電機與拖動基礎(chǔ)第2版習(xí)題解答

1、“電機與拖動基礎(chǔ)（第2版）”習(xí)題解答電機與拖動基礎(chǔ)第一章 電機的基本原理 1.第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)6第三章 直流電機原理 12第四章 直流電機拖動基礎(chǔ) 14第五章變壓器29第六章交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論43第七章異步電機原理44第八章 同步電機原理 51第九章 交流電機拖動基礎(chǔ) 61第十章電力拖動系統(tǒng)電動機的選擇73i電機與拖動基礎(chǔ)（第2版）”習(xí)題解答第一章電機的基本原理1-1請說明電與磁存在哪些基本關(guān)系，并列出其基本物理規(guī)律與數(shù)學(xué)公式。答：電與磁存在三個基本關(guān)系，分別是（1）電磁感應(yīng)定律：如果在閉合磁路中磁通隨時間而變化，那么將在線圈中感應(yīng)出電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與磁通的變化率成正

2、比，即de N -dt感應(yīng)電動勢的方向由右手螺旋定則確定，式中的負(fù)號表示感應(yīng)電動勢試圖阻止閉合磁路中磁通的變化。（2）導(dǎo)體在磁場中的感應(yīng)電動勢：如果磁場固定不變，而讓導(dǎo)體在磁場中運動，這時相對于導(dǎo)體來說，磁場仍是變化的，同樣會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種導(dǎo)體在磁場中運動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的大小由下式給出e Blv而感應(yīng)電動勢的方向由右手定則確定。（3）載流導(dǎo)體在磁場中的電磁力：如果在固定磁場中放置一個通有電流的導(dǎo)體，則會在載流導(dǎo)體上產(chǎn)生一個電磁力。載流導(dǎo)體受力的大小與導(dǎo)體在磁場中的位置有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體與磁力線方向垂直時，所受的力最大，這時電磁力F與磁通密度B、導(dǎo)體長度I以及通電電流i成正比，即F B

3、li電磁力的方向可由左手定則確定。1-2通過電路與磁路的比較，總結(jié)兩者之間哪些物理量具有相似的對應(yīng)關(guān)系（如電阻與磁阻），請列表說明。答：磁路是指在電工設(shè)備中，用磁性材料做成一定形狀的鐵心，鐵心的磁導(dǎo)率比其他物質(zhì)的磁導(dǎo)率高得多， 鐵心線圈中的電流所產(chǎn)生的磁通絕大部分將經(jīng)過鐵心閉合，這種人為造成的磁通閉合路徑就稱為磁路。而電路是由金屬導(dǎo)線和電氣或電子部件組成的導(dǎo)電回路，也可以說電路是電流所流經(jīng)的路徑。磁路與電路之間有許多相似性，兩者所遵循的基本定律相似，即KCL :在任一節(jié)點處都遵守基爾霍夫第一定律約束；KVL :在任一回路中都遵守基爾霍夫第二定律；另外，磁路與電路都有各自的歐姆定律。兩者之間相似

4、的物理量主要有：電路中傳輸?shù)氖请娏鳎怕分邢鄳?yīng)的為磁通；電路中的電動勢、電壓與磁路中的磁動勢、磁壓降類似。電路中的電阻或電導(dǎo)與磁路中的磁阻或磁導(dǎo)相似。這些對應(yīng)關(guān)系如下表所示：磁動外行磁壓降）褲阻略（蹴導(dǎo)磁通幫度拐磁導(dǎo)率應(yīng)電路電勁孫e電m電阻R （電導(dǎo)G）電流密度J1/電肌率p當(dāng)然兩者之間也有一些不同之處，比如磁通只是描述磁場的物理量，并不像電流那樣表示帶電質(zhì)點的運動， 磁通通過磁阻時，也不像電流通過電阻那樣要消耗功率，因而也不存在與電路中的焦耳定律類似的磁路定律；分析電路時一般不涉及電場問題，不考慮漏電流，而分析磁路時離不開磁場的概念，要考慮漏磁現(xiàn)象；在電路中電動勢為零時，電流也為零，但在磁路

5、中往往有剩磁，磁動勢為零時，磁通不一定為零；磁路的歐姆定 律與電路的歐姆定律也只是形式上的相似，由于鐵心的磁導(dǎo)率不是常數(shù)， 它隨勵磁電流而變化，因而磁路計算不能應(yīng)用疊加原理。1-3如何理解機電能量轉(zhuǎn)換原理？根據(jù)這個原理可以解決什么問題？答：從能量轉(zhuǎn)換的觀點，可以把依靠電磁感應(yīng)原理運行的機電設(shè)備看作是一類機電轉(zhuǎn)換 裝置，比如，變壓器是一種靜止的電能轉(zhuǎn)換裝置，而旋轉(zhuǎn)電機是一種將機械能轉(zhuǎn)換成電能（發(fā)電機）或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成機械能（電動機）的運動裝置。因此，機電能量轉(zhuǎn)換原理 是學(xué)習(xí)和研究電機理論的一個重要工具。根據(jù)這個原理，可以求得電機（發(fā)電機、電動 機）和變壓器中的關(guān)鍵物理量感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的大小，

