电机学考试试卷及答案

电机学考试卷（ A 卷）
课程名称电机学考试学期得分
适用专业电气工程及其自动化考试形式考试时间长度120分钟
一、填空题（30分，每空1分）
1．从外形上区分，汽轮发电机是瘦长形，水轮发电机是扁短形。

2．同步发电机电枢反应的性质取决于E0与I间的夹角，内功率因数角，ψ。

3．同步发电机投入电网并列运行的理想条件有：①相序一致，②电压大小相等，③频率一致，④相角一致。

（没有先后顺序之别）
4．并网运行的同步发电机，通过调节输入机械功率可以控制输出的有功功率，通过调节励磁电流可以控制输出的无功功率。

5．同步电机的同步电抗包括两部分，电枢反应电抗对应于电枢电流产生的三相合成磁通，漏抗对应于漏磁通，其中电枢反应电抗的大小与磁路的饱和程度有关。

6．同步发电机的短路特性呈直线形状，此时电枢反应是纯去磁作用。

7．同步电机不对称运行时，正序旋转磁场不在转子绕组中感应电势，负序旋转磁场能在转子绕组中感应电势。

8．设I k(1)、I k(2)、I k(3)分别为同步发电机在单相、两相、三相稳定短路时的电流值，则其大小关系为Ik(3)< Ik(2)< Ik(1)。

9．当同步发电机发生突然短路时，其定子电流分量中可能有直流分量，此直流分量产生的原因是维持短路瞬间磁链不变，其大小会（会、不会）衰减。

10．直流电机的电枢绕组从结构特点上看是闭合绕组，当直流电机运行时，电枢的每个绕组中感应的是交变电势，通过电刷和换向器的作用，在电机外表现的是直流电势。

11．直流电机的电枢反应对主磁场的影响主要有：①使每极磁通有所减小，②磁场分布发生畸变。

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12．直流电动机的调速方法主要有：①改变电源电压，②改变励磁电流，③电枢回路串电阻。

其中第 3 种调速方式效率最低。

（对应于串电阻调速效率最低）
二、分析题（40分，每题10分）
1．比较下列情况下同步电机的稳定性，并说明理由：
（1）当有较大的短路比和较小的短路比时；
（2）在过励状态下或在欠励状态下运行时；
（3）在轻载状态下或在满载状态下运行时。

答：关键1——指出电机的稳定性与电机运行时的功角有关，功角越小，电机稳定性越好。

关键2——写出电机的功角关系式P = E0 U sinδ/ Xs （1分）
（1）短路比较大，则对应于同步电抗值越小，在相同负载及其他条件下，对应的功角越小，电机稳定性越好；（3分）
（2）过励状态相比与欠励状态，励磁电流大，因此对应的空载电动势E0大，在相同负载及其他条件下，对应的功角越小，电机稳定性越好；（3分）
（3）轻载即输出有功功率小，因此对应的功角小，电机稳定性好。

（3分）
2．试分析下列情况下，同步电机的转子电流中有没有交流分量：
（1）同步运转，定子电流三相对称且有稳定值；
（2）同步运转，定子电流有稳定值，但三相不对称；
（3）稳定异步运转；
（4）同步运转，定子电流突然变化。

答：（1）定子电流三相对称，则仅有正序分量，其旋转速度为同步速。

电机以同步速旋转，则定子磁场与转子励磁绕组没有相对运动，没有运动电动势；定子电流有稳定值，即定子磁场幅值不变，则转子绕组中亦没有变压器电动势。

因此，此时转子绕组中无交流分量。

（2）定子电流三相不对称，则可以分解出正序分量和负序分量，负序分量产生负序旋转磁场，其运动速度为同步速，方向与转子运动方向相反，则与转子绕组有2倍同步速的相
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对运动速度，则转子绕组中感应2倍频率的交变电动势，产生相同频率的交变电流。

