自动控制元件第四版习题答案.docx

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自动控制元件第四版习题答案

部分习题答案，仅供参考！

直流测速发电机

1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直

流电势?

答：

电枢连续旋转，导体ab和cd轮流交替地切割N极和S极下的磁

力线，因而ab和cd中的电势及线圈电势是交变的。

由于通过换向器的作用，无论线圈转到什么位置，电刷通过换向

片只与处于一定极性下的导体相连接，

如电刷

A始终与处在

N极下

的导体相连接，

而处在一定极性下的导体电势方向是不变的，

因而

电刷两端得到的电势极性不变，为直流电势。

2.如果图2-1中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和

A、B电刷的极性如何?

答：

在图示瞬时，N极下导体ab中电势的方向由b指向a，S极下导

体cd中电势由d指向c。

电刷A通过换向片与线圈的a端相接触，电刷B与线圈的d端相接触，故此时A电刷为正，B电刷为负。

当电枢转过180°以后，导体cd处于N极下，导体ab处于S极

下，这时它们的电势与前一时刻大小相等方向相反，于是线圈电势的

方向也变为由a到d，此时d为正，a为负，仍然是A刷为正，B刷为

负。

4.为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速?

负载电阻不能小于给定值?

答：

转速越高，负载电阻越小，电枢电流越大，电枢反应的去磁作用

越强，磁通被削弱得越多，输出特性偏离直线越远，线性误差越大，

为了减少电枢反应对输出特性的影响，直流测速发电机的转速不得超

过规定的最高转速，负载电阻不能低于最小负载电阻值，以保证线性

误差在限度的范围内。

而且换向周期与转速成反比，电机转速越高，

元件的换向周期越短；eL正比于单位时间内换向元件电流的变化量。

基于上述分析，eL必正比转速的平方，即eL∝n2。

同样可以证明ea

∝n2。

因此，换向元件的附加电流及延迟换向去磁磁通与n2成正比，

使输出特性呈现非线性。

所以，直流测速发电机的转速上限要受到延

迟换向去磁效应的限制。

为了改善线性度，采用限制转速的措施来削

弱延迟换向去磁作用，即规定了最高工作转速。

第三章

1.直流电动机的电磁转矩和电枢电流由什么决定?

答;直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压和本身的内阻，而且还取决于与转速成正比的反电势（当?

=常数时）

根据转矩平衡方程式，当负载转矩不变时，电磁转矩不变；加上励磁电流If不变，磁通Φ不变，所以电枢电流Ia也不变，直流电动机的电磁转矩和电枢电流由直流电动机的总阻转矩决定。

3.一台他励直流电动机，如果励磁电流和被拖动的负载转矩都不变，而仅仅提高电枢端电压，试问电枢电流、转速变化怎样?

答：

当直流伺服电动机负载转矩、励磁电流不变时，仅将电枢电压

增大，此时由于惯性，转速来不及变化，Ea=Ceφn，感应电势不变，电枢电压增大，由电压平衡方程式：

Ia=（Ua-Ea）/Ra=（Ua-Ceφn）/Ra可知，电枢电流Ia突然增大；又T=CTφIa，电磁转矩增大；此时，电磁转矩大于负载转矩，由T=TL+Tj=TL+JdΩ/dt知道，电机加速；随着转速n的增加，感应电势Ea增加，为保持电压平衡，电枢电流Ia将减少，电磁转矩T也将减少，当电磁转矩减小到等于总的负载阻转矩时，电机达到新的稳态，相对提高电枢电压之前状态，此时电机的转速增加、电磁转矩、电枢电流不变。

4.已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua=110V，额定运行时的电枢电流Ia=0.4A，转速n=3600r/min,

它的电枢电阻Ra=50Ω，空载阻转矩T0=15mN·m。

试问该电动机额

定负载转矩是多少?

解：

由Ea=Ua-IaRa⋯⋯⋯⋯

（1）Ea=Ceφn⋯⋯⋯⋯

（2）

CT=60*Ce/（2*π）⋯⋯⋯⋯（3）

T=Ts=T0+TL⋯⋯⋯⋯（4）T=CTφIa⋯⋯⋯⋯（5）联立5个

式子，可得到TL=80.5mN·m

6.一台直流电动机，额定转速为3000r/min。

如果电枢电压和励磁电压均为额定值，试问该电机是否允许在转速n=2500r/min下长期运转?

为什么?

答：

不能，因为根据电压平衡方程式，若电枢电压和励磁电压均为额

定值，转速小于额定转速的情况下，电动机的电枢电流必然大于额定

电流，电动机的电枢电流长期大于额定电流，必将烧坏电动机的电枢

绕组

7.直流电动机在转轴卡死的情况下能否加电枢电压?

如果加额定电压将会有什么后果?

答：

不能，因为电动机在转轴卡死的情况小，加额定的电枢电压，则电压将全部加载电枢绕组上，此时的电枢电流为堵转电流，堵转电流远远大于电枢绕组的额定电流，必将烧坏电动机的电枢绕组。

8.并励电动机能否用改变电源电压极性的方法来改变电动机的转向?

