电力拖动与控制课后答案李岚梅丽凤.pdf

1 第一章 电力拖动系统的动力学基础 1-1 什么是电力拖动系统?它包括那几部分？都起什么作用？举例说明 答： 由原动机带动生产机械运转称为拖动。 用各种电动机作为原动机带动生产机械运动， 以完成一定的生产任务的拖动方式，称为电力拖动。电力拖动系统，一般由电动机、机械 传动机构、生产机械的工作机构、控制设备和电源五部分组成。 其中， 电动机作为原动机， 通过传动机构带动生产机械的工作机构执行某一生产任务； 机械传动机构用来传递机械能； 控制设备则用来控制电动机的运动； 电源的作用是向电动 机和其他电气设备供电。 1-2 电力拖动系统运动方式中 T，Tn及 n 的正方向是如何规定的？如何表示它的实际方向？ 答：设转速 n 对观察者而言逆时针为正，则转矩 T 与 n 的正方向相同为正；负载转矩 T 与 n 的正方向相反为正。与正方向相同取正，否则取反。 1-3 试说明 GD的概念 答：J=即工程中常用表示转动惯量的飞轮惯量。 1-4 从运动方程式中如何看出系统是处于加速、减速、稳速或静止等运动状态？ 答: 当时， 系统加速； 当时， 系统减速。 当 时，转速不变，系统以恒定的转速运行，或者静止不动。 1-5 多轴电力拖动系统为什么要折算为等效单轴系统？ 答: 多轴电力拖动系统，不同轴上有不同的转动惯量和转速，也有相应的反映电动机拖 动的转矩及反映工作机构工作的阻转矩， 这种系统比单轴拖动系统复杂， 计算较为困难， 为了简化计算，一般采用折算的办法，把多轴电力拖动系统折算为等小的单轴系统。 1-6 把多轴电力拖动系统折算为等效单轴系统时负载转矩按什么原则折算？各轴的飞轮力 矩按什么原则折算？ 答:功率相等原则;能量守恒原则. 1-7 什么是动态转矩？它与电动机负载转矩有什么区别？ 答:动态转矩是指转矩是时间的函数. 而负载转矩通常是转速的函数. 1-8 负载的机械特性有那几种类性？各有什么特点？ 答：恒转矩负载特性：与 n 无关，总是恒值； 2 恒功率负载特性：与 n 成反比例变化； 通风机负载特性：与 n2成正比例变化。 1-9 某拖动系统如图 1-11 所示。当系统以 1m/s2的加速度提升重物时,试求电动机应产生的电 磁转矩。 折算到电动机轴上的负载转矩 Tmeq=195Nm, 折算到电动机轴上的系统总(包括卷筒) 转动惯量 J=2kgm2,卷筒直径 d=0.4m，减速机的速比 j=2.57。计算时忽略电动机的空载转矩。 图 1-11 拖动系统传动机构图图 1-12拖动系统传动机构图 解：=J，分别是电机转轴。 卷筒的机械角速度 =j=2.57R=V R=12=2 = 1-10 试求图 1-12 所示拖动系统提升或下放罐笼时，折算到电动机轴上的等效负载转矩以及 折算到电动机轴上的拖动系统升降部分的飞轮力矩。已知罐笼的质量 m0=300k，重物的质量 m=1000kg，平衡锤的质量 mp=600kg，罐笼提升速度 vm=1.5m/s，电动机的转速 n=980r/min， 传动效率0=0.85。传动机构及卷筒的飞轮力矩略而不计.。 解： （1）系统以 1.5m/s 提升罐笼时（g=9.81） 3 （2）系统以 1.5m/s 下放罐笼时 1-11 一台卷扬机，其传动系统如图 1-13 所示，其各部分的数据如下： Z1=20，； Z2=100，； Z3=30，； Z4=124，； Z5=25，； Z6=92，。 卷筒直径 d=0.6m，质量 mT=130kg，卷筒回转半径与卷筒半径 R 之比R0.76，重物质量 m=600kg，吊钩和滑轮的质量 m0=200kg,，重物提升速度m=12m/min，每对齿轮的传动效率 cZ=0.95，滑轮的传动效率cn=0.97，卷轴效率cT=0.96，略去钢绳的质量。电动机的数据为 PN=20kW，nN=950r/min，。试求： （1）折算到电动机轴上的系统总飞轮力矩； （2）以 vm=12m/min 提升和放下重物时折算到电动机轴上的负载转矩 图 1-13卷扬机传动系统图 解：1、 （1）齿轮总飞轮矩 4 2 ， （2）动滑轮的飞轮矩（包括钩子和重物） 由于动滑轮半径未知，故动滑轮旋转运动的飞轮矩忽略。 2、 （1）提升时 设绳的拉力为 F （2）下放重物时 ， 5 第二章直流电机的电力拖动 2-1 他励直流电动机的机械特性指的是什么？是根据那几个方程式推倒出来的？ 答： 据以下三个方程： 2-2他励直流电动机的机械特性的斜率与那些量有关？什么叫硬特性？什么叫软特性？ 答：与所串电阻 RC及励磁磁场有关； 值较小的机械特性称硬特性，反之为软特性 2-3 为什么称为理想空载转速？堵转点是否只意味着电动机转速为零？为什么？ 答：因为实际中空载转矩 T0不可避免，故 n0达不到。 堵转就是 n=0 的点。 2-4 什么叫人为机械特性？从物理概念上说明为什么电枢外串电阻越大，机械特性越软？ 答：人为机械特性指通过改变 u、R 参数得到的机械特性。 2-5 为什么降低电源电压的人为机械特性是互相平行的？为什么减弱气隙每极磁通后机械 特性会变软？ 