电机与拖动习题解答(部分).doc 68页

'3-3直流电机由哪几个主要部件构成？这些部件的功能是什么？答直流电机主要由定子和转子两大基本结构部件组成。直流电机的定子由主磁极、换向磁极、电刷装置、机座等组成。（1）主磁极：建立主磁通，包括铁心（由低碳钢片叠成）和绕组（由铜线绕成）；（2）换向磁极：改善换向，包括铁心（中大型由低碳钢片叠成，小型由整块锻钢制成）和绕组（由铜线绕成）；（3）机座：固定主磁极、换向磁极、端盖等，同时构成主磁路的一部分，用铸铁、铸钢或钢板卷成；（4）电刷装置：引出（或引入）电流，电刷由石墨等材料制成。转子由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成。（1）电枢铁心：构成主磁路，嵌放电枢绕组，由电工钢片叠成；（2）电枢绕组：产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换，由铜线绕成；（3）换向器：用于换向，由铜片叠成。3-4直流电动机的励磁方式有哪几种？每种励磁方式的励磁电流或励磁电压与电枢电流或电枢电压有怎样的关系？答电流关系如下表所示（复励时，指并励绕组的励磁电流）。励磁方式种类他励并励串励复励电动机,独立表中，为励磁电流；为电枢电流；为输入电流；为励磁电压；为电枢电压。3-5何谓电枢反应？电枢反应对气隙磁场有何影响？公式和中的应是什么磁通？答68 直流电机在空载运行时，气隙磁场仅有励磁磁动势产生。当电机带上负载后，气隙磁场便由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。负载时电枢磁动势对主极磁场的影响，称为电枢反应。电刷在几何中性线时产生交轴电枢反应，其结果：（1）气隙磁场发生畸变，使磁场的物理中性线偏离几何中性线一个角度。被电刷短路的换向线圈中的电动势不为零，增加了换向的困难。对发电机来说，顺电枢旋转方向移过角；对电动机来说，则逆电枢旋转方向移过角。（2）一半磁极磁通增加，另一半磁极磁通减小。在磁路不饱和的情况下，增加与减少的磁通相同，每极磁通不变。磁路饱和时，增加的少，减小的多，每极磁通减少，电动势和电磁转矩随之减小。电刷偏离几何中性线时，除产生交轴电枢反应(其结果与上同)外，还产生直轴电枢反应，其结果是去磁或助磁。公式和中的应是每个极面下的气隙合成磁通，它由励磁磁动势和电枢磁动势共同产生的。3-7将一他励直流发电机的转速提高20%，空载电压会提高多少（励磁电阻保持不变）？若是一台并励发电机，则空载电压升高得比他励发电机多还是少（励磁电阻保持不变）？答①  他励发电机：，即=C，故，空载电压U0增加至1.2倍。②并励发电机：若维持=C，空载电压U0也增加至1.2倍，但由于U0增加的同时，也相应增加，从而导致也增大。所以并励发电机空载电压增加的程度比他励发电机大。3-9何谓直流电机的可逆原理？如何判断一台接在直流电网上正在运行的直流电机是工作在发电状态还是电动状态？答从原理上讲，一台电机不论是交流电机，还是直流电机，都可以在一定的条件下，作为发电机运行，其将机械能转换为电能；而在另一种特定的条件下，又作为电动机运行，将电能转换为机械能，这个原理称为电机的可逆原理。对于直流电机来说，可根据下列关系来判断电机的运行状态。当，与转速反方向时为发电机运行状态；当，与转速同方向时为电动机运行状态。68 3-10直流电动机的感应电动势与哪些因素有关？若一台直流电动机在额定条件下的运行时的感应电动势为220V，试问在下列情况下电动势变为多少？（1）磁通减少10%；（2）励磁电流减少10%；（3）转速增加20%；（4）磁通减少10%，同时转速增加20%。答直流电动机的感应电动势表达式为，其中，，由电机结构决定的常数，称为电动势常数。所以感应电动势与气隙每极磁通量和电枢的转速有关。若每极磁通保持不变，则电枢电动势和转速成正比；若转速保持不变，则电枢电动势与每极磁通成正比。（1）减少10%，亦减少10%，为198V；（2）减少10%，由于磁路饱和，减少不到10%，亦减少不到10%，因此；（3）增加20%，亦增加20%，为264V；（4）减少10%，同时增加20%，。3-13并励电动机在运行中励磁回路断线，将会发生什么现象？为什么？答励磁回路断开后，主极磁场只剩下剩磁。在断开瞬间，转速n不会立即变化，因此电枢电动势变为与剩磁磁通成正比的很小的值。由于电枢电流，很小，因此会急剧增大。由于主磁通减至很小、增至很大，因此电磁转矩的变化就有两种可能。（1）若增大的比率高于主磁通减小的比率（剩磁较大时），则迅速增大，当负载转矩不变时，使转速n明显升高。随着n升高，升高，使开始减小，减小，最终在较高的转速下，电动机达到新的稳态。此时，n和都远远超过其额定值，一方面出现“飞车”现象，会造成电机转子（特别是换向器）的损坏；另一方面，过大的电枢电流使电机发热严重，换向火花很大，有可能烧毁换向器和电枢绕组。这种情况是很危险的。（2）增大受到的限制，因此，若增大的比率低于主磁通68 减小的比率（剩磁很小时），则减小，不变时，使n降低。随着n降低，降低。此时已经非常小了，因此，降低使增大从而增大的幅度很有限，即使减速到，仍有。最终电动机停转，但仍然远远超过其额定值，可能烧毁电机，这种情况也是很危险的。