《船舶电气设备及系统》郑华耀主编_课后习题参考答案.doc 49页

'《船舶电气设备及系统》郑华耀主编课后习题参考答案第1章电与磁1-1、铁磁材料具有哪三种性质？答：铁磁材料具有“高导磁率”、“磁饱和”以及“磁滞和剩磁”等三种性质。1-2、为什么通电线圈套在铁心上，它所产生的磁通会显著增加？答：通电线圈未套在铁心上时，其产生的磁通所经过的磁路主要是空气隙，磁阻很大，因此磁通一般较小。当通电线圈套在铁心上时，磁通所经过的磁路有很大的一段是由铁磁材料组成的，磁路的磁阻显著下降，所以它所产生的磁通会显著增加。1-3、铁磁材料在交变磁化时，为什么会产生磁滞和涡流损耗？直流电磁铁的铁心为什么是由整块铸铁制成的？答：①由于铁磁材料有磁滞和剩磁的性质，需要一定的外界提供一定的能量来克服磁滞和剩磁的作用实现交变磁化，因此交变磁化时会产生磁滞损耗。交变磁化的磁通将在铁心中感应电动势，而由于铁磁材料本身具有一定的导电能力，感应的电动势将在铁心中形成涡流（以铁心中心轴线为圆心的同心环形电流），涡流在导体上产生的损耗就是涡流损耗。②直流电磁铁产生的磁通是大小和方向都恒定不变的直流磁通，直流磁通不会产生涡流损耗，因此没有必要象交流电磁铁那样采用硅钢片制造，为了使制造工艺简化，直流电磁铁的铁心就常常采用整块铸铁制成。1-4、标出图1-23中通电导体A、B和C所受电磁力的方向。答：参考书P.17页，根据左手定则，通电导体A所受电磁力的方向为从右往左；通电导体B所受电磁力的方向为从左往右；通电导体C有两个导体，左下边的导体所受电磁力的方向为从左往右，右上边导体所受电磁力的方向为从右往左，若两个导体是一个线圈的两个边，则这个线圈将受到逆时针的电磁转矩。1-5、应用右手定则，确定图1-24中的感应电动势方向或磁场方向（图中箭头表示导体运动方向，Ä⊙表示感应大多数方向）。答：（参考书P.17页）①在图(a)中磁场为左N右S，导体从上往下运动，根据右手定则感应电动势的方向应该为由纸面指向外，即用⊙表示；②在图(b)中磁场为右N左S，导体从下往上运动，根据右手定则感应电动势的方向应该为由纸面指向外，即也用⊙表示；③图(c)感应电动势的方向为Ä，是由外指向纸面，运动方向从下往上运动，根据右手定则，作用两边的磁场应该是左N右S；④图(d)中磁场为右N左S，感应电动势为⊙，是由纸面指向外，导体运动方向应该是从下往上。1-6、什么是自感？如何确定自感电动势的方向？在图1-25所示的电路中，绘出开关SA闭合时自感电动势的方向和开关打开时自感电动势的方向。答：所谓自感，有两层意思：一是指线圈的自感现象；二是指自感系数（反映线圈产生自感电动势的能力，即自感系数L的数值）。① 当线圈通入变化的电流时，变化电流产生的磁通也是变化的，变化磁通在线圈本身感应电动势的现象称为自感现象，即由于自身电流在自身感应电动势的现象，简称自感。②线圈的匝数与磁路导磁能力不同时，即使电流的大小和变化率相同，感应的自感电动势将是不同的，反映线圈产生自感电动势能力的参数为自感系数L，简称自感。在自感现象中感应的自感电动势方向与阻碍磁通变化的方向符合右手螺旋定则，即感电动势总是力图阻碍磁通和电流变化的。根据右手螺旋定则，在图1-25所示的电路中，当SA闭合时，线圈中的电流i将按图中所示方向增加，产生的磁通在从下往上的方向上增加，因此自感电动势的方向是线圈的上端为正，下端为负。当SA打开时，线圈中的电流i将按图中所示方向减少，产生的磁通在从下往上的方向上减少，因此自感电动势的方向是线圈的上端为负，下端为正。1-7、交、直流接触器有什么不同点？（注：本题主要指交、直流接触器的电磁机构）答：交、直流接触器的不同点基本上体现在交、直流电磁铁的不同点上，即，它们的电磁机构的不同点上。交、直流接触器电磁机构的主要不同点有：①铁心构造不同，②线圈结构不同，③工作原理方面存在差异。具体如下：铁心构造方面的不同：交流电磁铁的铁心由钢片叠压而成，且一般有短路环；直流电磁铁的铁心一般由整块铸铁制成，且不设短路环。交流电磁铁为了减少涡流损耗，铁心的应该由片间涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成。此外为了避免铁心中因磁通过零而出现的吸力为零，从而出现衔铁振动现象，交流电磁铁的铁心一般设有短路环。而直流电磁铁因为稳定运行时不会产生涡流损耗，为了简化工艺等，铁心通常由整块铸铁制成。直流电磁铁铁心产生的吸力恒定不变，因此不需要设置短路环。线圈结构方面的不同：交流电磁铁线圈是带骨架的“矮胖形”线圈，线径粗，匝数少；直流电磁铁线圈是不带骨架的“细长形”线圈，线径细，匝数多。交流电磁铁工作时铁心会产生磁滞损耗，线圈也会产生铜损耗，这些损耗都将转换成热量，为了增加线圈与铁心的散热效果，交电磁铁的线圈通常做成“矮胖形”，绕制在专门的骨架上，与铁心之间形成一定的间隙以利于它们各自的散热。直流电磁铁稳定工作时不会产生铁损耗，温度通常较线圈低，因此，直流电磁铁的线圈通常直接绕在与铁心紧密贴在一起的绝缘材料上，这样，线圈产生的热量容易通过铁心散发，为了增加散热效果，直流电磁铁的线圈则通常做成“细长形”，以利于与铁心的接触面积。此外，交流电磁铁工作时感应电动势平衡电源电压，起限流作用，为了使其有足够的吸力，线圈的线阻应较小，因而线径较粗，匝数少。而直流电磁铁工作时不感应电动势，为了限制通过线圈的电流，线圈的线阻应较大，因而线径较细，匝数多。工作原理方面存在的差异：交流电磁铁是恒磁通型的，直流电磁铁是恒磁势型的。对于交流电磁铁，只要电源电压和频率不变，因为U≈E=4.44NfΦ，其磁通基本不变，因此不管衔铁是否吸合，电磁铁产生的吸力基本保持不变。但是，衔铁吸合前，磁路的磁阻大，线圈通过的电流大；衔铁吸合后磁路的磁阻小，线圈通过的电流小（因为磁势IN=磁阻×Φ，Φ不变而磁阻大，I就大；磁阻小，I就小）。若工作时交流电磁铁的衔铁不能完全吸合，将很容易使线圈因过热而损坏。对于直流电磁铁，要电源电压不变，流过线圈的电流只与线圈的导线电阻有关。已经制好的线圈，电阻不变，线圈通过的电流也不变。因此，不管衔铁是否吸合，电磁铁产生的磁势保持不变。但是，衔铁吸合前，磁路的磁阻大，磁势不变，则产生的吸力小；衔铁吸合后磁路的磁阻小，磁势不变，则产生的吸力大。因此直流电磁铁的线圈通常在衔铁吸合前通以较大的电流以增加其吸力，衔铁吸合后则串入“经济电阻”限制电流，提高线圈的工作寿命，且可避免衔铁因为剩磁而出现不能释放。1-8、交流接触器接到相同电压的直流电源上会出现什么现象？答： 交流接触器因其线圈工作时会感应电势，此电势正常工作时起限流作用，为了使其有足够的吸力，线圈的线阻应较小，因而线径较粗，匝数较少。若将其接到直流电路中，由于不能感应出电势，在相同大小的电压下，将产生非常之大的电流（十几甚或几十倍于额定电流），这将使接触器的线圈立即烧毁。1-9、交流接触器为什么要用短路环？答：简单地说，交流接触器用短路环是为了避免衔铁的振动。交流接触器的线圈通过的是交流电流，在铁心中产生的是交变磁通。在一个周期内，交流电流和交变磁通都有两个瞬时值为零的“过零点”。在“过零点”瞬间，铁心产生的电磁吸力为零。而交流接触器的衔铁是靠反力弹簧释放的，工作时衔铁是靠电磁吸力克服反力弹簧作用力而吸合的，因此若不采用短路环，在“过零点”衔铁就会出现振动。短路环是用良导体焊接成的，将铁心的一部分套住。接触器工作时产生的交变磁通也通过被短路环套住的部分铁心，且在短路环中感应电动势，产生电流。短路环中的电流也会产生磁通，而且，接触器线圈产生的磁通为零时（变化率最大），短路环感应的电动势、产生的电流和磁通都达到最大，因此保证接触器线圈电流“过零点”时铁心产生的磁通和吸力不围零，从而避免衔铁的振动。也就是说，交流接触器铁心中的短路环是避免铁心两部分产生的磁通同时为零，从而避免衔铁的振动的。1-10、交流接触器为什么要用钢片叠成？答：交流电磁铁工作时，线圈通入的是交流电流，在铁心中产生的是交变磁通，交变磁通会在铁心中产生涡流损耗。为了减少涡流损耗，铁心的应该由片间涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成。第2章变压器2-1、变压器中主磁通和漏磁通的性质和作用有什么不同？在分析变压器时是怎样反映它们的作用的？答：主磁通：沿铁心闭合，同时与原、副边绕组交链，并在所交链的绕组中感应电动势。它是实现能量转换的媒介，是变压器的工作磁通，占总磁通的绝大部分。无论空在还是运行，只要变压器的端电压一定，主磁通都将不会改变，维持在一个恒定的值。在分析变压器时常以励磁电抗Xm反应主磁通的作用。由于主磁通的磁路是非线性的，故Xm不是常数，随着铁心饱和程度的提高而减小。漏磁通：主要沿非铁磁材料闭合，仅与原边绕组或者副边绕组交链，在所交链的绕组中感应电动势，起漏抗压降的作用，在数量上远小于主磁通。由于漏磁通主要沿非铁磁物质闭合，所经磁路是线性的，它与所交链绕组的电流成正比。在分析变压器时，以漏抗Xσ反映漏磁通的作用。由于磁路基本上是线性的，故Xσ压基本上为常数。主磁通由原边绕组和副边绕组磁通势共同产生，漏磁通仅由原边或副边绕组磁通势单独产生。2-2、感应电动势的量值与哪些因素有关？励磁阻抗Zm的物理意义如何？Xm的大小与哪些因素有关？答：①根据“4.44公式”（即E=4.44fNΦm），影响变压器绕组感应的电动势量值（即幅值大小）的因素有：绕组的匝数、电源的频率和与绕组交链磁通的幅值。②励磁阻抗Zm的物理意义是：阻抗的电阻部分用来反映变压器磁路损耗在一相电路中的等效，阻抗的电抗部分则反映变压器在磁路中产生主磁通时，对电路相电流产生相位的影响和对相电压产生电压降落的影响。其中，励磁阻抗Zm=Rm+jXm，Rm 是变压器的励磁电阻，反映变压器铁损大小的等效电阻，不能用伏安法测量。③Xm是变压器的励磁电抗，反映了主磁通对电路的电磁效应。与Xm的大小有关的因素主要有：绕组匝数、磁路磁阻（材料的导磁率和磁路截面尺寸）以及电源频率，因为，Xm=2πf×Lm，而Lm又与绕组匝数、磁路磁阻等有关。当电源频率、线圈匝数和铁心尺寸一定时，Xm主要由绕组的磁导率成正比。2-3、额定电压为110/24V变压器，若将原边绕组接于220V交流电源上，其结果如何？若将220/24V的变压器接于110V交流电源上，其结果又将如何？答：若将110/24V变压器的原边绕组接于220V交流电源上，由于这时原边电压增加一倍，由于U≈E=4.44NfΦ∝Φ，就要求磁路的磁通也增加一倍。但一般变压器设计时都让其铁心工作在半饱和区，在半饱和区再使磁通增加一倍，则励磁电流（空载电流）将大大增加，使绕组的铜耗和铁心损耗大大增加，变压器将很快烧毁。若将220/24V的变压器接于110V交流电源上，磁路的磁通减少，对于变压器运行没有什么不良影响。只是此时磁路完全不饱和，变压器铁心的利用率降低而已。同时，变压器副边输出电压减小为12V，不能满足原来负载的要求。2-4、额定频率为50Hz的变压器接于频率为60Hz的额定电压上，以及额定频率为60Hz的变压器接于频率为50Hz的额定电压上，将对变压器运行带来什么影响？50Hz和60Hz的变压器能通用吗？答：铁心损耗与频率有关，频率增加铁心损耗也增加。但频率增加，根据U≈E=4.44NfΦ，若电源电压不变，则磁路的磁通Φ减少，励磁电流减小，绕组的铜损耗略有减少；同理，60Hz的变压器接于频率为50Hz的额定电压上，铁耗有所减少，但磁路饱和程度增加，绕组的铜耗有所增加。由于空载电流较小，频率在50Hz和60Hz之间变化，铜耗和铁耗的变化量都不太不大，而且一个增加另外一个就减少，同时考虑变压器都有一定的过载能力。因此，在50Hz和60Hz的变压器还是可以通用的。2-5、一台额定电压为220/110V的变压器，原、副边绕组匝数N1、N2分别为2000和1000，若为节省铜线，将匝数改为400和200，是否可以？答：不可以。根据U≈E=4.44fNΦm可知，当匝数减小而为了维持同样电压，必须导致磁通大大增加，必然使得磁路饱和，电流显著增大。题中条件下，匝数减少为原来的1/5，为了平衡电源电压，磁通需要增加到原来的5倍，磁路严重饱和，电流增加的倍数可达原来的几十倍，若没有保护措施，线圈将瞬间烧毁。2-6、变压器负载运行时引起副边电压变化的原因是什么？副边电压变化率的大小与这些因素有何关系？当副边带什么性质负载时有可能使电压变化率为零？题图2-6负载相量图答：①变压器负载运行，引起副边端电压变化的原因有：短路阻抗，负载的大小和性质。②相同负载时，变压器短路阻抗值越大，其输出电压变化越大。③短路阻抗一定、负载的功率因数保持不变时，负载越大（负载阻抗值小、电流大），变压器的输出电压变化越大。④ 负载的性质主要指负载是感性、容性和电阻性。一般而言，若忽略变压器绕组的电阻压降，从变压器负载相量图（题图2-6）可见，电感性负载电流具有去磁性质，对变压器副边电压变化率起增大的作用。电容性负载电流具有增磁作用（或者说容性负载电流在变压器的漏抗上产生了负的压降值），其作用的体现是使副边电压升高。若负载容抗大于变压器漏抗，容性负载将使电压变化率减小；若负载容抗等于变压器漏抗，容性负载将使电压变化率为零；若负载容抗小于变压器漏抗，容性负载将使电压变化率变为负值。也就是说，当副边带电容性负载时有可能使电压变化率为零。简单地说，①变压器负载运行，引起副边端电压变化的原因有：短路阻抗，负载的大小和性质。②短路阻抗的大，负载的大，副边电压变化率就大。③当副边带电容性负载时有可能使电压变化率为零。题图2-7感性及容性负载时的相量图2-7、根据图2-4所示的简化等效电路图，列出电压平衡方程式，并分别画出感性及容性负载时的相量图。答：①电压平衡方程式为：Ú2=İ2RL+jİ2XLİ1=-İ2Ú1=-Ú2+İ1RK+jİ1XK②相量图如右图所示。【说明】：由题图2-7b)可见：当变压器带容性负载时，若保持变压器副边端电压不变，则其原边电压应该减小。这是因为容性负载使负载电流比副边电压的相位超前，超前的电流在变压器短路阻抗上产生负的压降值（或者说，超前的电流具有增磁性质）。2-8、变压器空载时，原边加额定电压，虽然原边电阻中r1很小，可空载电流并不大，为什么？答：变压器空载运行时，从电源输入的电流主要在铁心磁路中产生交变的主磁通，交变的主磁通在原边绕组将感应幅值接近电源电压的反电势，且与电源电压的实际相位几乎相反。原边绕组上的反电势作用是与电源电压相平衡，使加在原边绕组电阻r1中电压很小。因此，虽然r1很小，但空载电流并不大。2-9、一台50Hz的单相变压器，若误把原边绕组接到与其额定电压相同直流电源上，会发生什么现象？答：当原边接到直流电源上时，主磁通是恒定直流磁通，原、副边绕组中没有感应电动势。没有感应电动势与电源电压相平衡，直流电源电压将全部降落在原边绕组的电阻上，产生巨大的短路电流。若没有短路保护措施，原边绕组很快将被烧毁。2-10、在使用电压互感器及电流互感器时，各应注意什么？为什么？答：⑴电压互感器使用时应注意：①副边绕组不许短路。这是因为电压互感器正常运行时，负载接电压表，阻抗很大，接近于空载运行。如果副边绕组短路，则变成短路运行，电流从空载电流变成短路电流，造成原副边绕组电流均变得很大，会使互感器绕组过热而烧毁。②铁心和副边绕组的一端必须可靠接地。这是因为电压互感器的原边所接电压都是高电压，为了避免由于绝缘老化或损坏造成漏电，危及副绕组所连接的设备甚至人身安全。③副边所带的负载阻抗不能低于额定负载阻抗。否则，负载电流引起的电压变化率将超过允许值，互感器的精度将受到影响。⑵电流互感器使用时应注意：① 副边绕组不许开路。这是因为电流互感器正常运行时，相当于变压器工作在短路状态，原副边磁动势处于平衡状态，磁场很弱。若副边开路，原边电流完全用于励磁，磁场变得很强，将在副边感应出很高的电压，将击穿绝缘，危及人身及设备安全。即使不会损伤绝缘，强大的励磁磁场也会使磁路严重饱和，铁心严重磁化，从而导致电流互感器报废。②铁心和副边绕组的一端必须可靠接地。这是因为电流互感器的原边所接电路通常又是高电压的电路，为了避免由于绝缘老化或损坏造成漏电，危及副绕组所连接的设备甚至人身安全。③副边所带的负载阻抗不能高于额定负载阻抗，否则也将影响互感器的测量精度。2-11、一台三相变压器，额定容量为SN=400kVA，额定电压为U1/U2=36000/6000V，Y/△连接。试求：(1)原、副边额定电流；(2)在额定工作情况下，原、副边绕组中的电流；(3)已知原边绕组匝数N1=600，问副边绕组匝数N2为多少？