机电传动控制第四版习题及其答案

习题与思考题

第二章 机电传动系统的动力学基础

2.1 说明机电传动系统运动方程中的拖动转矩，静态转矩和动态转

矩。

拖动转矩是有电动机产生用来克服负载转矩，以带动生产机械运

动的。 静态转矩就是由生产机械产生的负载转矩。动态转矩是拖动

转矩减去静态转矩。

2.2 从运动方程式怎样看出系统是处于加速，减速，稳态的和静态的

工作状态。

TM-TL>0说明系统处于加速，TM-TL<0 说明系统处于减速，TM-TL=0

说明系统处于稳态（即静态）的工作状态。

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）

TM

TL

TM=TL TM< TL

TM-TL>0说明系统处于加速。 TM-TL<0 说明系统处于减速

TM

TM> TL TM> TL

系统的运动状态是减速

TM

TM 系统的运动状态是加速 TM

TM= TL TM= TL

系统的运动状态是减速 系统的运动状态是匀速

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？

因为许多生产机械要求低转速运行，而电动机一般具有较高的额定

转速。这样，电动机与生产机械之间就得装设减速机构，如减速齿轮

箱或蜗轮蜗杆，皮带等减速装置。所以为了列出系统运动方程，必须

先将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量这算到一

根轴上。转矩折算前后功率不变的原则是P=Tω, p不变。转动惯量

折算前后动能不变原则是能量守恒MV=0.5Jω2

2.5为什么低速轴转矩大，高速轴转矩小？

因为P= Tω,P不变ω越小T越大，ω越大T 越小。

2.6为什么机电传动系统中低速轴的GD2逼高速轴的GD2大得多?

因为P=Tω，T=G D2/375. P=ωG D2/375. ,P不变 转速越小GD2

越大，转速越大GD2 越小。

2.7 如图2.3（a）所示，电动机轴上的转动惯量JM=2.5kgm2, 转速

nM=900r/min; 中间传动轴的转动惯量JL=16kgm2,转速nL=60

r/min。试求折算到电动机轴上的等效专惯量。

折算到电动机轴上的等效转动惯

量:j=Nm/N1=900/300=3,j1=Nm/Nl=15

J=JM+J1/j2+ JL/j12=2.5+2/9+16/225=2.79kgm2

. 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

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？

可分为1恒转矩型机械特性2离心式通风机型机械特性3直线型

机械特性4恒功率型机械特性,4种类型的负载.

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？

反抗转矩的方向与运动方向相反,,方向发生改变时,负载转矩的方向

也会随着改变,因而他总是阻碍运动的.位能转矩的作用方向恒定,与

运动方向无关，它在某方向阻碍运动，而在相反方向便促使运动。

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，

试判断哪些是系统的稳定平衡点？哪些不是？

交点是系统的稳定平衡点.

交点是系统的平衡

交点是系统的平衡点

交点不是系统的平衡点

交点是系统的平衡点

第三章

3.1 为什么直流电记得转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？

直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠加而成是因为

要防止电涡流对电能的损耗..

3.2 并励直流发电机正传时可以自励，反转时能否自励？

不能,因为反转起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩与磁场方

向相反,这样磁场被消除,所以不能自励.

3.3 一台他励直流电动机所拖动的负载转矩 TL=常数，当电枢电压附

加电阻改变时，能否改变其运行其运行状态下电枢电流的大小？

为什么？这是拖动系统中那些要发生变化？

T=KtφIa u=E+IaRa

当电枢电压或电枢附加电阻改变时,电枢电流大小不变.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态下运行时，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态值后，电枢反电势将如何变化? 是大

于，小于还是等于E1？

T=IaKtφ, φ减弱,T是常数,Ia增大.根据EN=UN-IaRa ,所以EN减

小.,小于E1.

3.5 一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：PN=180kW, U

,n N=1450r/min,ηN=89.5%，试求： N=230V

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：

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.

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

=0.206Ω

n0=nNUN/(UN-INRa)

=1131r/min

TN=9.55*5500/1000

=52.525Nm

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

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

②

= 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

④ n= U/0.8Keφ-RaT/9.55Ke2φ20.82

当φ=0.8φ时n=1517 r/min

n0=UNnN/0.8Keφ

3.11为什么直流电动机直接启动时启动电流很大？

电动机在未启动前n=0,E=0,而Ra很小,所以将电动机直接接入电

网并施加额定电压时,启动电流将很大.Ist=UN/Ra

3.12他励直流电动机直接启动过程中有哪些要求？如何实现？

他励直流电动机直接启动过程中的要求是1 启动电流不要过大,2

不要有过大的转矩.可以通过两种方法来实现电动机的启动一

是降压启动 .二是在电枢回路内串接外加电阻启动.

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

忘了先合励磁绕阻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）？当电动机运

行在额定转速下，若突然将励磁绕阻断开，此时又将出现什么情

况？

直流他励电动机启动时,一定要先把励磁电流加上使因为主磁

极靠外电源产生磁场.如果忘了先合励磁绕阻的电源开关就把电

枢电源接通，TL=0时理论上电动机转速将趋近于无限大,引起飞

车, TL=TN时将使电动机电流大大增加而严重过载.

