绪论 （introduction） 一、电机及电机学概念（electric machine and electric machine theory concept） 1.电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。 2.电机分类：（按运动方式分类） 静止电机-----------------变压器 电机 直流电机 旋转电机 交流电机 异步电机 同步电机 3.电机学及性质：专业基础课 4.本门课学习方法：①抓住主要矛盾； ②理论联系实际； ③善于运用对比的方法。 二、电机中的材料（materials） 1.导电材料：线圈（铜、铝） 2.导磁材料：铁磁材料（重点介绍） 3.结构材料：铸铁、铸钢和钢板等 4. 绝缘材料：聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带、电工纸、云母片等（A、E、B、F、H、C） 三、铁磁性材料的磁化特性：（characteristic of ferromagnetic material） 1.铁磁性物质的磁化 铁磁材料：铁、镍、钴及其合金 磁化曲线： 特性：①具有高的导磁性能；②磁化曲线呈非线性（饱和特性） 2.磁滞回线 ①磁滞现象：B的变化总是滞后H的变化；时的值，称为剩磁； ②基本磁化曲线：； ③铁磁材料 软磁材料：高，小，磁滞回线窄而长，如：铸钢、硅钢、坡莫合金，制作电机铁心； 硬磁材料：μ不高，Br大，磁滞回线宽而胖，制造永久磁铁； 3.磁滞损耗和涡流损耗 ①磁滞损耗：磁畴之间产生摩擦而产生的， ②涡流损耗：涡流与铁心电阻相作用产生的损耗， ③铁损：磁滞损耗+涡流损耗， 四、电机中的基本电磁定律(basic electromagnetic laws) 1.磁路中的几个基本定律 ①全电流定律—安培环路定律 (law of total current)  举例： 工程上： 线圈： * 电流方向的判断： ②磁路的基尔霍夫第一定律： *说明磁通是连续的。 ③磁路的基尔霍夫第二定律： ④磁路欧姆定律：  *铁磁材料的不为常数。 2.电路中的两个基本定律 ①基尔霍夫第一定律： ②基尔霍夫第二定律： 3.电磁感应定律 (electromagnetic inductive law)  变压器电动势：同上； 运动电动势： *判断方向：右手定则 4.电磁力定律： *判断方向：左手定则（主要用于分析旋转电机的电磁转矩） 第一篇 变压器 transformer 1.变压器的定义：它是一种静止的电机，通过线圈间的电磁感应关系，将某一等级的交流电压转换为同频率的另一等级的交流电压。 2.变压器的用途： 3.电力变压器：用于电力系统升、降电压的变压器。 第一章 变压器的基本工作原理和结构 （basic operation principle and structure of transformer） 基本结构（basic structure） 器身：由铁心和线圈组成。 1.铁心：构成主磁路，机械骨架，由硅钢片迭成 ①材料：0.35mm厚涂有绝缘漆膜的硅钢片，导磁性能好，可减少铁损； ②铁心形状：矩形、十字形等； ③迭片方式：交迭式迭装 2.线圈：导电部分，铜线或铝线 *为便于线圈和铁心绝缘，低压靠近铁心柱在里面，高压在外面； 线圈在铁心上排列方式： 同心式 交迭式 3.油箱和冷却装置： *变压器油的作用：绝缘和冷却 4.绝缘套管：用于引线 5.保护装置和其他 二、基本工作原理（basic operation principle） 基本原理： 其中： ；  若   可见，只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的。 三、变压器的分类（classification of transformer） 用途分：升压变压器、降压变压器； 相数分：单相变压器和三相变压器； 线圈数：双线圈变压器、三线圈变压器和自耦变压器； 铁心结构：心式变压器和组式变压器； 冷却介质和冷却方式：油浸式变压器和干式变压器等； 容量大小：小型变压器、中型变压器、大型变压器和特大型变压器。 四、变压器的型号和额定值(type and rated value) 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。 例如：SL-500/10：表示三相油浸自冷双线圈铝线，额定容量为500kVA，高压侧额定电压为10kV级的电力变压器。 额定值： ：铭牌规定在额定使用条件下所输出的视在功率。 ：指变压器长时间运行所承受的工作电压。（三相为线电压） ：规定加在一次侧的电压； ：一次侧加额定电压，二次侧空载时的端电压。 ：变压器额定容量下允许长期通过的电流有和（三相为线电流）。 ：我国工频：50Hz； 还有额定效率、温升等额定值。 单相变压器的关系式： 三相变压器的关系式： **：对于双线圈变压器一、二次侧的额定容量相等。（由于其效率高） 举例：一台Y,d11联接的三相变压器，额定容量为3150kVA,U1N/U2N=35/6.3kV,求： ①变压器一、二次额定电压和额定电流？ ②变压器一、二次线圈的额定电压和额定电流？ **思考题：原边加直流电压是否可以？为什么？ 第二章 单相变压器运行原理及特性 (operation principle and characteristic of single phase transformer) 从空载和负载运行时的电磁关系出发，导出基本方程式、等效电路和相量图； 分析稳态运行性能（电压变化率、损耗和效率） *适用于三相变压器的对称运行。 第一节 单相变压器的空载运行 （no-load operation of single phase transformer） 一、电磁现象（electromagnetic phenomenon） 1. 空载定义： 2. 物理过程：   *电机中各物理量正方向的规定 Φ0和Φ1σ区别: ①在性质上：Φ0与I0非线性关系；Φ1σ与I0线性关系； ②在数量上：Φ0占99%以上；Φ1σ占1%以下； ③在作用上：Φ0传递能量的媒介；Φ1σ漏抗压降。 二、空载时各物理量（physical quantities of no-load） 原边电压：变压器一次线圈所接的电网电压； 空载电流： ①作用：一是用来激磁，产生主磁通；二是供空载损耗。 ②组成： ③性质：感性无功； ④大小：2～8%；，称为激磁电流。 **为什么越小越好？ ⑤波形：磁路饱和：尖顶波；磁路不饱和：正弦波。 *实际需要：将尖顶波的空载电流等效为正弦波。 空载磁动势  ……建立空载磁场 主磁通与一次漏磁通 主磁通感应的电动势 设，则   同理可得：  *结论：，在相位上滞后90°。 一次漏感电动势： 设，则   又可得：  式中：=常数， 为一次绕组的漏电抗。 *电抗的概念可以推广。 一次线圈电阻压降 空载损耗  *空载损耗约占（0.2～1）%，随容量的增大而减小。 三、空载时的电磁关系（electromotive relationship of no-load） 电动势平衡方程： ①一次侧： 忽略I0Z1，则有： 即  * 结论：影响主磁通大小的因素是: 电源电压U1、电源频率f和一次侧线圈匝数N1，与铁心材质及几何尺寸基本无关。 ②二次侧： 2. 变比： *降压K〉1；升压K〈1； **三相变压器：Y，d接线： D，y接线： Y，y和D，d接线： 3. 等效电路： 令:  *和的物理意义； 则有： 式中：、和随磁路饱和程度的增加而减小。 等效电路为：   r1 x1σ rm   xm 变压器空载时的等效电路 由于rm》r1 ，xm》x1 ，可得简化等效电路：  Rm   Xm 变压器空载时的简化等效电路 **空载电流的大小：取决于激磁阻抗的大小，从变压器运行的角度看，希望空载电流越小越好，因此变压器采用高导磁率的铁磁材料，以增大Zm减少I0，提高变压器的效率和功率因数。 4. 相量图： ① 空载时的方程式：（总结） ②空载时的相量图： **变压器空载运行时，很低，一般在0.1～0.2之间。 第二节 单相变压器的负载运行 (load operation of single-phase transformer) 一、磁动势平衡关系（magnetomotive force(mmf) balance relationship） 负载运行定义：在，下，二次线圈接以负载的运行状态。 负载时的电磁过程  磁动势平衡方程式：（1）磁动势形式： （2）电流形式 ： *解释方程的物理意义？ 若忽略I0，则有： 注意大小和相位。 二、电动势平衡方程(electromotive force(emf) balance equation)       三、折算（conversion） 1. 折算目的：获得等效电路；简化计算；画相量图 2. 折算方法：N2’=N1 折算原则：和二次侧的各功率保持不变 折算的物理量： ①二次侧电流：I2’=I2/k ②二次侧电动势的折算：E2’=kE2 E2σ’=kE2 U2’=kU2 ③二次侧阻抗的折算： R2’=k2R2 X2σ’=k2 X2σ RL’=k2RL XL’=k2XL 折算后的方程：  四、等效电路和相量图（equivalent circuit and phasor diagram） 1.“T”形等效电路和相量图 ①“T”形等效电路  r1 X1σ r2’ X2σ’   rm   Xm  ZL’ ②相量图 2.近似等效电路 一般I1NZ1<0.08U1N 时采用  r1 X1σ r2’ X2σ’  rm    ZL’ Xm 3.简化等效电路和相量图 ①简化等效电路：忽略I0  r1 X1σ r2’ X2σ’    ZL’ ②电压方程式： 其中：  简化相量图：要求掌握。 C  B    A  φ *说明：ΔABC为阻抗三角形；对于一台已制成的变压器，其形状是固定的。 **短路阻抗大小的意义：①从正常运行角度，希望小些； ②从短路角度看，希望大些，可限制短路电流。 第三节 变压器参数的测定 (measurement of transformer parameters) 说明：通过空载和短路试验测取。 一、空载实验（no-load test） 1.目的：通过测量I0，U1，U20及P0来计算K, I0（﹪），pFe，Zm=rm+jxm 以及判断铁心质量和线圈质量。 2.接线：一般低压侧加压，高压侧开路 3.步骤：①低压侧加电压，高压侧开路； ②电源电压由0～1.2UN（或1.2 UN～0），测U1、U20、I0和P0值； ③可得I0=f(U1)及P0=f(U1) **单方向激磁。 4.计算： ①变比： ② ③ ④由空载简化等效电路，得：；； 5.注意：①rm和Xm是随电压的大小而变化的，故取对应额定电压时的值。 ②空载试验在任何一方做均可，高压侧参数是低压侧的k2倍。 ③三相变压器必须使用一相的值。 ④，很低，为减小误差，利用低功率因数表。 二、短路实验（short circuit test） 1.目的：测IK、UK及PK，计算UK（﹪）,pCu, ZK=rK+jxK 。 2.接线：通常高压侧加压，低压侧短路 3.步骤：①高压侧接电源，低压侧短接； ②电压由0～↑，使IK=0～1.2IN，分别测IK、UK及PK； ③可得IK=f(UK)，线性；PK=f(UK)，抛物线。 4.计算： ① pCu≈pK=PK (PK=pCu+pFe≈pCu，∵电源电压很低pFe≈0) ② 由简化等效电路，得 ； ； *一般认为：； ③ 温度折算：线圈电阻与温度有关，国标规定向75℃换算； 对铜线： 对铝线： ∴  **①三相变压器必须使用一相的值。 ②短路试验在任何一方做均可，高压侧参数是低压侧的k2倍。 三、短路电压（阻抗电压）（short circuit voltage） 1.定义：短路试验时，使短路电流为额定电流时一次侧所加的电压，成为短路电压UK即UKN=I1NzK75℃ **记作：额定电流在短路阻抗上的压降，亦称作阻抗电压。 2.短路电压百分值： 短路电压有功分量： 短路电压无功分量： 3.uK对变压器运行性能的影响：短路电压大小反映短路阻抗大小 ① 正常运行时希望小些 ，电压波动小 ； ② 限制短路电流时，希望大些。 **中、小型变压器：（4～10.5）%； 大型变压器： （12.5～17.5）%。 第四节 标么值及其应用 （pre-unit value and application） 一、标么值的定义 （definition of pre-unit value）  *实际值与基准值必须具有相同的单位。 二、基准值的选取（selection of basic value） 1.