波导 是一种特殊形式的传输线，由空心金属管组成。管壁提供分布电感，管壁之间的空隙提供分布电容。 波导传导微波能量的损耗低于同轴电缆。 波导仅适用于极高频率的信号，其中波长接近波导的横截面尺寸。在这样的频率以下，波导作为电传输线是无用的。 使用波导作为传输线 但是，当用作传输线时，波导在制造和维护方面比双芯电缆（尤其是同轴电缆）简单得多。 由于只有一个导体（波导的“壳”），因此无需担心导体与导体之间的适当间距或电介质材料的一致性，因为波导中唯一的电介质是空气。 水分在波导中的问题不像同轴电缆中那样严重，因此波导通常不需要“填充”气体。 波导可以被认为是电磁能量的管道，波导

开路或短路传输线谐振频率点的驻波会产生不寻常的影响。当信号频率恰好与线路长度匹配的 1/2 波或其倍数时，源“看到”负载阻抗。 下图显示了在 1/2 和 1 波长频率下工作的开路线路： 源见开，与半波长线末端相同。 光源可见，与全波长末端（2x 半波长线）相同。 在任何一种情况下，线路两端都有电压波腹，两端都有电流节点。即线路两端电压最大，电流最小，对应开路状态。 这种情况存在于两个 线路末端告诉我们，线路忠实地再现了源端的终端阻抗，因此源端“看到”了连接到传输线的开路，就好像它是直接开路的一样。 如果传输线端接短路，情况也是如此：在对应于 1/2 波长或其倍数

只要传输线和负载之间的阻抗不匹配，就会发生反射。如果入射信号是连续的交流波形，这些反射将与更多的迎面而来的入射波形混合，产生称为驻波的固定波形 . 下图显示了三角形的入射波形在到达线路的未端接端时如何变成镜像反射。为简单起见，此说明性序列中的传输线显示为单条粗线，而不是一对导线。 入射波从左向右传播，反射波从右向左传播：（下图） 入射波在未端接传输线的末端反射。 如果我们将两个波形加在一起，我们会发现沿着线的长度创建了第三个固定波形：（下图） 入射波和反射波的总和是驻波。 这第三个“驻波”实际上代表了沿线的唯一电压，它是入射和反射电压波的代表总和。它

在直流和低频交流电路中，通常忽略并联导线的特性阻抗。这包括在仪器电路中使用同轴电缆，通常用于保护微弱的电压信号免受杂散电场和磁场引起的感应“噪声”的破坏。 这是因为与电路中重要信号的波形或脉冲周期相比，线路中发生反射的时间跨度相对较短。 正如我们在上一节中看到的那样，如果传输线连接到直流电压源，则只要入射脉冲到达传输线的末端，它就会表现为一个电阻值等于传输线的特性阻抗。线并作为反射脉冲返回，返回源。 在那段时间之后（对于最后一个例子中一英里长的同轴电缆来说是短暂的 16.292 µs），信号源只“看到”了终端阻抗，不管它是什么。 如果有问题的电路处理低频交流电源，那么传输线在交流电源输

无限长的传输线是一个有趣的抽象，但在物理上是不可能的。所有传输线都有一定的长度，因此与无限线的行为并不完全相同。 如果几年前我用欧姆表测量的那根 50 Ω“RG-58/U”电缆无限长，我实际上能够测量内导体和外导体之间的 50 Ω 电阻。但它的长度不是无限的，因此测量为“开放”（无限电阻）。 尽管如此，即使在处理有限长度的情况下，传输线的特性阻抗额定值也很重要。特性阻抗的一个旧术语，我喜欢它的描述性值，是浪涌阻抗 . 如果将瞬态电压（“浪涌”）施加到传输线的末端，则该线路将吸收与浪涌电压幅度除以线路的浪涌阻抗 (I=E/Z) 成正比的电流。电流和电压之间的这种简单的欧姆定律关系将在有限的

