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电机学读书报告一、 导论1、 电机的定义：所有实施电能的生产，传输，使用和电能特性变化的机械装置2、 电机的分类 静止的电气设备变压器 直流发电机 直流电机电机 直流电动机 旋转电机 同步发电机 同步电机 同步电动机 交流电机 三相异步电机 异步电机 单相异步电机3、 电机的发展趋势（1）高温超导体电机：低温超导，高温超导（2）绿色电机：节能环保（3）智能化电机：控制能力，学习能力，容错运行能力（4）电子电机：电机与电力电子结合4、电机中基本电磁理论 （1）全电流定律，电磁感应定律，电磁力定律（2）磁路与电路的对应关系 （3）磁路基本定律：磁路欧姆定律，磁路基尔霍夫第一定律，磁路基尔霍夫第二定律二、直流电机 1、 定义：直流电机是指产生直流电的或使用直流电的装置 用途：直流电动机具有良好的启动性能和宽广平滑的调，速性能广泛的用于电力机车和无轨电车，装置需要经常需要启动并调速的电气传动装置，小容量的直流电机多在控制系统中以伺服电动机和测速发电机作为执行和测量元件使用2、直流电机的主要部件主磁极：用于产生气息磁场，一般为永磁体和励磁绕组通电后构成 换向极：改善电机换向 机座：是固定和极间磁通路径 电枢铁芯：是用来构成磁通路径和嵌放电枢绕组的地方 电枢绕组：用来感应电动势和通入电流产生电磁力，是实现机电能量转化的核心部件 换向器：是改变交流感应电动势方向 电刷：把转动的电枢和外电路相连，是电流进入和离开电枢3、直流电机的励磁分类： 他励直流电机：励磁绕组由外部电源供电，并励直流电机：电枢绕组和励磁绕组并联，电枢电压和励磁电压相等（但可以加开关控制先后通断来完成好的启动）（并励电动机运行时励磁绕组绝对不能开路，否则重在时导致停转，反电动势为零，这样就会造成电枢电压增大，而电阻较小，导致电流过大而过热，轻载会导致“飞速”）;串励直流电机：电枢绕组和励磁绕组相串联，电流相等（串励绝对不容许空载，以免发生飞速，同时具有较大的启动转矩和过载能力，适合于电力机车一类的牵引力）；复励直流电机：励磁部分为两部分分别并和串在电枢绕组的两端（介于两类之间的优点）。4、直流电机的电枢绕组 （1）直流电机的电枢绕组可以分为三类：叠绕组，波绕组，蛙绕组 （2） 右行时 单叠绕组 m叠绕组 单波绕组 即:元件数=换向片数=虚槽数5、直流电机的空载磁场空载磁场只有励磁电流建立，也叫主磁场。主磁场路径（5段）：二个气隙，二个齿，二个主极，一个定子轭，一个转子轭电机的磁化曲线：电机的额定工作点一般设计在磁化曲线开始弯曲的所谓“膝点”附近。6、直流电机的负载磁场和电枢反应 当电机有负载，电枢电流不为0时，该电流也会在电机中产生磁场，即为电枢磁场。它对主磁场的影响叫电枢反应。 主磁场 直流电机的负载磁场 电刷在几何中性线上：只有交轴电枢电动势电枢磁场电刷不在几何中性线上：既有交轴又有直轴电枢电动势 交轴电枢反应（不但使气隙磁场畸变，而且还有去磁作用）：使物理中性线偏离几何中性线一个角，对于发电机，偏移为顺电枢转向，对于电动机，偏移为逆电枢转向。无饱和影响时，每个主极下的磁场，一半被消弱，另一半被加强，总的磁通不变。饱和时，被削弱的一半波形与无饱和相通，而增强的一半磁密曲线下降，所以总磁通减少。 直轴电枢反应（只影响每极磁通的大小）： 如果是发电机电刷顺向转动角，直轴电枢反应去磁；如果是发电机电刷逆向转动角，直轴电枢反应增磁；如果是发电机电刷顺向转动角，直轴电枢反应增磁；如果是发电机电刷逆向转动角，直轴电枢反应去磁。 7、直流发电机稳态运行时的基本方程式 电枢回路方程式： 电枢电动势为: 电磁转矩为： 稳态运行时转矩关系： 并励或他励的发电机的励磁电流： 气隙每极磁通为：8、直流发电机稳态运行时的功率关系式中 为电磁功率。