电机及拖动基础复习提纲.doc

电机与拖动基础复习提纲
试题类型
一、填空题（每空1分，共20分）
二、单项选择题（每题2分，共20分）
三、简答题（五题，共20分）
四、计算题（三题，共40分）

一 电机的基础知识部分
电机：是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递电机或机电能量转换的机械。
1．按电机供电电源的不同，可以分为直流电机和交流电机两大类。
2．磁场中的基本物理量及其关系F=BS B=μH
3. 磁路基本定律：安培环路定律
磁路欧姆定律 或
基尔霍夫第一定律
基尔霍夫第二定律
4. 起始磁化曲线分析
非导磁材料，比如：铜、橡胶和空气等，具有与真空相近的
导磁率，因此在这些材料中，磁场强度H与磁通密度B的
关系是线性的。在导磁材料中，磁场强度H与磁通密度B的
关系不是线性的。在ab段B与H几乎成正比地增加，过b点
后H增加相应B的增加却很少，即饱和现象。b点为膝点。
在电机或者变压器的主磁路中，为获得较大的磁通量，又不过
分增大磁动势，通常把铁心的工作点的磁通密度选择在膝点
附近
5.铁心中的磁滞损耗和涡流损耗之和为铁心损耗。
6.电力拖动系统一般由电动机、生产机械的传动机构、工作机构、控制设备和电源组成，通常又把传动机构和工作机构称为电动机的机械负载。
7．电力拖动运动方程的实用形式为
由电动机的电磁转矩Te与生产机械的负载转矩TL的关系：
1）当Te = TL 时， dn/dt = 0，表示电动机以恒定转速旋转或静止不动，电力拖动系统的这种运动状态被称为静态或稳态；
2）若Te ＞TL 时， dn/dt ＞0，系统处于加速状态；
3）若Te＜TL 时， dn/dt ＜0，系统处于减速状态。
也就是一旦 dn/dt ≠ 0 ，则转速将发生变化，我们把这种运动状态称为动态或过渡状态。
8．生产机械的负载转矩特性：

典型应用
反抗性恒转矩负载：皮带传送机，电力机车，金属的压延机构、机床的平移机构。
位能性恒转矩负载：起重机。
通风机负载：离心式通风机、水泵、油泵等。
恒功率负载：金属切削机床。
9．拖动系统稳定运行的充分必要条件: Te=TL且
10. 将复杂的多轴传动系统折算成单轴传动系统时
转矩的折算原则是系统的传送功率不变
飞轮惯量（飞轮矩）折算原则是系统的存储动能不变

二 直流电机原理与拖动
1．直流电机结构：
直流电动机主要由定子、转子、端盖、轴承等部件组成。 定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成。转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。
2. 直流电机的特点：调速性能好，起动转矩较大。
3．直流电机的绕组有五种形式：单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组和蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。
4．极距、绕组的节距（第一节距、第二节距、合成节距）的概念和关系。
5. 单叠绕组把每个主磁极下的元件串联成一条支路，因此其主要特点是绕组的并联支路对数a等于极对数p。
6. 直流电机的励磁方式：

a他励，bcd自励
7. 电枢反应：直流电机在主极建立了主磁场，当电枢绕组中通过电流时，产生电枢磁动势，也在气隙中建立起电枢磁场。这时电机的气隙中形成由主极磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。
8. 电枢反应的影响
(1)使气隙磁场发生畸变
(2)对主磁场起去磁作用
9.直流电机的电枢电压方程和电动势：
直流电机电磁转矩

10. 直流电动机功率方程

11.直流电机工作特性

12. 直流电动机励磁回路连接可靠，绝不能断开
一旦励磁电流 If = 0，则电机主磁通将迅速下降至剩磁磁通，若此时电动机负载较轻，电动机的转速将迅速上升，造成“飞车”；若电动机的负载为重载，则电动机的电磁转矩将小于负载转矩，使电机转速减小，但电枢电流将飞速增大，超过电动机允许的最大电流值，引起电枢绕组因大电流过热而烧毁。
13. 自励发电方式能否建立空载电压是有三个条件
（1）电机必须有剩磁，如果没有须事先进行充磁；
（2）励磁绕组的极性必须正确，也就是励磁绕组与电枢并联时接线要正确；
（3）励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率U/If 不能太陡，否则如果伏安特性的斜率太陡，与发电机空载特性交点很低或无交点，就无法建立空载电压。总之，自励发电机的运行首先要在空载阶段建立电压，然后才能带负载运行。

14.他励直流发电机的外特性
随着电流的增大，其输出电压下降。这是因为：① 随着发电机的负载增加，其电枢反应的去磁效应增强，使每极磁通量减小，导致电枢电动势下降。② 电枢回路电阻上的电压将随着电流上升而增大，使发电机的输出电压下降。
由空载到负载，电压下降的程度用电压变化率来表示，即

