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电机学复习材料-浦电气 第 26 页电机学课程考核要点1. 基本理论、基本知识2. 理论分析（原理、工作特性）3. 对比列举（电势与磁势、基波与谐波）4. 图形（特性曲线、变化曲线）5. （电路图、电路方程式、向量图/矢量图）三者合一6. 公式选择、推导、计算（各种表达形式 ）7. 综合性电机学试卷结构分析一单相选择题 (每小题1.5分，共15分)二填空题 (每空1.5分，共15分) 基本理论、基本知识、简单计算三简答分析题 （每小题6分，共24分） 重点、难点、对比、列举、各种特性、变化趋势、电路图、方程式、向量图四计算题 （3小题，共46分）变压器、异步电机、同步电机（基波、谐波、电场、磁场 系数、参数、阻抗、角度电压、电流、转速、转矩、功率、效率）第一章 绪论 1.电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。2.电机分类：（按运动方式分类）静止电机-变压器 电机直流电机 旋转电机 交流电机 异步电机 同步电机3.导电材料：线圈（铜、铝）导磁材料：铁磁材料 特性：具有高的导磁性能；磁化曲线呈非线性（饱和特性）磁化曲线：；4了解磁滞损耗和涡流损耗5基本电磁定律：全电流定律 电磁感应定律： 电磁力定律：第二章 变压器的基本作用原理与理论分析1.变压器的定义：它是一种静止的电机，通过线圈间的电磁感应关系，将某一等级的交流电压转换为同频率的另一等级的交流电压。2基本结构： 器身：由铁心和线圈组成。铁心：构成主磁路，机械骨架，由硅钢片迭成线圈：导电部分，铜线或铝线3从空载和负载运行时的电磁关系出发，分析基本原理、物理过程，导出基本方程式、等效电路和相量图。 包括：各物理量正方向的规定；主磁通和漏磁通的区别；励磁电流 作用：一是用来激磁，产生主磁通；二是供空载损耗。 波形：磁路饱和：尖顶波；磁路不饱和：正弦波。 为什么越小越好？ *空载电流的大小：取决于激磁阻抗的大小，从变压器运行的角度看，希望空载电流越小越好，因此变压器采用高导磁率的铁磁材料，以增大Zm减少I0，提高变压器的效率和功率因数。变比 只要改变线圈的匝数，就能达到改变电压的目的。*三相变压器：Y，d接线： D，y接线： Y，y和D，d接线：4 即 * 结论：影响主磁通大小的因素是: 电源电压U1、电源频率f和一次侧线圈匝数N1，与铁心材质及几何尺寸基本无关。5变压器的额定值 计算： 单相变压器的关系式：三相变压器的关系式：6思考题：变压器原边加直流电压是否可以？为什么？7 和的物理意义：是反映铁耗的等效电阻即模拟电阻，并非实质电阻，不能用直流电表来测量；是由主磁通引起的电抗，反映了电机铁芯的导磁性能，在变压器中希望它大，这样励磁电流就小。8归算：目的：获得等效电路；简化计算；画相量图； 方法：N2=N1 原则：和二次侧的各功率保持不变；折算后的方程9空载、短路实验由空载简化等效电路，得：；由简化等效电路，得 ； ；*一般认为：；10短路电压：短路试验时，使短路电流为额定电流时一次侧所加的电压，成为短路电压UK即UKN=I1NzK75uK对变压器运行性能的影响：短路电压大小反映短路阻抗大小 正常运行时希望小些 ，电压波动小 ； 限制短路电流时，希望大些。11标么值计算 通常以额定值为基准值，各侧的物理量以各自侧的额定值为基准*额定值的标么值为1； 标么值的表示为在原符号右上角加“*”表示； 使用标么值表示的基本方程式与采用实际值时的方程式在形式上一致。12电压变化率：定义式；参数表达式 称为负载系数，直接反应负载的大小，如，表示空载； ，表示满载；*影响u的因数：负载大小；短路阻抗标么值；负载性质13损耗和效率 即 铜损=铁损时发生最大效率。