答：u 与值无关；因为减小，增大，特性边软。 2-6 什么是电力拖动系统的稳定运行？能够稳定运行的充分必要条件是什么？ 答：系统在某种外界扰动下离开原的平衡状态，在新的条件下获得的新的平衡；或当扰 动消失后系统能自动恢复到原来的平衡状态。满足上述条件，系统就是稳定的。 系统稳定运行的充分必要条件是： 1）电机的机械特性与负载转矩特性必须有交点，在交点处； 2）在交点附近应有。 6 2-7 他励直流电动机稳定运行时，电枢电流的大小由什么决定？改变电枢回路电阻或改变电 源电压的大小时，能否改变电枢电流的大小？ 答：Ia由负载 TL决定。不能。 2-8 他励直流电动机为什么不能直接起动？直接起动会引起什么不良后果？ 答：起动开始瞬间，由于机械惯性的影响，电动机转速这时起动电流为 ，因电枢电阻数值很小，因此，很大，可达额定电流的（1020）倍。因 此不能直接起动。 直接起动可能产生如下后果： 1、 大电流使电枢绕组受到过大的电磁力， 易损坏绕组； 2、使换向困难，主要是在换向器表面产生火花及环火，少坏电刷与换向器；3、过大的 起动电流还会产生过大的起动转矩，从而使传动机构受到很大的冲击力，加速过快，易 损坏传动变速机构；4、过大的起动电流会引起电网电压的波动，影响电网上其他用户的 正常用电。 2-9 起动他励直流电动机前励磁绕阻断线，没发现就起动了，下面两种情况会引起什么后 果？(1)空载起动；(2)负载起动，TLTN。 答： （1）电机飞车，转速太高，容易造成事故。 （2）电机电枢中电流很大，却很可能起动不了，由于， 此时磁场只有点剩磁很小。 2-10 如何判断他励直流电动机是处于电动运行状态还是制动运行状态？ 答：电机所发出的电磁转矩与转速方向相同，即为电动状态。 若电磁转矩与转动方向相反，则为制动状态。 2-11 电动机在电动状态和制动状态下运行时机械特性位于哪个象限？ 答：电动状态机械特性位于一、三象限； 制动状态机械特性位于二、四象限。 2-12 能耗制动过程和能耗制动运行有何异同点？ 答：相同点：两种状态下，电磁转矩都与电机转向相反。 不同点：能耗制动中负载转矩与电磁转矩同向； 而能耗运行中负载转矩与电磁转矩反向。 2-13 电压反接制动与电动势反接制动有何异同点？ 答：相同点：两种状态都是制动状态，即电磁转矩都与转向相反。 7 不同点：电压反接制动中，电流方向发生改变； 而电动势方向制动中电流流向不变。 2-14 什么叫电力拖动系统的过渡过程？在过渡过程中为什么电动机的转速不能突变？ 答： 指系统从一个稳定工作状态过渡到另一个稳定运行状态。 由于机械惯性时间远大于电磁惯性时间，在过渡过程中可以把电磁量任务是突变 的，而机械量不能。 2-15 什么是机械过渡过程？推导他励直流电动机拖动系统机械过渡过程解析式时作了哪些 假定？ 答：指机械量如转速的变化过程（从一个稳态到另一个稳态） 假设：1）电源电压 u 恒定不变 2）磁通恒定不变 3）负载转矩 TL保持常数不变 2-16 什么是他励直流电动机拖动系统机械过渡过程的三要素？机电时间常数的大小与哪些 量有关？ 答：三要素指：初始值、稳态值、机电时间常数。 机电时间常数与系统的转动惯量、所串电阻、及励磁磁场有关。 2-17 他励直流电动机有那几种调速方法？各有什么特点？ 答：1）电枢串电阻调速 特点：优点：设备简单、初投资少； 缺点：1、有级调速，级数有限，平滑性差 2、轻载时，调速范围小 3、低速时，低，电能损耗大 4、低速运行，转速稳定性差 适用于调速性能要求不高的场合。 2）降低电压调速 特点：优点：1、电源电压能连续调节，调速的平滑性好，可达到无级调速； 2、无论是高速或低速，机械特性硬度不变，低速时稳定性好； 3、低速时电能损耗小，效率高。 缺点：设备的初投资大。 适用于对调速性能要求较高的设备上。 8 3）减弱励磁磁通调速 特点：优点：1、电流较小的励磁电路中进行调节、控制方便，功率损耗小 2、 用于调速的变阻器功率小， 可较平滑调速， 实现无级调速。 缺点：调速范围较小。 2-18静差率与机械特性的硬度有何区别？ 答：，机械特性越硬，越小。 可以利用来衡量机械特性的硬度。 2-19 调速范围与静差率有什么关系？为什么要同时提出才有意义？ 答：调速范围，其中 nmin受到调速相对稳定性限制，而稳定性则通过（静 差率）反映，故同时考察 D 与对调速系统才有意义。 2-20 什么叫恒转矩调速方式和恒功率调速方式？他励直流电动机的三种调速方法各属于哪 种调速方式？ 答 ：恒 转 矩 调 速 方 式 ：当 采 用 电 枢 串 电 阻 调 速 和 降 低 电 枢 电 压 调 速 时 ， ， 则电动机容许输出的转矩为常数。 由此可见， 这两种调速方法在整个调速范围内，不论转速等于多少，电动机容许输出的转矩都为 一恒值，因此称为恒转矩调速方式。 恒功率调速方式：当采用弱磁调速时，磁通是变化的，因此容许输出转矩与 转速 n 成反比。而输出功率，即为一恒定值。故称为恒功率 调速方式。 串电阻调速和降电压调速属于恒转矩调速方式，弱磁调速属于恒功率调速。 