《電機(jī)學(xué)（上）》學(xué)習(xí)指南

學(xué)習(xí)指南電機(jī)學(xué)是電氣工程及其自動(dòng)化類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，其主要特點(diǎn)是電磁物理理論與工程實(shí)際緊密結(jié)合，概念抽象繁多，綜合性強(qiáng)，是較難教學(xué)的課程之一。要學(xué)好本門課程，雖無捷徑，但亦有一定規(guī)律可尋。首先要轉(zhuǎn)變課程學(xué)習(xí)的思維觀念，即要有工程觀念，分析問題時(shí)往往要忽略一些次要因素。同樣的參數(shù)，在某些工況下下是主要因素、在另外一種工況下可能又成為次要因素。例如變壓器的漏電抗，在空載工況下，可以忽略，但在短路工況下則不能忽略。其次要掌握和運(yùn)用好磁路知識(shí)。電機(jī)是一個(gè)電磁裝置，一般來說，學(xué)生對(duì)電路知識(shí)相對(duì)比較熟悉并且感性認(rèn)識(shí)較深，而對(duì)磁場(chǎng)則相對(duì)較陌生，再加上鐵磁材料的飽和問題、非線性問題更增加了分析問題的難度。通過完成一定數(shù)量的教材中習(xí)題的練習(xí)，是深入掌握一門課程的主要學(xué)習(xí)途徑。此外，通過課堂教學(xué)，要能領(lǐng)悟教材中的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。為便于學(xué)習(xí)，下面對(duì)教材中各章的重點(diǎn)內(nèi)容以及學(xué)習(xí)方法作簡(jiǎn)要介紹。第一章導(dǎo)論本章的重點(diǎn)是掌握鐵磁材料中的飽和現(xiàn)象，磁化曲線非線性和磁導(dǎo)率非常數(shù)的特點(diǎn)，鐵耗產(chǎn)生的原因以及其大小與那些因素有關(guān)。磁路的特點(diǎn)及其與電路的對(duì)比。第二章直流電機(jī)直流電機(jī)電樞導(dǎo)體感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)是交變的，經(jīng)過換向器和電刷的作用才得到直流電壓。流過電樞導(dǎo)體的電流也是交變，流經(jīng)電刷的電流為直流。電樞繞組支路電動(dòng)勢(shì)公式和電磁轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩公式，是直流電機(jī)的基本公式，是分析直流電機(jī)性能的依據(jù)，必須牢固掌握。直流電機(jī)的性能隨著勵(lì)磁方式的不同而有很大差異，按勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。要認(rèn)真掌握直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式：電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、功率平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式，這些方程式把直流電機(jī)中電的和機(jī)械的物理量聯(lián)系在一起，描述了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中的各種關(guān)系。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性、機(jī)械特性、起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，著重掌握其基本概念以及運(yùn)用概念進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。第三章變壓器變壓器是一種靜止電磁裝置，一次繞組和二次繞組通過交變磁場(chǎng)聯(lián)系起來，利用電磁感應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)電能變換。對(duì)變壓器的額定值，需要注意變壓器的額定容量、額定電壓和額定電流的定義以及它們之間的關(guān)系，特別是變壓器二次側(cè)額定電壓的定義。根據(jù)變壓器內(nèi)部磁場(chǎng)的實(shí)際分布和所起作用的不同，把磁通分成主磁通和漏磁通兩部分。主磁通沿鐵心閉合、起能量傳遞媒介的作用，所經(jīng)磁路是非線性的；漏磁通主要沿非鐵磁物質(zhì)閉合、僅起電抗壓降的作用，所經(jīng)磁路是線性的。在變壓器中，既有電路問題，又有磁路問題，為了把電磁場(chǎng)問題轉(zhuǎn)化電路問題，引入了電路參數(shù)——?jiǎng)?lì)磁阻抗、漏電抗，再經(jīng)過折算，變壓器中的電磁關(guān)系就可以用一個(gè)無源等效電路來代替。方程式、向量圖和等效電路是分析變壓器的三種方法，分析和定量計(jì)算最常用是采用等效電路。在計(jì)算中要著重掌握通過空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)計(jì)算變壓器的參數(shù)，包括用標(biāo)幺值表示的參數(shù)，以及計(jì)算變壓器的電壓調(diào)整率和效率。在三相變壓器中，著重掌握聯(lián)結(jié)組的定義，通過畫向量圖確定聯(lián)結(jié)組的組號(hào)。對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的條件和負(fù)載電流的計(jì)算要十分熟悉。在不對(duì)稱運(yùn)行中，要注意弄懂對(duì)稱分量法的原理，重點(diǎn)是掌握零序等效電路和零序阻抗的特點(diǎn)。第四章交流電機(jī)繞組的基本理論交流繞組及其電動(dòng)勢(shì)是同步電機(jī)和異步電機(jī)的基本理論之一。相繞組構(gòu)成的原則是力求獲得較大的基波電動(dòng)勢(shì)而盡量削弱諧波電動(dòng)勢(shì)，并保證三相電動(dòng)勢(shì)對(duì)稱，同時(shí)還應(yīng)考慮節(jié)省材料和工藝方便。槽電動(dòng)勢(shì)星形圖是分析繞組的一種最基本方法。利用星形圖來劃分各相所屬然后按電動(dòng)勢(shì)相加的原則聯(lián)結(jié)繞組。