电机学下期末试题及答案

电机学下期末试题及答案试题一、填空题（每空2分，共20分）1.同步发电机正常运行时，若励磁电流减小，保持输出有功功率不变，则功率因数将（）（填“超前”或“滞后”）；若仅增加原动机输入功率，端电压将（）（填“升高”“降低”或“基本不变”）。2.三相异步电动机的电磁转矩与（）、（）及转子回路功率因数成正比。3.直流电动机的换向极绕组应与（）绕组（填“串联”或“并联”），其作用是（）。4.变压器带感性负载运行时，二次侧端电压比空载时（）（填“高”或“低”）；当负载功率因数为（）时，二次侧端电压可能高于空载电压。5.同步电机的短路比是（）与（）的比值，其值越大，电机的静态稳定性越（）（填“好”或“差”）。二、选择题（每题2分，共20分）1.同步发电机的电枢反应性质取决于（）。A.负载大小B.负载性质C.原动机转速D.励磁电流大小2.三相异步电动机带额定负载运行时，若电源电压突然下降10%，稳定后电机的转速将（）。A.上升B.下降C.不变D.无法确定3.变压器的铁损在（）时最大。A.空载B.半载C.额定负载D.过载4.直流电动机采用电枢串电阻调速时，若负载转矩不变，调速后的电枢电流（）。A.增大B.减小C.不变D.先增后减5.异步电机的转差率s=1时，电机处于（）状态。A.空载B.额定运行C.启动瞬间D.发电6.同步发电机与大电网并联运行时，调节励磁电流可改变（）。A.有功功率B.无功功率C.转速D.频率7.变压器的效率η随负载系数β的变化曲线存在最大值，此时（）。A.铁损=铜损B.铁损>铜损C.铁损<铜损D.不确定8.三相异步电动机的电磁功率Pem、转子铜损pCu2与机械功率Pmec的关系为（）。A.Pem=Pmec+pCu2B.Pmec=Pem+pCu2C.pCu2=Pem+PmecD.无固定关系9.同步电机的直轴同步电抗Xd与交轴同步电抗Xq的关系通常为（）。A.Xd>XqB.Xd<XqC.Xd=XqD.不确定10.直流电机的电枢绕组采用短距的主要目的是（）。A.增加感应电动势B.改善换向C.减小铜损D.提高效率三、简答题（每题6分，共30分）1.简述同步发电机“V形曲线”的含义及影响因素。2.异步电动机启动时电流大但启动转矩不一定大的原因是什么？3.变压器空载试验和短路试验的目的是什么？试验时如何选择电源侧？4.直流电动机的电枢反应对气隙磁场有何影响？如何削弱其影响？5.为什么同步电机通常采用旋转磁极式结构？与旋转电枢式相比有何优势？四、计算题（每题10分，共30分）1.一台三相四极异步电动机，额定功率PN=30kW，额定电压UN=380V（Y接法），额定频率fN=50Hz，额定转速nN=1450r/min，定子铜损pCu1=1.2kW，铁损pFe=0.8kW，机械损耗pΩ=0.5kW，附加损耗pΔ=0.3kW。求：（1）额定转差率sN；（2）电磁功率Pem；（3）转子铜损pCu2；（4）输出功率P2及效率ηN。2.一台单相变压器，SN=50kVA，UN1/UN2=10kV/0.4kV，空载试验（低压侧）测得U0=400V，I0=5A，p0=300W；短路试验（高压侧）测得Uk=400V，Ik=5A，pk=1200W。求：（1）变压器的变比k；（2）空载电流标幺值I0；（3）短路阻抗标幺值Zk及负载损耗标幺值pk；（4）当负载系数β=0.8、功率因数cosφ2=0.8（滞后）时的效率η。3.一台隐极同步发电机，额定容量SN=100kVA，额定电压UN=400V（Y接法），同步电抗Xd=1.2Ω，不计电枢电阻。发电机与大电网并联运行，输出有功功率P=80kW，cosφ=0.8（滞后）。求：（1）电枢电流I；（2）空载电动势E0；（3）功角δ；（4）若保持有功功率不变，将励磁电流增大10%，求此时的无功功率Q及功率因数cosφ'。