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電機與電力拖動
本書是在河北省一流課程“電機與電力拖動”建設(shè)期間編寫的適合電氣工程及其自動化、自動化等專業(yè)的基礎(chǔ)課教材, 內(nèi)容包括電機原理、電力拖動和控制電機等, 既滿足電氣工程及其自動化專業(yè)后續(xù)專業(yè)課對同步電機和變壓器等基礎(chǔ)知識的需要, 又兼顧到自動化專業(yè)對電力拖動知識的需求。本書分為8章, 分別講述了直流電機及電力拖動、異步電動機及電力拖動、電動機的選擇、同步發(fā)電機的原理及特性、交流繞組的結(jié)構(gòu)和原理、典型控制電機的原理和應(yīng)用等內(nèi)容。各章節(jié)設(shè)有內(nèi)容導(dǎo)學(xué)、知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、小結(jié)和思考與練習(xí), 便于教師組織教學(xué)和學(xué)生自學(xué), 也便于進行過程化考核;例題講解視頻和課程思政元素通過二維碼鏈接給出;此外, 書末還附有兩套試卷及答案。
本書可以作為電氣類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)電機與電力拖動的教材, 也可以為相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員提供參考。
本書由河北省一流課程“電機與電力拖動”建設(shè)團隊聯(lián)合其他兄弟院校教師、企業(yè)專家共同編寫,通過教材建設(shè), 實現(xiàn)和其他高校、企業(yè)優(yōu)勢互補, 豐富教學(xué)內(nèi)容, 促進一流課程建設(shè), 同時帶動師資隊伍建設(shè)和教學(xué)團隊建設(shè), 全面提升教師的教學(xué)水平。
本書內(nèi)容涵蓋電機原理、電力拖動和控制電機等, 介紹了交/直流電機、變壓器的基本構(gòu)造、運行原理,分析了同步發(fā)電機的功率調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定,討論了電動機的機械特性及起動、制動和調(diào)速的方法, 還介紹了幾種典型的控制電機的原理和應(yīng)用。 書中配備了豐富的思考與練習(xí)、自測題和例題講解視頻等。
本書參考和借鑒了國內(nèi)外優(yōu)秀電機教材, 并結(jié)合編者自身教學(xué)經(jīng)驗和學(xué)生需求形成了特色鮮明的“學(xué)、教、做三維立體化”的結(jié)構(gòu)模式。其特點如下:
· 取“百家”之長本書內(nèi)容參考了國內(nèi)外眾多優(yōu)秀電機教材和手冊, 并進行了提煉, 形成了自己的特色。編寫團隊成員既有一線教師, 也有企業(yè)專家, 既有教學(xué)經(jīng)驗豐富的資深教師, 也有年富力強的高學(xué)歷教師,成員來自不同單位, 群策群力, 優(yōu)勢互補。
· 內(nèi)容結(jié)構(gòu)立體化本書采用“學(xué)、教、做三維立體化”的結(jié)構(gòu)模式, 內(nèi)容建立在學(xué)生已有知識基礎(chǔ)之上, 便于學(xué)生預(yù)習(xí)和自學(xué);教材結(jié)構(gòu)經(jīng)過細化, 方便教師組織任務(wù)驅(qū)動式的教學(xué);其中的工程案例可供教師拓展為案例教學(xué);二維碼鏈接的思政元素則可方便教師進行課程思政教學(xué)。
本書大部分小節(jié)后配備了思考與練習(xí), 便于學(xué)生鞏固知識;書末所附的自測題, 便于教師檢測教學(xué)效果, 學(xué)生也可以用來自檢。另外, 二維碼鏈接的例題視頻講解可方便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。
· 采用引導(dǎo)的方式, 便于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣本書內(nèi)容由電路、物理相關(guān)內(nèi)容導(dǎo)入, 每章內(nèi)容由上一章內(nèi)容或?qū)嶋H問題導(dǎo)入, 每一節(jié)也有相應(yīng)的內(nèi)容導(dǎo)入。這種方式可讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí), 在已有的知識基礎(chǔ)上層層遞進, 便于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣, 培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)習(xí)慣。
· 便于實現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)本書內(nèi)容選取依照學(xué)生的專業(yè)崗位需求, 結(jié)構(gòu)安排符合學(xué)生的認知規(guī)律, 立體化的結(jié)構(gòu)模式便于教師引導(dǎo)學(xué)生進行預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)、練習(xí),完成整個學(xué)習(xí)過程。
