电机与电气控制（第4版）

本书共5篇15章，有机地结合了电机学、电力拖动、电气控制三门课程的内容。深入浅出地阐述了直流电动机及拖动，变压器原理与应用，三相异步电动机及拖动，同时还介绍了单相异步电机、同步电动机、控制电机的特点与应用；电气控制线路的基本环节，常用机床控制线路，数控设备控制电路，可编程控制器的应用；电机拖动与控制线路常见故障及处理方法。每章末附有小结、习题，题型多样、灵活，便于启发学生思维、提高职业技能。

刘子林，男，四川绵阳职业技术学院教授，长期从事电机相关专业的教学和教科研活动，具备较为丰富的教学实践经验和教材编写经验，曾主持和参与多项省部级教科研项目，其编写的电机与电气控制教材获评国家十二五规划教材荣誉称号。

目 录 绪 论 1 第1篇 直流电机及拖动 第1章 直流电机的原理 7 1.1 直流电机的基本工作原理 7 1.1.1 直流电机的模型结构 7 1.1.2 直流发电机的工作原理 8 1.1.3 直流电动机的工作原理 9 1.1.4 直流电机的可逆原理 10 1.2 直流电机的结构和额定值 10 1.2.1 直流电机的结构 10 1.2.2 直流电机的铭牌 13 1.2.3 直流电机的电枢绕组 14 1.3 直流电机中的电枢绕组的感应电动势、电磁转矩、磁场和换向 21 1.3.1 电枢绕组的感应电动势Ea和电磁转矩T 21 1.3.2 直流电机的磁场 22 ※ 1.3.3 直流电机的换向 25 本章小结 29 习题1 30 第2章 直流电动机 33 2.1 直流电动机的基本方程式 33 2.1.1 电压平衡方程式 33 2.1.2 功率平衡方程式 33 2.1.3 转矩平衡方程式 34 2.2 直流并（他）励电动机的工作特性 35 2.2.1 转速特性――n = f (P2) 35 2.2.2 转矩特性――T = f (P2) 35 2.2.3 效率特性――? = f (P2) 35 2.3 生产机械的负载转矩特性 36 2.4 直流电动机的机械特性 37 2.4.1 电动机的机械特性方程式 37 2.4.2 固有机械特性 38 2.4.3 人为机械特性 38 2.4.4 直流电动机的正/反转 40 2.5 直流串励电动机 41 2.5.1 串励电动机的接线与特点 41 2.5.2 串励电动机的机械特性 42 本章小结 43 习题2 43 第3章 直流电动机的启动、调速和制动 46 3.1 直流电动机的启动 46 3.1.1 对直流电动机的启动性能的基本要求 46 3.1.2 启动方法 46 3.2 直流电动机的调速 49 3.3 直流并（他）励电动机的制动 53 3.3.1 制动与电动的区别 53 3.3.2 能耗制动 53 3.3.3 反接制动 55 3.3.4 回馈制动（再生发电制动） 57 3.4 直流电动机的故障判断及维修方法 57 本章小结 59 习题3 60 第2篇 变压器 第4章 单相变压器 63 4.1 变压器的工作原理、应用、结构、铭牌和额定值 63 4.1.1 变压器的工作原理 63 4.1.2 变压器的应用 64 4.1.3 变压器的结构 64 4.1.4 变压器的铭牌和额定值 69 4.2 单相变压器的空载运行 70 4.2.1 空载运行时的物理状况 70 4.2.2 变压器的感应电势和变比 71 4.2.3 变压器的空载电流 73 4.2.4 变压器空载运行时的等值电路和矢量图 73 4.3 变压器的负载运行 75 4.3.1 变压器负载运行时的物理状况 75 4.3.2 变压器负载运行时的磁势平衡方程式 76 4.3.3 变压器负载运行时的电压平衡方程式 76 4.3.4 变压器绕组的折算 77 4.3.5 变压器负载运行时的等值电路 78 4.4 变压器参数的测定 80 4.4.1 变压器空载试验 80 4.4.2 变压器短路试验 81 4.5 变压器的运行特性 82 4.5.1 变压器的外特性和电压变化率 83 4.5.2 变压器的效率特性 84 本章小结 87 习题4 87 第5章 三相变压器 91 5.1 三相变压器的磁路系统 91 5.2 三相变压器的电路系统――连接组 92 5.2.1 变压器原、副绕组首末端标记 92 5.2.2 单相变压器的连接 92 5.2.3 三相变压器绕组的接法 94 5.2.4 三相变压器的连接组别 94 5.3 变压器的并联运行 97 5.3.1 变比不等时的变压器并联运行 98 5.3.2 连接组别不同时的并联运行 99 5.3.3 短路阻抗相对值（或短路阻抗压降）不等时的并联运行 100 5.4 电力变压器的维护 100 5.4.1 电力变压器的巡视 100 5.4.2 变压器的异常运行及维修 102 5.4.3 电力变压器的容量选择 103 本章小结 103 习题5 104 第6章 其他用途的变压器 106 6.1 自耦变压器 106 6.2 仪用互感器 107 6.2.1 电压互感器 108 6.2.2 电流互感器 109 6.3 电焊变压器（交流弧焊机） 111 本章小结 112 习题6 113 第3篇 三相异步电动机及拖动 第7章 三相异步电动机 115 7.