第五章--交流电动机的工作原理及特性

第五章交流电动机的工作原理及特性5.1、有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50HZ，满载时电动机的转差率为0.02，求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。解：同步转速：n0=60f/p=60*50/2=1500r/min因为转差率：S=(n0-n)/n0，所以转子转速：n=(1-S)n0=(1-0.02)*1500=1470r/min转子电流频率：f2=Sf1=0.02*50=1HZ5.2、将三相异步电动机接三相电源的三根引线中的两根对调，此电动机是否会反转？为什么？答：如果将定子绕组接至电源的三相导线中的任意两根线对调，例如将B,C两根线对调，即使B相与C相绕组中电流的相位对调，此时A相绕组内的电流导前于C相绕组的电流2π/3，因此旋转方向也将变为A-C-B向逆时针方向旋转，与未对调的旋转方向相反。5.3、有一台三相异步电动机，其nN=1470r/min，电源频率为50HZ。设在额定负载下运行，试求：①定子旋转磁场对定子的转速；②定子旋转磁场对转子的转速；③转子旋转磁场对转子的转速；④转子旋转磁场对定子的转速；⑤转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速。解：因为三相异步电动机中的旋转磁场是由定子电流和转子电流共同产生的，故定子旋转磁场与转子旋转磁场实际上是同一个磁场。因为转子转速nN=1470r/min，电源频率为50HZ，所以同步转速n0=1500r/min。①定子旋转磁场对定子的转速为1500r/min；②定子旋转磁场对转子的转速为30r/min；③转子旋转磁场对转子的转速为30r/min；④转子旋转磁场对定子的转速为1500r/min；⑤转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速为0r/min。5.4、当三相异步电动机的负载增加时，为什么定子电流会随转子电流的增加而增加？答：因为负载增加n减小，转子与旋转磁场间的相对转速(n0-n)增加，转子导体被磁感线切割的速度提高，于是转子的感应电动势增加，转子电流也增加，定子的感应电动势因为转子的电流增加而变大，所以定子的电流也随之提高。5.5、三相异步电动机带动一定的负载运行时，若电源电压降低了，此时电动机的转矩、电流及转速有无变化？如何变化？答：若电源电压降低时，电动机的转矩减小，电流也减小，转速不变；在电源电压降低后，若负载转矩不变，电动机转速将下降，电流增大。5.6、有一台三相异步电动机，其技术数据如下表所示。试求：①线电压为380V时，三相定子绕组应如何接法？②求n0，p，SN，TN，Tst，Tmax和Ist；③额定负载时电动机的输入功率是多少？解：①线电压为380V时，三相定子绕组应为Y型接法。②因为额定转差率SN=(n0-nN)/n0，所以nN=(1-S)n0又因为S一般在0.015~0.06之间，所以一般nN=(0.94-0.985)n0取nN=0.96n0，所以n0=nN/0.96=960/0.96=1000r/min因为n0=60f/p，所以p=60f/n0=60*50/1000=3SN=(n0-nN)/n0=(1000-960)/1000=0.04TN=9.55PN/nN=9.55*3000/960=29.8N·m因为Tst/TN=2.0，所以Tst=2TN=2*29.8=59.6N·m因为Tmax/TN=2.0，所以Tmax=2TN=2*29.8=59.6N·m因为Ist/IN=6.5，所以Ist=6.5IN=6.5*7.2=46.8A③因为ηN=PN/P输入，所以P输入=PN/ηN=3/0.83=3.61kW5.7、三相异步电动机正在运行时，转子突然被卡住，这时电动机的电流会如何变化？对电动机有何影响？答：当转子卡住时，转速n为0，转差率S达到最大，转子电流迅速增加，定子电流也会随转子电流增加而增加。如果卡住时间稍长，电机有可能会烧毁。