解：(1)原、副边额定电流：由于额定电流、额定电压分别为线电流、线电压，因此：I1N=SN/(U1N)=400000/(×36000)=6.415(A)I2N=SN/(U2N)=400000/(×6000)=38.49(A)(2)在额定工作情况下，原、副边绕组中的电流：设，I1P、I2P分别为额定工作情况下原、副边绕组中的电流。对于Y/△连接的变压器，原边Y连接有：I1P=I1N=6.415(A)副边△连接有：I2P=I2N/=38.49/=22.22(A)(3)求副边绕组匝数N2：因为I2/I1=N1/N2，因此：N2=N1I1P/I2P=600×6.415/22.22≈173(匝)答：(1)原、副边额定电流分别为6.415A和38.49A；(2)在额定工作情况下，原、副边绕组中的电流分别为6.415A和22.22A；(3)原边绕组匝数N1=600匝时，副边绕组匝数N2约为173匝。2-12、一台三相变压器，其额定值为SN=1800kVA，U1/U2=6300/3150，Y/△连接，绕组铜损与铁损之和为（6.6+21.2）kW，求：当输出电流为额定值、负载功率因数cosj=0.8时的效率。解：(1)额定输出电流：I2N=SN/(U2N)=1800/(×3.15)=329.9(A)(2)输出电流为额定值、负载功率因数cosj=0.8时，副边输出的有功功率P2N：P2N=SN×cosj=1800×0.8=1440kW(3)输出电流为额定值、负载功率因数cosj=0.8时的效率h：h=P2/P1×100%=P2/(P2+pFe+pcu)×100%=1440/(1440+6.6+21.2)×100%=98.1﹪答：当输出电流为额定值、负载功率因数cosj=0.8时的效率约为98.1﹪。第3章异步电动机3-1、什么叫转差率？如何根据转差率判断异步电动机的运行状态？答：所谓转差率，就是转差的比率，是转子转速与气隙旋转磁场之间的转差与气隙旋转磁场的相对比率。其定义式为s=(n0-n)n0。根据转差率可以判断异步电动机转子与气隙旋转磁场的关系，从而判断异步电动机的运行状态，具体如下：当s＜0时，n＞n0，异步电动机处于发电（即第七章介绍的回馈或再生）制动状态；当s=0时，n=n0，异步电动机处于理想空载运行状态；当0＜s＜1时，n＜n0，异步电动机处于电动运行状态；当s=1时，n=0，异步电动机处于堵转状态，或者电动机起动的瞬间；当s＞1时，n＜0，异步电动机处于反接制动运行状态（参见第七章）。 【说明】：异步电动机的电磁制动有三种，分别称为：发电制动、反接制动和能耗制动。其中，发电制动又称为回馈制动或再生制动；反接制动则包括电源反接制动和倒拉反接制动。书上P.37页说：“当s＞1时，n＜0，异步电动机处于电磁制动状态。”不妥当，应当改为：“当s＞1时，n＜0，异步电动机处于反接制动状态（参见第七章）。”下同。3-2、异步电动机处于发电机运行状态和处于电磁(反接)制动运行状态时，电磁转矩和转子转向之间的关系是否一样？应该怎样分析，才能区分这两种运行状态？答：所谓制动，从字面上看就是“制止运动”，只有电磁转矩与转子转向相反才能制动。因此，只要处于制动状态，电磁转矩的方向都是与转子转向相反。也就是说，异步电动机处于发电机运行状态和处于反接制动运行状态时，电磁转矩和转子转向之间的关系都是一样的。要区分这两种运行状态可以从异步电动机转子与气隙旋转磁场的关系（即转差率）进行判断：当s＜0时，异步电动机处于发电制动状态。此时转子转速n高于气隙旋转磁场的转速n0；当s＞1时，异步电动机处于反接制动运行状态。此时，转子转速n与气隙旋转磁场的转速n0方向相反，若以气隙旋转磁场的转速n0方向为参考正方向，则转子转速n低于气隙旋转磁场的转速n0。a)三相电流b)方向题图3-3转子接电源3-3、如果将绕线式异步电动机的定子绕组短接，而把转子绕组连接到对称三相电源上，将会发生什么现象？答：若将绕线式异步电动机的定子绕组短接，而把转子绕组连接到电压合适的对称三相电源上，则绕线式异步电动机的转子仍然能够正常转动。当此时转子转向与气隙旋转磁场转向相反，气隙旋转磁场相对于转子的速度为n0；气隙旋转磁场相对于定子的转速为sn0，转向也与转子转向相反，如右图(题图3-3)所示。在题图3-3中，转子绕组通入三相交流电流，产生的旋转磁场以n0(相对于转子)或sn0(相对于定子)的转速按照a、b、c的相序顺时针旋转，切割定子绕组感应电势，产生电流如图3-3b)所示。根据左手定则，定子绕组受力F方向为：A↓、X↑，而由于定子固定不动，转子将受到相反方向力的作用，因此电磁转矩T和转子转速n的方向都为逆时针方向。3-4、与同容量的变压器相比较，异步电动机的空载电流大，还是变压器的空载电流大？为什么？答：异步电动机的空载电流大，因为异步电动机磁路中含有气隙，气隙磁阻大，使得产生额定磁通量的励磁磁动势增大，相应励磁（空载）电流就大，约占额定电流的20%～40%（早期电机为20%～50%）；而变压器主磁路是闭合的不含有气隙，其励磁电流也小的多，约占额定电流的3%～8%（早期变压器为5%～10%）。3-5、一台三相异步电动机，如果把转子抽掉，而在定子绕组上加三相额定电压，会产生什么后果？答：三相异步电动机抽掉转子，磁路中气隙将大大增加，即磁路的导磁率减小。当定子绕组施加三相额定电压，由4.44公式知，磁通仍为额定值，在磁路的磁阻增大的情况下，需要有很大的励磁磁动势，励磁电流将大大超过额定电流，很快将使定子绕组烧毁。 3-6、异步电动机定子绕组与转子绕组没有直接的电气联系，为什么负载增加时，定子电流和输入功率会自动增加，试说明其物理过程。从空载到满载电机主磁通有无变化？答：异步电动机的相量图与变压器相似，由相量图可见，转子电流具有去磁性质。由转子电流公式或等效电路中转子等效电阻r¢2/s可知：当负载增加时，转子电流将增大。而转子电流的去磁性质将使主磁通出现下降的趋势，定子绕组感应的电势也将出现减少的趋势。当电源电压不变时，定子绕组的电流将自动增加，以补偿转子电流的去磁作用。因此，负载增加时，定子电流和输入功率会自动增加。由于定子绕组的电阻和漏抗都较小，从异步电动机定子回路的电压平衡方程式可知，定子电压U1约等于定子绕组感应的电势U1≈E1=4.44kwfΦm。因此，从空载到满载，若不考虑定子漏阻抗影响，异步电机的主磁通基本不变。若考虑定子漏阻抗影响，则主磁通略有减少。3-7、三相异步电动机正常运行时，如果转子突然被卡住而不能转动，试问这时电动机的电流有无变化？对电动机有何影响？答：如果转子突然卡住，转子感应电动势将突然增大，致使转子电流突然增大，产生较大的电流冲击和机械力矩的冲击。而根据磁势平衡关系知，转子电流增大定子电流也将增加，电机定、转子绕组的铜损耗增加，时间稍长绕组将过热，若保护装置不动作则可能烧毁绕组。3-8、在分析异步电动机时，转子边要进行哪些折算？为什么要进行这些折算？折算的条件是什么？答：⑴在分析异步电动机时，转子边要进行的折算有：①频率折算，②绕组折算。⑵折算的目的是：①由于转子电路的电灵频率随转子转速（或电机的转差率）变化而变化，难于直接进行电气分析。因此需要进行频率折算，将转子电量的频率折算成与定子电量频率一致的等效电量，以便进行电气分析。即用一个静止不动的绕组代替实际转动的转子绕组，而且两个绕组对磁路的影响必须一样。②通过频率折算后的转子绕组与变压器的情况相同，但频率折算后的静止绕组的匝数与定子绕组匝数不一样，仍然不能进行直接的电气分析，因此还必须象变压器一样进行绕组折算，用一个匝数相同的等效绕组代替频率折算后的静止绕组，从而消除磁路分析的麻烦得到与变压器相似的等效电路。⑶进行频率折算和绕组折算的条件是：折算前后等效绕组与实际绕组的①磁势一样，②产生的电磁功率和损耗一样。3-9、异步电动机的等效电路与变压器的等效电路有无差别？等效电路中的r2′代表什么？能否用电感或电容代替？为什么？答：①首先，两种等效电路是有相似的地方的。两者相同点主要是：形式一样；变压器的原边和三相异步电动机定子边都采用每相参数的实际值，而变压器的副边和异步电动机转子都采用折合值。②但是，两者却有如下突出的不同点：变压器中折合只是绕组匝数折合，而异步电动机除了绕组匝数折合外，还有频率、相数折合。变压器负载运行时，变压器的负载阻抗只需要乘以变比的平方，便可以用等效电路计算，变压器的输出的电功率的性质及功率因素完全取决于负载的性质，可以是电阻性、电感性或电容性的。而三相异步电动机运行时，实际输出机械功率，但在等效电路上用一个等效电阻表示，其上消耗（电功率）代表了电动机输出的机械功率。也就是说，机械功率的大小与电动机转差率有关，性质也是电阻上的有功功率，不可能有电感性或者电容性的。转子电路中是机械功率的等效电阻。3-10、异步电动机带额定负载运行时，若电源电压下降过多，会产生什么后果？试说明其原因。如果电源电压下降20%，对异步电动机的最大转矩、起动转矩、功率因数等各有何影响？ 答：⑴异步电动机带额定负载运行时，若电源电压下降过多，将使定、转子电流都将增大较多，电机的铜损耗增加较多，可能使电机出现过热现象，从而加速绕组绝缘的老化，甚至烧毁。这是因为异步电动机产生的电磁转矩与电源电压的平方成正比，电压下降电机产生的电磁转矩减小，在额定负载小运行时转子转速将明显下降，转差率将增加较多。从转子电流计算公式看，转子电流增大较多，同时引起定子电流有较大的增加。⑵由于异步电动机的最大转矩和起动转矩都与电源电压的平方成正比，电源电压下降20%，即电源电压为原来的0.8，因此异步电动机的最大转矩和起动转矩都为额定电压时的0.64，即下降了36%。⑶根据前面的分析，电压下降，转差率增加，转子回路的等效电阻r′2/s减小，转子电路的功率因数cosj2=(r′2/s)/[x′22+(r′2/s)2]将减小。而带额定负载时定子电流主要成分是转子电流分量，励磁电流分量所占的比例较小，cosj2减小则定子电路的功率因数cosj1也将比额定电压时对应的数值有所减小。3-11、漏抗大小对异步电动机的运行性能，包括起动电流、起动转矩、最大转矩、转子电路的功率因数等有何影响？答：漏抗大小对异步电动机的运行性能有影响，具体表现为：由于等效电路可知，漏抗增大，起动电流减小；由于转矩与功率因数表达式（式3-23、式3-21和式3-10）可知，起动转矩、最大转矩、转子电路的功率因数都减小。3-12、有些三相异步电动机有380/220V两种额定电压，定子绕组可以连接成星形，也可连接成三角形。试问在什么情况下采用何种连接方法？答：三相异步电动机有两种额定电压380/220V时，一般同时标注其连接形式为Y/△。因为对于已经出厂的异步电动机，其磁路的磁通与相绕组感应的电动势基本确定，也就是说定子一相绕组的耐压已经确定。但三相绕组采用Y或△连接形式，电机线间电势有不同的数值。因此，当三相异步电动机标出的额定电压380/220V时，说明其定子一相绕组的额定电压为220V。当异步电动机定子三相绕组采用Y连接时，其额定电压为380V；当异步电动机定子三相绕组采用△连接时，其额定电压为220V。3-13、三相异步电动机在满载和空载下起动时，起动电流和起动转矩是否一样？答：三相异步电动机的机械特性与其所带负载没有任何关系，因此在满载和空载下起动时，其起动电流和起动转矩都是一样的。这可从异步电动机的电流和起动转矩计算公式得到验证。若忽略励磁电流，起动电流可由P.40页式3-9进行计算（令s=1）；起动转矩则可由P.44页式3-23或P.43页式3-18进行计算（令s=1）。而式3-9、式3-18和式3-23都与其所带负载的大小没有任何关系。3-14、如果电动机的三角形连接误接成星形连接，或者星形连接误接成三角形连接，其后果将如何？答：①如果电动机的三角形连接误接成星形，则定子每相绕组的端电压下降为原来的1/，主磁通将大大减小，若要使流过电动机绕组不超过额定电流，由于式3-12可知，应该减小电动机所带的负载转矩。否则当接额定负载运行时，绕组中电流将增加，超过额定值，致使保护器件动作或者烧毁绕组（因为T减小，转速将下降，转差率s将增加，由式3-9可知，I2将增大；由式3-12可知，Φ↓只有I2↑才能使T保持额定值与额定负载转矩平衡）。②如果电动机的星形连接被误接为三角形，则定子每相绕组的端电压将为原额定电压的倍，为了感应电动势与电源电压平衡，要求主磁通也要增加到为原来的倍，磁路将严重饱和，励磁电流大大增加，也会致使保护器件动作或者烧毁绕组。 3-15、某三相异步电动机的额定转速为460r/min，当负载转矩为额定转矩的一半时，电动机的转速约为多少？解：①由于异步电动机的额定转差率为1％～9％，即sN≈0.01～0.09可以推算出该电机为6对极的异步电动机，其理想空载转速n0为500r/min：∵n0=nN/(1-sN)=460/(0.91～0.99)=464.6～505.5r/minp=60f/n0=3000/(464.6～505.5)=5.934～6.457，而p只能为整数，∴p=6(对极)；n0=60f/p=3000/6=500(r/min)，sN=(n0-n)/n0=(500-460)/500=0.08②从机械特性看，由于异步电动机在额定工作范围内，转差率s与负载转矩T可以用直线近似代替，即近似认为s∝T(或s=kT)。因此，负载转矩为额定转矩的一半（即T=0.5TN）时，电动机的转差率s和转速n分别为：s≈sNT/TN=0.08×0.5=0.04n=n0(1-s)=500(1-0.04)=500×0.96=480(r/min)答：该三相异步电动机负载转矩为额定转矩的一半时的转速约为480r/min。3-16、单相分相式电动机如何改变其旋转方向？罩极式电动机的旋转方向能否改变？答：改变单相分相式电动机旋转方向，可单独改变其任意一个绕组的接线（即，将其两根引线脱开对调一下再接上。注：若同时改变其两个绕组的接线则电动机旋转方向将不会改变）。这是因为，单独改变其任意一个绕组的接线时，流过该绕组电流方向变反，两个绕组流过的电流相位关系发生变化（原来电流相位比另一绕组电流超前的绕组，单独改变任意一个绕组的接线后，该绕组电流相位变成滞后流过另一绕组的电流），而单相分相式电动机两个绕组产生的旋转磁场的转向总是从电流相位超前的绕组向电流相位滞后的绕组转动。电流相位关系发生变化，电动机产生的旋转磁场旋转方向就与原来的旋转方向相反，电动机的转向也就与原来的转向相反，即单相分相式电动机的旋转方向得到改变。3-17、一台三相异步电动机铭牌上标明f=50Hz，nN=960r/min，问该电动机的极数是多少？解：由于异步电动机的额定转差率为1％～9％，即sN≈0.01～0.09，通过sN、nN和n0之间的关系，以及n0、f和p之间的关系可以求出该电动机的极对数，具体过程如下：n0=nN/(1-sN)=960/(0.91～0.99)=969.7～1054.9r/minp=60f/n0=3000/(969.7～1054.9)=2.8～3.1，而p只能为整数，∴p=3(对极)。即，该电动机的极数是6（个）极。答：该电动机的极数是6极。3-18、三相鼠笼式异步电动机在额定状态附近运行，当(1)负载增大、(2)电压升高、(3)频率升高时，其转速和定子电流分别有何变化？答：⑴根据三相异步电动机的固有机械特性、调压人工机械特性和调频人工机械特性，可以知道：①当负载增大时，三相异步电动机的转速有所下降；②当电压升高时，三相异步电动机的转速有所上升；③当频率升高时，三相异步电动机的转速也有所上升。（【注】：调频人工机械特性可以由于P.36页式3-1的理想空载转速或磁场的同步转速表达式推知：当f↑，n0也↑，整个机械特性向上平移；当f↓，n0也↓，整个机械特性向下平移。）⑵由三相异步电动机的相量图及磁势平衡方程式可知，定子电流等于转子电流与励磁电流的相量和，要分析定子电流可以先分析转子电流的情况。由异步电动机的机械特性及P.40页式3-9的转子电流表达式可知：①由于负载增大时，异步电动机的转速略有下降，转差率增大，转子电流增大。而电源电压不变则主磁通不变，励磁电流不变。因此，当电压升高时，三相异步电动机的定子电流增大；② 由于电压升高时，异步电动机的励磁电流增大，且转子电流由于电动势E20的增大也相应增大。因此，当电压升高时，三相异步电动机的定子电流增大；③由于电源电压不变，定、转子绕组感应电动势也基本不变，当频率升高时，由4.44公式可知，主磁通减小，励磁电流减小。