电机原理与实践

前言

第1章 舰船特种电机1

1.1 舰船特种电机的发展历程2

1.2 多相整流型同步发电机的基本原理2

1.3 双绕组发电机的基本原理4

1.4 多相感应电机的基本原理5

1.5 混合励磁发电机的基本原理7

1.6 直线感应电机的基本原理9

第2章 电机基本原理与结构13

2.1 直流电机基本原理与结构14

2.1.1 直流发电机的基本工作原理14

2.1.2 直流电动机的基本工作原理16

2.1.3 直流电机的主要结构17

2.1.4 直流电机的额定值22

2.1.5 直流电动机的起动23

2.1.6 直流电动机的调速28

2.2 变压器基本原理与结构32

2.2.1 变压器基本原理33

2.2.2 变压器主要结构34

2.2.3 变压器额定值37

2.2.4 三相变压器37

2.3 异步电机基本原理与结构42

2.3.1 异步电机的基本工作原理42

2.3.2 异步电机的结构43

2.3.3 三相异步电动机的起动46

2.3.4 三相异步电动机的调速50

2.4 同步电机基本原理与结构58

2.4.1 同步电机的基本工作原理58

2.4.2 同步电机的结构59

2.4.3 同步电机的额定值62

2.4.4 同步发电机的运行特性62

2.4.5 同步发电机的并联运行64

第3章 直流电机实验69

3.1 直流电动机认识实验70

3.1.1 实验内容及要求70

3.1.2 实验器材及装置70

3.1.3 实验步骤70

3.1.4 实验注意事项71

3.2 直流电动机起动、调速、反转与制动71

3.2.1 实验内容及要求72

3.2.2 实验器材及装置72

3.2.3 实验步骤72

3.2.4 实验注意事项74

3.2.5 实验报告75

3.2.6 思考题75

3.3 直流他励电动机特性测定75

3.3.1 实验内容及要求75

3.3.2 实验器材及装置75

3.3.3 实验步骤76

3.3.4 实验报告77

3.3.5 思考题78

3.4 时间原则起动78

3.4.1 实验内容及要求78

3.4.2 实验器材及装置78

3.4.3 实验步骤78

3.4.4 实验注意事项80

3.4.5 实验报告80

3.5 直流发电机电压建立80

3.5.1 实验内容及要求80

3.5.2 实验器材及装置80

3.5.3 知识准备81

3.5.4 实验步骤81

3.5.5 实验注意事项82

3.5.6 实验报告83

3.6 直流发电机运行特性83

3.6.1 实验内容及要求83

3.6.2 实验器材及装置83

3.6.3 实验步骤84

3.6.4 实验注意事项87

3.6.5 实验报告87

3.6.6 思考题88

第4章 变压器实验89

4.1 变压器同名端辨别及变比测量实验90

4.1.1 实验内容及要求90

4.1.2 实验器材及装置90

4.1.3 实验步骤90

4.1.4 实验注意事项93

4.1.5 实验报告93

4.2 单相变压器空载、短路、负载实验93

4.2.1 实验内容及要求93

4.2.2 实验器材及装置93

4.2.3 知识准备94

4.2.4 实验步骤94

4.2.5 实验注意事项96

4.2.6 实验报告96

4.3 单相变压器的并联运行99

4.3.1 实验内容及要求99

4.3.2 实验器材及装置99

4.3.3 知识准备99

4.3.4 实验步骤99

4.3.5 实验报告101

4.4 三相变压器的连接组101

4.4.1 实验内容及要求101

4.4.2 实验器材及装置101

4.4.3 知识准备102

4.4.4 实验步骤102

4.4.5 实验注意事项104

4.5 单相壳式变压器的设计104

4.5.1 实验内容及要求104

4.5.2 实验器材及装置104

4.5.3 实验步骤104

第5章 异步电动机实验109

5.1 三相异步电动机的拆装110

5.1.1 实验内容及要求110

5.1.2 实验器材及装置110

5.1.3 知识准备110

5.1.4 实验步骤110

5.1.5 实验注意事项115

5.2 异步电动机星形三角形起动实验115

