资源描述
第一章 电机与拖动基础1、直流电机定转子各由哪些主要部件组成？各部件的主要作用是什么？直流电机由定子和转子两部分组成。包括：（l）主磁极由主极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成，它的作用是建立主磁场。（2）换向（附加）极由换向极铁心和套在上面的换向极绕组组成，用来改善直流电机的换向。（3）电刷装置由电刷、刷握和汇流条组成，它是将直流电引人或引出电枢的装置。（4）机座即电机定子外壳，起固定与支撑的作用，同时又是主磁路的一部分。 2、直流电机铭牌上的额定功率、额定电压、额定电流，对于发电机和电动机各指什么？直流电机的铭牌数据：对发电机额定功率指能够输出的最大电功率，额定电压和额定电流指输出最高电压和最大电流（PN。UNIN）；而对电动机额定功率指能够输出的最大机械功率，额电流指允许输人的最高电压和最大电流（PN=UUINN）。3、直流电机有哪几种励磁方式？不同励磁方式的电动机如何实现反转？流电机的励磁方式分为：他励、并励、串励、复励。单独改变励磁绕组极性或者电枢绕组极性都可使用机实现反转，如果两者极性同时改变，电机仍将沿原方向运转。4、什么叫电枢反应？它对电机产生哪些影响？“电枢反应”就是电枢磁场对主磁场的影响。产生的影响包括：使主磁场发生畸变，磁力线不再对称于磁极轴线；物理中线偏离几何中线不再重合，几何中线处磁场不再为0；削弱了主磁场。这些影响将对直流电机的正常运行产生恶劣作用，必须设法消除。5、串励直流电动机有哪些特点？串励直流电动机的机械特性曲线是一条非线性的软特性，当轴上负载为0时电机转速，所以串励直流电动机不允许轻载工作；由于它的电磁转矩与电枢电流的平方成正比，所以起动转矩大，过载能力强；由于电枢与励磁绕组串联，通人直流或交流电流电机都不受影响，所以在交流电源情况下亦可正常工作。6直流发电机的电磁转矩与原动机的拖动转矩，电动机的感应电动势与电枢电压之间的方向相同还是相反？各有何物理意义？直流发电机的电磁转矩与原动机输人的拖动转矩方向相反，是一对作用力和反作用力的关系。随发电机输出电流的增大，电磁转矩增大（T=），所需的输人转矩也随着增大，才能维持输人转矩与阻转矩之间的平衡，使电机匀速运转。直流电动机运转时功割磁场产生的感应电动势与电枢外加电压方向相反，故为反电势，它维持了电压平衡关系，限制了电枢电流的大小Ia（UaEa）/（RaRL），不致使电动机电流过大。 7直流发电机的外特性受哪几个因素影响？直流电动机的转速特性受哪几个因素影响？ 直流发电机的输出特性（UaEa-IaRa）受转速的高低、主磁场的强弱以及电枢回路电阻大小的影响（EaCe冲n）：直流电动机的转速特性，受外加电枢电压通人励磁电流所建立的主磁场以及电枢回路电阻大小的影响。 8二负载的机械特性有哪几种？负载转矩与转速之间各有什么关系？ 负载的机械特性分为三大类，即恒转矩负载、恒功率负载、泵类和通风机负载。其中恒转矩负载又分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。 反抗性恒转矩负载转矩大小不变而与转速的方向永远相反。而位能性恒转矩负载大小不变方向也不变，当电机正转时，负载转矩与转速方向相反；当电机反转时，负载转矩与转速方向相同。 恒功率负载转矩的大小与转速之间成反比。（TK/n）泵类和通风机负载的大小与转速的平方成正比（TKn2）9改变他励直流电动机的电枢电压、电枢回路电阻或励磁电流时，机械特性将如何变化？改变他励直流电动机的电枢电压，机械特性的斜率不变，理想空载转速n。与电压成正比变化，所以特性平行移动；增大电枢回路电阻，no不变，特性的斜率p随阻值正比增大，所以特性变软;减小励磁电流，主磁场减弱，上升，特性的斜率也增大。10电动机的调速性能指标有哪些？各如何定义？电动机的调速性能指标有：（l）调速范围电动机带额定负载时的最高转速与最低转速之比。（2）调速精度（静差率）在调速范围内最低转速所对应的机械特性曲线上的额定速降nN。与该曲线上的比值。（3）平滑性 定义为相邻两级转速之比。11直流发电机和电动机的功率流程图有何不同？可变损耗和不变损耗各指什么？直流发电机的功率流程是原动机输人机械功率，减去空载损耗，转化成电磁功率，再减去电枢（与励磁）损耗，输出电功率。图l11直流电机的功率流程图a）直流发电机的功率关系b）直流电动机的功率关系直流电动机的功率流程是从电源输人电功率，减去电枢（与励磁）损耗，转化成电磁功率，再减去空载损耗，在轴上输出机械功率。可变损耗指的是电枢（与励磁）损耗，也叫铜损耗，它与电枢（励磁）电流的平方成正比。 不变损耗指的是空载磨擦损耗和铁心损耗，它们与电流大小无关。 12他励直流电动机为什么不允许直接起动？可采用什么方法起动？他励直流电动机在起动时，由于转速为0，反电势亦为0Ea=，电源电压全部加在电枢电阻上，电流过大，所以不允许直接起动。可以采用降低电源电压或电枢回路电阻串电阻的方法起动。13决定电动机起、制动过渡过程的三要素是什么？决定电动机起、制动过渡过程的三要素是：起始值、稳态值和机电时间常数。 14如何判断电动机处于电动运行状态、发电运行状态、制动运行状态？判断电动机的运行状态要看电磁转矩T与转速n的方向相同还是相反，电磁转矩是拖动转矩还是阻转矩；同时还要看感应电势Ea与电枢电压Ua的方向相同还是相反，感应电势是输出电势还是反电势。电动运行状态T与n同向，T表现为拖动转矩，Ea与Ua反向，Ea表现为反电势。发电运行状态T与n反向，T表现为阻转矩，Ea与Ua同向，Ea表现为输出电势。制动运行状态与发电运行状态相同，只不过惯性动能或位能所发出的电没有输出，而是全部消耗在电枢回路的电阻上，变为热能散发掉。 15三相异步电动机的旋转磁场有哪些特点？