船舶电气设备及系统郑华耀主编课后习题参考答案.docx

1-1、铁磁材料具有哪三种性质？ 答：铁磁材料具有“高导磁率”、“磁饱和”以及“磁滞和剩磁”等三种性质。1-2、为什么通电线圈套在铁心上，它所产生的磁通会显著增加？ 答：通电线圈未套在铁心上时， 其产生的磁通所经过的磁路主要是空气隙，磁阻很大，因此磁通一般较小。当通电线圈套在铁心上时，磁通所经过的磁路有很大的一段是由铁磁材料组成的，磁路的磁阻显著下降，所以它所产生的磁通会显著增加。1-3、铁磁材料在交变磁化时，为什么会产生磁滞和涡流损耗？直流电磁铁的铁心为什么是由整块铸铁制成的？ 答：由于铁磁材料有磁滞和剩磁的性质，需要一定的外界提供一定的能量来克服磁滞和剩磁的作用实现交变磁化，因此交变磁化时会产生磁滞损耗。交变磁化的磁通将在铁心中感应电动势，而由于铁磁材料本身具有一定的导电能力，感应的电动势将在铁心中形成涡流（以铁心中心轴线为圆心的同心环形电流），涡流在导体上产生的损耗就是涡流损耗。直流电磁铁产生的磁通是大小和方向都恒定不变的直流磁通，直流磁通不会产生涡流损耗，因此没有必要象交流电磁铁那样采用硅钢片制造，为了使制造工艺简化，直流电磁铁的铁心就常常采用整块铸铁制成。1-7、交、直流接触器有什么不同点？（注：本题主要指交、直流接触器的电磁机构）答：交、直流接触器的不同点基本上体现在交、直流电磁铁的不同点上，即，它们的电磁机构的不同点上。交、直流接触器电磁机构的主要不同点有：铁心构造不同，线圈结构不同，工作原理方面存在差异。1-9、交流接触器为什么要用短路环？ 答：为了避免衔铁的振动。交流接触器的线圈通过的是交流电流，在铁心中产生的是交变磁通。在一个周期内，交流电流和交变磁通都有两个瞬时值为零的“过零点”。在“过零点”瞬间，铁心产生的电磁吸力为零。而交流接触器的衔铁是靠反力弹簧释放的，工作时衔铁是靠电磁吸力克服反力弹簧作用力而吸合的，因此若不采用短路环，在“过零点”衔铁就会出现振动。短路环是用良导体焊接成的，将铁心的一部分套住。接触器工作时产生的交变磁通也通过被短路环套住的部分铁心，且在短路环中感应电动势，产生电流。短路环中的电流也会产生磁通，而且，接触器线圈产生的磁通为零时（变化率最大），短路环感应的电动势、产生的电流和磁通都达到最大，因此保证接触器线圈电流“过零点”时铁心产生的磁通和吸力不围零，从而避免衔铁的振动。也就是说，交流接触器铁心中的短路环是避免铁心两部分产生的磁通同时为零，从而避免衔铁的振动的。1-10、交流接触器为什么要用钢片叠成？ 答：交流电磁铁工作时，线圈通入的是交流电流，在铁心中产生的是交变磁通，交变磁通会在铁心中产生涡流损耗。为了减少涡流损耗，铁心的应该由片间涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成。1-11、交流接触器铁心卡住为什么会烧毁线圈？（应该说是“衔铁卡住”较合适） 答：交流电磁铁是恒磁通型的，只要电源电压和频率不变，因为UE=4.44Nf，其磁通基本不变，因此不管衔铁是否吸合，电磁铁产生的吸力基本保持不变。但是，衔铁吸合前，磁路的磁阻大，线圈通过的电流大；衔铁吸合后磁路的磁阻小，线圈通过的电流小（因为磁势IN=磁阻，不变而磁阻大，I就大；磁阻小，I就小）。若接触器工作时交流电磁铁的衔铁卡住（即不能完全吸合），将使线圈一直保持较大的电流，产生的铜损耗增加，很容易使线圈因过热而烧毁。第2章 变压器2-1、变压器中主磁通和漏磁通的性质和作用有什么不同？在分析变压器时是怎样反映它们的作用的？答：主磁通：沿铁心闭合，同时与原、副边绕组交链，并在所交链的绕组中感应电动势。它是实现能量转换的媒介，是变压器的工作磁通，占总磁通的绝大部分。变压器的端电压一定，主磁通维持在一个恒定的值。在分析变压器时常以励磁电抗Xm反应主磁通的作用。 漏磁通：主要沿非铁磁材料闭合，仅与原边绕组或者副边绕组交链，在所交链的绕组中感应电动势，起漏抗压降的作用，在数量上远小于主磁通。在分析变压器时，以漏抗X反映漏磁通的作用。 主磁通由原边绕组和副边绕组磁通势共同产生，漏磁通仅由原边或副边绕组磁通势单独产生。2-2、感应电动势的量值与哪些因素有关？励磁阻抗Zm的物理意义如何？Xm的大小与哪些因素有关？