒子作定向运动，而在磁路中却没有任何粒子沿着闭合回路流动。 2) 对电来讲，存在电的导体和绝缘体，电流集中在导体中通过，但是并不存在磁的导体和绝缘体。因此，磁路概念并不像电路概念那样简明。 3(电机学的基本定律 安培环路定律、电磁感应定律和电磁力定律是分析电机的基本定律，可逆性原理是电机中的普遍规律，简要回顾如下: (1) 安培环路定律 (全电流定律) 在磁场中，磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分，等于该闭合路径所包围的电流的代数和，即 Hdl,,i ,l 式中，?i为全电流(传导电流和位移电流)的代数和。 当电流的方向与闭合线上磁场强度的方向满足右手螺旋规律时，电流取正值，否则取负值。 (2) 电磁感应定律 ,,N,设有一匝数为N的线圈位于磁场中，当与线圈交链的磁链发生变化时，线圈中将有感应电动势产生。感应电动势的数值与线圈所匝链的磁链的变化率成正比。如果感应电动势的正方向与磁通的正方向符合右手螺旋关系，则感应电动势为 d,d,e,,,,N dtdt 式中，负号含义是线圈中的感应电动势倾向于阻止线圈内磁链的变化。 (3) 电磁力定律 位于磁场中的载流导体受到磁场力的作用，该力称为电磁力。如果磁场与载流导体相互垂直，则作用在导体上的电磁力为 f,Bli (4) 电机的可逆性原理 电机可逆性原理说明，发电机和电动机只是一种电机的两种不同运行方式而已。实际上，某些电机常称为发电机(或电动机)，这说明该类电机作为发电机 (或电动机) 运行时性能较好，而不是说只能用作发电机(或电动机)。 4(电机的制造材料 各种电机虽然结构不同，但都是由导电回路(包括定子回路和转子回路)和导磁回路组成的，电磁系统用绝缘材料分隔开，并利用各种结构零件组合在一起。因此，电机的制造材料主 要为导电材料、导磁材料、绝缘材料以及结构材料四大类。此外还有散热、冷却、润滑等材料。 铁磁材料(铁族元素及其合金)是良好的导磁材料，工程上用铁磁材料来构成电机和变压器的主磁路。铁磁材料具有高导磁性、磁饱和特性和磁滞特性。 铁磁材料在交变磁场作用下反复磁化时，内部磁畴不停翻转和摩擦会产生磁滞损耗;由于铁心既是导磁体又是导电体，交变磁场在铁心中感应的电动势将在铁心中引起涡流，从而在铁心中产生涡流损耗。磁滞损耗和涡流损耗统称为铁耗。电机和变压器采用各种电工钢片(俗称硅钢片)叠成铁心，就是为了减小铁耗。 绝缘材料在电机中的作用是把导电部分(如铜线)与不导电部分(如铁心)隔开，或把不同电位的导体隔开(如相间绝缘、匝间绝缘)。在热的作用下，绝缘材料会逐渐老化，即逐渐丧失其机械强度和绝缘性能。为了保证电机能在一定的年限内可靠运行，对绝缘材料都规定了容许工作温度。绝缘材料可分为Y、A、E、B、F、H、C七级，其中Y级绝缘已基本淘汰，各级绝缘的允许工作温度和主要材料见表1-2。 表1-2 绝缘材料的等级 绝缘等级 Y A E B F H C 允许工作温度/? 90 105 120 130 155 180 >180 第2章 直流电机 2.1 基本要求 1. 了解直流电机的基本结构和励磁方式，掌握其额定值。 2. 掌握直流电机的工作原理。 3. 理解直流电机的电枢反应，了解电枢反应对换向的影响和改善换向的措施。 4. 掌握直流电机的电动势和电磁转矩。 5. 掌握他励和并励直流电动机的基本方程式和工作特性，理解电动机的功率流程图。 6. 理解串励和复励直流电动机的工作特性。 7. 掌握他励直流发电机的基本方程式和工作特性，理解发电机的功率流程图。 8. 理解并励直流发电机的自励过程与外特性。 2.2 学习指导 1(直流电机的工作原理、基本组成和额定值 直流电机按其能量转换方向的不同分为直流发电机和直流电动机，两者之间具有可逆性。 对于直流电动机，当给电枢绕组通入直流电流时，通过电刷和换向器转换为交变电流，使处于主极磁场中绕组的线圈始终受到相同方向电磁转矩的作用，保证了电动机连续转动，从而实现电能到机械能的转换。对于直流发电机，当原动机拖动电枢转动时，电枢绕组的线圈切割主极磁场而产生交变感应电动势，再通过电刷和换向器转换为直流电动势，由电枢绕组输出直流电流，从而实现机械能到电能的转换。 直流电机主要由定子和转子两大部分组成。其基本组成如图2-1所示 主极铁心 主磁极 励磁绕组 换向极 定子 电刷 机座 直流电机 端盖 电枢铁心 转子(电枢) 电枢绕组 换向器 图2-1 直流电机的基本组成 转子称为电枢，它是能量转换的枢纽。电枢绕组构成了直流电机的主要电路，它是由很多元件按一定规律连接起来的闭合绕组。按元件的连接方式和端接形状分类，电枢绕组主要有叠绕组和波绕组两大类。换向器是直流电机所特有的部件，与电刷配合，实现电枢绕组端部的直流电流与电枢绕组内部的交变电流之间的转换，即在直流电动机中起到了“逆变器”的作用，在直流发电机中起到了“整流器”的作用。 直流电机的额定值主要有额定电压、额定电流、额定功率和额定转速等。值得注意的是，各种电机的额定功率均是指输出功率的额定值。对于电动机，额定功率即为轴上输出的额定机械功率;对于发电机，额定功率即为输出的额定电功率。 直流发电机按励磁方式可分为自励和他励两大类，其中，自励又可分为并励、串励和复励3种。直流电动机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励4种。 2(直流电机的磁场和电枢反应 磁场是电机实现机电能量转换的耦合场。磁场能量主要储存在直流电机定、转子之间的气隙中。因此，气隙磁场的分布直接关系到感应电动势的产生和机电能量的转换。直流电机空载时，气隙磁场是由主极励磁磁动势单独产生，在几何中性线处径向磁通密度为零。直流电机负载时，气隙磁场是由主极励磁磁动势和电枢磁动势共同产生，几何中性线处径向磁通密度不为零，电枢表面径向磁通密度为零的连线物理中性线偏离了几何中性线一定的角度，即气隙磁场相对空载时发生了畸变，并使每极下的磁通量有所削弱。这就是直流电机的电枢反应。当电机负载发生变化时，电枢磁动势就会发生相应变化，电枢反应的轻重就会有所不同。 直流电机的电枢反应会对电机的换向造成不利影响。所谓换向是指电枢元件从一条支路转换到另一条支路时，元件中电流改变方向的过程。当电枢反应使气隙磁场发生畸变后，会在换向元件中产生感应电动势，该电动势阻碍电流变化(另外，还有元件本身具有的电感也阻碍电流变化)，由此导致换向延迟，引起换向火花，严重时将烧坏电刷和换向器。可以通过加装换向极和移动电刷来改善换向。 