其转速、转向、幅值和极对数各取决于什么？三相异步电动机的旋转磁场性质如下：转速：为同步速，与电源频率成正比，与定子极对数成反比。转向：取决于输人电流的相序，电机总是由超前相向滞后相的方向旋转。幅值大小：基波磁势F11.35W1KWI1/P瞬时位置：哪相电流达正最大值时，旋转磁势的幅值恰好转到该相绕组的轴线处。极对数：取决于定子绕组在定子槽中的布置，或者说取决于定于绕组元件的节距。16画出三相异步电动机的T型等值电路，写出基本方程式。 17改变三相异步电动机定于端电压或转子回路串人电阻将使机械特性如何变化？ 改变三相异步电动机定子端电压时，同步速nl不受影响，根据参数表达式可看出，临界转差的大小不变，电磁转矩的平方与电源电压成正比，所以当降低定子电压时，电动机的起动转矩和临界转矩都会成平方倍减小，这显然会对电动机的运行造成重要影响，在拖动重载时甚至无法正常工作。当转子回路串人电阻时，同步速n1也不受影响，根据参数表达式临界转矩与转子电阻大小无关，而临界转差的大小与转子电阻成正比变化，所以串人适当电阻可以增大电动机的起动转矩，常用于三相异步电动机带重载起动。18三相异步电动机有哪些起动方法？各有什么特点？三相异步电动机的起动可以分为两大类（l）小容量电机轻载起动时电流不大可直接起动；重载时需采用特殊制造的电机，即深槽转子异步电动机或双鼠笼异步电动机，利用趋肤效应以获得大的起动转矩。（2）大容量电机轻载起动时必须降低定子端电压，以减小起动电流。常用的降压方法有定子串电阻或电抗，定子串自耦变压器，星-三角变换等；重载起动时可采用转子串电阻或者串频敏变阻器的起动方法。19三相异步电动机的调速方法有哪些？各有什么优缺点？三相异步电动机的调速方法有（l）定子调压，调速范围窄，若加转速负反馈可得到较好的调速特性。（2）定子调频，调速范围宽，调速性能好，应用越来越广。（3）转子串电阻调速，方法简单易行，但由于特性变软，低速时损耗大且运行不稳定，只用于要求不高的场合。（4）转子串电势调速也叫串级调速，是一种节能的调速方法，它将转差损耗回收加以利用，因增加设备较多，所以只适用于大功率电机的调速。（5）变极调速，利用改变定子绕组接线进行调速，无须投入其他设备，但需特殊制造电机，只有少数几级速度。（6）转差离合器调速，由于特性软，要加负反馈环节，调速性能好，但只适用于小功率电机的调速。 20他励直流电动机和三相异步电动机的能耗制动有什么不同？他励直流电动机的能耗制动是将电枢电源断开，给电枢串人适当电阻，使惯性旋转的转子槽导体切割主磁场发电，即将动能转为电能，再变成消耗在转子回路电阻上的热能，同时产生制动转矩。而三相异步电动机的能耗制动是断开定子三相电源的同时，给任意两相绕组通人一个直流电流，建立一个极性不变的磁场，使惯性旋转的转子切割这个磁场，产生制动转矩。 21一台他励直流电动机的铭牌额定数据为：17KW 220V 90A 1500r/min Ra0.376，拖动恒转矩额定负载运行。求：(1)这台电动机固有机械特性上的理想空载点、额定工作点、堵转点的电枢电流和转速？ (2)将电枢电压降为150V，电动机的电枢电流和转速各为多少？ （3）若把磁通减小到0.8，电动机的电枢电流和转速各变为多少？解：（1） 理想空载点 额定工作点 堵转点 （A） （3）负载转矩不变，磁通减小20%则Ia增加20%；22、一台他励直流电动机的铭牌额定数据为：13KW 220V 68.7A 1500r/min ，要求调整精度，试求： （1）采用电枢串电阻调速时的调速范围有多少？最低转速时串多大电阻？（2）采用降低电枢电压调速的调速范围有多少？最低转速时的电压为多少？解： (1) 调速范围(2)23、一台他励直流电动机的电枢额定电压220V、额定电流74A，额定电流74A，额定转速1500r/min电枢额定电动势204.6V，电机铁损耗PFe=326W，机械械磨擦损耗Pm=240W，忽略杂散损耗，求这台电动机额定运行时的电磁转矩、输入功率和效率各为多少？解： 24、一台并励直流电动机的额定数据如下：17KW 220V 300r/min 88.9A ，励磁电阻，忽略电枢反应，试求：额定负载时电动机的输出转矩、电磁转和效率？解： 25、一台他励直流电动机用于吊重物，其额定数据如下：29KW 440V 76A 1000r/min, ，忽略空载损耗，负载转矩试求：（1）电动机以500r/min的速度吊起重物，电枢回路需串多大电阻？（2）有哪几种方法可使负载以500r/min的速度下放？电枢回路各需串多大电阻？（3）当以500r/min的速度吊起重物时，将电枢电压突然反接，并使电流不超过，最后稳定下放速度为多少？解：（1） 电枢回路需串电阻： （2）采用倒拉下放重物： 电枢回路需串电阻采用能耗下放重物：电枢回路需串电阻（3） 26、一台三相四极异步电动机，150KW 38V/50HZ 1460 r/min,过载能力，求这台电动机的固有机械特性。解：固有机械特性的四个殊点(1)同步点 T=0，S=0， (2)额定工作点， （3）临界点 （4）起动点 27、一台三相极异步电动机，10KW 38V50HZ 21.6A，定子绕组Y接，额定运行时，定子铜耗，转子铜耗，铁耗， 机械磨擦损耗，附加损耗试求其额定转速、输出转矩和电磁转矩各为多少？解：28、一台三相六极异步电动机，28KW 380V/50HZ 950r/min ,定子铜耗、铁耗共2.2KW，机械损耗1.1KW，忽略附加损耗。试求其额定运行时的转差率、转子铜耗、效率、定子电流、转子电流的频率？解： 29某绕线转子异步电动机的额定数据为：5KW 960r/min 380V/50HZ 14.94A E2N=164V，I2N=20.6A，2.3，定子绕组Y接，拖动恒转矩负载TL=0.75TM，采用反接制动停车，要求超始制动转矩为1.8TN，求转子每相需串人多大电阻？