《船舶电气设备及系统》课后习题答案文档格式.docx

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①当线圈通入变化的电流时，变化电流产生的磁通也是变化的，变化磁通在线圈本身感应电动势的现象称为自感现象，即由于自身电流在自身感应电动势的现象，简称自感。

②线圈的匝数与磁路导磁能力不同时，即使电流的大小和变化率相同，感应的自感电动势将是不同的，反映线圈产生自感电动势能力的参数为自感系数L，简称自感。

在自感现象中感应的自感电动势方向与阻碍磁通变化的方向符合右手螺旋定则，即感电动势总是力图阻碍磁通和电流变化的。

根据右手螺旋定则，在图1-25所示的电路中，当SA闭合时，线圈中的电流i将按图中所示方向增加，产生的磁通在从下往上的方向上增加，因此自感电动势的方向是线圈的上端为正，下端为负。

当SA打开时，线圈中的电流i将按图中所示方向减少，产生的磁通在从下往上的方向上减少，因此自感电动势的方向是线圈的上端为负，下端为正。

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）

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：

①铁心构造不同，②线圈结构不同，③工作原理方面存在差异。

具体如下：

铁心构造方面的不同：

交流电磁铁的铁心由钢片叠压而成，且一般有短路环；

直流电磁铁的铁心一般由整块铸铁制成，且不设短路环。

交流电磁铁为了减少涡流损耗，铁心的应该由片间涂有绝缘材料的硅钢片叠压而成。

此外为了避免铁心中因磁通过零而出现的吸力为零，从而出现衔铁振动现象，交流电磁铁的铁心一般设有短路环。

而直流电磁铁因为稳定运行时不会产生涡流损耗，为了简化工艺等，铁心通常由整块铸铁制成。

直流电磁铁铁心产生的吸力恒定不变，因此不需要设置短路环。

线圈结构方面的不同：

交流电磁铁线圈是带骨架的“矮胖形”线圈，线径粗，匝数少；

直流电磁铁线圈是不带骨架的“细长形”线圈，线径细，匝数多。

交流电磁铁工作时铁心会产生磁滞损耗，线圈也会产生铜损耗，这些损耗都将转换成热量，为了增加线圈与铁心的散热效果，交电磁铁的线圈通常做成“矮胖形”，绕制在专门的骨架上，与铁心之间形成一定的间隙以利于它们各自的散热。

直流电磁铁稳定工作时不会产生铁损耗，温度通常较线圈低，因此，直流电磁铁的线圈通常直接绕在与铁心紧密贴在一起的绝缘材料上，这样，线圈产生的热量容易通过铁心散发，为了增加散热效果，直流电磁铁的线圈则通常做成“细长形”，以利于与铁心的接触面积。

此外，交流电磁铁工作时感应电动势平衡电源电压，起限流作用，为了使其有足够的吸力，线圈的线阻应较小，因而线径较粗，匝数少。

而直流电磁铁工作时不感应电动势，为了限制通过线圈的电流，线圈的线阻应较大，因而线径较细，匝数多。

工作原理方面存在的差异：

交流电磁铁是恒磁通型的，直流电磁铁是恒磁势型的。

对于交流电磁铁，只要电源电压和频率不变，因为U≈E=4.44NfΦ，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×

Φ，Φ不变而磁阻大，I就大；

磁阻小，I就小）。

若工作时交流电磁铁的衔铁不能完全吸合，将很容易使线圈因过热而损坏。

对于直流电磁铁，要电源电压不变，流过线圈的电流只与线圈的导线电阻有关。

已经制好的线圈，电阻不变，线圈通过的电流也不变。

因此，不管衔铁是否吸合，电磁铁产生的磁势保持不变。

但是，衔铁吸合前，磁路的磁阻大，磁势不变，则产生的吸力小；

衔铁吸合后磁路的磁阻小，磁势不变，则产生的吸力大。

因此直流电磁铁的线圈通常在衔铁吸合前通以较大的电流以增加其吸力，衔铁吸合后则串入“经济电阻”限制电流，提高线圈的工作寿命，且可避免衔铁因为剩磁而出现不能释放。

1-8、交流接触器接到相同电压的直流电源上会出现什么现象？

交流接触器因其线圈工作时会感应电势，此电势正常工作时起限流作用，为了使其有足够的吸力，线圈的线阻应较小，因而线径较粗，匝数较少。

若将其接到直流电路中，由于不能感应出电势，在相同大小的电压下，将产生非常之大的电流（十几甚或几十倍于额定电流），这将使接触器的线圈立即烧毁。

1-9、交流接触器为什么要用短路环？

简单地说，交流接触器用短路环是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？

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）

交流电磁铁是恒磁通型的，只要电源电压和频率不变，因为U≈E=4.44NfΦ，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。

