电机学第2版 习题及解答汇 吕宗枢 09章 三相异步电动机的基本理论-17章 直流电机的运行 - 副本

PAGEPAGE3第9章自测题参考答案填空题1.定子铁心损耗、转轴上总机械功率；2.4、0.033；3.定子励磁磁动势、定子和转子合成磁动势；4.1000、50；5.0.02、1；6.，；7.20、980；8.、；9.转子电流有功分量、负载转矩和空载制动；10.、选择题1.③2.①3.③4.③5.②6.④7.②8.③9.③10.①问答题1.答：空载时，输入的有功功率仅供给很小的空载损耗，故定子电流的有功分量很小，但用来产生主磁通的感性无功电流分量相对较大，所以空载时功率因数低。2.答:虽然定子绕组和转子绕组没有电的联系，但二者有磁的耦合，当负载增加时，转子转速降低，定子磁动势切割转子的相对速度（）增大，转子感应电动势和感应电流也相应增大，导致转子磁动势增大，定子侧用来平衡转子磁动势的负载分量磁动势随之增大，所以定子电流和输入功率会自动增加。3.答:定子电流和转子电流都会显著增大。因为定子被卡住后，定子磁动势以的速度切割转子，转子电动势和电流显著增大，导致转子磁动势增大很多，定子侧用来抵消该转子磁动势的负载分量磁动势随之也显著增大，所以定子电流增大很多。4.答：进行频率折算时，需要保持转子磁动势不变（大小、转速、转向、空间相位不变）；进行绕组折算时，需要保持转子磁动势大小不变、转子侧功率及损耗不变。计算题解:（1）T形和简化等效电路略。解：（1）（2）（3）（4）或第10章思考题与习题参考答案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Δ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Δ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，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重，三相异步电动机不能在额定负载下长期运行。因为这时负序电压较大，负序磁场强，制动性质的负序电磁转矩大，电机转速低，正序电流大，再加上较大的负序电流，造成电机发热，长时间运行将烧毁电机。10.10三相异步电动机起动时，如果电源或绕组一相断线，电动机能否起动？如果运行中电源或绕组一相断线，能否继续旋转？为什么？答：对于Y形联结的电动机，一相电源断线或一相绕组断线情况是相同的，这时电机气隙中产生一个脉动磁场，因此电机不能起动。但运行中发生一相断线，电机仍能能继续旋转，这时相当于单相电动机运行，但此时电流会增大，电机发热，长时间运行会烧毁电机。对于Δ形联结的电动机，如果一相电源断线，这时电机气隙中产生一个脉动磁场，因此电机不能起动。但运行中发生这种断线，能继续旋转，相当于单相电动机。如果一相绕组断线，电机变成两相绕组通两相电流，由于绕组在空间上有相位差、绕组电流在时间上有相位差，所以产生一个椭圆形旋转磁场，因此电机能起动，运行中发生这种断线，也能继续旋转。当然也将出现电机过热现象。10.11一台三相笼型异步电动机,△联结，，=0.85，起动电流倍数，起动转矩倍数，供电变压器允许起动电流为150A，能否在下列情况下采用降压起动？（1）负载转矩为；（2）负载转矩为。解：（小于150A）因此，负载转矩为时，可以采用Y—Δ起动；负载转矩为时，不可以采用Y—Δ起动。10.12一台三相笼型异步电动机的数据为：，△联结，IN=20A，，，求：(1)采用Y-△降压起动时，起动电流为多少?能否半载起动?(2)采用自耦变压器在半载下起动，起动电流为多少?试选择自耦变压器的抽头比。解：（1），所以不能半载起动。（2）可以选择系列抽头，这时，10.13一台4极绕线式异步电动机，50Hz，转子每相电阻，额定负载时，若负载转矩不变，要求把转速降到1100r/min，问应在转子每相串入多大的电阻？解：额定负载时降速运行时因负载转矩不变，则有即解得10.14有一台4极绕线式三相异步电动机，PN=155kW，50Hz，转子每相电阻R2=0.012Ω。已知在额定负载下转子铜耗为2210W，机械损耗为2640W，附加损耗为310W，试求：(1)额定转速及电磁转矩；(2)若电磁转矩保持不变，而将转速降到1300r／min，应该在转子的每相绕组中串人多大电阻?此时转子铜耗是多少?解：（1）（2）降速后因负载转矩不变，则有即解得串电阻后串电阻后铜损耗为第10章自测题参考答案填空题1.额定效率和额定功率因数、起动转矩倍数和起动电流倍数；2.最大转矩倍数、短时间承受过负载；3.、；4.、；5.降低、增大；6.改变方向、对调定子任意两相绕组的出线端；7.转子电动势频率、相反；8.、正比；9.（0.5～0.6）倍额定负载，额定负载；10.反转旋转、制动二、选择题1.①2.③3.①4.①5.②6.②7.④8.①9.③10.④三、简答题1.答:起动时，转子转速为，定子磁场以同步转速切割转子，转子感应电动势及转子绕组电流都最大，根据磁动势平衡，定子电流（起动电流）也大。