緒論

§0-1電機(jī)及其在國民經(jīng)濟(jì)中的作用

§0—2本課程的性質(zhì)、任務(wù)、內(nèi)容和特點(diǎn)

§0-3本課程常用的電磁定律與公式

一.電路定律

1.歐姆定律

I衛(wèi)R二

RU=IRI

2.基爾霍夫第一定律（電流定律）

E/=o

或

3.基爾霍夫第二定律（電壓定律）

￡U=￡E

>='或￡匕=工七

二.全電流定律（安培環(huán)路定律）

1.電流磁效應(yīng)

凡是電流均會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，叫電流的磁效應(yīng)，即所謂“電生磁”。磁力線的方向可根

據(jù)電流的方向有右手螺旋定則確定。

2.磁路的幾個(gè)基本物理量

（1）磁感應(yīng)強(qiáng)度B

B的方向

B的大?。号c磁場(chǎng)方向垂直的單位面積即穿過的磁力線的數(shù)目。

單位1T=10，Gs

（2）磁感應(yīng)通量

穿過某一截面S的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的通量，即穿過某截面S的磁力線的數(shù)目，故稱為磁感

應(yīng)通量，簡稱磁通。

?7-ds

（/）

B=一

磁場(chǎng)均勻且與截面垂直時(shí)，°=8S。S稱為磁通密度。

O的單位為WblWb=108Mx

B的單位為T1T=1Wb/m2lGs=lMx/cm2

（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度H

或B=陽

〃為導(dǎo)磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率,反映介質(zhì)的導(dǎo)磁性能,〃大則導(dǎo)磁性能好。〃的單位H/m,真空

的〃。=4410‘H/m。

一般，〃n2000~6000（鐵磁性材料）

H的單位為A/m或A/cm

3.全電流定律

磁場(chǎng)中沿任一閉回路的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的線積分等于該閉回路回路所包圍的所有導(dǎo)體電流

的代數(shù)和。

§Hdl=?

這就是全電流定律。當(dāng)導(dǎo)體電流的方向與積分路徑的方向符合右螺旋關(guān)系時(shí)為正，反之

為負(fù)。

三.磁路及磁路定律

磁路：磁通流通的路徑。

鐵磁材料的磁化曲線

(1)磁路的歐姆定律

將全電流定律用于右圖所示的無

分支磁路，可得

m=史=Ni

,NiF

(p=「一=——=FAm

XRmm

磁路中的磁通。與作用在該磁路

的上的磁動(dòng)勢(shì)成正比，與磁路的磁阻成反比，稱為磁路的歐姆定律。

WA

磁阻M

磁導(dǎo)"，，，

(2)磁路的基爾霍夫第一定律

對(duì)任封閉面而言，穿入的磁通必于

穿出

的磁通，這是磁通連續(xù)原理。對(duì)有分

支的磁路在磁通匯合處的封閉面上磁

通的代數(shù)和等于零，即

圖中，+02—。3=。

(3)磁路的基爾霍夫第二定律

將全電流定律應(yīng)用到任一閉合磁路上，有

磁壓降的代數(shù)和等于磁動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。

圖例中F\-F2=N力_N2、=Hxlx-H2/2=^Rml-</>2Rm2

磁路和電路的對(duì)比，表0—1(P5)

磁路和電路的差別：(1)電路可以有電勢(shì)無電流，磁路中有磁動(dòng)勢(shì)必然有磁通：

(2)電路中有電流就有損耗(八/?),恒定磁通下，磁路中無損耗；

(3)G導(dǎo)"G絕X10"而=(10‘~,磁路中必須考慮漏磁通；

(4)電阻率「在一定溫度下恒定不變，而鐵磁材料構(gòu)成的磁路中，〃隨B變化，即凡“隨

飽和度增加而增加。

四.電磁感應(yīng)定律

e=-鮑=-N弛

dtdt

負(fù)號(hào)解釋：

1.變壓器電動(dòng)勢(shì)

線圈與磁通之間沒有相對(duì)切割關(guān)系，僅由線圈交鏈的磁通發(fā)生變化而引起的感應(yīng)電

動(dòng)勢(shì)稱為變壓器電勢(shì)。見圖0—2,自感電動(dòng)勢(shì)、互感

2.運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)(速率電動(dòng)勢(shì))

若磁場(chǎng)恒定，構(gòu)成線圈的導(dǎo)體切割磁力線，使線圈交鏈的磁通發(fā)生變化，導(dǎo)體中感應(yīng)的電動(dòng)

勢(shì)稱為運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)，三方向互相垂直時(shí)，其大小

e=Blv

方向由右手定則確定。

五.電磁力定律

教流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，三方向互相垂直時(shí)，其大小為

f=Bli

方向由右手定則確定。

六.能量守恒定律

§0—4本課程的性質(zhì)、任務(wù)(分析步驟)及學(xué)習(xí)方法

一.性質(zhì)：主要技術(shù)基礎(chǔ)課，以數(shù)學(xué)、物理、工程力學(xué)和電路為基礎(chǔ)，又為專業(yè)課打基礎(chǔ),

