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1、1第一章第一章 常用电气设备、元器件和组件常用电气设备、元器件和组件一位著名的工程师曾说过，图是工程师的语言，即然是语言必然存在语言属性，它是由语言的最基本元素词、词组和语法构成。电工线路图也不例外，它的最基本元素是电气元器件或组件所对应的图形符号，它的“语法”就是电工线路图制作规定和表示法。所以，要想学会和运用它，就得象学习外语一样，首先要掌握这种语言的词汇。本章介绍电工线路图中常用的电气设备、元器件的结构、工作原理和对应图形符号。附录 1给出常用电气设备及元器件图形符号表，以便读者查找。第一节 变压器变压器是利用电磁感应原理，以相同的频率，在两个或更多绕组中实现变换交流电压，变换交流电流或
2、变换阻抗的静止电气设备。变压器的应用很广泛，它在通讯系统中，进行信号传输和阻抗变换；在自动控制系统中，起到电磁隔离作用；在电力系统中，进行电压等级变换，以满足高压输电、低压供电、配电及其它用途的需要。可以说，只要有交流电的地方就有变压器。变压器按用途来分，可分为电力变压器、控制变压器、特种变压器等，而电力变压器又可分为：单相变压器、自耦变压器、三相变压器。但不管是什么用途的变压器，它都是由铁心和绕组两大主要部分组成。一、一、单相变压器（单相变压器（Transformer）单相变压器结构：铁心形式有芯式和壳式两种。如图 1-1-1 所示。对于芯式铁心每个铁芯柱上都分别绕有原、副边绕组，如图 1-
3、1a所示；对于壳式铁心，原、副图 1-1-1 单相变压器结构示意图（a）心式单相变压器和铁心（b）壳式单相变压和铁心边绕组都绕在中心柱上，外铁芯柱上没有绕组，它对中心柱的绕组起到传导磁通和保护作用。而铁心是由互相绝缘的硅钢片叠压成的，一般的铁心柱截面为方形或圆形。单相变压器至少有两套绕阻,接电源的绕组称为原边绕组或一次绕组,接负载的绕组称为副边绕组或二次绕组。变压器绕组是由外皮绝缘的铜线或铝线绕制而成.绕组的绕制方法有多种形式；常用的有圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等。圆筒式的低压绕组套在铁心的里层，高压绕组套在低压绕组的外层。圆筒式绕组又可分为：多层式、分段式及低压式的双层圆筒式。一般螺旋式
4、绕组用于低压及大电流绕组；连续式绕组用于中型变压器的高压绕组，而纠结式绕组是增加了纵向电容的绕组，防雷性能比较好，大都用于大型变压器 110500KV的绕组。2变压器的原理：变压器的原理：电压变换原理：当变压器原边绕组接交流电源之后，副边绕组开路（即没有接负荷），原边仅有励磁电流 i0，和空载磁势 i0N1，空载磁势产生的大部分磁通穿过原、副边绕组的铁芯而闭合。仅有一少部分1，通过空气闭合，这是因为空气的磁阻远大于铁芯的磁阻。如图 1-1-2（a）所示，主磁通在原、副边绕组中产生的感应电动势分别为 e1和 e2，漏磁通1仅在原边绕组中产生漏磁感应电动势 e1，由于漏磁通1很小，原边绕组电阻的压
5、降比较小（因为空载电流 i0很小），所以，就可近似看成 U1E1，U20E2，而 E1和 E2分别由下式计算：E14.44f1N1mE24.44f1N2m由此可得变压器的电压变比关系：可见：变压器的变压是通过选择适当的原副边绕阻的匝数来实现的。变换电流原理：当变压器副边接负载时，在副边感应电动势 e2的作用下，副边绕组就有电流 i2流过。如图 1-1-2（b）所示；那么在副边绕组的负载磁势 i2N2也在磁路中产生磁通，只不过这个磁通对主磁通而言。是起去磁作用的，为了使磁路磁通保图 1-1-2变压器原理图持不变，原边绕组电流将会增加，由原来空载电流 i0变成 i1，可见原边绕组电流是随副边绕组负
6、载电流变化而变化。虽然各绕组的电阻和电抗都要损耗有功和无功功率，但与变压器传输的视在功率相比较，它们都很小，所以，输入变压器的视在功率与其输出的视在功率近似相等，即：U1I1U2I2，由此可得原副边绕组电流的变换关系：此式表明：原副边电流之比近似等于变压器变比的倒数；即高压侧电流小，低压侧电流大。然而，原、副边没有电的联系，只有磁的联系，原边的电能是通过磁的联系“传送”到副边的。阻抗变换原理：在传输交流信号的线路中，常用信号变压器来完成阻抗变换，实现前后级之间阻抗匹配，实现最大能量的传输。变压器相对负载 Z 而言，是一个电源，提供 i2电流，此时，负载阻抗为|Z|=U2/I2，如图 1-1-3