5.8、三相异步电动机断了一根电源线后，为什么不能启动？而在运行时断了一线，为什么仍能继续转动？这两种情况对电动机将产生什么影响？答：三相异步电动机断了一根电源线后就成了单相电动机。定、转子气隙中产生了交变脉冲磁场，该磁场可以分解为两个反向旋转的旋转磁场。若启动时电动机断了一根电源线，这两个旋转磁场分别作用于转子而产生两个方向相反的转矩，而且转矩大小相等。故其作用相互抵消，合转矩为零，因而转子不能自行启动，只能听到嗡嗡声。这时电流很大，时间长了，电机就会烧坏；而在运行时断了一根线，这两个旋转磁场产生的沿转动方向的转矩大于反向转矩，电动机仍将继续转动。若此时还带动额定负载，则势必超过额定电流。时间一长，电动机也会烧坏。5.9、三相异步电动机在相同电源电压下，满载和空载启动时，启动电流是否相同？启动转矩是否相同？答：三相异步电动机在相同电源电压下，满载和空载启动时，启动电流和启动转矩都相同。Tst=KR2u2/(R22+X220)，Ist=4.44f1N2Φ/R2，启动转矩和启动电流只与U、R2、X20有关。5.10、三相异步电动机为什么不运行在Tmax或接近Tmax的情况下?答：根据异步电动机的固有机械特性曲线可知，在Tmax或接近Tmax的情况下运行是非常不稳定的，有可能造成电动机的停转。5.11有一台三相异步电动机，其铭牌数据如下：PN/kWnN/r·min-1UN/VηN×100cosφNIst/INTst/TNTmax/TN接法401470380900.96.51.22.0△①当负载转矩为250N·m时，试问在U=UN和U`=0.8UN两种情况下电动机能否启动？型号PN/kWUN/V满载时IstTstTmaxnN/r·min-1IN/AηN×100cosφNINTNTNY132S-63220/38096012.8/7.2830.756.52.02.0②欲采用Y-△换接启动,当负载转矩为0.45TN和0.35TN两种情况下,电动机能否启动？③若采用自耦变压器降压启动，设降压比为0.64，求电源线路中通过的启动电流和电动机的启动转矩。解：①额定转矩TN=9.55PN/nN=9.55*40000/1470=260N·m因为Tst/TN=1.2，所以Tst=1.2TN=1.2*260=312N·m250N·m所以在U=UN时，电动机能启动。因为Tst/∝U2，所以当U=0.8UN时，Tst’=0.82Tst=0.64*312=200N·m所以在U=0.8UN时，电动机不能启动。②因为TstY=Tst△/3=1.2*TN/3=0.4TN所以，当负载转矩为0.45TN时电动机不能启动；当负载转矩为0.35TN时电动机能启动。③因为电动机额定功率表达式为：PN=√3UNINcosφNηN所以，额定电流IN=PN/(√3UNηNcosφN)=40000/(1.732*380*0.9*0.9)=75A因为Ist/IN=6.5，所以Ist=6.5IN=487.5A因为降压比为0.64所以，启动电流=K2Ist=0.642*487.5=200A电动机的启动转矩=K2Tst=0.642*312=127.8N·m5.12、双鼠笼式、深槽式异步电动机为什么可以改善启动性能？高转差率鼠笼式异步电动机又是如何改善启动性能的？答：因为双鼠笼式电动机的转子有两个鼠笼绕组，外层绕组的电阻系数大于内层绕组系数，在启动时S=1，f2=f，转子内外两层绕组的电抗都大大超过他们的电阻，因此，这时转子电流主要决定于转子电抗，此外外层的绕组的漏电抗小于内层绕组的漏电抗，因此外笼产生的启动转矩大，内层的启动转矩小，启动时起主要作用的是外笼。深槽式异步电动机的启动性能得以改善的原理，是基于电流的集肤效应。处于深沟槽中的导体，可以认为是沿其高度分成很多层。各层所交链漏磁通的数量不同，底层一层最多而顶上一层最少，因此，与漏磁通相应的漏磁抗，也是底层最大，而上面最小，所以相当于导体有效截面积减小，转子有效电阻增加，使启动转矩增加。高转差率鼠笼式异步电动机转子导体电阻增大，既可以限制启动电流，又可以增大启动转矩，转子的电阻率高，使转子绕组电阻加大。5.13、线绕式异步电动机采用转子串电阻启动时，所串电阻愈大，启动转矩是否也愈大？