思考题：2-3，2-5，2-6，2-7，2-8，2-9，2-10 作业第三章 三相变压器及运行1了解三相组式（独立）、心式变压器（相关）的磁路；2三相变压器线圈的连接组别： 时钟表示法；由电势相量图判别连接组别； 作图步骤：先画出高压线圈的位形图； 便于比较，将A,a连成等电位点； 画出低压侧的位形图； 将AB,ab连线，得出结论。3 磁路和线圈连接方式对空载电动势波形的影响 接 线 波 形 Y,yYN,y或D,yY,d正常运行Y,yn组式心式组式心式组式心式激磁电流正弦正弦尖顶尖顶正弦正弦正弦主磁通平顶基本正弦正弦正弦基本正弦平顶基本正弦感应电动势尖顶基本正弦正弦正弦基本正弦尖顶基本尖顶*说明：Y,yn接线空载时与Y,y接线情况完全相同。思考题：Y,d接线的三相变压器，三次谐波电动势在d中能形成环流，而基波电动势在d中能否形成环流，为什么？4 变压器并联运行理想条件理想情况：空载时副边无环流； 负载后负载系数相等；各变压器的电流与总电流同相位。理想条件：各变压器的原、副边的额定电压分别相等，即变比相等； 各变压器的连接组号相同；各变压器的短路阻抗（短路电压）标么值相等，且短路阻抗角也相等。5.组别不同时并联运行组别不同时，副边线电动势最少差300，由于短路阻抗很小，产生的环流很大。*结论：组别不同，绝对不允许并联。6.短路阻抗标么值不等时的并联运行*结论：各变压器所分担的负载大小与其短路阻抗标么值成反比，短路阻抗标么值大的变压器分担的负载小，短路阻抗标么值小的变压器分担的负载大。7.变压器运行规程规定：变比不同和短路阻抗标么值不等的变压器，在任何一台变压器都不会过载的情况下，可以并联运行。短路阻抗标么值不等的变压器并联运行时，应适当提高短路阻抗标么值大的变压器的二次电压（即适当减小其电压变比），以使并联运行的变压器的容量均能得以充分利用。思考题：3-3 3-5 3-6 3-7 作业第四章 三相变压器的不对称运行1对称分量法（以电流为例）定义：实际上是一种线性变换，它是把一组三相不对称的正弦量分解成三组互为独立的三相对称的正弦量，它们分别是：零序分量：三相对称的正弦量，大小相等，相位相同，即；正序分量：三相对称的正弦量，大小相等，相位互差120，相序为，负序分量：三相对称的正弦量，大小相等，相位互差120，相序为，。分解公式：4-6 4-8 2.正序阻抗和等效电路正序阻抗：正序电流所遇到的阻抗，相序为：；3.负序阻抗和等效电路负序阻抗：负序电流所遇到的阻抗，相序为：；4.零序阻抗和等效电路零序阻抗：零序电流所遇到的阻抗；等效电路：由零序电流本身特点，其产生零序磁通与线圈的连接方式和铁心结构有关。线圈连接方式的影响：Y：零序无通路，Y侧开路； YN：可以经中性线流通； D：在线圈内流通，从外电路看，开路。铁心结构影响：.组式变压器：三相零序磁通与对称运行时的主磁通磁路相同，很大； .心式变压器：磁阻大，零序磁通不能在铁心内闭合，很小，且5中性点位移：零序电动势越大，中性点位移就越严重。6三相变压器组不允许采用Yyn接法，而对于三相铁芯式变压器，由于零序励磁阻抗较小，在SN=1800kVA的变压器中允许采用Y，yn接法。思考题：4-3 4-4 作业 （主要对称分量法）第六章 交流电机绕组及其感应电动势1.交流绕组的基本要求三相绕组对称，以保证三相电动势（或磁动势）对称；在导体数一定时，力求得到尽可能大的电动势和磁动势；电动势和磁动势波形尽可能接近正弦波形；用铜量少、工艺简单，便于安装检修。2. 交流绕组的分类根据绕法：迭绕组和波绕组；根据槽内层数：单层绕组和双层绕组。3基本概念极距：线圈节距y： 整距y=； 短距y。