解：SN（n1-nN）/n1=(1000-960/1000=0.04 r2=SN E2N/3I2N=0.04164320.6=0.184()=0.04(2.3+)=0.1750.75TN=解出S=0.029 n=n1(1-S)=1000(1-0.029)=972(r/min)S=(-ni-n)/-n1=(-1000)-972/-1000=1.972=1.972=4.0880.184=4.11()第二章 控制电机1一般单相异步电动机若无起动绕组时，能否自行起动？ 一般单相异步电动机无起动绕组时，是不能自行起动的。因为单相绕组通人正弦交流电，只能建立随电源频率交变的脉振磁场，而不是旋转磁场，不可能使转子产生转矩。 2一台定子绕组Y接的三相鼠笼式异步电动机轻载运行，若一相引出线突然断线，电动机还能否继续运行？停下来后能否重新起动？为什么？一台定子绕组Y接的三相鼠笼式异步电动机轻载运行，若一相引出线突然断线，电动机会继续运行，但此时旋转磁场已由国形旋转磁场变成椭圆形旋转磁场，转子的转矩变小，轻载可能继续运行，重载就可能带不动了。同样道理，若电动机停下来再重新起动，也要看轴上负载的大小，起动转矩若大于负载转矩电动机可以转起来，如果起动转矩小于负载转矩电动机就可能转不起来。 3简述罩极式单相异步电动机的工作原理。罩极式单相异步电动机的转向如何确定？若不拆卸重新装配转子，是否可以使其反转？这种电动机的主要优缺点是什么？罩极式异步电动机的罩极部分与未罩部分产生的磁通之间，在空间相差一个电角度，在时间上也差一个电角度，会在气隙中产生椭园形旋转磁场，切割转子导条建立转矩，而使电动机运转。电动机的旋转方向总是从超前相绕组的轴线，转向滞后相绕组的轴线，若不拆卸重新装配转子，电动机是不可能反转的。这种罩极式异步电动机的优点是结构简单、制造方便、价格便宜，常用于小风扇、电唱机等起动转矩要求不大的场合；其缺点是只能单方向运转。 4电容分相式单相异步电动机有哪几种不同型式，各有什么优缺点？如何改变电容分相式单相异步电动机的转向？电容分相式单相异步电动机分为电容起动异步电动机、电容运转异步电动机和电容起动与运转异步电动机三种。电容起动异步电动机所配电容使电动机在起动时旋转磁场是l圆形的，可产生较大的起动转矩。电容运转异步电动机所配电容使电动机在运转时旋转磁场是圆形的，在运转时可产生较大的拖动转矩。电容起动与运转异步电动机配两个电容，使电动机在起动和运转时都可得到比较好的性能。 把工作绕组或起动绕组中的任一个绕组接电源的两个端子对调，即可实现电机的反转。 5单相异步电动机主要分哪几种类型？ 单相异步电动机分为分相电动机和罩极电动机两大类。6直流伺服电动机的励磁电压和电枢控制电压均维持不变，而负载增加时，电动机的转速、电枢电流和电磁转矩将如何变化？ 直流伺服电动机的励磁电压和电枢控制电压均维持不变，而负载增加时，电动机的转速将下降，电枢电流和电磁转矩都会增大。7直流伺服电动机的始动电压是指什么？直流伺服电动机电刷压力过大轴承缺乏润滑油或转轴转动不灵活是否会影响电动机的起动转矩和始动电压？从直流伺服电动机的调节特性可以看出，当转速n0时对应不同的负载转矩，需要的控制电压也不同，调节特性曲线与横坐标的交点，就是不同负载转矩时电动机的始动电压。即电动机处于待动而未动的临界状态时所加的控制电压。始动电压随负载转矩的增大而增大，一般把调节特性曲线上横坐标从0到始动电压这一范围称为在一定负载转矩时伺服电动机的失灵区或死区。直流伺服电动机电刷压力过大轴承缺乏润滑油或转轴转动不灵活是会影响电动机的起动转矩和始动电压的。会使死区增大。8直流伺服电动机般采用什么控制方法？如何使其反转？ 一般用电压信号控制直流伺服电动机的转向与转速大小。改变电枢绕组电压的方向与大小的控制方式，叫电枢控制；改变励磁电压的方向与大小的控制方式，叫磁场控制。后者不如前者，很少采用。将电动机的电枢绕组或励磁绕组中的任一个绕组接电源的两个端子对调，即可实现电机的反转。9直流伺服电动机的励磁电压下降，对电动机的机械特性如何变化？ 直流伺服电动机的励磁电压下降会使磁场减弱，转速升高，与他励直流电动机的特点相同，机械特性曲线上理想空载转速升高，特性斜率增大。 10交流伺服电动机有哪几种控制方法？如何使其反转？交流伺服电动机的控制方法有幅值控制、相位控制和幅相控制三种。无论哪种控制方式，只要将控制信号电压的相位改变 180电角度（反相），从而改变控制绕组与励磁绕组中电流的相位关系，原来的超前相变为滞后相，原来的滞后相变为超前相，电动机的转向就随之改变。11交流伺服电动机的自转现象指什么？如何消除自转现象？ 交流伺服电动机的控制电压为0时，转子立即停转，满足伺服性。如果控制电压为0时，转子仍旧继续旋转，这种失控现象称交流伺服电动机的“自转现象”。增大转子电阻，使Sm1，机械特性处于II、IV象限，当交流伺服电动机的控制电压为0时，转子承受制动性转矩，迫使转子停转，这样就消除了自转现象。12为什么永磁式同步电动机转子上通常装有鼠笼绕组？ 永磁式同步电动机转子上装的鼠笼绕组绕组。因为旋转磁场的同步速很高，不能将静止的转子牵人同步运行，需要在转子上安装鼠笼绕组，使旋转磁场切割鼠笼转子导条产生异步转矩而起动，当转子转速接近同步速时，就很容易地被牵人同步运行。13转子上安装鼠笼绕组的永磁式同步电动机，转速不等于同步速时，鼠笼绕组和永久磁铁是否都起作用？转速等于同步速时，鼠笼绕组和永久磁铁是否都起作用？为什么？转子上安装鼠笼统组的永磁式同步电动机，转速不等于同步这时，鼠笼绕组起作用，永久磁铁不起作用；而当转速等于同步速时，永久磁铁起作用，而鼠笼绕组不再起作用。