电机学2参考答案.pdf

1 华北电力大学 2011 2012 学年第 一 学期考试试卷 (A) 课程名称 电机学（ 2） 课程编号 00200171 考核日期时间 11 12 09 专业班级 电 气、风能 09 级 需要份数 700 送交日期 11 12 02 考试方式 闭卷 试卷页数 2 A B 卷齐全 是 命题教师 电机教研组 主任签字 备 注 所有答案必须 写在答题纸上 班级 学号 姓名 一、 简答题 （ 6 10=60分 ） 1、 为什么说 “ 异 步电机稳定运行时定、转子磁动势相对静止 ”。 参考答案 : 以异步电动机为例，定子电流频率为 1f ， 定子磁动势 1F 的转速为 1n ，且 11 60fn p ， p 为电机极对数 ； 转向由定子电流相序决定，当电流正相序时 1F 转 向为逆时针。 （ 1分） 当稳定运行时，转子转速为 n ， 1(1 )n s n ， 其中 s 为转差率 （ 1 分） ，此时 在转子上感应的电动势和电流频率为 2f ，相序为正相序 ， 且 21f sf ， （ 1 分） 对 称的转子电流 2I 产生转子磁动势 2F ， 2F 相对于转子的转速 21 216 0 6 0f sfn snpp （ 1 分） ， 转向相对于转子本身为逆时针。此时转子磁动势 2F 相对于定子的转速 为 2 1 1 1(1 )n n s n sn n ， （ 1 分） 与定子磁动势 1F 的转速相同， 2F 相对于定子 的转向也为逆时针，与 1F 转向相同 （ 1 分） 。因此异步电动机的定转子磁场相对 静止。 2、 一台三相异步电动机，定子绕组接在 50Hz 的三相电源上，已知 额定转速 735 / minNnr ，请问该异步电动机的极对数是多少？额定转差率是多少？额 定运行时其转子电动势和电流的频率是多少？ 参考答案 : 2 由于 交流电机的同步速 1 1 60fn p ，异步电 动 机的转速小于同步速，并且额定 转速 735 / minNnr ，因此可知同步速为 1 750 / minnr ，因此电机极对数 1 1 60 4fp n（ 2 分） ；额定转差率 1 1 7 5 0 7 3 5 0 .0 2750N nns n （ 2 分） ； 额定运 行时其转子电动势和电流的频率 21 0 .0 2 * 5 0 1NNf s f H z （ 2分） 。 3、 三相 鼠笼 式 异步电动机定子接电源，转子不转时，这台异步电动机是否有电 磁功率、机械功率、电磁转矩 ？ 为什么？ 参考答案 : 三相 鼠笼式 异步电动机定子接电源，转子不转时，这台异步电动机 有电磁功 率和电磁转矩 （ 2 分） ， 但没有机械功率 （ 1 分） 。因为转子堵转，根据等效电路 依然有 电磁功率传递到转子侧，因此也就有电磁转矩，只是此时的电磁功率全部 变为转子上的铜损引起转子发热 ， 2cu MP sP ， 1s （ 2 分） 。由于机械功率 mmPT，转速等 0，因此输出机械功率也为 0；或由堵转时的等效电路可知此 时代表机械功率的可变电阻为 0，因此机械功率也为 0（ 1分） 。 4、 说明异步电动机从额定电压 时的 半载运行过渡到额定负载运 行时 ，其中基本 不变的损耗有哪些？随负载变化的损耗有哪些？ 参考答案 : 异步电动机从额定电压 时的 半载运行过渡到额定负载运行时 ， 基本不变的损 耗有 铁损 （ 2 分） 和机械损耗 （ 1 分） ，随负载变化的损耗有定子铜损 （ 1 分） 、 转子铜损 （ 1分） 和附加（杂散）损耗 （ 1分） 。 5、 三相异步电机有哪几种运行方式？每种运行方式的转速、转差率范围是怎样 的？每种运行方式中电磁转矩的方向与转子转向的关系 又 如何？ 参考答案 : 三相异步电机有电动、发电和电磁制动三种运行方式 （ 1 分） ，三种运行状 3 态的转速范围分别为： 10 nn ， 1nn ， 0n （ 2 分） ； 转差率范围 分别为： 01s， 0s ， 1s （ 1 分） ； 三种运行状态下的电磁转矩方向与转速的方向关 系分别为：相同，相反，相反 （ 2分） 。 6、 绕线式异步电动机在转子回路串电阻起动时，为什么既能降低起动电流，又 能增大起动转矩？所串电阻是 否越大越好？ 参考答案 : 降低起动电流的原因是 :异步电动机输入阻抗增大，起动电流减小 （ 2 分） ；增大起动转矩原因：当转子串入合适电阻时，在起动时可增大转子电流 的有功分量，从而增大起动转矩 （ 2分） ；转子所串电阻不是越大越好，串入 电阻过大反而会减小起动转矩 （ 2分） 。 