精選控制電機(2版)思考題與習題參考答案

精選控制電機(2版)思考題與習題參考答案控制電機〔2版〕思考題與習題參考答案〔機械工業(yè)出版社，李光友等編著〕第1章直流伺服電動機1.一臺直流電動機，其額定電壓為110V，額定電樞電流為0.4A，額定轉速為3600r/min，電樞電阻為50Ω，空載阻轉矩N·m，試問電動機的額定負載轉矩是多少？解：TL=Ω=2πn60=120π,T2.一臺型號為55SZ54的直流伺服電動機，其額定電壓為110V，額定電樞電流為0.46A，額定轉矩為N·m，額定轉速為3000r/min。忽略電動機本身的空載阻轉矩，試求電機在額定運行狀態(tài)時的反電動勢和電樞電阻。解：U=Ea+IaRaE3.伺服電動機型號為70SZ54，效率，空載阻轉矩N·m。試求額定運行時電動機的電樞電流，電磁轉矩，反電動勢和電樞電阻。解：IaN=Te=Ra4.由兩臺完全相同的直流電機組成的電動機-發(fā)電機組。它們的勵磁電壓均為110V，電樞繞組電阻均為75Ω。當發(fā)電機空載時，電動機電樞加110V電壓，電樞電流為0.12A，機組的轉速為4500r/min。試求：〔1〕發(fā)電機空載時的輸出電壓為多少？〔2〕電動機仍加110V電壓，發(fā)電機負載電阻為1kΩ時，機組的轉速為多少?解：〔1〕UF0〔2〕由Ea=CeΦn接負載時，U=CeΦCeΦ解得In15.試用分析電樞控制時的類似方法，推導出電樞繞組加恒定電壓，而勵磁繞組加控制電壓時直流伺服電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性。并說明這種控制方式有哪些缺點?答：磁場控制時電樞電壓保持不變。機械特性是指勵磁電壓不變時電動機轉速隨電磁轉矩變化的關系，即n=UaCeΦ-TeR6.假設直流伺服電動機的勵磁電壓下降，對電機的機械特性和調(diào)節(jié)特性將會產(chǎn)生哪些影響?答：電樞控制時，假設勵磁電壓下降，Φ減小，k增大，機械特性變軟，始動電壓變大。7.電樞控制的直流伺服電機，當控制電壓和勵磁電壓都不變時，電機軸上的負載轉矩減小，試問這時電機控制電流、電磁轉矩和轉速n都會有哪些變化？并說明由原來的穩(wěn)態(tài)到達新穩(wěn)態(tài)的物理過程。答：勵磁電壓不變，可近似認為Φ不變。負載轉矩減小時，Te減小，由Te=C物理過程：負載轉矩減小時，瞬時電磁轉矩大于負載轉矩，電動機加速，反電動勢升高，電流下降，電磁轉矩下降，直到新的轉矩平衡后進入穩(wěn)態(tài)。8.直流伺服電動機的機械特性為什么是一條下傾的直線？為什么放大器的內(nèi)阻越大，機械特性就越軟?答：直流伺服電動機的機械特性為n=UaCeΦ-TeRaCeC9.直流伺服電動機在不帶負載時，其調(diào)節(jié)特性有無死區(qū)？調(diào)節(jié)特性死區(qū)的大小與哪些因素有關?答：有死區(qū)。Us10.當直流伺服電機運行在電動機、發(fā)電機、反接制動、能耗制動四個狀態(tài)時，電磁轉矩與轉速的方向成什么關系？它們的能量流向有什么特點?答：電動機：電磁轉矩與轉速方向相同，電能轉化為機械能。發(fā)電機：電磁轉矩與轉速方向相反，機械能轉化為電能。反接制動：電磁轉矩與轉速方向相反，電能和轉子機械能轉化為電機內(nèi)部的熱能。能耗制動：電磁轉矩與轉速方向相反。轉子機械能轉化為電機內(nèi)部的熱能。11.試述機電時間常數(shù)的物理意義。答：電動機在空載狀態(tài)下，勵磁繞組加額定勵磁電壓，電樞加階躍額定控制電壓，轉速從零升到理想空載轉速的63.2%所需的時間。12.直流伺服電動機當轉速很低時會出現(xiàn)轉速不穩(wěn)定現(xiàn)象，簡述產(chǎn)生轉速不穩(wěn)定的原因及其對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。答：電樞齒槽的影響，電樞接觸壓降的影響，電刷和換向器之間摩擦的影響。造成控制系統(tǒng)誤差。13.一臺直流伺服電動機帶動恒轉矩負載〔即負載轉矩保持不變〕，測得始動電壓，當電樞電壓為50V時，其轉速為1500r/min，假設要求轉速到達3000r/min，試問要加多大的電樞電壓?解：14.一臺直流伺服電動機，其額定電樞電壓和勵磁電壓都為110V，額定電樞電流為0.46A，額定轉速為3000r/min，額定轉矩為N·m，忽略空載阻轉矩。要求：〔1〕繪出電樞電壓為110V和80V時的機械特性曲線；〔2〕當負載轉矩為N·m電樞電壓為80V時電機的轉速；〔3〕對應于該負載和電壓下的堵轉轉矩和始動電壓。解：〔1〕由CtΦIaERn=nn01n02k曲線略。〔2〕n=U〔3〕TU15.一臺直流伺服電動機的電樞電壓，空載電流，空載轉速，電樞電阻，試求：〔1〕當電樞電壓時的理想空載轉速和堵轉轉矩；〔2〕該電機假設用放大器控制，放大器的內(nèi)阻，開路電壓，求這時的理想空載轉速和堵轉轉矩。解：〔1〕Cn0T〔2〕n0T交流感應伺服電動機1．空心杯形轉子兩相感應伺服電動機與籠型轉子感應伺服電動機相比，在結構與原理上有何異同?答：籠型轉子感應伺服電動機的結構與普通籠型感應電動機相似，只是定子為兩相繞組，并且為了減少轉子的轉動慣量，需做得細而長。空心杯型感應伺服電動機的定子分成外定子和內(nèi)定子兩局部。外定子局部與籠型轉子感應伺服電動機相同，在鐵心槽中嵌有空間相距90°電角度的兩相交流繞組，而內(nèi)定子鐵心中一般不放繞組，僅作為磁路的一局部，以減少主磁通磁路的磁阻。內(nèi)、外定子之間有細長的空心轉子裝在轉軸上，空心轉子做成杯子形狀，所以稱為空心杯型轉子?？招谋秃突\型感應伺服電機在原理上是相同的，杯型轉子可以看做是導條數(shù)目非常多、條與條之間緊靠在一起、而兩端自行短路的籠型轉子。2．兩相感應伺服電動機的轉子電阻為什么必須足夠大?轉子電阻是不是越大越好？為什么?答：為了得到盡可能接近線性的機械特性，并實現(xiàn)無“自轉〞現(xiàn)象，兩相感應伺服電機必須具有足夠大的轉子電阻。轉子電阻并非越大越好。如果轉子電阻過大，會導致轉子中的電阻損耗增加，電機的轉矩減小，效率降低。3．什么是“自轉〞現(xiàn)象?對兩相感應伺服電動機，應該采取哪些措施來克服“自轉〞現(xiàn)象?為了實現(xiàn)無“自轉〞現(xiàn)象，單相供電時應具有怎樣的機械特性?答：兩相感應伺服電機正常勵磁，在控制電壓作用下以一定轉速運行，當無控制信號時，電機應該立即停轉，假設電機仍能以某一轉速繼續(xù)旋轉，那么會造成失控，稱為“自轉〞現(xiàn)象。為了克服“自轉〞現(xiàn)象，首先在設計上轉子電阻必須足夠大，以使正向旋轉磁場產(chǎn)生最大轉矩對應的轉差率sm+>1；另外，在制造過程中還應該防止因工藝不良造成控制電壓切除后的氣隙磁場不是單相脈振磁場，而是稍有橢圓的旋轉磁場。為了實現(xiàn)無“自轉〞現(xiàn)象，單相供電時電機的合成電磁轉矩在整個電動機運行范圍內(nèi)均應為負值，即在整個機械特性曲線上轉速與電磁轉矩符號始終相反，此時機械特性位于第二、四象限。4．兩相繞組有效匝數(shù)不等的兩相感應伺服電動機，假設外施兩相對稱電壓，電機中能否得到圓形旋轉磁場？假設要產(chǎn)生圓形旋轉磁場，兩相繞組的外施電壓應滿足什么條件？答：對于兩相繞組有效匝數(shù)不等的兩相感應伺服電動機，假設外施兩相對稱電壓，電機中不能得到圓形旋轉磁場。假設要產(chǎn)生圓形旋轉磁場，兩相電壓的比值應等于兩相繞組的有效匝數(shù)比，且相位上相差。5．幅值控制的兩相感應伺服電動機，假設有效信號系數(shù)e由0變化到1，電機中的正序、負序磁動勢的大小將如何變化？