电机与拖动基础总复习.docx
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电机与拖动基础总复习
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电机与拖动基础总复习
试题类型
一、填空题（每题2分，共20分）二、判断题（每题2分，共20分）三、单项选择题（每题2分，共20分）四、简答题（三题，共15分）五、计算题（三题，共25分）
第一章电机的基本原理
1．按电机供电电源的不同，可以分为直流电机和交流电机两大类。
2．把穿过某一截面S的磁力线根数被称为磁通量。
在均匀磁场中，把单位面积内的磁通量称为磁通密度B。
3．非导磁材料，比如：
铜、橡胶和空气等，具有与真空相近的导磁率，因此在这些材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系是线性的。
在导磁材料中，磁场强度H与磁通密度B的关系不是线性的。
4．磁通与电压之间存在如下关系：
1）如果在闭合磁路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势；
☆
☆
2）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比。
5．电机作为一种机电能量转换装置能够将电能转换为机械能，也能将机械能转换为电能。
由于机械系统和电气系统是两种不同的系统，其能量转换必须有一个中间媒介，这个任务就是由气隙构成的耦合磁场来完成的。
☆
☆
6铁心中的磁滞损耗和涡流损耗之和为铁心损耗。
第二章电力拖动系统动力学基础
1．电力拖动系统一般由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成，通常又把传动机构和工作机构称为电动机的机械负载。
☆
2
由电动机的电磁转矩Te与生产机械的负载转矩TL的关系：
1）当Te=TL时，dn/dt=0，表示电动机以恒定转速旋转或静止不动，电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或稳态；2）若Te＞TL时，dn/dt＞0，系统处于加速状态；3）若Te＜TL时，dn/dt＜0，系统处于减速状态。
也就是一旦dn/dt≠0，则转速将发生变化，我们把这种运动状态称为动态或过渡状态。
☆3．生产机械的负载转矩特性：
☆
dTedTL4．拖动系统稳定运行的充分必要条件:
Te=TLdndn
5电动机工作在电动状态飞轮矩的折算
TL
TL
cLjLc
TL
☆
第三章直流电机原理
1．直流电动机主要由定子、转子、电刷装置、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。
定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成。
转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。
2．直流电机的绕组有五种形式：
单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组和蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。
3极距、绕组的节距（第一节距、第二节距、合成节距）的概念和关系。
4单叠绕组把每个主磁极下的元件串联成一条支路，因此其主要特点是绕组的并联支路对数a等于极对数np。
5电枢反应：
直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。
这时电机的气隙中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。
这种由电枢磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。
6直流电机的励磁方式：
☆
☆
☆7直流电机的电枢电压方程和电动势：
U
直流电机电磁转矩8直流电动机功率方程
a
EaRaIa
TeCTΦIa
P1PfPapCufpCuaPempCupFepmpaddP2P2p
9直流电机工作特性
☆
10直流电动机励磁回路连接可靠，绝不能断开
☆
一旦励磁电流If=0，则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，若此时电动机负载较轻，电动机的转速将迅速上升，造成“飞车”；若电动机的负载为重载，则电动机的电磁转矩将小于负载转矩，使电机转速减小，但电枢电流将飞速增大，超过电动机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。