所以，并励（或他励）直流电动机运行中绝不允许励磁回路开路，对此必须采取必要的保护措施。从上述分析可见，这种因励磁回路开路而造成主磁通异常变化的情况，与正常的弱磁升速是有所不同的。3-14一台直流电动机，额定功率为，额定电压，额定效率，额定转速，求该电动机的额定电流和额定负载时的输入功率？解额定电流额定负载时的输入功率或3-24一直流电动机数据为：2p＝6，总导体数N＝780，并联支路数2a＝6，运行角速度，每极磁通为0.0392Wb。试计算：（1）电动机感应电动势；（2）速度为900r/min，磁通不变时电动机的感应电动势；（3）磁通为0.0435Wb，n＝900r/min时电动机的感应电动势；（4）若每一线圈电流的允许值为50A，在第（3）问情况下运行时，电动机的电磁功率。解（1）电动势常数电机转速68 感应电动势（2）速度为900r/min，磁通不变时电动机的感应电动势为（3）磁通为0.0435Wb，n＝900r/min时电动机的感应电动势为（4）每一线圈电流的允许值为50A，则电机中总电枢电流为电磁功率3-26一台并励直流电动机的额定数据如下：，，，，电枢回路电阻，励磁回路电阻，若忽略电枢反应的影响，试求：（1）电动机的额定输出转矩；（2）在额定负载时的电磁转矩；（3）额定负载时的效率；（4）在理想空载（）时的转速；（5）当电枢回路串入电阻R＝0.15时，在额定转矩时的转速。解（1）电动机的额定输出转矩（2）额定励磁电流、电枢电流分别为68 电枢电动势额定负载时的电磁功率电磁转矩（3）效率（4）理想空载转速（5）额定转矩时，3-27一直流电机并联于U＝220V电网上运行，a＝1，p＝2，N＝398，，，电枢回路总电阻（包括电刷接触电阻），，，，，试问此电机是发电机还是电动机？计算其电磁转矩和效率。解（1）通过比较与的大小来判断该电机的运行状态因为，所以该电机为电动机运行状态。（2）求电磁转矩68 电磁功率为或输入功率输出功率其中，效率4-1什么是他励直流电动机的机械特性?什么是它的固有特性?什么是人为特性?答他励直流电动机的机械特性便是指，在电源电压U、磁通及电枢总电阻均为常数的条件下，电动机的电磁转矩T与转速n之间的关系曲线，即n=f(T)，当他励直流电动机的供电电压，励磁磁通，电枢回路外串电阻的情况下所对应的机械特性，称之为他励直流电动机的固有机械特性。68 电力拖动系统运行时，经常需要人为地改变电动机的工作条件，以获得所需要的机械特性，这种特性统称为人为机械特性。他励直流电动机包括改变供电电压U、减弱磁通量及电枢回路外串电阻的人为机械特性。4-3他励直流电动机拖动恒转矩负载时采用弱磁调速，忽略磁通变化的过渡过程，试分析电动机从高速向低速调速过程中，电动机经历过哪些运行状态?答弱磁调速的机械特性如图所示，系统原运行在固有特性的A点。当减弱磁通，由变为（），若忽略磁通变化的电磁过渡过程，则工作点由A跳到点。由于此时电动机电磁转矩>，故系统加速，直到工作点运动到B，电动机电磁转矩为止。若再减弱磁通，即由变为（），则又会最终稳定运行在C点。习题4-2附图4-4拖动位能性恒转矩负载的他励直流电动机有可能工作在反向电动运行状态吗?试举例说明。答他励直流电动机进行电压反接制动时，如果拖动位能性负载，则系统将有可能工作在反向电动运行状态，而后进入反向回馈制动稳定运行状态。如图所示，设开始时电动机带位能性恒转矩负载正向稳定运行于第Ⅰ象限的A点。进行电压反接制动时，转速迅速降到n=0，工作点运动到C点。此时，若不立即切断电源并用刨闸刹住电动机轴，由于，系统还将迅速降速，即开始反转，工作点沿机械特性继续向下运动。经过CD段的反向电动状态后，越过的D点进入第Ⅳ象限，最后稳定运行于与机械特性的交点E。此时，n68 <0，电机处于回馈制动运行状态。习题4-4附图4-5采用电动机惯例时他励直流电动机电磁功率，说明了电动机内机电能量转换的方向是机械功率转换成电功率。那么是否可以认为该电动机运行于回馈制动状态?或者说已是一台他励发电机?为什么?答他励直流电动机运行时，说明与方向相反，因此电动机运行于制动状态。制动运行状态包括回馈制动运行、能耗制动运行、反接制动过程及倒拉反转等制动状态，而直流发电机状态仅仅是回馈制动运行这一种。因此仅仅从说明电机是一台发电机的看法是错误的。判断他励直流电动机运行于发电机状态还必须增加一个条件，即运行于回馈制动状态的条件是：①；②，即机械功率转变为电功率后，还必须回馈给电源。4-6一台他励直流电动机拖动卷扬机，当电枢接额定电压，电枢回路串入电阻时提升重物匀速上升时，若把电源电压突然倒换极性，电动机最后稳定运行于什么状态?重物是提升还是下放?画出机械特性图，说明中间经历了什么运行状态?答当端电压为额定值、电枢回路串入电阻，拖动重物匀速上升时，电机运行于电动机状态，即正向电动状态。若将端电压突然倒换极性，则电动机最后将稳定运行于反向回馈制动状态，使重物匀速下放。下面利用机械特性进行说明。68 如图所示，不计空载转矩，负载转矩大小为，直线1是电机的固有机械特性，即直线2是端电压等于额定值、电枢串接电阻时的人为机械特性，即直线3是端电压极性改变、电枢串接电阻时的人为机械特性，即端电压极性改变前，匀速提升重物时的工作点为A；端电压极性改变后，运行的工作点为E。