3.14直流串励电动机能否空载运行?为什么？

串励电动机决不能空载运行,因为这时电动机转速极高,所产生的

离心力足以将绕组元件甩到槽外,还可能串励电动机也可能反转

运行.但不能用改变电源极性的方法,因这时电枢电流Ia与磁通φ

同时反响,使电瓷转矩T依然保持原来方向,则电动机不可能反转.

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=82.7

Ω 。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

3.16 直流电动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？如切出太快，会带来什么后果？

如果启动电阻一下全部切除,,在切除瞬间,由于机械惯性的作用

使电动机的转速不能突变,在此瞬间转速维持不变,机械特性会转

到其他特性曲线上,此时冲击电流会很大,所以采用逐渐切除启动

电阻的方法.如切除太快,会有可能烧毁电机.

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 ？

速度变化是在某机械特性下,由于负载改变而引起的,二速度调节

则是某一特定的负载下,靠人为改变机械特性而得到的.

3.18 他励直流电动机有哪些方法进行调速？它们的特点是什么？

他励电动机的调速方法：

第一改变电枢电路外串接电阻Rad

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，电阻越大则特性与如软，稳定型越低，载空或轻

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 当电压连续变化时转速可以平滑无级调速，一般只能自在额

定转速以下调节，调速特性与固有特性相互平行，机械特性硬度

不变，调速的稳定度较高，调速范围较大，调速时因电枢电流与

电压无关，属于恒转矩调速，适应于对恒转矩型负载。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

特点可以平滑无级调速，但只能弱词调速，即在额定转速以上调

节，调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制，调速范围不

大，调速时维持电枢电压和电流步变，属恒功率调速。

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？

电动机的电动状态特点是电动机所发出的转矩T的方向与转速n

的方向相同.制动状态特点使电动机所发的转矩T的方向与转速

n的方向相反

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。

1反馈制动

机械特性表达式:n=U/Keφ-(Ra+Rad)T/keKtφ2

T为负值,电动机正转时,反馈制动状态下的机械特性是第一

象限电动状态下的机械特性第二象限内的延伸.

反馈制动状态下附加电阻越大电动机转速越高.为使重物

降速度不至于过高,串接的附加电阻不宜过大.但即使不串

任何电阻,重物下放过程中电机的转速仍过高.如果放下的

件较重.则采用这种制动方式运行不太安全.

2反接制动

电源反接制动

电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速停车和

向的场合以及要求经常正反转的机械上.

倒拉反接制动

倒拉反接制动状态下的机械特性曲线实际上是第一象限

电动状态下的机械特性区现在第四象限中的延伸,若电动

反向转在电动状态,则倒拉反接制动状态下的机械特性曲

就是第三象限中电动状态下的机械特性曲线在第二象限

延伸..它可以积低的下降速度,保证生产的安全,缺点是若

转矩大小估计不准,则本应下降的重物可能向上升,机械特

硬度小,速度稳定性差.

3 能耗制动

机械特性曲线是通过原点,且位于第二象限和第四象限的一条直

线,优点是不会出现像倒拉制动那样因为对TL的大小估计错误而

引起重物上升的事故.运动速度也较反接制动时稳定.

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

速上升时讲电枢电源突然反接，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？

① 从反接开始到系统到达新的稳定平衡状态之间,电动机经历

了电动机正向电动状态,反接制动状态,反向电动状态,稳定平

衡状态.

电动机正向电动状态由a到b特性曲线转变; 反接制动状态转速逐

渐降低,到达c时速度为零, 反向电动状态由c到f速度逐渐增加.

稳定平衡状态,反向到达f稳定平衡点,转速不再变化.

第五章

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

5.2 将三相异步电动机接三相电源的三根引线中的两根对调，此电动

机是否会反转？为什么？

如果将定子绕组接至电源的三相导线中的任意两根线对调,例如

将B,C两根线对调,即使B相遇C相绕组中电流的相位对调,此时

A相绕组内的电流导前于C相绕组的电流2π/3因此旋转方向也

将变为A-C-B向逆时针方向旋转,与未对调的旋转方向相反.

5.3 有一台三相异步电动机，其nN=1470r/min,电源频率为50HZ。设

在额定负载下运行，试求：

① 定子旋转磁场对定子的转速；

1500 r/min

② 定子旋转磁场对转子的转速；

30 r/min

③ 转子旋转磁场对转子的转速；

30 r/min

④ 转子旋转磁场对定子的转速；

1500 r/min

⑤ 转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速。

0 r/min

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？

因为负载增加n减小,转子与旋转磁场间的相对转速( n0-n)增加,

转子导体被磁感线切割的速度提高,于是转子的感应电动势增加,转子

电流特增加,.定子的感应电动使因为转子的电流增加而变大,所以定

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