电机原理及拖动第4版习题及答案（边春元）第三章思考与习题解答.pdf

第三章直流电机的电力拖动3-1他励直流电动机的机械特性指的是什么？是根据哪几个方程式推导出来的。答：他励直流电动机的机械特性是在电源电压、气隙磁通及电枢回路总电阻均不变时电机的转速与电磁转矩之间的函数关系。它是根据电压平衡方程式、电磁转矩公式、电动势公式推导出来的。3-2什么叫硬特性？什么叫软特性？他励直流电动机机械特性的斜率与哪些量有关？什么叫机械特性的硬度？答：机械特性的硬度就是机械特性曲线斜率的倒数，斜率越小机械特性越硬；斜率越大特性越软，电动机运行时若T变化引起的n 变化较小，则这种电动机机械特征为硬特性；反之，若 T的变化引起的n 变化较大，即为软特性。他励直流电动机机械特性的斜率与电枢回路总电阻4+凡成正比，与气隙磁通中的平方成反比。机械特征的硬度是指在机械特性曲线的工作范围内某一点的电磁转矩对该点转速的导数.dn3-3什么叫固有机械特性？从物理概念上说明为什么在他励直流电动机固有机械特性上对应额定电磁转矩7；时，转速有N 的降落？答：当电动机U=，“=4 v，6=0时的机械特性成为固有机械特征电动机在理想空载（耳,=。八 丁 =0）下运行时纥=U,v，电动机转速N=9L=O,在额定状态下运动 时 电 枢 绕 组 产 生 电 压 降 几 凡，此时电枢电动势耳,=。-八（，转速n=nN=U良 1 ,产 生 转 速 降=A n,v=n0-nN=TN3-4什么叫人为机械特性？从物理概念上说明为什么电枢外串越大，机械特性越软？答：通过改变电动机的电枢电压、气隙磁通、电枢回路电阻等电气参数而获得的电动机机械特性称人为机械特性。在相同的负载转矩下，电枢回路外串电阻R越大，机械特性的斜率万=8%就 越 大，机械特性曲线就越陡，负载转矩变化时引起的转矩变化就越大，因此使特性变软。3-5为什么降低电源电压的人为机械特是互相平行的？为什么减弱气隙每极磁通后机械特性会变软？答：降低电源电压调速时。=0 N，电枢回路不串电阻，因此不通电源电压的各条人为机械特性曲线的斜率夕=不变,，而理想空载转速与电源电压成比例降低,因此不同电源电压下各机械特性互相平行。弱磁时。=外电枢回路不串电阻。I后，%=%-C&N必要条件是：在交点处满 足 今t,同时因。I,电动机产生同样的电磁转矩所需的/“t,因而/“R t,使 加t,由这两个原因使电动机的机械特性曲线斜率增大硬度变小。3-6什么是电力拖动系统的稳定运行？能够稳定运行的充分必要条件是什么？答：处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统能回复到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的否则系统是不稳定的。系统稳定的充分dn3-7他励直流电动机稳定运行时，电枢电流的大小由什么决定？改变电枢回路电阻或改变电源电压的大小时，能否改变电枢电流的大小？答：他励直流电动机稳定运行时T=4，/,=工 。若”=常数，则/仅由乙 决定。CT（P改变U或电枢回路电阻的瞬间，因系统机械惯性使n不能突变，心 也不能突变，破坏了电1 1,动机电压平衡关系，因而/也会发生变化，例如q I瞬间纥 不变，/“=a J。ra当达到新的稳定状态后T=TL,1tl=,若TL中恒定则/不变。CT（P3-8他励直流电动机为什么不能直接起动？直接起动会引起什么不良后果？答:起动瞬间电枢电势为零，起动电流1“=2竺，电枢电阻很小起动电流很大，过大此电枢电流产生强烈的换向器火花，损坏换向器和电刷；另外大电流转矩的冲击也可造成拖动机构损坏。3-9起动他励直流电动机前励磁绕组断线，没发现就起动了下面两种情况会引起什么后果？