电机与拖动基础学习知识习题集1(第3-6章)

第三章：直流电机原理

一、简答题：

1、换向器在直流电机中起什么作用?

在直流发电机中，换向器起整流作用，即把电枢绕组里交流电整流为直流电，在正、负电刷两端输出。在直流电动机中，换向器起逆变作用，即把电刷外电路中的直流电经换向器逆变为交流电输入电枢元件中。

2、直流电机铭牌上的额定功率是指什么功率?

直流电机铭牌上的额定功率：对直流发电机而言，指的是输出的电功率的额定值;对直流电动机而言，指的是电动机轴上输出的机械功率的额定值

3、直流电机主磁路包括哪几部分? 磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一

部分?

直流电机的主磁路主要包括;主磁极、定、转子之间的气隙电枢齿、电枢磁轭、定子磁轭。磁路未饱和时，铁的磁导率远大于空气的磁导率，气隙的磁阻比磁路中的铁心部分大得多，所以，励磁磁通势主要消耗在气隙上。

4、如何改变他励直流发电机的电枢电动势的方向? 如何改变他励直流电动机

空载运行时的转向?

通过改变他励直流发电机励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电枢电动势的方向;也可以通过改变他励直流发电机的旋转方向来改变电枢电动势的方向。

改变励磁电流的方向，继而改变主磁通的方向，即可改变电动机旋转方向;也可通过改变电枢电压的极性来改变他励直流电动机的旋转方向。

5、直流发电机的损耗主要有哪些? 铁损耗存在于哪一部分,它随负载变化吗?

电枢铜损耗随负载变化吗?

直流发电机的损耗主要有:(1)励磁绕组铜损耗;(2)机械摩擦损耗;(3)铁损耗;(4)电枢铜损耗;(5)电刷损耗;(6)附加损耗。铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时硅钢片中的磁滞和涡流损耗。这两种损耗与磁密大小以及交变频率有关。当电机的励磁电流和转速不变时,铁损耗也几乎不变。它与负载的变化几乎没有关系。电枢铜损耗由电枢电流引起,当负载增加时,电枢电流同时增加,电枢铜损耗随之增加。电枢铜损耗与电枢电流的平方成正比。

6、他励直流电动机的电磁功率指什么?

在直流发电机中，电磁功率指的是由机械功率转化为电功率的这部分功率。

7、不计电枢反应，他励直流电动机机械特性为什么是下垂的? 如果电枢反应去

磁作用很明显,对机械特性有什么影响？

因为负载转矩增大，导致点数电流增大，电枢电动势下降显然引起转速下降。如果电枢反应去磁作用明显，会使每级磁通减小，电流越大，去磁作用也大，每级磁通的减小越明显，导致机械特性反而上翘。

二、计算题：

1、某他励直流电动机的额定数据为: P N = 17kW, U N =220V, n N = 1500 r / min,ηN = 0 .83。计算I N , T2 N及额定负载时的P1 N。

2、已知某四极他励直流电动机的额定功率P N=100kW，额定电压U N=330V，

额定转速n N =730r/min ，额定效率h N =91.5%，额定运行时每极气隙磁通

F N =6.98×10-2Wb ，电机电枢绕组采用单波绕组，电枢总导体数N =186。求额定感应电动势和额定电磁转矩。解：（1）计算额定感应电动势

极对数为： p =2；支路对数： a =1；电动势常数为：

感应电动势为：

（2）计算额定电磁转矩

电枢电流为：

电磁转矩为： 3、一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，总导体数为N =372，电枢回路总电阻为R a=0.21W 。电机接在电网电压U =220V 上运行，此时转速

n =1500r/min ，每极磁通F =0.011Wb ，空载损耗p 0=566W 。试求（1）电机运行在发电机还是电动机状态；（2）电磁转矩；（3）电机的输入功率；（4）效率。