因为此时转子转速等于同步速，旋转磁场与转子相对静止，不再切割鼠笼转子导条，也就没有转矩产生。14将无刷直流电动机与永磁式同步电动机及直流伺服电动机作比较，分析它们之间有哪些相同和不同点？无刷直流电动机由电子开关电路、永磁式同步电动机及位置传感器组成，它去掉了普通直流伺服电动机的电刷和换向器，避免了滑动机械接触影响电机的精度、性能和可靠性以及火花引起的无线电干扰，增长了电机寿命，也避免了结构复杂、噪音大、维护困难的缺点，却保留了直流电动机调速和起动性能好、堵转转矩大的优点；同时还具有交流永磁式同步电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。15位置传感器的作用如何？位置传感器是一种无机械接触的检测转子位置的装置，其作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，代替普通直流电动机的电刷和换向器，实现电子换向。它有多种结构形式，常见的转换方式有电磁转换、光电转换和磁敏转换。16简述无刷直流电动机的工作原理。如何使无刷直流电动机反转？ 无刷直流电动机是由电子开关电路、永磁式同步电动机及位置传感器组成的电动机系统。直流电源经开关线路向电动机定于绕组供电，位置传感器检测出转子磁场相对于定子绕组的位置，并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，各相依次通人电流，和转子磁极主磁场相互作用，产生转矩，使电动机旋转。要实现无刷直流电动机的反转，可采取以下几种办法：（1）改变位置传感器的输出电压信号，采用正反转两套位置传感器。（2）使每相绕组两端头互换，改变绕组中电流的方向。（3）用霍尔元件作位置传感器的，可将每片霍尔元件一对电流端或电势端端头互换。（4）在控制电路中用一逻辑信号（正反转）指令改变电机各相绕组的导通顺序。17如何控制反应式步进电动机输出的角位移和转速？怎样改变步进电动机的转向？ 反应式步进电动机输出的角位移与输人的脉冲数成正比，其转速与输人脉冲的频率成正比，改变输人脉冲的数目或改变输人脉冲的频率就可以控制反应式步进电动机输出的角位移和转速。反应式步进电动机的旋转方向取决于输人脉冲的相序，改变输人脉冲的相序就可以使步进电动机反转。18简要说明步进电动机静稳定区和动稳定区的概念。不改变步进电动机控制绕组通电状态时获得的矩角特性中0时T0，这一点为步进电动机的稳定平衡点，当0=。时同样T0，但这两点是不稳定的平衡点。两个不稳定的平衡点之间即为步进电动机的静态稳定区域。步进电动机的动稳定区是指使步进电动机从一种通电状态切换成另一种通电状态而不失步区域。19一台反应式步进电动机，已知相数m=6，单拍运行步距角为3,单双拍运行步距为1.5,求转子齿数.解:或 则：（个齿）20、一台采用五相十拍通电的步进电动机，测得上动机的转速为100r/min，己知转子有24个齿，求（1）步进电动机的步距角（2）脉冲电源的频率。解：（1） （2）则f=400HZ21、若一台四相反应式步进电动机，其步距角为，试问（1）表示什么？（2）转子齿数为多少？（3）写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。（4）在A相绕组测得电源的频率为400HZ时，其每分钟转速为多少？解：（1）表示这台步进电运机单拍运行时步距角为，单双拍运行时步距角为。（2）(个齿)（3）（4）22步进电机的驱动电源由哪几部分组成？ 步进电机的驱动电源一般由脉冲信号发生电路、脉冲分配电路和功率放大电路等几部分组成。脉冲信号发生电路产生基准频率信号供给脉冲分配电路，脉冲分配电路完成步进电机控制的各相脉冲信号，功率放大电路对脉冲分配回路输出的控制信号进行放大，驱动步进电机的各相绕组，使步进电机转动。 脉冲分配器有多种形式，早期的有环型分配器，现在逐步被单片机所取代。功率放大电路有单电压、双电压、斩波型、调频调压型和细分型等多种形式。近年来出现将控制信号形成和功率放大电路合为一体的集成控制电源。23影响步进电机性能的因素有哪些？使用时如何改善步进电机的频率特性？ 步进电机的主要性能指标是频率特性曲线，步进电机的转矩随频率的增大而减小。步进电机的频率特性曲线和许多因素有关，这些因素包括步进电机的转子直径、转子铁心有效长度、齿数、齿形、齿槽比、步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙、控制线路的电压等。其中有的因素是步进电机在制造时已确定的，使用者是不能改变的，但有些因素使用者是可以改变的，如控制方式、绕组工作电压、线路时间常数等。 控制方式对频率特性的影响较大，使用时尽量采用单双拍控制方式。 线路时间常数小，步进电机的频率特性好，同时时间常数小也可使起动频率增高。因此在实际使用时应尽量减小时间常数。为了减少时间常数，可增大电阻RC为不使稳态电流减少，在增大电阻的同时，可采用提高供电电压的方法。在实际中，可根据客观情况来考虑选择恰当的外部电阻RC，使步进电机处于合适的工作状态。通常在改变开关电压的同时改变外接电阻的值，即增大电阻的同时提高开关电压使步进电机的频率特性得到改善。在使用步进电机时应使步进电机工作于高频稳定区。步进电动机的步距角和转速的特点是不受电压信号和负载变化的影响，仅与脉冲频率有关，它每转一圈都有固定的步数，在不丢步的情况下运行，其步距角误差不会长期积累，如果停机后某些相绕组仍保持通电状态，还有自锁能力。控制输人脉冲数量、频率及电机各相绕组的接通顺序，可以得到各种需要的运行特性。24简述细分驱动电路的工作原理。步进电机细分驱动电路步进电机的转动是靠脉冲电压完成的，对应一个脉冲电压，步进电机转子转动一步，步进电机的各相绕组电流轮流切换，使转子旋转。