但起动时，转子频率高（为），转子漏抗大，因此转子功率因数低，转子电流有功分量小，而且起动时主磁通降低约一半，所以起动转矩却不大。2.答：通过改变定子绕组的接法，使定子每相的一半绕组中的电流方向发生改变，即可以实现变极调速。因为变极前后三相绕组的相序发生了变化，因此变极后只有对调定子两相绕组的出线端，才能保证电动机的转向不变。3.答：单相绕组通入单相电流产生脉动磁场，它可以分解成大小相等、转速相同、转向相反的两个旋转磁场。这两个旋转磁场分别对转子形成正向电磁转矩和反向电磁转矩，在起动时，，合成转矩，所以单相异步电动机不能自起动。解决起动的主要途径是加装起动绕组，使电机在起动时产生旋转磁场。4.答：三相异步电动机在不对称电压下运行时，电机气隙中不仅存在正序旋转磁场，同时还存在幅值较小的负序旋转磁场，它们分别对转子产生正向电磁转矩和反向电磁转矩，由于反向电磁转矩的制动作用，使电机的合成转矩减小，过载能力降低，输出功率减小，效率有所下降。另外，不大的负序电压，也将引起较大的负序电流，造成电机发热。四、计算题1.解：2.解：串电阻降速后：因为串电阻后电磁功率不变，所以第11章思考题与习题参考答案11.1同步发电机感应电动势的频率和转速有什么关系?在频率为50HZ时，极数和转速有什么关系？答:频率与转速的关系为：当频率为时，。11.2为什么汽轮发电机采用隐极式转子，水轮发电机采用凸极式转子？答：汽轮发电机磁极对数少（通常p=1），转速高，为了提高转子机械强度，降低转子离心力，所以采用细而长的隐极式转子；水轮发电机磁极对数多,转速低，所以采用短而粗的凸极式转子。11.3试比较同步发电机与异步电动机结构上的主要异同点。答：同步发电机和异步电动机的定子结构相同，都由定子铁心、定子三相对称绕组、机座和端盖等主要部件组成。但这两种电机的转子结构却不同，同步发电机的转子由磁极铁心和励磁绕组组成，励磁绕组外加直流电流产生恒定的转子磁场。转子铁心又分为隐极式和凸极式两种不同结构。异步电动机的转子分为笼型和绕线型两种结构形式，转子绕组中的电流及转子磁场是依靠定子磁场感应而产生的，故也称为感应电动机。11.4一台汽轮发电机，极数，，，，，试求：（1）发电机的额定电流；（2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率。解：（1）（2）11.5一台水轮发电机，极数，，，，，求：（1）发电机的额定电流；（2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率；（3）发电机的转速。解：（1）（2）（3）第11章自测题参考答案填空题1.三相对称、直流；2.3000、3600；3.隐极、凸极；4.2、3000；5.转子转向、改变；6.旋转磁极、旋转电枢；7.旋转磁极、旋转电枢；8.转子、定子磁场；9.相同、相同；10.笼型转子、抑制转子机械震荡选择题1.④2.④3.②4.④5.③简答题1.答:同步发电机定子铁心槽内安放着空间相差的电角度的三相对称绕组。转子由磁极铁心和励磁绕组组成。当励磁绕组通入直流电流后，建立恒定的转子磁场。转子由原动机拖动以转速匀速旋转时，转子磁场切割定子三相对称绕组，在三相绕组中产生三相对称的电动势。2.答：励磁方式分为：1）直流励磁机励磁系统：其优点是结构简单，直接获得直流电压；缺点是高转速、大容量的直流励磁机在制造和运行维护方面都存在一些困难，所以大容量汽轮发电机难以采用同轴直流励磁机励磁系统。2）静止半导体励磁系统：其优点是运行、维护方便，由于取消了直流励磁机，使励磁容量得以提高；缺点是励磁电流通过电刷和滑环引入励磁绕组，当励磁电流过大时，将使滑环产生高温而极易损坏。3）旋转半导体励磁系统：其优点是主励磁机实现了无刷化，避免了流经大电流的滑动接触，提高了电机运行的可靠性；缺点是转动部分的电压、电流难以测量，转子绕组保护比较困难。计算题解：（1）（2）第12章思考题与习题参考答案12.1试比较同步发电机带三相对称负载时电枢磁动势和励磁磁动势的性质，它们的大小、位置和转速各由哪些因素决定?答：电枢磁动势和励磁磁动势的比较见下表：磁动势来源性质转速大小幅值位置电枢磁动势（定子磁动势）是定子三相绕组流过三相对称电流产生的。是交流旋转磁动势，本身就是旋转的，称为电气旋转磁动势。同步转速：当某相电流达到最大值时，基波幅值就转到该相绕组的轴线上。励磁磁动势（转子磁动势）是转子励磁绕组通入直流电流产生的。是直流恒定磁动势，本身并不旋转，在原动机的拖动下随转子而旋转，故称为机械旋转磁动势。随着转子一起以同步速n1旋转。因为原动机以同步速拖动转子旋转的。无论转子转到什么位置，基波幅值始终处在铁心磁极轴线处。12.2同步发电机电枢反应性质主要取决于什么?若发电机的同步电抗标么值，则在下列情况下电枢反应各起什么作用?(1)带电阻负载；(2)带电容负载，(3)带电感负载。答：电枢反应的性质取决于负载电流与励磁电动势的相位关系，或者说取决于负载的性质。（1）带电阻负载时，由于同步电抗的存在，负载性质呈阻感性，故电枢反应起交磁和直轴去磁作用；（2）带电容负载时，由于它小于同步电抗（），总电抗仍为感抗，电枢电阻很小，因此电枢反应基本为直轴去磁作用；（3）带电感负载时，总电抗为更大的感抗，电枢反应主要为直轴去磁作用。