式中——空载时的端电压。
一般他励直流电机的电压变化率约为。
15效率
他励直流发电机带负载运行时，其损耗中仅电枢回路的铜耗与电流 Ia 的平方成正比，称为可变损耗；其他部分损耗与电枢电流无关，称为不变损耗。当负载较小时，Ia 也较小，此时发电机的损耗是以不变损耗为主，但因输出功率小而效率低；随着负载增加，P2增大而效率上升，当可变损耗与不变损耗相等时效率达到最大值。
16他励直流电动机的机械特性

17人为机械特性
（1）改变电枢电压
一组平行曲线
（2）减小磁通
特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，整个特性曲线均在固有机械特性之上

（3）电枢回路串接电阻
R越大，曲线越倾斜

18 他励直流电动机的起动
一般直流电动机拖动负载起动的条件是：

1)限制Ist（Ist ≤k IN， k 为电机的过载倍数）；
2) Tst ≥（1.1～1.2）TN ；
3) 起动设备简单、可靠。
（1）电枢回路串电阻起动

（2）减压起动

19 他励直他励直流电动机的调速
调速范围、静差率、平滑性
（1） 串电阻调速

特点：
1）实现简单，操作方便；
2）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；
3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D ≤ 2；
4）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；
5）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越大。
（2） 调电压调速

特点是：
1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；
2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；
3）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达10~20；
4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；
5）需要可控的直流电源。

（3） 弱磁调速

特点：
1）由于励磁电流I f << Ia ，因而控制方便，能量损耗小；
2）可连续调节电阻值，以实现无级调速；
3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（1.2~1.5）nN ，特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速为（3~4）nN ，因而调速范围窄。
直流电动机的3种调速方法中，改变电枢电压和电枢回路串电阻调速属于恒转矩调速，而弱磁调速属于恒功率调速。实际负载的性质是恒功率还是恒转矩甚至是别的类型，与电动机调速方式完全是两回事情。但如果恒功率负载采用恒功率调速方式时，或者恒转矩负载采用恒转矩调速方式时，负载与调速方式相匹配，电动机利用最充分，是最理想的。
20 他励直流电动机的制动
常用的电气制动方法有能耗制动反接制动、回馈制动三种。
（1）能耗制动
A 能耗制动过程

≥

(2)反接制动
A电枢反接制动

B 转速方向反接制动☆

(3)回馈制动
A 正向回馈制动
在调压调速系统中，电压降低的幅度稍大时，会出现电动机经过第二象限的减速过程

电动车下坡时，将出现正向回馈制动运行

B 反向回馈制动运行

6 他励直流电动机的四象限运行

第三部分 变压器
1变压器的基本原理与结构
变压器的主要组成是铁心和绕组

2 变压器的额定参数
额定电压U1N 和U2N为线电压 额定电流I1N 和I2N为线电流 额定容量 SN
单相变压器

三相变压器

3 一次、二次绕组感应电动势

4 变压器负载时的基本方程式和等效电路

5绕组折算和“T”型等效电路
将变压器二次绕组折算到一次绕组时，电动势和电压的折算值等于实际值乘以电压比k，电流的折算值等于实际值除以k，而电阻、漏电抗及阻抗的折算值等于实际值乘以 k2。这样，二次绕组经过折算后，变压器的基本方程式变为

分析变压器内部的电磁关系可采用三种方法：基本方程式、等效电路和相量图。

在等效电路中R1、X1是常量；Rm、Xm是变量，随铁心磁路饱和程度的增加而减少。Rm是表征铁心损耗的一个参数，Xm是表征铁心磁化性能的一个参数。

6 变压器带负载时的相量图

7 变压器的参数测定
(1) 空载试验
空载电流的作用：变压器空载电流的绝大部分用来供励磁，即产生主磁通，另有很小一部分用来供给变压器铁心损耗，前者属无功性质，称为空载电流的无功分量，后者属有功性质，称为空载电流的有功分量。
空载电流的性质：由于变压器空载电流的无功分量总是远远大于有功分量，故空载电流属感性无功性质，它使电网的功率因数降低，输送有功功率减小。
调节输出电压使其等于额定电压U1N ，然后测量U1 、I0 、U20 及空载损耗P0
由于空载电流 I0 很小，绕组损耗 I02R 很小，所以认为变压器空载时的输入功率P0 完全用来平衡变压器的铁心损耗，即 P0 ≈ pFe 。