又由于频率升高时转子漏抗X20=2pfL20增大，E20基本不变，则转子电流减小。因此，当频率升高时，三相异步电动机的定子电流减小。3-19、有一台三相异步电动机，nN=1470r/min，f=50Hz。分别在n=0、n=2n0/3、s=0.02三种情况下，求：(1)定子旋转磁场对定子的转速；(2)定子旋转磁场对转子的转速；(3)转子旋转磁场对转子的转速；(4)转子旋转磁场对定子的转速；(5)转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速。答：计算交流绕组产生旋转磁场相对绕组本身转速的公式为：n0=60f/p。为了计算旋转磁场的转速，应该先求该三相异步电动机的极对数p。根据nN=1470r/min，f=50Hz，则可求出该三相异步电动机的极对数p=2（方法参见3-16题和3-17题）。⑴由于定子绕组产生的旋转磁场的转速与转子是否转动及转速多少无关，且定子旋转磁场是三相定子交流绕组产生的，三相交流绕组通过的是f=50Hz的三相交流电，因此定子旋转磁场对定子的转速为：n1=60f/p=60×50/2=3000/2=1500r/min。⑵定子旋转磁场对转子的转速n12等于定子旋转磁场对定子的转速n1减去转子对定子的转速n，因此，当n=0、n=2n0/3[n=2n0/3=1000r/min]、s=0.02[n=n0(1-s)=1500×0.98=1470r/min]时，定子旋转磁场对转子的转速n12分别为：①n=0时，n12=n1-n=n0-n=1500r/min；②n=1000r/min时，n12=n1-n=n0-n=1500-1000=500r/min；③n=1470r/min时，n12=n1-n=n0-n=1500-1470=30r/min。⑶转子旋转磁场是转子绕组的交流电流产生的，由于转子电流的频率随转子的转速不同而不同，因此应先求出不同转速时转子电流频率。根据f2=sf1，可以求出在n=0、n=2n0/3、s=0.02时转子电流频率分别为：n=0时f2=50Hz、n=2n0/3时f2=50/3Hz、s=0.02时f2=1Hz。再根据公式n2=60f2/p，就可分别求出在n=0、n=2n0/3、s=0.02三种情况下转子旋转磁场对转子的转速分别为：①n2=60f2/p=1500r/min、②n2=500r/min、③n2=30r/min。⑷转子旋转磁场对定子的转速n21等于转子旋转磁场对转子的转速n2加上转子（对定子的）转速n。对于题目给出的三种情况，n分别为0、1000r/min和1470r/min。因此，在三种情况时转子旋转磁场对定子的转速n21=n2+n分别为：①n21=n2+n=1500+0=1500r/min、②n21=n2+n=1000+500=1500r/min、③n21=n2+n=1470+30=1500r/min。由此可见，转子旋转磁场对定子的转速n21也与转子是否转动及转速多少无关，即与定子旋转磁场对定子的转速相等。⑸比较⑴和⑷的计算结果可以得出：转子绕组产生的旋转磁场与定子绕组产生的旋转磁场在空间相对静止。即，转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速都等于0。3-20、一台三相异步电动机PN=30kW，UN=380V，IN=57.5A，f=50Hz，sN=0.02，h=90%，p=2，三角形接法，试求：(1)定子旋转磁场对转子的转速；(2)额定输出转矩及功率因数。解：⑴求定子旋转磁场对转子的转速n12：由于n0=60f/p=60×50/2=3000/2=1500r/min，nN=(1-sN)n0=(1-0.02)1500=0.98×1500=1470r/min，而定子旋转磁场对转子的转速n12为：n12N=n0-nN=1500-1470=30(r/min)⑵求额定输出转矩T2N为： T2N=PN/WN=(60×PN)/(2p×nN)≈9.55×PN/nN=9.55×30000/1470=194.88(N·m)⑶求额定功率因数cosj为：cosj=P1N/(UNIN)=P2N/(hUNIN)=30000/(0.9××380×57.5)=0.88答：⑴定子旋转磁场对转子的转速是30r/min。⑵额定输出转矩为194.88N·m，功率因数为0.88。3-21、一台三相异步电动机已知如下数据：PN=2.2kW，UN=380V，nN=1420r/min，cosj=0.82，h=81%，电源频率f=50Hz，星形接法。试计算：(1)定子绕组中的相电流Ip，电动机的额定电流IN及额定转矩TN；(2)额定转差率sN及额定负载时的转子电流频率f2。解：⑴定子绕组中的相电流Ip，电动机的额定电流IN及额定转矩TN：SN=PN/(h×cosj)=2200/(0.81×0.82)≈3312(kVA)IN=SN/(UN)=3312/(×380)=5(A)；∵星形接法，∴Ip=IN=5(A)TN=PN/WN=(60×PN)/(2p×nN)≈9.55×PN/nN=9.55×2200/1420=14.79(N·m)⑵额定转差率sN及额定负载时的转子电流频率f2：根据nN=1420r/min，f=50Hz，则可求出该电动机理想空载转速n0=1500r/min，极对数p=2（方法参见3-16题和3-17题）。sN=(n0-n)/n0=(1500-1420)/1500=0.0533f2=sN×f=0.0533×50=2.67(Hz)答：⑴定子绕组中的相电流Ip和电动机的额定电流IN都约为5A，额定转矩TN为14.79N·m；⑵额定转差率sN为0.0533，额定负载时的转子电流频率f2为2.67Hz。3-22、一台三相四极鼠笼式异步电动机，已知其额定数据如下：PN=5.5kW，UN=380V，nN=1440r/min，cosj=0.84，h=85.5%，过载系数l=2.2，起动转矩倍数kT=2.2，Ist/IN=7，电源频率f=50Hz，星形接法。试计算：额定状态下的转差率sN、电流IN和转矩TN，以及起动电流Ist、起动转矩Tst、最大转矩Tmax。解：由于是三相四极电机，极对数p=2。n0=60f/p=3000/2=1500r/min，所以：①额定转差率sN为：sN=(n0-n)/n0=(1500-1440)/1500=0.04②额定电流IN为：IN=PN/(UN×h×cosj)=5500/(×380×0.855×0.84)=11.64(A)③额定转矩TN为：TN=9.55×PN/nN=9.55×5500/1440=36.47(N·m)④起动电流Ist为：Ist=7×IN=81.45(A)⑤起动转矩Tst为：Tst=kT×TN=2.2×36.47=80.24(N·m)⑥最大转矩Tmax为：Tmax=l×TN=2.2×36.47=80.24(N·m)答：额定转差率sN为0.04，额定电流IN为11.64A，额定转矩TN为36.47N·m，起动电流Ist为81.45A，起动转矩Tst和最大转矩Tmax都为80.24N·m。【说明】：⑴由于题目看，该电机应该是起重用电机（起动转矩较大，一般kT为1.8～2.0TN）；⑵本题可能是作者笔误或印刷错误。一般起重用三相交流异步电动机的起动转矩较大，但也不会与其最大转矩一样大。因此，题目中的“过载系数l=Tmax/TN=2.2，起动转矩倍数kT=Tst/TN=2.2”可能有误，最大可能是kT=Tst/TN=2。第4章同步电机4-1、同步发电机的转速为什么必须是常数？频率为50Hz的柴油发电机应该为多少极？答：同步发电机输出的交流电的频率f与转子转速n存在如下关系：n=60f/p 。对于某一同步发电机，由于其极对数p在电枢绕组绕制时已经确定。因此为了保持发电机输出电压的频率一定，发电机的转速n就是必须是常数。柴油发电机组的柴油机，一般属于中、低速柴油机。根据公式n=60f/p，若柴油机的转速n为750r/min时，发电机的极对数p为4；当n为600r/min时，发电机的极对数p为5；当n为500r/min时，发电机的极对数p为6；当n为428.6r/min时，发电机的极对数p为7；当n为375r/min时，发电机的极对数p为8；当n为333r/min时，发电机的极对数p为9；当n为300r/min时，发电机的极对数p为10。4-2、同步电机和异步电机在结构上有哪些不同之处？答：常用的旋转磁极式同步电机与异步电动机的定子基本结构完全相同，转子结构却区别较大。同步电机转子有隐极式和凸极式两种，转子励磁绕组通过电刷和滑环加直流电流励磁；异步电动机转子有鼠笼式和绕线式两种，自成回路的转子导体感应电势产生电流。4-3、隐极式和凸极式同步发电机各有什么特点，各适用于哪些场合？答：一般隐极式转子极对数少，结构细长，能够承受较大的离心力。在磁路上的特点是其气隙均匀。常适用于高速运行同步电机，如气轮发电机和高速柴油机。凸极式转子有凸出的磁极，磁极的极性沿着转子圆周按N、S相间的规律分布，磁极对数多、转子的外径大，产生的离心力大。在磁路上特点是气隙不均匀，对着极弧（直轴方向）气隙小，极间（交轴方向）气隙大，也就是在磁极轴线位置（直轴）的磁路磁阻小，而在两磁极中间位置（交轴）的磁路磁阻最大。一般适用于中、低速运行。如船舶柴油发电机、水轮发电机。4-4、同步发电机在三相对称负载下稳定运行时，电枢电流产生的旋转磁场是否与励磁绕组交链？它会在励磁绕组中感应电动势吗？答：同步发电机电枢电流产生的磁场是与励磁绕组交链的。由于发电机稳定运行时，两个磁场的转速相同，虽然电枢磁场与励磁绕组交链，但交链的磁通不变化，所以不会在励磁绕组产生感应电动势。4-5、同步发电机在对称负载下运行时，气隙磁场由哪些磁势建立，它们各有什么特点？答：转子直流励磁磁动势（机械旋转磁场磁动势）和电枢磁动势（电气旋转磁场磁动势），两个磁动势在气隙中叠加，形成新的气隙磁动势（合成磁动势）。励磁磁动势是由直流励磁电流产生的，与转子没有任何相对运动，其磁通路径与磁极的轴线重合，主要是铁磁材料构成，磁路的磁阻相对较小。电枢磁动势是由发电机负载后电枢绕组的交流电流产生的，虽然稳定运行时与转子也没有相对运动，但一般磁通路径不能保证与磁极的轴线重合，即存在一定的夹角。而且随着负载性质的不同，这个夹角也会发生变化。因此，分析电枢磁动势的作用时，不能简单地以其磁路参数进行分析，而应该将其分解成直轴和交轴两个方向上的磁通分量，然后再分别进行分析。4-6、什么是同步发电机电枢反应？电枢反应的效应由什么决定？答：同步发电机负载时，三相电枢绕组流过三相对称电流，产生电枢旋转磁场，使气隙合成磁场的大小和位置发生变化。电枢绕组产生的磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。有了电枢反应，同步发电机气隙中的磁场就由转子磁场和电枢磁场共同产生。电枢反应的性质（交磁反应、直轴增磁反应或直轴去磁反应）与这两个磁场在空间的相对位置有关，也就是与负载电动势和电枢电流间的夹角（内功角）有关，其实质是与负载的性质有关。 4-7、功角q在时间上及空间上各表示什么含义？功角q改变时，有功功率如何改变？无功功率会不会变化？为什么？答：在时间上，功角是空载电势与电压之间的夹角；在空间上，功角是指主磁极轴线与气隙合成磁场轴线之间的夹角。当电网电压U、频率f恒定（即，参数Xd,Xq为常数），励磁电流产生的空载电动势E0不变时，由同步电机的功角特性可知，在稳定运行区内，功角越大，输出的有功功率也将越大；功角减小，则输出的有功功率减小。有功功率与功角的章县成正比。由于同步发电机输出的有功功率还可用公式P=UIcosj表示，而若改变有功输出时保持励磁电流不变，则发电机的端电压不变，P改变则Icosj，Isinj和无功功率Q=UIsinj也将同时改变。也就是说，功角q改变时有功功率将会改变，同时无功功率也将改变。4-8、怎样使同步发电机从发电状态过渡到电动状态？其功角、电流、电磁转矩如何变化？答：当同步电机作为发电机运行时，电枢绕组流过的电流有功分量与转子励磁绕组之间将产生电磁转矩T，其大小可由功率与转矩的关系得到：T=PM/Ω=mE0Usinθ/(ΩXS)。若逐渐减小的原动机提供的机械转矩，则功角θ减小，发电机所产生的电磁转矩也减少。当θ减小到0时，原动机提供的机械转矩正好克服发电机维持转动所必须克服的摩擦转矩，发电机处于空载运行状态，输出电流的有功分量为0。若在此时将原动机与发电机脱开，在摩擦转矩的作用下功角θ将变成负值，同步电机输出的有功功率变成负值，即不但不输出有功功率，反而从电网输入有功电功率。也就是说同步电机从发电机变成了电动机，此时同步电机工作在电动机空载状态。工作在电动机状态的同步电机，从电网输入有功电功率，则电枢电流有功分量的方向变反。产生的电磁转矩的方向也变反。若在轴上带上机械负载，则同步电机可以拖动机械负载转动，成为同步电动机正常运行。综上所述，要使同步发电机从发电状态过渡到电动状态，可以将其轴上的驱动转矩变成负载阻转矩，同步电机就能够自动从发电机状态过渡到电动机状态。处于电动机状态运行的同步电机，与处于发电机状态时相比较，功角变成负值，电流的有功分量方向和产生的电磁转矩方向也都变反。4-9、增加或减少同步电动机的励磁电流时，电动机内部磁场产生什么效应？答：增加（或减少）同步电动机的励磁电流时，电动机内部的磁通增加（或减少），感应的电动势增大（或减小），为了使电动机电枢绕组感应的电动势与电源电压相平衡，电枢绕组的电流相位将发生变化，因此可以改变电动机从电网吸收电流的性质和大小。电动机电枢绕组的电流相位将发生变化后，将使电枢反应的去磁（或增磁）作用增加，从而使气隙合成的总磁通维持基本不变的状态。也就是说，增加或减少同步电动机的励磁电流时，电动机内部磁场通过电枢反应，产生使磁势平衡的效应，从而达到磁势的新的平衡。4-10、具有异步起动能力的同步电动机正常运行时，是否存在异步转矩，为什么？答：具有异步起动能力的同步电动机之所以能够产生异步起动转矩是因为在其转子磁极上安装有象鼠笼异步电动机转子相似的短路绕组。在同步电动机转速还未达到同步转速时，电枢绕组产生的旋转磁场与转子磁极存在相对移动，因此能够感应电动势、感生电流、产生电磁转矩。而正常运行时，由于转子与电枢旋转磁场同步（没有相对移动），也就不会感应电动势、不会产生感生电流，因此也就不存在异步转矩了。4-11、有一台三相同步发电机，PN=500kW，UN=400V，Y形接法，cosj=0.8(滞后)，单机运行，已知同步电抗为0.13W，电枢电阻不计，每相励磁电动势E0 =410V，求下列几种负载下的电枢电流，并说明电枢反应的性质：(1)每相负载电阻7.52W的三相对称纯电阻负荷；(2)每相负载阻抗ZL=7.52+j7.52W的三相对称感性负荷。解：设，该同步发电机为隐极式同步发电机，三相负载都是三角形连接。⑴每相负载电阻为7.52W的三相对称纯电阻负荷时的电枢电流：此时，根据基尔霍夫电压定律，一相电路的电压平衡方程式为：Ė0=İ(RL+jXs)，因此：I=E0/(RL2+Xs2)-0.5=410/(7.522+0.132)-0.5=54.51(A)⑵每相负载阻抗为ZL=7.52+j7.52W的三相对称感性负荷时的电枢电流：I=E0/[RL2+(Xs+XL)2]-0.5=410/(7.522+7.652)-0.5=38.22(A)⑶由于同步电抗Xs的存在，即使在发电机每相负载电阻7.52W的三相对称纯电阻负荷时，电枢电流I仍然是滞后励磁电动势E0一个角度。因此，在这两种情况下，电枢反应都是0＜y＜90°的情况，其电枢反应性质都是：既有交轴电枢反应也有直轴去磁电枢反应。答：每相负载电阻为7.52W的三相对称纯电阻负荷时，电枢电流为54.51A。每相负载阻抗为ZL=7.52+j7.52W的三相对称感性负荷时，电枢电流为38.22A。两种情况下，电枢反应的性质都是既有交轴电枢反应也有直轴去磁电枢反应。4-12、一台隐极式同步发电机与电网并联运行，电网电压为380V，定子绕组为Y接法，每相同步电抗为Xs=1.2W，发电机输出电流为I=69.5A，发电机励磁电势E0=270V，cosj=0.8(滞后)，若减少励磁电流，使发电机励磁电势E0=250V，保持原动机输入不变，并不计电枢电阻，试求：(1)改变励磁电流前发电机输出的有功功率和无功功率；(2)改变励磁电流后发电机输出的有功功率、无功功率、功率因数和电枢电流。