起重机电气控制系统习题参考

第一章电气传动系统的力学基础和调速的基本概念

1-1 起重运输机械的电气传动包括哪些内容？什么叫开环系统？什么叫闭环系统？ 答：起重运输机械的电气传动包括：电动机、机械传动机构和电动机的控制系统。

开环系统：电动机的输入端经过开关和控制电器由电源供电，而输出端则通过传动机构以一定的传动比与工作机械相连接的系统。

闭环系统：除了包含有开环系统中的内容外还增加了一个信息处理单元也就是控制装置。 1-2 什么叫机械特性的硬度？举例说明

答：机械特性的硬度表示转矩随转速的变化的程度，是转矩变化与转速变化之比n

M ??=β。

例：电动机的机械特性硬度：∞=β 转矩改变时转速不变 （绝对硬特性）

40~10=β 转速随转矩的变化而改变但程度不大（硬特性） 10<β 转速随转矩的变化有较大的改变（软特性）

1-3 什么叫恒转矩负载、变转矩负载、阻转矩负载和位转矩负载？ 答：恒转矩负载：其转矩不随转速变化。

变转矩负载：其工作转矩随转速变化而变化。

阻转矩负载：转速方向改变时转矩方向也改变，负载产生的转矩方向始终与运动方向相反，其特点是转矩负载始终其阻碍作用。

位转矩负载：负载所产生的转矩方向始终与运动无关，大多数与位势有关。

1-4 起重运输机各种机构（起升、运行、回转、变幅）转矩负载的机械特性各有什么特点？试画出其机械特性曲线（参考课本P6-P7）

1-5 电车从平路开向下斜坡时转矩负载的性质发生了什么变化？

答：电车在平路时，负载所产生的转矩反向始终与运动反向相反，为阻转矩负载；下坡时，负载所产生的转矩方向与运动方向无关，为位转矩负载。

1-6试用运动方程式说明系统处于静止、恒速旋转、加速、减速各种工作状态的条件是什么？在图1-17几种情况下系统的运行状态是加速？减速？还是匀速（箭头表示转矩都实际作用方向）？

答：运动方程式：错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

当dn/dt=0时，n=常量，电动机处于稳定运转状态，此时错误！未找到引用源。，即电动机发出的拖动转矩错误！未找到引用源。的大小由机械负载转矩错误！未找到引用源。所决定，并与之相等。此时系统作匀速运动或静止。

当错误！未找到引用源。时，dn/dt>0 电动机处于加速状态。 当错误！未找到引用源。时，dn/dt<0 电动机处于减速状态。 图一：错误！未找到引用源。，dn/dt<0，电动机处于减速状态，直到静止。

图二：错误！未找到引用源。与转速n 反向，应该是负值，所以依然错误！未找到引用源。，dn/dt<0，

M >M f

M

M n o f M>M f

M

M n

o f M

M

M n o f M =M f

M

M n

o f M =M f

M

M n

o f

电动机处于减速状态，当速度n 减小到0时，电动机转矩仍然存在，会反向加速。

图三：错误！未找到引用源。，dn/dt>0 电动机处于加速状态

图四：错误！未找到引用源。与转速n 反向，应该是负值，所以依然错误！未找到引用源。，dn/dt<0，电动机处于减速状态，当速度n 减小到0时，电动机转矩仍然存在，会反向加速。

图五：当dn/dt=0时，n=常量，电动机处于稳定运转状态，此时当n=0时系统静止，n ≠o 时系统作匀速运动。

1-7 电力拖动系统稳定运行的必要和充分条件是什么？

答：必要条件：两个机械特性曲线相交（电动机机械特性曲线和工作机械的机械特性曲线）

充分条件：电动机稳定运行后，由于某种干扰使转矩稍有变化时，电动机发出的转矩必须使转速恢复到原值。

1-8速度调节和速度变化的概念有何区别？

答：速度调节是人为的对电动机加以电器附加作用改变电机参数使得转速得到改变，电动机在不同的特性曲线上运行；

速度变化是由于工作机械的负载发生变化而引起电动机的转速改变，电动机在同一特性曲线上运行。 1-9 电动机调速静差度的概念是什么？硬度相同的机械特性其静差度是否相等？

