电机习题与解答 2
第五章 三相异步电动机基本工作原理和结构5-1 三相异步电动机为什么会转，怎样改变它的极性？答：（1）电生磁：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）n1TemnBC....A.（2）（动）磁生电：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）3) 电磁力（矩）：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改变相序即可改变三相异步电动机的转向5-2 为什么异步电动机的转速一定小于同步转速？若转子电流和转子电动势之间有相位差，这里所有转子导体上的电磁力的方向是否都和转向相同，画图分析说明。
答： 由上题知，异步电动机的转向n与定子旋转磁场的转向n1相同，只有n 5-3 试述“同步”和“异步”的含义？答： “同步”和”异步”是个相对概念，是指交流旋转电动机的转速n对旋转磁场的转速n1而言，若n= n1为同步电机，n≠n1为异步电机5-4 何谓异步电动机的转差率？在什么情况下转差率为正，什么情况为负，什么情况下转差率小于1或大于1？如何根据转差率的不同来区别各种不同运行状态？ 答：异步电机转差率s 是指旋转磁场转速n1与转子转速 n之间的转速差（n1-n）与旋转磁场转速n1的比率，即 当n< n1时，转差率为正（s>0），n> n1时转差率为负（s<0）；当n1>n>0时，转差率s<1；当0>n>∞时，转差率s>1;当+∞>s>1 时为电磁制动运行状态，当1>s>0时为电动机运行状态，当0>s>-∞时为发电机运行状态5-5 假如一台接到电网的异步电动机用其它原动机带着旋转，使其转速高于旋转磁场的转速，如图5-9所示，试画出转子导体中感应电动势、电流和相序的方向这时转子有功电流和定子旋转磁场作用产生的转矩方向如何？如把原动机去掉，情况又会怎样？答：当转子由电动机驱动，且n>n1，此时转子导体以逆时针方向切割旋转磁场（相对切割速度为n-n1）,而感应电动势e2方向如图所示（由”右手发电机”定则判定）,其相序由转子导体的切割方向决定，由于转子导体切割旋转磁场在时间上有先后顺序，如将先切割N极轴线的一相定义为U相，则后切割的那两相（互差1200空间电角度）分别为V相和W相，可见，其相序与转向相反，如图所示。 如果电流i2与电动势e2同相（即有功分量电流），则转子有功电流和旋转磁场相互作用产生电磁力，并形成转矩Tem，由”左手电动机”定则判得，其方向与转子转向相反，为制动性质转矩实际上，此时电动机已处于发电运行状态（）如果把原动机去掉，转速将下降，不再大于n1了，这时因为已处于发电机运行的电机在旋转过程中，绕组电阻有铜损耗，通风、轴承、磨擦等有机械损耗，致使转速逐渐下降，直至n 唯一不同的是线电压Ul和线电流Il不等，5-7在绕线式异步电动机中，如果将定子三相绕组短接，并且通过滑环向转子三相绕组通入三相电流（如5-10所示）转子旋转磁场若为顺时针方向，这时电动机能转吗？转向如何？答： 电动机以逆时针方向旋转，原理如图所示： 转子三相绕组通入三相正弦交流电流产生旋转磁场，转速为n1、转向为顺时针方向，并假定图示瞬间，转子磁场极性N、S如图所示（上面为N极，下面为S极，产生此极性的转子电流，右面三个导体为⊙ ，左面三个导体为⊕ ） 转子磁场旋转结果，在定子绕组中感应三相电动势, 方向如图所示（用”右手发电机”定则），由于定子三相绕组短接，..W1V2U1W2V1U2...NSTem(n)便有三相电流流过，该电流的有功分量(与电动势同相)与转磁场相互作用，定子导体便受到图示方向力的作用（由”左手电动机”定则判断），形成顺时针方向的转矩，它企图使定子沿顺时针方向旋转但由于定子静止不动，它必对转子产生一个大小相等的反作用力，对转轴形成一个逆时针方向的转矩，使转子沿逆时针方向旋转5-8 假如一台星形接法的异步电动机，在运行中突然切断三相电流，并同时将任意两相定子绕组立即接入直流电源，这时异步电动机的工作状况如何，试用图分析之。 答：A、B两相定子绕组通入直流电流If方向如图所示，它产生恒定方向的磁场（图...Temn..V1U2W1V2U1W2+_If恒定磁场磁力线示表示，方向向左）由于转子惯性仍以原转向 （假定为顺时针方向）旋转，则转子导体便切割定子恒定磁场感应电动势和电流（方向由”右手发电机”定则判定），此电流的有功分量与定子恒定磁场相互作用，转子导体受到图示方向力的作用，并形成逆时针方向的电磁转矩Tem，它对转子起制动作用，使转子很快停止下来IfACB5-9 一台三相异步电动机，PN=4.5千瓦，Y/Δ接线，380/220伏，，，转/分，试求：1． 