苏州市职业大学电机与运动课后题答案.doc

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苏州市职业大学电机与运动控制课后题答案

1.直流电机主要由哪几部分组成？

各组成部分都有什么作用？

答：

直流电机主要由定子（静止部分）和转子（转动部分）组成，这两部分之间的间隙称为气隙。

其中定子的主要作用是作为电机的机械支撑和产生磁场。

转子的主要作用是产生感应电动势和电磁转矩实现能量的转换。

2.试说明直流电动机与直流发电机工作原理有何不同？

答：

直流发电机的模型与直流电动机相同。

不同的是电刷上不加直流电压。

而是利用原动机拖动电枢朝某一方旋转，。

3.直流电机中，为什么要用电刷和换向器，他们起什么作用？

电刷的作用是连接转子上的绕组，通过它构成电流的回路。

换向器顾名思意，是改变转向的。

直流电机通过改变电压的正负极改变方向

4.直流电机电刷内的点数绕组中所流过的电流是直流还是交流，若是交流，交流频率是多少

直流电机电刷内的电枢绕组中所流过的电流是交流，而电刷外部为直流。

电刷与换向器组合实现了外部直流与内部交流的转换（或换流）。

内部电枢绕组所

感应电势或电流的频率为：

f=P*n/60HZ

即内部电流的方向每转交变p次（p为电机的极对数）。

5.直流电动机总共有几种励磁方式？

不同励磁方式下，其线路电流I1、电枢电流Ia以及励磁电流If之间存在什么关系？

答：

直流电动机的励磁方式可分为他励和自励两大类。

其中，自励又包括：

并励、串励和复励三种形式。

在采用他励时，直流电动机的励磁绕组采用单独的励磁电源供电，而电枢绕组则采用另一电源供电。

而对于自励方式的直流电机，其励磁绕组与电枢绕组采用同一电源供电。

根据接线的不同（参考教材图2.14），其线路电流、电枢电流以及励磁电流之间的关系式也不尽相同。

对于并励直流电动机，I1=Ia+If ；对于串励直流电动机，I1=Ia=If；对于复励直流电I1=Ia+If

6、 在直流发电机和直流电动机中，电磁转矩和电枢旋转方向的关系有何不同？

电枢电势和电枢电流方向的关系有何不同？

怎样判别直流电机是运行于发电机状态还是运行于电动机状态？

 2-2提示：

直流发电机：

电磁转矩和电枢旋转方向相反，电枢感应电动势和电枢电流方向相同； 直流电动机：

电磁转矩和电枢旋转方向相同，电枢感应电动势和电枢电流方向相反； 运行时直流电机的感应电动势大于电枢端电压为发电运行状态；感应电动势小于电枢端电压为电动运行状态

7、直流电机铭牌上所给出的额定功率是指输出功率还是输入功率？

是电功率还是机械功率？

答：

电机铭牌上的额定功率均指输出功率。

对于电动机，其额定功率是指电动机轴上输出的机械功率；对于发电机，其额定功率是指电枢绕组的输出电功率

8、 对于直流电动机，转子所产生的电磁转矩是驱动性的（与转速方向相同）还是制动性的（与转速方向相反）？

对于直流发电机又有何不同？

答：

对于直流电动机，由电枢绕组输入电能，通过电机内部的磁场将输入的电能转变为机械能输出，所产生的电磁转矩为驱动性的，由其拖动机械负载一同旋转；对于直流发电机，由原动机拖动转子旋转，所产生的电磁转矩为制动性的。

正是由于原动机克服制动性的电磁转矩，才将输入电机的机械能转变为电能输出

9、直流电动机在运行中励磁绕组突然开路，将发生什么现象是分析

答：

由

 ，直流电动机在正常运行过程中，若励磁绕组突然开路，即If=0

，则则减小为只有剩磁通rΦ，因此，如果电机

轻载则转子转速将迅速升高，引起所谓的“飞车”现象。

 如果电机重载，则可能引起电机堵转，最终导致电机电枢电流过大而烧毁电枢绕组。

10、并励直流电动机若端部的供电电源极性改变，其转向是否改变？

串励直流电动机呢？

答：

（1）由直流电动机的工作原理可知，电机内由电枢电枢电流和主磁场相互作用产生的单方向的电磁转矩是电机得以旋转的根本原因。

（2）欲改变直流电动机的转向只需改变电磁转矩的方向即可，由电磁转矩的公式可知，只需单独改变电枢电流Ia或者磁场Φ的方向即可。

（3）对于并励直流电动机而言，若端部的供电电压极性改变，则其电枢电流和励磁电压的极性同时改变，则其电磁转矩的方向不改变，因此不能改变其转向。

（4）对于串励直流电动机而言，其电枢电流等于励磁电流，改变其端部供电电压的极性，其电枢电流极性改变，励磁电流极性也改变，即磁场方向改变，因此其电磁转矩方向不改变，其转向不改变。