答：电动机在某条机械特性曲线上运行时，由理想空载转速减到额定转速时的转速降落与理想空载转速的比值

e n n ?=μ；硬度相同的机械特性其静差度不一定相等。

1-10 调速范围和静差度二者有关系？

答：静差度越小调速范围就越窄，二者是相互制约的，关系式：）

（μμ

-?=

1n n e '

e D

1-11电动机和工作机械都机械特性曲线如图1-18所示，问哪些是系统都稳定平衡点，哪些不是，为什么？

1——电动机的机械特性曲线 2——工作机械的机械特性曲线

答：图1、3、4、5是稳定平衡点。原因：（1）两曲线相交，（2）在相交点往上，转速稍有增大时，电动

机发出的转矩小于转矩负载，两个转矩的合成是负的，结果使电动机转速逐渐下降稳定到相交点；相反，当转速稍有减少时，合成转矩是正值也使转矩增加到相交点。

图2不是稳定平衡点。原因：虽然两曲线相交，但是在相交点往上，转速稍有增大时，电动机发出的转矩大于转矩负载，两个转矩的合成是正的的，结果使电动机转速越来越大；相反，当转速稍有减少时，合成转矩是负值也使电动机转速越来越小，所以不稳定。

第二章 直流电动机的电气传动基础

2-1 什么叫电动机的机械特性？什么叫自然特性？什么叫人为特性？ 答：机械特性：电动机的转速n 与转矩M 两个物理量之间的关系特性。

自然特性：电枢电路中没有附加电阻，并且电枢电压和励磁磁通皆为额定值时，所得到的机械特性。 人为特性：当上述自然特性条件之一不能满足时的机械特性。 2-2为什么错误！未找到引用源。称为理想空载转速？它意味着什么？ 答：他激电动机在自然特性时，其机械特性方程为： 错误！未找到引用源。

n 0

M

n 0

M

n 0

M

n 0

M

1

2

3

4

5

n

M

转矩M=0时，即载荷为零，但这种情况这实际中是不存在的，因为电动机内存在内阻、摩擦等因素，所以称为理想空载转速。这时，意味着电动机忽略了内阻、摩擦等不可避免都因素。而且转速错误！未找到引用源。，意味着错误！未找到引用源。与转矩M 、电枢电阻错误！未找到引用源。无关，只与电枢电路额定电压U ，励磁电路都额定磁通错误！未找到引用源。和电动机都构造常数错误！未找到引用源。有关，一旦电动机型号确定，错误！未找到引用源。就确定，为一固定值。

2-3 直流他激电动机可能出现哪几种制动状态？叙述各种制动装饰的机械特性曲线，并绘制出气向量图和功率流图。（参考课本P16-P20）

2-4 在M-n 直角坐标系中绘出直流他激电动机在电动与该种制动状态时的机械特性曲线，并写出其机械特性方程。（参考课本P15-P20）

2-5 一台直流他激电动机拖动运行机构在电动机带动机构正向匀速运行时，从反接开始到系统达到新的稳

定平衡状态之间，电动机经历了哪几个运行状态？最后在什么状态下建立新稳定点？

答：正向运行 减速 速度为零 反向运行。 电枢电压反接后，由于惯性电动机转速n 保持在A 点大小， 因而开始运行在B 点，随制动力矩逐渐减小，沿曲线2运行 到C 点，C 点处n=0，最后继续沿特性曲线下降，在反向 运行的电动状态建立新的稳定点。如图所示: 2-6 电枢反接制动和倒拉反转制动有何异同点？ 答：相同点：都是通过外部条件作用下，使电枢电压U 和电动势E,由方向相反变为方向一致，都必须在电枢电路中串入附加制动电阻f R ，都是人为特性。

