電機(jī)學(xué)考試重點(diǎn)復(fù)習(xí)資料前言電機(jī)學(xué)是電氣工程及其自動(dòng)化等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的核心技術(shù)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容涉及電磁理論、能量轉(zhuǎn)換、電機(jī)運(yùn)行原理及特性等多個(gè)方面。本復(fù)習(xí)資料旨在幫助同學(xué)們梳理課程的重點(diǎn)與難點(diǎn)，鞏固核心概念，掌握分析方法，以期在考試中取得理想成績(jī)。復(fù)習(xí)時(shí)，應(yīng)注重理解基本原理，熟練掌握公式推導(dǎo)與應(yīng)用，并能聯(lián)系實(shí)際電機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。一、基礎(chǔ)理論與基本概念1.1磁路基本定律磁路是電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的媒介，理解磁路是學(xué)好電機(jī)學(xué)的基礎(chǔ)。重點(diǎn)掌握：*安培環(huán)路定律：其積分形式在磁路計(jì)算中應(yīng)用廣泛，是分析磁動(dòng)勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系的核心。*磁路歐姆定律：雖為近似定律，但能幫助理解磁路中磁動(dòng)勢(shì)、磁阻和磁通的關(guān)系。需注意與電路歐姆定律的類(lèi)比與區(qū)別。*磁路的基爾霍夫定律：包括磁路基爾霍夫第一定律（磁通連續(xù)性原理）和磁路基爾霍夫第二定律（回路磁動(dòng)勢(shì)平衡），是分析復(fù)雜磁路的基本工具。1.2鐵磁材料的特性鐵磁材料的磁化特性對(duì)電機(jī)的性能有顯著影響。*磁化曲線(xiàn)：包括起始磁化曲線(xiàn)、磁滯回線(xiàn)和基本磁化曲線(xiàn)。理解飽和現(xiàn)象及其對(duì)電機(jī)參數(shù)和性能的影響至關(guān)重要。*磁滯損耗與渦流損耗：這是鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生能量損耗的主要原因，合稱(chēng)鐵耗。了解其產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及計(jì)算表達(dá)式。1.3電磁感應(yīng)定律與電磁力定律這是電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基本定律。*電磁感應(yīng)定律：掌握感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向判定（右手定則）。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)，導(dǎo)體切割磁力線(xiàn)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)公式（e=Blv）和線(xiàn)圈中磁通量變化產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)公式（e=-dΦ/dt）均需熟練應(yīng)用。*電磁力定律：掌握通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受電磁力的大小和方向判定（左手定則），即F=Bli。理解電磁轉(zhuǎn)矩的形成及其計(jì)算。1.4電機(jī)中的基本電磁關(guān)系理解電機(jī)中電系統(tǒng)（電壓、電流、電阻、電抗）與磁系統(tǒng)（磁動(dòng)勢(shì)、磁通、磁阻）之間的相互作用和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。明確電機(jī)中的主要損耗（銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗、附加損耗）及其產(chǎn)生原因。二、變壓器2.1變壓器的工作原理與結(jié)構(gòu)*工作原理：基于電磁感應(yīng)原理，通過(guò)互感實(shí)現(xiàn)電能（或信號(hào)）的傳遞，改變電壓和電流的大小。理解主磁通和漏磁通的區(qū)別及其作用。*基本結(jié)構(gòu)：鐵心和繞組是變壓器的主要組成部分。了解鐵心材料的選擇，繞組的分類(lèi)（原繞組、副繞組）及連接方式。2.2變壓器的等效電路等效電路是分析變壓器運(yùn)行性能的重要工具。*空載運(yùn)行與空載等效電路：理解空載電流的性質(zhì)（勵(lì)磁電流，包含磁化電流和鐵耗電流），掌握勵(lì)磁阻抗（rm、xm）的物理意義。*負(fù)載運(yùn)行與T型等效電路：掌握繞組折算的原則（保持磁動(dòng)勢(shì)不變、功率不變），理解短路阻抗（rk、xk）的物理意義。熟悉T型等效電路的繪制和參數(shù)含義。*近似等效電路：在工程計(jì)算中，當(dāng)變壓器容量較大或?qū)纫蟛桓邥r(shí)，可采用近似等效電路（忽略勵(lì)磁阻抗或?qū)⑵湟浦岭娫炊耍?.3變壓器的運(yùn)行特性*外特性：描述副邊電壓U2隨負(fù)載電流I2變化的關(guān)系（U2=f(I2)），受負(fù)載功率因數(shù)影響。掌握電壓變化率的定義、計(jì)算及其影響因素。*效率特性：描述效率η隨負(fù)載電流I2變化的關(guān)系（η=f(I2)）。理解效率計(jì)算公式，掌握最大效率的條件（可變損耗等于不變損耗）。2.4變壓器的參數(shù)測(cè)定*空載試驗(yàn)：在低壓側(cè)加額定電壓，高壓側(cè)開(kāi)路?？蓽y(cè)得變比k、空載損耗P0（近似為鐵耗）和勵(lì)磁阻抗Zm。*短路試驗(yàn)：在高壓側(cè)加電壓使短路電流達(dá)到額定值，低壓側(cè)短路?？蓽y(cè)得短路損耗PkN（近似為額定電流下的銅耗）和短路阻抗Zk。2.5三相變壓器*聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)：表示原、副邊繞組的聯(lián)結(jié)方式和線(xiàn)電壓相位關(guān)系。掌握時(shí)鐘表示法的含義，能根據(jù)繞組聯(lián)結(jié)方式判斷聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)（如Yyn0、Dyn11等）。*磁路系統(tǒng)：了解三相變壓器鐵心的結(jié)構(gòu)（芯式、殼式），以及三相磁路的特點(diǎn)（獨(dú)立磁路、共用磁路）。