电机学思考题 吕宗枢

1、1.1 变压器是怎样实现变压的?为什么能够改变电压，而不能改变频率?答：变压器是根据电磁感应原理实现变压的。变压器的原、副绕组交链同一个主磁通，根据电磁感应定律可知，原、副绕组的感应电动势（即电压）与匝数成正比，所以当原、副绕组匝数时，副边电压就不等于原边电压，从而实现了变压。因为原、副绕组电动势的频率与主磁通的频率相同，而主磁通的频率又与原边电压的频率相同，因此副边电压的频率就与原边电压的频率相同，所以，变压器能够改变电压，不能改变频率。1.2变压器一次绕组若接在直流电源上，二次侧会有稳定的直流电压吗，为什么?答：若一次绕组接直流电源，则铁心中将产生恒定的直流磁通，绕组中不会产生感应电动势，

2、所以二次侧不会有稳定的直流电压。1.3变压器铁心的作用是什么?为什么要用0.35mm厚、表面涂有绝缘漆的硅钢片叠成?答：变压器铁心的主要作用是形成主磁路，同时也是绕组的机械骨架。采用导磁性能好硅钢片材料是为了提高磁路的导磁性能和减小铁心中的磁滞损耗，而用薄的（0.35mm厚）表面绝缘的硅钢片叠成是为了减小铁心中的涡流损耗（涡流损耗与硅钢片厚度成正比）。1.4 变压器有哪些主要部件，其功能是什么?答：变压器的主要部件是器身，即铁心和绕组。铁心构成变压器的主磁路，也是绕组的机械骨架；绕组构成变压器的电路，用来输入和输出电能。除了器身外，变压器还有一些附属器件，如绝缘套管、变压器油、油箱及各种保护装

3、置等。1.5 变压器二次额定电压是怎样定义的?答：变压器一次绕组加额定电压，二次绕组空载时的端电压定义为变压器二次额定电压。1.6 双绕组变压器一、二次侧的额定容量为什么按相等进行设计?答：变压器传递电能时，内部损耗很小，其效率很高（达95%以上），二次绕组容量几乎接近一次绕组容量，所以双绕组变压器的一次、二次额定容量按相等设计。1.7 变压器油的作用是什么？答：变压器油既是绝缘介质，又是冷却介质，起绝缘和冷却作用。1.8 变压器分接开关的作用是什么？答：为了提高变压器输出电能的质量，应控制输出电压波动在一定的范围内，所以要适时对变压器的输出调压进行调整。对变压器进行调压是通过改变高压绕组的匝

4、数实现的，所以高压绕组引出若干分接头，它们接到分接开关上，当分接开关切换到不同的分接头时，变压器便有不同的匝数比，从而可以调节变压器输出电压的大小。1.9一台单相变压器，500kVA，35/11kV，试求一、二次侧额定电流。解：因为是单相变压器，所以 1.10一台三相变压器，5000kVA， =10/6.3kV，Y，d联结，试求：一、二次侧额定电流及相电流。 解：因为是三相变压器，所以 因为原边形联结，所以，因为副边形联结，所以，三、简答题1. 答：变压器是根据电磁感应原理工作的。原、副绕组的感应电动势（即电压）与匝数成正比,当一次、二次绕组匝数不同时，即实现了变压。2. 答: 为了使一、二次

5、绕组磁耦合紧密，减少漏磁通，所以一次、二次绕组套在同一铁心柱上；为了减小绕组与铁心间的绝缘电压差，所以把低压绕组套在内层，高压绕组套在外曾层。3. 答：因为直流电压只能产生恒定的直流磁通，不会在绕组中产生感应电动势，所以变压器不能改变直流电压。4. 答：因为变压器的效率很高，二次绕组容量很接近一次绕组容量，所以一次、二次额定容量按相等设计。5. 答：为了保证变压器输出电压波动在一定范围内，提高电能质量，应该适时对变压器进行调压。变压器调压是通过改变高压绕组的匝数实现的，所以高压绕组引出若干分接头，它们接到分接开关上，当分接开关切换到不同的分接头时，变压器便有不同的匝数比，从而调节变压器输出电压

