机电传动控制期末考试试卷及答案 - 图文

五、计算题（要求写出主要步骤每题10分）

1.有台直流他励电动机，其铭牌数据为： PN＝5．5kW，UN=Uf=220V，nN=1500r／min，η=0．8，Ra＝0．2 Ω。试求：

①额定转矩TN

②额定电枢电流IaN；

③额定电枢电流时的反电势； ④直接启动时的启动电流；

⑤若使启动电流为三倍的额定电流，则电枢应串人多大的启动电阻?此时启动转矩为多少? 解：1. TN=9.55PN/nN=9.55*5.5*1000/1500=35 N.m 2. IaN=pN/ (ηUN)=31.25A

3.E=UN-IaNRa=220-31.25*0.2=213.75V

4.Ist=UN/Ra=220/0.2=1100A 5.I’st=UN/(Ra+Rad) ≤3IsN

Rad≥UN/3IaN-Ra=220/(3*31.25)-0.2=2.15Ω

T’st=Ktφ I’st=(9.55E/nN)3IaN=(9.55*213.75/1500)*3*31.25=127.6 N.m

2．某一调速系统在高速时的理想空载转速 no1=1450r／min，低速时的理想空载转速 n02=100r／min，额定负载时的转速降△nN=50rmin。 ①试画出该系统的静特性；

②求出调速范围D和低速时系统的静差度s2；

③在nmax与s2一定时，扩大调速范围的方法是什么?调速系统中应采取什么措施保证转速的稳定性? 解：

1.静特性

2.

D=nmax/nmin=(n01- △nN)/ (n02- △nN) =(1450-50)/(100-50)=28

S2= △nN/n02=0.5

2.有一台三相异步电动机，正常运行时为Δ接法，在额定电压UN下启动时，其启动转矩 Tst=1.2TN(TN为额定转矩)，若采用 Y—Δ换接启动，试问当负载转矩TL=35％TN时，电动机能否启动?为什么? TstY=1/3*1.2TN=0.4TN>0.35TN=TL

3.试说明图中几种情况下系统的运行状态是加速?减速?还是勾速?(图中箭头方向为转矩的实际作用方向)

一、 分析与简答题

1. 请简述机电传动系统稳定运行的条件。

a) 电动机的机械特性曲线n=f（TM）和生产机械的特性曲线n=f（TL）有交点（即拖动系统的平衡点）； b) 当转速大于平衡点所对应的转速时，TM＜TL，即若干扰使转速上升，当干扰消除后应有TM－TL＜

０。而当转速小于平衡点所对应的转速时，TM＞TL，即若干扰使转速下降，当干扰消除后应有TM－TL＞０。

2. 请解释机电传动系统稳定运行的含义。

a) 是系统应能以一定速度匀速运转

b) 是系统受某种外部干扰作用（如电压波动、负责转矩波动等）而使运行速度稍有变化时，应保证在

干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。

3. 请简述并励发电机电压能建立的条件。

a) 发电机的磁极要有剩磁；

b) 起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同； c) 励磁电阻不能过大。

4. 请简述电动机制动的稳定制动和过渡制动状态的共同点和不同点。

a) 两种制动状态的区别在于转速是否变化

b) 两种制动状态的相同点在于电动机发出的转矩与转速方向相反。 5. 请简述直流他励电动机的三种制动方式的接线方法。

a) 反馈制动为正常接法；

b) 反接制动：电源倒拉反接改变电枢电压的极性；倒拉反接制动在电枢电路内串入附加电阻； c) 能耗制动将外部电枢电压降为零，并将电枢串接一个附加电阻短接。 6. 为什么直流电动机直接启动时启动电流很大？

