第五章???????? 三相异步电动机基本工作原理和结构 ? 5-1 三相异步电动机为什么会转，怎样改变它的极性？ 答：（1）电生磁：定子三相绕组通以三相正弦交流电流产生一个以同步速n1、转向与相序一致（顺时针方向）的旋转磁场。假定此瞬间旋转磁场极性由上到下（如图所示） （2）（动）磁生电：由电磁感应理论：静止的转子绕组切割定子旋转磁场而感应电动势，其方向由”右手发电机”定则确定，如图所示（转子上面三个导体为 ⊙ ,下面三个导体为⊕ ）。由于转子绕组自身闭合，便有电流通过，并假定电流与电动势同相（即为有功分量电流）。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3) 电磁力（矩）：转子载（有功）电流导体在定子旋转磁场作用下受到电磁力的作用，其方向由”左手电动机”定则确定（转子上面三个导体受力方向向右，下面三个导体受力方向向左），这些力对转轴形成电磁转矩（顺时针方向）Tem，它与旋转磁场方向相同（即与相序一致），于是在该转矩驱动下，转子沿着转矩方向旋转，从而实现了能量转换。 改变相序即可改变三相异步电动机的转向。 ? 5-2 为什么异步电动机的转速一定小于同步转速？若转子电流和转子电动势之间有相位差，这里所有转子导体上的电磁力的方向是否都和转向相同，画图分析说明。 答： 由上题知，异步电动机的转向n与定子旋转磁场的转向n1相同，只有n<n1（异步电动机），即转子绕组与定子旋转磁场之间有相对运动，转子绕组才能感应电动势和电流，从而产生电磁转矩。若转速上升到n=n1，则转子绕组与定子旋转磁场同速、同向旋转，两者相对静止，转子绕组就不感应电动势和电流，也就不产生电磁转矩，电动机就不转了。 若转子电流和电动势有相位差，这时转子各导体所产生的电磁转矩方向不会全与转子转向相同，分析如下： 假定转子导体外的”? 、×”表示电动势方向（由”右手发电机”定则确定），导体内的 ⊙、⊕ 表示电流方向，如图所示。 图（a）为转子电流与电动势同相位，由”左手电动机”定则确定各导体在磁场中所受电磁力的方向，由小箭头表示，可见，电磁转矩方向与转向相同。 图（b）为转子电流与电动势有相位差（如电流滞后电动势一相位角Ψ2，当正对着磁极轴线的转子导体电动势达最大值时，则电流达最大值的转子导体还在逆磁场旋转方向并距前述导体一空间电角度Ψ2的地方，同样可判得转子各导体在磁场中所受电磁力的方向，可见，转子大部分导体所产生的电磁转矩方向与转向 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 相同，只有小部分导体电磁转矩方向与转向相反，因此，当转子电流与电动势的相位差时，电动机总电磁转矩将减小。 ? 5-3 试述“同步”和“异步”的含义？ 答： “同步”和”异步”是个相对概念，是指交流旋转电动机的转速n对旋转磁场的转速n1而言，若n= n1为同步电机，n≠n1为异步电机。 ? 5-4 何谓异步电动机的转差率？在什么情况下转差率为正，什么情况为负，什么情况下转差率小于1或大于1？如何根据转差率的不同来区别各种不同运行状态？ 答：异步电机转差率s 是指旋转磁场转速n1与转子转速 n之间的转速差（n1-n）与旋转磁场转速n1的比率，即。 当n< n1时，转差率为正（s>0），n> n1时转差率为负（s<0）； 当n1>n>0时，转差率s<1；当0>n>∞时，转差率s>1; 当+∞>s>1 时为电磁制动运行状态，当1>s>0时为电动机运行状态，当0>s>-∞时为发电机运行状态。 ? 5-5 假如一台接到电网的异步电动机用其它原动机带着旋转，使其转速高于旋转磁场的转速，如图5-9所示，试画出转子导体中感应电动势、电流和相序的方向。这时转子有功电流和定子旋转磁场作用产生的转矩方向如何？如把原动机去掉，情况又会怎样？ 答：当转子由电动机驱动，且n>n1，此时转子导体以逆时针方向切割旋转磁场（相对切割速度为n-n1）,而感应电动势e2方向如图所示（由”右手发电机”定则判定）,其相序由转子导体的切割方向决定，由于转子导体切割旋转磁场在时间上有先后顺序，如将先切割N极轴线的一相定义为U相，则后切割的那两相（互差1200空间电角度）分别为V相和W相，可见，其相序与转向相反，如图所示。 如果电流i2与电动势e2同相（即有功分量电流），则转子有功电流和旋转磁场相互作用产生电磁力，并形成转矩Tem，由”左手电动机”定则判得，其方向与转子转向相反，为制动性质转矩。实际上，此时电动机已处于发电运行状态（）。如果把原动机去掉，转速将下降，不再大于n1了，这时因为已处于发电机运行的电机在旋转过程中，绕组电阻有铜损耗，通风、轴承、磨擦等有机械损耗，致使转速逐渐下降，直至n<n1，电磁转矩方向反过来，这台电机重新在电网电源的支持下进入到电动机运行状态。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5-6 三相异步电动机在正常运行时，它的定子绕组往往可以接成星形或角形。试问在什么情况下采用这种或那种接法？