答：因素有：绕组的匝数、电源的频率和与绕组交链磁通的幅值。物理意义是：电阻部分用来反映变压器磁路损耗在一相电路中的等效，电抗部分则反映变压器在磁路中产生主磁通时，对电路相电流产生相位的影响和对相电压产生电压降落的影响。励磁阻抗Zm=Rm+jXm，反映变压器铁损大小的等效电阻。绕组匝数、磁路磁阻以及电源频率 2-3、额定电压为110/24V变压器，若将原边绕组接于220V交流电源上，其结果如何？若将220/24V的变压器接于110V交流电源上，其结果又将如何？ 答：若将110/24V变压器的原边绕组接于220V交流电源上，由于这时原边电压增加一倍，就要求磁路的磁通也增加一倍。在半饱和区再使磁通增加一倍，则励磁电流将大大增加，使绕组的铜耗和铁心损耗大大增加，变压器将很快烧毁。 若将220/24V的变压器接于110V交流电源上，磁路的磁通减少，对于变压器运行没有什么不良影响。只是此时磁路完全不饱和，变压器铁心的利用率降低而已。同时，变压器副边输出电压减小为12V，不能满足原来负载的要求。2-4、额定频率为50Hz的变压器接于频率为60Hz的额定电压上，以及额定频率为60Hz的变压器接于频率为50Hz的额定电压上，将对变压器运行带来什么影响？50Hz和60Hz的变压器能通用吗？答：频率增加铁心损耗也增加。若电源电压不变，则磁路的磁通减少，励磁电流减小，绕组的铜损耗略有减少；同理，60Hz接于50Hz的额定电压上，铁耗有所减少，但磁路饱和程度增加，绕组的铜耗有所增加。由于空载电流较小，频率在50Hz和60Hz之间变化，铜耗和铁耗的变化量都不太不大，而且一个增加另外一个就减少，同时考虑变压器都有一定的过载能力。因此，在50Hz和60Hz的变压器还是可以通用的。2-5、一台额定电压为220/110V的变压器，原、副边绕组匝数N1、N2分别为2000和1000，若为节省铜线，将匝数改为400和200，是否可以？ 答：不可以。根据UE=4.44fNm可知，当匝数减小而为了维持同样电压，必须导致磁通大大增加，必然使得磁路饱和，电流显著增大。题中条件下，匝数减少为原来的1/5，为了平衡电源电压，磁通需要增加到原来的5倍，磁路严重饱和，电流增加的倍数可达原来的几十倍，若没有保护措施，线圈将瞬间烧毁。2-6、变压器负载运行时引起副边电压变化的原因是什么？副边电压变化率的大小与这些因素有何关系？当副边带什么性质负载时有可能使电压变化率为零？ 答：变压器负载运行，引起副边端电压变化的原因有：短路阻抗，负载的大小和性质。短路阻抗的大，负载的大，副边电压变化率就大。当副边带电容性负载时有可能使电压变化率为零。题图2-7 感性及容性负载时的相量图2-7、根据图2-4所示的简化等效电路图，列出电压平衡方程式，并分别画出感性及容性负载时的相量图。 答：电压平衡方程式为： 2=İ2RL+jİ2XL İ1=-İ2 1=-2+İ1RK+jİ1XK 相量图如右图所示。 2-8、变压器空载时，原边加额定电压，虽然原边电阻中r1很小，可空载电流并不大，为什么？ 答：变压器空载运行时，从电源输入的电流主要在铁心磁路中产生交变的主磁通，交变的主磁通在原边绕组将感应幅值接近电源电压的反电势，且与电源电压的实际相位几乎相反。原边绕组上的反电势作用是与电源电压相平衡，使加在原边绕组电阻r1中电压很小。因此，虽然r1很小，但空载电流并不大。2-9、一台50Hz的单相变压器，若误把原边绕组接到与其额定电压相同直流电源上，会发生什么现象？ 答：当原边接到直流电源上时，主磁通是恒定直流磁通，原、副边绕组中没有感应电动势。没有感应电动势与电源电压相平衡，直流电源电压将全部降落在原边绕组的电阻上，产生巨大的短路电流。若没有短路保护措施，原边绕组很快将被烧毁。2-10、在使用电压互感器及电流互感器时，各应注意什么？为什么？ 答：电压互感器：副边绕组不许短路。如果副边绕组短路，则变成短路运行，电流从空载电流变成短路电流，造成原副边绕组电流均变得很大，会使互感器绕组过热而烧毁。铁心和副边绕组的一端必须可靠接地。避免由于绝缘老化或损坏造成漏电，危及人身安全。副边所带的负载阻抗不能低于额定负载阻抗。互感器的精度将受到影响。 电流互感器意：副边绕组不许开路。若副边开路，原边电流完全用于励磁，磁场变得很强，将在副边感应出很高的电压，将击穿绝缘，危及人身及设备安全。