电机与拖动复习题(本)1答案

电机与拖动（本）复习题1答案

一、简答题：

1、为什么容量较小（几千瓦）时，直流电动机不能直接起动而三相鼠笼型异步电动机可以直接起动？

答：直流电动机的直接起动电流为，由于,无论功率大小，都将达到额定电流的十几倍，甚至几十倍，这是电动机本身所不能允许的，所以直流电动机不能直接起动。三相异步电动机在设计时通常允许直接起动电流为额定电流的5-7倍，加上供电变压器容量通常都能满足小功率三相异步电动机直接起动要求，所以几个千瓦的三相异步电动机可以直接起动。

2、如何理解机电能量转换原理？根据这个原理可以解决什么问题？

答：从能量转换的观点，可以把依靠电磁感应原理运行的机电设备看作是一类机电转换装置，比如，变压器是一种静止的电能转换装置，而旋转电机是一种将机械能转换成电能（发电机）或将电能转换成机械能（电动机）的运动装置。因此，机电能量转换原理是学习和研究电机理论的一个重要工具。根据这个原理，可以求得电机（发电机、电动机）和变压器中的关键物理量感应电动势和电磁转矩的大小，进而分析电机和变压器的运行特性。

3、电力拖动系统旋转运动方程式中各量的物理意义是什么？它们的正负号如何确定？

答：电力拖动系统经过化简，都可视为如图a所示的电动机转轴与生产机械的工作机构直接相连的单轴电力拖动系统，各物理量的方向（正负号）标示如图b 所示。

T e

T L

生产机械

电动机

a)b)

图2-2 单轴电力拖动系统

a) 单轴电力拖动系统 b) 系统各物理量的方向标示

根据牛顿力学定律，该系统的运动方程为 t

J

T T d d L e ω=- 式中，各量的物理意义分别是：e T ——电动机的电磁转矩（N·m ），L T ——生产机械的阻转矩（N·m ），J ——电动机轴上的总转动惯量（kg·m 2），ω——电动机的角速度（rad / s ）。

4、为什么变压器的空载损耗可近似看成铁损耗，而短路损耗可近似看成为铜损耗？

答：变压器铁损耗的大小决定于铁心中磁通密度的大小，铜损耗的大小决定决定于绕组中电流的大小。

变压器空载和短路时，输出功率都为零。输入功率全部变为变压器的损耗。即铜损耗与铁损耗之和。空载时，电源电压为额定值，铁心中磁通密度达到正常运行的数值，铁损耗也为正常运行时的数值。而此时二次绕组中的电流为零，没有铜损耗，一次绕组中电流仅为励磁电流，远小于正常运行的数值，它产生的铜损耗相对于这时的铁损耗可以忽略不计，因而空载损耗可近似看成为铁损耗。短路试验时，输入功率为短路损耗。此时一次、二次绕组电流均为额定值，铜损耗也达到正常运行时的数值，而电压大大低于额定电压，铁心中磁通密度也大大低于正常运行时的数值，此时铁损耗与铜损耗相比可忽略不计。因此短路损耗可近似看成铜损耗。

5、直流电动机调速有哪几种方法

如何改变三相异步电动机的旋转方向?

答：直流电动机的调速方法有三种：1）在电枢回路中串电阻；）改变电

枢端电压；

）改变所串的励磁回路的电阻值。

三相异步电动机改变旋向方法：只要将定子绕组上三根电源引线中的任意两根对调就可以改变定子旋转磁场的方向，也就改变了电动机的旋转方向。

6、电力拖动系统稳定运行的条件是什么？请举例说明。 答：对于一个电力拖动系统，稳定运行的充分必要条件是

??

?