答：线绕式异步电动机采用转子串电阻启动时，所串电阻愈大，启动转矩愈大5.14、为什么线绕式异步电动机在转子串电阻启动时，启动电流减小而启动转矩反而增大？答：启动时，转差率S=1，此时转子电流I2=E20/(R22+X202)0.5，由于串电阻后R2增大，故启动电流减小。因为cosφ=R2/(R22+X202)0.5，所以串电阻后回路的功率因数提高了，使转子电流的有功分量增大，因而启动转矩会增加。5.15、异步电动机有哪几种调速方法？各种调速方法有何优缺点？答：①调压调速：这种方法能够无级调速，但调速范围不大；②转子电路串电阻调速：这种方法简单可靠，但它是有级调速，随着转速降低特性变软，转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大；③改变极对数调速：这种方法可以获得较大的启动转矩，虽然体积稍大，价格稍高，只能有级调速，但是结构简单，效率高特性高，且调速时所需附加设备少；④变频调速：可以实现连续地改变电动机的转矩，是一种很好的调速方法。abd5.16、什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？答：恒功率调速是人为机械特性改变的条件下，功率不变；恒转矩调速是人为机械特性改变的条件下转矩不变。5.17、异步电动机变极调速的可能性和原理是什么？其接线图是怎样的？答：假设将一个线圈组集中起来用一个线圈表示，单绕组双速电动机的定子每相绕组由两个相等线圈的半绕组组成。半绕组串联电流方向相同，两个半绕组并联时电流方向相反。他们分别代表两种极对数。可见改变极对数的关键在于使每相定子绕组中一半绕组内的电流改变方向。即改变定子绕组的接线方式来实现。接线原理图如下所示。5.18、异步电动机有哪几种制动状态？各有何特点？答：异步电动机有三种制动状态：反馈制动、反接制动和能耗制动。反馈制动：当电动机的运行速度高于它的同步转速，即n1n0时，异步电动机处于发电状态。这时转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时的方向相反。电流改变了方向，电磁转矩也随之改变方向。反接制动：电源反接改变电动机的三相电源的相序，这就改变了旋转磁场的方向，电磁转矩由正变到负，这种方法容易造成反转。倒拉制动出现在位能负载转矩超过电磁转矩时候，例如起重机放下重物时，机械特性曲线如右图，特性曲线由a到b，在降速最后电动机反转，当到达d时，T=TL系统到达稳定状态。能耗制动：首先将三相交流电源断开，接着立即将一个低压直流电源通入定子绕组。直流电流通过定子绕组后，在电动机内部建立了一个固定的磁场，由于旋转，转子导体内就产生感应电势和电流，该电流与恒定磁场相互作用产生作用方向与转子实际旋转方向相反的转矩，所以电动机转速迅速下降，此时运动系统储存的机械能被电动机转换成电能消耗在转子电路的电阻中。5.19、试说明鼠笼式异步电动机定子极对数突然增加时，电动机的降速过程。答：因为n0=60f/p，当p增加时，定子的旋转磁场转速降低，转子的转速也随之降低。5.20试说明异步电动机定子相序突然改变时，电动机的降速过程。答：异步电动机定子相序突然改变，就改变了旋转磁场的方向，电动机状态下的机械特性曲ττττAX2A2X1NSNSNA1XττA1AXX2X1A2NS改变极对数调速的原理图(a)串联2p=4(b)并联2p=2(a)(b)线就由第一象限的曲线1变成了第三象限的曲线2，如右图所示。但由于机械惯性的原因，转速不能突变，系统运行点a只能平移到特性曲线2的b点，电磁转矩由正变到负，则转子将在电磁转矩和负载转矩的共同作用下迅速减速，在从点b到点c的整个第二象限内，电磁转矩和转速方向都相反。待n=0时（点c），应将电源切断，否则电动机将反向启动运行。5.21、如图5.51所示：为什么改变QB的接通方向即可改变单相异步电动机的旋转方向？答：当QB与1接通时，图5.51与图5.49相同，电容C串在启动绕组BY电路中。适当选择参数使该绕组中的电流iB在相位上超前AX绕组中的电流iA90°，从而产生旋转磁场；当QB与2接通时，电容C串在