接成Y形或Δ形时的定子额定电流；2． 同步转速及定子磁极对数P；3． 带额定负载时转差率；解： (1)Y接时： UN=380V △ 接时： UN=220V (2)磁极对数 取p=2同步转速(3) 额定转差率 5-10一台八极异步电动机，电源频率f=50赫，额定转差率=0.04，试求：1． 额定转速；2． 在额定工作时，将电源相序改变，求反接瞬时的转差率解： (1) 同步转速 额定转速 (2) 反接转差率 第七章 三相异步电动机运行原理7-1 异步电动机的气隙为什么要尽可能地小？它与同容量变压器相比，为什么空载电流较大？ 答：异步电动机气隙小的目的是为了减小其励磁电流(空载电流)，从而提高电动机功率因数。 因异步电动机的励磁电流是由电网供给的，故气隙越小，电网供给的励磁电流就小而励磁电流又属于感性无功性质，故减小励磁电流，相应就能提高电机的功率因数 异步电动机与变压器一样，均为交流励磁的电机它们U1---E1---φ0----I0的分析思路相同在容量和电压相同的情况下，异步电动机和变压器的主磁通φ0基本相同，又由磁路欧姆定律知：，其I0∝Rm（匝数N1的影响远不及Rm），由于异步电动机主磁通磁路中有两个气隙，而变压器是纯铁心磁路，故异步电动机主磁通磁路的磁阻远较变压器大，故其空载电流远较变压器大7-2 异步电动机在起动和空载运行时，为什么时候功率因数很低？当满载运行时，功率因数会提高？答：1.由等效电路分析：下面分别画出起动（a）、 空载（b）和满载(c)时的等效电路 r1 x1rmxm(b)r1 x1 r2’ x2’（a） r1 x1 r2’/sN x2’（c）rmxm 起动时 由于，故 1较大，就较小空载时 由于，故 1较大，就较小满载时：激磁支路阻抗rm+jxm 与转子支路阻抗 并联，又由于激磁阻抗远大于转子支路阻抗，故可近似看成激磁支路开路。 由于，故 1较小，就较大2、由电磁关系分析 ①起动时：s=1，转子漏抗x2s=sx2最大，故转子功率因数cosψ2较小，因而转子无功分量电流大，则与其平衡的定子侧无功分量电流也大，因而功率因数就小 ②空载时，I1=I0， 其中很小一部分的有功分量用来供空载损耗，其余绝大部分的无功分量电流用来励磁，因此，空载电流属感性无功性质，因而电动机的功率因数就小 ③满载时，因电动机轴上输出的是机械功率，从电路角度需用有功功率来模拟其机械功率，因此负载后，转子电流的有功分量增大(增大)，则与其平衡的定子有功分量电流就增大，因而电动机的功率因数就大7-3 当异步电动机运行时，定子电动势的频率是多少？转子电动势的频率为多少？由定子电流的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？由转子电流的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=s f1 ；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n1-n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 。 7-4说明异步电动机轴机械负载增加时，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（Tem）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7-5 为什么说异步电动机的功率因数总是滞后的，而变压器呢？答： 异步电动机定，转子间的电磁关系尤如变压器，定子电流也由空载电流和负载分量电流两部分组成：1） 维持气隙主磁通和漏磁通，需从电网吸取一定的滞后无功电流（即为I0）；2） 负载分量电流取决于转子电路；由等效电路可知，电动机轴上输出的机械功率（还包括机械损耗等）只能用转子电流流过虚拟的附加电阻所消耗的功率来等效代替（因输出的机械功率是有功的，故只能用有功元件电阻来等效代替）再加上转子绕组的漏阻抗，故转子电流只可能是滞后无功电流，则与转子平衡的定子负载分量也只能是滞后的无功电流，因此异步电动机的功率因数总是滞后的。 变压器却不一定与异步电动机相同的一点是其空载电流总是滞后无功电流，而变压器所带的电气负载有阻、感、容性的(而异步电动机在电路中模拟机械负载的只能是阻性的有功元件)，当其负载容抗若大于变压器的感抗时，其功率因数就会超前7-6 异步电动机等效电路中的附加电阻的物理意义是什么？能否用电感或电容来代替，为什么？