第17练 认识直流电动机（2） 江苏省（职教高考）机电类《电气系统安装与调试》（高教版·第2版）一课一练

编写说明：考虑到中职学生普遍基础知识相对薄弱的情况，我们依据支架式教学理念，精心编制了江苏省（职教高考）机电类《电气系统安装与调试》（高教版·第2版）一课一练。专辑里的每一份练习，都与课堂所授知识点紧密相关，题目围绕课堂所学知识点呈现。目的在于激发学生的学习兴趣，培养他们的学习自觉性，帮助学生扎实掌握课程的基本概念与基本方法，为他们后续的逐步提升奠定坚实基础。 本卷是江苏省（职教高考）机电类《电气系统安装与调试》（高教版·第2版）一课一练的第17练，内容涵盖2-2-2 认识直流电动机。 江苏省（职教高考）机电类 一课一练 《电气系统安装与调试》（高教版·第2版） 第17练 模块2 电气控制线路常用低压电器及电动机 项目2 认识电动机 任务2 认识直流电动机（1） 一、判断题 1．直流电动机在额定电压下直接起动时，由于起动瞬间转速n=0、反电动势E=CeΦn=0，电枢电流Ist=U/Ra可达额定电流的10～20倍。如此大的电流冲击会严重损坏换向器和电枢绕组，因此除数百瓦以下的微型直流电动机外，一般直流电动机起动时必须在电枢回路中串入起动电阻以限制起动电流。（ ） 【答案】A（正确） 【解析】直流电动机直接起动的最大问题是起动电流过大。以额定电压220V、Ra=0.5Ω为例，直接起动电流Ist=220/0.5=440A，若IaN=50A则起动电流为8.8倍。大电流的危害：换向器与电刷间产生强烈火花烧蚀换向器表面，电枢绕组过热损坏绝缘，电网电压大幅跌落影响其他设备。限流措施：电枢串电阻起动（逐步切除）或减压起动（需要可调直流电源）。 2．直流电动机的能耗制动是将运行中的电动机电枢从电源断开后立即短接，利用电枢绕组中储存的磁场能量通过短路电流迅速消耗，使电动机在极短时间内停止。这种方法的制动效果比反接制动更强烈。（ ） 【答案】B（错误） 【解析】能耗制动不是将电枢短接，而是断开电源后将电枢接到一个外接制动电阻RZ上，形成闭合回路。此时电动机靠惯性旋转，电枢绕组切割剩磁（或保持的励磁磁场）产生感应电动势，该电动势在电阻RZ回路中产生电流，电流在磁场中受力产生与旋转方向相反的制动转矩，将转子的动能转换为电阻RZ上的热能消耗掉。如果直接短接（RZ=0），制动电流会过大，可能损坏电枢绕组，因此制动电阻必须适当选择。 二、单项选择题 3．一台直流电动机采用电枢回路串电阻的方式起动。起动时先将全部起动电阻串入电枢回路，合上电源开关后电动机开始旋转。操作人员看到转速表读数逐渐升高，随后将起动电阻的手柄逐级向减小电阻的方向转动。这样操作的原因是（ ）。 A．起动完成后起动电阻应继续保留在电路中，以持续限制运行电流保护电动机 B．转速升高后反电动势增大电枢电流减小，逐级切除电阻以维持加速转矩 C．起动电阻的存在会消耗大量电能 D．起动电阻主要是为了增大起动转矩而非限流，转速升高后不再需要额外转矩 【答案】B 【解析】电枢串电阻起动的逐级切除逻辑：初始串入全部电阻Rst使Ist≤允许值（如2IaN）。转速升高，E=CeΦn增大，Ia=(U-E)/(Ra+Rst)减小，转矩减小、加速变慢。这时切除一段电阻使Rst减小，Ia回升，转矩恢复，加速继续。如此逐级切除，既保证起动电流全程不超过限值，又维持足够的加速转矩。起动完成后全部电阻切除，电动机在自然特性上运行。 4．一台并励直流电动机拖动生产机械运行，工艺要求电动机在低于额定转速的范围内实现宽范围、高效率的平滑调速。在以下四种调速方案中，最理想的是（ ）。 A．在电枢回路中串接大功率可调电阻 B．在励磁回路中串接可变电阻减小励磁电流，实现转速下降 C．采用可调直流电源改变电枢电压实现无级调速 D．在电动机轴与负载之间加装无级变速器，通过改变机械传动比来调节负载转速 【答案】C 【解析】直流电动机三种基本调速方法的比较：①电枢串电阻调速，简单但效率低（电阻消耗大量电能）、转速越低效率越差，仅用于小容量、短时调速场合；②弱磁调速，只能升速（n>nN），调速范围通常不超过2倍额定转速；③调压调速（改变电枢端电压），转速与电压近似正比关系，可实现从零到额定转速的宽范围平滑调速且效率高，是现代直流调速系统（如直流调速器、PWM驱动器）的核心方式，广泛应用于工业驱动。 