机电传动课后习题答案

2.1从运动方程式怎样看出系统是加速的、减速的、稳定的和静止的各种工作状态？
答：运动方程式：
Td>0时：系统加速； Td=0 时：系统稳速；Td<0时，系统减速或反向加速2.3 试列出以下几种情况下（见题2.3图）系统的运动方程式，并说明系统的运动状态是加速，减速，还是匀速？（图中箭头方向表示转矩的实际作用方向）
2.4 多轴拖动系统为什么要折算成单轴拖动系统？转矩折算为什么依据折算前后功率不变的原则？转动惯量折算为什么依据折算前后动能不变的原则？
答：在多轴拖动系统情况下，为了列出这个系统运动方程，必须先把各传动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量都折算到电动机轴上。

由于负载转矩是静态转矩，所以可根据静态时功率守恒原则进行折算。

由于转动惯量和飞轮转矩与运动系统动能有关，所以可根据动能守恒原则进行折算。

2.9 一般生产机械按其运动受阻力的性质来分可有哪几种类型的负载？
答：恒转矩型、泵类、直线型、恒功率型。

2.10 反抗静态转矩与位能静态转矩有何区别，各有什么特点？
答：反抗性恒转矩负载恒与运动方向相反。

位能性恒转矩负载作用方向恒定，与运动方向无关。

2.11 在题2.11图中，曲线1和2分别为电动机和负载的机械特性，试判断
在交点转速以上有：TM<TL 在交点转速以下有：TM>TL
交点是系统的稳定平衡点交点是系统的稳定平衡点
T M T L
2
1
o
T
n
(a)
T L T M
1
T
n
o
2
(b)
dt
d
J
T
T
L
M
ω
=
-
d
L
M
T
T
T=
-
在交点转速以上有：TM<TL 在交点转速以下有：TM<TL
交点不是系统的稳定平衡点
在交点转速以上有：TM<TL
交点是系统的稳定平衡点
3.3 一台他励直流电动机所拖动的负载转矩 TL=常数，当电枢电压或附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统中哪些量要发生变化？
• 答：不能。

因为，常数= TL =T=Kt φIa 。

• 但Ia 并不是始终不变。

因U=E+Ia （Ra+Rad ），
Rad ↑， Ia ↓，T ↓，
n ↓， Ia ↑， T ↑， T=Kt φIa = TL =常数。

• 转速n
与电动机的电动势都发生改变。

3.4一台他励直流电动机在稳定运行时，电枢反电势E=E1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1？
答：因为
当Φ ↓时，→ Ia ↑
由U=E+IaRa ，E ＝U －IaRa ，当Ia ↑时， →E ↓，所以：E<E1
（e ） （d ） （c ） 常数==Φ=L a t T I K T
3.13 直流他励电动机启动时，为什么一定要先把励磁电流加上，若忘了先合励磁绕组的电源开关就把电枢电源接通，这时会产生什么现象（试从TL=0和TL=TN两种情况加以分析）？当电动机运行在额定转速下，若突然将励磁绕组断开，此时又将出现什么情况？
答：当TL=0启动时：因为励磁绕组有一定剩磁，使Φ≈0；启动时，n＝0，E ＝0，根据UN=E+IaRa 知，UN全加在电阻Ra上，产生很大的Ia （(10~20)IN），但因为Φ≈0，所以 T＝KtΦIa并不大，因为TL≈0，所以动转矩大于0，系统会加速启动；启动后，虽有n，使E变大点，但因为Φ≈0，所以E仍不大， UN 大部分仍要加在电阻Ra上，产生很大Ia和不大的T，使系统不断加速；当系统达到“飞车”时，在相当大的某一n稳速运行时， T＝KtΦIa=TL ≈0，所以Ia ≈0，此时，E相当大，UN几乎和E平衡。

当TL=TN启动时：n＝0，E＝0，根据UN=E+IaRa 知，UN全加在电阻Ra上，产生很大的Ia（(10~20)IN），但因为Φ≈0，所以 T＝KtΦIa并不大，因为TL= TN，所以系统无法启动。