6、的大小。2.1 试述变压器空载和负载运行时的电磁过程。答：空载时，原边接交流电源，原绕组中流过交流电流，建立磁动势，由其产生主磁通和少量的漏磁通，主磁通在原绕组中产生电动势、在副绕组中产生电动势，漏磁通只在原绕组中产生漏感电动势，同时，电流在原绕组电阻上产生电压降。负载时，原绕组流过电流，产生磁动势；副绕组流过电流，产生磁动势，由原、副绕组的合成磁动势产生主磁通，并分别在原、副绕组中产生电动势和；还产生只交链原绕组的漏磁通，它在原绕组中产生漏感电动势，还产生只交链副绕组的漏磁通，它在副绕组中产生漏感电动势；同时，电流在原绕组电阻上产生电压降，电流在副绕组电阻上产生电压降。2.2 在变压器中，主

7、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？答:主磁通同时交链原、副绕组，并分别在原、副绕组中产生电动势和，起传递能量的作用；漏磁通只交链自身绕组，只在自身绕组中产生漏感电动势，仅起电抗压降的作用。在等效电路中，主磁通的作用由励磁参数反映，漏磁通的作用由漏抗参数反映。2.3 试述变压器空载电流的大小和性质。答：由于变压器铁心采用薄硅钢片叠成，磁导率高，导磁性能好，因此空载电流很小，一般为额定电流的2%10%。在空载电流中，用来建立主磁通的无功分量远大于对应铁心损耗的有功分量，所以空载电流基本属于无功性质，空载电流也因此常被称为励磁电流。

8、2.4 当变压器空载运行时，一次绕组加额定电压，虽然一次绕组电阻很小，但流过的空载电流却不大，这是为什么？答：变压器空载运行时，虽然一次绕组的电阻很小，但是由于铁心硅钢片的磁导率大，导磁性能好，主磁通大，所以励磁电抗大，因此空载电流不大。简单说，空载电流是受到大电抗限制的。2.5 变压器外施电压不变的情况下，若铁心截面增大或一次绕组匝数减少或铁心接缝处气隙增大，则对变压器的空载电流大小有何影响？答：铁心截面增大时，磁路饱和程度降低，磁导率增大，励磁电抗增大，空载电流减小。一次绕组匝数减少时，由=常数，可知，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁电抗减小，空载电流增大。铁心接缝处气隙增大

9、，磁路磁阻增大，励磁电抗减小，空载电流增大。2.6 保持其它条件不变，当只改变下列参数之一时，对变压器的铁心饱和程度、空载电流、励磁阻抗、铁心损耗各有何影响？（1）减少一次绕组的匝数；（2）降低一次侧电压；（3）降低电源频率。答：由可知：（1）减少一次绕组匝数时，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁阻抗减小，空载电流增大，铁心损耗增加。（2）降低一次电压时，主磁通减小，磁路饱和程度降低，磁导率增大，励磁阻抗增大，空载电流减小，铁心损耗减小。（3）降低电源频率时，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁阻抗减小，空载电流增大，此时，根据可知，铁心损耗随的增加而增加。2.7 一台2

10、20V/110V的单相变压器，变比，能否一次绕组用2匝，二次绕组用1匝，为什么？答：不能。由可知，如果一次绕组用2匝，在原边电压作用下，由于匝数太少，主磁通将很大，磁路高度饱和，励磁电流会很大，要求导线线径很大，在实践上根本无法饶制。反之，如果导线截面不够大，那么线圈流过大电流将会烧毁。2.8 在分析变压器时，为什么要对二次绕组进行折算？折算的物理意义是什么？折算前后二次侧的电压、电流、功率和参数是怎样变化的？答：折算的目的是将一次、二次两个分离的电路画在一起，获得变压器的等效电路。折算的物理意义是用匝数为的绕组来等效实际匝数为的二次绕组，将变比为的变压器等效成变比为1的变压器。折算后，二次电