11、直流电动机负载后，气隙中共存在着几种类型的磁场？

它们分别是由哪些励磁磁势产生的？

   答：

负载后，直流电机内部存在两种类型的磁场：

一种是由定子励磁绕组磁势所产生的主磁场；另一种是由电枢绕组磁势所产生的电枢反应磁场。

两者合成既是电机内部的气隙合成磁场。

12、已知一台直流发电机的铭牌参数如下：

额定功率PN=200kW，额定电压UN=230V，额定转速nN=1450r/min，额定效率ηN=90%，试求该发电机的额定输入功率P1和额定电流IN。

答：

直流发电机PN=UN*IN，代入数据可得IN=869.6A

P1=Pn/Nn=2*10^3/90%=222.2KW。

13、一台直流电动机额定数据如下：

Pn=160KW，Un=220V，Nn=1500r/min,Nn=90%

试求额定电流和额定功率。

直流电动机的额定功率为   PN=UNINηN

则其额定电流为  略

14、一台96KW的并砺直流电动机额定电压为440V额定电流为255A，额定励磁电流为5A，额定转速为500r/min,

15.一台并励直流电动机，PN=10kw，UN=220V，nN=3000r/min，IN=206A，电枢电阻Ra=0.06Ω,励磁绕组电阻Rf=100Ω。

试计算：

1）直接起动的瞬间电流为额定电流的多少倍？

2）若限制电流不超过2IN，应在转子中串入多大电阻？

解：

1）启动电流

启动电流的倍数

所以启动电流为额定电流的18倍。

2）根据题意可知，电枢回路串电阻启动应串入的电阻为：

因此若限制电流不超过2IN，至少应在转子中串入0.48Ω电阻。

16、一台塔里直流电动机PN=46KW，UN=220V，IN=230A，nN=580r/min，Ra=0.045Ω当额定负载时求：

第二章

1、直流电动机有哪几种调速方案？

各有哪些优点？

1调节电枢供电电压U在一定范围内无级平滑调速的系统以调节电枢供电电压的方式最好。



2减弱励磁磁通∮减弱磁通虽然能够平滑调速但调速范围不大往往只是配合调压方案在额定转速以上作小范围的弱磁升速。



3改变电枢回路电阻R改变电阻只能有级调速

2、为什么直流ＰＷＭ变换器——电动机系统比相控整流器——电动机系统能够获得更好的动态性能？

a PWM变换器简单来讲调节的是脉冲串的宽度，直流成分没有受到破坏，也就是说其最大值=峰值是不变的，变的是平均值； 

b 相控整流，是由交流整流得到的直流，虽然也是平均值在变，但是其最大值、峰值也是随着导通角的大小时刻在变，且导通角越小波形的畸变越严重。

从而影响了电机的输出特性。

３、直流ＰＷＭ变换器驱动电路的特点是什么？

直流PWM变换器采用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲序列，通过调节占空比改变平均输出电压的大小，以调节直流电动机的转速

４、简述直流PWM变换器驱动电路的基本结构？

直流PWM变换器包括IGBT和续流二极管，三相交流电经过整流滤波后送往直流PWM变换器，通过改变直流PWM变换器中IGBT的控制脉冲占空比，来改变其输出电压的大小，二极管起续流作用 

5、ＰＷＭ变换器在双极性工作下会不会产生电流断续现象，为什么？

６、ＰＷＭ变换器主电路在什么情况下会出现直通？

线路可采取什么措施防止直通现象？

双极性控制方式，四个开关在工作中都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时容易发生上、下桥臂直通的事故，为防止直通，在上下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时

７、静差率与调速范围有什么关系？

静差率与机械特性硬度是一回事吗？

=D=nNs/（△nN（1-s））;