答：在幅值控制的兩相感應伺服電動機中，假設有效信號系數(shù)e為0，在滿足無“自轉〞現(xiàn)象的條件下，電機轉速為0，此時正、負序磁動勢大小相等，合成磁動勢為脈振磁動勢；假設有效信號系數(shù)e為1，那么合成磁動勢為圓形旋轉磁動勢，即只有正序磁動勢，負序磁動勢幅值為零；假設有效信號系數(shù)0<e<1，那么合成磁動勢為橢圓形旋轉磁動勢，負序磁動勢的幅值小于正序磁動勢幅值，并且隨著有效信號系數(shù)e的增大，負序磁動勢的幅值逐漸減小。6．幅值控制的兩相感應伺服電動機，當有效信號系數(shù)e≠1時，理想空載轉速為何低于同步轉速？當控制電壓降低時，電機的理想空載轉速為什么隨之降低?答：對于幅值控制的兩相感應伺服電動機，當有效信號e小于1時，伺服電動機將產(chǎn)生橢圓形的旋轉磁動勢，氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場。由于反向旋轉磁場的存在，將會產(chǎn)生一個制動轉矩。當正序旋轉磁場產(chǎn)生的電磁轉矩與負序磁場產(chǎn)生的制動轉矩相等時，合成電磁轉矩等于0，對應于電動機的理想空載狀態(tài)，相應的轉速即為理想空載轉速，顯然這一轉速低于同步速。當控制電壓降低時，有效信號系數(shù)變小，磁場的橢圓度變大，反向旋轉磁場及相應的制動轉矩增大，因此電機的理想空載轉速隨之降低。7．幅值控制的兩相感應伺服電動機，有效信號系數(shù)e=1時，電機的理想空載轉速是多少？假設采用幅值-相位控制，并按起動時獲得圓形旋轉磁場選擇電容和控制繞組電壓，電機的理想空載轉速能否到達同步轉速？為什么？答：對于幅值控制的兩相感應伺服電機，當有效信號系數(shù)e=1時，理想空載轉速等于同步轉速。對于幅值-相位控制的兩相感應伺服電機，假設按起動時獲得圓形旋轉磁場選擇電容和控制繞組電壓，電機的理想空載轉速達不到同步轉速。因為當電動機旋轉后便成為橢圓型旋轉磁場，由于反向旋轉磁場產(chǎn)生的反向轉矩的作用，理想空載轉速將低于同步轉速。8．兩相感應伺服電動機為何常采用中頻電源供電？答：為了提高控制精度，希望伺服電動機的調(diào)節(jié)特性為線性。但兩相感應伺服電動機調(diào)節(jié)特性的線性度較差，只在轉速很低〔轉速標么值很小〕時近似為線性關系。因此為了使伺服電動機能工作在調(diào)節(jié)特性的線性范圍內(nèi)，應使其始終在較小的轉速標么值下運行，這樣，為了提高電機的實際運行轉速，就需提高伺服電動機的同步轉速，所以常采用中頻電源供電。9．如何改變兩相感應伺服電動機的轉向?為什么?答：當控制電壓相對于勵磁電壓的相位由滯后變?yōu)槌啊不蚍粗?，電機的轉向就會改變。這可以通過將控制繞組〔或勵磁繞組〕的兩端對調(diào)實現(xiàn)，對調(diào)后控制電壓〔勵磁電壓〕反相，其與勵磁電壓〔控制電壓〕相位的超前滯后關系隨之改變。10．機械特性非線性和有效信號系數(shù)大小對兩相感應伺服電動機的動態(tài)性能各有何影響？答：考慮機械特性的非線性，兩相感應伺服電動機轉速隨時間的變化規(guī)律已經(jīng)不再呈指數(shù)函數(shù)關系，其動態(tài)性能將優(yōu)于線性機械特性時。但由于實際兩相感應伺服電動機的μ值不超過0.2，因而忽略非線性對機電時間常數(shù)的影響造成的誤差不超過22%，因此機械特性非線性對兩相感應伺服電動機動態(tài)性能的影響不大，其作用?？珊雎?。有效信號系數(shù)對動態(tài)性能的影響較為顯著，隨著有效信號系數(shù)的減小，控制電壓降低，兩相感應伺服電動機的動態(tài)性能會變差，當控制電壓較小時，其過渡過程時間可延長約一倍。11．兩相感應伺服電動機的主要性能指標有哪些?各是如何定義的?答：兩相感應伺服電動機的主要性能指標有：〔1〕空載始動電壓：在額定勵磁電壓和空載情況下，使轉子在任意位置開始連續(xù)轉動所需要的最小控制電壓。〔2〕機械特性非線性度：在額定勵磁下，將任意控制電壓時的實際機械特性與線性機械特性在轉矩時的速度偏差與空載轉速之比的百分數(shù)定義為機械特性的非線性度。〔3〕調(diào)節(jié)特性的非線性度：在額定勵磁電壓和空載情況下，當時，實際調(diào)節(jié)特性與線性調(diào)節(jié)特性的轉速偏差與時的空載轉速之比的百分數(shù)定義為調(diào)節(jié)特性的非線性度?！?〕機電時間常數(shù)：對伺服電動機而言，機電時間常數(shù)是反映電機動態(tài)響應快速性的一項重要指標，在技術數(shù)據(jù)中給出的機電時間常數(shù)是用對稱狀態(tài)下的空載轉速代替同步轉速按照下式計算所得，式中Tk0為對稱狀態(tài)下的堵轉轉矩。12．何為兩相感應伺服電動機的額定狀態(tài)?額定功率含義如何?答：當電動機處于對稱狀態(tài)時，其輸出功率是隨轉速變化的，當轉速接近空載轉速的一半時，輸出功率最大，通常就把這個點規(guī)定為兩相感應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動機的額定功率。13．一臺兩極的兩相感應伺服電動機，勵磁繞組通以400Hz的交流電，當轉速n=18000r/min時，使控制電壓Uc=0，問此瞬時：(1)正、反向旋轉磁場切割轉子導體的速率(即轉差率)為多少?(2)正、反向旋轉磁場切割轉子導體所產(chǎn)生的轉子電流的頻率各為多少?(3)正、反向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?解：(1)電機的同步速轉子導體相對于正向旋轉磁場的轉差率為轉子導體相對于反向旋轉磁場的轉差率為(2)正向旋轉磁場切割轉子導體所產(chǎn)生的轉子電流的頻率為反向旋轉磁場切割轉子導體所產(chǎn)生的轉子電流的頻率為不一樣。正向旋轉磁場產(chǎn)生的電磁轉矩與轉子轉向相同，反向旋轉磁場產(chǎn)生的電磁轉矩與轉子轉向相反。在控制電壓Uc=0的瞬時，反向旋轉磁場產(chǎn)生的電磁轉矩應大于正向旋轉磁場產(chǎn)生的電磁轉矩。這是因為對于兩相感應伺服電動機，為了防止自轉現(xiàn)象，轉子電阻必須足夠大，以使單相供電時正、反向旋轉磁場產(chǎn)生的合成電磁轉矩在整個電動機運行范圍內(nèi)為負值14．有一臺兩相感應伺服電動機，歸算到勵磁繞組的轉子電阻和勵磁電抗為rr'=2Xm，假設忽略定子繞組電阻和定、轉子繞組漏抗，試計算采用幅值控制和幅值-相位控制并在起動時獲得圓形旋轉磁場兩種情況下，它們的堵轉轉矩之比是多少？幅值-相位控制時電容容抗XCa應為Xm的多少倍？解：由兩相感應伺服電動機的等效電路，在上述條件下，歸算到勵磁繞組的堵轉電阻和電抗分別為，假設采用幅值-相位控制，并要求起動時為圓形旋轉磁場，那么勵磁繞組應串聯(lián)的電容容抗為設電源電壓為U1，那么幅值控制在堵轉時的電流和電磁功率分別為幅值-相位控制在堵轉時的電流和電磁功率分別為堵轉轉矩的比值為15．一臺400Hz的兩相感應伺服電動機，控制繞組和勵磁繞組的有效匝數(shù)比kcf=1，當勵磁繞組電壓Uf=110V，而控制繞組電壓Uc=0時，測量勵磁電流為If=0.2A，假設將If中的無功分量用并聯(lián)電容補償之后，測得有功分量Ifa=0.1A，試問：(1)電機的堵轉阻抗Rck和Xck各等于多少?(2)如果采用幅值-相位控制，為在起動時獲得圓形旋轉磁場，應在勵磁繞組中串多大電容?假設電源電壓U1=110V，此時控制電壓Uc應為多大？勵磁繞組電壓Uf為多少？解：〔1〕由題意可知，堵轉阻抗為當勵磁電流為0.2A時，其有功分量為0.1A，因此有ΩΩ〔2〕為在起動時獲得圓形旋轉磁場，電容的容抗應為Ω相應電容值μF有效信號系數(shù)應為相應地，控制繞組電壓應為V電容電壓為根據(jù)電壓相量圖，考慮到此時應領先90o電角度，故勵磁繞組電壓為V可見，勵磁電壓與控制電壓大小相等，相位差90o電角度16．