电气传动与调速系统课程思考题与习题解答一.
第一章电机与拖动基础
1、直流电机定转子各由哪些主要部件组成？各部件的主要作用是什么？
直流电机由定子和转子两部分组成。包括：（l）主磁极由主极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成，它的作用是建立主磁场。（2）换向（附加）极由换向极铁心和套在上面的换向极绕组组成，用来改善直流电机的换向。（3）电刷装置由电刷、刷握和汇流条组成，它是将直流电引人或引出电枢的装置。（4）机座即电机定子外壳，起固定与支撑的作用，同时又是主磁路的一部分。
图1-1直流电机的结构
1-风扇2-机座3-电枢4-主磁极5-电刷装置6-换向器7-接线板8-出线盒9-换向磁极10-端盖11-轴
2、直流电机铭牌上的额定功
率、额定电压、额定电流，对于发电机和电动机各指什么？
直流电机的铭牌数据：对发电机额定功率指能够输出的最大电功率，额定电压和额定电流指输出最高电压和最大电流（P N。U N I N）；而对电动机额定功率指能够输出的最大机械功率，额电流指允许输人的最高电压和最大电流（PN=U U I N N）。
3、直流电机有哪几种励磁方式？不同励磁方式的电动机如何实现反转？
流电机的励磁方式分为：他励、并励、串励、复励。单独改变励磁绕组极性或者电枢绕组极性都可使用机实现反转，如果两者极性同时改变，电机仍将沿原方向运转。
4、什么叫电枢反应？它对电机产生哪些影响？
“电枢反应”就是电枢磁场对主磁场的影响。产生的影响包括：使主磁场发生畸变，磁力线不再对称于磁极轴线；物理中线偏离几何中线不再重合，几何中线处磁场不再为0；削弱了主磁场。这些影响将对直流电机的正常运行产生恶劣作用，必须设法消除。
5、串励直流电动机有哪些特点？
串励直流电动机的机械特性曲线是一条非线性的软特性，当轴上负载为0时电机转速∞，所以串励直流电动机不允许轻载工作；由于它的电磁转矩与电枢电流的平方成正比，所以起动转矩大，过载能力强；由于电枢与励磁绕组串联，通人直流或交流电流电机都不受影响，所以在交流电源情况下亦可正常工作。
6．直流发电机的电磁转矩与原动机的拖动转矩，电动机的感应电动势与电枢电压之间的方向相同还是相反？各有何物理意义？
直流发电机的电磁转矩与原动机输人的拖动转矩方向相反，是一对作用力和反作用力的关系。随发电机输出电流的增大，电磁转矩增大（T=a I
Crφ），所需的输人转矩也随着增大，才能维持输人转矩与阻转矩之间的平衡，使电机匀速运转。
直流电动机运转时功割磁场产生的感应电动势与电枢外加电压方向相反，故为反电势，它维持了电压平衡关系，限制了电枢电流的大小［Ia＝（UaEa）/（Ra＋R L）］，不致使电动机电流过大。
7．直流发电机的外特性受哪几个因素影响？直流电动机的转速特性受哪几个因素影响？
直流发电机的输出特性（Ua＝Ea-IaRa）受转速的高低、主磁场的强弱以及电枢回路电阻大小的影响（Ea＝C eΦ冲n）：直流电动机的转速特性，受外加电枢电压＼通人励磁电流所建立的主磁场以及电枢回路电阻大小的影响。
8．二负载的机械特性有哪几种？负载转矩与转速之间各有什么关系？
负载的机械特性分为三大类，即恒转矩负载、恒功率负载、泵类和通风机负载。其中恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。
反抗性恒转矩负载转矩大小不变而与转速的方向永远相反。而位能性恒转矩负载大小不变方向也不变，当电机正转时，负载转矩与转速方向相反；当电机反转时，负载转矩与转速方向相同。
恒功率负载转矩的大小与转速之间成反比。（T＝K/n）
泵类和通风机负载的大小与转速的平方成正比（T＝Kn2）
9．改变他励直流电动机的电枢电压、电枢回路电阻或励磁电流时，机械特性将如何变化？
改变他励直流电动机的电枢电压，机械特性的斜率不变，理想空载转速n。与电压成正比变化，所以特性平行移动；增大电枢回路电阻，no不变，特性的斜率p随阻值正比增大，所以特性变软;减小励磁电流，主磁场减弱，
n上升，特性的斜率 也增大。
10．电动机的调速性能指标有哪些？各如何定义？
电动机的调速性能指标有：
（l）调速范围电动机带额定负载时的最高转速与最低转速之比。
（2）调速精度（静差率）在调速范围内最低转速所对应的机械特性曲线上的额定速降△n N。与该曲线上的比值。
（3）平滑性定义为相邻两级转速之比。
11．直流发电机和电动机的功率流程图有何不同？可变损耗和不变损耗各指什么？
直流发电机的功率流程是原动机输人机械功率，减去空载损耗，转化成电磁功率，
再减去电枢（与励磁）损耗，输出电功率。
图l－11直流电机的功率流程图