因电枢加上额定电压，而电枢电阻很小，故IST?UN很大。 Ra7. 对电动机的启动有哪些主要要求？

a) 启动转矩大，电流小 b) 平滑，安全可靠 c) 简单方便，功耗小

8. 直流他励电动机启动时，若在加上励磁电流之前就把电枢电压加上，这时会产生什么后果（从TL=0和

TL=TN两种情况加以说明）？ a) TL=0时飞车

b) TL=TN时电枢电流很大。

9. 有静差调节系统和无静差调节系统的含义是什么？

a) 依靠被调量（如转速）与给定量之间的偏差来进行调节，使被调量接近不变，但又必须具有偏差（即

?U?0）的反馈控制系统，即有静差调节系统。该系统中采用比例调节器。

b) 依靠偏差进行调节，使被调量等于给定量（即?U?0）的反馈控制系统，即无静差调节系统。该

系统中采用比例积分调节器。

10. 什么叫调速范围？什么叫静差度？这两项静态指标之间有何关系？

a) 调速范围是指电动机在额定负载下最高转速和最低转速之比，即D?nmax/nmin；

b) 静差率是指负载由理想空载转速到额定负载所对应的转速降落于理想空载转速之比，即S??n/n0 c) D与S之间是相互关联的，调速范围是指在最低转速时还能满足给定静差率要求的转速可调范围；

对静差率要求越小，允许的调速范围也越小。

11. 试说明图中几种情况下系统的运行状态是加速？减速？还是匀速？（图中箭头方向为转矩的实际作用方

向）

TMTMnTLTM>TLnTLTM>TL

a) b)

TMnTLTLnTMTM=TLTM

c) d)

a）加速 b）减速 c）减速 d）加速

12. 在图中，曲线1和2分别为电动机和负载的机械特性，试判断哪些是系统的稳定平衡点？哪些不是？

n12n12Tn12n21TTT

1、2、4稳定运行，3不稳定运行。

二、计算题

1. 有一直流电动机脉宽调速系统（PWM-M）, 若外加电源电压U(E)=100V，脉冲频率f=4000HZ，在脉冲周

期内全导通时的理想空载转速n01=1000r/min，如要求电动机的理想空载转速n02=400r/min，问：此系统在一脉冲周期内的导通时间（脉冲宽度）T1应是多少？

11?s?0.25msf4000解：

T（n01?n02）0.25(1000?400)故T1??ms?0.175ms2n012?1000因T?2. 一台三相异步电动机，定子绕组接到频率为f1?50Hz的三相对称电源上，已知它运行在额定转速

nN?960r/min。问：

（1） 该电动机的极对数p是多少？

（2） 额定转差率SN是多少？

（3） 额定转速运行时，转子电动势的频率f2是多少？

解：（1） 已知异步电动机额定转差率较小，现根据电动机的额定转速nN?960r/min，便可判断出它的同步转速n0?1000r/min。于是 p? （2）额定转差率 SN?60f160?50??3 n01000n0?nN1000?960??0.04 n01000 （3）转子电动势的频率f2

f2?SNf1?0.04?50Hz?2Hz

3. 有一台三相鼠笼式异步电动机，其额定数据为：P2N?10KW,nN?1460r/min,UN?380V，?接法，

?N?0.868，cos?N?0.88，Tst/TN?1.5，Ist/IN?6.5。试求：

（1） 定子磁极数p；

（2） 额定输入电功率PIN，额定电流IN；

（3） 采用Y—?换接启动时的启动电流和启动转矩。

解：（1）现根据电动机的额定转速nN?1460r/min，便可判断出它的同步转速n0?1500r/min。于是p?60f160?50??2 n01500PN?10KW?11.52KW 0.868?11.523?380?0.88A?20A

（2）P1N??N IN?P1N3UNcos? （3）IstY?Ist6.5IN6.5?20?A?A?43.3A 333Tst1.5TN1.5?65.4??N?m?32.7N?m 333n01?1450r/min，n02?145r/min，?nN?10r/min，试求：系统的调速范围和

TstY?4. 有一直流调速系统，

系统允许的静差度。

解：系统的调速范围

D? 系统允许的静差度

nmaxn01??nN1450?101440????10.67 nminn02??nN145?10135S?S2??nN10??0.069 n021455. 如图所示，在单相半波可控整流电路中，设负载为纯电阻，交流电源电压U2为220V，输出的直流平均

电压Ud=50V，输出电流平均值Id=20A。试求：

TVSu2IdRUdu1（1） 晶闸管的控制角?；（2） 电流有效值Ie。 解：（1）根据Ud?0.45U2 故 cos??