如果每次进行输人脉冲切换时，不是将绕组电流全都通人或关断，仅改变对应绕组中额定电流的一部分，那么转子相应的每步转动也只是原步距角的一部分。通过控制绕组中电流数值即可控制转子的步距角的大小。所谓细分电路，就是把步进电机的步距角减小，把一步再细分成若干步如10步），这样步进电机的运动近似地变为匀速运动。并能使它在任何位置停步。这种将一个步距角细分成若干步来完成的控制方式，称为细分控制方式。采用这种线路可以大大改善步进电机的低频特性，可使步进电机的步进角变小，从而提高步进电机的控制精度，能实现机床加工的微量进给。步进电机中对电流进行细分，本质是在绕组上对电流进行叠加，使原来的矩形电流供电波形变为阶梯电流波形供电，要求绕组中的电流以若干个等幅等宽的阶梯上升到额定值，或以同样的阶梯从额定值下降到零。电流波形从0经过10个等宽等高的阶梯上升到额定值，下降时又经过同样的阶梯从额定值下降至0。它与一般的由0值突跳至额定值，从额定值跳至0的通电方式相比，步距角缩小了1/10，因而使电机运转非常平滑虽然这种驱动电源的结构比较复杂，但有如下优点：在不改变电机内部结构的前提下，使步进电机具有更小的步距角、更高的分辨率，使电机运行平稳，可以减小或消除电机在低频段运转时产生的振动、噪音等现象。第三章 直流调速系统1、开环系统额定静态速降是由什么因素决定的？开环系统的静态速降为，其中C。为电机所固有的常数，因此开环系统额定静态速降主要由电机的额定电流、电枢回路总电阻决定。 2试概述闭环调速系统的主要特点。改变给定电压是否能够改变电动机的转速？如果给定电压不变，调整反馈电压的分压比能否改变转速？为什么？如果测速机励磁发生变化，系统有没有克服这种扰动的能力？ （1）闭环调速系统的主要特点：a当给定电压不变时，加入转速负反馈将使转速大大降低，理想空载转速。只是开环，即。如果还要维持系统的运动速度基本不变，即,那么闭环时的。必须比开环时相应提高（）倍。b当负载相同时，闭环系统的静态速降将大大减速小，将大大减小，只是开环系统静态速降的。c如果电动机的最高转速相同，对静差率的要求相同，则闭环系统的调速范围是开环系统的（）倍。（2）给定电压是系统的参考输入量，改变给定电压能够改变电动机的转速。 调整反馈电压的分压比，相当于改变了反馈系数，能够改变电动机的转速。 （3）测速机励磁发生变化引起的扰动，不在反馈环所包围的前向通道中，所以闭环系统没有克服这种扰动的能力？3转速负反馈系统能减小稳态速降的原因是什么？转速负反馈系统能减小稳态速降的原因是闭环系统的自动调节作用。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢电流在电阻上的压降也增大，转速就要降下来。现在引人了转速负反馈，转速稍有降落，反馈电压人就感觉出来了。因给定电压不变，因此加到触发器上的控制电压便自动增加了，它可使晶闸管整流电压增加，电动机转速便相应回升。由于电枢电压的增量补偿压降，就使转速基本维持不变。4有一 V一M调速系统，已知电动机的电势系数 ，电枢回路总电阻，晶闸管整流装置的放大倍数，要求调速范围D20S10，(1)计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的静态速降。（2）采用转速负反馈组成单闭环系统，如果最大给定电压为 30V，则转速反馈系数应为多少？（3）计算所需的放大器的放大倍数。解：（1）（转/分）（2）a（3） 5在带电流截止负反馈的转速负反馈调速系统中，如果稳压管的稳压值Uw发生变化，或电流反馈系数卢发生变化，各对系统的静特性有什么影响？带电流截止负反馈的转速负反馈调速系统的静特性为：当稳压管的稳压值发生变化时相当于给定电压发生变化，影响理想系统的空载转速。电流反馈系数月发生变化相当于电枢回路总电阻发生变化，影响系统的静态速降。所以当稳压管的稳压值发生变化或电流反馈系数月发生变化，将影响系统静特性的斜率。 6为什么积分控制的调速系统是无静差的？积分调节器的输入偏差电压0时，输出电压是多少？决定于那些元素？系统的动态速降能否为零，为什么？ 在积分控制的调速系统中，控制作用不仅依靠偏差本身而且依靠偏差的累计。只要输人偏差0，积分控制就使得 逐渐积累，因而转速就要变化。只有到 AU0时，输出电压为一定值不再变化，转速才稳定下来，因而是无静差的。 当输入偏差电压AU 0时，输出电压为一定值，它取决于偏差的大小、偏差为零的时刻、积分时间常数等。系统的动态速降不能为另，如果动态速降也为零，那么系统的偏差电压始终为零，则为零，控制作用就失去了，系统无法工作。 7双闭环调速系统在稳定运行时，速度调节器的输人、输出电压各为多少？电流调节器的输人、输出电压各为多少？ 在转速、电流双闭环调速系统中，如果转速、电流两个调节器都采用PI调节器，稳定运行时，它们的输人电压都为零。转速调节器的输出电压为：电流调节器的输出电压为：8如果要改变双闭环系统的转速，可调节什么参数？改变转速调节器的放大倍数行不行？改变转速反馈系数行不行？如果要改变堵转电流（系统起动时的最大电流）应调节什么参数？ 如果要改变转速可调节给定电压或转速反馈系数，改变转速调节器的放大倍数不行，改变转速反馈系数行。如果要改变堵转电流应调节转速调节器的输出限幅值Ug。或电流反馈系数。9双闭环调速系统在突加给定的起动过程中，转速调节器为什么能迅速达到限幅值，其限幅值是如何整定的？电流调节器是否应达到限幅值，其限幅值是如何整定的？答：双闭环调速系统在突加给定时，由于电机的机械惯性，转速为零，使转速反馈电压礼为零，这时加在转速调节器输人端的偏差电压很大，而转速调节器的积分时间常数较小，所以转速调节器的输出能迅速达到限幅值，其限幅值按所要限制的最大电流值来整定，。