34056《電機與拖動基礎(chǔ)(第2版)》湯天浩(習(xí)題解答)2

“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 i 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 . 73 “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 1 第一章 電機的基本原理 1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比，即 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 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 電磁力的方向可由左手定則確定。 1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“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 2 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 任一節(jié)點處都遵守基爾霍夫第一定律約束； 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。兩者之間相似的物理量主要有：電路中傳輸?shù)氖请娏?，磁路中相?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： 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，進而分析電機和變壓器的運行特性。 1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，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“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 3 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。 1兩極原型電機作為旋轉(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ts N 。利用該公式可以推導(dǎo)出具體電機的電動勢，比如同步電機、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0fe s r s s i 。由于電機的磁極總是成對設(shè)置的，常用極對數(shù) 表示電機的磁極數(shù)，則多極電機的電磁轉(zhuǎn)矩為s 。 1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“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 4 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。 電功率 電磁功率 機械功率 P 1 P 2 p p p m e c 機械功率 電磁功率 電功率 P 1 P P 2 p m e c p p 電 動 機 與 發(fā) 電 機 的 功 率 傳 遞 過 程a ) 電 動 機 b ) 發(fā) 電 機a )b )m m 硅鋼作為導(dǎo)磁材料，現(xiàn)已知 ，試根據(jù)圖 1示的 曲線求取在此磁場條件下硅鋼的磁導(dǎo)率 r 。 解： 根據(jù)圖 1B 曲線，查得 時， 2 2 0 0 A / 41 . 6 7 . 2 7 1 0 ( H / m )220 4r 707 . 2 7 1 0 5 7 8 . 84 10 1一導(dǎo)體，長度 m3l ，通以電流 i ，放在 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 30時的電磁力。 解： “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 5 載流導(dǎo)體在磁場中電磁力的一般計算公式為 （ 1）導(dǎo)體與磁場方向垂直時， ， 0 . 5 3 2 0 0 3 0 0 ( N )F （ 2）導(dǎo)體與磁場方向平行時， 0 ， 0F （ 3）導(dǎo)體與磁場方向為 30時， 5 3 2 0 0 s i n 3 0 1 5 0 ( N )F 1有一磁路的鐵心形 狀如圖 1心各邊的尺寸為： A、 度為 17面積為 7面積為 14隙長度 g 。兩邊各有一個線圈，其匝數(shù)為 10021 分別通以電流 1i 和 2i ，所產(chǎn)生的磁動勢由 A、 邊，且方向一致。試求：在氣隙中產(chǎn)生 時所需的電流值，及此時氣隙中儲存的能量 并計算電感 L 。 圖 1 - 2 0 習(xí) 題 1 - 1 0 圖1 設(shè)12i i i，12 100N N N ， 由m 1 m 2 g m R，得g 0 所以，所需的電流值 2c 01 . 2 0 . 4 1 0 1 9 . 1 ( A )2 2 2 1 0 0 4 1 0g N 氣隙磁通 4 . 2 1 4 1 0 0 . 0 0 1 6 8 ( W b ) 根據(jù)電感的定義， 1 0 0 0 . 5 0 . 0 0 1 6 8 0 . 0 0 4 4 ( H )1 9 . 1NL “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 6 氣隙中儲存的能量 222 2 0 . 0 0 4 4 1 9 . 1 1 . 6 1 ( J )2W W L i 第二章 電力拖動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ) 2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。 