7、（a）所示。而对于电源或信号源而言，它是一个负载。由电源或信号源提供 i1电流，如图 1-1-3（b）所示。这时，负载等效阻为|Z|=U1/I1。很显然，若原、副绕组匝数 N1和 N2不相等，则|Z|kNNEEUU212121kNNUUII11212213|Z|，如果不计绕组电阻和电抗的影响，把变压器看成是一个理想变压器，其变比为 k，则等效负载|Z|为：可见，变压器的实际负载阻抗|Z|折算到变压器原边的等效阻抗|Z|是将实际负载阻抗模乘以变比的平方。这样，只要选择合适的变比 k，就可将实际负载阻抗|Z|变换为所需的原边等效阻抗|Z|，来实现线路的阻抗匹配。因此，变压器具有变换阻抗功能。图 1
8、-1-3 变压器的阻抗变换单相变压器图形符号，如图 1-1-4 所示。图 1-1-4单相变压器图形符号二、三相电力变压器二、三相电力变压器1 1三相变压器结构三相变压器结构三相电力变压器有两种形式，一种是由三台完全独立的单相变压器联接组成，称三相变压器组。它常用于大容量变压器，以便制造和运输，而另一种是采用三相绕组共用一个铁心的三相芯式变压器，这是因为三相电路负载对称，各相相位差 120任一瞬间的各电压矢量和为零，各相产生的从中间芯柱通过的磁通也为零，所以，可共用一个铁芯。三相变压器共用一个铁心的结构，如图 1-1-5 所示，每个铁心柱都绕有两个绕组，低压绕组内层，高压绕组外层。图 1-1-5
9、三相铁芯式变压器铁芯（a）有中间芯柱的铁芯；（b）无中间芯柱的铁芯；（c）常用的三相芯式变压器铁芯图 1-1-6 是小型变压器的结构图，它除了由绕阻和芯片组合外，还有其他附件：油箱、油枕、分接开关、安全气道、瓦斯继电器和绝缘套管等组成，这些附件对变压器安全运行起了必不可少的作用。图 1-1-6小型变压器结构图ZkIUNNINNUNNIU22222121222111)()()(Z42 2三相变压器联接三相变压器联接三相变压器各相的高压绕组的首端和未端分别用 U1、V1、W1和 U2、V2、W2表示,而各相的低压绕阻的首端和未端分别用 u1、v1、w1和 u2、v2、w2表示。高低压绕组的不同联接
10、，可形成多种不同的三相变压器联接组别，常用的有 Yyn0 和 Dyn11 接法，两种接线图如图 1-1-7 所示：图 1-1-7三相变力变压器常用联接组别（a）为 Yyn0（b）为 Dyn11电力变压器全型号的表示和含义如下：三相电力变压器图形符号：根据不同组别和绕组等有所不同，参见附录 1。图 1-1-8 所示为 Y/Y0（即 Yyn0）和/Y0（即 Dyn11）组别的图形符号。Yyn0Dyn0图 1-1-8Yyn0 和 Dyn11 组别的图形符号三、三、自耦变压器自耦变压器自耦变压器有单相和三相自耦变压器两种类型。它的特点就是一相铁芯上只有一个绕组，变压器的副边绕组共用原边绕组的一部分。所
11、以，这种变压器原副边有着电气联系，其电路原理图如图 1-1-9 所示。自耦变压器有做成固定抽头的降压或升压变压器，也有做成多个抽头或滑动触头可连续可调的调压变压器，图 1-1-10 就是单相可调自耦变压器。图 1-1-9单相自耦变压器的电路原理图图 1-1-10单相自耦变压器的外形自耦变压器工作原理：由图 1-1-9 可见，变压器的副边绕组 N2是原边绕组 N1的一部分。原、副边绕组共同交链主磁通，那么，根据电磁感应原理，原、副边绕组分别S-三相高压绕组电压等级（单位为 kV）D-单相相数代号额定容量（单位为 kVA）C-成型固体设计序号（亦可写作下角）G-空气-绝缘代号L-铝油浸式不表示绕组
12、导线材料代号铜不表示F-风冷Z-有载调压P-强迫油循环冷却代号调压代号无载调压不表示自然冷却不表示5产生感应电动势 E1和 E2，其大小仍与绕组匝数成正比，所以，E1/E2N1/N2，如果不计绕组电阻和电抗的压降，则原、副边绕组的电压关系为：U1/U2N1/N2可见，这与双绕组的变压器的电压变换公式一样。但当接入负载|Z|时，这时不仅是电磁感应的关系，而且还有电的关系，如果以图 1-1-9 所规定的正方向。那么，在铁心磁器中磁势方程：I0为空载励磁电流，一般很小，可以忽略不计。可见，自耦变压器的电流变换关系与双绕组的变压器一样。自耦变压器少了一个绕组，而且，由于公共部分绕组通过的电流 I=I1
13、-I2很小，这一部分绕组的截面可选比较小，从而有效节约有色金属。但是，由于它的原、副边有电联系，万一公共部分绕组断路，高压就会窜入低压侧，对设备、人身构成极大威胁。所以一般都选用它作为升压变压器和实验室用的单相可调变压器。对于异步电动机降压起动，也常常用自耦变压器作为降压变压器。自耦变压器图形符号如图 1-1-11 所示。图 1-1-11自耦变压器图形符号（a）单相自耦变压器（b）三相自耦变压器四、四、电压互感器电压互感器当线路或设备的额定电压比较高时，不便于仪器仪表和继电保护装置直接检测，一般都采用电压互感器，把被测电压变换为基准的额定电压等级，便于选用基准额定电压的仪表、仪器或其他监控电器