承上啟下。

二.任務(wù)：

1.學(xué)習(xí)、掌握各種電機(jī)和變壓器的結(jié)構(gòu)、原理、特性及應(yīng)用。

2.培養(yǎng)分析和解決電機(jī)問題的能力，包括一定的計(jì)算能力。

3.學(xué)習(xí)電機(jī)、變壓器的測(cè)試方法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)技能的訓(xùn)練。

三.學(xué)習(xí)方法

1.理論聯(lián)系實(shí)際

2.電機(jī)分析中的名詞、術(shù)語、各種物理量的定義要熟記。

3.了解本課程的分析方法，掌握各類電機(jī)分析方法的共同規(guī)律。

4.認(rèn)真完成作業(yè)。

5.盡可能作到預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)和進(jìn)行階段總結(jié)。

第二章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

§2-1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

一、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

電力拖動(dòng)裝置通常由電動(dòng)機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備和電源四部分組成。電動(dòng)機(jī)和工作機(jī)

構(gòu)之間一般還有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，把電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中間變速或變換運(yùn)動(dòng)方式后再傳給生產(chǎn)機(jī)械

的工作機(jī)構(gòu)。

(-)運(yùn)動(dòng)方程式

對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)，方程式為

dv

F-Fz=mdt(N)

dv

式中F-拖動(dòng)力Fz—阻力mdt慣性力m的單位為kg

對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，方程式為

T-TZ=Jdt(N?m)

式中T一拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩

Tz—阻轉(zhuǎn)矩(或稱負(fù)載轉(zhuǎn)矩)

Jdt一慣性轉(zhuǎn)矩（或稱加速轉(zhuǎn)矩）

通常將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J用飛輪矩GD2來表示，它們之間的關(guān)系為

GD2

J=mp2=4g

式中m與G一轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量（kg）與重量（N）；

夕與D—慣性半徑與直徑（m）；

g=9.81m/s2一重力加速度

再將機(jī)械角速度C用轉(zhuǎn)速n表示，則可得運(yùn)動(dòng)方程式的實(shí)用形式

GD2dn

T-Tz=375dt

式中GD?一飛輪矩N?m2

電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)可由運(yùn)動(dòng)方程式判斷

dn

(1)當(dāng)T=Tz,dt=0,則n=0或2常值電動(dòng)機(jī)靜止或等速旋轉(zhuǎn)，即拖動(dòng)系

統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

dn

(2)當(dāng)T>TZ,dt>0,電力拖動(dòng)系統(tǒng)加速運(yùn)行。

dn

(3)當(dāng)T<Tz，力<0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)減速運(yùn)行。

（二）運(yùn)動(dòng)方程式中轉(zhuǎn)矩的正負(fù)號(hào)分析

根據(jù)電動(dòng)機(jī)和生成機(jī)械負(fù)載類型及運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的不同，運(yùn)動(dòng)方程式中的T和Tz都有方向變

化帶來的正負(fù)號(hào)問題，?般可作如下規(guī)定：先規(guī)定某一方向?yàn)閚的正方向，則轉(zhuǎn)矩T的方

向與此方向相同為正，反之為負(fù)，轉(zhuǎn)矩Tz的方向與此方向相反為正，相同為負(fù)。

dn

dt的大小及正負(fù)符號(hào)由T及Tz的代數(shù)和來決定。

上述運(yùn)動(dòng)方程式是對(duì)一根軸而言的，適用于單軸系統(tǒng)。對(duì)于多軸系統(tǒng)，就應(yīng)列出多個(gè)方

程聯(lián)立求解，比較麻煩。為此，通常只要把電動(dòng)機(jī)軸作為研究對(duì)象即可，這就需要把實(shí)際的

拖動(dòng)系統(tǒng)折算為等效的單軸系統(tǒng)。

二，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系用曲線表示稱為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。

生產(chǎn)機(jī)械品種繁多，特性各不相同，但大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可以歸納為以

下三種類型。

（~）恒轉(zhuǎn)距負(fù)載特性

1.反抗性恒轉(zhuǎn)距負(fù)載特性

Tz的大小恒定不變，方向總是與運(yùn)動(dòng)方向相反。負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性在第一和第三象限，如

圖2—1所示，例如金屬的壓延，機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)等。

圖2-1反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性圖2-2位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)貨特性

1.1.位能性將轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

Tz的大小和方向均與轉(zhuǎn)速無關(guān)，不隨機(jī)變化。其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性在第一和第四象限，如圖

2—2所示，例如重物的提升與下放等。

（二）通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性

Tz大小基本上與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，即

2

Tz=kn

式中k一比例常數(shù)

其特性如圖2—3所示，在第一，三象限，例如風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等

（三）恒功率負(fù)載特性

Tz的大小基本上與轉(zhuǎn)速n成反比，即

Tz="

2mT7nk

這時(shí)Pz=Tz。=Tz60=9.55=9.55=4/

故稱恒功率負(fù)載特性，如圖2—4所示，切削機(jī)床屬于此類。

實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。

§2-2他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系曲線n=f（T）稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