5．一台直流电动机驱动的起重机在吊着重物下降时，重物的重力势能拖动电动机电枢越转越快，当电动机转速超过其理想空载转速后，电枢反电动势大于电源电压，电枢电流反向。此时电动机实际上变成了一台发电机，将重物的机械能转换为电能回馈给直流供电电网。这种运行状态称为（ ）。 A．能耗制动 B．反接制动 C．机械制动 D．回馈制动 【答案】D 【解析】回馈制动（再生制动）的特点是能量流向电网而非消耗在电阻上，是最节能的制动方式。发生的条件：电动机转速n超过理想空载转速n0（对于并励电动机n0=U/CeΦ）。当n>n0时，E=CeΦn>U，电枢电流Ia=(U-E)/Ra<0（反向），电动机进入发电机状态，电磁转矩变为制动转矩。常见于起重机重物下降、电力机车下坡等场景，将势能转换为电能回馈电网。 三、填空题 6．直流电动机常用的起动方法有两种：____和____。其中电枢串电阻起动时，随着转速上升应将起动电阻____。减压起动方式的优点是起动过程平滑且几乎没有____损耗，但需要一套____电源，成本较高。 【答案】电枢串电阻起动；减压起动；逐级切除；电阻功率；可调直流 【解析】两种起动方式的对比：电枢串电阻起动，设备简单（只需几段电阻和一个转换开关/接触器），但电阻消耗能量、起动转矩有级变化；减压起动，需要可调直流电源（如晶闸管整流桥），起动平滑无电阻损耗，但设备成本高，适用于中大容量或频繁起动的场合。现代工业中减压起动越来越普遍。 7．直流电动机的电气制动方式主要有三种：____制动、____制动和____制动。三种制动方式中，以____制动的制动转矩最大、制动最迅速，但制动时需在电枢回路中____以限制电流。 【答案】能耗；反接；回馈（再生）；反接；串入电阻 【解析】三种电气制动的对比：①能耗制动，制动平稳、控制简单，将动能消耗在电阻上；②反接制动，制动最强烈、停车最快，但在反接瞬间电枢电压与反电动势方向相同叠加（U+E），电流极大，必须在电枢回路串入限流电阻；③回馈制动，最节能，将机械能转换为电能回馈电网，但只能在n>n0的条件下实现，不能用于最终停车（n降到n0以下后制动转矩消失）。实际中常用“反接制动停车+机械抱闸保持”的组合方式。 四、分析计算题 8．一台并励直流电动机额定电压UN=220V，额定电枢电流IaN=30A，电枢回路电阻Ra=0.5Ω。为限制起动电流，采用电枢串电阻方式起动。请计算：（1）若要求起动电流（转速为零瞬间）不超过2倍额定电枢电流，电枢回路至少应串入多大的起动电阻？（2）当电动机转速升高到反电动势E=110V时，将起动电阻减小一半，此时电枢电流为多少？是否仍满足2IaN的限制？ 【答案】（1）起动瞬间n=0，E=0，电枢回路总电阻需满足Ist=UN/(Ra+Rst)≤2IaN=60A。即Rst≥UN/Ist-Ra=220/60-0.5≈3.67-0.5=3.17Ω，可取3.2Ω。 （2）减小一半后Rst'=3.2/2=1.6Ω，电枢回路总电阻R总=Ra+Rst'=0.5+1.6=2.1Ω。此时电枢电流Ia=(UN-E)/R总=(220-110)/2.1=110/2.1≈52.4A。52.4A<60A，满足2IaN的限制，且52.4A>30A（IaN），仍有足够的加速转矩使转速继续升高。 【解析】起动电阻的计算核心是欧姆定律在电枢回路中的应用。起动瞬间E=0是最恶劣的工况，此时电流完全由电压和回路总电阻决定。随着转速升高E逐渐增大，电枢电流自然减小，为保持加速转矩需要逐级减小起动电阻。实际操作中通过电流表监视电枢电流，当电流下降到约1.1～1.2IaN时切除一级电阻。 9．一台并励直流电动机额定电压UN=220V，额定电枢电流IaN=20A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路电阻Ra=0.5Ω。忽略电枢反应的影响，请计算：（1）在额定负载（Ia=IaN）下，如果在电枢回路串入一个2.5Ω的调速电阻，电动机转速将降为多少？（2）如果保持电枢电压和负载转矩不变（即电磁转矩不变），仅将励磁磁通减小到额定值的80%，电动机转速将变为多少？ 【答案】（1）额定运行时反电动势EaN=UN-IaN·Ra=220-20×0.5=210V。串入2.5Ω后电枢回路总电阻为3.0Ω，E=UN-IaN(Ra+Rs)=220-20×3.0=220-60=160V。