1?cos? 22Ud2?50100?1??1??1?0

0.45U20.45?22099??90?

（2）单项半波纯电阻的电流波形系数K=2.22，故电流有效值 Ie?KId?2.22?20A?44.4A

6. 一台直流他励电动机，其额定数据为：PN?17KW,nN?1500r/min,UN?220V， IN?91A，

Ra?0.22?。试求：

（1） 额定转矩TN；

（2） 直接启动时的启动电流Ist；

（3） 如果采用降压启动，启动电流仍限制为额定电流的两倍，电源电压应为多少？ 解：（1）额定转矩

PN17?103?9.55N?m?108.2N?m TN?9.55nN1500（2）直接启动时的启动电流

Ist?UN220?A?1000A Ra0.22（3）降压启动时

??IstURa?2IN

故电源电压 U?2INRa?2?91?0.22V?40V

7. 一台直流他励电动机，其额定数据为：PN?2.2KW,nN?1500r/min,UN?110V， ??0.8，

Ra?0.4?。试求：

（1） 额定转矩TN，额定电枢电流IN；TN?14N?m， IN?（2） 直接启动时的启动电流Ist；Ist?275A

（3） 如果要使启动电流不超过额定电流的2倍，求启动电阻为多少欧？

PN?25A UN??? IstUN?2IN

Ra?RadUN?110??Ra???0.4???1.8?， 2IN?2?25? 故Rst?8．一台50Hz、八极的三相感应电动机，额定转差率sN?0.04，问该机的同步转速是多少？当该机运行在

700r/min时，转差率是多少？当该机运行在800r/min时，转差率是多少？当该机运行在起动时， 转差率

是多少？

解 同步转速 n1?60f160?50?r/min?750r/min p4额定转速 nN?(1?sN)n1?(1?0.04)?750r/min?720r/min 当n?700r/min时，转差率 s?n1?n750?700??0.067 n1750n1?n750?800???0.067 n1750n1?n750??1 n1750当n?800r/min时，转差率 s?当电动机起动时，n?0，转差率 s?9. 一台三相四极50Hz感应电动机，PN?75kW，nN?1450r/min，UN?380V，IN?160A，定子Y接法。已知额定运行时，输出转矩为电磁转矩的90%，pCu1?pCu2，pFe?2.1kW。试计算额定运行时的电磁功率、输入功率和功率因数。 解 转差率 s?1500?1450?0.0333

1500PP2?9.55N?494.2N?m nnN输出转矩 T2?9.55电磁功率 Pem?Tem?1?T2494.22??1500?1??kW?86.21kW 0.90.960转子铜耗 pCu2?sPem?0.0333?86210W?2870W 定子铜耗 pCu1?pCu2?2870W

输入功率 P1?(pCu1?pFe)?Pem?(2870?2100?86210)W?91180W 功率因数 cos?1?P13UNIN?911803?380?160?0.867

10. 有一电阻性负载，需要直流电压Ud=70V、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。 解：Ud?0.45U2?1?cos??

2??65.5? 晶闸管的导通角θ =180-65.5=114.5°

四、计算题：（选做一道题，要求写出主要计算步骤及结果，共15分）

1、一台并励电动机，额定功率PN?2.2kW，额定电压UN?220V，额定电流IN?12.2A，额定转速

nN?3000r/min，最大励磁功率PfN?68.2W。

试求：（1）最大励磁电流IfN； （2）额定运行时的电枢电流IaN； （3）额定转矩TN； （4）额定运行时的效率?N。

2、有一台三相鼠笼式异步电动机，其额定数据为：P2N?10kW，nN?1460r/min，UN?380V，?接法，?N?0.868，cos?N?0.88，Tst/TN?1.5，Ist/IN?6.5。试求： （1）额定输入功率P1N； （2）额定转差率SN； （3）额定电流IN；