铁心和副边绕组的一端必须可靠接地。避免由于绝缘老化或损坏造成漏电，危及人身安全。副边所带的负载阻抗不能高于额定负载阻抗，否则也将影响互感器的测量精度。第3章 异步电动机3-1、什么叫转差率？如何根据转差率判断异步电动机的运行状态？ 答：所谓转差率，就是转差的比率，是转子转速与气隙旋转磁场之间的转差与气隙旋转磁场的相对比率。其定义式为s=(n0-n)n0。根据转差率可以判断异步电动机转子与气隙旋转磁场的关系，从而判断异步电动机的运行状态，具体如下：当s0时，nn0，发电制动状态；当s=0时，n=n0，理想空载运行状态；当0s1时，nn0，电动运行状态；当s=1时，n=0，堵转状态，或者电动机起动的瞬间；当s1时，n0，反接制动运行状态。3-2、异步电动机处于发电机运行状态和处于电磁(反接)制动运行状态时，电磁转矩和转子转向之间的关系是否一样？应该怎样分析，才能区分这两种运行状态？ 答：关系都是一样的，所谓制动，从字面上看就是“制止运动”，只有电磁转矩与转子转向相反才能制动。要区分这两种运行状态可以从转差率进行判断：当s0时，异步电动机处于发电制动状态。此时转子转速n高于气隙旋转磁场的转速n0；当s1时，异步电动机处于反接制动运行状态。此时，转子转速n与气隙旋转磁场的转速n0方向相反，若以气隙旋转磁场的转速n0方向为参考正方向，则转子转速n低于气隙旋转磁场的转速n0。a) 三相电流b) 方向题图3-3 转子接电源3-3、如果将绕线式异步电动机的定子绕组短接，而把转子绕组连接到对称三相电源上，将会发生什么现象？ 答：绕线式异步电动机的转子仍然能够正常转动。当此时转子转向与气隙旋转磁场转向相反，气隙旋转磁场相对于转子的速度为n0；气隙旋转磁场相对于定子的转速为sn0，转向也与转子转向相反，如右图(题图3-3)所示。 在题图3-3中，转子绕组通入三相交流电流，产生的旋转磁场以n0(相对于转子)或s n0 (相对于定子)的转速按照a、b、c的相序顺时针旋转，切割定子绕组感应电势，产生电流如图3-3 b)所示。根据左手定则，定子绕组受力F方向为：A、X，而由于定子固定不动，转子将受到相反方向力的作用，因此电磁转矩T和转子转速n的方向都为逆时针方向。3-4、与同容量的变压器相比较，异步电动机的空载电流大，还是变压器的空载电流大？为什么？ 答：空载电流大，因为异步电动机磁路中含有气隙，气隙磁阻大，使得产生额定磁通量的励磁磁动势增大，相应励磁电流就大，约占额定电流的20%40%；而变压器主磁路是闭合的不含有气隙，其励磁电流也小的多，约占额定电流的3%8%。3-5、一台三相异步电动机，如果把转子抽掉，而在定子绕组上加三相额定电压，会产生什么后果？ 答：磁路中气隙将大大增加，即磁路的导磁率减小。当定子绕组施加三相额定电压，磁通仍为额定值，在磁路的磁阻增大的情况下，需要有很大的励磁磁动势，励磁电流将大大超过额定电流，很快将使定子绕组烧毁。3-6、异步电动机定子绕组与转子绕组没有直接的电气联系，为什么负载增加时，定子电流和输入功率会自动增加，试说明其物理过程。从空载到满载电机主磁通有无变化？ 答：当负载增加时，转子电流将增大。而转子电流的去磁性质将使主磁通出现下降的趋势，定子绕组感应的电势也将出现减少的趋势。当电源电压不变时，定子绕组的电流将自动增加，以补偿转子电流的去磁作用。因此，负载增加时，定子电流和输入功率会自动增加。 由于定子绕组的电阻和漏抗都较小。因此，从空载到满载，若不考虑定子漏阻抗影响，异步电机的主磁通基本不变。若考虑定子漏阻抗影响，则主磁通略有减少。3-7、三相异步电动机正常运行时，如果转子突然被卡住而不能转动，试问这时电动机的电流有无变化？对电动机有何影响？ 答：如果转子突然卡住，转子感应电动势将突然增大，致使转子电流突然增大，产生较大的电流冲击和机械力矩的冲击。而根据磁势平衡关系知，转子电流增大定子电流也将增加，电机定、转子绕组的铜损耗增加，时间稍长绕组将过热，若保护装置不动作则可能烧毁绕组。3-8、在分析异步电动机时，转子边要进行哪些折算？为什么要进行这些折算？折算的条件是什么？ 答：有：频率折算，绕组折算。 折算的目的是：由于转子电路的电灵频率随转子转速（或电机的转差率）变化而变化，难于直接进行电气分析。