静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度；机械特

性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落

８、脉宽调速系统的开关频率是否越高越好？

不是，当开关频率非常高时，当给直流电动机供电时，有可能导致电流还未上

升至负载电流时，就已经开始下降，导致平均电流小于负载电流，电机无法运

转

９、泵升电压是怎样产生的？

对系统有何影响，如何限制？

泵升电压是当电动机工作在回馈制动状态时，将动能转换为电能回馈到直流侧，

由于二极管整流器的能量单向传递性，电能不能通过整流装置送回交流电网，

只能向滤波电容充电，造成滤波电容侧电压升高，即为泵升电压。

泵升电压过

大将导致电力电子功率开关器件被击穿。

适当选择电容的电容量，或采用泵升电压限制电路

１０、Ｖ——Ｍ开环调速系统为什么转速随系统负载增加而降低？

负载增加，负载转矩变大，则电枢电流（负载电流Id）变大，根据其机械特性

表达式n=1/Ce（Ud0-IdR）=n0-△n

可知转速降低、

１１、调速范围和静差率的定义是什么？

调速范围与静态速降与最小静差率之间有什么关系？

为什么说“脱离了调速范围要满足给定静差率就容易多了”

调速范围：

生产机械对电动机所提出的最高转速nmax与最低转速nmin之比叫做调速范围，用字母D来表示。

nmax与nmin通常指额定负载下的转速。

静差率：

负载由理想空载增加到额定负载所产生的转速降落ΔnN，与理想空载转速n0的比值，称作静差率，用字母s表示，一般用百分数表示 

１２、试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，俩个VT是如何工作的？

答：

在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。

需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1所示的双管交替开关电路。

当VT1 导通时，流过正向电流 + id ，VT2 导通时，流过  – id  。

应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。

13、在双极性PWM变换器中，同一边上、下两个电力晶体管在导通和关断的转换过程中，为什么要设置先关后开的死区时间？

在控制电路中如何实现？

略

14、在直流ＰＷＭ调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否有电压？

电路中是否还有电流为什么？

答：

电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流PWM变换器的输出。

电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。

１５、直流电动机带动一恒转矩负载，测得初始电压Ｕａ０＝４Ｖ当电枢电压Ｕａ＝５０Ｖ时，其转速ｎ＝１５００ｒ／ｍｉｎ。

若要求转速ｎ＝３０００ｒ／ｍｉｎ试问要加多大电枢电压？

略

１６、系统的调速范围是１０００－１００ｒｍｉｎ，要求静差率ｓ＝２％，那么系统容许的静差率转速速降是多少？

△n=nn*s/D（1-s）=1000*0.02/（10*0.98）=2.04rpm系统允许的静态速降为2.04rpm.

１７、某一调速系统，测得最高转速特性为ｎ０ｍａｘ＝１５００ｒ／ｍｉｎ最低转速为ｎ０ｍｉｎ＝１５０ｒ／ｍｉｎ，带额定负载时的速度降落为△ｎＮ＝１５ｒ／ｍｉｎ，且在不同转速下额定速降△ｎＮ不变试问系统能够达到的调速范围有多大，系统容许的静差率是多少？

系统能够达到的调速范围D=（n0max-△n）/（n0min-△nn）=1485/135=11

系统允许的静差率S=△nn/n0min=15/150=10%

１８、直流电动机为ＰＮ＝７４ＫＷ，ＵＮ＝２２０Ｖ，ＩＮ＝３７８Ａ，ｎＮ＝１４３０ｒ／ｍｉｎ，Ｒａ＝０．０２３Ω，相控整流器内阻Ｒｓ＝０.０２２Ω，采用降压调速。

当生产机械要求ｓ＝２０％时，求系统的调速范围有多大？

如果ｓ＝３０％，则系统的调速范围又为多少？

解：

19、某龙门刨床工作台采用V-M调速系统。

已知直流电动机，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V•min/r,求：

（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落为多少？

（2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率多少？

（3）若要满足D=20,s≤5%的要求，额定负载下的转速降落又为多少?