（4）输出的额定转矩TN； （5）采用Y??换接启动时的启动电流和启动转矩。 四、计算题：（选做一道题，要求写出主要计算步骤及结果，共15分）

1．答案：（1）最大励磁电流 IfN?68.2A?0.31A

UN220（2）额定运行时的电枢电流 IaN?IN?IfN?(12.2?0.31)A?11.89A

?PN2.2?103?9.55N?m?7N?m （3）额定转矩 TN?9.55nN3000（4）额定运行时的效率

PfN?N?额定输出功率（轴上输出的机械功率）?10000额定输入功率（从电源输入的电功率） 3PPN2.2?10?N?10000??10000??10000?8200P1NUNIN220?12.2PN?10kW?11.52kW 0.8682．答案： （1）P1N?（2）SN??Nn0?nN1500?1460??0.027 n01500P1N11.52?A?20A （3）IN?3UNcos?3?380?0.88PN10?103?9.55?Nm?65.4Nm （4）TN?9.55nN1460I6.5INIstY?st??43.3A33（5）

T1.5TNTstY?st??32.7Nm33

四、计算题

1. 有一台他励直流电动机4 PN?29kW，4 UN?440V，4 IN?76A，4 nN?1000r/min，4

Ra?0.376?，采用降低电源电压及弱磁调速，要求最低理想空载转速4 n0min?250r/min，最高理想

空载转速4 n0max?1500r/min，试求：（1）4 T?TN时的最低转速及此时的静差率。（2）拖动恒功率负载4 P2?PN时的最高转速。（3）调速范围。

解：采用降低电源电压调速时对应于基速以下，基速以上采用弱磁调速。

（1）4 ?nN?n0?nN，4 Ce?N?UN?INRa440?76?0.376??0.411，

nN10004 n0?UN440??1070.6r/min，4 ?nN?1070.6?1000?70.6r/min，

Ce?N0.411?nN70.6??28.24%。 n0min2504 nmin?n0min??nN?250?70.6?179.4r/min，4 ??（2）拖动恒功率负载4 P2?PN时应采用弱磁调速。

4 n0max?1500r/min，4 n0?1070.6r/min， 4 Ce??UN/n0maxn1070.6Ce?N?Ce?N0?0.411??0.293，

UN/n0n0max15004 Ce??0.713Ce?N，4 PN?TN?N?T?，4 nmax?（3）调速范围应将两种方法合并考虑。 4 D?nN1000??1402.5r/min。 0.7130.713nmax1402.5??7.82。 nmin179.42.三相异步电动机4 PN=28kW，4 UN=380V，4 nN=950r/min，4 cos?N=0.88，4 fN=50Hz,额定运行时，4 pcu1?pFe?2.2kW，4 pm=1.1kW，忽略4 ps。试求(1)额定转差率4 SN；(2)总机械功率4

Pm、电磁功率4 PM和转子铜损耗4 pcu2；(3)输入功率4 P1及效率4 ?N；(4)定子额定电流4 I1N。

?nN?950r/min?n1?1000r/min解： （1） 4

SN?n1?nN1000?950??0.05n1100033

（2）4 Pm?PN?pm?28?10?1.1?10?29.1kW

4 PM?PmS29.10.05?29.1??30.63kW 4 pcu2?NPm?=1.53kW

1?SN1?0.051?SN1?0.05(3) 4 P1?PM?pcu1?pFe?30.63?2.2?32.83kW 4 ?N?PN28?100%??100%?85% P32.831P13U1Ncos?N32.83?103??56.68A

3?380?0.884 I1N?