a）直流发电机的功率关系b）直流电动机的功率关系
直流电动机的功率流程是从电源输人电功率，减去电枢（与励磁）损耗，转化成电磁功率，再减去空载损耗，在轴上输出机械功率。可变损耗指的是电枢（与励磁）损耗，
也叫铜损耗，它与电枢（励磁）电流的平方成正比。
不变损耗指的是空载磨擦损耗和铁心损耗，它们与电流大小无关。
12．他励直流电动机为什么不允许直接起动？可采用什么方法起动？
他励直流电动机在起动时，由于转速为0，反电势亦为0[Ea=[n Ce a Φ=E ]，电源电压全部加在电枢电阻上，电流过大，所以不允许直接起动。可以采用降低电源电压或电枢回路电阻串电阻的方法起动。
13．决定电动机起、制动过渡过程的三要素是什么？
决定电动机起、制动过渡过程的三要素是：起始值、稳态值和机电时间常数。
14．如何判断电动机处于电动运行状态、发电运行状态、制动运行状态？
判断电动机的运行状态要看电磁转矩T 与转速n 的方向相同还是相反，电磁转矩是拖动转矩还是阻转矩；同时还要看感应电势Ea 与电枢电压Ua 的方向相同还是相反，感应电势是输出电势还是反电势。电动运行状态T 与n 同向，T 表现为拖动转矩，Ea 与Ua 反向，Ea 表现为反电势。
发电运行状态T 与n 反向，T 表现为阻转矩，Ea 与Ua 同向，Ea 表现为输出电势。 制动运行状态与发电运行状态相同，只不过惯性动能或位能所发出的电没有输出，而是全部消耗在电枢回路的电阻上，变为热能散发掉。
15．三相异步电动机的旋转磁场有哪些特点？其转速、转向、幅值和极对数各取决于什么？
三相异步电动机的旋转磁场性质如下：转速：为同步速p f n /6011，与电源频率成正比，与定子极对数成反比。转向：取决于输人电流的相序，电机总是由超前相向滞后相的方向旋转。
幅值大小：基波磁势F 11.35W 1K W I 1/P 瞬时位置：哪相电流达正最大值时，旋转磁势的幅值恰好转到该相绕组的轴线处。极对数：取决于定子绕组在定子槽中的布置，或者说取决于定于绕组元件的节距。
16．画出三相异步电动机的T型等值电路，写出基本方程式。
17．改变三相异步电动机定于端电压或转子回路串人电阻将使机械特性如何变化？
改变三相异步电动机定子端电压时，同步速nl不受影响，根据参数表达式可看出，临界转差的大小不变，电磁转矩的平方与电源电压成正比，所以当降低定子电压时，电动机的起动转矩和临界转矩都会成平方倍减小，这显然会对电动机的运行造成重要影响，在拖动重载时甚至无法正常工作。
当转子回路串人电阻时，同步速n1也不受影响，根据参数表达式临界转矩与转子电阻大小无关，而临界转差的大小与转子电阻成正比变化，所以串人适当电阻可以增大电动机的起动转矩，常用于三相异步电动机带重载起动。
18．三相异步电动机有哪些起动方法？各有什么特点？
三相异步电动机的起动可以分为两大类（l）小容量电机轻载起动时电流不大可直接起动；重载时需采用特殊制造的电机，即深槽转子异步电动机或双鼠笼异步电动机，利用趋肤效应以获得大的起动转矩。（2）大容量电机轻载起动时必须降低定子端电压，以减小起动电流。常用的降压方法有定子串电阻或电抗，定子串自耦变压器，星-三角变换等；重载起动时可采用转子串电阻或者串频敏变阻器的起动方法。
19．三相异步电动机的调速方法有哪些？各有什么优缺点？
三相异步电动机的调速方法有（l）定子调压，调速范围窄，若加转速负反馈可得到较好的调速特性。（2）定子调频，调速范围宽，调速性能好，应用越来越广。（3）转
子串电阻调速，方法简单易行，但由于特性变软，低速时损耗大且运行不稳定，只用于要求不高的场合。（4）转子串电势调速也叫串级调速，是一种节能的调速方法，它将转差损耗回收加以利用，因增加设备较多，所以只适用于大功率电机的调速。（5）变极调速，利用改变定子绕组接线进行调速，无须投入其他设备，但需特殊制造电机，只有少数几级速度。（6）转差离合器调速，由于特性软，要加负反馈环节，调速性能好，但只适用于小功率电机的调速。
20．他励直流电动机和三相异步电动机的能耗制动有什么不同？
他励直流电动机的能耗制动是将电枢电源断开，给电枢串人适当电阻，使惯性旋转的转子槽导体切割主磁场发电，即将动能转为电能，再变成消耗在转子回路电阻上的热能，同时产生制动转矩。而三相异步电动机的能耗制动是断开定子三相电源的同时，给任意两相绕组通人一个直流电流，建立一个极性不变的磁场，使惯性旋转的转子切割这个磁场，产生制动转矩。
21．一台他励直流电动机的铭牌额定数据为：17KW 220V 90A 1500r/minRa ＝0.376Ω，拖动恒转矩额定负载运行。求：
(1)这台电动机固有机械特性上的理想空载点、额定工作点、堵转点的电枢电流和转速？