答：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7-7 异步电动机的电磁转矩与哪些因数有关，哪些是运行因素，哪些是结构因素？答： 电磁转矩参数表达式电磁转矩Tem与①电源参数：电源电压U1频率f1，②电机本身参数：相数m1、极对数p、定、转子漏阻抗r1、r2’、x1、x2’； ③运行参数：转差率s有关其中U1、f1及s是运行因素，m1、p、r1、r2’、x1、x2’为结构因素sTemTmTm’Tm’’ba sm sb sa11230TL7-8 异步电动机带额定负载运行时，且负载转矩不变，若电源电压下降过多，对电动机的Tmax、Tst、Φ1、I1、I2、s及η有何影响？答：因为，而sm与U1无关, 因而电源电压下降后其Tem---s曲线如图所示，曲线1为正常电压下的曲线，曲线3为电压下降过多的曲线，曲线2为电压下降的曲线。 电机正常工作时，，稳定运行于a点，其对应转差率为sa1、当电压下降过多，则电磁转矩下降更多,当最大电磁转矩Tm’’ 因在此范围内，增大，转子电流I2’减小，而转子功率因数cosψ2却增大，致使转子电流的有功分量增大，故起动转矩增大TemTmaxabSbSa0S112Sm’2、转子漏抗增大，Tmax、Tst减小:见上题公式3、定子频率f1增大，Tmax、Tst减小:见上题公式7-11 一台鼠笼异步电动机，原来转子是铜条，后因损坏改成铸铝，如输出同样功率，在通常情况下，sN、cos、η1、I1N、sm、Tmax、Tst 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Tem---s曲线如图曲线1 输出同样功率（如额定功率）, 由得其曲线2.（1）sN增大，由图知，工作点由a（sa）变至b（sb）2）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∝r2’）（6）Tmax不变（因为Tmax与无关）（7）Tst增大，见图7-12 一台50Hz380伏的异步电动机若运行于60Hz、380伏的电网上，设输出功率保持不变，问下列各量是增大还是减小：Temabnanb0S12n1） 激磁电抗、激磁电流和电动机的功率因数；2） 同步转速和额定电流时的电机转速；3） 最大转矩和产生最大转矩时的转差率；4） 起动转矩；5） 电机效率答：本题题意为频率增加：频率增加及输出功率不变的Tem---n曲线见图曲线1、2.(1)励磁电抗增大，；励磁电流减小，；功率因数增大，因I0减小所导致 (2)同步转速增大，；额定电流时转速增大，, 工作点由a至b，增加3) 最大转矩下降，临界转差率减小，见7-9题式或图(4)起动转矩下降，见7-9题式或图(5)电动机效率升高7-13增大异步电动机的气隙对空载电流、漏抗、最大转矩和起动转矩有何影响？答：气隙增大：（1）空载电流增大，当电源电压一定，一定，又由于，(N1一定)，气隙大，磁阻Rm大，故I0大2）、漏抗减小，因气隙大，漏磁路径增长，其磁阻增大，，故漏抗减小3）、最大转矩、起动转矩减小，见题7-9式。 7-14 一台六极异步电动机，额定功率PN=28千瓦，UN=380伏，f1=50Hz，nN=950转/分，额定负载时，，pcu1+pFe=2.2千瓦，pmec=1.1千瓦，pad=0，计算在额定时的sN、pcu2、ηN、I1和f2 解：磁极对数： 取同步转速：额定转差率：总机械功率：转子铜损： 输入功率： 效率：定子电流：转子电动势频率：7-15一台4极异步电动机，额定功率PN=55千瓦， f1=50Hz，在某运行情况下，自定子方面输入的功率为6.32千瓦，pcu1=341瓦，pcu2=237.5瓦，pFe=167.5瓦，pmec=45瓦，pad=29瓦，试绘出该电机的功率流程图，标明电磁功率、总机械功率和输出功率的大小，并计算在该运行情况下的效率、转差率、转速及空载转矩、输出转矩和电磁转矩 解：输出功率：效率：电磁功率：转差率：转速： 空载损耗：空载转矩：输出转矩：电磁转矩：或 第八章 三相异步电动机起动和调速8-1普通鼠笼异步电动机在额定电压下起动，为什么起动电流很大，而起动转矩却不大？答： (1)从电磁关系看，起动初瞬，n=0, 定子旋转磁场对静止转子的相对切割速度最高(n1)，故转子感应电动势最大。 