5.2.1 实验内容及要求115

5.2.2 实验器材及装置115

5.2.3 实验步骤115

5.2.4 实验注意事项118

5.3 异步电动机的调速实验118

5.3.1 实验内容及要求118

5.3.2 实验器材及装置118

5.3.3 知识准备119

5.3.4 实验步骤119

5.3.5 实验注意事项120

第6章 同步发电机实验121

6.1 同步发电机电压建立122

6.1.1 实验内容及要求122

6.1.2 实验器材及装置122

6.1.3 知识准备122

6.1.4 实验步骤123

6.1.5 实验注意事项124

6.2 同步发电机空载特性124

6.2.1 实验内容及要求124

6.2.2 实验器材及装置124

6.2.3 知识准备125

6.2.4 实验步骤125

6.2.5 实验注意事项126

6.3 同步发电机外特性126

6.3.1 实验内容及要求126

6.3.2 实验器材及装置126

6.3.3 知识准备126

6.3.4 实验步骤126

6.3.5 实验注意事项128

6.4 同步发电机励磁调节特性128

6.4.1 实验内容及要求128

6.4.2 实验器材及装置128

6.4.3 知识准备129

6.4.4 实验步骤129

6.4.5 实验注意事项130

6.5 同步发电机并联运行131

6.5.1 实验内容及要求131

6.5.2 实验器材及装置131

6.5.3 知识准备131

6.5.4 实验步骤132

6.5.5 实验注意事项133

第7章 基础能力训练135

7.1 常用电工工具及使用136

7.1.1 验电器136

7.1.2 钳类工具137

7.1.3 螺钉旋具142

7.1.4 扳手143

7.1.5 电工刀144

7.1.6 电烙铁145

7.1.7 吸锡器145

7.1.8 拉具146

7.1.9 转速表147

7.1.10 绕线机148

7.2 常用电工仪表及使用149

7.2.1 电工仪表的基本知识149

7.2.2 电流表和电压表156

7.2.3 万用表158

7.2.4 钳形电流表171

7.2.5 兆欧表173

7.2.6 稳压电源179

7.3 电工安全基础知识184

7.3.1 人身安全用电常识184

7.3.2 电气设备安全用电190

7.3.3 电气防火与防爆193

7.3.4 船舶电气设备的接地和接零198

参考文献205

第1章 舰船特种电机

1.1 舰船特种电机的发展历程

20世纪80年代以来，电力电子和交流电机技术的发展推动了动力系统从机械化向电气化的深刻变革，催生了全电移动平台，加速了新型高效能源、高性能电机、高效电力传动与智能控制等一系列技术的发展，尤其加速了高性能电机系统的发展。全电移动平台的核心动力装置是发电、推进、储能等电机系统，*大限度地实现了能量的高效利用和精确控制，对电机系统提出了更高的性能需求，总体而言，可以概括为高功率密度、高适应性、高可靠性、高精度、低排放、多功能复用等。目前，新型电机系统正逐渐推广应用于全电舰船、全电车辆、全电推进飞行器等平台。

21世纪初，围绕舰船动力和电磁发射的发展需求，马伟明院士团队提出了“电力集成”的技术思想，以实现电机系统高功率密度、高可靠性与高性能。该思想将设备的各*立环节或多个设备作为一个整体进行结构优化设计，从而减少中间环节，实现电机系统的集成化、小型化。

在舰船动力领域，舰船综合电力系统将传统舰船相互*立的动力和电力两大系统合二为一，将发电、推进供电、高能武器发射供电、大功率探测供电、日常用电等综合为一体，该系统的核心动力装置是发电、推进、储能等电机。

在上述领域，我国开展了一系列卓有成效的研究工作，并实现了突破性的进展。此外，我国已经研制出一系列高性能的电机系统，总体处于国际先进水平，如超大容量电机系统、超高速电机系统、超高功率密度电机系统、大容量高转矩密度多相电机系统等。这些突破性进展，为我国多个领域的建设和体系的构建提供了核心技术支撑。除了上述进展，基于新型拓扑结构的电机系统也不断涌现，如混合励磁交流电机、定子永磁电机、磁场调制电机、无刷双馈电机、横向磁通电机、多机械端口电机、平面电机、少稀土电机和基于新型功能电工材料的电机等，发展前景广阔。