或从人为机械特性出发答也可以。 7、 在异步电动机堵转实验中， 能够 测得哪些量？最后计算得到哪些参数？如何 计算 (写出简要计算过程 )？堵转实验中观察电机的哪些变量来调节所加电压 的大小？ 参考答案 : 堵转试验能够测得异步电动机的输入电流 1kI 、输入电压 1U 和输入有功功 率的 1kP 大小 （ 1 分） ；最后计算可得到异步电动机短路阻抗参数 kZ （ 1 分） ；在 作堵转试验时，异步电动机的 T等效电路中的励磁支路可以忽略，这样计算如下： 1 1k k UZ I ， 12 1 kk k PR I ， 2 2k k kX Z R， 12kR R R， 12kX X X（ 2 分） ，其 中 1kI 、 1U 和 1kP 都为一相的值 （ 1分） ； 堵转实验中观察异步电动机的堵转电流（输 入电流）大小来调节所加电压的大小，使得堵转电流不超过额定电流的 1.2倍 （ 1 分） 。 或写出 1 213 kk kPR I ，而不写“ 其中 1kI 、 1U 和 1kP 都为一相的值 ”同样得 （ 1 分） 。 4 8、 三相 鼠笼 式 异步电动机和绕线式异步电动机各有哪些调速方法 ？ 参考答案 : 三相鼠笼式异步电动机调速方法有：改变定子电压调速 （ 2 分） 、变极调 速 （ 1 分） 、变频调速 （ 1 分） ；绕线式异步电动机调速方式有：转子回路串电阻 或频敏变阻器调速等 （ 2 分） 。 9、 请说明换向器及电刷在直流电机运行时所起的作用；直流电机运行时电枢元 件中流过的是交流电流，但是为什么能获得恒定方 向的电磁转矩？ 参考答案 : 直流电机运行时可通过旋转的换向器和压在换向器表面静止不动的电刷 的配合可把直流电机内部电枢元件感应的交流电动势和电流转换成电刷上获得 的直流电动势和电流 （ 3 分） ；由于直流电机电刷通常放置在主磁极轴线对应的 换向器表面，这样电机每个主磁极范围下的电枢元件边感应电动势和流过的电流 的方向总是保持不变，根据电磁力定理，每电枢元件边产生的电磁力矩的方向就 是固定不变的，从而使得直流电机获得恒定方向的电磁转矩 （ 3分） 。 （注：第 10题至第 13题 只 选做其中一题） 10、普通鼠笼 式 异步 电动机采用直接 起 动 时 ， 起动 电流较大，而 起动 转矩并不大， 说出其主要原因。 参考答案 : 鼠笼式异步电动机直接起动时，电动机的输入阻抗不大 （ 2 分） ，主磁通的 大小大约只有额定运行时的一半 （ 2分） ，且转子回路的功率因数又很低 （ 2分） ， 造成了起动电流较大，但起动转矩却并不大。 11、说出绕线式 异步 电动机串频敏变阻器可以改善 起动 性能的主要原因是什么？ 参考答案 : 所谓频敏变阻器其实就是一台三相 绕制在 由厚铁板或厚钢板叠成的三相铁 心 柱上的电感 线圈 （ 1分） ，其输入阻抗主要就是激磁电阻（等效铁耗电阻），而 等效铁耗电阻的大小受输入电流频率大小的影响，输入电流频率高，等效铁耗电 5 阻值就大；输入电流频率越低，该电阻值越小 （ 2 分） ；在 绕线式异步电动机起 动初期，转子回路频率高，相当于转子回路串入较大的电阻，使得异步电动机起 动电流减小且又提高了启动转矩 （ 2 分） ； 随着电机的转速提高，转子回路频率 下降，转子回路串入电阻随频率的下降也下降 （ 1 分） ，因此在整个起动过程中 都能使得电机保持较大的起动转矩。 12、异步电动机 接额定电压运行，当负载增加时，转子的转速是否一定下降，为 什么？ 参考答案 : 转速一定下降 （ 3 分） 。因为从异步电动机机械特性曲线来看，在异步电动 机稳定运行段一定是下降的 （ 3分） 。 13、直流电机 电枢绕组 中的电流是交变的，电枢磁 场 在空间旋转吗？它与主极磁 场在空间的相对位置关系如何？ 参考答案 : 电枢磁场不旋转，在空间静止 （ 3 分） ；它与主极磁场在空间相对静止 （ 3 分） 。 二、作图题 （ 20分） 1、画出三相异步电动机运行时一相等效电路图；在图中标出各参数符号；分别 说明参数 2X 及 mX 的物理意义。