三、交流異步電動(dòng)機(jī)3.1異步電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)*基本工作原理：定子繞組通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流，進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速n1（同步轉(zhuǎn)速），存在轉(zhuǎn)差率s。*同步轉(zhuǎn)速n1：n1=60f1/p，其中f1為電源頻率，p為磁極對(duì)數(shù)。*轉(zhuǎn)差率s：s=(n1-n)/n1，是描述異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。*基本結(jié)構(gòu)：定子（鐵心、繞組、機(jī)座）和轉(zhuǎn)子（鐵心、繞組、轉(zhuǎn)軸）。轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線(xiàn)型。3.2異步電動(dòng)機(jī)的等效電路*轉(zhuǎn)子電路分析：理解轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率f2=sf1、轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2s=sE2、轉(zhuǎn)子漏電抗x2s=sx2以及轉(zhuǎn)子電流的計(jì)算。*頻率折算與繞組折算：掌握將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子等效為靜止的轉(zhuǎn)子（頻率折算，引入s），以及將轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)折算到定子側(cè)的方法。*T型等效電路：與變壓器的T型等效電路類(lèi)似，但需注意轉(zhuǎn)子回路中的轉(zhuǎn)差率s的影響。理解各參數(shù)（Rm、Xm、R1、X1σ、R2'、X2σ'）的物理意義。3.3異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。*電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式：Tem∝ΦmI2cosφ2，理解每個(gè)物理量的含義。*電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式：Tem=f(s)，掌握其推導(dǎo)過(guò)程，能分析各參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響。*機(jī)械特性曲線(xiàn)：描述電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率s）之間的關(guān)系。熟悉固有機(jī)械特性上的幾個(gè)特殊點(diǎn)：理想空載點(diǎn)（s=0,n=n1,Tem=0）、額定點(diǎn)（sN,nN,Tem=TemN）、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)（sm,Temmax）、啟動(dòng)點(diǎn)（s=1,n=0,Tem=Temst）。*最大轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：掌握最大轉(zhuǎn)矩Temmax的計(jì)算公式及其影響因素（與電源電壓平方成正比，與漏電抗有關(guān)，與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)）；掌握啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Temst的計(jì)算公式及其影響因素（與電源電壓平方成正比，與漏電抗有關(guān)，在一定范圍內(nèi)與轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)）。3.4異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng)*啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)的要求是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，啟動(dòng)電流盡可能小。*籠型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法：直接啟動(dòng)（全壓?jiǎn)?dòng)）、降壓?jiǎn)?dòng)（星形-三角形換接啟動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、定子串電阻或電抗器啟動(dòng)）。理解各種啟動(dòng)方法的原理、特點(diǎn)及適用場(chǎng)合。*繞線(xiàn)型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法：轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)（可增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小啟動(dòng)電流）。*調(diào)速：根據(jù)n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p，調(diào)速方法主要有：*變極調(diào)速（有級(jí)調(diào)速，改變定子繞組極對(duì)數(shù)p）；*變頻調(diào)速（平滑調(diào)速，改變電源頻率f1，需同時(shí)調(diào)壓）；*變轉(zhuǎn)差率調(diào)速（如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速（繞線(xiàn)型）、串級(jí)調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速）。理解各種調(diào)速方法的原理、性能及應(yīng)用。*制動(dòng)：使電動(dòng)機(jī)減速或停車(chē)。*能耗制動(dòng)（將轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能消耗在電阻上）；*反接制動(dòng)（電源相序反接或倒拉反接，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩）；*回饋制動(dòng)（電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，向電網(wǎng)回饋電能）。