14、，实质上电压互感器就是一个降压变压器，原边绕组匝数多，副边绕组的匝数少。其基本结构原理图如图 1-1-12 所示。电压互感器的原边并联在一次被测电路，副边并联仪表、继电器等的电压线圈。由于副边接入电压线圈组抗很大，所以，电压互感器工作时，副边绕组相当于空载状态，一般副边的额定电压为 100V。图 1-1-12电压互感器基本结构原理图102211)(NININNI0)()(221211NIINNI0)(2211NINNIkNNII112216电压互感器原、副边绕组的电压关系：U1（N1/N2）U2k2U2电压互感器在三相电路中常用四种接法：如图 1-1-13 所示。图 1-1-13电压互感器的接
15、线方案（a）一个单相电压互感器（b）两个单相接成 V/V 形（c）三个单相接成 Y0/Y0形（d）三个单相三绕组或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成 Y0/Y0/（开口三角）形（1）一个单相电压互感器的结线（见图 1-1-13a）供仪表、继电器接于一个线电压。（2）两个单相电压互感器接成 V/V形（见图 1-1-13b）供仪表、继电器接于三相三线制电路的各个线电压，它广泛应用在工厂变配电所的 610kV 高压配电装置中。（3）三个单相电压互感器接成 Y0/Y0形（见图 1-1-13c）供电给要求线电压的仪表、继电器，并供电给接相电压的绝缘监视电压表。由于小接地电流系统在一次侧发生单相接地时，另
16、两相电压要升高到线电压，所以绝缘监视电压表不能按相电压来选择，而应按线电压选择，否则在发生单相接地时，电压表可能被烧毁。（4）三个单相三绕组电压互感器或一个三相五芯柱三绕组电压互感器接成 Y0/Y0/（开口三角）形（见图 1-1-13d）其接成 Y0的二次绕组，供电给需线电压的仪表、继电器及绝缘监视用电压表，与图 1-1-13c 的二次接线相同。接成（开口三角）形的辅助二次绕组，接电压继电器。一次电压正常工作时，由于三个相电压对称，因此开口三角形两端的电压接近于零。当某一相接地时，开口三角形两端将出现近 100V的零序电压，使电压继电器动作，给出接地故障信号。电压互感器图形符号，与单相变压器一
17、样。电压互感器的类型和型号电压互感器的类型和型号电压互感器按相数分，有单相和三相两类。按绝缘及其冷却方式分，有干式（含环氧树脂浇注式）和油浸式两类。图 1-1-14 是应用广泛的单相三绕组、环氧树脂浇注绝缘的户内 JDZJ-10 型电压互感器外形图。三个 JDZJ-10 型电压互感器接成图1-1-13d 所示 Y0/Y/0/的接线形式，供小接地电流系统中作电压、电能测量及绝缘监察之用。图 1-1-14JDZJ-10 型电压互感器外形图1-一次接线端子；2-高压绝缘套管；3-一、二次绕组；环氧树脂浇注；4-铁心（壳式）；5-二次接线端子7电压互感器全型号的表示和含义如下：五、电流互感器五、电流互
18、感器当线路或设备的工作电流很大（即超过仪表的量程）时，就得采用变压器的变换电流的功能，把大电流变换为小电流。用作此用途的变压器称为电流互感器，其结构原理图如图 1-1-15 所示，它的原边绕组匝数很少，有的型式电流互感器还没有一次绕组，利用穿过其铁心的一次主电路作为原边绕组（相当于匝数为 1，见图 1-1-20）。且原边绕组线径相当粗；而副边绕组匝数很多，线径较细。工作时，原边绕组串接在一次电路中，而副边绕组则与仪表、继电器等的电流线圈相串联，形成一个闭合回路。由于这些电流线圈的阻抗很小，因此电流互感器工作时副边回路接近于短路状态。副边绕组的额定电流一般为 5A。电流互感器的一次电流 I1与其
19、二次电流 I2之间有下列关系：I1（N2/N1）I2KiI2式中，N1、N2为电流互感器原边和副边绕组匝数；KI为电流互感器的变流比，一般表示为额定的原边和副边电流之比，即 KI=I1N/I2N，例如 100A/5A。电流互感器在三相电路中有如图 1-1-16 所示的四种常见的接线方案。图 1-1-16电流互感器的接线方案（a）一相式（b）两相 V 形（c）两相电流差（d）三相星形（1）一相式接线（见图 1-1-16a）电流线圈通过的电流，反应一次主电路相应相的电流，通常用于负荷平衡的三相电路如低压动力线路中，供测量或连接负荷保护装置之用。（2）两相 V 形接线（见图 1-1-16b）这种接线