因此需要进行频率折算，将转子电量的频率折算成与定子电量频率一致的等效电量，以便进行电气分析。即用一个静止不动的绕组代替实际转动的转子绕组，而且两个绕组对磁路的影响必须一样。通过频率折算后的转子绕组与变压器的情况相同，但频率折算后的静止绕组的匝数与定子绕组匝数不一样，仍然不能进行直接的电气分析，因此还必须象变压器一样进行绕组折算，用一个匝数相同的等效绕组代替频率折算后的静止绕组，从而消除磁路分析的麻烦得到与变压器相似的等效电路。 进行频率折算和绕组折算的条件是：折算前后等效绕组与实际绕组的磁势一样，产生的电磁功率和损耗一样。3-9、异步电动机的等效电路与变压器的等效电路有无差别？等效电路中的r2代表什么？能否用电感或电容代替？为什么？ 答：首先，两种等效电路是有相似的地方的。两者相同点主要是：形式一样；变压器的原边和三相异步电动机定子边都采用每相参数的实际值，而变压器的副边和异步电动机转子都采用折合值。 但是，两者却有如下突出的不同点：变压器中折合只是绕组匝数折合，而异步电动机除了绕组匝数折合外，还有频率、相数折合。变压器负载运行时，变压器的负载阻抗只需要乘以变比的平方，便可以用等效电路计算，变压器的输出的电功率的性质及功率因素完全取决于负载的性质，可以是电阻性、电感性或电容性的。而三相异步电动机运行时，实际输出机械功率，但在等效电路上用一个等效电阻表示，其上消耗（电功率）代表了电动机输出的机械功率。也就是说，机械功率的大小与电动机转差率有关，性质也是电阻上的 有功功率，不可能有电感性或者电容性的。转子电路中是机械功率的等效电阻。3-10、异步电动机带额定负载运行时，若电源电压下降过多，会产生什么后果？试说明其原因。如果电源电压下降20%，对异步电动机的最大转矩、起动转矩、功率因数等各有何影响？ 答：异步电动机带额定负载运行时，若电源电压下降过多，将使定、转子电流都将增大较多，电机的铜损耗增加较多，可能使电机出现过热现象，从而加速绕组绝缘的老化，甚至烧毁。这是因为异步电动机产生的电磁转矩与电源电压的平方成正比，电压下降电机产生的电磁转矩减小，在额定负载小运行时转子转速将明显下降，转差率将增加较多。从转子电流计算公式看，转子电流增大较多，同时引起定子电流有较大的增加。 由于异步电动机的最大转矩和起动转矩都与电源电压的平方成正比，电源电压下降20%，即电源电压为原来的0.8，因此异步电动机的最大转矩和起动转矩都为额定电压时的0.64，即下降了36%。 根据前面的分析，电压下降，转差率增加，转子回路的等效电阻r2/s减小，转子电路的功率因数cosj2=(r2/s)/x22+(r2/s)2将减小。而带额定负载时定子电流主要成分是转子电流分量，励磁电流分量所占的比例较小，cosj2减小则定子电路的功率因数cosj1也将比额定电压时对应的数值有所减小。3-11、漏抗大小对异步电动机的运行性能，包括起动电流、起动转矩、最大转矩、转子电路的功率因数等有何影响？ 答：漏抗大小对异步电动机的运行性能有影响，具体表现为：由于等效电路可知，漏抗增大，起动电流减小；由于转矩与功率因数表达式（式3-23、式3-21和式3-10）可知，起动转矩、最大转矩、转子电路的功率因数都减小。3-12、有些三相异步电动机有380/220V两种额定电压，定子绕组可以连接成星形，也可连接成三角形。试问在什么情况下采用何种连接方法？ 答：三相异步电动机有两种额定电压380/220V时，一般同时标注其连接形式为Y/。因为对于已经出厂的异步电动机，其磁路的磁通与相绕组感应的电动势基本确定，也就是说定子一相绕组的耐压已经确定。但三相绕组采用Y或连接形式，电机线间电势有不同的数值。因此，当三相异步电动机标出的额定电压380/220V时，说明其定子一相绕组的额定电压为220V。当异步电动机定子三相绕组采用Y连接时，其额定电压为380V；当异步电动机定子三相绕组采用连接时，其额定电压为220V。3-13、三相异步电动机在满载和空载下起动时，起动电流和起动转矩是否一样？ 答：三相异步电动机的机械特性与其所带负载没有任何关系，因此在满载和空载下起动时，其起动电流和起动转矩都是一样的。这可从异步电动机的电流和起动转矩计算公式得到验证。