2-21 电动机的调速方式为什么要与负载性质匹配？不匹配时有什么问题？ 答：电动机的容许输出转矩和容许输出功率，仅仅表示电动机的利用限度，并不代表电 动机的实际输出，电动机的实际输出是由负载的需要来决定的。负载有三种类型：恒 转矩负载、恒功率负载、通风机型负载。每种类型的负载，在不同转速下所需要的转 矩和电流是不同的。所以要根据电动机所拖动负载的性质来选择调速方式，达到合理 使用电动机的目的。 2-22 是否可以说他励直流电动机拖动的负载只要转矩不超过额定值， 不论采用哪一种调速方 9 法，电动机都可以长期运行而不致过热损坏？ 答：不可以。串电阻调速和降压调速可以这样认为，但弱磁调速时时，绕组 ，故不能长时间运行。 2-23一台他励直流电动机，铭牌数据为 PN=60kW，UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min，试 求： （1）固有机械特性并画在坐标纸上。 （2）T=0.75TN时的转速。 （3）转速 n=1100r/min 时的电枢电流。 解： （1）， 通过（1058，0）及（1000，605.8）可以作出固有机械特性 （2） （3）n=1100r/min 2-24电动机的数据同上题，试计算并画出下列机械特性： （1）电枢回路总电阻为 0.5RN时的人为机械特性。 10 （2）电枢回路总电阻为 2RN的人为机械特性。 （3）电源电压为 0.5UN，电枢回路不串电阻时的人为机械特性。 （4）电源电压为 UN，电枢不串电阻，=0.5N时的人为机械特性。 注：RN=UN/IN称为额定电阻，它相当于电动机额定运行时从电枢两端看进去的等效电 阻。 解： （1） 当外串后总电阻为 0.5Rn时： （2）当电枢总电阻为时： （3） （4） 2-25Z271 型他励直流电动机,PN=7.5kW， UN=110V， IN=85.2A， nN=750r/min，Ra=0.129 。采用电枢串电阻分三级起动,最大起动电流为 2ln，试计算各级起动电阻值。 解：选， 11 2-26一台他励直流电动机，PN=7.5kW，UN=220V， IN=41A， nN=1500r/min，Ra=0.376， 拖动恒转矩负载运行，T=TN。当把电源电压降到 U=180V 时，问： （1）降低电源电压瞬间电动机的电枢电流及电磁转矩是多少？ （2）稳定运行时转速是多少？ 解： 机械特性 （1）当在额定点运行时 降压瞬间 180 (2) 2-27 上题中的电动机拖动恒转矩负载运行， T=TN， 若把磁通减小到=0.8N,。 计算稳定运行 时电动机的转速是多少?电动机能否长期运行?为什么? 解: 当 T=TN,时 电机不能长期运行 2-28 他励直流电动机的数据为 PN=13kW，UN=220V， IN=68.7A， nN=1500r/min， Ra=0.224。 采用电枢串电阻调速，要求max=30%，求： 12 （1）电动机拖动额定负载时最低转速。 （2）调速范围。 （3）电枢需串入的电阻值。 （4）拖动额定负载在最低转速下运行时电动机电枢回路输入的功率， 输出功率（忽略 T0） 及外串电阻上的消耗的功率。 解: (1) (2) (3)1133 (4) 2-29 上题中的电动机，如果采用降低电源电压调速，要求max=30%，求： （1）电动机拖动额定负载运行时的最低转速。 （2）调速范围。 （3）电源电压需调到的最低数值。 （4）电动机拖动额定负载运行在最低转速时，从电源输入的功率及输出功率（不计 T0） 。 解: (1) 13 (2) (3) (4) 2-30 他励直流电动机 PN=29kW，UN=440V，IN=76A， nN=1000r/min，Ra=0.376，采用降低 电源电压及弱磁调速，要求最低理想空载转速 n0min=250r/min ，最高理想空载转速 n0max=1500r/min，试求： （1）T=TN时的最低转速及此时的静差率。 （2）拖动恒功率负载 P2=PN时的最高转速。 （3）调速范围。 解: (1) (2)(设 x 为弱磁系数) 当时,设电机转速为 nx,转矩为 Tx 代入机械特性 n 中,整理有 解得或 14 拖动恒功率时最高转速为 1410. (3) 弱磁时拖动恒转矩负载的转速 2-31一台他励直流电动机 PN=3KW，UN=110V，IN=35.2A，nN=750r/min，Ra=0.35。电动机 原工作在额定电动状态下，已知最大允许电枢电流为 Iamax=2IN，试问： （1）采用能耗制动停车，电枢中应串入多大电阻？ （2）采用电压反接制动停车，电枢中应串入多大电阻？ （3）两种制动方法在制动到 n=0 时，电磁转矩各是多大？ （4）要使电动机以-500r/min 的转速下放位能负载，TL=TN，采用能耗制动运行时电枢应串 入多大电阻？ 解: （1） 能耗制动： 代入数据，可解得 （2） （3）能耗制动时：n=0 则 T=0； 反接制动时： 将 U=，代入： 得 （4） 2-32一台他励直流电动机，PN=13KW，UN=220V，IN=68.7A，nN=1500r/min，Ra=0.195，拖 动一台起重机的提升机构。