《电机学》教学大纲
课程编码:01010003*
课程名称:电机学
英文名称:Electrical Machinery
学 时:64学时
学 分:4
课程性质:专业核心课(必修)
适用对象:电气工程及其自动化
开设学期:4
先修课程:《高等数学》 、《大学物理》 、《电路》等
后续课程:《电力系统基础》 、《电力系统暂态分析》 ,《电力系统继电保护》等
开课单位:电力学院
所属模块:专业基础模块
注:本课程实验部分为单列课。
一、课程简介
《电机学》课程是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课程,也是一门专业核心课程,是一门理论性和实践性都很强的课程。通过本课程的学习,使学生系统掌握变压器、异步电机、同步电机的基本结构、工作原理与运行特性;使学生初步具备电机学的基础知识及分析和应用能力;并能建立电机的工程模型,解决电机分析、运行、计算等工程问题,为后续课程的学习提供支持和储备,为将来从事专业技术工作打下坚实的基础。本课程的学习为后续的“电机检修实习”、“电机测试实习”提供理论支撑。本课程除了学习专业基础知识外,还培养学生查找文献、团队合作、沟通交流、写作能力。
二、课程教学目标
课程目标1(LO1): 正确表述电机的基本结构、分类、基本工作原理,额定参数。(支撑毕业要求1.1)
课程目标2 (LO2): 正确表述电机的电磁原理、平衡方程、等效电路和相量图,建立电机的工程模型。(支撑毕业要求1.2)
课程目标3 (LO3): 应用电机的工程模型,学会电机的参数测定实验及参数计算,学会分析电机的运行特性或工作特性,并具备进行工程计算的能力。(支撑毕业要求3.1)
三、课程教学目标与毕业要求的对应关系
毕业要求 | 毕业要求指标点具体内容 | 课程目标 |
毕业要求1.1 【工程知识】 | 掌握数学、物理等自然科学和计算机知识,并能用于电气工程问题的恰当表述。 | LO1 |
毕业要求1.2 【工程知识】 | 掌握专业基础知识、并能运用于对电气工程问题中的基础环节、元件进行数学建模并求解。 | LO2 |
毕业要求3.1 【设计/开发解决方案】 | 掌握设计电气工程系统方案的基本流程、基本方法和技术,能够根据具体的工程技术条件和影响因素,对复杂电气工程问题进行的需求分析。 | LO3 |
四、教学内容、重难点和课时安排
内容一:绪论 [2学时](LO1)
1.电机的功能与用途、电机的分类;
2.本课程的性质与内容;
3.铁磁材料的特性及电磁定律。※
内容二:变压器基本工作原理、结构 [2学时](LO1& LO2)
1. 变压器的基本工作原理和额定值;※
2. 分类、基本结构。
内容三:变压器的基本理论和特性 [16学时](LO1& LO2& LO3)
1.变压器运行时的电磁关系;※
2.变压器的折算、基本方程式、等效电路和相量图;※
3. 变压器参数测定方法,标么值的概念及应用;※
4.三相变压器磁路结构的特点,联结组标号的概念及判定方法;※
5.联结组标号和磁路结构对相绕组电动势波形的影响;
6.变压器的外特性、效率特性及其相关的计算;※
7.变压器并联运行的条件和并联运行时的负载分配计算;※
8.空载合闸和突然短路及对变压器的影响;
9. 三相变压器的不对称运行。
内容四:特殊变压器 [2学时]( LO1& LO2& LO3)
1.三绕组变压器结构特点、容量配合及参数测定方法;
2.自耦变压器的用途、结构特点及容量关系;
3.分裂变压器结构特点、运行方式、参数及主要优点;
4. 互感器的用途、结构特点及使用注意事项。
内容五:三相交流绕组、感应电动势和磁动势 [4学时]( LO1& LO2)
1.交流绕组的构成方式;
2. 每相绕组基波感应电动势公式,改善电动势波形的方法和原理;
3.单相和三相绕组基波合成磁动势的性质。※
内容六:三相异步电动机基本工作原理和结构 [2学时](LO1& LO2)
1.三相异步电动机的基本结构、基本工作原理、转差率及三种运行状态;※
2.三相异步电动机的额定值。※
内容七:三相异步电动机的基本理论和基本性能 [14学时]( LO1& LO2& LO3)
1.异步电动机运行时的电磁关系;※
2.异步电动机折算和等效电路;※
3. 异步电动机功率平衡和转矩平衡方程式、转矩特性;※
4.异步电动机的性能指标、工作特性;
5.三相电动机的起动和调速方法与特点;
6. 三相异步电动机在不对称电压下的运行性能,单相异步电动机。
内容八:同步发电机基本工作原理和结构 [2学时](LO1& LO2)
1.同步发电机的基本工作原理、类型和额定值;※
2.同步发电机的基本结构。
内容九:同步发电机的基本理论和运行特性 [16学时](LO2& LO3)
1.同步发电机的电枢反应概念和性质;※
2.负载时电磁关系、电动势方程式和相量图;※
3.同步发电机的各种运行特性;
4.同步发电机的并联运行条件及方法;※
