电机与控制作业一含习题解答.pdf

电机与控制作业一（含习题解答） 1. 直流电机定转子各由哪些主要部件组成？各部件的主要作用 是什么？ 直流电机由定子和转子两部分组成。 定子部分包括（1）主磁极 由主极铁心和套在铁心上的励磁绕组 组成，它的作用是 建立主磁场。（2）换向（附加）极 由换向极铁心和套在上面的换向极 绕组组成，用来改善直流电机的换向。（3）电刷装置 由电刷、刷握和 汇流条组成，它是将直流电引入或引出电枢的装置。（4）机座 即电机 定子外壳，起固定与支撑的作用，同时又是主磁路的一部分。（参照教 材图1-1） 2. 直流电机铭牌上的额定功率、额定电压、额定电流，对于发电机 和电动机各指什么？ 直流电机的铭牌数据对发电机额定功率指能够输出的最大电功 率，额定电压和额定电流指输出的最高电压和最大电流（PN=UNIN）； 而对电动机额定功率指能够输出的最大机械功率，额定电压和额定电流 指允许输入的最高电压和最大电流（PN=UNINN）。 3. 直流电机有哪几种励磁方式？不同励磁方式的电动机如何实现反 转？ 直流电机的励磁方式分为他励、并励、串励、复励。单独改变励 磁绕组极性或者电枢绕组极性都可使电机实现反转，如果两者极性同时 改变，电机仍将沿原方向运转。 4. 什么叫电枢反应？它对电机产生哪些影响？ “电枢反应”就是电枢磁场对主磁场的影响。产生的影响包括使主 磁场发生畸变，磁力线不再对称于磁极轴线；物理中线偏离几何中线不 再重合，几何中线处磁场不再为0；削弱了主磁场。这些影响将对直流 电机的正常运行产生恶劣作用，必须设法消除。 5. 串励直流电动机有哪些特点？ 串励直流电动机的机械特性曲线是一条非线性的软特性，当轴上负 载为0时电机转速，所以串励直流电动机不允许轻载工作；由于它的 电磁转矩与电枢电流的平方成正比，所以起动转矩大，过载能力强；由 于电枢与励磁绕组串联，通入直流或交流电流电机都不受影响，所以在 交流电源情况下亦可正常工作。 6. 直流发电机的电磁转矩与原动机的拖动转矩，电动机的感应电动 势与电枢电压之间的方向相同还是相反？各有何物理意义？ 直流发电机的电磁转矩与原动机输入的拖动转矩方向相反，是一对 作用力和反作用力的关系。随发电机输出电流的增大，电磁转矩增大 （T=CTIa），所需的输入转矩也随着增大，才能维持输入转矩与阻转 矩之间的平衡，使电机匀速运转。 直流电动机运转时功割磁场产生的感应电动势与电枢外加电压方向 相反，故为反电势，它维持了电压平衡关系，限制了电枢电流的大小 Ia=（Ua-Ea）/（Ra+RL），不致使电动机电流过大。 7. 直流发电机的外特性受哪几个因素影响？直流电动机的转速特性 受哪几个因素影响？ 直流发电机的输出特性（Ua=Ea-IaRa）受转速的高低、主磁场的强 弱以及电枢回路电阻大小的影响（Ea= Cen）；直流电动机的转速特 性，受外加电枢电压、通入励磁电流所建立的主磁场以及电枢回路电阻 大小的影响。 8. 负载的机械特性有哪几种？负载转矩与转速之间各有什么关系？ 负载的机械特性分为三大类，即恒转矩负载、恒功率负载、泵类和 通风机负载。其中恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩 负载两种。 反抗性恒转矩负载转矩大小不变而与转速的方向永远相反。而位能 性恒转矩负载大小不变方向也不变，当电机正转时，负载转矩与转速方 向相反；当电机反转时，负载转矩与转速方向相同。 恒功率负载转矩的大小与转速之间成反比。（TL=K/n） 泵类和通风机负载的大小与转速的平方成正比（TL=Kn2） 9. 改变他励直流电动机的电枢电压、电枢回路电阻或励磁电流时， 机械特性将如何变化？ 改变他励直流电动机的电枢电压，机械特性的斜率不变，理想空 载转速n0与电压成正比变化，所以特性平行移动；增大电枢回路电阻， n0不变，特性的斜率随阻值正比增大，所以特性变软；减小励磁电 流，主磁场减弱，n0上升，特性的斜率也增大。 