已知重物的负载转矩 TL=TN，为了不用机械闸而由电动机的电磁 转矩把重物吊在空中不动，问此时电枢回路中应串入多大电阻？ 15 解： 固有机械特性 若使重物吊在空中不动，即时 解得 2-33他励直流电动机的技术数据为 PN=29KW，UN=440V，IN=76A，nN=1000r/min，Ra=0.377 ，Iamax=1.8IN，TL=TN。问电动机拖动位能负载以-500r/min 的转速下放重物时可能工作在什 么状态？每种运行状态电枢回路中应串入多大电阻 （不计传动机构中的损耗转矩和电动机的 空载转矩） ？要求画出相应的机械特性，标出从稳态提升重物到以 500r/min 速度下放重物的 转换过程。 解：若只可进行一次变换则有可能的工作状态： 能耗制动，转速反向的反接制动。 i） 能耗制动 若-500 下放，则 则， 此时校核制动瞬间的电流 16 可见故不可采用。 ii） 将（IN，-500）代入得变换瞬间满足要求 如图 转换过程： 2-34电动机的数据同上题，拖动一辆电车，摩擦负载转矩 TL1=0.8TN，下坡时位能负载转矩 TL2=1.2TN，问： （1）电车下坡时在位能负载转矩作用下电动机的运行状态将发生什么变化？ （2）分别求出电枢不串电阻及电枢串有 0.5电阻时电动机的稳定转速。 解： （1）在位能负载转矩作用下，电机从正向电动状态逐渐过渡到正向回馈制动的发电 状态。 （2） 电机不串电阻时： 电机串 0.5电阻时： 2-35一台他励直流电动机的数据与题 233 相同，拖动起重机的提升机构，不计传动机构 的损耗转矩和电动机的空载转矩，求： （1）电动机在反向回馈制动状态下下放重物，Ia=60A，电枢回路不串电阻，求电动机的 转速及转矩各为多少？回馈到电源的功率多大？ （2）采用电动势反接制动下放同一重物，要求转速 n=-850r/min，问电枢回路中应串入多 大电阻？电枢回路从电源吸收的功率是多大？电枢外串电阻上消耗的功率是多少？ 17 （3）采用能耗制动运行下放同一重物，要求转速 n=-300r/min，问电枢回路中应串入的电 阻值为多少？该电阻上消耗的功率为多少？ 解： （1） （2） （3） 2-36设题 233 中的电动机原工作在固有特性上， T=0.8TN， 如果把电源电压突然降到 400V， 求： （1）降压瞬间电动机产生的电磁转矩 T=？画出机械特性曲线并说明电动机工作状态的 变化； （2）电动机最后的稳定转速为多少？ 解： （1） 电源电压降到 400V， 18 （2） 2-37252 型他励直流电动机，PN=4kW，UN=220V，IN=22.3A，nN=1000r/min，Ra=0.91。 TL=TN，为了使电动机停转，采用电压反接制动，已知电枢回路串入的制动电阻 Rc=9，求： （1）制动开始时电动机产生的电磁转矩； （2）制动结束时电动机所发出的电磁转矩； （3）如果是反抗性负载，在制动到 n=0 时不切断电源，不用机械闸制动，电动机能否反 转？为什么？ 解： （1）， （2）时 （3） 不采用机械抱闸，电机会反向起动。 2-38他励直流电动机的数据为 PN=17kW，UN=110V，IN=185A，nN=1000r/min，Ra=0.035， GD=30Nm2，拖动恒转矩负载运行，TL=0.85TN，采用能耗制动或反接制动停车，最大允 许电枢电流为 1.8IN。求两种停车方法的停车时间是多少（取系统总飞轮矩 GD2=1.25 GD）? 19 解： （1）能耗制动 取得 代入，得取 t= （2） 第三章第三章三相异步电动机的电力拖动三相异步电动机的电力拖动 3-1 何谓三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性? 答：固有特性：异步电机在额定电压和频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外接 电阻为零时的 n 与 T 的关系。 人为特性：人为改变电动机参数或电源参数而得到的机械特性。 3-2 三相笼型异步电动机的起动电流一般为额定电流的 47倍， 为什么起动转矩只有额定转 矩的 0.81.2倍? 答：由起动时 s=1，由很小，约 0.2 左右； 20 另一方面，大，引起定子漏阻抗压降大，电动势 E1减小，主磁通减小。 由于这两方面原因所致。 3-3 异步电动机的最大转矩 Tmax受哪个参数变化的影响最大?试从物理意义上解释其原。 解：受电压参数变化影响很大。 3-4 三相异步电动机的机械特性，当 0ssm时，电磁转矩 T 随转差率 s 的增大而增加， 当 sms1时，电磁转短随转差率的增大而减小，为什么? 答：由于 当 s 很小时，忽略分母中 s 各项，； 当时，可以忽略式中分母中的，即 3-5为什么通常把异步电动机机械特性的直线段称为稳定运行区，而把它的曲线段称为不 稳定运行区?曲线段是否有稳定运行点? 答：对于恒转矩负载而言，只有特性的直线段满足稳定运行条件，曲线段不满足。