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张广溢 郭前岗 《电机学》习题解答

子开始减速，使得转子磁极轴线滞后于合成磁场轴线?角度，如图15-1（c）。此时电磁转矩的方向与转子转向一致，是一个拖动转矩，于是同步电机就成为电动机运行了。设发电机运行时其功角、电流、电磁转矩为正，则电动机运行时其功角、电流的有功分量、电磁转矩为负。

15.2 增加或减少同步电动机的励磁电流时，对电机内的磁场产生什么效应?

答 当同步电动机处于过励磁状态时，电枢磁势对电机内的磁场起去磁的作用，增加或减少同步电动机的励磁电流时，电枢磁势对电机内的磁场去磁的作用增强或减弱。当同步电动机处于欠励磁状态时，电枢磁势对电机内的磁场起助磁的作用，增加或减少同步电动机的励磁电流时，电枢磁势对电机内的磁场助磁的作用减弱或增强。

15.3 比较同步电动机与异步电动机的优缺点。

答 相对于异步电动机，同步电动机的最大优点是功率因数可以根据需要在一定的范围内进行调节，当电网电压下降时，同步电动机的过载能力的减低不像感应电机那样显著。但同步电动机也有缺点：起动比较复杂，要有直流励磁电源，结构复杂，价格较贵。

15.4为什么起动过程中，同步转矩的平均值为零？

答 因为在起动过程中，由于定、转子磁场之间的相互作用，倾向于使转子逆时针方向旋转。但由于惯性的影响，转子上受到作用力以后并不马上转动。在转子还来不及转动以前，定子磁场已转过180°，此时定、转子磁场之间的相互作用，倾向于使转子顺时针方向旋转。因此，转子上所受到同步转矩为交变转矩，其平均转矩为零，同步电动机不能起动。

15.5 一台三相凸极Y接同步电动机，额定线电压UN?6000V，频率fN?50HZ，额定转速nN?300rmin，额定电流IN?57.8A，额定功率因数cos??0.8(超前)，同步电抗Xd?64.2?,Xq?40.8?，不计电阻压降。试求： （1）额定负载时的励磁电势E0； （2）额定负载下的电磁功率PM和电磁转矩T。 解 （1）如图4-8所示： 额定负载时的励磁电势 E0?Ucos??IdXd6?103??cos21.1403?57.8?sin58.010?64.28 ?637V （2）额定负载下的电磁功率PM和电磁转矩T 图4-8 PM?3U?E0Xdsin?N?U?22(11?)sin2?N?408.4kWXqXdT?9550PM408.4?9550??13000N.mn300 15.6 某企业电源电压为6000V，内部使用了多台异步电动机，其总输出功率为1500KW，平均效率70%，功率因数为0.8（滞后），企业新增一台400KW设备，计划采用运行于过励

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张广溢 郭前岗 《电机学》习题解答 状态的同步电动机拖动，补偿企业的功率因数到1（不计同步电动机本身损耗）。试求： （1）同步电动机的容量为多大？ （2）同步电动机的功率因数为多少？ 解：（1）变电所原提供的无功容量 P11500Q1?S1sin?1?1?con2?1?1?0.82?1607kVarcos?1?0.8?0.7 为补偿功率因数到1，应使同步电动机的无功容量Qt?Q1?1607kVar 1N?PN， 则同步电动机的额定容量为400KW，因不计同步电动机本身损耗，则P视在容量为 22SN?P4002?16072?1656kVA 1N?QN?（2）同步电动机的功率因数为 P400cos?N?1N??0.2415SN1656 15.7某厂变电所的容量为2000KVA，变电所本身的负荷为1200kW，功率因数cos??0.65（滞后）。今该厂欲添一同步电动机，额定数据为：PN?500KW,cos??0.8（超前），效率?N?95%，。问当同步电动机额定运行时，全厂功率因数是多少？变电所是否过载？ 解：变电所原提供的无功容量 PP120011Q1?sin?1?1?cos2???1?0.652?1403kVarcos?1cos?10.65 加入同步电动机后，同步电动机提供的无功容量 PN500kWQt?sin???0.6?395kVar?Ncos?0.95?0.8 加入同步电动机后，变电所需提供的无功容量 加入同步电动机后，变电所需提供的有功容量 PN500P2?P??(1200?)kW?1726kW1?N0.95 加入同步电动机后，全厂功率因数 P21726con?2???0.8622221726?1008P2?Q2 加入同步电动机后，变电所的视在容量为 Q2?Q1?Qt?(1403?395)kVar?1008kVar S2?P2?Q2?17262?10082kVA?1999kVA?2000kVA，变电所不过载。 22第 16 章 16.1 同步发电机，各相序电抗为X???1.871,X???0.219,X?0?0.069， 计算其单相稳态短路电流为三相稳态短路电流的多少倍？ 解

I?k1?X??3E?A3??1.39?X???X?01.871?0.219?0.069 72

张广溢 郭前岗 《电机学》习题解答 I?k31.39E?A1?2.6????0.534I?k1/I?k3?X?1.8710.534， ''''Xd?Xq16.2 为什么负序电抗比正序电抗小？而零序电抗又比负序电抗小？ 答 正序电抗X?=Xd，负序电抗

X?d?X??X??2，而

X?q 由于各相零序电流所建立的磁势在时间上同相位、在空间相隔120电角度，在空气隙中三相合成基波磁势为零，零序电流通过三相绕组时，只产生漏磁通，因此零序电抗的大小大体上等于定子绕组的漏电抗，即X0?X?。

所以，负序电抗比正序电抗小，而零序电抗又比负序电抗小。

16.3同步发电机发生突然短路时，短路电流中为什么会出非周期分量？什么情况下非周期性分量最大？

答 如果忽略定子绕组的电阻，定子绕组为闭合的超导回路，当同步发电机发生突然短路时，若定子绕组磁链的初始值为?0不为零，而?0又按正弦规则作周期性变化，那么回路中的电流除了有一个正弦变化的电流分量来抵消外磁场变动的影响外，它还将产生一个直流分量来保持回路磁链初值不变。当短路瞬间定子某相绕组的磁通达到最大值时，则该相绕组短路电流中的非周期性分量最大。

??????16.4比较同步发电机各种电抗的大小：Xd,Xd,Xd,Xq,Xq,Xq

答 同步发电机的各种电抗都是绕组磁通对电路作用的等效量，在绕组匝数一定、频率一定情况下，电抗值的大小与相关磁路的磁阻成反比。

在瞬态短路参数中，分超瞬态和瞬态两种，它们都是对应于转子感应电流对定子电枢反应磁场的反作用而存在的等效电抗。超瞬态电抗决定于阻尼绕组和励磁绕组感应电流对电枢反应磁通的排挤作用，瞬态电抗决定于励磁绕组感应电流对电枢反应磁通的排挤作用。定、转子的这种耦合关系与变压器相似。超瞬态电抗相当于电枢反应电抗上并以阻尼绕组的漏抗和励磁绕组的漏抗构成，瞬态电抗相当于电枢反应电抗上并以励磁绕组的漏抗构成，

??X??Xaq,Xd??X??Xd?X??Xad,Xq?Xq111?XadXf? 1''?Xd111??XadXF?XZ? 1''?X???Xq11?XaqXZ? ，其值很小。 无阻尼绕组时：???X??Xd有阻尼绕组时：11???X??,Xq11111???XadXf?XD?XaqXQ? ???Xd??Xd 这样，若是隐极机：Xd?????? 若为凸极机：Xd?Xq?Xd?Xq?Xq?Xd。

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第 五篇 直 流 电 机

第17章

17.1 试述直流发电机工作原理，并说明换向器和电刷起什么作用？

答 直流发电机的工作原理：当原动机拖动直流发电机的电枢以恒速n沿着逆时针方向旋转时， 在线圈中会有感应电动势产生，其大小为：e?Blv，由于线圈一会儿在N极下，一会儿在S极下，因此这个感应电动势的方向是变化的，即线圈中的电动势e及电流i的方向是交变的，只是在经过电刷和换向片的整流作用后，才使外电路得到方向不变的直流电。 换向器—电刷的作用：把线圈中的交变电动势及电流整流成外电路方向不变的直流电。