· 引入課程思政內(nèi)容本書結(jié)合課程內(nèi)容, 引入了一些思政案例, 便于教學(xué)過程中使用, 從而實現(xiàn)既教書又育人的教學(xué)目標(biāo)。
· 配備豐富資源本書配備了課件、實驗案例、QQ交流群等學(xué)習(xí)資源,線上資源正在建設(shè)和完善中。
本書由河北水利電力學(xué)院的王志勇副教授任主編, 并編寫了第1章、第3章及前言和自測題等內(nèi)容;滄州師范學(xué)院的史瑞雪老師編寫了第5章; 河北水利電力學(xué)院的江洪副教授編寫了第6章; 河北水利電力學(xué)院的馬麗老師編寫了第2章、第8章,和紅梅老師編寫了第4章,蘇敬芳老師編寫了第7章。保定天威集團有限公司的張炳旭高工和秦皇島科技師范學(xué)院的馬玉泉教授、崔麗娜老師參加了教材的組稿和實踐考察, 并提出了許多修改建議。全書由王志勇副教授統(tǒng)稿。
在本書的編寫過程中, 我們查閱了許多文獻資料, 得到了很多啟發(fā), 在此向相關(guān)作者表示誠摯的謝意,同時對校系領(lǐng)導(dǎo)的支持、 企業(yè)專家的指導(dǎo)表示衷心的感謝。
由于編寫水平所限, 書中難免有不足之處, 懇請讀者批評指正。
編 者
2021.10
第1章 電機基礎(chǔ)知識 1
1.1 電機的發(fā)展歷史及其應(yīng)用 1
1.2 學(xué)習(xí)電機課程應(yīng)具備的理論知識 2
1.3 課程特點及學(xué)習(xí)方法 6
小結(jié) 7
思考與練習(xí) 7
第2章 直流電機及電力拖動 9
2.1 直流電機基礎(chǔ)知識 9
2.1.1 直流電機基本工作原理 10
2.1.2 直流電機的基本結(jié)構(gòu)與額定值 12
2.1.3 直流電機的勵磁方式 15
2.1.4 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 17
小結(jié) 18
思考與練習(xí) 18
2.2 電力拖動系統(tǒng)動力學(xué) 19
2.2.1 電力拖動系統(tǒng)運動方程式 19
2.2.2 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化 21
2.2.3 負載的轉(zhuǎn)矩特性與電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 23
小結(jié) 26
思考與練習(xí) 26
2.3 直流電動機 27
2.3.1 直流電動機的基本方程式 28
2.3.2 直流電動機的機械特性 30
2.3.3 直流電動機的起動和改變轉(zhuǎn)向的方法 33
2.3.4 直流電動機的調(diào)速與制動 35
小結(jié) 44
思考與練習(xí) 45
第3章 變壓器 47
3.1 變壓器的基礎(chǔ)知識 47
3.1.1 變壓器的基本工作原理 48
3.1.2 變壓器的類型及其基本結(jié)構(gòu) 49
3.1.3 變壓器的銘牌 53
小結(jié) 55
思考與練習(xí) 55
3.2 單相變壓器的運行 56
3.2.1 單相變壓器的空載運行 57
3.2.2 單相變壓器的負載運行 61
小結(jié) 65
思考與練習(xí) 65
3.3 變壓器參數(shù)的測定及標(biāo)幺值 67
3.3.1 變壓器參數(shù)的測定 67
3.3.2 標(biāo)幺值 70
小結(jié) 72
思考與練習(xí) 72
3.4 變壓器的運行特性 73
3.4.1 變壓器的外特性 74
3.4.2 變壓器的效率特性 75
小結(jié) 77
思考與練習(xí) 78
3.5 三相變壓器 78
3.5.1 三相變壓器的磁路系統(tǒng) 79
3.5.2 三相變壓器的連接組別 80
小結(jié) 85
思考與練習(xí) 85
3.6 三相變壓器的并聯(lián)運行 86
3.6.1 三相變壓器并聯(lián)運行的理想條件 87
3.6.2 理想條件的必要性分析 88
小結(jié) 91
思考與練習(xí) 91
3.7 其他變壓器 92
3.7.1 三繞組變壓器 92
3.7.2 自耦變壓器 93
3.7.3 儀用互感器 95
小結(jié) 98
思考與練習(xí) 98
第4章 交流繞組及其電動勢和磁動勢 100
4.1 交流繞組的結(jié)構(gòu) 100
4.1.1 交流繞組基礎(chǔ)知識 101
4.1.2 三相單層繞組 103
4.1.3 三相雙層繞組 106
小結(jié) 107
思考與練習(xí) 107
4.2 交流繞組的電動勢 108
4.2.1 正弦分布磁場下的繞組電動勢 108
4.2.2 改善電動勢波形的方法 112
小結(jié) 114
思考與練習(xí) 115
4.3 交流繞組的磁動勢 116
4.3.1 單相繞組的磁動勢及分解 116
4.3.2 三相繞組的磁動勢 121
小結(jié) 123
思考與練習(xí) 123
第5章 同步電機 126
5.1 同步發(fā)電機基礎(chǔ)知識 126
5.1.1 同步發(fā)電機的基本工作原理 127
5.1.2 同步發(fā)電機的類型和基本結(jié)構(gòu) 128
5.1.3 三相同步發(fā)電機的勵磁方式 130
5.1.4 同步發(fā)電機的銘牌 132
小結(jié) 134
思考與練習(xí) 134
5.2 同步發(fā)電機的空載運行 135
5.2.1 同步發(fā)電機的空載氣隙磁場 136
5.2.2 同步發(fā)電機的空載特性及實際應(yīng)用 137
小結(jié) 138