不同点：倒拉反转制动时通过增大电阻f R ，使机械特性变软，造成电动机的旋转方向n 与电机产生的磁力矩M 方向相反，即改变E 的方向，使其与电枢电压方向一致；电枢反接是通过电枢电压的反接，由于惯性电机产生转矩M 的方向和运行转速n 的方向相反，达

到反接制动的状态；倒拉反转制动用于起升机构；电枢反接用于运行机构。

2-7 直流他激电动机有哪几种调速方法并比较其优缺点。 答：共有三种调速方法：电枢串电阻，调节电压和减小磁通。

电枢串电阻调速：调速范围较小，静差度较大，稳定性较差，是恒转矩调速。随着转速降低，内耗功率增大，电动机效率降低，调速方法简单，控制方便。多用于短时间调速。

调节电压调速：调速范围较宽，静差度较小，稳定性较好，是恒转矩调速。

减小磁通调速:调速范围比较窄，静差度较大，稳定性较差，

是功率调速，可以实现无级调速，同时电动机的能耗较小控制也比较方便。

2-8 一台直流他激电动机的参数如下：min

r 420n V,220U A,120I kw 25P e e e ====，。试计算并绘

出此电动机的以下特性曲线： （1）自然特性曲线；

（2）电枢附加电阻为0.4Ω时的人为特性曲线； （3）电枢电压110V U =时的人为特性曲线； （4）磁通e .80Φ=Φ时的人为特性曲线。 答：1.自然特性曲线：

===+=

=-===

e

e

e e

e

e e e e

e n P M n n n Rs I U P 9550

12Re )1(021ηη

2.电枢附加电阻为0.4时的人为特性曲线

=

?+=

?+=??-=Φ=

?e s

f

s r s f

s e r e

e

n e e n R R R n R R R n n n n C R 02s C M

n

3.电枢电压110V U =时的人为特性曲线

=?=0/0/

0n U

U n n e

4.磁通e .80Φ=Φ时的人为特性曲线

==

s e 1R U I

=Φ=11I C M M

=Φ

=

Ce Ue

/0n

2-9、一台直流他激电动机的参数如下：错误！未找到引用源。=7.2KW ， 错误！未找到引用源。=110V ，错误！未找到引用

源。=900r/min ，e η=85%， 电枢电阻s R =0.08

欧。若要在额定负

载下使电动机的转速

下降至450r/min,采用电枢回路串电阻的方法。问应串入多大的附加电阻？此时电动机的输出功率和运行效率又应为多少？

解：由3

7.21085%110e e e e e

P U I I η?=

==?可得到：

77e I A =

(

另

解

：

A Rs

Ue

n I I Ue n Rs e e 125.103)1(e e )

1(2121=-=?-=) 又0.115min/e e s

E E

e

U I R C V r n φ-=

=?，则

0110956.52/min 0.115

e E E U n r C φ===

056.52/min e e n n n r ?=-=

0956.52450516.52/min r n n n r ?=-=-=终

由s f f s 0.08516.5256.520.08r e R R n R n R +?+===?可得：

f 0.65R =Ω(Ω49.0)

即应串入0.65Ω(Ω49.0)的附加电阻。

s e e R I U n 'e C -=Φ 得：=+Φ-=

f

S e e e R R n

C U I '

' =Φ==9550

C 9550Mn P 'e n I e

==

'

e I

U P

η44.25%(46.19%)

2-10、一台直流他激电动机的参数如下：错误！未找到引用源。=17KW ，错误！未找到引用源。=93.2A ，错误！未找到引用源。=220V ，错误！未找到引用源。=750r/min ，要求电动机4级启动，最大启动力矩错误！未找到引用源。=2错误！未找到引用源。。 （1）用图解法计算各段电阻值。 （2）用解析法计算各段电阻值。 解：(P27)

1、 用公式错误！未找到引用源。求出错误！未找到引用源。的值。

2、 确定启动电阻段数。

必须明确启动级数和启动电阻段数都区别，所谓启动级数是包括自然特性在内都机械特性曲线的根数，所谓段数是指附加电阻都分段数。所以，4级启动则需要3段启动电阻，这个地方大家错都比较多。 3、 根据已知的错误！未找到引用源。计算λ值。3