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，故起动时转子电流增大，根据磁动势平衡关系，此时定子电流(即起动电流)就大(约为额定电流5-7倍)从等效电路看，起动初瞬，n=0，s=1，附加电阻，相当于短路运行状态，此时起动电流：由于定，转子绕阻的漏阻抗即很小，故起动电流很大2） 其一：转子电流I2’尽管大，但由于起动初瞬间，x2增大而r2不变，故功率因数角大，功率因数cosψ2就很低，所以这时转子电流有功分量I2’cosψ2却不大(因为说起动瞬间转子电流大的是无功分量电流)其二，由于起动电流大，定子绕组漏阻抗压增大，由于知，此时定子绕组的感应电动势E1较小，故而小，基于此两原因，所以异步电动机起动转矩就不大8-2在应用降压起动来限制异步电动机起动电流时，起动转矩受到什么影响，比较各种降压的起动方法，着重指出起动电流倍数年和起动转矩倍数间的关系答： 由上题式知：Ist∝U1，而Tst∝U12, 故采用降压起动限制起动电流的同时，更限制了起动转矩，因此此法只适用于空载或轻载时起动Ist、Tst被限制情况列表如下：全压起动IstTst降压起动定子串电抗器起动*1Ist /KTst /k2Y-△换接起动*2Ist /k2Tst /k2自耦补偿器起动Ist /k2Tst /k2*1 设K为电压降低倍数（K=） *2 Y-△换接起动中K= 。 定子串电抗器起动的起动电流仅限制了K倍（其它为K2倍），但K值可根据要求灵活选择Y-△换接起动只适用于有六个引出端头的角接线的异步电动机，其K固定为，故无选择灵活性，但其起动设备价廉自耦补偿器起动，有三个K值，可供选择，它对电动机定子绕线无任何要求，起动转矩比Y-△换接大，但设备费用较贵8-3 绕线式异步电动机在转子回路中串电阻起动时，为什么既能降低起动电流，又能增大起动转矩？答：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r2st’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cosψ2，其结果增大了转子电流的有功分量，从而增大了起动转矩8-4 绕线式异步电动机在起动和运行时，如将它的三相转子绕组接成Y形短接，或接成 △形短接，问对起动性能和运行性能有无影响，为什么？答：绕线式异步电动机转子为三相对称绕阻，因此在起动或运行时，无论是接成Y形，或△形连接，其每相绕组感应电动势是相等的而每相绕组的漏阻抗和等效的虚拟电阻又相同，所以每相绕组电流相等，那么由转子电流所形成的电磁转矩和由磁动势平衡关系所决定的定子电流就与转子绕组的上述接线无关，因此它不影响电动机的起动和运行性能。 8-5 一台鼠笼异步电动机原来转子导条是铜的，后因损坏改成铝条，在其它条件不变情况下，对起动性能有何影响？最大电磁转矩是否改变？若负载转矩不变，其转差率将如何变化？答：由题7-11知，鼠笼异步电动机转子由铜条改为铝条后（仍保持sm<1），其起动转矩增大，而最大转矩不变若负载转矩TL恒定，由Tem---s曲线知，改铝条后，其运行点由a点改为b点，转差率由sa变为sb，故转差率增大，转速减小TemTmaxabsbsa0TLTsts18-6深槽和双鼠笼异步电动机在额定电压下起动，起动电流较小而起动转矩较大，为什么？答：电动机在起动时，n=0，s=1，转子绕组电动势频率最高（f2=sf1），此时趋表效应最强烈，使槽电流分布趋于槽口（双鼠笼转子趋于上笼），相当于槽导体有效截面减小，转子电阻增大（双鼠笼转子，上笼本身截面积又小，，电阻大），故就类同题8-3，它既限制了起动电流，又增大了起动电阻8-7双鼠笼异步电动机两笼之间为什么一定要有缝隙？深槽式异步电动机转子槽为什么要做得深而窄？答： 磁通总是以磁阻小的路径闭合，双鼠笼电动机两笼间的缝隙主要是迫使上笼漏磁通路径也交链于下笼（因缝隙的磁阻大），这样交链于下笼的漏磁通比上笼多，下笼就有较大的漏抗，使趋表效应更为明显。 深槽式异步电动机转子槽之所以做得深而窄，主要是为了改变转子的漏磁通的分布，从而改变其参数槽越深，交链槽底部的漏磁通就越多，这些漏磁通所经过的截面积就越大，磁阻越小，漏抗就越大另外槽窄，漏磁通经过槽内部分的长度越短，磁阻越小，故漏抗也越大，因此槽深而窄的结果，均增加槽底部分漏抗，使趋表效应更为明显8-8 在绕线式异步电动机的转子回路中串接电抗器或电容器是否能改善起动性能？是否能用来调速？此时Tst、Tmax、sm和额定负载下的效率和功率因数如何变化？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 可见，可减小起动电流 同时，它也增大了转子回路阻抗角，cosψ2减小，使转子电流有功分量I2’cosψ2减小，进而使起动转矩减小得更多至于转子回路串联电容器（如容抗不过分大），则反之因此，无论是串电抗器还是电容器，都不能全面改善起动性能2)由式： 及Tem---s曲线（以串电抗器为例）可知：TemTmaxabsm0TLTsts1若负载转矩一定，其工作点由a变至b，转差率s减小，转速增高问题是它只能在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。 