解:(1)电机的运行状态

由题意得知，并联支路数a =1，则电枢感应电动势为：可见，电机运行在电动机状态。 (2)电磁转矩

电枢电流为：

电磁转矩为：

2.61

60186

260=??==

a pN C e V 316V 7301098.62.6Φ2N a =???==-n C E e A

331A 915.0330101003

N N N N =??==ηU P I m

N 1378m N 3311098.62.655.9Φ2

N N N ?=?????==-I C T T 220V V 6.204V 1500011.01

60372

2Φ60a =<=????==

U n a pN E A 3.73A 21

.06

.204220a a a =-=-=

R E U I m

N 52.95m N 21.06.204220011.0123722Φ2Φ2a a a ?=?-????=-==πππR E U a pN I a pN T

(3)输入功率

输入功率为： (4)效率

输出功率为：

效率为：

4、有一他励直流电动机接在额定电压为220V 的电网上额定运行时，电动机的额定电枢电流I a=15A ，电枢回路总电阻R a=0.7Ω。试求：（1）电动机额定运行时的反电动势；（2）若因某种原因，使电网电压下降至200V ，但励磁电流和负载转矩均未发生变化，求在达到新平衡点后电动机的反电动势。解：（1）额定运行时的反电动势（2）新平衡点时的反电动势三、应用题

1、如图所示为某钢厂热轧机主轧辊的直流电动机驱动系统。轧机的轧辊由两台直流电动机分别驱动。根据工艺要求，轧机工作时，应使两台电动机的转速一致，以保证钢材质量。为使两台电动机转速一致，需采用转速闭环控制，通过调节电枢电压，使两台电机转速同步。试简述该系统的原理。

()V

5.209V 7.015220a a N aN =?-=-=R I U E ()V

5.189V 7.015200a a a =?-=-=R I U E kW 13.16W 3.73220a 1=?==UI P ()kW

43.14W 5663.736.2040a a 2=-?=-=p I E P %

5.89%10013.1643.1412=?==P P η

图中来自上位控制调节器的速度指令信号同时送给两个直流驱动系统的控制器，直流驱动系统的控制器根据转速偏差改变晶闸管整流装置（VT）的触发脉冲角度，以调节直流电动机的电枢电压，达到控制转速的目的。为了使电枢电流平滑，主回路中串入了电抗器L。

第四章：他励直流电动机的运行

一、简答题：

1、一般的他励直流电动机为什么不能直接启动? 采用什么启动方法比较好?

他励直流电动机启动时由于电枢感应电动势Ea=CeΦn=0,最初启动电流I S=U/Ra,若直接启动,由于Ra很小,I S会十几倍甚至几十倍于额定电流,无法换向,同时也会过热,因此不能直接启动。比较好的启动方法是降低电源电压启动,只要满足T≥(1.1～1.2)T L即可启动,这时I S≤Iamax。启动过程中,随着转速不断升高逐渐提高电源电压,始终保持Ia≤Iamax这个条件,直至U=U N,启动便结束了。

2、什么是固有机械特性和人为机械特性？试说明他励直流电动机的各种人为机械特件的变化特点。

固有机械特性是指在电源电压U=U N，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻R c=0时，n=?(T)的机械特性。当改变电气参数如变电源电压、或变气隙磁通、或变电枢外串电阻时，所得到的机械特性称为人为机械特性。

（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性的特点

①理想空载点n0与固有机械特性的相同；

②斜率b随外串电阻R c的增大而增大，使特性变软。

（2）改变电枢电源电压时的人为机械特性

①理想空载点n0与固有机械特性的相同；

②斜率b随外串电阻R c的增大而增大，使特性变软。

（3）减弱气隙磁通时的人为机械特性

①与固有机械特性比，斜率β随磁通Ф减少而增大，特性变软；

②特性的理想空载转速n0随气隙磁通Ф减弱而增大，故特性上移。

3、直流电动机起动有哪些要求？直流电动机常用的起动方法有哪些？各种起动方法的主要特点是什么？为什么一般直流电动机不能采用直接起动？

①起动电流的小；②起动转矩的大；③起动时间的短；④起动过程的平稳性；⑤起动过程的经济性。启动方法：直接起动、降压起动、电枢回路串电阻起动；直接起动的特点：不需附加起动设备，接线最简单，操作方便。但由于自身电枢电阻大，可以直接起动外，一般直流电动机不允许直接起动。

减压起动的特点：起动平稳，起动过程中能量损耗小，可实现软起动；但是需一套专用调压设备，投资大。

电枢回路串电阻起动方法特点：设备简单，操作方便；但是起动过程中能量损耗大，不适用于频繁起动的场合。

起动瞬间，转速n=0，电枢反电动势未建立，E a=C e Fn=0，使额定电压全部加在电枢内阻R a上，此时起动电流I s=U N/R a，由于R a很小，故I s很大，为额定电流I N的10～20倍，如此大的起动电流会造成换向困难，严重时会出现环火；过大的I s会引起电网电压的波动，影响接于同一电网的其他用电设备的正常运行；

4、起动他励直流电动机时为什么一定要先加励磁电压？如果未加励磁电压，而将电枢电源接通，将会发生什么现象？

不加励磁电压的话，励磁回路不能建立磁场，电枢通电后没有磁感线可以切割，无法产生动力，电机不转，时间稍微长点，电机会烧掉。

5、试分别说明他励直流电动机能耗制动、反接制动、回馈制动的实现方法、基本原理和制动性能。

6、什么是电气调速？怎样评价调速性能的好坏？调速范围与静差率之间有什么关系？选择调速方法的原则是什么？

改变电机的电气参数从而改变电机的运转速度叫做电气调速

静差率与调速范围是相互制约的两个指标，如果系统对静差率要求高（静差率越小），则调速范围越小；反之，如果系统对静差率要求不高，则可得到较大的调速范围。

调速范围与静差率要合适，调速平稳，调速经济

8、电气调速有哪几种？各种调速方式的主要特点是什么？

降低电枢电源电压调速；电枢回路串电阻调速；减弱磁通调速

降低电枢电压调速方法的特点：人为机械特性与固有机械特性平行，静态稳定性好，调速范围大，如果能连续改变电枢电压，则转速能平滑调节，调速平滑性好，能实现无级调速，调速过程中能量损耗小，但需要一套专门的调压设备，初投资较大。

电枢串电阻调速方法的特点：串入电阻越大，特性越软，空载或轻载时调速效果不明显，静态稳定性差，调速范围不大，因电阻是分段调节，故属于有级调速，调速过程中能量损耗大，但设备简单，操作方便，投资少。

减弱磁通调速方法的特点：机械特性斜率大，静态稳定性差，由于是在基速以上调速，电动机最高转速受换向能力和机械强度的限制，一般为（1.2~2）n N，故调速范围有限，但励磁电流的控制与调节方便，调速过程中能量损耗小，易实现无级调速。

二、计算题：

1、一台他励直流电动机额定数据为：P N=100kW，U N=220V，I N=517A，n N=1200r/min。试求：（1）固有机械特性方程式；（2）额定负载时的电枢电动势和额定电磁转矩；（3）额定输出转矩和空载转矩；（4）理想空载转速和实际空载转速；（5）电机额定运行，分别求电枢回路外串电阻R c=0.206Ω时的转

速、电压U =50V 时的转速和磁通Φ=75%ΦN 时的转速。解:(1)求固有机械特性方程式

估算电枢电阻，其值约为：

电动势常数（包括磁通）为：

固有机械特性方程式为：

(2)求电枢电动势和电磁转矩

电枢电动势为：电磁转矩为：

(3)额定输出转矩和空载转矩输出转矩为：

空载转矩为： (4)求理想空载转矩和实际空载转矩

理想空载转速为：

实际空载转速为：

(5)电枢回路外串电阻R c =0.206Ω时的转速

(6)电压U =50V 时的转速

Ω=Ω??=?-=0.02651710100-5172202110212

2N 3N N N a I P I U R ()min/r V 172.0r/min

1200V 026.0517220ΦN a

N N N ?=?-=-=

n R I U C e T T T C C R C U n T e e 092.0r/min 1279172

.055.9026.0r/min 172.0220ΦΦ2

2N a N

N -=?-=-

4.206V 1200172.0ΦN N a

=?==n C E e m N 2.849m N 517172.055.9Φ55.9N ?=???==a e I C T m

N 8.795m N 1200

1010055.955.93

N N 2N

?=???==n P T ()m N 4.53m N 8.7952.8492N 0?=?-=-=T T T r/min

1279ΦN

0==e C U n ()r/min 1.1274r/min 4.53092.01279092.012790'0=?-=-=T n r/min 582r/min 2.849172.055.9206.0026.01279)Φ(55.9r/min 12792

2N c a 1=???

