总复习
常用的基本定律与定则
电机磁场的描述
电流 → 磁场←用磁场线描述
磁通Φ:
S —— 与磁场线垂直的某面积（m2 )
Φ
SB = （T）
通过磁场中某一面积的磁场线的总数。
单位：Wb。
(1) 磁感应强度 B
B：矢量。其数值 B 表示磁场的强弱，
其方向表示磁场的方向。
在均匀磁场中： —— 磁通密度
H ：矢量。
μ0= 4π×10－7 H / m
B
Hμ=
方向与B 的方向相同。
※单位：A/m。
※ 磁导率μ：
※ 真空中的磁导率:
(2) 磁场强度 H
H 的大小：只与产生该磁场的电流大小成正
比，与介质的性质无关。
B 的大小：不仅与产生该磁场的电流大小有关，
还与介质的性质有关。
（H / m）
铁磁材料的磁性能
1.高导磁性
铁磁材料的特性
高导磁性、磁饱和性、磁滞性、非线性
铁磁物质的磁化
铁磁材料在外磁场中 呈现很强的磁性，此
现象称为铁磁物质的磁化。
>> 0
※ 铸钢：
μ≈1000μ0
※ 硅钢片：
μ≈(6000 ~ 7000)μ0
当外磁场（或励磁电流）增大到一定值时，磁性材料
的全部磁畴的磁场方向都转向与磁场的方向一致，磁
化磁场的磁感应强度BJ达到饱和值。
2.磁饱和特性
注
B
H
图 铁磁材料的磁化曲线
a
b
c d
当有磁性物质存在时
B与H不成比例，与I也不成比例。
3.磁滞特性
磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称磁性物
质的磁滞性。
磁滞回线:呈现磁滞现象的B-H闭合回线.
B
H
0 Hm
Br
剩磁
－HC
矫顽
力
－Hm
－Br
HC
图 铁磁材料的磁滞回线
B
H
O
基本磁化曲线
一、 直流电动机的工作原理
E
+
–
N
S
电刷
换向片
直流电源 电刷 换向器 线圈
Ia
Ia
A
B
1
2
电枢线圈
注意：换向片和线圈固定联接，线圈无论怎样转
动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。
电刷压在换向片上。
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，
使线圈逆时针旋转。
F
FE
+
–
N
S
电刷
换向片
Ia
Ia
A
B
1
2
用右手定则判
感应电动势e的方向
电枢绕组
电阻Ra
输出电压
e
e
N
S
A
B
1
2
二、 直流发电机
的工作原理
F
F
+
-
直流电动机的各种主要部件图
他励电机：励磁绕组与电枢绕组的电源分开。
并励电机：励磁绕组与电枢绕组并联到同一电源上。
串励电机：励磁绕组与电枢绕组串联接到同一电源上。
复励电机：励磁绕组与电枢绕组的联接有串有并，接在
同一电源上。
M
并励
U
If
M
串励
U M
复励
U
直流电机的励磁方式
M
他励
Uf
If Ia
U
直流电机的磁场和基本方程式
U=Ea+-IaRa
并励直流电动机的工作特性
直流电动机的工作特性，是指在U=UN，
时, 转速n、电磁转矩T和效率 随电枢电流
而变化的关系。
1 转速特性
条件：
2 转矩特性
3 效率特性
思考：并励直流电动机的励磁绕
组可否允许开路运行？为什么？
串励直流电动机的工作特性
特点：
1. 转速特性
当Ia较小时，
可得
根据
思考：串励直流电动机可否允许空载运
行？为什么？
串励串励
U
If
+
_
Ia
M
Ea
Ra
Rf
并励直流发电机的自励过程
和自励条件
自励过程：
并励发电机建立电压的过程。
定义：
自励条件：满足建压的条件。
1、自励过程：
1
23
4
由以上分析可知并励发电机的自励条件：
1）电机必须有剩磁。
2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确
配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁
方向一致。
3）励磁回路的电阻应小于与电机运行转速下
相对应的临界电阻。
2、自励条件：
对于旋转运动，方程式为
又因为
惯性转矩（或
称加速转矩）
所以 式中 GD2－飞轮转矩 N·m2
二、运动方程式
对于直线运动，方程式为
式中 F－拖动力 F
Z
－阻力 －惯性力 m的单位为kg
电动机的工作状态可由运动方程式判断
（1） 当 T=T
L
， 电力拖动系统稳定运行
（2） 当 T>T
L
， 电力拖动系统加速运行
（3） 当 T<T
L
， 电力拖动系统减速运行
三、运动方程的物理意义
一、恒转矩负载特性
