21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 电机与指动 主编杨天明陈杰 副主编侯云海曹先庆 参编吴鸿霞宋晓燕 中国林业出版社 出京大穿出版社 China Forestry Publishing House EKING UNIVERSITY PRESS
21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材 电 机 与 拖 动 主 编 杨天明 陈 杰 副主编 侯云海 曹先庆 参 编 吴鸿霞 宋晓燕
内容简介 本书包括“电机学”与“电力拖动”两门课程的主要内容,合并为《电机与拖动》。全书共10章, 分为直流电机与拖动、变压器、交流电机与拖动、控制电机4部分内容,分别从原理、结构、运行特性方 面进行探讨,并在每章节后附有相应的小结与习题便于学生知识的巩固 本书注重实际中常用技术的分析与应用、突出了电机教学研究中的一些成果与特色,特别是一些内容 的新提法 本书可作为普通高等院校自动化、机电、数控、应用电子控制专业以及其他相关专业的教材使用,也 可作为工程技术人员与自学者的参考资料。 图书在版编目(C|P)数据 电机与拖动杨天明,陈杰主编.一北京:中国林业出版社:北京大学出版社,2006.8 (21世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材) ISBN7-5038-4409-4 Ⅰ.电…Ⅱ.①杨…②陈…Ⅲ.①电机一高等学校一教材②电力传动一高等学校一教材 ⅣV.TN 中国版本图书馆CIP数据核字(2006)第024158号 书名:电机与拖动 著作责任者:杨天明陈杰主编 策划编辑:李娉婷 责任编辑:李虎曹岚裴振华 标准书号:ISBN7-5038-4409-4 出版者:中国林业出版社(地址:北京市西城区德内大街刘海胡同7号邮编:10000 http://www.cfph.com.cnE-mail:cfphz@public.bta.net.cn 电话:总编室66180373营销中心66187711 北京大学出版社(地址:北京市海淀区成府路205号邮编:100871) http://www.pup.cnhttp://www.pup6.com E-mail:pup6@163.com 电话:邮购部62752015发行部62750672编辑部62750667出版部62754962 印 发行者:北京大学出版社中国林业出版社 经销者:新华书店 787毫米×1092毫米16开本18.75印张400千字 2006年8月第1版2006年8月第1次印刷 定价:27.00元
内 容 简 介 本书包括“电机学”与“电力拖动”两门课程的主要内容，合并为《电机与拖动》。全书共 10 章， 分为直流电机与拖动、变压器、交流电机与拖动、控制电机 4 部分内容，分别从原理、结构、运行特性方 面进行探讨，并在每章节后附有相应的小结与习题便于学生知识的巩固。 本书注重实际中常用技术的分析与应用、突出了电机教学研究中的一些成果与特色，特别是一些内容 的新提法。 本书可作为普通高等院校自动化、机电、数控、应用电子控制专业以及其他相关专业的教材使用，也 可作为工程技术人员与自学者的参考资料。 本书可作为高等工科院校、高等农林院校等机械类、近机类各专业的教材和参考书，也可作为高职类 工科院校及机械制造工程技术人员的学习参考书。 市版权局著作权合同登记号 图字：01-2003-8586 号 图书在版编目(CIP)数据 电机与拖动/杨天明，陈杰主编. —北京：中国林业出版社；北京大学出版社，2006.8 (21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材) ISBN 7-5038-4409-4 Ⅰ. 电… Ⅱ. ①杨… ②陈… Ⅲ. ①电机—高等学校—教材 ② 电力传动—高等学校—教材 Ⅳ. TM921.5 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2006)第 024158 号 书 名：电机与拖动 著作责任者：杨天明 陈 杰 主编 策划编辑：李娉婷 责任编辑：李 虎 曹 岚 裴振华 标准书号：ISBN 7-5038-4409-4 出 版 者：中国林业出版社(地址：北京市西城区德内大街刘海胡同 7 号 邮编：100009 ) http://www.cfph.com.cn E-mail:cfphz@public.bta.net.cn 电话：总编室 66180373 营销中心 66187711 北京大学出版社(地址：北京市海淀区成府路 205 号 邮编：100871) http://www.pup.cn http://www.pup6.com E-mail: pup_6@163.com 电话：邮购部 62752015 发行部 62750672 编辑部 62750667 出版部 62754962 印 刷 者： 发 行 者：北京大学出版社 中国林业出版社 经 销 者：新华书店 787 毫米×1092 毫米 16 开本 18.75 印张 400 千字 2006 年 8 月第 1 版 2006 年 8 月第 1 次印刷 定 价：27.00 元
目录 绪论 恒转矩负载 第1篇直流电机… 232恒功率负载 233通风机类负载 第1章直流电机的原理与结构……924直流电动机的机械特性 1.1直流电机基本工作原理 24.l机械特性方程式 1.1直流电动机工作原理 242固有机械特性 1.1.2直流发电机工作原理 243人为机械特性 12直流电机的结构和额定值 12.1直流电机的结构 90113 244机械特性的计算与绘制 2.5直流串励电动机 2.51直流串励电动机的接线 122直流电机的电枢绕组 与特点 12.3直流电机的励磁方式 .52串励电动机的特性 1.24直流电机的额定值 2.6直流发电机的特性 3直流电机的磁场、电动势、转矩…21 61直流他励发电机的接线 1.3.1直流电机的磁场 1567 与特点 .3.3电枢绕组的感应电动势 62直流他励发电机的特性…46 134电枢绕组的电磁转矩 63直流并励发电机 14直流电机的换向… 本章小结 141换向的过程 思考题与习题 142影响换向的因素 第3章直流电动机的起动、调速 14.3改善换向的方法 和制动 144补偿绕组 本章小结 313.1直流电动机的起动53 思考题与习题 3.1.1对直流电动机起动性能的 第2章直流电动机的电力拖动 基本要求 32 3.1.2直流他励电动机的串电阻 21直流电动机基本的平衡方程式…32 起动 211电压平衡方程式 3,2直流电动机的调速 2.1.2功率平衡方程式 3.21调速指标 2.1.3转矩平衡方程式 23533366 3.22直流他励电动机的调速方法 22直流电动机的工作特性 及其调速性能 22.1转速特性 323电动机调速时的负载能力 22.2转距特性 及其与负载性质的配合 223效率特性 3.3直流他励电动机的各种工作状态 2.3生产机械的负载转矩特性 分析