电流调节器不应达到限幅值，否则将失去调节作用，其限幅值应大于最大的输出控制电压，。 10双闭环调速系统对电网电压及负载扰动，其调节过程的特点是什么？对电网电压的扰动无需等到电机转速发生变化，只要电枢回路电流发生变化时，由电流调节器调节即可，有效减小了电机转速的变化。负载扰动要电机的转速发生变化后，由转速调节器来调节。3l开环系统额定静态速降是由什么因素决定的？ 开环系统的静态速降为，其中C。为电机所固有的常数，因此开环系统额定静态速降主要由电机的额定电流、电枢回路总电阻决定。11不可逆脉宽调制电路中非受限式和受限式两种方式比较各有什么优缺点？非受限式方式在产生反向电流时，对电机转速的影响会有多大？是否会影响电机正常使用？受限式电路中只使用一个晶体管，由电感释放能量进行续流，电流只能是单方向的，在负载电流小，开关频率不够高时，容易产生电流断续现象。非受限式电路中增加了一个晶体营，在电流变为零时由电动机产生反向电流，这样就保证了电流在任何情况下都能连续。由于脉宽调制电路中开关频率较高，所以非受限式方式在产生反向电流时，对电机转速的影响不会很大，不影响电机正常使用。12试述单极性工作制和双极性工作制的不同特点。单极性脉宽调制电路是两组不可逆脉宽调制电路的组合，一组输出正电压，另一组输出负电压，因此也有受限式和非受限式两种方式。单极性电路在一周期内的输出电压波形始终是单一极性，最多有两个晶体管同时工作。双极性脉宽调制电路在一周期内的输出电压波形为正负双极性，四个晶体管分两组轮流工作。13晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管电动机直流调速系统相比有什么优点？晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管电动机直流调速系统相比有以下优点：（1）晶体管脉宽调制电路的开关频率一般在几千赫兹，而三相晶闸管全控桥的开关频率有300赫兹，前者的开关频率差不多比后者高一个数量级。这样晶体管直流脉宽调速系统的频带要比晶闸管直流调速系统宽许多，因此系统的响应速度快，动态抗负载扰动的能力强。（2）由于开关频率高，晶体管脉宽调制电路仅靠电枢中电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电流容易连续，同时电机的损耗和发热较小。（3）对交流电网的影响小，没有晶闸管可控整流电路换相时对电网的“污染”，而且其功率因数高，效率高。（4）主电路需用的可控功率元件少，线路简单。例如组成可逆直流脉宽调速系统的H型电路只需四个大功率晶体管，而在可逆晶闸管直流调速系统的两组反并联三相全控桥中则需要十二个晶闸管。此外，晶体管的控制也比晶闸管容易。这样，就使得晶体管直流脉宽调速系统的线路比晶闸管直流调速系统的线路简单。 第四章 交流调速系统1为什么改变异步电动机定子供电频率，可以调节异步电动机的转速？ 由可知，当极对数不变时，同步转速和电源频率成正比。而异步电动机的转速，所以连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。2异步电动机变频调速时，如果只从调速角度出发，仅改变人是否可行？为什么？在实际应用中，同时还要调节，否则会出现什么问题？由电机学可知，异步电动机有如下关系式：式中，定于绕组匝数，定于绕组系数为常数。在电源频率一定时，定于绕组感应电压势与与产生它的气隙合成磁通电成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电压U；与E；近似相等。由式（4-1）看出，若不变，成反成反比。如果人下降，则入增加，使磁路过饱和，励磁电流迅速上升，铁损增加，电动机效率降低，也使功率因数减小。如果上升，则减小，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。可见调速时为维持恒磁通不变，在调节人的同时还要协调地调节，才可以使异步电动机具有较好的性能。3、异步电动机变频调速时，常用的控制方式有哪几种？它们的基本思想是什么？这几种控制方式得到的机械特性如何？常用的控制方式有三种： （1）保持=常数的控制方式 一般生产机械的负载多为恒转矩负载。对恒转矩负载，希望在调速过程中保持最大转矩几。不变，即电动机的过载能力不变。由电机学可知，最大转矩为若忽略定子电阻rl，并考虑到,则所以在从额定频率（称为基频）向下调节时，协调控制，使的比值保持不变，即可保证在调速过程中，电动机的最大转矩不变。称为压频比恒定的控制方式。在频率较高时，定子电阻马相对于短路电抗x。来说，可以忽略（因为），在调节同时，调节，并保持常数，即可使不变。但是在频率较低时，相对来说，不可忽略。此时既使仍保持压频比恒定，由也要减小，从而使最大转矩减小。电动机低速运行时，过载能力随转速的降低而降低。因此这种控制方式的变频调速只适用于风机类负载，或是能轻载起动，而又要求调速范围较小的场合。 （2）保持=常数的控制方式 对于要求调速范围大的恒转矩负载，希望在整个调速范围内，保持最大转矩不变，即不变，可以采用=的控制方式，也称为恒磁通控制方式。 由于异步电动机的感应电动势不好测量和控制，所以在实际应用中，是采取补偿的办法。随着的降低，适当提高，以补偿上的压降，等效地满足=常数，以达到维持最大转矩不变的目的。考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机磁通增大，导致磁路过饱和而带来的问题，具体如何做需根据生产工艺要求而定。（3）恒功率控制方式 电动机在额定转速以上运行时，定子频率将大于额定频率，如按以上控制方式，定子电压则要相应地高于额定电压，这是不允许的。因此在基频以上应采取恒功率控制方式。