由于CeΦ不变，n与E成正比，n=nN×E/EaN=1500×160/210≈1143r/min。 （2）电磁转矩T=CtΦIa不变，Φ'=0.8Φ，则Ia'=IaN/0.8=25A以保证T不变。此时反电动势E'=UN-Ia'·Ra=220-25×0.5=207.5V。因为E=CeΦn，Ce不变，n'/nN=(E'/EaN)×(Φ/Φ')=(207.5/210)×(1/0.8)≈0.988×1.25≈1.235，n'=1500×1.235≈1853r/min。弱磁升速的效果明显，磁通仅减小20%，转速即升高约23.5%。 【解析】本题对比了两种调速方式的转速变化：（1）电枢串电阻调速，降速，电阻消耗能量、效率低，且转速受负载电流影响大（Ia越大压降越大、转速越低）；（2）弱磁调速，升速，当磁通减小时，为产生相同的电磁转矩需要更大的电枢电流，反电动势虽有微小下降但因CeΦ的减小幅度更大（分母效应），转速最终升高。弱磁调速属于恒功率调速，允许输出功率基本不变，但输出转矩随转速升高成反比下降。 五、综合分析题 10．一台并励直流电动机铭牌参数为：额定功率PN=10kW、额定电压UN=220V、额定电流IN=53A、额定转速nN=1500r/min、电枢回路电阻Ra=0.3Ω、励磁绕组电阻Rf=110Ω。请回答：（1）计算额定运行时励磁电流If、电枢电流IaN和电枢反电动势EaN。（2）如果要求起动电流不超过2IaN，电枢回路应串入多大的起动电阻？当转速升高后反电动势达到110V时，将起动电阻切除一半，此时电枢电流为多少？是否安全？（3）若需要将这台电动机在额定负载下的转速降为1000r/min运行，采用电枢串电阻调速方式，电枢回路需串入多大电阻？ 【答案】（1）励磁电流If=UN/Rf=220/110=2A。电枢电流IaN=IN-If=53-2=51A。反电动势EaN=UN-IaN·Ra=220-51×0.3=220-15.3=204.7V。 （2）起动电阻Rst=UN/(2IaN)-Ra=220/(2×51)-0.3=220/102-0.3≈2.157-0.3=1.86Ω。切除一半后Rst'=0.93Ω，总电阻R总=0.3+0.93=1.23Ω，Ia=(UN-E)/R总=(220-110)/1.23≈89.4A。89.4A<2IaN=102A，安全。 （3）由（1）知EaN=204.7V，电动势常数CeΦ=EaN/nN=204.7/1500≈0.1365。目标转速n=1000r/min时所需反电动势E=CeΦ·n=0.1365×1000=136.5V。额定负载下Ia=IaN=51A，由E=UN-Ia(Ra+Rs)得：136.5=220-51(0.3+Rs)，51(0.3+Rs)=83.5，0.3+Rs≈1.637，Rs≈1.34Ω。校核：调速电阻上的功率损耗PRs=Ia²Rs=51²×1.34≈3485W≈3.5kW，效率仅约10/(10+3.5)≈74%，调速电阻损耗巨大，不适宜长期在此转速下运行。若要长期低速运行，建议改用调压调速方式。 【解析】本题将直流电动机的起动、运行、调速三大工作状态串联为完整的工程计算链。三个子问题的递进逻辑：确定基本电路参数（If,Ia,Ea），设计起动方案（限流电阻计算与逐级切除校验），调速需求计算（串入电阻值及效率评价）。其中对电枢串电阻调速效率低的量化分析（损耗达3.5kW），帮助学生从原理上理解为什么现代工业中更倾向于采用调压调速方案。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $ 编写说明：考虑到中职学生普遍基础知识相对薄弱的情况，我们依据支架式教学理念，精心编制了江苏省（职教高考）机电类《电气系统安装与调试》（高教版·第2版）一课一练。专辑里的每一份练习，都与课堂所授知识点紧密相关，题目围绕课堂所学知识点呈现。目的在于激发学生的学习兴趣，培养他们的学习自觉性，帮助学生扎实掌握课程的基本概念与基本方法，为他们后续的逐步提升奠定坚实基础。 本卷是江苏省（职教高考）机电类《电气系统安装与调试》（高教版·第2版）一课一练的第17练，内容涵盖2-2-2 认识直流电动机。 