--機(jī)械特性方程式

由基本公式T=CT0Ia

Ea=Ce（Dn

U=Ea+IaR

EU-IRUR,UR_門

n-...a.=------a=--------1=----------7=〃（）-pT

c/c@c&c&aCOCeC甫

當(dāng)U、R、①為常數(shù)時(shí)，n=f（T）為一條向下傾斜的直線，如圖2-5所示。

圖2-5他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的圖2V電摳反應(yīng)對(duì)機(jī)械

機(jī)械特性特性的影響

U

其中C2稱為理想空載轉(zhuǎn)速

R

B=

C?C方稱為機(jī)械特傾性的斜率，大小反映軟特性與硬特性

R

△〃=盯=-------T

CJ也稱為負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降

電樞反應(yīng)對(duì)機(jī)械特性的影響，可能使特性在T較大時(shí)上翹，如圖2—6所示，克

服上翹現(xiàn)象的方法是裝設(shè)穩(wěn)定繞組。

二.固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性

（-）固有機(jī)械特性

U=八、①二①可、電樞回路不串電阻時(shí)的機(jī)械特性。

其方程式

n“=-U--，，------必---

CO"

由于Ra較小，特性的斜率B小，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是一條稍

稍向下傾斜的直線，如圖2—5所示，稱為硬特性，其額定轉(zhuǎn)速變化率

%=，?u-，?,v100%

〃N

-一般為10%左右。

（-）電樞串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性

U=UN，。=打，口=&+h時(shí)的〃=〃?。?/p>

方程式為

n=-----------r-1

C-CTON

可見n。不變時(shí)，斜率隨口。的增大而增大，轉(zhuǎn)速降也隨串聯(lián)電阻之加大而增加。如圖

2—7所不。

圖2-7他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有

機(jī)械特性及電樞串送電阻時(shí)的

人為機(jī)械特性

（三）改變電壓時(shí)的人為機(jī)械特性

①二①,、，，RQ=0,改變電壓時(shí)的機(jī)械特性方程式為

/?=-..............—T

GONGGMV

特性的斜率,不變，〃。與U成正比變化。如圖2—8a）所示。

（四）減弱磁通時(shí)的人為機(jī)械特性

6段

T

2

c>CeCT</>

隨著磁通減弱，〃。增大，斜率也增大,如圖2—8b）所小。

圖28a）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電壓不圖28b）減碼中的”=/（T）曲線

同時(shí)的人為機(jī)械特性-6=。其時(shí)2及3—及。？時(shí)

ir-Uz時(shí)2及3T7=5A

5時(shí)

三.機(jī)械特性的繪制

（-）（-）固有機(jī)械特性的繪制

兩點(diǎn)決定一條直線，只要設(shè)法求得特性（圖2—5）上的兩點(diǎn)，一般選擇理想空載點(diǎn)

（e0,“。）和額定運(yùn)行點(diǎn)（A,〃N）較為方便,心是知道的，只要求〃。和T、。

U

二----

1.求〃oC力

〃N〃N式中L可用下式估算：

2.2.求7N

TN=G?冊(cè)=9.55C/N，N

(-)人為機(jī)械特性的繪制

只需將相應(yīng)的參數(shù)值代入人為機(jī)械特性方程式，即可計(jì)算繪制各種人為機(jī)械特

性。

三.三.電力拖動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

穩(wěn)定運(yùn)行的概念：以圖(2-9a)的A點(diǎn)為例說明。

不穩(wěn)定運(yùn)行的概念：以圖(2-9b)的B點(diǎn)為例說明。

圖2f的種怦性的不同配合

D贛定運(yùn)行b)不也定運(yùn)行

1一忸轉(zhuǎn)矩負(fù)及格件2電動(dòng)機(jī)削械特性

穩(wěn)定運(yùn)行的判據(jù)：“在交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上T<Tz,而在這一轉(zhuǎn)速之下T>Tz,

dT^z_

就能保證穩(wěn)定運(yùn)行”，或在交點(diǎn)滿足翻<'由。

§2-3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

一.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

起動(dòng)時(shí)，應(yīng)先通勵(lì)磁電流，而后加電樞電壓，并且一?般不能加額定電壓直接起動(dòng)。

因?yàn)槠饎?dòng)開始時(shí)，〃=°,E“=。,起動(dòng)電流

U-EaU

5,(此

可能達(dá)到額定電流的十多倍，換向嚴(yán)重惡化，沖擊轉(zhuǎn)矩也易損壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

為此，起動(dòng)時(shí)，應(yīng)設(shè)法限制電樞電流的不超過額定電流的L5~2倍。方法有兩種:

一是降壓起動(dòng)，二是電樞回路中串電阻起動(dòng)。

圖2-10是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串兩段電阻R。1、火。2進(jìn)行二級(jí)起動(dòng)的電路圖

和相應(yīng)的特性圖。圖中「為起動(dòng)過程中最大的轉(zhuǎn)矩，T?是切換轉(zhuǎn)矩，Tz為起動(dòng)時(shí)的負(fù)

圖2-10他冏電動(dòng)機(jī)分一級(jí)出動(dòng)的電路和料件

有魅isbi染t室

?.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電阻的計(jì)算

以圖2-10為例，取‘2=(I」~L2"N或.N(1.2-L5)，z，4=(1.5~2.0)/,v,

一般要經(jīng)過多次調(diào)整，才能繪出圖2—10b所示特性圖，由此圖可以推導(dǎo)得計(jì)算分級(jí)

電阻數(shù)值的公式。

nb=nc.,故有Eb=Ec,在b點(diǎn)：

I,=a

-U-Ec

在C點(diǎn)：《

善

兩式相除，考慮凡，=且?,w：l2與

同樣，由D點(diǎn)和E點(diǎn)，可得：

A

2R.