励磁阻抗 励磁电阻

励磁电抗 电压比

(2) 短路试验
短路试验时， 使一次侧电流从零升到额定电流 I1N，分别测量其短路电压 Uk 、短路电流 Ik 和短路损耗Pk ，并记录试验时的室温θ（℃）。
由于短路试验时外加电压很低，主磁通很小， 所以铁耗和励磁电流均可忽略不计，这时输入的功率（短路损耗）Pk 可认为完全消耗在绕组的电阻损耗上，即 Pk ≈pCu 。由简化等效电路，根据测量结果，取 Ik ＝ I1N 时的数据计算室温下的短路参数。
短路阻抗 短路电阻

短路电抗

8 变压器的外特性和电压变化率

电压变化率的实用计算公式

变压器的负载系数

9变压器的效率特性
变压器的总损耗为

短路损耗（铜损耗）Pk 空载损耗 P0

变压器效率的实用计算公式

当可变损耗与不变损耗相等时，效率达最大值，由此可得到产生变压器最大效率时的负载系数bm为

10 三相变压器绕组的联结法

11三相变压器联结组的判断方法
Yy0

Yd11

第四部分 三相异步电机及拖动
1 三相异步电机结构
异步电机主要由定子和转子两大部分组成
异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三部分组成
异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
转子分为笼型转子和绕线式转子
2 三相异步电机工作原理
三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。
同步转速：

异步电动机的转差率：

3 异步电机的运行方式

4 异步电动机的优缺点
异步电动机的优点：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。
异步电动机的缺点：功率因数较差，异步电动机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。
5 交流绕组基本量
电角度与机械角度
机械角度总是360°，电角度为 p×360°
节距： 一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y1表示，一般用槽数计算。节距应该接近极距τ
槽距角α：相邻槽之间的电角度称为槽距角

每极每相槽数q ： 每一极每相绕组所占槽数

相带：每个极距内属于同相的槽所占有的区域。一般固定为60电角度。
6 单相绕组磁动势
1）单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的脉振磁动势。
2）单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。
3）单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为 ；

而v 次谐波磁动势幅值为： ；谐波次数越高，幅值越小。

kw1=kq1ky1，称为基波绕组因数

分布因数 节距因数

7三相基波合成磁动势F1
定子电流的相序决定三相异步电动机磁场的旋转方向
三次谐波基波合成磁动势为0.
特性：
1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速，旋转方向决定于电流的相序。
2）幅值F1不变，为各相脉振磁动势幅值的1.5倍，旋转幅值轨迹是一个圆。
3）三相电流中任意一相电流瞬时值达到最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。
8转子磁动势F2
转子磁动势F2的旋转方向与定子旋转磁场方向一致。
转子磁动势F2的转速大小

相对于转子的转速为Δn
相对于定子的转速为Δn+n=ns

9 异步电动机的基本方程式

电动势比

10 异步电动机的电磁关系

11 三相异步电动机单相等效电路
频率归算结果：转子回路串入一附加电阻

该附加电阻实质上表征了异步电动机的机械功率
2
2
2
1
1
1
W
W
i
k
N
m
k
N
m
k
=
绕组归算结果：

归算后基本方程式

归算后的等效电路

向量图

8 异步电动机的功率

9异步电动机的电磁转矩

转矩平衡方程：

与每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比
10 异步电动机的工作特性
l 异步电动机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线
l 随着负载的增大，转子转速下降，转子电流增大，定子电流及磁动势也随之增大，抵消转子电流产生的磁动势，以保持磁动势的平衡。定子电流几乎随 P2 按正比例增加。

l 当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量也随之增加，即可使功率因数提高。在接近额定负载时，功率因数达到最大。
l 异步电动机的负载不超过额定值时，角速度w 变化很小。而空载转矩T0 又可认为基本上不变，所以电磁转矩特性近似为一条斜率为 1/ w 的直线。

l 异步电动机中的损耗也可分为不变损耗和可变损耗两部分。当输出功率P2 增加时，可变损耗增加较慢，所以效率上升很快。当可变损耗等于不变损耗时异步电动机的效率达到最大值。随着负载继续增加，可变损耗增加很快，效率就要降低。
1 机械特性的三种表达式
（1）物理表达式

（2） 参数表达式

（3）实用表达式

最大过载倍数

最大电磁转矩与电压的平方成正比，与漏电抗成反比；临界转差率与转子电阻成正比，与电压大小无关。
异步电动机机械特性的三种表达式，其应用场合各有不同。一般物理表达式适用于定性地分析 Te 与 及 间的关系；参数表达式多用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响；实用表达式最适用于进行机械特性的工程计算。
2 机械特性

机械特性的直线部分和机械特性的曲线部分

起动转矩

（1）降低定子端电压的人为机械特性☆
特点：
• 1）固有特性的同步转速不变。
• 2）最大转矩和起动转矩随电压的降低而
按二次方规律减小。
• 3）最大转矩对应的转差率保持不变．