6、進而分析電機和變壓器的運行特性。1-4旋轉(zhuǎn)電機模型的基本結(jié)構(gòu)由哪些部分組成，其各自有什么作用？氣隙又有何作用？答：旋轉(zhuǎn)電機模型的基本結(jié)構(gòu)由定子、轉(zhuǎn)子和氣隙三個部分組成：定子是固定不動的,1“電機與拖動基礎(chǔ)(第2版)”習(xí)題解答轉(zhuǎn)子是運動的，它們之間隔著一層薄薄的氣隙。在定子和轉(zhuǎn)子上分別按需要安裝若干線圈，其目的是在氣隙中產(chǎn)生磁場。往往要求氣隙磁場按一定的形式分布，例如正弦分布 磁場。電機作為一種機電能量轉(zhuǎn)換裝置，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機械能，也能將機械能轉(zhuǎn)換為電能。由于機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)是兩種不同的系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)換必須有一個中間媒介，這個任務(wù)就是由氣隙構(gòu)成的耦合磁場來完成的。1-5以兩極原型電機作為旋

7、轉(zhuǎn)電機的物理模型，有何應(yīng)用意義？答：兩極原型電機結(jié)構(gòu)簡單，原理清晰，易于擴展，可作為旋轉(zhuǎn)電機的物理模型。通過對該模型的研究和分析，便于學(xué)習(xí)和掌握一般旋轉(zhuǎn)電機的基本原理。1-6通過模型電機，是如何建立電機的基本電動勢和轉(zhuǎn)矩方程的？又怎樣將兩極電機的方程推廣到多極電機？答：通過模型電機，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以求得旋轉(zhuǎn)電機電動勢的通用計算公式de N cos t Nsin t。禾U用該公式可以推導(dǎo)出具體電機的電動勢，比如同dt步電機、異步電機或直流電機。再根據(jù)機電能量轉(zhuǎn)換原理，可得兩極電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式Te _Wf用心1 FsFrsin sr。由于電機的磁極總是成對設(shè)置的，常用極對數(shù)np來sr2g表

8、示電機的磁極數(shù)，則多極電機的電磁轉(zhuǎn)矩為Tenp止巴FsFrsin sr。2g1-7電機中存在哪些能量損耗？有哪些因素會影響電機發(fā)熱？電動機與發(fā)電機的功率傳遞有何不同？答：電機進行機電能量轉(zhuǎn)換時總是存在能量損耗的，能量損耗將引起電機發(fā)熱和效率降低。一般來說，電機的能量損耗可分為兩大類：(1) 機械損耗：由電機的運動部件的機械磨擦和空氣阻力產(chǎn)生的損耗，這類損耗 與電機的機械構(gòu)造和轉(zhuǎn)速有關(guān)。(2) 電氣損耗：主要包括導(dǎo)體損耗、電刷損耗和鐵耗等。導(dǎo)體損耗是由于電機的線圈電阻產(chǎn)生的損耗，有時又稱為銅耗，通常在電機的定子和轉(zhuǎn)子上都會產(chǎn)生銅耗；電刷損耗是由于電刷的接觸電壓降引起的能量損耗，因為只有在直流電機

9、中安裝電刷，所以電刷損耗僅僅出現(xiàn)在直流電機中；鐵耗是由于電機鐵磁材料的磁滯效應(yīng)和渦流效應(yīng)產(chǎn)生的一種損耗，主要取決于磁通密度、轉(zhuǎn)速和鐵磁材料的特性。電動機與發(fā)電機的功率傳遞過程如下圖所示：電動機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能，而發(fā)動機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能。機械功率電磁功率電功率9a)b)電動機與發(fā)電機的功率傳遞過程a)電動機 b)發(fā)電機1-8用硅鋼作為導(dǎo)磁材料，現(xiàn)已知1.6T ,試根據(jù)圖1-3所示的B H曲線求取在此磁場條件下硅鋼的磁導(dǎo)率 解:根據(jù)圖1-3所示的硅鋼B曲線，查得B 1.6T時，H 2200A/m220 7.2710 4(H/m)1-9有一導(dǎo)體，長度I7.27 10 44n 10 7578.

10、83m，通以電流i200A，放在B 0.5T的磁場中，試求:(1) 導(dǎo)體與磁場方向垂直時的電磁力;(2) 導(dǎo)體與磁場方向平行時的電磁力；(3) 導(dǎo)體與磁場方向為 30o時的電磁力。解:載流導(dǎo)體在磁場中電磁力的一般計算公式為F Bli sin(1) 導(dǎo)體與磁場方向垂直時，(2) 導(dǎo)體與磁場方向平行時，90°， F 0.5 3 200300(N)(3) 導(dǎo)體與磁場方向為 300時，F(xiàn)0.5 3 200 sin300150(N)0，F(xiàn) 01- 10有一磁路的鐵心形狀如圖1-20所示，鐵心各邊的尺寸為：A、B兩邊相等，長度為17cm,截面積為7cm2； C邊長5.5cm，截面積為14cm2；

11、氣隙長度g 0.4cm。兩邊各有一個線圈，其匝數(shù)為N1 N2 100，分別通以電流h和i2，所產(chǎn)生的磁動勢由A、B兩邊匯入中間的C邊，且方向一致。試求：在氣隙中產(chǎn)生 B 1.2T時所需的電流值，及此時氣隙中儲存的能量解:設(shè) i1 i2 i，N1 N2 N 100，由 Fm1Fm2g Rng，得 2 Ni所以，所需的電流值igg2N °ScBg2N 01.2 0.4 102 100 410 719.1(A)氣隙磁通 g BSc 1.2 14 10 40.00168(Wb)N 100 0.5 0.00168根據(jù)電感的定義，L0.0044(H)i i19.11 2 2氣隙中儲存的能量 Wf