3）串电抗后（以串联电抗器为例），由公式和曲线可知，Tmax、Tst减小（因cosψ2减小）、减小，在额定负载下，功率因数就下降（因感抗增大所致），效率下降当串接适当电容，情况反之8-9 为什么说一般的电动机不适用于需要在宽广范围内调速的场合，简述异步电动机有哪几种主要的调速方法答： 由 知：异步电动机调速方法主要有：（1）变极调速、（2）变频调速、变转差调速（包括（3）变压调速、（4）转子回路串电阻调速），前三种用于鼠笼异步电动机的调速，后一种为绕线式异步电动机的调速） 其中（1）（用得较多）、（3）两种不能在宽广范围内调速，而（2）和（4）即使有较大范围调速，因其成本高，由于经济上的原因，异步电动机不适用于需要在较宽的范围内调速的场合（在这种场合下，采用直流电动机更为适宜）8-10 异步电动机的电源电压、电源频率、转子电阻及电抗各对转速有何影响？ 答： 异步电动机（1）电源电压下降；（2）电源频率增大；（3）转子电阻增大；（4）转子感抗增大的Tem-----s曲线如图所示，TemTmax0TLs1s1 s s2(1)(2)(4)(3)若电动机带恒转矩负载，由曲线可知：（1） s增大，n减小（2）s减小，n增大（f1增大，n1增大）（3）s增大，n减小（4）s减小，n增大第九章 三相异步电动机在不对称电压下运行 单相异步电动机9-1 如果电源电压显著不对称，三相异步电动机能否带额定负载长期运行，为什么？答：在不对称电压运行时，由于三相异步电动机定子绕组为Y 接线或△接线，绕组内不存在零序电流、零序电压和零序磁场。 由负序分量电流产生的负序旋转磁动势，叠加在正序旋转磁动势上，产生椭圆形旋转磁动势，其幅值时大时小，因此产生的电磁转矩也时大时小，从而引起电机振动，转速不均，并有电磁噪声，同时由于负序旋转磁场产生反向电磁转矩，它对正向电磁转矩起制动作用，使总合成转矩减小，电机出力减小，起动性能和过载能力下降，严重时会导致电机停转若在负载不变的情况下，定、转子电流增大，温升升高，转差率增大，功率因数及效率下降另外还可能使某相负序分量电流与正序分量电流同相（或相位差很小），使该相电流过大，为此当电源电压显著不对称时，就不允许三相异步电动机带额定负载长期运行9-2 正序电流产生的旋转磁场以什么速度截切转子，负序电流产生的旋转磁场以什么速度截切转子？当三相异步电动机在不对称电压运行时，转子电流会有哪几种频率？n1―n1n答：正序分量电流产生的旋转磁场以n1-n的速度截切转子，负序分量电流产生的旋转磁场以n1+n速度截切转子 三相异步电动机在不对称运行时，电机内部只有正序和负序分量电流，它们分别产生正序和负序旋转磁动势，前者在转子绕组感应电动势和电流，其频率为，后者在转子绕组感应电动势和电流，其频率为：.9-3 当电源电压不对称时，三相异步电动机定子绕组产生的磁动势是什么性质？当三相是Y 接线或△接线异步电动机缺相运行时，定子绕组产生的磁动势又是什么性质？答：三相异步电动机定子不论是Y 接线或△接线，当电源电压不对称时，在其内部只存在彼此独立的正序和负序分量电流，分别产生正序和负序旋转磁动势，它们大小不等、转速相同而转向相反，其合成结果是椭圆形旋转磁动势。 电动机缺相运行(1) △接线电动机，绕组一相断线，成为两相绕组通入两相电流运行，故定子产生椭圆形旋转磁动势 （2）△接线电动机，电源一相断线，Y 形接线电动机无论绕组一相断线还是电源一相断线，成单相绕组通入单相电流运行，故定子绕组产生脉动磁动势9-4 三相异步电动机起动时，如电源一相断线，这时电动机能否起动，如绕组一相断线，这时电动机能否起动？Y 、△接线是否一样？如果运行中电源或绕组一相断线，能否继续旋转，有何不良后果？答： 电源一相断线，电动机无论是Y 接线或△接线，均成为单相运行，就相当于一台单相异步电动机，它产生脉动磁动势，而脉动磁动势可分解成大小相等、转速相同、转向相反的两个旋转磁动势，由于起动初瞬，转子是静止的，两个旋转磁动势以相同的速率截切转子绕组，产生相应的感应电动势、电流和电磁转矩，显然两个转矩大小相等、方向相反，其合成总转矩为零，故无起动转矩，电动机不能起动如果绕组一相断线，对Y 接电动机仍为单相运行，故也不能起动而△接线电动机却成为两面相运行，它产生旋转磁动势，旋转磁动势有起动转矩，故能起动如果运行中电源或绕组一相断线，即使成单相运行，电动机仍能按原方向旋转（只要此时的电磁转矩仍大于负载转矩），因为这时两个旋转磁动势中必有一个与原来转向相同，它对转子的转差率为 ，而另一个，由于, 因此由相反方向旋转磁动势所产生的有功分量电流很小（漏抗所致），这使它所产生的电磁转矩 减小，则，结果转子总转矩减小，若它仍大于负载转矩，则转子就沿原方向旋转。 