机电传动与控制

习题及答案
一、填空题
1.多轴拖动系统折算为单轴系统时，转矩折算依据折算前后功率不变的原则，转动惯量和飞轮转矩与运动系统的动能有关，可根据动能守恒原则进行折算。

2.生产机械的典型机械特性可以归纳为以下几种：恒转矩型、恒功率型、离心式通风机型和直线型。

3.要有效地缩短机电传动系统过渡过程的时间，应设法减小转动惯量和提高
动态转矩。

4.机电传动系统中，低速轴的转矩大，高速轴的转矩小。

5.生产机械对电动机调速系统提出的主要静态技术指标有调速范围、静差度、和平滑性。

6.直流电动机通过改变电源的正负极性来改变旋转方向，交流电动机通过
改变定子三相交流电的通电相序来改变旋转方向。

7.直流电动机常用的调速方法有改变电枢电压U 、改变电枢电路外串电阻Rad 和改变电动机主磁通 。

8. 三异步电动机主要由定子和转子构成。

定子又称磁极，转子又称电枢。

9.一台三相异步电动机接入50Hz三相对称电源，额定运行时S=0.04，则此时转子感应电流的频率为 2 Hz。

10.三相交流异步电动机按照转子的结构可分为绕线式异步电动机和鼠笼式式异步电动机。

11.三相鼠笼式异步电动机的制动方法有回馈制动、反接制动和能耗制动三种。

12.单相异步电动机无自启动能力，常采用电容分相法和罩极法进行启动。

13.测速发电机是一种将转速信号变换成电信号的元件，它的输出电压与转速成正比。

14.同步电动机常采用异步启动法进行启动。

15.晶闸管的导通条件是阳极加正向电压与控制极加正向电压，晶闸管由导通转变为阻断的条件是阳极正向电压降低到一定值（或断开或反向）。

16.变频调速系统可以分为交交变频调速与交直交变频调速两大类。

二、判断题
1.要加快机电传动系统的过渡过程，应设法减小飞轮惯量和加大动态转矩。

（√）
2.位能性恒转矩是一种转矩方向随转速方向的改变而改变的转矩。

（X ）
3.无论直流电机作电动机使用还是作发电机使用，转矩T和电动势E所起的作用是一样的。

（X ）
4.位能性恒转矩是一种转矩大小和方向都不改变的转矩。

（√）
5.直流电动机不允许直接启动，是因为启动电流很大。

（√）
6.直流电动机调速系统，若想采用恒功率调速，则可改变U。

（X ）
7.绕线式异步电动机可以采用转子回路串电阻方法启动。

（√）
8.鼠笼式异步电动机的可以采用转子回路串电阻的方法启动。

（X ）
10.单相异步电动机可以通过电源线换接的方法实现正反转变换。

（X ）
11. 直流调速系统的调速范围越大，则静差率也越大。

（√）
12. 测速发电机的输出电压与转速成正比。

（√）
13. 直流它励电动机启动时，要先加励磁电流再接通电枢电源。

（√）
14. 三相异步电动机在运行时断了一根电源线，仍能继续转动。

（√）
15.对直流电动机而言，负载增加就是指电枢电流增大。

（√）
16. 在脉动磁场作用下单相异步电动机没有启动能力。

（√）
17.三相异步电动机正在运行时，转子突然被卡住，则电动机的电流会减小。

（X）
18. 直流电动机不允许直接启动，是因为启动转矩很大。

（X ）
19. 串励电动机不允许空载启动，因为理想空载转速趋近于无穷大。

（√）
20. 单相异步电动机可以通过电源线换接的方法实现正反转变换。

（X ）
21.能耗制动法可以避免反接制动存在的电动机反向启动的危险。

（√）
22.直流他励电动机启动时，要先加励磁电流再接通电枢电源。

（√）
23.采用积分调节器在调速系统中能够消除系统的静态偏差。

（√）
24.直流电动机调速系统，若想采用恒转矩调速，则可改变U。

（√）
25. 三相鼠笼式异步电动机在相同的电源电压下，空载启动比满载启动的启动转
矩小。

（X ）
26.反馈制动用于下放重物时，串接的附加电阻越大，转速越高。

（√）
27.机电传动系统中低速轴的转矩小，高速轴的转矩大。

（X ）
28.开环调速系统的精度比闭环调速系统的精度大。

（X ）