但若 是对于风机、泵类负载整条特性都满足条件，都是稳定工作区域。 3-6 三相异步电动机电磁转矩与电源电压大小有什么关系?如果电源电压比额定电压下降 30 ，电动机的最大转矩 Tmax和起动转矩 Tst将变为多大?若电动机拖动的额定负载转矩不变， 问电压下降后，电动机转速 n、定于电流 Il、转于电流 I2、主磁通m、定子功率因数 cosl和 转子功率因数 cos2将有什么变化? 答：，若，则，当电压下降后，n 减小， I1与增大，减小，与降低。 3-7容量为几个千瓦时，为什么直流电动机不允许直接起动，而笼型异步电动机可以直接 起动? 答：对于直流电机而言，而对于感应电机，式中 由于存在电抗，则此时，使得感应电机起动时电流增大倍数没有直流电机那 21 么剧烈。 3-8三相笼型异步电动机的起动方法有哪几种?各有何优缺点?各适用于什么条件? 答：各起动方法比较，如下表。 起动方 法 优缺点 直接起 动 111起动最简单，但起动电流大，起 动转矩小， 只适用于小容量轻载起动 串电阻 或 电 抗 起 动 起动设备较简单，起动转矩较 小，适用于轻载起动 自耦变 压 器 起 动 起动转矩较大，有三种抽头可 选，起动设备较复杂，可带较大 负载起动 Y-起 动 起动设备简单，起动转矩较小， 适用于轻载起动， 只用于联结 电动机 3-9两台一样的笼型异步电动机同轴联接，起动时把它们的定于绕组串联，如图 3-43 所示， 起动后再改成并联。 试分析这种起动方式时的起动转矩和起动电流， 与把它们并联接电源起 动相比较有什么不同? 答：即相当于的定子串电阻减压起动，与直接并联起动相比，串联后 。 3-10Y 系列三相异步电动机额定电压 380V， 3kW 以下者为 Y 接法， 4kW 以上者为 D 接法。 试问哪一种情况可以采用 Y-D 降压起动?为什么? 答：后者可以即 4kw 以上者，因为它在正常工作时是接法。 22 3-11 双笼式和深槽式异步电动机与一般笼型异步电动机相比有何优缺点?为什么? 答：优点：起动性能好，即有较大起动转矩，较小起动电流。 缺点：功率因数和过载能力稍低，用铜多，制造工艺复杂 原因：利用集肤效应在起动时增大了转子电阻。 3-12三相绕线转于异步电动机有哪几种起动方法?为什么绕线转于电动机的转于串频敏变 阻器可以得到“挖土机机械特性”而串一个固定电阻却得不到? 答； 起动方法： 直接起动、 定子串电阻或电抗器降压起动、 自耦变压器降压起动、 起动、转子串频敏变阻器起动、转子串电阻起动。 由频敏变阻器随起动过程进行，自动根据 s 减小所串入的电阻，参数选择合适时可以 维持起动时间转矩不变。 3-13 绕线转子异步电动机、转于电路串入适当电阻，为什么起动电流减小而起动转短反而增 大?如串入的电阻太大，起动转矩为什么会减小?若串入电抗器，是否也会这样? 答：因为串入电阻后，值变大，故减小，而虽然减小， 但增加更多，所以使增大，当串入电阻太大时，亦减小，使减小， 串电抗器不行，因为这样会使始终减小。 3-14如何从转差率 s 的数值来区别异步机的各种运行状态。 答：时，电机电动运行； 时，电机制动； 时，电机回馈发电运行。 3-15 为使异步电动机快速停车， 可采用哪几种制动方法?如何改变制动的强弱?试用机械特性 说明其制动过程。 答： （1）能耗制动：可以采用增大转子电阻或加大直流励磁来增强制动效果。 （2）两相反接的反接制动：可以采用转子串电阻来增大制动效果。 23 3-16当异步电动机拖动位能性负载时，为了限制负载下降时的速度，可采用哪几种制动方 法?如何改变制动运行的速度?其能量转换关系有何不同? 答：可以采用能耗制动，转速反向的反接制动，回馈制动，通过改变转子所串电阻可 以改变运行的速度。 3-17 异步电动机有哪几种制动运转状态?每种状态下的转差串及能量转换关系有什么不同? 答： （1）能耗制动。机械能转换为电能在外串电阻上消耗。 （2）反接制动。，机械能与定子输入的电磁能均被外串的转子电阻消耗。 （3）回馈制动。，机械能转变为电能回馈回电网。 3-18 异步电动机在哪些情况下可能进入回馈制动状态?它能否像直流电动机那样，通过降低 电源电压进入回馈制动状态?为什么? 答： （1）带位能负载，定子任意两相反接。 （2）变极调速时 （3）变频调速时 （4）电车下坡时 不能通过改变电压而进入回馈状态，因为此时没有改变同步运行点 n1的大小。 3-19 影响异步电动机起动时间的因素是什么?如何缩短起动时间?起动时能量损耗与哪些因 素有关? 如何减少起动过程中的能量损耗? 答：影响起动的时间因素：机电时间常数 Tm和。 缩短起动时间可以通过改变 Tm，即采用小转动惯量电机，以及采用高转差率电机， 缩短起动时间。 影响起动时能量损耗因素：系统性能、。 可以采用减小系统性能，降低同步转速，增大方法来减小损耗。 3-20 绕线转子异步电动机转子突然串入电阻后电动机降速的电磁过程是怎样的？如负载转 矩 TL为常数，当系统达到稳定时转子电流是否会变化？为什么？ 