故有兩級(jí)起動(dòng)時(shí):

/]_^2,—R]

石一刀一兄

推廣到m級(jí):

A

A此-2R.

設(shè)/=6，傍=￡),稱為起動(dòng)電流比(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比)，則得各級(jí)電樞電路總電阻

的計(jì)算公式：

&=%

y網(wǎng)=伊氏,

￡=司R”,

可見瓦

如果給定夕，需求加，則

愴7

m-------—

惶0

如需求分段電阻值，有前面公式可得

Ra=R「R“=5T)R“

Rg=R「Ri=6-B)Ra=0Ra

%”=R,?-R“i=俄di

計(jì)算分級(jí)起動(dòng)電阻，有兩種情況：

1.起動(dòng)級(jí)數(shù)m未定：初選尸—R，"—1求m,整成整數(shù)mf計(jì)算/值

一計(jì)算各級(jí)電阻或分段電阻。

；!TR'"=7'A

2.起動(dòng)級(jí)數(shù)m已定，選定A計(jì)算〃值-計(jì)算各級(jí)電阻或分段電

三.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的過渡過程

電力拖動(dòng)的過渡過程：從?個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)過渡到另一個(gè)穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程。

研究過渡過程的內(nèi)容：過渡過程前后兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)電動(dòng)機(jī)的電樞電流/〃、電磁轉(zhuǎn)

矩T和轉(zhuǎn)速”一般是不相同的，過渡過程就是要研究/"、T和〃在這過程中隨時(shí)間變

化的規(guī)律。這些變化規(guī)律曲線稱為負(fù)載圖。

產(chǎn)生電力拖動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的外因是系統(tǒng)受到外部干擾，例如起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速

及負(fù)載突變等。內(nèi)因是系統(tǒng)本身的慣性，慣性主要有兩種，機(jī)械慣性和電磁慣性，前者使轉(zhuǎn)

速不能突變，后者使電流不能突變。實(shí)際上兩種慣性同時(shí)存在，但由于電磁慣性的影響遠(yuǎn)小

于機(jī)械慣性的影響，為分析方便起見，忽略電磁慣性的影響，只考慮機(jī)械慣性，這種過渡過

程稱為機(jī)械過渡過程。

(-)(一)機(jī)械過渡過程方程式

圖2-11他物也動(dòng)機(jī)公動(dòng)蟆理圖

圖2—11表示他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串固定電阻全壓啟動(dòng)的原理圖。忽略電樞反應(yīng)的應(yīng)

響，中=中'=常數(shù)，可列電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：

U=E.+!.R=C*“+，R

UjR

dn_Rdia

dtCRN出

代入運(yùn)動(dòng)方程式，得

GD2dn

T-T

Z375~dt

GD-Rdla

375Ce(/>~dt

兩邊同時(shí)除以Cr①N，可得

GD?Rdi_T也

2

z375CeG,</)dt_z""dt

G@N一負(fù)我轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流

GD'R

GC/Jx375—機(jī)電時(shí)間常數(shù)

卜.式可改寫為

dlaj」

------十------=------

力TlmTlm

T,m

其解為Ia=I.+ke

式中k為由初始條件決定的常數(shù)，以起動(dòng)為例，t=0,I產(chǎn)I”，代入上式可得

k=lst—Iz

將k代入前式，即得過渡過程的電流方程式

Ia=I：+(Isl-Iz)e

式中，Iz—電流的穩(wěn)態(tài)分量

U"一L)e小一電流的暫態(tài)分量，又稱自由分量

起動(dòng)過程中電流L,的變化曲線L=f(t)如圖2—12所示。電流方程式兩邊同乘以Cr中N，

圖2-12起動(dòng)過程中電樞電汾:

的變化曲線/.-/(/)

即可得轉(zhuǎn)矩方程式

t

Ta=T:+(Tsl-Tz)e^

可見T=f(t)與L=f(t)形狀相同。

同理可得轉(zhuǎn)速方程式

/

7m

na=n.+(nsl-n.)e

a=0時(shí)，n的變化曲線如圖2-13所示。

圖273起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速的

上升曲線”=廣⑴

以上所得三個(gè)方程式雖是以起動(dòng)為例推導(dǎo)而得，實(shí)際上就是電力拖動(dòng)系統(tǒng)過渡過程的

通用方程式。只要把L、入和小理解為過渡過程的起始值，把1八Tz和反理解為過渡過程

的穩(wěn)態(tài)值，la、T和n為對(duì)應(yīng)于時(shí)間t時(shí)的瞬時(shí)值。

(二)機(jī)電時(shí)間常數(shù)

