電機發展之路（電機理論與分析上篇）

電動機根據應用場合的要求和電源的不同， 可分為直流電動機、 交流感應電動機 （交流

非同步電動機）和交流同步電動機。

另外，運用電磁感應原理工作的變壓器和控制電機也屬於電機的類別。 變壓器是將一種

交流電壓、 電流轉換成同頻率的另一種交流電壓、 電流的靜止電器。 控制電機的主要職能是

在電氣機械系統中進行調節、放大和控制電機是隨著生產力的發展而發展的。

反過來，電機的發展又促進了社會生產力的不斷提高。從 19 世紀末起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產機械的原動機。 近一個世紀來， 電機的基本結構似乎並沒有大的變

化，但是電機的類型卻有了很大發展， 在運行性能、 經濟指標等方面也都有了很大的改進和

提高，而且隨著自動控制系統和計算裝置的發展， 在一般旋轉電機的理論基礎上又發展出許

多種高可靠性、高精度、快速響應的控制電機，成為電機學科的一個獨立分支。

隨著科學技術的快速發展和人民生活水平的不斷提高， 各類電機在工業自動化和人們的

生活工作中正起著越來越大的作用。 電機作為機電能量轉換的重要裝置， 是電氣傳動的基礎

部件，其耗電量佔據了全部用電量的 60%以上，對國民經濟、能源利用、環境保護和人民生活質量的提高都起著十分重要的作用。 電機作為一個動力驅動源應用十分廣泛， 在世界各

國的經濟發展中佔據著越來越重要的地位， 這一產業為牽引許多工業國經濟發展的騰飛發揮

著重要作用。 它不僅是工業設備的動力， 同時也是實現生活現代化的動力。 電機質量和先進

程度同樣也是反映一個國家自動化水平的指標， 電機質量決定著人們的生活質量和國家的工

業化水平。

總之，在電力工業中，發電機是生產電能的主要設備；變壓器是變電站輸、 配電線路中

對電壓進行變換的主要設備；在機械、冶金、紡織、煤炭、石油、化工、交通運輸和家用電

器等行業中，電動機是各種生產機械的主要動力設備； 在國防和民用的各種自動控制系統中，

控制電機是重要和不可缺少的元件。 因此，電機在國民經濟的各個領域中起著極其重要的作

用。

2、直流電機簡介常用的直流電機有以下幾種：

1，最初的直流調速系統是採用恆定的直流電壓向直流電動機電樞供電， 通過改變電

樞迴路中的電阻來實現調速。 這種方法簡單易行設備製造方便， 價格低廉。但缺點是效率低、

機械特性軟、不能在較寬範圍內平滑調速，所以目前極少採用。

2三十年代末，出現了發電機 -電動機 (也稱為旋轉變流組 )，配合採用磁放大器、 電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優良的調速性能，如有較寬的調速範圍 (十比一至數十比一 )、較小的轉速變化率和調速平滑等，特別是當電動機減速時，可以通過發電機非常

容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網， 這樣，一方面可得到平滑的制動特性， 另一方

面又可減少能量的損耗， 提高效率。 但發電機、 電動機調速系統的主要缺點是需要增加兩台

與調速電動機相當的旋轉電機和一些輔助勵磁設備，因而體積大，維修困難等。

3，自出現汞弧變流器後，利用汞弧變流器代替上述發電機、電動機系統，使調速性

能指標又進一步提高。 特別是它的系統快速響應性是發電機、 電動機系統不能比擬的。 但是

汞弧變流器仍存在一些缺點 :維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。

4， 1957 年世界上出現了第一隻晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優越性， 因而晶閘管直流調速系統立即顯示出強大的生命力。 由於它具有體積小、 響應

快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優點，採用晶閘管供電，不僅使直流調速系統經

濟指標上和可靠性有所提高， 而且在技術性能上也顯示出很大的優越性。 晶閘管變流裝置的

放大倍數在 10000 以上，比機組 (放大倍數 10)高 1000 倍，比汞弧變流器 (放大倍數 1000)高10倍 ;在響應快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。從 20世紀 80 年代中後期起， 以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。 同時，控制電路也實現了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用， 使直流調速系統的性能指標大幅提高，應用範圍不斷擴大，直流調速技術不斷發展。

直流電動機具有很多優點：過載能力強、 啟動轉矩大、制動轉矩大；直流電動機雖不像

交流電動機那樣結構簡單、製造容易、維護方便、運行可靠，但由於交流電動機的調速問題

長期未能得到滿意的解決， 因此在過去一段時間內， 直流電動機顯示出交流電動機所不能比

擬的良好的啟動性能和調速性能， 具有寬廣的調速範圍、 平滑的無級調速特性、 可實現頻繁

的無級快速啟動、 制動和反轉、 能承受頻繁的衝擊負載、 能滿足自動化生產系統中各種特殊

運行的要求。所以，直流電動機被廣泛地應用在電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和各種

起重設備中。目前，雖然交流電動機的調速問題已經解決，但是，速度調節要求較高，正、

反轉和啟、制動頻繁或多單元同步協調運轉的生產機械，仍採用直流電動機拖動。

直流發電機供電質量較好， 能提供無脈動的大功率直流電源， 且輸出電壓可以精確地調

節和控制，常常作為中小型同步發電機的勵磁電源和一些化學工業中的直流電源。

但直流電機也有它顯著的缺點：一是製造工藝複雜，消耗有色金屬較多，生產成本高；

二是運行時由於電刷與換向器之間容易產生火花， 因而可靠性較差， 維護比較困難。 所以在

一些對調速性能要求不高的領域中己被交流變頻調速系統所取代。 但是在某些要求調速範圍

大、快速性高、 精密度好、 控制性能優異的場合， 直流電動機的應用目前仍佔有較大的比重。與交流電機相比， 直流電機的結構複雜、 成本較高、 可靠性稍差。 使它的應用受到限制，隨著電力電子技術的發展， 與電力電子裝置結合而具有直流電機性能的電機不斷湧現， 使直流電機有被逐步取代的趨勢。

3、交流電機電機發明的早期都是被應用在工業方面的領域。

最早以直流電機應用的範圍最廣， 其中以 60年代至 80年代中期使用最為旺盛， 但其因碳刷的關係所產生的種種問題至今一直存在，所以在 1980 年代中期以後，傳統直流電機即漸漸被淘汰，取而代之的是交流電機。從傳統交流電機的模擬控制進化到現今數字控制電機的出現， 各種電機的技術不斷演化、 改進，至目前為止，交流電機在現階段，仍為工業動力上使用最為普遍的電機類型。

3.1 交流電機的共同問題交流旋轉電機可以分為同步電機和非同步電機兩類。 同步電機和感應電機雖然勵磁方式和運行特性有很大的差別， 但電機內部發生的電磁現象和機電能量轉換的原理卻基本上是相同的，存在共性的問題：交流電機繞組的連接規律、 正弦分布磁場下繞組的電動勢、 非正弦分布磁場下的諧波電動勢及其抑制和通有正弦電流時繞組產生的磁動勢。

3.2 交流繞組的構成原則和分類繞組是電機的主要部分， 要分析交流電機的原理與運行問題， 必須首先對交流繞組的構成和連接規律有一個基本的了解。 交流繞組儘管形式多樣， 但其構成原則基本相同。

推薦閱讀：