《船舶电气设备及系统》郑华耀主编 课后习题参考答案

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着增加？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，磁路的磁阻显着下降，所以它所产生的磁通会显着增加。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：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：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：（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?，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：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：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UE=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：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。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：交流电磁铁是恒磁通型的，只要电源电压和频率不变，因为UE=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：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X反应主磁通的作用。由于主磁通的磁路是非线性的，故X不是常mm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：根据“4.44公式”（即E=4.44fNm），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Z=R+jX，R是变压器的励磁电阻，反映变压器铁损mmmm大小的等效电阻，不能用伏安法测量。X是变压器的励磁电抗，反映了主磁通对电路的m电磁效应。与X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m面尺寸）以及电源频率，因为，X=2fL，而L又与绕组匝数、磁路磁阻等有关。当电mmm源频率、线圈匝数和铁心尺寸一定时，X主要由绕组的磁导率成正比。m2-3、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UE=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：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UE=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。2-5、一台额定电压为220/110V的变压器，原、副边绕组匝数N、N分别为2000和1000，12若为节省铜线，将匝数改为400和200，是否可以？答：不可以。根据UE=4.44fN可知，当匝数减小而为了维持同样电压，必须导致m磁通大大增加，必然使得磁路饱和，电流显着增大。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：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、负载的功率因数题图2-6负载相量图保持不变时，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。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：电压平衡方程式为：题图2-7感性及容性负载时的相量图=?R+j?X22L2L?=-?12=-+?R+j?X121K1K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r很小，可空载电流并不大，为什1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r中电压很小。1因此，虽然r很小，但空载电流并不大。12-9、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：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，I=S/(3U)=400000/(336000)=6.415(A)I=S/(3U)=400000/(36000)=38.49(A)I=I/3=38.49/3=22.22(A)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S=400kVA，额定电压为U/U=36000/6000V，Y/连N1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N=600，问副边绕组匝数N为多少？12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：1NN1N2NN2N(2)在额定工作情况下，原、副边绕组中的电流：设，I、I分别为额定工作情况1P2P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：I=I=6.415(A)1P1N副边连接有：2P2N(3)求副边绕组匝数N：因为I/I=N/N，因此：22112N=NI/I=6006.415/22.22173(匝)211P2P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N=600匝时，副边绕组匝数1N约为173匝。22-12、一台三相变压器，其额定值为S=1800kVA，U/U=6300/3150，Y/连接，绕组铜损N1解：(1)额定输出电流：I=S/(3U)=1800/(33.15)=329.9(A)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。2NN2N(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P：2NP=Scos?=18000.8=1440kW2NN(3)输出电流为额定值、负载功率因数cos?=0.8时的效率?：?=P/P100%=P/(P+p+p)100%=1440/(1440+6.6+21.2)100%=98.12122Fecu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=(n-n)n。根据转差率可以判断异步电动机转子与气隙00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s0时，nn，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；0当s=0时，n=n，异步电动机处于理想空载运行状态；0当0s1时，nn，异步电动机处于电动运行状态；0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s1时，n0，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s1时，n0，异步电动机处于电磁制动状态。”不妥当，应当改为：“当s1时，n0，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s0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n；当s1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0磁场的转速n方向相反，若以气隙旋转磁场的转速n方向为参考正方向，则转子转速n低00于气隙旋转磁场的转速n。03-3、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a)三相电流b)方向题图3-3转子接电源旋转磁场转向相反，气隙旋转磁场相对于转子的速度为n；0气隙旋转磁场相对于定子的转速为sn，转向也与转子转向相反，如右图(题图3-3)所示。0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n(相对于转子)或sn00(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?