GD2R

，M2

CeCT（/）NX375

其大小不但與反映機(jī)械慣性的飛輪矩GD2成正比，還與電動(dòng)機(jī)的電磁量R和①N有關(guān),

故稱為機(jī)電時(shí)間常數(shù)。以n為例，其物理意義為如果保持t=0時(shí)的加速度力，=。不變，轉(zhuǎn)速

由起始值n“上升或下降到穩(wěn)態(tài)值n,所需的時(shí)間。實(shí)際上，由于n的加速度是逐步變小的，

所以只有當(dāng)t=（3~4）T,M時(shí)，才可認(rèn)為過渡過程結(jié)束，即達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

（三）過渡過程持續(xù)時(shí)間的計(jì)算

設(shè)t=0時(shí)Ia=Ist；t=tx時(shí)L=Iax。則可得

心=人+心—QJ才

將此式對(duì)tx求解，可得持續(xù)時(shí)間

I-1

3n廣方

同理可得

式中,L、Tv、n”為起始值，L、Tz、th為穩(wěn)態(tài)值，L、「、以為所求過渡過程的終了值。

對(duì)于電樞用多級(jí)電阻起動(dòng)的過渡過程，可以分級(jí)用上述方法求取，總的起動(dòng)時(shí)間為各

級(jí)起動(dòng)時(shí)間的總和，最后一級(jí)的起動(dòng)時(shí)間為（3~4）1M。

（四）縮短過渡過程持續(xù)時(shí)間的方法

對(duì)于需要頻繁起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，例如軋鋼機(jī)、龍門刨等，其電力拖動(dòng)系

統(tǒng)經(jīng)常處在過渡過程狀態(tài)，如何縮短過渡過程的持續(xù)時(shí)間，加快過渡過程，提高生產(chǎn)率，具

有重要意義。

由運(yùn)動(dòng)方程式可得

dn

由此可見，欲加快過渡過程，增大dt可有兩種途徑。

1、1、減小系統(tǒng)的GD2,采用細(xì)而長的電動(dòng)機(jī)，或采用雙電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

2、2、改善起動(dòng)電流的波形，理想狀況為圖2—14所示，一直保持起動(dòng)電流L等于允

最大電流（一般為2M左右），直到起動(dòng)結(jié)束電流突然降為負(fù)載電流I”使起動(dòng)過程中的T

-Tz為--較大定植，加速度大而恒定，起動(dòng)既快又平穩(wěn)，起動(dòng)過程的時(shí)間只要?個(gè)T’M，比

一般情況下的（3~4）T,M縮短很多。

§2-4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

大量生產(chǎn)機(jī)械(如各種機(jī)床、軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、紡織機(jī)械等)的工作機(jī)構(gòu)要求在不同

的情況下以不同的速度工作，要求我們用人為的方法改變其速度，這可用機(jī)械方法、電氣方

法或機(jī)械電氣配合的方法。

電氣調(diào)速是指在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，通過人為的方法改變電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)，從

而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。

從他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式

〃-.c..../.7-----C----------V]

可以看出，調(diào)速方法有三種：電樞回路串’電阻調(diào)速、降壓調(diào)速和弱磁調(diào)速。

調(diào)速指標(biāo)

(-)調(diào)速的技術(shù)指標(biāo)

1.調(diào)速范圍D

額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下電動(dòng)機(jī)可能調(diào)到的最高轉(zhuǎn)速Fax與最低轉(zhuǎn)速/in之比，即

min

式中nmax受電動(dòng)機(jī)換向及機(jī)械強(qiáng)度的限制，nmin受生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定性要求的限制。

不同的生產(chǎn)機(jī)械要求的調(diào)速范圍是不同的，如車床D=20~120,龍門刨床D=10~40,造紙機(jī)

D=3~20,軋鋼機(jī)D=3~120等。

2.靜差率8

電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載運(yùn)行的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速加之比，用百分?jǐn)?shù)表

示

8%=2x100%=%x100%

?o?0

一般為5?10%。

靜差率b的大小反映靜態(tài)轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定的程度，b越小，轉(zhuǎn)速降越小，轉(zhuǎn)速相對(duì)

穩(wěn)定性越好。不同的生產(chǎn)機(jī)械要求不同的靜差率，例如普通車床：5430%,龍門刨：

<10%,造紙機(jī)：^<0.1%

靜差率與機(jī)械特性硬度有關(guān)。機(jī)械特性越硬，靜差率越小，相對(duì)穩(wěn)定性越好，但機(jī)械

特性的硬度相同時(shí)，靜差率3并不相等，而是〃。較低的其b較大。，靜差率b與特性的硬

度有關(guān)，但又不是同一個(gè)概念。

生產(chǎn)機(jī)械對(duì)靜差率的要求限制了電動(dòng)機(jī)允許達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速"min,從而限制了調(diào)速范

圍。下面調(diào)壓調(diào)速的情況為例推導(dǎo)D與b的關(guān)系，圖2-15中曲線1和3為不同電壓下的兩

條特性，可得：

nHn11nS

D—“max_…max_______max______________mux_______…max-

〃min〃0-加N4“-N)加N(](1—3)