(2)将电枢电压降为150V ，电动机的电枢电流和转速各为多少？
（3）若把磁通减小到0.8N Φ，电动机的电枢电流和转速各变为多少？
解：（1） 12401500/)376090220(/)(?=??-=-=ΦN N N N n Ra I U Ce
理想空载点0min);/(1774124.0/220/===Φ=Ia r Ce U n N N o
额定工作点)(90min;/1500A I n N N ==
堵转点 85 53763.0/220/;====Ra U I o n N s （A ）
min)/(935124.0/)3786.090150(/)(;90\r Ce Ra I Ua n A I Ia N N N =?-=Φ-==
（3）负载转矩不变，磁通减小20%则Ia 增加20%；108902.1=?=Ia
m in)/(187512.08.0/)376.090220(8.0/)(r ce Ra I U n N N N =??-=-=φ
22、一台他励直流电动机的铭牌额定数据为：13KW 220V 68.7A 1500r/min
Ω=224.0Ra ，要求调整精度%30≤δ，试求：
（1）采用电枢串电阻调速时的调速范围有多少？最低转速时串多大电阻？
（2）采用降低电枢电压调速的调速范围有多少？最低转速时的电压为多少？ 解：1364.01500/)224.07.68220(/)(=?-=-=N N N N n Ra I U ce φ
(1)m in)/(16131364.0/220/r ce U n N N o ===φ
m in)/(4843.01613r n n o =?==?δ
m in)/(11294841613min r n n n o =-=?-=
调速范围33.11129/1500/min max ===n n D
)(821.6224.0)7.68/484()/(Ω=-=-?=Ra I n R N
(2)m in)/(4.15224.07.68r Ra I n N N =?==?
min)/(3.513.0/4.15/min r n n N o ==?=δ
m in)./(9.354.153.51min 0max r n n n N =-=?-=
78.419.35/1500/min max ===n n D
)(3.204.159.351364.0224.07.68min V n Ce Ra I Ea Ua N N =+?=?+Φ=+=
23、一台他励直流电动机的电枢额定电压220V 、额定电流74A ，额定电流74A ，额定转速1500r/min 电枢额定电动势204.6V ，电机铁损耗P Fe=326W ，机械械磨擦损耗P m=240W ，忽略杂散损耗，求这台电动机额定运行时的电磁转矩、输入功率和效率各为多少？
解：)(14.156.20474KW Ea I T N N =?==
)(28.16742201KW I U P N N =?==
714.152043621628012=--=--=Pm P P P Fe
965.028.16/714.15/12===P P η
24、一台并励直流电动机的额定数据如下：17KW 220V 300r/min 88.9A Ω=114.0Ra ，励磁电阻Ω=5.181f R ，忽略电枢反应，试求：额定负载时电动机的输出转矩、电磁转和效率？
解：KW P N 172=
87.0558.19/171===N N I U P
)(2.18.181/220/A R U I f f f ===
)(7.872.19.88A I I Ia f N =-=-=
)(42.18114.07.875.1812.119558221KW P P P P CUa CUf M =?-?-==-=
25、一台他励直流电动机用于吊重物，其额定数据如下：29KW 440V 76A 1000r/min, Ω=377.0Ra ，忽略空载损耗，负载转矩N L T T 8.0=试求：
（1）电动机以500r/min 的速度吊起重物，电枢回路需串多大电阻？
（2）有哪几种方法可使负载以500r/min 的速度下放？电枢回路各需串多大电阻？
（3）当以500r/min 的速度吊起重物时，将电枢电压突然反接，并使电流不超过N I 2，最后稳定下放速度为多少？
解：（1）411.01000/)377.076440(/)(=?-=-=ΦN N N N n Ra I U Ce
500411.0/)768.0400(/)(=??-=Φ-=R Ce IaRa U n N N
)(857.3768.0/)500411.0400(Ω=??-=R
电枢回路需串电阻：)(48.3377.0857.3Ω=-