三相感應電動機變頻調(diào)速中，為什么要在變頻的同時變壓？試畫出通常采用的電壓-頻率協(xié)調(diào)關系，并說明為什么要采用這樣的電壓-頻率關系。答：在三相感應電動機變頻調(diào)速過程中，通常希望電機的磁通近似保持不變。因為如果磁通減少，意味著電動機的鐵心沒有得到充分利用，是一種浪費；如果磁通過分增加，又會使鐵心飽和，引起定子電流勵磁分量的急劇增加，導致功率因數(shù)下降，損耗增加，電機發(fā)熱等一系列問題。為此在感應電動機變頻調(diào)速過程中，需進行電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，使電動機的電壓隨著頻率的變化而變化，即必須在變頻的同時變壓。通常采用的電壓-頻率協(xié)調(diào)關系如下圖，在基頻以下采用恒壓頻比或帶低頻補償?shù)暮銐侯l比控制，基頻以上為恒壓變頻。在三相感應電動機中，感應電動勢Eg=4.44fNkN1Φm，考慮到定子漏阻抗壓降相對較小，假設忽略其影響，那么有定子電壓Us≈Eg=4.44fNkN1Φm，這意味著假設要使磁通Φm近似不變，電壓應隨頻率成比例變化，即應采用恒壓頻比控制。當計及定子電阻壓降的影響，采用恒壓頻比控制時的轉矩最大值會隨著頻率的降低而下降，低頻時由于定子電阻壓降的相對值較大，最大轉矩下降較多，會影響電動機的帶載能力。對于恒轉矩負載，往往要求在整個調(diào)速范圍內(nèi)過載能力不變，因此希望變頻運行時不同頻率下的最大轉矩保持恒定，為此通常需在低頻時進行電壓補償，即在Us/f1=常數(shù)的根底上，適當提上下頻時的電壓，以補償定子電阻壓降的影響。當頻率到達額定頻率時，電機端電壓已到達額定值，因此在基頻以上運行時，假設要保持磁通恒定，所要求電壓將大于額定電壓，考慮到逆變器輸出電壓及電動機額定電壓的限制，基頻以上通常采用恒壓變頻，即使Us=UsN，此時電機的磁通將隨著頻率增加而減小。17．試說明三相感應電動機矢量控制的根本思想。答：三相感應電動機矢量控制的根本思想是：借助于坐標變換，把實際的三相感應電動機等效成兩相旋轉坐標系中的直流電動機。在一個適中選擇的兩相旋轉坐標系中，三相感應電動機具有與直流電動機相似的轉矩公式，且定子電流中的轉矩分量與勵磁分量可以實現(xiàn)解耦，分別相當于直流電動機中的電樞電流和勵磁電流，這樣在該坐標系中三相感應電動機就可以像直流電動機一樣進行控制，從而使得三相感應電動機具有與直流伺服電動機相似的動態(tài)性能。18.何謂坐標變換？交流電機分析與控制中坐標變換的物理意義是什么？答：從數(shù)學的角度看，所謂坐標變換就是將方程中原來的變量用一組新的變量代替，或者說用新的坐標系去替換原來的坐標系。從物理意義上看，電機分析與控制中的坐標變換可以看作是電機繞組的等效變換。19.設有一臺三相感應電動機，定子繞組通入角頻率為1的三相對稱正弦電流試求：〔1〕通過三相-兩相變換變換到坐標系中的兩相電流i、i；〔2〕在以1旋轉的同步dq坐標系中的兩相電流id、iq〔設t=0時d軸與A軸重合〕。解：〔1〕坐標系中的兩相電流i、i為〔2〕設某時刻d軸領先A軸的電角度為，那么dq坐標系中的兩相電流為假設dq坐標系的轉速為1，且t=0時d軸與A軸重合，那么有代入上式，得可見，dq坐標系中的電流為直流。20．何謂“偽靜止〞繞組？在兩相靜止的坐標系和同步旋轉的dq坐標系中，三相感應電動機的定、轉子繞組哪些是“偽靜止〞繞組？答：偽靜止繞組具有靜止和旋轉雙重屬性：一方面從產(chǎn)生磁場的角度講，它相當于靜止繞組，繞組電流產(chǎn)生的磁動勢軸線在空間靜止不動；但另一方面從產(chǎn)生感應電動勢的角度講，繞組又具有旋轉的屬性，即除了因磁場變化而在繞組中產(chǎn)生變壓器電動勢外，繞組還會因旋轉而產(chǎn)生速度電動勢。在坐標系中，轉子繞組為偽靜止繞組，定子繞組是真正的靜止繞組；而在同步旋轉的dq坐標系中，三相感應電動機的定、轉子繞組均為偽靜止繞組〔轉速等于同步速時除外〕。21．何謂按轉子磁場定向的MT坐標系？試寫出在按轉子磁場定向的MT坐標系中感應電動機的根本方程，推導其矢量控制方程，并據(jù)此說明感應電動機的矢量控制原理。答：所謂按轉子磁場定向，是指使dq坐標系的d軸始終與轉子磁鏈矢量r的方向一致，為了與未定向的dq坐標系加以區(qū)別，常將定向后的d軸改稱M〔Magnetization〕軸，相應地q軸改稱T〔Torque〕軸，定向后的坐標系稱為按轉子磁場定向的MT坐標系。在按轉子磁場定向的MT坐標系中，定子電壓方程和定子磁鏈方程分別為轉子電壓方程和轉子磁鏈方程為轉矩公式為由轉子磁鏈方程，將轉子電流用轉子磁鏈和定子電流表達，然后代入轉子電壓方程和轉矩公式，可得下述矢量控制方程：或，，由矢量控制方程可見，轉子磁鏈r僅由定子電流的M軸分量isM產(chǎn)生，與T軸分量isT無關，而電磁轉矩由轉子磁鏈r和isT共同決定，在r一定的情況下，電磁轉矩與isT成正比。因此在按轉子磁場定向的MT坐標系中，isM是產(chǎn)生有效磁場〔轉子磁鏈r〕的勵磁分量，相當于直流伺服電動機中的勵磁電流if，稱為定子電流的勵磁分量，通過控制isM可以控制r的大?。欢ㄗ与娏鞯腡軸分量isT是產(chǎn)生電磁轉矩的有效分量，相當于直流伺服電動機的電樞電流ia，稱為定子電流的轉矩分量。由于isT不影響轉子磁鏈r，所以定子電流的轉矩分量和勵磁分量是解耦的，它們分別對轉矩產(chǎn)生影響，因此在按轉子磁場定向的MT坐標系中我們可以象在直流電機中分別控制電樞電流和勵磁電流一樣，通過對isT和isM的控制實現(xiàn)對感應電動機動態(tài)電磁轉矩和轉子磁鏈的控制。22．感應電動機矢量控制系統(tǒng)中，何謂直接定向矢量控制？何謂間接定向矢量控制？其MT坐標系各是如何確定的？答：感應電動機矢量控制系統(tǒng)中，根據(jù)按轉子磁場定向MT坐標系M軸空間位置角確實定方法不同，分為直接定向和間接定向兩大類。在直接定向矢量控制系統(tǒng)中，角通過反響的方式產(chǎn)生，即根據(jù)有關量的實測值通過各種轉子磁鏈模型計算轉子磁鏈的大小及其空間位置角，故也叫做磁通檢測型或磁通反響型矢量控制。直接定向矢量控制系統(tǒng)的轉子磁鏈檢測方法有多種，例如：可以根據(jù)定子電流和轉子轉速的實測值，通過電流模型法獲得。間接定向矢量控制系統(tǒng)中，角以前饋的方式產(chǎn)生，即由給定值利用轉差公式獲得，故也叫做前饋型或轉差型矢量控制。轉差型矢量控制中，根據(jù)轉差公式，利用轉子磁鏈給定值r*和定子電流轉矩分量給定值isT*計算轉差頻率給定值ωsl*，ωsl*與實測轉速ωr之和即為M軸的旋轉角速度ω1*，其積分即為M軸的空間位置角。23．在按轉子磁場定向的MT坐標系中，為什么感應電動機定子電流有T軸分量〔isT≠0〕而轉子磁鏈卻無T軸分量〔rT=0〕？答：由MT坐標系中的T軸轉子磁鏈方程可知，轉子T軸電流，這意味著轉子T軸電流產(chǎn)生的自感磁鏈，即該磁鏈與定子電流T軸分量isT在轉子繞組產(chǎn)生的互感磁鏈大小相等、極性相反，因此isT在轉子繞組產(chǎn)生的互感磁鏈全部被轉子T軸電流產(chǎn)生的自感磁鏈所抵消，故轉子磁鏈并無T軸分量。第3章無刷永磁伺服電動機1．無刷永磁伺服電動機中，外表式轉子結構和內(nèi)置式轉子結構各有何特點？答：外表式轉子的永磁體通常呈瓦片形，通過環(huán)氧樹脂粘貼等方式直接固定在轉子鐵心外表上，由于永磁體的磁導率與氣隙相近，因此其交、直軸磁路磁阻根本相同，屬于隱極式同步電動機；內(nèi)置式轉子的永磁體位于轉子鐵芯內(nèi)部，由于直軸磁通的磁路除了通過氣隙和鐵心外尚需穿過兩個永磁體，這相當于在直軸磁路上串聯(lián)了兩個長度等于永磁體厚度的氣隙，使直軸磁路磁阻大于交軸磁路，因此屬于凸極同步電動機。