《电机与拖动》部分作业题解答.docx

《电机与拖动》部分作业题解答.docx

《《电机与拖动》部分作业题解答.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电机与拖动》部分作业题解答.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

《电机与拖动》部分作业题解答

第一章直流电机

1-3直流发电机和直流电动机中的电磁转矩

有何区别？

它们是怎样产生的？

而直流发电机和直流电动机中的电枢电动势，

又有何区别？

它们又是怎样产生的？

解：

直流发电机的电磁转矩T是制动性质的，直流电动机的电磁转矩T是驱（拖）动性质的，它们都是由载流导体在磁场中受到的电磁力，形成了电磁转矩；直流发电机的电枢电动势Ea大于电枢端电压U，直流电动机的电枢电动势Ea小于电枢端电压U，电枢电动势Ea都是运动导体切割磁场感应产生的。

1-4直流电机有哪些主要部件？

各起什么作用？

解：

直流电机的主要部件有定子：

主磁极（产生主极磁场）、机座（机械支撑和导磁作用）、换向极（改善换向）、电刷（导入或导出电量）；转子：

电枢铁心（磁路的一部分，外圆槽中安放电枢绕组）、电枢绕组（感应电动势，流过电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换）、换向器（与电刷一起，整流或逆变）

1-5直流电机里的换向器在发电机和电动机中各起什么作用？

解：

换向器与电刷滑动接触，在直流发电机中起整流作用，即把线圈（元件）内的交变电整流成为电刷间方向不变的直流电。

在直流电动机中起逆变作用，即把电刷间的直流电逆变成线圈（元件）内的交变电，以保证电动机能向一个方向旋转。

1-6一台Z2型直流发电机，

求该发电机额定电流。

解：

1-7一台Z2型直流发电机，

求该额定电流是多少？

解：

1-10电枢反应对气隙磁场有何影响？

解：

电枢反应使合成磁场发生畸变，磁路饱和时有去磁作用。

1-11有一台四极直流电机，电枢绕组为单叠整距绕组，每极磁通为3.5×10-2Wb，电枢总导线数N=152，转速

。

求电机的电枢电动势。

若改为单波绕组，其它条件不变，问电枢电动势为210V时，电机的转速是多少？

解：

1）单叠绕组：

2）单波绕组

1-12如何判断直流电机是发电机运行还是电动机运行？

它们的电磁转矩、电枢电动势、电枢电流、端电压的方向有何不同？

解：

用Ea与U的关系来判断：

直流发电机的Ea>U，电枢电流Ia与电枢电动势Ea同方向，电磁转矩T是制动性质的（方向与转向n相反），电流是流到电压U的正端；直流电动机的U>Ea，电枢电流Ia与电枢电动势Ea反方向，电磁转矩T是驱动性质的（方向与转向n相同），电流是从电压U的正端流出的。