??<-=-0d d d d 0

L e L e n T n T T T

其中，e L 0T T -=表示电动机的机械特性与负载转矩特性必须存在交点，是系统稳定运行的必要条件；而

e L

d d 0d d T T n n

-<表示电动机机械特性的硬度必须小于负载转矩特性的硬度，是系统稳定运行的充分条件。

例如，对于带恒转矩负载的电力拖动系统，只要电动机机械特性的硬度是负值，系统就能稳定运行。而各类电动机机械特性的硬度大都是负值或具有负的区段，因此，在一定范围内电力拖动系统带恒转矩负载都能稳定运行。

7、生产机械的负载转矩特性归纳起来，可以分为哪几种基本类型？ 答：生产机械的负载转矩特性归纳起来可以分为三种基本类型：

（1）恒转矩负载特性：负载转矩L T 与转速n 无关，当转速变化时，负载转矩L T 保持常值。恒转矩负载特性又可分为反抗性负载特性和位能性负载特性两种，如下图所示。

（2）通风机负载特性：负载转矩L T 与转速n 大小有关，基本上与转速n 的平方成正比，即2L T kn =。属于通风机负载的生产机械有通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比，如下图所示。

（3）恒功率负载特性：有些生产机械（比如车床），在粗加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速；在精加工时，切削量小，切削阻力小，往往开高速。因此，在不同转速下，负载转矩L T 与基本上与转速n 成反比，即L k

T n

=

。由于负载功率L L P T ω=，表明在不同转速下，电力拖动系统的功率保持不变，负载转矩

L T 与转速n 的特性曲线呈现恒功率的性质，如上图所示。

8、他励直流电动机运行在额定状态，负载为恒转矩负载，如果减小磁通，电枢电流是增大、减小还是不变？

答：根据他励直流电动机的电压平衡方程和转矩平衡方程

a a a a e

a U E I R C n I R Φ

=+=+

，

e L T a T T C I Φ== 如果减小磁通Φ，则感应电动势a E 减小，电枢电流a I 将增大，以保持转矩e L T T =的平衡关系。

9、一台用于50Hz 电源的单相变压器，如果接在60Hz 电网上运行，如果额定电压不变，则空载电流、铁心损耗、漏电抗、励磁电抗及电压调整率等有何变化？

答：根据变压器一次侧的电压平衡方程 1N 1114.44U E f N Φ≈= 150H z

f =时，1N

m501

4.4450U N Φ=?；160Hz f =时，1N m6014.4460U N Φ=?，所以

m 60m 505

6

ΦΦ= 即主磁通为原来的5/6。若不考虑磁路的饱和效应，主磁通与空载电流（励磁电流）成正比，空载电流将减小。 铁心损耗的近似计算公式为 1.320.7

1.32

1.3

2F e 60F e 60

m

60F e

50m 50F e 50

655566p C f B

G C f B G p

??

????

?===?

? ? ???

????

所以，铁心损耗将减小。

漏磁路的磁阻不变，漏电感不变，所以漏电抗随着频率的增加而变大。在不考虑磁路饱和的情况下，励磁电抗也随着频率的增加而变大。而漏电抗的变大意味着短路电抗的变大，所以电压调整率也变大。

二、计算题：

1、一台并励直流电动机，铭牌数据如下：P N =3.5kW ，U N =220V ，I N =20A ，n N =1000r/min ，电枢电阻R a =1Ω，△U b =1V ，励磁回路电阻R=440Ω，空载实验：当U=220V ，n=1000r/min 时，I 0=2A ，试计算当电枢电流I a =10A 时，电动机的效率（不计杂散损耗）。

解：励磁电流：220

0.5440

f f f

U I A A R =

=

= 励磁损耗：22

2220110440

f

Cuf f f

f U P R I W R ====

空载时：

输入功率：102202440P UI W W ==?= 励磁功率：110f P W =

电枢铜损耗：22

0() 2.25

Cua a a a f P R I R I I W ==-= 电刷接触损耗：2221 1.5 3.0Cub a P UbI W W =?=??= 附加损耗：0ad P =

则：'1324.75Cua

Cub mec Fe f ad P P P P P P P W +=----= 当10a I A =时，10.5a f I I I A =+= 输入功率：122010.52310P UI W W ==?=

2

2110100Cua a a

P R I W W ==?= 110f P W =

2211020C u b b a P U I W W =?=??=

输出功率：211()1755.25Cua f Cub mec Fe P P P P P P P P P W =-∑=----+= 效率：2

1

100%75.98%P P η=

?= 2、有一他励直流电动机的额定数据为：N 60kW P =，N 220V U =，N 305A I =，N 1000r/min n =，估算额定运行时的aN E ，e N C Φ，N T ，0n ，最后画出固有机械特性。 解：

认为额定运行时电枢铜耗近似等于总损耗的50%，即

2

N a N N

N 0.5()

I R U I P =- 这样电枢电阻

3

N N N a 2

2

N 2203056010

0.50.50.038()305U I P R I -?-?==?≈Ω a N N N a 2203050.038208.41(V )

E U I R =-=-?= aN e N N 208.410.208(V min/r)1000

E C n Φ==≈?