采用这两种连接方法时，电动机的额定值（功率、相电压、线电压、相电流、线电流、效率、功率因数、转速等）有无改变？ 答：380/220V，Y/△接线的三相异步电动机，每相绕组所受的电压均为220V，故当电源线电压为380V时定子绕组接成Y 接线，当电源电压为220V时，定子绕组接成△形接线。 采用这两种接线时，相电压Uф相同，均为220V；相电流Iф=Uф/Z相同；效率ηN、功率因数、功率PN及转速nN均相等，因在相同相电压下，、PN、nN均取决于负载大小，当负载相同时，PN、、ηN就相同，因而，就相同。唯一不同的是线电压Ul和线电流Il不等，。 ? ? 5-7在绕线式异步电动机中，如果将定子三相绕组短接，并且通过滑环向转子三相绕组通入三相电流（如5-10所示）转子旋转磁场若为顺时针方向，这时电动机能转吗？转向如何？ ? 答： 电动机以逆时针方向旋转，原理如图所示： 转子三相绕组通入三相正弦交流电流产生旋转磁场，转速为n1、转向为顺时针方向，并假定图示瞬间，转子磁场极性N、S如图所示（上面为N极，下面为S极，产生此极性的转子电流，右面三个导体为⊙ ，左面三个导体为⊕ ）。 转子磁场旋转结果，在定子绕组中感应三相电动势, 方向如图所示（用”右手发电机”定则），由于定子三相绕组短接， 便有三相电流流过，该电流的有功 分量(与电动势同相)与转磁场相互作 用，定子导体便受到图示方向力的 作用（由”左手电动机”定则判断）， 形成顺时针方向的转矩，它企图使 定子沿顺时针方向旋转。但由于定子 静止不动，它必对转子产生一个大小 相等的反作用力，对转轴形成一个逆 时针方向的转矩，使转子沿逆时针方向旋转。 ? 5-8 假如一台星形接法的异步电动机，在运行中突然切断三相电流，并同时将任意两相定子绕组立即接入直流电源，这时异步电动机的工作状况如何，试用图分析之。 ? 答：A、B两相定子绕组通入直流电流If方向如图所示，它产生恒定方向的磁场（图 示表示，方向向左）。由于转子惯性仍以原转向 （假定为顺时针方向）旋转，则转子导体便切割定子恒定磁场感应电动势和电流（方向由”右手发电机”定则判定），此电流的有功分量与定子恒定磁场相互作用，转子导体受到图示方向力的作用，并形成逆时针方向的电磁转矩Tem，它对转子起制动作用，使转子很快停止下来。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5-9 一台三相异步电动机，PN=4.5千瓦，Y/Δ接线，380/220伏，，，转/分，试求： 1．? 接成Y形或Δ形时的定子额定电流； 2．? 同步转速及定子磁极对数P； 3．? 带额定负载时转差率； 解： (1)Y接时： UN=380V  △???? 接时： UN=220V  (2)??????  磁极对数  取p=2 同步转速 (3)?????? 额定转差率  5-10一台八极异步电动机，电源频率f=50赫，额定转差率=0.04，试求： 1．? 额定转速； 2．? 在额定工作时，将电源相序改变，求反接瞬时的转差率。 解： (1) 同步转速  额定转速  (2) 反接转差率  第六章 交流电机绕组、电动势及磁动势 6-1 有一台交流电机，Z=36，2P=4，y=7，2a=2，试会出： （1）?????? 槽电势星形图，并标出600相带分相情况； （2）?????? 三相双层迭绕组展开图。 答：（1）槽距角  每极每相槽数  由α=200画出槽电动势星形图，然后由q=3标出按600相带的分相情况（见图a），顺序为：A-Z-B-X-C-Y. ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （a） (2)由y=7画出三相双层叠绕组展开图，并根据2a=2进行端部连线（见图b ） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 6-2凸极同步发电机和隐极同步发电机空载时，气隙磁场沿圆周分布波形与哪些因素有关？ 答：由磁路的欧姆定律知,电机气隙磁通沿圆周的分布情况取决于励磁磁势F在气隙空间的分布和磁路的磁阻Rm。由于凸极发电机的励磁绕组是集中绕组，极弧的形状（即磁路的磁阻阻Rm）影响气隙磁场沿圆周分布波形。隐极发电机，由于气隙均匀，沿气隙圆周各点磁阻相同，每极范围内安放励磁绕组部分，即励磁磁势F影响气隙磁场沿圆周分布波形。 ? 6-3 试述短距系数和分布系数的物理意义，为什么这两系数总是小于或等于1？ ? 答：短距系数物理意义是：短距线匝电动势Et(y<t)（为构成线匝的两导体有效边电动势相量和）与整距线匝电动势Et(y=τ)(为构成线匝的两导体有效边电动势代数和)的比值，即：  分布系数物理意义是：线圈组各线圈分布在若干个槽时电动势相量和Eq(q>1)和对各线圈都集中在同一槽 时电动势代数和Eq(q=1)的比值，即：; 由数学知：相量和总是小于（或等于）其代数和，即及, 故其比值 即Ky及Kq总是小于1. ? 6-4 在交流发电机定子槽的导体中感应电动势的频率、波形、大小与哪些因素有关？这些因素中哪些是由构造决定的，哪些是由运行条件决定的？ 答： (1) 频率频率f与磁极对数p和发电机的转速n有关，p是由构造决定，n是由运行条件决定。 （2） 波形与电机气隙磁通密度沿气隙圆周分布的波形有关，它由电机结构决定。 （3）大小 Ec=2.22fΦ 导体电动势Ec大小与频率f及每极磁通Φ有关，f及Φ由电机的运行条件决定。 ? 6-5 总结交流发电机定子电枢绕组相电动势的频率、波形和大小与哪些因素有关？这些因素中哪些是由构造决定的，哪些是由运行条件决定的？ ? 答： (1)频率 ：同上题（同槽导体感应电动势的频率） (2)波形：与绕组结构（是短距还是整距绕组，是分布还是集中绕组）有关，由构造决定。 (3)大小：  相绕组电动势EΦ大小与频率f、一条支路匝数N、绕组系数KW及每极磁通Φ有关，其中N、Kw由构造决定，f、Φ由运行条件决定。 ? 6-6 试从物理和数学意义上分析，为什么短距和分布绕组能削弱或消除高次谐波电动势？ 答： 因谐波电动势，欲要消除或削弱某次谐波电动势，只需使某次谐波的短距系数Kyυ或分布系数Kqυ为零（或很小）即可。 如短距绕组，欲消除υ次谐波，可令kyυ=0，得,即其节距只需缩短υ次谐波的一个节距。 欲消除5次谐波电动势，取节距.由图(a)知，此时线圈的两个有效边在5 次谐波磁场中，正处于同一极性的相同磁场位置下，因此，两有效边的5 次谐波电动势恰好抵消。 通过计算可得：ky1=0.951, ky3=-0.588, ky5=0, ky7=0.588等，可知采用短距绕组后基波电动势也有所削弱，但谐波电动势削弱程度远远超过基波电动势。 又如分布绕组，可取q=2,算出kq1=0.966, kq3=0.707, kq5=0.259, kq7=0.259等，可知：采用分布绕组，基波电动势也有所削弱，但谐波电动势削弱程度远远超过基波电动势。 从波形图(b)可看出，本来相邻两线圈电动势波形为不同相的梯形波，其合成后的波形比原梯形波更接近于正弦波。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? (a) (b) ? 6-7 同步发电机电枢绕组为什么一般不接成△形，而变压器却希望有一侧接成△接线呢？ ? 答：同步发电机无论采用Y接线还是△接线，都能改善线电动势波形，而问题是接△接线后，△接的三相线圈中，会产生3次及3 的奇次倍谐波环流，引起附加损耗，使电机效率降低，温升升高，所以同步发电机一般不采用△接来改善电动势波形。而变压器无论在哪一侧接成△接，都可提供 3次谐波励磁电流通路，使主磁通波形为正弦波，感应的相电动势为正弦波，改善变压器相电动势的波形。 ? 6-8额定转速为每分钟3000转的同步发电机，若将转速调整到3060转/分运行，其它情况不变，问定子绕组三相电动势大小、波形、频率及各相电动势相位差有何改变？ 答：本题题意为转速升高(升高倍) （1）?????? 频率  f∝n (p=c), 故频率增加1.02倍。 （2）大小  EΦ∝f(N、kw、Φ0=C),电动势增加1.02倍。 （3）?????? 波形和各相电动势相位差不变，因它们与转速无关。 ? 6-9 一台4 极，Z=36的三相交流电机，采用双层迭绕组，并联支路数2a=1， ，每个线圈匝数NC=20，每极气隙磁通=7.5×10-3韦，试求每相绕组的感应电动势？ 解： 极距  节距  每极每相槽数  槽距角  用空间电角度表示节距  基波短距系数  基波分布系数  每条支路匝数  基波相电动势  ? 6-10 有一台三相异步电动机，2P=2，n=3000转/分，Z=60，每相串联总匝数N=20，fN=50赫，每极气隙基波磁通=1.505韦，求： （1）?????? 基波电动势频率、整距时基波的绕组系数和相电动势； （2）?????? 如要消除5次谐波，节距y应选多大，此时的基波电动势为多大？ 解：(1) 基波电动势频率  极距  每极每相槽数  槽距角  整距绕组基波短距系数  基波分布系数  基波绕组系数  基波相电动势  (2) 取  用空间电角度表示节距  基波短距系数  基波相电动势  6-11 总结交流电机单相磁动势的性质、它的幅值大小、幅值位置、脉动频率各与哪些因素有关？这些因素中哪些是由构造决定的，哪些是由运行条件决定的？ 答： 幅值  单相绕组基波磁动势幅值大小： 与一条支路匝数N、绕组系数Kw1、磁极对数p及相电流I有关，其中N、Kw1及p 由构造决定，I由运行条件决定。 幅值位置： 恒于绕组轴线上，由绕组构造决定。 频率： 即为电流频率，由运行条件决定。 ? 6-12总结交流电机三相合成基波圆形旋转磁动势的性质、它的幅值大小、幅值空间位置、转向和转速各与哪些因素有关？这些因素中哪些是由构造决定的，哪些是由运行条件决定的？ 答：幅值  三相合成基波圆形旋转磁动势幅值大小，其决定因素与单相基波磁动势同。 空间位置：沿气隙圆周旋转。当哪相电流最大，三相合成基波圆形旋转磁动势就转至哪相绕组轴线上，绕组由构造决定，电流由运行条件决定。 转速：  转速与电流频率f及磁极对数p 有关，p由构造决定，f由运行条件决定。 转向： 与电流相序有关（与电流相序一致），由运行条件决定。 ? 6-13 一台50Hz的交流电机，今通入60Hz的三相对称交流电流，设电流大小不变，问此时基波合成磁动势的幅值大小、转速和转向将如何变化？ 答： 本题题意为频率增加（增加） 由上题知，基波合成磁动势幅值大小及转向与频率无关 。而转速n1与频率成正比，故转速增加1.2倍。 ? 6-14 一交流电机如图6-17，当在不动的转子上的单相绕组中通入50Hz交流电流后，将在定子绕组中感应电动势。如果将定子三相绕组短接，问此时绕组中通过的电流产生的合成磁动势是脉动还是旋转的，为什么？ 答： 在不转的转子单相绕组中通以正弦交流电流产生脉动磁动势，它可以分解为大小相等（原脉动磁动势最大幅值的一半）、转速相同（）而转向相反的两个旋转磁动势，它们分别切割定子三相绕组，在三相绕组中感应出大小相等（因两旋转磁动势的幅值相等）、频率相同（因切割速度相等）而相序相反（因转向相反）的三相对称感应电动势，分别称为正序电动势和负序电动势。由于定子三相绕组首端短接，则正序电动势产生正序电流，流过定子绕组产生正向旋转磁动势，负序电动势产生负序电流，流过定子绕组产生反转旋转磁动势，这两磁动势 大小相等、转速相同、转向相反，叠加结果，其空间合成磁动势为一脉动磁动势。 ? 6-15试分析图6-18情况下是否会产生旋转磁动势，转向是顺时针还是逆时针？ 答： 图（a） 旋转磁动势， 转向：逆时针方向 图（b） 旋转磁动势， 转向：顺时针方向 图（c） 脉动磁动势 图（d） 旋转磁动势， 转向：逆时针方向 图（e）旋转磁动势， 转向：顺时针方向 图（f） 旋转磁动势， 转向：顺时针方向 ? 6-16 若在对称的两相绕组中通入对称的两相交流电流，试用数学分析法和物理图解法分析其合成磁动势的性质？ 答：由数学分析：（以基波合成磁动势为例） 由单相绕组磁动势幅值知：由于两相绕组匝数相同，两相电流大小相等，故两相绕组磁动势幅值相等，其表达式分别为： ?  所以：  故为旋转磁动势。 由图分析：假设电流由首端流入为正⊕ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 可见，合成磁动势为旋转磁动势（转向由电流超前相iA转到滞后相iB）。 ? 6-17一台三相异步电动机，2P=6，Z=36，定子双层迭绕组， ，每相串联匝数N=72，当通入三相对称电流，每相电流有效值为20A时，试求基波三相合成磁动势的幅值和转速？ 解：每极每相槽数  槽距角  用空间电角度表示节距  基波短距系数  基波分布系数  基波绕组系数  三相基波合成磁动势幅值  旋转磁场转速  ? 6-18 有一三相对称 交流绕组，通入下列三相交流电流： （1） （2） （3） 定性分析其合成磁动势的性质（包括转向）。 答： （1）iA、iB、iC为三相对称电流，则三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁动势，转向与相序一致（A-B-C）。 （2）?????? 原三相电流正方向如图（a）所设： ? ? ? ? ? ? ? ? ? 因iC=0, W相相当于开路，则A、B两相绕组串联，又iA= -iB，则A、B两相电流方向如图（b）所示。它相当于一相绕组通入一相正弦交流电流，故其合成磁动势为脉动磁动势。 (3) iA、iB、iC为三相不对称电流，故合成磁动势为椭圆形旋转磁动势 。转向为A--C--B---A。 第七章 三相异步电动机运行原理 7-1 异步电动机的气隙为什么要尽可能地小？它与同容量变压器相比，为什么空载电流较大？ 答：异步电动机气隙小的目的是为了减小其励磁电流(空载电流)，从而提高电动机功率因数。因异步电动机的励磁电流是由电网供给的，故气隙越小，电网供给的励磁电流就小。而励磁电流又属于感性无功性质，故减小励磁电流，相应就能提高电机的功率因数。 异步电动机与变压器一样，均为交流励磁的电机。它们U1---E1---φ0----I0的分析思路相同。在容量和电压相同的情况下，异步电动机和变压器的主磁通φ0基本相同，又由磁路欧姆定律知：，其I0∝Rm（匝数N1的影响远不及Rm），由于异步电动机主磁通磁路中有两个气隙，而变压器是纯铁心磁路，故异步电动机主磁通磁路的磁阻远较变压器大，故其空载电流远较变压器大。 ? 7-2 异步电动机在起动和空载运行时，为什么时候功率因数很低？当满载运行时，功率因数会提高？ 答：1.由等效电路分析： 下面分别画出起动（a）、 空载（b）和满载(c)时的等效电路 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 起动时  由于，故1较大，就较小。 空载时  由于，故1较大，就较小。 满载时：激磁支路阻抗rm+jxm 与转子支路阻抗 并联，又由于激磁阻抗远大于转子支路阻抗，故可近似看成激磁支路开路。  由于，故1较小，就较大。 2、由电磁关系分析 ①起动时：s=1，转子漏抗x2s=sx2最大，故转子功率因数cosψ2较小，因而转子无功分量电流大，则与其平衡的定子侧无功分量电流也大，因而功率因数就小。 ②空载时，I1=I0， 其中很小一部分的有功分量用来供空载损耗，其余绝大部分的无功分量电流用来励磁，因此，空载电流属感性无功性质，因而电动机的功率因数就小 ③满载时，因电动机轴上输出的是机械功率，从电路角度需用有功功率来模拟其机械功率，因此负载后，转子电流的有功分量增大(增大)，则与其平衡的定子有功分量电流就增大，因而电动机的功率因数就大。 ? 7-3 当异步电动机运行时，定子电动势的频率是多少？转子电动势的频率为多少？由定子电流的产生的旋转磁动势以什么速度截切定子，又以什么速度截切转子？由转子电流的产生的旋转磁动势以什么速度截切转子，又以什么速度截切定子？，它与定子旋转磁动势的相对速度是多少？ 答：定子电动势频率为f1； 转子电动势频率为f2=s f1 ； 由定子电流产生的定子旋转磁动势以n1的速度截切定子，又以n1-n的速度截切转子。 由转子电流产生的转子旋转磁动势以的速度截切转子，又以的速度截切定子，它与定子旋转磁动势的相对速度为 。 ? ? ? 7-4说明异步电动机轴机械负载增加时，定、转子各物理量的变化过程怎样？ 答： 电动机稳定运行时，电磁转矩（Tem）与负载转矩(TL)平衡，当机械负载（即负载转矩）增加时，转子转速n势必下降，转差率增大。这样转子切割气隙磁场速度增加，转子绕组感应电动势()及电流I2随之增大，因而转子磁动势F2增大。 根据磁动势平衡关系，与转子磁动势F2所平衡的定子负载分量磁动势F1L相应增大，而励磁磁动势F0基本不变，因而定子磁动势增大，定子电流I1随之增大。由于电源电压不变，则电动机的输入功率就随之增加，直至转子有功电流产生的电磁转矩又与负载转矩重新平衡为止。 ? 7-5 为什么说异步电动机的功率因数总是滞后的，而变压器呢？ 答： 异步电动机定，转子间的电磁关系尤如变压器，定子电流也由空载电流和负载分量电流两部分组成： 1）? 维持气隙主磁通和漏磁通，需从电网吸取一定的滞后无功电流（即为I0）； 2）? 负载分量电流取决于转子电路； 由等效电路可知，电动机轴上输出的机械功率（还包括机械损耗等）只能用转子电流流过虚拟的附加电阻所消耗的功率来等效代替（因输出的机械功率是有功的，故只能用有功元件电阻来等效代替）。再加上转子绕组的漏阻抗，故转子电流只可能是滞后无功电流，则与转子平衡的定子负载分量也只能是滞后的无功电流，因此异步电动机的功率因数总是滞后的。 变压器却不一定。与异步电动机相同的一点是其空载电流总是滞后无功电流，而变压器所带的电气负载有阻、感、容性的(而异步电动机在电路中模拟机械负载的只能是阻性的有功元件)，当其负载容抗若大于变压器的感抗时，其功率因数就会超前。 ? 7-6 异步电动机等效电路中的附加电阻的物理意义是什么？能否用电感或电容来代替，为什么？ 答：异步电动机等效电路中的附加电阻实为代表机械负载（严格地说还包括机械损耗等） 的一个虚拟电阻，用转子电流在该电阻所消耗的功率来等效代替总机械功率（包括轴上输出的机械功率和机械损耗等）. 因输出的机械功率及机械损耗等均属有功性质，因此，从电路角度来模拟的话，只能用有功元件电阻，而不能用无功元件电感或电容来等效代替。 ? 7-7 异步电动机的电磁转矩与哪些因数有关，哪些是运行因素，哪些是结构因素？ 答： 电磁转矩参数表达式  电磁转矩Tem与①电源参数：电源电压U1频率f1，②电机本身参数：相数m1、极对数p、定、转子漏阻抗r1、r2’、x1、x2’； ③运行参数：转差率s有关。 其中U1、f1及s是运行因素，m1、p、r1、r2’、x1、x2’为结构因素。 ? ? 7-8 异步电动机带额定负载运行时，且负载转矩不变，若电源电压下降过多，对电动机的Tmax、Tst、Φ1、I1、I2、s及η有何影响？ 答：因为，而sm与U1无关, 因而电源电压下降后其 Tem---s曲线如图所示，曲线1为正常电压下的曲线，曲线3为 电压下降过多的曲线，曲线2为电压下降的曲线。 电机正常工作时，，稳定运行于a点，其对应转差 率为sa。 1、当电压下降过多，则电磁转矩下降更多, 当最大电磁转矩Tm’’<TL，则电动 机就停转，定、转子电流急速增大， 若无保护，则绕组会因过热而烧毁。 2、? 电压下降，而Tm’>TL (曲线2)，则稳定运行于b 点， （不停转），但此时： Tmax减小：Tm∝U12 Tst减小：Tst∝U12 φ0减小： S增大：由于U1下降瞬间，Tem减小，导致转速下降 I2增大：，正常运行时，sx2<<r2,故 I1增大：I2增大，F2增大，F1L=F2增大，故I1L 增大；而U1下降，致使Φ0、I0减小，但由于I1L增大幅度远大于I0减小程度，故I1仍为增大。 η降低：电压U1下降，铁损减小，但此时I1、I2增大，定、转子铜损增大，其增加的幅度远大于铁损减小幅度，故效率下降。 ? 7-9 漏抗的大小对异步电动机的运行性能，包括起动转矩、最大转矩、功率因数有何影响，为什么？ 答： 由：  知：起动转矩Tst和最大转矩Tmax随漏抗的增大而减小。 漏抗增大，功率因数下降。因阻的成份（有功）不变，而漏抗（无功）增大所致。 ? 