1-15一台他励直流电动机，额定数据为：

电枢回路总电阻

。

试求：

1）额定负载时的电枢电动势和额定电磁转矩。

2）额定输出转矩和空载转矩。

解：

1-16他励直流电动机的工作特性是什么条件下求取？

有哪几条曲线？

解：

他励直流电动机的工作特性是在U=UN，电枢回路不串附加电阻，励磁电流If=IfN的条件下求取。

有：

n=f（P2）、T=f（P2）、η=f（P2）三条曲线。

1-18根据图1-18连接他励直流电动机的电枢回路和励磁电路，并标出主磁极、换向极的极性以及各极绕组电流方向。

设电流从A电刷流进时，电枢上半部各槽导体电流方向为穿出纸面，下半部为穿入纸面。

解：

根据电枢电流方向和转向，用电磁感应的右手定则，判断主磁极N、S，然后连接励磁回路。

根据电枢电流方向，用右手螺旋方法判断换电枢磁通势Fa方向；由换向极磁场与电枢磁场（磁通势）方向相反，确定NC、SC，然后连接电枢回路。

1-19何谓换向？

讨论换向过程有何实际意义？

解：

直流电机运行时，电枢绕组的线圈（元件）由一条支路经电刷短路进入另一条支路，该线圈中的电流方向发生改变，这种电流方向的改变叫换向。

讨论实际的换向过程，了解影响换向的电磁原因，才能对症下药，实施改善换向的方法。

1-20换向极的作用是什么？

它应当装在何处？

换向极绕组应当如何连接？

如果换向解：

极绕组的极性接反了，电机在运行时会出现什么现象？

换向极的作用是改善换向，它应装在主磁极的几何中心线处，换向极绕组与电枢绕组串联，且使换向极磁通势的方向与电枢磁通势的方向相反。

如果极性接错，使两种磁通势的方向相同，那就会更恶化换向，运行时后刷边的火花更大，甚至可能烧坏电刷和换向器。

第二章电流电机的电力拖动

2-1什么是电力拖动系统？

它包括哪几个部分，各起什么作用？

试举例说明。

解：

电力拖动系统是由电动机拖动生产机械，并完成一定工艺要求的系统。

它包含控制设备、电动机、传动机构、生产机械和电源等。

（各作用略，详见P23）；如电风扇的电动机是原动机，单相交流电是它的电源，风扇叶片是它的机械负载，开关调速装置是它的控制设备，轴承是最简单的传动机构。

2-2从运动方程式中，如何判定系统是处于加速、减速、稳定还是静止的各种运动状态？

解：

从运动方程式中，以正向运动为例，当T>TL时，dn/dt>0，系统处于加速运动状态；当T

2-4他励直流电动机在什么条件下得到固有机械特性

的？

一台他励电动机的固有机械特性有几条？

人为机械特性有几类？

有多少条？

解：

他励直流电动机在U=UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流If=IfN（磁通Φ为额定磁通ΦN）的条件下，得到固有机械特性的。

一台他励直流电动机有一条固有机械特性，人为机械特性有降压、电枢回路串电阻、弱磁三大类，有无数条。

2-6一台直流他励电动机，

电枢电阻

。

计算：

1）全压起动时电流Ist。

2）若限制起动电流不超过200A，采用电枢串电阻起动的最小起动电阻为多少？

采用减压起动的最低电压为多少？

解：

1）

2）

2-7设有一台并励直流电动机接在一电源上，如把外施电源极性倒换，电动机的转向是否改变？

如何改变电动机的转向？

接在直流电源上的电动机若为串励直流电动机又如何？

解：

并励直流电动机的外施电源极性倒换，电枢电流和磁场的方向同时改变，电动机的转向不变。

必须只能有一个方向改变，把其中一个绕组的极性改变。

串励直流电动机同理。

2-8什么叫电气调速？

指标是什么？

他励直流电动机的调速有哪几种方法？

解：

电气调速是指：

人为地改变电动机的参数，使新的人为机械特性与负载特性的交点变化，所得到的新的稳定转速。

电气调速的指标有：

调速范围、调速的相对稳定性、调速的平滑性、调速的经济性和调速时的容许输出；根据转速公式，他励直流电动机的调速方法有：

降压、电枢回路串电阻、弱磁调速。

2-9他励直流电动机，

，

求在额定负载下：

设降速至800r/min稳定运行，外串多大电阻？

采用降压方法，电源电压应降至多少伏？

解：

1）

2）

2-10他励直流电动机有几种制动方法，试说明它们之间有什么共同点？

从电枢电压特点、机械特性方程和功率平衡关系来说明他们有什么不同？

解：

他励直流电动机有能耗制动、反接制动、回馈制动的三种方法，共同的特点是电磁转矩T与转速n的方向相反，T是制动性质的。

能耗制动U=0，机械特性过原点，电枢不从电网吸收电功率，从轴上吸收机械功率；反接制动中的电源反接制动U=-UN，机械特性过-n0点，倒拉反接制动U=UN，机械特性过n0，电枢从电网吸收电功率，也从轴上吸收机械功率；反向回馈制动U=-UN，机械特性过-n0，从轴上吸收机械功率，电枢向电网回馈电能。