答：

不能，改变电动机的转向有两种方法：

改变磁通的方向和改

变电枢电流的方向，如果同时改变磁通的方向和电枢电流的方向，则电动机的转向不变。

并励电动机若改变电源电压的极性，将同时改变磁通的方向和电枢电流的方向，则电动机的转向不变。

9.当直流伺服电动机电枢电压、励磁电压不变时，如将负载转矩减少，

试问此时电动机的电枢电流、电磁转矩、转速将怎样变化?

并说明由原来的稳态到达新的稳态的物理过程。

答：

此时，电动机的电枢电流减小，电磁转矩减小，转速增大。

由原来的稳态到达新的稳态的物理过程分析如下：

开始时，假设电动机所加的电枢电压为Ua1，励磁电压为Uf，电动机的转速为n1，产生的反电势为Ea1，电枢中的电流为Ia1，根据电压平

衡方程式：

Ua1=Ea1+Ia1Ra=CeΦn1+Ia1Ra则此时电动机产生的电磁转矩T=CTΦIa1，由于电动机处于稳态，电磁转矩T和电动机轴上的总阻转矩Ts平衡，即T=Ts。

当保持直流伺服电动机的励磁电压不变，则Φ不变；如果负载转矩减

少，则总的阻转矩Ts=TL+T0将减少，因此，电磁转矩T将大与总的

阻转矩，而使电动机加速，即n将变大；n增大将使反电势Ea变增

大。

为了保持电枢电压平衡

（Ua=Ea+IaRa），由于电枢电压Ua保持不变，则电枢电流Ia必须减少，则电磁转矩也将跟着变小，直到电磁转矩小到与总阻转矩相平衡

时，即T=Ts，才达到新的稳定状态。

与负载转矩减少前相比，电动机的电枢电流减小，电磁转矩减小，转速增大。

12.一台直流伺服电动机带动一恒转矩负载（负载阻转矩不变），测得始动电压为4Ｖ，当电枢电压Ua=50V时，其转速为1500r/min。

若要求转速达到3000r/min，试问要加多大的电枢电压?

解：

Ea=Ceφn,Ua-Ua0=Ea,当负载转矩不变时,Ua0不变，则n1/n2=（Ua1-Ua0）/（Ua2-Ua0），即1500/3000=（50-4）/（Ua2-4），得到

Ua2=96V，所以要加96V的电枢电压，转速才会到达3000r/min。

变压器

1.某台变压器，额定电压U1n/U2n=220/110（V），额定频率fn=50Hz，

问原边能否接到下面的电源上?

试分析原因。

（1）交流380V，50Hz；

（2）

交流440V；100Hz；（3）直流220V。

答：

（1）不可以。

由U=E=4.44Wfφm，在电源频率均为50Hz的条件下，主磁通φm决定于外加电压U，380V的电压比额定的原边电压220V大很多，则加电后必然导致铁心严重饱和，变压器主磁通一般就

设计的比较饱和，增加很小的磁通将引起空载电流I0急剧增加，即使

变压器不带负载，变压器也会因此损坏。

（2）可以。

由U=E=4.44Wfφm，电压增加一倍，频率也增加一倍，则主磁通φm基本不变，因此，对变压器的影响很小。

但不是最理想。

（3）不可以。

变压器对于直流电源相当于短路，因此，一旦接上

直流220V，变压器将很快烧毁。

3.某台单相变压器原边有两个额定电压为110V的线圈，如图4-27所示，图中副边绕组未画。

若电源电压为交流220Ｖ和110V两种，问这两种情况分别将1,2,3,4这四个端点如何联接，接错时会产生

什么后果

?

答：

（1）220V电压可以接在1，4两端，而把2和3两端相连；

110V电压可以接在1，2两端及3，4两端

（2）若220V电压按110V的接法，则变压器原边电压将超过额定电压，变压器空载电流I0就会急剧增加，若超过不允许的的电流值，会导致变压器过热烧毁；若110V电压按220V接法，原边电压将低于额定电压，接负载工作时若负载要求电压比副边能够提供的电压高，则变压器不能正常工作。

自整角机

1.各种自整角机的国内代号分别是什么?

自整角机的型号中各量含义是

什么?

P77

2.何为脉振磁场?

它有何特点和性质?

P83

旋转变压器

3.P105

4.P106

第七章

1.单相绕组通入直流电、交流电及两相绕组通入两相交流电各形成什

么磁场?

它们的气隙磁通密度在空间怎样分布，在时间上又怎样变

化?

答：

单相绕组通入直流电会形成恒定的磁场，单相绕组通入交流电会

形成脉振磁场；两相绕组通入两相交流电会形成脉振磁场或旋转磁场。

恒定磁场在磁场内部是一个匀强磁场，不随时间变化。

脉振磁场的幅

值位置不变，其振幅永远随时间交变；对某瞬时来说，磁场的大小沿

定子内圆周长方向作余弦分布，对气隙中某一点而言，磁场的大小随

时间作正弦变化。

圆形旋转磁场的特点是：

它的磁通密度在空间按正

弦规律分布，其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转。

2.何为对称状态?