理解各種制動(dòng)方法的原理、能量關(guān)系及應(yīng)用。3.5異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性與選用*工作特性：包括轉(zhuǎn)速特性（n=f(P2)）、轉(zhuǎn)矩特性（Tem=f(P2)）、定子電流特性（I1=f(P2)）、功率因數(shù)特性（cosφ1=f(P2)）、效率特性（η=f(P2)）。理解各特性曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)及原因。*選用原則：根據(jù)負(fù)載性質(zhì)（恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、通風(fēng)機(jī)類(lèi)）、轉(zhuǎn)速要求、啟動(dòng)性能、運(yùn)行效率、電源情況等因素綜合選用。四、同步電機(jī)4.1同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理*基本結(jié)構(gòu)：分為旋轉(zhuǎn)磁極式（磁極在轉(zhuǎn)子）和旋轉(zhuǎn)電樞式（電樞在轉(zhuǎn)子），前者應(yīng)用廣泛。定子與異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)似（電樞繞組），轉(zhuǎn)子有顯極式和隱極式之分，并有勵(lì)磁繞組通入直流勵(lì)磁電流。*工作原理：定子繞組通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組通入直流電產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。在同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以相同的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速n1=60f/p）旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對(duì)靜止，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。4.2同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)是指定子電樞電流產(chǎn)生的電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)的影響。*電樞磁動(dòng)勢(shì)的性質(zhì)：取決于負(fù)載的性質(zhì)和大小。*不同負(fù)載情況下的電樞反應(yīng)：*電阻性負(fù)載（cosφ=1）：交軸電樞反應(yīng)，使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，對(duì)主磁場(chǎng)起交磁作用。*電感性負(fù)載（滯后cosφ）：除交軸電樞反應(yīng)外，還有直軸去磁電樞反應(yīng)。*電容性負(fù)載（超前cosφ）：除交軸電樞反應(yīng)外，還有直軸助磁電樞反應(yīng)。*電樞反應(yīng)的影響：影響氣隙磁場(chǎng)的大小和分布，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的端電壓和運(yùn)行穩(wěn)定性。4.3同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式與向量圖*隱極同步發(fā)電機(jī)：假設(shè)氣隙均勻，電樞反應(yīng)電抗為常數(shù)。掌握電動(dòng)勢(shì)平衡方程式（E0=U+I(Ra+jXs)）和向量圖（考慮不同功率因數(shù)角φ）。理解同步電抗Xd=Xad+Xσ的物理意義（表征電樞反應(yīng)和漏磁的綜合作用）。*凸極同步發(fā)電機(jī)：氣隙不均勻，需考慮直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗（Xad、Xaq）。掌握雙反應(yīng)理論，理解直軸同步電抗Xd=Xad+Xσ和交軸同步電抗Xq=Xaq+Xσ。了解其電動(dòng)勢(shì)平衡方程式和向量圖的特點(diǎn)。4.4同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性*空載特性：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載電流I=0時(shí)，端電壓U隨勵(lì)磁電流If變化的關(guān)系（U0=f(If)），其形狀與鐵心磁化曲線(xiàn)相似。*短路特性：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，端電壓U=0時(shí)，短路電流Ik隨勵(lì)磁電流If變化的關(guān)系（Ik=f(If)），近似為一條直線(xiàn)。*負(fù)載特性：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載電流I和功率因數(shù)cosφ為常數(shù)時(shí)，端電壓U隨勵(lì)磁電流If變化的關(guān)系（U=f(If)）。*外特性：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁電流If和功率因數(shù)cosφ為常數(shù)時(shí)，端電壓U隨負(fù)載電流I變化的關(guān)系（U=f(I)）。*調(diào)節(jié)特性：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，端電壓U和功率因數(shù)cosφ為常數(shù)時(shí)，勵(lì)磁電流If隨負(fù)載電流I變化的關(guān)系（If=f(I)）。4.5同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)通常是并聯(lián)在電網(wǎng)上運(yùn)行的。*并聯(lián)運(yùn)行的條件：待并發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序相同、頻率相等、電壓大小相等、電壓相位相同。*同步方法：準(zhǔn)同步法和自同步法的大致原理。*功角特性：同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，電磁功率Pe與功角δ（E0與U之間的夾角）的關(guān)系Pe=f(δ)。