江苏省（职教高考）机电类 一课一练 《电气系统安装与调试》（高教版·第2版） 第17练 模块2 电气控制线路常用低压电器及电动机 项目2 认识电动机 任务2 认识直流电动机（1） 一、判断题 1．直流电动机在额定电压下直接起动时，由于起动瞬间转速n=0、反电动势E=CeΦn=0，电枢电流Ist=U/Ra可达额定电流的10～20倍。如此大的电流冲击会严重损坏换向器和电枢绕组，因此除数百瓦以下的微型直流电动机外，一般直流电动机起动时必须在电枢回路中串入起动电阻以限制起动电流。（ ） 2．直流电动机的能耗制动是将运行中的电动机电枢从电源断开后立即短接，利用电枢绕组中储存的磁场能量通过短路电流迅速消耗，使电动机在极短时间内停止。这种方法的制动效果比反接制动更强烈。（ ） 二、单项选择题 3．一台直流电动机采用电枢回路串电阻的方式起动。起动时先将全部起动电阻串入电枢回路，合上电源开关后电动机开始旋转。操作人员看到转速表读数逐渐升高，随后将起动电阻的手柄逐级向减小电阻的方向转动。这样操作的原因是（ ）。 A．起动完成后起动电阻应继续保留在电路中，以持续限制运行电流保护电动机 B．转速升高后反电动势增大电枢电流减小，逐级切除电阻以维持加速转矩 C．起动电阻的存在会消耗大量电能 D．起动电阻主要是为了增大起动转矩而非限流，转速升高后不再需要额外转矩 4．一台并励直流电动机拖动生产机械运行，工艺要求电动机在低于额定转速的范围内实现宽范围、高效率的平滑调速。在以下四种调速方案中，最理想的是（ ）。 A．在电枢回路中串接大功率可调电阻 B．在励磁回路中串接可变电阻减小励磁电流，实现转速下降 C．采用可调直流电源改变电枢电压实现无级调速 D．在电动机轴与负载之间加装无级变速器，通过改变机械传动比来调节负载转速 5．一台直流电动机驱动的起重机在吊着重物下降时，重物的重力势能拖动电动机电枢越转越快，当电动机转速超过其理想空载转速后，电枢反电动势大于电源电压，电枢电流反向。此时电动机实际上变成了一台发电机，将重物的机械能转换为电能回馈给直流供电电网。这种运行状态称为（ ）。 A．能耗制动 B．反接制动 C．机械制动 D．回馈制动 三、填空题 6．直流电动机常用的起动方法有两种：____和____。其中电枢串电阻起动时，随着转速上升应将起动电阻____。减压起动方式的优点是起动过程平滑且几乎没有____损耗，但需要一套____电源，成本较高。 7．直流电动机的电气制动方式主要有三种：____制动、____制动和____制动。三种制动方式中，以____制动的制动转矩最大、制动最迅速，但制动时需在电枢回路中____以限制电流。 四、分析计算题 8．一台并励直流电动机额定电压UN=220V，额定电枢电流IaN=30A，电枢回路电阻Ra=0.5Ω。为限制起动电流，采用电枢串电阻方式起动。请计算：（1）若要求起动电流（转速为零瞬间）不超过2倍额定电枢电流，电枢回路至少应串入多大的起动电阻？（2）当电动机转速升高到反电动势E=110V时，将起动电阻减小一半，此时电枢电流为多少？是否仍满足2IaN的限制？ 9．一台并励直流电动机额定电压UN=220V，额定电枢电流IaN=20A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路电阻Ra=0.5Ω。忽略电枢反应的影响，请计算：（1）在额定负载（Ia=IaN）下，如果在电枢回路串入一个2.5Ω的调速电阻，电动机转速将降为多少？（2）如果保持电枢电压和负载转矩不变（即电磁转矩不变），仅将励磁磁通减小到额定值的80%，电动机转速将变为多少？ 五、综合分析题 10．一台并励直流电动机铭牌参数为：额定功率PN=10kW、额定电压UN=220V、额定电流IN=53A、额定转速nN=1500r/min、电枢回路电阻Ra=0.3Ω、励磁绕组电阻Rf=110Ω。请回答：（1）计算额定运行时励磁电流If、电枢电流IaN和电枢反电动势EaN。（2）如果要求起动电流不超过2IaN，电枢回路应串入多大的起动电阻？当转速升高后反电动势达到110V时，将起动电阻切除一半，此时电枢电流为多少？是否安全？（3）若需要将这台电动机在额定负载下的转速降为1000r/min运行，采用电枢串电阻调速方式，电枢回路需串入多大电阻？ 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $