電機與拖動基礎總復習

試題類型

一、填空題

二、選擇題

四、簡答題

五、計算題

第一章

直流電機原理

1．直流電動機主要由定子、轉子、電刷裝置、端蓋、軸承、通風冷卻系統等部件組成。

定子由機座、主磁極、換向極、電刷裝置等組成。轉子（又稱電樞）由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等組成。

2．直流電機的繞組有五種形式：單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組和蛙繞組（疊繞和波繞混合繞組）。

極距、繞組的節距（第一節距、第二節距、合成節距）的概念和關系。

單疊繞組把每個主磁極下的元件串聯成一條支路，因此其主要特點是繞組的并聯支路對數a等于極對數np。

電樞反應：直流電機在主極建立了主磁場，當電樞繞組中通過電流時，產生電樞磁動勢，也在氣隙中建立起電樞磁場。這時電機的氣隙中形成由主極磁場和電樞磁場共同作用的合成磁場。這種由電樞磁場引起主磁場畸變的現象稱為電樞反應。☆

直流電機的勵磁方式：☆

☆7直流電機的電樞電壓方程和電動勢：

直流電機電磁轉矩

直流電動機功率方程

9直流電機工作特性☆

直流電動機勵磁回路連接可靠，絕不能斷開☆

一旦勵磁電流

If

=

0，則電機主磁通將迅速下降至剩磁磁通，若此時電動機負載較輕，電動機的轉速將迅速上升，造成“飛車”；若電動機的負載為重載，則電動機的電磁轉矩將小于負載轉矩，使電機轉速減小，但電樞電流將飛速增大，超過電動機允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過熱而燒毀。

自勵發電方式能否建立空載電壓是有三個條件☆☆

（1）電機必須有剩磁，如果沒有須事先進行充磁；

（2）勵磁繞組的極性必須正確，也就是勵磁繞組與電樞并聯時接線要正確；

（3）勵磁回路的電阻不能太大，即其伏安特性的斜率U/If

不能太陡，否則如果伏安特性的斜率太陡，與發電機空載特性交點很低或無交點，就無法建立空載電壓。總之，自勵發電機的運行首先要在空載階段建立電壓，然后才能帶負載運行。

12他勵直流發電機的外特性☆

隨著電流的增大，其輸出電壓下降。這是因為：①

隨著發電機的負載增加，其電樞反應的去磁效應增強，使每極磁通量減小，導致電樞電動勢下降。②

電樞回路電阻上的電壓將隨著電流上升而增大，使發電機的輸出電壓下降。

13效率

他勵直流發電機帶負載運行時，其損耗中僅電樞回路的銅耗與電流

Ia的平方成正比，稱為可變損耗；其他部分損耗與電樞電流無關，稱為不變損耗。當負載較小時，Ia

也較小，此時發電機的損耗是以不變損耗為主，但因輸出功率小而效率低；隨著負載增加，P2增大而效率上升，當可變損耗與不變損耗相等時效率達到最大值。☆

第二章

變壓器

1變壓器的基本原理與結構

變壓器的主要組成是鐵心和繞組

變壓器的額定參數

額定電壓U1N

和U2N

額定電流I1N

和I2N

額定容量

SN

單相變壓器

三相變壓器

一次、二次繞組感應電動勢

變壓器負載時的基本方程式和等效電路☆

5繞組折算和“T”型等效電路

☆將變壓器二次繞組折算到一次繞組時，電動勢和電壓的折算值等于實際值乘以電壓比k，電流的折算值等于實際值除以k，而電阻、漏電抗及阻抗的折算值等于實際值乘以

k2。這樣，二次繞組經過折算后，變壓器的基本方程式變為

分析變壓器內部的電磁關系可采用三種方法：基本方程式、等效電路和相量圖☆。

變壓器帶負載時的相量圖

變壓器的參數測定

(1)