12.3电枢反应电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？同步电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？答：电枢反应电抗对应电枢反应磁通，这个磁通是由电枢磁动势产生的主磁通，它穿过气隙经转子铁心构成闭合回路，它反映了电枢反应磁通的大小；同步电抗对应电枢磁动势产生的总磁通（即电枢反应磁通和定子漏磁通之和），它是表征电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步电抗的大小直接影响同步发电机的电压变化率和运行稳定性，也影响同步发电机短路电流的大小。12.4什么是双反应理论？为什么分析凸极同步电机时要用双反应理论？答：由于凸极同步电机的气隙不均匀，直轴处气隙小，磁阻小，交轴处气隙大，磁阻大，同样的电枢磁动势作用在不同位置时，遇到的磁阻不同，产生的电枢反应磁通不同，对应的电枢反应电抗也不同，即电枢磁动势（电枢电流）与电枢反应磁通（电枢电动势）之间不是单值函数关系，因此分析凸极同步电机时，要采用双反应理论。分析凸极同步电机时，不论电枢反应磁动势作用在什么位置，总是先把它分解为直轴电枢反应磁动势和交轴电枢反应磁动势，这两个分量分别固定地作用在直轴和交轴磁路上，分别对应固定的直轴和交轴磁阻，各自产生直轴和交轴电枢反应磁通，它们分别在绕组中产生直轴和交轴电动势，这种分析方法称为双反应理论。12.5对称负载运行时凸极同步电机有多少种电抗?试比较它们的大小。答：凸极同步发电机有五种电抗，分别是直轴电枢反应电抗、交轴电枢反应电抗，直轴同步电抗，交轴同步电抗，漏抗。其中，，，因为所以。12.6当凸极同步发电机的电流为恒定数值，而变动时，所产生的电枢反应电动势之值是否为恒值?在何值下有最大值和最小值?答：因为凸极同步发电机的气隙不均匀，即使为恒值，当变动时，电枢反应磁通也不会为恒值，所以不是恒值。当或时，电枢磁动势位于直轴，电枢反应磁通最大，故有最大值，当时，电枢磁动势位于交轴，电枢反应磁通最小，故有最小值。12.7同步发电机的转速一定，定子电流为额定值，保持转子励磁电流不变，根据电枢反应概念，试比较：①空载；②带电阻负载；③带电感负载；④带电容负载等四种情况下，发电机端电压的大小?为了保持端电压为额定值，应如何调节励磁电流?答：设负载容抗大于同步电抗，有，为了保持端电压为额定值，带电容负载时，应减小励磁电流；带电阻负载和电感负载时，都应增加励磁电流，带电阻负载比带电感负载时增加的励磁电流要小些。12.8为什么同步电抗的数值一般都较大(不可能做得较小)，试分析下列情况中同步电抗有何变化?(1)电枢绕组匝数增加；(2)铁心饱和程度提高；(3)气隙加大；(4)励磁绕组匝数增加。答：同步电抗与电枢绕组匝数的平方和铁心磁导率成正比，与气隙长度成反比。为了获得较大的电动势，电枢绕组匝数不可能太少，为了减小励磁安匝数，气隙应尽可能小，所以同步电抗不可能做得较小。（1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大；（2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率降低，同步电抗减小；（3）气隙加大，同步电抗减小；（4）励磁绕组匝数增加，同步电抗不变。12.9同步发电机带上的对称负载后，端电压为什么会下降，试从电路和磁路两方面来分析。答：从磁路方面来说，同步发电机带上的对称负载后，电枢反应会产生直轴去磁作用，使气隙电动势降低，同时电枢绕组漏阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降；从电路方面来说，同步阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降。12.10同步发电机短路特性曲线为什么是直线?稳态短路电流为什么不大?答：短路时，端电压，短路电流仅受发电机内部阻抗（电枢电阻和同步电抗）限制。因为电枢电阻远小于同步电抗，故短路电流可认为是纯感性，它产生的电枢反应只起直轴去磁作用，使气隙合成磁通很弱，磁路处于不饱状态，故；此时，磁路不饱和时为常数，故。因此，即短路特性为一直线。短路时，电枢绕组中的合成电动势很小（仅等于漏电抗压降），所以短路电流不会过大，或者说，因为发电机的直轴同步电抗较大，起限制短路电流的作用，所以短路电流不大。12.11列出隐极和凸极同步发电机在纯电容性负载下的电势方程式，并绘出其相量图。答：隐极发电机的电势方程式和相量图：（时）（时）将隐极发电机中的用替换，便得到凸极发电机的电势方程式和相量图。12.12有一台400kW，6300V（Y接法），（滞后）的三相凸极同步发电机，若发电机在额定状态下运行时，，（每相），不计磁路饱和与电枢电阻，试利用相量图求和。解：12.13有一台三相隐极汽轮发电机，定子绕组Y接法，额定功率，额定电压，额定电流，同步电抗，不计电阻压降，用作图法求：（1），（滞后）时的；（2），（超前）时的。