電源 控制設(shè)備 電動機 傳動機構(gòu) 工作機構(gòu) 圖 2 - 1 電 力 拖 動 系 統(tǒng) 組 成2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)，各物理量的方向（正負(fù)號）標(biāo)示如圖 2 T L T e T L 生產(chǎn) 機械 電動機 a)b)圖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 7 式中，各量的物理意義分別是：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（ N m），L T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（ 電動機的角速度（ s）。 2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，從原來的平衡狀態(tài)達到新的平衡狀態(tài)的過渡過程中，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩t相平衡，即。由于 過渡過程中 轉(zhuǎn)速 是變化的， 電磁轉(zhuǎn)矩保持轉(zhuǎn)矩的動態(tài)平衡關(guān)系。 2動系統(tǒng)的飛輪慣量 2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 2替轉(zhuǎn)動慣量 J ， 2 J 的 關(guān)系為 式中， m 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量（ 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 = 2多軸電力拖動系統(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“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 8 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n 無 關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩轉(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 T L O 圖2抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性n T L O 圖 2 - 4 位 能 性 恒 轉(zhuǎn) 矩 負(fù) 載 特 性（ 2）通風(fēng)機負(fù)載特性： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩n 大小有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比，即 2LT 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、“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 9 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。 n O T L 圖 2 - 5 通 風(fēng) 機 負(fù) 載 特 性n O T L 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，在不同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩n 成反比，即L kT n。由于負(fù)載功率，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n 的持性曲線呈現(xiàn)恒功率的性質(zhì)，如上圖所示。 2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 0其中，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 e Ld d 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圖 2知飛輪慣量 2e GD，21 2L 傳動效率 ， ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 10 T ，轉(zhuǎn)速 r/n ， r/n ， r/n 。試求：折算到電動機軸上的系統(tǒng)總飛輪慣量 2負(fù)載轉(zhuǎn)矩 解： e - 1 6 三 軸 拖 動 系 統(tǒng)2 2 2 2 2 21 ) ( )7 5 0 1 5 01 5 ( ) 1 6 ( ) 1 0 01 5 0 0 1 5 0 02 0 ( N m ) G D G D G D 折算到電動機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 L c 1 c 272 5 ( N m )1 5 0 0 1 5 0 0 0 . 9 0 . 87 5 0 1 5 0j j 2有一起重機的電力拖動系統(tǒng)如圖 2示，電動機轉(zhuǎn)速 1000r/輪減速箱的傳動比 221 卷筒直徑 ；滑輪的減速比 53j；空鉤重量 G；起重負(fù)荷 ；電動機的飛輪慣量 22e ，放大系數(shù) 。試求提升速度 折算到電動機軸上的靜轉(zhuǎn)矩 及折算到電動機軸上整個拖動系統(tǒng)的飛輪慣量 2 解： “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 11 - 1 8 提 升 機 構(gòu)n（ 1）提升速度n 經(jīng)過三級減速后，再轉(zhuǎn)換成直線速度的關(guān)系，得 Ln ， 321 ， 3j j j j n 2 3 3 . 1 4 0 . 2 1 0 0 0 3 1 . 4 ( m / m i n )2 2 5 n nj j j （ 2）折算到電動機軸上的靜轉(zhuǎn)矩算到電動機軸上的靜轉(zhuǎn)矩為 這里，0，0j ， 260n ，所以 0 (1 5 0 0 1 0 0 ) 0 . 12 1 0 ( N m )2 2 5 0 . 8j （ 3）折算到電動機軸上整個拖動系統(tǒng)的飛輪慣量 2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) 近似估計。 ，則折算到電動機軸上整個拖動系統(tǒng)的飛輪慣量為 2 2 2 5 ( ) ( )3 1 . 41 . 2 1 0 3 6 5 (1 5 0 0 1 0 0 ) ( )6 0 1 0 0 01 2 . 