若忽略励磁电流，起动电流可由P.40页式3-9进行计算（令s=1）；起动转矩则可由P.44页式3-23或P.43页式3-18进行计算（令s=1）。而式3-9、式3-18和式3-23都与其所带负载的大小没有任何关系。3-14、如果电动机的三角形连接误接成星形连接，或者星形连接误接成三角形连接，其后果将如何？ 答：如果电动机的三角形连接误接成星形，则定子每相绕组的端电压下降为原来的1/，主磁通将大大减小，若要使流过电动机绕组不超过额定电流，由于式3-12可知，应该减小电动机所带的负载转矩。否则当接额定负载运行时，绕组中电流将增加，超过额定值，致使保护器件动作或者烧毁绕组（因为T减小，转速将下降，转差率s将增加，由式3-9可知，I2将增大；由式3-12可知，只有I2才能使T保持额定值与额定负载转矩平衡）。 如果电动机的星形连接被误接为三角形，则定子每相绕组的端电压将为原额定电压的倍，为了感应电动势与电源电压平衡，要求主磁通也要增加到为原来的倍，磁路将严重饱和，励磁电流大大增加，也会致使保护器件动作或者烧毁绕组。3-16、单相分相式电动机如何改变其旋转方向？罩极式电动机的旋转方向能否改变？ 答：改变单相分相式电动机旋转方向，可单独改变其任意一个绕组的接线（即，将其两根引线脱开对调一下再接上。注：若同时改变其两个绕组的接线则电动机旋转方向将不会改变）。这是因为，单独改变其任意一个绕组的接线时，流过该绕组电流方向变反，两个绕组流过的电流相位关系发生变化（原来电流相位比另一绕组电流超前的绕组，单独改变任意一个绕组的接线后，该绕组电流相位变成滞后流过另一绕组的电流），而单相分相式电动机两个绕组产生的旋转磁场的转向总是从电流相位超前的绕组向电流相位滞后的绕组转动。电流相位关系发生变化，电动机产生的旋转磁场旋转方向就与原来的旋转方向相反，电动机的转向也就与原来的转向相反，即单相分相式电动机的旋转方向得到改变。3-17、一台三相异步电动机铭牌上标明f=50Hz，nN=960r/min，问该电动机的极数是多少？ 解：由于异步电动机的额定转差率为19，即sN0.010.09，通过sN、nN和n0之间的关系，以及n0、f和p之间的关系可以求出该电动机的极对数，具体过程如下： n0=nN/(1-sN)=960/(0.910.99)=969.71054.9r/min p=60f/n0=3000/(969.71054.9)=2.83.1，而p只能为整数，p=3(对极)。即，该电动机的极数是6（个）极。 答：该电动机的极数是6极。3-18、三相鼠笼式异步电动机在额定状态附近运行，当(1)负载增大、(2)电压升高、(3)频率升高时，其转速和定子电流分别有何变化？ 答：根据三相异步电动机的固有机械特性、调压人工机械特性和调频人工机械特性，可以知道：当负载增大时，三相异步电动机的转速有所下降；当电压升高时，三相异步电动机的转速有所上升；当频率升高时，三相异步电动机的转速也有所上升。（【注】：调频人工机械特性可以由于P.36页式3-1的理想空载转速或磁场的同步转速表达式推知：当f，n0也，整个机械特性向上平移；当f，n0也，整个机械特性向下平移。） 由三相异步电动机的相量图及磁势平衡方程式可知，定子电流等于转子电流与励磁电流的相量和，要分析定子电流可以先分析转子电流的情况。由异步电动机的机械特性及P.40页式3-9的转子电流表达式可知：由于负载增大时，异步电动机的转速略有下降，转差率增大，转子电流增大。而电源电压不变则主磁通不变，励磁电流不变。因此，当电压升高时，三相异步电动机的定子电流增大；由于电压升高时，异步电动机的励磁电流增大，且转子电流由于电动势E20的增大也相应增大。因此，当电压升高时，三相异步电动机的定子电流增大；由于电源电压不变，定、转子绕组感应电动势也基本不变，当频率升高时，由4.44公式可知，主磁通减小，励磁电流减小。又由于频率升高时转子漏抗X20=2pfL20增大，E20基本不变，则转子电流减小。因此，当频率升高时，三相异步电动机的定子电流减小。第4章 同步电机4-1、同步发电机的转速为什么必须是常数？频率为50Hz的柴油发电机应该为多少极？ 答：同步发电机输出的交流电的频率f与转子转速n存在如下关系：n=60f/p。对于某一同步发电机，由于其极对数p在电枢绕组绕制时已经确定。