下面，结合舰船应用，具体介绍几种典型的特种电机的基本结构与工作原理。

1.2 多相整流型同步发电机的基本原理

传统的舰船发电机组，特别是采用交流电制的场合，多采用减速齿轮箱将高速原动机（汽轮机或燃气轮机）与发电机相连，其重量、体积增加且振动噪声大，与舰船对重量、空间、隐身性的严格限制相违背。采用直流电制可以不再受交流频率的限制，并为取消减速齿轮箱和大幅提高发电机转速提供了技术基础。一旦取消减速齿轮箱，将高速原动机与发电机直接耦合，既降低了发电系统的振动噪声，又减小了其体积、重量。因此，在以直流电制为主的未来舰船综合电力系统中，高速交流整流型发电机已成为发电模块的主要发展方向。

三相同步发电机整流系统的供电品质较差、发电机效率较低，为克服这些缺点，可采用多相同步发电机如六相2Y移30°绕组或十二相4Y移15°绕组的同步发电机，以提高整流电源的品质和电机的效率，并减小高次谐波电流产生的电枢磁势对电机的不良影响。以十二相整流型同步发电机系统为例，该系统具有功率密度高、电压脉动小、动态性能优等突出特点，某型舰船就将其作为主动力源。

多相整流型同步发电机与传统的直流发电机相比，具有无换向火花、无碳粉污染、可以与中高速原动机配套、容量不受机械换向器限制、可靠性高、维护保养简单等一系列优点。因此，在许多领域中多相整流型同步发电机正在逐步替代传统直流发电机作为大容量直流电源。

多相整流型同步发电机的相数一般为m = 3， 6， 9， ， 3k（k = 1， 2， ），由于三相整流型同步发电机结构与一般三相交流同步发电机相同，且脉动系数过大，除了小容量的整流发电机外，通常多相整流型同步发电机是指m = 3k相（k＞1），即六相、九相等多相带整流装置的同步发电机，其转子结构与常用三相交流同步发电机类似，可以采用无刷励磁方式励磁。

为了减小整流电压脉动系数，多相整流型同步发电机定子绕组宜采用k（k＞1）个Y接法互移 电角度非对称接法绕组。下面以十二相整流型同步发电机为例进行介绍。十二相整流型同步发电机原理如图1.2.1所示，该发电机转子铁心与绕组结构形式和通常的三相交流发电机类似，定子十二相绕组采用4Y移15°绕组，其定子相电压相量图如图1.2.2所示。

图1.2.1 十二相整流型同步发电机原理图

AVR指自动电压调节器

图1.2.2 十二相电压相量图

图1.2.1中十二相绕组由4个互移15°电角度的三相绕组组成，4个三相绕组中点不连接在一起，每个三相绕组分别接到一个三相整流桥输入端，4个三相整流桥直流侧可以采用直接并联的接法（能够输出比较大的电流），也可以采用串联接法（能够输出比较大的电压），还可以采用两串两并的接法。为了提高电机集成化程度，减少电机引出电缆，降低电磁干扰，一般都将十二相整流装置、励磁调节装置设置在电机内部，与发电机共用一套冷却系统。

1.3 双绕组发电机的基本原理

在舰船、飞机、移动通信站、石油钻井平台等*立系统中，往往同时需要高品质的交流电源和直流电源。传统的方法是采用交流发电机和直流发电机分别供电。这就需要交直流两种发电机组和配电设备，而两套*立的供电系统通常都存在成本高、体积/重量大、效率低和经济性差等一系列缺点，在体积和重量都受到严格限制的舰船、飞机等*立系统中难以采用。

双绕组发电机作为能同时发出交流电和直流电的特殊电机，具有成本低、体积小、重量轻和交流电压波形畸变小的优点，特别适用于同时需要交流电源和直流电源的*立系统，如舰船、飞机、移动通信站、石油钻井平台等。