这与直流电动机在额定转速以上，采用恒压弱磁调速相似。此时，由于定子电压限制在允许范围内，而频率升高，致使气隙磁通减小，转矩减小，但因为转速上升了，所以属恒功率性质。只要满足=常数的条件，即可恒功率调速。实际在基频上以上调速时，是保持为额定值不变，而只升高频率，所以为近似恒功率调速。一般在基频以下采用=常数或=数的控制方式；基频以上采用恒功率控制方式。（4）机械特性 由知，改变电源频率人，就有不同的，从而得到不同的机械特性。再得知最大转矩的变化规律和机械特性运行段的斜率，即可大致画出变频调速的机械特性。（a）最大转矩当从基频向下调，而数值较高时，可忽略，按压频比恒定的控制方式调速，最大转矩基本保持不变。当人数值较低时，不可忽略，由式（42）可见，最大转矩将减小。这是因为在上产生的压降使得定子电动势进一步降低，气隙磁通减小，所以，既使保持=常数，也不能保持不变，致使最大转矩减小。下降越多，的影响越大，减小越多。为了提高低速时电动机的过载能力，必须适当地提高，采用=常数的控制方式。当从基频向上调时，保持额定值不变，增加，减小，随之减小。（b）运行段的斜率由电机学知，临界转差率为：在较高时忽略并用代人式中，得又因为转速则对应最大转矩时=常数可见与频率无关。因此，无论在基频以下还是基频以上调速时，机械特性都是平行上下移动的。到频率很低时，不可以忽略，减小，机械特性更硬些，根据以上分析，可以定性画出机械特性。4请画出交一直一交变频器和交一交变频器的示意图，并指出各自的特点。 交一交变频系统的示意图。如果使左右两组晶闸管轮流向交流电动机供电，交流电动机的定子上即可得到交流电压，两组晶闸管切换得快，则电压频率高，反之则频率低。这就是交交变频器的工作原理。交一变变频器的主要优点是只进行一次能量变换，所以效率较高，而且晶闸管靠电源电压自然换流，不需要设置强迫换流装置。其缺点是所用开关元件多。另外，这种变频器输出电压的频率调节范围在电源频率的1/3以下，最高不超过1/2，因而限制了它的应用场合。一般是用于低速、大功率的调速系统中。 交一直一交变频器向异步电动机供电的主回路原理图。图中，UR表示整流器；UI表示逆变器。CVCF表示恒压恒频电源；VVVF表示变压变频电源。图a的中间环节是大电容器滤波，使直流侧电压zzz U。接近恒定，变频器的输出电压随之恒定，相当于理想的电压源，称为交玉红交电压型变频器。由于采用大电容滤波，直流侧电压恒定，输出电压为矩形波，输出电流由矩形波电压和电动机正弦波电动势之差产生，所以其波形接近正弦波。又因为逆变器的直流侧电压极性固定，不能实现回馈制动，若需要回馈制动时，必须在整流侧反并联一组晶闸管，供逆变时用。这时逆变器通过反馈二极管工作在整流状态；附加的一组晶闸管工作在逆变状态，向电网回馈电能。图b的中间环节是电感很大的电抗器滤波，电源阻抗大，直流环节中的电流可近似恒定，逆变器输出电流随之恒定，相当于理想的电流源，称为交直一交电流型变频器。它的逆变器输出电流波形为矩形波，输出电压波形由电动机正弦波电动势决定，所以近似为正弦波。这种变频器可以实现回馈制动，回馈制动时，主回路电流方向不变，而电压极性改变，整流器工作于逆变状态，逆变器工作在整流状态，从而使主回路在不增加任何元件的条件下，电动机就能自动地从电动状态进人回馈制动状态。这是这种变频器的突出优点。 5电压型变频器和电流型变频器的主要区别在哪？它们各有什么特点？ 电压型变频器和电流型变频器的主要区别在于对无功能量的处理方法不同，致使形成各自不同的技术特点，如下表所示。变频器类型电 压 型电 流 型直流回路虑波环节电容器电抗器输出电流波形接近正弦矩形波输出电压波形矩形波接近正弦回馈制动需在电源侧附加反并联逆变器方便，不需附加设备过滤及短路保护困难容易动态特性较慢，采用PWM方式则快较快对开关元件要求关断时间短，而压可较低耐压同6180导通型逆变器和120导通型逆变器各有什么特点？(1)180导通型逆变器 在逆变器中晶闸管的导通顺序是从，每个触发脉冲相隔60每个晶闸管持续导通时间为180电角度。在逆变器中，任何瞬间都有三只晶闸管同时导通。晶闸管之间的换流是在同一桥臂上的上、下两个晶闸管间进行的。 相电压波形为阶梯波。线电压为矩形波，各相之间互差120，三相是对的。（2）120导通型逆变器逆变器中晶闸管的导通顺序仍是从VT1到VT6，各触发脉冲相隔60电角度，只是每个晶闸管持续导通时间为120电角度，因此任何瞬间有两个晶闸管同时导通，它们的换流在相邻桥臂间进行。这样，同一桥臂上两个晶闸管的导通有60间隔，不易造成短路，比180导通型逆变器换流安全。相电压是幅值为U/2的矩形波；线电压是幅值为U的梯形波。两种导通方式对比可知；120导通型和180导通型逆变器中，开关元件的导通顺序和触发脉冲间隔都是一样的，之所以有不同的导通时间，完全是因为换相的机理不同所致。前者是在相邻桥臂间进行，后者是在一个桥臂的上、下元件间进行。由于导通时间不同，前者的电压有效值低于后者。 7交一直一交电压型变频调速系统，要求逆变器输出线电压基波有效值为380V，对180导通型和120导通型逆变器，其直流侧电压Ud分别为多少伏？180导通型逆变器中UAB0.8l7U，线电压基波有效值为380V时U465V120导通型逆变器中UAB0.707U，线电压基波有效值为380V时U537V8在变频调速系统中，函数发生器、压频变换器、环形分配器、脉冲输出级、绝对值运算器、给定积分器等各单元的作用如何？ (1)函数发生器 在控制系统中设置函数发生器，是为了协调电压与频率的关系，实现各种控制方式。对于要求端电压与频率比值不变的控制方式，采用比例调节器即可。若考虑到电阻压降的影响，而用=常数的控制方式时，可采用加人补偿环节的函数发生器。（2）压频变换器 压频变换器是把电压信号转换为相应频率的脉冲信号。