特点：负载转矩 TZ 与转速 n 无关。
即当转速变化时，负载转矩 TZ 保持
常值。
1.反抗性恒转矩负载
反抗性恒转矩负载的特点：恒值转矩
Tz 总是反对运动方向
摩擦负载转矩，如金属的压延、机床
的平移机构等
2.位能性恒转矩负载
位能性恒转矩负载的特点：转矩 Tz具
有固定的方向，不随转速方向改变而
改变
如起重机类型负载中的重物
位能性恒负载转矩
2.直流电动机的起动方法
•降压起动
——适用于电动机的直流电源是可
调的，投资较大，但起动过程中能
量损耗较少。
•电枢串电阻起动
——起动过程中有能量损耗，现在
很少用。
直流电动机电枢串电阻起动
UN
Uf
If
+–
R
运行
制动
K
他励直流电动机的制动
1. 能耗制动
在制动时，将闸刀合向下方，
这时电机实际处于发电机运行
状态，将转动部分的动能转换
成电能消耗在电阻和电枢回路
的电阻上，所以称为能耗制动。
2）机械特性分析
1) 原理
U
Uf
If
+ –
Rf
运行
制动
1)电压反接制动
过程分析：
将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电
压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，
则电磁转矩反向，产生制动转矩。
机械特性分析：
反接前：
反接后：
限流电阻：
2. 反接制动
3.回馈制动：
1)正向回馈制动：
2）反向回馈制动：
他励直流电动机拖动负载运行，电机将系统
具有的动能反馈回电网，且电机仍为正向转
动，称之为正向回馈制动。如图 反向回馈制动
正向回馈制动
他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，
采用电压反接制动，电机将系统具有的动能
反馈回电网，电机为反向转动，称之为反向
回馈制动。如图
二、他励直流电动机的调速方法
电枢回路串电阻调速
改变电枢电压调速
改变气隙磁通调速
依据：
1. 电枢回路串电阻调速
电枢回路串联电阻越大，
机械特性的斜率越大，
因此在负载转矩恒定时，
即为常数，增大电阻，
可以降低电动机的转速。
电枢串电阻调速特点
电流的变化：负载TL不变，平衡状态要求T
不变，Ia不变——平衡时电枢电流由负载决
定。
优点：设备简单、操作简单。
缺点：特性变软，只能降速，不易连续调速，
有损耗。
2.降低电枢电压调速
降低电枢电压时，电动机机
械特性平行下移。负载不变
时，交点也下移，速度也随
之改变。
电流的变化：负载TL不变，平衡状态要求T不变，Ia不变——
平衡时电枢电流由负载决定。
优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。 缺
点：只能下调，且专门设备，成本大。（可控硅调压调速系
统）
3. 弱磁调速
特点：
1）由于励磁回路的电流很小，
只有额定电流的（1～3）%，
能量损失很小；
2）可无级(平滑)调速；
3）转速只能由额定磁通时对
应的速度向高调，而电动机
最高转速要受到电机本身的
机械强度及换向的限制。
空载运行：原绕组加额定电压，副绕组开路的运行情况称
为空载运行
变压器的空载运行
N1 N2
一、空载运行的物理过程
主磁通：以铁心为磁路，同时交链着一次绕组和二次绕组
漏磁通：以空气或变压器油为磁路，只与一次绕组相交链
：空载电流、励磁电流
1）性质上： 与 成非线性关系； 与 成线性关系；
2）数量上： 占99%以上， 仅占1%以下；
3）作用上： 起传递能量的作用， 起漏抗压降作用。
主磁通与漏磁通的区别
图 变压器负载运行原理图
N1 N2
+
-
+
-
-
+
-
++
-
-
+
负载运行时的物理过程
综合分析， 变压器稳态运行时的六个基本方程式
各电磁量之间同时满足这六个方程
利用 ，k，Z1，Z2，Zm，ZL求解出
L
m
m
ZIU
Z
E
NININI
k
E
E
ZIEU
ZIEU
22
1
12211
2
1
2222
1111
mI
&&
&
&
&&&
&
&
&&&
&&&
=
-=
=+
=
-=
+-=
1. 变压器的绕组归算
所谓把二次侧归算到一次侧是指：在不改变变压器电
磁关系和能量传递关系的前提下，把二次绕组的匝数
变成与一次绕组的匝数相同，相当于一台变比k=1的变
压器。
2.变压器的等效电路
二次侧归算到一次侧
后，二次侧的电势和电
压应乘以k倍，电流乘
以1/k倍，阻抗乘以k2倍。
归
算
后
基
本
方
程
（a） （b） （c）
A. T形等效电路
变压器的等效电路和相量图