空載試驗

調壓器TC加上工頻的正弦交流電源，調節調壓器的輸出電壓使其等于額定電壓U1N，然后測量U1、I0、U20

及空載損耗P0

由于空載電流

I0

很小，繞組損耗

I02R

很小，所以認為變壓器空載時的輸入功率P0

完全用來平衡變壓器的鐵心損耗，即

P0

≈

ΔpFe

。☆

勵磁阻抗

勵磁電阻

勵磁電抗

電壓比

(2)

短路試驗

短路試驗時，用調壓器TC

使一次側電流從零升到額定電流

I1N，分別測量其短路電壓

Ush、短路電流

Ish

和短路損耗Psh，并記錄試驗時的室溫θ（℃）。

由于短路試驗時外加電壓很低，主磁通很小，所以鐵耗和勵磁電流均可忽略不計，這時輸入的功率（短路損耗）Psh

可認為完全消耗在繞組的電阻損耗上，即

Psh

≈ΔpCu

。由簡化等效電路，根據測量結果，取

Ish

＝

I1N

時的數據計算室溫下的短路參數。☆

短路阻抗

短路電阻

短路電抗

變壓器的外特性和電壓變化率

電壓變化率的實用計算公式

變壓器的負載系數

9變壓器的效率特性

變壓器的總損耗為

短路損耗（銅損耗）Psh

空載損耗

P0

變壓器效率的實用計算公式

當可變損耗與不變損耗相等時，效率達最大值，由此可得到產生變壓器最大效率時的負載系數bm為

三相變壓器繞組的聯結法

11三相變壓器聯結組的判斷方法☆

三相變壓器的并聯運行

三相變壓器的并聯運行

變壓器并聯運行時有很多的優點：☆

1）提高供電的可靠性。

2）提高運行的經濟性。

3）可以減小總的備用容量。

變壓器并聯運行的理想情況是：☆☆

1）空載時并聯運行的各臺變壓器之間沒有環流；

2）負載運行時，各臺變壓器所分擔的負載電流按其容量的大小成比例分配，使各臺變壓器能同時達到滿載狀態，使并聯運行的各臺變壓器的容量得到充分利用；

3）負載運行時，各臺變壓器二次側電流同相位，這樣當總的負載電流一定時，各臺變壓器所分擔的電流最小；如果各臺變壓器的二次側電流一定，則承擔的負載電流最大。

為達到上述理想的并聯運行，需要滿足下列三個條件：☆☆

1）并聯運行的各臺變壓器的額定電壓應相等，即各臺變壓器的電壓比應相等；

2）并聯運行的各臺變壓器的聯結組號必須相同；

3）并聯運行的各臺變壓器的短路阻抗（或阻抗電壓）的相對值要相等。

第三章

交流電機的理論

交流電機包括:（1）異步電機（2）和同步電機

單相電樞繞組的磁動勢

旋轉磁場的基本特點

(1)三相對稱繞組通入三相對稱電流所產生的三相基波合成磁動勢是一個旋轉行波；

(2)旋轉磁場的旋轉方向是從電流超前的相轉向電流滯后的相，改變三相繞組的相序即可改變旋轉磁場的方向；

☆

(3)旋轉磁場的轉速n1與電源頻率f1、電機極對數np之間保持嚴格的關系，即

☆

異步電機原理

異步電動機的優缺點

異步電動機的優點：結構簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率較高。

異步電動機的缺點：功率因數較差，異步電動機運行時，必須從電網里吸收滯后性的無功功率，它的功率因數總是小于1。

異步電動機的分類

按定子相數分：單相異步電動機；三相異步電動機。

按轉子結構分：繞線式異步電動機；鼠籠式異步電動機，其中又包括單鼠籠異步電動機、雙鼠籠異步電動機、深槽式異步電動機

異步電動機的轉差率：

異步電機的運行方式☆

異步電動機的電壓方程

(1)定子電壓方程

(2)轉子電壓方程

異步電動機的電磁關系

三相異步電動機單相等效電路

7等效電路和相量圖

虛擬電阻的損耗，實質上表征了異步電動機的機械功率

異步電動機的功率

9異步電動機的電磁轉矩☆

與每極磁通和轉子電流有功分量的乘積成正比

異步電動機的工作特性

☆

l

異步電動機的轉速特性為一條稍向下傾斜的曲線

l

隨著負載的增大，轉子轉速下降，轉子電流增大，定子電流及磁動勢也隨之增大，抵消轉子電流產生的磁動勢，以保持磁動勢的平衡。定子電流幾乎隨

P2

按正比例增加。

l

當負載增加時，轉子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量也隨之增加，即可使功率因數提高。在接近額定負載時，功率因數達到最大。

