《電機學（上）》學習指南

學習指南電機學是電氣工程及其自動化類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎課程，其主要特點是電磁物理理論與工程實際緊密結合，概念抽象繁多，綜合性強，是較難教學的課程之一。要學好本門課程，雖無捷徑，但亦有一定規(guī)律可尋。首先要轉變課程學習的思維觀念，即要有工程觀念，分析問題時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。其次要掌握和運用好磁路知識。電機是一個電磁裝置，一般來說，學生對電路知識相對比較熟悉并且感性認識較深，而對磁場則相對較陌生，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)量的教材中習題的練習，是深入掌握一門課程的主要學習途徑。此外，通過課堂教學，要能領悟教材中的重點和難點內(nèi)容。為便于學習，下面對教材中各章的重點內(nèi)容以及學習方法作簡要介紹。第一章導論本章的重點是掌握鐵磁材料中的飽和現(xiàn)象，磁化曲線非線性和磁導率非常數(shù)的特點，鐵耗產(chǎn)生的原因以及其大小與那些因素有關。磁路的特點及其與電路的對比。第二章直流電機直流電機電樞導體感應的電動勢是交變的，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。電樞繞組支路電動勢公式和電磁轉轉矩公式，是直流電機的基本公式，是分析直流電機性能的依據(jù)，必須牢固掌握。直流電機的性能隨著勵磁方式的不同而有很大差異，按勵磁方式可分為他勵、并勵、串勵和復勵直流電機。要認真掌握直流電動機的基本方程式：電動勢平衡方程式、功率平衡方程式、轉矩平衡方程式，這些方程式把直流電機中電的和機械的物理量聯(lián)系在一起，描述了機電能量轉換過程中的各種關系。對直流電動機的工作特性、機械特性、起動、調(diào)速和制動，著重掌握其基本概念以及運用概念進行相應的計算。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聯(lián)系起來，利用電磁感應關系實現(xiàn)電能變換。對變壓器的額定值，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系，特別是變壓器二次側額定電壓的定義。根據(jù)變壓器內(nèi)部磁場的實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，為了把電磁場問題轉化電路問題，引入了電路參數(shù)——勵磁阻抗、漏電抗，再經(jīng)過折算，變壓器中的電磁關系就可以用一個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，分析和定量計算最常用是采用等效電路。在計算中要著重掌握通過空載試驗和短路試驗計算變壓器的參數(shù)，包括用標幺值表示的參數(shù)，以及計算變壓器的電壓調(diào)整率和效率。在三相變壓器中，著重掌握聯(lián)結組的定義，通過畫向量圖確定聯(lián)結組的組號。對并聯(lián)運行的條件和負載電流的計算要十分熟悉。在不對稱運行中，要注意弄懂對稱分量法的原理，重點是掌握零序等效電路和零序阻抗的特點。第四章交流電機繞組的基本理論交流繞組及其電動勢是同步電機和異步電機的基本理論之一。相繞組構成的原則是力求獲得較大的基波電動勢而盡量削弱諧波電動勢，并保證三相電動勢對稱，同時還應考慮節(jié)省材料和工藝方便。槽電動勢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勢相加的原則聯(lián)結繞組。通過了解交流繞組的連接規(guī)律，掌握繞組系數(shù)和電動勢的計算。在正弦分布磁場下相繞組電動勢的計算公式和變壓器繞組電動勢的計算公式類似，只不過旋轉電機由于采用短距和分布繞組，計算公式中多乘了一個繞組系數(shù)而已。當磁極磁場沿空間不按正弦規(guī)律分布時，磁場中的高次諧波將在定子繞組內(nèi)感應出相應的諧波電動勢。為了削弱諧波電動勢，可用改善凸極極靴外形或隱極勵磁繞組的分布，以及采用短距和分布繞組等措施。單相繞組產(chǎn)生的磁動勢是脈振磁動勢。對稱的多相繞組通以對稱的多相電流時產(chǎn)生的基波合成磁動勢是圓形旋轉磁動勢，如果電流不對稱，則產(chǎn)生的磁動勢是橢圓形旋轉磁動勢。無論是脈振磁動勢的振幅還是旋轉磁動勢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，而與極對數(shù)成反比，脈振磁動勢的脈振頻率和旋轉磁動勢的轉速都決定于電流的頻率。學習繞組的磁動勢時，應當注意和電動勢對比，電動勢和磁動勢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勢和磁動勢的大小與波形（二者繞組系數(shù)的計算是相同的），這是共性。但電動勢僅是時間的函數(shù)(即大小隨時間變化)，而磁動勢既是時間的函數(shù)又是空間的函數(shù)這是交流繞組磁動勢的特性。