功角特性是研究同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，最大電磁功率Pemax對(duì)應(yīng)的功角稱(chēng)為臨界功角。*有功功率和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)：*有功功率的調(diào)節(jié)：通過(guò)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的輸入功率（改變油門(mén)、汽門(mén)等）來(lái)改變功角δ，從而調(diào)節(jié)輸出的有功功率。*無(wú)功功率的調(diào)節(jié)：在有功功率一定時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If來(lái)改變E0，從而調(diào)節(jié)輸出的無(wú)功功率。過(guò)勵(lì)時(shí)發(fā)出感性無(wú)功，欠勵(lì)時(shí)吸收感性無(wú)功（或發(fā)出容性無(wú)功）。4.6同步電動(dòng)機(jī)與同步調(diào)相機(jī)*同步電動(dòng)機(jī)：主要作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，其轉(zhuǎn)速恒為同步轉(zhuǎn)速。了解其啟動(dòng)方法（通常需要異步啟動(dòng)繞組），以及其功率因數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)（過(guò)勵(lì)時(shí)吸收容性無(wú)功，改善電網(wǎng)功率因數(shù)）。*同步調(diào)相機(jī)：實(shí)質(zhì)上是空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)，專(zhuān)門(mén)用于調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無(wú)功功率，改善功率因數(shù)。五、直流電機(jī)5.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理*基本結(jié)構(gòu)：由定子（主磁極、換向極、電刷裝置、機(jī)座）和轉(zhuǎn)子（電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸）組成。換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件。*工作原理：*直流發(fā)電機(jī)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割主磁場(chǎng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)換向器和電刷的作用，在電刷兩端獲得直流電動(dòng)勢(shì)。*直流電動(dòng)機(jī)：電樞繞組通入直流電，在主磁場(chǎng)中受到電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，通過(guò)換向器和電刷的作用，使轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)。*勵(lì)磁方式：根據(jù)勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接方式，分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)。5.2直流電機(jī)的電樞反應(yīng)*電樞磁動(dòng)勢(shì)：電樞繞組通入電流后產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)，其軸線(xiàn)位置與電刷位置相關(guān)（通常在幾何中性線(xiàn)）。*電樞反應(yīng)的影響：使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變（物理中性線(xiàn)偏移），并對(duì)主磁場(chǎng)產(chǎn)生去磁或助磁作用（取決于電刷位置和勵(lì)磁方式）。理解直軸電樞反應(yīng)和交軸電樞反應(yīng)。5.3直流電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩*感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（電樞電動(dòng)勢(shì)）Ea：Ea=CeΦn，其中Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Φ為每極磁通，n為轉(zhuǎn)速。*電磁轉(zhuǎn)矩Tem：Tem=CTΦIa，其中CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Φ為每極磁通，Ia為電樞電流。*理解Ea和Tem的物理意義及在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的作用。5.4直流電動(dòng)機(jī)*基本方程式：電壓平衡方程式（U=Ea+IaRa+2ΔUb），轉(zhuǎn)矩平衡方程式（Tem=T2+T0），功率平衡方程式。*工作特性：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性包括轉(zhuǎn)速特性（n=f(Ia)或n=f(Tem)）、轉(zhuǎn)矩特性（Tem=f(Ia)）、效率特性（η=f(P2)）。理解串勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性的特點(diǎn)（軟特性，空載轉(zhuǎn)速極高）。*啟動(dòng)、調(diào)速與制動(dòng)：*啟動(dòng)：要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小。常用電樞回路串電阻啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)。*調(diào)速：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有電樞串電阻調(diào)速、降壓調(diào)速和弱磁調(diào)速。理解各種調(diào)速方法的原理、調(diào)速范圍、平滑性、經(jīng)濟(jì)性及機(jī)械特性變化。*制動(dòng)：能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)（電源反