l

異步電動機的負載不超過額定值時，角速度w

變化很小。而空載轉矩T0

又可認為基本上不變，所以電磁轉矩特性近似為一條斜率為

1/

w的直線。

l

異步電動機中的損耗也可分為不變損耗和可變損耗兩部分。當輸出功率P2

增加時，可變損耗增加較慢，所以效率上升很快。當可變損耗等于不變損耗時異步電動機的效率達到最大值。隨著負載繼續增加，可變損耗增加很快，效率就要降低。

第六章

直流電機拖動基礎

1他勵直流電動機的機械特性☆

2人為機械特性☆

（1）改變電樞電壓

一組平行曲線

（2）減小每極氣隙磁通

特性曲線傾斜度增加，電動機的轉速較原來有所提高，整個特性曲線均在固有機械特性之上

（3）電樞回路串接電阻

n0=Const

；R越大，曲線越傾斜

他勵直流電動機的起動☆

一般直流電動機拖動負載順利起動的條件是：

1)限制Ist（Ist

≤l

IN，l

為電機的過載倍數）；

2)

Tst

≥（1.1～1.2）TN；

3)

起動設備簡單、可靠。

（1）電樞回路串電阻起動

（2）減壓起動

他勵直他勵直流電動機的調速

☆調速范圍、靜差率、平滑性

（1）串電阻調速

特點：☆☆

1）實現簡單，操作方便；

2）低速時機械特性變軟，靜差率增大，相對穩定性變差；

3）只能在基速以下調速，因而調速范圍較小，一般D

≤

2；

4）由于電阻是分級切除的，所以只能實現有級調速，平滑性差；

5）由于串接電阻上要消耗電功率，因而經濟性較差，而且轉速越低，能耗越大。

（2）

調電壓調速

特點是：☆☆

1）由于調壓電源可連續平滑調節，所以拖動系統可實現無級調速；

2）調速前后機械特性硬度不變，因而相對穩定性較好；

3）在基速以下調速，調速范圍較寬，D可達10~20；

4）調速過程中能量損耗較少，因此調速經濟性較好；

5）需要一套可控的直流電源。

（3）

弱磁調速

特點：☆☆

1）由于勵磁電流I

f

<<

Ia，因而控制方便，能量損耗小；

2）可連續調節電阻值，以實現無級調速；

3）在基速以上調速，由于受電機機械強度和換向火花的限制，轉速不能太高，一般約為（1.2~1.5）nN，特殊設計的弱磁調速電動機，最高轉速為（3~4）nN，因而調速范圍窄。