? ????+-=+-

=T C R R n e r/min 213r/min 2.849172.055.9026

.0172.050)Φ(55.9Φ2

2N a N

2=???

? ????-=-

T C R C U n e e

(7)磁通Φ=75%ΦN 时的转速

2、一台他励直流电动机额定数据为：P N =2.2kW ，U N =220V ，I N =12.5A ，

n N =1500r/min ，R a=1.7Ω，试求：（1）当I f =I fN ，n =1500r/min 时，使系统转入能耗制动停车，要求起始制动电流为2I N ，电枢回路应串入的附加制动电阻R c1；（2）在能耗制动基础上，保持I f =I fN 不变，使T L =T N 位能性负载以最低的转速匀速下放时，应串入的制动电阻R c2和最低转速n min1；（3）当I f =I fN ，

n =1500r/min 时，采用电压反接的反接制动使系统迅速制动停车，要求起始制动电流为2I N ，电枢回路应串入的附加制动电阻R c3；（4）保持I f =I fN 不变，使

T L =T N 位能性负载以n =50r/min 的转速匀速下放时，应串入的制动电阻R c4和最低转速n min2；（5）如果电动机原运行在额定状态，突将电枢端电压降为

U =185V ，问系统能否进入回馈制动状态？起始制动电流又为多大？解:(1)先求C e F N ，再求能耗制动电阻R c1 电动势常数（包括磁通）为：

能耗制动电阻为： (2)求T L =T N 位能性负载以最低的转速匀速下放时的制动电阻和最低转速当R c2=0时，转速最低，则最低转速为：

(3)电压反接的反接制动时的制动电阻R c3

r/min 1566r/min )172.075.0(55.92

.849026.0172.075.0220)Φ%75(55.9Φ%7522N N N 3=?????

????-?=-=T C R C U n e a e ()min/r V 1325.0r/min

1500V 7.15.12220ΦN a

N N N ?=?-=

n R I U C e Ω=Ω???

? ??-??=---=25.67.115005.1221325.02Φa N N

c1R n I C R e r/min

4.160r/min

5.121325

.07

.1ΦL N

a min1-=?-

=I C R n e

电压反接的反接制动时的制动电阻为：

(4)转速为n =50r/min 的下放速度应串入的制动电阻

由前面计算可知，能耗制动的最低下放速度为160.4r/min ，故要想得到转速为

n =50r/min 的下放速度，只有采用转速反向的反接制方法，根据式（5-27），

应串入的制动电阻为：

(5)电枢端电压降为U =185V 时额定运行时的电枢电动势为：

由于电压突降瞬间，转速来不及变化，此时电动势为

电动机能进入回馈制动状态，起始制动电流为：

第五章：变压器

一、简答题：

1、短路电压的大小由什么因素决定？它对变压器运行有什么影响？

短路试验时，当一次电流达额定值，加在一次绕组的电压为U k 称为变压器的阻抗电

压

从运行角度考虑，希望Δu k 小些，能使变压器输出电压波动受负载变化的影响小些；而从限制短路电流考虑，则希望Δu k 大些，能使变压器短路故障电流小些。

2、为什么变压器的空载损耗可近似看成铁损？为什么变压器的短路损耗可近似看成铜损？

U z I %U U u 100100N

1C k75N 1N 1k

k ?=?=??Ω=Ω???

? ??-?-?+-=-+-

=05.157.15.12215001325.0220Φa B A

N N c3R I n C U R e Ω=Ω???

