南工大電機學課程考核要點.doc

電機學復習材料-浦電氣 第 26 頁電機學課程考核要點1. 基本理論、基本知識2. 理論分析（原理、工作特性）3. 對比列舉（電勢與磁勢、基波與諧波）4. 圖形（特性曲線、變化曲線）5. （電路圖、電路方程式、向量圖/矢量圖）三者合一6. 公式選擇、推導、計算（各種表達形式 ）7. 綜合性電機學試卷結構分析一單相選擇題 (每小題1.5分，共15分)二填空題 (每空1.5分，共15分) 基本理論、基本知識、簡單計算三簡答分析題 （每小題6分，共24分） 重點、難點、對比、列舉、各種特性、變化趨勢、電路圖、方程式、向量圖四計算題 （3小題，共46分）變壓器、異步電機、同步電機（基波、諧波、電場、磁場 系數、參數、阻抗、角度電壓、電流、轉速、轉矩、功率、效率）第一章 緒論 1.電機定義：是指依據電磁感應定律實現電能的轉換或傳遞的一種電磁裝置。2.電機分類：（按運動方式分類）靜止電機-變壓器 電機直流電機 旋轉電機 交流電機 異步電機 同步電機3.導電材料：線圈（銅、鋁）導磁材料：鐵磁材料 特性：具有高的導磁性能；磁化曲線呈非線性（飽和特性）磁化曲線：；4了解磁滯損耗和渦流損耗5基本電磁定律：全電流定律 電磁感應定律： 電磁力定律：第二章 變壓器的基本作用原理與理論分析1.變壓器的定義：它是一種靜止的電機，通過線圈間的電磁感應關系，將某一等級的交流電壓轉換為同頻率的另一等級的交流電壓。2基本結構： 器身：由鐵心和線圈組成。鐵心：構成主磁路，機械骨架，由硅鋼片迭成線圈：導電部分，銅線或鋁線3從空載和負載運行時的電磁關系出發(fā)，分析基本原理、物理過程，導出基本方程式、等效電路和相量圖。 包括：各物理量正方向的規(guī)定；主磁通和漏磁通的區(qū)別；勵磁電流 作用：一是用來激磁，產生主磁通；二是供空載損耗。 波形：磁路飽和：尖頂波；磁路不飽和：正弦波。 為什么越小越好？ *空載電流的大?。喝Q于激磁阻抗的大小，從變壓器運行的角度看，希望空載電流越小越好，因此變壓器采用高導磁率的鐵磁材料，以增大Zm減少I0，提高變壓器的效率和功率因數。變比 只要改變線圈的匝數，就能達到改變電壓的目的。*三相變壓器：Y，d接線： D，y接線： Y，y和D，d接線：4 即 * 結論：影響主磁通大小的因素是: 電源電壓U1、電源頻率f和一次側線圈匝數N1，與鐵心材質及幾何尺寸基本無關。5變壓器的額定值 計算： 單相變壓器的關系式：三相變壓器的關系式：6思考題：變壓器原邊加直流電壓是否可以？為什么？7 和的物理意義：是反映鐵耗的等效電阻即模擬電阻，并非實質電阻，不能用直流電表來測量；是由主磁通引起的電抗，反映了電機鐵芯的導磁性能，在變壓器中希望它大，這樣勵磁電流就小。8歸算：目的：獲得等效電路；簡化計算；畫相量圖； 方法：N2=N1 原則：和二次側的各功率保持不變；折算后的方程9空載、短路實驗由空載簡化等效電路，得：；由簡化等效電路，得 ； ；*一般認為：；10短路電壓：短路試驗時，使短路電流為額定電流時一次側所加的電壓，成為短路電壓UK即UKN=I1NzK75uK對變壓器運行性能的影響：短路電壓大小反映短路阻抗大小 正常運行時希望小些 ，電壓波動小 ； 限制短路電流時，希望大些。11標么值計算 通常以額定值為基準值，各側的物理量以各自側的額定值為基準*額定值的標么值為1； 標么值的表示為在原符號右上角加“*”表示； 使用標么值表示的基本方程式與采用實際值時的方程式在形式上一致。12電壓變化率：定義式；參數表達式 稱為負載系數，直接反應負載的大小，如，表示空載； ，表示滿載；*影響u的因數：負載大小；短路阻抗標么值；負載性質13損耗和效率 即 銅損=鐵損時發(fā)生最大效率。