（1）空载起动；（2）负载起动，,=7；答：（1）一般情况下电动机或多或少总有一定的剩磁，由于空载转矩较小，电动机可能会克服空载转矩而起动，但稳定运行时由于磁通很小，转速将会很高，如果电机的机械强度不允许就会损坏电机；(2)不能起动，长时间的堵转会烧坏电枢绕组。如果采用降压起动由于剩磁通很小，电枢电流不能产生起动所需转矩，故不能起动。3-1 0 他励直流电动机有几种调速方法？各有什么特点？答：3种。(1)电枢回路串电阻：调速设备简单，操作方便。但属分级调速平滑性差，轻载时调速范围小，损耗大效率低。(2)降低电源电压：可实现无级调速，轻载或重载的调速范围不变，特性硬度较高负载变化时稳定性好，损耗小效率高。但需要一套电压可连续调节的直流电源。(3)减弱磁通：一般是基速以上的调速，调节方便、损耗小，可实现无级调速。但转速不能升的太高，调速范围有限。通常与降压调速配合使用。3-1 1 静差率与机械特性的硬度有何区别？解：静差率是在某一调节转速下，电动机从理想空载转速到额定负载时的转速变化率5%=1 0 0%。静差率是电动机调速性能好坏的一个指标，3%越小，负载变化时转传速的变化越小，转速相对稳定性越好。机械特性的硬度是指在机械特性曲线的工作范围内某点 的 竺=a,它表示电动机运行时由于转速变化(d n)而 引 起 转 矩 变 化(江)的 大 小。dn当电动机运行时由于外界干扰(U,7；变化)一起转速变化曲，若a 大,则电磁转矩的变化江 也大，使电动机能较快地达到新的稳定状态。因此a的大小表示电动机在工作点上运行时抗扰动能力的大小。3-1 2 调速范围与静差率有什么关系？为什么要同时提出才有意义？答：调速范围D是额定负载下的最高转速和最低转速之比。D与 8%相互制约：因为6%n n n w二 3一%,。=皿，因 此 导 出 迺 一，由此式可见，D与 6 是一一对应的，n0(n.(1 -3.)3min min，U而且相互制约。对于某种调速方法，例如电枢回路串电阻调速，此时%=乌 一，m a x =乐，C N都是常数，如果要求6小，则 D就大。对于不同调速方法，相同的6 要求对应的D也不同。例如降压调速时，勺稣=%，%=-，%与 U成正比例下降，与电枢串电阻调速相比，在相同的6 下可以得到较大的调速范围。因此只有在满足一定的静差率要求下的调速范围才有意义。例如降压调速和电枢串电阻调速都能把转速从距 调到零，如果没有对静差率的要求，这两种调速方法的调速范围都可达到无限大(&加=)，这时。也就没有意义了。3-1 3 什么叫恒转矩调速方式和恒功率调速方式？他励直流电动机的三种调速方法各属于哪种调速方式？答：恒转矩调速方式是在整个调速范围内，保持4 =r的条件下电动机允许输出的转矩为常数；恒功率调速方式是在整个调速范围内/,=lN保持的条件下电动机的允许输出的功率为常数。串电阻调速和调压调速属恒转矩调速，弱磁调速属恒功率调速。3-14电动机的调速方式为什么要与负载性质匹配？不匹配时有什么问题？答：电动机调速方式与负载性质匹配是指恒功率负载采用恒功率调速方式，恒转矩负载采用恒转矩调速方式，这样就能保证在调速范围内电动机电流均保持额定值不变，可以充分利用电动机，如果二者不匹配，例如恒功率负载采用恒转矩调速方式。恒功率负载功率PL=（=常数，n=nmin时，乙最大。n=时，最小。为使电动机不过载，应 按 =m i n9 5 5 0 P下的负载转矩为电动机的额定转矩，即7；=,Ia=/v o 如果采用恒转矩调速方式,勺i n例如降压调速，此时。=%，在 7 =时，T =TN=孰（/）3，电动机可以充分利用。但电动机在4加 下运行时，电磁转矩因乙J而降低，/“=/-，电动机就CT PN不能充分利用了。对于恒转矩负载采用恒功率调速方式的情况，例如弱磁调速。由于恒转矩负载7；=常数，6=黑，=m i n 时功率2 最小，=,皿时功率4 最大。