为直流发电机输给负载的电功率。 为电枢回路总铜损耗。式中 为原动机输给发电机的机械功率。 称为电磁功率。 为发电机空载损耗功率，其中为发电机的摩擦损耗，为铁损耗。9、 直流电动机的机械特性每台电动机只有一条固有机械特性，当改变电气参数如变电源电压、或变气隙磁通、或变电枢外串电阻时，所得到的机械特性，称为人为机械特性。（1）他励直流电动机的机械特性如下表所示。电枢回路串电阻改变电枢电源电压减少气隙磁通量表达式特性曲线（2）串励和复励直流电动机的机械特性串励电动机的机械特性是一条下降的近似双曲函数的曲线。额定负载电流以下时，产生的电磁转矩比并励的小；额定电流以上时，产生的电磁转矩比并励的大。复励电动机的机械特性介于串励和他励电动机之间。三、变压器1、定义：变压器是输送交流电时所使用的一种变电压和变电流的设备，它能将一种绕组的电压和电流从某种数量等级改变为另一种绕组的另外一种等级的电压和电流。2、 变压器的基本结构：（1） 铁芯：是变压器的磁路，分为心柱和铁轭（2） 绕组：变压器的电路部分，由包有绝缘材料的铜或绿导线绕制而成（3） 油箱：作用是提高绝缘度，加强散热（4） 套管：为变压器的引线从油箱内穿过油箱盖提供通道，又使高压引线和接地的油箱绝缘。3、变压器的额定数据（1） 额定电压，是电源加到一次绕组的额定电压，是一次绕组加上额定电压后二次绕组开路，即空载运行时二次绕组的端电压。（2） 额定电流,指满载电流值，即长期工作所允许的最大电流。（3） 额定容量是变压器视在功率的额定值，单位为。单相变压器：三相变压器：(4) 额定频率，我国规定标准工业用电频率为。4、变压器的运行原理与特性主磁通相等（1）变压器的空载运行 变压器的负载运行 磁路平衡在分析变压器中的应用：由于磁通守恒有 即令 代入上式得： 即负载运行时有二个分量和：为励磁分量，用于建立变压器铁芯中的主磁通，为负载分量，用于建立磁动势去抵消二次侧磁动势。（2）绕组折算：绕组折算的条件：折算前后不变；绕组折算的目的：1）简化变压器的计算 2）模仿空载运行导出负载运行的等效电路 绕组折算的方法：设变压器的变比为k，由二次侧折算到一次侧，则 单位为V 乘以变比 单位为A 除以变比单位为 乘以变比平方采用折合算法后，变压器一次侧量为实际值，二次侧量为折合值，折合后的 基本方程式就为（3） 变压器的T型等效电路变压器的T型等效电路如图所示。变压器的T型等效电路（4） 变压器参数测定1)变压器的空载试验做空载试验时，二次绕组开路，一次绕组接上额定电压，测量此时的输人功率、电压和电流，则可得 励磁电阻,励磁阻抗 ，励磁电抗2)变压器的短路试验做短路试验时，保持一、二次侧电流为额定值，一次绕组电压为。试验操作步骤：二次绕组先短路，一次绕组再加电压，电压从零逐渐升高，到时停止升压，再测量、及输入功率。 短路电阻,短路阻抗，短路电抗（5）变压器的运行特性参数1）电压变化率： 2）效率 变压器的效率特性： 令得 即 所以在铜耗等于铁耗时，变压器的效率达到最高。5、变压器的并联运行1)并列运行理想条件一次侧间无环流，负载时各变压器所负载的负载电流按容量成比例分配。需满足三个条件：a) 各变压器一二次侧的额定电压对应相等b) 联接组号相同c) 短路阻抗标幺值相等2）不满足理想并联条件时的后果a）变比不等:由于变比不等，则副边电压不等，并联运行后， 变压器之间会产生环流。变比差值越大，环流越大。为保证空载运行时环流不超过额定电流的10%，则变比之间相差必须小于1%。 b)连接组别不同:由于连接组别不同，副边电压的大小虽然相同，但相位不同，至少相差30，且其数值都比较大，这样一、二次绕组中都出现极大的循环电流，这是绝对不允许的。因此，连接组别不同的变压器绝对不能并联运行。c）短路阻抗标幺值不等:若短路阻抗标幺值不相等，则负载无法达到最合理的分配状态，设备容量不能得到充分利用。由于容量相近的变压器短路阻抗标幺值相差较小，因此一般要求任两台变压器容量之比小于3。6、 自耦变压器（1）自耦变压器的计算容量小于额定容量，与相同容量的双绕组变压器相比，自耦变压器体积较小，材料少。（2）由于降压自耦变压器短路阻抗标幺值小，故短路时电动力大，须加强机械结构。（3）自耦变压器一二次侧不仅有磁的联系也有电的联系，高压方的过电压会串人低压方绕组。四、 交流电机绕组的基本理论1、交流绕组的基本要求：（1）绕组产生的电动势（磁动势）接近正弦波（2）三相绕组的基波电动势（磁动势）必须对称（3）在导体数一定时能获得较大的基波电动势（磁动势）2、交流电机电枢绕组的电动势与磁通势（1）导体基波电动势 性质：正弦波，频率：，有效值：（2）整距线匝电动势整距线匝基波电动势有效值为：（3）整距和短距线圈电动势实际线圈不止一匝，而是匝串联，故称为线圈。的线圈为整距线圈，的线圈为长距线圈，的线圈为短距线圈。在电机中一般不用长距线圈。1）整距线圈基波电动势有效值为： 2） 短距线圈基波电动势有效值为： 式中 短距系数（4）分布线圈组的电动势为了充分利用电机定子内圆空间，定子上不止放一个线圈，而是放上个线圈，并均匀地分布在定子内表面的槽里。槽距电角度为。1）整距分布线圈组基波电动势有效值为：式中 分布系数2)短距分布线圈组基波电动势有效值为： 式中 绕组系数（5）交流电机电枢绕组电动势1) 三相单层分布整距绕组电动势当绕组并联支路数为时，相绕组基波电动势为：式中 一相绕组串联总匝数2)三相双层分布短距绕组电动势当绕组并联支路数为时，相绕组基波电动势为：式中 每相串联匝数（6）绕组的谐波电动势实际的电机气隙里磁密分布不完全都是基波，还会有谐波磁密，因此会感应出谐波电动势。当绕组采用了短距、分布以及三相连接时，可以使各次谐波电动势被大大削弱，甚至使某次谐波电动势为零。在计算谐波电动势时，只要知道它的谐波短距系数及谐波分布系数（二者相乘就是该谐波的绕组系数）即可。其计算公式与基波的一致，所不同的是，同一空间角度对基波和谐波来讲，它们的电角度相差倍，是谐波的次数。谐波短距系数为：谐波分布系数为：3、 非正弦分布磁场下电动势中的高次谐波及其削弱方法（1）使气隙中磁场分布尽可能接近正弦波（2）采用对称的三相绕组：线电动势中不存在3的倍数次谐波（3）采用短距绕组：要消除第次谐波，采用 （4）采用分布绕组（适当选每极每相槽数q，一般选）（5）对于齿谐波，采用斜槽，分数槽，减小槽开口和改善槽形设计等方法进行消除 。 4、 单相绕组的脉振磁动势特点：（1）单相绕组磁动势是脉振磁动势，它即是时间t的函数又是空间的函数。（2）单相绕组第次谐波磁动势幅值与成正比，与成反比。（3）基波谐波的波幅必在。5、 三相电枢绕组产生的基波合成磁动势特点：（1）三相合成磁动势的基波是一个波幅恒定不变的旋转波（2）电流在时间上经过多少电角度，旋转磁动势在空间转动相等的角度（3）旋转磁动势是基波旋转电角速度等于交流电流角频率，旋转磁动势的转速为同步转速（4）旋转磁动势有超前相电流所在的相绕组轴线转向滞后相电流所在的相绕组如果改变电流的相序，则旋转磁动势改变方向。 （5） 一个单相脉振磁动势可以分解为大小相等,方向相反,转速相等的两个旋转磁动势。 （6） 正转反转旋转的磁动势与三相合成磁动势有相同的性质，只是反转磁动势的转向相反。6、 两相电枢绕组产生的磁动势：椭圆形旋转磁动势五、异步电机1、异步电动机概述（1）异步电机主要是一种交流感应电机和一般做电动机使用。