B. 近似等效电路 C. 简化等效电路 （变压器满载及短路时）
变压器的端头标号
绕组
名称
单相变压器 三相变压器
中性点
首端 末端 首端 末端
高压
绕组
A X A、B、C X、Y、Z N
低压
绕组
a x a、b、c x、y、z n
中压
绕组
Am Xm Am、Bm、Cm Xm、Ym、Zm Nm
三相绕组的联结方式：
星形连接方式：以高压绕组为例，把三相
绕组的３个末端X、Y、Z连在一起，结成
中点，而把它们的三个首端A、B、C引
出，便是星形连接，以符号Y表示；
三角形连接方式：如果把一相的末端和另
一相首端连接起来，顺序形成一闭合电路，
称为三角形连接，用D表示。
注意：相应的对于低压侧而言，用 y,d表
示。
绕组的极性
• •
•
•
•
•
•
•
3、变压器的联结组：
1）变压器的联结组：三相变压器高、低压绕组对
应的线电动势之间的相位差，通常用时钟法来表
示，称为变压器的联结组。
2）时钟法：即把高压绕组的线电动势相量作为时
钟的长针，且固定指向12的位置，对应的低压绕
组的线电动势相量作为时钟的短针，其所指的钟
点数就是变压器联结组的标号。
三相变压器的联结组
三相变压器的联结组——高、低绕组对
应线电动势之间的相位差，不仅与绕组的
极性（绕法）和首末端的标志有关，而且
与绕组的连接方式有关。
1）、Y，y接法
如图所示：
当各相绕组同铁心柱时，Y，y接法有两
种情况。
1）、高、低压绕组同极性端有相同的首
端标志，高、低压绕组相电动势相位相同，
则高、低压绕组对应线电动势和也同相位，
其联结组为Y，y0。
2）、同极性端有相异的端点标志，高、
低压绕组相电动势相位相反，则对应的线
电动势和相位也相反，因此其联结组为Y，
y6。
如果高低绕组的三相标记不变，将低压绕
组的三相标记依次轮换，如b→a，c→b，
a→c；y→x，z→y，x→z，则可得到其他
联结组别，例如Y，y4；Y，y8；Y，y10；
Y，y2等偶数联结组。
2）、Y，d接法
三相异步电动机的基本结构
N
S
（二）工作原理
（1）电磁转矩的产生
* 用右手定则判断转子
绕组中感应电流的方
向
* 用左手定则判断转子
绕组受到的电磁力的
方向
电磁力→电磁转矩T
T与 n1 同方向。
n1
n
三相异步电动机的同步转速
60
1 p
f1n = min）r /(
p 1 2 3 4 5 6
n1/(r/min) 3000 1500 1000 750 600 500
50 Hz 时,不同极对数时的同步转速如下f1 =
表 同步转速
p为任意值时
T型等效电路
三相异步电动机的功率和电磁转矩
（一）功率关系
转子绕组中的铜损耗为：
电机转轴上总的机械功率为：
输出功率为：
摩擦损耗为 附加损耗为
三相异步机的起动方法：
（1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般
采用直接起动。
（2） 降压起动。 Y－ 起动
自耦降压起动
（3）转子串电阻起动。
以下介绍 Y－ 起动和转子串电阻起动。
只有正常运行时定子绕
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Y-△起动器起动。
采用Y-△起动器起动时，
起动电流降为直接起动
的1/3，起动转矩亦降为
直接起动时的1/3。
星-三角起动器起动
AZ
BY
XC
正常
运行
UP
A
B
C
X
Y
Z 起动
UP'
（2）
Y－ 起动应注意的问题：
（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。
所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合
Y－ 起动 。
采用自耦变压器起
动时，电动机的起
动转矩、起动电流
为全压直接起动的
1/a2。
a为自耦变压器的变
比。
自耦变压器起动
转子串电阻起动
定子
R
R
R
线绕式转子
起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。
转子串电阻起动的特点：
适于转子为线绕式的电动机起动。（1）
（2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流，
又可以增加起动力矩。
§ 三相异步电动机的调速
1. 改变极对数 有级调速。
2. 改变转差率 无级调速
调速方法：
3. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速