7-10 通常的绕线式异步电动机如果：（1）转子电阻增加；（2）转子漏抗增加；（3）定子电压大小不变，而频率由50Hz变为60Hz，各对最大转矩和起动转矩有何影响？ 答：起动转矩Tts和最大转矩Tmax见上题两式，， 1、转子电阻增加，①Tmax不变，因Tmax与无关，②在一定范围内（sm<1），Tst随的增大而增大。因在此范围内，增大，转子电流I2’减小，而转子功率因数cosψ2却增大，致使转子电流的有功分量增大，故起动转矩增大 2、转子漏抗增大，Tmax、Tst减小:见上题公式 3、定子频率f1增大，Tmax、Tst减小:见上题公式 ? ? ? 7-11 一台鼠笼异步电动机，原来转子是铜条，后因损坏改成铸铝，如输出同样功率，在通常情况下，sN、cos、η1、I1N、sm、Tmax、Tst 有何变化？ 答：铝的电阻率比铜大，故转子由铜条改为铝条，实为增加转子绕组电阻r2，其Tem---s曲线如图曲线1。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 输出同样功率（如额定功率）, 由得其曲线2. （1）sN增大，由图知，工作点由a（sa）变至b（sb）。 （2）不变，因转子电阻改变不影响电机从电网吸取的励磁功率，故无功功率不变，由于输出功率不变，则电机从电网吸取的有功功率基本不变，忽略电机损耗，所以基本不变。 （3）ηN下降：由于转差率s增大，故转子铜损增加，I1稍有增大，故定子铜损也稍大，而铁损不变，机械损耗pmec因s 增大n减小而稍有减小，但其减小幅度不及转子绕组铜损增大幅度，故总损耗增加，效率降低。 （4）I1N有所增大：，因P2不变，不变，ηN下降，故I1N有所增大。 （5）sm增大，见图（因为sm∝r2’） （6）Tmax不变（因为Tmax与无关） （7）Tst增大，见图 ? 7-12 一台50Hz380伏的异步电动机若运行于60Hz、380伏的电网上，设输出功率保持不变，问下列各量是增大还是减小： 1）? 激磁电抗、激磁电流和电动机的功率因数； 2）? 同步转速和额定电流时的电机转速； 3）? 最大转矩和产生最大转矩时的转差率； 4）? 起动转矩； 5）? 电机效率。 答：本题题意为频率增加：频率增加及输出 功率不变的Tem---n曲线见图曲线1、2. ? ? ? ? (1)励磁电抗增大，； 励磁电流减小，； 功率因数增大，因I0减小所导致。 (2)同步转速增大，；额定电流时转速增大，, 工作点由a至b，增加。 (3) 最大转矩下降，临界转差率减小，见7-9题式或图 (4)起动转矩下降，见7-9题式或图 (5)电动机效率升高。 ? 7-13增大异步电动机的气隙对空载电流、漏抗、最大转矩和起动转矩有何影响？ 答：气隙增大： （1）空载电流增大，当电源电压一定，一定，又由于，(N1一定)，气隙大，磁阻Rm大，故I0大。 （2）、漏抗减小，因气隙大，漏磁路径增长，其磁阻增大，，故漏抗减小。 （3）、最大转矩、起动转矩减小，见题7-9式。 ? ? 7-14 一台六极异步电动机，额定功率PN=28千瓦，UN=380伏，f1=50Hz，nN=950转/分，额定负载时，，pcu1+pFe=2.2千瓦，pmec=1.1千瓦，pad=0，计算在额定时的sN、pcu2、ηN、I1和f2 。 解：磁极对数：  取 同步转速： 额定转差率： 总机械功率： 转子铜损：   输入功率：  效率： 定子电流： 转子电动势频率： ? 7-15一台4极异步电动机，额定功率PN=5。5千瓦， f1=50Hz，在某运行情况下，自定子方面输入的功率为6.32千瓦，pcu1=341瓦，pcu2=237.5瓦，pFe=167.5瓦，pmec=45瓦，pad=29瓦，试绘出该电机的功率流程图，标明电磁功率、总机械功率和输出功率的大小，并计算在该运行情况下的效率、转差率、转速及空载转矩、输出转矩和电磁转矩 。 解：输出功率：  效率： 电磁功率：  转差率： 转速： 空载损耗： 空载转矩： 输出转矩： 电磁转矩： 或  ? 第八章 三相异步电动机起动和调速 ? 8-1普通鼠笼异步电动机在额定电压下起动，为什么起动电流很大，而起动转矩却不大？ 答： (1)从电磁关系看，起动初瞬，n=0, 定子旋转磁场对静止转子的相对切割速度最高(n1)，故转子感应电动势最大。此时尽管转子电动势频率以及它所对应的漏抗也大，但由于受转子槽形的影响，在起动瞬间槽口处饱和，致使漏抗增加幅度较电动势小，而转子绕组电阻又近为不变，故起动时转子电流增大，根据磁动势平衡关系，此时定子电流(即起动电流)就大(约为额定电流5-7倍)。 从等效电路看，起动初瞬，n=0，s=1，附加电阻，相当于短路运行状态，此时起动电流： 由于定，转子绕阻的漏阻抗即很小，故起动电流很大。 （2）  其一：转子电流I2’尽管大，但由于起动初瞬间，x2增大而r2不变，故功率因数角大，功率因数cosψ2就很低，所以这时转子电流有功分量I2’cosψ2却不大(因为说起动瞬间转子电流大的是无功分量电流)。其二，由于起动电流大，定子绕组漏阻抗压增大，由于知，此时定子绕组的感应电动势E1较小，故而小，基于此两原因，所以异步电动机起动转矩就不大。 