例如一般在工农业，矿山和机械作为原动机容量从几件瓦到几千千瓦，家用电器中的单相异步电机从几瓦到几千瓦。优点：结构简单，运行可靠，容易制造，价格低廉 缺点：不能大范围平滑调速和需要从电网中吸收滞后的无功功率。（2）分类 单相感应电机定子绕组供电电源相数 单相感应电机异步电机分类 鼠笼式异步电机转子绕组结构 绕线式异步电机（3）组成和基本结构 定子：由定子铁心，定子绕组机座组成。定子铁心是用来电机磁路和嵌入绕组，绕组是电路的构成 转子：（1）笼型绕组：四周均匀的导体两端连起来断路（焊接和铸造） （2）绕线式绕组：是与定子绕组相对应的绕组，一般接成星型，还可以通过滑环在转子回路中附加电阻（滑环可以断路）。2、工作原理：当异步电机定子绕组接到三相电源上时，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，其同步转速。这个基波旋转磁场在短路的转子绕组中感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用产生电磁转矩。3、异步电动机的等效电路异步电动机定、转子之间没有电路上的连接，只有磁路的联系，这点和变压器的情况类似，因而也采用折合算法。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统,而等效的转子电路应与定子电路有相同的频率。折算原则：1），保持转子磁通势不变；2）转子回路的各功率不变。绕组折算：与变压器相同。三相异步电动机的T型等效电路如图所示。型等效电路：还可简化如下：4、 异步电动机的功率和转矩平衡方程功率方程式如下：转矩关系为电磁转矩，为输出转矩，为空载转矩， 为常数，叫转矩系数。5、 三相异步电动机参数的测定（1）短路（堵转）试验做短路试验时，把绕线式异步电动机的转子绕组短路，并把转子卡住，不使其旋转。鼠笼式电机转子本身已短路。为了使堵转试验时电动机的堵转电流不致过大，可降低电源电压进行，一般从开始，然后逐步降低电压。为了避免定子绕组过热，试验应尽快进行。记录定子端电压、定子堵转电流和定子输入功率，并测量定子绕组的电阻。根据试验数据得：,(2) 空载试验做空载试验时，电动机的转轴上不加任何负载，把定子绕组接到频率为额定值的三相对称电源上。记录、和，然后计算出，从而可以把对的关系画成曲线，如图所示。曲线定子加额定电压时，根据空载试验测得的数据和，可以算出，6、 三相异步电动机的特性(1) 三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性，如图所示。三相异步电动机的固有机械特性分析该固有机械特性可以看出：1）在时，特性在第一象限，工作在电动状态。其中B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点为理想空载运行点，C点是电磁转矩最大点，D点是启动点。2）在范围内，特性在第二象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，工作在发电状态。3）在范围内，特性在第四象限，也是一种制动状态。 (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是指，在电动机的定子绕组加额定电压，电压的频率又为额定值，这时电动机的转速、定子电流、功率因数、电磁转矩、效率等与输出功率的关系 6、异步电动机的起动方法 （1）直接起动定子串电抗降压起动 （2）降压起动 用启动器起动 自耦变压器起动 用深槽笼型异步电动机起动（3）采用双笼型异步电动机起动采用双笼型异步电动机起动 7、异步电动机的调速与制动制动：反接制动（转速反向和两相反相），反相回馈制动，能耗制动调速：依据 种类：变极调速，变频调速，改变转差调速（又包括转子回路串电阻调速和改变定子端电压调速）六、同步电机1、同步电动机概述：（1）同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于旋转磁场的转速而得名。