3N

N N

6010

9.559.55573(N m )

1000

P T n ?==

?=

? N 0e N 220

1057.7(r /min)0.208

U n C Φ==≈ 固有机械特性方程为

a 0a a a

e N 0.038

1057.71057.70.18270.208

R n n I I I C Φ=-

=-≈- 因为T N e N 9.559.550.208 1.986(N m /A)C C ΦΦ==?≈?，所以该方程又可写成 a e 0e e e N T N 0.1827

1057.71057.70.0921.986

R T n n T T C C ΦΦ=-

=-≈-

由此可画出固有机械特性，如下图所示

3、一台三相异步电动机，额定频率为150kW ，额定电压为380V ，额定转速为1460r/min ，过载倍数为2.4，试求：

（1）转矩的实用表达式；

（2）电动机能否带动额定负载起动。

解：（1）T N =9550 P N / n N = 9550 x 150/1460=981.2 N m

2355m m N T T N m

λ==?

根据额定转速为1460r/min ，可判断出同步转速n1=1500 r/min ，则额定转差率为

11

0.027N N

n n s n -=

=

()0.124

m N m s s λ=+=

转子不串电阻的实用表达式为：

24710

0.1240.124m m

m T T s s s s s s =

=

++

（2）电机开始起动时，s=1，T=Ts ，代入实用表达式得：

4710

57510.124

0.1241s T N m

=

=?+

因为s N

T T <，故电动机不能拖动额定负载起动。

4、某他励直流电动机的数据为：N 17kW P =，N 110V U =，N 185A I =，

N 1000r/min n =，a 0.035R =Ω，22e 30N m GD =?。拖动恒转矩负载运行，L N 0.85T T =。采用能耗制动或

反接制动停车，最大允许电流为N 1.8I ，求两种停车方法各自最快的制动停车时间是多少（取22e 1.25GD GD =）？

解：基本数据计算： 额定运行时电动机的e N C Φ N N a e N N 1101850.035

0.104(V min/r)1000

U I R C n Φ--?=

=≈? L N 0.85T T =负载正向运行时的感应电动势

a N a a 110-0.851850.035104.5(V )E U I R =-=??≈ L N 0.85T T =负载正向运行时的稳态转速（即制动瞬时转速）

a A e N 104.5

1005(r/min)0.104

E n C Φ=

=≈ （1）能耗制动计算： 电枢回路串入电阻后的总电阻 a a m i n N 104.5

0.314()1.81.8185

E R R I +==≈Ω? 能耗制动时的稳态转速 a a m i n C e N ()0.851850.314

0474.8(r/min)0.104I R R n C Φ+??=-

=-≈-

能耗制动时的时间常数

2a m i n M 22

e N 1.25300.314

0.304(s)3753759.55()9.550.104R R GD T C Φ+?==?≈?

最快的制动停车时间 A C 0M C 1005474.8

ln 0.304ln 0.346(s)474.8

n n t T n -+==?≈- （2）反接制动计算： 电枢回路串入电阻后的总电阻 N a a min N 110104.5

0.644()1.8 1.8185U E R R I +++==≈Ω? 能耗制动时的稳态转速

N a a m

i n C e N e N

()1100.851850.6442031.4(r/min)0.1040.104U I R R n C C ΦΦ-+??=

-=--≈- 能耗制动时的时间常数

2a m i n M 2

2

e N 1.25300.644

0.623(s)3753759.55()9.550.104R R GD T C Φ+?==?≈? 最快的制动停车时间 A C 0M C 10052031.4

ln 0.304ln 0.25(s)2031.4

n n t T n -+==?≈-