因此为了保持发电机输出电压的频率一定，发电机的转速n就是必须是常数。 柴油发电机组的柴油机，一般属于中、低速柴油机。根据公式n=60f/p，若柴油机的转速n为750r/min时，发电机的极对数p为4；当n为600r/min时，发电机的极对数p为5；当n为500r/min时，发电机的极对数p为6；当n为428.6r/min时，发电机的极对数p为7；当n为375r/min时，发电机的极对数p为8；当n为333r/min时，发电机的极对数p为9；当n为300r/min时，发电机的极对数p为10。4-2、同步电机和异步电机在结构上有哪些不同之处？ 答：常用的旋转磁极式同步电机与异步电动机的定子基本结构完全相同，转子结构却区别较大。同步电机转子有隐极式和凸极式两种，转子励磁绕组通过电刷和滑环加直流电流励磁；异步电动机转子有鼠笼式和绕线式两种，自成回路的转子导体感应电势产生电流。4-3、隐极式和凸极式同步发电机各有什么特点，各适用于哪些场合？ 答：一般隐极式转子极对数少，结构细长，能够承受较大的离心力。在磁路上的特点是其气隙均匀。常适用于高速运行同步电机，如气轮发电机和高速柴油机。 凸极式转子有凸出的磁极，磁极的极性沿着转子圆周按N、S相间的规律分布，磁极对数多、转子的外径大，产生的离心力大。在磁路上特点是气隙不均匀，对着极弧（直轴方向）气隙小，极间（交轴方向）气隙大，也就是在磁极轴线位置（直轴）的磁路磁阻小，而在两磁极中间位置（交轴）的磁路磁阻最大。一般适用于中、低速运行。如船舶柴油发电机、水轮发电机。4-4、同步发电机在三相对称负载下稳定运行时，电枢电流产生的旋转磁场是否与励磁绕组交链？它会在励磁绕组中感应电动势吗？ 答：同步发电机电枢电流产生的磁场是与励磁绕组交链的。由于发电机稳定运行时，两个磁场的转速相同，虽然电枢磁场与励磁绕组交链，但交链的磁通不变化，所以不会在励磁绕组产生感应电动势。4-5、同步发电机在对称负载下运行时，气隙磁场由哪些磁势建立，它们各有什么特点？ 答：转子直流励磁磁动势（机械旋转磁场磁动势）和电枢磁动势（电气旋转磁场磁动势），两个磁动势在气隙中叠加，形成新的气隙磁动势（合成磁动势）。 励磁磁动势是由直流励磁电流产生的，与转子没有任何相对运动，其磁通路径与磁极的轴线重合，主要是铁磁材料构成，磁路的磁阻相对较小。 电枢磁动势是由发电机负载后电枢绕组的交流电流产生的，虽然稳定运行时与转子也没有相对运动，但一般磁通路径不能保证与磁极的轴线重合，即存在一定的夹角。而且随着负载性质的不同，这个夹角也会发生变化。因此，分析电枢磁动势的作用时，不能简单地以其磁路参数进行分析，而应该将其分解成直轴和交轴两个方向上的磁通分量，然后再分别进行分析。4-6、什么是同步发电机电枢反应？电枢反应的效应由什么决定？ 答：同步发电机负载时，三相电枢绕组流过三相对称电流，产生电枢旋转磁场，使气隙合成磁场的大小和位置发生变化。电枢绕组产生的磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。有了电枢反应，同步发电机气隙中的磁场就由转子磁场和电枢磁场共同产生。电枢反应的性质（交磁反应、直轴增磁反应或直轴去磁反应）与这两个磁场在空间的相对位置有关，也就是与负载电动势和电枢电流间的夹角（内功角）有关，其实质是与负载的性质有关。4-7、功角q在时间上及空间上各表示什么含义？功角q改变时，有功功率如何改变？无功功率会不会变化？为什么？ 答：在时间上，功角是空载电势与电压之间的夹角；在空间上，功角是指主磁极轴线与气隙合成磁场轴线之间的夹角。 当电网电压U、频率f恒定（即，参数Xd, Xq为常数），励磁电流产生的空载电动势E0不变时，由同步电机的功角特性可知，在稳定运行区内，功角越大，输出的有功功率也将越大；功角减小，则输出的有功功率减小。有功功率与功角的章县成正比。 由于同步发电机输出的有功功率还可用公式P=UIcosj表示，而若改变有功输出时保持励磁电流不变，则发电机的端电压不变，P改变则Icosj，Isinj和无功功率Q=UIsinj也将同时改变。也就是说，功角q改变时有功功率将会改变，同时无功功率也将改变。4-8、怎样使同步发电机从发电状态过渡到电动状态？其功角、电流、电磁转矩如何变化？ 