29.同步电动机必须采用异步启动法启动。

（√）
30.反馈制动法是比较常用的准确停车的方法。

（X ）
三、分析题
1. 在下图中，曲线1和2分别为电动机与生产机械的机械特性曲线，试采用力矩平衡方程分析系统工作点A点是否为稳定平衡点。

要求说明原因。

答：由动力学方程：dt d J T T L N ω=- ，可知： A 图：当n ,>n A 时，T M <T L ；n ,<n A 时，T M >T L ，所以A 点是稳定平衡点。

B 图：当n ,>n A 时，T M <T L ；n ,<n A 时，T M >T L ，所以A 点是稳定平衡点。

C 图：当n ,>n A 时，T M <T L ；n ,<n A 时，T M >T L ，所以A 点是稳定平衡点。

D 图：当n ,>n A 时，T M >T L ；n ,<n A 时，T M <T L ，所以A 点不是稳定平衡点。

2. 如图所示，试问：①在开关S 闭合前灯泡亮不亮？为什么？ ②在开关S 闭
合后灯泡亮不亮？为什么？ ③再把开关S 断开后灯泡亮不亮？为什么？
答：1）在开关S 闭合前灯泡不亮。

晶闸管的导通
条件是晶闸管阳极和控制极同时加正向电压，开关
S 闭合前，控制极无控制信号，晶闸管不导通。

2）在开关S 闭合后灯泡会亮。

晶闸管的阳极
和控制极同时加正向电压，晶闸管导通。

3）再把开关S 断开后，灯泡仍旧亮。

晶闸管
导通以后，控制极就失去控制作用。

晶闸管仍旧导
通。

直到晶闸管承受反压，回复截至状态。

3. 可控硅的导通条件是什么？如图所示，若在t 1时刻合上开关S ，t 2时刻断开开
关S ，试画出负载电阻R 上的电压波形。

答：1）晶闸管的导通条件是阳极和
控制极同时加正向电压，导通以后，
控制极就失去控制作用。

当阳极正
向电压降低到一定值，晶闸管关断。

2）t 1时刻VS 的阳极，控制极都
承向正电压，所以VS 导通，U 2加到电阻R 上，当U 2为负时，VS 关断。

下一个周期，当U 2为正时，阳极与
控制极都承向正压，VS 又再次导通，
U R = U 2。

~U 2
VS S Ug R U 2U R 0t t 1t 2U 20t 2 1 2 1 2 1 1 2 （A ） （B ） （C ） （D ） A A A A T n T T T
4.试分析如图所示系统，当负载增加时，系统如何实现自我调节？该系统能否实
现无静差调节，为什么？
答：该系统为直流单闭环无静差调速系统，当负载T L ↑→n ↓→U Tg ↓→U f ↓，因
给定电压U g 不变，所以△U=U g －Uf 会↑，△U ↑→Uk ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。

该系统能够实现无静差调节，因为系统中的调节器采用了PI 调节器，PI 调
节器是一个典型的无差元件,它在系统出现偏差时动作以消除偏差.当偏差为零
时停止动作。

在调节过程结束时,可控整流电压Ud 稳定在一个大于U d1的新的数
值U d2上，增加的那一部分电压正好补偿由于负载增加引起的那部分主回路压降。

四、问答题
1、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，这是会产生什么现象（试从TL=0 和TL=TN
两种情况加以分析）？
答：直流他励电动机启动时,一定要先把励磁电流加上，因为电动机的主磁极需
要依靠外电源来产生磁场。

如果忘了先合励磁绕组的电源开关就把电枢电源接
通，因为定子铁芯有剩磁，剩磁磁通Φ较小，由直流电动机的机械特性方程：
可知剩磁较小，剩磁所产生的启动转矩也较小，理想空载转速会很大。

当 T L =0 时，理论上电动机转速将上升到机械强度所不允许的值，甚至趋
近于无限大，引起飞车现象；
当 T L = T N 时，电动机启动转矩较小，远远小于负载转矩，电动机无法启动，
将使电动机电流大大增加，远远大于额定电流，而使电机严重过载，出现堵转（闷
车）现象。