在交直流电力集成的双绕组发电机中，三相交流与多相（六相、九相、十二相、十五相等）整流同时共用一台发电机磁路，省去一个多绕组隔离变压器，即发电机定子上嵌放两套相互*立的绕组，一套三相绕组给交流电网供电，另一套六相（或九相、十二相等）绕组经内部整流后给直流负载供电，整流输出与三相交流输出隔离开来，仅有磁路耦合，没有电路连接，可以大大减小整流电流换相对交流电网电压波形畸变的影响。三/十二相双绕组发电机电路原理如图1.3.1所示，其中三相交流绕组为Y接法，十二相采用4Y移15°绕组，整流输出电压中*低次频率谐波为24次，各绕组的中点都不引出。同时把发电机励磁控制装置和整流装置都放在电机内，与电机共用一套冷却系统。因此，该发电机对外同时起到一台交流发电机和一台直流发电机的作用。图1.3.2表示两套定子绕组和转子绕组的相对嵌放位置。

图1.3.1 三/十二相双绕组发电机电路原理图

图1.3.2 两套定子绕组和转子绕组相对嵌放位置

1.4 多相感应电机的基本原理

在航空航天、电动汽车、轨道交通等要求电机驱动系统具有高可靠性的领域，通常采用可容错运行能力强的多相感应电机来完成电力拖动任务。多相感应电机及其驱动控制系统相比于常见的三相感应电机及其驱动控制系统有着显著的优势。一般来说，多相感应电机主要用在功率较大、可靠性要求高的领域，如混合电动车、航天、船舶推进等；在一些高可靠性、高冗余度的小功率传动系统中，由于容错性高、转矩脉动小的要求，也采用了多相感应电机及其驱动系统。

多相感应电机主要存在以下优点：一是单相功率低，二是冗余性强，三是控制灵活。此外，多相感应电机能提供平稳的转矩响应，具有更高的电机转矩密度、更小的转矩脉动、更小的谐波电流、更好的瞬态和稳态性能，同时电流谐波注入可以提供更稳健的控制等。在存在诸多优势的同时，多相感应电机也存在一些缺点，例如，随着电机相数的增多，使用的电力电子器件数量会增多，成本会增加；由于相数多，调控的机动性提高，电机控制的方法更加繁杂；多相电机一般采用逆变电源供电，所以定子谐波电流的次数及谐波的损耗将会增多等。

多相感应电机和一般的三相感应电机在电机的主要结构和组成形式上是相同的。多相感应电机结构主要包括两个部分：静止部分—定子；转动部分—转子。二者*大的区别在于电机的交流绕组，多相感应电机的绕组由多套对称绕组相互交错开一定的角度所构成。

以十五相感应电机为例，存在中点不互连的*立十五相和三个互移12°的中点互连的五相绕组两种形式。三个互移12°的中点互连的五相绕组的十五相感应电机定子相轴与转子相轴的相对位置如图1.4.1所示。

图1.4.1 十五相感应电机定子相轴与转子相轴的相对位置

其基本原理如下：

当m相感应电机定子绕组接到m相交流电源上时，定子绕组中将流过m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，其转速 由电网频率 和定子绕组的极对数p决定：

这个基波旋转磁场在短路的转子绕组（若是鼠笼型绕组则其本身就是短路的，若是绕线型转子则可以通过电刷短路）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从而产生电磁转矩。

以某型五相感应电机系统为例，其所用的五相H桥逆变器主电路如图1.4.2所示，五相感应电机每相定子绕组均由一个单相H桥逆变器*立控制，图中A相H桥开关器件A1、A4同时通断，A2、A3同时通断，两组绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）

图1.4.2 五相H桥逆变器主电路

《电机原理与实践（第二版）》根据电气工程及其自动化专业实践课程的实施要求而编写。针对电机类实践课程部分特点，《电机原理与实践（第二版）》内容包括电机基本原理与结构、电机实验和基础能力训练三大部分。《电机原理与实践（第二版）》训练学生的基础电工能力，使学生掌握电机基本理论和电机实验方法，力求理论与实践相结合，提高学生的动手能力。