3.5 一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：PN=180kW, U N=230V,n

N=1450r/min,ηN=89.5%，试求：

①该发电机的额定电流；

②电流保持为额定值而电压下降为100V时，原动机的输出功率（设

此时η=ηN） PN=UNIN 180KW=230*IN

IN=782.6A

该发电机的额定电流为782.6A P= IN100/η

P=87.4KW

N

3.6 已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：PN=7.5KW, U N=220V, n

N=1500r/min,

ηN=88.5%, 试求该电机的额定电流和转矩。

PN=UNINηN

7500W=220V*IN*0.885 IN=38.5A TN=9.55PN/nN =47.75Nm

3.7一台他励直流电动机：PN=15KW, U N=220V, I N=63.5A, n

N=2850r/min,Ra =0.25Ω

，其空载特性为：

U 0/ V 115 184 230 253 265 I f/A 0.442 0.802 1.2 1.686 2.10 今需在额定电流下得到150V 和220 V的端电压，问其励磁电流分别应为多少？

由空载特性其空载特性曲线.

E2652532302201841501150.4420.710.8021.081.21.6862.10If 当U=150V时 If=0.71A 当U=220V时 If=1.08A

3.8 一台他励直流电动机的铭牌数据为：PN=5.5KW, U N=110V, I

N=62A,

n N=1000r/min,试绘出它的固有机械特性曲线。 Ra=(0.50~0.75)(1-PN/UNIN)UN/IN =0.6(1-5500/110*62)*110/62 1131 =0.206Ω n0=nNUN/(UN-INRa) =1131r/min TN=9.55*5500/1000 =52.525Nm 52.525

3.9 一台并励直流电动机的技术数据如下：PN=5.5KW,U N=110V, I

N=61A,额定励磁电流I fn=2A,

n N=1500r/min,电枢电阻Ra =0.2Ω,若

忽略机械磨损和转子的铜耗，铁损，认为额定运行状态下的电磁转矩近似等于额定输出转矩，试绘出它近似的固有机械特性曲线。 n0=UNnN/(UN-INRa) TN=9.55PN/nN =110*1500/(110-61*0.2) =9.55*5500/1500 =1687 r/min =35Nm 1687

3.10一台他励直流电动机的技术数据如下：PN=6.5KW,U N=220V, I

N=34.4A,

n N=1500r/min, Ra =0.242Ω,试计算出此电动机的如下特

性：

①固有机械特性；

②电枢服加电阻分别为3Ω和5Ω时的人为机械特性；

③电枢电压为U N/2时的人为机械特性； ④磁通φ=0.8φN时的人为机械特性； 并绘出上述特性的图形。 ① n0=UNnN/(UN-INRa) =220*1500/220-34.4*0.242 = 1559r/min TN=9.55PN/nN =9.55*6500/1500 =41.38Nm

1559

41.38

② n=U/Keφ-(Ra+Rad)T/KeKtφ2 = U/Keφ-(Ra+Rad)T/9.55Ke2φ2 当3Ω n=854r/min 当5Ω n=311 r/min

③ n= U/Keφ-RaT/9.55Ke2φ2 当UN=0.5UN时 n=732 r/min n0=UNnN/2(UN-INRa) =780 r/min

n0

④ n= U/0.8Keφ-RaT/9.55Ke2φ20.82 当φ=0.8φ时n=1517 r/min n0=UNnN/0.8Keφ =1964 r/min

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, ηΩ 。试求：

① 额定电枢电流IAn; ② 额定励磁电流IfN; ③ 励磁功率Pf; ④ 额定转矩TN;

⑤ 额定电流时的反电势； ⑥ 直接启动时的启动电流；

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

N=0.8,Ra=0.4Ω

, Rf=82.7

欧？此时启动转矩又为多少？ ① PN=UNIaNηN 2200=110*IaN*0.8 IaN=25A ② Uf= RfIfN

IfN=110/82.7 =1.33A ③ Pf= UfIfN =146.3W

④额定转矩TN=9.55 PN/ nN =14Nm

⑤ 额定电流时的反电势EN=UN-INRa

=110V-0.4*25 =100V

⑥ 直接启动时的启动电流Ist=UN/Ra =110/0.4 =275A ⑦ 启动电阻 2IN> UN/ (Ra+Rst) Rst>1.68Ω

启动转矩 Keφ=(UN-INRa)/nN =0.066 Ia= UN/ (Ra+Rst) T=KtIaφ

=52.9A =9.55*0.066*52.9 =33.34Nm

. 2.8 如图2.3（b）所示，电动机转速nM=950 r/min，齿轮减速箱的传

动比J1= J2=4，卷筒直径D=0.24m,滑轮的减速比J3=2，起重负荷力 F=100N,电动机的费轮转距GD2M=1.05N m2, 齿轮，滑轮和卷筒总的传动效率为0.83。试球体胜速度v和折算到电动机轴上的静态转矩T L 以及折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GD2z.。

ωM=3.14*2n/60=99.43 rad/s.

