直流电机习题.ppt

直流电机,1.如果电枢绕组装在定子上，磁极装在转子上，换向器和电刷应怎样装置，才能作直流电动机运行?,换向器应固定在定子的端接部分与电枢绕组联接，而电刷应随转子部分转动，这样才能作直流电动机运行。,2.在直流发电机和直流电动机中，电磁转矩和电枢转方向的关系有何不同?电枢电势和电枢电流方向的关系有何不同?怎样判别直流电机运行于发电机状态还是运行于电动机状态?,在直流发电机中，电磁转矩和电枢旋转方向相反，电枢电势和电枢电流方向相同。在直流电动机中，电磁转矩和电枢电枢旋转方向相同，电枢电势和电枢电流方向相反。当端电压U大于电枢电势Ea时，直流电机运行于电动机状态，当端电压U小于电枢电势时，直流电机运行于发电机状态。,3.一台四极直流电机，采用单叠绕组，问:,若取下一只电刷，或取下相邻的两只电刷，电机是否可以工作？,(2)若只用相对两只电刷，是否可以工作?,(3)若电枢绕组中一个元件断线，是否可以工作?,(4)若有一极失去励磁将产生什么后果?,从四极单叠绕组电机的绕组并联电路图可以看出:,若取下一只电刷，或取下相邻的两只电刷时，在电动机运行时，其转矩和功率均减小一半，在发电机运行时，其电流和功率也均减小一半。虽然电机仍能运行，但其工作情况是不正常的。,(2)若只用相对两只电刷，则无论对发电机或电动机都不能工作。,(3)若一个元件断线,则该元件所在支路失去作用，电刷端电压不变，但电流为原来的四分之三，电机功率为原来的四分之三。,(4)当一极失去励磁时，该磁极下的一条支路无电势(发电机)或不产生转矩(电动机)，使功率减小。对于多极电机，还可能产生不平衡情况。,4.上题之电机若为单波绕组，情况将如何？,从四极单波绕组电机的绕组并联图分析可知:,取下一只或相邻的两只电刷时,电机仍可运行，但是刷电流增大。,(2)取去相对两只电刷时，电机不能工作。,(3)若一个元件断线，则电流和功率都减小一半。,(4)若一极失去励磁，则电流或转矩都将减小，且产生不平衡的情况。,5.如果一台p对磁极的单叠绕组，其电枢电阻为ra，电枢电流为Ia，若把它改接为单波绕组，试问电枢电阻和电枢电流变为多少？,因为p对极的单叠绕组有p条支路并联，所以每条支路电阻为pra，2p条支路串联后的总电阻为4p2ra。改为单波绕组时，则仅有两条支路并联，每条支路电阻为,6.何谓电枢反应?电枢反应对气隙磁场有什么影响?,直流电机在负载运行时，气隙磁场由励磁磁势和电枢磁势共同产生，由于电枢磁势的存在使负载时气隙磁场和空载时仅由励磁磁势产生的主磁场有所不同，电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应。,电枢反应对气隙磁场的影响：1、使气隙磁场发生畸变。2、考虑饱和时，还存在去磁效应，使每极磁通比空载时略有减小。,7.一台并励直流电动机将其单叠绕组改接为单波绕组，试问对其电磁转矩会发生什么影响？,8.并励直流电动机的起动电流决定于什么?正常工作时电枢电流又决定到什么?,9.串励直流电动机为什么不能空载运行？和并励直流电动机比较，串励直流电动机的运行性能有何特点？,10.要想改变并励电动机，串励电动机及复励电动机的旋转方向应该怎么办？,要想改变并励电动机的旋转方向，只要把励磁绕组接到电枢的两出线对调一下或者调换电枢绕组的两出线端。,答：,要想改变串励电动机的旋转方向，只要调换电枢绕组的两出线端，保持励磁绕组的电流方向不变。,要想改变复励电动机的旋转方向，则需用时调换串励、并励绕组的两出线端。,11.电动机的Tem是驱动性质的转矩，Tem增大时，n反而下降，这是什么原因？,12.试分析电枢反应对并励直流电动机转速特性和转矩的影响。,13.并励直流电动机决不允许励磁绕组断线，原因何在？,如励磁绕组断开，则主磁通下降到剩磁磁通值，而电枢电流将迅速增大，转速迅速上升，可能大大超过额定转速，造成“飞车”，损坏电机。故并励直流电动机决不允许励磁绕组断线。,串励电动机绝对不允许在空载或很轻的负载下运行，否则“飞速”。,14.一般小型两极电机，只装有一个换向极，是否会造成一个电刷换向好，另一个电刷换向不好？,一般不会。