哈工大電機學期末復習題集-電機學課件-湯蘊

哈工大電機學期末復習題集本課程由湯蘊教授主講，旨在幫助學生更好地掌握電機學知識。電機學概述能量轉(zhuǎn)換電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能或反之。電磁原理電機的工作基于電磁感應和電磁力。應用廣泛電機廣泛應用于工業(yè)、交通、家用電器等領域。電磁感應定律法拉第電磁感應定律是電磁學的基本定律之一，它揭示了變化的磁場產(chǎn)生電場，并由此產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象。這個定律是電機學的基礎，也是理解電磁感應現(xiàn)象的關鍵。法拉第電磁感應定律指出，閉合電路中感應電動勢的大小等于穿過該電路的磁通量的變化率。感應電動勢的方向可以用楞次定律來判斷，即感應電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量變化。電磁感應規(guī)律及感應電動勢法拉第電磁感應定律當穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化時，電路中就會產(chǎn)生感應電動勢，其大小等于磁通量變化率的負值。楞次定律感應電流產(chǎn)生的磁場方向總是阻礙引起感應電流的磁通量變化。感應電動勢的計算感應電動勢的大小可以用公式E=N*dΦ/dt來計算，其中N為線圈匝數(shù)，Φ為磁通量，t為時間。交流電機的基本原理1電磁感應利用電磁感應原理，使定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。2電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子繞組中的電流與定子磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。3能量轉(zhuǎn)換將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)電機的驅(qū)動功能。同步電機的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)特點同步電機由定子、轉(zhuǎn)子、勵磁繞組和電樞繞組組成。定子為固定部分，轉(zhuǎn)子為旋轉(zhuǎn)部分。定子繞組通入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組通入直流電產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。工作原理同步電機的工作原理是基于電磁感應定律，當定子繞組通入交流電時，會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場會切割轉(zhuǎn)子繞組的導體，從而在導體中產(chǎn)生感應電動勢，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度相同時，電機處于同步狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比。異步電機的結(jié)構(gòu)及工作原理異步電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、機座、軸承等組成。定子由定子鐵芯和定子繞組組成。轉(zhuǎn)子可分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。異步電機工作原理基于電磁感應原理，定子繞組通入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，切割轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應電流，感應電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，所以稱為異步電機。異步電機的特性1轉(zhuǎn)速特性異步電機轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩有關，負載轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速下降。2轉(zhuǎn)矩特性異步電機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率有關，轉(zhuǎn)差率越大，轉(zhuǎn)矩越大。3效率特性異步電機效率與負載轉(zhuǎn)矩有關，負載轉(zhuǎn)矩增大，效率升高至最大值后下降。4功率特性異步電機功率與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積有關，負載轉(zhuǎn)矩增大，功率增大。電機的轉(zhuǎn)矩--滑差曲線1最大轉(zhuǎn)矩電機能夠產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩，與電機參數(shù)有關。0同步轉(zhuǎn)速電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度，與電源頻率和電機極數(shù)有關。100%滑差同步轉(zhuǎn)速與電機實際轉(zhuǎn)速之差，反映電機能量轉(zhuǎn)換效率。異步電機的啟動特性和制動特性1啟動電流啟動時電流很大，可能造成電源電壓下降和燒毀電機。2啟動轉(zhuǎn)矩啟動轉(zhuǎn)矩的大小決定了電機能否帶動負載啟動。3啟動時間電機從靜止到穩(wěn)定運行的時間，過長會導致啟動過程過長。4制動特性制動特性是指電機停止運行時的速度變化和能量消耗特性。異步電機的速度調(diào)節(jié)方法轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速通過改變轉(zhuǎn)子回路的電阻值來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速利用變頻器改變電源頻率來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?；顦O調(diào)速通過改變定子繞組極數(shù)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。磁場調(diào)速改變勵磁電流的大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。同步電機的特性分析同步轉(zhuǎn)速同步電機轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，不受負載變化的影響。功率特性同步電機具有較高的功率因數(shù)，可實現(xiàn)無功功率補償。穩(wěn)定性同步電機具有良好的穩(wěn)定性，能承受較大負載變化。同步電機的并網(wǎng)及并網(wǎng)條件1頻率一致同步電機和電網(wǎng)頻率相同2電壓一致同步電機和電網(wǎng)電壓大小和相位相同3相序一致同步電機和電網(wǎng)相序相同同步電機的勵磁系統(tǒng)和調(diào)壓系統(tǒng)勵磁系統(tǒng)為同步電機提供勵磁電流，控制電機磁場強度。調(diào)壓系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)勵磁電流，控制同步電機輸出電壓。