上述各种情况， 对电机都不利，若成单相运行，无法起动，呈堵转状态，电流急剧增大而会烧坏绕组若运行中缺相，电机虽能继续旋转（若此时电磁转矩仍大于负载转矩），由于反向电磁转矩作用的结果，使总转矩减小（出力减小），若负载转矩不变，电机就处于过载状态，绕组过热，时间长同样会烧毁绕组9-5 试比较单相异步电动机和三相异步电动机的转矩---转差率曲线，着重就以下各点比较：1） 当s=0时的转矩；2）当s=1时的转矩；3）最大转矩；1） 在有相同转矩时的转差率；5）当时的转矩答：三相 单相（1）s=0 Tem=0 Tem <0（2）s=1 Tem >0 Tem =0（3）最大转矩 Tmax3 > Tmax1（4）相同转矩时 S3 < S1（5）1 （1）波形：由于感应电动势的波形主要取决于转子磁场在气隙空间分布的波形，制造时使转子磁极的磁场在气隙空间尽可能按正弦波分布，三相绕组的Y形连接和采用短距、分布绕组，便得到正弦波形的感应电动势；（2）大小：由于定子三相绕组对称，它们切割同一个转子磁场，三相感应电动势也对称，大小均为 （3）相位差和相序：由于定子绕组在空间位置上互差1200电角度，转子旋转磁场切割定子三相绕组在时间上有先后顺序，定子的三相感应电动势在时间相位上就互差1200电角度，如果将先切割的一相定义为A相，则后切割的那两相就为B相和C相，因此三相电动势的相序与转子转向一致，其由转子转向决定；（4）频率：转子转过一对磁极，感应电动势就经历一个周期的变化，若电机有p对磁极，转子以每分钟n转旋转，则每分钟内电动势变化pn个周期，即频率为：也就是当电机的磁极对数p 一定时，频率f和转速n有严格不变的关系10-2 什么叫同步电机？其感应电动势频率和转速有何关系？怎样由其极数决定它的转速？答： 转子的转速恒等于定子旋转磁场的转速的电机称为同步电机，其感应电动势的频率与转速之间的关系是： ，当电机的磁极对数p一定时，f∝n，即：频率f与转速n之间保持严格不变的关系。 10-3 说明汽轮发电机的基本结构，为什么汽轮发电机的转子采用隐极式，而水轮发电机的转子采用凸极式？答：汽轮发电机的基本结构由定子、转子两部分组成，定子由定子铁心、电枢绕组、机座及端盖等部件组成；转子由转子铁心、励磁绕组、护环、集电环、中心环、阻尼绕组和风扇等组成隐极式发电机转子的励磁绕组嵌放在转子表面各槽内，气隙均匀，机械强度好，适用于少极、高转速的汽轮发电机， 凸极式发电机转子气隙不均匀，对着极弧气隙小，而极间气隙大，励磁绕组嵌放在极弧下，适用于多极低转速的水轮发电机10-4 有一台QFS-300-2的汽轮发电机，UN=18千伏，，fN=50赫兹，试求（1）发电机的额定电流；（2）发电机在额定运行时能发多少有功和无功功率？解：（1）额定电流 （2）额定功率因数角有功功率 无功功率10-5有一台TS854-210-40的水轮发电机，PN=100兆瓦，UN=138千伏，，fN=50赫兹，求（1）发电机的额定电流；（2）额定运行时能发多少有功和无功功率？（3）转速是多少？ 解：（1）额定电流 （2）有功功率无功功率 （3）转速 第十一章 三相同步发电机运行原理11-1 试比较三相对称负载时同步发电机的电枢磁动势和激磁磁动势的性质，它们的大小、位置和转速各由哪些因素决定的？答：电枢反应磁动势是交流励磁，励磁磁动势是直流励磁基波波形大小位置转速励磁磁动势正弦波恒定不变，由励磁电流大小决定由转子位置决定由原动机的转速决定（根据f、p）电枢反应磁动势正弦波恒定不变，由电枢电流大小决定由电枢电流的瞬时值决定由电流的频率和磁极对数决定ZL11-2 同步发电机的电枢反应性质主要决定于什么？在下列情况下，电枢反应各起什么作用？1） 三相对称电阻负载；2） 电容负载，发电机同步电抗；3） 电感负载答： 电枢反应的性质取决于内功率因数角ψ，而ψ角既与负载性质有关，又与发电机本身的参数有关。 