1 6 ( N m ) G D G “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 12 第三章 直流電機原理 3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 n（ 1）若每極磁通 減少 10%，則空載電動勢0%； （ 2）若勵磁電流f增大 10%，因電機磁路存在非線性的磁飽和效應(yīng)，空載電動勢低于 10%； （ 3）如電機轉(zhuǎn)速 n 增加 20%，則空載電動勢0%。 3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以由“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 13 定子方的輸入電功率1計算，也可以由轉(zhuǎn)子方的輸出機械功率2機械摩擦損耗附加損耗計算，即 e m 1 C u a 2 F e m a d p P p p p 3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 a a a a e a I R C n I R ，e L T C I如果減小磁通 ，則感應(yīng)電動勢樞電流保持轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。 3他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為N 17，N 220，N 1 5 0 0 r m /，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 7 2 0 . 4 8 ( k W )0 . 8 3 額定電樞電流 31 . 4 8 1 0 9 3 . 0 9 ( A )220 額定轉(zhuǎn)矩 3 1 09 . 5 5 9 . 5 5 1 0 8 . 2 3 ( N m )1500PT n 3一他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為N 5，N 220，N 1 0 0 0 r m /，p ， 0 395 ，計算額定運行時電動機的 0T ， 1P ， N ， 解： “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 14 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 3 09 . 5 5 9 . 5 5 4 7 . 7 5 ( N m )1000PT n 空載轉(zhuǎn)矩00 5 5 9 . 5 5 3 . 7 7 ( N m )1000PT n 電磁轉(zhuǎn)矩e L 0 4 7 . 7 5 3 . 7 7 5 1 . 5 2 ( N m )T T T 輸入功率1 e m C u a N 0 C u a 5 0 . 3 9 5 0 . 5 5 . 8 9 5 ( k W )P P p P P p 額定效率 0 % 1 0 0 % 8 4 . 8 %5 . 8 9 5 電樞電阻C u a C u 221 . 6 9 6 ( )5895()()220 3一他勵直流發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)為：N 46，N 230，N 1 0 0 0 r m /，a ，已知 P， 求額定負(fù)載下的1 N。 解： 電樞電流 . 2 ( A )230 定子銅耗 22C u a N a 0 . 2 0 . 1 4 ( k W )p I R 輸入功率1 N C u a 0 a d d 4 6 4 1 0 . 0 1 4 6 5 1 . 4 6 ( k W )P P p P p 電磁功率e m N C u a 4 6 4 5 0 ( k W )P P p 第四章 直流電機拖動基礎(chǔ) 4流電動機一般為什么不允許直接起動？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 “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 15 在起動瞬間，電動機的轉(zhuǎn)速 0n ，感應(yīng)電動勢a e N 0n，電樞回路只有電樞繞組電阻時電樞電流為起動電流應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩有 ，由于電樞繞組電阻此起動電流約為 (1020)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 a/I U 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)速的升高而減小，為恒功“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 16 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)速樣的配合較恰當(dāng)。如圖 4 nm a x 變電壓調(diào) 速 弱磁調(diào)速 P P n O 2 1 圖4勵直流電動機調(diào)速時的容許輸出轉(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果令則低速時電機過載、過熱；高速時，電機為輕載，沒被充分利用。 下圖），因為調(diào)速時負(fù)載轉(zhuǎn)矩以電機的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩公式知 ，隨著磁通 的減小，電樞電流 I 一定會變大。 如果令則弱磁高速時電機會過熱；強磁低速時，電機沒被充分利 用。 “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 17 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n 方向相同，此時機從電源吸收電功率，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 電動機在制動狀態(tài)運行時，其電磁轉(zhuǎn)矩n 方向相反，此時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。 