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。

1-12、直流接触器铁心为什么是整块铸铁？

为什么没有短路环？

直流接触器线圈通入的是直流电源，在铁心中产生的磁通是大小和方向都恒定不变的直流磁通，直流磁通不会在铁心产生涡流损耗，因此没有必要象交流接触器铁心那样采用硅钢片制造，为了使制造工艺简化，直流接触器的铁心就常常采用整块铸铁制成。

由于铁心中产生的磁通直流磁通，没有“过零点”，在工作时铁心产生的吸力一直保持恒定，因此没有必要设置短路环来防止衔铁的振动。

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？

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。

无论空在还是运行，只要变压器的端电压一定，主磁通都将不会改变，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。

由于主磁通的磁路是非线性的，故Xm不是常数，随着铁心饱和程度的提高而减小。

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。

由于漏磁通主要沿非铁磁物质闭合，所经磁路是线性的，它与所交链绕组的电流成正比。

在分析变压器时，以漏抗Xσ反映漏磁通的作用。

由于磁路基本上是线性的，故Xσ压基本上为常数。

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？

①根据“4.44公式”（即E=4.44fNΦm），影响变压器绕组感应的电动势量值（即幅值大小）的因素有：

绕组的匝数、电源的频率和与绕组交链磁通的幅值。

②励磁阻抗Zm的物理意义是：

阻抗的电阻部分用来反映变压器磁路损耗在一相电路中的等效，阻抗的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。

其中，励磁阻抗Zm=Rm+jXm，Rm是变压器的励磁电阻，反映变压器铁损大小的等效电阻，不能用伏安法测量。

③Xm是变压器的励磁电抗，反映了主磁通对电路的电磁效应。

与Xm的大小有关的因素主要有：

绕组匝数、磁路磁阻（材料的导磁率和磁路截面尺寸）以及电源频率，因为，Xm=2πf×

Lm，而Lm又与绕组匝数、磁路磁阻等有关。

当电源频率、线圈匝数和铁心尺寸一定时，Xm主要由绕组的磁导率成正比。

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？

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，由于U≈E=4.44NfΦ∝Φ，就要求磁路的磁通也增加一倍。

但一般变压器设计时都让其铁心工作在半饱和区，在半饱和区再使磁通增加一倍，则励磁电流（空载电流）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？