思考題：2-3，2-5，2-6，2-7，2-8，2-9，2-10 作業(yè)第三章 三相變壓器及運行1了解三相組式（獨立）、心式變壓器（相關）的磁路；2三相變壓器線圈的連接組別： 時鐘表示法；由電勢相量圖判別連接組別； 作圖步驟：先畫出高壓線圈的位形圖； 便于比較，將A,a連成等電位點； 畫出低壓側的位形圖； 將AB,ab連線，得出結論。3 磁路和線圈連接方式對空載電動勢波形的影響 接 線 波 形 Y,yYN,y或D,yY,d正常運行Y,yn組式心式組式心式組式心式激磁電流正弦正弦尖頂尖頂正弦正弦正弦主磁通平頂基本正弦正弦正弦基本正弦平頂基本正弦感應電動勢尖頂基本正弦正弦正弦基本正弦尖頂基本尖頂*說明：Y,yn接線空載時與Y,y接線情況完全相同。思考題：Y,d接線的三相變壓器，三次諧波電動勢在d中能形成環(huán)流，而基波電動勢在d中能否形成環(huán)流，為什么？4 變壓器并聯運行理想條件理想情況：空載時副邊無環(huán)流； 負載后負載系數相等；各變壓器的電流與總電流同相位。理想條件：各變壓器的原、副邊的額定電壓分別相等，即變比相等； 各變壓器的連接組號相同；各變壓器的短路阻抗（短路電壓）標么值相等，且短路阻抗角也相等。5.組別不同時并聯運行組別不同時，副邊線電動勢最少差300，由于短路阻抗很小，產生的環(huán)流很大。*結論：組別不同，絕對不允許并聯。6.短路阻抗標么值不等時的并聯運行*結論：各變壓器所分擔的負載大小與其短路阻抗標么值成反比，短路阻抗標么值大的變壓器分擔的負載小，短路阻抗標么值小的變壓器分擔的負載大。7.變壓器運行規(guī)程規(guī)定：變比不同和短路阻抗標么值不等的變壓器，在任何一臺變壓器都不會過載的情況下，可以并聯運行。短路阻抗標么值不等的變壓器并聯運行時，應適當提高短路阻抗標么值大的變壓器的二次電壓（即適當減小其電壓變比），以使并聯運行的變壓器的容量均能得以充分利用。思考題：3-3 3-5 3-6 3-7 作業(yè)第四章 三相變壓器的不對稱運行1對稱分量法（以電流為例）定義：實際上是一種線性變換，它是把一組三相不對稱的正弦量分解成三組互為獨立的三相對稱的正弦量，它們分別是：零序分量：三相對稱的正弦量，大小相等，相位相同，即；正序分量：三相對稱的正弦量，大小相等，相位互差120，相序為，負序分量：三相對稱的正弦量，大小相等，相位互差120，相序為，。分解公式：4-6 4-8 2.正序阻抗和等效電路正序阻抗：正序電流所遇到的阻抗，相序為：；3.負序阻抗和等效電路負序阻抗：負序電流所遇到的阻抗，相序為：；4.零序阻抗和等效電路零序阻抗：零序電流所遇到的阻抗；等效電路：由零序電流本身特點，其產生零序磁通與線圈的連接方式和鐵心結構有關。線圈連接方式的影響：Y：零序無通路，Y側開路； YN：可以經中性線流通； D：在線圈內流通，從外電路看，開路。鐵心結構影響：.組式變壓器：三相零序磁通與對稱運行時的主磁通磁路相同，很大； .心式變壓器：磁阻大，零序磁通不能在鐵心內閉合，很小，且5中性點位移：零序電動勢越大，中性點位移就越嚴重。6三相變壓器組不允許采用Yyn接法，而對于三相鐵芯式變壓器，由于零序勵磁阻抗較小，在SN=1800kVA的變壓器中允許采用Y，yn接法。思考題：4-3 4-4 作業(yè) （主要對稱分量法）第六章 交流電機繞組及其感應電動勢1.交流繞組的基本要求三相繞組對稱，以保證三相電動勢（或磁動勢）對稱；在導體數一定時，力求得到盡可能大的電動勢和磁動勢；電動勢和磁動勢波形盡可能接近正弦波形；用銅量少、工藝簡單，便于安裝檢修。2. 交流繞組的分類根據繞法：迭繞組和波繞組；根據槽內層數：單層繞組和雙層繞組。3基本概念極距：線圈節(jié)距y： 整距y=； 短距y?？