2．同步電動機變頻調(diào)速中，何謂他控變頻？何謂自控變頻？永磁同步伺服電動機通常采用何種變頻方式？為什么？答：他控變頻是指用獨立的變頻裝置給同步電動機供電，通過直接改變變頻裝置的輸出頻率調(diào)節(jié)電動機的轉速，是一種頻率開環(huán)控制方式。自控變頻方式中所用的變頻裝置是非獨立的，其輸出電流〔電壓〕的頻率和相位受反映轉子磁極空間位置的轉子位置信號控制，是一種定子繞組供電電源的頻率和相位自動跟蹤轉子磁極空間位置的閉環(huán)控制方式。永磁同步伺服電動機通常采用自控變頻方式。他控變頻時，當頻率給定值一定，變頻器的輸出頻率恒定，此時電機的運行情況與恒頻電源供電時無異，也會產(chǎn)生恒頻電源供電時的振蕩、失步等現(xiàn)象。而自控變頻中由于電動機輸入電流的頻率始終和轉子的轉速保持同步，不會出現(xiàn)振蕩和失步，因此永磁同步伺服電動機通常采用自控變頻方式。3．無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)主要由哪幾局部組成？試說明各局部的作用及它們之間的相互關系。答：無刷永磁電動機伺服系統(tǒng)主要由4個局部組成：永磁同步電動機SM、轉子位置傳感器PS、逆變器和控制器。由轉子位置傳感器產(chǎn)生轉子磁極的空間位置信號，并將其提供應控制器；控制器根據(jù)來自外部的控制信號和來自位置傳感器的轉子位置信號，產(chǎn)生逆變器中各功率開關器件的通斷信號；最終由逆變器將輸入直流電轉換成具有相應頻率和相位的交流電流和電壓，供應伺服電動機。4．正弦波永磁同步電動機和無刷直流電動機的主要區(qū)別是什么？兩種電機在結構上有何差異？答：正弦波永磁同步電動機的感應電動勢應為正弦波，為了產(chǎn)生恒定轉矩，定子繞組應通入正弦波電流；而無刷直流電動機的感應電動勢應為梯形波，為了產(chǎn)生恒定轉矩，定子繞組電流應為方波。無刷直流電動機中，為了得到平頂局部具有足夠寬度的梯形波感應電動勢，轉子常采用外表式或嵌入式結構，轉子磁鋼呈弧形〔瓦片形〕，并采用徑向充磁方式，這樣磁極下的氣隙均勻，永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的空間分布接近于矩形波或梯形波，定子方面假設采用整距集中繞組，就可以得到近似為梯形波的感應電動勢。由于內(nèi)置式轉子很難產(chǎn)生梯形波感應電動勢，無刷直流電動機一般不宜采用這種結構。正弦波永磁同步電動機的轉子既可以采用外表式和嵌入式結構，也可以采用內(nèi)置式結構。為產(chǎn)生正弦波感應電動勢，設計時應使氣隙磁密盡可能呈正弦分布。以外表式結構為例，在正弦波永磁同步電動機中，轉子磁鋼外表常呈拋物線形，并采用平行充磁方式；定子方面采用短距分布繞組或正弦繞組，以最大限度地抑制諧波磁場對感應電動勢波形的影響。5．為什么說無刷直流電動機既可以看作是直流電動機，又可以看作是一種自控變頻同步電動機系統(tǒng)？答：無刷直流電動機是由直流電動機開展而來的，其出發(fā)點是用由轉子位置傳感器和逆變器構成的電子換向器取代有刷直流電動機的機械換向器，把輸入直流電流轉換成交變的方波電流輸入多相電樞繞組，其轉矩產(chǎn)生方式、控制方法和運行性能都與直流電動機十分相似，由于省去了機械換向器和電刷，故得名為無刷直流電動機。但是從另一方面看，就電動機本體而言，無刷直流電動機與正弦波永磁同步電動機差異不大；從控制系統(tǒng)的角度看，無刷直流電動機也是由逆變器供電的，并且工作在自控變頻方式或自同步方式下，因此它又是一種自控變頻同步電動機系統(tǒng)。6．簡述工作于二相導通三相六狀態(tài)的三相無刷直流電動機的工作原理。答：無刷直流電動機運行時，由控制器根據(jù)轉子磁極的空間位置，改變逆變器各功率開關的通斷狀態(tài)，以控制電樞繞組的導通情況及繞組電流的方向，即實現(xiàn)繞組電流的換相，在直流電流一定的情況下，使永磁磁極所覆蓋線圈邊中的電流方向及大小均保持不變，導體所受電磁力在轉子上產(chǎn)生的反作用轉矩的大小和方向也保持不變，從而推動轉子不斷旋轉。對于工作在二相導通三相六狀態(tài)的三相無刷直流電動機，轉子每轉過60°電角度，就進行一次換相，使繞組導通情況改變一次，轉子轉過一對磁極，對應于360°電角度，需進行6次換相，相應地定子繞組有六種導通狀態(tài)，而在每個60°區(qū)間只有兩相繞組同時導通，另外一相繞組電流為零。7．為什么說在無刷直流電動機中轉子位置傳感器和逆變器起到了“電子換向器〞的作用？答：根據(jù)直流電動機的工作原理，為了能產(chǎn)生大小、方向均保持不變的電磁轉矩，每一主磁極下電樞繞組元件邊中的電流方向應相同并保持不變，但因每一元件邊均隨轉子的旋轉而輪流經(jīng)過N、S極，故各元件邊中的電流方向必須相應交替變化，即必須為交變電流。在有刷直流電動機中，把外部輸入直流電變換成電樞繞組中的交變電流是由電刷和機械式換向器完成的，每當一個元件邊經(jīng)過幾何中性線由N極轉到S極下或由S極轉到N極下時，通過電刷和機械換向器使繞組電流改變方向。而在無刷直流電動機中將直流電動機反裝，即將永磁體磁極放在轉子上，而電樞繞組成為靜止的定子繞組，為了使定子繞組中的電流方向能隨其線圈邊所在處的磁場極性交替變化，將定子繞組與逆變器連接，并安裝轉子位置傳感器，以檢測轉子磁極的空間位置，由轉子磁極的空間位置，確定電樞繞組各線圈邊所在處磁場的極性，據(jù)此控制逆變器中功率開關器件的通斷，從而控制電樞繞組的導通情況及繞組電流的方向，顯然在這里轉子位置傳感器和逆變器起到了“電子換向器〞的作用。8．無刷直流電動機的電樞磁動勢有何特點？答：無刷直流電動機的電樞磁動勢不是勻速旋轉的圓形旋轉磁動勢，而是跳躍式前進的步進磁動勢，對于工作在二相導通三相六狀態(tài)方式的三相無刷直流電動機，轉子每轉過60°電角度，電樞磁動勢跳躍前進60°，電樞磁動勢領先轉子磁動勢的電角度始終保持在60°~120°之間。9．試畫出理想情況下三相無刷直流電動機的感應電動勢和繞組電流波形，并據(jù)此說明其轉矩無脈動條件。答：感應電動勢和繞組電流波形圖略。三相無刷直流電動機的瞬時轉矩為考慮到任意時刻三相繞組中只有兩相導通，設上橋臂導通相的感應電動勢、電流分別為e1、i1，下橋臂導通相的感應電動勢和電流為e2、i2，考慮到i1=-i2=Id，那么有可見，在一定轉速下要實現(xiàn)轉矩無脈動的話，繞組電流Id和導通兩相的線電動勢〔e1-e2〕均應保持恒定，為此，繞組電流應為120°的矩形波，且導通兩相均應始終處于電動勢波形的平頂局部，即梯形波電動勢的平頂寬度應大于120°電角度，同時換相時刻必須準確。10．試比擬無刷直流電動機和有刷直流電動機的轉矩公式、轉速公式和機械特性。答：有刷直流電動機和無刷直流電動機的感應電動勢、轉矩公式、轉速公式和機械特性方程如表所示。有刷直流電動機無刷直流電動機感應電動勢轉矩公式轉速公式機械特性方程考慮到Ke與永磁體在定子繞組產(chǎn)生的永磁磁鏈成正比，而，可見無刷直流電動機和有刷直流電動機的相應公式在形式上相同。11．工作在二相導通三相六狀態(tài)方式的三相無刷直流電動機，對轉子位置信號有何要求？如何根據(jù)轉子位置信號得到逆變器各功率開關的控制信號？答：工作在二相導通三相六狀態(tài)方式的三相無刷直流電動機，其轉子位置信號應為三路上下電平各為180°、相位依次差120°〔或者60°〕電角度的方波信號，而且三路方波信號的跳變時刻應該與換相時刻對應，即應滯后各相感應電動勢過零點30°電角度。假設無刷直流電動機采用微處理器控制，可以將三路位置信號作為3位二進制數(shù)由I/O端口輸入，由于轉子處于不同的60°區(qū)間，其所形成的3位二進制數(shù)代碼不同，微處理器可根據(jù)這3位二進制代碼，判斷轉子所在60°區(qū)間，并據(jù)此產(chǎn)生逆變器功率開關的通斷信號。