12、 2W 2Li2 0.0044 19.12 1.61(J)第二章電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)2-1什么是電力拖動系統(tǒng)？它包括哪些部分？答：拖動就是由原動機帶動生產(chǎn)機械產(chǎn)生運動， 以電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運動 的拖動方式，稱為電力拖動。如圖 2-1所示，電力拖動系統(tǒng)一般由電動機、生產(chǎn)機械的 傳動機構(gòu)、工作機構(gòu)、控制設(shè)備和電源組成， 通常又把傳動機構(gòu)和工作機構(gòu)稱為電動機 的機械負(fù)載。圖2-1電力拖動系統(tǒng)組成2-2電力拖動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動方程式中各量的物理意義是什么？它們的正負(fù)號如何確定?答：電力拖動系統(tǒng)經(jīng)過化簡，都可視為如圖2-2a所示的電動機轉(zhuǎn)軸與生產(chǎn)機械的工作機構(gòu)直接相連的單軸電力拖動系統(tǒng)，各物

13、理量的方向(正負(fù)號)標(biāo)示如圖2-2b所示。a)b)圖2-2單軸電力拖動系統(tǒng)a)單軸電力拖動系統(tǒng)b)系統(tǒng)各物理量的方向標(biāo)示根據(jù)牛頓力學(xué)定律，該系統(tǒng)的運動方程為電機與拖動基礎(chǔ)（第2版）”習(xí)題解答Te A吟式中，各量的物理意義分別是： Te 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（N m） , Tl 生產(chǎn)機械 的阻轉(zhuǎn)矩（N m）， J 電動機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量（kg m2）， 電動機的角速度（rad / s）。2-3轉(zhuǎn)矩的動態(tài)平衡關(guān)系與靜態(tài)平衡關(guān)系有什么不同？答：轉(zhuǎn)矩的靜態(tài)平衡是指電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te與生產(chǎn)機械的阻轉(zhuǎn)矩Tl相平衡，即Te T_。而轉(zhuǎn)矩的動態(tài)平衡是指電力拖動系統(tǒng)在擾動作用下， 從原來的

14、平衡狀態(tài)達(dá)到新的平衡狀態(tài)的過渡過程中，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te與生產(chǎn)機械-J的阻轉(zhuǎn)矩Tl以及加速度轉(zhuǎn)矩J相平衡，即Te TlJ。由于過渡過程中轉(zhuǎn)速dtdt是變化的，電磁轉(zhuǎn)矩 Te也是隨時變化的，以保持轉(zhuǎn)矩的動態(tài)平衡關(guān)系。2-4拖動系統(tǒng)的飛輪慣量 GD2與轉(zhuǎn)動慣量J是什么關(guān)系？答：在拖動系統(tǒng)的工程計算中，習(xí)慣用飛輪慣量 GD2代替轉(zhuǎn)動慣量J , GD2與J的關(guān)系為,2 GD2J mr4g式中，m系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量（kg）， G 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的重力（N）， r 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)半徑（m）， D 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的回轉(zhuǎn)直徑（m）， g 重力加速 度（可取 g = 9.81m/s2）。2-5把多軸電力拖動系

15、統(tǒng)簡化為單軸電力拖動系統(tǒng)時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算原則是什么？各軸飛輪慣量的折算原則是什么？答：對于一個復(fù)雜的多軸電力拖動系統(tǒng)，比較簡單而且實用的分析方法是用折算的方法把它等效成一個簡單的單軸拖動系統(tǒng)來處理，并使兩者的動力學(xué)性能保持不變，其基本思想是通過傳動機構(gòu)的力學(xué)折算把實際的多軸系統(tǒng)表示成等效的單軸系統(tǒng)。在電力拖動系統(tǒng)中折算一般是把負(fù)載轉(zhuǎn)矩和各軸飛輪慣量折算到電動機軸上，而中間傳動機構(gòu)的傳送比在折算中就相當(dāng)于變壓器的匝數(shù)比。系統(tǒng)等效的的原則是： 保持兩個系統(tǒng)傳遞的功率及儲存的動能相同。2- 6起重機提升和下放重物時，傳動機構(gòu)的損耗是由電動機還是重物負(fù)擔(dān)？提升和下放同一重物時，傳動機構(gòu)損耗的大小是否

16、相同？傳動機構(gòu)的效率是否相等？答:起重機提升重物時，傳動機構(gòu)的損耗由電動機負(fù)擔(dān)；下放重物時，則由重物負(fù)擔(dān)。提升和下放同一重物時，可以認(rèn)為傳動機構(gòu)的損耗是相同的，但其效率不相等。設(shè)提升重物時的效率為c，下放重物時的效率為 C,兩者之間的關(guān)系為2- 7生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性歸納起來，可以分為哪幾種基本類型？答：生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性歸納起來可以分為三種基本類型：（1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性：負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl保 持常值。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性又可分為反抗性負(fù)載特性和位能性負(fù)載特性兩種，如下圖所示。n tkOTl圖2-3反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性n zIOTl圖2-4位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

17、17（2）通風(fēng)機負(fù)載特性：負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tl與轉(zhuǎn)速n大小有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速 n的平方成2正比，即Tl kn。屬于通風(fēng)機負(fù)載的生產(chǎn)機械有通風(fēng)機、水泵、油泵等，其中空氣、水、油等介質(zhì)對機器葉片的阻力基本上和轉(zhuǎn)速的平方成正比，如下圖所示。圖2-5通風(fēng)機負(fù)載特性圖2-6恒功率負(fù)載特性（3）恒功率負(fù)載特性：有些生產(chǎn)機械（比如車床），在粗加工時，切削量大，切削阻力大，此時開低速；在精加工時，切削量小，切削阻力小，往往開高速。因此，在不k同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl與基本上與轉(zhuǎn)速n成反比，即。由于負(fù)載功率Pl Tln表明在不同轉(zhuǎn)速下，電力拖動系統(tǒng)的功率保持不變，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl與轉(zhuǎn)速n的持性曲線呈現(xiàn)恒功率的性質(zhì)，如上圖所