5. 同步发电机功角特性和有功功率调节方法;
6. 功角双重物理意义,发电机静态稳定概念;※
7.同步发电机的无功功率调节方法及V形曲线;※
8. 同步电动机和同步调相机。
内容十:同步发电机异常运行和突然短路 [4学时](LO2)
1.同步发电机的不对称运行、失磁运行、振荡;
2.同步发电机的三相突然短路。※
五、课程教学方法
1. 采用多媒体课件、课堂演示、网络教学资源和传统教学相结合进行教学。
2. 小组讨论。课堂上给定小组讨论题目,组织学生进行讨论,获得正确答案,锻炼学生分析问题和解决问题的能力。
3. 撰写报告。学生通过教材、文献查阅、网络等多渠道收集资料,整理资料,按照报告格式进行编辑,最终形成二篇报告。
4. 组织线上随堂测验和单元测验,督促学生及时复习所学内容,提高学生自主学习能力。
5. 教学进度安排
教学进度安排见附表 1。
6. 教学方法与课程目标的对应关系
教学方法 | 周数 | LO1 | LO2 | LO3 |
课堂讲授 | 1-13 | √ | √ | √ |
课堂演示 | 1,3,5,6,9,12 | √ | √ | √ |
撰写报告 | 1-13 | √ | √ | √ |
小组讨论 | 1-13 | √ | √ | √ |
随堂测验 | 2,3,8,10,13 | √ | √ | |
单元测验 | 5,9,12 | | | √ |
六、课程教学评价方法
总评成绩构成(100%)=作业(5%)+随堂测验(10%)+单元测验(15%)+报告(10%)+期末考试(60%)
课程目标 | 考核与评价方式及成绩比例(%) | 成绩比例 (%) |
作业 | 随堂测验 | 单元测验 | 报告 | 期末考试 |
LO1 | 1 | 2 | | 2 | 5 | 10 |
LO2 | 2 | 8 | | 4 | 30 | 44 |
LO3 | 2 | | 15 | 4 | 25 | 46 |
合计 | 5 | 10 | 15 | 10 | 60 | 100 |
1. 随堂测验、单元测验和期末考试评分标准见试卷答案及评分标准。
2. 作业和报告评价标准参见附表2。
七、教材及参考书目
1. 教材
[1] 吕宗枢. 电机学[M]. 北京:高等教育出版社,2014.
2. 参考书目
[1] 赵君有. 电机学[M]. 北京:中国电力出版社,2016.
[2] 胡虔生. 电机学[M]. 北京:中国电力出版社,2009.
附表1:教学进度安排
周次 | 学时 | 主题或内容 | 教学方法 | 时长 | 课程 目标 |
1 | 2 | 绪论 | 讲授 | 90min | LO2 |
2 | 变压器基本工作原理、结构、分类,型号、额定值 | 讲授 | 70min | LO1 |
课堂演示:变压器的结构部件 | 10min |
小组讨论:变压器能否改变直流电压? | 10min |
2 | 2 | 单相变压器的空载运行 | 讲授 | 90min | LO2 |
2 | 单相变压器的负载运行 | 讲授 | 80min | LO2 |
随堂测验 | 10min |
2 | 变压器的参数测定 标么值及其应用 | 讲授 | 90min | LO3 |
3 | 2 | 三相变压器的磁路结构 三相变压器的联结组别 | 讲授 | 70min | LO 1 LO 2 |
演示(展示):三相变压器的结构 | 10min |
随堂测验 | 10wmin |
2 | 绕组联结组别和磁路结构对相电动势波形的影响 | 讲授 | 70min | LO 3 |
小组讨论:Yd接线的三相变压 器的电动势波形?变压器如何改善电动势波形? | 20min |
4 | 2 | 变压器的运行特性 | 讲授 | 75min | LO 3 |
小组讨论:变压负载后,端电压是如何变化的?如果超出允许范围,如何调整? 变压器何时效率最高? | 15min |
2 | 变压器的并联运行 | 讲授 | 90min | LO 3 |
2 | 变压器空载和三相突然短路,三相变压器的不对称运行 | 讲授 | 45min | LO 3 |
小组讨论:空载合闸时为什么会出现励磁涌流?何时出现? 突然短路电流对变压器有何影响?如何画零序等效电路? | 45min |
5 | 2 | 特殊变压器 | 讲授 | 40min | LO 1 LO 2 LO 3 |
演示(展示):特殊变压器的结构图 | 5min |
单元测验 | 45min |
2 | 三相交流绕组 | 讲授 | 75min | LO 1 |
演示:实物及展开图 | 15min |
6 | 2 | 交流绕组的感应电动势 | 讲授 | 75min | LO 2 |
小组讨论:如何改善交流绕组电势波形? | 15min |
2 | 交流绕组产生的磁动势 | 讲授 | 75min | LO 3 |
演示:三相合成磁动势的波形 | 15min |
2 | 三相异步电动机的基本工作原理和结构 | 讲授 | 75min | LO 1 |