当电动机运行在额定转速下， T＝KtΦNIaN = TL＝TN，n＝nN，此时断开励磁，Φ≈0，虽然仍有n＝nN，但E ≈0，根据UN=E+IaRa 知，UN全加在电阻Ra上，产生很大的Ia，但因为Φ≈0，所以 T＝KtΦIa并不大，因为TL= TN，所以T ＜ TL，系统逐渐减速到停车。

• 3.15 一台直流他励电动机，其额定数据如下：PN=2.2KW,UN=Uf=110V,nN=1500r/min, ηN=0.8,Ra=0.4Ω, Rf=82.7Ω。

试求：
•①额定电枢电流IaN;
•PN=UNIaN ηN
•2200=110×IaN×0.8
• IaN=25A
•②额定励磁电流IfN;
•Uf= RfIfN
•IfN=110/82.7=1.33A
•③励磁功率Pf;
•Pf= UfIfN=146.3W
•④额定转矩TN;
•TN=9.55 PN/ nN=14Nm
•⑤额定电流时的反电势；
•EN=UN-INRa=110-0.4×25=100V
•⑥直接启动时的启动电流；
•Ist=UN/Ra=110/0.4=275A
•⑦如果要是启动电流不超过额定电流的2倍，求启动电阻为多少欧？此时启动转矩又为多少？
•启动电阻：2IN= UN/ (Ra+Rst)
• Rst=1.8Ω
•启动转矩：Keφ=(UN-INRa)/nN=0.0667
•T=KtφIa =9.55×0.0667×50=31.8Nm
3.16 直流电机用电枢电路串电阻的办法启动时，为什么要逐渐切除启动电
阻？切除太快，会带来什么后果？
答：见书上图3.23。

如果只一段启动电阻，当启动后，把电阻一下切除，则电流会超过2IN ，冲击大。

所以应采用逐级切除电阻办法，切除太快，也会产生电流冲击大，见书上图3.24。

3.17 转速调节（调速）与固有的速度变化在概念上有什么区别？
答：调速：在一定负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。

速度变化：由于电动机负载转矩发生变化而引起的电动机转速变化。

3.19 直流电动机的电动与制动两种运转状态的根本区别何在？
答：电动：电动机发出的转矩T 与转速n 方向相同；制动：T 与n 相反。

3.20 他励直流电动机有哪几种制动方法？它们的机械特性如何？试比较各种制动方法的优缺点。

答：反馈制动：运行在二、四象限，转速大于理想空载转速。

用于起重机调速
下放重物，电网吸收电能，运行经济。

电源反接制动：制动迅速，能量靠电阻吸收，但容易反向启动。

倒拉反接制动：可得较低下降速度，对TL 大小估计不准，本应下降，也许
会上升，特性硬度小，稳定性差，电阻消耗全部能量。

能耗制动：用于迅速准确停车及恒速下放重物，电阻消耗全部能量。

3.21 一台直流他励电动机拖动一台卷扬机构，在电动机拖动重物匀速上升时将电枢电源突然反接，试利用机械特性从机电过程上说明：
（1）从反接开始到系统达到新的稳定平衡状态之间，电动机经历了几种运
行状态？最后在什么状态下建立系统新的稳定平衡点？
（2）各种状态下转速变化的机电过程怎样？
答：（1）经历反接制动、反向电动、反向回馈制动，最后在反向回馈制动运行
状态下建立系统新的稳定平衡点。

（2）当电压反向时，n 不变，电压平衡方程式：
－U ＝E ＋Ia(Ra+Rad)，Ia=(-U-E)/(Ra+Rad)<0
所以T 反向，与n 方向相反，制动；
T 与TL 一起使n ↓，→E ↓→ 反向Ia ↓ → 反向T ↓，最后到c 点，n=0； 此时，TL 和T 使电动机n 反向，重物下降。

处于反向电动状态。

因为n 反向，所以E 也反向， Ia=(-U ＋E)/(Ra+Rad)，即反向电流Ia ↓ → 反向T ↓； 在T 和TL 作用下，反向n ↑ → 反向E ↑，在某一时刻，－U ＋E ＝0， → Ia=0，T ＝0，即达到d 点。