18、示。2-8電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件是什么？請舉例說明。答：對于一個電力拖動系統(tǒng)，穩(wěn)定運行的充分必要條件是Te Tl 0匹dk 0 dn dn其中，Te Tl 0表示電動機的機械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性必須存在交點，是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件；而 匹並 0表示電動機機械特性的硬度必須小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的dn dn硬度，是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分條件。例如，對于帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的電力拖動系統(tǒng)，只要電動機機械特性的硬度是負(fù)值，系統(tǒng)就能穩(wěn)定運行。而各類電動機機械特性的硬度大都是負(fù)值或具有負(fù)的區(qū)段，因此，在一定范圍內(nèi)電力拖動系統(tǒng)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載都能穩(wěn)定運行。2-9在圖2-16所示的電力拖動系統(tǒng)中，已知飛輪慣量GD 15N2

19、m，2 2 2 2GDi 16N m , GDl 100N m，傳動效率 ci 0.9, c2 0.8，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl 72N m，轉(zhuǎn)速 ne 1500r/min , ni 750r/min , nL 150r/min。試求：折算到電動機軸上的系統(tǒng)總飛輪慣量GD 2和負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl。解:圖2-16三軸拖動系統(tǒng)折算到電動機軸上的系統(tǒng)總飛輪慣量為22 n 1 22 nL 22GD GDe (丄)GD1(丄)GDlnene750 215()16150020(N m2)150 2 ( )1500100折算到電動機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TlTlj cj1 Jl c1 c272輕鰹0.97501500.85 (N

20、m)2-10有一起重機的電力拖動系統(tǒng)如圖2-18所示，電動機轉(zhuǎn)速1000r/min，齒輪減速箱的傳動比j1J2 2 ；卷筒直徑D 0.2m ；滑輪的減速比J35 ;空鉤重量G0100N ；起重負(fù)荷G 1500N ;電動機的飛輪慣量GD；10N m2，傳動系統(tǒng)的總傳動效率c 0.8，放大系數(shù)1.2。試求提升速度 Vl和折算到電動機軸上的靜轉(zhuǎn)矩Tl以及折算到電動機軸上整個拖動系統(tǒng)的飛輪慣量gd2。解：電機與拖動基礎(chǔ)（第2版）”習(xí)題解答(1 )提升速度Vln n;j，jJ1j2j3,mn jnj1j2 j3VlTDnLtD3.140.21000vlnDmn223 1.4 (ill / iiiin)j

21、1 j2j35(2)折算到電動機軸上的靜轉(zhuǎn)矩Tl依照電動機轉(zhuǎn)速n經(jīng)過三級減速后，再轉(zhuǎn)換成直線速度的關(guān)系，得根據(jù)功率平衡原則，折算到電動機軸上的靜轉(zhuǎn)矩為FlVlctD n2 m(G Go*這里，F(xiàn)l Gl G Go , Vl -60，藥，所以(1500 100) °10(N m)2 2 5 0.8o(3 )折算到電動機軸上整個拖動系統(tǒng)的飛輪慣量GD近似估計。今取題中未給出系統(tǒng)中間傳動軸和卷筒的飛輪慣量，可用放大系數(shù)1.2，則折算到電動機軸上整個拖動系統(tǒng)的飛輪慣量為GD2GD； 365(G G0)(VL)2n31 421.2 10 365 (1500 100)()60 1000212.1

22、6 (N m )第三章直流電機原理3- 1換向器在直流電機中起什么作用？答：換向器是直流電機最重要的部件之一， 對于直流發(fā)電機，是將電樞繞組元件中的交 變電動勢轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電動勢； 對于直流電動機，則是將輸入的直流電流轉(zhuǎn)換為 電樞繞組元件中的交變電流，以產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。3- 2說明下列情況下空載電動勢的變化：（1）每極磁通減少10%，其他不變；（2）勵磁電流增大10%，其他不變；（3）電機轉(zhuǎn)速增加20%，其他不變。答：根據(jù)直流電機感應(yīng)電動勢（即空載電動勢）的基本計算公式Ea Ce 門（1 ）若每極磁通減少10%，則空載電動勢 Ea減小10% ；（2）若勵磁電流f增大10%，因電機

23、磁路存在非線性的磁飽和效應(yīng)，空載電動勢Ea將增大，但低于10%；（3）如電機轉(zhuǎn)速n增加20%，則空載電動勢 Ea增大20%。3-3主磁通既鏈著電樞繞組又鏈著勵磁繞組，為什么卻只在電樞繞組里感應(yīng)電動勢？答：因為主磁通是由定子勵磁繞組通入直流勵磁電流而產(chǎn)生，是一恒定的磁場，它與勵磁繞組間沒有相對運動，所以只在轉(zhuǎn)子電樞繞組里感應(yīng)電動勢。3-4他勵直流電動機的電磁功率指什么？答：他勵直流電動機的電磁功率 Pem是指由定子方通過氣隙傳入轉(zhuǎn)子方的功率，可以由27定子方的輸入電功率 R扣除定子銅耗PCua來計算，也可以由轉(zhuǎn)子方的輸出機械功率P2加上鐵心損耗PFe、機械摩擦損耗Pm和附加損耗Padd來計算，即