通常以额定值为基准值，各侧的物理量以各自侧的额定值为基准 例如：变压器一次侧选； 变压器二次侧选； 由于变压器一、二次侧容量相等，均选 **①额定值的标么值为1；②标么值的表示为在原符号右上角加“*”表示； 　③使用标么值表示的基本方程式与采用实际值时的方程式在形式上一致。 举例：；； ；； ； ； 2.实际值、标么值和百分值的关系 实际值=标么值×基准值 百分值=标么值×100% 三、优缺点（merits and shortcomings） 1.优点：①便于分析比较； ②直观反映变压器运行情况，如： ③物理意义不同的物理量，具有相同的数值；  ④采用标么值后，不必折算了； ⑤采用标么值后，三相变压器的计算公式与单相变压器的计算公式完全相同。 2.缺点:①没有单位；②物理概念比较模糊。 第五节 变压器的运行性能 （operation characteristics of transformer） 一、电压变化率 (voltage regulation factor) 原因：内部漏阻抗压降的影响； 定义式： 参数表达式：由简化相量图，可得：（推导过程略）  式中： 称为负载系数，直接反应负载的大小，如，表示空载； ，表示满载； **影响Δu的因数：①负载大小；②短路阻抗标么值；③负载性质 二、变压器的电压调节（voltage regulation of transformer） 通过改变高压侧分接头（即改变高压侧线圈的匝数）来调压。 分接头： 调压方法： 三、损耗和效率(loss and efficiency) 1.损耗 **铁损---------不变损耗；铜损---------可变损耗。 2.效率： *变压器的效率比较高，一般在（95～98）%之间，大型可达99%以上。  令：   ∴  **结论：①效率大小与负载大小、性质及空载损耗和短路损耗有关。 ②效率特性： ③最大效率： 令： 得 即 （或铜损==铁损）时，有  **说明：变压器的铁损总是存在，而负载是变化的，为了提高变压器的经济效益，提高全年效益，设计时，铁损应设计得小些，一般取，对应的PKN与P0之比为3～4。 第三章 三相变压器 (three-phase transformer) 本章主要内容：①磁路系统；②电路系统；③线圈中的空载电动势波形 第一节 三相变压器的磁路系统 (magnetic circuit system of three-phase transformer) 按铁心结构分： 1.组式变压器：各相磁路彼此无关，即三相磁路是独立的； 原边外施三相对称电压→三相对称磁通→由于磁路对称，产生三相对称的空载电流 2.心式变压器：各相磁路彼此相关，有电和磁的联系； 原边外施三相对称电压→三相对称磁通→但由于磁路不对称，产生的三相空载电流不对称，且中间电流小。 *组式和心式变压器的比较： 组式变压器：受运输条件或备用容量限制采用 心式变压器：省材料，效率高，占地少，成本低，运行维护简单，广泛应用。 第二节 三相变压器的电路系统 (circuit system of three-phase transformer) 一、线圈首、末端的标志及极性(mark of head ,end and polarity) 1.变压器线圈的首、末端标志 线圈名称 单相变压器 三 相 变 压 器   首端 末端 首端 末端 中点  高压线圈 A X A B C X Y Z O  低压线圈 a X a b c x y z o  中压线圈 Am Xm Am Bm Cm Xm Ym Zm Om  2.极性：指瞬时极性——同名端 由线圈的绕向和首末端标志决定 二、单相变压器的连接组别(connections of single-phase transformer) 1.定义：反映单相变压器高、低压线圈电动势（或电压）之间的相位关系，它由线圈的绕向和首末端标志决定。 2.单相变压器的连接组别：I,I0；I,I6 **①I,I0；I,I6的意义； ②国标规定：I,I0为标准连接组别。 三、三相变压器线圈的连接组别(connections of three-phase transformer) 1.连接方式：Y或D；（y,d）----复习电路知识 2.定义：反映三相变压器对称运行时，高、低压侧对应线电动势（或线电压）之间的相位关系，它与线圈的绕向和首、末端标记及高、低压线圈的连接方式有关。 3.时钟表示法：（位形图） 举例： 作图步骤：①先画出高压线圈的位形图； ②便于比较，将A,a连成等电位点； ③画出低压侧的位形图； ④将AB,ab连线，得出结论。 4.国标规定了五种标准连接组：Y,yn0；Y，d11；YN，d11；YN，y0；Y，y0。 **①凡Y,y或D,d连接均为偶数；②凡Y,d或D,y连接均为奇数。 **本节课将原理讲完后，主要让学生自己练习。 第三节 磁路和线圈连接方式对空载电动势波形的影响 （influence of magnetic circuit and circuit system to emf wave） 复习电路知识：①非正弦波（如e,i,φ）可分解成：基波+3次谐波+5次谐波+……，主要是3次谐波的影响，其余忽略不计。 ②3次谐波特点：三相大小相等、相位相同、3倍基波频率。 磁路和线圈连接方式对空载电动势波形的影响 接 线 波 形 Y,y YN,y或D,y Y,d 正常运行 Y,yn   组式 心式 组式 心式  组式 心式  激磁电流 正弦 正弦 尖顶 尖顶 正弦 正弦 正弦  主磁通 平顶 基本正弦 正弦 正弦 基本正弦 平顶 基本正弦  感应电动势 尖顶 基本正弦 正弦 正弦 基本正弦 尖顶 基本尖顶  **说明：Y,yn接线空载时与Y,y接线情况完全相同。 思考题：Y,d接线的三相变压器，三次谐波电动势在d中能形成环流，而基波电动势在d中能否形成环流，为什么？ 第四章 变压器运行 (the operation of transformer) 第一节 变压器的并联运行 （parallel connection operation of transformer） 前言：1.定义：几台变压器的原、副线圈分别连接到原、副边的公共母线上，共同向负载供电。 2.优点：①可靠性；②经济性。 一、理想条件（ideal condition） 1.理想情况：①空载时副边无环流； ②负载后负载系数相等； ③各变压器的电流与总电流同相位。 2.理想条件：①各变压器的原、副边的额定电压分别相等，即变比相等； ②各变压器的连接组号相同； ③各变压器的短路阻抗（短路电压）标么值相等，且短路阻抗角也相等。 