〃0S

圖2-15不同機(jī)械特性

下的齡差率

可見：生產(chǎn)機(jī)械允許的最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率b越大，電動(dòng)機(jī)允許的調(diào)速范圍D越大。

所以調(diào)速范圍D只有在對(duì)3有一定要求的前提下才有意義。

3.平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多，調(diào)速越平滑，平滑程度用平滑

系數(shù)。來衡量。。的定義是相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速或線速度之比，即：

=—

%匕-I

顯然，。越接近于1,調(diào)速平滑性越好，夕一1=￡可以小于任意數(shù)，則"可調(diào)至任意數(shù)

值，平滑性最好，稱為無級(jí)調(diào)速。

4.4.調(diào)速時(shí)的容許輸出是指保持額定電流條件下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)容許輸出的最大

轉(zhuǎn)矩或最大功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。容許輸出的最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)的調(diào)速方法稱為恒

轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法；允許輸出的最大功率不變的稱為恒功率調(diào)速方法。

(-)(-)調(diào)速的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包含三個(gè)方面：一是調(diào)速設(shè)備初投資的大小，二是運(yùn)行過程中能量損耗的多

少，三是維護(hù)費(fèi)用的高低，三者總和較小者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較好。

二.低電樞端電壓調(diào)速

(-)電樞回路串電阻調(diào)速

。保持,電樞回路串入適當(dāng)大小的電阻與，，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。原理可

從圖2-16所示機(jī)械特性上看出。

圖2-16電摳申聯(lián)電阻制速

串電阻調(diào)速的物理過程：RT不能突變。J,TJ,〃L紇J回T,TT=心

穩(wěn)定，速度已由〃I)至內(nèi),要注意的是調(diào)速前后心不變，7不變，A，也不變。

特點(diǎn)：只能將轉(zhuǎn)速往下調(diào)，且靜差率明顯增大，所以調(diào)速范圍D較小，平滑性差，損

耗大，設(shè)備簡單，投資少，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

適用于容量不大，低速運(yùn)行時(shí)間不長，對(duì)調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合

(二)降低電源電壓調(diào)速

保持①=?N、Ro=0、降低電源電壓U,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。原理可以從圖2-17機(jī)械特性上

看出。

圖2-17a）降低電圖電壓遍煌時(shí)的機(jī)械杵性

降壓調(diào)速的物理過程：〃J紇J/"回升T回升至=4

時(shí)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，但n已降低。

特點(diǎn)：特性平行下移，6變化不明顯，調(diào)速范圍D較大，平滑性好，損耗小，需可調(diào)

直流電源，初投資大。

適用于對(duì)調(diào)速性能要求較高的中大容量拖動(dòng)系統(tǒng)，例如重型機(jī)床（龍門刨）、精密機(jī)床和

軋鋼機(jī)等。

（三）弱磁調(diào)速

保持U=UN、R“=0，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使之減小，亦即減弱磁通，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。原理可

從圖2-17機(jī)械特性上看出。弱磁調(diào)速的物理過程：八

圖2-17b）減弱磁通的人為機(jī)械特性

n暫來不及變,Ea=GenJ超過中』的程度。TT,nT,使Ea由一開始的下降經(jīng)過

某一最小值逐漸回升。h相應(yīng)的由一開始的上升經(jīng)最大值后下降，T隨之下降至等于Tz,恢

復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。轉(zhuǎn)速由由上升為中。

特點(diǎn)：只能向上調(diào)，受換向和機(jī)械強(qiáng)度限制，調(diào)速范圍不大，但靜差率小，平滑性好,

設(shè)備簡單，損耗小，屬恒功率調(diào)速。常與調(diào)壓調(diào)速聯(lián)合使用，以擴(kuò)大調(diào)速范圍。

四.調(diào)速時(shí)的功率與轉(zhuǎn)距

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)采用各種調(diào)速方法時(shí)的機(jī)械特性如圖2—18a）所示。各種調(diào)速方法容

許輸出的轉(zhuǎn)距與功率的情況如圖2—18b）所示。

圖2-18他由Hit電動(dòng)機(jī)理淳對(duì)的野訐摘出轉(zhuǎn)矩與功率

?＞機(jī)?新性'，壽許?也*翅6尋作?出臂甌與6*

圖2-19恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒功率負(fù)載的配合

I一恒功率負(fù)載”=/CT")特性

2—恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速n=/(T)特性

必須注意的是：恒轉(zhuǎn)距性質(zhì)的調(diào)速方法應(yīng)用于恒轉(zhuǎn)距負(fù)載；恒功率的負(fù)載應(yīng)采用恒功

率的調(diào)速方法。亦即調(diào)速方法的性質(zhì)必須與負(fù)載性質(zhì)相匹配。如果不匹配，就會(huì)造成投資或

運(yùn)行費(fèi)用的浪費(fèi)。圖2-19為恒轉(zhuǎn)距調(diào)速方法與恒功率負(fù)載的配合，轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)矩越得不

到充分利用。

§2-4直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行的主要特征是電磁轉(zhuǎn)矩T的方向與轉(zhuǎn)速n的方向相反。

