控制電機(第四版)陳隆昌 閻治安 課后問題詳解

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1、word 第二章 1.為什么直流發(fā)電機電樞繞組元件的電勢是交變電勢而電刷電勢是直流電勢? 答：電樞連續(xù)旋轉， 導體ab和cd輪流交替地切割N極和S極下的磁力線， 因而ab和cd中的電勢與線圈電勢是交變的。 由于通過換向器的作用， 無論線圈轉到什么位置， 電刷通過換向片只與處于一定極性下的導體相連接， 如電刷A始終與處在N極下的導體相連接， 而處在一定極性下的導體電勢方向是不變的， 因而電刷兩端得到的電勢極性不變，為直流電勢。 2. 如果圖 2 - 1 中的電樞反時針方向旋轉， 試問元件電勢的方向和A、 B電刷的極性如何? 答：在圖示瞬時，N極下導體ab中電勢的方向由b指

2、向a，S極下導體cd中電勢由d指向c。電刷A通過換向片與線圈的a端相接觸，電刷B與線圈的d端相接觸，故此時A電刷為正，B電刷為負。 當電樞轉過180°以后，導體cd處于N極下，導體ab處于S極下，這時它們的電勢與前一時刻大小相等方向相反，于是線圈電勢的方向也變?yōu)橛蒩到d，此時d為正，a為負，仍然是A刷為正，B刷為負。 4. 為什么直流測速機的轉速不得超過規(guī)定的最高轉速? 負載電阻不能小于給定值? 答：轉速越高，負載電阻越小，電樞電流越大，電樞反響的去磁作用越強，磁通被削弱得越多，輸出特性偏離直線越遠，線性誤差越大，為了減少電樞反響對輸出特性的影響，直流測速發(fā)電機的轉速不得超過規(guī)定

3、的最高轉速，負載電阻不能低于最小負載電阻值，以保證線性誤差在限度的X圍內。而且換向周期與轉速成反比，電機轉速越高，元件的換向周期越短；eL正比于單位時間內換向元件電流的變化量?；谏鲜龇治?，eL必正比轉速的平方，即eL∝n2。同樣可以證明ea∝n2。因此，換向元件的附加電流與延遲換向去磁磁通與n2成正比，使輸出特性呈現(xiàn)非線性。所以，直流測速發(fā)電機的轉速上限要受到延遲換向去磁效應的限制。為了改善線性度，采用限制轉速的措施來削弱延遲換向去磁作用，即規(guī)定了最高工作轉速。 5. 如果電刷通過換向器所連接的導體不在幾何中性線上， 而在偏離幾何中性線α角的直線上， 如圖 2 - 29 所示， 試綜合

4、應用所學的知識， 分析在此情況下對測速機正、 反轉的輸出特性的影響。(提示： 在圖中作一輔助線。)正反向特性不一致。 6. 具有 16 個槽， 16 個換向片的兩極直流發(fā)電機結構如圖 2 - 30 所示。 (1) 試畫出其繞組的完整連接圖； (2) 試畫出圖示時刻繞組的等值電路圖； (3) 假設電樞沿順時針方向旋轉， 試在上兩圖中標出感應電勢方向和電刷極性； (4) 如果電刷不是位于磁極軸線上， 例如順時針方向移動一個換向片的距離， 會出現(xiàn)什么問題? 第三章 1. 直流電動

5、機的電磁轉矩和電樞電流由什么決定? 答 直流電動機的電樞電流不僅取決于外加電壓和本身的內阻，而且還取決于與轉速成正比的反電勢〔當?=常數(shù)時〕 根據(jù)轉矩平衡方程式， 當負載轉矩不變時， 電磁轉矩不變； 加上勵磁電流If不變， 磁通Φ不變， 所以電樞電流Ia也不變，直流電動機的電磁轉矩和電樞電流由直流電動機的總阻轉矩決定。 2. 如果用直流發(fā)電機作為直流電動機的負載來測定電動機的特性(見圖 3 - 33)， 就會發(fā)現(xiàn)， 當其他條件不變， 而只是減小發(fā)電機負載電阻RL時， 電動機的轉速就下降。 試問這是什么原因? 3. 一臺他勵直流電動機， 如果勵磁電流和被拖動的負

