电机与拖动技术(基础篇)习题解答2.doc

第6章异步电动机的工作原理是通过气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现能量转换，故异步电动机又称为感应电动机。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。主磁通就是同时与定子、转子交链，在气隙中以同步转速旋转的基波磁通。定、转子电流还产生仅与定子或转子绕组交链的磁通，统称为漏磁通。仅与定子绕组交链的磁通，称为定子漏磁通。仅与转子绕组交链的磁通，称为转子漏磁通。异步电动机的转子要依靠切割定子磁场的磁力线来产生转子的励磁电流，如果转子以同步转速旋转，转子与定子磁场就没有了相对运动，也切割不到磁力线，转子无法励磁，将失去转动力矩。所以，异步电机的转子与定子旋转磁场的转速必须保持一个转差率，一般为5%左右。气隙过大励磁电流也大，无功功率较多，电机功率因数就低。气隙过小会引起电动机的附加损耗增加，甚至发生定、转子相擦。所以中小型异步电动机的气隙通常为0.22.0mm。当三相定子绕组通入三相对称电流后，便在气隙中产生旋转磁场；旋转磁场切割静止的转子绕组导体，在其中产生感应电动势和感应电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用而产生电磁转矩，在电磁转矩的作用下，转子沿着旋转磁场的方向旋转起来。这就是三相异步电动机的工作原理。鼠笼式转子绕组可分为铜条绕组和铸铝绕组两种。铜条绕组是在转子铁芯槽内插入铜条，并将每根铜条的两端分别用端环焊接起来。铸铝绕组是将转子铁芯槽内的导条、端环和风扇叶片用铝水一次浇铸而成，称为铸铝转子。绕线式转子绕组和定子绕组一样，也是由嵌放在转子铁芯槽内的线圈按一定规律连接而成的三相对称绕组。转子三相绕组一般接成星形，三个末端连在一起，三个首端分别与安装在转轴上且与转轴绝缘的三个滑环相连接，再经电刷装置引出。当异步电动机进行启动和调速时，便可在转子回路中串接附加电阻（1）定子 三相异步电动机的定子由定子铁芯、定子绕组、机座和端盖组成，其主要作用是产生旋转磁场。 定子铁芯是三相异步电动机磁路的一部分，用以嵌放定子绕组。定子绕组是三相异步电动机的电路部分，其作用是通入三相对称交流电产生旋转磁场。机座和端盖是电动机的支撑部分。机座用于支撑定子铁芯和固定端盖，端盖用于支撑电动机的转子。（2）转子 三相异步电动机的转子由转子铁芯、转子绕组、转轴等组成，是电动机的转动部分。其主要作用是产生电磁转矩。 转子铁芯也是三相异步电动机磁路的一部分，用以浇铸导条或嵌放转子绕组。转子绕组也是三相异步电动机的电路部分，转子绕组的作用是产生电磁转矩。转轴对转子的旋转起支撑作用。（1）电动状态：0<S<1（2）发电状态：S<0（3）电磁制动状态：S>1略Y接时每相负载承受220V电压，误接成接时每相负载承受380V电压，工作电压高于额定电压会使得电机烧毁。接时每相负载承受380V电压，误接成Y接时每相负载承受220V电压，工作电压远低于额定电压，电机不能正常工作。三相异步电动机在正常运行时，如果转子被突然卡住而不能转动，则电机线圈马上会被烧毁。其原因是转子不转，线圈内不能产生与电源电动势相平衡的反电动势，线圈内的电流会变的很大（称为堵转电流），导致线圈烧毁。（1）不合适（2）D接时每相负载承受380V电压，改接成Y接时每相负载承受220V电压，工作电压远低于额定电压，电机不能正常工作。 三相异步电动机在运行中断了一根电源线则在惯性作用下可以在其余两相电源的磁场作用下继续运转。不过转矩变小，电机很快就会因过载而烧毁。但停机后，断了一根电源线不能产生方向正确的旋转磁场，所以电机不能启动。此时通入电动机定子绕组中的电流是增大了，因为电动机在额定负载下运行时电动机的功率不变，电压降低了只有电流增大才能达到额定功率，对电动机会产生过热，严重时会烧坏。三相异步电动机中不论是笼型转子还是绕线转子异步电动机,转子开路时它们都是不能工作的。