??-?-=--=37.157.15.12501325.0220Φa L

N N

c4R I n C U R e ()V

75.1987.15.12220a N N aN =?-=-=R I U E V

185V 75.198aN a =>==U E E A 09.8A 7

.175

.198185a a -=-=-=

R E U I

因变压器空载时无功率输出，所以输入的功率全部消耗在变压器的内部，为铁心损耗p Fe和空载铜耗I202r2之和，但空载电流I20很小，p Fe>>I202r2，故可忽略空载铜耗，认为P0≈p Fe=I202r m。

短路试验时，变压器二次侧无功率输出，输入功率全部消耗在内部，由于当绕组中短路电流为额定值时，一次侧所加的电压很低，主磁通比正常运行时小很多，铁心损耗p Fe 与铜损p Cu相比可忽略，短路损耗中主要是一、二次侧的铜损，即有：P k≈p Cu= p Cu1+ p Cu2。

3、变压器的空载试验为什么一般在低压侧做？短路试验时，一次侧所加的电压至短路电流为额定电流为止，为什么？

为了便于测量和安全，空载试验一般在二次侧做

当一次侧的电流达到额定值时，一次侧所加的电压很低，所以在短路试验时，变压器的高压绕组前接自耦变压器，将自耦变压器的输出电压由零开始慢慢升高，直至短路电流为额定电流为止

4、什么是引起变压器负载运行时二次侧端电压变化的原因？电压变化率能为零吗？如果能，则带什么性质负载时有可能使电压变化率为零？

(1)负载电流变化，引起变压器内阻压降变化。(2)一次侧电压变化，引起二次侧电压变化。

(3)变压器出现内部故障。

能带容性负载有可能使电压变化率为零

5、变压器运行时，哪些量随负载变化而变化？哪些量不随负载变化而变化？

变压器的空载损耗主要是铁损，不随负载变化而变化，则有P0≈p Fe，所以铁损是不变损耗。铜损包括一、二次绕组上的铜损，与负载电流的二次方成正比，随负载电流的变化而变化，并与短路试验电流为额定值时的输入功率存在如下关系：β2P kN≈p Cu，所以铜损是可变损耗。

6、交流电压互感器运行时为什么不允许短路？而电流互感器运行时为什么不允许开路？二次侧决不允许短路，否则会产生很大的短路电流，烧坏电压互感器；

二次侧绝不允许开路，否则，I 2=0时，被测线路中的大电流I 1全部成为励磁电流，使铁心严重过热，二次侧感应高电压，损坏电流互感器，并危及人员和其他设备安全； 9、两台变压器并联运行应满足什么条件？为什么？

为了达到理想并联情况，并联运行的变压器必须满足：①一、二次侧的额定电压相同，即电压比相等；②联结组标号相同；③短路阻抗标幺值相等。

8、什么是标幺值？在变压器的计算中使用标幺值的优点是什么？

标幺值是指某个物理量的实际值与其所选定的同一单位的固定值的比值，即

）

基值（与实际值同单位实际值（任意单位）

标幺值

1）采用标幺值时，不论变压器的容量如何，变压器的参数和性能指标总在一定的

范围内，便于分析和比较。例如中小型电力变压器的短路阻抗标幺值z k *=0.04~0.105，如果求出的短路阻抗标幺值不在此范围内，就应核查一下是否存在计算或设计错误。

2）采用标幺值能直观地表示变压器的运行情况。例如已知一台运行着的变压器端

电压和电流分别为35kV 、20A ，从这些实际数据上判断不出什么问题，但如果已知其标幺值为U k *=1.0、I k *=0.6，说明这台变压器欠载运行。

3）采用标幺值时，一、二次侧各物理量不需进行折算，便于计算。例如二次电

压向一次侧折算为，采用标幺值时，则有

二、计算题：

、

一台三相电力变压器，

Yy联结，

S N=100kVA，U1N/U2N=6/0.4kV，每相参数：r1=4.2Ω，x1=9Ω，r m=514Ω，zm=5550Ω。求：I1N、I0及每相的z1、x m、U1、E1、I0、I1z1。