2-11一台他励直流电动机，

已知电动机最大允许电流Imax=1.8IN，电动机拖动负载TL=0.8TN电动运行。

试求：

1）若采用能耗制动停车，则电枢回路应串多大电阻？

2）若采用反接制动停车，则电枢回路应串多大电阻？

解：

0.8

1）能耗制动瞬时

2）反接制动瞬时

2-12他励直流电动机，

。

试求：

1）如果用能耗制动、倒接反接制动以400r/min的速度下放位能负载，则应串入多大的制动电阻？

2）电动机在反向回馈制动运行下放重物，电枢回路不串电阻，求电动机的转速。

3）现用制动电阻Rbk=10Ω，求倒拉反接制动的稳定制动电流和稳定转速，并定性画出机械特性。

解：

1）能耗制动：

倒拉反接：

2）

3）与上面的各小题一样，稳定制动电流：

第四章三相异步电动机

4-1三相异步电动机的旋转磁场是怎样产生的？

圆形旋转磁场是指在圆柱形的定、转子间的气隙层中旋转的磁场吗？

为什么？

解：

三相异步电动机的旋转磁场是三相对称电流通入三相对称定子绕组而产生的。

不是，是指三相合成磁通势的幅值不变，矢量在旋转时的端点轨迹是一个圆。

4-2三相异步电动机旋转磁场的转速由什么决定？

试问工频下2、4、6、8、10极的异步电动机的同步转速各为多少？

频率为60Hz时的呢？

解：

三相异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比，与电动机的极对数成反比。

工频下2、4、6、8、10极的异步电动机的同步转速各为3000、1500、1000、750、600r/mim；频率为60Hz下2、4、6、8、10极的异步电动机的同步转速各为：

3600、1800、1200、900、720r/mim。

4-3旋转磁场的转向由什么决定？

解：

在三相绕组空间排序不变的情况下，由三相电流的相序决定。

4-4试述三相异步电动机的转动原理，并解释“异步”的意义。

解：

当三相异步电动机接到三相交流电源上，气隙中产生旋转磁场，则静止的转子绕组便相对切割磁场，感应出电动势。

转子绕组是闭合的，就有转子电流产生，该电流再与旋转磁场相互作用，便在转子绕组中产生电磁力f，而转子绕组中均匀分布的每一导体上的电磁力对转轴的力距之总和即为电磁转矩T，它驱动转子沿旋转磁场的方向旋转起来。

三相异步电动机的转子转速最终不会加速到等于旋转磁场的转速。

因为如果同步，转子绕组与旋转磁场之间没有相对运动，就不会感应电动势并产生电流，也不会产生电磁转矩使转子继续转动。

所以转子的转速n总要略低于旋转磁场的转速n1，这就是异步电动机的“异步”由来。

4-5若三相异步电动机的转子绕组开路，定子绕组接通三相电源后，能产生旋转磁场吗？

电动机会转动吗？

为什么？

解：

若三相异步电动机的转子绕组开路，定子绕组接通三相电源后，能产生旋转磁场，转子绕组上感应电动势，但没有电流产生，所以没有电磁转矩产生，电动机不会转动。

4-6何谓异步电动机的转差率？

异步电动机的额定转差率一般是多少？

起动瞬时的转差率是多少？

转差率等于零对应什么情况，这在实际中存在吗？

解：

转差（n1－n）与同步转速n1的比值称为转差率。

异步电动机的额定转差率sN一般为1.5%～5%。

起动瞬时的转差率s=1，转差率s=0，是理想空载状态，这在实际中不存在。

4-7一台三相异步电动机的

，该电动机的极对数和额定转差率是多少？

另有一台4极三相异步电动机，其sN=0.03，那么它的额定转速是多少？

解：

因异步电动机额定转速nN略低于但很接近于对应的同步速，因此选择1000r/min的同步速，其极对数为

额定转差率：

对4极sN=0.05的电动机：

nN=n1（1－s）=1500×（1－0.05）r/min=1425r/min

4-8简述三相异步电动机的结构，它的主磁路包括哪几部分？

和哪些电路耦合？

解：

三相异步电动机主要由定子和转子组成。

定子主要由定子铁心、定子绕组和机座等构成。

转子由转轴、转子铁心和转子绕组等所构成。

三相异步电动机的主磁路包括：

定子铁心中的定子齿槽和定子磁轭、转子铁心中的转子齿槽和转子磁轭、气隙，和定、转子电路耦合。

4-9为什么异步电动机的定、转子铁心要用导磁性能良好的硅钢片制成？

而且空气隙必须很小？

解：

异步电动机的定、转子铁心要用导磁性能良好的硅钢片制成，则主磁路的定、转子铁心段的磁阻很小，使额定电压下产生主磁通的励磁电流小（建立磁场的无功分量小），运行时的功率因数高。