（3）电机处于异步运行状态，转子转速不同于同步速，则电枢磁场与转子绕组间有相对，能产生交变电动势和交变电流。

（4）同步运转，则电枢磁场与转子绕组无相对运动，无运动电动势；定子电流突然变化，则定子电枢磁场幅值突然变化，则转子绕组产生类似变压器的感应作用，即有交变电动势和电流产生。

3．在下图的基础上，作出凸极同步发电机的相量图，标上各物理量，并说明作图的主要步骤。

答：（1）根据U+jIx q作出空载电动势的方向；得到内功率因数角，并在图中标出；
（2）分解电流I为直轴分量和交轴分量，在图上标出；
（3）由E0=U+jI d X d+jI q X q作出E0的位置。

（图中、式中的电压、电动势、电流均为相量）
U
I
步骤3分，图画对7分
4．试分析当并励直流电动机运行时，励磁回路突然断开后，对电动机运行的影响。

答：励磁回路断开后，空载磁场减小至剩磁大小。

将使E、Ia、T等相应地发生变化，根据变化情况判断，如果变化后的T增加，则电机增速；如变化后的T减小，则电机减速甚至停转。

关键点：可用电动机轻载运行或重载运行分析；或用具有较大剩磁或较小剩磁进行分析。

影响主要在于电机电流是否过大，转速是否过高，从而影响到电机的发热或机械稳定性。

磁通减小，感应电势变小，电流变大（4）
转矩的变化就要分两种情况来讨论，每种情况3分
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三、计算题（30分）
1．（20分）一台的汽轮发电机额定运行时cosθ=0.8（滞后），同步电抗x s*=1，该机并联在无穷大电网上运行。

试求：
（1）在90%额定电流且有额定功率因数时，输出的有功功率P2和无功功率Q2，空载电动势E0和功角δ。

（2）调节原动机的功率输入，使该机输出有功功率为额定运行时的110%，励磁电流保持不变，此时的功角δ为多少？输出的无功功率如何变化？如要保持输出的无功功率不变，试求空载电动势E0和功角δ。

（3）保持原动机输入功率不变，并调节该机的励磁电流使输出的感性无功功率为额定运行情况的110%，求此时的空载电动势E0和功角δ。

参考书上例题。

答案：（1）E0=1.70，δ=25.1°
（2）励磁电流保持不变，此时的功角δ为31.2°；感性无功功率由0.54减小到0.454；要保持输出的无功功率不变，需增加激磁电流使E0=1.77，功角δ=29.8°
（3）E0=1.81，δ=23.5°
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2．（10分）一台他励直流电动机，U N=220V，I N=100A，n N=1150r/min。

电枢电阻r a=0.095Ω，试求：
（1）若不计电枢反应的影响，空载转速和转速变化率；
（2）若满载电枢反应的去磁作用使每极磁通下降15%，空载转速和转速变化率。

（额定转速保持不变）。

答：需写出电压方程式，根据方程式求出空载和满载的电动势；联合E=Ceφn求相对应的转速。

满载电动势：E = U - I a r a – 2 ΔU = 220 – 100 * 0.095 -2 =208.5 V
(如不考虑电刷压降，则为210.5 V )
空载电动势：E0= U =220 V
记满载时磁通为Φ，设空载时磁通为Φ0，空载转速为n0。

则：E=Ceφn N E0= Ceφ0 n0
（1）不计电枢反应影响，则Φ=Φ0。

E0 : E = n0 : n，
n0= n * E0 / E = 1150 * 220 / 208.5 = 1213.4 r/min ( 1201.9 )
Δn= ( n0 - n N ) / n N * 100% = 5.51 % ( 4.51 % )
（2）若满载电枢反应的去磁作用使每极磁通下降15%，即Φ= 0.85 Φ0
n0 : n = E0Φ: EΦ0 = 0.85 * 220 / 208.5 = 0.897 ( 0.888 )
n0 = 0.897 * 1150 = 1031.4 r/min ( 1021.6 )
Δn= ( n0 - n N ) / n N * 100% = -10.31 % ( -11.16 % )
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