1. 变级调速
变极调速的设备简单，只要一个转换开关，操作方便，工作
可靠。其缺点是调速不平滑，属于有级调速方式。
2. 变转差率调速
改变感应电动机的端电压调速
转子回路串电阻调速
串级调速
改变端电压时转差率改变 变极时转差率改变
3. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速
变频电源
可变
此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主
要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组
成）。
二、 反接制动
§ 三相异步电动机的制动
1、改变定子电源相序的反接制动
为限制电流，在制动时要在
定子或转子中串电阻。
即切割磁力线的速度很大，
造成 ，引起 。
注意：反接制动时，定子旋转
磁场与转子的相对转速很大。
反接制动电阻根据所要求的最
大制动转矩进行计算。
1 正常运行； 2 定子电源反接制动；
图 反接制动的机械特性
电动机向负载
输入机械功率
电动机向
电源吸收电功率
电动机向电
源吸收电功率
负载向电动
机输入机械功率
2、倒拉反接制动（转子反向的反接制动）
1：正常运行； 2：转子回路串入较大电阻
图 机械特性
M
3~
+-
运行
制动 n
F
转子
三、 能耗制动
停车时，断开交流电源，接至直流电源上，产
生制动转矩；
图 异步电动机能耗制动
机械特性
能耗制动时，适当选择
直流励磁电流的大小，即可
得到较大的制动转矩，又不
致使定子、转子的电流过大。
改变直流励磁电流的大小，
即可改变最大转矩，改变制
动时间的大小，见曲线2、3
；
改变转子电路的电阻大小，
也可改变制动转差率的大小，
见曲线1、2。
四、发电反馈制动（回馈制动）
n
F no
电机转子的转速超过
旋转磁场的同步转速，
便会产生制动转矩
图 下放重物时的回馈制动
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1正常运行；2负相序固有机械特性；3负相序转子回路串电阻回馈制动；
图 回馈制动机械特性
当转子回路未串电
阻时，稳定下放重
物工作点为负相序
固有机械特性曲线
F点；
转子回路串入电
阻时，稳定下放
重物的转速绝对
值增大，见图中
E点
同
步
电
机
旋转电枢式
旋转磁极式
隐极式
凸极式
同
步
电
机
同步发电机（机械能 电能）
同步电动机（电能 机械能）
同步调相机（改善电网功率因数）
2.主要分类：
1.同步电机：转子转速（n）与电枢绕组感应电势的频率
（f）严格成正比的电机。
同步电机的类型和构造
按用途
按结构
转子通直流电流If 励磁磁场Bf
电枢感
应电动势
随转子旋转
角速度ω
三相对称
负载运行时
旋转基波
磁动势
三相对称
电枢电流iabc
(同步电机)
S
N
n
ea
ebec
If
同步电机的工作原理
同步发电机
同步机的定子（电枢）和三相异同步机的定子（电枢）和三相异
步电动机的一样；而它的转子是磁极，步电动机的一样；而它的转子是磁极，
由直流励磁。由直流励磁。
同步电动机
定子三相绕组通入三相交流电定子三相绕组通入三相交流电
旋转磁场旋转磁场
转子转速接近转子转速接近nn11时，对转子励磁。时，对转子励磁。
转子磁场因受定子磁场磁拉力的作用而随定子转子磁场因受定子磁场磁拉力的作用而随定子
磁场同步旋转，达到同步转速。磁场同步旋转，达到同步转速。
若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等。
j
Y
··
··
dj +=Y:
: ;,
: 0
与负载有关；的时间相位角与是外功率因数角
与电机参数与是内功率因数角
d功率角(功角)
··
: 0
三者关系
的时间相位角。与 UE
IU
IE
直轴（纵轴、d 轴）：主磁极轴线位置。
交轴（横轴、q 轴）：与直轴成90
0
电角度的位置。
相轴： 每相绕组的轴线位置。
的时间相位角时轴: 时间相量在其上投影可得瞬时值
几个基本概念
的时间相位角，
及负载有关。
二．电枢反应
电枢反应:同步发电机负载时电枢磁通势
的基波在气隙中所产生的磁场对主磁场基
波的影响，称为电枢反应。
气隙磁通的大小及位置均发生变化。
Ψ+90
0
Fδ
Fa
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
CY
Ff
N S
时轴