从A点到E点，中间经历的状态有：①BC段，运行于反接制动状态；②CD段，为反向电动状态；③DE段，在负载转矩作用下继续反向升速，运行于反向回馈制动状态。图4-34习题4-6附图4-7什么叫电力拖动系统的过渡过程?它有几种性质?引起过渡过程的原因是什么?从理论上讲过渡过程的时间是多少?工程实际上如何计算?答68 在电力拖动系统中，由于转矩平衡关系遭破坏，导致系统从一种稳态向另一种稳态过渡的过程，称为电力拖动系统的过渡过程。系统在从一个稳态点进入另一个稳态点时，之所以不能瞬间完成，需要有一个过程，是因为系统中存在着储存能量的惯性环节，致使其一些物理量不能突变。在电机传动系统中，实际存在的惯性环节较多，有机械惯性、电枢回路电磁惯性、励磁回路电磁惯性及热惯性等等。这些惯性环节对电动机在过渡过程中各参量变化的影响形式不尽相同，在不同的传动系统中的表现也不相同。对于一般的他励直流电动机拖动系统，只需考虑机械惯性引起的机械过渡过程即可。只有当电枢回路串入较大电感时，才同时考虑机械与电磁两种惯性。从理论上说，从一稳态点过渡到另一稳态点的过渡过程时间是无限长的，无法也无需具体计算，工程上常用来估算。4-9静差率与机械特性硬度有什么关系?又有什么区别?答静差率是指在同一条机械特性上，从理想空载到额定负载的转速降与理想空载转速之比。用表示之，即。静差率反映了系统相对稳定性。显然，电动机机械性越硬，静差率就越小，转速的相对稳定性就越高。静差率与两个因素有关。一方面，当一定时，机械特性越硬，越小，静差率越小；另一方面，机械特性硬度一定时，越高，越小。但静差率与机械特性硬度两者之间又有区别，两条相互平行的机械硬度相同，但静差率却不同。同样硬度的特性，理想空载转速越低，静差率越大，越难满足生产机械对静差率的要求。4-9静差率与调速范围有什么关系?为什么要同时提出才有意义?答调速范围D与静差率两项指标是相互联系，相互依存的。采用同一种方法调速时，数值较大，即静差率要求较低时可以得到较高的调速范围。若一定时，采用不同的调速方法，其调速范围D不同。另一方面，静差率与调速范围又是相互制约、相互限制的。系统可能达到的最低转速决定于低速特性的静差率，因此，D受低速特性的的制约，即调速范围必须在具体的静差率限定下才有意义。因此，对于需要调速的电机传动系统，必须同时提出来静差率与调速范围这68 两项指标。4-10什么叫恒转矩调速方式?什么叫恒功率调速方式?它们各自与什么性质的负载配合才合适?答在采用电枢回路串电阻调速和降低电枢电压调速时，如果在不同转速时，维持电流，则电磁转矩常数。由此可见，这两种调速方法在整个调速范围内，不论转速等于多少，电机容许输出的转矩都为一恒值，因此称为恒转矩调速方式。当采用弱磁调速时，若保持不变，则电磁转矩与转速成反比，这时输出功率为恒值。可见弱磁调速时的容许输出功率为常数，故称为恒功率调速方式。采用恒转矩调速方式拖动恒转矩负载是匹配的，而恒功率调速方式拖动恒功率负载时是匹配的。4-11一台他励直流电动机额定数据如下：，，，，试求（1）固有特性；（2）当电枢回路总电阻为时的人为特性（）；（3）当电枢回路总电阻为时的人为特性；（4）当电枢回路端电压为时的人为特性；（5）当每极磁通时的人为特性。解损耗法估算（1）固有特性方程式为68 或过点（0，），（，）作图，即得固有机械特性。（1）当电枢回路总电阻为时的人为特性此时人为特性方程式为或时，过点（0，），（，）作图，即得此人为机械特性。（2）当电枢回路总电阻为时的人为特性此时人为特性方程式为或时，68 过点（0，），（，）作图，即得此人为机械特性。（1）当电枢回路端电压为时的人为特性此时人为特性方程式为或时，过点（0，），（，）作图，即得此人为机械特性。（2）当每极磁通时的人为特性此时人为特性方程式为或时，过点（0，），（，）作图，即得此人为机械特性。4-12一台他励直流电动机，数据如下：，，，，求：68 （1）若负载转矩为时，电动机的转速；（2）若负载转矩为，在电枢回路中串入附加电阻，求电阻接入瞬间和转入新稳态时的转速、电枢电流和电磁转矩；（3）若，，求额定负载时的电机转速。解（1）损耗法估算时，电动机的转速（2）电枢回路内总电阻电阻接入瞬间，由于机械惯性转速不变，电枢电流电磁转矩转入新稳态后，由于负载转矩不变，所以电磁转矩电枢电流不变电动机的转速68 （3）若，，拖动额定负载时电动机的转速4-13一台他励直流电动机额定数据为：，，，，试求：（1）如果电枢回路不串电阻直接起动，则起动电流是额定电流的多少倍？（2）欲将起动电流限制为，应串入电枢回路中的电阻值应是多少？解（1）因起动时，则（2）限制起动电流为则4-14一他励直流电动机的数据为：，，，68 ，，如最大起动电流为，负载电流为，求：（1）电动机起动电阻的最小级数及其各段电阻值；（2）设系统总的飞轮矩，试求系统的起动时间及起动过程中的及曲线。解（1）最大电流分级起动总电阻取切换电流，则起动级数，取起动转矩比各级起动总电阻各段电阻68 （2）系统的起动时间计算及起动过程中的及曲线。分级起动时，各级起动电流与稳态电流均相同，即第一级：则所需时间在0~之间，将一系列t值代入和的表达式，计算出相应的转速和电流值，并绘出第一级的及曲线。68 第二级：则所需时间在~之间，绘出第二级的及曲线。第三级：则68 所需时间在~之间，绘出第三级的及曲线。