24、Rm RPcuaP2PFep mPadd3-5他勵直流電動機運行在額定狀態(tài)，負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如果減小磁通，電樞電流是增大、減小還是不變？答：根據(jù)他勵直流電動機的電壓平衡方程和轉(zhuǎn)矩平衡方程U aEaI a RaCenI aRa，TeT_C I a如果減小磁通，則感應(yīng)電動勢Ea減小，電樞電流Ia將增大，以保持轉(zhuǎn)矩 Te Tl的平衡關(guān)系。3-6某他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為PN 17kW，UN 220V，nN 1500r/min， N 83%。計算額定電樞電流、額定轉(zhuǎn)矩和額定負(fù)載時的輸入電功率。解：額定負(fù)載時的輸入電功率RnPN衛(wèi) 20.48(kW)0.83額定電樞電流RnUN32048 1093.

25、09(A)220額定轉(zhuǎn)矩39.55也nN9.5517 10108.23 (N m)15003-7有一他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為PN 5kW，Un 220V，入1000r/min ,4）cua 500W , R 395W，計算額定運行時電動機的Te , Tl , T° , R , n , Ra。解：電樞電流Pn461 N0.2(A)U N230定子銅耗PCua I2 2nRb0.20.14(kW)輸入功率PPNpCuaP°padd46 4電磁功率RmPnPcua46450 (kW)1 0.01 46 51.46(kW)負(fù)載轉(zhuǎn)矩9.55 也nN9.555 103100047.7

26、5(N m)空載轉(zhuǎn)矩To9.55 耳nN9.5539510003.77 (Nm)電磁轉(zhuǎn)矩TlTo47.753.7751.52 (Nm)輸入功率RmPcuaPNP0Pcua0.395 0.55.895 (kW)額定效率Pn百100%5 100%5.89584.8%電樞電阻RapCuaITpCuaP 2(亠)2Un500(5895)2(2200.696 ()3-8有一他勵直流發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)為:PN46kW , UN 230V ,nN1000r/min ，Ra0.1 ，已知P0 1kW，APadd0.01Pn，求額定負(fù)載下的 P、Em及N 。解:第四章 直流電機拖動基礎(chǔ)4- 1直流電動機一般為什么

27、不允許直接起動？可采用什么方法起動比較好？答：所謂起動就是指電動機接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到某一穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程。他勵直流電動機起動時，必須先加額定勵磁電流建立磁場，然后再加電樞電壓。他勵直流電動機當(dāng)忽略電樞電感時，電樞電流為Un EaaRa在起動瞬間，電動機的轉(zhuǎn)速 n 0，感應(yīng)電動勢Ea CeNn 0，電樞回路只有電樞繞組電阻Ra，此時電樞電流為起動電流1st，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩Tst，并有stRaCt n I st由于電樞繞組電阻 Ra很小，因此起動電流1st? In ,約為（1020） In，這么大的起動電 流使電機換向困難，在換向片表面產(chǎn)生強烈的火花，甚至形成環(huán)火；同時電樞繞組也

28、 會因過熱而損壞；另外，由于大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過大，將損壞拖動系統(tǒng)的傳動機構(gòu)， 這都是不允許的。因此除了微型直流電動機由于Ra較大、慣量較小可以直接起動外，一般直流電動機都不允許直接起動。這樣，就需要增加起動設(shè)備和采取措施來控制電 機的起動過程。由1st Un/R可知，限制起動電流的措施有兩個：一是增加電樞回路電阻，二是 降低電源電壓，即直流電動機的起動方法有電樞串電阻和降壓兩種。串電阻起動操作 較簡單、可靠，但起動電阻要消耗大量電能，效率較低。因此，目前已較少使用，只 在應(yīng)用串電阻調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)中才使用這種起動方法；降壓起動需要可調(diào)的直流 電源，可采用基于電力電子器件的可控整流器向直流電機

29、供電。采用降壓起動方法， 可使整個起動過程既快又平穩(wěn)，同時能量損耗也小。此外，可控直流電源還可用于調(diào) 速，因而在電機拖動系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。4- 2為什么要考慮調(diào)速方法與負(fù)載類型的配合？怎樣配合才合理？試分析恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速拖動恒功率負(fù)載，以及恒功率調(diào)速拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載兩種情況的機械特性。答：為了使電機得到充分利用，根據(jù)不同的負(fù)載，應(yīng)選用相應(yīng)的調(diào)速方式。通常，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，恒功率負(fù)載應(yīng)采用恒功率調(diào)速方式，這樣可使調(diào)速方式與負(fù)載類型相匹配，電動機可以被充分利用。例如初軋機主傳動機構(gòu)，在轉(zhuǎn)速比較低時，壓下量較大，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，可采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式；轉(zhuǎn)速高時，壓下量減小，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的

30、升高而減小，為恒功率負(fù)載，因此，要與恒功率調(diào)速方式相配合。所以，在采用他勵直流電動機拖動的初軋機主傳動系統(tǒng)中，在額定轉(zhuǎn)速nN以下一般用改變供電電壓調(diào)速，在nN以上用弱磁調(diào)速，這樣的配合較恰當(dāng)。如圖4-13所示。圖4-13他勵直流電動機調(diào)速時的容許輸岀轉(zhuǎn)矩和功率反之，假如恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載采用恒功率調(diào)速方式，或者恒功率負(fù)載采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，則調(diào)速方式與負(fù)載類型就不匹配，電動機不能被充分利用。例如用轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法去拖動恒功率負(fù)載（如下圖），因調(diào)速時負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl在Ta Tc范圍內(nèi)變化，故電機的電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)地變化。由于勵磁磁通并不變，那么電樞電流 就隨之在la lc范圍內(nèi)變化。如果令lb In，則低速時Ic