6、載轉矩都不變， 而僅僅提高電樞端電壓， 試問電樞電流、 轉速變化怎樣? 答：最終電樞電流不變，轉速升高 4. 一臺直流電動機， 其電樞額定電壓Ua=110 V， 額定運行時的電樞電流Ia=0.4 A， 轉速n=3600 r/min, 它的電樞電阻Ra=50 Ω， 空載阻轉矩T0=15 mN·m。 試問該電動機額定負載轉矩是多少? 5. 用一對完全一樣的直流機組成電動機—發(fā)電機組， 它們的勵磁電壓均為 110 V， 電樞電阻Ra=75 Ω。 當發(fā)電機不接負載， 電動機電樞電壓加 110 V時， 電動機的電樞電流為 0.12 A， 繞組的轉速為 4500 r/min。

7、試問： (1) 發(fā)電機空載時的電樞電壓為多少伏? (2) 電動機的電樞電壓仍為 110 V， 而發(fā)電機接上 0.5 kΩ的負載時， 機組的轉速n是多大(設空載阻轉矩為恒值)? 6. 一臺直流電動機， 額定轉速為 3000 r/min。 如果電樞電壓和勵磁電壓均為額定值， 試問該電機是否允許在轉速n=2500 r/min下長期運轉? 為什么? 答：不能，因為根據(jù)電壓平衡方程式，假設電樞電壓和勵磁電壓均為額定值，轉速小于額定轉速的情況下，電動機的電樞電流必然大于額定電流，電動機的電樞電流長期大于額定電流，必將燒壞電動機的電樞繞組

8、 7. 直流電動機在轉軸卡死的情況下能否加電樞電壓? 如果加額定電壓將會有什么后果? 答：不能，因為電動機在轉軸卡死的情況小，加額定的電樞電壓，如此電壓將全部加載電樞繞組上，此時的電樞電流為堵轉電流，堵轉電流遠遠大于電樞繞組的額定電流，必將燒壞電動機的電樞繞組。 8. 并勵電動機能否用改變電源電壓極性的方法來改變電動機的轉向? 答：不能，改變電動機的轉向有兩種方法：改變磁通的方向和改變電樞電流的方向，如果同時改變磁通的方向和電樞電流的方向，如此電動機的轉向不變。并勵電動機假設改變電源電壓的極性，將同時改變磁通的方向和電樞電流的方向，如此電動機的轉向不變。 9.

9、 當直流伺服電動機電樞電壓、 勵磁電壓不變時， 如將負載轉矩減少， 試問此時電動機的電樞電流、 電磁轉矩、 轉速將怎樣變化? 并說明由原來的穩(wěn)態(tài)到達新的穩(wěn)態(tài)的物理過程。 10. 請用電壓平衡方程式解釋直流電動機的機械特性為什么是一條下傾的曲線? 為什么放大器內阻越大， 機械特性就越軟? 11. 直流伺服電動機在不帶負載時， 其調節(jié)特性有無死區(qū)? 調節(jié)特性死區(qū)的大小與哪些因素有關? 12. 一臺直流伺服電動機帶動一恒轉矩負載(負載阻轉矩不變)， 測得始動電壓為 4 Ｖ， 當電樞電壓Ua=50 V時， 其轉速為 1500 r/min。 假設要求轉速達到 3000 r/min， 試

10、問要加多大的電樞電壓? 13. 一臺直流伺服電動機的電樞電壓Ua=110 V， 空載電流Ia0=0.055A， 空載轉速n′0=4600 r/min， 電樞電阻Ra=80 Ω。 試求： ?(1) 當電樞電壓Ua=67.5 V時的理想空載轉速n0與堵轉轉矩Td; (2) 該電機假設用放大器控制， 放大器內阻Ri=80 Ω， 開路電壓Ui=67.5 V， 求這時的理想空載轉速n0與堵轉轉矩Td; (3) 當阻轉矩TL+T0由 30×10-3N·m增至 40×10-3N·m時， 試求上述兩種情況下轉速的變化Δn。

11、第五章 1.各種自整角機的國內代號分別是什么?自整角機的型號中各量含義是什么? 答：常見自整角機的國內代號：力矩式發(fā)送機：ZLF， 力矩式接收機：ZLJ，控制式發(fā)送機：ZKF， 控制式變壓器：ZKB，差動發(fā)送機：ZCF，差動接收機：ZCJ，控制式差動發(fā)送機：ZKC。型號中前兩位數(shù)字(由左向右排列)表示機座號, 中間三個字母表示產品名稱代號, 后兩位數(shù)字表示性能參數(shù)序號。 2. 何為脈振磁場?它有何特點和性質? 答：脈振磁場：是一種空間位置固定而幅值在正負最大值之間變化的磁場。單相繞組，通入單相交流電時，便產生兩極脈振磁場。單相基波脈振磁場的物理意義可歸納為如下兩點： (1)