目 录 绪论...........................................................................1 第 1 篇 直流电机...............................................9 第 1 章 直流电机的原理与结构...................9 1.1 直流电机基本工作原理 .........................9 1.1.1 直流电动机工作原理..................9 1.1.2 直流发电机工作原理................10 1.2 直流电机的结构和额定值 ...................11 1.2.1 直流电机的结构........................11 1.2.2 直流电机的电枢绕组................13 1.2.3 直流电机的励磁方式................20 1.2.4 直流电机的额定值....................20 1.3 直流电机的磁场、电动势、转矩 .......21 1.3.1 直流电机的磁场........................21 1.3.3 电枢绕组的感应电动势............25 1.3.4 电枢绕组的电磁转矩................26 1.4 直流电机的换向 ...................................27 1.4.1 换向的过程................................27 1.4.2 影响换向的因素........................27 1.4.3 改善换向的方法........................29 1.4.4 补偿绕组....................................30 本章小结 ........................................................31 思考题与习题 ................................................31 第 2 章 直流电动机的电力拖动.................32 2.1 直流电动机基本的平衡方程式 ...........32 2.1.1 电压平衡方程式........................32 2.1.2 功率平衡方程式........................33 2.1.3 转矩平衡方程式........................35 2.2 直流电动机的工作特性 .......................35 2.2.1 转速特性....................................35 2.2.2 转距特性....................................35 2.2.3 效率特性....................................36 2.3 生产机械的负载转矩特性 ...................36 2.3.1 恒转矩负载 ...............................36 2.3.2 恒功率负载 ...............................37 2.3.3 通风机类负载 ...........................37 2.4 直流电动机的机械特性 .......................38 2.4.1 机械特性方程式 .......................38 2.4.2 固有机械特性 ...........................40 2.4.3 人为机械特性 ...........................40 2.4.4 机械特性的计算与绘制 ...........42 2.5 直流串励电动机 ...................................44 2.5.1 直流串励电动机的接线 与特点 .......................................44 2.5.2 串励电动机的特性 ...................44 2.6 直流发电机的特性 ...............................46 2.6.1 直流他励发电机的接线 与特点 .......................................46 2.6.2 直流他励发电机的特性 ...........46 2.6.3 直流并励发电机 .......................48 本章小结 ........................................................50 思考题与习题 ................................................51 第 3 章 直流电动机的起动、调速 和制动.................................................53 3.1 直流电动机的起动 ...............................53 3.1.1 对直流电动机起动性能的 基本要求 ...................................53 3.1.2 直流他励电动机的串电阻 起动 ...........................................54 3.2 直流电动机的调速 ...............................57 3.2.1 调速指标 ...................................57 3.2.2 直流他励电动机的调速方法 及其调速性能 ...........................59 3.2.3 电动机调速时的负载能力 及其与负载性质的配合 ...........62 3.3 直流他励电动机的各种工作状态 分析........................................................64
电机与拖动 3.31制动与电动的区别 522单相变压器的连接组 3.32电动机的制动工作状态分析.64 523三相变压器的连接组 本章小结 524磁路结构及连接组对电动势 思考题与习题 波形的影响 53变压器的并联运行 第2篇变压器 531变压器的并联运行的意义…102 第4章单相变压器 532变压器的理想并联运行的 41变压器的工作原理与结构 4.1.1变压器的工作原理 3555566 本章小结 思考题与习题 4.2变压器的应用与分类 41.3变压器的结构 第6章其他用途的变压器 4.1.4变压器的额定值(铭牌数据)….78 6.1自耦变压器 4.2变压器的空载运行 78 6.1.1工作原理 42.1空载运行时的物理状况……78 6.1.2优缺点 42.2空载运行时的电动势平衡 62仪用互感器 方程式、相量图以及等效 621电压互感器 电路 622电流互感器 43变压器的负载运行 3电焊机变压器 43.1负载运行时的物理状况 6.31电焊工艺对变压器的要求….108 43.2负载运行时的基本方程式…83 63.2磁分路动铁心电焊变压器109 4.3.3绕组归算、等效电路及相 633串联可变电抗器的电焊变 量图 .109 44变压器的参数测定 86 本章小结 44.1空载试验 思考题与习题 442短路试验 87第3篇三相异步电动机及拖动 4.5标幺值 第7章三相交流异步电动机…… 111 46变压器的运行特性 46.1外特性 880 7.1三相异步电动机的工作原理与 46.2效率特性 结构 本章小结 7.11三相异步电动机的工作 思考题与习题… 原理 7.1.2交流电动机中旋转速度的 第5章三相变压器 问题 5.1三相变压器的磁路系统 71.3三相异步电动机的结构 5.1.1三相组式变压器 7.14三相异步电动机的铭牌 5.1.2三相心式变压器 数据 52三相变压器的电路系统——连接组94 72三相交流电动机的绕组 52.1变压器原边、副边绕组首末 7.2.1交流绕组的一些基本知识 端标记及连接方法 和基本量