3(直流电机的感应电动势和电磁转矩 EIE,C,naT直流电机的电枢旋转时，电枢绕组中将产生感应电动势E，其值为，即为 Pe机电能量相互转换的电磁功率。在直流电动机中，E为反电动势;在直流发电机中，E为电源电动势。 T,C,ITT,eeTae电枢电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩，其值为。也是标志着机 P,EI,T,PTeeaee电能量相互转换的电磁功率，因此有关系。在直流电动机中，为拖动性 Te质的转矩，在直流发电机中，为制动性质的转矩。 4(直流电动机的基本方程式和工作特性 在规定正方向的前提下，他励直流电动机的基本方程式为 U,E，RIaa电压平衡方程: T,T，Te20转矩平衡方程: P,P，P,P，P，P,P，P，P，P，P1CueCu02CufwFead2功率平衡方程: 直流电动机的基本方程式综合反映了电机内部的电磁关系和机电过程。运用这些基本方程式，可以分析其工作特性和机械特性(机械特性见第8章)。值得注意的是，对于不同的励磁方 PCu式，电压平衡方程式是不同的，而转矩平衡方程式和功率平衡方程式基本不变(只有内涵不同)。 直流电动机的工作特性包括: ，，n,fIa转速特性: ，，T,fIea转矩特性: ，，,,fIa效率特性: 不同励磁方式的电动机其工作特性有很大的差异，测试工作特性的条件也不尽相同。他 励和并励直流电动机具有略微下倾的转速特性，电磁转矩与电枢电流呈线性关系。串励直流 电动机的转速随电枢电流的增加下降很快，电磁转矩近似与电枢电流的平方成正比，具有起 动转矩大、过载能力强、不能轻载和空载的特点。复励直流电动机的转速特性介于并励与串 励之间。 5(直流发电机的基本方程式和工作特性 在规定正方向的前提下，他励直流发电机的基本方程式为 E,U，RIaa电压平衡方程: T,T，T1e0转矩平衡方程: P,P，P,P，P，P,P，P，P，P，P10e0Cu2fwFeadCu2功率平衡方程: 直流发电机的基本方程式综合反映了电机内部的电磁关系和机电过程，根据基本方程 ，，U,fI，，U,fI0fa式，可以分析其工作特性。直流发电机的工作特性有空载特性、外特性 ，，I,fIfa和调整特性。注意区分各种工作特性的测试条件。 他励直流发电机的空载特性曲线就是电机的磁化特性曲线，其外特性是一条稍微下倾的 直线，电压调整率约为(5—10),。并励直流发电机是一种自励发电机，其自励发电必须满足 以下3个条件:?有剩磁;?励磁电流所产生的磁场与剩余磁场方向相同;?励磁回路的电阻小于临界电阻。由于是自励发电，并励直流发电机的电压调整率大于他励直流发电机，约为20,;且具有拐弯的外特性，其短路电流值较小。 第3章 变压器 3.1 基本要求 1(了解变压器的基本结构和主要种类，掌握变压器额定值的定义及其相互关系。 2(掌握变压器的工作原理，理解变压器的电磁关系，特别是磁动势平衡方程的意义。 3(掌握变压器绕组的折算方法和等效电路，熟练使用等效电路和基本方程式分析变压器的相关问题，掌握相量图的画法。 4(了解标幺值的定义，基本掌握使用标幺值分析问题的方法。 5(掌握变压器参数的测定方法。 6(掌握变压器的运行特性，理解变压器的参数对运行特性的影响，掌握电压调整率和效率的计算方法。 7(了解三相变压器联结组的表示方法及其判断方法。 8(掌握变压器理想并联运行的条件，理解联结组、电压比和短路阻抗的标幺值对变压器并联运行的影响。 9(了解自耦变压器的工作原理和特点。 10(了解三绕组变压器的工作原理和用途。 11(了解电压互感器和电流互感器的工作原理和使用注意事项。 3.2 学习指导 变压器是一种静止的电磁装置(或称为静止的电机)，它利用电磁感应作用将一种等级的交流电压和电流转换成同频率的另一种等级的交流电压和电流，即利用电磁感应实现了能量或信号的传递。因为交流电机的工作原理也是建立在电磁感应基础上的，故变压器的分析方法、基本结论均可以推广应用到交流电机(特别是异步电机)中。因此，熟练掌握变压器的基本理论知识，将为学习交流电机打下坚实的基础。 1(变压器的基本组成、分类与额定值 变压器的基本组成如图3-1所示。 铁心柱 铁心 铁轭 一次绕组 绕组 变压器 二次绕组 油箱、储油柜、散热器 其他 绝缘套管、继电保护装置 图3-1 变压器的基本组成 变压器的主要分类方式有:按用途不同分类、按相数不同分类、按每相绕组的个数不同分类、按冷却方式不同分类以及按结构型式不同分类。 变压器的额定值有额定容量、额定电压、额定电流、额定频率和额定温升等。主要额定值都标注在变压器的铭牌上。 2(变压器的分析方法与基本方程式 在变压器中，磁场是能量传递(或转换)的桥梁，由于铁心的高导磁性，变压器的磁通绝大部分都集中在铁心内，这部分磁通称为变压器的主磁通或工作磁通，极少部分的磁通分布在铁心以外(经过变压器油和空气等)，这部分磁通称为变压器的漏磁通。两种磁通的磁路具有不同性质。漏磁通的磁路是线性的，不受铁心饱和的影响，用常值参数漏电抗来表征;主磁通的磁路为非线性的，引入励磁阻抗反映其对电路的影响。考虑到变压器工作时主磁通基本不变，故励磁阻抗也可近似当作常值参数处理(线性化)。于是，用阻抗压降代表交变磁场在电路中产生的感应电动势，从而把电与磁混杂的复杂问题简化成了单纯的电路问题，这是分析变压器的基本思想，也是分析所有电机的基本方法。 本章以单相双绕组变压器为例，分析了变压器空载运行与负载运行的电磁关系，从而推导出变压器在稳态运行时所应遵循的客观规律，并用基本方程式、等效电路和相量图3种方式来表达。这是对同一电磁过程的不同表述方式，已知其中一种就可以推导出另外两种。需要注意的是，基本方程式是在事先选定的参考方向的前提下得到的。 主磁通在一、二次侧感应产生的电动势分别为 E,4.44fN,11m E,4.44fN,22m EEk,EE,NN一、二次绕组感应电动势和的比值称为变压器的电压比，即。121212 k,NN,UU该电压比近似为一、二次绕组的额定电压之比，即。121N2N 变压器负载时的基本方程为 (二次侧折算到一次侧) ，，，(一次测电压平衡方程式) ,U,,E，ZI1111,,,,，，，(二次侧电压平衡方程式) ,U,E，ZI2222,,，，(一、二次侧电压关系) ,E,E,12 ,，，E,,ZI(励磁支路电压方程式) ,1mm ,,，，，I，I,I(磁动势平衡方程式) ,12m ,,,,，，,U,ZI(负载之路电压方程式) 2L2, ,,,，，，，，，Z,R，jXZ,R，jXU,kUE,kEIIk,式中，，，，，，mmm111,222222 ,,22，，Z,kR，jXZ,kZ，。 