20、也称为两相不完全星形接线。在继J-电压互感器产品名称额定电压（单位 kV）D-单相设计序号S-三相相数B-带补偿绕组J-油浸式结构型式W-五芯柱三绕组G-干式绝缘型式J-接地保护Z-树脂浇注式图 1-1-15 电流互感器8电保护装置中，这种接线称为两相两继电器接线或两相的相电流接线。在中性点不接地的三相三线制电路中（如 610kV 高压电路中），广泛用于测量三相电流、电能及作过电流继电保护之用。由图 1-1-17 的相量图可知，两相 V 形接线的公共线上电流为 Ia+IcIb，反应的是未接电流互感器那一相的电流。（3）两相电流差接线（见图 1-1-16c）这种接线也称为两相交叉接线。由图 1-
21、1-18 的相量图可知，副边公共线上电流为 IaIc，其量值为相电流的3 倍。这种接线适于中性点不接地的三相三线制电路中（如 610kV 高压电路中），供作过电流继电保护之用，也称为两相继电器接线。图 1-1-17两相 V 形接线电流互感器的图 1-1-18两相电流差接线电流互感器的一、二次侧电流相量图一、二次侧电流相量图（4）三相星形接线（见图 1-1-16d）这种接线中的三个电流线圈，正好反映各相的电流，广泛用在一般不平衡负荷的三相四线制系统，如 TN 系统中，也用在可能不平衡负荷的三相三线制系统中，作三相电流、电能测量及过电流继电保护之用。电流互感器的类型和型号电流互感器的类型很多。按一
22、次绕组的匝数分，有单匝式（包括母线式、芯柱式、套管式）和多匝式（包括线圈式、线环式、串级式）。按一次电压分，有高压和低压两大类。按用途分，有测量用和保护用两大类。按准确度等级分，测量用电流互感器有 0.1、0.2、0.5、1、3、5 等级，保护用电流互感器有 5P 和 10P 两级。高压电流互感器多制成不同准确度级的两个铁心和两个二次绕组，分别接测量仪表和继电器，以满足测量和保护的不同要求。电气测量对电流互感器的准确度要求较高，且要求在短路时仪表受的冲击小，因此测量用电流互感器的铁心在一次电路短路时应易于饱和，以限制二次电流的增长倍数。而继电保护用电流互感器的铁心则在一次电流短路时不应饱和，使
23、二次电流能与一次短路电流成比例地增长，以适应保护灵敏度的要求。图 1-1-19 是户内高压 LQJ-10 型电流互感器的外型图。它有两个铁心和两个二次绕组，分别为 0.5 级和 3 级、0.5 级用于测量，3 级用于继电保护。图 1-1-20 是户内低压 LMZJ1-0.5 型（500800/5A）的外形图。它不含一次绕组，穿过其铁心的母线就是其一次绕组（相当于 1 匝）。它用于 500V 及以下的配电装置中。图 1-1-19LQJ-10 型电流互感器图 1-1-20LMZJ1-0.5 型电流互感器1-一次接线端子2-一次绕组（树脂浇注）1-铭牌2-一次母线穿孔3-铁心，92-二次接线端子4-
24、铁心5-二次绕组外绕二次绕组，树脂浇注6-警告牌（上写“二次侧不得开路”等字样）4-安装板5-二次接线端子以上两种电流互感器都是环氧树脂或不饱和树脂浇注绝缘的，较之老式的油浸式和干式电流互感器的尺寸小，性能好，安全可靠，因此现在生产的高低压成套配电装置中大都采用这类型电流互感器。电流互感器全型号的表示和含义如下：图形符号如图 1-1-21 所示。图 1-1-21电流互感器图形符号（a）单次级绕组电流互感器（b）双次级绕组电流互感器（有分开铁心）第二节第二节 旋转电机旋转电机在电气设备中存在一类它能够进行 360旋转的，它的结构大体上可分为定子部分和转子部分。这类电气设备有发电机、电动机等；而自
25、整角机、旋转变压器等，也由定、转子两部分组成，故也将其划入本节讨论。一、一、发电机（发电机（GeneratorGenerator）发电机是将机械能转换为电能的电气设备，是电力系统的源泉，按电流种类分，可分为直流发电机和交流发电机。（一）直流发电机（一）直流发电机L-电流互感器产品名称额定电压（单位为 kV）M-母线式设计序号F-贯穿复匝式Q-加强式D-贯穿单匝式 一次绕组型式结构型式L-铝线式Q-线圈式J-加大容量A-穿墙式B-保护用B-支持式D-差动保护用Z-支柱式 安装型式用途 J-接地保护用R-装入式X-小体积柜用S-手车柜用Z-浇注绝缘W-户外式C-瓷绝缘M-母线式J-树脂浇注绝缘型式