2.直流电动机能否直接启动？为什么？可以采用哪些方法启动？
答：直流电动机不能直接启动。

a t t e a e I K T T K K R K U n φφφ=-=,2
因为启动瞬间，n=0，E=0，由电压平衡方程U=E+I
a R
a
可知启动电流I
st
=
a
N
R
U
，
因R
a 很小，则I
st
将很大，能达到额定电流的10～20倍。

过大的启动电流会产生
以下不良影响：1）换向困难，产生危险火花；
2）产生过大的电动应力和启动转矩，易损坏传动部件；
3）可能使电网上的保护装置动作，造成事故，或使电网电压下降，影响其他用电器。

所以直流电动机不允许直接启动。

由I
st =U
N
/R
a
可知，直流电动机可采用两种方法启动：
①降压启动
②电枢电路串接外加电阻启动。

3.他励直流电动机有哪些方法进行调速？它们的特点是什么？
答：他励电动机的调速方法有：改变电枢电路外串电阻R
ad
，改变电动机电枢供电电压，改变电动机主磁通。

第一改变电枢电路外串接电阻，特点：在一定负载转矩下，串接不同的电阻可以得到不同的转速，机械特性较软，电阻越大则特性越软，稳定性越低，空载或轻载时，调速范围不大，实现无级调速困难，在调速电阻上消耗大量电量。

第二改变电动机电枢供电电压，特点：机械特性曲线与固有特性曲线相互平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大，当电压连续变化时，转速可以平滑无级调速。

一般只能在额定转速以下调节，调速时因电枢电流与电压无关，属于恒转矩调速，适合于恒转矩型负载。

可以靠调节电枢电压来启动电机，不用其它启动设备。

第三改变电动机主磁通，特点：机械特性较软，稳定性较低，可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节，调速范围不大。

调速时，维持电枢电压和电流不变，属恒功率调速。

4.他励直流电动机有哪些制动方法？它们的特点是什么？
答：直流电动机常用的制动方法有三种：反馈制动，反接制动和能耗制动。

反馈制动：当电动机的运行速度高于它的同步转速，即n1>n0时电动机处于发电状态，这时电枢切割磁场的方向与电动状态时的方向相反，电流改变了方向，电磁转矩也随之改变方向。

回馈电能给电网。

反接制动：电源反接制动，改变电动机的电源极性，电流改变了方向，电磁转矩也由正变到负，这种方法容易造成反转，制动转矩较大，常用于快速正反转的场合。

倒拉反接制动出现在位能负载转矩超过电磁转矩时候，例如起重机放下重物时。

能耗制动：首先将电源断开，接着立即将一个大电阻串入电枢绕组，加快能量的消耗。

所以电动机转速迅速下降，此时运动系统储存的机械能被消耗在转子电路的电阻中。

机械特性曲线过原点，转速为0时，转矩也为0，制动准确，耗能，常用于准确停车。

5. 三相鼠笼式异步电动机的制动方法有哪些？各有何特点？
答：异步电动机有三种制动方式：反馈制动，反接制动和能耗制动。

反馈制动：当电动机的运行速度高于它的同步转速，即n 1.>n 0时，电动机处于发
电状态，感生电流方向改变，电磁转矩也随之改变方向，形成制动。

特点：转速
较高，回馈电能给电网。

反接制动：电源反接制动，改变定子三相电流的相序，就改变了旋转磁场的方向，
电磁转矩由正变到负。

特点：制动转矩大，可快速制动，但容易造成反转，常用
于快速正反转的场合。

倒拉反接制动出现在位能负载转矩超过电磁转矩时，特点：可以不同的速度下放
重物，但对负载估计不足可使位能负载上升，速度稳定性差。

能耗制动：首先将三相交流电源断开，接着将一个低压直流电源通入定子绕组，
在电动机内部建立了一个固定的磁场，旋转的转子导体内产生的感应电流与恒定
磁场相互作用，产生作用方向与转子实际旋转方向相反的转矩，形成制动。