10. 电动机的调速性能指标有哪些？各如何定义？ 电动机的调速性能指标有 （1） 调速范围 电动机带额定负载时的最高转速与最低转速之 比。 （2） 调速精度（静差率） 在调速范围内最低转速所对应的机 械特性曲线上的额定速 降nN与该曲线上n0的比值。 （3） 平滑性 定义为相邻两级转速之比。 11. 直流发电机和电动机的功率流程图有何不同？可变损耗和不变损 耗各指什么？ 直流发电机的功率流程是原动机输入机械功率，减去空载损耗，转 化成电磁功率， 再减去电枢（与励磁）损耗，输出电功率。（参照教材图1-11a） 直流电动机的功率流程是从电源输入电功率，减去电枢（与励磁） 损耗，转化成电磁功率，再减去空载损耗，在轴上输出机械功率。（参 照教材图1-11b） 可变损耗指的是电枢（与励磁）损耗，也叫铜损耗，它与电枢（励 磁）电流的平方成正比。 不变损耗指的是空载磨擦损耗和铁心损耗，它们与电流大小无关。 12. 他励直流电动机为什么不允许直接起动？可采用什么方法起动？ 他励直流电动机在起动时，由于转速为0，反电势亦为0Ea= Cen，电源电压全部加在电枢电阻上，电流过大，所以不允许直接起 动。可以采用降低电源电压或电枢回路电阻串电阻的方法起动。 13. 决定电动机起、制动过渡过程的三要素是什么？ 决定电动机起、制动过渡过程的三要素是起始值、稳态值和机电 时间常数。 14. 如何判断电动机处于电动运行状态、发电运行状态、制动运行状 态？ 判断电动机的运行状态要看电磁转矩T与转速n的方向相同还是相 反，电磁转矩是拖动转矩还是阻转矩；同时还要看感应电势Ea与电枢电 压Ua的方向相同还是相反，感应电势是输出电势还是反电势。 电动运行状态T与n同向，T表现为拖动转矩，Ea与Ua反向，Ea表现 为反电势。 发电运行状态T与n反向，T表现为阻转矩，Ea与Ua同向，Ea表现为 输出电势。 制动运行状态与发电运行状态相同，只不过惯性动能或位能所发出 的电没有输出，而是全部消耗在电枢回路的电阻上，变为热能散发掉。 15. 三相异步电动机的旋转磁场有哪些特点？其转速、转向、幅值和 极对数各取决于什么？ 三相异步电动机的旋转磁场性质如下 转速为同步速n1=60f1/P，与电源频率成正比，与定子极对数成反比。 转向取决于输入电流的相序，电机总是由超前相向滞后相的方向旋 转。 幅值大小基波磁势 F1=1.35W1KW1I1/P 瞬时位置哪相电流达正最大值时，旋转磁势的幅值恰好转到该相绕组 的轴线处。 极对数取决于定子绕组在定子槽中的布置，或者说取决于定子绕组元 件的节距。 16. 画出三相异步电动机的T型等值电路，写出基本方程式。 r1 jX1 r2 jX2 (1-S)r2/S U1 I2 I1 I0 E1=E2 rm+jXm 17. 改变三相异步电动机定子端电压或转子回路串入电阻将使机械 特性如何变化？ 改变三相异步电动机定子端电压时，同步速n1不受影响，根据参数表 达式可看出，临界转差的大小不变，电磁转矩的平方与电源电压成正 比，所以当降低定子电压时，电动机的起动转矩和临界转矩都会成平方 倍减小，这显然会对电动机的运行造成重要影响，在拖动重载时甚至无 法正常工作。 当转子回路串入电阻时，同步速n1也不受影响，根据参数表达式临界 转矩与转子电阻大小无关，而临界转差的大小与转子电阻成正比变化， 所以串入适当电阻可以增大电动机的起动转矩，常用于三相异步电动机 带重载起动。 18. 三相异步电动机有哪些起动方法？各有什么特点？ 三相异步电动机的起动可以分为两大类（1）小容量电机轻载起动时 电流不大可直接起动；重载时需采用特殊制造的电机，即深槽转子异步 电动机或双鼠笼异步电动机，利用趋肤效应以获得大的起动转矩。 （2）大容量电机轻载起动时必须降低定子端电压，以减小起动电流。 常用的降压方法有定子串电阻或电抗，定子串自耦变压器，星-三角变换 等；重载起动时可采用转子串电阻或者串频敏变阻器的起动方法。 