电机与拖动基础习题解答第七章

武汉纺织大学第七章7.1为什么小容量的直流电动机不允许直接起动,而小容量的三相异步电动机却可以直接起动?答:直流电动机电压方程是aaaIREU,感应电动势aE与转速成正比,起动瞬间电动机转速为零,感应电动势亦为零,外加电压等于电枢电阻压降,而直流电动机的电枢电阻很小,使得起动电流很大,所以直流电动机不允许直接起动。对三相异步电动机而言,起动电流stI=2212211)()(XXRRU,起动时的阻抗中除了电阻(21RR)外,还有电抗(21XX),小容量的三相异步电动机起动时阻抗比较大,所以可以直接起动。7.2三相异步电动机起动时,为什么起动电流很大,而起动转矩却不大?答:三相异步电动机起动瞬间转速为零,定子旋转磁场相对于转子的切割速度最大,在转子绕组中产生的感应电动势最大,使得转子电流很大,从而使得定子电流即起动电流很大。定子电压方程式是1U=-1E+1Z1I,起动电流很大,使得定子绕组的漏阻抗压降1Z1I增大,感应电动势1E减小,1E与气隙磁通1成正比,从而导致1减小到额定值的一半;起动时n=0,s=1,转子电流频率112fsff为最高,转子电抗2X为最大,使得转子功率因数cos2比较小;由电磁转矩表达式T=TC12Icos2可知,T与1、2I和cos2分别成正比关系,尽管起动时2I很大,但是1的减小和cos2的减小,使得起动转矩却不够大。7.3什么情况下三相异步电动机不允许直接起动?答:如果电源容量相对于电动机的容量而言不是足够大时就不允许直接起动电动机,一般可根据经验公式来判断,即起动电流倍数IK应满足下述条件IK=NstII≤43+NNPS4电动机才允许直接起动,否则不允许直接起动。7.4绕线转子异步电动机为何不采用降压起动?答:异步电动机降压起动可以降低起动电流,但也降低了起动转矩,只能用于空载或轻载起动。绕线转子异步电动机除了降压起动外,还可以采用在转子回路中串电阻或串频敏变阻器的方法进行全压带负载起动,串电阻起动不仅可以降低起动电流，还能增大起动转矩，所以绕线转子异步电动机不采用降压起动,而采用串电阻或串频敏变阻器的方法进行起动。7.5什么是异步电动机的Y-Δ起动?它与直接起动相比,起动电流和起动转矩有什么变化?答:正常运行时定子绕组为Δ(三角形)联结的异步电动机,在起动时接成Y(星形)联结,起动完成时再转换成Δ(三角形)联结的起动方法称为Y-Δ起动。Y-Δ起动时的起动电流和起动转矩只有直接起动时的31。7.6笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动时,起动电流和起动转矩的大小与自耦变压器的降压比AK=12NN是什么数量关系?答:笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动时,起动电流和起动转矩与自耦变压器的降压比AK的平方成正比,即起动电流和起动转矩是直接起动时的2AK倍。7.7说明深槽式和双笼型异步电动机改善起动特性的原因,并比较其优缺点。答:深槽式笼型异步电动机是利用转子槽漏磁通所引起的电流集肤效应来改善起动性能的,起动时电流集肤效应使转子电流集中在槽中导条的上部,电流集中在导条上部的效果就相当于减小了导条的有效截面积,增大了转子电阻,从而改善起动性能。双笼型异步电动机转子有上下两套笼型绕组,上笼绕组截面积较小,具有较大的电阻,起动时上笼绕组起主要作用,可以改善起动性能;下笼绕组截面积较大,电阻较小,运行时下笼绕组起主要作用,电动机仍有较好的运行性能。这两种异步电动机的缺点是功率因素低,双笼型异步电动机结构复杂,价格较贵。7.8绕线转子异步电动机转子回路串适当的起动电阻后,为什么既能抑制起动电流又能增大起动转矩?如把电阻改为电抗,其结果又将怎样?答:绕线转子异步电动机转子回路串电阻起动时能限制转子电流,所以能抑制起动电流;由stT=221221122123XXRRfRpU可见,在一定范围内起动转矩随转子电阻增大而增大,所以绕线转子异步电动机转子回路串适当的起动电阻后,既能抑制起动电流又能增大起动转矩。