末级：则所需时间在~之间，绘出末级的及曲线（如图4-36所示）。这样总的起动时间68 O习题4-14附图4-15一台他励直流电动机额定数据为：，，，，如采用三级起动，起动电流不超过，试求（1）各段电阻值；（2）各段电阻切除时的瞬时转速。解（1）各段电阻值计算。各段电阻值68 （2）各段电阻切除时的瞬时转速计算。切除时瞬间转速切除时瞬间转速切除时瞬间转速4-16一他励直流电动机有关数据为：，，，，。该电机加额定电压额定励磁，带反抗性恒转矩负载运行，在转速时采用电气制动停车，若限定最大起动电流，试计算采用能耗制动和电压反接制动时电枢回路各应串入多大的电阻？解额定励磁下的感应电动势能耗制动电枢回路串接电阻电压反接制动电枢回路串接电阻68 4-17一他励直流电动机的数据为：，，，，，求带位能性负载时：（1）电动机在反向回馈制动下运行，设，电枢回路不串电阻，电机的转速是多少？（2）电机在能耗制动下工作，转速，电枢电流为额定值，求电枢回路中串接电阻值和电机轴上的电磁转矩；（3）电动机在电势反接制动下工作，转速，电枢电流，求电枢回路内的串接电阻、电机轴上的电磁转矩、电网供给的功率、电机从轴上输出的功率及在电枢回路内电阻上消耗的功率。解额定磁通时的为（1）反向回馈制动运行时的转速（2）能耗制动下放同一重物时，电枢回路串接电阻电机轴上电磁转矩（3）采用反接制动（倒拉反转）下放同一重物时，电枢回路串接电阻68 电机轴上电磁转矩电网供给的功率电机轴上输出功率电枢回路内电阻上消耗功率4-18一台他励直流电动机的数据为：，，，，，系统总惯性，，系统在转速为时电枢反接，反接制动的起始电流为，试求在带反抗性负载和位能性负载（恒转矩）两种情况下：（1）反接制动自转速到的制动时间；（2）整个电枢反接过程的及曲线。解（1）转速从到的制动时间计算。电动机额定电枢电动势电动机的反接制动时电枢回路总电阻为则反接制动时串接电阻68 制动到n=0时的电枢电流反接制动时间常数制动停车过程具有虚稳态点E稳态点E的电枢电流为制动停车时间（反抗性负载和位能性负载相同）（2）从开始制动到反转整个过程的及表达式。①位能性恒转矩负载制动停车过程是B→C（→E），与反抗性恒转矩负载相同，反转过程是C→D→E，，，则②反抗性恒转矩负载对于反抗性恒转矩负载，分为两个阶段第一阶段：即时，制动停车过程是B→C（→E），为制动到零的阶段和位能性负载相同；68 第二阶段：反向起动阶段C→D，则时，。稳态点D的电枢电流为稳态点D的转速为，，则综上可得，位能性恒转矩负载时的和分别为反抗性恒转矩负载时的和分别为过渡过程曲线如图所示，其中图(a)为机械特性，图(b)为曲线，图(c)为曲线。68 习题4-18附图4-19他励直流电动机数据为：，，，，，求（1），原在电机状态下运行，为使电机降低速度采用电压反接，，应串入的制动电阻是多少？（2）电压反接后，当时，换成能耗制动，此时也是，求串入的电阻值；（3）画出上述情况的机械特性。解（1）电压反接制动电阻计算。制动前的电枢电流制动前电枢电动势反接制动开始时的电枢电流68 反接制动电阻（1）能耗制动电阻计算。电动机的额定运行时感应电动势能耗制动起始时电枢感应电动势能耗制动电阻（3）上述制动停车的机械特性如图所示，工作点从A→B→C→D→O，最后停车，其中分为两段进行。首先是从B→C（对应转速为）的反接制动过程，然后是从D→O的能耗制动过程。习题4-19附图4-20一台串励直流电动机，铭牌数据为：，，68 ，电枢回路总电阻，忽略电枢反应作用，试问：（1）当时，电动机的转速及电磁转矩是多大？（2）若电磁转矩保持上述值不变，而电压下降到110V，此时电动机的转速及电流各是多大？解因为串励电机，额定负载时的反电势额定负载时电磁转矩（1）当时，磁通将变为（略去饱和效应）反电势为电动机的转速为当时的电磁转矩为或（2）如果，，因为不变（），所以不变。，减低电压后反电势为电动机转速为68 或5-1试述三相异步电动机的基本工作原理。答定子三相绕组通以三相正弦交流电流产生一个以同步速n1、转向与相序一致（顺时针方向）的旋转磁场。假定此瞬间旋转磁场极性由上到下（如图所示）。由电磁感应理论：静止的转子绕组切割定子旋转磁场而感应电动势，其方向由“右手发电机”定则确定，如图所示（转子上面三个导体为⊙,下面三个导体为⊕）。由于转子绕组自身闭合，便有电流通过，并假定电流与电动势同相（即为有功分量电流）。n1TemnBC....A.转子载（有功）电流导体在定子旋转磁场作用下受到电磁力的作用，其方向由“左手电动机”定则确定（转子上面三个导体受力方向向右，下面三个导体受力方向向左），这些力对转轴形成电磁转矩（顺时针方向）Tem，它与旋转磁场方向相同（即与相序一致），于是在该转矩驱动下，转子沿着转矩方向旋转，从而实现了能量转换。习题5-1附图5-2如何改变三相异步电动机的旋转方向？答改变三相电源的相序即可改变三相异步电动机的转向。5-4什么是转差率？为什么三相异步电动机运行必须有转差率？如何根据转差率来判断三相异步电机的运行状态？答异步电机转差率s是指旋转磁场同步速与转子转速n之间的转速差68 与旋转磁场转速的比值，即。当时，转差率为正（），时转差率为负（）；当时，转差率；当，时，转差率；当时为电磁制动运行状态，当时为电动机运行状态，当时为发电机运行状态5-5一台50Hz八极的三相异步电动机，额定转差率sN=0.04，问该电动机的同步转速是多少？