解：（1）（2）12.14凸极同步发电机，（Y接），，（滞后），，，不计电枢电阻，试求额定运行时的、、、。解：（相电动势）第12章自测题参考答案填空题1.转子励磁磁场、电枢反应磁场；2.内功率因数角、外功率因数角；3.大、超前；4.大、小；5.交轴和直轴去磁、交轴和直轴助磁；6.电枢反应磁通、电枢反应磁通和电枢绕组漏磁通；7.最大、最小；8.、直轴去磁；9.电枢反应去磁作用、电枢绕组漏阻抗压降；10.纯阻性或阻感性、增大选择题1.②2.②3.④4.①5.②6.①7.②8.④9.③10.①三、简答及作图题1.答：同步发电机的电枢反应电抗与异步电动机的励磁电抗相对应。这两个电抗都是与定子三相合成磁动势产生的主磁通相对应的电路参数。2.答：从磁路方面来说，同步发电机带上的对称负载后，电枢反应会产生直轴去磁作用，使气隙电动势降低，同时电枢绕组漏阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降；从电路方面来说，在励磁电动势一定的情况下，同步阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降。3.答：发电机外特性反映端电压随负载电流变化的关系。负载性质基本决定了电枢反应的性质（交轴电枢反应、直轴去磁或助磁电枢反应），而负载大小决定了电枢反应的强弱。带阻性或感性负载时，由于电枢反应的去磁作用，外特性曲线是下降的；带容性负载时，由于电枢反应的助磁作用，外特性曲线是上升的。调整特性反映了为维持发电机端电压不变，励磁电流与负载电流（电枢电流）之间的变化关系。显然，要维持端电压不变，应调节励磁电流，以抵消电枢反应的影响，所以该特性与电枢反应性质和大小有关，即与负载性质和大小有关。带阻性或感性负载时，随负载电流增加，电枢反应去磁作用增强，端电压将下降，为保持端电压不变，必须增加励磁电流，因此调整特性曲线是上升的；带容性负载时，随负载电流增加，电枢反应助磁作用增强，端电压将上升，为保持端电压不变，必须相应减小励磁电流，因此调整特性曲线是下降的。4.答：带电阻负载时，带电容负载时，四、计算题解：（1）所以既产生交轴电枢反应，又产生直轴去磁电枢反应。（2）所以产生直轴去磁电枢反应。（3）所以产生直轴助磁电枢反应。（4）所以产生交轴电枢反应。解：（线电动势）第13章思考题与习题参考答案13.1试述三相同步发电机理想并列的条件?为什么要满足这些条件?答：三相同步发电机理想并列的条件是：（1）发电机的端电压与电网电压大小相等，相位相同，即；（2）发电机的频率与电网频率相等；（3）发电机的相序与电网相序相同。如果，则存在电压差，当并列合闸瞬间，在作用下，发电机中将产生冲击电流。严重时，冲击电流可达额定电流的5~8倍。如果，则电压相量与的旋转角速度不同，因此相量与便有相对运动，两相量的相角差将在～之间变化，电压差在（～）之间变化。频率相差越大，变化越激烈，投入并列操作越困难，即使投入电网，也不易牵入同步。交变的将在发电机和电网之间引起很大的电流，在转轴上产生周期性交变的电磁转矩，使发电机振荡。如果发电机的相序与电网相序不同而投入并列，则相当于在发电机端点上加上一组负序电压，和之间始终有相位差，电压差恒等于，它将产生巨大的冲击电流和冲击转矩，使发电机受到严重破坏。13.2同步发电机的功角在时间和空间上各具有什么含义?答：功角既是时间相量空载电动势与电机端电压之间的时间相位差角，又是空间相量主磁场与合成磁场之间的空间夹角。13.3与无穷大电网并联运行的同步发电机，如何调节有功功率？调节有功功率对无功功率是否产生影响？如何调节无功功率？调节无功功率对有功功率是否产生影响？为什么？答：与无穷大电网并联的同步发电机，通过调节原动机的输入功率（增大或减小输入力矩）来调节有功功率，调节有功功率会对无功功率产生影响；通过调节发电机励磁电流来调节无功功率，调节无功功率对有功功率不产生影响，因为在输入功率不调节时，输出功率不会变化，这是能量守衡的体现。13.4同步发电机并联于无穷大电网运行，试比较下列三种情况下的静态稳定性,并说明理由?(1)在过励磁状态下运行或在欠励状态下运行；(2)在轻载状态下运行或在重载状态下运行；(3)直接接到电网或通过升压变压器、长输电线接到电网。答：（1）在过励状态下运行比在欠励状态下运行静态稳定性好。因为此时功角小，运行点离静态稳定极限（）远；（2）在轻载状态下运行比在重载状态下运行静态稳定性好。因为此时功角小，运行点离静态稳定极限（）远；（3）直接接到电网比通过升压变压器、长输电线接到电网静态稳定性好，后者相当于发电机同步电抗增大，在输出功率一定时，发电机功角增大，运行点离静态稳定极限（）比前者近，稳定性变差。DCBA13.5与无穷大电网并联运行的隐极同步发电机，保持无功功率不变，当增加有功功率输出时，功角、定子电流、功率因数和空载电动势如何变化？作出变化前、后的相量图？当保持输出有功功率不变，只增大励磁电流时，功角、定子电流、和空载电动势又如何变化？作出变化前、后的相量图？DCBA答：保持无功功率不变，则常数，因此的端点在竖直线CD上，同时常数，相量的端点在水平线AB上。（变化后各量加“′”号）。