222,LL 对于三相变压器，上述基本方程式中的电动势、电压和电流应该为相电动势、相电压和相电流;电压比是指一、二次绕组相电动势之比，近似等于一、二次绕组额定相电压之比;各个电阻、电抗和阻抗仍然为一相绕组的值。 ，I变压器在负载运行时，一次电流包含两个分量，即产生主磁通的励磁分量，和用来平二m ,，次绕组磁动势去磁作用的负载分量 () 。磁动势平衡方程说明了一次测电流取决于负载,I2 电流 (二次侧电流)的。 3(变压器的折算与等效电路和相量图 双绕组变压器的一、二次绕组之间本是无电气联系的两个独立电路，经过折算(一种保持功率和磁动势不变的数学变换)后，原本无电气联系的一、二次绕组可以等效画在同一个电路中，这就是变压器的T形等效电路。该等效电路既反映了变压器的基本电磁关系，又便于分析 Z的前面，构成形等效电计算。在实际应用中，由于励磁支路的阻抗很大，将其移至漏阻抗,1 路，可简化计算，由此所带来的误差在工程计算的允许范围。当变压器接近满载和满载运行时，由于励磁电流远小于一、二次绕组电流，故可以将励磁支路忽略，由此得到简化等效电路，使分析计算进一步简化(例如，用简化等效电路计算变压器的电压调整率)。 变压器的相量图是基本方程式的一种图示表示法，能直观地反应变压器各个电磁量之间的相位和大小关系。一般用于对变压器进行定性分析。 4(变压器的标幺值 标幺值是指某一物理量或参数的实际值与选定的基值之比，一般基值都选为额定值。阻抗的基值也是电阻和电抗的基值，视在功率的基值也是有功功率和无功功率的基值。额定电压、额定电流和额定视在功率的标幺值均为1，“标幺”的名称由此得来。在工程分析和计算中，各物理量若采用标幺值来表示和计算，会使问题更为简单，而对于短路阻抗等参数必须用标幺值才能更好地说明问题。注意:因标幺值是两个具有相同单位的量之比，故标幺值没有量纲。 5，变压器的参数测定 变压器等效电路的参数，可以通过空载试验与短路试验来测定。 U 空载试验一般都在低压侧进行。试验时，在一次绕组(低压绕组)施加额定电压，二1N UIP次绕组(高压绕组)开路，测量出空载损耗、电压和电流，由此可以计算出励磁电阻0200 XPRZ励磁电抗、励磁阻抗、电压比k和铁损耗。注意:按此方法计算出的励磁参数mmmFe 2k为折算到低压侧的值，若需折算到高压侧，上述各参数应乘以。 短路试验一般在高压侧进行。试验时，把二次绕组(低压绕组)短路，给一次绕组(高压 I绕组)施加一个可调的低电压，直到二次侧短路电流达到额定电流，测量此时的一次电压2N PXURZI、电流。和输入功率，由此可以计算出短路电阻、短路电抗、短路阻抗、SSSSSS P额定负载时的铜损耗以及阻抗电压(或称短路电压)。由于绕组的电阻与温度有关，上述CuN 短路电阻应该按绕组的材料(铜线或铝线)做相应的换算。 6(变压器的运行特性 变压器的运行特性主要有外特性和效率特性。 Ucos, 变压器的外特性是指在电源电压，和负载功率因数保持不变的条件下，二次侧端12 ，，UIU,fI电压与负载电流的关系曲线，即。从外特性可以求得变压器的电压调整率2222 VV，的定义和计算公式分别为 RR U,U2N2V,，100%RU 2N **，，V,,Rcos,，Xsin,，100%RS2S2 VV的大小反应了变压器供电的稳定性。不仅取决于负载的性质和大小，还与短路阻抗RR V值直接相关。一般电阻性和电感性负载，为正值，即负载时的二次电压恒比空载电压低，负R VV载功率因数值越低，越大;对于电容性负载，当负载功率因数低于某值时，为负值，即RR负载时的二次电压高于空载电压。 变压器在传递电能的过程中有铜损耗和铁损耗。铜损耗为一、二次绕组的电阻损耗，其值与负载的大小有关，故为可变损耗。铁损耗是铁心的磁滞损耗和涡流损耗，当铁心中的磁通密度和主磁通频率不变时，铁损耗为不变损耗。变压器损耗所占比例可以通过效率特性来反应。 Ucos,,I效率特性是指当电源电压和负载的功率因数保持不变时，效率与负载电流的关122 ，，，，,,,fI,,f,V系曲线或(为负载系数)。若忽略，则效率刀的计算公式为2R ,,ScosN2, ,，100%,S,PPcos，，N2FeCu 或 ,,ScosN2, ,，100%2,S,P,Pcos，，NS20 , 对于一台给定的变压器，其效率的高低取决于负载的大小和负载的性质。当负载系数一 ,P,Pcos,,定时，负载的功率因数越高，效率就越高;当负载系数改变而使时，变2FeCu ,压器的效率达到最大值。通常，变压器的额定效率为95,—99,。 N V, 额定电压调整率和额定效率是两个标志变压器性能的重要指标。RNN 7(三相变压器的联结组和并联运行 三相变压器用于传输和分配三相交流电能。三相变压器主要有三相组式变压器和三相心式变压器两种形式 。三相变压器在对称负载下运行时，它的每一相就相当于一个单相变压器，所以单相变压器的分析方法完全可以应用于三相变压器。 三相变压器的特殊问题是三相绕组的联结组。因为电力变压器并联运行的最基本条件之一是必须具有相同的联结组。三相变压器的联结组由联结方式和联结组标号组成。三相绕组常用的联结方式有星形联结和三角形联结两种，其中，高、低压绕组的星形联结分别用Y和y表示(如果有中性线，则用YN或yn表示);高、低压绕组的三角形联结分别用D和d表示。联结组标号表明了高、低压绕组线电动势的相位关系，国际上惯用时钟的钟点数表示之。实际上， 联结组标号等于高、低压绕组线电动势的相位差除以30?。Yy和Dd联结方式对应的联结组标号为偶数，Yd和Dy联结方式对应的联结组标号为奇数。国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 规定三相双绕组变压器有 (Yyn0)、(Ydll)、(YNdll)、(YNy0)、(Yy0)5种联结组，其中以前3种最常用，因为变压器有一侧绕组为三角形联结能改善电动势的波形。 在用时钟法判别联接组标号时，要注意绕组的极性和绕组出线端子的标志。同样联结方式和出线标志的变压器，若极性相反，其联结组标号相差6;同样联结方式的变压器，若出线端标志顺次错位标注，则其联结组标号相差4。 三相变压器并联运行时，为了达到并联运行的理想状态，各台变压器必须具备如下3个条件:?各台变压器的联结组相同;?各台变压器的电压比相等;?各台变压器的短路阻抗的标幺值相等。其中第一条是必须满足的，第二条和第三条允许有一定的误差。