11、压为折算前的倍，二次电流为折算前的，二次功率不变，二次电阻和漏抗、负载阻抗均为折算前的倍。2.9 为什么变压器的空载磁动势与负载时的一、二次绕组合成磁动势相等？答：因为变压器的漏阻抗很小，无论空载还是负载，漏阻抗压降都很小，在电源电压不变时，主电动势变化很小，因此主磁通几乎不变，所以用以产生主磁通的空载磁动势与负载时的合成磁动势相等。2.10变压器负载运行时，一、二次绕组中各有哪些电动势或电压降？它们是怎样产生的？试写出电动势平衡方程式。答：一次绕组外加电源电压时，一次绕组中有主电动势，漏电动势（漏抗压降），电阻上的电压降，方程式为；二次绕组中有主电动势，漏电动势（漏抗压降），电阻上电压降，负

12、载端电压为，方程式为。2.11试说明变压器等效电路中各参数的物理意义，这些参数是否为常数？答：和分别为原边一相绕组的电阻和漏电抗，和分别为副边一相绕组的电阻和漏电抗的折算值，上述四个参数为常数,其中、的大小分别反映了原、副绕组漏磁通的大小。是反映铁心损耗的等效电阻，称为励磁电阻，是反映主磁通大小的电抗，称为励磁电抗，这两个参数也是一相参数，当电源电压不变时，和近似为常数。2.12 利用T形等效电路进行实际问题计算时，算出的一次和二次侧电压、电流、损耗、功率是否均为实际值，为什么？答: 一次各物理量数值均为实际值,二次电压、电流是折算值，二次损耗、功率是实际值。因为对二次绕组进行折算时，是以等效

13、为原则，其中，折算前、后的二次侧损耗、功率是保持不变的。2.13 变压器空载实验一般在哪侧进行？将电源加在低压侧或高压侧所测得的空载电流、空载电流百分值、空载功率、励磁阻抗是否相等？答：空载实验一般在低压侧进行。空载电流不等，高压侧空载电流是低压侧的；空载电流百分值相等；空载功率相等；励磁阻抗不等，高压侧励磁阻抗是低压侧的倍。2.14变压器短路实验一般在哪侧进行？将电源加在低压侧或高压侧所测得的短路电压、短路电压百分值、短路功率、短路阻抗是否相等？答：短路实验一般在高压侧进行。短路电压不等，高压侧短路电压是低压侧的倍；短路电压百分值相等；短路功率相等；短路阻抗不等，高压侧短路阻抗是低压侧的倍。

14、2.15 为什么可以把变压器的空载损耗看作铁耗？短路损耗看作额定负载时的铜耗？答：空载试验时外加额定电压，空载损耗包括额定铁损耗和空载铜损耗，由于空载电流很小，空载铜损耗远远小于额定铁损耗，可忽略，所以空载损耗可看作铁损耗。短路试验时电流为额定电流，短路损耗包括额定铜损耗和短路时的铁损耗，由于短路电压很低，磁通很小，短路时的铁损耗远远小于额定铜损耗，可忽略，所以短路损耗可看作额定负载时的铜损耗。三、简答题1. 答：主磁通以铁心为磁路，同时交链原、副绕组，数值较大，起传递能量作用；漏磁通主要以变压器油或空气为磁路，仅交链自身绕组，数值小，仅起电抗压降作用。2. 答：当电源电压不变时，电源频率降低

15、，主磁通增大，磁路饱和程度增加，磁导率下降，励磁电抗减小，空载电流增大，此时，根据可知，铁心损耗随的增加而增加。3. 答：折算的目的是将变比为的变压器等效成变比为1的变压器，从而将一次、二次两个分离的电路画在一起，获得变压器的等效电路；折算原则是保持折算前后二次侧磁动势不变、二次侧有功、无功功率不变。4. 答： 带阻容性负载时的相量图带纯电阻负载时的相量图答：将低压侧短路,高压侧接电源,用调压器逐渐升高电压,用电流表监视电流,当电流达到额定值时同时读取电压、电流和功率，分别依下列各式求取参数：第3章 思考题与习题参考答案3.1 三相组式变压器和三相心式变压器的磁路结构各有何特点？在测取三相心式