额定转速是多少？当该机运行在700r/min时，转差率是多少？当该机运行在800r/min时，转差率是多少？当该机起动时，转差率是多少？解同步转速额定转速当r/min时，转差率当r/min时，转差率当电机起动时，，转差率5-6一台额定频率为50Hz的三相异步电动机，今通入60Hz的三相对称交流电流，设电流大小不变，问此时基波合成磁动势的幅值大小、转速和转向将如何变化？答三相合成基波磁动势的特点为：（1）幅值：，三相合成基波圆形旋转磁动势幅值大小，与一条支路匝数N、绕组系数KN1、磁极对数p及相电流I有关，其中N、KN1及p68 由构造决定，I由运行条件决定。（2）空间位置：沿气隙圆周旋转。当哪相电流最大，三相合成基波圆形旋转磁动势就转至哪相绕组轴线上，绕组由构造决定，电流由运行条件决定。（3）转速：，转速与电流频率f及磁极对数p有关，p由构造决定，f由运行条件决定。（4）转向：与电流相序有关（与电流相序一致），由运行条件决定。本题题意为频率f增加（增加），基波合成磁动势幅值大小及转向与频率无关。而与f成正比，故转速增加1.2倍。5-7与同容量的变压器相比，三相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？答变压器的主磁通磁路全部用导磁性能良好的硅钢片构成，而三相异步电动机的主磁通磁路除了用硅钢片构成的定、转子铁心外，还有空气隙。气隙的长度尽管很小，但磁阻很大，使得异步电动机主磁路的磁阻远较相应的变压器大。异步电动机空载电流标么值为0.2~0.5，变压器空载电流的标么值为0.02~0.1。故相同容量的感应电机的空载电流比变压器的大很多。5-9在分析三相异步电动机运行时，转子绕组要进行哪些折算？为什么要进行这些折算？折算的条件是什么？答转子绕组折算就是用新绕组替换原绕组。为了导出等效电路，用一个与定子绕组的相数m、匝数N和绕组系数K相同的等效绕组替换实际转子绕组（相数m、匝数和绕组系数）。频率折算即是用一个静止的转子替换旋转的转子，为此，只要将转子电阻R换成，从而使转子电路频率由变为与定子频率相同。折算条件：保持折算前后转子磁动势F的大小和空间相位保持不变，转子上各种功率及损耗不变。5-10三相异步电动机等效电路中的代表什么？能否不用电阻而用电容或电感来代替？为什么？答68 异步电动机等效电路中的附加电阻实为代表机械负载（严格地说还包括机械损耗等）的一个虚拟电阻，用转子电流在该电阻所消耗的功率来等效代替总机械功率（包括轴上输出的机械功率和机械损耗等）。因输出的机械功率及机械损耗等均属有功性质，因此，从电路角度来模拟的话，只能用有功元件电阻，而不能用无功元件电感或电容来等效代替。5-11当三相异步电动机运行时，定、转子电动势的频率分别是多少？由定子电流产生的旋转磁动势以什么速度截切定子，又以什么速度截切转子？由转子电流产生的旋转磁动势以什么速度截切转子，又以什么速度截切定子？，它与定子旋转磁动势的相对速度是多少？答定子电动势频率为f1；转子电动势频率为f2=sf1；由定子电流产生的定子旋转磁动势以n1的速度截切定子，又以的速度截切转子；由转子电流产生的转子旋转磁动势以的速度截切转子，又以的速度截切定子，它与定子旋转磁动势的相对速度为。5-12一台三相异步电动机，原来转子是插铜条的，后因损坏，改为铸铝，若要求输出同样的功率，则电机的运行性能有何变化？答铝的电阻率比铜大，故转子由铜条改为铝条，实为增加转子绕组电阻R2，其曲线如下图所示。习题5-12附图输出同样功率（如额定功率），由得其曲线2。（1）增大，由图知，工作点由a（）变至b（）。（2）68 不变，因转子电阻改变不影响电机从电网吸取的励磁功率，故无功功率不变，由于输出功率不变，则电机从电网吸取的有功功率基本不变，忽略电机损耗，所以基本不变。（3）ηN下降：由于转差率s增大，故转子铜损增加，I1稍有增大，故定子铜损也稍大，而铁损不变，机械损耗pmec因s增大n减小而稍有减小，但其减小幅度不及转子绕组铜损增大幅度，故总损耗增加，效率降低。（4）I1N有所增大：，因P2不变，不变，ηN下降，故I1N有所增大。（5）sm增大，见图（因为sm∝）。（6）Tmax不变（因为Tmax与无关）。（7）Tst增大，见图。5-13说明三相异步电动机的机械负载增加时电动机定、转子各物理量的变化过程怎样？答电动机稳定运行时，电磁转矩（T）与负载转矩(TL)平衡，当机械负载（即负载转矩）增加时，转子转速n势必下降，转差率增大。这样转子切割气隙磁场速度增加，转子绕组感应电动势()及电流I2随之增大，因而转子磁动势F2增大。根据磁动势平衡关系，与转子磁动势F2所平衡的定子负载分量磁动势F1L相应增大，而励磁磁动势F0基本不变，因而定子磁动势增大，定子电流I1随之增大。由于电源电压不变，则电动机的输入功率就随之增加，直至转子有功电流产生的电磁转矩又与负载转矩重新平衡为止。5-15通过三相异步电动机的空载实验和短路实验可分别测取三相异步电动机的哪些参数？如何测取？答三相异步电动机的空载实验，是指在额定电压和额定频率下，转轴上不带任何负载时的实验。