空间电角度（或电角度）：空间电角度=p机械角度槽距角（电角度）： 每极每相槽数q: 相带：60相带，分相AZBXCY ； 槽电势星形图了解展开图绘制方法 计算极距 计算槽距角；计算每极每相槽数q； 分相：采用60相带； 画展开图； 端线连接。4交流绕组基波电动势一根导体的电动势： 线匝电动势及短矩系数： ，短矩系数： 线圈电动势：线圈组电动势及分布系数 ：集中绕组： 分布绕组：分布系数： 绕组系数： 一相绕组电动势： 单层绕组： ； 双层绕组： 5了解改善电势波形的方法其中，采用短矩绕组： 基波f次谐波 则 取 消除次谐波电势*思考题：是否分布越多越好？ 6-4 6-6 作业第七章 交流绕组的磁动势1单相绕组的基波磁动势脉动磁动势结论：波形：矩形波； 脉动磁动势：空间位置固定、幅值大小和方向随时间而变化的磁动势。脉动的频率取决于电流的交变频率。分解： 其中：用电角度表示的空间距离。 基波磁动势的幅值： 次谐波磁势的幅值： 基波磁动势的性质：按正弦规律变化的脉动磁动势。2.一组整距分布绕组的磁势（q个） 阶梯波 3.一组双层短矩分布绕组的基波磁动势 4.单相绕组的磁动势： 5.单相脉动磁动势的分解 *结论：两个磁动势的性质：圆形旋转磁动势； 幅值为单相磁动势幅值的一半； 转速： 即：一个脉动磁势可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形旋转磁动势。6三相绕组基波合成磁动势-旋转磁动势结论：三相对称绕组流过三相对称电流产生的合成基波磁动势为圆形旋转磁动势；性质：幅值： ； 转速： ； 转向：从载有超前电流相转到载有滞后电流相；某相电流达最大值时，合成磁动势的幅值恰好在该相绕组的轴线上 。2.椭圆形旋转磁动势： 当其中一个不对称时，便为椭圆形旋转磁动势。小结：单相绕组-脉动磁动势； 三相绕组-旋转磁动势。思考题： 7-3 7-8 作业第九章 异步电动机的理论分析与运行特性1基本结构 定子： 定子铁心：磁路一部分，低硅钢片0.5mm 定子绕组：电路一部分，铜线机 座 ：固定和支撑定子铁心 转子： 转子铁心：磁路一部分, 低硅钢片0.5mm 转子绕组： 笼型绕组转轴 绕线式绕组气隙(gap)：对于中小型异步电机，气隙一般为0.11mm；为了降低电机的空载电流和提高电机的功率，气隙应尽可能小。2. 异步电动机基本工作原理 电生磁：定子绕组接到三相电源上，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，转速为：；动磁生电：转子绕组产生电动势并在转子绕组中产生相应的电流；转子自身闭合；电磁力定律：转子带电导体在磁场中受电磁力的作用，并形成电磁转矩，推动电机旋转起来。思考：1）n和n1是否可以相等？ 2）电机的转向由随决定？3）何谓异步？说明：转子转动方向与电流相序有关，若要改变转向，只需改变相序，即对调任意两根电源线。 转速n同步转速n13三种运行状态转差率定义： 起动瞬间：n=0,S=1；理想空载：nn1，s0；正常运行：SN=0.010.06； n=(1-S)n1 状态电动机发电机电磁制动n与s关系nn1,0sn1,s0n与n1反向，n1E1 反电动势电源电动势反电动势Tem驱动制动制动能量转换电能机械能原动机机械能电能电+机械能内部损耗（短路）4.额定值及计算对于三相异步电动机，额定功率： 5异步电动机的主磁通和漏磁通， 与变压器有何不同主磁通0： 作用：传递能量的媒介作用；路径：定子气隙转子气隙定子。漏磁通： 不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用； 包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。