特点：
速度稳定性好，制动准确，常用于准确停车，但耗能。

6. 请问直流他励电动机的人为机械特性有哪几种？请说明每种人为机械特性
的特点。

答：由电动机的机械特性方程 ： n n T K K R K U n t e a e -=-=02φ
φ 知：可通过改变电枢电压， 改变励磁磁通，改变电枢电路串电阻三种方法来获得人为机械特性。

(1) 改变电枢外加电压
理想空载转速n0随着电压的降低而降低。

机械特性曲线与固有特性相互平行，
机械特性硬度不变，是一组平行线。

(2) 改变励磁磁通
理想空载转速n0随着主磁通的降低而增加，调速特性较软。

(3) 电枢电路串电阻
理想空载转速n0不变，机械特性硬度变软，是一组射线，在一定负载转矩下，
串接不同的电阻可以得到不同的转速，机械特性较软，电阻越大则特性越软，稳
定性越低。

7. 结合交流异步电动机的机械特性曲线分析，在负载转矩不变的情况下，若电
源电压降低了，此时电动机稳定运行时的转矩、电流及转速如何变化？
答：当电源电压降低时，电动机机械特性曲线如图所
示，此时电压U 降低，转速下降，但在稳态时，因负载
转矩TL 不变，所以电磁转矩TN =TL 不变；因n 降低，
s 增加，所以电流I 增加。

当电源电压U 下降较多时，机械特性曲线与负载特性曲
线无交点，此时，电动机将无法拖动负载，电机转速下
降直至停车，造成堵转，电流很大，会烧坏电机。

8. 一般同步电动机为什么要采用异步启动法？
答：同步电动机的转子加以直流励磁，产生固定磁场；当定子接上三相交流电，
产生了旋转磁场，并以同步转速转动。

电动机开始启动时，两者相吸，定子旋转磁场欲吸着转子转动，但由于转子的惯性，它还没有来得及转动时旋转磁场却已转到了极性相反的方向，两者又相斥，所以平均转矩为零，同步电动机不能启动，所以同步电动机要采用异步启动法来启动。

9. 晶闸管的导通与关断的条件是什么？
答：若晶闸管的控制极（门极）不加电压，则晶闸管的阳极无论加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通。

晶闸管阳极和控制极同时加正向电压，才能导通。

晶闸管导通以后，控制极就失去控制作用，当阳极正向电压降低到一定值（或断开或反向），晶闸管关断。

10. 三相异步电动机断了一根电源线后，为什么不能启动？而在运行时断了一线，为什么仍能继续转动？这两种情况会对电动机产生什么影响？
答：三相异步电动机断了一根电源线后，相当于接了一个单相电源，此时电动机定子绕组产生的磁场为脉动磁场。

脉动磁场可以分解为两个旋转方向相反，大小相等的旋转磁场，两个旋转磁场分别作用于转子而产生两个方向相反的电磁转矩。

在电动机转速为0时，方向相反的两个转矩大小相等，合转矩为零，因而转子不能自行启动。

而在运行时断了一线，电机已偏离启动点，合转矩不为零，在合转矩作用下，电机能自行加速到稳定运行状态，所以电机仍能继续转动，这两种情况都会使电动机的电流增加。

11. 三相鼠笼式异步电动机的启动方法有哪些？
答：三相鼠笼型异步电动机的启动方式主要有两种：
(1)全压直接启动
即将电动机的定子绕组通过闸刀开关直接接入电源，在额定电压下进行启动。

该法适用于中、小容量的异步电动机启动。

(2)降压启动
启动时先降低电压，当转速接近额定值时，再恢复到额定电压。

适用于启动时负载转矩不大的情况，如轻载或空载。

常用的降压启动方式有：定子串电阻或电抗器降压启动；Y —△降压启动；自耦变压器降压启动。

12. 一台电扇通电后不能启动，但经外力拨动下可以正常运转，你认为可能是什么故障，为什么？
答：电扇中的电动机为单相异步电动机，单相异步电动机接单相电源后产生的磁场为脉动磁场，可以分解为两个旋转方向相反的旋转磁场，两个旋转磁场分别作用于转子而产生两个方向相反的转矩，而且转矩大小相等。