答：当同步电机作为发电机运行时，电枢绕组流过的电流有功分量与转子励磁绕组之间将产生电磁转矩T，其大小可由功率与转矩的关系得到：T=PM/=mE0Usin/(XS)。若逐渐减小的原动机提供的机械转矩，则功角减小，发电机所产生的电磁转矩也减少。当减小到0时，原动机提供的机械转矩正好克服发电机维持转动所必须克服的摩擦转矩，发电机处于空载运行状态，输出电流的有功分量为0。若在此时将原动机与发电机脱开，在摩擦转矩的作用下功角将变成负值，同步电机输出的有功功率变成负值，即不但不输出有功功率，反而从电网输入有功电功率。也就是说同步电机从发电机变成了电动机，此时同步电机工作在电动机空载状态。工作在电动机状态的同步电机，从电网输入有功电功率，则电枢电流有功分量的方向变反。产生的电磁转矩的方向也变反。若在轴上带上机械负载，则同步电机可以拖动机械负载转动，成为同步电动机正常运行。 综上所述，要使同步发电机从发电状态过渡到电动状态，可以将其轴上的驱动转矩变成负载阻转矩，同步电机就能够自动从发电机状态过渡到电动机状态。处于电动机状态运行的同步电机，与处于发电机状态时相比较，功角变成负值，电流的有功分量方向和产生的电磁转矩方向也都变反。4-9、增加或减少同步电动机的励磁电流时，电动机内部磁场产生什么效应？ 答：增加（或减少）同步电动机的励磁电流时，电动机内部的磁通增加（或减少），感应的电动势增大（或减小），为了使电动机电枢绕组感应的电动势与电源电压相平衡，电枢绕组的电流相位将发生变化，因此可以改变电动机从电网吸收电流的性质和大小。电动机电枢绕组的电流相位将发生变化后，将使电枢反应的去磁（或增磁）作用增加，从而使气隙合成的总磁通维持基本不变的状态。 也就是说，增加或减少同步电动机的励磁电流时，电动机内部磁场通过电枢反应，产生使磁势平衡的效应，从而达到磁势的新的平衡。4-10、具有异步起动能力的同步电动机正常运行时，是否存在异步转矩，为什么？ 答：具有异步起动能力的同步电动机之所以能够产生异步起动转矩是因为在其转子磁极上安装有象鼠笼异步电动机转子相似的短路绕组。在同步电动机转速还未达到同步转速时，电枢绕组产生的旋转磁场与转子磁极存在相对移动，因此能够感应电动势、感生电流、产生电磁转矩。而正常运行时，由于转子与电枢旋转磁场同步（没有相对移动），也就不会感应电动势、不会产生感生电流，因此也就不存在异步转矩了。5-1、直流电机有哪些主要部件？各部件分别起什么作用？ 答：直流电机的基本组成为定子和转子两部分。定子主要由主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等组成，转子则由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。 定子上的主磁极是用来产生直流电机主磁场的；换向极则用于改善换向，减少因电磁原因而引起的电刷火花；机座和端盖是直流电机的固定支撑和防护部件，同时机座还是磁路的一部分。电刷装置是定子上的一个主要部件，其主要作用是将直流电机电枢绕组与外部电路连接起来。 转子的电枢铁心与主磁极铁心、机座等组成直流电机的磁路，且用于嵌放电枢绕组；电枢绕组的作用是用以感应电动势和通过电流，它是实现机电能量转换的重要部件；换向器是直流电机的一个典型部件，与电刷装置配合起“机械整流器”的作用，可将电枢绕组中的交流电量（感应电动势、电流）变换为电刷两端的直流电量（电压、电流），或者将电刷两端的直流电量变换为电枢绕组中的交流电量。转子的转轴是支撑整个转子的部件，风扇则起通风散热的作用。 5-2、直流电机中感应电势与哪些因素有关？感应电势的性质与电机的运行方式有何关系？其方向如何判断？ 答：由公式Ea=Cen可知，对已制成的直流电机，电枢电动势正比于每个极面下的磁通量及电机的转速n。如果每个极面下的磁通量一定，则Ean，故转速的快慢会影响电枢两端电动势大小；如果转速一定，则EaIf。也就是说，调节励磁电流If，可改变每个主磁极产生的磁通，从而可调节电枢电动势Ea的大小。 直流电机感应电势的性质有“正电势”和反电势之分。所谓“正电势”，就是电源的电动势，是表现将其它能量转换为电能具体的物理量。而反电势则是阻碍电流通过、与电源电压相平衡的电动势。