空载实验的目的，是测定三相异步电动机的励磁阻抗Zm=Rm+jXm、铁芯损耗pFe和机械损耗pmec。实验在电机空载时进行，定子绕组上施加额定频率的电源电压，其用调压器来进行调节，使定子端电压从1.2U1N开始逐渐降低，直到转差率s68 明显增加，电流开始回升为止。每次测取定子相电压U1、空载相电流I0和空载时三相总的输入功率P0。根据实验数据，画出电动机的空载特性曲线I0=f（U1）和P0=f（U1），并从P0中分离出pmec、pFe和pad0。最后进行参数的计算。短路实验必须在电动机堵转情况下进行，故短路实验也称为堵转实验。短路实验的目的，是测定三相异步电动机的短路阻抗Zk、转子电阻和定转子漏电抗X1σ与。为了使做短路实验时不出现过电流，定子外加电压应降低，一般使短路电流由1.2IN逐渐降低到0.3IN，每次测取定子相电压Uk、相电流Ik和总的输入功率Pk。根据实验数据，画出电动机的短路特性曲线Ik=f（Uk）和Pk=f（Uk）。最后进行参数的计算。5-20一台三相异步电动机的额定功率PN=55kW，额定电压UN=380V，额定功率因数cosφN=0.89，额定效率ηN=91%，求该电动机的额定电流IN。解5-21一台三相异步电动机，PN=4.5kW，Y/Δ接线，380/220V，cosφN=0.8，ηN=80%，nN=1450r/min，试求：（1）定子绕组接成Y形或Δ形时的定子额定电流；（2）同步转速n1及定子磁极对数p；（3）带额定负载时的转差率sN。解(1)Y接时：UN=380VΔ接时：UN=220V68 （2）由于，磁极对数，取整数，同步转速（3）额定转差率5-22有一三相交流绕组，极对数p=3，槽数Z=54，线圈节距y=8。求该绕组的短距系数、分布系数和绕组系数。并判断该绕组是整距绕组还是短距绕组，是集中绕组还是分布绕组？解极距每极每相槽数槽距电角度基波短距系数基波分布系数基波绕组系数68 因为，，所以该绕组是短距、分布绕组。5-23有一台额定功率为1000kW的三相绕线型异步电动机，f1=50Hz，电动机的同步转速n1=187.5r/min，UN=6kV，Y联结，cosφN=0.75，ηN=92%，定子绕组为双层叠绕组，Z=288，y=8槽，每槽内有8根有效导体，每相有两条支路。已知电动机的励磁电流Im=0.45IN，试求三相基波励磁磁动势的大小。解极对数极距每极每相槽数每条支路匝数槽距角基波短距系数基波分布系数基波绕组系数68 三相基波磁动势其中，5-24一台三相异步电动机，已知UN=380V，fN=50Hz，nN=1455r/min，定子绕组△接法，R1=2.08Ω，X1σ=3.12Ω，=1.525Ω，X2σ"=4.25Ω，Rm=4.12Ω，Xm=62Ω。试求：（1）电动机的极数；（2）电动机的同步转速；（3）额定负载时的转差率和转子电流频率；（4）画出“T”型等效电路，并计算额定负载时的I1、P1、cosφ1和。解（1）由于，故同步转速所以该异步电动机为4极电机。（2）同步转速（3）额定负载时的转差率转子电流频率（4）等效电路图如图所示。68 令，额定负载时定子相电流为定子线电流习题5-24附图5-25一台三相六极异步电动机，额定数据为：PN=28kW，UN=380V，f1=50Hz，nN=950r/min，额定负载时，cosφ1=0.88，=2.2kW，=1.1kW，=0，计算在额定时的sN、、、I1和f2。68 解磁极对数取同步转速额定转差率总机械功率转子铜损耗输入功率效率定子电流转子电动势频率5-26某三相绕线型异步电动机，UN=380V，f1=50Hz，R1=0.5Ω，R2=0.2Ω，Rm=10Ω定子△联结。当该电机输出功率P2=10kW时，I1=12A，I2s=30A，I0=4A，68 P0=100W。求该电机的总损耗Σp、输入功率P1、电磁功率Pem、机械功率Pmec以及功率因数cosφ1和效率η。解定子铜损耗转子铜损耗铁耗总损耗输入功率电磁功率机械功率功率因数效率5-27某三相六极异步电动机，已知电磁功率Pem=4.58kW，机械功率Pmec=4.4kW，输出功率P2=4kW。求该电机此时的电磁转矩T、输出转矩T2和空载转矩T0。解68 电磁转矩T输出转矩T2空载转矩T05-28一台三相四极异步电动机，PN=10kW，U1N=380V，I1N=19.8A，定子绕组Y接法，R1=0.5Ω，空载实验数据：线电压U1=380V时，I0=5.4A，P0=425W，机械损耗pmec=80W；短路实验数据：线电压Uk=120V时，Ik=18.1A，Pk=920W。试计算出忽略空载附加损耗并认为X1σ=时的参数、X1σ、、Rm和Xm。解电机定子绕组Y接法，且忽略空载附加损耗，即pad0=0。由空载试验求得：铁芯损耗由短路试验求得：68 所求各种参数为：转子电阻定转子漏抗励磁电阻或励磁电抗6-1三相异步电动机的电磁转矩表达式有哪几种？各自与哪些参数有关？分别有什么特点？答（1）物理表达式：三相异步电动机的电磁转矩T有以下表达式电磁转矩T与电机的主磁通、转子侧电流及功率因数等的大小。（2）参数表达式：由电磁功率的另一种表达式推导得出反映了电磁转矩T与转差率s之间的函数关系。上式中电磁转矩T与定子电压、频率及电机参数等有关，故称之为机械特性的参数表达式。（3）实用表达式：人们常用近似的实用表达式来解决工程实际问题。