6转子不转时的状况分析 电动势平衡方程：与变压器副边短路时相似的物理过程说明：有气隙，异步电动机的x比变压器的大； U1一定，也近似不变。磁动势平衡方程： 7转子旋转时绕组的各电磁量转子电动势的频率：；正常运行时，；转子绕组的感应电动势：；转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应，认为不变不变； ；转子绕组的电流：正常运行时，转子端电压U2=0， ；有效值：；*结论：转子电流I2随S的增加而增加。转子绕组的功率因数：*结论：转子功率因数随S的增加而减小。转子磁动势的转速：相对转子速度：相对定子速度：8基本方程及等效电路 、相量图异步电动机转子参数须经频率归算和绕组归算。附加电阻的物理意义：模拟转轴上总的机械功率。分析：堵转：，相当于短路；空载：，相当于开路。9简化等效电路： 与变压器的近似等效电路相同，但须引入一修正系数C1 ，对于40kW以上，可取C1=1。*注意：异步电动机的等效电路与变压器的区别。10功率平衡 理解功率流程图电源输入功率：定子铜损： 定子铁损： 电磁功率： 转子铜损： 总机械功率： 输出功率： 可见： 11.转矩平衡： ，即 -机械角速度rad/s；式中：Tem电磁转矩（驱动）；T2负载转矩（制动）；T0空载转矩（制动）；式中： 12、电磁转矩物理表达式： = (CT为转矩常数)说明：上式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系。参数表达式：由简化等效电路可得 ：可得：*结论：与电源参数、电机参数和运行参数的关系。13.转矩特性：其他参数一定， 分析：异步电动机转差率s在01之间，但实际上s在0sm（临界转差率）时， 稳定；s在1sm之间，不稳定；，s=sm，处于临界状态。14.三个特征转矩额定转矩TN：额定负载时 最大电磁转矩Tm： 特点：Tmax与成正比；而Sm与无关；Tmax与转子电阻无关；而Sm与转子电阻有关；f1一定时，越大， Tmax越小。过载能力（或最大转矩倍数） 一般为1.62.5，越大，过载能力越强。起动转矩Tst n=0, S=1，得 当转子回路电阻为：时，起动转矩达到最大电磁转矩。 起动转矩倍数：，起动能力强。15实用表达式 *此表达式主要用于求机械特性曲线。 16工作特性一、转速特性： 或 是一条稍向下倾斜的曲线。二、输出转矩特性：异步电动机的输出转矩：是一条过原点稍向上翘的曲线。三、定子电流特性： 由知，空载时：，很小；负载时，P2增加，也增加，I1也增加。四、定子功率因数特性： 空载：很小；负载时，随，。五、效率特性： 根据= 空载时，P2=0，=0；负载时，随着P2的增加，也增加，当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时，最大；负载继续增大，铜损增加很快，反而下降。*说明：电机在额定负载附近的和较高，希望在PN附近运行。 I1 T2 S P2 异步电动机工作特性图第十二章 同步电机的基本理论和运行特性1基本结构定子：定子铁心；电枢绕组（交流）；机座转子：铁心（磁极）；励磁绕组（直流）；转轴气隙：2同步电机的分类：1）按用途分类：同步发电机、同步电动机、同步调相机（补偿机）2）按转子结构分类： 隐极同步电机（无明显突出的磁极，气隙均匀。）凸极同步电机（有突出的磁极，气隙不均匀。） 3）同步发电机按原动机分类：汽轮发电机（高速原动机，隐极式结构）；水轮发电机（低速原动机，凸极式结构）3同步发电机基本工作原理：在跟转子同轴的励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场；原动机拖动转子旋转，极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组；电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。