二、不满足并联条件的分析（analysis）----以两台变压器并联运行为例来分析 1.变比不等时的并联运行，设 ①空载运行时的环流（原边向副边折算） 空载时有环流： ②负载运行：  *结论：变比大的变压器承担的电流小，变比小的变压器承担的电流大。 2.组别不同时并联运行 组别不同时，副边线电动势最少差300，由于短路阻抗很小，产生的环流很大。 **结论：组别不同，绝对不允许并联。 3.短路阻抗标么值不等时的并联运行     **结论：各变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值成反比，短路阻抗标么值大的变压器分担的负载小，短路阻抗标么值小的变压器分担的负载大。 4.变压器运行规程规定： ①变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器，在任何一台变压器都不会过载的情况下，可以并联运行。 ②短路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（即适当减小其电压变比），以使并联运行的变压器的容量均能得以充分利用。 第二节 三相变压器的不对称运行 (unsymmetrical operation of three-phase transformer) 前言：①三相变压器的外施电压一般是对称的，其不对称往往是由负载不对称所致。如：变压器二次侧接有较大的单相负载、照明负载三相分配不平衡等。 ②分析不对称运行方法：对称分量法。 一、对称分量法（以电流为例）(symmetric components method) 1.定义：实际上是一种线性变换，它是把一组三相不对称的正弦量分解成三组互为独立的三相对称的正弦量，它们分别是： ①零序分量：三相对称的正弦量，大小相等，相位相同，即； ②正序分量：三相对称的正弦量，大小相等，相位互差120°，相序为，即，式中：，，； ③零序分量：三相对称的正弦量，大小相等，相位互差120°，相序为，即。 2.分解公式： 二、三相变压器的各序阻抗和等效电路(sequence impedance and equivalent circuit) 1.正序阻抗和等效电路 ①正序阻抗：正序电流所遇到的阻抗，，相序为：； ②等效电路： 2.负序阻抗和等效电路 ①负序阻抗：负序电流所遇到的阻抗，，相序为：； ②等效电路： 3.零序阻抗和等效电路 ①零序阻抗：零序电流所遇到的阻抗； ②等效电路：由零序电流本身特点，其产生零序磁通与线圈的连接方式和铁心结构有关。 ⑴线圈连接方式的影响：Y：零序无通路，Y侧开路； YN：可以经中性线流通； D：在线圈内流通，从外电路看，开路。 例如： ⑵铁心结构影响：Ⅰ.组式变压器：三相零序磁通与对称运行时的主磁通磁路相同，，很大； Ⅱ.心式变压器：磁阻大，零序磁通不能在铁心内闭合，很小，且 三、Y,yn接线三相变压器带单相负载(single-phase load of three-phase transformer with Y,yn connection) 如图：一次外施三相对称电压，单相负载ZL接a相，为了简单起见，副边量已折算至原边，不加折算符号。 分析：根据不对称条件，列端点方程：    得： 忽略漏阻抗，得 **可见，零序阻抗对单相负载电流影响甚大。 ①组式变压器：，此时，，所以不能带单相负载； ②心式变压器：很小，负载电流主要 **中性点位移：当副边三相电压不对称，带负载相电压下降，而不带负载相电压反而升高了，但线电压仍为对称。并且零序电动势越大，中性点位移就越严重。 第三节 瞬变过程 (transient procedure of transformer) 前言：①瞬变过程：变压器从一种稳定运行状态过度到另一种稳定运行状态。 ②包括：副边突然短路和空载合闸到电网上等。 一、变压器副边突然短路(secondary winding sudden short circuit) 假设：短路前为空载，相当于rK、LK电路在正弦激励下的零状态响应。 设：电源电压 式中：为短路瞬间电网电压初相角； 等效电路： 列KVL方程： 得： 稳态分量 瞬变分量 式中：…………稳态短路电流有效值； …………短路阻抗角； …………短路电流衰减时间常数； 1.当（即u1最大）时突然短路 ；发生稳态短路，短路电流最小，即（10～20）IN。 2.当（即u1=0）时突然短路 初始值最大，最严重情况；，短路后，经半个周期时，突然短路电流达到最大值（称为冲击电流）即为（24～36）IN。 二、变压器空载合闸(closing switch without load) 稳态空载：（2～8）%IN； 变压器空载合闸：产生激磁涌流，为几倍的IN； 等效电路：  1.当（即u1最大）时空载合闸 空载电流为正常时的空载电流； 2.当（即u1=0）时空载合闸 经半个周期时， **突然短路与空载合闸时的磁路情况； **空载合闸对变压器本身无危害，但变压器有可能不能合闸。 异步电机 (asynchronous or induction machine) 前言：①定义：异步电机（也叫感应电机）是一种交流旋转电机，它的转速除与电网频率有关外，还随负载而变。 ②应用：主要作电动机使用，如：机床；水泵；家用电器； ③它的功率因数永远是滞后的。 第五章 异步电动机的基本工作原理与结构 （basic operation principle and structure of three-phase asynchronous motor） 一、基本结构(basic structure) 1. 定子： 定子铁心：磁路一部分，低硅钢片0.5mm (stator) 定子绕组：电路一部分，铜线 机 座 ：固定和支撑定子铁心 2. 转子： 转子铁心：磁路一部分, 低硅钢片0.5mm (rotor) 转子绕组： 笼型绕组 转轴 绕线式绕组 3. 气隙(gap)：对于中小型异步电机，气隙一般为0.1～1mm；为了降低电机的空载电流和提高电机的功率，气隙应尽可能小。 二、基本工作原理(basic operation principle) 1. 电生磁：定子绕组接到三相电源上，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，转速为：； 2. 动磁生电：转子绕组产生电动势并在转子绕组中产生相应的电流；转子自身闭合； 3. 