空气隙很小也是为了主磁路的空气隙段的磁阻小。

4-10一台△联结的Y132M-4异步电动机，其PN=7.5kW，UN=380V，nN=1440r/min,

N=87%,

，求其额定电流和对应的相电流。

解：

4-19异步电动机主磁通的大小是由外施电压大小决定的还是由空载电流大小决定的？

解：

异步电动机主磁通的大小是由外施电压大小决定的（频率一定下）。

4-20一台三相异步电动机，如果把转子抽掉，而在定子三相绕组施加对称三相额定电压会产生什么后果？

解：

一台三相异步电动机，如果把转子抽掉，磁路中的气隙很大，磁阻大，那么在定子三相绕组施加对称三相额定电压时，产生主磁通的空载电流很大，大于额定电流很多，定子三相绕组过热而“烧”坏。

4-21拆修异步电动机时重新绕制定子绕组，若把每相的匝数减少5%，而额定电压、额定频率不变，则对电动机的性能有何影响？

解：

每相的匝数减少，额定电压、额定频率不变，磁通增加，空载电流增加，运行时功率因数降低；磁通增加还导致铁耗增加，效率降低。

4-23异步电动机的转速变化时，转子电流产生的磁通势相对空间的转速是否变化？

为什么？

解：

三相异步电动机的转速变化时，转子电流产生的磁通势F2相对空间的转速不变化，因为F2与F1空间相对静止，都为同步速，与转速无关。

4-26异步电动机的机械负载增加时，为什么定子电流会随转子电流的增加而增加？

解：

异步电动机的机械负载增加时，转速会下降，转子电磁转矩要增大，转子电流增加，根据磁通势平衡方程式，定子磁通势要增加，因此定子电流也要跟着增加。

4-27三相异步电动机在空载时功率因数约为多少？

为什么会这样低？

当在额定负载下运行时，功率因数为何会提高？

解：

三相异步电动机在空载时功率因数约为0.2，因为空载电流主要为建立旋转磁场的无功电流。

当在额定负载下运行时，转子输出额定机械功率，定子从电网吸收的有功电功率也要增加，因此功率因数会提高。

4-30一台三相异步电动机输入功率为8.6kW,s=0.034，定子铜耗为425W，铁耗为210W，试计算电动机的电磁功率Pem、转差功率pCu2和总机械功率Pm。

解：

电磁功率：

Pem=P1-pFe-pCu1=8600-210-425=7965W

转差功率：

pCu2=sPem=0.034×7965=270.81W

总机械功率Pm=Pem-pCu2=7965-270.81=7694.19W

4-31有一台Y联结的4极绕线转子异步电动机，PN=150kW，UN=380V，额定负载时的转子铜耗PCu2=2210W，机械损耗Pm=3640W，杂散损耗Ps=1000W,试求额定负载时：

1）电磁功率Pem、转差率s、转速n各为多少？

2）电磁转矩T、负载转矩TN、空载转矩T0各为多少？

解：

1）

2）

第五章三相异步电动机的电力拖动

5-1电网电压太高或太低，都易使三相异步电动机的定子绕组过热而损坏，为什么？

解：

电网电压太高，磁通增大，空载电流大增，超于额定电流，绕组过过热而损坏；电网电压太低，磁通太小，同样的负载转矩下，转子电流大增，定子电流也跟着大增，也超于额定电流，绕组过过热而损坏。

5-2为什么三相异步电动机的额定转矩不能设计成电动机的最大转矩？

解：

三相异步电动机的额定转矩不能设计成电动机的最大转矩，因为如果额定负载时发生短时过载，负载转矩大于额定转矩，电磁转矩已设计成最大转矩不能再增加，此时电磁转矩小于负载转矩，电动机降速而停机。