·VI· 电机与拖动 ·VI· 3.3.1 制动与电动的区别....................64 3.3.2 电动机的制动工作状态分析....64 本章小结 ........................................................72 思考题与习题 ................................................73 第 2 篇 变压器.................................................75 第 4 章 单相变压器........................................75 4.1 变压器的工作原理与结构 ...................75 4.1.1 变压器的工作原理....................75 4.1.2 变压器的应用与分类................76 4.1.3 变压器的结构............................76 4.1.4 变压器的额定值(铭牌数据).....78 4.2 变压器的空载运行 ...............................78 4.2.1 空载运行时的物理状况............78 4.2.2 空载运行时的电动势平衡 方程式、相量图以及等效 电路............................................81 4.3 变压器的负载运行 ...............................83 4.3.1 负载运行时的物理状况............83 4.3.2 负载运行时的基本方程式........83 4.3.3 绕组归算、等效电路及相 量图............................................84 4.4 变压器的参数测定 ...............................86 4.4.1 空载试验....................................86 4.4.2 短路试验....................................87 4.5 标幺值 ...................................................87 4.6 变压器的运行特性 ...............................88 4.6.1 外特性........................................88 4.6.2 效率特性....................................90 本章小结 ........................................................91 思考题与习题 ................................................91 第 5 章 三相变压器........................................93 5.1 三相变压器的磁路系统 .......................93 5.1.1 三相组式变压器........................93 5.1.2 三相心式变压器........................93 5.2 三相变压器的电路系统——连接组 ...94 5.2.1 变压器原边、副边绕组首末 端标记及连接方法....................94 5.2.2 单相变压器的连接组 ...............94 5.2.3 三相变压器的连接组 ...............95 5.2.4 磁路结构及连接组对电动势 波形的影响 .............................100 5.3 变压器的并联运行 .............................102 5.3.1 变压器的并联运行的意义 .....102 5.3.2 变压器的理想并联运行的 条件 .........................................102 本章小结 ......................................................104 思考题与习题 ..............................................104 第 6 章 其他用途的变压器........................106 6.1 自耦变压器 .........................................106 6.1.1 工作原理 .................................106 6.1.2 优缺点 .....................................107 6.2 仪用互感器 .........................................107 6.2.1 电压互感器 .............................107 6.2.2 电流互感器 .............................108 6.3 电焊机变压器 .....................................108 6.3.1 电焊工艺对变压器的要求 .....108 6.3.2 磁分路动铁心电焊变压器 .....109 6.3.3 串联可变电抗器的电焊变 压器 .........................................109 本章小结 ......................................................110 思考题与习题 ..............................................110 第 3 篇 三相异步电动机及拖动...............111 第 7 章 三相交流异步电动机...................111 7.1 三相异步电动机的工作原理与 结构......................................................111 7.1.1 三相异步电动机的工作 原理 .........................................111 7.1.2 交流电动机中旋转速度的 问题 .........................................114 7.1.3 三相异步电动机的结构 .........116 7.1.4 三相异步电动机的铭牌 数据 .........................................119 7.2 三相交流电动机的绕组 .....................120 7.2.1 交流绕组的一些基本知识 和基本量 .................................120