无限长的平行线 不过，假设我们有一组无限的平行线 长度，末端没有灯。当我们关闭开关时会发生什么？由于电线末端不再有负载，因此该电路是开路的。会不会没有电流？ （下图） 驱动无限传输线。 尽管在这个“思想实验”中可以通过使用超导体来避免导线电阻，但我们无法消除导线长度上的电容。 任何 由绝缘介质隔开的一对导体会在这些导体之间产生电容：（下图） 显示导体间杂散电容的等效电路。 施加在两个导体之间的电压会在这些导体之间产生电场。能量储存在这个电场中，这种能量储存会导致电压变化的反作用。电容对电压变化的反应由方程 i =C(de/dt) 描述，它告诉我们电流将与电压随时间的变

假设我们有一个由开关控制的简单的单电池单灯电路。当开关闭合时，灯立即亮起。当开关打开时，灯立即变暗：（下图） Lamp 似乎立即响应切换。 实际上，白炽灯在接收到足够大的电流为其供电后，其灯丝需要很短的时间才能预热并发光，因此效果不是即时的。但是，我想关注的是电流本身的即时性，而不是灯丝的响应时间。 出于所有实际目的，开关动作的效果在灯的位置是即时的。尽管电荷载流子通过电线的移动速度非常慢，但电荷载流子相互推挤的整体效果以光速（大约每秒 186,000 英里/）发生 ！）。 但是，如果为灯供电的电线长达 186,000 英里，会发生什么？由于我们知道电信号的速度是有限的（虽

在我探索电力的早期，我遇到了一段同轴电缆 沿其外护套印有“50 ohms”标签（下图）。同轴电缆是一种双芯电缆，由单根导体包裹一层编织线护套，并用塑料绝缘材料将两者隔开。 因此，外（编织）导体完全包围内（单线）导体，两个导体在电缆的整个长度上彼此绝缘。这种类型的电缆通常用于传导弱（低幅度）电压信号，因为它具有出色的屏蔽外部干扰信号的能力。 同轴电缆结构。 我对这条同轴电缆上的“50 ohms”标签感到困惑。用相对较厚的塑料层将彼此绝缘的两个导体之间怎么会有 50 欧姆的电阻？ 用我的欧姆表测量外导体和内导体之间的电阻，我发现它是无穷大（开路），正如我对两个绝缘导体的预期一样

Charles Proteus Steinmetz 抵达美国后的第一份工作是调查交流电版有刷换向器电机设计中遇到的问题。情况如此糟糕，以至于无法在实际施工之前设计电机。 电机设计的成功或失败在实际制造和测试之前是未知的。他制定了磁磁滞定律 在寻找解决办法。与磁化力相比，磁滞是磁场强度的滞后。这会产生直流磁体中不存在的损耗。 低磁滞合金并将合金破碎成薄的绝缘叠片 使得在建造之前准确设计交流换向器电机成为可能。 交流换向器电机与同类直流电机一样，具有比交流感应电机更高的启动转矩和更高的转速。 串联电机的运行速度远高于传统交流电机的同步速度。交流换向器电机可以是单相或多相。单相交流电机出现双

通常情况下，绕线转子感应电动机的转子绕组在启动后会短路。在启动期间，可以将电阻与转子绕组串联以限制启动电流。如果这些绕组连接到一个共同的启动电阻，两个转子将在启动过程中保持同步。 这对于印刷机和吊桥很有用，其中两个电机在启动期间需要同步。一旦启动，转子短路，同步转矩就消失了。启动时电阻越大，一对电机的同步转矩越大。 如果移除了启动电阻，但转子仍然并联，则没有启动转矩。然而，存在相当大的同步转矩。这称为 selsyn ，是“自同步”的缩写。 从普通电阻启动绕线转子感应电机 转子可以是静止的。如果一个转子移动一个角度 θ，另一个自同步轴将移动一个角度 θ。如果对一个 selsy