**1

1

q s M r =λ

4、 校验错误！未找到引用源。。e q q M ~M M 1

2λ

=

5、计算各级转子总电阻。

6、计算各段电阻值。

2-12一台zz系列直流串激电动机都参数如下：错误！未找到引用源。=17KW，错误！未找到引用源。=630r/min，错误！未找到引用源。=220V，错误！未找到引用源。=92A。试绘出自然特性曲线和串有附加电阻错误！未找到引用源。=0.5Ω以及错误！未找到引用源。=1.5Ω的人为特性曲线。(P29)

答：首先直流串激电动机的自然特性曲线是由实践得来的，是不能完全精确的做出来的。可先计算错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。，由图2-17查出错误！未找到引用源。=1，2，3.。。。。。。等等的数值对应的错误！未找到引用源。等于多少，算出3点或者更多，连接并圆顺即可得自然特性曲线。然后，在第二象限内横坐标上距离原点为错误！未找到引用源。（包括电枢电阻错误！未找到引用源。和串激绕组的电阻错误！未找到引用源。）处绘制一条垂直线。取任意转矩错误！未找到引用源。，在自然特性曲线上找出相应的转速错误！未找到引用源。.把这一点移至第二象限内过错误！未找到引用源。点的垂线交于一点，该点为错误！未找到引用源。=常数时，直线n=f（R）上的第一点。所求直线第二点可根据当电动机电枢尚未转动时，电枢回路内总电阻值为错误！未找到引用源。=U/错误！未找到引用源。来求得。错误！未找到引用源。可从图2-17曲线错误！未找到引用源。=f（错误！未找到引用源。）中查出。然后将求得的电阻值错误！未找到引用源。绘在电阻轴上，将两点连成直线即得出转矩错误！未找到引用源。=const 时的函数关系n=f（R）。用同样的方法求出错误！未找到引用源。=const、错误！未找到引用源。=const 等直线。

在电阻轴上找到总电阻为错误！未找到引用源。相应的点，经过这一点作一条直线，垂线与错误！未找到引用源。=const、错误！未找到引用源。=const、错误！未找到引用源。=const等直线相交于1、2、3………各点。再将这些点水平投影到第一象限与该象限中经错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。等点引出的垂线相交，得出1、2、3……各点。把这些点连成一条光滑的曲线，该曲线即为所求之人为特性曲线。

P54

3-2绕线式异步电动机的额定电磁转矩错误！未找到引用源。、额定电磁转差率错误！未找到引用源。、临界电磁转矩错误！未找到引用源。及临界电磁转差率错误！未找到引用源。与转子附加电阻错误！未找到引用源。有何关系？

答：错误！未找到引用源。=9550错误！未找到引用源。所以错误！未找到引用源。与转子附加电阻无关错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。所以错误！未找到引用源。与转子附加电阻无关错误！未找到引用源。所以错误！未找到引用源。与转子附加电阻无关

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。所以临界转差率错误！未找到引用源。与转子附加电阻成正比

错误！未找到引用源。为电动机在短路时的感抗。

P79

4-4选择交流接触器时，为什么要考虑接触器的操作频率？

答：接触器在吸合瞬间，吸引线圈需消耗比额定电流大5～7倍的电流，如果操作频率过高，则会使线圈严重发热，主触头会烧毁和过早损坏，直接影响接触器的正常使用。为此，规定了接触器的允许操作频率，一般为每小时允许操作次数的最大值。

4-5交流接触器和直流接触器的电磁系统有何不同，为什么？

答：两者结构和工作原理基本相同，均由电磁机构、触头系统和灭弧装置组成。交流接触器的铁心有彼此绝缘的硅钢片叠压而成，并做成双E形；直流接触器的铁芯多由整块软铁制成，多为U形；交流接触器采用删片灭弧，而直流接触器采用磁吹灭弧装置。交流接触器线圈匝数少通入的是交流电，而直流接触器的线圈匝数多通入的是直流电，交流接触器分断的是交流电路，直流接触器分断的是直流电路。交流接触器操作频率最高为600次/小时，使用成本低。而直流接触器操作频率可高达2000次/小时，使用成本高。