12、 對某瞬時來說， 磁場的大小沿定子內圓周長方向作余弦分布； (2) 對氣隙中某一點而言， 磁場的大小隨時間作正弦變化。 3. 自整角變壓器的轉子繞組能否產生磁勢? 如果能， 請說明有何性質? 答：假設自整角變壓器的轉子繞組電路閉合，如此會有輸出電流產生，該電流也為單相正弦交流電，如此該電流通過自整角變壓器的轉子繞組〔單相繞組〕必然產生兩極脈振磁場。該磁場具備脈振磁場的兩個性質： (1) 對某瞬時來說， 磁場的大小沿定子內圓周長方向作余弦分布； (2) 對氣隙中某一點而言， 磁場的大小隨時間作正弦變化。 4.說明ZKF的定子磁密的產生與特點。 如果將

13、控制式運行的自整角機中定子繞組三根引出線改接, 例如圖 5 - 19中的D1和D′2聯(lián), D2和D′1聯(lián), 而D3仍和D′3聯(lián)接, 其協(xié)調位置和失調角又如何分析? 答：控制式發(fā)送機的轉子勵磁繞組產生的勵磁磁場氣隙磁通密度在空間按余弦波分布，它在定子同步繞組中分別感應出時間相位一樣、幅值與轉角θ1有關的變壓器電勢，這些電勢在ZKF的定子繞組中產生電流，形成磁場。其特點是： (1) 定子三相合成磁密相量和勵磁繞組軸線重合, 但和勵磁磁場反向。 (2) 故定子合成磁場也是一個脈振磁場。 (3) 定子三相合成脈振磁場的幅值恒為一相磁密最大值的3/2

14、倍, 它的大小與轉子相對定子的位置角θ1無關。 其協(xié)調位置將超前原位置120°，失調角γ=-［30°+〔 θ2-θ1〕］ 5.三臺自整角機如圖 5 - 34接線。 中間一臺為力矩式差動接收機, 左右兩臺為力矩式發(fā)送機, 試問： 當左、 右邊兩臺發(fā)送機分別轉過θ1、 θ2角度時, 中間的接收機轉子將轉過的角度θ和θ1、 θ2之間是什么關系? 答：有圖可知， θ1<θ2，他們都是順時針方向旋轉；所以θ=θ2-θ1，如此中間的接收機將順時針轉過θ=θ2-θ1的角度。 原、 副邊都補償?shù)恼嘞倚D變壓器 原邊和副邊都補償時的正余弦旋轉變壓器如圖 6 -

15、 7 所示, 此時其四個繞組全部用上, 轉子兩個繞組接有外接阻抗ZL和Z′, 允許ZL有所改變。 和單獨副邊或單獨原邊補償?shù)膬煞N方法比擬, 采用原、 副邊都補償?shù)姆椒? 對消除輸出特性畸變的效果更好。這是因為, 單獨副邊補償時補償所用阻抗Z′的數(shù)值和旋轉變壓器所帶的負載阻抗ZL的值必須相等。 對于變動的負載阻抗來說, 這樣不能實現(xiàn)完全補償。 第六章 1.消除旋轉變壓器輸出特性曲線畸變的方法是什么? 答：原邊補償和副邊補償。 2.正余弦旋轉變壓器副邊全補償?shù)臈l件是什么?原邊全補償?shù)臈l件又是什么? 答：副邊全補償?shù)臈l件是：轉子另一輸出繞組接一個等于負載阻抗

16、ZL的阻抗；原邊全補償?shù)臈l件是：定子交軸繞組外接阻抗Z等于勵磁電源內阻抗Zn。 3.旋轉變壓器副方全補償時只產生與轉角如何(有關; 無關)的直軸磁場?而能否(不; 可以)產生交軸磁場, 其原因是什么? 答：旋轉變壓器副方全補償時只產生與轉角有關的直軸磁場，不產生交軸磁場, 其原因是：對稱繞組不產生交軸磁場或者說它們產生的交軸磁場相互抵消。 4.采用原方全補償時, 旋轉變壓器在工作時交軸磁通在某繞組中感生電流, 該電流所產生的磁通對交軸磁通有什么作用?單獨原邊全補償時, 負載阻抗改變將能否(不; 可以)影響其補償程度, 即與負載阻抗值的改變是否有關? 答：感生電流所產生的磁通對交軸磁通