【说明】：由本题所给的发电机参数是不可能得到“电网电压为380V，定子绕组为Y接法，每相同步电抗为Xs=1.2W，发电机输出电流为I=69.5A，cosj=0.8(滞后)”时，“发电机励磁电势E0=270V”的。因为，不考虑电枢电阻时，E0=[(UN+XsIsinj)2+(XsIcosj)2]-0.5≈277.6V，而不是270V。若考虑电枢电阻，为了使每相绕组电压U为，U=380/=219.4V，励磁电势E0应该比277.6V更大。也就是说，本题目的数据存在一定的矛盾之处。虽然不用该数据也能对本题进行正确的计算，但为了不使题目存在矛盾之处，应该将题目中的“发电机励磁电势E0=270V”改为“发电机励磁电势E0=277.6V”。解：电网电压为380V，则发电机每相定子绕组的端电压为：U=380/=219.4V。⑴改变励磁电流前发电机输出的有功功率P和无功功率Q：cosj=0.8，则sinj=0.6P=UIcosj=×380×69.5×0.8=36594.77(W)Q=UIsinj=×380×69.5×0.6=27446.08(Var)⑵改变励磁电流后发电机输出的有功功率、无功功率、功率因数和电枢电流：由于减少励磁电流，使发电机励磁电势E0=250V，保持原动机输入不变。所以发电机输出有功功率P不变，仍为：P=36594.77(W)由于P不变，根据功角特性有E0sinθ不变，因此：sinθ2=XsP/(3E0U)=1.2×36594.77/(3×250×219.4)=0.26688cosθ2=0.96373再由右图所示的同步发电机相量图，利用余弦定理有：(XsI)2=(E0)2+(U)2-2E0Ucosθ=(250)2+(219.4)2-2×250×219.4×0.96373=4915.5(V2)电枢电流I=(XsI)/Xs=4915.5-0.5/1.2=58.4(A)功率因数cosj=P/(UI)=36594.77/(×380×58.4)=0.9516，则sinj=0.3072无功功率Q=UIsinj=×380×58.4×0.3072=11813.96(Var) 答：⑴改变励磁电流前同步发电机输出的有功功率约为36.6kW，无功功率约为27.4kVar。⑵改变励磁电流后发电机输出的有功功率不变，仍为36.6kW，无功功率约为11.8kVar，功率因数约为0.95，电枢电流约为58.4A。4-13、一台三相50Hz、Y形接法，11kV、8759kVA凸极式水轮发电机，当额定运行时，cosj=0.8(滞后)，每相同步电抗Xd=17W，Xq=9W，并不计电枢电阻，试求：(1)该机在额定运行情况下的功角qN及空载电势；(2)该机的最大电磁功率Pmax及产生最大电磁功率时的功角q。解：IN=8759000/(×11000)=459.73(A)cosjN=0.8，则sinjN=0.6⑴、额定运行情况下的功角qN及空载电势：在书P.59页图4-17增加辅助线后如右图所示。由图中可见，线段之间存在着关系为：tgψ=db/ab=(dc+bc)/ab。其中，线段ab=Ucosj，线段dc=IXq，线段bc=Usinj。因此：tanψN=(INXq+UNsinjN)/UNcosjN=(459.73×9+11000×0.6)/(11000×0.8)=1.22所以，ψN=arctan1.22=50.66°。而由题已知：jN=arccos0.8=36.87°。再由图有：y=q-j，因此，额定运行情况下的功角qN为：qN=ψN-jN=50.66°-36.87°=13.79°由图还可知道，额定运行时空载电势E0为：E0=UNcosqN+IdXd=UNcosqN+INsinψNXd=11000×cos13.79°+459.73×sin50.66°×17=10682.8+6044.7=16727.5(V)≈16.7(kV)⑵、最大电磁功率Pmax及产生最大电磁功率时的功角q为了计算最大电磁功率，可以将书P.59，式（4-18）功角特性公式中，取电磁功率对q求导，并令其为0，可以求出最大电磁功率所对应的功角：0=3UE0cosq/Xd+3U2[(1/Xq)-(1/Xd)]cos2q；U(Xq-Xd)cos2q=XqXdE0cosq/Xd；U(Xq-Xd)(cos2q-sin2q)=XqXdE0cosq/Xd；U(Xq-Xd)(2cos2q-1)=XqXdE0cosq/Xd：设：cosq=Y，则：2U(Xd-Xq)Y2+XqXdE0Y/Xd-U(Xd-Xq)=0，将数据代入，有：2×11000×8×Y2+17×9×16727.5×Y/17-11000×8=0176000Y2+150547Y-88000=0；Y2+0.8554Y-0.5=0Y=[-0.8554±(0.85542+4×0.5)-0.5]/2，解得：Y1=0.3987，Y2=-1.254(舍弃)。由于Y=cosq，即：-1≤Y≤1，所以，结果为：cosq=Y=0.3987。最大电磁功率时的功角为：q=66.5°将q=66.5°代入功角特性，最大电磁功率PM为：PM=3UE0sinq/Xd+1.5U2[(1/Xq)-(1/Xd)]sin2q=3×11000×16727.5×sin66.5°/17+1.5×110002×[(1/9)-(1/17)]sin133°=29778551.3+6939975.6=36718526.9(W)≈36718(kW)=36.718(MW)答：⑴该凸极式水轮发电机在额定运行情况下的功角qN约为：13.79°，空载电势E0约为：16.7kV；⑵该机的最大电磁功率Pmax约为：36.7MW；产生最大电磁功率时的功角q约为：66.5°。 5-1、直流电机有哪些主要部件？各部件分别起什么作用？答：直流电机的基本组成为定子和转子两部分。定子主要由主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等组成，转子则由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。定子上的主磁极是用来产生直流电机主磁场的；换向极则用于改善换向，减少因电磁原因而引起的电刷火花；机座和端盖是直流电机的固定支撑和防护部件，同时机座还是磁路的一部分。电刷装置是定子上的一个主要部件，其主要作用是将直流电机电枢绕组与外部电路连接起来。转子的电枢铁心与主磁极铁心、机座等组成直流电机的磁路，且用于嵌放电枢绕组；电枢绕组的作用是用以感应电动势和通过电流，它是实现机电能量转换的重要部件；换向器是直流电机的一个典型部件，与电刷装置配合起“机械整流器”的作用，可将电枢绕组中的交流电量（感应电动势、电流）变换为电刷两端的直流电量（电压、电流），或者将电刷两端的直流电量变换为电枢绕组中的交流电量。转子的转轴是支撑整个转子的部件，风扇则起通风散热的作用。5-2、直流电机中感应电势与哪些因素有关？感应电势的性质与电机的运行方式有何关系？其方向如何判断？答：由公式Ea=CeΦn可知，对已制成的直流电机，电枢电动势正比于每个极面下的磁通量Φ及电机的转速n。如果每个极面下的磁通量一定，则Ea∝n，故转速的快慢会影响电枢两端电动势大小；如果转速一定，则Ea∝Φ∝If。也就是说，调节励磁电流If，可改变每个主磁极产生的磁通Φ，从而可调节电枢电动势Ea的大小。直流电机感应电势的性质有“正电势”和反电势之分。所谓“正电势”，就是电源的电动势，是表现将其它能量转换为电能具体的物理量。而反电势则是阻碍电流通过、与电源电压相平衡的电动势。感应电势的性质与电机的运行方式直接相关：对于直流发电机，轴上输入的机械能转换成电能后，在电枢绕组中就感应出电动势，当与负载连接，就可向外部电路提供电能，因此直流发电机电枢绕组的电动势是“正电势”，是电源的电动势。对于直流电动机，转子转动后也将在电枢绕组中感应电动势，它是消耗电能用于将电能转换成机械能的，它具有阻碍电流通过的特征，与电枢电流方向相反，因此直流电动机电枢绕组的电动势是反电势，是与电源电压相平衡的电动势。要判断直流电机感应电势的性质，可以根据感应电势与电枢电流的方向进行判断：直流发电机，感应电势与电枢电流方向相同；直流电动机，感应电势与电枢电流方向相反。5-3、直流电机中电磁转矩与哪些因素有关？电磁转矩的性质与电机的运行方式有何关系？ 答：从电磁转矩公式T=CTΦIa可知，直流电机中电磁转矩与励磁If和电枢电流Ia有关。当电机励磁If不变，则每个主磁极产生的磁通Φ也不变，电磁转矩T与电枢电流Ia成正比；若电枢电流Ia不变，则电磁转矩T与励磁If或磁通Φ有关。励磁If越大，产生的主磁通Φ越大，电磁转矩T也越大。直流电机中电磁转矩的性质可分为驱动转矩和制动转矩两种。如果电机作为电动机运行，直流电动机将电源提供的电能转换为机械能，因此电磁转矩是驱动性质的驱动转矩；如果电机作为发电机运行，直流发电机将机械能转换成电能，电磁转矩要与原动机提供的机械转矩相平衡，起阻碍电机转子转动的作用，因此其电磁转矩为阻碍性质的制动转矩。5-4、直流电机的电磁功率是指什么？如何说明在直流电动机中由电能转换为机械能？答：直流电机是将直流电能和机械能相互转换的电气装置，其电磁功率就是指通过气隙进行转换的功率。从电能的角度看电磁功率为电枢绕组感应的电动势与电枢电流通过的电流的乘积，即为EaIa；从机械能的角度看电磁功率为电磁转与转子的角速度的乘积，即为TΩ。当直流电动机接上直流电源后，将有电枢电流流过转子的电枢绕组，根据电动力定律电枢电流在定子主磁极产生主磁场的作用下将产生电磁转矩T，使转子转动，通过转轴向机械负载输出机械功率。转子转动后根据电磁感应定律电枢两端将感应电动势，从整个电路看，电枢通过电流Ia后，直流电动机感应的电动势Ea使电源提供的电压产生压降，因此，直流电动机用来进行机电转换的电磁功率为EaIa。而从机械角度看，转子受到电磁转矩T的驱动，产生角速度Ω，因此，直流电动机通过机电转换得到的电磁功率为TΩ，通过转轴的传送，就可向机械负载输出机械功率了。当然，电枢绕组通电后，也将消耗部分铜损耗；转子转动后，也将产生一定的机械损耗。因此可以这么说，电源向直流电动机提供直流电功率UIa，扣除电枢绕组等产生的损耗外，剩下的电功率转换成机械功率，即电磁功率：EaIa=TΩ，转换成的机械功率还要克服转子、转轴等消耗的摩擦损耗，然后才从轴上输出机械功率P2=T2Ω/这就是直流电动机中由电能（电功率）转换为机械能（机械功率）的过程。5-5、何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有什么影响？E=CeΦn、T=CTΦIa的计算式中，Φ应该是什么磁通？答：直流电机励磁后，由励磁磁动势Ff产生气隙磁场，电枢绕组内通过由电枢电流Ia产生的电枢磁动势Fa，这个磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。简单地说，电枢磁场对气隙磁场的影响就是电枢反应。 由于电枢磁场总是和主极磁场正交如下图a)所示，电枢反应将使气隙磁场波形畸变。对于直流发电机，电枢磁场与主极磁场的波形如下图的c)、d)和e)所示。若不考虑磁路饱和，电枢反应使气隙磁场波形畸变的同时，将使物理中性线偏离几何物理中性线（两者不再重合）。若考虑磁路的饱和，则发电机的后极尖（电动机的前极尖）增磁量就小于发电机的前极尖（电动机的后极尖）的去磁量，因此，气隙每极产生的总磁通减小，即呈去磁性质。因此，简单地说，电枢反应对气隙磁场的影响主要有：①使物理中性线偏离几何物理中性线；②使气隙总磁通减小。物理中性线偏离几何物理中性线将影响直流电机的换向（使换向性能变坏），气隙总磁通减小则发电机的端电压减小，电动机的电枢电流增大。在E=CeΦn、T=CTΦIa的计算式中，Φ指的是是直流电机气隙每极产生的总磁通。不考虑磁路饱和时，这个磁通就是励磁绕组产生的每极主磁通，考虑饱和时，则这个磁通小于励磁绕组产生的每极主磁通。5-6、试述发电机的空载特性曲线，它与磁极的磁化有何区别？又有何联系？答：直流电机磁路的磁化曲线是指电机主磁通与励磁磁动势的关系曲线Φ0=f(Ff)，电机的空载特性曲线是指电机在保持额定转速不变，空载电压与励磁电流的关系曲线U0=f(If)。由于U0=E=CeΦ0n∝Φ0，Ff=2NfIN∝If，因此，空载特性曲线的实质就是磁路的磁化曲线。即，两者的形状相似，只要选择合适的坐标量纲，两条曲线可以完全重合。它们的区别主要表现在具体所表示的含义上，磁化曲线的是电机磁路的磁性能，空载特性曲线则主要表示直流电机端电压调节的性能等。5-7、何谓自励起压？直流发电机自励起压的条件是什么？答：自励起压是指，自励发电机在没有外加励磁电源的情况下，原动机的拖动电枢转子转动，电枢绕组自动建立起电压。直流发电机自励起压的条件是：①发电机要有剩磁；②励磁电流磁场与剩磁场方向相同（或者说，电枢绕组与励磁绕组接线正确）；③励磁电路的电阻要小于建压临界电阻（或者说，励磁电路的电阻足够小）。5-8、直流电机在各种不同励磁方式下，外部电流I、电枢电流Ia以及励磁电流If 三者之间的关系如何？答：直流电机的励磁方式一般有四种：他励、并励、串励和复励，如右图所示。其中，复励还可根据串励绕组的位置不同分为短复励和长复励。他励：I=Ia，If由独立电源提供，与外部电流I、电枢电流Ia没有任何关系；并励：对于直流电动机，I=Ia+If，外部电流I是电枢电流Ia与励磁电流If之和。对于直流发电机，I=Ia-If，外部电流I是电枢电流Ia与励磁电流If之差；串励：I=If=Ia；外部电流I、电枢电流Ia以及励磁电流If完全相等；短复励：对于直流电动机，Is=I=Ia+If，串励电流Is等于外部电流I是电枢电流Ia与并励电流If之和。对于直流发电机，Is=I=Ia-If，串励电流Is等于外部电流I是电枢电流Ia与并励电流If之差；长复励：对于直流电动机，Is=Ia=I-If，串励电流Is等于电枢电流Ia是外部电流I与并励电流If之差。对于直流发电机，Is=I=Ia-If，串励电流Is等于电枢电流Ia是外部电流I与并磁电流If之和。5-9、船用直流发电机的励磁方式一般采用何种方式？答：船用直流发电机的励磁方式常采用复励方式，即可采用短复励接线，也可采用长复励接线。作为船舶主电源的直流发电机一般为平复励发电机。作为交流船上使用变流机组的直流发电机，一般要求具有软的或陡降的外特性，则应该采用差复励直流发电机（如起货机、舵机等使用的变流机组及船用直流电焊发电机）。5-10、某直流电动机铭牌的参数为：UN=220V,nN=1000r/min,IN=40A,电枢电路电阻Ra=0.5Ω。若电枢回路不串联起动电阻在额定电压下直接起动，则起动电流为多少？解：设，该直流电动机为并励直流电动机。若电枢回路不串联起动电阻，在额定电压下直接起动的电流为：Ist=UN/Ra=220/0.5=440(A) 答：若电枢回路不串联起动电阻在额定电压下直接起动，则起动电流为440A。5-11、一台并励直流电动机，在额定电压UN=220V，额定电流IN=80A的情况下运行，电枢绕组电阻Ra=0.0992Ω，电刷接触压降2ΔUS=2V，励磁绕组电阻=110.1Ω，额定负载时的效率ηN=85%，求：(1)额定输入功率P1N；(2)额定输出功率P2；(3)总损耗ΣP；(4)励磁回路铜耗PCuf；(5)电枢回路铜耗PCua；(6)电刷接触损耗PS；(7)附加损耗PΔ（设PΔ=1%PN）；(8)机械损耗和铁耗之和PΩ+PFe。解：⑴额定输入功率P1N：P1N=UN×IN=220×80=17.6(kW)⑵额定输出功率P2：P2=ηN×P1N=17.6×0.85=14.96(kW)⑶总损耗ΣP：ΣP=P1N-P2=17.6-14.96=2.64(kW)⑷励磁回路铜耗PCuf：PCuf=UN2/Rf=2202/110.1=439.6(W)⑸电枢回路铜耗PCua：PCua=IaN2×Ra=(IN-UN/Rf)2×0.0992=143.26(W)⑹电刷接触损耗PS：PS=2ΔUS×IaN=2ΔUS×(IN-UN/Rf)=2×(40-220/110.1)=76(W)⑺附加损耗PΔ；PΔ=1%PN=0.01×14960=149.6(W)⑻机械损耗和铁耗之和PΩ+PFe；PΩ+PFe=ΣP-PCuf-PCua-PS-PΔ=2640-439.6-143.26-76-149.6=1.832(kW)答：⑴额定输入功率为17.6kW；⑵额定输出功率为14.96kW；⑶总损耗为2.64kW；⑷励磁回路铜耗为439.6W；⑸电枢回路铜耗为143.26W；⑹电刷接触损耗76W；⑺附加损耗为149.6W；⑻机械损耗和铁耗之和PΩ+PFe约为1832W。