VI 722交流电动机绕组排列的 第8章三相异步电动机的电力拖动 基本原则 123 81三相异步电动机的起动性能 73交流电动机电枢绕组的感应 82三相笼型异步电动机的起动…169 电动势 821直接起动 7.3.1绕组的感应电动势及短矩 822降压起动 系数 .126 83三相绕线式异步电动机的起动…17 732绕组组的感应电动势及分布 83.1转子回路串接电阻器起动…..173 系数 129 832转子串频敏变阻器起动……174 733一相绕组的基波感应 84三相异步电动机的调速 电动势 84.1变极调速 734定子绕组的谐波电动势132 842变频调速 相异步电动机的定子磁动势1 843改变转差率调速 74.1单相绕组的脉振磁动势.134 8.5三相异步电动机的制动 74.2三相绕组基波合成磁动势 8.51三相异步电动机的反转…180 旋转磁动势 140 852三相异步电动机的制动 7.5三相异步电动机转子静止时的 8.6电动机的选择 电磁关系 861电动机的种类、型式、额定 7.51转子不动(转子开路)时的 电压与额定转速的选择…184 情况 862电动机的发热与冷却186 7.52转子不动(转子绕组短路并 863电动机的工作方式 堵转)时的情况 864额定功率的选择 7.6三相异步电动机转子旋转时的 8.7电动机的维护处理及故障 .190 电磁关系 150 871起动前的准备 7.7三相异步电动机的功率和转矩…155 872起动时的注意事项 7.7.1功率平衡和转矩平衡 8.7.3运行中的监视 7.7.2电磁转矩公式 874电动机的定期维修 78三相异步电动机的工作特性和参数 8.75常见故障及扫除方法…192 测定 本章小结 7.8.1三相异步电动机工作特性157 思考题与习题 7.82三相异步电动机的参数 测定 58第4篇其他用途的电动机 79三相异步电动机的机械特性…………160第9章单相异步电动机和同步电 791机械特性的表达式 动机 792三相异步电动机的固有机械 91单相异步电动机 特性 164 793三相异步电动机的人为机械 911单相异步电动机基本工作 原理 特性 91.2单相异步电动机的起动 本章小结 思考题与习题
目 录 ·VII· ·VII· 7.2.2 交流电动机绕组排列的 基本原则..................................123 7.3 交流电动机电枢绕组的感应 电动势..................................................126 7.3.1 绕组的感应电动势及短矩 系数..........................................126 7.3.2 绕组组的感应电动势及分布 系数..........................................129 7.3.3 一相绕组的基波感应 电动势......................................131 7.3.4 定子绕组的谐波电动势..........132 7.4 三相异步电动机的定子磁动势 .........134 7.4.1 单相绕组的脉振磁动势..........134 7.4.2 三相绕组基波合成磁动势 ——旋转磁动势......................140 7.5 三相异步电动机转子静止时的 电磁关系..............................................145 7.5.1 转子不动(转子开路)时的 情况..........................................145 7.5.2 转子不动(转子绕组短路并 堵转)时的情况 ........................148 7.6 三相异步电动机转子旋转时的 电磁关系..............................................150 7.7 三相异步电动机的功率和转矩 .........155 7.7.1 功率平衡和转矩平衡..............155 7.7.2 电磁转矩公式..........................157 7.8 三相异步电动机的工作特性和参数 测定 ..................................................157 7.8.1 三相异步电动机工作特性......157 7.8.2 三相异步电动机的参数 测定..........................................158 7.9 三相异步电动机的机械特性 .............160 7.9.1 机械特性的表达式..................161 7.9.2 三相异步电动机的固有机械 特性..........................................164 7.9.3 三相异步电动机的人为机械 特性..........................................165 本章小结 ......................................................166 思考题与习题 ..............................................167 第 8 章 三相异步电动机的电力拖动.....169 8.1 三相异步电动机的起动性能 .............169 8.2 三相笼型异步电动机的起动 .............169 8.2.1 直接起动 .................................169 8.2.2 降压起动 .................................170 8.3 三相绕线式异步电动机的起动 .........173 8.3.1 转子回路串接电阻器起动 .....173 8.3.2 转子串频敏变阻器起动 .........174 8.4 三相异步电动机的调速 .....................174 8.4.1 变极调速 .................................175 8.4.2 变频调速 .................................176 8.4.3 改变转差率调速 .....................178 8.5 三相异步电动机的制动 .....................180 8.5.1 三相异步电动机的反转 .........180 