电磁力定律：转子带电导体在磁场中受电磁力的作用，并形成电磁转矩，推动电机旋转起来。 思考：1）n和n1是否可以相等？ 2）电机的转向由随决定？3）何谓异步？ **说明：①转子转动方向与电流相序有关，若要改变转向，只需改变相序，即对调任意两根电源线。 ②转速n﹤同步转速n1 三、三种运行状态(three operation states) 1. 转差率定义： 起动瞬间：n=0,S=1；理想空载：n≈n1，s≈0；正常运行：SN=0.01～0.06； ∴n=(1-S)n1 2．三种运行状态： 状态 电动机 发电机 电磁制动  n与s关系 n<n1,0<s<1 n>n1,s<0 n与n1反向，n<0,s>1  E1 反电动势 电源电动势 反电动势  Tem 驱动 制动 制动  能量转换 电能→机械能 原动机机械能→电能 电+机械能→内部损耗（短路）   四、型号和额定值(type and rated values) 1.型号 例如：Y 112S-6 极数6极 短机座 规格代号：中心高112mm 产品代号：异步电动机 2.额定值 ①额定功率PN: 电动机在额定情况下运行，由轴端输出的机械功率，单位为W，kW。 ②额定电压UN: 电动机在额定情况下运行,施加在定子绕组上的线电压，单位为V。 ③额定频率fN：50Hz。 ④额定电流IN：电动机在额定电压、额定频率下轴端输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。 ⑤额定转速nN：电动机在额定电压、额定频率、轴端输出额定功率时，转子的转速，单位为r/min。 对于三相异步电动机，额定功率：  对于380V低压异步电动机，则有：一个千瓦两个电流： 3.接线 对于三相异步电动机定子绕组可以接成星形或三角形。 定子接线方式： Y接 D接 第六章 交流电机绕组、电动势及磁动势 (winding, emf and mmf of alternating current machine) 前言：本章介绍交流电机的共同问题。 第一节 交流绕组简介 (the outline of alternating current winding) 一、基本知识 (basic knowledge) 1.交流绕组的基本要求 ①三相绕组对称，以保证三相电动势（或磁动势）对称； ②在导体数一定时，力求得到尽可能大的电动势和磁动势； ③电动势和磁动势波形尽可能接近正弦波形； ④用铜量少、工艺简单，便于安装检修。 2. 交流绕组的分类 ①根据绕法：迭绕组和波绕组； ②根据槽内层数：单层绕组和双层绕组。 二、基本概念(basic concept) 1.极距τ： 2.线圈节距y： 整距y=τ； 短距y<τ。 3.空间电角度（或电角度）：空间电角度=p机械角度 4.槽距角α（电角度）：  5.每极每相槽数q:  6.相带：60°相带，分相AZBXCY 7.槽电势星形图 8.展开图绘制方法 ①计算极距 ②计算槽距角α； ③计算每极每相槽数q； ④分相：采用60°相带； ⑤画展开图； ⑥端线连接。 三、举例（for example） 第二节 交流绕组基波电动势 (fundamental emf of alternating current winding) 一、交流绕组基波电动势(fundamental emf of alternating winding) 1.一根导体的电动势 ①电动势频率： ②电动势波形：由e=BLV可知，由气隙磁密沿气隙分布的波形决定； ③基波电动势大小：  式中：为每个磁极基波电动势的大小。 2.线匝电动势及短矩系数  ，短矩系数：  3.线圈电动势 设线圈为Nc匝数，则有： 4.线圈组电动势及分布系数 q个线圈组成，集中绕组： 分布绕组： 分布系数： 物理意义： 绕组系数： 物理意义: 5.一相绕组电动势 一相绕组中的基波电动势： 单层绕组： ； 双层绕组： 二、改善电势波形的方法（the method of improving emf wave） 1.设计制造电机时，尽可能使Bδ沿空间分布为正弦波形； 2.采用Y接线，消除线电势中3及3的倍数次谐波； 3.采用短矩绕组： 基波 τ f α   ν次谐波       则 取 消除ν次谐波电势 举例：5、7次谐波，选 4.采用分布绕组。降低，同上。 **思考题：是否分布越多越好？ 第三节 交流绕组磁动势 (mmf of alternating current winding) 说明：本节只定性分析绕组的基波磁动势的性质。 一、单相绕组的基波磁动势—脉动磁动势 (fundamental mmf of single-phase winding--pulsating mmf) 1.整距集中绕组的磁动势 设气隙均匀，通以正弦交流电流，，Nc匝，则  每个气隙上的磁动势为： *结论：①波形：矩形波； ②脉动磁动势：空间位置固定、幅值大小和方向随时间而变化的磁动势。 ③分解：  其中：用电角度表示的空间距离。 ④基波磁动势的幅值： ⑤ν次谐波磁势的幅值： ⑥基波磁动势的性质：按正弦规律变化的脉动磁动势。 2.一组整距分布绕组的磁势（q个）  3.一组双层短矩分布绕组的基波磁动势  4.单相绕组的磁动势 相电流为Iφ、每相串联匝数N、绕组并联支路数a、则 单相磁动势为：  5.单相脉动磁动势的分解    *结论：两个磁动势的性质：①圆形旋转磁动势； ②幅值为单相磁动势幅值的一半； ③转速：  即：一个脉动磁势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。 二、三相绕组基波合成磁动势----旋转磁动势 (fundamental harmonic mmf of three phase winding—rotating mmf) 1.圆形旋转磁动势 ①数学法：   分解后相加的三相合成磁动势为： ②图解法： *结论：⑴三相对称绕组流过三相对称电流产生的合成基波磁动势为圆形旋转磁动势； ⑵性质：①幅值： ； ②转速： ； ③转向：从载有超前电流相转到载有滞后电流相； ④某相电流达最大值时，合成磁动势的幅值恰好在该相绕组的轴线上 。 2.椭圆形旋转磁动势 当其中一个不对称时，便为椭圆形旋转磁动势。 小结：单相绕组------脉动磁动势； 三相绕组------旋转磁动势。 