他勵直流電動機的制動

常用的電氣制動方法有能耗制動、反接制動、回饋制動三種。

（1）能耗制動

A

能耗制動過程

B能耗制動運行狀態

(2)反接制動

A電樞反接制動

B

倒拉反接制動☆

(3)回饋制動

A

正向回饋制動

在調壓調速系統中，電壓降低的幅度稍大時，會出現電動機經過第二象限的減速過程

電動車下坡時，將出現正向回饋制動運行

B

反向回饋制動運行

他勵直流電動機的四象限運行☆

第七章

交流電機拖動基礎

機械特性的三種表達式

（1）物理表達式

（2）參數表達式

（3）實用表達式

最大電磁轉矩與電壓的平方成正比，與漏電抗成反比；臨界轉差率與轉子電阻成正比，與電壓大小無關。

異步電動機機械特性的三種表達式，其應用場合各有不同。一般物理表達式適用于定性地分析

Te

與

及

間的關系；參數表達式多用于分析各參數變化對電動機運行性能的影響；實用表達式最適用于進行機械特性的工程計算。☆

機械特性

機械特性的直線部分他機械特性的曲線部分

起動轉矩

穩定運行問題：

（1）降低定子端電壓的人為機械特性☆特點：

1）固有特性的同步轉速不變。

2）最大轉矩隨電壓的降低而

按二次方規律減小。

３）最大轉矩對應的轉差率保持不變．

（2）定子回路串三相對稱電阻的人為機械特性

定子回路串入電阻并不影響同步轉速，但是最大電磁轉矩、起動轉矩和臨界轉差率都隨著定子回路電阻值的增大而減小。

（3）定子回路串三相對稱電抗的人為機械特性

（4）轉子回路串三相對稱電阻的人為機械特性

特點：（１）同步轉速n1、最大電磁轉矩Tem不變。

（２）臨界轉差率sm增大。

（３）起動轉矩增大．

當所串入的電阻滿足

起動轉矩為最大電磁轉矩

異步電動機的起動☆☆☆

起動要求：

（１）足夠大的起動轉矩。起動電流倍數KI=Ist

/

IN

（２）不要太大的起動電流。起動轉矩倍數KT=Tst

/TN。

l

普通的異步電動機

如果不采取任何措施

而直接接入電網起動時，往往起動電流Ist

很大，而起動轉矩Tst

不足。

在起動初始，n

=

0，轉差率s

=

1，轉子電流的頻率f2=sf1

≈

50Hz，轉子繞組的電動勢sEr0=Er0，比正常運行時（s

=

0.01～0.05）的電動勢值大20倍，則此時轉子電流Ir很大，定子電流的負載分量也隨之急劇增大，使得定子電流（即起動電流）很大；

轉子漏磁sXr0>>Rr，使得轉子內的功率因數cosφ2很小，所以盡管起動時轉子電流Ir

很大，但其有功分量Ircosφ2并不大。而且，由于起動電流很大，定子繞組的漏阻抗壓降增大，使得感應電勢Es和與之成正比的主磁通Fm減小，因此起動轉矩Tst并不大。

異步電動機在起動時存在以下兩種矛盾：

1）起動電流大，而電網承受沖擊電流的能力有限；

2）起動轉矩小，而負載又要求有足夠的轉矩才能起動。

（1）小容量電動機的輕載起動——直接起動

直接起動也稱為全壓起動。（７.5kW）

優點：操作簡便、起動設備簡單；

缺點：起動電流大，會引起電網電壓波動。

（2）中、大容量電動機輕載起動——降壓起動

（A）星形-三角形（Y-Δ）換接起動☆

（B）自耦降壓起動

電動機端電壓:

Us=U2

=

定子電流:

Is=I2=

從電網上吸取的電流:

I1

=Ist

起動轉矩與起動電流降低同樣的倍數。

（C）串電阻（抗）起動方法

優點:起動電流沖擊小，運行可靠，起動設備構造簡單；

缺點:起動時電能損耗較多。

（D）延邊三角形起動方法☆

優點：體積小、質量輕、允許經常起動等。

缺點：電動機內部接線較為復雜。

（3）小容量電動機重載起動——籠型異步電動機的特殊形式

主要矛盾：起動轉矩不足。解決方法有：

（１）按起動要求選擇容量大一號或更大些的電動機；

（２）選用起動轉矩較高的特殊形式的籠型電動機。

(A)

深槽式異步電動機

(B)雙籠型異步電動機

(4)中、大容量電動機重載起動——繞線轉子異步電動機的起動☆

起動的兩種矛盾（起動轉矩小，起動電流大）同時起作用。

如果上述特殊形式的籠型電動機還不能適應，則只能采用繞線轉子異步電動機了。在繞線轉子異步電動機的轉子上串接電阻時，如果阻值選擇合適，可以既增大起動轉矩，又減小起動電流，兩種矛盾都能得到解決。