总之，满足了前两条就可以保证变压器二次侧无环流，而满足了第三条就能使各台变压器按与其额定容 量成正比的关系分担负载，从而保证了装机总容量的充分利用。 当短路阻抗标幺值不相等的变压器并联运行时，各台变压器按与其短路阻抗标幺值的倒 数成正比的关系分担负载，因此，短路阻抗标幺值小的变压器先达到满载。设有n台变压器 并 *SSZ联运行，各台变压器的额定容量和短路阻抗标幺值分别为和，总负载容量为， 若SiNiL ,忽略各台变压器短路阻抗阻抗角的差别，则各台变压器的负载系数由下面的关系式确定:i ,,,SSSS，，？，,NNnNnL1122 111 ,,,::？:,::？:n12***ZZZSSSn12 8(特殊变压器 本章还介绍了3种具有特殊性能和用途的变压器:自耦变压器、三绕组变压器、仪用互感器。 自耦变压器是一种单绕组变压器，其特点是:一、二次绕组之间不仅有磁的耦合，还有电的联系。因此，在自耦变压器中，输出容量中除了电磁容量外，还存在由一次绕组直接传导到二次绕组的传导容量(这是双绕组变压器所没有的)。因此，自耦变压器的输出容量大于二次绕组的绕组容量。与同容量的双绕组变压器相比，自耦变压器具有成本低、重量轻、体积小、效率高等优点，而且电压比k越接近于1(通常k < 3)，经济效果就越显著。因为自耦变压器一、二次绕组之间有直接电的联系，故要加强内部绝缘和过电压保护。 三绕组变压器大多用于二次侧需要两种不同等级电压的电力系统中。三绕组变压器的工作原理与普通双绕组变压器一样，当3个绕组中任意一个接电源时，另外两个绕组就有不同的电压输出。三相三绕组变压器的标准联结组标号只有YN、yn0、d11和YN、yn0、y0两种。 仪用互感器是一种测量用的变压器，包括电压互感器和电流互感器。采用互感器测量电压和电流，既扩大了交流电表的量程，又使测试人员和仪表与高电压隔离，提高了测试过程的安全性。电压互感器是工作在开路状态的降压变压器，使用中二次绕组不能短路;电流互感器是工作在短路状态的升压变压器，使用中二次绕组不能开路。二者均要注意二次侧的安全接地和误差问题。 第4章 异步电机 4.1 基本要求 1(了解三相异步电机的基本结构、主要类型，掌握三相异步电机的额定值、转差率。 2(掌握旋转磁场和三相异步电机的工作原理。 3(理解三相交流绕组的基本概念。 4(理解单相交流绕组的脉振磁动势和三相绕组的旋转磁动势。 5(理解交流绕组的电动势和绕组因数的意义 6(理解三相异步电动机的分析方法，掌握三相异步电动机的等效电路和基本方程式，了解 三相异步电机的相量图。 7(掌握三相异步电动机的功率和转矩关系，掌握三相异步电动机的转矩?转差率特性。 8(了解三相异步电动机的工作特性，掌握三相异步电动机的参数测定方法。 9(理解两相绕组的磁动势，了解单相异步电动机工作原理和主要类型。 10( 了解三相异步发电机。 4.2 学习指导 三相异步电动机是一种使用最为广泛的电动机。本章的重点是掌握异步电机的基本原理和 分析方法。 1(三相异步电动机的结构 三相异步电动机主要有笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两类，以笼型异步电动机为 例，其基本结构如图4-1所示。 定子冲片 端板 定子铁心 压圈 扣片 定子线圈 槽绝缘 定子 定子绕组 相间绝缘 槽楔 引接线 机座 笼型异步电动机 吊攀 转子铁芯(转子冲片) 转子 铝笼(导条、端环、风叶、平衡柱) 轴承 端盖 接线盒 风扇、风罩 图4-1 笼型异步电动机的基本组成 2(三相异步电动机的基本工作原理 绕组是构成电机的关键部件。单相交流绕组产生的磁动势是脉振磁动势，三相对称绕组的合成磁动势是旋转磁动势。交流电机绕组的电动势计算与变压器绕组电动势计算类似，但必须考虑绕组的分布因数和短距因数。 在异步电机的定子三相对称绕组中通入对称三相电流，就会产生旋转磁动势，从而在电机中形成旋转磁场。基波旋转磁场的转速称为同步转速，其大小为 f601n ,1p 异步电机的转子与基波旋转磁场之间存在着相对运动，在闭合的转子导体中产生感应电动 n,n1势、电流，于是产生电磁转矩。异步电机的转差率是反映异步电机运行状态和负载s,n1 0,s,1s,0情况的一个基本变量，当时，电机处于电动状态机状态;当时，电机处于发电 s,1机状态;当时，电机处于电磁制动状态。 3(三相异步电动机的等效电路 从基本电磁原理来看，异步电机与变压器很相似，因此可采用变压器的分析方法来研究异步电动机，它们的电动势与磁动势平衡方程式、等效电路和相量图的形式是相同的，但是它们之间也有明显差别，主要是磁场性质不同。变压器的主磁场是脉振磁场，一次绕组和二次绕组都是静止的;而异步电机的主磁场是旋转磁场，转子相对定子是转动的，因此转子电动势与定子电动势频率不同。但是转子电流产生的基波磁动势仍与定子基波磁动势相对静止，这正是采用变压器分析方法的依据所在。当然，因为定、转子感应电动势的大小、频率不同，异步电机的等效电路必须要同时进行绕组归算和频率归算。 在使用异步电动机等效电路时应注意以下问题: 1,s,P 1)异步电动机产生的机械功率在等效电路中用模拟电阻所消耗的电功率来表Rm2s 示。 2)由于异步电机的磁路中存在气隙，其励磁电流较变压器的大，励磁阻抗较变压器的小，因此等效电路的简化应作必要的修正。 PPP 3)异步电动机的电磁功率、总机械功率和转子铜耗三者之间存在固定的比例关emCu2 系 P:P:P,1:(1,s):s emCu2 ,，，,,,1,s,T而转子的机械角速度与同步角速度之间有，因此，电磁转矩既可以用机11e ,PP,械功率除以转子角速度来计算，也可以用电磁功率除以同步角速度来计算，即me1 PPme ,,Te,,1 4) 异步电机等效电路的参数可以通过空载试验和堵转(短路)试验来确定。 5) 异步电机的电磁转矩是由气隙磁场和转子电流的有功分量共同作用产生的，其物理表 1达式为。由等效电路可以求得其参数表达T,pmNk,Icos,,C,Icos,e22w2m22Tm222 式 ,R22mpU11s,T e2，，,R,,2,，，2,fR，，X，X,,,,111,2,s,,,,，， T对已制造好的电机来说，当外加电压及频率不变时，电磁转矩只是转差率s的函数。电e 磁转矩与转差率之间的关系称为机械特性，这是反映异步电动机运行特性的一条重要曲线。由此可导出异步电机的最大转矩、起动转矩、稳定工作区等物理量，还可分析运行参数 (如电压、频率、转速及负载的大小和性质)及电机参数(如转子电阻、漏抗)对电机特性的影响。 