《船舶电气设备及系统》课后习题答案

文档鉴赏 船舶电气设备及系统 课后习题 答案 第第 1 1 章章 电与电与磁磁 1 1 铁磁材料具有哪三种性质 答答 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 答答 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 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 表示感应大多数方向 答答 参考书 P 17 页 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 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 图 c 感应电动势的方向为 文档鉴赏 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 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 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 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 铁心构造不同 线圈结构不同 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 文档鉴赏 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 44Nf 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 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 文档鉴赏 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 1 11 交流接触器铁心卡住为什么会烧毁线圈 应该说是 衔铁卡住 较 合适 答答 交流电磁铁是恒磁通型的 只要电源电压和频率不变 因为 U E 4 44Nf 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 不变而磁阻大 I 就大 磁阻小 I 就小 若接触器工作时交流电磁铁的衔 铁卡住 即不能完全吸合 将使线圈一直保持较大的电流 产生的铜损耗 增加 很容易使线圈因过热而烧毁 1 12 直流接触器铁心为什么是整块铸铁 为什么没有短路环 答答 直流接触器线圈通入的是直流电源 在铁心中产生的磁通是大小和 方向都恒定不变的直流磁通 直流磁通不会在铁心产生涡流损耗 因此没有 必要象交流接触器铁心那样采用硅钢片制造 为了使制造工艺简化 直流接 触器的铁心就常常采用整块铸铁制成 由于铁心中产生的磁通直流磁通 没 有 过零点 在工作时铁心产生的吸力一直保持恒定 因此没有必要设置 短路环来防止衔铁的振动 第第 2 2 章章 变压器变压器 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 X 反映漏磁通的作用 由于磁路基本 文档鉴赏 上是线性的 故 X 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 答答 根据 4 44 公式 即 E 4 44fN m 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 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 Xm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 2 f 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 44Nf 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 44Nf 若电源电压不变 则磁路的磁通 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 文档鉴赏 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 答答 不可以 根据 U E 4 44fN m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 答答 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 相同负载时 变压器短路 阻抗值越大 其输出电压变化越大 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 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 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 短路阻抗的大 负载的大 副边电压变化率就大 当副边带电容性负载时有可能使电压变化率为零 题图 2 6 负载相量图 文档鉴赏 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 答答 电压平衡方程式为 2 2RL j 2XL 1 2 1 2 1RK j 1XK 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 答答 电压互感器使用时应注意 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 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 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 题图 2 7 感性及容性负载时的相量图 文档鉴赏 化率将超过允许值 互感器的精度将受到影响 电流互感器使用时应注意 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 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 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 33 I2N SN U2N 400000 6000 38 49 A 33 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 33 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 22 A 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 cos 0 8 时的效率 解解 1 额定输出电流 I2 N SN U2N 1800 3 15 329 9 A 33 2 输出电流为额定值 负载功率因数 cos 0 8 时 副边输出的有 功功率 P2N P2N SN cos 1800 0 8 1440kW 3 输出电流为额定值 负载功率因数 cos 0 8 时的效率 文档鉴赏 P2 P1 100 P2 P2 pFe pcu 100 1440 1440 6 6 21 2 100 98 1 答答 当输出电流为额定值 负载功率因数 cos 0 8 时的效率约为 98 1 第第 3 3 章章 异步电动机异步电动机 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 文档鉴赏 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 s n0 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 3 b 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 a 三相电流b 方向 题图 3 3 转子接电源 文档鉴赏 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 44kwf m 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 答答 在分析异步电动机时 转子边要进行的折算有 频率折算 绕组折算 折算的目的是 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 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 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 磁势一样 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 s s 1 答答 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 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 文档鉴赏 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 答答 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 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 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 cos 2 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 cos 2减小则定子电路的功率因数 cos 1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 文档鉴赏 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 答答 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3 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 只有 I2 才能使 T 保持额定值与额定负载转矩 平衡 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3 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3 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 解解 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 min p 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 08 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 5 TN 时 电动机的转差率 s 和转速 n 分别 为 s sNT TN 0 08 0 5 0 04 n n0 1 s 500 1 0 04 500 0 96 480 r min 答答 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 文档鉴赏 否改变 答答 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 min p 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 答答 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 当负载增大时 三相异步电动机的转速有所下 降 当电压升高时 三相异步电动机的转速有所上升 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 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 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 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 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 2 fL20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 文档鉴赏 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 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 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 1000 r min s 0 02 n n0 1 s 1500 0 98 1470 r min 时 定子旋转磁场对转子的转速 n12分别为 n 0 时 n12 n1 n n0 n 1500r min n 1000r min 时 n12 n1 n n0 n 1500 1000 500r min n 1470r min 时 n12 n1 n n0 n 1500 1470 30r min 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 n2 60f2 p 1500r min n2 500r min n2 30r min 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 1470 r 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 n21 n2 n 1500 0 1500r min n21 n2 n 1000 500 1500r min n21 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 比较 和 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 文档鉴赏 PN 30kW UN 380V IN 57 5A f 50Hz sN 0 02 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 解解 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 求额定输出转矩 T2N为 T2N PN N 60 PN 2 nN 9 55 PN nN 9 55 30000 1470 194 88 N m 求额定功率因数 cos 为 cos P1N UNIN P2N UNIN 30000 0 9 380 57 5 0 88333 答答 定子旋转磁场对转子的转速是 30r min 额定输出转矩为 194 88 N 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 cos 0 82 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 解解 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 cos 2200 0 81 0 82 3312 kVA IN SN UN 3312 380 5 A 星形接法 33 Ip IN 5 A TN PN N 60 PN 2 nN 9 55 PN nN 9 55 2200 1420 14 79 N m 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 0533 f2 sN f 0 0533 50 2 67 Hz 答答 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 79 N m 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 cos 0 84 85 5 过载系 文档鉴赏 数 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 解解 由于是三相四极电机 极对数 p 2 n0 60f p 3000 2 1500r min 所以 额定转差率 sN为 sN n0 n n0 1500 1440 1500 0 04 额定电流 IN为 IN PN UN cos 3 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 起动电流 Ist为 Ist 7 IN 81 45 A 起动转矩 Tst为 Tst kT TN 2 2 36 47 80 24 N m 最大转矩 Tmax为 Tmax TN 2 2 36 47 80 24 N m 答答 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 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 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 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 第第 4 4 章章 同步电机同步电机 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