系统对压频变换器的要求是：在频率控制范围内，有良好的线性度；有较好的频率稳定性；能方便地通过调节电路的某些参数来改变频率范围。另外，更重要的是，当逆变器输出的最高频率为时，要求它输出的最高频率为。（3）环形分配器 环形分配器的作用是将压频变换器输出的时钟脉冲6个一组依次分配给逆变器的6个开关元件，简称六分频。而环形分配器就是个六分频环形计数器。（4）脉冲输出级 脉冲输出级是将来自环形分配器的信号功率，放大到足以可靠触发逆变器元件的程度。由于脉冲较宽，工作频率较低，为了保持较陡的脉冲前沿和平坦的脉冲波顶，一般采用调制式，既使在逆变器频率很低的情况下，仍可保证脉冲具有平坦的波顶。同时还可以减小脉冲输出变压器的体积。 （5）绝对值运算器 绝对值运算器是将正、负极性的输人信号变为单一极性的输出信号，但大小一般不变。 在系统中，电流反馈和电压反馈都是反映反馈量的大小而不反映它的极性，而给定信号在正、反转时，有正、负极性变化。为使两个信号在正、反转时均为相减的关系，而必须设置绝对值运算器。压频变换器需要极性不变的输人信号，所以也取自绝对值运算器的输出端。（6）给定积分器 对于转速开环的交流调速系统，起动时，如果逆变器输出电压与频率变化太快时，将会使电动机的转差率加大。加大到后，电磁转矩反而减小，使起动时间增加，甚至使电动机堵转。在图4-22中，以加速为例，起动时，如果使逆变器的频率从突增至人，对应电压也相应协调上升，在改变频率瞬间，电动机的电磁转矩将从TA变为TB，而TBTA，从而使电动机加速度下降，甚至如果小于负载转矩，电动机不但不能加速，反而减速，最终堵转。如果使逆变器输出频率从变到，则在改变频率瞬间，电动机的电磁转矩从,由于，电动机的加速度增大。从此看出，在实际工作中，应根据负载转矩大小和系统转动惯量大小等实际情况，确定最佳加减速时间。主要是调节给定积分器的时间常数。 当由给定电位器给出一个电压值时（对应一个输出频率），经函数发生器补偿，输出一个与给定频率对应的电压给定值。由于通过函数发生器实行=常数的控制方式，所以能保证磁通恒定。电压给定值经电压调节器和电压闭环，使主回路得到与给定电压大小相符的电压。同时，频率给定信号经压频变换器得到6倍于给定频率的脉冲信号，再经过环形分配器分配给脉冲输出级，最后送给逆变器的晶闸管发出对应频率触发脉冲。使电动机运行于与对应的转速上。9在转速开环变频调速系统中，为什么要设置瞬态校正环节？ 设置瞬态校正环节是为了在瞬态（动态）过程中，使系统仍基本保持某种控制规律，在此系统中是为保持=常数。由于电压控制回路为闭环，而频率控制回路为开环，在有负载扰动、电网电压波动等因素时，容易使系统工作不稳定。例如，在负载扰动下，电流内环响应较快，引起电压波动，由电压闭环进行自动调节。但是，只要给定电压不变，频率就始终不变。虽然在负载扰动下，输出电压将反复变化，而输出频率并不随着电压变化，使得在动态时不能保持=常数，磁场将产生过励和欠励不断交替的情况，使得电动机转矩波动，以至电动机转速产生波动，造成系统工作不稳定。为了避免上述情况的产生，而加人瞬态校正调节器，进行瞬态的补偿调节。 瞬态校正器采用微分校正电路，以获得超前校正作用。它的输人信号有两种取法：一是取电流调节器的输出信号；二是取电压调节器输人的电压给定与电压反馈的差值。这两种方法均可得到近似的补偿。系统进入稳态后，该环节就不起作用了。 10转差频率控制方式的基本思想是什么？试分析转差频率控制变频调速系统的起动和回馈制动过程。直流双闭环系统具有优良的静动态性能，是因为直流电动机转矩容易控制，只要调节电枢电流，就可以控制电动机的转矩。也就是说，控制系统对转矩的控制能力，可以决定系统静动态性能的好坏。 异步电动机的电磁转矩T可表示为：即电磁转矩与气隙磁通、转子电流及转子回路的功率因数有关，而这些量都不是独立变量，又难于直接检测与控制，这也就是异步电动机转矩难于控制的原因。因此，如果不解决异步电动机转矩的控制问题，既使采用转速闭环，动态特性仍无法改善。 转差频率控制就是一种解决异步电动机转矩控制问题的方法。采用这种方法，可以大大改善异步电动机的静动态性能。异步电动机转矩和转差角频率（或转差频率）成正比。因此，在磁通恒定的条件下，控制转差角频率也（或），也就控制了转矩，这就是转差频率控制的基本思想。 （l）起动过程（理想空载情况）在给定一个转速给定信号瞬间，由于电动机的机械惯性，电动机转速为零，转速调节器ASR的输人偏差信号很大，其输出迅速达到限幅值。使转差角频率，此时系统具有最大转矩。一方面，经函数发生器给出对应外。的定子电流人的给定值，维持电动机的磁通=常数；另一方面，压频变换器的输人端，从绝对值运算器的输出端得到给定信号，转换成6的脉冲列，经环形分配器输出后，产生此时异步电动机的同步旋转磁场，电动机开始转动。随着电动机转速的上升，其旋转角频率上升，但只要，转速调节器就一直饱和，转速环处于开环状态。ASR的输出始终为限幅值，即电动机的转矩始终为最大值。而且通过电流环，使电动子电流入始终跟随给定值，确保转速过渡过程中电恒定，于是电动机在恒最大转矩下加速。同时随着的上升，也不断上升，对应压频变换器输出的频率增高，电动机旋转磁场的转速加快，电动机转速上升，但是因为始终为最大值，所以，电动机沿着的特性曲线起动，转速上升很快。当上升到且略有超调时，ASR退饱和，从下降到，对应，经过转速环的调节，使电动机稳定运行于=（2）回馈制动 _如果给定信号突然减小到零，由于转速不能突变，转速调节器的输人变号，使其反向积分，一直到负限幅值一，电动机有一，旋转磁场的角频率从队变为，由于，电动机运行于回馈制动状态，而且只要0，转速调节器输出就一直为负限幅值，电动机就在一作用下很快减速，直至后，ASR退饱和，经过转速
展开阅读全文