各功率開關的控制信號也可以由硬件譯碼電路產(chǎn)生，由三路位置信號通過邏輯運算就可以得到六個功率開關的導通信號，這種譯碼電路常稱為換相邏輯電路。不同運行狀態(tài)下各功率開關的驅動信號與位置信號的邏輯關系見教材表3-1。12．無刷直流電動機如何調(diào)速？當采用PWM控制時，何謂反響斬波方式？何謂續(xù)流斬波方式？何謂PWM電壓控制？何謂PWM電流控制？答：無刷直流電動機既可以通過改變直流電壓Ud調(diào)速，也可以在直流電源電壓Ud一定的情況下，通過對逆變器的功率開關進行PWM控制，連續(xù)地調(diào)節(jié)施加到電動機繞組的平均電壓和電流，從而實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)。反響斬波：對上、下橋臂兩只功率開關同時進行PWM控制。續(xù)流斬波：只對上、下橋臂中的一只功率開關施加PWM信號，另一只功率開關保持導通狀態(tài)，即另一只開關僅受換相邏輯控制，而不受PWM信號影響。PWM電壓控制：直接通過改變占空比調(diào)節(jié)施加到定子繞組的電壓平均值。PWM電流控制：根據(jù)電流實測值與給定值的偏差產(chǎn)生PWM控制信號，對電流瞬時值進行控制，以使電流實際值跟蹤其給定值的PWM方式。13．無刷直流電動機如何實現(xiàn)再生制動運行？如何實現(xiàn)反轉？答：由無刷直流電動機的工作原理可知，當轉子磁極處于某一空間位置時，只要改變N、S極下導通繞組中電流的方向，就可以改變所產(chǎn)生電磁轉矩的方向，因此只要使各相繞組電流波形與正向電動狀態(tài)時反相，就可以使無刷直流電動機由正向電動運行轉入正向制動運行狀態(tài)。即正向制動狀態(tài)下，在各相電動勢波形正半波平頂局部應使繞組流過反向電流，在各相感應電動勢負半波平頂局部，應使繞組流過正向電流。這可以通過改變各功率開關驅動信號與位置信號的關系實現(xiàn)，對應于正向電動狀態(tài)的上橋臂導通信號，在正向制動狀態(tài)下應作為該相下橋臂導通信號，反之亦然。與此類似，通過改變各功率開關驅動信號與位置信號的關系，就可以使電機反向旋轉，在反向運轉時同樣有反向電動和反向制動兩種運行狀態(tài)。14．在無刷直流電動機中，導致轉矩脈動的主要因素有哪些？答：理想情況下，三相無刷直流電動機相繞組感應電動勢為平頂寬度大于120°的梯形波，繞組電流為正、負半波各120°電角度的方波，且方波電流與梯形波電動勢相位一致，那么無刷直流電動機的電磁轉矩無脈動，但對于實際電動機上述理想條件很難滿足。首先，就感應電動勢波形而言，既與永磁勵磁磁場的空間分布有關，又與定子繞組結構及是否采用斜槽等有關，平頂寬度可能小于120°電角度。其次，就繞組電流波形而言，由于電樞繞組電感的存在，繞組電流不能突變，一相繞組關斷、另一相繞組導通的換相不可能瞬間完成，需要一個過程，稱為換相過程。當逆變器采用PWM控制時，還會使繞組電流產(chǎn)生紋波。因此實際電流波形并不是120°的方波。感應電動勢波形和繞組電流波形與理想波形的偏差均會導致電磁轉矩脈動。其中由繞組電流換相引起的換相轉矩脈動影響最大，換相期間可能產(chǎn)生很大的轉矩尖峰。此外，由于定子齒槽存在所產(chǎn)生的齒槽轉矩，也是導致轉矩脈動的一個因素。如果因換相時刻不準確導致繞組電流相位與感應電動勢相位不一致，也會使轉矩脈動增大。15．在正弦波永磁同步電動機中，何種轉子結構會產(chǎn)生磁阻轉矩？為什么？為使磁阻轉矩與永磁轉矩方向相同，對定子電流有何要求？答：當正弦波永磁同步電動機的轉子采用嵌入式或內(nèi)置式結構時，會產(chǎn)生磁阻轉矩。轉子為嵌入式或內(nèi)置式的永磁同步電動機，直軸磁路上由于永磁體的存在使磁阻增大，故Ld<Lq，由轉矩公式可知，當id、iq均不為零時，就會產(chǎn)生磁阻轉矩?？紤]到〔Ld-Lq〕<0，為使磁阻轉矩與永磁轉矩方向相同，應使電動機定子電流的直軸分量id<0。16．正弦波永磁同步電動機控制中何謂id=0控制？為什么外表式永磁同步電動機通常采用id=0控制？試說明id=0控制的主要優(yōu)缺點。答：所謂id=0控制就是在控制過程中始終使定子電流的d軸分量id為零，而僅通過對定子電流q軸分量iq的控制，實現(xiàn)對電動機轉矩的控制。id=0控制實現(xiàn)簡單，轉矩與定子電流幅值成正比，而且對于外表式正弦波永磁同步電動機，由于Ld=Lq，不產(chǎn)生磁阻轉矩，id的大小與電磁轉矩無關，通過使id=0可以使產(chǎn)生給定轉矩所需的定子電流最小，從而減少損耗、提高效率。因此外表式正弦波永磁同步電動機通常采用id=0控制。id=0控制也存在一些缺乏。采用id=0控制時電流矢量is總是滯后電壓矢量us一個角，這意味著電動機運行時的功率因數(shù)總是滯后的，而且在一定轉速下隨著負載轉矩的增加，電流iq增大，電壓矢量與電流矢量的夾角增大，電機的功率因數(shù)降低。另外隨負載增加，所需的定子電壓矢量幅值也相應增大，因此對變頻器的容量要求較高。不過對于外表式電機，由于等效氣隙大，電感Ld=Lq的值很小，因此角始終較小，上述問題并不嚴重。對于內(nèi)置式正弦波永磁同步電動機，由于q軸電感Lq較大，隨著負載增加會導致角顯著增大，功率因數(shù)明顯降低，而且同樣情況下所需的定子電壓也較大，考慮逆變器輸出電壓限制時的恒轉矩調(diào)速范圍減少，可見內(nèi)置式永磁同步電動機采用id=0控制時性能不如外表式。17．正弦波永磁同步電動機伺服驅動系統(tǒng)中如何實現(xiàn)弱磁控制？為什么要進行弱磁控制？答：正弦波永磁同步電動機的弱磁控制是通過增加定子直軸去磁電流分量來實現(xiàn)的，即利用負的定子直軸電流id產(chǎn)生去磁的直軸電樞反響磁鏈，局部地抵消永磁勵磁磁鏈的作用，從而使直軸磁鏈d及由此產(chǎn)生的速度電動勢rd減少，以降低高速運行時所需的外加電壓，提高逆變器極限電壓下電動機的轉速。采用弱磁控制可以擴大正弦波永磁同步電動機的調(diào)速范圍。18．試比擬無刷直流電動機和正弦波永磁同步電動機伺服驅動系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點。答：理想情況下，無刷直流電動機的感應電動勢為平頂寬度大于120的梯形波，電流波形為120的方波，而且電流波形與電動勢波形同相位，可以實現(xiàn)轉矩無脈動。實際上由于感應電動勢波形不理想及電流換相不能瞬間完成造成電流波形不理想會產(chǎn)生較大的轉矩脈動，影響了其在高性能領域的應用，這是其最主要的缺點。此外，由于受感應電動勢和繞組電流波形的限制，無刷直流電動機的轉速范圍要比正弦波永磁同步電動機小。無刷直流電動機的主要優(yōu)點是：控制實現(xiàn)簡單，并且功率密度和轉矩／電流優(yōu)于正弦波永磁同步電動機。正弦波永磁同步電動機感應電動勢和繞組電流波形均應為正弦波，理想情況下轉矩無脈動，可以實現(xiàn)高性能，在高性能伺服系統(tǒng)中得到了廣泛應用。與無刷直流電機相比，其主要缺點是本錢較高，特別是為了實現(xiàn)正弦電流控制需要使用高分辨率的轉子位置傳感器，而無刷直流電動機的繞組電流每隔60電角度才換相一次，作為速度伺服時可以使用本錢低廉的分辨率為60的位置傳感器。19．正弦波永磁同步電動機矢量控制和三相感應電動機矢量控制通常各建立在何種坐標系上？控制系統(tǒng)實現(xiàn)時其坐標系各如何確定？答：正弦波永磁同步電動機矢量控制通常建立在轉子dq坐標系上，坐標系的d軸與轉子的磁極軸線重合；三相感應電動機的矢量控制通常建立在按轉子磁場定向的MT坐標系上，其M軸始終與轉子磁鏈矢量r方向一致。