電動(dòng)機(jī)制動(dòng)運(yùn)行的作用是電力拖動(dòng)系統(tǒng)快速減速或停車和勻速下放重物。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)的方法和制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的不同，制動(dòng)運(yùn)行分以下三種：

能耗制動(dòng)，反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。

一.能耗制動(dòng)

1.實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)的方法

能耗制動(dòng)時(shí)電路如圖2-20所示，將電樞從電源上斷開，通過制動(dòng)電阻Rz閉合。電樞由

于慣性繼續(xù)朝原來的方向旋轉(zhuǎn)，切割磁場(chǎng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea，方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相同，不同

的是電樞電流I變?yōu)橛蒃a產(chǎn)生，與原來方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩T=C//"隨之反向，T與n反

圖2-20他油電動(dòng)機(jī)電動(dòng)及能耗制?狀杰下的電路圖

?）電動(dòng)狀念bJ掂便制前

向，進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)靠系統(tǒng)的動(dòng)能發(fā)電，消耗在電樞回路的電阻上，故

稱為能耗制動(dòng)。

2.能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性

此時(shí)u=o,R=凡+凡,機(jī)械特性方程式

R0+R,

n=-------------------7-

可見其在機(jī)械特性為過零點(diǎn)且位于第二、四象限的直線，如圖2—21所示，其斜率決定于所

串制動(dòng)電阻的大小。

3.能耗制動(dòng)的分析

制動(dòng)電阻Rz越小，機(jī)械特性斜率越小，制動(dòng)開始瞬間的轉(zhuǎn)矩（T\）和電流（A）越大,

R°+R-N,

一般電流的最大值不允許超過2片，為此-21N即

???Ea=U

如果電動(dòng)機(jī)帶的是位能性負(fù)載，則當(dāng)T=0、n=0時(shí)，由于T”仍大于零，將倒拉電動(dòng)機(jī)反向

運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速沿能耗制動(dòng)機(jī)械特性第四象限部分升高，至T=12，轉(zhuǎn)速為一加為止，勻速（n2）

下放重物。如果要求下放時(shí)轉(zhuǎn)速n=—電,代入機(jī)械特性方程式，可得應(yīng)串電阻

凡=”~

式中〃二代入下放轉(zhuǎn)速的絕對(duì)值就行。

3.3.能耗制動(dòng)的過渡過程

圖2-21能性制動(dòng)的機(jī)械特性及制動(dòng)

過程中力—/</>>/?―曲線

?)機(jī)椎特性b)w-/(Z)c)7.。f(i)

制動(dòng)過程中，n和la的變化曲線如圖2?21的b)和c)所示，如欲求能耗制動(dòng)停車的時(shí)

間，可將〃,-=°和第四象限的軟(負(fù)值)代入過渡過程的公式，得

二.反接制動(dòng)

(―)轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)

1.實(shí)現(xiàn)方法

他勵(lì)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載，電樞回路串入較大電阻，使n=0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩(起動(dòng)轉(zhuǎn)

矩)小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz。

2.機(jī)械特性

_SL__R?+R?！ǚ?RaT

nc/GG/c,c/2

機(jī)械特性為電樞回路串較大電阻時(shí)人為特性在第

四象限的部分，也就是正向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性回

第四象限的延伸，如圖2—22所示。

a)a)轉(zhuǎn)速反向反接制動(dòng)的分析

圖2-22轉(zhuǎn)速反向的反接

制動(dòng)機(jī)械持性工，

反接制動(dòng)時(shí)，/“（R?+勺）=U一（一紇）="+紇，

兩邊同乘以L,則得

2

Ia（Ra+Ra）=UIa+EaIa

式中UL為電網(wǎng)輸入電動(dòng)率，Eala為由負(fù)載的位能自軸上輸入轉(zhuǎn)換而來的電磁功率,均消耗

在電樞回路的電阻上，能量損耗大。

b）b）適用場(chǎng)合

設(shè)備簡單，操作方便，電樞回路串聯(lián)電阻較大，機(jī)械特性較軟，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差,能量損

耗大，適用于低速勻速下放重物。

（二）電樞反接的反接制動(dòng)

1.實(shí)現(xiàn)方法

,這時(shí)

圖2-23電樞反接的反接

制動(dòng)電路圖

_-U-EU+E

1-----a-a

由于U反向，電流“Ra+RnR?+RQ反向,T反向，進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。

2.機(jī)械特性

—UR+R+R（）

n=----------------浮T=----------0T

2

C@cecT</>cc/

機(jī)械特性在第二象限，如圖2—24中的BC段所示。設(shè)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)以前工作在電動(dòng)狀態(tài)，在

圖2-24電樞反接時(shí)的人為機(jī)械撲住及”一/（，）".="八曲線

?）人力機(jī)M特性b>"=，seyj.-Ao

固有特性上的A點(diǎn)運(yùn)行，電樞反接，轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)變?yōu)橐籘B,沿BC迅速減速。