19. 三相异步电动机的调速方法有哪些？各有什么优缺点？ 三相异步电动机的调速方法有（1）定子调压，调速范围窄，若加转 速负反馈可得到较好的调速特性。（2）定子调频，调速范围宽，调速 性能好，应用越来越广。（3）转子串电阻调速，方法简单易行，但由 于特性变软，低速时损耗大且运行不稳定，只用于要求不高的场合。 （4）转子串电势调速也叫串级调速，是一种节能的调速方法，它将转 差损耗回收加以利用，因增加设备较多，所以只适用于大功率电机的调 速。（5）变极调速，利用改变定子绕组接线进行调速，无须投入其他 设备，但需特殊制造电机，只有少数几级速度。（6）转差离合器调 速，由于特性软，要加负反馈环节，调速性能好，但只适用于小功率电 机的调速。 20. 他励直流电动机和三相异步电动机的能耗制动有什么不同？ 他励直流电动机的能耗制动是将电枢电源断开，给电枢串入适当电 阻，使惯性旋转的转子槽导体切割主磁场发电，即将动能转为电能，再 变成消耗在转子回路电阻上的热能，同时产生制动转矩。而三相异步电 动机的能耗制动是断开定子三相电源的同时，给任意两相绕组通入一个 直流电流，建立一个极性不变的磁场，使惯性旋转的转子切割这个磁 场，产生制动转矩。 21.一台他励直流电动机的铭牌额定数据为17KW 220V 90A 1500r/min Ra=0.376，拖动恒转矩额定负载运行。求 （1） 这台电动机固有机械特性上的理想空载点、额定工作点、 堵转点的电枢电流和转速？ （2） 将电枢电压降为150V，电动机的电枢电流和转速各为多 少？ （3） 若把磁通减小到0.8N，电动机的电枢电流和转速各变为 多少？ 解（1） CeN=（UN INRa）/nN=（220- 900.376）/1500=0.124 理想空载点 n0=UN/CeN=220/0.124=1774（r/min）；Ia=0 额定工作点nN=1500r/min；IN=90A 堵转点 n=0；IS= UN/Ra=220/0.376=585（A） （2）Ia= IN=90A； n=（Ua-INRa）/ CeN=（150- 900.376）/0.124=935（r/min） （3）负载转矩不变，磁通减小20%则Ia增加20%Ia=1.2 IN=1.290=108（A）； n=（UN -INRa）/ 0.8CeN=（220- 900.376）/0.80.124=1875（r/min） 22.一台他励直流电动机的铭牌额定数据为13KW 220V 68.7A 1500r/min Ra=0.224，要求调速精度30%，试求 （1） 采用电枢串电阻调速时的调速范围有多少？最低转速时串 多大电阻？ （2） 采用降低电枢电压调速时的调速范围有多少？最低转速时 的电压为多少？ 解 CeN=（UN INRa）/nN=（220-68.70.224）/1500=0.1364 （1）n0=UN/CeN=220/0.1364=1613（r/min） n= n0 =16130.3=484（r/min） nmin= n0-n=1613-484=1129（r/min） 调速范围D=nmax/nmin=1500/1129=1.33 R=（n/IN）-Ra=（484/68.7）-0.224=6.821（） （2）nN= INRa=68.70.224=15.4（r/min） n0min=nN/=15.4/0.3=51.3（r/min） nmin= n0min-nN=51.3-15.4=35.9（r/min） D=nmax/nmin=1500/35.9=41.78 Ua=Ea+INRa=CeNnmin+68.70.224=0.136435.9+15.4=20.3（V） 23.一台他励直流电动机的电枢额定电压220V、额定电流74A，额定 转速1500r/min 电枢额定电动势204.6V，电机铁损耗pFe=362W，机械磨擦损耗 pm=204W，忽略杂散损耗，求这台电动机额定运行时的电磁转矩、输入 功率和效率各为多少？ 