因为对于两极电机在任一电刷换向时，必有一线圈们于换向极磁场下面，产生换向极电势，抵消电抗电势以减小附加电流。,15.一台直流电动机改成直流发电机运行时，是否需要将换向极绕组重新改接？为什么？,不需改接。因为换向极绕组是与电枢回路串联的，如由电动机改成发电机运行时，此时如转速n方向不变，则电枢电流反向，而换向极所产生的磁势也反向，仍可抵消在几何中线性处的电枢反应磁势；如转速方向改变，则电流方向不变，换向极产生的作用仍然正确。,16.并励直流电动机正转能自励，反转能否自励？,正转时能自励。反转时，不改变励磁绕组的接线，并励直流电动机是不能自励的。原因在于正转时，励磁电流所产生的磁场方向与剩磁方向相同，从而实现自励，而反转时，它们的方向相反，削弱内磁场，不能自励。,17.一台他励直流发电机和一台并励直流发电机，如果其他条件不变，将转速提高20%，问空载电压哪一台提得更高？为什么？,当转速提高后,他励发电机和并励发电机的空载电压都将提高。两者比较，并励发电机空载电压提得更高些。因为空载电压就等于发电机的电枢电势E，由E=Cen可知，E与磁通和转速n的乘积成正比。对于他励发电机，其If与电枢回路无关，是常量，故En，当n提高20%时，E也增高20%。而对于并励发电机，其IfE，当n升高时，不仅有n升高的原因使得E增加，还有因E的增加而使If增加，并导致增加的原因，这一因素也将进一步使E增加。所以转速提高20%后，并励发电机的空载电压将升得更高些。,18.并励直流发电机外特性曲线出现“拐弯”的原因？,“拐弯”现象是由于电机自励和磁路的饱和现象而引起的。,忽略励磁电流，负载电流为：,or,RL负载电阻,19.为什么单波绕组的合成节距y=yk只能接近2而不能等于2？,20.为什么叠绕组常采用右行绕组，而波绕组常用左行绕组？,因为叠绕组的左行绕组每一元件接到换向片的两根端接线互相交叉，用铜较多，所以很少采用。而波绕组的右行绕组，其端接线交叉，且比左行绕组的端接线略长，故波绕组常用左行绕组。,21.单叠绕组与单波绕组的差别是什么？原因何在？,单叠绕组与单波绕组的显著差别在于：单叠绕组的并联支路数2a=主极数2p，而单波绕组的并联支路数2a=2，而与主极数无关。造成这种差别的根本原因是它们的连接规律不同。在单叠绕组中，元件的串联次序是先串联所有上元件边在同一个N根下面的元件，形成一条支路；再串联所有上元件边在相邻的一个S极下面的元件，形成另一条支路；这样继续交替地串联全部元件而形成一闭合绕组。因此，单叠绕组每增加一对主极就增加一对支路。但波绕组却不然，它是先把全部上元件边在电机所以N极下面的元件都串联起来，形成一条支路；再把全部上元件边在所有S极下面的元件都串联起来，形成另一条支路；再由这两部分串联成为闭路。因此整个绕组只有一对支路，极数的增减与支路数无关。它们的绕法差别可形象地画成如下示意图：,22.“全额电刷”的意义？,对端接对称的绕组，无论叠绕或波绕，由于换向器上的几何中性线与主极轴线重合，所以电刷应放在主极轴线下的换向片上。,无论叠绕或波绕，每个主极都可在换向器上找到一根几何中性线，因此换向器上的几何中性线的数目等于主极数2p，随之可在换向器上放置2p组电刷。但单波只有两条支路，理论上只须放置两组电刷就可以了，但实际上，除特殊情况外，一般仍采用2p组电刷(全额电刷)。这是因为电刷数目增加后，每组电刷上通过的电流可以减小，在一定的民刷允许电流密度下，可减小每组电刷与换向器的接触面积，随之可缩短换向器的长度，节省用铜量。,38.某六极直流电机电枢为单迭绕组，每极磁通2.110-2Wb,电枢总导体数N398，转速n1500r/min，求电枢电动势Ea；若其它条件不变，绕组改变为单波，求电枢电动势Ea230V时的转速。,解：单迭绕组并联支路对数ap3,单波绕组并联支路对数a1，p3,39.某四极直流电机，电枢槽数Z36，单叠绕组，每槽导体数为6，每极磁通2.210-2Wb,电枢电流Ia800A，问此时电磁转矩为多少？如改为单波绕组，保持支路电流不变，其电磁转矩为多少？,解：极对数p2；单叠绕组时支路对数a2，电枢绕组总导体数N366216,单波绕组a1，支路电流,电枢电流,电磁转矩,40.