铁心损耗与频率有关，频率增加铁心损耗也增加。

但频率增加，根据U≈E=4.44NfΦ，若电源电压不变，则磁路的磁通Φ减少，励磁电流减小，绕组的铜损耗略有减少；

同理，60Hz的变压器接于频率为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？

不可以。

根据U≈E=4.44fNΦm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？

题图2-6负载相量图

①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。

②相同负载时，变压器短路阻抗值越大，其输出电压变化越大。

③短路阻抗一定、负载的功率因数保持不变时，负载越大（负载阻抗值小、电流大），变压器的输出电压变化越大。

④负载的性质主要指负载是感性、容性和电阻性。

一般而言，若忽略变压器绕组的电阻压降，从变压器负载相量图（题图2-6）可见，电感性负载电流具有去磁性质，对变压器副边电压变化率起增大的作用。

电容性负载电流具有增磁作用（或者说容性负载电流在变压器的漏抗上产生了负的压降值），其作用的体现是使副边电压升高。

若负载容抗大于变压器漏抗，容性负载将使电压变化率减小；

若负载容抗等于变压器漏抗，容性负载将使电压变化率为零；

若负载容抗小于变压器漏抗，容性负载将使电压变化率变为负值。

也就是说，当副边带电容性负载时有可能使电压变化率为零。

简单地说，①变压器负载运行，引起副边端电压变化的原因有：

②短路阻抗的大，负载的大，副边电压变化率就大。

③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。

①电压平衡方程式为：

Ú

2=İ2RL+jİ2XL

İ1=-İ2

1=-Ú

2+İ1RK+jİ1XK

②相量图如右图所示。

【说明】：

由题图2-7b）可见：

当变压器带容性负载时，若保持变压器副边端电压不变，则其原边电压应该减小。

这是因为容性负载使负载电流比副边电压的相位超前，超前的电流在变压器短路阻抗上产生负的压降值（或者说，超前的电流具有增磁性质）。

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？

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？

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？

⑴电压互感器使用时应注意：

①副边绕组不许短路。

这是因为电压互感器正常运行时，负载接电压表，阻抗很大，接近于空载运行。

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。

②铁心和副边绕组的一端必须可靠接地。

这是因为电压互感器的原边所接电压都是高电压，为了避免由于绝缘老化或损坏造成漏电，危及副绕组所连接的设备甚至人身安全。

③副边所带的负载阻抗不能低于额定负载阻抗。

否则，负载电流引起的电压变化率将超过允许值，互感器的精度将受到影响。

⑵电流互感器使用时应注意：

①副边绕组不许开路。

这是因为电流互感器正常运行时，相当于变压器工作在短路状态，原副边磁动势处于平衡状态，磁场很弱。

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。

即使不会损伤绝缘，强大的励磁磁场也会使磁路严重饱和，铁心严重磁化，从而导致电流互感器报废。

这是因为电流互感器的原边所接电路通常又是高电压的电路，为了避免由于绝缘老化或损坏造成漏电，危及副绕组所连接的设备甚至人身安全。

③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。

2-11、一台三相变压器，额定容量为SN=400kVA，额定电压为U1/U2=36000/6000V，Y/△连接。

试求：

（1）原、副边额定电流；

（2）在额定工作情况下，原、副边绕组中的电流；

（3）已知原边绕组匝数N1=600，问副边绕组匝数N2为多少？

解：

（1）原、副边额定电流：

由于额定电流、额定电压分别为线电流、线电压，因此：

I1N=SN/（

U1N）=400000/（

×

36000）=6.415（A）

I2N=SN/（

U2N）=400000/（

6000）=38.49（A）

（2）在额定工作情况下，原、副边绕组中的电流：

设，I1P、I2P分别为额定工作情况下原、副边绕组中的电流。

对于Y/△连接的变压器，原边Y连接有：

I1P=I1N=6.415（A）

副边△连接有：

I2P=I2N/

=38.49/

=22.22（A）

（3）求副边绕组匝数N2：

因为I2/I1=N1/N2，因此：

N2=N1I1P/I2P=600×

6.415/22.22≈173（匝）

（1）原、副边额定电流分别为6.415A和38.49A；

（2）在额定工作情况下，原、副边绕组中的电流分别为6.415A和22.22A；

（3）原边绕组匝数N1=600匝时，副边绕组匝数N2约为173匝。

2-12、一台三相变压器，其额定值为SN=1800kVA，U1/U2=6300/3150，Y/△连接，绕组铜损与铁损之和为（6.6+21.2）kW，求：

当输出电流为额定值、负载功率因数cos=0.8时的效率。

（1）额定输出电流：

I2N=SN/（

U2N）=1800/（

3.15）=329.9（A）

（2）输出电流为额定值、负载功率因数cos=0.8时，副边输出的有功功率P2N：

P2N=SN×

cos=1800×

0.8=1440kW

（3）输出电流为额定值、负载功率因数cos=0.8时的效率：

=P2/P1×

100%=P2/（P2+pFe+pcu）×

100%=1440/（1440+6.6+21.2）×

100%=98.1﹪

当输出电流为额定值、负载功率因数cos=0.8时的效率约为98.1﹪。

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？

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s＜0时，n＞n0，异步电动机处于发电（即第七章介绍的回馈或再生）制动状态；

当s=0时，n=n0，异步电动机处于理想空载运行状态；

当0＜s＜1时，n＜n0，异步电动机处于电动运行状态；

当s=1时，n=0，异步电动机处于堵转状态，或者电动机起动的瞬间；

当s＞1时，n＜0，异步电动机处于反接制动运行状态（参见第七章）。

异步电动机的电磁制动有三种，分别称为：

发电制动、反接制动和能耗制动。

其中，发电制动又称为回馈制动或再生制动；

反接制动则包括电源反接制动和倒拉反接制动。

书上P.37页说：

“当s＞1时，n＜0，异步电动机处于电磁制动状态。

”不妥当，应当改为：

“当s＞1时，n＜0，异步电动机处于反接制动状态（参见第七章）。

”下同。

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？

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。

因此，只要处于制动状态，电磁转矩的方向都是与转子转向相反。

也就是说，异步电动机处于发电机运行状态和处于反接制动运行状态时，电磁转矩和转子转向之间的关系都是一样的。

要区分这两种运行状态可以从异步电动机转子与气隙旋转磁场的关系（即转差率）进行判断：

当s＜0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s＞1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？

若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电压合适的对称三相电源上，则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sn0（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3-3b）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？

异步电动机的空载电流大，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（空载）电流就大，约占额定电流的20%～40%（早期电机为20%～50%）；

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%（早期变压器为5%～10%）。

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？

三相异步电动机抽掉转子，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，由4.44公式知，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