控制系統(tǒng)實現(xiàn)時，正弦波永磁同步電動機的d軸空間位置角通常是由位于電動機非負載端軸伸上的轉子位置傳感器直接檢測，而三相感應電動機的M軸空間位置角需通過各種計算模型或觀測器進行估算。步進電動機1.簡述反響式步進電動機的結構特點與根本工作原理。答：反響式步進電動機由定、轉子組成。定、轉子鐵心為硅鋼片疊壓而成，在面向氣隙的定、轉子鐵心外表有齒形相同的小齒。定子為凸極結構，每極上套有一個集中繞組，相對兩極的繞組串聯(lián)構成一相。轉子上只有齒槽沒有繞組，轉子齒數(shù)與相數(shù)之間應滿足的關系。以四相八極反響式步進電動機為例來表達其工作原理：定子鐵心無小齒，相對兩極的繞組串聯(lián)構成一相，轉子只有六個齒，齒寬等于定子極靴的寬度。當只有一相通電時，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，會使得轉子的齒軸線與該相的軸線相對齊。此時切換到相鄰的下一相通電，轉子就會轉動相應的角度，使得相鄰的齒軸線與通電相繞組軸線對齊，步進電動機走過了一個步距角，定子繞組輪流導通一次，轉子前進一個齒距角。依此周而復始，轉子就連續(xù)旋轉。2.何謂拍?單拍制和雙拍制有何區(qū)別？答：電源的通電方式每變換一次，稱為一拍。拍數(shù)等于相數(shù)時稱為單拍分配方式，拍數(shù)為相數(shù)的兩倍時稱為雙拍分配方式。3.何謂步距角？有幾種表示法？相互關系如何？答：每輸入一個電脈沖信號步進電機所轉過的角度，稱為步距角。步距角可以用機械角度表示，也可以用電角度表示，在數(shù)值上兩者的比值為。4.影響步距角大小的因素有哪些？步距角大小對電機性能又有哪些影響？答：由步距角的計算公式可知，步距角的大小與運行的拍數(shù)和轉子的齒數(shù)有關。步距角越小，步進電動機的控制精度就越高。5.什么叫做矩角特性？什么叫做矩角特性曲線族？答：步進電動機的靜態(tài)特性可以由矩角特性來描述。矩角特性是不改變控制繞組通電狀態(tài)，也就是保持一相或幾相控制繞組通入直流電流時，電磁轉矩與轉子偏角的關系，即靜態(tài)轉矩與失調(diào)角的關系。在同一坐標系中，依次畫出各相繞組分別通電時的矩角特性就是矩角特性曲線族。6.何謂靜穩(wěn)定區(qū)、動穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定裕度？它們與步距角有什么關系？答：靜穩(wěn)定區(qū)：在失調(diào)角時，靜態(tài)轉矩，該位置稱為穩(wěn)定平衡點。在的區(qū)間內(nèi)，與的方向相反，也就是總是阻止的變化，假設由于外力矩〔負載〕使轉子偏離穩(wěn)定平衡點，只要在上述范圍內(nèi)，一旦去掉外力，轉子就能在靜態(tài)轉矩的作用下返回到穩(wěn)定平衡點。上述區(qū)間稱為靜穩(wěn)定區(qū)。動穩(wěn)定區(qū)：在理想空載狀態(tài)下，步進電動機從一種通電狀態(tài)切換到相鄰的另一相通電狀態(tài)，不至引起失步的區(qū)域，即。穩(wěn)定裕度：把矩角特性曲線n的穩(wěn)定平衡點O離開曲線〔n+1〕的不穩(wěn)定平衡點()的距離，稱為“穩(wěn)定裕度〞。穩(wěn)定裕度為：步距角越小，穩(wěn)定與度越大。7.何謂運行矩頻特性和運行頻率？何謂起動矩頻特性、起動慣頻特性和起動頻率？答：運行矩頻特性：當控制脈沖頻率到達一定數(shù)值之后，再增加頻率，由于電感的作用使動態(tài)轉矩減小，渦流作用使動態(tài)轉矩又進一步減小?？梢?，動態(tài)轉矩是電源脈沖頻率的函數(shù)，把這種函數(shù)關系稱為步進電動機運行時的轉矩—頻率特性，簡稱為運行矩頻特性。運行頻率：當控制電源的脈沖頻率連續(xù)提高時，在一定性質和大小的負載下，步進電動機能正常連續(xù)運行時所能加到的最高頻率稱為最高連續(xù)運行頻率或者最高跟蹤頻率。起動矩頻特性：在給定驅動電源的條件下，負載轉矩轉動慣量一定時，起動頻率與負載轉矩的關系，稱作起動矩頻特性。起動慣頻特性：在給定的驅動電源條件下，負載轉矩不變時，起動頻率與負載轉動慣量的關系，稱為起動慣頻特性。起動頻率：電動機正常起動時所能加的最高控制頻率稱為起動頻率或突跳頻率。8.負載轉矩和轉動慣量對起動頻率和運行頻率有何影響？為什么連續(xù)運行頻率比起動頻率高？答：隨著負載轉矩和轉動慣量的增加，起動頻率和運行頻率減小。起動頻率低于運行頻率是因為電動機剛起動時轉速等于零，在起動過程中，電磁轉矩除了克服負載轉矩外，還要克服轉動局部的慣性轉矩，運行一步就需要更長的時間。9.靜態(tài)轉矩最大值與哪些因素有關？試求三相、四相和六相步進電動機兩相通電時和一相通電時最大靜轉矩的比值。答：反響式步進電動機一相繞組通電時，靜態(tài)轉矩最大值。由此可知，步進電動機的靜態(tài)轉矩最大值與每極控制繞組的磁動勢、轉子齒數(shù)、定子每極下的小齒數(shù)、鐵心長度、氣隙比磁導中基波幅值有關，在電機確定的情況下，靜態(tài)轉矩最大值正比于氣隙磁動勢幅值的平方，如果磁路不飽和，靜態(tài)轉矩最大值就正比于繞組電流有效值的平方。由公式可知，三相、四相和六相步進電動機兩相通電時和一相通電時最大靜轉矩的比值分別是：1、和。10.步進電動機的步距角小、最大靜轉矩大時，起動頻率和運行頻率高還是低？為什么？答：當步距角小，最大靜轉矩大時，使得矩角特性躍變角變小。每一步穩(wěn)定時所用的反響時間變小，起動和運行頻率會變高。11.步進電動機為什么會發(fā)生振蕩現(xiàn)象？什么條件下易發(fā)生共振和丟步現(xiàn)象？如何防止？答：步進電動機在步進運行狀態(tài)，即通電脈沖的間隔時間大于其機電過渡過程所需的時間時，其轉子是經(jīng)過幾個振蕩周期后才穩(wěn)定在平衡位置的。從一相變換到另一相時矩角特性向前移動了一個步距角，平衡位置發(fā)生改變。在新的矩角特性曲線上，由于慣性的作用，步進電動時機做無阻尼或者有阻尼的振蕩。隨著控制脈沖頻率增加，脈沖周期縮短，因而有可能會出現(xiàn)在一個周期內(nèi)轉子振蕩還未完全衰減完的狀態(tài)時下一個脈沖到來的情況，此時如果控制脈沖的頻率與轉子固有振蕩為倍數(shù)關系，就會產(chǎn)生共振。另外，如果在下一個電脈沖到來時，轉子的位置在動態(tài)穩(wěn)定區(qū)之外，就會出現(xiàn)低頻失步現(xiàn)象。采用較多的拍數(shù)，以及加上一定的阻尼和干摩擦負載，是擬制振蕩和防止共振的有效措施。12.綜述步進電動機的主要技術指標及其含義？答：步進電動機的主要技術指標及其含義是：〔1〕最大靜轉矩：在規(guī)定的通電相數(shù)下，矩角特性上靜態(tài)轉矩的最大值?！?〕步距角：輸入一個電脈沖信號，轉子轉過的機械角度?！?〕靜態(tài)步距角誤差：實際步距角與理論步距角之間的差值，常用理論步距角的百分數(shù)或絕對值來表示。〔4〕起動頻率和起動頻率特性：起動頻率是指步進電動機能夠不失步起動的最高脈沖頻率。起動頻率特性分為起動矩頻特性和起動慣頻特性。起動矩頻特性是指在給定驅動電源的條件下，負載慣量一定時，起動頻率和負載轉矩之間的關系；起動慣頻特性是指在給定驅動電源的條件下，負載轉矩一定時，起動頻率和負載慣量之間的關系?！?〕運行頻率和運行矩頻特性：運行頻率是指步進電動機起動時后，控制脈沖頻率連續(xù)上升而不失步的最高頻率。運行矩頻特性是指步進電動機運行時動態(tài)轉矩隨電源脈沖頻率變化的關系曲線。13.反響式、永磁式和永磁感應子式步進電動機工作原理上有何異同點？答：反響式、永磁式和永磁感應子式步進電動機就根本工作原理來說是相同的，均為控制電源發(fā)出一個脈沖，轉子前進一個步距角。