从图可见：当增加有功输出后，功角增大、定子电流增大、功率因数增大、空载电动势增大。也就意味着需要同时增大原动机输入功率（输入力矩）和励磁电流。DDCBA保持输出有功功率不变，则常数，因此的端点在水平线AB上，同时常数，相量的端点在竖直线CD上。从图可见：当增加励磁电流后，功角减小、定子电流增大、功率因数减小、空载电动势增大。定子电流无功分量增大意味着输出无功功率增加。13.6有一台、、Y接线、(滞后)的汽轮发电机，，，试求额定负载下发电机的空载相电动势、功角及内功率因数角，并画出相量图。解：（线电动势）由得13.7有一台凸极同步发电机，，，电枢电阻略去不计，试计算发出额定电压、额定电流、(滞后)时的发电机空载电动势及功角。解：（滞后）13.8有一台隐极同步发电机，并联于无穷大电网运行，，Y接法，同步电抗。如果该发电机输出功率时，。若保持励磁不变，将输出功率减少到，忽略电枢电阻，求：功角、电枢电流和功率因数。解：根据可知13.9有一台隐极同步发电机，并联于无穷大电网运行，定子绕组Y接法，原来每相电动势，(滞后)，功角，输出电流。现在改变励磁使每相电动势，并减小原动机转矩，使功角，忽略电枢电阻，求：（1）电网电压和发电机同步电抗；（2）运行情况改变后的电枢电流和功率因数；（3）两种情况下，发电机发出的有功功率和无功功率。解：（1）（线电压）（2）（3）13.10一台汽轮发电机并联于无穷大电网，，，，，(滞后)，如果保持励磁电流不变，在负载功率减为原来的、和时，求出这三种情况下的功角、电枢电流的标么值及功率因数。解：额定运行时当负载功率减为原来的时，当负载功率减为原来的时，当负载功率减为原来的时，13.11一台汽轮发电机并联于无穷大电网运行，额定负载时，、Y接线、()，，，求：(1)发电机在额定状态下运行时，功角、电磁功率、比整步功率及静态过载能力；(2)若维持额定运行时励磁电流不变，输出有功功率减半时，、、及将为多少?(3）发电机运行在额定状态下，仅将其励磁电流加大10％时（不考虑磁路饱和），、、和电流各变为多少?解：（1）（2）输出功率减半时，（3）13.12一台隐极发电机与无穷大电网并联运行，原来功角，因为电网发生故障使电网电压下降到原来的60%，若故障前后发电机输出的有功功率保持不变，电枢电阻忽略不计，试求欲使功角不大于时，应把上升到原来的多少倍？解：根据可知，在输出有功功率不变时，电网发生故障前后应满足即欲使则13.13有一台汽轮发电机与无穷大电网并联运行，其额定数据为：，、Y接线、(滞后)，，，求：（1）发电机在额定负载时，电磁功率、功角、输出的无功功率及过载能力各是多少？2）若维持额定功率不变，减小发电机的励磁，使，试求此时发电机的电磁功率、功角、功率因数和输出的无功功率各是多少？解：（1）（2）13.14设有一台凸极同步发电机，Y接线，，，并联于无穷大电网，线电压为，额定运行时功角，每相空载电动势。求该发电机额定运行时的基本电磁功率、附加电磁功率和总的电磁功率。解：13.15有一台并联于无穷大电网运行的凸极同步发电机，Y接线。电网线电压，，，忽略电枢电阻，此时输出为，(滞后)。若把功率因数提高到（滞后）并保持有功输出不变，求励磁电动势变成原来的百分之几？解：提高功率因数到并保持有功输出不变，则第13章自测题参考答案填空题1．准整步、自整步；2．、～之间；3．时间相量与的夹角、空间矢量与的夹角；4．大、小；5．输入功率（力矩）、励磁电流；6．增大、减小；7．减小、降低；8．增大、提高；9．负载性质、励磁电流大小；10.先减小后增大、增大选择题1.④2.②3.②4.②5.④6.③7.②8.①9.①10.②简答及作图题1.答：(1)验证发电机的相序；（2）将发电机转子励磁绕组跨接一个～倍于励磁电阻的限流电阻形成闭合回路，以免电枢的冲击电流在励磁绕组中感应很高的电动势而损坏绕组；（3）在无励磁的状态下，把发电机拖动到接近同步转速（差值小于5%）；（4）合上发电机的并列开关，并立即加上直流励磁，依靠定、转子磁场形成的电磁转矩将发电机拉入同步。2.答：功率变化，励磁电流不变时的相量图如图所示，其端点在以O点为圆心、为半径的圆弧CD上。可见：功率逐渐增大时，功角增大、定子电流增大、功率因数先增大后减小（由滞后过渡到超前）。3.答：励磁电流增大、励磁电动势增大、功角减小、定子电流先减小后增大、功率因数先增大后减小（由超前过度到滞后）、电机的静态稳定性提高。4.答：在正常励磁情况下，随着输出功率的增大，定子电流将增大，励磁电动势增大，励磁电流需要增大，因此在V形曲线上，随着输出功率的增大，正常励磁点连线略向右倾斜。四、计算题1.解：（1）（2）根据可知2.解：（1）第14章思考题与习题参考答案14.1同步发电机不对称运行对电机有哪些影响？主要是什么原因造成的？答：（1）引起转子表面发热。这是由于负序电流所产生的反向旋转磁场以二倍同步转速截切转子，在励磁绕组、阻尼绕组、转子铁心表面及转子的其它金属结构部件中均会感应出倍频电流，因此在励磁绕组、阻尼绕组中将产生额外铜损耗，转子铁心中感应涡流引起附加损耗。（2）引起发电机振动。