解：

（1）

（2）

（3）

20、有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压、比例调节器放大系数、晶闸管装置放大系数、反馈系数γ=0.7。

求：

（1）输出电压；

（2）若把反馈线断开，为何值？

开环时的输出电压是闭环是的多少倍？

（3）若把反馈系数减至γ=0.35，当保持同样的输出电压时，给定电压应为多少？

解：

（1）

（2）,开环输出电压是闭环的22倍

（3）

第三章

1、转速单闭环调速系统有哪些特点？

改变给定电压能否改变电动机的转速？

为什么？

如果给定电压不变，调节转速反馈系数是否能够改变转速？

为什么？

如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力

答：

转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节（由转速检测装置和电压放大器构成），可获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而保证在一定静差率下，能够提高调速范围。

  改变给定电压能改变电动机转速。

因为改变给定电压则改变实际转速反馈电压与给定电压的偏差，从而改变电力电子变换器的输出电压，即改变电动机的电枢电压，改变了转速。

  调节转速反馈系数能改变给定电压能改变转速。

U*=na。

  若测速发电机励磁发生变化，则反馈电压发生变化，当给定电压一定时，则电压偏差发生变化，从而转速改变。

故系统无克服测速发电机励磁发生变化干扰的能力。

2、为什么用积分控制的调速系统是无静差的？

在转速单闭环调速系统中，当积分调节器的输入偏差电压△U=0时，调节器的输出电压是多少？

它决定于哪些因素？

  答：

因为积分调节器能在电压偏差为零时仍有稳定的控制电压输出，从而克服了比例调节器必须要存在电压偏差才有控制电压输出这一比例控制的调速系统存在静差的根本原因。

  当积分调节器的输入偏差电压为零时，调节器输出电压应为一个恒定的积分终值。

它取决于输入偏差量在积分时间内的积累，以及积分调节器的限幅值。

3、在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？

为什么？

  答：

仍然受影响。

因为无静差转速单闭环调速系统只是实现了稳态误差为零，因此若给点电源发生偏移，或者测速发电机精度受到影响而使反馈电压发生改变，系统仍会认为是给定或转速发生改变，从而改变转速，以达到电压偏差为零。

4、在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时系统是否有调节作用？

为什么？

（已验证） 

（1）放大器的放大系数Kp。

（2）供电电网电压Ud。

 （3）电枢电阻Ra。

（4）电动机励磁电流If。

 （5）转速反馈系数α。

  答：

（1）有。

假设Kp减小，则控制电压减小，则电力电子变换器输出减小，则电动机转速下降；而电动机转速下降，则反馈电压减小，则偏差电压增大，则控制电压增大，则转速上升。

（2）有。

不解释。

   （3）有。

不解释。

   （4）有。

不解释。

   （5）没有。

不解释。

5、在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较之负载变化前是增加、减少还是不变？

 在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速n和整流装置的输出电压Ud是增加、减少还是不变？

（已验证）

6、在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较之负载变化前是增加、减少还是不变？

 在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速n和整流装置的输出电压Ud是增加、减少还是不变？

（已验证）  答：

（1）Ud减小。

因负载减小，转速上升，反馈电压增加，给定电压一定，偏差电压减小，控制电压减小，故输出电压减小。

在采用PI调节器的单闭环自动调节系统中，调节对象包含有积分环节，突加给定后PI调节器没有饱和，系统到达稳态前被调量会出现超调吗？

 答：

1）Ud减少   2）n不变，Ud增加   3）一定超调

6、转速反馈调速系统中，为了解决动静态间的矛盾，可以采用PI调节器吗为什么

略

7、某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min，要求系统的静差率，那么系

统允许的静态速降是多少？

如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？

8、某闭环调速系统的开环放大倍数为15时，额定负载下电动机的速降为8r/min，如果将开环放大倍数提高到30，它的速降为多少？

在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？

9、某调速系统的调速范围D=20，额定转速nN=1500/min开环转速降落

△nNOP=240r/min，若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将如何变化？

10、在转速负反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测速发电机励磁各量发生变化时，都会引起转速的变化，问系统对上述各量有无调节能力？

为什么？

答：

当电网电压发生变化时，系统对其有调节能力。

因为电网电压是系统的给定反馈控制系统完全服从给定。

负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻变化时系统对其有调节能力。

因为他们的变化最终会影响到转速，都会被测速装置检测出来。

再通过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。

测速发电机励磁各量发生变化时，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。

反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。

11、有一V—M调速系统。

电动机参数为：

12、在题1-11的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流

13、略

14、有一个V—M系统，已知：

电动机：

第四章

3、在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？

改变转

速调节器的放大倍数K行不行？

改变电力电子变换器的放大倍数行不行？

改变转速反馈系数α行不行？

若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？

答：

双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系

因此转速n是由给定电压决定的；改变转速反馈系数也可以改变电动机转速。

改变转速调节器的放大倍数Kn和电力电子变换器的放大倍数Ks不可以。

4、转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少？

为什么？

答：

当两个调节器都不饱和时，它们的输入偏差电压都是零转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压

5、如果转速、电流双闭环调速系统中的转速调节器不是PI调节器，而改为P调节器，对系统的静、动态性能将会产生什么影响？

答：

改为P调节器时其输出量总是正比于输入量，PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关而是由它后面环节的需要决定的。