11自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件
☆☆
（1）电机必须有剩磁，如果没有须事先进行充磁；
（2）励磁绕组的极性必须正确，也就是励磁绕组与电枢并联时接线要正确；
（3）励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率U/If不能太陡，否则如果伏安特性的斜率太陡，与发电机空载特性交点很低或无交点，就无法建立空载电压。
总之，自励发电机的运行首先要在空载阶段建立电压，然后才能带负载运行。
12他励直流发电机的外特性
☆
随着电流的增大，其输出电压下降。
这是因为：
①随着发电机的负载增加，其电枢反应的去磁效应增强，使每极磁通量减小，导致电枢电动势下降。
②电枢回路电阻上的电压将随着电流上升而增大，使发电机的输出电压下降。
13效率
他励直流发电机带负载运行时，其损耗中仅电枢回路的铜耗与电流Ia的平方成正比，称为可变损耗；其他部分损耗与电枢电流无关，称为不变损耗。
当负载较小时，Ia也较小，此时发电机的损耗是以不变损耗为主，但因输出功率小而效率低；随着负载增加，P2增大而效率上升，当可变损耗与不变损耗相等时效率达到最大值。
☆
第四章直流电机拖动基础
1他励直流电动机的机械特性
☆
UaIa（RaR）UaRaR
nTn0Te
2e
CeΦCeΦCeCTΦ
2人为机械特性
☆
（1）改变电枢电压一组平行曲线
（2）减小每极气隙磁通
特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上
（3）电枢回路串接电阻n0=Const；R越大，曲线越倾斜
3他励直流电动机的起动
☆
T
Nst
一般直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：
UTCΦI
R限制a1）Ist（Ist≤IN，为电机的过载倍数）；
2）Tst≥（1.1～1.2）TN；3）起动设备简单、可靠。
（1）电枢回路串电阻起动
Ist
N
st
（2）减压起动
4他励直他励直流电动机的调速
☆调速范围、静差率、平滑性
（1）串电阻调速nUNRaRT
2e
CeΦNCeCTΦN
特点：
☆☆
1）实现简单，操作方便；
2）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D≤2；4）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；
5）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。
（2）调电压调速
特点是：
☆☆
1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；3）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达10~20；4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；5）需要一套可控的直流电源。
（3）弱磁调速
特点：
☆☆
1）由于励磁电流If
3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（1.2~1.5）nN，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（3~4）nN，因而调速范围窄。
5他励直流电动机的制动
常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动三种。
（1）能耗制动A能耗制动过程
RaReb
nTe
CeΦNCTΦN
RaReb
nIa
CeΦN
RUN
eb
IRa
N
B能耗制动运行状态
（2）反接制动A电枢反接制动nUNRaRrb
R
2UN
C2Te
rbeΦNCeCTΦN
IN
B倒拉反接制动☆
nUNRaR
Crb
2Te
R2UN
eΦNCeCTΦN
rb
IN
（3）回馈制动A正向回馈制动
在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程
电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行
B反向回馈制动运行