16、变压器的空载电流时，为什么中间一相的电流小于其它两相的电流？答：三相组式变压器的三相磁路彼此独立，互不关联，且各相磁路几何尺寸完全相同；三相心式变压器的三相磁路彼此不独立，互相关联，各相磁路长度不等，三相磁阻不对称。在外加对称电压时，由于中间相磁路长度小于其它两相的磁路长度，磁阻小，因此，中间一相的空载电流小于其它两相的电流。题3.2图 极性试验图3.2 变压器出厂前要进行“极性”试验，如题3.2图所示，在U1、U2端加电压，将U2、u2相连，用电压表测U1、u1间电压。设变压器额定电压为220/110V，如U1、u1为同名端，电压表读数为多少？如不是同名端，则读数为多少？答:110V，330

17、V3.3 单相变压器的联结组别有哪两种？说明其意义。答：有I，I0；I，I6两种。I，I0说明高、低压绕组电动势同相位；I，I6说明高、低压绕组电动势反相位。3.4 简述三相变压器联结组别的时钟表示法。答：把三相变压器高压侧某一线电动势相量看作时钟的长针，并固定指向“0”点，把低压侧对应线电动势相量看作时钟的短针，它所指向的时钟数字便是该变压器的联结组别号。3.5 试说明为什么三相组式变压器不能采用Y,y联结，而小容量三相心式变压器可以采用Y,y联结？答：因为三相组式变压器三相磁路彼此独立，采用Y，y联结时，主磁路中三次谐波磁通较大，其频率又是基波频率的三倍，所以，三次谐波电动势较大，它与基波

18、电动势叠加，使变压器相电动势畸变为尖顶波，其最大值升高很多，可能危及到绕组绝缘的安全，因此三相组式变压器不能采用Y，y联结。对于三相心式变压器，因为三相磁路彼此相关，所以，三次谐波磁通不能在主磁路（铁心）中流通，只能通过漏磁路闭合而成为漏磁通。漏磁路磁阻很大，使三次谐波磁通大为削弱，主磁通波形接近于正弦波，相电动势波形也接近正弦波。但三次谐波磁通频率较高，流经油箱壁及其它铁件时会产生涡流损耗，引起局部过热，降低变压器运行效率，因此，只有容量小于1800KVA的三相心式变压器才允许采用Y，y联结。3.6 在三相组式变压器中，三次谐波磁通是主磁通；而在三相心式变压器中，三次谐波磁通是漏磁通，这一说

19、法对吗？为什么？答：对。因为在组式变压器中，三次谐波磁通流经主磁路，数值较大，起到了主磁通的作用；而在心式变压器中，三次谐波磁通流经漏磁路，数值较小，可看作漏磁通。3.7 为什么三相变压器中总希望有一侧作三角形联结？ 答：三相变压器，无论是组式还是心式结构，只要有一侧作三角形联结，就为三次谐波电流提供了通路，从而使主磁通基本为正弦波，相电动势波形接近正弦波而不发生畸变。3.8 把三台相同的单相变压器组成 Y,d联结的三相变压器，当二次侧三角形开口未闭合时，将一次侧接入电源，发现开口处有较高电压，但开口闭合后，其电流又非常小，检查接线并无错误，这是为什么？答：一次侧Y联结，励磁电流为正弦波，主磁