4额定值及计算发电机：电动机：5同步电机空载运行的定义：同步发电机转子被原动机拖动至同步速度，励磁绕组中通入直流电流，定子绕组开路时的运行为空载运行，此时气隙中的磁场仅有直流励磁电流产生的励磁磁场，称为空载磁场或主磁场。 主磁通，漏磁通 基本电磁关系： 转子励磁电流If -转子励磁磁动势Ff ；Ff -气隙磁场（气隙磁通密度）；基波气隙磁通密度B0 随转子以同步转速n1 旋转；B0 在电枢绕组中产生基波感应电动势。了解励磁磁动势、磁场的空间分布和表示方法。6掌握对称负载时的电枢反应（其性质与内功率因数角有关），相矢图分析方法。）电枢反应的概念基波电枢磁动势对基波励磁磁动势的影响）内功率因数角的定义）和同相（y = 0）时的电枢反应：只有交轴电枢反应滞后90（y = 90）时的电枢反应：只有直轴电枢反应，去磁作用，过励运行状态滞后180（y = 180）时：交轴电枢反应超前90（y = -90）时：直轴电枢反应，增磁作用，欠励运行状态思考：对称负载时，同步电机的定子和转子磁动势之间有无相对运动？在转子励磁绕组中有无感应电动势？ 无 一般情况下的电枢反应：作为发电机运行时 作为电动机运行时 同步电抗的物理概念：同步电抗更是同步电机的重要参数，包含两部分：与漏磁通相对应的漏抗；与定子旋转磁场对应的电枢反应电抗。定子旋转磁场在定子绕组中感应电动势，为电枢反应电动势。电动势与磁通成正比，不考虑饱和时，磁通正比于磁动势和电流，因此电枢反应电动势和电枢电流之间成正比关系，其比例常数就是电枢反应电抗。磁路饱和时，磁阻增加使得电枢反应电抗减小，同步电抗的大小随磁路饱和程度而改变。隐极同步电机：xs = xa + xs凸极同步电机：称为直轴同步电抗；称为交轴同步电抗对称运行时同步发电机的电磁过程，画等效电路，列基本方程式，画相量图，进行相关计算。）隐极：）凸极：双反应理论10. 了解空载、短路、负载特性及主要参数测定同步电抗的不饱和值、饱和值的测定；短路比的概念：短路比是指同步电机空载时使空载电动势有额定值时的励磁电流与在短路时使短路电流有额定值时的励磁电流之比。11. 电压变化率的定义及求取（电动势法；磁动势法）思考题：12-1，12-6，12-12 作业第十三章 同步发电机在大电网上运行1并联运行的定义，什么是无穷大电网 并联运行定义：将两台或更多台同步发电机分别接在电力系统的对应母线上，或通过主变压器、输电线接在电力系统的公共母线上，共同向用户供电。无穷大电网：2同步发电机并联运行的条件：发电机的频率等于电网频率；发电机的电压幅值等于电网电压的幅值；发电机的电压相序与电网的相序相同；在并网时，发电机的电压相角与电网电压的相角一样。3了解并联运行的方法：整步：把同步发电机并联至电网的手续或过程。整步条件：相同的相序；相等的电压（电压的检验相对容易）；相等或接近的频率为了判断是否满足并网条件，采用同步指示灯。灯光黑暗法和灯光旋转法（属于准确整步）4隐极同步发电机的功角特性：a) 对于发电机而言，输出功率即为端点功率Pb) 对于电动机而言，输出功率转变为机械功率的功率为PMc) 如取发电机的P和d 有正，则电动机PM和d 均应有负值d) 如把电枢电阻r a略去不计，则端点功率和电磁功率相等功角特性：功率PM 或P 随着功角而变化的关系。 90时，有最大功率输出。了解电枢电阻对功角特性的影响：无论发电机或电动机，电枢电阻的存在，都将使最大功率的数值减小，且使最大功率在d 角的绝对值小于90时