然而在实践中,发现绕线转子电动机的转子开路时,其转子也能转动,这是一种不正常的现象,说明该电动机的转子部分有问题。经过分析研究,总结出绕线转子异步电动机转子开路转的故障原因主要有以下三个方面: 1.集电环短路 由于集电环制造质量低劣,而使集电环上2个或3个铜环在内部短路,这相当于转子单相开路或没有开路,所以通电时电动机仍然会转动。 2.转子绕组接线错误 在进行转子绕组内部接线时,如果发生接线错误,使转子线圈在内部接成短路,那么当电动机通电时,虽然转子开路,但转子绕组中还会产生感应电流,所以电动机仍然会转动。 3.转子铁心有问题 如果转子铁心在压装过程中压得过紧,即迭压系数过大,导致片间绝缘降低,甚至损坏片间绝缘,使片与片之间导通,这样就在转子铁心内部形成一个较大的涡流,·从而会导致电动机转子开路转。如果转子冲片质量较差,毛刺过大,或者转子外圆车削时吃刀量过大,都可能会使冲片间相通,导致转子铁心的涡流增大,从而造成转子开路转。改变定子旋转磁场的方向，即改变三相电源电流的相序。Zm是励磁阻抗。异步电动机转子旋转时除了绕组折算外还需对转子绕组进行频率折算。在异步电动机中，由于气隙的存在，其励磁阻抗比变压器的小得多，励磁电流相对较大，因此，不能象变压器那样，把励磁支路去掉而变成简化等效电路。表示实际转子等效为不动的转子后，轴上没有机械功率输出，但转子电路上却多了该电阻消耗的电功率。不能用电感或电容替代，因为电感和电容不耗能。（1）空载实验和短路实验。根据空载实验测得的数据I0和P0，可求出励磁参数。 根据短路试验数据可求出短路阻抗Zk、短路电阻Rk和短距电抗Xk =118.85（A）=10.68（A）（1）笼型 （2） 绕线式1%6%（1）电动（2）发电（3）电磁制动（1）3.3%（2）4BCCCBC错正确错正确错错（1）电动状态：0<n<n1 0<S<1（2）发电状态：n > n1 S<0（3）电磁制动状态：n<0 S>1改变定子旋转磁场的方向，即改变三相电源电流的相序。电磁转矩和电流均降低。答：（1） 电磁转矩参数表达式电磁转矩Tem与电源参数：电源电压U1频率f1，电机本身参数：相数m1、极对数p、定、转子漏阻抗r1、r2、x1、x2； 运行参数：转差率s有关。（2）电源电压下降过多，电磁转矩成平方下降更多，当电磁转矩小于负载转矩时，出现堵转现象，会使电动机发热，甚至烧毁。=56.2（A）第7章电源一相断线，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，由于启动初瞬，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，故无启动转矩，电动机不能启动。如果运行中电源一相断线，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，无法启动，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。答： (1)启动初瞬，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，在启动瞬间槽口处饱和，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，故启动时转子电流增大，根据磁动势平衡关系，此时定子电流(即启动电流)就大(约为额定电流5-7倍)。从等效电路看，启动初瞬，n=0，s=1，附加电阻，相当于短路运行状态，此时启动电流：由于定，转子绕阻的漏阻抗即很小，故启动电流很大。（2） 其一：转子电流I2尽管大，但由于启动初瞬间，x2增大而r2不变，故功率因数角大，功率因数cos2就很低，所以这时转子电流有功分量I2cos2却不大(因为说启动瞬间转子电流大的是无功分量电流)。其二，由于启动电流大，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，所以异步电动机启动转矩就不大。