6、在转速、电流双闭环系统中，转速给定信号Un※未改变，若增大转速反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压Un是增加还是减少还是不变？

为什么？

答：

Un不变，因为PI调节器在稳态时无静差，即：

Un※=Un，Un※未改变，则，Un也不变。

7、在转速、电流双闭环系统中，采用PI调节器，当系统带额定负载运行时，转速反馈线突然断线，系统重新进入稳态后，电流调节器的输入偏差电压△Ui是否为0，为什么？

答：

反馈线未断之前，Id=In，令n=n1，当转速反馈断线，ASR迅速进入饱和，Un※=Un※max，Uc↑，Id↑至Idm，Te＞Tl，n↑，Id↓，△Ui出现，Id↑至Idm，n↑，Id↓，此过程重复进行直到ACR饱和，n↑，Id↓，当Id=In，系统重新进入稳态，此时的速度n2＞n1，电流给定为Un※max=Idmaxβ＞电流反馈信号Un=Inβ，偏差△Ui不为0。

8、在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器。

已知参

9、在转速、电流双闭环调速系统中，调节器ASR、ACR均采用PI调节器。

当ASR输出达到时，主电路电流达到最大电流80A。

（1）Ui应如何变化？

（2）Uc应如何变化？

解：

（1）β=Uim*/Idm=8/80=0.1

电流为40A时：

Ui=Idβ=40×0.1=4V

电流为70A时：

Ui=Idβ=70×0.1=7V

（2）Uc增加。

10、在双闭环直流调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因电动机励磁下降一半，系统工作情况将会如何变化？

（λ=1.5）

答：

设突发状况之前的磁通为Ø1，令此时的磁通为Ø2，之前的电磁力矩为Te1，此刻的电磁力矩为Te2，负载转矩恒为Tl，电机励磁下降一半，则Ø2=0.5Ø1，Te2=Cm（Ø2）Id=0.5Te1＜Tl，n↓，Id↑甚至到Idm，Te2=Cm（Ø2）Idm=0.75Te1＜Tl，n会一直下降到0。

11、有一个系统，其控制对象的传递函数为Wobj（s）=10/（0.01s+1），要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量σ≤5%（按线性系统考虑）。

试对该系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。

解：

可选择积分调节器，设其传递函数为：

W（s）=ki/s，则校正成新系统的传递函数为：

W新（s）=10Ki/s（0.01s+1），将原系统校正成Ⅰ型系统WⅠ（s）=K/s（Ts+1）以实现无静差，按σ≤5%要求查表取：

KT=0.5即：

10Ki×0.01=0.5，得：

Ki=5。

14、调节对象的传递函数为Wobj（s）=18/[（0.25s+1）（0.005s+1）],要求用调节器将其校正成典型Ⅰ型和Ⅱ系统，确定调节器的结构和参数。

解：

（1）校正成典型Ⅰ型系统：

①选择调节器为PI调节器，Wpi（s）=Kpi（τs+1）/τs；

②令τ=0.25，则校正之后的新系统的传递函数为W（s）=18Kpi/[τs（0.005s+1）]；

③WⅠ（s）=K/s（Ts+1），令KT=0.5，则，18Kpi/τ×0.005=0.5，代入τ=0.25，得：

Kpi=1.4。

（2）校正成典型Ⅰ型系统：

①传递函数近似处理：

Wobj（s）=18/[（0.25s+1）（0.005s+1）]≈18/[0.25s（0.005s+1）]；

②选择调节器为PI调节器，Wpi（s）=Kpi（τs+1）/τs；

③校正之后的新系统的传递函数为W（s）=18Kpi（τs+1）/[0.25τs2（0.005s+1）]；

④WⅡ（s）=K（τs+1）/s2（Ts+1），令h=5，h=τ/T=τ/0.005=5，则τ=0.025；K=（h+1）/2h2T2=18Kpi/0.25τ，代入τ，T，h，得：

Kpi=1.67。

15、试从下述五个方面来比较转速、电流双闭环调速系统和带电流截止环节的转速单闭环调速系统：

答：

（1）转速、电流双闭环调速系统在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的。

ASR的输出量是由负载电流IdL决定的。

控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于和IdL。

双闭环调速系统的