26、结构型式G-改进式K-塑料外壳Q-加强式10直流发电机（Direct Current Generator 文字符号 G）它把机械能转换为直流电能。由于现代电力系统都采用交流电制，一般不用直流发电机。然而直流发电机常常使用于变流机组，把交流电能转换为直流电能，从而供给直流电动机，以便利用直流电动机的调速的优良特性。由于直流发电机和直流电动机在结构上没有本质上区别，从原理上讲直流电动机和发电机可互换，所以统称为直流电机，下面介绍直流电机结构和直流发电机工作原理。直流电机是由定子和转子两大部分组成，定子是由机座、主磁极、换向极、电刷装置和端盖等组成；转子是由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组
27、成，图1-2-1 为直流电机的解体图。图 1-2-1 直流发电机解体图 励磁绕组；主磁极；换向极；机壳；换向器；电枢；风扇；刷架；端盖1定子主要部件定子主要部件机座：是直流电机的固定支撑和防护的部件，它固定支撑主磁极、换向极、电刷装置、端盖，通过底脚将电机固定在机座上；它又是电机磁路部分，我们把有磁通通过的部分称为磁轭。为了保证电机有良好的导磁和机械性能，机座通常由铸钢或由厚钢板焊接而成。主磁极：主磁极包括主磁极铁心和套在其上面的励磁绕组。如图 1-2-2 所示，励磁绕组接直流电源后，产生主磁场。磁极下面的扩大部分称为极靴，其作用是使磁通沿气隙均匀分布，并使励磁绕组能牢固地固定在铁心上，为了保
28、证主磁极铁心导磁性能良好，一般采用 1.01.5mm 的高导磁钢板冲制成型后迭压而成。励磁绕组常用铜线绕制而成。整个主磁极用螺栓固定在机座上。图 1-2-2主磁极剖面图换向极：它也是由铁心和绕组组成，其铁心一般是由整块钢制成的，尺寸比主磁极小，也用螺栓固定在机座上，其位置与主磁极相间分布。换向极的作用是改善换向，以减少因电磁原因而引起的电刷下的火花。换向极绕组与电枢电路串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与由电枢绕组电流所产生的交轴电枢反应磁场方向相反。图1-2-3 示出直流发电机换向极绕组与电枢电路连接，若是电动机恰好相反（即直流发电机的换向极的磁极性沿着转动方向与前主磁极的磁极性相同，直流电
29、动机的换向极的磁极性沿着转动方向与前主磁极的极性相反）。这样，它就抵消电枢反应的磁场，11使处在换向位置的绕组没有电枢反应电势。同时，由图 1-2-3 可见，电枢上半部电流流进入纸面，下半部电流流出纸面。在换向极下，就得由进入变为流出，对于经过换向区的线圈（换向元件），换向前后电流流动方向发生变化，存在电感，因而产生一个阻碍换向的电感电势。装有换向极时，处在换向位置的元件就会切割换向极磁场，产生一个电势抵消电感电势。因此直流电机装上换向极，使处在换向位置的绕组电流减小到最低限度，达到减少换向火花的目的。因此，换向极的磁极性分布要正确，否则，产生电势不是抵消这种电感电势，而是加强，造成换向火花更
30、大，换向更加困难。图 1-2-3直流发电机的换向极绕组与电枢绕组连接示意图电刷装置：电刷装置包括电刷、刷握、刷杆、电刷连接线和压紧弹簧等，中小型电机刷架装在端盖或轴承内盖上，大中型电机刷架固定于机座上。刷架上装有刷臂，臂上有刷握，用于装放电刷。电刷通过弹簧压紧在换向器上，进行对转动部分的电能传递，为了减少由机械原因而引起的电火花，电刷在刷握中应只能上下移动而不能左右晃动；为了保证电刷与换向器良好接触，随着电刷的磨短应及时调节弹簧压力，对于多对磁极多对电刷的直流电机，其正、负电刷分别联接在一起，然后只引出两个接线端（即电枢端）。2 2转子主要部件转子主要部件电枢铁心：它是主磁通磁路的主要部分，电
31、枢绕组就是嵌在电枢铁心槽内。由于电枢铁心与主磁场有相对运动，为了减少铁损耗，电枢铁心用涂过绝缘漆的 0.5mm厚的硅钢片冲压成形后迭压而成。然后固定在转子支架或转轴上，为了加强铁心冷却，一般电枢铁心设有轴向通风孔，较大容量的还设有径向通风沟。电枢绕组：电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩，实现能量转换的关键部件。绕组是由绝缘圆形或矩形铜线绕制而成一个个元件，按照一定规律均匀地嵌放在电枢铁心周围上均匀分布的槽内，每个元件的两个出线端按一定规律焊接到换向器片上，形成一闭合回路，从而组成电枢绕组。换向器：图 1-2-4 展示出换向器的外形和剖面图；它是由许多楔形铜片 1 叠成圆筒形，片间用云母绝缘。
