张俊芳 电机学思考题答案 南京理工大学

2-1 直流电机的主磁路包括哪几部分？如何从电机的结构尺寸确定各段磁路的长度和截面积？ 五部分：磁轭、磁极、气隙、电枢齿槽、电枢铁心。 2-2 何谓主磁通？何谓漏磁通？漏磁通大小与哪些因素有关？ 主磁通：通过气隙同时与主极和电枢绕组交链的磁通，参与机电能量转换。 漏磁通：只与励磁绕组交链而不与电枢绕组交链的磁通，不参与机电能量转换。 漏磁通与电流频率、磁极结构、励磁绕组匝数、漏磁路磁阻等有关。 2-3 直流电机的空载磁场在空间是如何分布的？为什么要把它化为等效的矩形波？为什么说 直流电机的空气隙磁场是恒定磁场？ 磁极下 B 均匀，磁极间几何中心线处 B=0；直流电机空载时气隙磁通密度分布波形为一个 空间位置不变的平顶波；空气隙磁场由直流励磁电流产生，不随时间变化，是恒定磁场。 2-8 为什么直轴电枢反应会产生直轴去磁作用？直轴电枢反应会不会产生增磁作用？ 由于磁路饱和，后极尖磁通量增加的数量小于前极尖磁通量减少的数量，总体磁通量减少。 当电刷在发电机中顺着电枢旋转方向偏离，直轴电枢反应是去磁的，反之则是助磁的。电动 机相反。 2-12 一台四极电机原为单波绕组，如改绕成单叠绕组，并保持元件数、导体数、每个元件匝 数、每槽并列圈边数不变，问该电机的额定容量要不要改变？其他额定值要不要改变？ 单波 2p=4,p=2,a=1 单叠 2a=2p=4,a=p=2 额定容量 Pem=E Ia E=CEn CE=pN/60a E 减小到 1/2 Ia=2a ia 增大到 2 倍 额定容量不变 3-1 如果没有磁饱和现象，直流发电机是否能自励？试作图说明。 如果没有磁路饱和现象，并励直流发电机不能自励。因为如果没有磁路饱和现象，则电机的 空载特性是一条直线， 它样， 它与励磁回路的伏安特性 （也是一条直线） 会有两种情况出现： 完全重合，使电机的端电压处于不稳定状态，无法运行；不重合，即没有交点，无法实 现自励建压。 3-2 直流发电机的电压平衡方程式、转矩平衡方程式以及功率平衡方程式各符合力学和电学 哪些规律？ KVL、力矩平衡、能量守恒 3-3 为什么直流发电机的电枢绕组元件中的电流是交流的，而电磁转矩的方向却是恒定的？ 电磁转矩方向总是与电枢转向相反。 3-4 试述并励直流发电机电压建立过程中，电压建立的条件是什么？建立起来的电压大小受 哪些因素影响？若根据运行要求， 规定了某一直流并励发电机的极性和旋转方向， 而必该发 电机在电压建起后的极性与规定不符，应如何改正？ 建压条件： a.电机中要有剩磁； b.励磁绕组与电枢绕组并接正确； c.励磁回路总电阻应小 于建压时临界电阻。建立的电压受负载电流、转速等外界条件的影响。极性相反可以通过对 调励磁绕组的接线。 4-1 在什么情况下并励电动机的转速特性是下降特性？在什么情况下为上升特性？为什么我 们宁可要下降特性，而不要上升特性？ 电阻压降 IaRa 影响大于电枢反应影响时，为下降特性。 电枢反应的去磁作用大于电阻压降 IaRa 时，为上升特性。 具有下降特性的电动机能满足稳定运行条件， 具有上升机械特性的电动机对于一般负载不能 稳定运行。 4-4 并励电动机在运行中如励磁回路发生断路将出现什么现象？为什么并励电动机可以空载 运行，而串励电动机不能空载运行？当积复励电动机处在上述两种情况下又将如何？ 一方面引起电枢电流大幅度增加，使电动机烧毁；另一方面可能引起转速急剧升高，造成换 向不良，使电动机转子造成破坏。 并励电动机空载运行时，其空载转速不会过高，串励电动机空载运行时，转速会很高，造成 “飞车”事故。 4-6 一台并励电动机，如果电源电压 U 和拖动的负载转矩 Tz 都不变，若减小励磁电流，试 问电枢电流、转速，电动机的输入功率及输出功率将会怎样变化？ 电枢电流增大，转速上升，电动机输入功率减小，输出功率不变。 4-7 为什么一方面要限制起动电流不致过大，另一方面又要注意不要把起动电流限制得过小？ 起动电流过大会损伤电机的电枢绕组，对电网也有较大的冲击。根据电机的转矩表达式 ta TCI知道，起动电流过小会使起动转矩减小导致电机无法正常起动。 4-8 在调速过程中，电枢电流 Ia 和转速 n 如何变化？ 电枢电流 Ia 增加时，转速 n 将减小。 = (+) 4-10 并励直流电动机的起动电流取决于什么？