但此时仍有TL → 反向n ↑ → 反向E ↑ → －U ＋E ＞0 →Ia>0，T ＞0，产生制动。

当T ＜TL 时，还会 → 反向n ↑→ E ↑→Ia ↑ → T ↑，达到T ＝TL ，达到e 点，稳速运行。

5.1 有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50Hz ，满载时电动机的转差率为0.02，求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。

答：
m in)/(150********r f n =⨯==)(15002.01
2Hz f S f N =⨯==
5.4 当三相异步电动机的负载增加时，为什么定子电流会随转子电流的增加而增加？
答：当负载增加时，转子电流增加；因为转子相当于变压器的副边，而定子相当于变压器的原边，所以当转子电流增加时，定子电流也会增加。

5.5 三相异步电动机带动一定的负载运行时，若电源电压降低了，此时电动机
的转矩、电流及转速有无变化？如何变
化？
答：原来运行在a 点，当电压减小时，运行
在b 点，因为n 不变，s 不变，所以cos φ2
不变 因为U ≈E1=4.44Kf1N1Φ ，所以当U ↓ →
Φ ↓ →I2 ↓ 时，根据T=Km ΦI2cos φ2知：
T ↓，此后： →n ↓ →s ↑ →I2 ↑ →T ↑
直到c 点。

c 点和a 点比，因为U ↓ → Φ ↓，而且s ↑
→ cos φ2 ↓,根据T=Km ΦI2cos φ2＝TL ＝常
数，
知：I2 ↑
PN/kW nN/r·min -1 U N/V ηN ×100 cos φN Ist/IN Tst/TN Tmax/TN 接法 40 1470 380 90 0.9 6.5 1.2 2.0 △ 动？
TN=9.55 PN/ nN=9.55×40000/1470=260Nm
Tst/TN=1.2 Tst=TN ×1.2=312Nm
312 Nm>250Nm ， 所以U=UN 时 电动机能启动。

当U=0.8U 时，由于T ∝U2， 所以 Tst’=0.82×Tst=0.64×312=199 Nm ， Tst’ <TL 所以电动机不能启动。

②欲采用Y-△换接启动,当负载转矩为0.45 TN 和0.35 TN 两种情况下, 电动机能否启动？
TstY=Tst △/3=1.2×TN /3=0.4 TN
当负载转矩为0.45 TN 时电动机不能启动
当负载转矩为0.35 TN 时电动机能启动
③若采用自耦变压器降压启动，设降压比为0.64，求电源线路过的启动电流和电动机的启动转矩。

IN= PN/√3UN ηN cos φN =40000/（1.732×380×0.9×0.9）=75A
a b
c T N
Ist/IN=6.5 Ist=IN×6.5=487.5A
降压比为0.64时，电流Ist’=K2 Ist=0.642×487.5=200A
电动机的启动转矩T= K2 Tst=0.642×312=127.8 Nm
5.15 异步电动机有哪几种调速方法？各种调速方法有何优缺点？
答：调压调速：可无级调速，但减小U时，T按U2减少，所以调速围不大。

转子电路串电阻调速：只适于线绕式。

启动电阻可兼作调速电阻，简单、
可靠，但属有级调速。

随转速降低，特性变软，低
速损耗大，用在重复短期运转的机械，如起重机。

变极对数调速：多速电动机，体积大，价贵，有级调速。

结构简单，效率
高，调速附加设备少。

用于机电联合调速。

变频调速：用于一般鼠笼式异步电动机，采用晶闸管变频装置。

5.16 什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？
答：在调速过程中，无论速度高低，当电动机电流保持不变时，电磁转矩也不变，这种调速叫恒转矩调速。