68 在已知Tmax和sm的情况下，可以求出任意一s下所对应的T。这样，便可画出异步电动机的机械特性。此式简单、实用，因而应用十分广泛。6-2什么是三相异步电动机的机械特性？什么是它的固有机械特性？什么是它的人为机械特性？人为机械特性有哪几种？答三相异步电动机的机械特性，是指在恒定电压、恒定频率，以及参数等不变的条件下，电动机的电磁转矩T与转子转速n之间的关系，即，也可以用s作为参数来表示，即。三相异步电动机的固有机械特性，是指在额定电压、额定频率下，电动机按规定的接线方式接线，定、转子无外接电阻（电抗或电容）时的机械特性。由三相异步电动机机械特性的参数表达式可知，电磁转矩与转差率之间的函数关系，是由电源端电压、电流频率、定子极对数、定子及转子电路的阻抗等参数决定的。因此，人为地改变这些参数，便可分别得到各种与固有机械特性不同的特性，这些机械特性统称为人为机械特性。人为机械特性包括改变定子端电压U1、转子回路串接对称电阻、定子电路串接对称电阻或电抗、改变定子极数、改变电源频率以及转子回路串接对称并联阻抗等人为机械特性。6-3怎样计算与绘制三相异步电动机的机械特性？答从电动机的产品目录，可查得、、等数据，再进行以下运算。（1）由求得；（2）将和代入式，求得临界转差率sm（求得两个解，可根据实际情况选取或去舍）；（3）将代入式，求得；（4）由，计算出最大转矩Tmax。68 （5）将sm及Tmax代入，便得出了电动机机械特性实用表达式。（6）实际绘制机械特性时只要计算四个点：同步转速点（n=n1，s=0，T=0）；额定运行点（n=nN，s=sN，T=TN）；最大转矩点（n=nm，s=sm，T=Tmax）；起动点（n=0，s=1，T=Tst）。6-4三相异步电动机的最大转矩Tmax和临界转差率sm分别与哪些参数有关？答，（1）当电源频率不变时，最大电磁转矩；（2）最大电磁转矩的大小与转子回路电阻无关；（3）当电源电压和频率一定时，，漏抗越大，Tmax越小；（4）当电源电压和电机参数一定时，随电源频率的增加而减少；（5）对应于最大电磁转矩的临界转差率，，且与的大小无关。6-5三相异步电动机拖动额定负载运行时，若电源电压下降过多，会产生什么后果？答电源电压降低时，人为特性对应线性段的特性变软，电动机起动能力和过载能力下降。如果电源电压下降过多，由于最大转矩和起动转矩与电压平方成正比，当起动转矩下降到小于负载转矩时，电动机不能起动。当最大转矩下降到小于负载转矩时，原来运行的电动机将停转。此外，当降低时，在负载转矩不变的情况下，电动机的转速降低，增大，使增加，转子电流也增大，定子电流相应上升。若电动机原来运行于额定状态，此时的电流就要大于额定电流，电机出现过载，会使电机发热严重，影响电机寿命。同时，当电源容量较大时，电机电流增大，会使电源电压进一步下降，后果严重。6-6三相笼型异步电动机直接起动的条件是什么？68 答在三相异步电动机的电力拖动系统中，一般作如下规定：（1）三相异步电动机的额定功率PN≤6.5kW时，可以直接起动；（2）PN＞6.5kW时，若符合以下条件，也可以直接起动：6-7三相笼型异步电动机起动电流很大，而为什么起动转矩却不大？答（1）从电磁关系看，起动时，，旋转磁场以同步速度切割转子，在短路的转子绕组中感应很大的电动势和电流。此时尽管转子电动势频率以及它所对应的漏抗也大，但由于受转子槽形的影响，在起动瞬间槽口处饱和，致使漏抗增加幅度较电动势小，而转子绕组电阻又近为不变，电动机的等效阻抗很小，故起动时转子电流增大。根据磁动势平衡关系，引起与平衡的定子电流的负载分量急剧增加，以致定子电流很大，所以起动电流很大。（2）由于，转子电流尽管大，当、时，使转子功率因数角接近，功率因数很小，这时转子电流有功分量并不大(因为说起动瞬间转子电流大的是无功分量电流)。另外，由于起动电流大，定子绕组漏阻抗压降增大，由于知，此时定子绕组的感应电动势较小，故与之成正比的也减小。基于以上原因，所以异步电动机起动转矩就不大。6-8三相绕线型异步电动机转子回路串电阻起动，为什么起动电流不大，而起动转矩却很大？答从等效电路可以看出，绕线式异步电动机在转子回路串电阻增加了转子回路阻抗，由式可见，起动电流随所串电阻增大而减小；转子回路串电阻同时，还减小转子回路阻抗角，从而提高转子回路功率因数；起动电流减小使得定子漏抗压降降低，电势68 增加，使气隙磁通增加。起动转矩与气隙磁通、起动电流、成正比，虽然起动电流减小了，但气隙磁通和增加，从而增大了起动转矩。如果转子回路所串电阻太大，使起动电流太小，起动转矩也将减小。6-9深槽型与双笼型异步电动机有什么特点？用于哪些场合？答为了改善笼型电动机的起动性能，可从转子槽形着手，设法利用“集肤效应”，使起动时转子电阻增大，正常运行时转子电阻又会自动减小，从而满足电动机起动和运行性能的要求。深槽型转子异步电动机的特点，是转子槽形设计得深而窄。通常，槽深与槽宽之比约为10~12，或者更大，以增强集肤效应。双笼型转子异步电动机的特点，是其转子上安放了两套笼型绕组，分别称为上笼（起动笼）和下笼（运行笼）。深槽型异步电动机和双笼型异步电动机，就是这种能改善起动性能的笼型异步电动机。6-10三相异步电动机有哪几种制动方式？各种制动的条件是什么？转差率与能量关系怎样？