8-2在应用降压起动来限制异步电动机起动电流时，起动转矩受到什么影响，比较各种降压的起动方法，着重指出起动电流倍数年和起动转矩倍数间的关系。 答： 由上题式知：Ist∝U1，而Tst∝U12, 故采用降压起动限制起动电流的同时，更限制了起动转矩，因此此法只适用于空载或轻载时起动。 Ist、Tst被限制情况列表如下： 全压起动 Ist Tst  降压起动 定子串电抗器起动*1 Ist /K Tst /k2   Y-△换接起动*2 Ist /k2 Tst /k2   自耦补偿器起动 Ist /k2 Tst /k2  *1 设K为电压降低倍数（K=） *2 Y-△换接起动中K=。 定子串电抗器起动的起动电流仅限制了K倍（其它为K2倍），但K值可根据要求灵活选择。 Y-△换接起动只适用于有六个引出端头的角接线的异步电动机，其K固定为，故无选择灵活性，但其起动设备价廉。 自耦补偿器起动，有三个K值，可供选择，它对电动机定子绕线无任何要求，起动转矩比Y-△换接大，但设备费用较贵。 ? 8-3 绕线式异步电动机在转子回路中串电阻起动时，为什么既能降低起动电流，又能增大起动转矩？ 答：绕线式异步电动机在转子回路串电阻增加了转子回路阻抗，由式  可见，起动电流随所串电阻r2st’增大而减小，转子回路串电阻同时，还减小转子回路阻抗角，从而提高转子回路功率因数cosψ2，其结果增大了转子电流的有功分量，从而增大了起动转矩。 ? 8-4 绕线式异步电动机在起动和运行时，如将它的三相转子绕组接成Y形短接，或接成 △形短接，问对起动性能和运行性能有无影响，为什么？ 答：绕线式异步电动机转子为三相对称绕阻，因此在起动或运行时，无论是接成Y形，或△形连接，其每相绕组感应电动势是相等的。而每相绕组的漏阻抗和等效的虚拟电阻又相同，所以每相绕组电流相等，那么由转子电流所形成的电磁转矩和由磁动势平衡关系所决定的定子电流就与转子绕组的上述接线无关，因此它不影响电动机的起动和运行性能。 ? 8-5 一台鼠笼异步电动机原来转子导条是铜的，后因损坏改成铝条，在其它条件不变情况下，对起动性能有何影响？最大电磁转矩是否改变？若负载转矩不变，其转差率将如何变化？ 答：由题7-11知，鼠笼异步电动机转子由铜条改为铝条后（仍保持sm<1），其起动转矩增大，而最大转矩不变。 若负载转矩TL恒定，由Tem---s曲线知，改铝条后，其运行点由a点改为b点，转差率由sa变为sb，故转差率增大，转速减小。 ? ? ? ? ? ? ? ? 8-6深槽和双鼠笼异步电动机在额定电压下起动，起动电流较小而起动转矩较大，为什么？ 答：电动机在起动时，n=0，s=1，转子绕组电动势频率最高（f2=sf1），此时趋表效应最强烈，使槽电流分布趋于槽口（双鼠笼转子趋于上笼），相当于槽导体有效截面减小，转子电阻增大（双鼠笼转子，上笼本身截面积又小，，电阻大），故就类同题8-3，它既限制了起动电流，又增大了起动电阻。 ? ? 8-7双鼠笼异步电动机两笼之间为什么一定要有缝隙？深槽式异步电动机转子槽为什么要做得深而窄？ 答： 磁通总是以磁阻小的路径闭合，双鼠笼电动机两笼间的缝隙主要是迫使上笼漏磁通路径也交链于下笼（因缝隙的磁阻大），这样交链于下笼的漏磁通比上笼多，下笼就有较大的漏抗，使趋表效应更为明显。 深槽式异步电动机转子槽之所以做得深而窄，主要是为了改变转子的漏磁通的分布，从而改变其参数。槽越深，交链槽底部的漏磁通就越多，这些漏磁通所经过的截面积就越大，磁阻越小，漏抗就越大。另外槽窄，漏磁通经过槽内部分的长度越短，磁阻越小，故漏抗也越大，因此槽深而窄的结果，均增加槽底部分漏抗，使趋表效应更为明显。 ? 8-8 在绕线式异步电动机的转子回路中串接电抗器或电容器是否能改善起动性能？是否能用来调速？此时Tst、Tmax、sm和额定负载下的效率和功率因数如何变化？ 答：（1）绕线式异步电动机转子回路串联电抗器，增大了转子回路阻抗 ，由式  可见，可减小起动电流。 同时，它也增大了转子回路阻抗角，cosψ2减小，使转子电流有功分量I2’cosψ2减小，进而使起动转矩减小得更多。 至于转子回路串联电容器（如容抗不过分大），则反之。 因此，无论是串电抗器还是电容器，都不能全面改善起动性能。 (2)由式：   及Tem---s曲线（以串电抗器为例）可知： ? ? ? ? ? ? ? ? ? 若负载转矩一定，其工作点由a变至b，转差率s减小，转速增高。问题是它只能在sm值之内调速，而sm值很小（0.08—0.2），故此法虽能调速，但调速范围很小，故很少有实用价值。 （3）串电抗后（以串联电抗器为例），由公式和曲线可知，Tmax、Tst减小（因cosψ2减小）、减小，在额定负载下，功率因数就下降（因感抗增大所致），效率下降。当串接适当电容，情况反之。 8-9 为什么说一般的电动机不适用于需要在宽广范围内调速的场合，简述异步电动机有哪几种主要的调速方法。 答： 由  知： 异步电动机调速方法主要有：（1）变极调速、（2）变频调速、变转差调速（包括（3）变压调速、（4）转子回路串电阻调速），前三种用于鼠笼异步电动机的调速，后一种为绕线式异步电动机的调速）。 