20、通为平顶波，可分解成基波和三次谐波磁通，由于三相磁路独立，二次侧三角形开口未闭合时，三次谐波磁通在各相主磁路中流通，其值较大，在每相绕组中产生的三次谐波电动势也较大，此时三角形开口处电压是每相三次谐波电动势的三倍，所以开口电压较高；当三角形开口闭合后，三角形绕组自身构成回路，三次谐波电动势在三角形内形成三次谐波电流，起到励磁电流的作用，此时主磁通接近于正弦波，每相绕组感应电动势接近正弦波，三角形内的三次谐波电流几乎为零，所以闭合后电流非常小。3.9 三相变压器的绕组连接方式如题3.9图所示，画出它们的电动势相量图，并判定其联结组别。(a) (b) (c) (d) 题 3.9图（a）组别号为Y，

21、y4 （b）组别号为Y，y2(c) 组别号为Y，d5 (d) 组别号为Y，d7三、简答题1. 答：在外加电压是正弦的情况下，铁心中的磁通也为正弦波，因为磁路饱和的原因，产生这个正弦波磁通需要尖顶波的空载电流。2. 答：因为三相组式变压器三相磁路彼此独立，采用Y，y联结时，主磁路中三次谐波磁通较大，其频率又是基波频率的三倍，所以，三次谐波电动势较大，它与基波电动势叠加，使变压器相电动势畸变为尖顶波，其最大值升高很多，可能危及到绕组绝缘的安全，因此三相组式变压器不能采用Y，y联结。对于三相心式变压器，因为三相磁路彼此相关，所以，三次谐波磁通不能在主磁路（铁心）中流通，只能通过漏磁路闭合而成为漏磁通

22、。漏磁路磁阻很大，使三次谐波磁通大为削弱，主磁通波形接近于正弦波，相电动势波形也接近正弦波。但三次谐波磁通频率较高，流经油箱壁及其它铁件时会产生涡流损耗，引起局部过热，降低变压器运行效率，因此，只有容量小于1800KVA的三相心式变压器才允许采用Y，y联结。3. 答：因为三次谐波电动势大小相等，相位相同，所以在线电动势中互相抵消，即线电动势中无三次谐波分量。4. 答：三角形回路中有不大的环流，是三次谐波电流。它是由三次谐波磁通所感生的三次谐波电动势产生的。基波电动势不能在三角形回路中产生环流，因为三相基波电动势大小相等，相位互差，在三角形回路中它们的相量和等于0，所以不会产生环流。5. 答：组

23、式变压器测得的开口电压大。因为组式变压器三相磁路彼此独立，在原边Y接，副边d接开口的情况下，原边流过正弦波电流，铁心中三次谐波磁通很大，绕组中感应的三次谐波电动势就很大，由于三次谐波电动势大小相等、相位相同，所以测得的开口电压是每相三次谐波电压的三倍，数值较大。对于心式变压器来说，因为三相磁路彼此相关，三次谐波磁通只能通过漏磁路闭合，遇到的磁阻大，磁通数值小，在绕组中感应的三次谐波电动势也小，因此测得的开口电压没有组式变压器的大。三、简答题1. 答：电阻性负载时，电压变化率为正，外特性曲线是向下倾斜的；电感性负载时，电压变化率为正，外特性曲线也是向下倾斜的，程度比电阻性负载大；电容性负载时，电

24、压变化率可能为正、负或零，外特性曲线可能向下倾斜，也可能向上倾斜。2. 答：因为电动机一般运行在额定状态，所以希望额定效率为最高效率；而变压器长期运行于50%70%额定负载，所以希望(0.50.7)倍额定负载时为最高效率。3. 答：（1）各变压器的额定电压相等，即变比相等；（2）各变压器的联结组别相同；（3）各变压器的短路阻抗（短路电压）标么值相等，短路阻抗角也相等。4.答：均为2倍。5.答：短路试验时的短路电流等于额定电流（最小），稳态短路电流等于额定电流的1020倍； 突然短路电流等于额定电流的2030倍（最大）10.1 异步电动机的性能指标有哪些？它们代表的物理意义是什么？答：异步电动机