4(三相异步电动机的主要特性 异步电动机的工作特性是指随着负载变化，其转速、输出转矩、定子电流、功率因数、效 cos,,率等的变化曲线。三相异步电动机的主要技术指标有:额定效率、额定功率因数、NN kkk最大转矩倍数、堵转转矩倍数和堵转电流倍数。 mst1 5(单相异步电动机 单相异步电动机的结构与笼型三相异步电动机相似，通常其定子上有两个绕组:工作绕组和起动绕组，而转子为笼型结构。如果仅主绕组通电，它产生的脉振磁动势可分解成两个大小相等、方向相反的圆形旋转磁动势，在电机静止时，由此产生的正向和反向电磁转矩大小相等、方向相反，故起动转矩为零。所以单相电动机起动时必须借助起动绕组，根据起动方法或运行方式的不同，单相异步电动机主要有以下几种类型:电容起动电动机、电容运转电动机、双值电容电动机、电阻起动电动机、罩极电动机等。由于负序磁场的存在，单相异步电动机的性能比三相异步电动机要差。 6(三相异步发电机 异步发电机是异步电机的又一种运行方式，其基本方程式和等效电路与异步电动机相同。只是由于在发电机状态运行时n>n，转差率s变为负值。异步发电机既可以单机运行也可以与1 电网并联运行，与电网并联运行的异步发电机需要从电网上吸取无功的励磁电流，在发电的同时，增加了电网的无功负担;而单独运行的异步发电机则必须在定子绕组的端点并联对称的电容器，通过电容来提供异步发电机所需的励磁电流，使其自励建压。 第5章 同步电机 5.1 基本要求 1(了解三相同步电机的基本结构、励磁方式、基本类型，掌握三相同步电机的额定值。 2(理解三相同步电机的电枢反应，掌握三相同步电机的工作原理。 3(理解三相同步发电机的基本方程式、等效电路和相量图。 4(掌握三相隐极和凸极同步发电机的基本分析方法。 5(掌握三相同步发电机的功率和转矩，理解三相同步发电机的功角特性和矩角特性。 6(了解三相同步发电机的外特性、调整特性和效率特性。 7(掌握三相同步发电机并联运行的条件，了解并联运行的方法。 8(了解三相同步发电机并联运行时有功功率和无功功率的调节方法，理解三相同步发电机功率因数调节的原理。 9(掌握三相同步电动机的基本方程式、等效电路和相量图。 10(掌握三相同步电动机的功率和转矩。 11(了解三相同步电动机的工作特性，理解三相同步电动机功率因数调节的原理。 12(了解同步补偿机的工作原理。 13(了解三相同步发电机突然短路时的物理过程，理解瞬态电抗和超瞬态电抗的物理意义及其与稳态同步电抗的大小关系。 5.2 学习指导 本章主要讨论同步电动机，其他内容不作必读要求。 1(同步电动机的工作原理 三相同步电动机定子绕组结构与三相异步电动机相同，转子有隐极式、凸极式。定子绕组 FF通入三相对称交流电流产生旋转磁动势，转子绕组通入直流电流后产生励磁磁动势。定、12 n转子磁动势所建立的磁场可以用磁极来模拟，从异性相吸的物理现象知，当定子磁极以同步0转速旋转时，必然以磁拉力拖动转子磁极以严格的同步速转动。同步电动机属于双边励磁，负 ，，，，U,,E，Ir，jIx载时气隙磁场会有明显变化，并有电枢反应问题，其电动势平衡方程为。0at，F,,Ex,x，x是励磁电动势，由转子励磁磁动势建立的磁通感应产生;为同步电抗，00ta,O ，，FEjxIx,,其中为电枢反应电抗。为电枢反应电动势，由电枢磁动势所建立的电枢反应aaaa ,x,x磁通感应产生。对于凸极同步电动机，因气隙不均匀，对应的交、直轴电枢电抗。aqd应用双反应理论，将定子电动势、电流、磁动势分解为交、直轴分量，其电动势平衡方程为，，，，，U,,E，Ir，jIx，jIx。需要说明的是同步电动机不能自行起动，因其在起动过程中，0addqq 转速变化，平均电磁转矩等于零。 2(同步电动机的功角特性和V形曲线 U,UI,I三相同步电动机在，的情况下，输出有功功率变化，会引起电磁转矩变化，NfN ，，，U,,E,E但不会引起转速变化。此时励磁电动势大小是不变的，但与之间的功率角是变00 ，，PP,f,化的，并引起电磁功率变化，我们把称为功角特性，其表达式为emem 2,,UEU110,,Pmm,sin,，,sin,,。为保持在额定情况下稳定运行，角约为em,,xxx2dqd,, 25:~30:。 U,U,I,IP,mUIcos,同步电动机的V形曲线是指，且输出功率不变时，改变NfN1 I，，I,fII励磁电流，则定子电流变化，其函数关系为。输出功率不变，即电动机电流中ff I有功分量不变，调节励磁电流，实质上是改变了定子电流中的无功分量，从而能改变同步电f 动机的功率因数。 3(三相同步电动机的起动 f,f 已知同步电动机在频率的情况下转速是恒定的，而起动过程中转速是变化的，其N 平均电磁转矩等于零，故同步电动机不能自行起动。通常采用异步起动法，在同步电动机转子磁极上安装笼型绕组，起动时依靠笼型绕组产生异步转矩，在转速接近同步速时转子绕组中通入励磁电流，依靠定、转子磁场互相作用产生同步转矩使转速达到同步速。需要注意的是血将励磁绕组中串入一个限流电阻再闭合，其阻值是励磁绕组电阻的5,10倍，以防止在异步起动过程中励磁绕组感应产生电动势过高造成危险，以及产生过大不利于起动的“单轴转矩”。 第6章 控制电机 6.1 基本要求 1(了解伺服电动机的功能、分类和基本结构，掌握直流和交流伺服电动机的工作原理。 2(了解步进电动机的功能、分类和基本结构，掌握步进电动机的工作原理。 3(了解测速发电机的功能、分类和基本结构，掌握测速发动机的工作原理。 4(了解自整角机的功能、分类和基本结构，掌握力矩式和控制式自整角机的工作原理。 5(了解旋转变压器的功能、分类和基本结构，掌握旋转变压器的工作原理。 6(了解无刷直流电动机的基本结构、工作原理、特点与应用。 6.2 学习指导 控制电机主要用于自动控制系统中作为检测、比较、放大和执行元件，其主要任务是转换和传递控制信号，具有高精度，高灵敏度，高稳定性，体积小、重量轻，耗电量少等特点。从原理上看，控制电机与普通作为动力装置的旋转电机相同，但是，因应用场合的不同，设计时所考虑实现的性能指标完全不同，且一般控制电机的功率都比较小。 控制电机的种类繁多，不胜枚举，而且还在不断地发展。本章仅从应用的角度出发，求掌握几种常用的控制电机的基本结构、工作原理、特点、运行特性及应用情况。 1(伺服电动机 伺服电动机是应用在伺服系统中的驱动电动机(或称为执行元件)，以实现对机械位置或角度的自动控制。伺服电动机具有可控性好、响应速度快、定位准确、调速范围宽等特点。 按工作电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。 