感应电势的性质与电机的运行方式直接相关：对于直流发电机，轴上输入的机械能转换成电能后，在电枢绕组中就感应出电动势，当与负载连接，就可向外部电路提供电能，因此直流发电机电枢绕组的电动势是“正电势”，是电源的电动势。对于直流电动机，转子转动后也将在电枢绕组中感应电动势，它是消耗电能用于将电能转换成机械能的，它具有阻碍电流通过的特征，与电枢电流方向相反，因此直流电动机电枢绕组的电动势是反电势，是与电源电压相平衡的电动势。 要判断直流电机感应电势的性质，可以根据感应电势与电枢电流的方向进行判断：直流发电机，感应电势与电枢电流方向相同；直流电动机，感应电势与电枢电流方向相反。 5-3、直流电机中电磁转矩与哪些因素有关？电磁转矩的性质与电机的运行方式有何关系？ 答：从电磁转矩公式T=CTIa可知，直流电机中电磁转矩与励磁If和电枢电流Ia有关。当电机励磁If不变，则每个主磁极产生的磁通也不变，电磁转矩T与电枢电流Ia成正比；若电枢电流Ia不变，则电磁转矩T与励磁If或磁通有关。励磁If越大，产生的主磁通越大，电磁转矩T也越大。 直流电机中电磁转矩的性质可分为驱动转矩和制动转矩两种。如果电机作为电动机运行，直流电动机将电源提供的电能转换为机械能，因此电磁转矩是驱动性质的驱动转矩；如果电机作为发电机运行，直流发电机将机械能转换成电能，电磁转矩要与原动机提供的机械转矩相平衡，起阻碍电机转子转动的作用，因此其电磁转矩为阻碍性质的制动转矩。 5-4、直流电机的电磁功率是指什么？如何说明在直流电动机中由电能转换为机械能？ 答：直流电机是将直流电能和机械能相互转换的电气装置，其电磁功率就是指通过气隙进行转换的功率。从电能的角度看电磁功率为电枢绕组感应的电动势与电枢电流通过的电流的乘积，即为EaIa；从机械能的角度看电磁功率为电磁转与转子的角速度的乘积，即为T。 当直流电动机接上直流电源后，将有电枢电流流过转子的电枢绕组，根据电动力定律电枢电流在定子主磁极产生主磁场的作用下将产生电磁转矩T，使转子转动，通过转轴向机械负载输出机械功率。转子转动后根据电磁感应定律电枢两端将感应电动势，从整个电路看，电枢通过电流Ia后，直流电动机感应的电动势Ea使电源提供的电压产生压降，因此，直流电动机用来进行机电转换的电磁功率为EaIa。而从机械角度看，转子受到电磁转矩T的驱动，产生角速度，因此，直流电动机通过机电转换得到的电磁功率为T，通过转轴的传送，就可向机械负载输出机械功率了。当然，电枢绕组通电后，也将消耗部分铜损耗；转子转动后，也将产生一定的机械损耗。因此可以这么说，电源向直流电动机提供直流电功率UIa，扣除电枢绕组等产生的损耗外，剩下的电功率转换成机械功率，即电磁功率：EaIa=T，转换成的机械功率还要克服转子、转轴等消耗的摩擦损耗，然后才从轴上输出机械功率P2=T2/这就是直流电动机中由电能（电功率）转换为机械能（机械功率）的过程。 5-6、试述发电机的空载特性曲线，它与磁极的磁化有何区别？又有何联系？ 答：直流电机磁路的磁化曲线是指电机主磁通与励磁磁动势的关系曲线0=f(Ff)，电机的空载特性曲线是指电机在保持额定转速不变，空载电压与励磁电流的关系曲线U0=f(If)。由于U0=E=Ce0n0，Ff=2NfINIf，因此，空载特性曲线的实质就是磁路的磁化曲线。即，两者的形状相似，只要选择合适的坐标量纲，两条曲线可以完全重合。它们的区别主要表现在具体所表示的含义上，磁化曲线的是电机磁路的磁性能，空载特性曲线则主要表示直流电机端电压调节的性能等。 5-7、何谓自励起压？直流发电机自励起压的条件是什么？ 答：自励起压是指，自励发电机在没有外加励磁电源的情况下，原动机的拖动电枢转子转动，电枢绕组自动建立起电压。直流发电机自励起压的条件是：发电机要有剩磁；励磁电流磁场与剩磁场方向相同（或者说，电枢绕组与励磁绕组接线正确）；励磁电路的电阻要小于建压临界电阻（或者说，励磁电路的电阻足够小）。 5-8、直流电机在各种不同励磁方式下，外部电流I、电枢电流Ia以及励磁电流If三者之间的关系如何？ 答：直流电机的励磁方式一般有四种：他励、并励、串励和复励，如右图所示。其中，复励还可根据串励绕组的位置不同分为短复励和长复励。 他励：I=Ia，If由独立电源提供，与外部电流I、电枢电流Ia没有任何关系； 并励：对于