8.5.2 三相异步电动机的制动 .........180 8.6 电动机的选择 .....................................184 8.6.1 电动机的种类、型式、额定 电压与额定转速的选择 .........184 8.6.2 电动机的发热与冷却 .............186 8.6.3 电动机的工作方式 .................186 8.6.4 额定功率的选择 .....................187 8.7 电动机的维护处理及故障 .................190 8.7.1 起动前的准备 .........................190 8.7.2 起动时的注意事项 .................191 8.7.3 运行中的监视 .........................191 8.7.4 电动机的定期维修 .................192 8.7.5 常见故障及扫除方法 .............192 本章小结 ......................................................194 思考题与习题 ..............................................194 第 4 篇 其他用途的电动机........................196 第 9 章 单相异步电动机和同步电 动机...................................................196 9.1 单相异步电动机 .................................196 9.1.1 单相异步电动机基本工作 原理 .........................................196 9.1.2 单相异步电动机的起动 方法 .........................................197
VIll. 电机与拖动 91.3单相正弦绕组 10.32交流测速发电机 92同步电动机 104直线电动机 921同步电动机的特点 104.1直线电动机的结构形式…226 9.22同步电动机基本工作原理…203 1042直线异步电动机的工作 923同步电动机的功率因数的 调整… 10.5自整角机 本章小结 105.1力矩式自整角机的结构与 思考题与习题 206 工作原理 第10章控制电机…208 10.52控制式自整角机的结构与 工作原理 232 10.1伺服电动机 106旋转变压器 10.1.1直流伺服电动机 106.1正余弦旋转变压器的空载 10.1.2交流伺服电动机 102步进电动机 本章小结 1021步进电动机的结构和分类.215 思考题与习题 239 102.2反应式步进电动机的工作 原理 附录 241 1023反应式步进电动机的特性 参考文献 10.3测速发电机 10.3.1直流测速发电机
·VIII· 电机与拖动 ·VIII· 9.1.3 单相正弦绕组..........................201 9.2 同步电动机 .........................................202 9.2.1 同步电动机的特点..................202 9.2.2 同步电动机基本工作原理......203 9.2.3 同步电动机的功率因数的 调整..........................................205 本章小结 ......................................................206 思考题与习题 ..............................................206 第 10 章 控制电机........................................208 10.1 伺服电动机 .......................................208 10.1.1 直流伺服电动机....................208 10.1.2 交流伺服电动机....................211 10.2 步进电动机 .......................................214 10.2.1 步进电动机的结构和分类....215 10.2.2 反应式步进电动机的工作 原理........................................215 10.2.3 反应式步进电动机的特性....218 10.3 测速发电机 .......................................221 10.3.1 直流测速发电机....................221 10.3.2 交流测速发电机 ...................223 10.4 直线电动机 .......................................225 10.4.1 直线电动机的结构形式 .......226 10.4.2 直线异步电动机的工作 原理 .......................................228 10.5 自整角机 ...........................................229 10.5.1 力矩式自整角机的结构与 工作原理................................230 10.5.2 控制式自整角机的结构与 工作原理 ...............................232 10.6 旋转变压器 .......................................233 10.6.1 正余弦旋转变压器的空载 运行 .......................................233 本章小结 ......................................................237 思考题与习题 ..............................................239 附录.......................................................................241 参考文献.............................................................286