正常工作时的电枢电流又取决于什么？ 起动电流取决于电压 U 和电枢回路总电阻 Ra； 正常工作时电枢电流取决于负载转矩的大小。 5-1 为什么电力系统中广泛地应用变压器？试举例说明变压器在实际应用的例子。 变压器是一种静止的电力机械， 它的主要作用是通过电磁感应把一种电压的交流电能转变为 同频率的另一种电压的交流电能。 变压器的主要用途有： 变压器是电力系统中实现电能的经济传输、 灵活分配和合理使用的重 要设备，在国民经济其他部门也获得了广泛的应用，如：电力变压器（主要用在输配电系统 中，又分为升压变压器、降压变压器、联络变压器和厂用变压器） 、仪用互感器（电压互感 器和电流互感器,在电力系统做测量用） 、特种变压器（如调压用的调压变压器、试验用的试 验变压器、炼钢用的电炉变压器、整流用的整流变压器、焊接用的电焊变压器等） 。 5-2 变压器有哪些主要部件？各起什么作用？ (1)铁芯：作为磁力线的通路，同时起到支持绕组的作用。 (2)绕组：作为电流的通路。 (3)油箱：作为变压器的外壳，油箱内充满油，起散热和绝缘作用。 (4)油枕： 一方面起调节变压器油的作用， 保证油箱内充满变压器油， 同时减少变压器油与空 气的接触面积，减缓油的劣化速度。 (5)调压装置：变换线圈的分接头，改变高低压线圈的匝数比，从而调整电压，使电压稳定。 分为无励磁调压和有载调压两种。 (6)呼吸器：装有吸附剂，用来吸收空气中的水分。 (7)防爆管：变压器内部故障时，释放压力，保护变压器油箱不被破坏。 (8)温度计：测量变压器上层油温。 (9)套管：它既是引线与地（外壳）的绝缘，又起到固定引线的作用。 5-3 铁心在变压器中起什么作用？如何减少铁心中的损耗？ 变压器的铁芯是变压器的磁路。 铁芯中的损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。 可以用涂有绝缘漆 的薄硅钢片叠压而成来减小损耗，叠片交接处不宜有太大的间隙。 5-4 变压器运行时，热量主要来源于哪些部分？为什么用温升而不直接用温度表示变压器的 发热程度？变压器的温升与哪些因素有关？ 热源主要来源于原副边绕组中的铜耗和铁芯中的铁耗。变压器正常运行时温度会稳定下来， 为反映变压器的工作状态需要用温升来表示。 即实际温度与正常温度的差值。 温升与自生的 运行电流，冷却装置和环境温度有关。 （变压器产生的总损耗和散热能力） 5-5 变压器有哪些主要额定值？一、二次额定电压的含义是什么？ 额定值 I1N,I2N,U1N,U2N,SN,fN U1N：正常运行时规定加在一次侧的端电压。 U2N：变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。 对三相变压器，额定电压、额定电流均指线值。 6-2 变压器中主磁通和一、二次绕组漏磁通的作用有什么不同？它们各是由什么磁动势产生 的？在等效电路中如何反映它们的作用？ （1）主磁通起传递能量的作用；而漏磁通不起传递能量的作用，仅起压降作用。 （2）空载时，有主磁通和一次侧绕组漏磁通，它们均由一次侧磁动势激励产生；负载时有 主磁通，一次侧绕组漏磁通，二侧次绕组漏磁通。主磁通由一次绕组和二次绕组的合成磁动 势即 F0=F1+F2激励产生，一次侧绕组漏磁通由一次绕组磁动势 F1激励产生，二次侧绕组漏 磁通由二次绕组磁动势 F2激励产生。 （3）在等效电路中，主磁通用励磁参数 xm来反映它的作用，一次侧漏磁通用漏电抗1来 反映它的作用，而二次侧漏磁通用漏电抗2来反映它的作用。 6-3 变压器的励磁电抗 Xm 的物理意义何在？一般希望它大还是小好？如果是空气心，则 Xm 是增大了还是减小了？ 励磁电抗 Xm 对应于主磁通， 它是表征铁芯磁化性能的一个物理量， 主磁通所走的磁路是闭 合铁芯，其磁阻很小，而电抗与磁阻成反比（与磁导成正比） ，所以 Xm 的值很大。此外铁 芯磁导率不是一个常数，它随磁通密度的增加而减小，所以 Xm 也减小。我们希望磁导越高 越好也就是希望 Xm 越大越好。如果换成空气芯磁导减小，且为定值，所以 Xm 也减小且为 定值。 6-4 变压器的外加电压不变，若减少原绕组的匝数，则变压器铁心的饱和程度、空载电流、 铁心损耗和一、二次侧的电动势有何变化？ 一次绕组匝数减少，主磁通将增加，铁心饱和程度增加；由于磁导率下降，磁阻增大。根据 磁路欧姆定律 ， 当线圈匝数减少时， 空载电流增大； 又由于铁心损耗， 所以铁心损耗增加； 因为外加电压不变，所以原方电动势基本不变，而副方电动势则因为磁通的增加而增大。 7-1 三相变压器的连接组由哪些因素决定？ （1）绕组的极性（绕法）和首末端的标志有关； （2）绕组的连接方式有关。 7-2 三相变压器组和三相心式变压器在磁路结构上有什么特点？高、低压侧相电动势、线电 动势之间的相位关系、判断原则各是什么？ 三相变压器组磁路结构上的特点是各相磁路各自独立， 彼此无关； 三相心式变压器在磁路结 构上的特点是各相磁路相互影响，任一瞬间某一相的磁通均以其他两相铁心为回路。 7-3 任何变压器连接组都可以用时钟表示法表示吗？为什么？ 可以。 时钟表示法是为了表示高低压绕组之间电压变化的时间差， 因为两者时间差不会超过 一个周期，所以都可以用时钟法表示。 7-4 为什么大容量变压器常接成 Yd 而不接成 Yy 呢？为什么 Yyn 接法不能用于三相变压器 组，却可以用于三相心式变压器？ 当三相变压器采用 Yd 连接时，3 次谐波电流在一次侧不能流通，一、二次绕组中交链着 3 次谐波磁通，感应 3 次谐波电动势。由于二次侧为 d 接法，三相大小相等、相位相同的 3 次 谐波电动势在 d 连接的三相绕组内形成环流。 该环流对原有的 3 次谐波磁通起去磁作用， 因 此磁路中实际存在的 3 次谐波磁通及相应的 3 次谐波电动势是很小的，相电动势波形仍接 近正弦波。 在三相组式变压器磁路结构中，由于各相磁路各自独立因而 3 次谐波磁通与基波论一样在 主磁路中能够流通， 其磁阻小， 故 3 次谐波磁通较大，加之 f=3f1， 所以 3 次电动势相当大， 导致相电动势波形严重畸变，所产生的过电压可能危害绕组的绝缘。因此，三相变压器组不 能采用 Yy 接。 在三相心式变压器的磁路结构中，由于三相磁路互相关联，因此各相大小相等、相位相同的 3 次谐波磁通不能在主磁路中流通，只能沿铁箱心周围的油箱壁等形成闭路，由于该磁路磁 阻大，故 3 次谐波磁通很小，可以忽略不计，主磁通及相电动势仍可近似地看作正弦波。因 此，三相心式变压器可以接成 Yy 连接（包括 Yyn 连接） 。 8-1 变压器理想并联运行条件有哪些？ 1）原副边额定电压相等，即变比相同； 2）连接组相同； 3）短路阻抗标幺值相等； 4）各变压器输出电流同相位。 8-2 并联运行的变压器，如果连接组不同或变比不等会出现什么情况？ 连接组不同：当各变压器的一次侧接到同一电源、二次侧各线电压之间至少有 30的相位 差，会在它们之间产生一电压差U，作用在变压器二次绕组所构成的回路上，必然产生很 大的环流（几倍于额定电流） ，它将烧坏变压器的绕组。 变比不等：在并联运行的变压器之间也会产生环流。 8-3 变比不等的变压器并联运行，二次绕组内有环流，为什么一次绕组也有？ 如果变比不同，二次绕组空载电压就产生均压电流，根据磁势平衡关系，两台变压器的一次 绕组也同时产生环流。 8-4 两台变压器并联运行，它们具有不同变比、不同阻抗电压，试分别说明各个因素对负载 分配的影响。 两台并联变压器负载电流的标幺值与其短路阻抗的标幺值成反比。 10-1 三绕组变压器在电力系统中如何具体应用？应用三绕组变压器有什么好处？ 当发电厂需要用两种不同电压向电力系统或用户供电时， 或都变电站需要连接几级不同电压 的电力系统时，通常采用三绕组变压器。三绕组变压器有高压、中压、低压三个绕组，每相 的三个绕组套在一个铁心柱上，为了便于绝缘，高压绕组通常都置于最外层。 10-2 三绕组变压器等效电路中的 X1、X2、X3 代表什么电抗？为什么有时候其中一个数值 会成为负值？ x1、x 2、x 3 是各绕组自感和互感作用的合成电抗，对应着自漏磁通和互漏磁通。它们的值 与各绕组在铁心上的相对位置有关， 位于中间的那个绕组的合成电抗近似为零或为微小的负 值， 这是因为在三绕组变压器中， 相互靠近的两个绕组的短路电压百分数之和约等于隔开的 两个绕组间的短路电压百分数。 10-3 如何从短路试验测定三绕组变压器等效电路中的各个参数？ 1，2 绕组做短路试验、1，3 绕组做短路试验、2，3 绕组做短路试验