某四极他励直流电机电枢绕组为单波，电枢总导体数N372，电枢回路的总电阻R0.208,运行于U220V的直流电网并测得转速n1500r/min，每极磁通0.01Wb，铁耗pFe362W，机械损耗p204W，附加损耗忽略不计，试问（1）此时该机是运行于发电机状态还是电动机状态？（2）电磁功率与电磁转矩为多少？（3）输入功率与效率为多少？,解：（1）单波绕组a1,EaU,所以该机运行于电动机状态。,(3)电动机的功率平衡式,输入功率：,输出功率：,效率：,答：,他励：改变励磁极性或电机的转速；,并励：改变剩磁方向,23.如何改变他励及并联直流发电机的端电压极性？,电抗电动势（与换向前电流相同）旋转电动势（与换向前电流相同）电枢电动势（与换向前电流相反）,能改善换向,24.某台不装换向极的小型直流电动机电刷逆转向偏离几何中性线一个角度，则在其换向元件中有哪些电动势？其方向如何？能否用此法来改善换向？为什么？,解：根据稳定点的判据:,稳定点：A、D点；不稳定点：B、C点,25.已知某电动机的机械特性如图所示，试问该机分别与特性2、特性3、特性4这三种负载配合时，平衡点A、B、C、D中哪些是稳定,哪些是不稳定？为什么？,2,Tem,n,解：,41.某他励直流电动机额定数据如下：PN60kW,UN220V，IN350A，nN1000r/min.（1）如果该机直接起动，起动电流为多少？（2）为使起动电流限制在2IN，应在电枢回路串入多大电阻？（3）如果采用降压起动且起动电流限制在2IN，端电压应降为多少？,42.他励直流电动机额定数据：PN12kW，UN220V，IN64A，nN700r/min,电枢回路总电阻Ra0.25。试问：（1）额定工况下采用电压反接制动使之快速停机，制动时电枢中串入RZ6的制动电阻，问最大制动电流及电磁转矩为多少？停机时电流及电磁转矩为多少？如果负载为反抗性且停机时不切断电源，系统是否会反向起动？为什么？（2）采用反接制动使TZ0.8TN的位能负载以300r/min的速度稳速下放，求制动电阻值。,解：,(1)根据电压方程,电压反接制动时：,停机时，n0,反抗性恒转矩负载，负载转矩大小与速度无关，方向与转向相反。,结论：不能反向起动！,（2）n300r/min,Ia=0.864=51.2(A),解：根据电压平衡式可求得额定运行时：,（1）n500r/min，Ia0.8IN=0.876=60.8(A),43.他励直流电动机额定数据：PN29kW，UN440V，IN76A，nN1000r/min,电枢回路总电阻Ra0.377。试问：该机以500r/min的速度吊起TZ0.8TN负载转矩，在电枢回路应串入多大电阻？用哪几种方法可使TZ0.8TN的位能负载以500r/min的速度稳速下放？求每种方法的电枢回路串接电阻值。,（2）n500r/min,Ia=0.8IN=60.8(A),能耗制动：U0,反接制动：（电枢电势反向的反接制动）,44.他励直流电动机额定数据：PN5.6kW，UN220V，IN30A，nN1000r/min,电枢回路总电阻Ra0.4,TZ=0.8TN.试求：（1）如果电枢回路中串入电阻Ra0.8,求稳定后的转速和电流；（2）采用降压调速使转速降为500r/min,端电压应降为多少？稳定后电流为多少？（3）如将磁通减少15，稳定后的转速与电流；（4）如果端电压与磁通都降低10，求稳定后的转速与电流。,解：额定运行时，,（1）串入电阻RZ0.8(),TZ=0.8TN,稳定后，因电磁转矩不变，所以Ia10.8IN=24(A),（2）n2500r/min，,因负载转矩不变，所以稳定后电流不变，Ia20.8IN=24(A),因负载转矩不变，稳定后电流,（4）U40.9UN,稳定后电流：,45.他励直流电动机的额定数据与题222相同，该机采用调压调速，试问：（1）若该机带动TZTN的恒转矩负载，当端电压降为U1/3UN时，电动机的稳定电流与转速为多少？能否长期运行？（2）若该机带动PZ1/2PN的恒功率负载，当U1/3UN时，电动机的稳定电流与转速为多少？能否长期运行？,解：(1)Tz=TN,所以IaIN30（A）,能长期运行。