两相交流伺服电动机从原理上讲就是一台两相交流异步电动机，其基本结构与单相分相异步电动机基本相同。为了减小转动惯量，提高其灵敏度，一般采用细长的笼型转子或杯形转子。伺服电动机必须对控制信号有很好的“伺服性”，即控制绕组一旦接收到控制信号，电动机应立即转动，控制信号一消失，立刻停止转动。为了使交流伺服电动机在控制信号消失、单相运行时具有自制动能力，必须增大转子电阻，使其临界转差率大于1。 两相交流伺服电动机的转速和旋转方向由控制电压的大小和相位来控制。因此，其控制方式有以下3种: 1)幅值控制。保持控制电压与励磁电压的相位差为90?，通过调节控制电压的幅值实现控制。 2)相位控制。保持控制电压的幅值不变，通过调节其相位实现控制。 3)幅相控制。同时调节控制电压幅值和相位实现控制。 直流伺服电动机按励磁方式分有电磁式和永磁式两类，其中电磁式直流伺服电动机只采用他励方式。直流伺服电动机的工作原理和结构与普通他励直流电动机一样，电磁式直流伺服电动机的控制方式有电枢控制和磁场控制两种，永磁式直流伺服电动机只有电枢控制方式。采用电枢控制时，具有线性的机械特性，且比磁场控制方式的电磁惯性小，响应迅速。 2(步进电动机 步进电动机又称为脉冲电动机，其功能是将电脉冲信号转变为相应的角位移或线位移。步进电动机作为执行元件用于数字控制系统中，按照控制脉冲的要求，迅速起动、反转、制动和无级调速，运行时能够不失步，无积累误差、步距精度高，广泛用于数控机床、打印机、绘图仪、机器人控制、石英钟表等场合。 步进电动机按结构分类，有反应式、永磁式和永磁感应子式3种。从原理上看，步进电动机是一种低速同步电动机，其工作原理与凸极式同步电动机相似，，依据磁力线力图通过磁阻最小路径的原理来产生磁阻转矩，使电动机转动。 步进电动机的步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，仅与通电方式和脉冲频率有 ,360Z,关。步距角与转子齿数和拍数N (取决于通电方式) 的关系为，转速与转,,brbZNr f60Z子齿数，拍数N和脉冲频率f的关系为。 n,rZNr 步进电动机需要配置专用的驱动电源才能工作，而且，驱动电源对电机的运行性能影响较大。步进电动机可以开环运行，也可以闭环实现反馈控制，以满足高精度系统的要求。 3(测速发电机 测速发电机是一种把转速信号转换成电压信号的测量元件(或称信号元件)，与伺服电动机的运行状态正好相反。作为测量元件，要求测速发电机的输出电压与转速成严格的线性关系，且斜率要大，以保证有高的精度和灵敏度。 测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机。 直流测速发电机按励磁方式又分为他励式和永磁式。从原理上看，直流测速发电机实际上是一台小容量的直流发电机，其空载电压与转速成线性关系，负载后的端电压存在线性误差。但与交流测速发电机相比，它没有剩余电压和相位误差。为了减小线性误差，使用时应尽可能采用大的负载电阻，并使转速不超过最大线性工作范围。 交流测速发电机又可分为同步测速发电机和异步测速发电机，常用的是交流异步测速发电机。交流异步测速发电机的结构与交流伺服电动机相同，其转子多采用空心杯形结构。转子静 止时，输出电压为零;转子转动时，转子绕组切割纵向(d轴) 励磁磁通而产生感应电动势和电流，继而产生横向(q轴)磁通，使输出绕组输出一个与转速成正比的电压信号。该信号的频率与转速无关，等于励磁电流的频率。 交流测速发电机的测量误差包括线性误差、相位误差和剩余电压。 第7章 电力拖动基础 7.1 基本要求 1. 了解电力拖动系统的基本概念与分类。 2. 掌握电力拖动系统的运动方程式。 3. 掌握多轴旋转系统的折算方法。 4. 掌握平移运动系统的折算方法。 5. 掌握升降运动系统的折算方法。 6. 掌握电力拖动系统中的负载的机械特性 7. 掌握电力拖动系统稳定运行的条件。 8. 掌握电力拖动系统调速的基本概念和调速系统的主要指标。 7.2 学习指导 1(电力拖动系统的运动方程 电力拖动系统通常由电动机、工作机构、传动机构、控制设备以及电源五部分组成。电力拖动系统有单轴系统和多轴系统之分，对于简单的单轴系统，其运动方程式为 d,TJ T,,eldt TT式中，为电动机的电磁转矩，其正方向与转速n的正方向相同;为负载转矩 (其中包括eL 2Tkg,m电动机的空载转矩) ，其正方向与转速n的正方向相反;J为拖动系统的转动惯量();0 ,为电动机的机械角速度(rad/s)。 ,在工程计算中，常将角速度(rad/s)用电机轴的转速n(r/min)来代替，旋转系统的 222mGDm转动惯量J(kg?)用旋转系统的飞轮矩(N?)替代，即 2n, ,,60 2GD2Jmp ,,4g 因此，电力拖动系统运动方程的实用表达式为 2GDdnTT ,,eL375dt 对于实际的多轴电力系统,通常把传动机构和工作机构看作一个整体，且等效为一个负载,把负载转矩和系统的飞轮矩折算到电动机轴上来，这样，就可把多轴系统折算为单轴系统.折算的原则是保持传递的功率不变和系统储存的动能不变。 2. 电力拖动系统的稳定运行条件 电力拖动系统中的生产机械可大体分成恒转矩负载、恒功率负载和通风机、泵类负载三类。 电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是 dTdTeLTe,T，且< Ldndn 3(电力拖动系统的调速 电力拖动系统中的许多生产机械都有调速的要求，电动机调速是指在电力拖动系统中，人为地或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。电动机的调速一般有以下几种分类方法:?无级调速和有级调速;?恒转矩调速和恒功率凋速;?向上调速和向下调速。 电动机调速系统的主要性能指标包括调速范围、静差率、调速平滑性、调速的经济性等。 第8章 直流电动机的电力拖动 8.1 基本要求 1(掌握他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性。 2(掌握他励直流电动机的主要起动方法，了解他励直流电动机的反转。 3(掌握他励直流电动机的调速方法。 4(掌握他励直流电动机的制动原理和方法。 5(了解他励直流电动机的四象限运行概念。 8.2 学习指导 1(他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流和电枢回路总电阻一定的条件下， ，，n,fT电动机转速与电磁转矩的关系，即。