6他励直流电动机的四象限运行☆
第五章变压器
1变压器的基本原理与结构变压器的主要组成是铁心和绕组
U1E1N1
kU2E2N2
2变压器的额定参数
额定电压U1N和U2N额定电流I1N和I2N额定容量SN单相变压器SNU2NI2NU1NI1N
三相变压器
SN3U2NI2N3U1NI1N
3一次、二次绕组感应电动势E1j4.44f1N1Φm
E
2
j4.44f1
N2
Φm
4变压器负载时的基本方程式和等效电路☆
N1I0N1I1N2I2
U1E1I1Z1
U2E2I2Z2
E1I0ZfE1kE2
5绕组折算和“T”型等效电路
☆将变压器二次绕组折算到一次绕组时，电动势和电压的折算值等
于实际值乘以电压比k，电流的折算值等于实际值除以k，而电阻、漏电抗及阻抗的折算值等于实际值乘以k2。
这样，二次绕组经过折算后，变压器的基本方程式变为
III012EIZU1111EIZU2222
E1I0Zf
E1E2
I2ZLU2
分析变压器内部的电磁关系可采用三种方法：
基本方程式、等效电路和相量图
☆。
6变压器带负载时的相量图
7变压器的参数测定
（1）空载试验
调压器TC加上工频的正弦交流电源，调节调压器的输出电压使其等于额定电压U1N，然后测量U1、I0、U20及空载损耗P0
由于空载电流I0很小，绕组损耗I02R很小，所以认为变压器空载时的输入功率P0完全用来平衡变压器的铁心损耗，即P0≈ΔpFe。
☆
pFeP0U1励磁阻抗ZfZ0励磁电阻Rf22I0I0I0
励磁电抗Xf
ZR电压比
（2）短路试验
短路试验时，用调压器TC使一次侧电流从零升到额定电流I1N，分别测量其短路电压Ush、短路电流Ish和短路损耗Psh，并记录试验时的室温θ（℃）。
2
f
2f
U1k
U20
由于短路试验时外加电压很低，主磁通很小，所以铁耗和励磁电流均可忽略不计，这时输入的功率（短路损耗）Psh可认为完全消耗在绕组的电阻损耗上，即Psh≈ΔpCu。
由简化等效电路，根据测量结果，取Ish＝I1N时的数据计算室温下的短路参数。
☆
Ush短路阻抗ZU短路电阻sh
sh
短路电抗
IshI1N
pCuPsh
Rsh22
IshI1N
22
XshZshRsh
8变压器的外特性和电压变化率
电压变化率的实用计算公式
I1N
U%（Rshcos2Xshsin2）100%
U1NII
变压器的负载系数9变压器的效率特性变压器的总损耗为
1
I1N
2
I2N
2
PppPCuFeshNP0
短路损耗（铜损耗）Psh空载损耗P0变压器效率的实用计算公式
P02PshN
1ScosP2P
N20shN
100%
图5-15变压器的效率特性曲线
当可变损耗与不变损耗相等时，效率达最大值，由此可得到产生变压器最大效率时的负载系数m为
10三相变压器绕组的联结法
m
P0
PshN
11三相变压器联结组的判断方法
三相变压器的并联运行
12三相变压器的并联运行
☆
变压器并联运行时有很多的优点：
1）提高供电的可靠性。
2）提高运行的经济性。
3）可以减小总的备用容量。
变压器并联运行的理想情况是：
☆
☆☆
1）空载时并联运行的各台变压器之间没有环流；
2）负载运行时，各台变压器所分担的负载电流按其容量的大小成比例分配，使各台变压器能同时达到满载状态，使并联运行的各台变压器的容量得到充分利用；
3）负载运行时，各台变压器二次侧电流同相位，这样当总的负载电流一定时，各台变压器所分担的电流最小；如果各台变压器的二次侧电流一定，则承担的负载电流最大。
为达到上述理想的并联运行，需要满足下列三个条件：
☆☆
1）并联运行的各台变压器的额定电压应相等，即各台变压器的电压比应相等；
2）并联运行的各台变压器的联结组号必须相同；
3）并联运行的各台变压器的短路阻抗（或阻抗电压）的相对值要相等。
第六章交流电机的旋转磁场理论
交流电机包括:
（1）异步电机
（2）和同步电机1单相电枢绕组的磁动势
2旋转磁场的基本特点
（1）三相对称绕组通入三相对称电流所产生的三相基波合成磁动势是一个旋转行波；
（2）旋转磁场的旋转方向是从电流超前的相转向电流滞后的相，改变三相绕组的相序即可改变旋转磁场的方向；
☆
（3）旋转磁场的转速n1与电源频率f1、电机极对数np之间保持严格的关系，即
☆
第七章异步电机原理
1异步电动机的优缺点
•异步电动机的优点：
结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。
•异步电动机的缺点：
功率因数较差，异步电动机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。
2异步电动机的分类
•按定子相数分：