为了电动机Q5 5 O P不过载，应选=,皿时的电动机功率为额定功率，此 时 几=-电动机“m a x可充分利用。但在。T降速，使电动机在“，桢 的某一转速下稳定运行时，乙仍为TN，但因。T，故/“E“，T n 方向一致时，T为拖动转矩，电动机为电动状态；当U 电动机起dt动，T。工作点沿机械特性升速（见 图 3-6）。至 b点，此 时 K 1 闭合，切除R”，电枢回路中总电阻为氏 2 =4 2 +6 3 +我“，相应的机械特性为图3-6 中的直线2。因拖动系统机械惯性，切除电阻瞬间n 不变。工作点从b点过渡到曲线2的 c点。此时电动机电磁转矩大于负载转矩，四 0,n t。至 d点，K 2 闭合，相应机械特性为直线3上 的 e点，此时dt电动机电磁转矩大于负载转矩，n t ,至 f点，K 3 闭合，工作点从f点过渡到固有特性上的g点，电动机电磁转矩大于负载转矩，电动机在固有特性上升速至A点，T =Tn=,=0,电动机稳定运行于额定工作点，起动过程结束。dt反接制动时K M F 断开，K M R 闭合，改变电动机电源电压极性，同 时 K I、K2、K 3、K 4全部断开，电动机电枢回路中串入反接制动电阻R =R”+4 2 +4 3 +&4。相应机械特性为图 3-6 中的直线5,因转速瞬间不变，电动机工作点从固有特性上的A点过渡到反接制动特性上的B点，此时电动机电磁转矩小于负载转矩，Tm,则的特性将位于H I 象限，如 图 3-a）所示。这是电动机负载转矩7；J与-n 同方向，是拖动转矩。在这种情况下如果改变电动积极性使其反转，电磁转矩T与-n 同向，也是拖动转矩。结果在T +7；的作用下，电动机翻转调速很快升高，而电动机的转矩也随之减小,直到=%时 T =0,但在，作用下转速仍在升高，T也随之增大。直到T =7；J,也=0,转速不再dt变化，起重机以较高的稳定速度下放重物。此时电动机处于反向回馈制动运行状态。可见当位能性恒转矩7；7；,且取提升时n为正的情况下，电动机不能在反向电动状态下稳定运行。对于7；7；的情况下放时，J=，,+7；,0 为负，=J）位于H I 象限与-n 方向相反，仍为阻转矩。这时如果放开机械闸，电动机也不接电，由于阻转矩的作用，仅靠重物重力产生的，已不能使电动机反转。因此为了使重物下放电动机必须在反向电动状态下运行。此时电动及负载的机械特性如图3-b）所示。在起重机下放空钩时，因吊钩质量比满载时中午的质量小很多，会出现7；=-2-1-Ra=-0.35 =2.6。N-2x 35.2(3)在=0时能耗制动转矩：T=0电压反接电流:U&+&-1102.6 +0.35=-37.29 A电压反接转矩：T=G嗨/“=1.24 38 x (-37.29)=-4 6.38 N./”(4)电动机在-5 00r/min 的转速下电动势：=Cc(/)Nn=0.1302x(-5 00)=-6 5.I VZ7 AS 1应串入电阻：凡=-幺 一R=0.35 =1.4 9 9。3 Ia a 35.23-37 一台他励直流电动机，PN=3kW,UN=22GV,IN=6 8.7 4,=15 00r/min,%=0.19 5。，拖动一台起重机的提升结构。已知重物的负载转距=，为了不用机械闸而由电动机的电磁转距把重物吊在空中不动，此时电枢电路中应串入多大电阻？解：在空中静止时转矩堵转，堵转电流/“=/N=68.7Arj 220电枢电路中应串入阻：&=*凡=-0.19 5 =3。卜 6 8.73-38他 励 直 流 电 动 机 的 技 术 数 据 为PN=29kW,UN=4 4 0匕4=7 6 A ,nN=l OOOr/min,oRa=0.37 7。,/a ma x=1.SIN,TL=TN。问电动机拖动位能负载以-5 00r/min的转速下放重物时可能工作在什么状态？每种工作状态电枢回路中应串入多大电阻？