25、的性能指标主要有五项，分别是：额定效率，额定功率因数，最大转矩倍数，起动转矩倍数和起动电流倍数。其中，和是反映电动机出力能力的指标，称为力能指标；是反映电动机短时间承受过负载能力的指标，称为过载能力；和是反映电动机起动性能的指标。10.2 什么是三相异步电动机的Y-降压起动? 它与直接起动相比，起动转矩和起动电流有何变化?答：为了降低三相异步电动机的起动电流，对于定子绕组为形联结电动机，起动时先将定子绕组接成Y形，实现降压起动，当起动完毕后，再将定子绕组恢复成形联结进入正常运行。Y-降压起动时，绕组电压降低倍，起动电流和起动转矩降均低为直接起动时的。10.3 三相笼型异步电动机采用自耦变压器降

26、压起动时，起动电流和起动转矩与直接起动时相比有何变化?答：采用自耦变压器降压起动时，起动电流和起动转矩都降低为直接起动时的倍（为自耦变压器的变比）。10.4 在绕线转子异步电动机转子回路内串电阻起动，既可提高起动转矩，又能减少起动电流，这是什么原因？串电感或电容起动，是否也有同样效果？答：从等效电路来看，起动时，转子回路串入电阻，转子电流将减小，根据磁动势平衡关系，此时的定子电流也将减小。虽然转子电流减小了，但是因为转子电阻的增大，转子回路功率因数将提高，由可知，当所串电阻值适当时，转子电流有功分量是增大的，所以起动转矩会增大。必须指出，串入的电阻值不能过大，否则转子电流太小，使减小，导致起动

27、转矩反而减小。转子回路串电感，可以降低起动电流，但同时转子的功率因数也降低，使减小，导致起动转矩减小；串电容时可分两种情况：1）当-=0或|-|<时，起动电流增大，起动转矩也增大；2）|-|>，起动电流减小，起动转矩也减小。 10.5三相异步电动机进行变频调速时，应按什么规律来控制定子电压?为什么?答：在变频调速时，为了保持电机良好的运行性能，总希望维持主磁通不变，因此需要保持不变，即电压与频率成正比变化。这也称为电压频率协调控制。10.6 绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速有哪些特点？答：转子回路串电阻调速不能实现连续调节（分级调速），调速范围较小，转子电阻铜损耗增大，电机效率

28、降低。10.7 什么是绕线转子电动机的串级调速？与绕线转子电动机转子串电阻调速相比，其优点是什么？答：绕线转子异步电动机的串级调速不是在转子回路中串入电阻，而是串入一个与转子感应电动势频率相同、相位相反的附加电动势，从而改变转子电流的大小，实现速度调节。与转子回路串电阻调速相比，转差功率中只有一小部分被转子绕组电阻所消耗，而其余大部分被产生的装置回馈到了电网，所以即使电机在低速运行，效率也较高。10.8 简述电磁转差离合器的工作原理和调速过程。答：工作原理：电磁转差离合器本质上也是一台感应电动机，但结构简单，主要由电枢（由铸钢制成的圆筒）和磁极组成。磁极上的励磁线圈通入直流电流产生恒定的磁场，

29、电枢由异步电动机拖动，电枢因切割直流励磁磁场而产生涡流，该涡流与励磁磁场相互作用产生电磁力，拖动磁极转子沿电枢旋转方向旋转，磁极转子的转速必小于电枢的转速（即拖动电枢的异步电动机的转速）。调速过程：调节直流励磁电流的大小，可以平滑地调节机械负载的转速。在负载不变时，增大励磁电流，磁场增强，涡流增大，电磁转矩增大，磁极转子转速（既机械负载转速）上升，与之相伴，磁场与电枢相对速度减小，涡流开始减小，电磁转矩也减小，当转速升高到某一值时，电磁转矩减小（恢复）到又与负载转矩平衡，电机便在这个高转速下稳定运行。因此，增大励磁电流，负载转速上升，反之，减小励磁电流，负载转速下降。10.9 如果电网电压不对称程度严重，三相异步电动机在额定负载下能否长时间运行？为什么？答：如果电源电压不对称程度严