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构 115 7.1.1 三相异步电动机的基本工作原理 115 7.1.2 三相异步电动机的结构 119 7.1.3 三相异步电动机的主要指标 122 7.2 三相交流绕组 123 7.2.1 三相交流绕组的基本术语 123 7.2.2 三相绕组的构成原则 124 7.2.3 三相单层绕组 125 7.2.4 三相双层绕组 130 7.3 交流绕组的感应电势 133 7.3.1 线圈感应电势 133 7.3.2 线圈组电势 135 7.3.3 每相电势 136 7.4 三相异步电动机空载运行 137 7.4.1 三相异步电动机与变压器的异同 137 7.4.2 转子不动（转子绕组开路）时的空载运行 137 7.4.3 转子转动（转子绕组短路）时的空载运行 138 7.5 三相异步电动机负载运行 139 7.5.1 转子各物理量与转差率S的关系 139 7.5.2 磁势平衡方程式 140 7.5.3 电压平衡方程式 142 7.5.4 负载运行时的等值电路 142 7.6 三相异步电动机参数的测定 145 7.6.1 三相异步电动机空载试验 145 7.6.2 三相异步电动机短路试验 147 7.7 三相异步电动机的功率和转矩平衡方程式 148 7.7.1 异步电动机的功率平衡关系 148 7.7.2 异步电动机的转矩平衡关系 149 7.7.3 异步电动机的工作特性 150 7.8 三相异步电动机的机械特性 151 7.8.1 三相异步电动机的电磁转矩T 151 7.8.2 机械特性及特点 154 本章小结 155 习题7 156 第8章 三相异步电动机的电力拖动 161 8.1 三相异步电动机的启动性能 161 8.1.1 衡量异步电动机启动性能的标准 161 8.1.2 异步电动机的启动特点 161 8.2 三相鼠笼式异步电动机的启动 162 8.2.1 三相鼠笼式异步电动机的直接启动 162 8.2.2 鼠笼式异步电动机的降压启动 163 8.3 三相绕线式异步电动机的启动 167 8.3.1 三相绕线式异步电动机转子外串电阻启动 168 8.3.2 转子外串频敏变阻器启动 169 8.4 三相异步电动机的调速 171 8.4.1 三相异步电动机变极2P调速 172 8.4.2 三相异步电动机变频f1调速 173 8.4.3 改变转差率S调速 176 8.5 三相异步电动机的制动 180 8.5.1 三相异步电动机的正/反转 181 8.5.2 三相异步电动机的能耗制动 181 8.5.3 三相异步电动机的反接制动 183 8.5.4 异步电动机的回馈（再生发电）制动 186 8.6 三相异步电动机常见故障及维护 187 8.6.1 电动机启动前的准备和启动时的注意事项 187 8.6.2 电动机运行中的监视与维护 188 8.6.3 电动机的定期检修 189 8.6.4 三相异步电动机常见故障现象、原因分析及故障处理 190 本章小结 192 习题8 193 第4篇 其他用途的电机 第9章 单相异步电动机 197 9.1 单相异步电动机的结构特点 197 9.2 单相异步电动机的工作原理 199 9.2.1 单相异步电动机的脉振磁场 199 9.2.2 单相异步电动机的工作过程 200 9.2.3 单相异步电动机旋转磁场的产生 201 9.3 单相分相式异步电动机 202 9.3.1 单相电阻（分相）启动异步电动机 202 9.3.2 单相电容（分相）启动异步电动机 203 9.3.3 单相电容运转异步电动机 204 9.3.4 单相双值电容异步电动机 204 9.4 单相罩极式异步电动机 205 9.4.1 单相凸极式罩极异步电动机的结构 205 9.4.2 单相凸极式罩极异步电动机的工作原理 205 9.4.3 单相罩极式异步电动机的应用 206 9.5 三相异步电动机的单相运行 206 9.5.1 Y接法的三相异步电动机改接为单相使用 207 9.5.2 D接法的三相异步电动机改接为单相使用 207 9.6 单相异步电动机的调速 208 9.6.1 串联电抗器降压调速 209 9.6.2 电动机绕组抽头调速 209 9.7 单相异步电动机的定子绕组 210 9.7.1 单相电阻分相启动和电容分相启动异步电动机的定子绕组 210 9.7.2 单相同心式绕组 211 9.7.3 单相电容运转和双值电容异步电动机绕组 212 9.7.4 单相正弦绕组 213 9.8 单相异步电动机常见故障及维修 217 9.8.1 单相异步电动机常见故障与三相异步电动机常见故障的区别 217 9.8.2 单相异步电动机常见故障的维修方法 217 本章小结 219 习题9 219 ※第10章 同步电机 221 10.1 同步电机的基本工作原理、分类及结构 221 10.1.1 同步电机的基本工作原理 221 10.1.2 同步电机的分类 222 10.1.3 凸极式同步电机的结构 223 10.1.4 同步电机的型号和额定值 226 10.2 同步电动机的电压平衡方程式和矢量图 227 10.2.1 同步电动机的电压平衡方程式 227 10.2.2 