答：当转子突然串入电阻后，电动机所发出的电磁转矩减小，使，此时电机转速没 变，在负载作用下，开始减速，同时 T 增大，当 T=TL时，电机稳定运行，再次稳定后， 转子电流不变。因为此时，对于等效电路不影响。 3-21 在绕线转子异步电动机转子电路中串接电抗器能否改变转速？这时的机械特性有何不 24 同？ 答：可以改变转速，随着所串电抗器的增大 sm减小。 3-22绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，为什么他的机械特性变软？为什么轻载时其 转速变化不大？ 答：串电阻后，sm随着 R 的增大而增大。这样这个稳定工作区域增大，特性变软。 由于串电阻不改变同步转速，故所有的人为特性均通过纵轴上同一个点，这样越靠近 纵轴即轻载时，调速范围越小。 3-23 为什么调压调速不适用于普通笼型异步电动机而适宜用于特殊笼型异步电动机或绕线 转子异步电动机？ 答：因为调压调速的范围是 0sm，为了扩大调速范围，只有采用高转差率电机或者在转子 回路串电阻。 3-24 为什么调压调速必须采用闭环调速系统？ 答：单纯调节电压来调速，调速范围太小，串了电阻后特性又太软，为了克服这些问题 故采用闭环调速系统。 3-25 怎样实现变极调速？变极调速时为什么同时要改变定子电源的相序？ 答：通过改变定子绕组的接法，当变极后，将会引起绕组相序的变化，故要改变 定子相序。 3-26 如采用多速电动机配合调压调速来扩大平滑调速的范围， 问应采取哪种变极电动机较合 理（D-YY 还是（Y-YY） ，为什么？ 答：采用 Y YY 变极电机更合理，它可以在变极后同时增大过载能力。 3-27 变频调速时，为什么需要定子电压随频率按一定的规律变化？试举例说明之。 答：，当变化时，为使保持恒定，也 要随同时变。 3-28 几种分析讨论以下异步电机变频调速控制方式的机械特性及优点 （1）恒电压频率比（U1/f1=c）控制； （2）恒气隙电势频率比（E1/f1=c）控制； （3）恒转子电势频率比(Er/f1=g)控制； 25 答： （1）恒电压频率比（）控制 机械特性：1）随变化 2）不同频率下机械特性为一组硬度相同的平行直线 3）随频率降低而减小 优点：近似不变，控制简单，易于实现。 （2）恒气隙电动势频率比（）控制 机械特性：1）与恒压频比控制时性质相同。 2）低频起动转矩比额定频率起动转矩大，而起动电流并不大。 3）不随变化。 优点：恒定，稳定性优于恒压频比时 （3）恒转子电动势/频率比（）控制 机械特性：是一条准确的直线。 优点：稳定工作特性最好，类似他励直流电动机。 3-29保持恒气隙电势频率比控制中，低频空载时可能会发生什么问题，如何解决。 答：会出现负载愈轻电流愈大的问题，可以采用电流反馈控制，使低频时电压降低。 3-30 填写下表中的空格 解： 电 源 转 速 转 差 率 运 行 状 态 极 数 正 序 14500.0331500正 向 电 动 4+ 26 正 序 1150-0.151000正 向 回 馈 6- 正 序 -6001.8750反 接 制 动 8+ 负 序 5001.83600反 接 制 动 10+ 负 序 4750.05500反 向 电 动 12+ 负 序 1575-0.051500反 向 回 馈 4- 3-31 一台三相绕线转于异步电动机，已知：PN=75kW，nN=720r/minI1N=148A，N=905， cos1N=0.85，T=24，E2N=213V，I2N=220A。试求： 电动机的临界转差率 sm和最大转矩 Tmax； 用实用表达式计算并绘制固有机械特性。 解： （1） 27 （2）（固有特性） 3-32一台笼型异步电动机额定数据为：U1N=380V，I1N=20A，nN=1450r/min，K1=7，KT=1、4， T=2。试求： 若要保证满载起动，电网电压不得低于多少伏? 如用 Y-D 起动，起动电流为多少?能否带半载起动? 如用自耦变压器在半载下起动，起动电流为多少?并确定此时的变化 k 为多少? 解： （1）设， （2） 所以不能带半载起动 （3） 3-33某台绕线转于异步电动机的数据为：PN=11kW，nN=715rmin，E2N=163V，I2N=47.2A， 起动最大转矩与额定转矩之比 T1TN=18，负载转矩 TL=98Nm。求三级起动时的每级起动 电阻值。 解： 28 3-34一台三相六极绕线型异步电动机，U1N=380V，nN=950rmin，f1=50Hz，定子和转于绕 组均为 Y 接法，且定于和转子(折算)的电阻、电抗值分别为 r1=2，x1=3，r2=15，x2=4 。 转子电路串电阻起动，为使起动转矩等于最大转矩，转于每相串人的电阻值应为多少 （折算到定子侧）? 转子电路串电阻调速，为使额定输出转矩时的转速调到 600rmin，求应串人的电阻 值（折算到定子侧的） 。 解： （1） （2） 当时， 29 3-35三相笼型异步电动机的额定数据为：PN=40kW，U1N=380kV，I1N=751A，nN=1470r min，T=2，定子 D 接法；拖动系统的飞轮矩 GD2=294Nm2，电动机空载起动，求： 全电压起动时的起动时间； 采用 Y-D 减压起动时的起动时间。 