单相异步电动机；三相异步电动机。
•按转子结构分：
绕线式异步电动机；鼠笼式异步电动机，其中又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机、深槽式异步电动机
3异步电动机的转差率：
4异步电机的运行方式
☆
n1ns
n1
5异步电动机的电压方程
（1）定子电压方程UsEsEsIsRs
E
s
jIs
Xs
Is
Rs
EsIs（RsjXs）
E
s
Is
Zs
（2）转子电压方程UrErErIrRrE
r
jIr
Xr
Ir
Rr
ErIr（RrjXr
）
ErIr（RrjXr
）6异步电动机的电磁关系
Us
EsIsRsXs
IrRrXr
图7-11异步电动机的电磁关系
6三相异步电动机单相等效电路
7等效电路和相量图
EsN1kW1N1kW1Ikeki2'
Er0N2kW2I2N2kW2
Rr'kekiRr
'Xr0kekiXr0'Xr'sXr0
虚拟电阻的损耗，实质上表征了异步电动机的机械功率1sRs
8异步电动机的功率
9异步电动机的电磁转矩
☆
TeCTmIrcos2
与每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比10异步电动机的工作特性
☆
异步电动机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线
随着负载的增大，转子转速下降，转子电流增大，定子电流及磁动势也随之增大，抵消转子电流产生的磁动势，以保持磁动势的平衡。
定子电流几乎随P2按正比例增加。
当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量也随之增加，即可使功率因数提高。
在接近额定负载时，功率因数达到最大。
异步电动机的负载不超过额定值时，角速度变化很小。
而空载转矩T0又可认为基本上不变，所以电磁转矩特性近似为一条斜率为1/的直线。
TeT0
P2
异步电动机中的损耗也可分为不变损耗和可变损耗两部分。
当输出功率P2增加时，可变损耗增加较慢，所以效率上升很快。
当可变损耗等于不变损耗时异步电动机的效率达到最大值。
随着负载继续增加，可变损耗增加很快，效率就要降低。
第八章同步电机原理
1同步电机的结构和运行方式同步电机静止的转子和旋转的定子组成
同步电机的转子有两种结构形式：
凸极式、隐极式
nn60f1
1
np
2同步电动机的磁动势
3同步电动机的功率方程和功角特性
2
PE0Us
3UsXdXqem3Xsinsin2
d2XdXq
4同步电动机的电磁转矩与矩角特性2
TE0Us3UsXdXqe3sinXsin2
1Xd21dXq
5同步电动机的稳定运行
隐极同步电动机:
当电动机拖动负载运行在=0～90的范围内，电动机能够稳定运行；当电动机拖动负载运行在=90～180的范围内，电动机不能够稳定运行。
6同步电动机的电压方程和相量图
EjIXjIXUs0ddqq
XdXadXs
q
aq
s
直轴同步电抗
交轴同步电抗XX
X
EjIXUs0sc
7同步电动机的功率因数及Ｖ形曲线
当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变同步电动机的功率因数。
☆
☆
当改变励磁电流时，同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况，即正常励磁状态、欠励状态（”）和过励状态（’）。
同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态，不要让它运行在欠励状态。
在线的左边是欠励区，右边是过励区
当同步电动机带一定负载时，若减小励磁电流，电动势、电磁功率减小。
当电磁功率减小到一定程度，θ超过90，电动机就失去同步，如图8-16中虚线所示的不稳定区。
从这个角度来看，同步电动机最好也不运行于欠励状态。
☆
第九章交流电机拖动基础
1机械特性的三种表达式
（1）物理表达式TeCTΦmIrcos2
I
'r
Us
RR/sX
s
'r
2
s
X
'2r
cos2
R'r
2
R'2r
（sX'r0）
（2）参数表达式
（3）实用表达式
smsN21
TemTN
最大电磁转矩与电压的平方成正比，与漏电抗成反比；临界转差率与转子电阻成正比，与电压大小无关。
1Tem'
22πf（XX1sr）
3npUs2
Rr'
sm
（XsXr'）
异步电动机机械特性的三种表达式，其应用场合各有不同。
一般物理表达式适用于定性地分析Te与Φ及I2cos2间的关系；参数
m