但由于永磁式步進電動機和永磁感應子式步進電動轉子上由永磁體產(chǎn)生的磁場，轉子要連續(xù)不斷的跟隨電源脈沖轉動，定子每相繞組必須雙向通電。14.一臺三相反響式步進電動機，轉子齒數(shù)為50，試求步進電動機三相三狀態(tài)和三相六狀態(tài)運行式時的步距角？解：三相三拍：，，；三相六拍：15.一臺五相反響式步進電動機，其步距角為1.5°/0.75°試問該電動機的轉子齒數(shù)是多少？解：五相步進電動機五相五拍運行時，拍數(shù)，步距角轉子齒數(shù)16.一臺五相反響式步進電動機，當采用五相十拍運行方式時，步距角為1.5°，假設電源脈沖頻率為3000Hz，試問電機的轉速是多少?解：拍數(shù)步距角，轉速17.一臺四相步進電動機，假設單相通電時矩角特性為正弦形，其幅值為，試求：⑴四相八拍運行方式時一個循環(huán)的通電順序，并畫出各相控制電壓波形圖；⑵兩相同時通電時的最大靜轉矩；⑶分別做出單相及兩相通電時的矩角特性；⑷四相八拍運行方式時的起動轉矩。解：假設各相繞組在空間的排列順序為ACBD，那么：〔1〕電機四相八拍運行時，一個循環(huán)的通電順序為A→AC→C→CB→B→BD→D→DA→各相電壓的波形如下列圖所示。A相A相tC相tB相tD相t〔2〕二相同時通電時的靜態(tài)轉矩最大值為〔3〕設A相單獨通電時，矩角特性為，那么C相單獨通電時的矩角特性為，二相同時通電時的矩角特性為?！?〕電機四相八拍運行時，起動轉矩，解得，。18.一臺五相十拍運行的步進電動機，轉子齒數(shù)，在A相中測得電流頻率為600Hz，試求：⑴電機的步距角；⑵轉速；⑶設單相通電時矩角特性為正弦形，其幅值為30N·m，求三相同時通電時的最大靜轉矩。解：〔1〕步距角〔2〕電機轉速〔3〕三相同時通電時，最大靜態(tài)轉矩19.步進電動機的驅動電源有哪幾種類型？各有什么特點？答：步進電動機的驅動電源主要有單一電壓型、上下壓切換型、電流控制的高、低壓切換型和細分驅動型四中。單一電壓型電源只用一種電壓，線路簡單，功放元件少，本錢低。但由于主回路串聯(lián)電阻上要消耗功率，引起發(fā)熱和效率降低，這種電源只適用于驅動小功率步進電動機或性能指標要求不高的場合。上下壓切換型電源利用高壓電源加快繞組初始導通時電流的上升速度，利用低壓電源維持電流根本為常值。這樣不但提高了電源效率，而且起動和運行頻率也比單一電壓型電源要高。電流控制的高、低壓切換電源，增加了一個電流檢測環(huán)節(jié)，根據(jù)主回路電流的變化情況，反復地接通和關斷高壓電源，使電流波頂維持在需求的范圍內(nèi)，步進電動機的運行性能得到了顯著的提高，相應使起動和運行頻率升高。但因在線路中增加了電流反響環(huán)節(jié)，使其結構較為復雜，本錢提高。細分驅動電源就是把步進電動機原來的一步再分為假設干步，使步進電動機的轉動近似為勻速運動，并能在任何位置停步。這種驅動方式下，控制繞組的電流由原來的矩形波改為階梯波。在輸入電流的每個臺階，電機轉動一步，電流的臺階數(shù)越多，電機的步距角越小。因此，電機運行的平穩(wěn)性提高，低頻特性得到改善，負載能力也有所增加。第5章測速發(fā)電機1.直流測速發(fā)電機產(chǎn)生誤差的原因有哪些？如何減小其影響？答：直流測速發(fā)電機產(chǎn)生誤差的原因有電樞反響的影響、延遲換向的影響、溫度的影響、紋波的影響和電刷接觸壓降的影響等。為了減小電樞反響對輸出特性的影響，應使轉速不超過允許的最高轉速，所接負載不小于給定的電阻值。對小容量的發(fā)電機，通常采用限制最高轉速的措施來減小延遲換向去磁效應的影響。用勵磁回路串聯(lián)熱敏電阻并聯(lián)網(wǎng)絡、串聯(lián)阻值較大的附加電阻、將磁路設計的比擬飽和來減小溫度對勵磁電流的影響。采用接觸壓降較小的電刷來減小電刷接觸壓降的影響。2.直流測速發(fā)電機的主要性能指標有哪些？答：直流測速發(fā)電機的主要性能指標有：線性誤差，靈敏度，最高線性工作轉速和最小負載電阻，不靈敏區(qū)，輸出電壓的不對稱度，紋波系數(shù)等。3.在分析感應測速發(fā)電機的工作原理中，哪些與直流機的情況相同，哪些與變壓器相同。請分析它們之間的相似之處和不同點。答：在分析感應測速發(fā)電機的工作原理中，轉子等效交軸繞組感應電動勢是導體切割磁力線產(chǎn)生的，與直流電機的情況類似；而轉子交軸磁場在定子輸出繞組中感應電動勢的機理與變壓器相同，即磁通交變在繞中感應電動勢。4.轉子不動時，交流感應測速發(fā)電機為何沒有電壓輸出？轉動時，為何輸出電壓與轉速成正比，但頻率卻與轉速無關?答：交流感應測速發(fā)電機轉子不動時，勵磁繞組與轉子繞組共同產(chǎn)生的磁場其軸線與勵磁繞組軸線重合，與輸出繞組軸線正交，輸出繞組不交鏈磁通，感應電動勢等于零。轉子轉動時，勵磁繞組和轉子等效直軸繞組仍然產(chǎn)生直軸磁場，轉子等效交軸繞組切割直軸磁場產(chǎn)生感應電動勢，該電動勢的大小正比于轉子轉速，頻率為勵磁電源頻率，保持不變。該電動勢在等效交軸繞組中產(chǎn)生電流，建立交軸磁場。交軸磁場在輸出繞組中感應電動勢，其大小正比于轉子轉速，頻率為電源頻率保持不變。5.何為感應測速發(fā)電機的線性誤差、相位誤差、剩余電壓和輸出斜率?答：感應測速發(fā)電機的線性誤差是指在額定勵磁條件下，測速發(fā)電機在最大線性工作轉速范圍內(nèi)，實際輸出電壓與理想線性輸出電壓的最大絕對誤差?Umax與線性輸出電壓特性所對應的最大輸出電壓U2m之比。相位誤差是指在額定勵磁電壓下，發(fā)電機在最大線性工作轉速范圍內(nèi)，輸出電壓基波分量與勵磁電壓基波分量間的相位差隨轉速的變化值?φ6.說明圖5-18相量圖上的各符號所代表的物理量及其相位關系，并說明相位誤差產(chǎn)生的原因。圖5-18答：圖5-18中，?f為沿著勵磁繞組軸線脈振的合成磁通，Ef為勵磁磁通?f在勵磁繞組中所產(chǎn)生的變壓器電動勢，Erv為轉子導體切割勵磁磁通?f產(chǎn)生的切割電動勢，相位與?f相同。在Erv作用下產(chǎn)生滯后于Ervθ角的轉子電流Irv，由Irv產(chǎn)生的磁通?2與其同相位，因而也與?f的夾角為θ。由于磁通?2的交變，在輸出繞組中產(chǎn)生電動勢E2的相位滯后于7.請說明感應測速發(fā)電機的剩余電壓各種分量的含義、產(chǎn)生的原因及對系統(tǒng)的影響。答：感應測速發(fā)電機的剩余電壓可分為：1〕固定分量Ura，其大小與轉子位置無關；2〕交變分量8.感應測速發(fā)電機的線性誤差與哪些因素有關？為什么在工作時要規(guī)定最高轉速?答：感應測速發(fā)電機的線性誤差與勵磁繞組的漏阻抗、杯形轉子漏電抗和交軸磁通引起直軸磁通的變化有關。線性誤差近似與轉速的平方成正比，限定最高轉速可以使線性誤差誤差限定在要求的范圍內(nèi)。9.簡要說明在純電阻、純電感和純電容負載下，負載變化對感應測速發(fā)電機輸出特性的影響。假設要求輸出電壓的大小不受負載變化的影響，應采用什么性質的負載組合？答：純電阻負載時，隨著負載電阻的減小，輸出電壓也隨著減小，而輸出電壓的相位移卻增大。純電感負載時，隨著負載感抗的減小，輸出電壓和相位移都隨著減小。純電容負載時，隨著容抗的減小，相位移增大，輸出電壓先增大后減小。假設要求輸出電壓的大小不受負載變化的影響，采用電阻-電容負載。10.為什么測速發(fā)電機在使用時其負載阻抗不得小于規(guī)定值？答：當測速發(fā)電機的轉速一定時，如果負載阻抗足夠大，即使負載阻抗在較大范圍內(nèi)變化，輸出電壓的大小和位移也幾乎不變，因此測速發(fā)電機負載阻抗不得小于規(guī)定的最小值。自整角機1．自整角機有什么用途?控制式和力矩式各有什么特點及應用范圍?