同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。同步电机无论作发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运行方式不同而已。（2）同步电机的结构同步电机的结构主要也是由定子和转子两大部分组成，定转子之间是空气隙，具体结构如下表所示。定子部分与三相异步电动机的一样转子部分凸极式隐极式结构有明显的磁极，先将磁极加工好后，再装到转子的磁轭上外表呈圆柱形，在圆柱表面开槽以安放直流励磁绕组气隙气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间较大不考虑齿槽效应时气隙均匀应用适合于中速或低速旋转场合适合于高速旋转场合2、同步发电机基本工作原理励磁绕组通入直流电流后建立恒定磁场，原动机拖动发电机转子以转速n旋转时，定子中三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感应产生各相大小相等、相位彼此相差120的交流电动势。频率: ，每相感应电势有效值: 相序：由转子的转向决定 3、同步发电机的基本方程式和相量图隐形式同步发电机：凸极式同步发电机:4、同步发电机的运行特性（1）同步发电机的空载特性和短路特性测定空载特性时，由于磁滞现象，上升和下降的磁化曲线不会重合，一般约定采用自开始至的下降曲线。短路特性即电机定子三相稳态短路，保持时，短路电流与励磁电流 的关系。 同步发电机的空载特性和短路特性用线性化后的气隙线来得到空载电动势，对于隐极式同步发电机，可测得同步电抗，对于凸极式同步发电机，可测得直轴同步电抗。（2）同步发电机的零功率因数负载特性同步发电机的负载特性是在、常数、常数的条件下，端电压与励磁电流之间的关系，其中零功率因数负载特性最有实用价值，如图所示。 零功率因数负载特性空载特性与零功率因数特性之间存在一个特性三角形，由于在测定零功率因数特性时保持不变，故此三角形的大小保持不变。三角形左上角顶点沿空载特性移动时，其右下角顶点的轨迹即为零功率因数负载特性。（3） 同步发电机的外特性外特性是发电机在、常数、常数的条件下，端电压与负载电流之间的关系曲线同步发电机的外特性从外特性可以求出发电机的电压调整率。若保持、而卸去负载，读取空载电动势，则同步发电机的电压调整率为： （4）同步发电机的调整特性调整特性是指当在、常数、常数的条件下，发电机励磁电流与电枢电流的关系曲线同步发电机的调整特性5、同步发电机投入并联运行的条件：波形相同，频率相同，幅值相同，相位相同，相序相同6、同步发电机并联运行的方法：准同步法、自同步法7、同步发电机功率和转矩平衡方程（1）同步发电机功率平衡方程为：（2）同步发电机的转矩平衡方程：8、同步发电机的功角特性上面公式中的第一项与励磁电流的大小有关，称为励磁电磁功率，第二项是由于、轴磁路不对称产生的。 9、同步发电机有功功率的调节和静态稳定 （1）发电机的静态稳定极限判据为：（2）令, 称为整部功率系数或整部功率，其值越大，保持同步的能力越强。发电机的稳定性越好。，称为整步转矩系数或比整步转矩（3）静态过载倍数：用来衡量同步发电机稳定运行的功率裕度10、同步发电机无功功率的调节和V形曲线（1）无功功率的调节当发电机带