17、有去磁作用，單獨原邊全補償時, 負載阻抗改變不影響其補償程度, 即與負載阻抗值的改變無關。 5.線性旋轉變壓器是如何從正余弦旋轉變壓器演變過來的?線性旋轉變壓器的轉子繞組輸出電壓UR2和轉角θ的關系式是什么?改良后的線性旋變, 當誤差小于0.1%時,轉角θ的角度X圍是什么? 答：將正余弦旋轉變壓器的定子勵磁繞組和轉子余弦輸出繞組串聯(lián), 并作為勵磁的原邊。 定子交軸繞組短接作為原邊補償, 轉子正弦輸出繞組作為輸出繞組，即可將正余弦旋轉變壓器變?yōu)榫€性旋轉變壓器。線性旋轉變壓器的轉子繞組輸出電壓UR2和轉角θ的關系式是： 改良后的線性旋變, 當誤差小于0.1%時,轉角θ的角度X圍是±6

18、0°。 7.感應移相器的主要特點是什么? 具備這些特點的原因是什么? 答：感應移相器的主要特點是：輸出電壓的相位與轉子轉角成線性關系, 而且其輸出電壓的幅值能保持恒定。原因是：將旋轉變壓器接上移相電路構成感應移相器后，其本身的參數(shù)和外接電路滿足以下兩個條件時: 其輸出電壓的相位與轉子轉角滿足下面函數(shù)式 第七章 1. 單相繞組通入直流電、 交流電與兩相繞組通入兩相交流電各形成什么磁場? 它們的氣隙磁通密度在空間怎樣分布， 在時間上又怎樣變化? 答：單相繞組通入直流電會形成恒定的磁場，單相繞組通入交流電會形成脈振磁場；兩相繞組通入兩相交流電會形成脈振磁場或旋

19、轉磁場。恒定磁場在磁場內部是一個勻強磁場，不隨時間變化。脈振磁場的幅值位置不變，其振幅永遠隨時間交變；對某瞬時來說， 磁場的大小沿定子內圓周長方向作余弦分布，對氣隙中某一點而言， 磁場的大小隨時間作正弦變化。圓形旋轉磁場的特點是： 它的磁通密度在空間按正弦規(guī)律分布， 其幅值不變并以恒定的速度在空間旋轉。 2. 何為對稱狀態(tài)? 何為非對稱狀態(tài)? 交流伺服電動機在通常運行時是怎樣的磁場? 兩相繞組通上相位一樣的交流電流能否形成旋轉磁場? 答：一般地， 當兩相繞組產生圓形旋轉磁場時， 這時加在定子繞組上的電壓分別定義為額定勵磁電壓和額定控制電壓， 并稱兩相交流伺服電動機處于對稱狀態(tài)。當兩相

20、繞組產生橢圓形旋轉磁場時， 稱兩相交流伺服電動機處于非對稱狀態(tài)。兩相繞組通上相位一樣的交流電流不能形成旋轉磁場，只能形成脈振磁場 3. 當兩相繞組匝數(shù)相等和不相等時， 加在兩相繞組上的電壓與電流應符合怎樣條件才能產生圓形旋轉磁場? 答：當兩相繞組匝數(shù)相等時，加在兩相繞組上的電壓與電流值應相等才能產生圓形旋轉磁場。當兩相繞組有效匝數(shù)不等時， 假設要產生圓形旋轉磁場， 電流值應與繞組匝數(shù)成反比，電壓值應與繞組匝數(shù)成正比。 4. 改變交流伺服電動機轉向的方法有哪些? 為什么能改變? 答：把勵磁與控制兩相繞組中任意一相繞組上所加的電壓反相(即相位改變180°)， 就可以改變旋轉磁場的轉向。

21、因為旋轉磁場的轉向是從超前相的繞組軸線(此繞組中流有相位上超前的電流)轉到落后相的繞組軸線，而超前的相位剛好為90°。 5. 什么叫作同步速〞 如何決定? 假設電源頻率為60 Hz， 電機極數(shù)為6， 電機的同步速等于多少? 答：旋轉磁場的轉速常稱為同步速， 以ns表示。同步速只與電機極數(shù)和電源頻率有 關， 其關系式為： ，假設電源頻率為60 Hz， 電機極數(shù)為6， 電機的同步速等于1200r/min。 6. 為什么交流伺服電動機有時能稱為兩相異步電動機? 如果有一臺電機， 技術數(shù)據(jù)上標明空載轉速是1 200 r/min， 電源頻率為50 Hz， 請問這是幾極電機? 空載轉差率是