绪论 1.什么是电机 在现代,电能是一种广泛应用的能源。电能与其他能源相比,有突出的优点。首先电 能的生产与转换比较经济,目前我国的公共电网就是由众多的火力发电厂与水力发电站并 网运行组成的:其次电能传输与分配比较容易。尤为突出的是,它可以远距离输送,可把 某地生产的电能输送到几千公里之外的地区去;再者电能的使用与控制比较方便,且易于 实现自动化。因此,在现代社会中,电能的应用己遍及各行各业中 在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面,都必须通过能够进行能量(或 信号)传递与变换的电磁机械装置,这些电磁机械装置被广义地称为电机。 通常所说的电机,是指那些利用电磁感应原理设计制造而成的、用于实现能量(或信号) 传递与变换的电磁机械的统称。按电机的功能来分类,电机可分为: (1)发电机——把机械能转变成电能 (2)电动机——把电能转变成机械能 (3)变压器、变频机、变流机、移相器等,是分别用于改变电压、频率、电流及相位 的,即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能 (4)控制电机—一应用于各类自动控制系统中的控制元件。 值得指出的是,从基本工作原理来看,发电机与电动机只是电机的两种不同的运行方 式,从能量转换的观点来看,二者是可逆的。 上述的各种电机中,有些是静止的,如变压器;有些是旋转的,如各种类型的发电机 与电动机。按电流的类型及工作原理的某些差异,旋转电机又可分为直流电机、交流异步 电机、交流同步电机及各种具有专门用途的控制电机等 2.电机以及电力拖动的发展概况 始于19世纪60~70年代的第二次工业技术革命,是以电力的广泛应用为显著特点的。 从此人类社会由蒸汽机时代步入了电气化时代。在法拉第电磁感应定律基础上,一系列电 气发明相继出现。1866年,德国工程师西门子制成发电机:1870年比利时人格拉姆发明了 电动机,电力开始成为取代蒸汽来拖动机器的新能源。随后,各种用电设备相继出现。1882 年法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。同年,美国著名发明家爱迪生创建了美国 个火力发电站,把输电线结成网络。从此电力作为一种新能源而广泛应用。那时,电机 刚刚在工业上初步应用,各种电机初步定型,电机设计理论和电机设计计算初步建立 随着社会生产的发展和科技的进步,对电机也提出了更高的要求,如:性能良好、运 行可靠、单位容量的重量轻体积小等,而且随着自动控制系统的发展要求,在旋转电机的 理论基础上,又派生出多种精度高、响应快的控制电机,成为电机学科的一个独立分支。 电机制造也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展,向高效节能 方向发展。各种响应快速、起停快速的特种电机在各种复杂的计算机控制系统和无人工厂
绪 论 1. 什么是电机 在现代，电能是一种广泛应用的能源。电能与其他能源相比，有突出的优点。首先电 能的生产与转换比较经济，目前我国的公共电网就是由众多的火力发电厂与水力发电站并 网运行组成的；其次电能传输与分配比较容易。尤为突出的是，它可以远距离输送，可把 某地生产的电能输送到几千公里之外的地区去；再者电能的使用与控制比较方便，且易于 实现自动化。因此，在现代社会中，电能的应用已遍及各行各业中。 在电能的生产、转换、传输、分配、使用与控制等方面，都必须通过能够进行能量(或 信号)传递与变换的电磁机械装置，这些电磁机械装置被广义地称为电机。 通常所说的电机，是指那些利用电磁感应原理设计制造而成的、用于实现能量(或信号) 传递与变换的电磁机械的统称。按电机的功能来分类，电机可分为： (1) 发电机——把机械能转变成电能； (2) 电动机——把电能转变成机械能； (3) 变压器、变频机、变流机、移相器等，是分别用于改变电压、频率、电流及相位 的，即把一种类型的电能转变成另一种类型的电能； (4) 控制电机——应用于各类自动控制系统中的控制元件。 值得指出的是，从基本工作原理来看，发电机与电动机只是电机的两种不同的运行方 式，从能量转换的观点来看，二者是可逆的。 上述的各种电机中，有些是静止的，如变压器；有些是旋转的，如各种类型的发电机 与电动机。按电流的类型及工作原理的某些差异，旋转电机又可分为直流电机、交流异步 电机、交流同步电机及各种具有专门用途的控制电机等。 2. 电机以及电力拖动的发展概况 始于 19 世纪 60～70 年代的第二次工业技术革命，是以电力的广泛应用为显著特点的。 从此人类社会由蒸汽机时代步入了电气化时代。在法拉第电磁感应定律基础上，一系列电 气发明相继出现。1866 年，德国工程师西门子制成发电机；1870 年比利时人格拉姆发明了 电动机，电力开始成为取代蒸汽来拖动机器的新能源。随后，各种用电设备相继出现。1882 年法国学者德普勒发明了远距离送电的方法。同年，美国著名发明家爱迪生创建了美国第 一个火力发电站，把输电线结成网络。从此电力作为一种新能源而广泛应用。那时，电机 刚刚在工业上初步应用，各种电机初步定型，电机设计理论和电机设计计算初步建立。 随着社会生产的发展和科技的进步，对电机也提出了更高的要求，如：性能良好、运 行可靠、单位容量的重量轻体积小等，而且随着自动控制系统的发展要求，在旋转电机的 理论基础上，又派生出多种精度高、响应快的控制电机，成为电机学科的一个独立分支。 电机制造也向着大型、巨型发展。中小型电机正向多用途、多品种方向发展，向高效节能 方向发展。各种响应快速、起停快速的特种电机在各种复杂的计算机控制系统和无人工厂
电机与拖动 中实现了比人的手脚更复杂而精巧的运动。古老的电机学已经和电力电子学、计算机、控 制论结合起来,发展成了一门新的学科。 在我国,电机制造业也发生了巨大的变化。我国的电机生产从1917年至今已有80多 年的历史,经过改革开放20多年的发展,特别是近10年的发展,有了长足的进步,令世 人瞩目。目前已经形成比较完整的产业体系,电机产品的品种、规格、性能和产量满足了 我国国民经济发展的需要。而且一些产品己经达到或接近世界先进水平。近来世界上电机 行业专家纷纷预测,中国将会成为世界电动机的生产制造基地。 近年来我国已生产了不少大型直流电动机、异步电动机和同步电动机:在中小型电机 和控制电机方面,亦自行设计和生产了不少新系列电机;对电机的新理论、新结构、新工 艺、新材料、新运行方式和调试方法,进行了许多研究和试验工作,取得不少成果。 与电机发展过程一样,电力拖动技术也有个不断发展的过程。电动机拖动生产机械的 运转称为电力拖动(或称为电气传动)。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、 生产机械和电源五部分组成。它们之间的关系如图0.1所示。 控制设备一 传动机构 图01电力拖动系统的构成 电力拖动代替蒸汽或水力拖动之初,电力拖动的方式是成组拖动,就是由一台电动机 拖动一组生产机械,从电动机到各个生产机械的能量传递以及各个生产机械之间的能量分 配完全用机械的方法,靠“天轴”以及机械传动系统来实现,车间里有大量的“天轴” 长皮带和皮带轮等。这种传动方式效率低下,生产率低下,灰尘大,劳动条件和卫生条件 差,且容易出事故。另外,电动机发生故障,则成组拖动的所有生产机械都将停车,生产 将可能停滞。显然这是一种落后的电力拖动方式。 20世纪20年代以来,生产机械上广泛采用一种“单电机拖动系统”,即一台生产机 械用一台单独的电动机拖动。简化了机械结构,且易于实现生产设备运转的全部自动化。 但是,由于是一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械,需要负责能量传递的机械传 动机构。 所以,从20世纪30年代起,广泛采用了“多电动机拖动系统”,即每个工作机构由 单独的电动机拖动,因而生产机械的机械结构可以大大简化,提高了机械机构的可靠性 随着生产的发展和科技水平的提高,对拖动系统提出了更高的要求,如:要求提高加 工精度与工作速度,要求快速起动、制动及反转,实现在大范围内调速以及整个生产过程 自动化等。这些,都必须要有自动控制设备,以组成自动化的电力拖动系统 最早的电力拖动控制系统是继电器-接触器自动控制系统,属于有触点断续控制系统。 接着,出现了发电机-电动机组,使得直流电动机得到了广泛的应用。并且在这个基础 上,发展成为采用电力电子器件组成的自动化直流电力拖动系统,并且正向大容量方向发 展;自动化元件已有成套标准控制单元,控制装置集成化、小型化、微型化,设备可靠性 高,维护简便,许多设备都可做到自动运行,不需要监视和维护
·2· 电机与拖动 ·2· 中实现了比人的手脚更复杂而精巧的运动。古老的电机学已经和电力电子学、计算机、控 制论结合起来，发展成了一门新的学科。 在我国，电机制造业也发生了巨大的变化。我国的电机生产从 1917 年至今已有 80 多 年的历史，经过改革开放 20 多年的发展，特别是近 10 年的发展，有了长足的进步，令世 人瞩目。目前已经形成比较完整的产业体系，电机产品的品种、规格、性能和产量满足了 我国国民经济发展的需要。而且一些产品已经达到或接近世界先进水平。近来世界上电机 行业专家纷纷预测，中国将会成为世界电动机的生产制造基地。 近年来我国已生产了不少大型直流电动机、异步电动机和同步电动机；在中小型电机 和控制电机方面，亦自行设计和生产了不少新系列电机；对电机的新理论、新结构、新工 艺、新材料、新运行方式和调试方法，进行了许多研究和试验工作，取得不少成果。 与电机发展过程一样，电力拖动技术也有个不断发展的过程。电动机拖动生产机械的 运转称为电力拖动(或称为电气传动)。电力拖动系统一般由控制设备、电动机、传动机构、 生产机械和电源五部分组成。它们之间的关系如图 0.1 所示。 图 0.1 电力拖动系统的构成 电力拖动代替蒸汽或水力拖动之初，电力拖动的方式是成组拖动，就是由一台电动机 拖动一组生产机械，从电动机到各个生产机械的能量传递以及各个生产机械之间的能量分 配完全用机械的方法，靠“天轴”以及机械传动系统来实现，车间里有大量的“天轴”、 长皮带和皮带轮等。这种传动方式效率低下，生产率低下，灰尘大，劳动条件和卫生条件 差，且容易出事故。另外，电动机发生故障，则成组拖动的所有生产机械都将停车，生产 将可能停滞。显然这是一种落后的电力拖动方式。 20 世纪 20 年代以来，生产机械上广泛采用一种“单电机拖动系统”，即一台生产机 械用一台单独的电动机拖动。简化了机械结构，且易于实现生产设备运转的全部自动化。 但是，由于是一台电动机拖动具有多个工作机构的生产机械，需要负责能量传递的机械传 动机构。 所以，从 20 世纪 30 年代起，广泛采用了“多电动机拖动系统”，即每个工作机构由 单独的电动机拖动，因而生产机械的机械结构可以大大简化，提高了机械机构的可靠性。 随着生产的发展和科技水平的提高，对拖动系统提出了更高的要求，如：要求提高加 工精度与工作速度，要求快速起动、制动及反转，实现在大范围内调速以及整个生产过程 自动化等。这些，都必须要有自动控制设备，以组成自动化的电力拖动系统。 最早的电力拖动控制系统是继电器-接触器自动控制系统，属于有触点断续控制系统。 接着，出现了发电机-电动机组，使得直流电动机得到了广泛的应用。并且在这个基础 上，发展成为采用电力电子器件组成的自动化直流电力拖动系统，并且正向大容量方向发 展；自动化元件已有成套标准控制单元，控制装置集成化、小型化、微型化，设备可靠性 高，维护简便，许多设备都可做到自动运行，不需要监视和维护
绪论 但是,由于交流电动机较之直流电动机具有:结构简单、价格便宜、维护方便、惯性 小等一系列优点,而且单机容量可以做得很大,电压等级可以做得很高,可以实现高速拖 动等,所以,人们一直在致力研究性能更高的交流调速系统。目前,随着电力电子器件的 发展,交流调速系统已经得到广泛应用,性能指标进一步提高,容量进一步增大,控制系 统集成化程度进一步提高。交流电力拖动系统取代直流电力拖动系统已经是无可争议的事 实了。 我国的电力拖动系统取得的发展是有目共睹的,但是,与国外比较,还是有很大差距 主要体现在:技术水平相对较低、拖动运行效率不高、成套技术不成熟等。目前,正在奋 起直追,狠抓基础,开展一些关键技术的研究,以期尽快缩短和国外的差距,力争达到拖 动系统的综合技术经济指标最佳。 3.电机及电力拖动系统的发展前景 电气化、信息化时代,在性能、可靠性及容量等方面,对电机提出了更高的要求。交 流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展 同时,随着新兴行业的发展,微电机亦成为电机行业发展的亮点,是我国电工电器行 业(电机)发展的重点产品。稀土永磁电机,无轴承电机也是电机技术发展的新动向 与此相适应,电机拖动也有了新的发展,对拖动系统又提出更高的要求,如要求提高 加工的精度和工作的速度,要求快速启动、制动和逆转,实现很宽范围内的调速及整个生 产过程的自动化等,这就需要有一整套自动控制设备组成自动化的电力拖动系统。而这些 高要求的拖动系统随着自动控制理论的不断发展,半导体器件和电力电子技术的采用,以 及数控技术和计算机技术的发展与采用,正在不断地完善和提高 综上所述,电力拖动技术发展至今,它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启 动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高;电动机的类型多,且具有各种 不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求;整个系统各参数的检测和信号的变换与 传送方便,易于实现最优控制。因此,电力拖动已成为国民经济电气自动化的基础 4.本课程的性质、任务、内容与特点 《电机及拖动》是电气工程及其自动化专业、自动化专业的一门专业基础课。它的主 要任务是使学生掌握常用的交直流电机、变压器、控制电机等的基本结构与工作原理,电 力拖动系统的运行性能、分析计算,电机容量选择及试验方法等,为学习《工厂电气控制 设备》、《自动控制原理》、《信号与系统》等课程准备必要的基础知识。 《电机及拖动》是分析和解决电机与电力拖动系统的基本问题,主要包括直流电机及 拖动、变压器、异步电机及拖动、同步电动机、控制电机和电动机容量的选择等内容。课 程学完后学生应达到下列要求 掌握常用的交直流电机及变压器的基本原理(电磁关系、能量关系) 掌握电动机机械特性以及各种运行状态的基本原理 掌握电力拖动系统中电动机的调速方法、调速原理和技术经济指标: 掌握电机与电力拖动系统的基本实验方法与技能,并具有熟练的运算能力 掌握电力拖动系统中电动机容量的选择 掌握控制电机的工作原理、特性及用途