答三相异步电动机有能耗制动、反接制动和回馈制动三种制动方式。（1）能耗制动方式，是将三相异步电动机与三相交流电源断开，而与直流电源接通。同时，在转子回路接入制动电阻，这种制动的实质是将转子中贮存的动能转换成电能，并消耗在电阻上，因而称为能耗制动。电磁功率与转差率的关系为（2）三相异步电动机实现反接制动有两种方法：即定子两相反接的反接制动和位能性负载倒拉反转的转速反向反接制动。定子两相反接的反接制动，电动机的机械功率为，电磁功率为；这说明负载向电动机转子输入机械功率Pmec，定子向转子传递Pem，传递到转子的这两部分功率全部转换成了转子上的铜损耗，即。68 转速反向的反接制动，，所以功率关系与定子两相反接的反接制动时相同。不过，此时输入电动机的机械功率为重物下放过程中减少的位能。（3）回馈制动：当由于某种原因，会使三相异步电动机转速高于同步转速，。此时，转差率。电源输入的电功率，这说明有电功率回馈给电源。电动机的机械功率为，电磁功率为，功率P1、Pmec、Pem均为负值，说明电机内的功率流向与作电动机运行时正好相反，即电机作发电机在运行。6-11三相绕线型异步电动机拖动位能性恒转矩负载运行，在电动状态下提升重物，R2增大，n增加还是减小？在转子反向的反接制动状态下下放重物时，R2增大，n增加还是减小？答当三相绕线型异步电动机拖动位能性恒转矩负载运行，在电动状态下提升重物，R2增大，n减小；在转子反向的反接制动状态下下放重物时，R2增大，n增加。6-12三相异步电动机拖动反抗性恒转矩负载运行，若∣TL∣较小，在采用反接制动停车时应注意什么问题？答若三相异步电动机拖动反抗性恒转矩负载运行，电动机能否反转决定于电机制动到n=0时的转矩（反向起动转矩）。如果该转矩的绝对值大于负载转矩，即∣TL∣较小，电动机将反向起动并加速至T=TL时，电动机稳定工作在某一转速上，此时电动机工作于反向电动状态，故应采取其他如使用抱闸等停车措施；如果该转矩的绝对值小于负载转矩，电动机只能堵转运行，使电动机发热严重。6-13三相绕线型异步电动机转子回路串电抗器能否起调速作用？试分析为什么采用串电阻而不采用串电抗调速方法？答（1）绕线式异步电动机转子回路串联电抗器，增大了转子回路阻抗，由式：，及以串电抗器的T-s68 曲线可知：若负载转矩一定，转差率s减小，转速增高。在额定负载下，功率因数下降（因感抗增大所致），效率下降。问题是它只能在sm值之内调速，而sm值很小（0.08—0.2），故此法虽能调速，但调速范围很小，故很少有实用价值。（2）在转子回路串对称电阻的人为特性，是一组过同步转速点n1、最大转矩Tmax不变、临界转差率sm随转子电阻增加而成比例增大的曲线。当电动机带恒转矩负载，当转子电路串接不同电阻时将运行在不同转速，电阻越大，机械特性越软，转速越低。因此，改变转子电路的电阻值就可达到调速的目的。可见，转子回路串电阻调速属恒转矩调速方式，适用于恒转矩负载，调速范围不大，且调速范围随负载大小而变；转子串电阻调速方法简单，初投资少，常用于对调速性能要求不高的起重机类负载中。6-14三相异步电动机变极调速时，若相序不变，电动机转向将如何？答变极调速时为了不改变转子的转向，在变极的同时还要将接至电源的三根导线中的任意两根对调位置。所以，若相序不变，根据交流绕组磁动势的理论可知，电动机的转向将会改变。6-1550Hz的三相异步电动机能否用于60Hz的电源？60Hz的电动机能否用于50Hz的电源？为什么？答当忽略定子绕组漏抗压降时，加在定子绕组上的电源电压为若外加定子电压不变，当f1增加时，必使减小，这将导致电磁转矩下降，电机得不到充分利用。故50Hz的三相异步电动机可用于60Hz的电源，但不能长期运行。而当f1降低时，将使主磁通增加。励磁电流由于磁路饱和限制会增大很多，引起定子电流急剧增加。除了引起电机严重发热外，还将使电机功率因数大大降低。故60Hz的三相异步电动机不可用于50Hz的电源。6-16在变频调速时，电源电压U1随频率f1应如何变化？答在变频调速时，电源电压U1随频率f1变化的规律，与对电磁转矩的要求，即负载转矩的性质有关。（1）若带恒转矩负载，调速过程中要求输出转矩不变，即：Tx=TN=常数，68 。可见，若带恒转矩负载，只要使电源电压与频率成比例调节，就能使电动机的气隙磁通，以及过载倍数在调速过程中保持不变。（2）若带恒功率负载，调速过程中要求输出功率不变，则说明，若带恒功率负载，当保持电源电压与频率按的规律调节时，就能使电动机的气隙磁通和过载倍数在调速过程中保持不变。6-17什么是串级调速？其原理是什么？三相绕线型异步电动机串级调速机械特性有何特点？答所谓串级调速，就是在转子回路中串入一个与转子电动势频率相同、相位相同（或相反）的外加三相对称附加电动势，如图所示。改变附加电动势的大小或相位，即可调节电动机的转速。(a)(b)习题6-17附图串级调速时的电磁转矩，即为串入相位相同或相反的附加电动势时的串级调速的机械特性，如图所示。可见，串级调速具有机械特性较硬、平滑性好、效率高等优点。6-18某三相绕线型异步电动机，=980r/min，，原来，现分别求下述情况下的转速：（1）；（2）；（3）；（4）增加至1.2倍。68 解则（1）：当转矩变化时，、均不变或（2）：当定子电压变化时，不变，或（3）：当频率变化且f1