电动机无论在空载还是带负载的工况下，启动的瞬间对于电机的工况都是一样的，其转子都是在停止状态，此时的启动电流和启动转矩也都是一样的，在转子转动后，才出现空载与带负载启动的不同，反映在启动电流上，就是其持续的时间长短而已。直接启动IstTst降压启动定子串电抗器启动Ist /kTst /k2Y-换接启动Ist /k2Tst /k2自耦补偿器启动Ist /k2Tst /k2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，启动电流随所串电阻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cos2，其结果增大了转子电流的有功分量，从而增大了启动转矩。变极是通过改变定子绕组连接方式来实现的，如图所示。相电流是从首进，尾出。当两个“半相绕组”首尾相连时（称之为顺串），根据“半相绕组”内的电流方向，可以判断出磁场的方向，并用“×”和“·”表示，如图a所示。很显然,这时电动机所形成的是一个2P=4极的磁场；如果将两个“半相绕组”尾尾相连（称之为反串）或首尾相并联（称之为反并）时，就形成一个2P=2极的磁场，分别如图b、c所示。通过比较可知，只要将两个“半相绕组”中的任何一个“半相绕组”的电流反向，就可将极对数增加一倍（顺串）或减少一半（反串或反并）。这就是单绕组倍极比的变极原理，如2/4，4/8极等。三相异步电动机在改变定子绕组接线的同时，将、两相的出线端进行了对调。这是因为在电动机定子的圆周上，电角度是机械角度的P倍，当极对数改变时，必然引起三相绕组的空间相序发生变化。如当P1时，、三相绕组的空间分布依次为0°、120°、240°电角度。而当极对数变为P=2时，空间分布依次是相为0°、相为120°×2=240°、相为240°×2=480°（相当于120°），这说明变极后绕组的相序改变了。所以，为了保证变极调速前后电动机的转向不变，在改变定子绕组接线的同时，必须将U、三相中的任意两相出线端对调。在反接制动开始时,由于机械惯性电动机仍按原方向转动,n,制动电流比启动电流还要大,为了限制电流,对功率较大的电动机进行制动时,必须在定子电路(笼型)或转子电路(绕线式)中接入电阻.=12.8Nm=53.06 NmnN=1470=194.9 Nm=0.88额定转差率sN= =0.02临界转差率sm=sN（m+）=0.02（2+）=0.075额定转矩TN=9550=9550=7.4（N·m）最大转矩Tm=mTN =2×7.4=14.8（N·m）机械特性的实用表达式为Tem=曲线略线电流=2.75A相电流1.586A=7.5 NmA求启动转矩缺条件【解】（1）直接启动电源允许电动机直接启动的条件是3+=3+=4.25因为电动机的ki=6.5>4.25,故不能采用直接启动。（2）定子串电抗（电阻）启动从（1）中可知，电源允许启动电流为= 4.25IN,因此：=0.65因为>0.6TN，所以能采用这种启动方法 。（3）YD启动=kiIN=×6.5IN=2.17IN=kTN=×2×TN=0.67TN因为，>0.6TN ，所以能采用YD降压启动。（4）自耦变压器启动选用73%抽头时，=0.73 =0.732×6.5IN=3.46IN<4.25IN=0.732×2×TN=1.65TN>0.6TN可见，选用73%抽头时，启动电流和启动转矩均满足要求，所以该电动机可以采用73%抽头比的自耦变压器降压启动。(1)笼型 (2)绕线式(1)定子(2)转子47(1)Y(2)(1)星角降压启动(2)自耦变压器降压启动(3)定子回路串电阻(电抗)降压启动(1)电阻(2)频敏变阻器感应电动机转子串接电阻及串极最大转矩与额定转矩的比值同步转速n1 (1)改变磁极对数(2)改变频率(3)改变转差率正比正确正确正确正确错正确错正确正确正确错错A.29.2Nm B. 19.5 Nm C.26.5 Nm D.58.4 NmBBC CCBCB启动电流为B,启动转矩为ABBB第8章单相异步电动机单绕组通电后产生的脉振磁场，可以分解为正、反向旋转的两个旋转磁场。