31、 In，電機過載、過熱；高速 時，la In，電機為輕載，沒被充分利用。Tl又如用恒功率調(diào)速方法去拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如下圖），因為調(diào)速時負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl為常值，所以電機的電磁轉(zhuǎn)矩 人也為常值，從電磁轉(zhuǎn)矩公式 T； CtI可知，隨著磁通 的 減小，電樞電流1 一定會變大。如果令l b l n，則弱磁高速時la l N，電機會過熱；強 磁低速時，lc In，電機沒被充分利用。4-3如何區(qū)別電動機是處于電動狀態(tài)還是制動狀態(tài)?答：直流電動機的運行狀態(tài)主要分為電動狀態(tài)和制動狀態(tài)兩大類。電動狀態(tài)是電動機運行時的基本工作狀態(tài)。電動狀態(tài)運行時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n方向相同，此時Te為拖動轉(zhuǎn)矩，電機從電源吸收

32、電功率，向負(fù)載傳遞機械功率。 電動機電動狀態(tài)運行時的機械特性如圖4-14所示。電動機在制動狀態(tài)運行時，其電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n方向相反，此時Te為制動性阻轉(zhuǎn)矩，電動機吸收機械能并轉(zhuǎn)化為電能，該電能或消耗在電阻上，或回饋電網(wǎng)。電動 機制動狀態(tài)的機械特性處在第二、四象限。圖4-14他勵直流電動機的電動運行狀態(tài)4-4 一臺他勵直流電動機拖動的卷揚機，當(dāng)電樞所接電源電壓為額定電壓、電樞回路串入 電阻時拖動著重物勻速上升，若把電源電壓突然倒換極性，電動機最后穩(wěn)定運行于什 么狀態(tài)？重物提升還是下放？畫出機械特性圖，并說明中間經(jīng)過了什么運行狀態(tài)？答：電機開始運行于正向電動狀態(tài)。若把電源電壓突然倒換極性，電動機

33、最后穩(wěn)定運行于反向回饋制動狀態(tài)，重物勻速下放，其機械特性如下圖所示。圖中曲線1為固有機械特性，曲線 2為電樞電壓等于額定值、電樞回路串電阻的 人為機械特性，曲線 3為電樞電壓反接后電樞回路串電阻的人為機械特性。反接電壓 之前，勻速提升重物的工作點為A，反接后穩(wěn)定運行的工作點為E。從A到E中間經(jīng)過：（1）B C,反接制動過程；（2）C D,反向升速，屬反向電動運行狀態(tài)；（3）D E,繼續(xù)反向升速，屬反向回饋制動運行狀態(tài)。4-5 一臺他勵直流電動機拖動一臺電動車行駛，前進時電動機轉(zhuǎn)速為正。當(dāng)電動車行駛在 斜坡上時，負(fù)載的摩擦轉(zhuǎn)矩比位能性轉(zhuǎn)矩小，電動車在斜坡上前進和后退時電動機可 能工作在什么運行狀

34、態(tài)？請在機械特性上標(biāo)出工作點。答：如圖4-22所示，當(dāng)電動車在斜坡上前進時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tli為摩擦轉(zhuǎn)矩與位能性轉(zhuǎn)矩之和，此時電動機電磁轉(zhuǎn)矩Te克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tli，使電動車前進，電動機工作在第一象限的正向電動運行狀態(tài)，如圖中的A點。當(dāng)電動車在斜坡上后退時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl2為摩擦轉(zhuǎn)矩與位能性轉(zhuǎn)矩之差，由于摩擦轉(zhuǎn)矩比位能性轉(zhuǎn)矩小，所以TL2與轉(zhuǎn)速n方向相同，TL2實質(zhì)上成為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，而電動機電磁轉(zhuǎn)矩Te與n方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩，抑制電動車后退速度，同時將電能回饋給電網(wǎng)，電動機工作在第二象限的正向回饋制動運行狀“電機與拖動基礎(chǔ)(第2版)”習(xí)題解答29態(tài)，如圖中的 B點。圖4-22正向回饋制動運行4-6 有

35、一他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：Pn60kW， U n 220V， I n 305A，nN 1000r/min，估算額定運行時的 EaN， Ce n，Tn， no，最后畫出固有機械特性。解：認(rèn)為額定運行時電樞銅耗近似等于總損耗的2I N Ra 05(U n I N PN )這樣電樞電阻Ra 0.5UnIn2 Pn 0.5In50%，即3220 305 60 100.038 ()2305EaN Un InR 220 305 0.038 208.41(V)EaN208.41Ce N aN0.208(V min/r)nN10003Pn60 10Tn9.55 9.55573 (N m)nN1000UnC

36、e N2200.2081057.7 (r/mi n)固有機械特性方程為RaC lae N1057.70.0380.2081057.7 0.18271因為 Ct n 9.55Ce N9.55 0.208 1.986(N m/A)，所以該方程又可寫成CeN CTN1057.7 0.1827Te 1057.7 0.092T；1.986由此可畫出固有機械特性，如下圖所示電機與拖動基礎(chǔ)（第2版）”習(xí)題解答圖4-2他勵電動機固有機械特性314-7畫出上題電動機電樞回路串入R=0.1Ra電阻和電樞電壓降到150V的兩條人為機械特性。解:電樞電壓降到150V的人為機械特性方程為（特性斜率不變）RaTe150C