17.2试判断下列情况下，电刷两端的电压是交流的还是直流。 （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 由直流发电机原理可知，只有电刷和磁极保持相对静止，在电刷两端的电压才为直流，由此： ① 交流：因为电刷与磁极相对运动。

② 直流：因为电刷与磁极相对静止。

17.3 什么是电机的可逆性？

答 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，称为电机的可逆原理。

17.4 直流电机有哪些主要部件？试说明它们的作用、结构

答 直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。

主磁极铁心用1～1.5mm厚的低碳钢板叠压而成。主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场；.换向极

换向极铁心一般用整块钢或钢板加工而成，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极的作用是用以改善换向。

机座通常用铸钢或厚钢板焊成。机座有两个作用，一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、

电刷装置由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成，电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。

直流电机的转子称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。 电枢铁心电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。是电机主磁路的一部分，且用来嵌放电枢绕组。

电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。

换向器也是直流电机的重要部件。换向器与电刷相配合，起到整流或逆变器的作用。 17.5直流电机电枢铁心为什么必须用薄电工钢冲片叠成？磁极铁心何以不同？

答 为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通交变而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心 通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。磁极铁心中的磁通本来是恒定的，但因电枢旋转时电枢铁心齿槽的影响，磁极铁心中的磁通会来回摆动，从而产生铁心损耗，所以常采用1~1.5mm厚的低碳钢板冲制而成。

17.6试述直流发电机和直流电动机主要额定参数的异同点。 答 直流发电机和直流电动机的主要额定参数值有： 1．额定容量（功率）PN（kW）；

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2．额定电压UN（V）； 3．额定电流IN（A）; 4．额定转速nN（r/min）； 5．励磁方式和额定励磁电流

IfN（A）

还有一些物理量的额定值，如额定效率?N,额定转矩TN，额定温升?N等。关于额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。所以，直流发电机的额定容量为PN?UNIN，而直流电动机的额定功率为

PN?UNIN?N。 17.7 某直流电机，PN?4KW、UN?110V、nN?1000rmin以及?N?0.8。 若是直流发电机，试计算额定电流IN；如果是直流电动机，再计算IN。 解：若是直流发电机 IN?PNUN?4?103110?36.36A 如果是直流电动机，再计算IN IN?PNUN?N?4?103(110?0.8)?45.45A 第18章

18.1耦合磁场是怎样产生的？它的作用是什么？没有它能否实现机电能量转换？

答 耦合磁场是由励磁绕组电流所产生的磁场和电枢绕组电流所产生的磁场合成产生的，它是使电机感应电动势和产生电磁转矩所不可缺少的因素。没有它是不能实现机电能量转换的。

18.2 如果将电枢绕组装在定子上，磁极装在转子上，换向器和电刷应怎样装置才能作直流电机运行？

答 由直流发电机原理可知，只有电刷和磁极保持相对静止，在电刷两端的电压才为直流，所以换向器应装在定子上，电刷应该放在转子上，再通过滑环和静止的电刷与外电路相连。

18.3单叠绕组和单波绕组各有什么特点？其联接规律有何不同？ 答 单叠绕组的特点为：（1）并联支路数等于磁极数，即2a?2p；（2）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数。单波绕组的特点为：（1）同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数a＝1，与磁极对数p无关；（2）从理论上讲，单波绕组只需安置一对正负电刷就够了。但为了减少电刷的电流密度与缩短换向器长度，节省用铜，一般仍采用电刷组数应等于极数（采用全额电刷）。在联接方式上，叠绕组元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上y?yk?1；波绕组的特点是每个绕组元件的两端所接的换向片相隔较远，互相串联的两个元件相隔较远(y?yk?2?)。

18.4一台四极，单叠绕组的直流电机，试问：

（1）若分别取下一只刷杆，或相邻的两只刷杆，对电机的运行有什么影响？ （2）如有一元件断线，电刷间的电压有何变化？电流有何变化？ （3）若有一主磁极失磁，将产生什么后果？

答 （1）若取下一只或相邻两只电刷，使并联支路数减少一半，若是发电机，使输出功

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