32、换向器片放置在套筒 2 上，用压圈 3 固定，压圈本身又用螺帽固定紧，换向器装在轴上。电枢绕组元件的出线端焊压连接在换向器片端部的升高部 4 的小槽中。换向器的作用：对于发电机而言，是将电枢绕组内感应的交变电势转化为电刷两端的直流电压；对于电动机而言，则是将外加的直流电流转化为电枢绕组元件的交变电流，元件从一个极下进入另一极下，电流方向变反，但每一磁极下的电枢绕组元件的电流方向不变，以保证电枢绕组产生恒定的电磁转矩。12图 1-2-4换向器剖面图上述直流电机各部件都有各自的作用，共同完成直流电机功能。然而，主磁极要产生主磁场必须使励磁绕组流过励磁电流。根据提供励磁电流不同，就有不同的励磁方式，
33、对应的电机运行特性也不一样，直流发电机可分为他励磁和自励两大类。他励发电机的励磁电流是由独立的电源供给，不受发电机的电压和电流的影响；自励发电机的励磁电流是由发电机的电枢电路供给，因而励磁电流受电枢电路电流和电压影响。直流电动机的励磁都是由外电源供给。按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，可统一将直流电机分为：他励、并励、串励、复励 4 种。1他励电机：励磁绕组电路不与电枢电路连接，励磁电流可由独立电源供给。其图形符号如图 1-2-5（a）所示。图 1-2-54 种励磁方式直流电机图形符号（a）他励（b）并励（c）串励（d）复励注：*标为 G，为直流发电机；标为 M，为直流电动机。2并励电机：励磁绕
34、组与电枢并联。并励绕组导线细匝数多，电阻大，励磁电流远小于电枢电流。其图形符号如图 1-2-5（b）所示。3串励电机：励磁绕组与电枢串联，串励绕组导线粗，匝数少，电阻小，励磁电流就是电枢电流，这种电机一般用作起动电机。这种电机严禁轻载起动，否则会造成飞车事故。其图形符号如图 1-2-5（C）所示。复励电机：主磁极上既有并励绕组又有串励绕组，其图形符号如图 1-2-5（d）所示。图 1-2-6 为复励发电机各绕组关系及复励接线原理。图 1-2-6复励发电机绕组及接线原理图（a）为接线示意图；（b）电路图3 3直流发电机工作原理直流发电机工作原理以图 1-2-7 的一对主磁极为例，直流发电机转轴由
35、原动机驱动下沿着如图所示方向转动，那么电枢绕组上部分边切割主磁通，按右手定则，产生感应电势，其方向是流出，而下部分边正好相反，产生感应电势,其方向流进。电刷通过换向器，传输出这个直流电压。虽然电枢绕组边处于不同主磁通极性，就感应不同电势极性，但通过换向器换流之后，每个电刷下的电势极性是一样。这样就把原动机的机械能转换为直流电能。直流发电机的感应电势与驱动转速、主磁通成正比，其电压平衡方程为：13U=E IaRCenIaRa式中：Ce电势常数；对已制成的电机是一个常数；每极有效磁通；n轴子转速r.p.m；Ia电枢电流；Ra电枢电阻；图 1-2-7直流发电机原理示意图（二）交流发电机（二）交流发电
36、机交流发电机（Alternating current Generator;文字符号 G）。是把转动机械能转换为交流电能。它可分为同步发电机和异步发电机（也称为感应式发电机），由于异步发电机与异步电动机在结构上没有本质差别，一台异步机原则上即可作为发电机也可作为电动机，所以这里就不介绍。由于异步发电机效率比较低，消耗感性无功功率，需外接电力电容补偿。所以，一般都用于农村微型水力发电，目前比较少用。广泛采用的是同步发电机，按其转子结构来分，有隐极机和凸极机两大类。一般隐极机用于高速驱动发电机组；如汽轮机驱动等；凸极机用于中、低速驱动发电机组，如水轮机驱动，柴油机驱动等。由于同步发电机与同步电动机结
37、构上没有本质差别，以下就统称为同步电机。同步电机是由定子和转子两大部分组成。定子由定子铁心和三相电枢绕组组成；转子由转子励磁磁极铁心和励磁绕组等组成，下面分别介绍它们的构造和工作原理：1 1定子电枢构造定子电枢构造定子铁心是由硅钢片叠成。定子铁心槽内以相差 120空间电角度或 120/P 空间机械角度嵌放的三相对称绕组，三相对称绕组又称为电枢绕组，三相绕组是同步电机的交流电路部分，作为同步发电机，三相对称电压就从其引出；作为同步电动机，三相对称绕组流入三相时差为 120的电流，并形成一个旋转磁场，与转子励磁磁场作用，产生电磁力矩，驱动转子转动。三相绕组可接成 Y 形或形，一般大型电力发电机都采