/s可知：当负载增加时，转子电流将增大。2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U约等于定子绕组感应的电势UE=4.44kwfm。因此，从空载到满载，若不考111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：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。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1sr代表什s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。2么？能否用电感或电容代替？为什么？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：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/s减小，2转子电路的功率因数cos?=(r/s)/x2+(r/s)2将减小。而带额定负载时定子电流2222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?减小则定子电路的功率因2数cos?也将比额定电压时对应的数值有所减小。13-11、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：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1/3，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，I将增大；由式3-12可知，只有I才能使T保持额定值与额定负载转22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3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3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：由于异步电动机的额定转差率为19，即s0.010.09可以推算出该电N机为6对极的异步电动机，其理想空载转速n为500r/min：0n=n/(1-s)=460/(0.910.99)=464.6505.5r/min0NNp=60f/n=3000/(464.6505.5)=5.9346.457，而p只能为整数，p=6(对极)；0n=60f/p=3000/6=500(r/min)，s=(n-n)/n=(500-460)/500=0.080N00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sT(或s=kT)。因此，负载转矩为额定转矩的一半（即T=0.5T）时，电动机的转差率s和转速n分别为：NssT/T=0.080.5=0.04NNn=n(1-s)=500(1-0.04)=5000.96=480(r/min)0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，n=960r/min，问该电动机的极数是多少？N解：由于异步电动机的额定转差率为19，即s0.010.09，通过s、n和nNNN0之间的关系，以及n、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：0n=n/(1-s)=960/(0.910.99)=969.71054.9r/min0NNp=60f/n=3000/(969.71054.9)=2.83.1，而p只能为整数，p=3(对极)。0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：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，n也，整个机械特性向上平移；当f，n也，整个机械特性向下平移。）00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E的增大也相应增大。因此，当电压升高时，三相异步20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X=2?fL增大，E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202020定子电流减小。3-19、有一台三相异步电动机，n=1470r/min，f=50Hz。分别在n=0、n=2n/3、s=0.02三N0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：n=60f/p。为了计算旋0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n=1470r/min，f=50Hz，则N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：n=60f/p=6050/2=3000/2=1500r/min。1定子旋转磁场对转子的转速n等于定子旋转磁场对定子的转速n减去转子对定121子的转速n，因此，当n=0、n=2n/3n=2n/3=1000r/min、s=0.02n=n(1-s)=15000000.98=1470r/min时，定子旋转磁场对转子的转速n12分别为：n=0时，n=n-n=n-n=1500r/min；n=1000r/min时，n=n-n=n-n=1500-1000=500r/min；12101210n=1470r/min时，n=n-n=n-n=1500-1470=30r/min。1210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f=sf，可以求出在n=0、21n=2n/3、s=0.02时转子电流频率分别为：n=0时f=50Hz、n=2n/3时f=50/3Hz、s=0.020202时f=1Hz。再根据公式n=60f/p，就可分别求出在n=0、n=2n/3、s=0.02三种情况下转子2220旋转磁场对转子的转速分别为：n=60f/p=1500r/min、n=500r/min、n=30r/min。2222转子旋转磁场对定子的转速n等于转子旋转磁场对转子的转速n加上转子（对212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n=n+n分别为：n=n+n=1500+0=1500r/min、212212n=n+n=1000+500=1500r/min、n=n+n=1470+30=1500r/min。由此可见，转子旋转磁212212场对定子的转速n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21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P=30kW，U=380V，I=57.5A，f=50Hz，s=0.02，?=90%，p=2，NNNN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：求定子旋转磁场对转子的转速n：12由于n=60f/p=6050/2=3000/2=1500r/min，n=(1-s)n=(1-0.02)1500=0.980NN01500=1470r/min，而定子旋转磁场对转子的转速n为：12n=n-n=1500-1470=30(r/min)12N0N求额定输出转矩T为：2Ncos?=P/(3UI)=P/(?3UI)=30000/(0.9338057.5)=0.88I=S/(3U)=3312/(3380)=5(A)；星形接法，I=I=5(A)T=P/?=(60P)/(2?n)9.55P/n=9.5530000/1470=194.88(Nm)2NNNNNNN求额定功率因数cos?为：1NNN2NNN答：定子旋转磁场对转子的转速是30r/min。额定输出转矩为194.88Nm，功率因数为0.88。3-21、一台三相异步电动机已知如下数据：P=2.2kW，U=380V，n=1420r/min，NNNcos?=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I，电动机的额定电流I及额定转矩T；pNN(2)额定转差率s及额定负载时的转子电流频率f。N2解：定子绕组中的相电流I，电动机的额定电流I及额定转矩T：pNNS=P/(?cos?)=2200/(0.810.82)3312(kVA)NNNNNpNT=P/?=(60P)/(2?n)9.55P/n=9.552200/1420=14.79(Nm)NNNNNNN额定转差率s及额定负