6-1、转子不动时，异步测速发电机为何没有电压输出？转动时，为何输出电压值与转速成正比，但频率却与转速无关？ 答：当异步测速发电机的转子不动时，励磁绕组在其轴线方向上产生的脉振磁通与输出绕组的轴线方向垂直，因而不能在输出绕组中感应电势，也就无电压输出。转动时测速发电机（杯形）转子切割励磁绕组产生的脉振磁通，将在转子导体中感应电势、产生电流；此电流所产生的转子磁通与输出绕组轴线方向基本一致，输出绕组与转子这部分导体的关系就如变压器原副绕组的关系一样，因而输出绕组将有电压输出。由于切割励磁磁通的转子导体感应电势的大小与励磁磁通和转子转速成正比，励磁磁通是脉振磁通（幅值不变，频率为励磁电源频率），所以异步测速发电机感应的电势为交变电势，电势的大小正比于转速，交变电势的频率为励磁电源的频率，与转速无关。6-2、改变交流伺服电动机转向的方法有哪些？答：要改变交流伺服电动机的转动方向，可单独改变它的励磁绕组的接线（即，将其两根引线脱开对调一下再接上）；或可单独改变它的控制绕组的接线（即，将其两根引线脱开对调一下再接上）。也可不改变接线，仅通过控制装置，单使控制电压相位变反来实现。6-3、当直流伺服电动机电枢电压，励磁电压不变时，如将负载转矩减少，此时电动机的电枢电流，电磁转矩、转速将怎样变化？答：①根据如右图所示的直流伺服电动机机械特性曲线可知，电动机电枢电压不变时，负载转矩减小，转速将升高。②根据直流电机感应电势公式E=CeΦn可知，转速升高则感应电势增大，再根据直流电机电枢电路电压平衡方程式Ia=(U-E)/Ra，电压不变感应电势升高，则电枢电流将减小Ia。③根据电磁转矩公式T=CTΦIa可知，电枢电流减小，电磁转矩也减小。因此，当直流伺服电动机电枢电压，励磁电压不变时，如将负载转矩减少，此时电动机的电枢电流将减小、转速将升高、电磁转矩也将减小。一直到电磁转矩与负载转矩平衡，直流伺服电动机转速停止升高，电流停止减小，直流伺服电动机稳定运行。【简单回答】：当直流伺服电动机的励磁电压U1和控制电压（电枢电压）U2不变时，如将负载转矩减小，则电枢电流I2和电磁转矩T都将随之减小，转速n将随之增大。这是因为负载转矩T2减小，T＞T2，转速n将增大，电枢电势E随之增大，而电压不变，I2减小，T也减小。6-4、什么是步进电动机的步距角？什么是单三拍、六拍和双三拍？答：步进电动机每次通电工作时，其转子都将相应转动一个角度，这一过程称为一步。工作时每一步，步进电动机转子转过的角度称为步进电动机的步距角。步进电动机从一相绕组通电换接到另一相绕组通电称为“一拍”，每次只有一个绕组通电用“单拍”以示区别于每次有两个绕组通电的则称为“双拍”。所谓“单三拍”通电方式是指：步进电动机每次只有一个绕组通电，且完成一个轮流通电的周期需要三拍的工作方式。 6-5、交流测速发电机的转子静止时有无电压输出？转动时为何输出电压与转速成正比，但频率却与转速无关？答：当交流测速发电机的转子静止时，励磁绕组在其轴线方向上产生的脉振磁通与输出绕组的轴线垂直，因而不能在输出绕组中感应电势，也就无电压输出。转动时测速发电机（杯形）转子切割励磁绕组产生的脉振磁通，将在转子导体中感应电势、产生电流；此电流所产生的转子磁通与输出绕组基本一致，输出绕组与转子这部分导体的关系就如变压器原副绕组的关系一样，因而输出绕组将有电压输出。由于切割励磁的转子导体感应的电势大小与励磁磁通和转子转速成正比，励磁磁通是脉振磁通（幅值不变，频率为励磁电源频率），所以感应的电势为交变电势，大小正比于转速，交变频率为励磁电源频率。再者，输出绕组的输出电压与此感应电势（按变压器原理）成正比。于是，结论为：输出电压幅值与转速成正比，电压的频率为励磁电源频率与转速无关。【注】：此题与6-1的回答基本一样，因为此题所问的问题也基本一样——交流测速发电机主要采用异步测速发电机，而其它类型书上又没讲，因此只能以异步测速发电机来回答。6-6、如何控制步进电动机输出的角位移（或线位移量）与转速（或线速度）？步进电动机有哪些可贵的特点？答：步进电动机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲转换为线位移或角位移的电机。按照一定的规律，给步进电动机定子多相磁极绕组轮流通入电脉冲，就能控制其转子的位置变化，即使其转子按照一定的规律转动或产生一定的角位移。轮流通电的顺序决定转子转向，轮流通电的频率决定转子的转速。步进电动机的可贵特点主要有：结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确，转速与电压、负载、温度等因素无关，可通过改变脉冲频率进行无级调速，调速范围很宽等。6-7、将无刷直流电动机与永磁式同步电动机及直流电动机作比较，它们之间有哪些相同和不相同点？答：无刷直流电动机与永磁式同步电动机比较，主要相同点是：①它们的结构上，转子都是采用永磁材料制成的磁极，定子都是多相电枢绕组；②它们的工作原理都是利用定、转子磁极产生的相互吸力使转子转动的；③它们的转向都是可以改变的。主要不同点是：①无刷直流电动机定子电枢绕组通入的是经过控制的脉冲电流，而永磁式同步电动机定子电枢绕组通入的则是多相对称交流电流；②无刷直流电动机具有直接起动的能力，而永磁式同步电动机则无直接起动的能力；③ 无刷直流电动机的转速由其结构（定子的相数和齿数等）决定，一般较难进行速度调节，而改变通入同步电动机电枢绕组电流的频率，就可方便地对其进行速度调节。无刷直流电动机与直流电动机作比较，主要相同点是：①它们的电枢电源都是直流电源；②它们的电枢绕组流过的电流都是交流电流；③它们都可以达到很高的转速（与普通工频交流电动机比较）。主要不同点是：①无刷直流电动机的电枢通常在定子，而普通直流电动机通常在转子；②无刷直流电动机采用位置传感器控制电枢绕组的换向，而普通直流电动机则通过换向器与电刷配合进行换向；③无刷直流电动机的容量通常较小（毫瓦级到千瓦级），而普通直流电动机的容量可以很大（毫瓦级到几十上百兆瓦）。6-8、无刷电机中的位置传感器起什么作用？答：转子位置传感器是一种无机械接触的检测装置，其作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置。进而根据检测到的位置信号控制电子换向电路的导通或者截止，以此代替有刷电机的电刷和换向器。6-9、【补充】试述力矩式自整角机的工作原理。答：①力矩式自整角机需要两个自整角机配合工作，一个作为发送机，一个作为接收机。两机的励磁绕组同时通入同一单相交流励磁电流，三相整步绕组对应相连；②工作时，当两机的转子处于协调位置时，三相整步绕组感应的电势对应相等，整步绕组无电流流过，两机都不产生电磁转矩；③发送机转子转过一个角度后，两机的转子不再处于协调位置了，整步绕组感应的电势对应不相等，于是整步绕组流过单相失调电流，因而产生电磁转矩，力图使两机的转子朝协调位置转动；④由于发送机的转子受发送装置控制不能动，只有接收机的转子转动；⑤接收机的转子转到新的协调位置时才停止。这就是力矩式自整角机自整步的工作原理。6-10、【补充】试述控制式自整角机的工作原理。答：①控制式自整角机也需要两个自整角机配合工作，一个作为发送机，一个作为接收机，三相整步绕组对应相连。工作时，发送机的励磁绕组通入单相交流励磁电流，三相绕组在励磁电流的作用下，感应三个幅值不等相位相同的电势。在这三个电势的作用下，接收机三相整步绕组将有三个幅值不等相位相同的电流流过，并产生交流磁通。②当两机的转子处于协调位置时（两机转子相差90˚），由发送机供电的接收机三相绕组产生的交变磁通与输出绕组没有交链，因此不感应电动势，接收机的输出电压为0。当发送机转子转过一个角度后，两机的转子不再处于协调位置了，接收机三相绕组产生的磁通就以一定的角度穿过输出绕组，输出绕组将感应电动势。发送机转子转过的角度越大（在90˚内 ），穿过接收机输出绕组的磁通就越大，感应的电动势和输出的电压也就越大。若发送机转子转过的角度方向变反，穿过接收机输出绕组的磁通变反，感应的电动势和输出的电压相位也变反。③也就是说，控制式自整角机工作时，接收机输出绕组输出的电压大小反映了发送机转子转过的角度的大小。接收机输出绕组输出的电压相位反映了发送机转子偏转的方向。④接收机输出绕组输出的电压经过一定的处理或放大后即可用来控制伺服电动机工作，实现被控设备转轴与接收机转轴的跟随转动。⑤通常接收机转子与被控设备相连，被控设备转轴转动后，将反过来带动接收机转子，使之回到与发送机转子相差90˚的协调位置。7-1、电力拖动系统运行的稳定性是指什么？而拖动系统稳定运行的条件又是什么？答：对于一个电力拖动系统，当T=TL时，拖动系统处于稳定运行状态。当系统由于受到外界干扰时，系统转速发生变化而离开原来平衡状态；一旦干扰消失，系统能够自动回复到原来的工作点上，这样一种性质称为电力拖动系统的稳定性。稳定性的判别：系统在电动机机械特性曲线和负载特性曲线的交点能够保持恒速运行（即T=TL）；如果在交点所对应的转速之上有T＜TL，而在交点所对应的转速之下T＞TL，那么系统就具有恢复稳定工作的能力，满足稳定运行的条件。用数学式表达为：T=TL，且在T=TL处，满足dT/dn＜dTL/dn。简单地说，稳定性的判别为：①电机和负载机械特性曲线有交点，②在交点附近有dT/dn＜dTL/dn或△T/△n＜△TL/△n。7-2、为了缩短起动过程，在电动机方面应采取哪些办法？常见船舶上的起货电动机转子为什么要制成又细又长的？答：从运动方程看，为了缩短起动过程，可以增大电动机起动的电磁转矩或减小负载转矩，还可以减小拖动系统的飞轮矩GD2。不论是交流异步电动机或直流电动机，起动转矩与励磁磁通及电机电流成正比。因此，为了缩短起动过程，在电动机方面应采取的办法主要有：①保证直流电机的励磁磁通为最大或额定值；②直流电机电枢电流为最大限制值（一般为额定电流的2～2.5倍）；③交流异步电机采用特殊（高转差率）电动机或采用绕线式异步电动机转子回路串电阻起动；④此外，要求起动迅速的电机，其转子可制成细长型，以减小电机本身的飞轮矩，从而使整个电力拖动系统的飞轮矩得到减小，缩短起动加速的时间。船舶上起货机转子之所以制成又细又长主要是为了减小电机本身的飞轮矩，缩短起动加速的时间。7-3、直流电动机采用电阻分级起动时，切换电阻时的电流要稍大于额定电流，为什么？为了使起动平稳，是否分级越多越好？ 答：简单地说，直流电动机采用电阻分级起动时，切换电阻时的电流要稍大于额定电流是为了缩短起动过程。因为电动机起动过程是一个转速增加的过渡过程，这个过程之所以能够加速是由于电动机产生的电磁转矩T大于负载转矩TL，即△T=T-TL＞0。若起动过程中，TL不变，随着转速的增加，电动机电枢绕组感应的电动势增大，电枢电流Ia减小，电磁转矩T=CTΦIa也减小，若不适时增大Ia，起动过程将延长。因此，采用电阻分级起动时，切换电阻时的电流要稍大于额定电流，尤其是在带额定负载起动时更应该如此，否则起动过程将会很长。若单从起动平稳的角度看，理论上说为了使采用电阻分级起动的直流电动机起动平稳，电阻分级越多起动就越平稳。但是，增加电阻分级数，不仅增加起动设备的复杂程度，是该起动方法的优点变成不明显。而且电阻分级数的增加，每段电阻值变小，对电阻值的要求将提高，切换条件的精度也提高，这不但增加起动设备的成本，且容易由于精度误差，使切换时电枢电流超过所限制的最大电流，引起另外的不平稳因素，更会降低电动机的使用寿命。因此，实际直流电动机串电阻起动通常可分为二级起动和三级起动两种。即，并非分级越多越好。7-4、在空载和满载起动时，电动机的起动电流及起动转矩是否一样？对于同一交流异步电动机接成Y形（电源电压为380V）和接成Δ形（电源电压为220V），起动时的起动电流及起动转矩是否一样？答：由电动机电流和电磁转矩公式看，电动机的起动电流及起动转矩与负载大小无关。因此，在空载和满载起动时，电动机的起动电流及起动转矩是一样的。对于同一交流异步电动机接成Y形（电源电压为380V）和接成Δ形（电源电压为220V），起动时，定子每相绕组的端电压都是220V，流过定子每相绕组的电流是一样的，电机产生的起动转矩也是一样的。但通常起动电流的定义是：电动机起动时电源向电动机提供的线电流。因此，接成Y形（电源电压为380V）时间电流较小，只有接成Δ形（电源电压为220V）的1/√3倍。7-5、试比较异步电动机变转差率、变极和变频调速的各自优缺点。答：①异步电动机变转差率调速通常包含降压、定子回路串阻抗、绕线式转子串电阻等多种方法。因此变转差率调速的优点主要是：这些方法一般都较简单，都属于恒转矩调速，而且降压调速还可实现无级调速。它们共同的缺点主要是：调速范围小，机械特性变软，转速的稳定性较差，过载能力下降，调速电阻耗能大等。②异步电动机变极调速的优点主要是：调速控制简便，调速时机械特性硬度基本不变，可以选择不同的电机适应恒功率负载或恒转矩负载的需要。异步电动机变极调速的缺点主要是：不能实现平滑的无级调速，只有2～4个可选择的转速，变极电机制造工艺较复杂，成本相对较高。 ③随着电力电子技术的发展和基于坐标变换的矢量控制理论的成熟，异步电动机变频调速已经成为一种比较理想的调速方式。变频调速的主要优点是：可以实现平滑的无级调速，调速范围大，机械特性硬，可满足恒功率负载或恒转矩等各种负载调速的需要。主要缺点是：难于实现真正意义上的回馈制动，将制动能量送回电网，变频器容易受无线电干扰，容易造成逆变颠覆，过载能力相对较弱，高性能变频器价格相对较高等。7-6、有一台鼠笼式三相异步电动机，铭牌上标明：额定电压380V，Y形连接，出厂时绕组用Y形连接，今拟用Y-Δ换接降压起动，是否可以？为什么？答：若使用电压为380V的交流电源，则不能采用Y-Δ换接降压起动。如果该电机使用电压为220V的三相交流电源，则可以采用Y-Δ换接降压起动。因为，该电机一相绕组可以承受的额定电压为220V，在电源电压为三相380V时，接成Y连接，其绕组已经承受220V的额定电压。若电源电压为380V而该电机接成Δ连接，绕组所承受的电压就是380V，已经大大超过其额定电压，该电机将因为过电压而烧毁。因此，电源电压为380V时，该电机不能采用Y-Δ换接降压起动。而若使用电压为220V的三相交流电源，接成Y连接时，其绕组所承受的电压约为127V左右，接成Δ连接，绕组所承受的电压为220V，不超过其额定电压。因此，电源电压为200V时，该电机可以采用Y-Δ换接降压起动。7-7、电源反接制动和倒拉反接制动的区别是什么？鼠笼式异步电动机能否实现倒拉反接制动？答：电源反接制动和倒拉反接制动的主要区别有：①电源反接制动是一个过渡过程，制动后若不及时断电，电机将反向起动。而倒拉反接制动则是一个稳定的工作过程，只有通过控制改变电机的机械特性，或将电源断开才能结束倒拉反接制动；②电源反接制动时负载转矩方向与电机转子的转动方向相反，而与电磁转矩方向一般是相同的。而倒拉反接制动时负载转矩方向与电机转子的转动方向相同，而与电磁转矩方向相反。鼠笼式异步电动机是不能实现倒拉反接制动的。因为，要实现拉反接制动的条件有两个：①带足够大的位能性负载，②电机转子回路串足够大的电阻使电机的机械特性变得足够软，在位能性负载的拉动下才能进入倒拉反接制动。而鼠笼式异步电动机的转子回路是一个独自形成闭合回路的电路，不能串接任何电阻或阻抗。且由于鼠笼式异步电动机转子回路电阻通常较小，以满足其正常时工作在电动状态。因此，鼠笼式异步电动机是不能实现倒拉反接制动的。7-8、异步电动机带一位能性负载运行在电动状态，突然将其中两相电源反接，会出现什么情况，电动机最终稳定运行在何种状态？试予分析。 设：该异步电动机带一位能性负载TL以电动状态运行在如右图所示的正向机械特性的a点。若突然将电机的两相电源反接，此时电机气隙旋转磁场的转向立即变反，电机立即工作在反向机械特性。由于电机转子因惯性仍保持着原来的转向不变，于是工作点就从a点切换到b点。电机产生的电磁转矩T方向亦变反，成为制动转矩。再加上负载转矩为能性负载转矩，其方向是阻止转子转动的方向。因此转子转速下降，迅速从b点下降到c点，转子转速为0，这个过程为电源反接制动过程。电源反接制动过程结束时，电机的电磁转矩不为0，也不等于负载转矩。因此，转子仍不能保持不动。