第七章 异步电动机运行原理 (operation principle of asynchronous motor) 前言：本章先分析异步电动机运行时的物理过程，导出电动势和磁动势平衡方程、等效电路，然后再叙述功率平衡，电磁转矩公式及工作特性。 第一节 转子不转时的状况分析 (status analysis of rotor with no rotation) 一、异步电动机的主磁通和漏磁通(main flux and leakage flux) 1.主磁通Φ0： ①作用：传递能量的媒介作用； ②路径：定子—气隙—转子—气隙—定子。 2.漏磁通Φσ： ①不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用； ②包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。 二、转子不转时的状况分析(status analysis of rotor with no rotation) 1.电动势平衡方程：与变压器副边短路时相似的物理过程，则：   电动势变比： **说明：①有气隙，异步电动机的xσ比变压器的大； ②U1一定，φ也近似不变。 2.磁动势平衡方程：  即： 式中：为电流变比，   **结论：、大小相等，方向相反，且又以同速、同向旋转，在空间相对静止。 第二节 转子旋转时的状况分析 (status analysis of rotor with rotation) 一、转子绕组的各电磁量(electromagnetic quantities of rotor winding) 1.转子电动势的频率：；正常运行时，； 2.转子绕组的感应电动势：； 3.转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应，认为不变不变； ； 4.转子绕组的电流： 正常运行时，转子端电压U2=0， ； 有效值：； *结论：转子电流I2随S的增加而增加。 5.转子绕组的功率因数： *结论：转子功率因数随S的增加而减小。 6.转子磁动势的转速：相对转子速度： 相对定子速度： **与相对静止。 二、磁动势平衡方程(mmf balance equation) 1.磁动势形式： 2.电流形式： **定性分析方程的物理意义： 三、电动势平衡方程(emf balance equation) 1.方程：   2.的物理意义与变压器的相同，但由于气隙的存在，比变压器的小。 举例：（for example） 已知：一台三相异步电动机，在额定转速下运行，，电源频率，试求：1）转子电流频率； 2）定子电流产生的旋转磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？ 3）由转子电流产生的转子磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？ 第三节 等效电路(equivalent circuit) 一、频率折算(frequency conversion)--把旋转的转子折算为静止的转子 1.折算原则：①保持F2不变，只要使等效前后转子电流的大小和相位相等即可； ②等效前后转子电路的功率和损耗相等。 2.折算方法： **①附加电阻的物理意义：模拟转轴上总的机械功率； ②转子方程为：  二、转子绕组折算(winding conversion) 说明：原则和方法与变压器相同。 1.电流折算：  2.电动势折算： 3.电阻和电抗折算：   三、等效电路（equivalent circuit） 1.折算后的基本方程组：      2.T形等效电路  r1 X1σ r2’ X2σ’   rm    Xm  分析：①堵转：，相当于短路； ②空载：，相当于开路。 四、简化等效电路(simplifying equivalent circuit) 与变压器的近似等效电路相同，但须引入一修正系数C1 ，对于40kW以上，可取C1=1。 **注意：异步电动机的等效电路与变压器的区别。 第四节 电磁转矩和转矩特性 （electromagnetic torque and torque characteristics） 一、功率平衡和转矩平衡(power balance and torque balance) 1.功率平衡：能量转换：电能→机械能 P1 Pem Pmec P2 pCu1 pFe pCu2 pmec+pad 电源输入功率： 定子铜损：  定子铁损：  电磁功率：  转子铜损：  总机械功率：  输出功率：  可见：  2.转矩平衡： ，即 ------机械角速度rad/s； 式中：Tem—电磁转矩（驱动）；T2—负载转矩（制动）；T0—空载转矩（制动）； 式中：  二、电磁转矩(electromagnetic torque) 1.物理表达式： = (CT为转矩常数) 说明：上式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系。 2.参数表达式：由简化等效电路可得 ： 可得： *结论：与电源参数、电机参数和运行参数的关系。 三、转矩特性(torque characteristics) 1.转矩特性：其他参数一定， 分析：异步电动机转差率s在0～1之间，但实际上s在0～sm（临界转差率）时， 稳定；s在1～sm之间，不稳定；，s=sm，处于临界状态。 电磁制动状态 电动机状态 发电机状态 Tem TN Tmax Tst +∞ S=1 Sm SN 0 -∞ Tmax 转矩特性 2.三个特征转矩 ①额定转矩TN：额定负载时  **注：的单位为kW。 ②最大电磁转矩Tmax：   特点：⑴Tmax与成正比；而Sm与无关； ⑵Tmax与转子电阻无关；而Sm与转子电阻有关； ⑶f1一定时，越大， Tmax越小。 ⑷过载能力（或最大转矩倍数） 一般为1.6～2.5，越大，过载 能力越强。 ③起动转矩Tst n=0, S=1，得 当转子回路电阻为：时，起动转矩达到最大电磁转矩。 起动转矩倍数：，↑，↑，起动能力强。 JO2：1.0～1.8；Y：1.4～2.2；特殊电机：4.0以上。 补充：实用表达式（practical expression）  *此表达式主要用于求机械特性曲线。 第五节 工作特性（operation characteristics ） 定义：是指在额定电压和频率下，电动机的转速n(s)、输出转矩T2 、定子电流I1、功率因数cosφ1、效率η与输出功率P2之间的关系。 