在调速过程中，无论速度高低，当电动机电流保持不变时，功率也不变，叫恒功率调速。

5.17 异步电动机变极调速的可能性和原理是什么？其接线图是怎样的？
答：使每相定子绕组中一半绕组的电流改变方向，即可改变极对数，也就改变了转速。

接线图如书上图5.39。

5.25 异步电动机有哪几种制动状态？各有何特点？
答：反馈制动：用于起重机高速下放重物，反馈制动时，动能变为电能回馈给电网，较经济，只能在高于同步转速下使用。

反接制动：电源反接时，制动电流大，定子或转子需串接电阻，制动速度快容易造成反转，准确停车有一定困难，电能损耗大。

当倒拉制
动时，用于低速下放重物，机械功率、电功率都消耗在电阻上。

能耗制动：比较常用的准确停车方法，制动效果比反接制动差。

5.30 同步电动机的工作原理与异步电动机的有何不同？
答：定子绕组通三相交流电后，产生旋转磁场，而转子绕组通直流电，产生固定的磁场，极对数和旋转磁场极对数一样，旋转磁极与转子磁极异性相吸，所以转子转动。

而异步电动机的旋转磁场被转子导体切割，转子产生感应电动势和感应电流，电流在磁场中产生电磁力和电磁转矩，由此产生转速。

5.31 一般情况下，同步电动机为什么要采用异步启动法？
答：定子通三相电后，立即产生n0，很快，而转子n=0，有惯性，当S0吸引N，N0吸引S时，转子有转动趋势，但还没等转起来，S0对S，N0对N又排斥，这样一吸一斥，转子始终转不起来，所以要用异步启动法。

6.2 何谓“自转”现象？交流伺服电动机是怎样克服这一现象，使其当控制信号消失时，能迅速停止。

答：工作原理同单相异步电动机。

WC上加Uc，WF上加Uf时，两相绕组便产生旋转磁场，使转子旋转。

当WC上的Uc去掉后，转子仍转，叫自转。

消除自转的措施：使转子导条有较大电阻，出现Sm>1，此时，交流伺服电
动机当Uc＝0时，T总是制动性的。

这样便消除自转且能迅速停止。

8.12时间继电器的四个延时触点符号各代表什么意思？
8.16 要求三台电动机1M、2M、3M按一定顺序启动：即1M启动后，2M才能启动；2M启动后3M才能启动；停车时则同时停。

试设计此控制线路。

8.25 试设计一条自动运输线，有两台电动机， 1M拖动运输机，2M拖动卸料。

要求：
①1M先启动后，才允许2M启动；
②2M先停止，经一段时间后1M才自动停止，且2M可以单独停止；
③两台电动机均有短路、长期过载保护。

8.26如图为机床自动间歇润滑的控制线路图，其中接触器KM为润滑油泵电动机
启停用接触器（主电路未画出），控制线路可使润滑有规律地间歇工作。

试分析此线路的工作原理，并说明开关S和按钮SB的作用。

1.开关S实现自动的间歇润滑，关闭后KM 得
电，电动机工作，1KT得电，经过一段时间后，
动合触点闭合，K得电，同时KM失电，电动机
停止工作，2KT得电一段时间后，动断触点断
开，K的常闭点闭合，电动机重新工作。

2.SB按钮为人工的点动控制.
8.27 试设计1M和2M两台电动机顺序启，停的控制线路。

要求：
（1）1M启动后，2M立即自动启动；
（2）1M停止后，延时一段时间，2M才自动停止；
（3）2M能点动调整工作；
（4）两台电动机均有短路，长期过载保护。

10.1 晶闸管的导通条件是什么？导通后流过晶闸管的电流决定于什么？晶闸管由导通转变为阻断的条件是什么？阻断后它所承受的电压大小决定于什么？答：导通条件：阳极、控制极同时加控制电压。

导通后，电流决定于主电压和负载。

阻断：阳极电压变0或变负。

阻断后：承受电压大小决定于主电压。

10.5 如题10.5图所示，若在t1时刻合上开关S，在t2时刻断开S，试画出负载电阻R上的电压波形和晶闸管上的电压波形。

10.8 晶闸管的控制角和导通角是何含义？
答：控制角：晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。