直流電機的基本結(jié)構(gòu)與工作原理直流電機是一種以直流電為電源，利用電磁感應原理實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的電機。它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子部分通常包含電磁鐵或永久磁鐵，用來產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子部分包含繞組和換向器，用來接收電流并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。直流電機的工作原理是，當電流流過轉(zhuǎn)子繞組時，會產(chǎn)生磁場，與定子磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。換向器的作用是，根據(jù)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，不斷改變轉(zhuǎn)子繞組中的電流方向，使轉(zhuǎn)子能夠持續(xù)旋轉(zhuǎn)。直流電機的分類及特性分類按勵磁方式分：他勵、自勵、復合勵磁按電樞繞組類型分：并繞、串繞、復繞按電刷位置分：單電刷、雙電刷、多電刷特性直流電機具有以下特性：轉(zhuǎn)速可調(diào)啟動轉(zhuǎn)矩大運行平穩(wěn)控制精度高直流電機的啟動和制動啟動直流電機啟動過程是一個將電能轉(zhuǎn)化為機械能的過程，需要克服電機的靜摩擦力和負載阻力。制動直流電機制動是將電機動能轉(zhuǎn)化為電能或熱能，從而減速或停止電機旋轉(zhuǎn)。方法常用的啟動和制動方法包括電阻啟動、反接制動、再生制動等。直流電機的串勵和并勵特性串勵電機電樞繞組和勵磁繞組串聯(lián)連接，勵磁電流等于電樞電流，轉(zhuǎn)速隨負載電流增加而下降。并勵電機電樞繞組和勵磁繞組并聯(lián)連接，勵磁電流與負載電流無關，轉(zhuǎn)速隨負載電流增加而輕微下降。復合勵磁電機兼具串勵和并勵特性的電機，具有較好的啟動特性和穩(wěn)定性。直流電機的調(diào)速方法1改變勵磁電流通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，可以改變直流電機電樞回路的磁通量，從而實現(xiàn)調(diào)速。2改變電樞電壓通過改變電樞回路的電壓，可以改變電樞電流的大小，從而實現(xiàn)調(diào)速。3改變電樞回路的電阻通過調(diào)節(jié)電樞回路中的電阻，可以改變電樞電流的大小，從而實現(xiàn)調(diào)速。步進電機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的執(zhí)行機構(gòu)。它由定子、轉(zhuǎn)子、控制電路等部分組成。定子通常由多個繞組組成，每個繞組對應一個磁極。轉(zhuǎn)子通常由永磁體或鐵芯組成。當控制電路給定子繞組施加脈沖電流時，定子磁場發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子就會相應的轉(zhuǎn)動一個固定角度，這個角度稱為步進角。步進電機的基本工作原理是：當給定子繞組施加脈沖電流時，定子磁場會發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子就會相應的轉(zhuǎn)動一個固定角度。這個角度稱為步進角。步進電機的步進角通常為1.8度或0.9度，也有更小的步進角。步進電機的轉(zhuǎn)動角度與施加的脈沖數(shù)量成正比。因此，步進電機可以精確控制轉(zhuǎn)動角度。步進電機的工作原理簡單，易于控制，精度高，因此在自動化領域應用廣泛。步進電機的特性及應用高精度定位步進電機可以實現(xiàn)精確的角位移控制，適用于高精度定位需求。較快的響應速度步進電機響應速度快，能夠快速完成位置變化，適合高速應用。靈活的控制方式步進電機可以通過脈沖信號進行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)多種運動模式。電機效率及其測量方法效率輸出功率/輸入功率測量方法負載法,空載法,無負載法影響因素電機類型,負載大小,工作狀態(tài)電機的機械特性曲線電機機械特性曲線反映了電機在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩變化關系。它是電機的重要性能指標之一，可以用來分析電機在不同負載下的工作特性。電機機械特性曲線通常用轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線來表示，橫坐標表示電機轉(zhuǎn)速，縱坐標表示電機轉(zhuǎn)矩。曲線的形狀取決于電機類型、負載情況以及其他因素。電機繞組的繞線方法繞組類型電機繞組主要分為單層繞組和雙層繞組兩種。繞組連接繞組連接方式包括星形連接、三角形連接和混合連接。繞組匝數(shù)繞組匝數(shù)決定了電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電壓等級。電機的冷卻方式自然冷卻通過電機表面的自然對流和輻射散熱。適用于小型電機或低功率電機。強制風冷通過風機強制送風來加速散熱。適用于中大型電機或高功率電機。水冷通過水循環(huán)帶走熱量。適用于超大型電機或功率極高的電機。電機繞組的絕緣體系絕緣層電機繞組的絕緣層通常由多種材料組成，例如云母、玻璃纖維、聚酯薄膜等，起到隔離繞組與其他部件的作用，防止短路和漏電。絕緣漆絕緣漆涂覆在繞組表面，可以增強絕緣強度，防止潮氣和灰塵侵入，延長繞組使用壽命。電機的故障診斷與維修1故障診斷確定電機故障的性質(zhì)和原因2維修對電機進行修理和保養(yǎng)3預防性維護定期檢查和維護，避免故障電機故障診斷和維修是電機使用過程中不可或缺的一部分，通過準確的診斷和有效的維修，可以提高電機運行的可靠性和延長其使用壽命。預防性維護是防止電機故障的關鍵，通過定期檢查和維護，可以有效降低故障發(fā)生的概率，確保電機安全可靠運行。電機的選型與電力拖動系統(tǒng)設計負載特性負載類型、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率等因素直接影響電機選擇。工作環(huán)境環(huán)境溫度、濕度、粉塵等因素會影響電機性能和壽命。運行方式連續(xù)運行、間歇運行、頻繁啟動等因素決定電機類型。成本因素綜合考慮電機價格、維護成本、能源消耗等因素。電機控制系統(tǒng)的基本組成控制單元控制單元是電機控制系統(tǒng)的核心，負責接收指令，處理數(shù)據(jù)，并輸出控制信號。驅(qū)動電路驅(qū)動電路將控制單元的輸出信號放大，并驅(qū)動電機運行，實現(xiàn)對電機速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的控制。傳感器傳感器用于檢測電機運行狀態(tài)，如速度、位置、電流等，并將檢測到的信息反饋給控制單元，實現(xiàn)閉環(huán)控制。反饋電路反饋電路將傳感器的檢測信號轉(zhuǎn)換為控制單元可以識別的信號，并將其反饋給控制單元，完成閉環(huán)控制。電機控制系統(tǒng)的基本功能控制電機速度，以滿足不同應用需求。控制電機轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)平穩(wěn)啟動、制動和負載調(diào)節(jié)。控制電機功率，提高效率并節(jié)約能源。保護電機