何为非对称状态?

交流伺服电动机在通常运行时是

怎样的磁场?

两相绕组通上相位相同的交流电流能否形成旋转磁场?

答：

一般地，当两相绕组产生圆形旋转磁场时，这时加在定子绕组

上的电压分别定义为额定励磁电压和额定控制电压，并称两相交流伺

服电动机处于对称状态。

当两相绕组产生椭圆形旋转磁场时，称两相

交流伺服电动机处于非对称状态。

两相绕组通上相位相同的交流电流

不能形成旋转磁场，只能形成脉振磁场

3.当两相绕组匝数相等和不相等时，加在两相绕组上的电压及电流应符合怎样条件才能产生圆形旋转磁场?

答：

当两相绕组匝数相等时，加在两相绕组上的电压及电流值应相等

才能产生圆形旋转磁场。

当两相绕组有效匝数不等时，若要产生圆形

旋转磁场，电流值应与绕组匝数成反比，电压值应与绕组匝数成正比。

4.改变交流伺服电动机转向的方法有哪些?

为什么能改变?

答：

把励磁与控制两相绕组中任意一相绕组上所加的电压反相（即相位

改变180°），就可以改变旋转磁场的转向。

因为旋转磁场的转向是从

超前相的绕组轴线（此绕组中流有相位上超前的电流）转到落后相的绕

组轴线，而超前的相位刚好为90°。

5.什么叫作同步速”如何决定?

假如电源频率为60Hz，电机极数为

6，电机的同步速等于多少?

答：

旋转磁场的转速常称为同步速，以ns表示。

同步速只与电机极

数和电源频率有

关，其关系式为：

，假如电源频率为60Hz，电机极数为6，电

机的同步速等于1200r/min。

6.为什么交流伺服电动机有时能称为两相异步电动机?

如果有一台电机，技术数据上标明空载转速是1200r/min，电源频率为50Hz，请问这是几极电机?

空载转差率是多少?

答：

因为交流伺服电动机的定子绕组有励磁绕组和控制绕组两相组成，

交流伺服电动机转速总是低于旋转磁场的同步速，而且随着负载阻转

矩值的变化而变化，因此交流伺服电动机又称为两相异步伺服电动

机。

空载转速是1200r/min，电源频率为50Hz的电机是4极电机，

空载转差率是20%。

7.当电机的轴被卡住不动，定子绕组仍加额定电压，为什么转子电流会很大?

伺服电动机从启动到运转时，转子绕组的频率、电势及电抗会有什么变化?

为什么会有这些变化?

答：

当电机的轴被卡住不动，定子绕组仍加额定电压，此时电动机处于堵转状态，感应电势ER较大，所以转子电流会很大。

伺服电动机从启动到运转时，转子绕组的频率、电势及电抗会变小，因为电机转动时，转子导体中感应电流的频率、电势及电抗分别等于转子不动

时的频率、电势及电抗乘上转差率

9.什么是电源移相，什么是电容移相，电容移相时通常移相电容值怎样确定?

电容伺服电动机转向怎样?

答：

直接将电源移相或通过移相网络使励磁电压和控制电压之间有一

固定的90°相移，这些移相方法通称为电源移相。

在交流伺服电动机

内部采用励磁相串联电容器移相的移相方法叫电容移相。

电容伺服电

动机转向是从励磁绕组转向控制绕组。

10.怎样看出椭圆形旋转磁场的幅值和转速都是变化的?

当有效信号系数αe从0~1变化时，电机磁场的椭圆度怎样变化?

被分解成的正、反向旋转磁场的大小又怎样变化?

答：

椭圆形旋转磁场的幅值和转速都是变化的详见课本

151页，当有

效信号系数αe从0~1变化时，电机磁场的椭圆度将变小，被分解成

的正向旋转磁场增大，反向旋转磁场减小。

11.什么是自转现象?

为了消除自转，交流伺服电动机零信号时应具有怎样的机械特性?

答：

当伺服电动机的控制电信号Uk=0时，只要阻转矩小于单相运行

时的最大转矩，电动机仍将在电磁转矩T作用下继续旋转的现象叫自

转现象。

为了消除自转，交流伺服电动机零信号时的机械特性应位于

二、四象限

12.与幅值控制时相比，电容伺服电动机定子绕组的电流和电压随转速的变化情况有哪些不同?

为何它的机械特性在低速段出现鼓包现象?

答：

与幅值控制时相比，电容伺服电动机定子绕组的电流和电压随转

速的增加而增大，励磁电压Uf的相位也增大。

因机械特性在低速段随

着转速的增加转矩下降得很慢，而在高速段，转矩下降得很快，从

而使机械特性在低速段出现鼓包现象（即机械特性负的斜率值降低）。