O 正向電 動運 行 - 反 向電 動運 行 圖4勵直流電動機的電動運行狀態(tài)4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)？ “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 18 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。 T 3O 1 B A C D E 2 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） BC，反接制動過程； （ 2） CD，反向升速，屬反向電動運行狀態(tài)； （ 3） DE，繼續(xù)反向升速，屬反向回饋制動運行狀態(tài)。 4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態(tài)？請在機械特性上標(biāo)出工作點。 答： 如圖 4電動車在斜坡上前進時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩時電動機電磁轉(zhuǎn)矩電動車前進，電動機工作在第一象限的正向電動運行狀態(tài)，如圖中的 電動車在斜坡上后退時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩于摩擦轉(zhuǎn)矩比位能性轉(zhuǎn)矩小，所以2電動機電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(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 19 態(tài)，如圖中的 O T e n T L 1 正向回 饋 制動運 行 n 0 A T L 2 B 正向 電動 運行 圖4向回饋制動運行4一他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：N 60，N 220，N 305，N 1000r/，估算額定運行時的n，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 50%，即 2N a N N 5 ( )I R U I P這樣電樞電阻 3N N 2 0 3 0 5 6 0 1 00 . 5 0 . 5 0 . 0 3 8 ( )305U I a N N N a 2 2 0 3 0 5 0 . 0 3 8 2 0 8 . 4 1 ( V )E U I R 8 . 4 1 0 . 2 0 8 ( V m i n / r )1000EC n 3 1 09 . 5 5 9 . 5 5 5 7 3 ( N m )1000PT n 0 5 7 . 7 ( r / m i n )0 . 2 0 8 固有機械特性方程為 a0 a a 0 3 81 0 5 7 . 7 1 0 5 7 . 7 0 . 1 8 2 70 . 2 0 8Rn n I I 因為T N e 5 5 9 . 5 5 0 . 2 0 8 1 . 9 8 6 ( N m / A ) ，所以該方程又可寫成 e T 1 8 2 71 0 5 7 . 7 1 0 5 7 . 7 0 . 0 9 21 . 9 8 6n T 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 20 O T e 圖4勵電動機固有機械特性4出上題電動機電樞回路串入a=50V 的兩條人為機械特性。 解： 電樞回路串入a=載轉(zhuǎn)速不變） e T 1 0 . 0 3 81 0 5 7 . 7 1 0 5 7 . 7 0 . 1 0 10 . 2 0 8 1 . 9 8 6R R Tn n T 電樞電壓降到 150性斜率不變） ae e N T . 0 9 2 7 2 1 . 2 0 . 0 9 20 . 2 0 8 C 由此可畫出這兩條人為機械特性，如下圖所示 R 1 LT - 1 4 改 變 定 子 電 壓 調(diào) 速 的 機 械 特 性9步電動機在帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，若保持電源電壓不變，要將頻率升高到額定頻率的 機械強度允許），可行嗎？為什么？若帶恒功率負(fù)載，采用同樣方法調(diào)速可行嗎？ 答： 根據(jù)異步電動機定子每相電動勢有效值的計算公式 s 1 1 W 1 4 4E f N k 如果略去定子漏阻抗壓降，則有電源電壓 s s 1 1 W 1 4 4U E f N k 上式表明，在變頻調(diào)速時，若電源電壓隨著頻率1隙磁通m將減小。又從電磁轉(zhuǎn)矩計算公式 e T m r 2c o I可知，在轉(zhuǎn)子電流m減小勢必導(dǎo)致電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，使電動機的利用率惡化，同時，電動機的最大轉(zhuǎn)矩也將減小，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變時有可能使電動機堵轉(zhuǎn)。所以，在帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，這種調(diào)速方 法是不可行的。 “電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 66 若帶恒功率負(fù)載，根據(jù)輸出功率的計算公式 2 L 1隨著頻率1f（112f ）的升高，負(fù)載轉(zhuǎn)矩時可以采用升高頻率的調(diào)速方法。 9步電動機串級調(diào)速時，引入轉(zhuǎn)子電路內(nèi)的電動勢其頻率有什么特點？若負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，欲使轉(zhuǎn)速升高，對附加電動勢的相位有什么要求？ 答： 異步電動機串級調(diào)速，就是在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的三相轉(zhuǎn)子電路中串入一個電壓和頻率可控的交流附加電動勢，通過控制使與轉(zhuǎn)子電動勢具有相同的頻率，其相位與相同或相反。 若負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，欲使轉(zhuǎn)速升高，要求附加電動勢與轉(zhuǎn)子電動勢同相位，此時轉(zhuǎn)子電流r 0 a d r 0()s E s X隨著附加電動勢子電流磁轉(zhuǎn)矩電動機加速。