演示:三相异步电动机的结构实物 | 15min |
7 | 2 | 三相异步电动机的空载和负载运行 | 讲授 | 90min | LO 2 |
2 | 三相异步电动机折算、等效电路相量图 | 讲授 | 75min | LO 2 |
小组讨论:三相异步电动机的电磁关系与变压器的有何不同? | 15min |
8 | 2 | 三相异步电动机功率、转矩平衡方程式、电磁转矩 | 讲授 | 75min | LO 3 |
随堂测验:功率流程 | 15min |
2 | 三相异步电动机性能指标与工作特性、起动 | 讲授 | 90min | LO 3 |
2 | 三相异步电动机的调速,三相异步电动机在不对称电压下运行 | 讲授 | 80min | LO 3 |
小组讨论:不对称电压下为何不考虑零序合成磁通? | 10min |
9 | 2 | 单相异步电动机 | 讲授 | 40min | LO 1 LO 3 |
演示:单相异步电动机的结构 | 5min |
单元测验 | 45min |
2 | 同步发电机基本工作原理和结构 | 讲授 | 80min | LO 1 |
演示:同步电机的结构实物、图片 | 10min |
10 | 2 | 同步发电机的空载运行、电枢反应 | 讲授 | 70min | LO 2 LO 3 |
小组讨论:同步发电机带上不同性质的负载后,频率和端电压如何变化,为什么? | 20min |
2 | 隐极同步发电机电动势方程和相量图 凸极同步发电机电动势方程和相量图 | 讲授 | 80min | LO 2 |
随堂测验:画相量图 | 10min |
2 | 同步发电机运行特性 | 讲授 | 75min | LO 3 |
小组讨论:1)空载特性能否在非额定转速下测得?2)短路特性曲线为何是一条过原点的直线? | 15min |
11 | 2 | 同步发电机的并联条件与方法 | 讲授 | 75min | LO 2 |
小组讨论:同步发电机为何要满足并联条件后才可以并联? | 15min |
2 | 同步发电机功角特性,有功功率调节和静态稳定 | 讲授 | 75min | LO 3 |
小组讨论:同步发电机的功角有何物理意义?如何调节有功功率? | 15min |
12 | 2 | 同步发电机无功功率调节和V形曲线 (1) | 讲授 | 75Min | LO 3 |
演示:同步发电机的相量图 | 10min |
2 | 同步发电机无功功率调节和V形曲线(2) | 讲授 | 75min | LO 3 |
小组讨论:调节无功功率时有功功率和静态稳定性如何变化? | 15min |
2 | 习题课 | 讲授 | 45min | LO 3 |
单元测验 | 45min |
13 | 2 | 同步电动机和同步调相机 | 讲授 | 80min | LO 2 |
随堂测验:判断同步电机运行状态的依据 | 10min |
2 | 同步发电机异常运行和瞬态短路,复习 | 讲授 | 90min | LO 2 LO 3 |
附表 2: 评价标准
1. 作业占总成绩5%,考核标准如下:
权重 | 课程目标 | 4.0-5.0分 | 3.0-3.9分 | 2.0-2.9分 | 1.0-1.9分 | 0.0-0.9分 |
电机学基本概念(权重 20%) | LO1 | 按照规定时间提交,作业内容完整,书写工整,正确率90%以上。 | 按照规定时间提交,作业内容完整,书写基本规范,正确率80%以上。 | 能按照规定时间提交,作业内容基本完整,书写基本规范,正确率70%以上。 | 能按照规定时间提交,作业内容不完整,书写不规范,正确率60%以上。 | 没有按时提交作业;或者作业内容不完整,书写不规范,正确率40%以下。 |
电机工程模型建立(权重40%) | LO2 |
电机参数的测定和性能分析及其计算(权重40%) | LO3 |
2. 报告占总成绩 10%, 考核标准如下:
观测点 | 教学目标 | 9-10分 | 8.0-8.9分 | 7.0-7.9分 | 6.0-6.9分 | 0-5.9分 |
电机学基本概念(权重20%) | LO1 | 按时提交,格式正确,报告内容叙述完整,包含目标1-3,报告内容客观,会利用已经学过知识分析问题,表达清晰。 | 按时提交,格式基本正确,报告内容叙述基本完整,包含目标1-3,报告内容客观,会利用已经学过知识分析问题,表达基本清晰。 | 按时提交,格式基本正确,报告内容叙述基本完整,包含目标1-3,报告内容虽有小错误,但能利用已经学过知识进行简单分析问题,表达基本清晰。 | 按时提交,格式基本正确,报告内容叙述略有缺陷,基本包含目标1-3,报告内容有一定的错误,但能利用已经学过知识进行简单分析问题,表达略显不清晰。 | 没有提交;或者报告内容太少、格式凌乱,没有分析。 |
电机工程模型建立(权重40%) | LO2 |
电机参数测定和性能分析及计算(权重40%) | LO3 |