思考與練習(xí) 138
5.3 同步發(fā)電機的負載運行 139
5.3.1 同步發(fā)電機的電樞反應(yīng) 140
5.3.2 不同內(nèi)功率因數(shù)角的電樞反應(yīng)性質(zhì) 141
小結(jié) 144
思考與練習(xí) 144
5.4 同步發(fā)電機的電動勢方程和相量圖 145
5.4.1 隱極同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖 146
5.4.2 凸極同步發(fā)電機的電動勢方程式和相量圖 149
小結(jié) 151
思考與練習(xí) 152
5.5 同步發(fā)電機的運行特性 153
5.5.1 同步發(fā)電機短路特性 153
5.5.2 同步發(fā)電機外特性 155
5.5.3 同步發(fā)電機調(diào)整特性 156
5.5.4 同步發(fā)電機的損耗和效率 156
小結(jié) 157
思考與練習(xí) 157
5.6 同步發(fā)電機并聯(lián)運行的方法和條件 158
5.6.1 同步發(fā)電機并聯(lián)運行的條件 159
5.6.2 同步發(fā)電機投入并聯(lián)運行的方法 160
小結(jié) 162
思考與練習(xí) 163
5.7 并聯(lián)運行時有功功率的調(diào)節(jié)和靜態(tài)穩(wěn)定 163
5.7.1 同步發(fā)電機功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程 163
5.7.2 同步發(fā)電機功角特性 165
5.7.3 有功功率調(diào)節(jié) 167
5.7.4 靜態(tài)穩(wěn)定 168
小結(jié) 169
思考與練習(xí) 170
5.8 并聯(lián)運行時無功功率的調(diào)節(jié)和V形曲線 171
5.8.1 無功功率的調(diào)節(jié) 172
5.8.2 同步發(fā)電機的V形曲線 173
小結(jié) 174
思考與練習(xí) 174
5.9 同步電動機與同步調(diào)相機 175
5.9.1 同步電動機 176
5.9.2 同步調(diào)相機 179
小結(jié) 180
思考與練習(xí) 180
第6章 異步電動機及電力拖動 182
6.1 三相異步電動機基礎(chǔ)知識 182
6.1.1 三相異步電動機的工作原理 183
6.1.2 三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu) 186
6.1.3 三相異步電動機的額定值 189
小結(jié) 190
思考與練習(xí) 191
6.2 三相異步電動機的運行分析 192
6.2.1 三相異步電動機轉(zhuǎn)子靜止時的運行 193
6.2.2 三相異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的運行 200
6.2.3 三相異步電動機的功率和電磁轉(zhuǎn)矩 207
6.2.4 三相異步電動機的機械特性 210
6.2.5 三相異步電動機的工作特性分析及參數(shù)測定 216
小結(jié) 220
思考與練習(xí) 220
6.3 三相異步電動機的起動、調(diào)速和制動 223
6.3.1 三相異步電動機的起動方法 223
6.3.2 深槽式和雙鼠籠式異步電動機 230
6.3.3 三相異步電動機的調(diào)速方法 232
6.3.4 三相異步電動機的制動方法 242
小結(jié) 249
思考與練習(xí) 249
6.4 單相異步電動機 252
6.4.1 單相異步電動機的工作原理 253
6.4.2 單相異步電動機的起動與反轉(zhuǎn) 254
小結(jié) 257
思考與練習(xí) 257
第7章 電力拖動系統(tǒng)電動機的選擇 259
7.1 電動機的發(fā)熱、冷卻及電動機的工作制分類 259
7.1.1 電動機的發(fā)熱過程 259
7.1.2 電動機的冷卻過程 261
7.1.3 電動機的工作制分類 262
7.2 電動機功率的選擇 264
7.2.1 連續(xù)工作制電動機額定功率的選擇 264
7.2.2 短時工作制電動機額定功率的選擇 266
7.2.3 斷續(xù)周期工作制電動機額定功率的選擇 268
7.3 電動機的類型、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速的選擇 268
7.3.1 電動機類型的選擇 269
7.3.2 電動機額定電壓的選擇 269
7.3.3 電動機額定轉(zhuǎn)速的選擇 270
小結(jié) 270
思考與練習(xí) 271
第8章 控制電機 272
8.1 伺服電動機 272
8.1.1 直流伺服電動機 273
8.1.2 交流伺服電動機 275
8.2 測速發(fā)電機 278
8.2.1 直流測速發(fā)電機 278
8.2.2 交流測速發(fā)電機 281
8.3 步進電動機 283
8.3.1 步進電動機的分類與結(jié)構(gòu) 283
8.3.2 步進電動機的工作原理 285
8.3.3 步進電動機的特性 286
小結(jié) 289
思考與練習(xí) 289
自測題 291
試卷一 291
試卷二 293
參考文獻 296
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