解：（1）原边阻抗和励磁电抗

（2）原边电压、电流和感应电动势

（3）励磁电流和原边阻抗压降

2、一台单相变压器，其额定参数为额定容量S N=10kVA，额定频率f N=50Hz，额定电压U1N/U2N=380/220V，一次绕组漏阻抗z1=（0.14+j0.22）Ω，二次绕组漏阻抗z2=（0.035+j0.055）Ω，励磁阻抗z m=（30+j310）Ω，负载阻抗z L=（4+j3）Ω。试分别用“T”形等效电路和“Γ”形简化等效电路计算当一次侧加额定电压时，一、二次侧的实际电流、励磁电流以及二次侧的电压。

解：（1）用“T”形等效电路计算

变压器的电压比为

一次额定电流为

二次额定电流为

220

380

1N=

380

103

220

103

用“T ”形等效电路求解，二次侧折算到一次侧的参数为

取参考相量为380∠0°V ，则所求各电流为

即一次电流I 1=25.50A ，二次电流I 2=k I 2′=42.68A ，励磁电流I m =1.20A ，二次电压U 2=I 2|z L |=213.40V 。（2）用“Γ ”形等效电路计算

变压器的电压比、一次额定电流、二次额定电流与“T ”形等效电路相同，用“Γ”形简化等效电路计算二次侧折算到一次侧的参数为

取参考相量为380∠0°V ，则所求各电流为

Ω?∠=Ω+='

+??? ?

+'+

=436.3990.14)4665.9j 51.11(L

2m L 2m 1z z z z z z z z A

436.3950.25436.399.14038011

?-∠=?

∠?

∠==z

U I &

317.068.3731111?-∠=-=-z I U E &&&A 447.3767.24L

2?-∠='+'-=

-z z E I &&A

789.8420.1m

1m ?-∠=-=z E I &&Ω

?∠=Ω+='

++???

?'+'+=

471.3988.14)4597.9j 4872.11(L

21m L 21m z z z z z z z z z A 471.3954.25471.3988.14038011?-∠=?

∠?∠==z U I &&V 03801

1?∠==-U E &&A

469.3769.24L

211

2?-∠='+'+-=

'-z z z E I &&A 47284221m

?-∠=-=..z E I &

即一次电流I1=25.54A，二次电流I2=k I2′=42.71A，励磁电流I m=1.22A，二次电压U2=I2|z L|=213.55V。

3、晶体管功率放大器对输出信号来说相当于一个交流电源，如图所示，其电动势E s=8.5V，内阻R a=72Ω。另有一扬声器电阻R L=8Ω。现采用两种方法把扬声器接入放大器电路作负载，一种直接接入，另一种是经过变比k=3的变压器接入。忽略变压器的漏阻抗和励磁电流。求：1）两种接法时扬声器获得的功率；2）要使放大器输出功率最大，变压器变比应为多少？3）变压器在电路中的作用是什么？

解：（1-1）直接接入时

电源输出的电流为

扬声器获得的功率为

（1-2）通过变压器接入时

电源输出的电流为

扬声器获得的功率为

（2）要使放大器输出功率最大

要求电源的外阻等于其内阻即R s=R′=k2R，则变比

（3）变压器在电路中的作用是变阻抗。

三、分析题

1、试判别下图三相变压器的连接组别

(A)

106

(/5.8

)

(W)

106

(A)

(/5.8

)

(/2

(W)

E b E c

E a

E B E C

E A E AB

E ab

E AB

E ab

A a

X Z z x y A B C

a b c

2、试判别下图三相变压器的连接组别

E b E c

E a E B E C

E A E AB

E ab E AB A a c

b B

X Z z x y

A B C

a b c Y E ab

3、画出图所示各变压器的相量图，并指出其联接组标号。

4、试判别下图三相变压器的连接组别

第六章：交流电机电枢绕组的电动势与磁通势

简答题：

1、单相交流绕组的磁动势具有什么性质，试写出计算其振幅的表达式？

2、试说明旋转磁场产生的条件。圆形旋转磁场产生的条件又是什么？如何改变旋转磁场的转向？

3、交流电动机的频率、极对数与同步转速之间有什么关系？试求：（1）当f=50Hz，p=1时，同步转速n1；（2）当f=60Hz，p=32时，同步转速n1；（3）当f=50Hz，n1=600r/min 时，极对数p。