答：自整角機是一種將轉角變換成電壓信號或將電壓信號變換成轉角，以實現(xiàn)角度傳輸、變換和指示的元件。它可以用于測量或控制遠距離設備的角度位置，也可以在隨動系統(tǒng)中用作機械設備之間的角度聯(lián)動裝置，以使機械上互不相聯(lián)的兩根或兩根以上轉軸保持同步偏轉或者旋轉。力矩式自整角機主要用于同步指示系統(tǒng)中，這類自整角機本身不能放大力矩，要帶動接收機軸上的機械負載，必須要自整角機一方的驅動裝置供應轉矩。力矩式自整角機為開環(huán)系統(tǒng)，它只適用于接收機軸上負載很輕〔如指針、刻度盤等〕，且角度傳輸精度要求不高的系統(tǒng)，如遠距離指示液面的高度、閥門的開度、電梯和礦井提升機的位置、變壓器的分接開關位置等等?？刂剖阶哉菣C主要用于由自整角機和伺服機構組成的隨動系統(tǒng)。其接收機的轉軸不直接帶動負載，即沒有力矩輸出。當發(fā)送機和接收機轉子之間存在角度差時，接收機將輸出與失調(diào)角呈正弦函數(shù)關系的電壓，將此電壓加給伺服放大器，用放大后的電壓來控制伺服電動機，再驅動負載。與此同時接收機的轉子也朝著減小失調(diào)角的方向轉動。直到接收機與發(fā)送機的轉角差為零，即到達協(xié)調(diào)位置時，接收機的輸出電壓為零，使伺服電動機停止轉動。由于接收機工作在變壓器狀態(tài)，通常稱其為自整角變壓器?？刂剖阶哉菣C系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，它應用于負載較大及精度要求高的隨動系統(tǒng)。2．簡述控制式和力矩式自整角機的工作原理。答：以一對自整角機組成的隨動系統(tǒng)為例，在控制式自整角機組成的隨動系統(tǒng)中，發(fā)送機ZKF的勵磁繞組接電源，整步繞組與接收機ZKB的整步繞組對應連接，ZKB輸出繞組的輸出電壓經(jīng)放大器放大后向伺服電動機供電。假設接受機的轉子不在協(xié)調(diào)位置，那么ZKB有電壓輸出，伺服電動機驅動負載轉動。同時伺服電動機還帶動ZKB的轉子隨同負載一起轉動，使失調(diào)角減小，ZKB的輸出電壓隨之減小。當?shù)竭_協(xié)調(diào)位置時，ZKB的輸出電壓為零，伺服電動機停止轉動。在力矩式自整角機組成的隨動系統(tǒng)中，發(fā)送機ZLF和接收機ZLJ的勵磁繞組接勵磁電源，整步繞組對應連接。當接收機與發(fā)送機的轉子位置角不同時，接收機轉子產(chǎn)生使失調(diào)角減小的電磁轉矩，驅動負載和接收機轉子轉動，隨著失調(diào)角的減小，電磁轉矩也減小，當電磁轉矩等于負載轉矩時，接收機停止轉動。只有理想空載時，失調(diào)角才等于零。3．一對控制式自整角機的協(xié)調(diào)位置和失調(diào)角是如何定義的?與力矩式有何不同?答：在一對控制式自整角機組成的隨動系統(tǒng)中，當接收機〔自整角變壓器〕的輸出電壓為零時，即到達了協(xié)調(diào)位置。失調(diào)角。對于力矩式自整角機，協(xié)調(diào)位置是指自整角接收機轉子電磁轉矩等于0的位置，失調(diào)角。4．在力矩式自整角機中，接收機整步轉矩是怎樣產(chǎn)生的，其方向如何?此時發(fā)送機轉子上受不受整步轉矩的作用?答：在力矩式自整角機中，接收機ZLJ整步轉矩是由接收機整步繞組產(chǎn)生磁場的交軸磁場分量與勵磁繞組電流相互作用產(chǎn)生的，該轉矩使接收機ZLJ轉子向失調(diào)角減小的方向轉動。此時發(fā)送機ZLF轉子上也受到方向相反整步轉矩。5．控制式和力矩式自整角機各有哪些性能指標?都是如何定義的?答：控制式自整角機：電氣誤差理論上自整角變壓器和自整角發(fā)送機處于協(xié)調(diào)位置時，自整角變壓器輸出的電壓為零，但實際在協(xié)調(diào)位置時自整角變壓器輸出電壓不為零，而是，靜態(tài)時由所引起的誤差稱為ZKB的電氣誤差。零位電壓接收機與發(fā)送機轉子處于協(xié)調(diào)位置時，輸出繞組出現(xiàn)的端電壓叫做零位電壓。比電壓ZKB在協(xié)調(diào)位置附近，單位失調(diào)角時的輸出電壓稱為比電壓。輸出相位移輸出相位移是指ZKB輸出電壓的基波分量對ZKF勵磁電壓基波分量的時間相位差。速度誤差當轉子轉速較高時，由于ZKF定子繞組切割轉子磁場產(chǎn)生切割電動勢，并在兩定子繞組中產(chǎn)生附加電流和磁場，因而在ZKB輸出繞組中感應出電動勢，此電動勢稱為速度電動勢，它正比于轉速。速度電動勢和根本輸出電動勢的相位不同，它可以分解為兩個分量：與根本輸出電壓同相位的分量和與其正交的分量。由于速度電動勢分量的存在，使得最后ZKB轉子最后的位置不是出于的地方，而是使輸出電動勢與相抵消的地方。這就偏離了協(xié)調(diào)位置角，造成了速度誤差。力矩式自整角機：靜態(tài)誤差理想狀態(tài)下，接收機應與發(fā)送機轉過相同角度。但由于接收機軸上存在摩擦轉矩和阻尼轉矩，所以是兩機的轉角出現(xiàn)差值。把靜態(tài)空載運行而到達協(xié)調(diào)位置時，發(fā)送機轉子轉過的角度與接收機轉過的角度之差稱為靜態(tài)誤差。比整步轉矩在協(xié)調(diào)位置附近，失調(diào)角為時接收機上所產(chǎn)生的整步轉矩。零位誤差當ZLF的轉子勵磁后，在理論上，從線電動勢為零的某一位置開始，轉子每轉過，整步繞組中至少有一線電動勢為零。此位置為理論電氣零位。但由于設計、工藝、材料等因素的影響，實際電氣零位與理論電氣零位存在著差異，兩者之差稱為力矩式自整角機的零位誤差。阻尼時間強迫接收機轉子失調(diào)，放松后，經(jīng)過衰減振蕩到達協(xié)調(diào)位置時所需要的時間。6．差動自整角機有什么用途?其結構和聯(lián)接與普通自整角機有何異同?答：差動自整角機的功能是與一對自整角機配合使用，把兩軸的角度之差或之和發(fā)送到第三軸上。差動式自整角機采用隱極結構，氣隙均勻，定、轉子上均是三相對稱繞組。定、轉子的三相繞組分別與發(fā)送機和接收機的整步繞組對應相接。7．一對自整角機定子三相整步繞組的三根出線是否可以任意連接，假設仍與連接，而與連接，與連接，試問將會產(chǎn)生什么結果?答：不可以任意連接。當仍與連接，而與連接，與連接時，將會使接收機轉子的轉向與發(fā)送機轉子的轉向相反。8．如果一對自整角機定子整步繞組的三根連線中有一根斷線，或接觸不良，試問能不能同步轉動?答：不能同步轉動。因為當出現(xiàn)斷線時，電路不能構成三相回路，接收機整步繞組電流產(chǎn)生的磁場軸線不能保持與勵磁磁場同軸反向，破壞了原來的電磁關系。9．一對控制式自整角機定、轉子相對位置如圖6-18所示。當發(fā)送機轉子勵磁繞組接電源后，在氣隙中產(chǎn)生脈振磁場，并在轉子繞組感應出電動勢，設定、轉子繞組的匝數(shù)比，定子回路每相總阻抗為Z，阻抗角為。求：(1)寫出發(fā)送機定子繞組各相電流瞬時值的表達式；(2)畫出自整角變壓器轉子的協(xié)調(diào)位置；(3)求出失調(diào)角；(4)寫出輸出電壓瞬時值的表達式〔設輸出電壓最大值為U2m〕。

圖6-18解：〔1〕：氣隙中產(chǎn)生脈振磁場，轉子繞組感應出電動勢，定、轉子繞組的匝數(shù)比，定子回路每相總阻抗為Z，阻抗角為。發(fā)收機三相整步繞組中的電動勢為發(fā)收機三相整步繞組中的電流為〔2〕自整角變壓器轉子的協(xié)調(diào)位置如下圖：〔3〕失調(diào)角〔4〕忽略鐵芯損耗時10．一對力矩式自整角機的接線和定、轉子位置如圖6-19所示。要求：(1)求出失調(diào)角，并畫出接收機的協(xié)調(diào)位置；(2)判