把电阻改为电抗对抑制起动电流有一定的作用,但不能增大起动转矩,还会降低起动转矩。7.9为什么绕线转子异步电动机转子回路串入的电阻太大反而会使起动转矩变小?答:绕线转子异步电动机转子回路串入电阻时,在一定范围内起动转矩随转子电阻增大而增大,当转子回路串入电阻增大到212XXR时,即临界转差率ms=212XXR=1,起动转矩stT为最大,就等于电动机的最大转矩mT,即stT=mT,再增大串入电阻会使转子电流变小,从而会使起动转矩变小。7.10绕线转子异步电动机转子回路串频敏变阻器起动的原理是什么?答:频敏变阻器就是一个三相铁心线圈,类似一台一次绕组Y联结但没有二次绕组的三相心式变压器,铁心用厚钢板或铸铁板叠压而成,铁损耗大,即励磁电阻大,所以绕线转子异步电动机转子回路串频敏变阻器起动时,既能限制起动电流又能增大起动转矩。随着转速的升高,转子电流频率2f=s1f逐渐下降,励磁阻抗自动减小,故而称为频敏变阻器。到起动快结束时,2f很小,仅有1～3Hz,励磁阻抗很小,频敏变阻器已不再起作用,可将频敏变阻器切除,电动机完成起动过程。7.11为什么说绕线转子异步电动机转子回路串频敏变阻器起动比串电阻起动效果更好?答:绕线转子异步电动机转子回路串频敏变阻器起动时,频敏变阻器的阻抗会随着转速的升高而自动变小,不需要人为调节,操作简单方便。转子回路串电阻起动时,随着转速的升高需要一级一级地切除电阻,直至最后切除全部电阻,在切除电阻时电流会突变,使转矩发生突变,起动过程不平稳,起动设备比较复杂。所以说绕线转子异步电动机转子回路串频敏变阻器起动比串电阻起动效果更好。7.12三相异步电动机轴上带的负载转矩越重,起动电流是否越大?为什么?负载转矩的大小对电动机起动的影响表现在什么地方?答:三相异步电动机起动电流stI=2212211)()(XXRRU,只与电源电压及电动机本身阻抗有关,与负载转矩大小无关,所以并不是电动机轴上带的负载转矩越重,起动电流就越大。负载转矩的大小对电动机起动的影响表现在起动的快慢上,负载转矩越重,加速度就越小,速度上升越慢,起动时间变长。7.13在基频以下变频调速时,为什么要保持11fE=常数,它属于什么调速方式?答:电动机的气隙磁通1=111144.4NkNfE保持11fE=常数就保持气隙磁通1恒定不变,正常运行时气隙磁通1为额定磁通,已接近饱和,若11fE变大,则1会增大到过饱和,将导致励磁电流急剧增大,铁损耗增加,电动机发热厉害;若11fE变小,则1会减小,T与1成正比,T会减小,电动机带负载能力降低,这是不可取的,所以在基频以下变频调速时,要保持11fE=常数。11fE=常数属于恒磁通调速方式。7.14在基频以上变频调速时,电动机的磁通如何变化?它属于什么调速方式?答:在基频以上变频调速时,电压保持不变,由11111144.4NKNfEU可知,随着频率的升高,磁通会降低,是弱磁调速。电磁功率TPM,频率升高,一方面使转速升高,增大;另一方面使磁通降低,转矩变小,最终使电磁功率基本上保持不变,所以是恒功率调速方式。7.15笼型异步电动机如何实现变极调速?变极调速时为何要同时改变定子电源的相序?答:在笼型异步电动机的定子绕组中,把每相绕组中的半相绕组的电流改变方向,电动机的极对数就成倍地变化,从而实现变极调速。变极调速时定子绕组电流的相序会发生变化,如果不改变定子电源的相序,电动机就会反转,为防止电动机反转,在变极调速时要同时改变定子电源的相序。7.16定性画出Y-YY变极调速的机械特性,它属于何种调速方式?答:Y-YY变极调速的机械特性如题7.16图所示,:题7.16图从图中可以看出,从Y向YY变极调速时,电动机的转速、最大转矩和起动转矩都增加了一倍,即mYYT=2mYT,stYYT=2stYT。Y-YY变极调速属于恒转矩调速方式。7.17绕线转子异步电动机转子串电抗能否调速?为什么?