由于负序旋转磁场以二倍同步转速与转子磁场相互作用，产生倍频的交变电磁转矩，这种转矩作用在定子、转子铁心和机座上，使其产生的振动。可以看出，这些不良影响主要是负序磁场产生的，为了减小负序磁场的影响，常用的方法是在发电机转子上装设阻尼绕组以削弱负序磁场的作用，从而提高发电机承受不对称负载的能力。14.2为什么变压器中?而同步电机中?答：由于变压器是静止电器，正序电流建立的正序磁场与负序电流建立的负序磁场所对应的磁路是完全相同的，所以。而在同步电机中，正序电流建立的正序磁场是正转旋转磁场，它与转子无相对运动，因此正序电抗就是发电机的同步电抗，它相当于异步电机的励磁电抗；而负序磁场是反转旋转磁场，它以二倍同步速切割转子上的所有绕组（励磁绕组、阻尼绕组等），在转子绕组中感应出二倍基频的电动势和电流，这相当于一台异步电机运行于转差率的制动状态。根据异步电动机的磁动势平衡关系，转子主磁通对定子负序磁场起削弱作用，因此负序电抗就小于励磁电抗，所以在同步电机中。14.3试分析发电机失磁运行时，转子励磁绕组中感应电流产生的磁场是什么性质的？它与定子旋转磁场相互作用产生的转矩是交变的还是恒定的？答：发电机失磁运行时，转子转速n略大于定子磁场转速n1，同步发电机转入异步发电运行状态，其转差率，此时定子旋转磁场在励磁绕组中感应出频率为的交变电动势和交变电流，由于转子励磁绕组为单相绕组，因此励磁绕组将产生一个以频率交变的脉动磁场。该脉动磁场可以分解为大小相等、转速相同、转向相反的两个旋转磁场，其中和转子转向相反的旋转磁场与定子磁场之间无相对运动，二者作用对转子产生恒定的制动电磁转矩，而和转子转向相同的旋转磁场与定子磁场之间有相对运动，二者作用对转子产生交变电磁转矩，总的合成电磁转矩是制动性质，方向不变，大小脉动。14.4简述同步发电机的阻尼绕组对抑制振荡的作用。答：同步发电机振荡时，转子转速不再是同步转速，转子与定子磁场之间存在相对运动，阻尼绕组中产生感应电动势和感应电流，并产生异步转矩。当转子转速高于同步转速时，相当于异步发电机运行，此时异步转矩具有制动作用，会迫使转速下降；而当转子转速低于同步转速时，相当于异步电动机运行，此时异步转矩具有驱动作用，又迫使转速上升，因此阻尼绕组产生的异步转矩对发电机在同步转速附近振荡具有阻尼作用，能使转速很快稳定到同步转速点上。14.5说明、、的物理意义，比较它们的大小?答：电抗是与磁通相对应的电路参数，磁通大小与其磁路的磁阻有关，因此电抗大小与其对应磁通所经过的磁路有关。若磁路的磁阻大，则磁通就少，电抗也就小。、、是分别反映突然短路期间三个阶段的磁通路径变化所对应的电抗参数。第一阶段（突然短路瞬间）：直轴超瞬变电枢反应电抗对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙—转子励磁绕组及阻尼绕组外侧漏磁路—气隙—定子铁心，其磁阻大，磁通少，故小，因此直轴超瞬变电抗小。第二阶段（突然短路期间）：直轴瞬变电枢反应电抗对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙—转子阻尼绕组内侧铁心—转子励磁绕组外侧漏磁路—转子阻尼绕组内侧铁心—气隙—定子铁心，其磁阻较大，磁通较少，故较小，因此直轴瞬变电抗较小。第三阶段（进入稳态短路）：直轴电枢反应电抗对应磁通经过的磁路是：定子铁心—气隙—转子铁心（穿过励磁绕组和阻尼绕组）—气隙—定子铁心，其磁阻小，磁通多，故大，因此直轴同步电抗为大。即、、各自对应磁路的磁阻是依次减小的，对应磁通是依次增大的，故，因此。14.6同步发电机三相突然短路电流大的物理本质是什么?答：同步发电机突然短路电流大的物理本质是励磁绕组和阻尼绕组的感应电流导致电枢反应磁通的路径发生改变，致使电枢电抗减小。电抗的减小引起突然短路电流增大。14.7在同步发电机中，阻尼绕组对突然短路、不对称运行及振荡状态各起什么作用？答：阻尼绕组的存在使突然短路电流增大，但可以削弱负序磁场，提高发电机承受不对称负载的能力，还可依靠它所产生的异步转矩有效抑制振荡。14.8有一台三相同步发电机，，，，试求单相对中点稳态短路电流、两线之间稳态短路电流、三相稳态短路电流的表么值各为多少？（设）解：第14章自测题参考答案填空题1.0、；2.漏、漏；3.削弱、抑制；4.有功、感性无功；5.减小、增大。选择题1.②2.①3.④4.②5.①简答题1.答：阻尼绕组相当于异步电机的转子绕组，定子负序磁场以二倍同步速切割阻尼绕组时，会在其中产生倍频的感应电流，此电流将产生转子磁动势，根据异步电机的磁动势平衡关系可知，该转子磁动势将对定子负序磁场起削弱作用。2.答：当外磁场引起超导体闭合回路的磁链发生变化时，由超导体闭合回路中感应电流所产生的磁链恰好抵消这种变化，使任意瞬间超导体回路的总磁链保持不变，这就是超导体闭合回路磁链守恒原理。3.答：负序磁场与转子之间存在二倍同步转速的相对运动，在转子绕组（励磁绕组和阻尼绕组）中感应出二倍基频的运动电动势和电流，这相当于一台异步电机运行于转差率情况下的制动状态。因此同步发电机在定子负序磁场作用下的定、转子之间的电磁关系为异步电机的电磁关系。4.答：同步发电机的电枢磁场和转子都是以同步速旋转，二者之间无相对运动，稳态运行时电枢磁场幅值恒定，故不会在转子绕组中感应电动势。