“电机与拖动基础（第2版）”习题解答
Ia?UN?Ea Ra在起动瞬间，电动机的转速n?0，感应电动势Ea?CeΦNn?0，电枢回路只有电枢绕组电阻Ra，此时电枢电流为起动电流Ist，对应的电磁转矩为起动转矩Tst，并有
Ist?UN，Tst?CTΦNIst RaIN，约为(10~20)IN，这么大的起动电
由于电枢绕组电阻Ra很小，因此起动电流Ist流使电机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花，甚至形成环火；同时电枢绕组也会因过热而损坏；另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构，这都是不允许的。因此除了微型直流电动机由于Ra较大、惯量较小可以直接起动外，一般直流电动机都不允许直接起动。这样，就需要增加起动设备和采取措施来控制电机的起动过程。
由Ist?UN/Ra可知，限制起动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的起动方法有电枢串电阻和降压两种。串电阻起动操作较简单、可靠，但起动电阻要消耗大量电能，效率较低。因此，目前已较少使用，只在应用串电阻调速的电力拖动系统中才使用这种起动方法；降压起动需要可调的直流电源，可采用基于电力电子器件的可控整流器向直流电机供电。采用降压起动方法，可使整个起动过程既快又平稳，同时能量损耗也小。此外，可控直流电源还可用于调速，因而在电机拖动系统中得到广泛应用。
4-2 为什么要考虑调速方法与负载类型的配合？怎样配合才合理？试分析恒转矩调速拖动
恒功率负载，以及恒功率调速拖动恒转矩负载两种情况的机械特性。 答：
为了使电机得到充分利用，根据不同的负载，应选用相应的调速方式。通常，恒转矩负载应采用恒转矩调速方式，恒功率负载应采用恒功率调速方式，这样可使调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利用。
例如初轧机主传动机构，在转速比较低时，压下量较大，即负载转矩大，可采用恒转矩调速方式；转速高时，压下量减小，即负载转矩随转速的升高而减小，为恒功
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率负载，因此，要与恒功率调速方式相配合。所以，在采用他励直流电动机拖动的初轧机主传动系统中，在额定转速nN以下一般用改变供电电压调速，在nN以上用弱磁调速，这样的配合较恰当。如图4-13所示。
P Te 2 Te P 1 O 变电压调 速nN 弱磁调速 nma xn
图4-13 他励直流电动机调速时的容许输出转矩和功率
反之，假如恒转矩负载采用恒功率调速方式，或者恒功率负载采用恒转矩调速方式，则调速方式与负载类型就不匹配，电动机不能被充分利用。
例如用转矩调速方法去拖动恒功率负载（如下图），因调速时负载转矩TL在Ta~Tc范围内变化，故电机的电磁转矩也相应地变化。由于励磁磁通并不变，那么电枢电流就随之在Ia~Ic范围内变化。如果令Ib?IN，则低速时Ic?IN，电机过载、过热；高速时，Ia?IN，电机为轻载，没被充分利用。
TLT
0
又如用恒功率调速方法去拖动恒转矩负载（如下图），因为调速时负载转矩TL为常值，所以电机的电磁转矩Te也为常值，从电磁转矩公式Te?CTΦI可知，随着磁通Φ的减小，电枢电流I一定会变大。如果令Ib?IN，则弱磁高速时Ia?IN，电机会过热；强磁低速时，Ic?IN，电机没被充分利用。
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“电机与拖动基础（第2版）”习题解答
TL
T
4-3 如何区别电动机是处于电动状态还是制动状态？
答：
直流电动机的运行状态主要分为电动状态和制动状态两大类。
电动状态是电动机运行时的基本工作状态。电动状态运行时，电动机的电磁转矩Te与转速n方向相同，此时Te为拖动转矩，电机从电源吸收电功率，向负载传递机械功率。电动机电动状态运行时的机械特性如图4-14所示。
电动机在制动状态运行时，其电磁转矩Te与转速n方向相反，此时Te为制动性阻转矩，电动机吸收机械能并转化为电能，该电能或消耗在电阻上，或回馈电网。电动机制动状态的机械特性处在第二、四象限。
n 正向电动运 行A -TL O TL Te B 反向电动运 行
图4-14 他励直流电动机的电动运行状态
4-4 一台他励直流电动机拖动的卷扬机，当电枢所接电源电压为额定电压、电枢回路串入
电阻时拖动着重物匀速上升，若把电源电压突然倒换极性，电动机最后稳定运行于什么状态？重物提升还是下放？画出机械特性图，并说明中间经过了什么运行状态？
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“电机与拖动基础（第2版）”习题解答
答：
电机开始运行于正向电动状态。若把电源电压突然倒换极性，电动机最后稳定运行于反向回馈制动状态，重物匀速下放，其机械特性如下图所示。
2 B n n0 A TL 2 O 2 TL 1 T 1 C D
E 3
图中曲线1为固有机械特性，曲线2为电枢电压等于额定值、电枢回路串电阻的人为机械特性，曲线3为电枢电压反接后电枢回路串电阻的人为机械特性。反接电压之前，匀速提升重物的工作点为A，反接后稳定运行的工作点为E。从A到E中间经过：
（1）B—C，反接制动过程；
（2）C—D，反向升速，属反向电动运行状态； （3）D—E，继续反向升速，属反向回馈制动运行状态。
4-5 一台他励直流电动机拖动一台电动车行驶，前进时电动机转速为正。当电动车行驶在
斜坡上时，负载的摩擦转矩比位能性转矩小，电动车在斜坡上前进和后退时电动机可能工作在什么运行状态？请在机械特性上标出工作点。 答：
如图4-22所示，当电动车在斜坡上前进时，负载转矩TL1为摩擦转矩与位能性转矩之和，此时电动机电磁转矩Te克服负载转矩TL1，使电动车前进，电动机工作在第一象限的正向电动运行状态，如图中的A点。当电动车在斜坡上后退时，负载转矩TL2为摩擦转矩与位能性转矩之差，由于摩擦转矩比位能性转矩小，所以TL2与转速n方向相同，
TL2实质上成为驱动转矩，而电动机电磁转矩Te与n方向相反，为制动转矩，抑制电动
车后退速度，同时将电能回馈给电网，电动机工作在第二象限的正向回馈制动运行状
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态，如图中的B点。
正向回馈 n 制动运行 B n0 正向电动运行 A TL2 O TL1 Te
图4-22 正向回馈制动运行
4-6 有一他励直流电动机的额定数据为：PN?60kW，UN?220V，IN?305A，
nN?1000r/min，估算额定运行时的EaN，Ce?N，TN，n0，最后画出固有机械特性。
解：
认为额定运行时电枢铜耗近似等于总损耗的50%，即
2 INRa?0.5(UNIN?PN)
这样电枢电阻
UNIN?PN220?305?60?103?0.5??0.038(?) Ra?0.52IN3052 EaN?UN?INRa?220?305?0.038?208.41(V) Ce?N?EaN208.41??0.208(V?min/r) nN1000PN60?103?573(N?m) TN?9.55?9.55?nN1000 n0? 固有机械特性方程为
UN220??1057.7(r/min) Ce?N0.208 n?n0?Ra0.038Ia?1057.7?Ia?1057.7?0.1827Ia Ce?N0.208 因为CT?N?9.55Ce?N?9.55?0.208?1.986(N?m/A)，所以该方程又可写成 n?n0?RaTe0.1827?1057.7?Te?1057.7?0.092Te
Ce?NCT?N1.986 由此可画出固有机械特性，如下图所示
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