通過了解交流繞組的連接規(guī)律，掌握繞組系數(shù)和電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算。在正弦分布磁場(chǎng)下相繞組電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式和變壓器繞組電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式類似，只不過旋轉(zhuǎn)電機(jī)由于采用短距和分布繞組，計(jì)算公式中多乘了一個(gè)繞組系數(shù)而已。當(dāng)磁極磁場(chǎng)沿空間不按正弦規(guī)律分布時(shí)，磁場(chǎng)中的高次諧波將在定子繞組內(nèi)感應(yīng)出相應(yīng)的諧波電動(dòng)勢(shì)。為了削弱諧波電動(dòng)勢(shì)，可用改善凸極極靴外形或隱極勵(lì)磁繞組的分布，以及采用短距和分布繞組等措施。單相繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是脈振磁動(dòng)勢(shì)。對(duì)稱的多相繞組通以對(duì)稱的多相電流時(shí)產(chǎn)生的基波合成磁動(dòng)勢(shì)是圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，如果電流不對(duì)稱，則產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。無論是脈振磁動(dòng)勢(shì)的振幅還是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的波幅都與每相繞組的有效匝數(shù)和相電流有效值成正比，而與極對(duì)數(shù)成反比，脈振磁動(dòng)勢(shì)的脈振頻率和旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速都決定于電流的頻率。學(xué)習(xí)繞組的磁動(dòng)勢(shì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意和電動(dòng)勢(shì)對(duì)比，電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)既然是同一繞組中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，那么繞組的短距、分布將同樣地影響電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)的大小與波形（二者繞組系數(shù)的計(jì)算是相同的），這是共性。但電動(dòng)勢(shì)僅是時(shí)間的函數(shù)(即大小隨時(shí)間變化)，而磁動(dòng)勢(shì)既是時(shí)間的函數(shù)又是空間的函數(shù)這是交流繞組磁動(dòng)勢(shì)的特性。第五章異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速(即同步轉(zhuǎn)速)不相等是異步電機(jī)運(yùn)行的基本條件也是異步電機(jī)與同步電機(jī)的基本差別。從電磁感應(yīng)的本質(zhì)來看，異步電機(jī)和變壓器相似，在學(xué)習(xí)時(shí)此應(yīng)注意同變壓器比較。異步電機(jī)等效電路與變壓器十分相似，把變壓器中的負(fù)載阻抗改為代表感應(yīng)電動(dòng)機(jī)總機(jī)械功率的純電阻。但應(yīng)注意，由于結(jié)構(gòu)不同，特別是異步電機(jī)中存在氣隙，等效電路中的參數(shù)大小和變壓器的相差很大。在異步電機(jī)中，不論轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向如何，定子、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)基波總是相對(duì)靜止，只有這樣，才能產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。同變壓器一樣，雖然異步電機(jī)基本方程式、欠量圖和等效電路是三種不同的分析法，但它們?cè)诒举|(zhì)上是一致的。工程計(jì)算上用得最多的是等效電路。異步電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩乎衡方程式、各個(gè)功率和轉(zhuǎn)矩之間的相互關(guān)系，這是必須掌握的基本知識(shí)。利用等效電路來導(dǎo)出各個(gè)功率和損耗之間的關(guān)系，既簡(jiǎn)單明了，也易于記憶。電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式常用于定性分析。利用簡(jiǎn)化等效電路導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率和電機(jī)參數(shù)的關(guān)系，據(jù)此導(dǎo)出最大電磁轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它們都是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的重要性能指標(biāo)。對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的主要要求是：起動(dòng)電流較小而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。對(duì)小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，如果電網(wǎng)容量允許，應(yīng)盡量采用直接起動(dòng)，以獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電網(wǎng)容量較小時(shí)，應(yīng)采用降壓起動(dòng)，以減小起動(dòng)電流，常用的方法是星——三角換接起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)和串電抗器降壓起動(dòng)。但降壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電壓平方而減小。繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻不但使起動(dòng)電流減小，而且增大起動(dòng)轉(zhuǎn)短。因此，在起動(dòng)困難的機(jī)械中，常采用繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)常用的調(diào)速方法是變極調(diào)速(對(duì)籠型電動(dòng)機(jī))、在轉(zhuǎn)子回路申入電阻調(diào)速(對(duì)繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī))和變頻調(diào)速。定子上只有一個(gè)工作繞組的單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可用雙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理論進(jìn)行分析，把定子單相繞組產(chǎn)生的脈振磁動(dòng)勢(shì)分解為正、反轉(zhuǎn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，然后分別求出每個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩特性，再把它們代數(shù)相加而得電動(dòng)機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩特性，由此可分析出這種電動(dòng)機(jī)沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不能自行起動(dòng)。為了使電動(dòng)機(jī)能夠起動(dòng)必須設(shè)法在氣隙中建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。常用的方法是分相起動(dòng)(包括電容起動(dòng)和電阻起動(dòng))。第六章同步電機(jī)同步電機(jī)的一個(gè)基本特點(diǎn)是電樞電流的頻率與轉(zhuǎn)速之間的嚴(yán)格關(guān)系。汽輪發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)速高和容量大等特點(diǎn)必須采用隱極結(jié)構(gòu)且轉(zhuǎn)子直徑不能太大，各零部件機(jī)械強(qiáng)度要求高。水輪發(fā)電機(jī)則由于水輪機(jī)多為立式低轉(zhuǎn)速，因此一般采用凸極結(jié)構(gòu)，且極數(shù)很多，直徑較大。在分析同步電機(jī)內(nèi)部的物理情況時(shí)，電樞反應(yīng)占有重要地位。電樞反應(yīng)的性質(zhì)是取決于負(fù)載的性質(zhì)和電機(jī)內(nèi)部的參數(shù)，它主要取決于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與電樞電流的夾角的大小。分析同步發(fā)電機(jī)的電磁過程中，矢量圖具有特別重要的意義，應(yīng)用很廣泛。在不考慮飽和時(shí)，可認(rèn)為各磁動(dòng)勢(shì)分別產(chǎn)生磁場(chǎng)及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并由此得出電動(dòng)勢(shì)方程式及矢量團(tuán)。隱極用步電機(jī)由于氣隙均勻，可用單一的參數(shù)——同步電抗來表征電樞反應(yīng)和漏磁所產(chǎn)生的效果。凸極同步電機(jī)，由于氣隙不均勻，同樣大小的電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在交軸或直軸上時(shí)，所建立的磁通大小不一樣。應(yīng)用雙反應(yīng)理論，對(duì)凸極電機(jī)推導(dǎo)出直軸同步電抗和交軸兩個(gè)同步電抗，以分別表征直軸和交軸電流所產(chǎn)生的電樞總磁場(chǎng)(包括電樞反應(yīng)和漏磁)的效果。正常運(yùn)行時(shí)，同步發(fā)電機(jī)主要有兩條特性：外特性和調(diào)整特性。外特性說明負(fù)載變化而不調(diào)節(jié)勵(lì)磁時(shí)電壓的變化情況。調(diào)整特性則說明負(fù)載變化時(shí)，為保持電壓恒定，勵(lì)磁電流的調(diào)整規(guī)律。其他如空載特性、短路特性、零功率因數(shù)負(fù)載特性則主要用于測(cè)量電機(jī)參數(shù)。短路比是表征同步發(fā)電機(jī)靜態(tài)穩(wěn)定度的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。低轉(zhuǎn)差法是測(cè)量凸極同步電機(jī)直軸同步電抗和交軸同步電抗的基本方法。同步發(fā)電機(jī)投入大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，由于大電網(wǎng)的電壓和頻率均為常數(shù)，所以調(diào)節(jié)的對(duì)象只是發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率。調(diào)節(jié)同步發(fā)動(dòng)機(jī)輸出有功的唯一方法是調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸入功率，有功功率的調(diào)節(jié)也會(huì)影響到無功功率的數(shù)值，在增大發(fā)電機(jī)的有功功率時(shí)，將引起無功功率相應(yīng)的下降。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流不僅可以改變無功功率的大小，而且可以改變功率的性質(zhì)。同步電動(dòng)機(jī)的原理是從同步發(fā)電機(jī)引伸來的，其區(qū)別僅在于它們的功率傳遞方向不同。同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比最突出的優(yōu)點(diǎn)是功率因數(shù)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)