同時，轉(zhuǎn)差率 s 將減小。而隨著 s 的減小，終達到轉(zhuǎn)矩平衡 9步電動機運行于回饋制動狀態(tài)時，是否可以把電動機的定子出線端從接在電源上改接到負(fù)載上？ 答： 異步電動機運行于回饋制動狀態(tài)時，不可以把電動機的定子出線端從接在電源上改接到負(fù)載上。這是因為異步電動機回饋制動時，轉(zhuǎn)子電流的無功分量方向不變，與電動狀態(tài)時方向相同，異步電動機的定子必須接到電網(wǎng)上，并從電網(wǎng)吸取無功功率以建立電動機的磁場。 9步電動機異步起動時，為什么勵磁繞 組既不能開路，又不能短路？ 答： 同步電動機異步起動時，勵磁繞組既不能開路，又不能短路，而是串聯(lián)一個較大阻“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 67 值的電阻，形成閉合回路。這是因為閉合的勵磁繞組回路可以看成類似于異步電動機的籠型繞組，在起動過程中可產(chǎn)生異步起動轉(zhuǎn)矩，加快起動過程。但勵磁繞組不能直接短路，否則勵磁繞組回路將由于電阻值較小而產(chǎn)生很大的感應(yīng)電流，有可能燒毀繞組。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，再切除串入的大電阻，通入正常的勵磁電流。 9步電動機和異步電動機的轉(zhuǎn)速各有什么特點？ 答： 異步電動機是通過定子旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生 感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子并不直接產(chǎn)生磁場。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。沒有這個轉(zhuǎn)差值，也就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流，所以稱為 “異步電機 ”。而同步電動機轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場（用直流電流或永磁體產(chǎn)生），定子旋轉(zhuǎn)磁場 “拖著 ”轉(zhuǎn)子恒定磁場（也就是轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步轉(zhuǎn)速，所以稱為 “同步電機 ”。 9步電動機調(diào)速系統(tǒng)有哪些類型？各有什么特點？ 答： 同步電動機是以其轉(zhuǎn)速 n 與供電電源頻率1 1 /n n f n），即只要電源頻率1步電動機的轉(zhuǎn)速就恒定不變而與負(fù)載大小無關(guān)。同步電動機的極對數(shù)此，要改變同步電動機的轉(zhuǎn)速，只有通過改變其供電電源的頻率來達到，即采用變頻調(diào)速的方法。 同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)有兩種類型： （ 1）他控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，只需一臺變頻器供電，成本低廉。既可用作變頻起動裝置，實現(xiàn)同步電機的軟起動；也可用于多臺同步電動機的群調(diào)速系統(tǒng)。但由于沒有轉(zhuǎn)速反饋，他控式變頻調(diào)速方法雖然可以實現(xiàn)同步電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，但就像同步電動機接在工頻電網(wǎng)上一樣，存在轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患， 這是該系統(tǒng)的主要缺點，使之應(yīng)用范圍受到很大限制。 （ 2）自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)：與他控式同步電動機變頻調(diào)速相比，該系統(tǒng)的最大特點就是從根本上消除了同步電動機轉(zhuǎn)子振蕩和失步的隱患。因為自控式同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)在電動機軸端裝有一臺轉(zhuǎn)子位置檢測器，由它發(fā)出的信號控 制給定子供電的變頻裝置電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，使定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等，“電機與拖動基礎(chǔ)（第 2版）”習(xí)題解答 68 始終保持同步，因此不會因負(fù)載沖擊等造成失步現(xiàn)象，可適用于快速可逆運行和負(fù)載變化劇烈的場合。 9知某三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的額定值為：N 3，N 380， Y 聯(lián)結(jié)，N 957r/，其主要參數(shù)為：s ，r ，f ，s ，f 62X 。試用計算機求?。?（ 1）用轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達式計算上述參數(shù)下，轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率 （ 2）)T f s變化值； （ 3）當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大到的e ()T f s變化值。 解：（ 用計算機求解， 略） 9臺三相 8極異步電動機額定值為：額定功率N 260，額定電壓N 380，額定頻率N 50，額定轉(zhuǎn)速N 722r/，過載能力 。求：（ 1）額定轉(zhuǎn)差率；（ 2）額定轉(zhuǎn)矩；（ 3）最大轉(zhuǎn) 矩；（ 4）最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率；（ 5） 時的電磁轉(zhuǎn)矩。 解： （ 1） 0 5 0 7 5 0 ( r / m i n )4 1 0 7 2 2 0 . 0 3 7 3750n （ 2） 5 5 9 . 5 5 3 . 4 4 ( k N