五、分析题（20分）某工厂一台Y160M-4型三相异步电动机（PN=11kW，UN=380V，nN=1460r/min，Δ接法）在运行中出现以下异常现象：启动时电流表指针大幅摆动（超过额定电流5倍），但电机无法转动；运行时转速偏低（约1300r/min），且定子绕组温度升高。试结合电机原理分析可能的故障原因，并提出排查步骤。答案一、填空题1.超前；基本不变（大电网并联时端电压由电网决定）2.气隙磁通；转子电流的有功分量3.电枢；改善换向（抵消电枢反应的交轴磁场，减少换向火花）4.低；容性（超前）5.空载额定励磁电流；短路额定电枢电流；好二、选择题1.B2.B（电压下降导致电磁转矩减小，转速降低以增加转差率，使转子电流增大，转矩恢复平衡）3.A（铁损与电压平方成正比，空载时电压为额定值，负载时电压略降）4.C（负载转矩T=CTΦIa，Φ不变时Ia不变）5.C（启动瞬间转子静止，n=0，s=(n1-n)/n1=1）6.B（大电网频率恒定，有功由原动机决定，无功由励磁决定）7.A（η最大时铁损=铜损）8.A（Pem=Pmec+pCu2，其中pCu2=sPem）9.A（直轴磁路磁阻小，电抗大）10.B（短距可削弱谐波电动势，改善换向）三、简答题1.V形曲线是同步发电机在有功功率恒定的情况下，励磁电流If与电枢电流Ia的关系曲线（形如“V”）。影响因素包括：有功功率大小（不同有功对应不同“V”曲线）、负载性质（感性或容性负载对应曲线偏移）、电机参数（如同步电抗）。当If过小时，电机欠励，输出容性无功；If过大时，过励，输出感性无功。2.启动时转子转速n=0，转差率s=1，转子感应电动势E2s=E2N（最大），转子电流I2=E2s/√(R2²+(sX2N)²)=E2N/√(R2²+X2N²)（较大），定子电流I1随之增大（约5-7倍额定电流）。但启动转矩Tst=CTΦI2cosφ2，此时转子频率f2=sf1=f1（高频率），转子电抗X2s=sX2N=X2N（大），cosφ2=R2/√(R2²+X2N²)（低），导致I2的有功分量小，故Tst不一定大。3.空载试验目的：测铁损p0、励磁参数（Rm、Xm）；短路试验目的：测铜损pk（额定电流时）、短路参数（Rk、Xk）。空载试验通常在低压侧加电压（高压侧开路），因低压侧电压低、电流大，便于测量；短路试验在高压侧加电压（低压侧短路），因高压侧电流小（接近额定电流），仪表量程易匹配。4.电枢反应的影响：①交轴电枢反应：使气隙磁场畸变（前极端去磁，后极端增磁），饱和时总磁通略减；②直轴电枢反应（仅当电刷偏移时）：去磁或增磁。削弱方法：安装换向极（产生与电枢反应相反的磁场）、选用合适的电刷位置、增加主磁极气隙。5.旋转磁极式结构将电枢绕组固定在定子（静止），励磁绕组随转子旋转。优势：①电枢绕组通过集电环引出大电流（定子绕组无需滑动接触）；②转子结构简单（仅励磁绕组，电压低、电流小）；③绝缘性能好（定子绕组固定，便于加强绝缘）；④机械强度高（适用于高转速）。四、计算题1.（1）同步转速n1=60f/p=60×50/2=1500r/min，sN=(n1-nN)/n1=(1500-1450)/1500≈0.0333。（2）电磁功率Pem=P2+pCu2+pΩ+pΔ，而P2=PN=30kW；总机械功率Pmec=P2+pΩ+pΔ=30+0.5+0.3=30.8kW；又Pmec=Pem(1-sN)，故Pem=Pmec/(1-sN)=30.8/(1-0.0333)≈31.86kW。（3）pCu2=sN×Pem=0.0333×31.86≈1.06kW。（4）输入功率P1=Pem+pCu1+pFe=31.86+1.2+0.8=33.86kW，效率ηN=P2/P1×100%=30/33.86×100%≈88.6%。2.