解：可能为能耗制动运行和电势反接制动运行(不考虑反向降压回馈制动)(1)能耗制动考虑限制制动电流Iina x o，电动机处于回馈制动状态，当电磁转矩与负载合成转矩平衡时，小车以稳定速度下坡。(2)负载摩擦转矩：T*=0-8。F坡位能转矩:TL 2=1.2TN负载合成转矩：TL B=TL i+TL 2 0.8 7；+(-1.27；)=-0.4 7；E 4 11 38额定励磁下电动势常数：C/N=叱=_ 、=0.4 11nN 1000f J R不串电阻的稳定转速：nH=二三一一C仲N C0N4 4 00.4 110 37 7-x (-0.4/A,)=109 7.9 r/min0.4 11 N串0.5欧电阻时的稳定转速:4 4 00.4 110.37 7 +0.50.4 11X(-0.4/M)=1135.4/7 min3-4 0 一台他励直流电动机的数据与3-38相同，拖动起重机的提升结构，不计传动机构的损耗转距和电动机的空载转距，求：(1)电动机在反向回馈制动状态下放下重物，1=6 0/1,电枢回路不串电阻，求电动机的转速及转矩各为多少？回馈到电源的功率多大？(2)采用电动势反接制动下放同一重物，要求转速n=-8 5 0r/min,问电枢回路中应串入多大电阻？电枢回路从电源吸收的功率是多大？电枢外串电阻上消耗的功率是多少？(3)采用能耗制动运行下放同一重物，要求转距n=-300r/min,问电枢回路中应串入的电阻值为多少?该电阻上消耗的功率为多少？解：(1)反向回馈制动下放：n,-.-生 卫x 6 0=-l 125.04 r/minCN C O,0.4 11 0.4 11电磁转矩：7；=9.55C(4VA,=9.5 5 x 0.4 1 l x 6 0=253.5N.m吸收电源电功率：P,=-UNIa=-4 4 0 x 6 0=-2()AkW(2)电势反接下放：Rc JN E _&=440-0.411x(-850)_Q=12 7 8 Qla 6 0吸收电源电功率：P,=UNla=4 4 0X6 0=26A k W外串电阻消耗功率：pc=1：R,=6 02 x 12.7 8 =4 6 R V(3)采用能耗制动：艮=玉-&,=-川1(-30)_ 0.37 7 =1.6 7 8。Ia a 6 0外串电阻消耗功率：1p=/2R =6()2x 1.6 7 8 =6.04 k Wca c3-4 1设题3-38中的电动机原工作在固有特性上，7 =0.8 7；,如果把电源电压突然降低到4 0 0 V,求：(1)降压瞬间电动机产生的电磁转矩，画出机械特性曲线并说明电动机工作状态的变化；(2)电动机最后的稳定转速是多少？解：电压降到4 0 0 V瞬间电动势仍为纥=4、,一/凡=4 4 0 0.8 x 7 6 x 0.3 7 7 =4 1 7.0 8/J-E 4 0 0-4 1 7(1)瞬间电枢电流：1=-4 5.3 1 A Ra 0.3 7 7电磁转矩：T=9.5 5 C,v/a=9.5 5 x 0.4 1 1 x(-4 5.3 1)=-1 7 7.8 4 N.相(2)最终稳定转速：n=t/-(-0.8/,七v)!/?=,4 0 0-(0.8 x 7 6)0.3 7 7 .L=-1-A,/=9.55x0.2x2.02=3.867V.mU 220(2)制动到n=0时，电枢电流/=-=22.2A,TTL,如果不采“R,+R 0.91+9 L用机械闸电动机将在负载重力作用下反转。解2：采用电压反接(1)制动开始电枢电流：/.=-=2 0-02x1000=-42.38A“R,+R 0.91+9制动开始电磁转矩：7=9.55。/,、,/“=9.55x0.2x(-42.38)=80.95-U-220(2)制动到n=0时，电枢电流/“=气 =-=-22.2 A,T 0电Ra+Rc 0.91+9动机在反向起动转矩和负载重力作用下反转。