其表达式为 e R，RUac n,,T,n,,Te0e2C,CC,EET U,Rn式中，为电枢回路的串联电阻;为电动机的理想空载转速,，为机械特性的n,0c0C,E R，Rac,斜率，,，越小，机械特性越硬。 ,2CC,ET 他励直流电动机的机械特性有以下特点: U,UR,0,,, 1) 当电枢电压、磁通、时，他励直流电动机的机械特性称为固NNc 有机械特性。他励直流电动机的固有机械特性很硬。 2) 电枢回路串电阻的人为机械特性是一组经过理想空载点，但斜率不同的直线，串联 电阻越大，特性越软。 3) 改变电枢电压U时的人为特性是一组平行直线，其硬度与固有特性相同。 4) 减弱励磁磁通时，不仅理想空载转速升高，而且人为机械特性的斜率增大，特性变软软。 2(他励直流电动机的起动与反转 起动是所有电动机都必须经过的过程，对它的主要要求是:应有足够大的起动转矩，一般 ，，I,1.5~2.0IT,1.1T要求;应将起动电流限制在安全范围内，一般要求。他励直流电stLstN动机的起动方法有3种:直接起动、减压起动和电枢回路串电阻起动。 ,改变他励直流电动机转向的方法有两种:一种方法是通过反接励磁绕组改变主极磁通的方向，另一种方法是通过反接电枢绕组改变电枢电流的方向。前者由于定子励磁绕组匝数较多，反接时会产生较大的电动势，反向磁场建立过程缓慢，不适合频繁正反转控制的场合。 3(他励直流电动机的调速与制动 他励直流电动机可以采用电枢串接电阻、改变电枢电压和改变磁通的方法实现调速。其中，串联电阻调速属于向下调速方式，调速效率较低，稳定性差，一般为有级调速;降低电枢电压调速属于向下调速，调速的机械特性较硬，转速稳定性较好，可实现无级调速，调速平滑性好，调速范围宽;弱磁调速属于向上调速，调速稳定性好，调速平滑性好，但是调速范围不大。 在电力拖动系统中，为了使电动机很快地减速或停车，或为了设备与人身安全而限制电动机转速的升高，需要进行制动。他励直流电动机的制动方式有能耗制动、反接制动和回馈制动(又称再生发电制动)3种。 ,RUT,n当改变电气参数、、时，他励直流电动机的机械特性将位于直角坐标系的ce4个象限中。在第一、三象限中为电动状态，在第二、四象限中为制动状态。 第9章 异步电动机的电力拖动 9.1 基本要求 1.掌握三相异步电动机的机械特性，掌握实用转矩计算公式。 2.掌握三相异步电动机的起动指标、主要起动方法和起动计算 3.掌握三相异步电动机的调速方法。 4.了解三相异步电动机的制动原理和制动方法。 5.了解三相异步电动机的各种运行状态。 9.2 学习指导 1. 三相异步电动机的机械特性 Uf 在电源电压、电源频率及电机参数一定的条件下，电机转速n(或转差率s)与电磁11 T转矩之间的关系就是三相异步电动机的机械特性。 e Uf 如果电源电压和电源频率均为额定值不变，且定、转子回路中不串入任何电路元件，11 这时的机械特性就是三相异步电动机的固有机械特性，否则就是人为机械特性。 U 当其他参数保持额定值不变，仅降低定子端电压时，异步电动机的人为机械特性有如下1 特点: U 1) 不同时的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点。 1 TTU 2) 最大转矩以及堵转转矩都随的降低而按平方规律减小。mst1 sU 3) 不论降为多少，最大转矩对应的转差率(临界转差率)都保持不变。1m R 绕线转子三相异步电动机的转子回路串入电阻后的人为机械特性特点如下:s 1) 转子串接不同电阻的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点。 sTR 2) 随着转子回路所串电阻增大，临界转差率增大，但最大转矩保持不变。mms TR 3) 转子回路所串电阻增大，起动转矩也增大。 sts RX 在电机的定子回路接入对称的电阻或电抗后，人为机械特性的特点为:ff RX 1)串接不同电阻或电抗时的人为机械特性都通过固有特性的同步转速点。ff TT 2)最大转矩和起动转矩都随着外串电阻或电抗的增大而减小。mst s3)临界转差率随着外串电阻或电抗的增大而减小。 m 2(三相异步电动机机械特性实用公式 在工程实践中，经常使用机械特性的实用公式 2TmT, essm，ssm knP以便利用产品目录中给出的过载能力、额定转速和额定功率来求取电磁转矩与mNN转差率的近似关系式。 根据额定转差率和过载倍数，可以求得电动机的临界转差率，为 2,, sskk ,，,1,,mNmm,, 从而可求得不同电磁转矩下电机的转差率 2，，,,TTmm,,,, s,s,,1m,,,,TTee,,，， 3(三相异步电动机的起动 对三相异步电动机的起动性能的要求是:起动电流较小，而起动转矩较大。对笼型异步电动机，一般功率在7(5kW以下者可以直接起动，如果功率大于7.5kW，而电源容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动 I1电机总容量(kV,A)，，st k,,3，1,,I4电动机功率(kW)，，N 如果不能满足上式要求，则必须采用减压起动方法，把起动电流限制到允许的数值。但减压起动时，起动转矩随电压的平方而减小，因此必须选择合适的起动方法以满足不同拖动系统的要求。常用的减压起动方法有:自耦变压器减压起动、星-三角起动和延边三角形起动。随着电力电子技术的发展，电子式软起动器正逐步取代传统的减压起动设备。 绕线转子三相异步电动机可以采用转子回路串电阻起动法，在转子回路中串入起动电阻，既可以减小起动电流，又可以增大起动转矩，而且当所串电阻合适时，还可以使电动机以最大转矩起动。 从异步电动机起动性能和运行性能的分析可知，起动时为了减小起动电流和增大起动转矩，总希望转子电阻大一些;运行时，为了减小转子铜耗以提高电机效率，又希望转子电阻小一些。对于绕线转子异步电动机，可通过在转子回路串入或切除电阻，来满足上述要求;对于笼型异步电动机，则可通过改变转子槽形结构，利用“集肤效应”来达到上述要求，如深槽转子异步电动机和双笼型异步电动机就是利用集肤效应来限制起动电流、增大起动转矩的。 4(三相异步电动机的调速 从异步电动机的转速公式 60f1 ，，，， n,n1,s,1,s1p 可见，异步电动机有3种调速方法:?变极调速:有级调速，且调速等级有限;?变频调速:调速范围宽，调速平滑性好，可实现无级调速，一般在基频以下为恒转矩调速，基频以上为恒功率调速;?变转差率调速。 