（1）变比k=U1N/U2N=10000/400=25。（2）高压侧额定电流I1N=SN/U1N=50000/10000=5A，低压侧额定电流I2N=SN/U2N=50000/400=125A。空载试验在低压侧，I0=5A（低压侧），标幺值I0=I0/I2N=5/125=0.04。（3）短路试验在高压侧，Zk=Uk/Ik=400/5=80Ω，高压侧基准阻抗Zb=U1N²/SN=10000²/50000=2000Ω，Zk=Zk/Zb=80/2000=0.04；pk=1200W，基准功率Sb=SN=50000W，pk=pk/Sb=1200/50000=0.024。（4）铁损p0=300W，负载铜损pCu=β²pk=0.8²×1200=768W；输出功率P2=βSNcosφ2=0.8×50000×0.8=32000W；输入功率P1=P2+p0+pCu=32000+300+768=33068W，效率η=P2/P1×100%≈32000/33068×100%≈96.8%。3.（1）电枢电流I=P/(√3UNcosφ)=80000/(√3×400×0.8)≈144.34A（Y接法，线电流=相电流）。（2）相电压U=UN/√3=400/√3≈230.94V；电枢电流相量I=I∠-φ（滞后），φ=arccos0.8≈36.87°，故I=144.34∠-36.87°A。隐极机E0=U+jXdI，代入得：E0=230.94∠0°+j1.2×144.34∠-36.87°=230.94+j1.2×144.34×(cos36.87°-jsin36.87°)=230.94+j1.2×144.34×0.8+1.2×144.34×0.6=230.94+133.81j+103.92=334.86+133.81j≈360V（相电动势）。（3）功角δ=arctan(133.81/334.86)≈21.6°。（4）励磁电流增大10%，E0'=1.1×360=396V。有功功率P=3UIcosφ=3(UE0sinδ)/Xd（隐极机），保持P不变，故sinδ'=sinδ×E0/E0'=sin21.6°×360/396≈0.368×0.909≈0.335，δ'≈19.6°。电枢电流相量I'=(E0'-U∠0°)/(jXd)=(396∠δ'-230.94∠0°)/(j1.2)。代入δ'=19.6°，E0'=396(cos19.6°+jsin19.6°)=396×0.942+396×0.335≈373.0+132.7j。I'=(373.0+132.7j-230.94)/j1.2=(142.06+132.7j)/j1.2=(-j142.06+132.7)/1.2≈110.6-118.4jA。电流有效值I'=√(110.6²+118.4²)≈162A，无功功率Q=3UI'sinφ'=3×230.94×162×(118.4/162)≈3×230.94×118.4≈82.3kW（感性）。功率因数cosφ'=110.6/162≈0.683（滞后，因无功仍为感性）。五、分析题可能故障原因：1.启动时无法转动且电流大：①转子断条或笼条开焊（转子导条断裂，无法产生足够启动转矩）；②负载过重（超过启动转矩能力）；③定子绕组缺相（单相启动转矩为零）；④电源电压过低（启动转矩与电压平方成正比）。2.运行时转速偏低、绕组温升：①转子导条局部断裂（转子电流减小，电磁转矩降低，需增大转差率以维持转矩，导致转速下降、转子铜损增加）；②定子绕组匝间短路（部分绕组短路，气隙磁通减小，电磁转矩降低，转速下降；短路电流增大导致温升）；③轴承卡阻（机械损耗增大，需更大电流维持转速，导致温升）；④电源频率偏差（频率降低，同步转速n1=60f/p下降，实际转速随之降低）。排查步骤：1.检查电源：用万用表测量三相电压是否平衡（≥360V，偏差≤5%），排