3-43 他励直流电动机的数据 R,=17ZW,UN=110匕 7,v=185/1=0.035。，乐=1000/7min,G=30N”2,拖动恒转矩负载运行，7；=0.85。，采用能耗制动或反接制动停车，最大允许电枢电流为1.8.求两种停车方法的停车时间是多少？解：电动势常数 C.%=匚=“二 185X0.035=0 04e N nN 1000过渡过程初始值：%=-J 1 0-0.8 5A vx0.035=1 0 0 5 r/m inC&N0.104(1)能耗制动电枢总电阻 Ra+R=-=-0 1 0 4 x 1 0 0 5=0.314Q“I,-1.8x185制动运行虚稳定点%=-3曳=_ 期3=_475r/minCN0.104机电时间常数凡 十&GD2 _ 0.314 1.25x30 -Q G 2 375 9.55 x 0.1042 375=0.304能耗制动停车时间A=TMM0.3 1 4/n1 0 0 5-(-4 7 5)0 (4 7 5)=0.3 5 7 sr-4-I r l,4.r-M k.r r a n n U E4 1 0 0 0.1 0 4 X 1 0 0 5(2)反接制动电枢总电阻 R +R -0.6 1 4 Qa c I-1.8 x 1 8 5制动运行虚稳定点ns=匕也色=-1 1。-。.855。.6 1 4 =gm m i nCN0.1 0 4机电时间常数TM2_ R“+R,G D2 _ 0.6 1 4 1.2 5 x 3 0G G 2 3 7 5 9.5 5 x 0.1 0 42 3 7 5=0.6 s制动停车时间t2=TM 2ln，一，n K,1 0 0 5-(-1 9 8 6)八幺-=0.6/-=0.2 4 6 50-(-1 9 8 6)3-44他励直流电动机的数据为r=5.6 左皿,4=220匕 =3 1 4 ,&=0.4 5。际=1 0 0 0 m i n ,系统总飞轮矩GO?=9.8NJ/,在固有特性上从额定转速开始电压反接制动，制动的起始电流为2。，试就反抗性负载及位能性负载两种情况，求：（1）反接制动使转速自可降到零的制动时间。（2）从制动到反转整个过渡过程的=/）,/“=/）的解析式，并大致画出过渡过程曲线。解：电动势常数 C 2N=D=2 2 0-3 1 x 8 4 5=0 2 0 7e N nN 1 0 0 0（1）反接制动电枢总电阻&+&=巨二4 =-2 2 0-0.2 0 7 x 1 0 0 0 =6 8 7 Q c 2IN-2X31机电时间常数4=R.+R,G CeCT(2 3 7 56.8 7 9.89.5 5 x 0.2 0 7 2 3 7 5=0.4 4 3 s制动运行虚稳定点C&N-2 2 0-3 1 x 6.8 70.2 0 6=-2 1 0 2 r/m i n降到零的制动时间 玲=T”的=0.4 4 3 历1 0 0 (二2 1 02)=0 7 2 snx-ns 0-(-2 1 0 2)（2）反抗性负载转速过渡过程=/（。如 图 3-1 0 所示 过程说明：电动机带动反抗性负载运行在A点，电压反接制动机械特性曲线为B-C-D-E线段，制动瞬间转速不能突变,工作点从A以不变转速过渡到B点，以 TB=2口制动运行，转速迅速下降为零（到 C 点），C点电磁转矩绝对值大于负载转矩，电动机反向起动到D 点转矩平衡，电动机稳定运行。转速变化分两个阶段：1）转速从m,到 0,这段是从B点到E 点这样整个过渡过程的一部分，这个过程的初始值是B点转速，稳定值是E 点转速，根据负载不变的假定，机械特性曲线B-C-D-E对应负载L；2）转速从0 到 n“这段是对应负载一的新的过渡过程从C 点开始到D 点结束。整个过渡时间为从n.到 0的时间与从0到 n 的时间之和。图3-10转速过渡过程曲线转矩过渡过程/=/）（略）.