前两种方法是通过改变电动机的同步转速来调速的，后一种方法是保持同步转速恒定通过改变电动机的转差率来实现调速。改变转差率调速又分为下列几种方法:?调压调速:适合于风机类负载的调速;?转子串电阻调速:绕线转子异步电动机在转子回路串接外加电阻调速;?串级调速:绕线转子异步电动机通过在转子回路引入转差频率的外加电动势调速。 异步电动机调速性能可从调速范围、平滑性、稳定性、调速前后电机的效率、功率因数和过载能力等性能指标及调速系统的投资成本和可靠性来衡量。 5(三相异步电动机的制动与不同运行状态 异步电动机有4种电气制动方法:回馈制动、反接制动、能耗制动以及软制动。 拖动不同负载的三相异步电动机，如果改变其电源电压的大小、频率与相序或者改变其定子回路外串电抗或电阻的大小、或者改变其转子回路外串电阻的大小、或者改变其定子绕组的极数等，三相异步电动机就会运行在不同状态。 第10章 同步电动机的电力拖动 10.1 基本要求 1.理解三相同步电动机的机械特性。 2.掌握三相同步电动机的起动方法。 3.了解三相同步电动机的调速方法和制动方法。 4.了解永磁同步电动机的基本结构、调速系统的组成和调速原理。 5.了解无刷直流电动机的基本结构、工作原理、特点与应用。 6.了解开关磁阻电动机及其传动系统的组成、工作原理、特点与应用。 10.2 学习指导 同步电动机具有转速与频率成正比、功率因数可调的优点。由于变频技术解决了同步电动机的起动和调速问题，使同步电动机调速系统成为交流调速系统的重要分支，而电机学与电力电子技术相互交叉和融合，又产生出了各种新型同步电动机调速系统。 1(同步电动机的机械特性与稳定问题 ，，n,fTf 在电源频率一定时，三相同步电动机的转速与电磁转矩的关系称为机械特性。1e f1由转速公式可知，在确定的频率下，同步电动机转速为常数。因此，同步电nn,,601p 动机的机械特性是与机械负载的轻重无关的绝对硬特性。 当同步电动机以同步转速稳定运行时，会因为机械负载的变化或各种干扰等因素，而进入动态调节过程。当负载变化时，若电动机能产生与之适应的电磁转矩，重新进入新的稳定运行状态;或干扰产生又消失后，电动机能重新回到原来的稳定运行状态，则称同步电动机是静态稳定的。功角特性的上升段属于同步电动机的稳定运行区域。 2(同步电动机的起动、调速与制动问题 同步电动机不能在非同步转速下异步运行，因此，同步电动机没有起动转矩，不能自行起动。同步电动机常用拖动起动法、异步起动法和变频起动法等方法来起动。 拖动起动法是最传统的方法。这种方法所需设备多、操作复杂，投资和占地面积大，不利于带负载起动，故已经很少采用。 异步起动法是利用转子上的起动绕组，像异步电动机一样产生异步转矩来起动。在异步起动阶段，要正确处理转子上的励磁绕组。同步电动机异步起动时，也可以像异步电动机一样，采用各种减压起动的方法来限制起动电流。 变频起动法是通过变频器来起动同步电动机。起动时，变频器的输出频率由很低逐渐调高，使同步电动机转子的转速能同步跟随电枢旋转磁场的同步转速，一直到额定转速为止。 同步电动机的调速方法只有变频调速一种。根据控制方式的不同，同步电动机变频调速系统可以分为他控式变频调速系统和自控式变频调速系统。调速用同步电动机包括:有刷励磁的同步电动机、无刷可调励磁的同步电动机、永磁同步电动机、无刷直流电动机和开关磁阻电动机等。 同步电动机只能采用能耗制动来快速停机。 3(永磁同步电动机调速系统 永磁式同步电动机(PMSM)的定子与异步电动机的定子结构相似，转子铁心中嵌放有钐钴(SmCo)和钕铁硼(NdFeB)等高矫顽力、高剩磁密度的稀土永磁体。 永磁同步电动机采用自控式变频调速方法。调速系统由永磁同步电动机、变频器、转子位置检测器、速度传感器、电流传感器、速度调节器、电流调节器、矢量变换模块、PWM发生器以及功率驱动电路等组成。 永磁同步电动机具有功率密度高、体积小，转矩/惯量比高，转矩脉动小，效率和功率因数高，快速响应性好等特点，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中获得了广泛的应用。 4(无刷直流电动机调速系统 无刷直流电动机(BLDCM)实质上是使用直流电源、带有逆变器供电的交流永磁同步电动机。但是，其转子结构和永磁体的几何形状与上述交流永磁同步电动机不同，两者在原理、模型及控制方法上也有所不同。 无刷直流电动机调速系统是由旋转磁极式永磁同步电动机(电动机本体)、转子位置检测器、逆变器以及控制器所组成的同步电动机自控式变频调速系统。无刷直流电动机相当于一台倒装的直流电动机，一般直流电动机为旋转电枢式，需要机械换向器，使转子电枢磁场与定子励磁磁场保持相对静止的空间位置关系(由此产生恒定的电磁转矩)。旋转磁极式永磁同步电动机通过转子位置检测，采用电子开关换向的方法，使定子电枢磁场跟随转子励磁磁场旋转(定子电枢磁场是跳变式旋转的)，从而保持两者的空间位置近似相对静止关系(由此产生的电磁转矩是脉动的)。 无刷直流电动机的控制方法简单，控制器成本较低;在同样体积的条件下，比正弦波磁场的永磁同步电动机的出力约增加15,。并具有精度高、速度快、效率高、结构简单、运行可靠、寿命长和维护方便等特点，已广泛应用于国民经济的各个领域。 5(开关磁阻电动机调速系统 开关磁阻电动机调速系统(SRD)主要由开关磁阻电动机(SR电动机)、功率变换器、控制器和检测器四部分组成。 开关磁阻电动机采用双凸极结构，其定子、转子均由普通硅钢片叠压而成，定子磁极上安放有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体。开关磁阻电动机有单相、两相、三相、四相或更多相结构，且定子、转子的极数有多种不同的搭配。应用较多的是三相6/4极结构、三相12/8极结构和四相8/6极结构。 开关磁阻电动机是遵循“磁阻最小原理”工作的，其转动方向总是逆着磁场轴线的移动方向，改变定子绕组的通电顺序，就可改变电机的转向;而改变通电相电流的方向，并不影响转子转动的方向。 开关磁阻电动机传动系统具有以下特点:电动机结构简单、成本低、适于高速运行;功率电路简单可靠;效率高、功耗小;高起动转矩、低起动电流，适用于频繁起停和正反转运行;可控参数多，调速性能好。 开关磁阻电动机调速系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，在各种需要调速和高效率的场合，均能提供所需的性能要求。已广泛用于电动车、航空工业、家用电器、机械传动、精密伺服系统中。