但是同步发电机突然短路时，由于电枢磁场幅值发生突变，这将在转子绕组（阻尼绕组和励磁绕组）中感应出变压器电动势，此时同步发动机的定、转子绕组之间的电磁关系就如同变压器一、二次绕组之间的电磁关系。5.答：同步发电机突然短路时，由于励磁绕组和阻尼绕组的电磁感应作用，导致电枢反应磁通的路径发生改变，其磁路的磁阻增大，电枢磁通减少，电枢电抗减小，故突然短路电流增大。计算题解：设则第15章思考题与习题参考答案15.1从同步发电机过渡到同步电动机时，功角、定子电流、电磁转矩的大小和方向有何变化？答：功角由正变负（由超前于变为滞后于），电磁转矩方向改变，由制动转矩变为驱动转矩，定子电流有功分量方向改变，由发出功率变为吸收功率。15.2当滞后时，电枢反应在发电机中有去磁作用而在电动机中却有助磁作用，为什么？答：在发电机中，当滞后时，发电机发出感性无功功率，发电机处于过励磁状态，电枢电流滞后于空载电动势，电枢反应有去磁作用；在电动机中，当滞后时，电动机吸收感性无功功率，即发出容性无功功率，所以电枢反应有助磁作用。15.3磁阻电动机的转矩是怎样产生的？为什么隐极电机不会产生这种转矩？答：磁阻电动机的转矩是由于电机的交、直轴磁阻不等（即）而产生的。隐极电机交、直轴对称，，所以不会产生磁阻转矩。15.4同步电动机带额定负载运行时，如，若保持励磁电流不变，使电机空载运行，如何变化？答：将减小到接近于零，电动机吸收容性无功功率和很少的有功功率以供空载损耗。15.5某工厂变电所变压器的容量为，该厂电力设备总功率为，（滞后），今欲新增一台、（超前）、的同步电动机，当此同步电动机满载时全厂的功率因数是多少？变压器是否过载？解：原有电力设备消耗的有功功率和无功功率分别为新增同步电动机消耗的有功功率和无功功率（超前）分别为新增同步电动机后，消耗总的有功功率和无功功率分别为消耗总的容量总的功率因数变压器不过载，但几乎满载。15.6有一台发电机向一感性负载供电，有功电流分量为1000A，感性无功电流分量为1000A，求：(1)发电机的电流和；(2)在负载端接入同步调相机后，如果将提高到O.8，发电机和调相机电流各为多少?(3)如果将功率因数提高到=l，发电机和调相机电流又各为多少?解：（1）（2）发电机电流为发电机无功电流分量调相机电流为（3）发电机电流为调相机电流为第15章自测题参考答案填空题1.超前、滞后；2.容、感；3.去磁、助磁；4.感性无功、容性无功；5.起动、抑制选择题1.②2.④3.④4.④5.②简答及作图题1.答:起动时，转子不加励磁，并将励磁绕组通过一个电阻短接。当定子加上电压后，定子旋转磁场在转子起动绕组中产生感应电流，此电流与定子磁场相互作用产生异步转矩，拖动转子旋转。当转速上升到接近同步转速时，给转子加上励磁，此时转子磁场和定子磁场的转速非常接近，依靠这两个磁场的相互作用力，便可把转子拉入同步速旋转。2.答：同步调相机也称同步补偿机，本质上是不带机械负载的同步电动机，它仅仅从电网吸收少许有功功率供给空载损耗，但通过调节它的励磁电流，可以改变它从电网吸收的无功功率大小和性质。过励时，它从电网吸收容性无功功率（或者说发出感性无功功率）；欠励时，它从电网吸收感性无功功率（或者说发出容性无功功率）。3.答：隐极同步电动机输入感性电流时的相量图如下图所示，此时电枢反应性质为交磁兼直轴助磁。4.答：：凸极同步电动机输入感性电流时的相量图如下图所示，此时电枢反应性质为交磁兼直轴助磁。计算题解：原设备的各量：（滞后）（感性）增加电动机后，总设备的各量：（滞后）（感性）新增电动机的无功功率为（容性）新增电动机的容量为新增电动机的功率因数为（超前）解：（1）当时发电机的容量为（2）完全补偿无功功率时，调相机的容量（发出的感性无功功率）为此时发电机的功率因数为发电机的容量变为（3）当时发电机的容量发电机供给的感性无功调相机的容量（发出的感性无功）第16章思考题与习题参考答案16.1简述直流发电机和直流电动机的基本工作原理。答：发电机原理：定子励磁绕组通入直流电流建立恒定的磁场（励磁磁场），当原动机拖动转子旋转时，电枢线圈便切割励磁磁场而产生感应电动势，尽管该电动势是交流电动势，但是通过换向器和电刷的配合作用，在电刷两端可获得直流电动势，当电刷与外电路接通时，便可向外电路发出直流电流。电动机原理：定子励磁绕组通入直流电流建立恒定的励磁磁场，当把直流电源加在电刷两端时，电枢线圈中将有电流流过，电枢线圈的每边导体在励磁磁场中将受到电磁力的作用，并对转轴形成电磁转矩，从而拖动转子旋转。必须指出，虽然外加直流电源，但通过电刷和换向器的配合作用，使电枢线圈中流过的是交流电流，从而保证电机产生固定方向的电磁转矩，拖动转子沿固定方向旋转。16.2在直流电机中，为什么每根导体的感应电动势为交流，而由电刷引出的电动势却为直流?换向器的作用是什么？答：在直流电机中，电枢旋转使每根导体交替切割N、S极磁场，所以电枢导体电动势为交流。但由于换向器与电枢线圈一起旋转，而电刷固定不动，使得其中的一个电刷总是与位于N极下的导体相接触，另一个电刷总是与位于S极下的导体相接触，也就是说，一个电刷的电位总为正极性，而另一个电刷的电位总为负极性，所以电刷两端的电动势是一个极性不变的直流电动势。