在电磁转矩（为反向驱动转矩）和负载转矩的共同作用下，转子开始反转，进入反向起动过程，由c点反向加速到反向理想空载转速-n0，反向起动过程结束。到-n0时，电机产生的电磁转矩为0，转子在负载转矩的作用下进一步反向加速，开始进入反向回馈制动状态。进入反向回馈制动状态后，电机产生的电磁转矩由负变成正，但此时转子处于反转状态。因此，电磁转矩为制动转矩，开始与负载转矩平衡，直到d点，电磁转矩与制动转矩相等，电机转子稳定运行在反向回馈制动状态，将负载的位能变成电能回馈给电源。7-9、一台直流他励直流电动机带一位能性负载运行在倒拉反接制动状态，此时突将电枢电源反接，并切除制动电阻，试问拖动系统将会发生什么情况？电动机最终将稳定运行在何种状态？画出机械特性曲线。设：直流他励直流电动机带一位能性负载TL 以倒拉反接制动状态运行在如右图所示的倒拉反接制动机械特性的a点。若突将电枢电源反接（此时，制动电阻未切除，相当于反向起动电阻），工作点就从a点切换到反向串电阻起动特性的b点。此时，电枢电流方向变反，电机产生的电磁转矩方向也变，变成反向驱动转矩。在电磁转矩和位能性负载转矩的共同作用下，电机反向加速至c点。若此时切除制动电阻（相当于反向起动电阻），工作点就从c点换到反向固有机械特性的d点，此时，反向起动的电磁转矩增大，电机进一步反向加速至-n0，反向起动过程结束。到-n0时，电机产生的电磁转矩为0，转子在负载转矩的作用下进一步反向加速，开始进入反向回馈制动状态。进入反向回馈制动状态后，电机产生的电磁转矩由负变成正，但此时转子处于反转状态。因此，电磁转矩为制动转矩，开始与负载转矩平衡，直到e点，电磁转矩与制动转矩相等，电机转子稳定运行在反向回馈制动状态，将负载的位能变成电能回馈给电源。整个过程的机械特性曲线如图所示。7-10、对恒转矩及恒功率的变极调速，分别应配以何种负载特性比较合理？为什么？答：对恒转矩变极调速应配以恒转矩负载特性比较合理，对恒功率的变极调速应配以恒功率负载特性比较合理。因为，对于恒转矩变极调速，调速前后电机产生的最大电磁转矩不变，配以恒转矩负载特性，既可以防止低速时负载转矩超过电机的额定转矩造成过载，又可避免高速时负载转矩大大小于额定电磁转矩，造成不必要的功率浪费。而对于恒功率的变极调速，调速前后电机所允许输出的功率不变，配以恒功率负载特性，既可以防止高速时输出的负载功率超过电机所允许输出的功率，又可避免低速时负载转矩小于电机的额定转矩很多，输出的功率大大小于电机的额定功率，造成不必要的功率浪费。7-11、异步电动机变频调速时，为什么希望在调速过程中保持磁通不变？在过载能力不变的前提下，恒转矩或的各自的条件是什么？答：异步电动机在额定频率之下变频调速时，为了使电动机的最大转矩Tm不变，维持在恒转矩的调速方式，就必须在调速过程中保持磁通不变。所谓过载能力不变，是指电机不过载所能带的负载转矩与电机的最大转矩之比保持不变。在过载能力不变的前提下，要维持恒转矩变频调速的条件是：在降低频率的同时电源电压也按比例下调，其比例关系为U1/f1=常数。而在额定频率之上进行升频调速时，若要保持主磁通Φ基本不变，U1应随f1而上升。由于电源电压的上升将受制于电机的绝缘强度等诸多因素影响，故一般保持U1不变。此时，随着f1的升高，Φ将减弱，电动机的电磁转矩也将减小，属于恒功率的调速方式。因此，要维持恒功率变频调速的条件是：在升频调速时，应该保持U1 不变。此时，电机所能够产生的不过载的电磁转矩与最大转矩同时减小，电机的过载能力可以认为基本不变。7-12、一台他励直流电动机的工作参数为：PN=40kW，UN=220V，IN=207.5A，Ra=0.067Ω，nN=1000r/min，试求：(1)若直接起动，则起动电流为额定电流的多少倍？(2)如采用三级起动，起动电流不超过2.5IN，则应串入多大的起动电阻？并估算各级的起动电阻值。(3)算出各级起动电阻切除时瞬时转速（每次切换时的电流为1.2IN）。解：⑴根据直流电动机电压平衡方程U=Ea+IaRa可知，直接起动时电枢电流为：Iast=U/Ra=220/0.067=3286.58A≈15.8IN⑵如采用三级起动，起动电流不超过2.5IN，按照要求取Iast=2.5IN,应串入多大的起动电阻为：Iast=U/(Ra+Rst)=2.5IN,即Rst=U/2.5IN-Ra=220/(2.5×207.5)-0.067=0.357(Ω)如果采用三级起动，则三级起动时依次切除的三段电阻分别为0.5Rst、0.3Rst、0.2Rst，即分别为：0.179Ω、0.107Ω、0.071Ω⑶对于他励直流电动机，E=CeΦn∝n，因此只要计算出起动电阻切除时刻的感应电动势即可求出对应转速。因此，根据电压平衡方程各级起动电阻切除时瞬时的感应电动势为：①切除0.5Rst瞬时：Ea1=U-1.2IN(Ra+Rst)=220-1.2×207.5×(0.067+0.357)=114.4(V)②切除0.3Rst瞬时：Ea2=U-1.2IN(Ra+0.5Rst)=220-1.2×207.5×(0.067+0.179)=158.86(V)③切除0.3Rst瞬时：Ea2=U-1.2IN(Ra+0.2Rst)=220-1.2×207.5×(0.067+0.071)=185.53(V)根据电动势公式E=CeΦn∝n，由于CeΦ不变，因此：Ea1/n1=Ea2/n2=Ea3/n3=EaN/nN，而：EaN=U-INRa=220-207.5×0.067=206.0975(V)，nN=1000r/min，因此，各级起动电阻切除时瞬时转速分别为：n1=(nNEa1)/EaN=(1000×114.4)/206.0975=555(r/min)n2=(nNEa2)/EaN=(1000×158.86)/206.0975=770.8(r/min)n2=(nNEa2)/EaN=(1000×185.53)/206.0975=900(r/min)答：⑴若直接起动，则起动电流约为额定电流的15.8倍，⑵如采用三级起动，起动电流不超过2.5IN，则应串入的起动电阻约为0.357Ω，各级的起动电阻估算值分别约为0.179Ω、0.107Ω、0.071Ω，⑶各级起动电阻切除时瞬时转速分别约为555r/min、770.8r/min和900r/min。7-13、一台鼠笼式三相异步电动机的工作参数为：PN=30kw，UN=380V，IN=57.5A，f1=50Hz，p=2，sN=0.02,η=90%，Tst/TN=1.2,Ist/IN=7,试求： (1)用Y-Δ换接降压起动时的起动电流和起动转矩；如负载转矩分别为额定负载转矩的60%和25%时，电动机能否起动？(2)用自耦变压器降压起动，使电动机起动转矩为额定转矩的85%时，自耦变压器的变比应为多少？此时电动机的起动电流和线路上的起动电流各为多少？解：要计算起动转矩，应该先计算额定转速nN和额定转矩TN：nN=(1-sN)n1=(1-sN)60f/p=(1-0.02)60×50/2=1470(r/min)TN=9550PN/nN=9550×30/1470=194.88(N·m)⑴用Y-Δ换接降压起动时的起动电流和起动转矩；如负载转矩分别为额定负载转矩的60%和25%时，电动机能否起动？IstY=Ist△/3=7IN/3=7×57.5/3=134.2(A)TstY=Tst△/3=1.2TN/3=1.2×194.88/3=77.95(N·m)对于60%额定负载转矩，即为：0.6×194.88=116.93N·m＞TstY=77.95N·m，∴不能起动；对于25%额定负载转矩，即为：0.25×194.88=48.72N·m＜TstY=77.95N·m，∴可以起动。⑵用自耦变压器降压起动，使电动机起动转矩为额定转矩的85%时，自耦变压器的变比应为多少？此时电动机的起动电流和线路上的起动电流各为多少？设：自耦变压器的变比为k，则k2等于电动机直接起动转矩Ist△与采用自耦变压器降压起动时电动机的起动转矩Tsts=0.85TN之比。因此，自耦变压器的变比应k为：k=(1.2TN/0.85TN)-0.5=(1.2/0.85)-0.5=1.188电动机绕组电压为直接起动时的1/k，因此，此时电动机的起动电流Ist为：Ist=Ist△/k=7×57.5/1.188=338.8(A)线路中的电流就是自耦变压器原边电流Ists为：Ists=Ist△/k2=7×57.5/1.1882=285.1(A)答：⑴用Y-Δ换接降压起动时，起动电流约为134.2A，起动转矩约为77.95N·m；对于60%额定负载转矩，电动机不能起动；对于25%额定负载转矩，电动机可以起动。⑵用自耦变压器降压起动，使电动机起动转矩为额定转矩的85%时，自耦变压器的变比应为1.188；此时电动机的起动电流约为338.8A，线路上的起动电流约为285.1A。7-14、一台直流他励直流电动机的工作参数为PN=29kw，UN=440V，IN=76A，nN=1000r/min，Ra=0.065RN(RN=UN/IN)，若忽略空载损耗，试求：(1)电动机以转速500r/min吊起TL=0.8TN的负载，求这时串接在电枢电路上的电阻Rz；(2)用哪几种方法可使负载（TL=0.8TN）以-500r/min的转速下降？求每种方法电枢电路的串接电阻值各为多少？(3)当电动机以500r/min转速稳定起吊TL=0.8TN的负载时，忽然将电枢反接，并使电流不超过IN，求最后稳定下降时的转速；(4) 电动机在倒拉反接制动下工作，转速n=-600r/min，电枢电流Ia=50A，求：（a）电枢电路内所有串接的电阻值；（b）电动机轴上的转矩；（c）电网供给的功率；(d)从轴上输入的功率；(e)在电枢电路内电阻上消耗的功率。解：额定转矩TN=9550PN/nN=9550×29/1000=276.93N·m。带额定负载时，根据电压平衡方程式有：CeΦ=(UN-INRa)/nN=(440-76×0.065×440/76)/1000=0.4114。忽略空载损耗，根据转矩公式有：CTΦ=TN/IN=276.93/76=3.64381。Ra=0.065RN=0.065×440/76=0.3763(Ω)【注】：有关CTΦ的计算见本题解答后的说明。⑴电动机以转速500r/min吊起TL=0.8TN=221.544N·m的负载，求这时串接在电枢电路上的电阻Rz。根据机械特性公式有Rz：Rz=CTΦ(U-CeΦn)/TL-Ra=3.6438(440-0.4114×500)/221.544-0.3763=3.4773(Ω)由于n0=UN/CeΦN=440/0.4114=1069.5＞＞}-500}，因此不能采用回馈制动实现。除了回馈制动外，可以采用：①.能耗制动和②.倒拉反接制动两种方法，可使负载（TL=0.8TN）以-500r/min的转速下降。①.根据机械特性公式，采用能耗制动实现时，CeΦn=-(Ra+R1)T/CTΦ。因此，有：R1=-CeCTΦ2n/TL-Ra=-0.4114×3.6438×(-500)/221.544-0.3763≈3(Ω)②.根据机械特性公式，采用倒拉反接制动实现时，CeΦn=U-(Ra+R2)T/CTΦ。因此，有：R2=CTΦ(U-CeΦn)/TL-Ra=3.6438×[440-0.4114×(-500)]/221.544-0.3763=10.24(Ω)⑶当电动机以500r/min转速稳定起吊TL=0.8TN的负载时，忽然将电枢反接，并使电流不超过IN，求最后稳定下降时的转速；以500r/min转速稳定起吊TL=0.8TN的负载时，电枢感应电动势E3为：E3=CeΦn=0.4114×500=205.7(V)忽然将电枢反接，为了使电枢电流（方向与反接前相反）不超过IN，则电枢回路应该串联电阻R3，且根据反接后电压平衡方程式-U=E3+(Ra+R3)IN，所串电阻R3至少应为：R3=-(U+E3)/IN-Ra=-(440+205.7)/(-76)-0.3763=8.1197(Ω)电枢回路串R3后，电机首先进行电源反接制动，然后反向起动，最后进入反向回馈制动稳定下降。此时，根据机械特性方程式，有：n=U/CeΦ-(Ra+R3)T/CeCTΦ2=-400/0.4114-(0.3763+8.1197)221.544/(0.4114×3.6438)≈-2325(r/min)⑷电动机在倒拉反接制动下工作，转速n=-600r/min，电枢电流Ia=50A，求：（a）电枢电路内所有串接的电阻值；（b）电动机轴上的转矩；（c）电网供给的功率；(d)从轴上输入的功率；(e)在电枢电路内电阻上消耗的功率。(a)设：此时电枢绕组感应为电动势E4，则E4=CeΦn=-0.4114×600=-271.524(V)。电枢电路内所有串接的电阻值R4为：R4=(U-E)/I-Ra=(440+271.524)/50-0.3763=13.8542(Ω) (b)忽略空载损耗，电动机轴上的转矩T4为：T4=CTΦI=3.6438×50=182.19(N·m)(c)电网供给的功率P1为：P1=UI=440×50=22(kW)(e)在电枢电路内电阻上消耗的功率Ps为：Ps=I2Ra=502×0.3763=940.8(W)答：⑴电动机以转速500r/min吊起TL=0.8TN=221.544N·m的负载，求这时串接在电枢电路上的电阻Rz约为。根据机械特性公式有Rz约为3.4773Ω；⑵用能耗制动和倒拉反接制等方法可使负载（TL=0.8TN）以-500r/min的转速下降，采用能耗制动方法时电枢电路的串接电阻值约为3Ω，采用能耗制动时电枢电路的串接电阻值约为10.24Ω；⑶当电动机以500r/min转速稳定起吊TL=0.8TN的负载时，忽然将电枢反接，并使电流不超过IN，则最后稳定下降的反向转速约为2325r/min；⑷(a)电枢电路内所有串接的电阻值约为13.8542Ω，(b)轴上的转矩约为182.19N·m，(c)电网供给的功率约为22kW，(e)在电枢电路内电阻上消耗的功率Ps约为940.8W。【说明】：对于一台具体的直流电机，Ce=Pn/(60a)，CT=Pn/(2πa)。因此CTΦ/CeΦ=30/π≈9.55。但是题目所给的数据计算Ce和CT却出现误差（CeΦ=0.4114，CTΦN=3.64381，TN=276.93N·m，CTΦ/CeΦ≈8.8571），不能满足上述关系（应该是：CeΦ=0.4114，CTΦN=9.55×CeΦ=3.9286，TN=CTΦNIN=298.57N·m），这权且当做是忽略空载损耗造成的误差吧。因此，本题的解算过程仍然采用上面的计算：CeΦN=0.4114，CTΦN=3.6438，TN=276.93N·m。答：电机将：首先进入反向起动的加速过程，然后进入反向回馈制动，并最终稳定运行在反向回馈制动状态。具体过程如下：答：会出现情况为：异步电动机首先进入电源反接制动过程，然后进入反向起动过程，最后进入反向回馈制动过程，并稳定运行在反向回馈制动状态，电动机转子在负载转矩的拖动下将位能转换成电能回馈给电源。具体过程如下：8-1、交直流电磁机构的根本差异是什么？何谓恒磁链电器，何谓恒磁势电器？答：交直流电磁机构的差异主要体现在两个方面：铁心磁路和线圈上。一、在铁心磁路方面：⑴直流电磁机构①稳定时，既不产生涡流损耗，也不产生磁滞损耗；②因此其铁心可用整块软钢制成；③属于恒磁势型电磁铁：——因为电源电压、导线电阻不变。⑵交流电磁机构①工作时磁路磁通为交变磁通，将产生包含涡流损耗和磁滞损耗的铁损耗；②因此其铁心应该采用硅钢制成，减少铁耗；③属于恒磁通型电磁铁：电源U不变时，E基本不变(线圈感应E用来平衡电源U)。 二、在线圈方面：⑴直流电磁机构的线圈①.导线细，匝数多，线圈电阻大，保证电流不过大；②.线圈做成细长形，紧紧靠着铁心，增加散热。⑵交流电磁机构的线圈①.导线粗，匝数少，线圈电阻小、电抗大；②.励磁电流（产生磁通的电流）在衔铁吸合前后变化很大：衔铁吸合前电流是吸合后电流好几倍甚至十几倍。因为，吸合前气隙大、磁阻大，要得到相同磁通，必须使励磁电流大（才能满足磁通基本不变要求）。所谓恒磁链电器，又称为恒磁通电器，是指电器工作时磁路的磁通链不因为磁路状态的改变而有明显改变的电器，如交流电磁铁、交流接触器、交流继电器等。所谓恒磁势电器，是指电器工作时其线圈通过的电流不因为磁路状态的改变而改变的电器，如直流电磁铁、直流接触器、直流继电器等。8-2、交流接触器运行中噪声很大是什么原因？如何消除？