由等效电路图可知（忽略电枢绕组电阻ra）：①当负载阻抗为ZL=R时，阻抗Z=jxt+R，其阻抗角ψ在900>ψ>00范围内，即空载电动势和电枢电流之间的相位角ψ在900>ψ>00范围内， 所以电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应；②当负载阻抗为ZL=-jxc时，阻抗Z=jxt-jxc，由于xt*=1.0>xc*=0.8, 阻抗角ψ=900，即空载电动势和电枢电流之间的相位角ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应；③当负载阻抗为ZL=jxL时，阻抗Z=jxt+jxL的阻抗角为ψ=900，即空载电动势和电枢电流之间的相位角ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应11-3保持转子激磁电流不变，定子电流I=IN，发电机转速一定，试根据电枢反应概念，比较：（1）空载；（2）带电阻负载；（3）带电感负载；（4）带电容负载时发电机端电压的大小？为保持端电压为额定值，应如何调节？答：（1）空载时，端电压为空载电动势，即UN=E0；（2）和（3）情况下，电枢反应有直轴去磁作用，端电压将下降，低于空载电动势，但带纯感性负载（参看上题等效电路），内功率因数角ψ=900，而带纯电阻负载时的ψ更接近00（见上题），故纯感性负载时的电枢反应直轴去磁作用更强，端电压下降得更多；（4）种情况由于负载的容抗大于发电机的同步电抗，使内功率因数角ψ<00, 接近-900，所以电枢反应的性质为直轴助磁，使端电压上升，即U>E0；综上所述，电压从大到小的顺序为：U4>U1>U2>U3。 欲保持端电压为额定值，当U> UN时，应减小励磁电流；当U< UN时，应增加励磁电流11-4 同步电机的电枢反应电抗与异步电机的什么电抗相似？指出它们的相似处？答： 同步电机电枢反应电抗xa与异步电机的励磁电抗xm相似；这两个电抗所对应的磁通都是由定子三相电流产生的，都通过气隙，既交链定子绕组，又交链转子绕组，两个电抗都与气隙大小、电源频率、绕组匝数、铁心几何尺寸、材质及磁路的饱和程度有关11-5 同步电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？ 答：同步电抗是电枢反应电抗和漏抗 之和；物理意义：同步电抗是表征三相稳定运行时，电枢旋转磁场和漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数；同步电抗越大，表示一定负载电流时，电枢反应磁场和漏磁场越强，由它们在电枢绕组中引起的电抗压降越大11-6 为什么同步电抗的数值一般都较大（不可能做得较小），试分析下列情况对同步电抗的影响？1）电枢绕组匝数增加；2）铁心饱和程度增大；3）气隙加大 ；4）激磁绕组匝数增加答： 由于电机的气隙较小，磁阻很小，由 得，同步电抗较大1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大 ； （2）铁心饱和程度提高，磁阻增大，同步电抗减小 （3）气隙增大，磁阻增大，同步电抗减小。 （4）励磁绕组匝数增加，由于未改变电枢绕组的匝数及电机磁路的磁阻，所以同步电抗不变11-7 一台同步电机，定子绕组施以三相对称电压，并保持恒定，试问：抽出转子与使转子以同步速沿电枢旋转方向旋转（激磁绕组开路）这两种情况下哪种情况定子电流大，为什么？答： 定子绕组施以三相对称低电压，将在绕组中产生三相对称电流并形成旋转磁场，定子侧的电动势方程式为： 若忽略定子漏阻抗压降，上式为： 上式表明，当电源电压不变时，气隙磁通基本不变产生气隙磁通的磁动势的大小主要取决于气隙磁通磁路的磁阻当转子在同步速下沿电枢旋转磁场方向旋转并与抽出转子相比：前者气隙磁通路径上磁阻小而后者磁路的磁阻很大，产生同样大的磁通所需的电流前者就比后者的小所以，抽出转子后电枢电流会很大，但由于定子只是施以三相对称低电压，所以电枢电流不会大到烧毁绕组的程度11-8 同步发电机带上 >00的对称负载，后，端电压为什么会下降，试用磁路和电路两方面分别加以分析？答：磁路方面：带上 >00的对称负载，电枢反应的性质有直轴去磁作用，故端电压会下降电路方面： 电动势方程： 由相量图可见，发电机带上 >00的负载后，由于电机本身阻抗压降的影响，使得端电压下降。 11-9表征同步发电机单机对称 稳定运行的性能有哪些特性？其变化规律如何？什么叫短路比？它和同步电抗有何关系？它的大小对电机的运行性能和制造成本有何关系？ 答：有空载特性、短路特性、外特性和调整特性，变化规律曲线为： 空载特性： 短路特性：IfIkIfkIN0IfU0UNIf0IIN0Ifφ<0°φ=0°φ>0° 外特性： 调整特性：IIN0UNUφ<0°φ>0°ф=0°短路比Kc： 是指在空载特性曲线上对应额定电压时的励磁电流If0下，三相稳态短路电流Ik与额定电流IN的比值；Kc与同步电抗的关系是：其中，Ks为电机的饱和系数影响：如果短路比大，由短路比的表达式：知，空载时产生额定电压（或E0）所需的励磁电流就大，或者说，运行时要产生所需的E0就要有较大的励磁磁动势这就表明发电机的气隙大，在保证气隙磁通密度一定的条件下需增大励磁磁动势，其一需增加励磁绕组匝数，其二需增加励磁电流（即需增加励磁电源容量及励磁绕组导线截面）另外，气隙大，必导致定子几何尺寸增加，直接影响了电机的制造成本。 