同步电动机的等值电路和相量图 227 10.2.3 同步电动机的功率 228 10.3 同步补偿机（同步调相机） 230 10.4 同步电动机的启动 231 10.4.1 同步电动机本身不能自行启动 231 10.4.2 启动方法 231 本章小结 232 习题10 233 第11章 控制电机 235 11.1 伺服电动机 235 11.1.1 伺服电动机的特点 235 11.1.2 直流伺服电动机 236 11.1.3 交流伺服电动机 237 11.2 步进电动机 241 11.2.1 反应式步进电动机的结构 241 11.2.2 反应式步进电动机的工作原理 242 11.3 测速发电机 245 11.3.1 直流测速发电机 245 11.3.2 交流测速发电机 248 11.4 直线电动机 250 11.4.1 直线异步电动机的结构 250 11.4.2 直线异步电动机的工作原理 251 11.4.3 直线异步电动机的类型 252 11.4.4 直线异步电动机的应用 253 11.5 电动机的选择 253 11.5.1 电动机的发热、冷却及工作方式 253 11.5.2 绝缘材料及性能 254 11.5.3 电动机工作方式的选择 256 11.5.4 电动机额定功率、额定电压、电流类型、额定转速结构形式的选择 256 本章小结 259 习题11 260 第5篇 电气控制技术 第12章 常用低压电器 263 12.1 刀开关和转换开关 263 12.1.1 刀开关 263 12.1.2 转换开关（又称组合开关） 264 12.2 自动开关 265 12.2.1 自动开关的工作原理 265 12.2.2 自动开关的选择方法和维护 266 12.3 熔断器 266 12.3.1 熔断器的结构 267 12.3.2 熔断器的技术参数 267 12.3.3 常用低压熔断器 267 12.3.4 熔断器的选择和使用注意事项 269 12.4 主令电器 269 12.4.1 按钮 269 12.4.2 行程开关 270 12.5 接触器 271 12.5.1 交流接触器 271 12.5.2 直流接触器 273 12.5.3 接触器的主要技术数据 274 12.6 继电器 274 12.6.1 电磁式电流/电压继电器和中间继电器 274 12.6.2 时间继电器 275 12.6.3 热继电器 277 12.6.4 速度继电器 278 12.7 低压控制电器的常见故障与维修 279 本章小结 280 习题12 280 第13章 电气控制的基本线路 282 13.1 电气控制线路的绘制 282 13.1.1 常用电气控制系统的图形符号 282 13.1.2 电气控制系统图 282 13.2 三相异步电动机的直接启动控制线路 284 13.2.1 单向连续旋转控制线路 284 13.2.2 点动与连续旋转控制线路 285 13.2.3 正/反转控制线路 286 13.2.4 自动往复循环控制线路 287 13.2.5 多地控制与顺序控制线路 287 13.3 三相鼠笼式异步电动机的降压启动控制线路 288 13.3.1 星形-三角形换接降压启动控制线路 288 13.3.2 串联电阻（或电抗）降压启动控制线路 289 13.3.3 自耦变压器（补偿器）降压启动控制线路 290 13.4 三相绕线式异步电动机的启动控制线路 290 13.4.1 转子绕组串联电阻的启动控制线路 290 13.4.2 转子绕组串联频敏变阻器的启动控制线路 291 13.5 三相异步电动机的制动控制线路 292 13.5.1 反接制动控制线路 293 13.5.2 能耗制动控制线路 294 13.5.3 单管能耗制动 295 13.6 三相异步电动机的调速控制线路 295 本章小结 297 习题13 298 第14章 机床电气控制线路 299 14.1 摇臂钻床控制线路 299 14.1.1 主要结构和运动形式 299 14.1.2 电力拖动的特点和控制要求 300 14.1.3 电气控制线路分析 300 14.2 万能铣床的电气控制线路 303 14.2.1 主要结构和运动形式 303 14.2.2 电力拖动方式和控制要求 304 14.2.3 电气控制线路分析 304 14.3 机床电气控制线路的维护与检修 307 14.3.1 机床电气控制线路的维护 307 14.3.2 机床控制线路的检修 308 14.3.3 典型机床控制线路的故障分析 308 本章小结 309 习题14 310 第15章 可编程序控制器（PLC） 311 15.1 PLC概述 311 15.1.1 PLC的产生与发展 311 15.1.2 PLC的定义与特点 311 15.1.3 PLC的分类 312 15.1.4 PLC的组成与工作过程 312 15.1.5 PLC的技术指标 316 15.2 三菱FX2系列PLC 316 15.2.1 FX2系列PLC的构成与内部元件 316 15.2.2 FX2系列PLC的基本指令 318 15.2.3 FX2系列PLC的步进指令 320 15.2.4 FX2系列PLC的功能指令 322 本章小结 323 习题15 324 参考文献 325