臻g電角度（或電角度）：空間電角度=p機械角度槽距角（電角度）： 每極每相槽數q: 相帶：60相帶，分相AZBXCY ； 槽電勢星形圖了解展開圖繪制方法 計算極距 計算槽距角；計算每極每相槽數q； 分相：采用60相帶； 畫展開圖； 端線連接。4交流繞組基波電動勢一根導體的電動勢： 線匝電動勢及短矩系數： ，短矩系數： 線圈電動勢：線圈組電動勢及分布系數 ：集中繞組： 分布繞組：分布系數： 繞組系數： 一相繞組電動勢： 單層繞組： ； 雙層繞組： 5了解改善電勢波形的方法其中，采用短矩繞組： 基波f次諧波 則 取 消除次諧波電勢*思考題：是否分布越多越好？ 6-4 6-6 作業(yè)第七章 交流繞組的磁動勢1單相繞組的基波磁動勢脈動磁動勢結論：波形：矩形波； 脈動磁動勢：空間位置固定、幅值大小和方向隨時間而變化的磁動勢。脈動的頻率取決于電流的交變頻率。分解： 其中：用電角度表示的空間距離。 基波磁動勢的幅值： 次諧波磁勢的幅值： 基波磁動勢的性質：按正弦規(guī)律變化的脈動磁動勢。2.一組整距分布繞組的磁勢（q個） 階梯波 3.一組雙層短矩分布繞組的基波磁動勢 4.單相繞組的磁動勢： 5.單相脈動磁動勢的分解 *結論：兩個磁動勢的性質：圓形旋轉磁動勢； 幅值為單相磁動勢幅值的一半； 轉速： 即：一個脈動磁勢可以分解為兩個大小相等、轉速相同、轉向相反的圓形旋轉磁動勢。6三相繞組基波合成磁動勢-旋轉磁動勢結論：三相對稱繞組流過三相對稱電流產生的合成基波磁動勢為圓形旋轉磁動勢；性質：幅值： ； 轉速： ； 轉向：從載有超前電流相轉到載有滯后電流相；某相電流達最大值時，合成磁動勢的幅值恰好在該相繞組的軸線上 。2.橢圓形旋轉磁動勢： 當其中一個不對稱時，便為橢圓形旋轉磁動勢。小結：單相繞組-脈動磁動勢； 三相繞組-旋轉磁動勢。思考題： 7-3 7-8 作業(yè)第九章 異步電動機的理論分析與運行特性1基本結構 定子： 定子鐵心：磁路一部分，低硅鋼片0.5mm 定子繞組：電路一部分，銅線機 座 ：固定和支撐定子鐵心 轉子： 轉子鐵心：磁路一部分, 低硅鋼片0.5mm 轉子繞組： 籠型繞組轉軸 繞線式繞組氣隙(gap)：對于中小型異步電機，氣隙一般為0.11mm；為了降低電機的空載電流和提高電機的功率，氣隙應盡可能小。2. 異步電動機基本工作原理 電生磁：定子繞組接到三相電源上，定子繞組中將流過三相對稱電流，氣隙中將建立基波旋轉磁動勢，從而產生基波旋轉磁場，轉速為：；動磁生電：轉子繞組產生電動勢并在轉子繞組中產生相應的電流；轉子自身閉合；電磁力定律：轉子帶電導體在磁場中受電磁力的作用，并形成電磁轉矩，推動電機旋轉起來。思考：1）n和n1是否可以相等？ 2）電機的轉向由隨決定？3）何謂異步？說明：轉子轉動方向與電流相序有關，若要改變轉向，只需改變相序，即對調任意兩根電源線。 轉速n同步轉速n13三種運行狀態(tài)轉差率定義： 起動瞬間：n=0,S=1；理想空載：nn1，s0；正常運行：SN=0.010.06； n=(1-S)n1 狀態(tài)電動機發(fā)電機電磁制動n與s關系nn1,0sn1,s0n與n1反向，n1E1 反電動勢電源電動勢反電動勢Tem驅動制動制動能量轉換電能機械能原動機機械能電能電+機械能內部損耗（短路）4.額定值及計算對于三相異步電動機，額定功率： 5異步電動機的主磁通和漏磁通， 與變壓器有何不同主磁通0： 作用：傳遞能量的媒介作用；路徑：定子氣隙轉子氣隙定子。漏磁通： 不起傳遞能量的媒介作用，只起電抗壓降的作用； 包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次諧波。