罩极感应电机 为单相电机提供启动扭矩的一种简单方法是在与主绕组成 30° 至 60° 的每个极中嵌入一个短路匝。 （下图）通常1/3的杆被裸铜带包围。 这些遮光线圈产生一个与主磁场间隔 30° 到 60° 的滞后阻尼磁通。这种具有无阻尼主分量的滞后磁通产生一个小转矩的旋转磁场来启动转子。 罩极感应电机，(a) 双线圈设计，(b) 更小的单线圈版本 启动扭矩如此之低，以至于罩极电机只能以较小的尺寸制造，低于 50 瓦。低成本和简单性使这款电机适用于小型风扇、空气循环器和其他低扭矩应用。可以通过串联切换电抗来限制电流和扭矩，或通过切换电机线圈抽头来降低电机速度。 罩极电

三相电机可以由单相电源运行。但是，它不会自启动。它可以在任一方向手动启动，在几秒钟内加速。由于没有使用一个绕组，它只会产生3-φ额定功率的2/3。 3-φ 电机在 1-φ 功率下运行但不启动 单相电机的单线圈 单相感应电机的单个线圈不产生旋转磁场，而是在0°和180°电度处产生最大强度的脉动场。 单相定子产生非旋转的脉动磁场 另一种观点是单相电流激发的单线圈产生两个反向旋转的磁场相量，每转在 0°（上图 a）和 180°（图 e）处重合两次。当相量旋转到 90° 和 -90° 时，它们在图 c 中抵消。 在 45° 和 -45°（图 b），它们沿 +x 轴部分

绕线转子 感应电机的定子类似于鼠笼式感应电机，但转子带有通过滑环和电刷引出的绝缘绕组。 但是，滑环没有通电。它们的唯一目的是在启动时允许电阻与转子绕组串联（下图）。一旦电机启动，该电阻就会短路，使转子在电气上看起来像鼠笼对应物。 绕线转子感应电机 问： 为什么要在转子上串联电阻？ 答： 鼠笼式感应电机在启动期间消耗 500% 至 1000% 以上的满载电流 (FLC)。虽然这对于小型电机来说不是一个严重的问题，但对于大型（10 千瓦）电机来说却是一个严重的问题。 将电阻与转子绕组串联不仅会降低启动电流、堵转电流 (LRC)，还会增加启动扭矩、堵转扭矩 (LRT)。下图显示

大多数交流电机是感应电机。感应电机因其坚固性和简单性而受到青睐。事实上，90%的工业电机都是感应电机。 尼古拉·特斯拉在 1883 年构思了多相感应电机的基本原理，并在 1888 年有了半马力（400 瓦）的型号。特斯拉以 65,000 美元的价格将制造权卖给了乔治·威斯汀豪斯。 1 hp 或 1 kW）工业电机是多相感应电机 .多相是指定子的每个电机极包含多个不同的绕组，由相应的时移正弦波驱动。 实际上，这是两个或三个阶段。大型工业电机是三相的。虽然为了简单起见，我们包含了许多两相电机的插图，但我们必须强调，几乎所有的多相电机都是三相的。 通过感应电机 ，我们的意思是定子绕组在转子导

无刷直流电机是从传统的有刷直流电机发展而来的，具有固态功率半导体的可用性。那么，为什么我们要在交流电机的一章中讨论无刷直流电机？ 无刷直流电机类似于交流同步电机。主要区别在于同步电机产生正弦反电动势EMF ，与用于无刷直流电机的矩形或梯形反电动势相比。 两者都有定子产生旋转磁场，在磁转子中产生扭矩。 同步电机通常是多千瓦的大型电机，通常带有电磁转子。真正的同步电机被认为是单速的，是电力线频率的约数。无刷直流电机往往很小——几瓦到几十瓦，带有永磁转子。 无刷直流电机的速度不是固定的，除非由一个从属于参考频率的锁相环驱动。建筑风格为圆柱形或煎饼。 圆柱形结构：(a) 外转子，(b)