（ 6分） 参考答案 : （ 1） 画出等效电路 （ 1分） ，参数标注正确， （ 1分） （ 2） 标出两个电流参考方向 （ 1分） ， 标出电压和电动势正方向 ， （ 1分） 1R 1jX 2R 2jX mR mjX1U 1I 2I 12EE 0I 21sRs 6 （ 3） 2X 为转子漏电抗折算到定子侧的值 （ 1分） 、 mX 为 励磁电抗抗 （ 1分） 。 2、 一台异步电动机转子短路并堵转，在 t=0 时的气隙磁通密度 B 滞后转子 A相 绕组轴线 +A2 轴 30电角度， 请 在 时间 相量图中画出 2 、 2E 、 2I ，在空间 相 量 图中画出 2F 。 （已知转子阻抗角 o2 40 ）（ 6 分） 参考答案 : o30 o402 2I2F 2B + A 2 + j 1 或 o30 2F B+ A 2 o130 o30 o402E 2I 2+ j + 1 相 量图或 o40E 2I 2 +j （ 1） 画出 A2、 j 轴， （ 1分） ；画出 B （ 1分） ，画出 2 （ 1分） ； （ 2） 画出 2E （ 1分） ；画出 2I （ 1 分） ，画出 2F 且角度正确 （ 1分） ； （ 3） 要求 三个角度标注 完全 且正确 ； 不重复扣分 。 7 （ 4） 相矢量图分开画，也可以。 3、 如 图 1所示，一台三相绕线式异步电动机的固有机械特性。 （ 1）请说明图 1中 A、 C、 D点的物理含义； （ 2）如果电压降低为 0.7倍额定电压时，请在 图 1中定性画出人为机械特性； （ 3）请在 图 1 中定性画出转子绕组串入电阻 sR ，其电阻值 sR 1 2 2()X X R时 的人为机械特性。 （ 21 1 1 234 ( )m pUT f X X ； 2 12m Rs XX ） （ 8分） 参考答案 : （ 1） A 点是异步电机的同步转速点或理想空载转速点，是电动机不能达到的 点； C点是最大电磁转矩点； D点是堵转点，或起动点； （ 2分） （ 2） 当电压 降低为 0.7倍额定电压时，人为机械特性 如 左 图所示； （ 2分） （ 3） 当转子串联 电阻值 为 1 2 2()sR X X R 和 1 2 2()sR X X R 时的人为机 械特性 如右图所示。 （ 2 分） ， （ 2分） T n s 0 A B C D E U = 0 .7 U n T n s 0 A B C D E 1 2 2()sR X X R 1 2 2()sR X X R 8 三、计算题 （ 20分） 1、 一台三相绕线 式 异步电动机，额定电压 NU 380V，额定电流 NI 42.3A， 定 转子绕组为 Y/Y 联结 ，每相绕组的匝数 和绕组因 数 为 1N =320， 1dpk =0.948， 2N =104， 2dpk =0.935，求： （ 1）这台电机的变比 ek ， ik ； （ 2）若转子绕组开路，定子加额定电压，求转子每相感应电动势 2E ； （ 3）若转子绕组短路 并 堵转，定子接电源，量得定子电流为额定，求转子每相 电流 2I 。 （忽略励磁电流） （ 8分） 2、 一台 4极 50Hz三相异步电动机，额定运行时的输入功率为 1 3600PW ，转子 铜损耗 2 100CupW , 额 定 转 差 率 0.003Ns ， 机 械 损 耗 和 附 加 损 耗 100map p W ，求 该电机 ： 额定转 速 Nn 、 电磁功率 MP 、 定子总损耗 、 机械功 率 mP 、 输出功率 2P 及效率 。 （ 12分） 四、附加题 （ 5 2=10 分） 1、 已知绕线 式 异步电机， 其电压变 比为 1 1 2 2dp dpN k N k 。今将定、转子绕组如图 2 中 联结起来， 且 把转子卡住不转， 转子绕组接在 电压为 1U 的 三相对称电源上， 求 定子绕组开路 时 ： （ 1）转子绕组轴线滞后 相应 定子轴线 电角度 时，定子 侧 输出电压 2U 是多少 ？ （忽略励磁电流在转子里引起的漏阻抗压降， 要求写出计算过程） （ 2）要想获得 2U 为最大或最小，应如何安排转子的位置？最大值和最小值 又 各 是多少？ 9 a a b b c c B AA B B C C * * * * * * 1U 2U 图 2 2、 一台他励直流电动机， 如图 3， 额定电枢电压为 110V，额定电枢电流为 0.25A, 额定转速为 3000r/min，电枢回路总电阻为 40 ，试求：在恒转矩负载下电枢电 压降到 90V后的稳定电流及转速。 UaI fIaE fU 图 3