因此，电动机的电磁转矩是由两个旋转磁场产生的电磁转矩的合成。当电动机旋转后，正、反向旋转磁场产生电磁转矩、，当转子启动时，n=0，T=+=0，表明单相异步电动机一相绕组通电时无起动转矩，不能自行起动。对于分相电动机，要改变其旋转方向，只要将启动绕组或工作绕组的两个端头对调一下即可。启动回路中的开关合不上,则不能启动;断不开则变为两相运转电源一相断线，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，由于启动初瞬，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，故无启动转矩，电动机不能启动。如果绕组一相断线，对Y 接电动机仍为单相运行，故也不能启动。而接线电动机却成为两面相运行，它产生旋转磁动势，旋转磁动势有启动转矩，故能启动。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，无法启动，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。(1)零(2)不能(1)分相式(2)罩极式(1)两相(2)长期工作(1)凸极式（2）隐极式（1）工作绕组（2）启动绕组（3）电阻分相（4）电容分相分相式把工作绕组和启动绕组中任意一个绕组的首端和尾端对调罩极式把罩极部分从一侧换到另一侧从未罩部分转向被罩部分正确错正确正确BC第9章转子的转速恒等于定子旋转磁场的转速的电动机称为同步电动机，n=n1=60f/p，n1成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。P=40略略同步发电机的电枢反应是指：当同步发电机接通负载时，三相电枢绕组流经的电流产生的电枢旋转磁场对主磁极磁场产生的某种确定性的影响。典型的电枢反应效应主要有如下三种，即：、交轴电枢反应，在 E 0 与 I a 同相位时产生（若忽略电枢绕组电抗的影响，发电机相当于带纯阻性负载）；、直轴去磁电枢反应，在 I a 滞后于 E 0 90°时产生（此时发电机带纯感性负载）；、直轴增磁电枢反应，在I a 超前于 E 0 90°时产生（此时发电机带纯容性负载）。同步电动机电枢反应的分析应考虑同步电动机本身的工作特性（即电阻性、电感性、电容性）。设主磁极的位置和旋转方向不变，同步电动机的电枢电流方向应与发电机的电枢电流方向相反，使得电枢反应的结果也相反。因此可以得到同步电动机电枢反应有以下结果：（1）当同步电动机为感性时，电枢反应有磁化作用。（2）当同步电动机为容性时，电枢反应为去磁作用。（3）当同步电动机为阻性时，电枢反应略有去磁作用，使磁场发生偏转。略失去励磁电流，说明转子回路断路，电动机由于惯性将减速运行直到停止。略解：在额定运行情况下，（1）=0.6=1.79故V（2）=63.4°（3）=12631.4W（4）=2.18（1）定子（2）转子（3）气隙（1）定子铁芯（2）定子绕组（3）端盖（4）机座（1）直流励磁机励磁（2）整流励磁（1）机械功率（2）电功率（1）辅助电动机启动（2）异步启动（3）变频启动正确正确错错正确略（1）=0.46（2）W=35463.3W第10章电枢控制的优点为:1)机械特性和调节特性都是线性的。2)控制电路的电感小，提高了快速性。3)励磁回路的损耗小。4)电枢不动时无电流流过换向器。电枢控制的主要缺点是控制功率大，对放大器功率要求高。磁场控制的优点:1)控制功率小.2)低电压控制时，最大机械功率与信号系数无关，电机得到较好的利用。磁场控制的主要缺点是调节特性是非线性的，电刷和换向器在电枢不动时可能烧坏以及需要相当大的励磁功率。直流伺服电动机的结构和工作原理与直流电动机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。所不同的是电枢电阻大，机械特性软、线性（电阻大，可弱磁起动、可直接起动）。