一、转速特性 (speed characteristic)  或  由Pcu2= s Pem得 s= 是一条稍向下倾斜的曲线。 二、输出转矩特性 （output torque characteristic） 异步电动机的输出转矩： 是一条过原点稍向上翘的曲线。 三、定子电流特性（stator current characteristic）  由知，空载时：，很小； 负载时，P2增加，也增加，I1也增加。 四、定子功率因数特性(stator power factor characteristic)  空载：很小；负载时，随↑，↑。 五、效率特性（efficiency characteristic）  根据η= 空载时，P2=0，η=0； 负载时，随着P2的增加，η也增加，当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时，η最大； 负载继续增大，铜损增加很快，η反而下降。 **说明：电机在额定负载附近的和η较高，希望在PN附近运行。 I1 T2  η S P2 异步电动机工作特性图 第八章 三相异步电动机的起动和调速 （starting and speed regulation of three-phase asynchronous motor） 主要内容：①重点掌握起动； ②了解调速方法。 第一节 三相异步电动机的起动 （starting of three-phase asynchronous motor） 一、概述(introduction) 1.起动定义：电动机接到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程； 2.起动电流：n=0,S=1时的电流。  起动电流倍数： 3.起动转矩： 4.起动电流大的原因：此时处于短路。 5.起动转矩不大的原因：1）减少； 使Tst不大。 2）减小； 6.起动要求：①起动电流尽量小，以减小对电网的冲击； ②起动转矩尽量大，以缩短起动时间； ③起动设备简单，可靠。 二、鼠笼式异步电动机的起动（stating of squirrel-cage asynchronous motor） 1.直接起动（starting directly） ①优点：设备简单，操作方便； ②缺点：起动电流大，须足够大的电源； ③适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。 **如何判断是否能起动：①起动电流；②起动转矩；二者必须同时满足。 2.降压起动 如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。 *适用：容量大于20kW并带轻载的情况。 定子回路串电抗器起动  ；  式中：k为电动机端电压之比，且k>1。 ②用Y-Δ起动 适用条件：正常工作时定子绕组三角形接法且三相绕组首尾六个端子全部引出来的电动机才能采用。  ；  ③自耦补偿器（自耦变压器）起动  ；  优点：一般有三个抽头，有不同的选者。 缺点：设备费用较高。 **三种起动方法的比较 ： 三、绕线式异步电动机的起动（stating of winding type asynchronous motor） 转子：一般均接成Y形，正常三相绕组通过滑环短接，若转子绕组直接短接情况下起动，与鼠笼一样， Ist大，Tst不大。 1.在转子回路串起动变阻器起动 在转子回路中串入多级对称电阻，起动时，随着转速的升高，逐级切除起动电阻。一般取最大加速转矩T1=(0.7～0.85)Tm，切换转矩T2=(1.1～1.2)TN。 ①优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩 ②适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。 2.在转子回路串接频敏变阻器起动 频敏变阻器是一铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。 第二节 双鼠笼和深槽式异步电动机 （double squirrel-cage and deep-bar asynchronous motor） 说明：主要利用集肤效应（趋肤效应）原理工作，即起动过程自动改变转子电阻。 一、双鼠笼式异步电动机(double squirrel-cage asynchronous motor) 1.结构 定子：与普通鼠笼电动机一样； 转子：有两套鼠笼 上层笼：ρ大，黄铜或青铜，截面小，∴r2上大→起动笼 下层笼：ρ小，紫铜，截面大，∴r2下小→工作笼 漏磁通分布情况：由于缝隙的存在，Φσ下>Φσ上，即x2下>x2上。 2.运行原理 ①起动时，s=1，f2最大，转子漏抗x2大，电流分布取决于x2，∵x2下>x2上，∴转子电流集中于上笼（趋肤效应）----起动笼起主要作用，又∵r2上大→↑→Tst↑； ②正常运行：sN=0.01～0.06，很小→f2S很小→x2很小→电流取决于r2，∵r2下小→电流分布在下笼，此时漏抗x2小，↑→Tem↑ 3.优缺点 ①优点：较大的Tst和较小Ist； ②缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。 二、深槽式异步电动机(deep-bar asynchronous motor) 1.结构：定子：与普通鼠笼电动机一样； 转子：槽深而窄, 2.工作原理：同双鼠笼式异步电动机。 **双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。 第三节 三相异步电动机的调速简介 （introduction of three-phase asynchronous motor about speed regulation） 一、概述（introduction） 1.异步电动机特点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。 2.转速公式： 3.调速方法：①变极调速；②变频调速；③改变转差率 S调速。 4.调速性能：①调速范围；②调速的稳定性；③调速的平滑性；④调速的经济性。 