第五章異步電機轉子轉速與定子旋轉磁場的轉速(即同步轉速)不相等是異步電機運行的基本條件也是異步電機與同步電機的基本差別。從電磁感應的本質(zhì)來看，異步電機和變壓器相似，在學習時此應注意同變壓器比較。異步電機等效電路與變壓器十分相似，把變壓器中的負載阻抗改為代表感應電動機總機械功率的純電阻。但應注意，由于結構不同，特別是異步電機中存在氣隙，等效電路中的參數(shù)大小和變壓器的相差很大。在異步電機中，不論轉子的轉速和轉向如何，定子、轉子磁動勢基波總是相對靜止，只有這樣，才能產(chǎn)生平均電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量轉換。同變壓器一樣，雖然異步電機基本方程式、欠量圖和等效電路是三種不同的分析法，但它們在本質(zhì)上是一致的。工程計算上用得最多的是等效電路。異步電機的功率和轉矩乎衡方程式、各個功率和轉矩之間的相互關系，這是必須掌握的基本知識。利用等效電路來導出各個功率和損耗之間的關系，既簡單明了，也易于記憶。電磁轉矩的物理表達式常用于定性分析。利用簡化等效電路導出電磁轉矩與轉差率和電機參數(shù)的關系，據(jù)此導出最大電磁轉矩和起動轉矩，它們都是感應電動機的重要性能指標。對感應電動機起動的主要要求是：起動電流較小而起動轉矩較大。對小型感應電動機，如果電網(wǎng)容量允許，應盡量采用直接起動，以獲得較大的起動轉矩。當電網(wǎng)容量較小時，應采用降壓起動，以減小起動電流，常用的方法是星——三角換接起動、自耦變壓器降壓起動和串電抗器降壓起動。但降壓起動時，起動轉矩隨電壓平方而減小。繞線轉子電動機起動時，在轉子回路中串入電阻不但使起動電流減小，而且增大起動轉短。因此，在起動困難的機械中，常采用繞線轉子電動機。感應電動機常用的調(diào)速方法是變極調(diào)速(對籠型電動機)、在轉子回路申入電阻調(diào)速(對繞線轉子電動機)和變頻調(diào)速。定子上只有一個工作繞組的單相感應電動機可用雙旋轉磁場的理論進行分析，把定子單相繞組產(chǎn)生的脈振磁動勢分解為正、反轉兩個旋轉磁動勢，然后分別求出每個旋轉磁動勢產(chǎn)生的轉矩特性，再把它們代數(shù)相加而得電動機的合成轉矩特性，由此可分析出這種電動機沒有起動轉矩，不能自行起動。為了使電動機能夠起動必須設法在氣隙中建立旋轉磁場。常用的方法是分相起動(包括電容起動和電阻起動)。第六章同步電機同步電機的一個基本特點是電樞電流的頻率與轉速之間的嚴格關系。汽輪發(fā)電機由于轉速高和容量大等特點必須采用隱極結構且轉子直徑不能太大，各零部件機械強度要求高。水輪發(fā)電機則由于水輪機多為立式低轉速，因此一般采用凸極結構，且極數(shù)很多，直徑較大。在分析同步電機內(nèi)部的物理情況時，電樞反應占有重要地位。電樞反應的性質(zhì)是取決于負載的性質(zhì)和電機內(nèi)部的參數(shù)，它主要取決于勵磁電動勢與電樞電流的夾角的大小。分析同步發(fā)電機的電磁過程中，矢量圖具有特別重要的意義，應用很廣泛。在不考慮飽和時，可認為各磁動勢分別產(chǎn)生磁場及感應電動勢，并由此得出電動勢方程式及矢量團。隱極用步電機由于氣隙均勻，可用單一的參數(shù)——同步電抗來表征電樞反應和漏磁所產(chǎn)生的效果。凸極同步電機，由于氣隙不均勻，同樣大小的電樞磁動勢作用在交軸或直軸上時，所建立的磁通大小不一樣。應用雙反應理論，對凸極電機推導出直軸同步電抗和交軸兩個同步電抗，以分別表征直軸和交軸電流所產(chǎn)生的電樞總磁場(包括電樞反應和漏磁)的效果。正常運行時，同步發(fā)電機主要有兩條特性：外特性和調(diào)整特性。外特性說明負載變化而不調(diào)節(jié)勵磁時電壓的變化情況。調(diào)整特性則說明負載變化時，為保持電壓恒定，勵磁電流的調(diào)整規(guī)律。其他如空載特性、短路特性、零功率因數(shù)負載特性則主要用于測量電機參數(shù)。短路比是表征同步發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定度的一個重要數(shù)據(jù)。低轉差法是測量凸極同步電機直軸同步電抗和交軸同步電抗的基本方法。同步發(fā)電機投入大電網(wǎng)并聯(lián)運行，由于大電網(wǎng)的電壓和頻率均為常數(shù)，所以調(diào)節(jié)的對象只是發(fā)電機的有功功率和無功功率。調(diào)節(jié)同步發(fā)動機輸出有功的唯一方法是調(diào)節(jié)原動機的輸入功率，有功功率的調(diào)節(jié)也會影響到無功功率的數(shù)值，在增大發(fā)電機的有功功率時，將引起無功功率相應的下降。調(diào)節(jié)勵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)。同步電動機的原理是從同步發(fā)電機引伸來的，其區(qū)別僅在于它們的功率傳遞方向不同。同步電動機與感應電動機相比最突出的優(yōu)點是功率因數(shù)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)