3.分析

電源反接制動(dòng)時(shí)，如不串入附加電阻，則制動(dòng)起始時(shí)的電樞電流“，其值

將達(dá)額定電流的20~40倍，即直接起動(dòng)電流的兩倍左右，這是絕對(duì)不允許的，所以必須串入

制動(dòng)電阻，一般限制最大電流為2卜，則制動(dòng)電阻應(yīng)為

可見，比能耗制動(dòng)時(shí)的&差不多大一倍。特性斜率比能耗制動(dòng)大得多。

4.適用場(chǎng)合

設(shè)備簡單，操作方便，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均值較大，制動(dòng)強(qiáng)烈，但能量損耗大，適用于要求快

速停車的拖動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于要求快速并立即反轉(zhuǎn)的系統(tǒng)更為理想。

三.回饋制動(dòng)（再生制動(dòng)）

1.實(shí)現(xiàn)方法

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下提升

重物時(shí)，將電源反接，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入電樞反接制動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速n沿特性BC段迅速下降，至C

點(diǎn)轉(zhuǎn)速降到零時(shí)，如不斷開電源，電動(dòng)機(jī)必將反向起動(dòng)，轉(zhuǎn)速反向升高，至F點(diǎn)，T=0,但

乙H°，系統(tǒng)在心的作用下沿特性的FE段繼續(xù)反向升速,工作點(diǎn)進(jìn)入特性的第四象限部分,

這時(shí)卜〃1>卜"。1，%電流L及T均變?yōu)檎?，而n為負(fù)，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。至E點(diǎn),

T=Tz，穩(wěn)速下放重物。由于Ea>U,電流la與Ea同方向，與U反方向，所以電動(dòng)機(jī)將位能

轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，故稱回饋制動(dòng)。

圖2-25他動(dòng)電動(dòng)機(jī)降區(qū)、降沖

過圈中的同1R制動(dòng)特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速時(shí)，使nO突然降到＜n,也會(huì)自動(dòng)進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)，加快

減速過程。如圖2—25所示。

2.機(jī)械特性

由上所述，可能在第四象限，也可能在第二象限。

3.分析

回饋制動(dòng)過程中，有功率UI”回饋電網(wǎng)，能量損耗最少。

4.使用場(chǎng)合

用于高速勻速下放重物和降壓、增加磁通調(diào)速過程中自動(dòng)加快減速過程。

第三章變壓器

§3-1變壓器的工作原理、分類及結(jié)構(gòu)

變壓器的主要功能是把一種電壓的電能轉(zhuǎn)換為同頻率的另一-種電壓的電能，故稱變壓

器。實(shí)際上，它在變壓的同時(shí)還能改變電流，還可改變阻抗和相數(shù)。

?.變壓器的工作原理

變壓器的主要部件是一個(gè)鐵心和套在鐵心上的兩個(gè)繞組，如圖3—1所示。一個(gè)繞組接

電源，稱為原繞組（一次繞組、初級(jí)），另一個(gè)接負(fù)載，稱為副繞組（二次繞組、次級(jí)）。原

繞組各量用下標(biāo)1表示，副繞組各量用下標(biāo)2表示。原繞組匝數(shù)為N”副繞組匝數(shù)為N2。

圖3-1

理想狀況如下（不計(jì)電阻、鐵耗和漏磁），原繞組加電壓外,產(chǎn)生電流％,建立磁通風(fēng)

沿鐵心閉合，分別在原副繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)4和。

一=

u=:一氣--

22dt

E.N.,

1_1^—L=k

N,

說明只要改變?cè)?、副繞組的匝數(shù)比，就能按要求改變電壓。

又...UH%

說明變壓器在改變電壓的同時(shí)，亦能改變電流。

變壓器的分類

按用途分：電力變壓器和特種變壓器

按相數(shù)分：單相、三相、多相變壓器

按每相繞組數(shù)目分：雙繞組、三繞組、自耦變壓器

三.變壓器的結(jié)構(gòu)

（-）（-）鐵心

作用、材料、基本形式（心式和殼式）

（-）（-）繞組

作用、材料、型式

高壓繞組和低壓繞組

同心式和交疊式

（三）（三）油箱及其附件

油箱、儲(chǔ)油柜、散熱器、分接開關(guān)、套管、氣體繼電器等

（四）（四）銘牌及額定值

i.型號(hào)

2.額定容量SNkVA

U\"

3.額定電壓/U2NV,kV

1洶/

4.額定電流/LNA

5.額定頻率FNHZ

額定值之間的關(guān)系：

JSN[_SN

單相變壓器：%U2N

I=SNI=SN

三相變壓器：血\N拒U?N

例2-1

§3-2單相變壓器的空載運(yùn)行

空載運(yùn)行：原繞組加額定電壓，副繞組開路的運(yùn)行情況稱為空載運(yùn)行。圖:|是變壓

器空載運(yùn)行示意圖。

一.空載運(yùn)行時(shí)的物理情況

空載電流、主磁通、漏磁通、正方向

（―）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和變比

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，原繞組電動(dòng)勢(shì)平衡方程式

11\=iOri+(--(7)+(-61)

由于必。＜＜°,故，。＜＜弓，同時(shí)io八也很小，故可認(rèn)為對(duì)”一勺。如果與隨時(shí)間

e——N——

按正弦規(guī)律變化，則G亦按正弦規(guī)律變化，根據(jù)‘1力可知，主磁通。也按正弦規(guī)

律變化