换向器是实现电刷两端直流电与电枢线圈中交流电的相互转换作用。16.3试判断下列情况下电刷两端电压的性质：(1)磁极固定，电刷与电枢同时旋转；(2)电枢固定，电刷与磁极同时旋转。答：（1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转时，电刷两端电压为交流；（2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转时，电刷两端电压为直流。16.4试述直流电机的主要组成部件及其作用。答：直流电机主要由定子和转子组成。定子部分有：（1）主磁极，作用是产生恒定的主磁场；（2）换向极，作用是减少电刷与换向器之间的火花；（3）电刷装置，作用是与换向器一起实现直流电机的内部交流与外部直流的相互转换功能，并使电刷与换向器保持良好接触；（4）机座和端盖，机座的作用是用来固定主磁极、换向极和端盖，也是电机磁路的一部分。转子部分有：（1）电枢铁心，作用是用来安放电枢绕组并作为主磁路的一部分；（2）电枢绕组，作用是产生感应电动势和电流以及产生电磁转矩，是电能与机械能相互转换的重要部件；（3）换向器，又称整流子，是实现电枢内交流电和外部直流电的转换作用。16.5说明直流发电机与直流电动机额定功率的定义及其性质差别。答：额定功率是指输出功率。直流发电机的额定功率是指电机额定运行时，电刷端输出的电功率；直流电动机的额定功率是指额定运行时，电机转轴输出的机械功率。16.6一台直流电动机的铭牌数据如下：额定功率，额定电压，额定转速，额定效率。试求该电动机的额定输入功率和额定电流。解：16.7一台直流发电机的铭牌数据如下：额定功率，额定电压，额定转速，额定效率。试求该发电机的额定输入功率和额定电流。解：16.8一台直流电机的极对数p=3，电枢绕组总导体数N=398，气隙每极磁通=2.1×10-2Wb，电枢电流Ia=10A，转速n=1500r/min，电枢绕组有两条并联支路。求电枢电动势和电磁转矩。解：第16章自测题参考答案填空题1.交流、直流；2.串励、复励；3.电、机械；4.相反、相同；5.相同、相反选择题1.③2.①3.②4.③5.③简答题和作图题1.答：由于主磁极励磁绕组中通入直流电流后产生的磁场为恒定磁场，即磁极铁心中的磁通是不变的，所以主磁极铁心包括定子铁轭中不存在磁滞和涡流损耗，所以可采用普通钢片。但由于电枢旋转，电枢铁心交替切割主磁极N、S磁场，电枢铁心中的磁通是交变的，故电枢铁心中产生涡流和磁滞损耗，为了减少涡流和磁滞损耗，电枢铁心必须采用硅钢片。2.答：有他励、并励、串励和复励四种。各接线图略。计算题解：（1）（2）（3）第17章思考题与习题参考答案17.1如何判断直流电机是运行于发电机状态还是电动机状态，它们的与、与的方向有何不同，能量转换关系有何不同?答：通过比较和的大小来判断。如果，则为发电机状态，如果，则为电动机状态。发电机状态时，与方向相反，与方向相同，将机械能转换为电能；电动机状态时，与方向相同，与方向相反，将电能转换为机械能。17.2分别对不同励磁方式的发电机、电动机列出电流I、Ia、If的关系式。答：他励发电机和电动机：并励发电机：，并励电动机：串励电动机：复励电动机：17.3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?答：直流电机中有：电枢铁心损耗、机械损耗、附加损耗、电枢回路铜损耗和励磁回路铜损耗。电枢铁心损耗是由于电枢铁心内磁场交变引起的；机械损耗是由于转动部件摩擦引起的；附加损耗是由于齿槽存在及漏磁场畸变引起的；电枢回路铜损耗是电枢电流在电枢回路总电阻上产生的损耗；励磁回路铜损耗是励磁电流在励磁回路电阻上产生的损耗。铁心损耗与磁通密度幅值及交变频率有关，因为磁密不变，在转速一定时，电枢内磁场的交变频率也不变，所以铁耗是不变损耗；机械损耗与转速有关，当转速一定时，它是不变损耗。17.4如果并励直流发电机不能自励建压，可能有哪些原因？应如何处理？答：（1）主磁极可能没有剩磁，应该通过励磁绕组给主磁极充磁；（2）转向不正确（或励磁绕组与电枢绕组的连接不正确），在有剩磁的状态下改变转向（或转向不变时，改变励磁绕组与电枢绕组的相互连接）；（3）励磁回路电阻过大，超过了临界电阻，此时应减小励磁回路的调节电阻。17.5并励直流发电机正转时能自励，反转时能否自励？为什么？答：正转能自励，说明励磁电流所产生的磁场恰好与剩磁方向相同，如果反转，励磁电流所产生的磁场就会与剩磁方向相反，主极剩磁被削弱，不能建立电压。17.6一台他励直流发电机，当励磁电流保持不变时，将转速提高20%，空载电压提高多少？若是并励直流发电机，当励磁回路电阻不变时，转速提高20%，则电压比前者升高得多还是升高得少？为什么？答：对于他励发电机，励磁电流不变，主磁通为常数，转速升高，空载电压也会升高；对于并励发电机，当励磁回路电阻不变时，转速升高，电压比前者升高得多（大于），因为随着转速升高，电枢端电压增大，励磁回路中电流也会增大，主磁通增加，使得空载电压进一步升