结论：Fa=Faq ，为交轴电枢磁势，产生交轴
电枢反应，“交磁作用”，使气隙磁场“歪扭
”
1.内功率因数角ψ=0o时(负载为纯阻性)
2.内功率因数角ψ=90o时(负载为纯感性)
时轴
ψ
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
CY
Ff N S
Fa
结论： Fa=Fad 直轴去磁电枢反应。
滞后 90o
3. 内功率因数角ψ＝－ 90o时(负载为容性)
结论： Fa=Fad 直轴助磁电枢反应。
时轴
ψ
d轴
q轴 A轴
A X
Z B
CY
Ff N S
Fa
超前 90o
4.内功率因数角ψ：90o> ψ >- 90o时
时轴
ψ d轴
q轴 A轴
A X
Z B
CY
Ff
N S
Ψ+900 Fa
Fa
(1) 0<ψ< 90o时(负载为感性)
Fa
Fad，与Ff1反向，去磁性质
Faq，与Ff1正交，交磁性质
(2) －90o<ψ< 0o时(负载为容性)
Fa
Fad，与Ff1同向，助磁性质
Faq，与Ff1正交，交磁性质
当ψ角为不同值的电枢反应
位置 夹角 记作 电枢反
应性质
对电机的影响 负载性质
n(f) U
Ψ=00 q轴 Ψ+900 交轴 波形
畸变
下降 不变 R
Ψ=900 d轴 Ψ+900 直、去 削弱 不变 下降 L
Ψ=-900 d轴 Ψ+900 直、助 增强 不变 上升 C
00<Ψ<900 d、q
轴
Ψ+900 交、直去 削弱 下降 下降 R、L
-900<Ψ<00 d、q
轴
Ψ+900 交、直助 增强 下降 上升 R、C
采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，
电枢的电压方程为
因
可 ---电枢反应电抗
称为隐极同步电机的同步电抗，不计
饱和时，是一个常值。
Xs=Xa+Xσ
不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：
二、凸极同步发电机的电压方程和相量图
--交轴同步电抗
--直轴同步电抗
返回
凸极同步发电机的向量图
引入虚拟电动势 ，使
确定内功率因数角
可得
对应的相量图如图所示
由此得凸极同步发电机的等效电路，如图所示
返回
角的确定
投入并联的条件和方法
(1) 波形相同
(2) 频率相同
(3) 幅值相同
(4) 相位相同
(5) 相序相同
1. 并联条件
发电机端电压与电网电压满足以下条件：
整步过程：为了将发电机投入并联运行所进行
的调节和操作过程。
准确整步法：将发电机调到完全符合投入并联
条件，然后投入电网。
自整步法：先验证发电机相序，拖到同步转速，
然后直接加入电网。
准确同步法－直接接法
接线图 向量图
电机各端与电网同相端对应，三灯泡同时亮、暗，当灯泡亮、
暗频率很低并且灯泡变暗的瞬间为合闸的最佳时机。
2.并联方法
接线图 向量图
准确同步法－交叉接法
一相灯泡同端连接，另外两组交叉连接，三组灯泡依次亮、暗，
当三组灯泡亮度旋转速度很慢且第一组灯泡变暗的瞬间为合闸
的最佳时机。
同步发电机的功角特性
功角特性：当E0和U保持不变时，发电机发出的电磁功
率和功率角之间的关系
忽略定子电阻时，
由凸极机向量图，有
代入上式，得功角特性表达式
基本电磁功率 附加电磁功率
静态稳定的条件
静态稳定极限点：
其对应的功率称为静态稳定极限功率
当电网或原动机偶然发生微小扰动时，若在扰动消失
后发电机能自行回复到原运行状态稳定运行，则称发
电机是静态稳定的；反之，就是不稳定的。
整步功率系数
2 工作方式
步进电动机的工作方式可分为：三相单三拍、三相
单双六拍、三相双三拍等。
“三相”：定子有三相绕组；
“单”：同时只让一相绕组通电；
“双”：同时有两相绕组通电；
“拍”：定子绕组改变一次通电方式；
“三拍”：通电三次完成一个循环。
（3）工作过程
转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻
最小，使转、定子的齿对齐停止转动。
A 相通电，A 方向的磁通
经转子形成闭合回路。若
转子和磁场轴线方向原有
一定角度，则在磁场的作
用下，转子被磁化，吸引
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。
C
A'
B
B' C'
A
3
4
1
2
f：电脉冲的频率
转速
步进电动机通过一个电脉冲,转子转过的角
度,称为步距角。
N： 拍数
Zr：转子齿数
步距角
2.步进电动机的步距角和转速
齿距