（A）

轉子串接電阻起動方法

在起動時，在轉子繞組中串接適當的起動電阻，以減小起動電流，增加起動轉矩。

待轉速基本穩定時，將起動電阻從轉子電路中切除，進入正常運行。

（B）轉子串接頻敏變阻器起動方法

頻敏變阻器的特點是其電阻值隨轉速的上升而自動減小

R1為繞組的電阻，Xm為帶鐵心繞組的電抗，Rm是反映鐵耗的等效電阻。

電動機剛起動時，轉子頻率較高,頻敏變阻器內的與頻率平方成正比的渦流損耗較大，其等效電阻也因之較大，可以限制電動機的起動電流，并增大起動轉矩。

異步電動機的調速

從定子傳入轉子的電磁功率Pem可分成兩部分：一部分為拖動負載的有效功率　　　　　　；另一部分是轉差功率，與轉差率成正比。

把異步電動機的調速方法分為三類：

1）轉差功率消耗型

—

全部轉差功率轉換成熱能消耗掉。效率最低。

2）轉差功率回饋型

—☆

轉差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網，其效率比功率消耗型高。

3）轉差功率不變型

—轉差率保持不變，所以轉差功率的消耗也基本不變，因此效率最高。

(1)轉差功率消耗型異步電動機調速方法

(A)

改變定子電壓調速

(B)轉子電路串接電阻調速

(2)轉差功率回饋型異步電動機調速方法——串級調速

1.串級調速的基本原理☆

2.串級調速的控制方式

(1)

次同步調速方式

(2)

超同步調速方式

3.串級調速的機械特性

(3)

轉差功率不變型異步電動機調速方法

（A）變極調速——多速異步電動機☆

（B）變頻調速

1）

基頻以下調速

2）基頻以上調速

異步電動機的制動

（1）異步電動機的能耗制動☆☆

（2）異步電動機的反接制動

（A）

轉速反向的反接制動

（B）定子兩相對調反接制動

☆兩種反接制動電動機的轉差率都大于1

能量：從電網吸收電能；從旋轉系統獲得動能（定子兩相對調反接制動）或勢能（轉速反向反接制動）轉化為電能。這些能量都消耗在轉子回路中。

（3）異步電動機的回饋制動

☆兩種回饋制動電動機的轉差率都小于0

能量：從旋轉系統獲得勢能轉化為電能，并回饋給電網。

異步電動機運行狀態小結

第四章

同步電機原理

同步電機的結構和運行方式

同步電機靜止的轉子和旋轉的定子組成同步電機的轉子有兩種結構形式：凸極式、隱極式

同步電動機的磁動勢

同步電動機的功率方程和功角特性

同步電動機的電磁轉矩與矩角特性

同步電動機的穩定運行

隱極同步電動機:當電動機拖動負載運行在q

=

0°～90°的范圍內，電動機能夠穩定運行；當電動機拖動負載運行在q

=

90°～180°的范圍內，電動機不能夠穩定運行。

同步電動機的電壓方程和相量圖

直軸同步電抗

交軸同步電抗

同步電動機的功率因數及Ｖ形曲線

l

當改變同步電動機的勵磁電流時，能夠改變同步電動機的功率因數。☆

l

當改變勵磁電流時，同步電動機功率因數變化的規律可以分為三種情況，即正常勵磁狀態、欠勵狀態（”）和過勵狀態(’)。☆

l

同步電動機拖動負載運行時，一般要過勵，至少運行在正常勵磁狀態，不要讓它運行在欠勵狀態。

l

在線的左邊是欠勵區，右邊是過勵區

l

當同步電動機帶一定負載時，若減小勵磁電流，電動勢、電磁功率減小。當電磁功率減小到一定程度，θ超過90°，電動機就失去同步，如圖8-16中虛線所示的不穩定區。從這個角度來看，同步電動機最好也不運行于欠勵狀態。☆

第十章

電力拖動系統電動機的選擇

1如何根據電機的銘牌進行定子的接線：

如果電動機定子繞組有六根引出線，并已知其首、末端，分兩種情況討論：

1)

銘牌上標明“電壓380/220V，接法Y/Δ”

2)