37、e N Ce N Ct N 0.2080.092Te 721.2 0.092Te由此可畫出這兩條人為機械特性，如下圖所示non01Ui<UnUnUi圖4-5改變電樞電阻的人為機械U=0Te-no-U N圖4-3改變電樞電壓的人為的機械特性4-8有一他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：Pn 7.5kW， Un 220V， In 40A，電樞回路串入 R=0.1R電阻的人為機械特性方程為（空載轉(zhuǎn)速不變）Ce N Ct Nn0R 1057.70038 Te 1057.7 0.101Te''0.208 1.986nN lOOOr/min，艮 0.5 ，Tl0.5Tn，求電動機的轉(zhuǎn)速和電樞

38、電流。解:“電機與拖動基礎(chǔ)(第2版)”習(xí)題解答額定運行時CeUN I N RaN nN220 40 0.50.2(V min/r)1000TeN9.55Ce9.55 0.2 40 76.4(N m)Tn9.55 -PnnN9.5537.5 1071.625 (N m)1000空載轉(zhuǎn)矩和空載損耗為TeNTN76.471.625 4.775(N m)45需竿滬500(W)負(fù)載運行時，認(rèn)為空載損耗保持不變，即有如下關(guān)系PPTe Tl 9.550.5Tn 9.55nnCe Nn UnIa RaTe Ct n Ia 9.55Ce N Ia求解上面的三個方程，可得電動機的轉(zhuǎn)速和電樞電流n 1047.3(r

39、 / mi n)Ia 21.1(A)4-9 一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：Pn 10kW， Un 220V， In 53.8A，nN 1500r/min，Ra 0.29 ，試計算：(1) 直接起動時的起動電流；(2) 限制起動電流不超過 2In，采用電樞串電阻起動時，應(yīng)串入多大的電阻值；若采用降壓起動，電壓應(yīng)降到多大?解：(1 )直接起動時的起動電流st脊需 758.6(A)(2 )采用電樞串電阻起動時，應(yīng)串入多大的電阻值Un220RNRa0.29 1.75 (A)2In2 53.8:采用降壓起動，電壓應(yīng)降到Un2INRa253.8 0.29 31.2 (V)4-10 一臺他勵直流電動機的額

40、定數(shù)據(jù)為：PN 7.5kW , UN 220V , IN 41A , n” 1500r/min ,R, 0.376 ，拖動恒轉(zhuǎn)矩額定負(fù)載運行，現(xiàn)把電源電壓降至150V，問：(1) 電源電壓降低的瞬間轉(zhuǎn)速來不及變化，電動機的電樞電流及電磁轉(zhuǎn)矩各是多大？電力拖動系統(tǒng)的動轉(zhuǎn)矩是多大？(2) 穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速是多少？解：(1)額定運行時CeN Un 欣 220 41 °.3760.136(V min/r)nN1500電源電壓降至150V的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及變化，則電動機的電樞電流U Ce N nNR150 0.136 15000.376143.6(A)此時的電磁轉(zhuǎn)矩TeCtN I a 9.55Ce

41、 N I9.55 0.136143.6)186.5(N m)(2)因為是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，穩(wěn)定運行時電樞電流為額定值In 41A，所以轉(zhuǎn)速150 41 0.3760.136989.6(r/mi n)4-11 一臺他勵直流電動機,Pn 21kW，Un220V，In115A， nN980r/min，R, 0.1 ，拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行,Tl 80%Tn。弱磁調(diào)速時,從N調(diào)至80% N，問:(1)調(diào)速瞬間電樞電流是多少?(2)調(diào)速前后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速各為多少?解:(1)額定運行時Un I n &220115980010.213(V min/r)不計空載轉(zhuǎn)矩，Tl 80%Tn恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行時的電樞電流為 0

42、.81 N，轉(zhuǎn)速為0.213n 5 08很 220 竺丄15 0.1989.7(r/min)Ce N弱磁調(diào)速瞬間，轉(zhuǎn)速來不及變化，電樞電流為0.1Ia Un ；Ce Nn 220 0.8 f213 989.7 513.55(A)(2)調(diào)速前的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n 989.7 (r/mi n)因為是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，調(diào)速后穩(wěn)態(tài)運行時0.8Tn0.8Ct nI2，此時電樞電流I2 In，所以調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n 5丨2尺0.8Ce n220 115 0.10.8 0.2131223.6(r/mi n)4-12臺他勵直流電動機的FN 17kW， Un 110V，In 185A ， nN 1000r/min ，R,

43、 0.036 ，已知電動機最大允許電流Iamax 1.81 N ，電動機拖動Tl0.8Tn負(fù)載電動運行。問:(1)若采用能耗制動停車，電樞應(yīng)串入多大的電阻?(2)制動開始瞬間及制動結(jié)束時的電磁轉(zhuǎn)矩各為多大?(3)若負(fù)載為位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,采用能耗制動使負(fù)載以120r/min轉(zhuǎn)速勻速下放重物, 此時電樞回路應(yīng)串入多大的電阻?解:(1)額定運行時Ce NUn InR 110 185 0.036 nN10000.103(V min/r)不計空載轉(zhuǎn)矩，拖動Tl0.8Tn負(fù)載電動運行時的電樞電流為0.8In，轉(zhuǎn)速為0.103n Un 仙尺 110 0.腎 0.036 1016.2(r/min)Ce N能