5-3三相异步电动机的电磁转矩与电源电压大小有什么关系？

如果电源电压下降20%，则电动机的最大转矩和起动转矩将变为多大？

若电动机拖动额定负载转矩不变，问电压下降后电动机的主磁通、转速、转子电流、定子电流各有什么变化？

解：

三相异步电动机的电磁转矩与电源电压的平方成正比。

如果电源电压下降20%，则电动机的最大转矩和起动转矩将降为原来的64%。

若电动机拖动额定负载转矩不变，电压下降后电动机的主磁通下降、转速下降、转子电流增加、定子电流增加。

5-7在题5-5画的固有机械特性中，定性画出U=0.8UN的人为机械特性和转子串电阻的人为机械特性（nm=n1/2）。

下图中②是U=0.8UN的人为机械特（同步点不变，最大转矩、起动转矩数值分别为固有的0.64倍）；③转子串电阻的人为机械特性（nm=n1/2）。

（同步点不变，最大转矩的数值不变，位置nm=n1/2、起动转矩增大）

5-8笼型异步电动机全压起起动时，为何起动电流大，而起动转矩不很大？

解：

笼型异步电动机全压起起动时，转子瞬时转速为零，等效电路的附加电阻为零，所以全压除以短路阻抗，起动电流大，Ist=I1N，但起动转矩并不是额定转矩的（5~7）倍。

（起动转矩不大的原因是：

第一，由于起动电流很大，定子绕组中的阻抗压降增大，而电源电压不变，根据定子电路的电动势平衡方程式，感应电动势将减小，则主磁通Φ1将与感应电动势成比例的减小；第二，起动时s=1，转子漏抗比转子电阻大得多，转子功率因数很低，虽然起动电流大，但转子电流的有功分量并不大。

由转矩公式T=CTΦ1I’2cosϕ2可知，起动转矩并不大。

5-10为什么在减压起动的各种方法中，自耦变压器减压起动性能相对最佳？

解：

在减压起动的各种方法中，如果电网限制的起动电流相同时，用自耦变压器减压起动将获得较大的起动转矩，可带动较重的负载起动，这就是自耦变压器减压起动的主要优点之一。

另起动自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，用户可根据电网允许的起动电流和机械负载所需的起动转矩进行选配，较灵活。

5-11某三相笼型异步电动机的额定数据如下：

起动电流倍数为7，起动转矩倍数KM=1.8，过载能力

，定子△联结。

试求：

①全压起动电流Ist和起动转矩Tst。

②如果供电电源允许的最大冲击电流为1800A，采用定子串电抗起动，求串入电抗后的起动转矩

，能半载起动吗？

③如果采用Y-△起动，起动电流降为多少？

能带动1250N·m的负载起动吗？

为什么？

④为使起动时最大起动电流不超过1800A而且起动转矩不小于1250N·m而采用自耦变压器减压起动。

已知起动用自耦变压器抽头分别为55%、64%、73%三档，则选择哪一档抽头电压？

这时对应的起动电流和起动转矩各为多大？

5-11解：

1）全压起动时的Ist和Tst：

2）若采用串电抗器起动，则

可见串电抗器后不能满足半载起动的要求，不能采用。

3）若采用Y/△起动

<1250

不能带动1250N.m的负载起动，故不能采用Y/△起动。

4）若采用自耦变压器起动：

应满足：

即：

取标准抽头：

64%

验证：

5-13为什么绕线转子异步电动机转子串接合适电阻即能减小起动电流，又能增大起动转矩？

解：

绕线转子异步电动机转子串接电阻即能减小起动电流，串得合适，转子电流虽然下降，但转子上的功率因数提高，总体转子电流的有功分量提高，根据电磁转矩的物理表达式，起动转矩是增大的。