,(2),解得：,都处于过载，不能长期运行。,解：,46.一台并励电动机,PN=7.2KW,UN=110V,nN=900r/min,N=85%,Ra=0.08(包括电刷接触电阻）,IfN=2A;若总制动转矩不变,在电枢回路串入一电阻使转速降低到450r/min,试求串入电阻的数值、输出功率和效率（假设P0n）。,47.一直流电机,并联于U=220V电网上运行,并知a=1,p=2,N=398匝,nN=1500r/min,=0.0103wb,电枢回路总电阻(包括电刷接触电阻)Rn=0.17,IfN=1.83A,pFe=276W,pmec=379W,杂散损耗pad=0.86P1%,试问:此直流电机是发电机还是电动机?并计算电磁转矩Tem和效率。,解：,48.一台并励直流电动机有下列数据：PN=10KW，UN=220V，IfN=1.178A,N=84.5%,nN=1500r/min,电枢回路电阻Ra75=0.316,一对电刷压降2Vb=2V。欲改作并励发电机运行并发出230V额定电压,转速应为多少?(励磁电流和电枢绕组电流均保持电动机额定运行时的数值,不计电枢反应影响),解：,49.串励电动机有下列数据：UN=220V,IN=40A,nN=1000r/min,电枢回路各绕组总电阻Ra75，一对电刷接触压降2Ub=2V。若制动转矩保持为额定值，外施电压减到150V，求此时电枢电流及转速n（假设电机不饱和）。,解：,又,串励电动机,保持制动转矩为额定值，即,当电压降至150V时，,即此时电枢电流为40A，转速为646.5r/min。,50.某串励电动机，PN=14.7KW,UN=220V,IN=78.5A,nN=585r/min,Ra75=0.26，包括电刷接触电阻）。欲在负载转矩不变条件下把转速降到350,需串入多大电阻？,解：,串励电动机,51.一台并励电动机，PN=5.5KW,UN=110V,IN=58A,nN=1470r/min,Rf=138,Ra=0.15(包括电刷接触电阻)。在额定负载时突然在电枢回路中串入0.5电阻，若不计电枢回路中的电感和略去电枢反应的影响，试计算此瞬间的下列项目：1)电枢反电动势；2)电枢电流；3)电磁转矩；4)若总制动转矩不变，试求达到稳定状态后的转速。,解:,突然串入0.5电阻的瞬间，由于机械慢性的作用，电机转速n不会马上改变，则此时E=EN=101.42V。,3)此时,4)总制动转矩保持不变，达到稳定时：,此时电机的转速为,52.,解:,注：此处说额定电流的多少倍是指相对额定电枢电流IaN而言，而非输入电流IN而言。,26.如何判别直流电机是运行于发电机状态还是运行于电动机状态？他们的Tem，n，E，U，Ia的方向有何不同？能量转换关系如何？,答：,27.并励电动机正在运行时突然励磁绕组断开，试问在电机有剩磁或没有剩磁的情况下有什么后果？若起动时就断开了线又有何后果？,答：,28.电动机的电磁转矩是拖动性质的转矩，看来Tem增大时转速应上升，但是从直流电动机的机械特性中却得到相反的结果，即Tem增大时转速n反而下降，这是什么原因？,答：,29.直流电动机的调速方法有哪几种？各有何优缺点？,答：,(1)改变励磁电流调速(弱磁调速)：,优点：方便、平滑调速，功耗不缺点：只能“调高”，不能“调低”，n不能太高。,(2)改变电枢端电压调速：改变电枢端电压，从而改变电动机的机械性能。,优点：调速时，电动机机械特性的硬度不变，能在极宽广的范围内平滑调速。,缺点：需要专用电源。,（3）改变串入电枢回路的电阻调速：,优点：简单、方便、可靠。,电枢回路串电阻,30.在什么情况下并励电动机的转速特性是下降特性?在什么情况下是上升特性?为什么宁可选用下降特性,而不选用上升特性?,并励电动机的转速特性是在U=UN，If=IfN情况下n=f(Ia)特性曲线。,因此,影响n的因素有两个,即电枢回路的电阻压降IaRa和电枢反应的影响。当负载增加因而电枢电流Ia增加时,电压压降IaRa使转速趋于下降,但电枢反应常起去磁作用,它使转速趋于上升。当电阻压降IaRa的影响大于电枢反应的影响时,转速特性为下降特性；当电枢反应的去磁作用大于电阻压降IaRa的影响时,转速特性为上升特性。