44、耗制動前電樞電動勢為Ea Ce Nn 0.103 1016.2 104.7 (V)制動瞬間轉(zhuǎn)速來不及變化，電樞電動勢不變，電樞應(yīng)串入的電阻值為R嚴(yán)Ra1 amax104.71.8 1850.036 0.278()(2)制動開始瞬間的電樞電流hI amax1. 8In，電磁轉(zhuǎn)矩Te1Ct N 1.8I n 9.55Ce N1.8In1.8 9.55 0.103 185327.56(N m)制動結(jié)束時的電磁轉(zhuǎn)矩Te20(3)因為負(fù)載是位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,重物下放時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍為Tl0.8Tn，電樞電流Is 0.8In，電樞回路應(yīng)串入的電阻值°.103 ( 120 0.036 0.0475(

45、)0.8 1854-13臺他勵直流電動機的Pn10kW，Un110V， IN 112A， nN 750r/min， R 0.1，已知電動機的過載能力2.2，電動機帶反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載處于額定運行。求：(1) 采用反接制動停車，電樞回路應(yīng)串入多大的電阻？(2) 如制動結(jié)束時，不切斷電源，電動機是否會反轉(zhuǎn)？若能反轉(zhuǎn)，試求穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，并說明電動機工作在什么狀態(tài)?解：(1)額定運行時UnI N Ra nN110 112 0.17500.132(V min/r)T TeN 9.55Ce nIn 9.55 0.132 112 141.2(N m)由于反接制動時電樞電流不超過In，電樞回路應(yīng)串入的電阻為UnCe

46、(In)110 °132 750 0.12.2 ( 112)0.75()(2)如制動結(jié)束時，不切斷電源，當(dāng)n 0時的電磁轉(zhuǎn)矩9.55CeUn9.55 0.132RRa1100.75 0.1163.1 (N m)由于Teo| |Tl ,電動機將會反轉(zhuǎn)，最后穩(wěn)定運行在反向電動狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為UnCe NRRa9.55(Ce n)2(Tl)1100.1320.75 0.19.55 0.1322141.2112.1 (r/mi n)4-14 一 臺他勵直流電動機的 Pn 29kW， Un 440V， In 76.2A， n” 1050r/min， Rj 0.393 o(1) 電動機以反向回

47、饋制動運行下放重物，設(shè)Ia 60A，電樞回路不串電阻，求電動 機的轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩各為多少？回饋電源的電功率多大？(2) 若采用能耗制動運行下放同一重物，要求電動機轉(zhuǎn)速n 300r/min，問電樞回路 串入多大的電阻？該電阻上消耗的電功率是多大？(3) 若采用倒拉反轉(zhuǎn)下放同一重物，要求電動機轉(zhuǎn)速n 850r/min，問電樞回路串入 多大的電阻？該電阻上消耗的電功率是多大？電源送入電動機的電功率多大？解：(1)額定運行時U n I n R 440 76.2 0.393 Ce N - 一0.3905(V min/r)n1050反向回饋制動運行下放重物時，電動機的轉(zhuǎn)速為Un laR 440 60 0.

48、393/ 、n -1187 (r/min)Ce -0.3905不計空載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T Te 9.55Ce -la 9.55 0.3905 60 223.8(- m)回饋電源的電功率為R U-Ia 440 6026.4(kW)(2) 能耗制動運行下放重物時，電樞回路串入的電阻值R 2Ce -n &0.3905 ( 300) 0.393 1.56()la60該電阻上消耗的電功率為2 2R 2 la R 2601.565.616 (kW)(3) 倒拉反轉(zhuǎn)下放重物時，電樞回路串入的電阻值(U - Ce - n)Ra440 O.3905 ( 850)0.393 12.47()60該電阻上消耗

49、的電功率為26012.4744.892 (kW)電源送入電動機的電功率為R U-Ia 440 60 26.4(kW)4-15一臺他勵直流電動機的 P- 29kW， U-440V， I-76A， n-1000r/min，500r/min速度下放Ra 0.377 。負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl 0.8T-，最大制動電流Ia 1.8I-。求當(dāng)該電動機拖動位能負(fù)載時，用哪幾種方法可使電動機以500r/min的速度下放負(fù)載，每種方法電樞回路中所串電阻為多少？并畫出相應(yīng)的機械特性，標(biāo)出從穩(wěn)態(tài)提升重物到以 重物的轉(zhuǎn)換過程。解：額定運行時U - I - Rs440 76 0.377Ce -0.4413 (V min/r)n-

50、1000不計空載轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl 0.8T-時的電樞電流為Ia 0.8I-0.8 76 60.8(A)以500r/min速度穩(wěn)態(tài)提升重物時的機械特性為Un Ia(Ra R )Ce440 6°.8 呵 R)5000.4113由此可求得電樞回路串入的電阻值R 3.48()采用以下兩種方法可使電動機以500r/min的速度下放負(fù)載:(1) 采用轉(zhuǎn)速反向的反接制動，電動機的機械特性為Un la(Ra Rl)Ce N500440 60.8 (0.377 R J0.4113由此可求得電樞回路串入的電阻值R 110.24()從穩(wěn)態(tài)提升重物到以 500r/min速度下放重物的轉(zhuǎn)換過程如下圖所示,(2)采用能耗制動，電動機的機械特性為Ia(Ra R2)60.8(°.377 J)5000.4113由此可求得電樞回路串入的電阻值R 23.01()從穩(wěn)態(tài)提升重物到以 500r/min速度下放重物的轉(zhuǎn)換過程如下圖所示,4-16某他勵直流電動機的數(shù)據(jù)為:Pn 17kW， Un 110V， In 185A，n”1000r/min ，2Ra 0.035 ， GDe 30N m。拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行，Tl 0.85Tn。采用能耗制動或反接制動停