理想空载转速的含义是：假定在无损耗的理想状态下，电机的全部电磁功率都转化为机械功率所能获得的速度。由于这种假设只有在理想空载条件下才能实现，故称理想空载转速。略直线电机按其工作原理可分为两个大的方面，即直线电动机和直线驱动器。直线电机按其结构形式主要可分为扁平形、圆筒形(或管形)、圆盘形和圆弧形4种。直线电机可以在几秒钟内把一架几千公斤重的直升机拉到每小时几百公里的速度，它在真空中运行时，其时速可达几千至上万公里。在军事上，人们利用它制成各种电磁炮，并试图将它用于导弹、火箭的发射；在交通运输业中，人们利用直线电机制成了时速达500km以上的磁悬浮列车；在工业领域，直线电机被用于生产输送线，以及各种横向或垂直运动的一些机械设备中。直线电机除具有高速、大推力的特点以外，还具有低速、精细的另一特点，例如，步进直线电动机，它可以做到步距为1m的精度，因此，直线电机又被应用到许多精密的仪器设备中。（1）高可靠性（2）高精度（3）高灵敏度（4）体积小重量轻（1）可控性好（2）响应快（3）机械特性线性度好（4）控制功率小（1）传统型（2）低惯量型（1）机电时间常数Tm（2）Tm（3）越快（1）励磁绕组（2）控制绕组（1）幅值控制（2）相位控制（3）幅值相位控制略（1）调速范围宽（2）动态性能好（3）加工精度较高（4）输出转矩大输出特性（1）换向器和电刷会产生自控系统所不允许有的火花（2）无线电干扰（1）B（2）CDA最大步距角为30°最高转速第11章电动机和种类、结构形式、额定电压、额定转速、额定功率（容量）的选择等输出功率=输入功率-损耗温升是电动机温度与环境的温度差电动机风叶损坏，散热不好，过载运行，缺相运行，堵转，轴承磨损严重造成转子与定子产生磨擦等都会造成温度升高！基本上是两大类原因，第一电流过大，第二散热不好！允许温升的高低取决于电机使用的绝缘材料。影响绝缘材料寿命的是温度。温升和冷却都是按指数规律变化略连续工作制是指电动机带额定负载连续运行时间很长的工作方式。短时工作制是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，停止时间很长的工作方式。我国短时工作制电动机的运行时间有15min，30min，60min，90min四种定额。断续周期工作制是指电动机带额定负载运行时，运行时间很短，停止时间也很短，工作周期小于10的工作方式。短时工作制的负载应选用专用的短时工作制电动机。在没有专用电动机的情况下，也可以选用连续工作制的电动机。 如果FCsj%10%，按短时工作制处理，应选用短时工作制电动机。如果FCsj%70%,按连续工作制处理，应选用连续工作制电动机。校验预选电动机的发热、过载能力和启动能力。根据工作机构的静负载算出电动机轴上的静负载功率PL后，可选电动机的PNPL（1）选择与所处环境条件相适应的电动机的结构型式。（2）电动机应满足生产机械的各种机械特性的要求。（3）电动机的功率能被充分利用，防止出现“大马拉小车”和“小马拉大车”的现象。（4）电动机的可靠性高且便于维护（1）不变损耗（2）可变损耗（1）平均损耗法（2）等效法（1）15（2）30（3）60（4）9010（1）启动（2）运行（3）制动（4）停歇（1）恒值电流Idx（2）变化电流Ii（3）损耗（4）发热也（1）启动能力强（2）过载能力大（3）机械强度大（4）惯性小（5）绝缘材料等级高（6）临界转差率较大BCCDD（2）等效电流法Q=720m3/h=0.2 m3/s，r=1000kg/ m3= 9810N/ m3=53.9kWPN>PL，nN=980r/min(虽略低于负载转矩，但实际上转速不会相差多少)，可以选用。（1）=8.819kW（2）=12.0185kW=284.06Nm=573 Nm发热满足要求。考虑到电网电压可能下降10%，则最小临界转矩=926 Nm<1145 Nm所以过载能力不满足要求kW>20kW不能临时代用。（1）kW>10kW不适用（2） kW<14kWkW>20kW满足要求，可以选择。