6轉子不轉時的狀況分析 電動勢平衡方程：與變壓器副邊短路時相似的物理過程說明：有氣隙，異步電動機的x比變壓器的大； U1一定，也近似不變。磁動勢平衡方程： 7轉子旋轉時繞組的各電磁量轉子電動勢的頻率：；正常運行時，；轉子繞組的感應電動勢：；轉子繞組的電阻和漏抗：忽略集膚效應，認為不變不變； ；轉子繞組的電流：正常運行時，轉子端電壓U2=0， ；有效值：；*結論：轉子電流I2隨S的增加而增加。轉子繞組的功率因數：*結論：轉子功率因數隨S的增加而減小。轉子磁動勢的轉速：相對轉子速度：相對定子速度：8基本方程及等效電路 、相量圖異步電動機轉子參數須經頻率歸算和繞組歸算。附加電阻的物理意義：模擬轉軸上總的機械功率。分析：堵轉：，相當于短路；空載：，相當于開路。9簡化等效電路： 與變壓器的近似等效電路相同，但須引入一修正系數C1 ，對于40kW以上，可取C1=1。*注意：異步電動機的等效電路與變壓器的區(qū)別。10功率平衡 理解功率流程圖電源輸入功率：定子銅損： 定子鐵損： 電磁功率： 轉子銅損： 總機械功率： 輸出功率： 可見： 11.轉矩平衡： ，即 -機械角速度rad/s；式中：Tem電磁轉矩（驅動）；T2負載轉矩（制動）；T0空載轉矩（制動）；式中： 12、電磁轉矩物理表達式： = (CT為轉矩常數)說明：上式描述了電磁轉矩與主磁通、轉子有功電流的關系。參數表達式：由簡化等效電路可得 ：可得：*結論：與電源參數、電機參數和運行參數的關系。13.轉矩特性：其他參數一定， 分析：異步電動機轉差率s在01之間，但實際上s在0sm（臨界轉差率）時， 穩(wěn)定；s在1sm之間，不穩(wěn)定；，s=sm，處于臨界狀態(tài)。14.三個特征轉矩額定轉矩TN：額定負載時 最大電磁轉矩Tm： 特點：Tmax與成正比；而Sm與無關；Tmax與轉子電阻無關；而Sm與轉子電阻有關；f1一定時，越大， Tmax越小。過載能力（或最大轉矩倍數） 一般為1.62.5，越大，過載能力越強。起動轉矩Tst n=0, S=1，得 當轉子回路電阻為：時，起動轉矩達到最大電磁轉矩。 起動轉矩倍數：，起動能力強。15實用表達式 *此表達式主要用于求機械特性曲線。 16工作特性一、轉速特性： 或 是一條稍向下傾斜的曲線。二、輸出轉矩特性：異步電動機的輸出轉矩：是一條過原點稍向上翹的曲線。三、定子電流特性： 由知，空載時：，很小；負載時，P2增加，也增加，I1也增加。四、定子功率因數特性： 空載：很小；負載時，隨，。五、效率特性： 根據= 空載時，P2=0，=0；負載時，隨著P2的增加，也增加，當負載增大到可變損耗與不變損耗相等時，最大；負載繼續(xù)增大，銅損增加很快，反而下降。*說明：電機在額定負載附近的和較高，希望在PN附近運行。 I1 T2 S P2 異步電動機工作特性圖第十二章 同步電機的基本理論和運行特性1基本結構定子：定子鐵心；電樞繞組（交流）；機座轉子：鐵心（磁極）；勵磁繞組（直流）；轉軸氣隙：2同步電機的分類：1）按用途分類：同步發(fā)電機、同步電動機、同步調相機（補償機）2）按轉子結構分類： 隱極同步電機（無明顯突出的磁極，氣隙均勻。）凸極同步電機（有突出的磁極，氣隙不均勻。） 3）同步發(fā)電機按原動機分類：汽輪發(fā)電機（高速原動機，隱極式結構）；水輪發(fā)電機（低速原動機，凸極式結構）3同步發(fā)電機基本工作原理：在跟轉子同軸的勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場；原動機拖動轉子旋轉，極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組；電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。