宁可选用下降特性,而不选用上升特性,这是因为具有下降特性的电动机能满足稳定运行条件,而具有上升机械特性的电动机对于一般负载不能稳定运行。,答：,31.并励和串励电动机的机械特性有何不同?为什么电车和电气机车上都采用串励电动机?,并励电动机在U=UN=const，If=IfN=const，电枢回路不串外加电阻时,所测得的n=f(Tem)自然机械特性随负载转矩增加时,转速略为下降,是一种硬机械特性,如右图曲线所示。,答：,串励电动机在U=UN=const，电枢回路不串外加电阻时,所测得的n=f(Tem)自然机械特性,如右图曲线所示。当磁路不饱和时,其机械特性是一条双曲线。当负载转矩增大时,转速下降很快,属于软特性。如果电机磁路饱和,则其机械特性和双曲线有较大差别,但转速随转矩的增加而显著下降的特点依然存在。,电车和电气机车上都采用串励电动机正是利用了串励机软特性的优点。当Tem,n,一方面安全,另一方面Pem=Tem不会增加。反之,当Tem,n,生产率,Pem不会减少,使电网给电动机的电功率波动不大。同时,Ia,Ia,这是与并励机不同,而Tem=CmIa,当Ia,Tem,因而过载能力和起动转矩大。,32.在起动并励直流电动机后,若把起动电阻留在电枢回路内,试问对电机运行情况和对起动器有什么影响?,电枢回路串起动电阻后,一般在转速上升过程中逐段切除起动电阻,以保证有足够大的起动转矩。我们从起动过程的机械特性曲线分析即可知道这一理由。以二级起动为例分析。,不计的变化,则n=f(Tem)的曲线为直线(曲线)；随着n从0,Tem沿曲线从a点起下降,当到达b点时,Tb与T2差不多,n不快(对应Ist=Istmin),此时,为加速起动过程,切除R2,则此时机械特性变为:,答：,(如图所示),图,由于切除R2瞬间机组惯性,可以认为n不变,则电机运行从b点曲线的c点,Tem=TstmaxT2，电机沿曲线加速至d点(Tem=Tstmin),此时再切除R1，得自然机械特性:,同理,电机运行由de点,最后沿曲线加速达f点,Tem=T2，电动机进入稳态运行阶段。从以上分析可知,若把起动电阻留在电枢回路中,则电机沿曲线或起动运行。这样,电机有可能起动不起来,电流太大而烧坏起动器和电机。,图,n,no,nd,nb,o,Tstmin,Tb,Tstmax,Tem,T2,f,d,b,a,c,e,33.负载时直流电机中有哪些损耗?是什么原因引起的?为什么铁耗和机械损耗可看成是不变损耗?,负载时直流电机中有下列损耗:,2.铜耗pw:(并励机),解：,1.铁耗pFe,是由于电枢转动时主磁通在电枢铁心内交变而引起的,它包括齿部和电枢铁轭的磁滞损耗和涡流损耗:,电枢回路铜耗:,励磁回路铜耗:,电刷的电损耗:,3.机械损耗pmec:,包括轴衬摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定转子和空气之间的摩擦损耗(即通风损耗)等。,4.杂散损耗pad:,由于电枢有齿槽存在,产生脉振损耗和表面损耗；电枢反应使磁场畸变引起的额外电枢铁耗；电枢拉紧螺杆附加铁耗；由换向电流产生的损耗等等。,总损耗,由于机械损耗和铁耗的大小不随负载变化而变化,故它们称为不变损耗。从它们产生的原因很明显地可以看出这一点。,34.为什么电机的效率随输出功率不同而变化?什么负载电机的效率最大?各种电机的效率范围怎样?,随着输出功率P2的不同，p中的pwa、pwb、pwf也在变化，从而引起的变化。当电机的可变损耗(pwa+pwb)和不变损耗(pwc+pFe+pad)相等时，效率就达到最大值，直流电机的功率约(0.751.0)PN范围内达到最大值。,解：,一般说来，10kw以下的直流电机的N=70%85%；10100kw的N=80%91%；1001000kw的N=86%94%；100010000kw的N=91%96%。,35.电磁功率是指什么？如何从电磁功率出发说明发电机是机械能转变为电能的？,电磁功率Pem是指原动机克服电磁转矩所作的机械功率Tem转换为电枢电路中的电功率Pem=Tem或电枢电流Ia通过电枢产生电势E时所获得的电