解TN=INEa=74204.6=15.14（KW） P1=UN IN=22074=16.28（KW） P2= P1- pFe- pm=16280-362-204=15.714（KW） = P2/ P1=15.714/16.28=0.965 24一台并励直流电动机的额定数据如下17KW 220V 3000r/min 88.9A Ra=0.114，励磁电阻Rf=181.5，忽略电枢反应，试求额定负载时 电动机的输出转矩、电磁转矩和效率？ 解P2N=17KW P1=UN IN=22088.9=19.558（KW） = P2/ P1=17/19.558=0.87 If=Uf/ Rf=220/181.5=1.2（A） Ia= IN- If=88.9-1.2=87.7（A） PM= P1-pCuf+pCua=19558-1.22181.5-87.720.114=18.42（KW） 25.一台他励直流电动机用于起吊重物，其额定数据如下29KW 440V 76A 1000r/min ，Ra=0.377，忽略空载损耗，负载转矩TL=0.8TN，试求 （1） 电动机以500r/min的速度吊起重物，电枢回路需串多大电 阻？ （2） 有哪几种方法可使负载以500r/min的速度下放？电枢回路 各需串多大电阻？ （3） 当以500r/min的速度吊起重物时，将电枢电压突然反接， 并使电流不超过2IN，最后稳定下放速度为多少？ 解（1）CeN=（UN-INRa）/nN=（440-760.377）/1000=0.411 n=（UN-IaRa）/ CeN=（440-0.876R）/0.411=500 R=（440-0.411500）/0.876=3.857（） 电枢回路需串电阻3.857-0.377=3.48（） （2）采用倒拉下放重物 -500=（440-0.876R）/0.411 R=（440+0.411500）/0.876=10.6（） 电枢回路需串电阻10.6-0.377=10.223（） 采用能耗下放重物 -500=-0.876R/0.411 R=0.411500/0.876=3.38（） 电枢回路需串电阻3.38-0.377=3.003（） （3）R=（CeNn+ UN）/2IN=（0.411500+440）/276=4.247（） n=（-UN-IaRa）/ CeN=（-440- 0.876）/0.411=-1218（r/min） 26.一台三相四极异步电动机，150KW 380V/50HZ 1460r/min，过 载能力=3.1，求这台电动机的固有机械特性。 解固有机械特性的四个特殊点 （1） 同步点 T=0，S=0， n1=60f1/P=6050/2=1500（r/min） （2） 额定工作点 nN=1460 r/min， SN=（n1- nN）/ n1=（1500- 1460）/1500=0.0267 TN=9.55PN/ nN=9.55150103/1460=981（NM） （3）临界点 Tm=TN=3.1981=3041（NM） (4) 起动点 n=0,S=1, 27.一台三相四极异步电动机，10KW 380V/50HZ 21.6A，定子绕组 Y接，额定运行时，定子铜耗pCu1=557W，转子铜耗pCu2=314W，铁耗 pFe=276W，机械磨擦损耗pm=77W，附加损耗pS=200W，试求其额定转速、 输出转矩和电磁转矩各为多少？ 解PM=P2+ pS+ pm+ pCu2=10000+200+77+314=10591 SN= pCu2/ PM=314/10591=0.03 n1= 60f1/P=6050/2=1500（r/min） nN= n1(1-SN)=1500(1-0.03)=1455（r/min） TN=9.55PN/ nN=9.5510103/1455=65.66（NM） TM=9.55PM/ n1=9.55105