绪论 ·3· ·3· 但是，由于交流电动机较之直流电动机具有：结构简单、价格便宜、维护方便、惯性 小等一系列优点，而且单机容量可以做得很大，电压等级可以做得很高，可以实现高速拖 动等，所以，人们一直在致力研究性能更高的交流调速系统。目前，随着电力电子器件的 发展，交流调速系统已经得到广泛应用，性能指标进一步提高，容量进一步增大，控制系 统集成化程度进一步提高。交流电力拖动系统取代直流电力拖动系统已经是无可争议的事 实了。 我国的电力拖动系统取得的发展是有目共睹的，但是，与国外比较，还是有很大差距。 主要体现在：技术水平相对较低、拖动运行效率不高、成套技术不成熟等。目前，正在奋 起直追，狠抓基础，开展一些关键技术的研究，以期尽快缩短和国外的差距，力争达到拖 动系统的综合技术经济指标最佳。 3. 电机及电力拖动系统的发展前景 电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的要求。交 流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展。 同时，随着新兴行业的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，是我国电工电器行 业(电机)发展的重点产品。稀土永磁电机，无轴承电机也是电机技术发展的新动向。 与此相适应，电机拖动也有了新的发展，对拖动系统又提出更高的要求，如要求提高 加工的精度和工作的速度，要求快速启动、制动和逆转，实现很宽范围内的调速及整个生 产过程的自动化等，这就需要有一整套自动控制设备组成自动化的电力拖动系统。而这些 高要求的拖动系统随着自动控制理论的不断发展，半导体器件和电力电子技术的采用，以 及数控技术和计算机技术的发展与采用，正在不断地完善和提高。 综上所述，电力拖动技术发展至今，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启 动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类型多，且具有各种 不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各参数的检测和信号的变换与 传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动已成为国民经济电气自动化的基础。 4. 本课程的性质、任务、内容与特点 《电机及拖动》是电气工程及其自动化专业、自动化专业的一门专业基础课。它的主 要任务是使学生掌握常用的交直流电机、变压器、控制电机等的基本结构与工作原理，电 力拖动系统的运行性能、分析计算，电机容量选择及试验方法等，为学习《工厂电气控制 设备》、《自动控制原理》、《信号与系统》等课程准备必要的基础知识。 《电机及拖动》是分析和解决电机与电力拖动系统的基本问题，主要包括直流电机及 拖动、变压器、异步电机及拖动、同步电动机、控制电机和电动机容量的选择等内容。课 程学完后学生应达到下列要求： 掌握常用的交直流电机及变压器的基本原理(电磁关系、能量关系)； 掌握电动机机械特性以及各种运行状态的基本原理； 掌握电力拖动系统中电动机的调速方法、调速原理和技术经济指标； 掌握电机与电力拖动系统的基本实验方法与技能，并具有熟练的运算能力； 掌握电力拖动系统中电动机容量的选择； 掌握控制电机的工作原理、特性及用途
电机与拖动 本课程的特点是理论性强、实践性也强。分析电机与电力拖动的工作原理要用电学、 磁学和动力学的基础理论,既要有时间概念,又要有空间概念,所以理论性较强:;而用理 论分析各种电机和电力拖动的实际问题时,必须结合电机的具体结构、采用工程观点和工 程分析方法,除要掌握基本理论以外,还应注意培养实验操作技能和计算能力,所以实践 性也较强。因此,学习本门课程应该特别注意理论联系实际。 5.本书常用的电磁定律与公式 1)全电流定律 凡是电流均会在其周围产生磁场,这就是电流的磁效应,即所谓“电生磁”。例如电 流通过一根直的导体,在导体周围产生的磁场用磁力线描述时,磁力线是以导体为轴线的 同心圆,磁力线的方向可根据电流的方向由右手螺旋定则确定,如图0.2所示。 图0.2电流方向与磁力线方向的关系 如果是电流通过导体绕成的线圈,产生的磁场的磁力线方向仍可用右手螺旋定则确定, 这时,使弯曲的四指方向与电流方向一致,则大拇指的方向即为线圈内磁力线的方向,如 图02所示 (1)磁感应强度B。磁场中任意一点的磁感应强度B的方向,即为过该点磁力线的切线 方向,磁感应强度B的大小为通过该点与B垂直的单位面积上的磁力线的数目。磁感应强 度B的单位为T,工程上常沿用Gs为单位,其换算关系为 10G (2)磁通量Φ。穿过某一截面S的磁感应强度B的通量,即穿过某截面S的磁力线的 数目称为磁通量,简称磁通(Φ),并有 Φ=[B·dS 设磁场均匀,且磁场与截面垂直,上式可简化为 更=BS 磁通的单位为Wb。有时沿用Mx为单位,其换算关系为 IWb=10°Mx 由上式可知,磁场均匀,且磁场与截面垂直时,磁感应强度的大小可以用下式表示 B= S 因此,磁感应强度又称为磁通密度。其单位与磁通和面积的单位相对应,即 IT=l Wb IGS=l (3)磁场强度H。磁场强度H是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入
·4· 电机与拖动 ·4· 本课程的特点是理论性强、实践性也强。分析电机与电力拖动的工作原理要用电学、 磁学和动力学的基础理论，既要有时间概念，又要有空间概念，所以理论性较强；而用理 论分析各种电机和电力拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构、采用工程观点和工 程分析方法，除要掌握基本理论以外，还应注意培养实验操作技能和计算能力，所以实践 性也较强。因此，学习本门课程应该特别注意理论联系实际。 5. 本书常用的电磁定律与公式 1) 全电流定律 凡是电流均会在其周围产生磁场，这就是电流的磁效应，即所谓“电生磁”。例如电 流通过一根直的导体，在导体周围产生的磁场用磁力线描述时，磁力线是以导体为轴线的 同心圆，磁力线的方向可根据电流的方向由右手螺旋定则确定，如图 0.2 所示。 图 0.2 电流方向与磁力线方向的关系 如果是电流通过导体绕成的线圈，产生的磁场的磁力线方向仍可用右手螺旋定则确定， 这时，使弯曲的四指方向与电流方向一致，则大拇指的方向即为线圈内磁力线的方向，如 图 0.2 所示。 (1) 磁感应强度 B。磁场中任意一点的磁感应强度 B 的方向，即为过该点磁力线的切线 方向，磁感应强度 B 的大小为通过该点与 B 垂直的单位面积上的磁力线的数目。磁感应强 度 B 的单位为 T，工程上常沿用 Gs 为单位，其换算关系为 1T＝104 Gs (2) 磁通量Φ 。穿过某一截面 S 的磁感应强度 B 的通量，即穿过某截面 S 的磁力线的 数目称为磁通量，简称磁通(Φ )，并有 d S Φ = ⋅ B S ∫ 设磁场均匀，且磁场与截面垂直，上式可简化为 Φ = BS 磁通的单位为 Wb。有时沿用 Mx 为单位，其换算关系为 8 1Wb 10 Mx = 由上式可知，磁场均匀，且磁场与截面垂直时，磁感应强度的大小可以用下式表示 Φ B S = 因此，磁感应强度又称为磁通密度。其单位与磁通和面积的单位相对应，即 2 Wb 1T 1 m = ， 2 Mx 1Gs 1 cm = (3) 磁场强度 H。磁场强度 H 是为建立电流与由其产生的磁场之间的数量关系而引入