銘牌上標明“電壓380V，接法Δ”,在起動過程中，可接成Y型，接在380V電源上，起動完畢，恢復Δ接法。☆

確定電動機額定功率考慮因素☆

1）電動機的發熱及溫升；

2）電動機的短時過載能力；

3）籠型異步電動機還應考慮起動能力。

連續工作制電動機額定功率的選擇

1.恒定負載

計算出負載所需功率PL，選擇一臺額定功率PN

略大于PL的連續工作制電動機，不必進行發熱校核。

對起動比較困難（靜阻轉矩大或帶有較大的飛輪力矩），采用籠型異步電動機或同步電動機，應校驗起動能力。

2.周期性變化負載

電動機的額定功率按下面幾種等效法選擇：等效電流法、等效轉矩法、等效功率法

電動機類型的選擇

原則：在滿足生產機械對過載能力、起動能力、調速性能指標及運行狀態等各方面要求的前提下，優先選用結構簡單、運行可靠、維護方便、價格便宜的電動機。

1）對起動、制動及調速無特殊要求的一般生產機械，如機床、水泵、風機等，應選用籠型異步電動機。

2）對需要分級調速的生產機械，如某些機床、電梯等，可選用多速異步電動機。

3）對起動、制動比較頻繁，要求起動、制動轉矩大，但對調速性能要求不高，調速范圍不寬的生產機械，可選用繞線轉子異步電動機。

4）當生產機械的功率較大又不需要調速時，多采用同步電動機。

5）對要求調速范圍寬、調速平滑、對拖動系統過渡過程有特殊要求的生產機械，可選用他勵直流電動機

電動機額定轉速的選擇

（1）對連續運轉的生產機械，可從設備初投資，占地面積和運行維護費用等方面考慮，確定幾個不同的額定轉速，進行比較，最后選定合適的傳動比和電動機的額定轉速。

（2）經常起動、制動和反轉，但過渡過程時間對生產率影響不大的生產機械，主要根據過渡過程能量最小的條件來選擇電動機的額定轉速。☆

（3）經常起動，制動和反轉，且過渡過程持續時間對生產率影響較大，則主要根據過渡過程時間最短的條件來選擇電

動機的額定轉速。

緒論

1．按電機供電電源的不同，可以分為直流電機和交流電機兩大類。

2．把穿過某一截面S的磁力線根數被稱為磁通量F。在均勻磁場中，把單位面積內的磁通量稱為磁通密度B。

3．非導磁材料，比如：銅、橡膠和空氣等，具有與真空相近的導磁率，因此在這些材料中，磁場強度H與磁通密度B的關系是線性的。在導磁材料中，磁場強度H與磁通密度B的關系不是線性的。☆

4．磁通與電壓之間存在如下關系：

1）如果在閉合磁路中磁通隨時間而變化，那么將在線圈中感應出電動勢；☆

2）感應電動勢的大小與磁通的變化率成正比。

5．電機作為一種機電能量轉換裝置能夠將電能轉換為機械能，也能將機械能轉換為電能。由于機械系統和電氣系統是兩種不同的系統，其能量轉換必須有一個中間媒介，這個任務就是由氣隙構成的耦合磁場來完成的。☆

6鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗之和為鐵心損耗。☆

電力拖動系統動力學基礎

1．電力拖動系統一般由電動機、生產機械的傳動機構、工作機構、控制設備和電源組成，通常又把傳動機構和工作機構稱為電動機的機械負載。

☆2．電力拖動運動方程的實用形式為

由電動機的電磁轉矩Te與生產機械的負載轉矩TL的關系：

1）當Te

=

TL

時，dn/dt

=

0，表示電動機以恒定轉速旋轉或靜止不動，電力拖動系統的這種運動狀態被稱為靜態或穩態；

2）若Te

＞TL

時，dn/dt

＞0，系統處于加速狀態；

3）若Te＜TL

時，dn/dt

＜0，系統處于減速狀態。

也就是一旦

dn/dt

≠

0，則轉速將發生變化，我們把這種運動狀態稱為動態或過渡狀態。

☆3．生產機械的負載轉矩特性：

☆4．拖動系統穩定運行的充分必要條件:

Te=TL且

電動機工作在電動狀態飛輪矩的折算

☆

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