22、多少? 答：因為交流伺服電動機的定子繞組有勵磁繞組和控制繞組兩相組成，交流伺服電動機轉速總是低于旋轉磁場的同步速，而且隨著負載阻轉矩值的變化而變化， 因此交流伺服電動機又稱為兩相異步伺服電動機。空載轉速是1200 r/min， 電源頻率為50 Hz的電機是4極電機，空載轉差率是20%。 7. 當電機的軸被卡住不動， 定子繞組仍加額定電壓， 為什么轉子電流會很大? 伺服電動機從啟動到運轉時， 轉子繞組的頻率、 電勢與電抗會有什么變化? 為什么會有這些變化? 答：當電機的軸被卡住不動， 定子繞組仍加額定電壓， 此時電動機處于堵轉狀態(tài)，感應電勢ER較大，所以轉子電流會很大。伺服電動機從啟

23、動到運轉時， 轉子繞組的頻率、 電勢與電抗會變小， 因為電機轉動時，轉子導體中感應電流的頻率、電勢與電抗分別等于轉子不動時的頻率、電勢與電抗乘上轉差率 9. 什么是電源移相， 什么是電容移相， 電容移相時通常移相電容值怎樣確定? 電容伺服電動機轉向怎樣? 答：直接將電源移相或通過移相網(wǎng)絡使勵磁電壓和控制電壓之間有一固定的90°相移， 這些移相方法通稱為電源移相。在交流伺服電動機內部采用勵磁相串聯(lián)電容器移相的移相方法叫電容移相。電容伺服電動機轉向是從勵磁繞組轉向控制繞組。 10. 怎樣看出橢圓形旋轉磁場的幅值和轉速都是變化的? 當有效信號系數(shù)αe從0~1變化時， 電機磁場的橢圓度怎樣變化?

24、 被分解成的正、 反向旋轉磁場的大小又怎樣變化? 答：橢圓形旋轉磁場的幅值和轉速都是變化的詳見課本151頁，當有效信號系數(shù)αe從0~1變化時， 電機磁場的橢圓度將變小，被分解成的正向旋轉磁場增大，反向旋轉磁場減小。 11. 什么是自轉現(xiàn)象? 為了消除自轉， 交流伺服電動機零信號時應具有怎樣的機械特性? 答：當伺服電動機的控制電信號Uk=0時， 只要阻轉矩小于單相運行時的最大轉矩， 電動機仍將在電磁轉矩T作用下繼續(xù)旋轉的現(xiàn)象叫自轉現(xiàn)象。為了消除自轉， 交流伺服電動機零信號時的機械特性應位于二、四象限 12. 與幅值控制時相比， 電容伺服電動機定子繞組的電流和電壓隨轉速的變化情況有哪些不

25、同? 為何它的機械特性在低速段出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象? 答：與幅值控制時相比， 電容伺服電動機定子繞組的電流和電壓隨轉速的增加而增大，勵磁電壓Uf的相位也增大。因機械特性在低速段隨著轉速的增加轉矩下降得很慢， 而在高速段， 轉矩下降得很快， 從而使機械特性在低速段出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象(即機械特性負的斜率值降低)。 13. 何為交流伺服電動機的額定狀態(tài)? 額定功率含義如何? 答：電機處于對稱狀態(tài)，當轉速接近空載轉速n0的一半時，輸出功率最大，通常就把這點規(guī)定為交流伺服電動機的額定狀態(tài)。電機可以在這個狀態(tài)下長期連續(xù)運轉而不過熱，這個最大的輸出功率就是電機的額定功率P2n 。 15. 一臺兩極的兩相伺服電動機， 勵磁繞組通以400 Hz的交流電， 當轉速n=18 000 r/min時， 使控制電壓Uk=0， 問此瞬時： (1) 正、 反旋轉磁場切割轉子導體的速率(即轉差)為多少? (2) 正、 反旋轉磁場切割轉子導體所產生的轉子電流頻率各為多少? (3) 正、 反旋轉磁場作用在轉子上的轉矩方向和大小是否一樣? 哪個大?為什么? 答：〔1〕旋轉磁場的同步速ns為： ’ 17 / 17