导通角：晶闸管在一周期导通的电角度。

10. 10 续流二极管有何作用？为什么？若不注意把它的极性接反了会产生什么后果？
答：当电源电压变负时，V导通，负载上由电感维持的电流流经二极管。

VS关断，电源负电压不加于负载上。

作用：可提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压。

极性若接反：造成短路。

10.20 有一单相半波可控整流电路，其交流电源电压U2=220V ,负载电阻RL=10Ω,试求输出电压平均值Ud的调节围,当α=π/3，输出电压平均值 Ud和电流平均值Id 为多少？
•Ud=1/2π∫απ√2U2sin(wt)d(wt)=0.45U2(1+cosα)/2
•α的变化围：0～π，
•α=0时，Ud=0.45×220(1+1)/2=99V
•α=π时，Ud=0.45×220(1-1)/2=0V
•所以，输出电压平均值Ud的调节围0-99V
•当α=π/3时 Ud= 0.45U2(1+cosα)/2
• =0.45×220×（1+0.5）/2
• =74.25V
•输出电压平均值 Ud=74.25V
•电流平均值Id= Ud/Rl74.25/10=7.425A
10.22 试画出单相半波可控整流电路带不同性质负荷时，晶闸管的电流波形与电压波形。

10.23 有一电阻型负载，需要直流电压 Ud=60V,电流Id=30A供电，若采用单相半波可控整流电路，直接接在220V的交流电网上，试计算晶闸管的导通角θ•Ud=0.45U2(1+cosα)/2
•60=0.45×220×（1+ cosα）/2
•α=77.8
•α+θ=π
•θ=π-α=102.2
11.2 什么叫调速围、静差度？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速围？答：电动机在额定负载下所允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速之比叫调速围。

电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比叫静差度。

在一个调速系统中，转速降一定时，在不同的静差度下就有不同的调速围。

静差度越大，调速围也越大。

保证在一定静差度的前提下，扩大系统调速围的方法是提高电动机机械特性的硬度，以减小转速降。

11.3生产机械对调速系统提出的静态、动态技术的指标有哪些？为什么要提出这些技术指标？
•生产机械对调速系统提出的静态技术指标有：静差度,调速围,调速的平滑性.
•动态技术指标：最大超调量,过渡过程时间,振荡次数.
•因为机电传动控制系统调速方案的选择,主要是根据生产机械对调速系统提出的调速指标来决定的.
11.5 有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速n01=1480r/min,低速时的理想空载转速n02=157/min,额定负载时的转矩降ΔnN=10 r/min,试画出该系统的静特性.求调速围和静差度。

•调速围D = nmax/nmin
=（n01-ΔnN）/ （n02-ΔnN）
=（1480-10）/（157-10）
. . . .
=10
•静差度 S=S2=（n02-nNmin）/ n02
=10/157
=0.064
11.15 在无静差调速系统中，为什么要引入PI调节器？比例积分两部分各起什么作用？
答：PI调节器是一个无差元件，无静差调速系统出现偏差时PI动作以削除偏差，当偏差为零时停止动作。

开始和中间阶段，比例调节起主要作用，它首先阻止Δn的继续↑，而后使n迅速↑，在末期，Δn很小，比例调节作用不明显，而积分调节作用就上升到主要地位，它最后消除Δn，使n回升到n1。

13.5 一台五相反应式步进电动机，采用五相十拍运行方式时，步距角为1.5o，若脉冲电源的频率为3000Hz，试问转速是多少？
•n=βf×60/360
• =1.5×3000×60/360
• =750r/min
•转速是750r/min
13.7 步进电动机的步距角之含义是什么？一台步进电动机可以有两个步距角，例如，3o/1.5o，这是什么意思？什么是单三拍、单双六拍和双三拍？
•每当输入一个电脉冲时,电动机转过的一个固定的角度,这个角度称之为步矩角.
•一台步进电动机有两个步矩角,说明它通电方式不同。

3o是单拍或双拍时的步矩角； 1.5o是单双拍时的步矩角.
•单三拍:每次只有一相绕阻通电,而每个循环有三次通电
•单双六拍:第一次通电有一相绕阻通电,然后下一次又两相通电,这样交替循环运行,而每次循环有六次通电.
•双三拍:每次又两相绕阻通电,每个循环有六次通电.
. . . . .。