其中（1）（用得较多）、（3）两种不能在宽广范围内调速，而（2）和（4）即使有较大范围调速，因其成本高，由于经济上的原因，异步电动机不适用于需要在较宽的范围内调速的场合（在这种场合下，采用直流电动机更为适宜）。 ? 8-10 异步电动机的电源电压、电源频率、转子电阻及电抗各对转速有何影响？ 答： 异步电动机（1）电源电压下降；（2）电源频率增大；（3）转子电阻增大；（4）转子感抗增大的Tem-----s曲线如图所示， 若电动机带恒转矩负载，由曲线可知： ? ? ? ? ? ? （1）???? s增大，n减小 （2）s减小，n增大（f1增大，n1增大） （3）s增大，n减小 （4）s减小，n增大 第九章 三相异步电动机在不对称电压下运行 单相异步电动机 9-1 如果电源电压显著不对称，三相异步电动机能否带额定负载长期运行，为什么？ 答：在不对称电压运行时，由于三相异步电动机定子绕组为Y 接线或△接线，绕组内不存在零序电流、零序电压和零序磁场。由负序分量电流产生的负序旋转磁动势，叠加在正序旋转磁动势上，产生椭圆形旋转磁动势，其幅值时大时小，因此产生的电磁转矩也时大时小，从而引起电机振动，转速不均，并有电磁噪声，同时由于负序旋转磁场产生反向电磁转矩，它对正向电磁转矩起制动作用，使总合成转矩减小，电机出力减小，起动性能和过载能力下降，严重时会导致电机停转。 若在负载不变的情况下，定、转子电流增大，温升升高，转差率增大，功率因数及效率下降。另外还可能使某相负序分量电流与正序分量电流同相（或相位差很小），使该相电流过大，为此当电源电压显著不对称时，就不允许三相异步电动机带额定负载长期运行。 ? 9-2 正序电流产生的旋转磁场以什么速度截切转子，负序电流产生的旋转磁场以什么速度截切转子？当三相异步电动机在不对称电压运行时，转子电流会有哪几种频率？ 答：正序分量电流产生的旋转磁场以n1-n的速度截切转子，负序分量电流产生的旋转磁场以n1+n速度截切转子。 三相异步电动机在不对称运行时，电机内部 只有正序和负序分量电流，它们分别产生正序和负 序旋转磁动势，前者在转子绕组感应电动势和电流， 其频率为，后者在转子绕组感应电动 势和电流，其频率为：. 9-3 当电源电压不对称时，三相异步电动机定子绕组产生的磁动势是什么性质？当三相是Y 接线或△接线异步电动机缺相运行时，定子绕组产生的磁动势又是什么性质？ ? 答：三相异步电动机定子不论是Y 接线或△接线，当电源电压不对称时，在其内部只存在彼此独立的正序和负序分量电流，分别产生正序和负序旋转磁动势，它们大小不等、转速相同而转向相反，其合成结果是椭圆形旋转磁动势。 电动机缺相运行 (1)??? △接线电动机，绕组一相断线，成为两相绕组通入两相电流运行，故定子产生椭圆形旋转磁动势。 （2）△接线电动机，电源一相断线，Y 形接线电动机无论绕组一相断线还是电源一相断线，成单相绕组通入单相电流运行，故定子绕组产生脉动磁动势。 ? 9-4 三相异步电动机起动时，如电源一相断线，这时电动机能否起动，如绕组一相断线，这时电动机能否起动？Y 、△接线是否一样？如果运行中电源或绕组一相断线，能否继续旋转，有何不良后果？ 答： 电源一相断线，电动机无论是Y 接线或△接线，均成为单相运行，就相当于一台单相异步电动机，它产生脉动磁动势，而脉动磁动势可分解成大小相等、转速相同、转向相反的两个旋转磁动势，由于起动初瞬，转子是静止的，两个旋转磁动势以相同的速率截切转子绕组，产生相应的感应电动势、电流和电磁转矩，显然两个转矩大小相等、方向相反，其合成总转矩为零，故无起动转矩，电动机不能起动。 如果绕组一相断线，对Y 接电动机仍为单相运行，故也不能起动。而△接线电动机却成为两面相运行，它产生旋转磁动势，旋转磁动势有起动转矩，故能起动。 如果运行中电源或绕组一相断线，即使成单相运行，电动机仍能按原方向旋转（只要此时的电磁转矩仍大于负载转矩），因为这时两个旋转磁动势中必有一个与原来转向相同，它对转子的转差率为，而另一个，由于, 因此由相反方向旋转磁动势所产生的有功分量电流很小（漏抗所致），这使它所产生的电磁转矩减小，则，结果转子总转矩减小，若它仍大于负载转矩，则转子就沿原方向旋转。 上述各种情况， 对电机都不利，若成单相运行，无法起动，呈堵转状态，电流急剧增大而会烧坏绕组。若运行中缺相，电机虽能继续旋转（若此时电磁转矩仍大于负载转矩），由于反向电磁转矩作用的结果，使总转矩减小（出力减小），若负载转矩不变，电机就处于过载状态，绕组过热，时间长同样会烧毁绕组。 ? 9-5 试比较单相异步电动机和三相异步电动机的转矩---转差率曲线，着重就以下各点比较： 1）? 当s=0时的转矩； 2）? 当s=1时的转矩； 3）? 最大转矩； 4）? 在有相同转矩时的转差率； 5）? 当时的转矩。 答： 三相 单相 （1）s=0 Tem=0 Tem <0 （2）s=1 Tem >0 Tem =0 （3）最大转矩 Tmax3 > Tmax1 （4）相同转矩时 S3 < S1 （5）1<s<2 Tem >0 Tem <0 ?