解： （1） （2） 2-36采用题 3-2 中的电动机数据。试求： 用该电动机带动位能负载，如下放负载时要求转速 n=300rmin，负载转矩等于额定 转矩，转于每相应串人多大电阻? 电动机在额定状态下运转， 为了停车， 采用反接制动， 若要求制动转矩在起始时为 2TN， 则转于每相串接的电阻值为多少? 30 解： （1） 其中 可得6.414 或 0.306（舍） （2） =3.646 或 1.058 时， 时， 3-37某异步电动机，UN=380V，定于 D 接，nN=1460rmin，T=2，设 TL=TN=常数。问： 是否可以用降低电压的办法使转速 n=1100rmin?为什么? 如采用降压调速，转速最低只能调到多少? 当电压降到多少时，可以使 n=1300rmin? 解： （1） 当时 由于降压调速不改变，此时，所以不能降到 1100。 （2）当时， （3）降电压调速无法使转速降为 1300。 3-38某绕线转子异步电动额定值 PN=55kW， U1N=380V， I1N=121.1A， nN=580r/min， E2N=212V， I2N=159A，T=23；电动机带一个 TL09TN的位能负载，当负载下降时，电动机处于回馈 制动状态。试求： 31 转于中未中电阻时电动机的转速。 当转子中串入 0.4的电阻时电动机的转速。 为快速停车，采用定子两相反接的反接制动，转于中串人 04，则电动机刚进入制 动状态时的制动转矩(设制动前电动机工作在 520rmin 的电动状态)。 解：1）， ， 整理有 解得或（舍去） 2） 解得或（舍） 3）当时 0 32 3-39一台笼型异步电动机，PN=7.5kW，U1N=380V，I1N=15.4A，nN=1440rmin，T=2.2。该 电动机拖动一正反转的生产机械。设电网电压为额定值，正转时电机带额定负载运行，现采 用定于两相反接使电机制动，然后进入反转，反转时电机空载，空载转矩为 0.1TN。试利用 机械特性的近似公式计算： 反接瞬间的制动转矩。 反转后的稳定转速。 画出正、反转时的机械特性及负载转矩特性，并标明电动机运行点的变化过程。 解： （1） 所以反接时的机械特性为 制动瞬间： （2）代入机械特性 .s=7.3（舍）或 0.004 （3） 3-40一台绕线转于异步电动机带动一桥式起重机的主钩，已知：PN=60kW，nN=577rmin， I1N=133A，I2N=160A，E2N=253V，T=2.9，cos1N=0.77，N=89。 33 设电动机转子转 35.4 转，则主钩上升一米。如要求额定负载时，重物以 8mmin 的 速度上升，求电动机转于电路应串入的电阻值； 为消除起重机各机构齿轮间的间隙，使起动时减小机械冲击，转子电路设有预备级电 阻。设计时要求串接预备级电阻后，电动机起动转矩为额定转短的 40，求预备级电阻值； 预各级电阻一般也作为反接制动用电阻，用以在反接制动状态下下放重物。 如下放时 电动机负载转矩 TL=0.8TN，求电动机在下放负载时的转速； 如果电动机在回馈制动状态下下放重物， 转子串接电阻为 0 06， 设重物 TL=0 8TN， 求此时电动机的转速。 解： （1） =2.98 或 0.094（舍） （2）， =14.43 或 0.07（舍） （3），将代入，整理有 解得（舍）或 34 （4） 或（舍） 3-41一台双速笼型异步电动机， P=2 时， PNl=40kW， nN1=1450rmin， T1=2； P=1 时， PN2=55kW， nN2=2920r/min，T2=2，已知拖动系统的 GD2=44.3Nm2，r1r2=1.5，电动机空载。试求： 一级起动到最高转速时电动机的能量损耗， 两级起动到最高转速时电动机的能量损耗， 由最高转速逐级制动， 试计算电动机的能量损耗。 第一级制动(由 n12n11)用回馈制动， 第二级制动(由 n110)用能耗制动。 解： （1） （2）第一级： 第二级： 总 35 3-42有一台四极绕线转子电动机， 其额定数据为： PN=30kw， UN=380V， nN=720r/min， r1=0.143 ，r2=0.134，定转子接法均为星形接法。现要求在额定负载时，转速降到 500r/min，试求： （1）每相绕组中应串入多大电阻？ （2）此时转子电流及电磁功率的数值是否发生变化？ 解： （1） （2） 所以不变，又亦不变 3-43某一笼型电动机，PN=11kw，UN=380V，fN=50Hz，nN=1460r/min，T=2，如采用变频调 速，当负载转矩 TL=0.8TN时，要使 nN=1000r/min，则 f1及 U1应调节到多少？ 解：采用恒控制时：当时， 设变频后同步转速为 又由得 3-44某台异步电动机 UN=380V，nN=1450r/min，T=2，定子 D 接法，设 TL=TN=const 试求： （1）是否可以用降低电压方法使 nN=1100r/min 时运行？ （2）如采用降低电压调速，转速最低可以调到多少？ （3）如采用变频调速，使 nN=1100r/min 运行，此时 f1及 u1应作如何变化？ 解： （1） 36 不能降到 1100 （2） （3）降频后的 第五章电力拖动系统电动机的选择 5-1 电力拖动系统中电动机的选择主要包括哪些内容？ 答：内容：电机额定功率选择、电机种类、额定电压、额定转速及外部结构形式。 5-2确定电动机额定功率时主要应考虑哪些因素？ 答：主要考虑负载情况和进行发热校验。 5-3电动机的额定功率选得过大和不足时会引起什么后果？ 答：如果额定功率选小了，电动机经常在过载状态下运行，会使它过热而过早的损坏， 还有可能承受不了冲击负载或造成起动困难。 如果额定功率过大，此时不仅增加了设备投资，而且由于电动机经常在欠载运行， 其效率及功率因数等性能指标变差，浪费了电能，增加了供电设备的容量，使综合效益 下降。 5-4电动机的温度、温升、及环境温度三者之间有什么关系？ 答：电动机温度比周围环境温度高出的值称为温升。当电动机的温度高于周围环境温度 时，电动机就要向周围散热；温升越高，散热越快。当单位时间内产生的热量与单位时 间内散发到周围介质中的热量相等时，电动机的温度不再升高，达到了所谓的热稳定状 态，此时的温升为稳定温升，其大小决定于电动机的负载。 5-5电机的温升按什么规律变化？两台同样的电动机，在下列条件下拖动负载运行时，它 们的起始温升、稳定温升是否相同？发热时间常数是否相同？ （l）相同的负载，但一台环境温度为一般室温，另一台为高温环境； （2）相同的负载，相同的环境，一台原来没运行，一台是运行刚停下后又接着运行； 37 （3）同一个环境下，一台半载，另一台满载； （4）同一个房间内，一台自然冷却，一台用冷风吹，都是满载运行。 答：规律：发热过程开始时，由于温升小，散发出去的热量少，大部分热量被电动机所 吸收，所以温升上升较快。其后随着温升的升高，散发的热量逐渐增加，电动机吸收的 热量则逐渐减少，使温升的变化缓慢了。当发热量与散热量相等时，电动机的温升不再 升高，达到一稳定值。 （1）起始温升不同，稳态温升和时间常数相同 （2）起始温升和稳态温升不同，时间常数相同。 （3）起始温升相同，稳态温升和时间常数不同。 （4）起始温升相同，稳态温升不同，时间常数相同。 5-6电动机有几种工作制？是怎样划分的？其发热的特点是什么？ 答：一、连续工作制。电动机连续工作时间很长，可达几小时，甚至几昼夜，在工作时 间内，电动机的温升可以达到稳定值。 二、短时工作制。电动机工作时间较短，在工作时间内，电动机的温升达不到稳定 值。而停歇时间长，电动机的温升可以降到零。 三、断续工作制。电动机的工作时间与停歇时间轮流交替。 5-7同一台电动机，如果不考虑机械强度问题或换向问题等，在下列条件下拖动负载运行 时，为充分利用电动机，它的输出功率是否一样？哪个大？哪个小？ （1）自然冷却，环境温度为 40； （2）强迫通风，环境温度为 40； （3）自然冷却，高温环境。 答：不一样（2）大（3）小 5-8为什么说电动机运行时的稳定温升取决于负载的大小？ 答：电动机的稳定温升，由于 Q 与电动机的损耗功率成正比，当电动机的 负载增大时，随之增大，因而 Q 增加。若散热系数 A 不变，则将随负载的增加 而升高。如果电动机的负载恒定，那么，及 Q 都是常数，这时与 A 成反比关系， 设法改善散热条件，使 A 增大，即可降低。 5-9连续工作变化负载下，电动机容量选择的一般步骤是什么？ 解： （1）初选电动机容易 （2）校验电动机容易 38 5-10 用平均损耗法校验电动机发热的依据是什么？请指出等效电流法、等效转矩法、等效功 率法及平均损耗法的共同点和不同点，以及它们各自的适用条件？ 答： 依据：电动机发热是由其内部损耗决定，所以电动机损耗的大小直接反映了电动 机的温升情况。 相同点：几种方法实质上都是温升的校验。 不同点：每种方法判断的依据不同 5-11什么是负载持续率？ 试比较普通三相鼠笼式异步电动机 ZC%=15%、=30kW 与 ZC%=40%、=20kW 的电动机，哪一台实际功率大？ 答：在断续周期工作制中，负载工作时间与整个周期之比称为负载持续率。 的电动机实际功率大。 5-12电动机若周期性地工作 15min、停歇 85min，则应选择什么工作方式？ 答：短时工作方式。 5-13一台 35kW、工作时限为 30min 的短时工作电机突然发生故障。现有一台 20kW 连续 工作制电机， 已知其发热时间常数=90min， 不变损耗与额定可变损耗比=0.7， 短时过载 能力=2。这台电机能否临时代用？ 解： ， 不通过过载能力，此时应选择： 而，所以可以代替。 5-14需要一台电动机来拖动工作时间的短时工作负载，负载功率=18， 空载起动。现有两台笼型异步电动机可供选用，它们是： （1），起动转矩倍数； 39 （2），起动转矩倍数； 如果温升都无问题， 试校验起动能力和过载能力， 以确定哪一台电动机可以使用。 （校验 时考虑到电网电压可能降低 10