二、变极调速（pole conversion speed-regulation） 前言：可以采用两套绕组，但为了提高材料的利用率，一般采用单绕组变极，即通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势，以实现变极调速。 1. 变极原理 S N S N a1 x1 a2 x2 A X 2p=4 S N S N a1 x1 a2 x2 A X 2p=2 2.变极绕组的连接方法： →YY(2p→p)； ②顺串Y→反串Y（2p→p）； ③Δ→YY(2p→p)。 说明：变极前后，三相绕组的相序发生改变，为保证电动机的转向不变，须对调定子两相绕组的出线端。 3.变极前后转矩和功率的变化 设⑴定子绕组相电压为，相电流为，则输出功率为 ⑵变极前后两种极对数下，、不变，并近似认为，则得：  ①Y→YY(2p→p)； Y接时绕组相电流为：I；YY接时绕组相电流为：2I；则变极前后电磁转矩之比为： 结论：此种变极连接方法适用于恒转矩负载变极调速。 ②Δ→YY(2p→p)； 同步角速度之比： Δ接相电压为：，相电流为：I；YY接相电压为：，相电流为：2I，则两种极对数下输出功率之比为： 结论：此种变极连接方法适用于恒功率负载变极调速。 *说明：变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬，但只能实现有极调速。单绕组三速电机绕组接法已经相当复杂，故变极调速不适宜超过三种速度。 三、变频调速（frequency conversion speed-regulation） 1.概述 异步电动机的转速：；当转差率S变化不大时，n近似正比于频率，可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。 ①单一调频，不变，↑→↓→↓→→电机得不到充分利用； ↓→↑→磁路过饱和，励磁电流↑↑→↓， pFe↑ ②保持不变，调同时，调，不变。  2.恒转矩调速 电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有，则 ，若令电压随频率作正比变化：，则 主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变。 3.恒功率调速 电机变频调速前后它的电磁功率相等，即，则  1）若主磁通不变： 2）若过载能力不变：，主磁通发生变化； *优点：调速范围广，平滑性好。 *缺点：价格比较贵。 四、转子回路串电阻调速---属于改变转差率调速 Sm改变 （series resistance connection of speed-regulation in rotor circuit） 串电阻前后保持转子电流不变，则有：；； 电磁转矩为：保持不变，即属于恒转矩调速。 优点：简单、可靠、价格便宜； 缺点：效率低。为克服这一缺点，可采用串级调速。 五、改变定子端电压调速（voltage conversion speed-regulation） ----属于改变转差率调速 Sm不变 适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。 **电磁调速异步电动机----滑差电动机 一种交流恒转矩无级调速电动机，结构简单，运行可靠，维修方便，调速范围广，起动转矩大，已被广泛应用。 第九章 三相异步电动机在不对称电压下运行 单相异步电动机 (operation of three-phase asynchronous motor under unsymmetrical voltages and single-phase asynchronous motor) 第一节 三相异步电动机在不对称电压下的运行 (operation of three-phase asynchronous motor under unsymmetrical voltages) 1.分析方法：对称分量法； 2.分析：电动机定子绕组Y或Δ接线，无中线，故电机内不存在零序电流、零序电压和零序磁场，只有正、负两个系统，然后迭加。 ①异步电动机在正序电压作用下→定转子绕组产生正序电流→产生一个以同步速n1旋转的正序旋转磁场→正向电磁转矩； ②异步电动机在负序电压作用下→定转子绕组产生负序电流→产生一个以同步速n1旋转的反序旋转磁场→反向电磁转矩。 3.缺点：三相定子绕组流有三相不对称电流，产生椭圆形旋转磁场→幅值时大时小→转速时大时小→电机振动→转速不均和电磁噪音。 第二节 单相异步电动机 （single-phase asynchronous motor） 前言：结构：定子为单相绕组（有起动和工作绕组）；转子为鼠笼式。 一、工作原理(basic operation principle) 单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，其可分解为F+、F-，建立起正转和反转磁场Φ+、Φ-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩T+、T-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩T。 设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为 s+ ==s 对反转磁场而言，转差率s-为 s- ==2-s **单相异步电动机的T=f(s)曲线： **单相异步电动机的特点： ①转子静止时，合成转矩为0，即单相异步电动机无起动转矩。 ②当s≠1时，T≠0，且T无固定方向，取决于s的正负。 ③由于反向转矩的作用，合成转矩减小，过载能力低。 二、起动方法(starting methods) 1.分相起动电动机 电容起动电动机：转向：由起动绕组转向工作绕组； 电容电动机：实为两相异步电动机； 电阻起动电动机：起动转矩小，只适用于比较容易起动的场合。 2.罩极电动机 ①结构特点：凸极定子，工作绕组为集中绕组，极靴表面的～处开槽，小极部分罩—短路环（即为罩极绕组）； ②工作特点：电动机起动转矩很小，只适用于小型风扇、电动模具及电唱机中，容量一般在30～40瓦以下；转向：由未罩部分转向被罩部分。 **小结：分相电动机可通过改变并联到单相电源的两绕组的任一个的首、末端，即可改变其转向。