答：交流接触器运行中噪声很大的原因主要有：①铁心中的短路环断裂，②反力弹簧拉力过大，③线圈电压太低等。①对于短路环断裂造成的噪声，消除方法是将短路环重新焊接装好。②对于反力弹簧拉力过大造成的噪声，消除方法是正确调整反力量弹簧的作用力。③对于线圈电压太低造成的噪声，消除方法是将线圈电压调节到额定电压即可。8-3、接触器（继电器）的返回系数如何定义的？如何整定其动作值和释放值？答：接触器（继电器）的返回系数等于接触器（继电器）的释放值和动作值之比。对于交流接触器（继电器），由于其电磁机构属于恒磁通型的，磁路气隙大小不影响释放值和动作值，因此调节动作值和释放值主要通过调节反力弹簧和触头弹簧进行。反力量弹簧的拉力增大，交流接触器（继电器）的释放值和动作值都增大，反之亦然；反力弹簧拉力不变时，触头弹簧弹力增大，则动作值不变，而释放值增大，反之亦然。对于直流接触器（继电器），由于其电磁机构属于恒磁势型的，磁路磁阻的大小既影响释放值也影响动作值。若吸合之前，将气隙调大，则直流接触器（继电器）的动作值减小，将气隙调小，则直流接触器（继电器）的动作值增大。整定释放值的大小，可以通过调节非磁性垫片的厚度。非磁性垫片厚度增大，吸合磁路的磁阻增大，磁通减小，直流接触器（继电器）的释放值变大；非磁性垫片厚度减小，吸合磁路的磁阻变小，磁通增大，释放值变小。8-4、两个同型号的交流接触器，吸引线圈额定电压为110V，能否将其串联后接到220V交流电源上？如果是直流接触器，情况如何？ 答：两个同型号的交流接触器，吸引线圈额定电压为110V，一般不能否将其串联后接到220V交流电源上。这是因为，两个交流接触器的线圈同时通电后，它们的电磁机构一般不能同时使其衔铁吸合，未吸合的交流接触器，线圈感应电动势较小，串联的线圈电路中的电流将增大，增大的电流不仅使两个线圈的铜损耗都增大，而且还会使已经吸合的接触器磁路饱和，损耗增加其铁心损耗。此外若将两个线圈串联，则其中一个接触器出现故障，将引起另外一个接触器的线圈不能正常工作。两个同型号的直流接触器，吸引线圈额定电压为110V，一般也不能否将其串联后接到220V交流电源上。虽然两个直流接触器线圈同时通电，它们的电磁机构是否同时吸合，不会影响它们的正常工作，但与交流接触器相似，将两个线圈串联，则其中一个接触器出现故障，也将引起另外一个接触器的线圈不能正常工作。因此，不管是交流接触器还是直流接触器，一般不是不能将两个线圈串联工作的。8-5、在线圈额定电压相同的前提下，交流电器与直流电器能否相互代用？答：在线圈额定电压相同的前提下，交流电器与直流电器不能相互代用。因为交流电器工作在交流电时，其电抗较大。为了保证有足够的励磁电流，交流电器线圈的匝数较少、线径较细。若将其接到相同电压的直流电源上，则由于线圈的电抗在直流电作用下不复存在，只剩下较小的电阻。因此，若将交流电器与直流电源连接，则交流电器的电流将大大地超过额定电流，使交流损坏。而直流电器的线圈在直流电路中没有电抗，为了保证通过线圈的电流不会太大，直流电器线圈的匝数较多、线径较细。若将其接到相同电压的交流电源上，则由于匝数较多的线圈在交流电源的作用下存在较大的电抗，再加上直流线圈线径较细、电阻较大则流过线圈的电流将比接交流电时小很多，线圈产生的电磁吸力将严重不足，不能克服反力弹簧的作用力使电器的传动机构正常工作。因此，在线圈额定电压相同的前提下，交流电器与直流电器是不能相互代用的。8-6、直流接触器线圈中串经济电阻的作用是什么？交流接触器线圈中也能串经济电阻吗？答：直流接触器线圈中串经济电阻的作用主要有两个：①在接触器吸合后减小线圈的电流，从而减少损耗；②延长直流接触器线圈的寿命。这是因为直流接触器的电磁机构属于恒磁链(磁通)型，恒磁链(磁通)型电磁机构动作后，磁路的磁阻减小，吸力增大，此时可以减小直流接触器线圈的电流，从而减小电磁机构产生的磁势和吸力。这样不仅能减少损耗而且可延长线圈的寿命。交流接触器线圈是不能串经济电阻的。这是因为，交流接触器的电磁机构属于恒磁通型的，不论是否吸合，电磁机构产生的磁通都是恒定不变的，若在其吸合时串入经济电阻，交流接触器线圈的电流将减小，产生的电磁吸力也将减小，将造成其衔铁因电磁吸力不足而产生振动，严重时将造成交流接触器不能正常动作。 8-7、交流接触器在使用中线圈严重发热，经检查线圈额定电压符合要求，是什么原因？答：交流接触器在使用中线圈严重发热，经检查线圈额定电压符合要求，则其主要原因有：①铁心硅钢片的片间绝缘性能下降，铁损耗增加；②交流接触器铁心与衔铁的吸合面存在污物，衔铁吸合后与铁心之间存在较大的气隙较大，而由于交流接触器的电磁机构属于恒磁通型，气隙大将使励磁电流增大，从而使线圈严重发热；③交流接触器的工作环境温度偏高，接触器损耗产生的热量散发不良；④此外，接触器反力弹簧和触头弹簧作用力过强，也会引起衔铁吸合不紧密，从而造成线圈发热增加。8-8、电动机的保护线路中已经设置熔断器，为什么还要装热继电器？而热继电器为什么至少要在电机定子的两相中安放，一相或三相都放行吗？答：电动机的保护线路中熔断器主要是作为电动机短路保护用的，由于电动机起动电流是其额定电流的4～7(或5～8)倍，为了保证短路保护的可靠性，熔断器的额定电流为电动机额定电流的1.5～2.5倍。这样既可达到保护电动机的短路又可避开起动时的影响。但若由于某种原因，电动机出现小于1.5倍额定电流的轻度过载，熔断器将长期不能熔断，而电动机则会因为过载使其绕组温度超过最高允许温度而损坏绝缘。也就是说，电动机的保护线路中的熔断器只能起短路保护或程度较重的过载保护，而不能起轻度过载或过热保护。因此，要保证电动机的可靠运行，还必须装热继电器进行过载保护。在电机定子的至少两相中安放热继电器不仅可以达到过载保护的目的，同时还可作为电动机缺相运行的保护。只有在至少两相中安放热继电器才能保证不管哪一相缺相，热继电器都能检测到过电流，从而实现缺相保护。若只在一相装有热继电器，则在恰巧该相发生缺相，另外两相的电流增大，而缺相的电流为0，热继电器就不能检测的过载电流，也就不能达到缺相保护的目的。在三相都装有热继电器，同样可以检测到电动机缺相的过载电流，因此是可以既达到过载保护还能够完成缺相保护的。应该说明的是，早期的热继电器中双金属片的生产工艺等水平较为落后，双金属片的成本较高，因此早期的热继电器是单相式的，可以每相单独安装。而随着生产工艺等水平的提高，目前双金属片的生产成本较低，现在的热继电器大多是三相式的，也就是说，现在的热继电器基本上是在每一相都装有作为检测元件的双金属片的。8-9、交流磁力起动器中为什么要有“自锁”环节？“自锁”环节失灵将发生什么现象？答：交流磁力起动器中“自锁”环节的功能有两个：①实现连续运行控制，②与接触器或电压继电器的线圈配合，完成失压或欠压保护功能。 “自锁”环节失灵时，若“自锁”触头不能闭合，交流磁力起动器就不能实现连续运行控制，而变成只能实现点动控制了。若出现由于主触头发生粘连，而使“自锁”触头不能断开的失灵，则交流磁力起动器不能使电动机停止，也不能完成失压或欠压保护功能。8-10、什么叫互锁？图8-20中的互锁控制和图8-24中的互锁控制有什么异同？答：所谓互锁，是指控制电路中的两个支路之间互相锁住对方，一个支路通电，另一个支路就不能通电的一种制约关系，实现这种关系的电路称为互锁电路。书上的图8-20由于排版错误，没能画出正确的图，现将图8-20和图8-24重画如下所示。图8-20图8-24相同之处：①、图8-20和图8-24主电路都相同。②、它们的控制电路都属于互锁控制，正转工作时，正转接触器KMF都通电吸合，反转接触器线圈KMB都不能通电，保证主电路不会出现短路。③、互锁实现都是采用常闭触头串联在被互锁的线圈支路。 不同之处：①、图8-20属于电气互锁，即互锁触头为接触器的常闭辅触头作为互锁触头。图8-24则属于机械互锁，互锁触头为按钮的常闭辅触头作为互锁触头。②、图8-20控制电路不能直接进行反转操作，要反转则需要先按停止按钮，使正转接触器线圈失电后按压反转起动按钮才能进行反转起动；而图8-24则允许直接进行反转操作，在正转接触器通电而按压反转接触器按钮时，正转接触器线圈失电的同时反转接触器的线圈通电动作。③、图8-20比图8-24的互锁控制相对安全可靠。若由于频繁起动或主触头脏且没有及时维护保养等原因造成某个方向接触器(KMF或KMB)工作时主触头熔粘，此时即使该接触器的线圈失电，其主触头仍然接通主电路，常闭辅触头断开。对于图8-20的互锁控制电路，此时按压另一方向的起动按钮(由于作为互锁触头的常闭辅触头断开)，另一方向接触器的线圈不能通电动作。而对于图8-24的互锁控制电路，此时按压另一方向的起动按钮，另一方向接触器的线圈将通电动作(由于主触头熔粘)，将造成主电路出现短路事故。④、图8-24比图8-20互锁控制相对不会出现因误操作的起动。若同时按压正反转起动按钮，图8-20的互锁控制的两个方向接触器线圈将同时通电，将出现触头竞争，最终结果将使某个方向接触器接通主电路，使电动机以某一转向起动。而图8-24的互锁控制的两个方向接触器线圈则都不能通电，电动机将不能起动，可保证电动机不会由于误操作而起动。8-11、什么叫联锁控制？机舱辅机中有哪些设备需要联锁控制？答：所谓联锁控制，就是顺序控制。需要两个或两个以上设备协调工作时，这些设备之间按照一定的顺序先后起动或先后停止的控制称为联锁控制。在船舶机舱辅机中需要联锁控制的设备很多：船舶冷库中的蔬菜库的冷剂电磁阀与风机的控制需要联锁控制；柴油主机遥控系统中许多部件操作控制需要联锁控制，如换向油缸与顶杆之间，盘车机脱开机构与主机起动阀之间，……都需要联锁控制；锅炉点火变压器通电与锅炉风机的预扫气(或称为预扫风)、燃油阀开启等的控制需要联锁控制。8-12、什么叫双位控制？有哪些特点？机舱辅机中有哪些设备采用双位控制？答：将被控量控制在一个上限和一个下限之间，使被控量在上下限的范围内变化的控制称为双位控制，也称为双限控制。在船舶机舱辅机中有很多设备采用双位控制：日用淡水泵、日用海水泵等的压力双位控制；燃油沉淀柜加热器、冷却水温度控制阀等的温度双位控制；锅炉给水泵的水位双位控制；……等等。8-13、图8-17所示的交流磁力起动器在检修后试车，发现下列故障现象，分别分析其原因。(1)合上开关QS后，电机立即自动起动，但随即反复出现停车、起动、又停车的振荡现象。(2)按SB1，电动机正常起动运行，但按SB2，无法停机。(3)按SB1，电动机起动，松开SB1电动机立即停车。 答：图8-17交流磁力起动器如右图所示。⑴合上开关QS后，电机立即自动起动，但随即反复出现停车、起动、又停车的振荡现象。通过对故障现象的分析可以知道：之所以会出现该现象是因为接触器KM的线圈反复通电断电，而且合上开关QS后，线圈支路处于接通状态，即起动按钮被短接。而起动按钮被短接后要出现KM线圈反复通电的故障现象，则短接器件为接触器的常闭辅触头。也就是说，交流磁力起动器控制线路接线时，与起动按钮并联的自锁触头应该为接触器的常开辅触头KM2，而出现故障现象时却误用常闭辅触头代替常开辅触头了。这样一来，合上开关QS后，KM线圈立即通电动作，主触头使电动机起动。由于KM线圈得电，其常闭辅触头断开，又使KM线圈失电复位，主触头断开，电动机停车。KM线圈失电复位后，其常闭辅触头再次接通KM线圈，使KM线圈再次通电动作，……，如此就出现反复停车、起动、又停车振荡的故障现象。⑵按SB1，电动机正常起动运行，但按SB2，无法停机的故障现象是因为停止按钮SB2失去作用，可能原因为：①SB2的两端被短接。②自锁触头KM2不是接在SB2的右边而是接到SB2的左边。当SB2的两端被短接后，按停止按钮SB2不能使KM线圈失电复位，因此造成无法停机的故障现象。若自锁触头KM2跨接到SB2的左边，则停止按钮SB2的功能失效，按停止按钮SB2也不能使KM线圈失电复位，因此造成无法停机的故障现象。⑶按SB1，电动机起动，松开SB1电动机立即停车的故障现象是因为控制线路失去自锁功能，可能原因为：①作为自锁触头的接触器常开辅触头KM2未接上或出现断线及触头接触不良等故障。②KM2触头接错地方，如与停止按钮SB2并联等。KM2未接上或出现断线及触头接触不良及接错地方都会出现自锁功能失效、控制电路呈现题目所说的点动控制现象。8-14、图8-24的吊艇机控制电路，合上开关QS后，按吊艇按钮SBb，无任何动静，可能的原因有哪些？ 答：图8-24的吊艇机控制电路如右图所示。合上开关QS后，按吊艇按钮SBB，无任何动静，可能的原因主要有：①无电源，②控制电路无电，包括：主电路1/3相的熔断器或控制电路的熔断器存在熔丝熔断现象或线路断路或变压器T绕组损坏等，③按钮SB触头接触不良，④手摇联锁开关SQ4未复位或触头接触不良，⑤刹车松开联锁开关SQ3未动作或触头接触不良，⑥SBF按钮的常闭触头接触不良或损坏，⑦SBB按钮的常开触头接触不良或损坏，⑧接触器KMB线圈断线或损坏，⑨热继电器FR动作其常闭触头断开，⑩控制线路中从T→KMB线圈→SBB按钮→SBF按钮→SQ3→SQ4→SB→T回路的连接线出现断线或接头松动等断路故障。8-15、图8-25的海（淡）水柜水位自动控制电路，水位是通过压力的双位控制来实现的，但是在锅炉水位控制中一般不采用这种方法，而是通过电极式或浮子式液位继电器进行水位控制，为什么？答：这是因为在船上，为了保障船舶安全航行提高船舶稳定性，必须降低船舶的重心。因此船舶的海（淡）水柜都安装在机舱内部，而海（淡）水柜要向生活区提供海（淡）水，必须对水柜加压。也就是说，海（淡）水柜属于压力水柜，水柜的压力直接反映水柜内水量的多少，是保证水柜能否正常供水的决定性参数。所以，海（淡）水柜水位控制的实质是水柜的压力控制，海（淡）水柜水位自动控制电路就需要通过压力的双位控制来实现。而对于锅炉，锅炉内的水虽然有一定的压力，但影响锅炉内压力的因素既包含水的多少，还包含锅炉产生蒸汽量的多少，因此压力不能反映锅炉内水量的多少。因而锅炉水位控制不能采用压力的双位控制来实现。此外，锅炉内水量的多少还是影响锅炉安全运行的重要参数，若水量过少，水位过低，可能造成锅炉烧塌等重大事故。所以，在锅炉水位控制中一般不采用压力的双位控制方法，而是通过电极式或浮子式液位继电器进行水位控制。8-16、图8-26的空压机自动控制电路，获电延时型时间继电器KT坏了后，误将一只新的断电延时型时间继电器换上，此时空压机运行将会发生什么情况？答：图8-26空压机自动控制电路如右图所示。 图8-26空压机自动控制电路工作过程是：控制电路有电时，电磁阀YV3通电开启，泄放供气管中的残气，为空压机起动运行做准备。手动操作按压起动按钮SB1或SB3，或者自动操作压力开关SP低压触头闭合后，中间继电器KA通电自锁，电磁阀YV1通电开启，冷却水进入空压机；待冷却水压力上升到正常值时，压力开关WP闭合，接触器KM通电动作，空压机空载起动运行(残气泄放电磁阀YV3仍然处于开启状态)，KM2闭合自锁，时间继电器KT通电开始延时。延时时间到后，继电器KA断电释放，残气泄放电磁阀YV3断电关闭，供气电磁阀YV2通电开启，向气瓶供气。当手动操作按压停止按钮SB2或SB4，或者自动操作压力开关SP高压触头断开后，时间继电器KT的线圈断电，其所有触头立即恢复原状，供气电磁阀YV2立即断电停止向气瓶供气，残气泄放电磁阀YV3立即通电将供气管中的残气泄放。若用断电延时型时间继电器代替控制电路中的通电延时型时间继电器，则接触器KM通电动作，空压机起动的同时，时间继电器的线圈通电，其所有触头将立即改变状态，继电器KA断电立即释放，残气泄放电磁阀YV3立即断电关闭，供气电磁阀YV2立即通电开启向气瓶供气，空压机电动机带负载起动，起动电流将增大，起动时间将延长，容易造成热继电器FR保护动作或使主电路的熔断器FU熔断。用断电延时型时间继电器代替控制电路中的通电延时型时间继电器后，空压机停止时间继电器KT的线圈断电时，供气电磁阀YV2不能立即断电停止向气瓶供气，残气泄放电磁阀YV3不能立即通电将供气管中的残气泄放。而是要等到KT断电延时时间到后，才停止向气瓶供气和泄放供气管中的残气，增加空压机密封部件的负担。通过上述分析，简单地说，若用断电延时型时间继电器代替控制电路中的通电延时型时间继电器：起动时，空压机电动机带负载起动，起动电流将增大，起动时间将延长，容易造成热继电器FR保护动作或使主电路的熔断器FU熔断。停止时：延长停止向气瓶供气和泄放供气管中的残气的转换，增加空压机密封部件的负担。8-17、图8-35的三相交流异步电动机，Y-Δ换接起动控制电路，在起动加速过程中始终不能转换为Δ形接法，会有什么后果？故障主要出在哪些元件上？答：Y-Δ换接起动控制电路如右图所示。]Y-Δ换接起动控制电路，在起动加速过程中始终不能转换为Δ形接法，会使电动机绕组的电流持续不能减小，一直保持在较大的起动电流，从而使电动机过热，热继电器保护动作。出现这样的故障现象，主要是由于时间继电器KT不能动作所致，问题元件主要有：时间继电器KT和接触器KM2的常闭触头等元件工作不正常。具体如，时间继电器KT线圈断线，衔铁卡死，接触器KM2常闭辅触头接触不良，以及时间继电器线圈支路连接线断路等。 8-18、PLC由哪几部分组成？各有什么作用？答：PLC主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM，ROM)、输入／输出部件(I/O接口)、电源和编程器几大部分组成。中央处理单元(CPU)的主要作用是对整台PLC进行全面管理，根据系统程序管理系统的硬件，同时执行用户编写的程序。存储器(RAM，ROM)主要用来存储数据和用户编写的程序。输入/输出部件(I/O接口)则作为PLC的信号输入/输出通道。电源的作用是向PLC的各个模块提供符合要求的工作电源。编程器严格说并不是PLC工作所必须的部分组成，它主要为用户提供一个用户程序编写和输入PLC的工具，用户程序编写并输入PLC后，还可作为程序调试的工具。一旦程序调试完毕，编程器就可脱离PLC，让PLC单独执行用户程序。8-19、FX系列PLC的命名方法是什么？答：FX系列PLC采用的命名方法是分段代码法。表示名称的代码可分为五段。第一段为系列代码，第二段为表示输入/输出点数的代码，第三段为单元功能代码，第四段为输出形式代码，第五段则为其它代码(如表示电源的代码等)。8-20、FX系列PLC有多少状态器？是否可以随便用？答：FX系列PLC的状态器共有1100个，其中：初始用10点，通用500点，具有掉电保持功能的400点，供报警使用的有100点。除初始用10点不能随便用外，供报警使用的有100点也不能随便用，但它们的状态则可以被读出。通用500点和具有掉电保持功能的400点状态器则可以随便用，既可以进行写入操作，也可以读出操作。但通用500点状态器没有掉电保持功能，一旦PLC掉电，恢复工作后其掉电前所储存的信息将丢失。因此，重要的状态信息应该采用具有掉电保持功能的400点来保存，通用的500点则主要用来储存临时状态信息。8-21、设计三相绕线式异步电动机按时间原则起动的PLC应用程序。答：设：三相绕线式异步电动机PLC控制的硬件接线及端口安排如下图所示。则采用FX系列PLC编程按时间原则起动的三相绕线式异步电动机起动程序如下：1LDX0；起动按钮接通2ORM1；自锁触点并联，M1为辅助继电器3ANIX1；停止按钮连接4OUTM1；M1线圈输出5OUTY0；通过Y0使接触器KM1通电，串电阻起动6OUTT0；启动时间继电器T0开始计时 7K30；延时时间为3秒8LDTO；TO延时时间到9OUTM2；辅助继电器M2得电，线圈输出10OUTY1；通过Y1使接触器KM2通电，切除部分电阻，电动机继续起动11OUTT1；启动时间继电器T1开始计时12K20；延时时间为2秒13LDT1；T1延时时间到14OUTY2；通过Y2使接触器KM3通电，切除企图电阻，电动机加速到稳定转速15END；程序结束9-1、对电动起锚机电力拖动具体要求有哪些？答：对电动起锚机电力拖动具体要求主要有：①电动机和控制电器采用30min(分钟)短时工作制；②在电动抛锚时必须有稳定的制动抛锚速度；③应急起锚时，在30min内保证起动25次；④锚机电动机允许带电堵转1min；⑤锚机电动机应有一定的调速范围；⑥要求锚机控制装置重量轻，装置紧凑，成本低，维修费用少，调速平滑，控制简单，操作方便。9-2、简述锚机起锚时的运行特点，在起锚各个阶段中，哪些阶段锚机上的负荷最大？答：锚机在起锚时主要经历五个阶段：①收起锚链，②拉紧锚链，③拔锚出土，④提锚出水，⑤拉锚入孔。每个阶段锚机电动机承受的负载转矩不同，因此，起锚时锚机的主要运行特点是转矩不断变化，且可能出现比额定转矩大很多的负载转矩。在起锚各个阶段中，第三阶段“拔锚出土”锚机上的负荷最大，尤其当锚爪钩住海底的石头时，过大的负载转矩甚至可能造成锚机电动机带电堵转。为防止电机因堵转而烧坏，要求电动机有软的机械特性，堵转力矩为额定力矩的两倍。9-3、锚机绞缆机在运行过程中因过载而跳电，如何采取应急措施？ 答：锚机绞缆机在运行过程中因过载而跳电，如果情况紧急，可采取的应急措施主要是：按下主令控制器上的应急按扭SB(书上P.158，图9-13中的SB按钮)，将热继电器1FR、2FR的常闭触头短接。然后，一方面保持按压应急按扭SB，一方面操作锚机电动机在低、中速级运行。9-4、船舶起货机对电力拖动有哪些要求？如何满足？答：船舶起货机对电力拖动的要求主要分四个方面：⑴提高生产率方面的要求，⑵对调速范围的要求，⑶对电动机的要求，⑷对控制电路的要求。⑴提高生产率方面的要求主要有：①提高空钩速度，②选用飞轮惯量GD2小的电动机以缩短电动机的起动和制动时间。⑵对调速范围的要求主要是要求起货机的调速范围大：①一般直流起货机调速性能良好，调速范围为10:1；②交流起货机的调速性能不如直流起货机好，但为了满足起货的调速要求，调速范围一般应在为7:1。⑶对电动机的要求主要有：①必须选用防水式、重复短期工作制的电动机以适应甲板工作条件，②电动机应该具有起动力矩大而机械特性软的特点，以满足轻载高速，重载低速，耐冲击负载等实际工作需要。③直流起货机的电动机一般采用积复励电动机，交流起货机的电动机一般采用深槽式(或双笼式)的变极调速笼式异步电动机，也可选用绕线式异步电动机，对于采用变流机组的G-M系统起货机，要求机组中的发电机为具有差复励绕组的直流发电机，以保证机组中直流电动机遇到冲击性负载、电枢绕组出现大电流时，直流发电机的电压能够迅速下降，从而保证整个机组的电机不会因为过载而损坏。⑷电动起货机对控制电路的要求主要有：①采用三档调速控制，并能实现正反转运行，②对电动机设置短路、过载、绕组过热、失压欠压、缺相保护环节等，③采用主令控制器实现运行操作，以保证起货机操作灵活，工作可靠，④电动机要求有通风机进行强制冷却，并设置风道的风门对风机和起货电动机之间的联锁控制，⑤设置从零档至上升（或下降）高速档的自动延时起动控制，以防止快速操作引起电动机过大的冲击电流以及起货机过大的机械冲击，⑥从高速档回零档停车时设置有三级自动制动控制：电气制动（再生制动）、电气与机械联合制动以及机械制动，⑦对于恒功率调速的电动机，中、高速档设置有重载不上高速的控制环节，⑧设置“逆转矩”控制环节，以防电动机出现中、高速电源反接制动，⑨设置有电磁制动器处于松闸的状态下防止“货物自由跌落”的保护，如：绕组先通电刹车后打开；换档时保证至少有一个绕组通电，以防刹车松开时电动机的电磁转矩为0使货物自由跌落，⑩设置有电磁制动器线圈处于刹车状态下防止中、高速档堵转的保护。9-5、在图9-13的交流三速电动起锚机控制电路中： (1)过电流继电器KA3起什么作用？(2)中间继电器KA2起什么作用？(3)如何进行强行起锚？(4)电阻R3和时间继电器KT3起什么作用？(5)电阻R4和二极管VD起什么作用？答：在书P.158，图9-13的交流三速电动起锚机控制电路中：⑴过电流继电器KA3是用来检测锚机电动机在高速档运行时的工作电流(换档起动完毕后才起作用)，起高速档过载保护的作用。⑵在锚机进入高速档运行时，中间继电器KA2的线圈即通电动作，其常开辅助触头KA2将过电流继电器KA3的线圈短接。经过KT2的延时后，KA2的线圈断电，其常开辅助触头KA2断开，过电流继电器KA3的线圈才投入工作。因此，中间继电器KA2的作用是使过电流继电器KA3避开从中速档向高速档换档加速的起动电流，从而保证KA2能够真正检测到锚机电动机高速档稳定运行的电流。⑶所谓强行起锚，是指遇到紧急情况要求迅速起锚，而锚机中、低速档的热继电器又出现过载保护动作时，为了保证船舶安全需要，强行使锚机运行在中、低速档的起锚。要强行起锚，可以按动主令控制器上的应急按扭(书P.158，图9-13中的SB)，将热继电器1FR、2FR的常闭触头短接。然后，一方面保持按压应急按扭SB，一方面操作主令控制器，强行使锚机电动机在低、中速档运行。⑷电阻R3是刹车线圈的经济电阻，时间继电器KT3是保证刹车线圈通电后，经过一定时间的延时，等到刹车打开后才将经济电阻R3串入刹车线圈回路。为了避免锚机刹车可能因刹车卡住而烧毁刹车线圈，通常锚机刹车电磁铁采用直流电磁铁。而直流电磁铁属于恒磁势型的电磁铁，未动作之前产生的电磁吸力小，动作之后产生的电磁吸力大。为了保证刹车电磁铁可靠动作使刹车打开，一般要求刹车线圈通电而刹车衔铁未完全打开之前，应该通入大电流。而等刹车衔铁完全打开后应该限制刹车线圈的电流，以减小损耗、提高刹车线圈的使用寿命。因此，在刹车线圈回路应该串联经济电阻，且在刹车线圈通电时，需要暂时将经济电阻短接，经过一定时间的延时，等到刹车衔铁完全打开后才将经济电阻串入刹车线圈回路。⑸电阻R4和二极管VD所起的作用是：在刹车断电抱闸时，电阻R4支路为刹车线圈提供一个放电回路，同时保证刹车线圈经过一定的时延时才完全抱闸，以避免摩擦片磨损过快。二极管VD的作用是保证刹车线圈通电时，电阻R4没有电流流过，以减少能量损耗，而在刹车线圈断电才为其提供放电回路。10-1、舵机电力拖动与控制的基本要求有哪些？答：舵机电力拖动与控制的基本要求主要有：⑴工作可靠，⑵操作灵活，⑶保护完善等三方面，具体为：⑴工作可靠包括三个方面：① 供电可靠，从主配电板到舵机房应当用两路分离较远（如分左、右舷两路）的馈电线供电，其中之一应该与应急配电板相连。②电动机可靠，舵机的驱动电动机采用连续工作制，具有软的机械特性，有足够的过载能力，保证拖动电动机在堵转一分钟情况下不致被烧坏。③操舵可靠，当船舶以最快航速前进时，不仅能满足最大舵角的要求，并且有足够的转舵速度。船舶在海上航行时，对舵机的要求是从一舷最大舵角转至另一舷最大舵角的时间应不超过30秒。⑵操作灵活包括：①操作位置选择、转换灵活，船舶舵机至少有两个控制站（驾驶室和舵机房），控制站之间装有转换开关，现场控制站具有操作优先级。在电力拖动或液压拖动不能进行时，能迅速转换到人力操舵。②操作方式选择、转换灵活，现代船舶在驾驶室普遍装有自动操舵仪，它包括自动、随动（手轮）和单动（香蕉柄或按钮）三种操舵方式，能方便地选择切换。且要求在任何舵角下均能投入工作，并及时准确地把舵转至给定舵角。同时要求设有舵角指示器指示，以便及时观察实际舵叶偏转的角度。⑶保护完善要求：①当舵叶转至极限位置时，舵叶偏转限位开关起作用，舵机自动停止转舵，防止了操舵设备受损。②当舵机总电源断电时，失压报警装置工作，蜂鸣器发出报警信号。③舵机电机只有过载报警而无过载保护装置。④根据《钢质海船建造规范》规定，当采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的偏航自动报警装置。10-2、船舶舵机的操舵方式有哪几种？各自的特点如何？答：船舶舵机的操舵方式主要有：⑴自动操舵，⑵随动(手轮)操舵，⑶单动(香蕉柄或按钮)操舵等三种。各种操舵方式具体的特点如下：⑴自动操舵属于自动控制：在船舶偏离航向最大时，能自动根据电罗经检测到的航向信号与驾驶员设置的航向信号进行比较，发现航向偏差后能自动根据事先确定的调节规律操作舵叶，使航向自动返回给定的航向，从而使船舶自动保持在给定的航向上航行。⑵随动(手轮)操舵属于随动控制：能够实现舵叶的偏转角度自动跟随操舵手轮(操舵轮)的偏转角度。操舵轮的具体操作方法为：“船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵n度，舵叶右偏，并自动停在右舵的n度位置；船舶右偏航操左舵，舵轮操左舵n度，舵叶左偏，并自动停在左舵的n度位置”。为了减小船舶S形航迹，在返回正航向的过程中，必须及时操回舵。⑶单动(香蕉柄或按钮)操舵属于手动控制，其操作方法为：“手扳舵转，复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。” 10-3、自动舵具有哪些基本类型？答：船舶应用的自动舵类型众多，究其调节规律，有三种基本类型：①以船舶偏航角的大小和方向进行调节的比例舵，②以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的比例-微分舵，③以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的比例-微分-积分舵。这三种基本类型的自动舵的实质为“自动航向保持仪”，又称为PID调节的自动舵，不是真正意义上的“自动航迹(或航线)保持仪”。除了PID调节的自动舵外，近年来还出现了所谓的“自适应舵”，它与电子海图、自动避碰规则等配合，可以使船舶按照事先设计好的航线航行，实现真正意义上的“自动航线保持”。10-4、自动操舵的调节规律有哪些？它各自对操舵系统产生何种影响？答：自动操舵的调节规律有：⑴比例舵，⑵比例-微分舵，⑶比例-微分-积分舵等三种。这些调节规律各自对操舵系统产生的影响如下：⑴比例舵：比例舵调节中偏舵角β与偏航角U成比例关系变化：β=-K1j。采用比例舵操舵有纠正偏航的能力。但是它使船舶周而复始地围绕正航向左右摇摆，船舶的航迹呈“S”形振荡，衰减很慢。⑵比例-微分舵：比例-微分舵调节中偏舵角β与偏航角U的大小和变化速度dU/dt有关：β=-(K1j+K2dU/dt)。采用比例-微分舵后，加快了船舶的给舵速度，能更好地克服船舶的回转惯性，提高了维持航向的精度。⑶比例-微分-积分舵：比例-微分-积分舵调节中偏舵角β与偏航角U的大小、变化速度dU/dt和持续(累积)作用量∫Udt有关：β=-(K1j+K2dU/dt+K3∫Udt)。采用比例-微分-积分舵后，不仅加快了船舶的给舵速度，能更好地克服船舶的回转惯性，提高了维持航向的精度，还能对由于潮流、波浪、风向、推进器特性、船舶装载的非对称性等原因，使航行中的船舶朝一侧持续的小偏航进行校正操舵，从而避免船舶严重偏离航线，是比较完善的自动舵。对单侧持续的小偏航进行校正操舵的效果是产生一个相应的固定偏舵角，对船舶形成一个固定的转船力矩，用以平衡单侧横向干扰力。这一固定大小的舵角称之为压舵角，这种操作常俗称为“压舵”。10-5、自动舵有哪些主要调节环节？HQ-5型自动舵中是采用何种方法进行这些调节的？答：自动舵的主要调节环节有：①灵敏度调节(俗称天气调节)环节，②舵角比例调节环节，③反舵角调节环节(又称为微分调节环节)，④压舵调节环节，⑤航向调节环节等。在HQ-5型自动舵(参见书P.174-175，图10-20)中，①R51、R212和R43、R111分别组成自动操舵和随动操舵时的灵敏度调节电路，②舵角比例调节是通过改变舵角反馈电压的大小来实现的。自动操舵时，比较电路中接入了电阻R44 ，它和电阻R37、R38、R39构成串联分压电路。③反舵角调节环节(即，微分调节环节)，是通过在舵角反馈信号电路中接入RC积分电路来实现主通道的微分调节的。④压舵调节环节压舵环节由电阻R32、R35和电位器R34等组成，压舵电压信号由电位器R34调节获得。⑤航向调节环节由自整角机F2和调节手轮组成。10-6、详细说明HQ-5型自动舵中相敏整流电路及压舵电路的作用原理。答：⑴相敏整流电路的作用原理：由偏航信号发送器，随动信号发送器和舵角反馈信号发送器输出的交流信号电压分别送到相敏整流电路中进行整流检相。相敏整流电路如书P.169图10-13所示。①当US=0时，U0=O；②当US≠0，且与Uref相位相同时，正半周，29与S2同电位，故输出直流电压U0为正极性；在负半周，27与S2同电位，所以U0也为正极性；③且与Uref相位相反(差180˚)时，在正半周，27与S2同电位，故U0为负极性；在负半周，29与S2同电位，所以U0同样为负极性。⑵压舵电路的作用原理：如书P.170，图10-14，电阻R32、R35和电位器R34组成了压舵电路，它实际上是一个直流电桥。对电位器R34进行调节，则电桥将有三种输出情况，即输出为零，或输出为正极性压舵电压信号，或输出为负极性压舵电压信号，压舵信号的大小，由电位器R34调节获得。'