答:绕线转子异步电动机转子串电抗不能调速,因为正常运行时转差率s很小,约为0.015~0.05,转子电流频率12sff很低,约为1~3HZ,串入电抗后对转子电路的影响可以忽略不计,所以绕线转子异步电动机转子串电抗不能调速。7.18三相异步电动机串级调速的基本原理是什么?答:三相异步电动机串级调速是在转子回路中串入一个与转子感应电动势频率相等、相位相同(或相反)的附加电动势,改变附加电动势的大小就可以改变转子电流,从而实现速度的调节;同时利用附加电动势吸收转子的转差功率并回馈电网,提高效率。7.19比较串级调速和转子串电阻调速的机械特性、效率和功率因数。答:绕线转子异步电动机串电阻调速的机械特性是经过理想空载点的曲线,其直线部分的斜率随串入电阻的增大而增大;串级调速的机械特性,其直线部分的斜率是不变的,调速过程中机械特性上下平行移动。串电阻调速时转子的转差功率消耗在电阻上,效率低;串级调速时转子的转差功率被吸收后回馈电网,效率高。串电阻调速功率因数高;串级调速有逆变器和逆变变压器,逆变变压器要从电网吸收无功功率,功率因数低。7.20串级调速为什么比转子串电阻调速效率高?它适用于什么场合?答:绕线转子异步电动机转子串电阻调速时,转子的转差功率消耗在电阻上,而串级调速能将转子的转差功率吸收后回馈电网,所以串级调速比转子串电阻调速效率高。串级调速适用于调速范围不大,中型容量以上的电力拖动系统中,如大型水泵、风机、矿井提升机等。7.21绕线转子异步电动机的调速方法有哪些?各有何优缺点?答:绕线转子异步电动机的调速方法有变频调速、晶闸管移相调压调速、转子串电阻调速和串级调速等。变频调速性能最佳,但变频器价格较贵;晶闸管移相调压调速要接成闭环控制系统,才能扩大调速范围,实现无级调速,这时系统结构较为复杂;转子串电阻调速,功率因数高,操作控制简单方便,但是属有级调速,调速的平滑性差,且效率低;串级调速效率高,平滑性好,但功率因数低。7.22以晶闸管串级调速为例,说明其功率传递关系。答:在晶闸管串级调速系统中,电动机从电源吸收有功功率1P中,减去定子的铜损和铁损后就是传递给转子的电磁功率MP,MP中的大部分转变为机械功率mP=(1-s)MP,从mP中减去空载损耗0P后就是传递给负载的功率2P=mP-0P;MP中的小部分转变为转差功率,大小为sMP,转差功率中的一部分消耗在转子绕组的电阻上,即转子铜损耗2cuP,剩余的部分,即(sMP-2cuP)通过逆变器回馈电网。7.23为什么普通笼型异步电动机带恒转矩负载不适合采用调压调速?答:普通笼型异步电动机带恒转矩负载不适合采用调压调速的原因有二:一是电动机的电磁转矩与电压的平方成正比,随电压降低电动机拖动负载能力变差,甚至不能拖动负载;二是调压调速范围较小,负载越轻,调速范围越小。7.24异步电动机回馈制动时的能量转换关系与电动运行相比发生了什么变化?试画出其功率流程图。答:异步电动机在电动运行状态时从电源吸收有功功率1P,减去损耗P后转变为轴上输出功率2P,拖动负载运行;在回馈制动时电动机从轴上输入功率2P，减去损耗P后转变为电功率1P回馈电源。电动运行及回馈制动的功率流程图分别如题7.24图（a）和（b）所示。7.25举若干例子说明异步电动机回馈制动过程或运行情况。1P2PP2P1PP(a)电动运行（b）回馈制动题7.24图答:矿井提升机下放重物时,若按重物下放方向接通电动机的电源,电动机电磁转矩方向与负载转矩方向一致,电动机会不断地加速,直至达到同步转速时,电磁转矩为零,但是负载转矩继续拖动提升机加速,使电动机转速超过同步转速,这时电磁转矩反向为制动转矩,电动机向电源回馈电能,当电动机加速到电磁转矩与负载转矩相等时,提升机就匀速下放重物,电动机处于回馈制动运行状态,将重物下放释放出来的位能转变为电能回馈电源。异步电动机改变极对数降速过程中也会出现回馈制动,当电动机极对数突然成倍增加时,同步转速就成倍下降,电动机转速超过下降了的同步转速,电动机向电源回馈电