4額定值及計算發(fā)電機：電動機：5同步電機空載運行的定義：同步發(fā)電機轉子被原動機拖動至同步速度，勵磁繞組中通入直流電流，定子繞組開路時的運行為空載運行，此時氣隙中的磁場僅有直流勵磁電流產生的勵磁磁場，稱為空載磁場或主磁場。 主磁通，漏磁通 基本電磁關系： 轉子勵磁電流If -轉子勵磁磁動勢Ff ；Ff -氣隙磁場（氣隙磁通密度）；基波氣隙磁通密度B0 隨轉子以同步轉速n1 旋轉；B0 在電樞繞組中產生基波感應電動勢。了解勵磁磁動勢、磁場的空間分布和表示方法。6掌握對稱負載時的電樞反應（其性質與內功率因數角有關），相矢圖分析方法。）電樞反應的概念基波電樞磁動勢對基波勵磁磁動勢的影響）內功率因數角的定義）和同相（y = 0）時的電樞反應：只有交軸電樞反應滯后90（y = 90）時的電樞反應：只有直軸電樞反應，去磁作用，過勵運行狀態(tài)滯后180（y = 180）時：交軸電樞反應超前90（y = -90）時：直軸電樞反應，增磁作用，欠勵運行狀態(tài)思考：對稱負載時，同步電機的定子和轉子磁動勢之間有無相對運動？在轉子勵磁繞組中有無感應電動勢？ 無 一般情況下的電樞反應：作為發(fā)電機運行時 作為電動機運行時 同步電抗的物理概念：同步電抗更是同步電機的重要參數，包含兩部分：與漏磁通相對應的漏抗；與定子旋轉磁場對應的電樞反應電抗。定子旋轉磁場在定子繞組中感應電動勢，為電樞反應電動勢。電動勢與磁通成正比，不考慮飽和時，磁通正比于磁動勢和電流，因此電樞反應電動勢和電樞電流之間成正比關系，其比例常數就是電樞反應電抗。磁路飽和時，磁阻增加使得電樞反應電抗減小，同步電抗的大小隨磁路飽和程度而改變。隱極同步電機：xs = xa + xs凸極同步電機：稱為直軸同步電抗；稱為交軸同步電抗對稱運行時同步發(fā)電機的電磁過程，畫等效電路，列基本方程式，畫相量圖，進行相關計算。）隱極：）凸極：雙反應理論10. 了解空載、短路、負載特性及主要參數測定同步電抗的不飽和值、飽和值的測定；短路比的概念：短路比是指同步電機空載時使空載電動勢有額定值時的勵磁電流與在短路時使短路電流有額定值時的勵磁電流之比。11. 電壓變化率的定義及求?。妱觿莘?；磁動勢法）思考題：12-1，12-6，12-12 作業(yè)第十三章 同步發(fā)電機在大電網上運行1并聯運行的定義，什么是無窮大電網 并聯運行定義：將兩臺或更多臺同步發(fā)電機分別接在電力系統(tǒng)的對應母線上，或通過主變壓器、輸電線接在電力系統(tǒng)的公共母線上，共同向用戶供電。無窮大電網：2同步發(fā)電機并聯運行的條件：發(fā)電機的頻率等于電網頻率；發(fā)電機的電壓幅值等于電網電壓的幅值；發(fā)電機的電壓相序與電網的相序相同；在并網時，發(fā)電機的電壓相角與電網電壓的相角一樣。3了解并聯運行的方法：整步：把同步發(fā)電機并聯至電網的手續(xù)或過程。整步條件：相同的相序；相等的電壓（電壓的檢驗相對容易）；相等或接近的頻率為了判斷是否滿足并網條件，采用同步指示燈。燈光黑暗法和燈光旋轉法（屬于準確整步）4隱極同步發(fā)電機的功角特性：a) 對于發(fā)電機而言，輸出功率即為端點功率Pb) 對于電動機而言，輸出功率轉變?yōu)闄C械功率的功率為PMc) 如取發(fā)電機的P和d 有正，則電動機PM和d 均應有負值d) 如把電樞電阻r a略去不計，則端點功率和電磁功率相等功角特性：功率PM 或P 隨著功角而變化的關系。 90時，有最大功率輸出。了解電樞電阻對功角特性的影響：無論發(fā)電機或電動機，電樞電阻的存在，都將使最大功率的數值減小，且使最大功率在d 角的絕對值小于90時