另一方面，由于气隙大，同步电抗减小，使电机的三相稳态短路电流大，电压变化率小及并网运行时电机的稳定性提高11-10同步发电机短路特性曲线为什么是直线？当时，这时的激磁电流已处于空载特性曲线的饱和段，为什么此时求得的却是不饱和值，而在正常负载下却是饱和值？答：同步发电机短路时，略去电枢绕组电阻有：，而气隙电动势为： 此时气隙电动势只需用来平衡漏抗压降，因xσ很小，故气隙电动势很小，用来感应气隙电动势的气隙磁通很小，所以短路时，电机磁路不饱和，E0∝If，而E0∝Ik，因此Ik∝If，所以短路特性是一条过原点的直线尽管当Ik=IN 时励磁电流已于空载特性的饱和段，但其E0取之于空载特性曲线的气隙线，而且短路时电机磁路又处于不饱和状态，所以求得的xd为不饱和值在正常负载下，电机磁路处于饱和状态，所以xd为饱和值11-11负载大小的性质对发电机外特性和调整特性有何影响？为什么？电压变化率与哪些因素有关？答：(参看见题11-9图)对外特性的影响：（1）发电机带阻、感性负载时，电枢反应有直轴去磁作用，随着负载的增加，去磁作用越强，端电压下降越多，外特性曲线下降程度越大；（2）带容性负载（负载容抗大于同步电抗）时，电枢反应为直轴助磁，随着负载的增加，助磁作用越强，端电压上升越多，外特性曲线上升程度越大。 对调整特性的影响：（1）发电机带阻、感性负载时，电枢反应有直轴去磁作用，随着负载的增加，去磁作用越强，端电压下降越多，为保持端电压不变，必须增加励磁电流，使增加的励磁磁动势恰好用来平衡去磁的电枢磁动势，所以曲线上升；（2）带容性负载（负载容抗大于同步电抗）时，电枢反应为直轴助磁，随着负载大小的增加，助磁作用越强，端电压上升越多，为保持端电压不变，必须减小励磁电流，使减小的励磁磁动势恰好用来平衡助磁的电枢磁动势，所以曲线下降 11-12 一台同步发电机在额定负载运行情况下保持激磁电流不变而甩去全部负载，此时端电压上升率为ΔU升，在空载额定电压时保持激磁电流不变而加上额定负载，此时端电压下降变化率为ΔU降，问ΔU升和ΔU降哪个大？为什么？答：ΔU降>ΔU升 原因是: 见图（a）（为外特性曲线）第一种情况电机在额定状态下甩负荷，电枢反应的去磁作用消失，工作点由a（U=UN）变为b点（U=E0），ΔU升= E0- UN ；第二种情况电机是由空载状态 （U=UN）带上额定电流负载，电枢反应去磁作用出现， 电机工作点由c（U=UN）变为d 点（U），ΔU降= UN -U；两种情况负载都是额定负载（IN）， 电枢反应磁动势是相等的，与之相平衡的励磁磁动势是相等的，即折算到转子绕组后用来平衡的励磁电流If是相等的。 再看空载特性曲线图（b）:第一种情况，如果不存在的去磁作用，励磁电流为If0即可，为了使额定负载时U=UN， 由于需要平衡的去磁作用，励磁电流就需要增加，达到If1， 甩负载从而的去磁作用消失后，对应的空载电动势就是E0，折算到转子绕组，励磁电流增加的部分If1-If0，就是用来平衡的，ΔU升= E0- UN ； UNE0UE0IfIf1If0If2N21E0UNUUIINabcd（a） (b)第二种情况，空载电动势为E0= UN , 对应的励磁电流为If0，负载时由于电枢磁动势的去磁作用电压降为U，ΔU降= UN -U；折算到转子绕组励磁电流减少的部分If0- If2，就是用来平衡的，根据上述，If1-If0= If0- If2， 由于第一种情况的励磁电流比第二种情况的更大些，其磁路的饱和程度就更大; 由图可见，在同样大的励磁电流If1-If0下，对应的电压差ΔU升= E0- UN就比第二种情况ΔU降= UN -U小， 即ΔU升 （=E0-UN ）<ΔU降（=UN-U）11-13一台三相汽轮发电机，PN=25000千瓦，UN=10。 5千伏，（滞后），Y接线，作单机运行，同步电抗 忽略不计试求每相空载电动势为7250伏，分下列几种财政部接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明电枢反应的性质？解:额定电流额定阻抗同步电抗的有名值： 以空载电动势为基准相量，即(1) 电枢电流AI=707A，ψ=450，所以电枢反应既有交轴，又有直轴去磁2）电枢电流AI=500A，ψ=9。