故其作用相互抵消，合转矩为零，因而单相异步电动机没有启动能力，转子不能自行启动，必须采用电容分相或罩极等方法启动，但单相电动机一旦启动，它能自行加速到稳定运行状态。

该风扇不能启动是因为启动电容发生故障，无法启动，但经外力拨动下可以正常运转，是因为外力的作用使电动机偏离启动点，电动机在磁场的作用下可以自行加速到稳定运行状态。

五、计算题
1.一台直流他励电动机，其额定数据如下：P N =5.5KW ，U N =220V ， I N =31.25A ，R a =0.4Ω，n N =1000r/min ，如果这台电动机在额定负载下运行，试求：（1）电动机的固有机械特性；（2）当电动机电枢电压降为110V 时，电动机的转速是多少？
解：①
② ∵T L = T N =52.525, 当U=U N /2=110时
∴
2.一台直流他励电动机，其额定数据如下：kW .P N 22=，V U N 220=，A .I N 412=,Ω71.R a =, m in /1500r n N =如果这台电动机在额定转矩下运行，试求：
（1）电动机的电枢电压降至180V 时，电动机的转速是多少？
（2）电枢回路串入附加电阻Ω2=ad R 时，电动机的转速是多少？ 解：m N 14m N 1500
102.255.9n P 55.9T T 3N N N ⋅=⋅⨯=== （1）此时Ω71180.R ,V U a ==
11N a N N N e e min r /V 13.0min r /V 1500
7.14.12220n R I U K K --⋅=⋅⨯-=-=Φ=Φ A /m N 24.1A /m N 13.055.9K 55.9K K e N t t ⋅=⋅⨯=Φ=Φ=Φ
则
1122160241130--⋅⋅=⋅⋅⨯==min r /m N .min r /m N ..K K K K N t e t e ΩΩΦΦ
故 min /r 1236min /r 1416.07.113.0180T K K R K U n N 2t e a N e =⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯-=Φ-Φ= T T T K K R K U n t e a e N 97.01060982.1*2075.04.02075.02202-=-=-=∴φφ2075.010004.0*25.31220=-=-=N a N N e n R I U K φ525.521000
5500*55.955.9982.12075.0*55.955.9======N N N e t n P T K K φφ479525.52*97.02117397.0210602=-=-=-=T T K K R K U n t e a e N φφ
（2）电枢回路总电阻()Ω=Ω+=+=7.327.1R R R ad a
而 1130-⋅==min r /V .K K N e e ΦΦ
则 122160-⋅⋅==min r /m N .K K K K N t e t e ΩΦΦ
故 min /r 1368min /r 1416.07.313.0220T K K R R K U n N 2N t e ad a N e =⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯-=Φ+-Φ=
3.有一台三相鼠笼式异步电动机，其额定数据为：P N =10KW ，n N =1450r/min ，U N =380V ，∆接法，ηN =0.875，cos N ϕ=0.87，T st /T N =1.4，I st /I N =7。

试求：（1）输出的额定转矩T N ；
（2）当负载转矩为40N.m 时，该电动机能否采用Y-∆换接启动，为什么？。

解：① T N = 9.55 P N /n N =9.55×104／1450=65.86N·m （4分）
② 当U=U N 时，T st =1.4T N = 1.4 × 65.86 = 92.2 N·m
∵ Y-△启动时，T st ＇= T st /3 = 92.2/3 = 30.73 N·m
∵ T st ＇< T L = 40 Nm
∴ 电动机不能采用Y-∆换接启动。

（1）如果负载转矩为510.2Nm ，试问在U=U N 时能否带载启动？
（2）采用Y －Δ换接启动时，求启动电流和起动转矩？
解：（1）由T N ＝9.55P N / n N =290.4N.M
Tst ＝1.9T N =551.8N.M
当U ＝Un 时，Tst=551.8Nm>510.2Nm 可以启动
（2）由P N ＝ 3 U N I N η Cosφ
则I N =P N /( 3 U N I N η Cosφ) =84.2(A)
Y －Δ换接启动时，
这时 I stY =(1/3)I stΔ=(7/3)I N =196.5(A)
T stY =(1/3)T stΔ=551.8/3=183.9(N.M)。