（2）采用倒拉下放重物：
411.0/)768.0400(500R ??-=-
)(6.10768.0/)500411.0440(Ω=??+=R
电枢回路需串电阻)(223.10377.06.10Ω=-
采用能耗下放重物：
411.0/768.0500R ??-=-
)(38.3768.0/500411.0Ω=??=R
电枢回路需串电阻)(003.3377.038.3Ω=-
（3）)(247.4762/)440500411.0(2/)(Ω=?+?=+Φ=N N N I U n Ce R
m in)/(1218411.0/)768.0440(/)(r Ce IaRa U n N N -=?--=Φ--=
26、一台三相四极异步电动机，150KW 38V/50HZ 1460 r/min,过载能力1.3=λ，求这台电动机的固有机械特性。
解：固有机械特性的四个殊点
(1)同步点 T=0，S=0，
m in)/(15002/5060/6011r P f n =?==
(2)额定工作点min /1460r n N =，
0267.01500/)14601500(/)(11=-=-=n n n S N N
)(9811460/1015055.9/55.93NM n P T N N N =??==
（3）临界点 )(30419811.3NM T Tm N =?==λ
()
16.0)11.31.3(0267.0122=-+=-+=λλN m S S
（4）起动点''10==S n )(94916.016.013041212NM S S T T m m S =+?=+= 27、一台三相极异步电动机，10KW 38V50HZ 21.6A ，定子绕组Y 接，额定运行时，定子铜耗W P cul 557=，转子铜耗W P cu 3142=，铁耗W P Fe 27=， 机械磨擦损耗W P m 77=，附加损耗W P s 200=
试求其额定转速、输出转矩和电磁转矩各为多少？
解：1059131477200100002=++++++=m s M P P P P
03010591/314/2?===N cu N p P S
min)/(1500/5060/601r p f n ?==
min)/(1455)03.01(1500)1(1r S n n N N =-=-=
)(66.651455/101055.9/55.93NM n P T N N N =??==
)(46.671500/1059155.9/55.91NM n P T N N =?==
28、一台三相六极异步电动机，28KW 380V/50HZ 950r/min 88.0cos 1=N ?,定子铜耗、铁耗共2.2KW ，机械损耗1.1KW ，忽略附加损耗。试求其额定运行时的转差率、转子铜耗、效率、定子电流、转子电流的频率？
解：min)/(10003/50606011r P f n =?==
05.01000/)9501000(/)(11=-=-=n n n S N N
)(53.1)05.01/()8.21.1(05.0)1/()(22KW S P P S P S p N m N N N cu =-+=-+==
)(6.3005.0/53.1/2kw S P P N cu M ===
854.0)2.26.30(28/12=+==P P η
()
HZ f S f A U p I N 525005.0\)(68.5688.03803/8.32cos 3/12111?=?=???∨=Φ∨
29．某绕线转子异步电动机的额定数据为：5KW 960r/min 380V/50HZ 14.94A E 2N=164V ，I 2N =20.6A ，λ2.3，定子绕组Y 接，拖动恒转矩负载T L=0.75T M ，采用反接制动停车，要求超始制动转矩为1.8T N ，求转子每相需串人多大电阻？
解：S N （n1-n N ）/n 1=(1000-960/1000=0.04
r 2=S N E 2N /∨3I 2N =0.04×164∨3×20.6=0.184(Ω)
??? ??-==12λλN m S S =0.04(2.3+13.22-)=0.175
0.75T N =
S S S S T m m N +λ2 解出S=0.029 n=n 1(1-S)=1000(1-0.029)=972(r/min)
S’=(-n i -n)/-n 1=(-1000)-972/-1000=1.972
]18.1[2
-+=λS S m =1.972[18.13.28.13.22-+=4.088 ]1175.0/088.4[]1)/'[(2--=r S S R m m ×0.184=4.11(Ω)