38、用 Y 形接法，小型同步机采用形接法。2 2转子构造转子构造旋转磁极式同步电机，其转子是励磁磁极，产生励磁主磁通。转子磁极有两种结构形式：隐极式和凸极式。图 1-2-8 所示 2 对隐极式同步电机转子结构，它是由转子铁心和励磁绕组组成，转子铁心是由高导磁性的合金钢锻造成的柱形整体（或组合体），或是将隐式磁极及磁轭整片冲形后叠压而成，然后装在轴上，铁心槽内嵌放有励磁绕组。图 1-2-8隐极式转子14图 1-2-9 所示凸极式同步电机转子结构，它是由磁极和励磁绕组组成。磁极由 1-1.5 mm 厚的钢板冲片叠成；也有采用锻钢或铸钢的实心磁极，每个磁极都套有一个集中的励磁线圈，磁极固定在转子磁轭上。
39、图 1-2-9凸极式转子由于隐极式转子可制成细长；所受离心力比较小，而且结构上也能承受较大离心力，所以适用于高速（3000rpm 或 1500rpm）的发电机，而凸极式转子半径大，凸极离心力较大，所以，适用于低速发电机。各磁极励磁线圈是按所产生的磁极极性 N、S 相间的方法连接，其两个出线端分别接到固定在转轴上的两个滑环上。这两个滑环彼此绝缘并对转轴绝缘，外部直流励磁电流通过电刷与滑环的滑动接触引入励磁线圈中。3 3同步发电机工作原理同步发电机工作原理当三相同步发电机励磁绕组中通入一定的直流励磁电流 Ie并以额定转速运行时，旋转的主极磁的磁通就切割定子铁心中空间相差 120电角度分布的三相对称
40、绕组，那么三相电枢绕组中产生对称的三相正弦空载电动势（即开路相电压），其瞬时值为：eA=EmSinteB=EmSin(t120)eC=EmSin(t240)空载电动势的有效值为：式中：k 为定子电枢线圈分布系数，N 为每相绕组匝数，0为每极下的总磁通。空载电动势的频率 f 与转子的转速 n 和磁极对数成正比即:式中：n 为转子转速（rpm）由以上两式可得:E0ke0n式中：ke4.44kNp/60 为电势常数，对应成品同步发电机而言，ke 是定值，上式表明主磁通和转速的变化会引起发电机的端电压变化。当发电机的三相引线接上三相对称负载时，三相电枢绕组输出三相对称电流,这三相电流将会产生旋转磁场a
41、，称这种旋转磁场为电枢反应磁场。它与主磁通0是同向同速旋转（称这种电机为同步电机的缘由就在于此），在空间彼此之间保持相对静止。因而就存在着电枢反应磁场对主磁极磁场的某种影响，称这种影响为电枢反应，这种影响取决于电枢电流 Ia与空载电势 E0相位关系。当电枢电流 Ia与空载电势 E0NkfEEm0044.4260pnf 15同相位时（带纯电阻负载），电枢反应磁场正好与主磁场方向垂直，故称为交轴电枢反应。它使主磁极前半部的磁场因两磁场的磁力线方向相反而被削弱，使磁极后半部因两磁线力的方向相同而磁场被加强，从而使合成磁场的轴线偏后于主极磁轴线一个角度。当电枢电流滞后于空载电势 E090时（带纯电感负
42、载），电枢反应磁场正好与主磁砀方向一致，但极性相反。故称为直轴去磁电枢反应，由于去磁效应，使合成磁通0，在保持励磁电流 Ie不变情况下，就会使发电机端电压升高。由此可见，由于电枢反应的存在，欲使发电机端电压保持恒定，必须装一个调压器，自动调节励磁电流，使得合成磁场保持不变，才能保持发电机端电压不变。4 4同步发电机图形符号同步发电机图形符号图形符号：如图 1-2-10 所示。图 1-2-10同步发电机图形符号a三相凸极同步发电机定子绕组星形连接并有中性点引出线b三相凸极同步发电机定子绕组星形连接并有中性点引出线的单线表示图形符号c三相隐极同步发电机定子绕组三角形连接d三相隐极同步发电机定子绕组
43、三角形连接的单线表示图形符号三、三、电动机电动机电动机（Motor 文字符号 M），它是把电能转换为转动机械能，用它来驱动机械负荷设备，按电流种类来分，可分为直流电动机和交流电动机。（一）（一）直流电动机直流电动机直流电动的作用正好与直流发电机相反，即把直流电能转换为机械能，来驱动机械负载。直流电动机的结构与发电机基本相同，只是换向极的接法与发电机不同（见直流发电机部分）。直流电动机的工作原理：当励磁线圈接通电源时，主磁极就产生主磁通。直流电源通过电刷和换向器，使流入的直流电流变换为每个主磁极下的电枢绕组元件的边所通过电流方向一致，这样，根据楞次定律，电枢绕组元件的边就产生一个电磁力矩，使得电
44、枢转子转动，输出机械能。其电磁转矩 T 为：TKTIa式中：KT电磁转矩常数；有效磁通；Ia电枢电流。在该力矩的作用下，转子就以转速为 n 旋转，电枢绕组会产生一个反电动势 EKen 与电枢绕组所加的电压平衡，所以，这时电势平衡方程式为：16UEIaR把 TKTIa和 EKen 代入上式，可得电动机的转速与转矩之间的关系 nf(T)曲线，称为电动机机械特性曲线：上式中，当转矩 T=0 时的转速 n0=U/（Ke），称为理想空载转速；系数 k=Ra/（KeKT2）表明固有机械特性曲线的斜率。如图 1-2-11 所示的曲线。图 1-2-11直流电动机的 T 特性曲线直流电动机图形符号见图 1-2-