P111

5-4 过电流继电器衔铁上是否有短路环？为什么？ 答：衔铁上没有短路环。

（短路环的作用：在交流接触器中有短路环的存在，因为交流接触器的吸力线圈通的是单相交流电，当磁通交变经过零点时，电磁吸力也为零，因此，交流接触器工作时产生较大的振动和噪音，安装短路环后，当交变磁通穿过铜环时，在铜环中便感应出涡流，涡流产生的磁通与原磁通相互作用的结果，使得短路环内外两部分磁通不是同时经过零点，从而保证吸力不会出现零的时间，减小了衔铁振动的噪音。）

短路环是用来保证不会出现吸力为零的情况，而过流继电器的工作原理是：当其串联在主回路中的线圈通电电流超过规定值时，静铁心吸动衔铁，衔铁推动推杆将其上方的常闭触头顶开，切断电动机的控制回路，从而使电动机与电网脱离。此时，流过过流继电器线圈的电流变为零，衔铁在重力作用下恢复的原来的位置。由此可见，过流继电器在吸力为零时，衔铁才能在重力作用下恢复的原来的位置，所以不需要安装短路环。

5-6 热继电器能否用来进行短路保护？为什么？

答：过载电流是指在电路中流过有高于正常工作时的电流。如果不能及时切断过载电流，则有可能会对电路中其它设备带来破坏。短路电流则是指电路中局部或全部短路而产生的电流，短路电流通常很大，且比过载电流要大。

热继电器是根据电流流过双金属片而动作的电器，它的保护特性为反时限，在出现短路大电流时需要一定的时间才会动作，不会立刻动作，所以不能作为短路保护。短路时电流瞬间变的很大，热继电器还来不及动作，已经对电路造成了很大的危害。 P132

6-7一台室内用桥式起重机（M6），四个机构电动机的功率分别为45KW 、16KW 、2X11KW （两台电动机）及5KW ，电流分别为110A 、43.8A 、2X28.5A 及14.5A 。试计算用50X50X5mm 的角钢滑线供电，供电长度L=50m 时的电压损失。 解：据公式112zd

e e

I k I k I

=+∑ (P121)得：

zd I =2X110+0.8X(43.8+2X28.5+14.5)=312.2A

查教材表6-6，cos 0.65φ

=时，电压损失'0.625/U V m ?=，

故全部滑线长度上的电压损失'0.6255031.25U U l V ?=??=?=

电压损失百分数31.25

100%8.2%380

U δ?=

?=。 6-9试计算6-7题中各个机构电动机的导线截面。 解：由公式zd

e I k I =，k 取2，则有

12110220zd I A =?= 2243.887.6zd I A =?= 32228.5114zd I A =??= 4214.529zd I A =?=

查教材表6-5，取截面分别为3X702

mm ,3X252

mm ,3X352

mm ,3X102

mm 的导线。

另外：有些同学利用电缆载流量公式z f t j q I k k k I 计算电流值，再通过电流值查表得到导线截面面积，

要注意该公式在室外用起重机的计算中较常用，在室内散热条件不太好的情况下，该方法算出的导线截面往往会偏小。

P165

7-2电路图7-2中，若用户要求在控制电动机正、反转变换时，不按停车按钮TA ，问此电路如何改进：

7-4什么是电器零位连锁保护？为什么要进行此项保护？

答：如果控制器没有放在零位，按下按钮也不能通电，只用控制器放在零位时，电动机才能启动。

原因：为防上突然停电时手柄在工作位置上，突然来电时，使电动机意外转动而采用的一种保护电路；另外，防止电动机启动是就可能突然具有很高的速度，冲击很大，是十分危险的。