如果转子电阻串得过大，转子电流太小，转子上的功率因数再高，转子电流的有功分量也会下降，则起动转矩变得下降了。

5-14绕线转子异步电动机串频繁变阻器起动是如何具有串电阻起动之优点的，且比串电阻起动要平滑？

解：

绕线转子异步电动机串频繁变阻器起动时，瞬时转子频率最高，频繁变阻器的铁耗最大（频繁变阻器铁心的钢片厚），等效的串入转子的电阻大，所以具有转子串电阻调速的优点：

减小起动电流，又能增大起动转矩。

同时随着转速的上升，转子频率的降低，频繁变阻器的铁耗随频率的平方下降而下降，转子等效电阻随之无级减小，起动平滑（稳）。

5-15现有一台桥式起重机，其主钩由绕线转子电动机拖动。

当轴上负载转矩为额定值的一半时，电动机分别运转在s=2.2和s=-0.2，问两种情况各对应于什么运转状态？

两种情况下的转速是否相等？

从能量损耗的角度看，哪种运转状态比较经济？

解：

电动机分别运转在s=2.2和s=-0.2，电动机分别运行于倒拉反接制动状态和反向回馈制动状态，均为稳定下放重物。

两者的转速相等，前者

，后者

。

从能量损耗的角度看，回馈制动状态比较经济，因它可以向电网馈送电能。

5-16有一绕线转子异步电动机的有关数据为：

过载能力

，

，欲将该电动机用来提升或下放重物，略T0，试求：

1）若要使起动转矩为0.7TN，转子每组应串入的电阻值：

2）保持1）小题所串入的电阻值，当TL=0.4TN和TL=TN时，电动机的转速各为多大？

各对应于什么运转状态？

3）定性画出上述的机械特性并指明稳定运行点。

5-16解：

1）起动时

2）

（TL=0.4TN）

（电动状态）

（TL=TN）

（倒拉反接制动状态）

3）定性画出上述的机械特性并指明稳定运行点：

5-17电动机与上题相同，假定电动机原来工作在固有机械特性上，轴上机械负载为TL=0.8TN，今用电源反接制动使电动机迅速停车，要求瞬时制动转矩为1.5TN，问在转子中串接多大的电阻？

解：

5-18采用上题的电动机用来下放TL=0.9TN的重物，如果电动机工作在回馈制动状态，运行于固有机械特性上，求下放转速。

解：

5-19有一台绕线转子异步电动机的额定数据为：

，过载能力

，欲将该电动机用来提升或下放重物，轴上负载为额定，略T0，试求：

1）如果要以300r/min提升重物，转子应串入的电阻值。

2）如要以300r/min下放重物，转子应串入的电阻值。

3）如要以785r/min下放重物，应采用什么制动方式，需串入的电阻值。

4）若原以额定转速提升重物，现用电源反接制动，瞬时制动转矩为2TN，转子中应串入的电阻值。

5）定性画出上述各种情况的机械特性，并指明跳变点和稳定运行点。

解：

1）

电动状态

2）

倒拉反接制动

3）用回馈制动经济：

所以不需串入电阻

4）

电源反接制动

5）定性画出上述各种情况的机械特性，并指明跳变点和稳定运行点。

5-20变极调速时，改变定子绕组的接线方式有不同，但其共同点是什么？

解：

变极调速时，改变定子绕组的接线方式有典型的Y/YY和∆/YY两种接线方法，它们共同的特点是变极原理是一样的，都是将一相绕组中的半相绕组电流反向，得到倍极比的效果。

5-21为什么变极调速时需要同时改变电源相序？

解：

这是因为电角度是机械角度的p倍。

因此当定子绕组极对数改变时，必然引起三相绕组的空间相序发生变化。

现以下例进行说明。

设p=1时，U、V、W三相绕组轴线的空间位置依次为0︒、120︒、240︒电角度。

而当极对数变为p=2时，空间位置依次是U相为0︒、V相为120︒×2=240︒、W相为240︒×2=480︒（相当于120︒），这说明变极后绕组的相序改变了。

如果外部电源相序不变，则变极后，不仅电动机的运行转速发生了变化，而且因旋转磁场转向的改变而引起转子旋转方向的改变。

所以，为了保证变极调速前后电动机的转向不变，在改变定子绕组接线的同时W两相出线端对调的方法，相当于电源的相序改变。

5-22电梯电动机变极调速和车床切削电动机的变极调速，定子绕组应采用什么样的改接方法？

为什么？

解：

电梯电动机变极调速和车床切削电动机的变极调速，定子绕组应采用分别采用Y/YY变极和∆/YY变极的改接方法。

因为Y/YY变极调速，调速前后，转矩基本上保持不变，属于恒转矩调速方式，适用于拖动起重机、电梯、运输带等恒转矩负载的调速；∆/YY变极调速，近似为恒功率调速方式，适用于车床切削等恒功率负载的调速。

5-23基频以下的变频调速，为什么希望保证U1/f1=常数？

当频率超过额定值时，是否也是保持U1/f1=常数，为什么？

讨论变频调速的机械特性（U1/f1=常数