45、5。（二）交流电动机交流电动机交流电动机（Alternating Current Motor文字符号 M），可分为异步电动机和同步电动机，而同步电动机与同步发电机在结构上没有什么本质不同，可参阅同步发电机部分。这里重点介绍异步电动机，异步电动机根据定子绕组不同，有三相和单相之分。1 1三相异步电动机三相异步电动机（1 1）结构结构三相异步电动机是由定子和转子两大部分组成。定子由定子铁心、三相交流绕组、机座和前后端盖等组成。机座和端盖构成了机壳，通常是由铸铁或铸钢制成，质地较脆。因此必须特别注意：在解体三相异步机时，不能用坚硬锤子直接敲打，应当用木锤、紫铜棒或垫以硬木敲打，但用力不能过猛，防止端
46、盖敲破。机壳起到支撑和保护作用。转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。图 1-2-12 示出异步机解体后的构成部分。图 1-2-12异步电动机的组成部件1，7-端盖；2，6-轴承；3-机座；4-定子铁心和绕组；5-转子；8-风扇；9-风扇护罩；10-接线盒定子和转子铁心均由 0.5mm 厚的硅钢片冲形后叠压而成，定子铁心呈圆筒形，内圆周上冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组；转子铁心呈圆柱形，外圆周上也冲有均匀分布的槽，用以次嵌放转子绕组的导体，而定子与转子之间有 0.2mm1.0mm 的均匀气隙，气隙愈小，电能转换为机械能的效率愈高。kTnTKeKRKeUnTa0217定子三相交流绕组是
47、完全相同的三套独立绕组。每一相绕组有若干个线圈，这些线圈又按磁极对数组成 P 个线圈，各组线圈分别嵌放在 P 对磁极下的相邻槽内，三相绕组线圈沿定子圆周对称嵌放，即依次移过去 120/P 空间机械角度（等于 120空间电角度）嵌放。各绕组线圈按照一定规律连接起来（连接方法见有关异步电动机修理手册），并把首尾端引到接线盒中。为了便于将三相绕组接成 Y 形或形，三相六个引线端在接线盒中的排例次序如图 1-2-13 所示。图 1-2-13三相异步电动机接线盒a为 Y 形接法b为形接法国产三相异步电动机定子绕组首尾端标志分别为 U1U2、V1V2和 W1W2。这里必须指出：三相同步电机的定子绕组分布方
48、法与三相异步机相同。三相定子绕组的作用：当三相对称绕组在空间相差为 120电角度，流入三相对称电流并且电流时间相位差也为 120，那么三相定子绕组就会产生一个幅值不变的旋转磁场，下面以作图方法来看旋转磁场形成过程：我们取流入首端为电流正方向，那么三相对称电流的表达式：iUImSintiVImSin(t 120)iWImSin(t 240)画成波形图如图 1-2-14 所示：为简便起见以每相只有一个线圈，一对磁极定子绕组模型为例。当t=0 瞬时，iU=0,iV=3/2Im即 V 相绕组中电流此时是由 V2端流入，V1端流出；iW=3/2Im，W相绕组的电流是由 W1端流入，W2端流出，这样可画出
49、如图 1-2-15（a）所示电流方向，根据图中各绕组的电流方向用右手螺旋定则，确定此时合成磁场方向，如图所示。当电流变化到t=60时，iU=3/2Im，iV=-3/2Im，iW=0，同理可得合成磁场方向如图 1-2-15（b）所示。可见，此时合成磁场的方向也由初始位置顺时针方向转过 60电角度，t=90时，当 iU=Im，iV=iW=Im/2，如图 1-2-15（c）所示，此时合成磁砀的方向相对初始位置顺时针转过 90电角度，与出现最大电流的绕组（U1-U2）轴线方向一致，实际上当任一相绕组的电图 1-2-15旋转磁场产生过程示意图（a）t=0（b）t=60（c）t=90图 1-2-14 三相
50、对称电流波形图18流达到最大值时，则旋转磁场的方向就转到该绕组的轴线上。以此类推，如果电流变个一周期（即t=360）则合成磁场在空间旋转一周（即 360电角度，因为此时极对数为 1，所以空间机械角度就为空间电角度）只要定子三相绕组电流随时间不断变化，则合成磁场也将随之不断地转下去。这个旋转磁场的转速为：式中，f三相对称电流的交变频率（Hz），p定子绕组的极对数，n0为异步电动机的同步转速。磁场旋转方向取决于三相绕组中的电流到达最大值的相序，图 1-2-15三相绕组电流到达最大值的顺序是 U1U2V1V2W1W2，所以，旋转磁场就依次 UVW 绕组轴线方向旋转。欲要改变旋转方向，只需把电源线中的