提升重物的轴上的角速度ω=ωM/j1j2j3=99.43/4*4*2=3.11rad/s v=ωD/2=0.24/2*3.11=0.373m/s

TL=9.55FV/ηCnM=9.55*100*0.373/0.83*950=0.45NM GD2Z=δGDM2+ GDL2/jL2 =1.25*1.05+100*0.242/322 =1.318NM2

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。 n0=60f/p S=(n0-n)/ n0 =60*50/2 0.02=(1500-n)/1500 =1500r/min n=1470r/min

电动机的同步转速1500r/min. 转子转速1470 r/min, 转子电流频率.f2=Sf1=0.02*50=1 HZ

5.6 有一台三相异步电动机，其技术数据如下表所示。

型号 Y132S-6 PN/kW 3 UN/V 满载时 nN/r·min-1 IN/A ηN×100 cosφ Ist/IN 6.5 Tst/TN 2.0 Tmax/TN 2.0

试

220/380 960 12.8/7.2 83 0.75 求：①

线电压为380V时，三相定子绕组应如何接法？ ②求n0,p,SN,TN,Tst,Tmax和Ist；

③额定负载时电动机的输入功率是多少？ ① 线电压为380V时，三相定子绕组应为Y型接法.

② TN=9.55PN/nN=9.55*3000/960=29.8Nm

Tst/ TN=2 Tst=2*29.8=59.6 Nm Tmax/ TN=2.0 Tmax=59.6 Nm Ist/IN=6.5 Ist=46.8A

一般nN=(0.94-0.98)n0 n0=nN/0.96=1000 r/min SN= (n0-nN)/ n0=(1000-960)/1000=0.04 P=60f/ n0=60*50/1000=3 ③ η=PN/P输入 P输入=3/0.83=3.61

5.11有一台三相异步电动机，其铭牌数据如下：

PN/kW 40 nN/r·min-1 1470 UN/V 380 ηN×100 cosφN 90 0.9 Ist/IN 6.5 Tst/TN 1.2 Tmax/TN 接法 2.0 △ ① 当负载转矩为250N·m时，试问在U=UN和U`=0.8UN两种情况下电动机能否启动？ TN=9.55 PN/ nN

=9.55*40000/1470 =260Nm

Tst/TN=1.2 Tst=312Nm

Tst=KR2U2/（R22+X202） =312 Nm

312 Nm>250 Nm 所以U=UN时 电动机能启动。 当U=0.8U时 Tst=（0.82）KR2U2/（R22+X202） =0.64*312 =199 Nm Tst

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，求电源线路中通过的启动电流和电动机的启动转矩。 IN= PN/ UNηN cosφN√3 =40000/1.732*380*0.9*0.9 =75A Ist/IN=6.5 Ist=487.5A

降压比为0.64时电流=K2 Ist

=0.642*487.5=200A

电动机的启动转矩T= K2 Tst=0.642312=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？

① 调压调速 这种办法能够无级调速，但调速范围不大

② 转子电路串电阻调速 这种方法简单可靠，但它是有机调速，随着转速降低特性变软，转子电路电阻损耗与转差率成正比，低速时损耗大。 ③ 改变极对数调速 这种方法可以获得较大的启动转矩，虽然体积稍大，价格稍高，只能有机调速，但是结构简单，效率高特性高，且调速时所需附加设备少。

④ 变频调速 可以实现连续的改变电动机的转矩，是一种很好的调速方

法。

5.16 什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？

恒功率调速是人为机械特性改变的条件下，功率不变。恒转矩调速是人为

机械特性改变的条件下转矩不变。

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