（2）定子回路串三相对称电阻或电抗的人为机械特性

定子回路串入电阻或电抗并不影响同步转速，但是最大电磁转矩、起动转矩和临界转差率都随着定子回路电阻值的增大而减小。
（4）转子回路串三相对称电阻的人为机械特性
特点：（１）同步转速ns、最大电磁转矩Tem不变。
（２）临界转差率sm增大。
（３）起动转矩增大．

当所串入的电阻满足

起动转矩为最大电磁转矩
3 异步电动机的起动
起动要求：
（１）足够大的起动转矩。起动转矩倍数KT=Tst /TN
（２）不要太大的起动电流。起动电流倍数KI=Ist / IN。
l 普通的异步电动机 如果不采取任何措施 而直接接入电网起动时，往往起动电流Ist 很大，而起动转矩Tst 不足。
在起动初始，n = 0，转差率s = 1，转子电流的频率f2=sf1 ≈ 50Hz ，转子绕组的电动势sE2=E2，比正常运行时（s = 0.01～0.05）的电动势值大20倍，则此时转子电流Ir很大，定子电流的负载分量也随之急剧增大，使得定子电流（即起动电流）很大；
转子漏磁sX2>>R2，使得转子内的功率因数cosφ2很小，所以尽管起动时转子电流Ir 很大，但其有功分量Ircosφ2并不大。而且，由于起动电流很大，定子绕组的漏阻抗压降增大，使得感应电势Es和与之成正比的主磁通Fm减小，因此起动转矩Tst并不大。
异步电动机在起动时存在以下两种矛盾：
1）起动电流大，而电网承受冲击电流的能力有限；
2）起动转矩小，而负载又要求有足够的转矩才能起动。
（1）小容量电动机的轻载起动——直接起动
直接起动也称为全压起动。（７.5kW）
优点：操作简便、起动设备简单；
缺点：起动电流大，会引起电网电压波动。
（2）中、大容量电动机轻载起动——降压起动
（A）星形-三角形（Y-Δ）起动

（B）自耦降压起动

电动机端电压:

Us=U2 =
定子电流:
Is=I2=
从电网上吸取的电流:
I1 =Ist
起动转矩与起动电流降低同样的倍数。
（C）串电阻（抗）起动方法
优点:起动电流冲击小，
运行可靠，起动设备构造简单；
缺点:起动时电能损耗较多。
(4)中、大容量电动机重载起动——绕线转子异步电动机的起动☆
起动的两种矛盾（起动转矩小，起动电流大）同时起作用。
　　如果上述特殊形式的笼型电动机还不能适应，则只能采用绕线转子异步电动机了。在绕线转子异步电动机的转子上串接电阻时，如果阻值选择合适，可以既增大起动转矩，又减小起动电流，两种矛盾都能得到解决。
　（A） 转子串接电阻起动方法

在起动时，在转子绕组中串接适当的起动电阻，以减小起动电流，增加起动转矩。
　待转速基本稳定时，将起动电阻从转子电路中切除，进入正常运行。
4 异步电动机的调速
从定子传入转子的电磁功率Pem可分成两部分：一部分为拖动负载的有效功率　　　　　　；另一部分是转差功率 ， 与转差率成正比。

(1)调转差(功率消耗型)异步电动机调速方法
(A) 改变定子电压调速

(B)转子电路串接电阻调速

(3) 转差功率不变型异步电动机调速方法
（A）变极调速——多速异步电动机
有极调速 n=60f/p
YY-Y（恒转矩调速）
YY-△ （近似恒功率调速）两种常用改变联结方法。
YY联结（半绕组并联）对应的极对数p为Y和△（半绕组串联）的1/2
由p的变化可知n的变化。
因p和2p两种情况下相序相反，引出端子V，W需对调
（B）变频调速★
1） 基频以下调速

变频调速时要求φ保持不变，由于U=E=4.44f1N1Kφ为使在f变化时φ保持不变，则U/f必须为定值，所以f下降时U同时下降。
同时U/f不变可保持Tmax不变则过载能力不变
U/f不变同样使得T保持不变为恒转矩调速
2）基频以上调速

U不变φ与f成反比即与n成反比
而T = CTΦm I2N cosj2 所以T与n成反比，因而P不变为恒功率调速

若满足 可使Tmax不变。

*5 异步电动机的制动
（1）异步电动机的能耗制动

（2）异步电动机的反接制动

（A） 转速反向的反接制动

（B）定子两相对调反接制动

两种反接制动电动机的转差率都大于1
能量：从电网吸收电能；从旋转系统获得动能（定子两相对调反接制动）或势能（转速反向反接制动）转化为电能。这些能量都消耗在转子回路中。
（3）异步电动机的回馈制动

两种回馈制动电动机的转差率都小于0
能量：从旋转系统获得势能转化为电能，并回馈给电网。
6 异步电动机运行状态小结

32