表达式多用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响；实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。
☆
2机械特性
机械特性的直线部分他机械特性的曲线部分起动转矩
稳定运行问题：
Tst
3npUsRr'
2πf1[（RsRr'）2（XsXr'）2]
2
KT
TstTN
0ssN
（1）降低定子端电压的人为机械特性特点：
☆
•1）固有特性的同步转速不变。
•2）最大转矩随电压的降低而
按二次方规律减小。
•
３）最大转矩对应的转差率保持不变．
（2）定子回路串三相对称电阻的人为机械特性
Tst
3npUsRr'
2πf1[（RsRr'）2（XsXr'）2]
2
定子回路串入电阻并不影响同步转速，但是最大电磁转矩、起动转矩和临界转差率都随着定子回路电阻值的增大而减小。
（3）定子回路串三相对称电抗的人为机械特性（4）转子回路串三相对称电阻的人为机械特性特点：
（１）同步转速n1、
最大电磁转矩Tem不变。
（２）临界转差率sm增大。
（３）起动转矩增大．
当所串入的电阻满足
R
r'R'
sm1'
XsXr
起动转矩为最大电磁转矩
3异步电动机的起动起动要求：
☆☆☆
（１）足够大的起动转矩。
起动电流倍数KI=Ist/IN（２）不要太大的起动电流。
起动转矩倍数KT=Tst/TN。
普通的异步电动机如果不采取任何措施而直接接入电网起动时，往往起动电流Ist很大，而起动转矩Tst不足。
Ir
TeCTΦmIrcos2
Er0
2
（Rr/s）2Xr0
cos2
Rr/s
2
（Rr/s）2Xr0
Rr
（Rr）2（sXr0）2
EEIRUsssss
Es4.44f1N1kW1Φm
在起动初始，n=0，转差率s=1，转子电流的频率f2=sf1≈50Hz，转子绕组的电动势sEr0=Er0，比正常运行时（s=0.01～0.05）的电动势值大20倍，则此时转子电流Ir很大，定子电流的负载分量也随之急剧增大，使得定子电流（即起动电流）很大；
转子漏磁sXr0>>Rr，使得转子内的功率因数cosφ2很小，所以尽管起动时转子电流Ir很大，但其有功分量Ircosφ2并不大。
而且，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使得感应电势Es和与之成正比的主磁通m减小，因此起动转矩Tst并不大。
异步电动机在起动时存在以下两种矛盾：
1）起动电流大，而电网承受冲击电流的能力有限；2）起动转矩小，而负载又要求有足够的转矩才能起动。
（1）小容量电动机的轻载起动——直接起动直接起动也称为全压起动。
（７.5kW）优点：
操作简便、起动设备简单；
缺点：
起动电流大，会引起电网电压波动。
（2）中、大容量电动机轻载起动——降压起动（A）星形-三角形（Y-Δ）换接起动
☆
（B）自耦降压起动
电动机端电压:
Us=U2=N2/N1U1定子电流:
Is=I2=N2/N1Ist从电网上吸取的电流:
I1=IstN2/N
12
起动转矩与起动电流降低同样的倍数。
（C）串电阻（抗）起动方法优点:
起动电流冲击小，运行可靠，起动设备构造简单；缺点:
起动时电能损耗较多。
（D）延边三角形起动方法
☆
优点：
体积小、质量轻、允许经常起动等。
缺点：
电动机内部接线较为复杂。
（3）小容量电动机重载起动——笼型异步电动机的特殊形式主要矛盾：
起动转矩不足。
解决方法有：
（１）按起动要求选择容量大一号或更大些的电动机；（２）选用起动转矩较高的特殊形式的笼型电动机。
（A）
深槽式异步电动机
☆
（B）双笼型异步电动机
（4）中、大容量电动机重载起动——绕线转子异步电动机的起动起动的两种矛盾（起动转矩小，起动电流大）同时起作用。
如果上述特殊形式的笼型电动机还不能适应，则只能采用绕线转子异步电动机了。
在绕线转子异步电动机的转子上串接电阻时，如果阻值选择合适，可以既增大起动转矩，又减小起动电流，两种矛盾都能得到解决。
（A）转子串接电阻起动方法
在起动时，在转子绕组中串接适当的起动电阻，以减小起动电流，增加起动转矩。
待转速基本稳定时，将起动电阻从转子电路中切除，进入正常运行。
（B）转子串接频敏变阻器起动方法
频敏变阻器的特点是其电阻值随转速的上升而自动减小
•R1为绕组的电阻，Xm为带铁心绕组的电抗，Rm是反映铁耗的等效电阻。
•电动机刚起动时，转子频率较高,频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡
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