步进电机与伺服电机 步进电机 是电动机的“数字”版本。转子按照指令以离散的步骤移动，而不是像传统电机那样连续旋转。当停止但通电时，步进器 （步进电机的简称）以保持扭矩保持负载稳定 . 在过去的二十年中，步进电机的广泛接受是由数字电子技术的兴起推动的。现代固态驱动电子设备是其成功的关键。而且，微处理器很容易连接到步进电机驱动电路。 在应用方面，步进电机的前身是伺服电机。今天，这是高性能运动控制应用的成本更高的解决方案。伺服电机的成本和复杂性是由于额外的系统组件造成的：位置传感器和误差放大器）它仍然是低功率步进器无法控制的重载定位方法。 高加速度或异常高的精度仍然需要伺服电机。否则默认步进

可变磁阻电机 是基于这样一个原理：不受约束的铁片将移动以完成具有最小磁阻的磁通路径 ，电阻的磁性模拟。 同步磁阻 大型凸极同步电机的旋转磁场断电后，仍会产生10%或15%的同步转矩。这是由于转子旋转过程中的可变磁阻所致。大型同步磁阻电机没有实际应用。但是，它在小尺寸中很实用。 如果在感应电机的无导体转子上切槽，则对应于定子槽，同步磁阻电机 结果。 它作为感应电机启动，但以少量同步转矩运行。同步转矩是由于槽对齐时从定子到转子的磁路磁阻的变化。 这种电机是一种产生适度同步扭矩的廉价方式。低功率因数、低牵引转矩和低效率是直接电力线驱动的可变磁阻电机的特点。这就是半导体功率控制发展前一个世纪可

同步电机以领先的功率因数加载电力线。这通常有助于消除由感应电机和其他感应负载引起的更常见的滞后功率因数。 最初，大型工业同步电机正是因为具有校正感应电机滞后功率因数的能力而得到广泛应用。 同步电机的过励磁场 这个超前功率因数可以通过去除机械负载和过度励磁来夸大 同步电机领域。这种装置被称为同步电容器 .此外，还可以通过改变励磁来调整超前功率因数。 这使得通过将滞后负载与同步电机并联，几乎可以将任意滞后功率因数消除到统一。同步凝汽器在无机械负载的电动机和发电机之间的边界条件下运行以实现此功能。 它可以通过吸收或向线路提供无功功率来补偿超前或滞后功率因数。这增强了电源线电压调节。 由于同

单相同步电机 单相同步电机有小尺寸可供选择，适用于需要精确计时的应用，例如计时、（时钟）和磁带播放器。尽管电池供电的石英调节时钟随处可见，但交流线路操作的时钟具有更好的长期精度——超过几个月。 这是由于发电厂运营商有意保持交流配电系统频率的长期准确性。如果它落后几个周期，他们将弥补AC丢失的周期，使时钟不浪费时间。 大型与小型同步电机 超过 10 马力 (10 kW) 时，更高的效率和领先的功率因数使大型同步电机在工业中非常有用。大型同步电机比更常见的感应电机效率高几个百分点，但同步电机更复杂。 由于电动机和发电机在结构上相似，因此应该可以将发电机用作电动机，反之，将电动机用作发电机。

美国爱迪生引入直流配电系统后，开始逐步过渡到更经济的交流系统。交流电和直流电的照明效果一样好。 电能传输距离更长，交流电损耗更低。然而，电动机是交流电的问题。最初，交流电机的结构与直流电机类似，但由于磁场变化，遇到了许多问题。 交流电动机系列图 Charles P. Steinmetz 通过研究铁电枢的磁滞损耗为解决这些问题做出了贡献。尼古拉·特斯拉设想了一种全新的电机，他想象了一个旋转的涡轮机，它不是由水或蒸汽旋转，而是由旋转磁场旋转。 他的新型电机，交流感应电机，是当今行业的主力军。其坚固性和简单性使其使用寿命长、可靠性高、维护成本低。 然而，小型有刷交流电机，类似于