华中科大机电传动控制(第五版)课后习题答案解析

机电传动控制,第五版 课后习题答案详解,冯清秀 邓星钟 等编著,2.1 说明机电传动系统运动方程式中的拖动转矩、静态转矩和动态转矩的概念。,答：拖动转矩：电动机产生的转矩Tm或负载转矩TL与转速n相同时，就是拖动转矩。静态转矩：电动机轴上的负载转矩TL，它不随系统加速或减速而变化。动态转矩：系统加速或减速时，存在一个动态转矩Td，它使系统的运动状态发生变化。,2.2 从运动方程式怎样看出系统是加速的、减速的、稳定的和静止的各种工作状态？,答：运动方程式：,Td0时：系统加速； Td=0 时：系统稳速；Td0时，系统减速或反向加速,2.3 试列出以下几种情况下系统的运动方程式，并说明系统的运行状态是加速、减速还是匀速？（图中箭头方向表示转矩的实际作用方向）,答：a匀速，b减速，c减速，d加速，e减速，f匀速,2.4 多轴拖动系统为什么要折算成单轴拖动系统？转矩折算为什么依据折算前后功率不变的原则？转动惯量折算为什么依据折算前后动能不变的原则？,答：在多轴拖动系统情况下，为了列出这个系统运动方程，必须先把各传动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量都折算到电动机轴上。由于负载转矩是静态转矩，所以可根据静态时功率守恒原则进行折算。由于转动惯量和飞轮转矩与运动系统动能有关，所以可根据动能守恒原则进行折算。,2.5 为什么低速轴转矩大？调速轴转矩小？,答：忽略磨擦损失的情况下，传动系统的低速轴和调速轴传递的功率是一样的，即P1P2,而P1T11，P2T22,所以T11T22，当12时， T1T2,2.6 为什么机电传动系统中低速轴的GD2比高速轴的GD2大得多？,答：因为低速轴的转矩大，所设计的低速轴的直径及轴上的齿轮等零件尺寸大，质量也大，所以GD2大，而高速轴正好相反。,答： j1=M/1= nM/n1=900/300=3,2.7 如图所示，电动机轴上的转动惯量JM2.5kg.m2，转速nM900r/min；中间传动轴的转动惯量J12kg.m2，转速n1300r/min；生产机械轴的惯量JL16kg.m2，转速nL60r/min。试求折算到电动机轴上的等效转动惯量。,jL=M/L= nM/nL=900/60=15,2.8 如图所示，电动机转速nM950r/mim，齿轮减速箱的传动比J1 J2 4，卷筒直径D0.24m，滑轮的减速比J3 2，起重负荷力F100N，电动机的飞轮转矩GDM21.05N.m，齿轮、滑轮和卷筒总的传动效率为0.83。试求提升速度v和折算到电动机轴上的静态转矩TL以及折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GDZ2。,答：,TL=9.55Fv/(1nM)=9.551000.37/(0.83950)=0.45N.m,2.9 一般生产机械按其运动受阻力的性质来分可有哪几种类型的负载？,答：恒转矩型、泵类、直线型、恒功率型。,2.10 反抗静态转矩与位能静态转矩有何区别，各有什么特点？,答：反抗性恒转矩负载恒与运动方向相反。位能性恒转矩负载作用方向恒定，与运动方向无关。,2.11 如图所示，曲线1和2分别为电动机和负载的机械特性，试判断哪些是系统的稳定平衡点？哪些不是？,答：（d）不是稳定运动点，其余都是稳定运行点。,3.1 为什么直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？,答：转子在主磁通中旋转，要产生涡流和磁滞损耗，采用硅钢软磁材料，可减少磁滞损耗，而采用“片”叠压成，可减少涡流损耗。,3.3 一台他励直流电动机所拖动的负载转矩TL常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统中哪些量必然要发生变化？,答：因为,所以，当改变电枢电压或电枢串电阻时，Ia均不变。,由知n会变化。,3.4一台他励直流电动机在稳定运行时，电枢反电势E=E1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1？,答：因为,当 时， Ia,由U=E+IaRa，EUIaRa，当Ia 时， E ，所以：En02，所以T0，和TL一起使ns绝对值I2 T 。当n= n02时，I20，T0。当n1，此时，交流伺服电动机当Uc0时，T总是制动性的。这样便消除自转且能迅速停止。,6.3 有一台直流伺服电动机，电枢控制电压和励磁电压均保持不变，当负载增加时，电动机的控制电流、电磁转矩和转速如何变化？,答：当TL T ，由 T=KtIa知，Ia，由n=f(T)方程知，n 。,6.4 有一台直流伺服电动机，当电枢控制电压Uc110V时，电枢电流Ia10.05A，转速n1=3000r/min，加负载后，电枢电流Ia21A，转速n2=1500r/min。试作出其机械特性n=f(T)。,答：,6.5 若直流伺服电动励磁电压一定，当电枢控制电压Uc=100V时，理想空载转速n0=3000r/min；当Uc=50V时，n0等于多少？,答：,6.11 交流测速发电机在理想情况为什么转子不动时没有输出电压？转子转动后，为什么输出电压与转子转速成正比？,答：当n=0时，f1的Uf加在WF上f1的f， f fmsint，方向同WF轴线。 f在转子涡流磁通，阻止f变化，与f合成1，1轴线同WF轴，与WC轴线垂直，所以不在WC上产生感应电动势，Uc0。,当n0时，转子切割1 e2p i2p E2p 1mn，而当Uf 一定时，1m 基本不变(Uf 4.44f1 N1 1m ), E2p nE2p i2p 脉动磁通2 ，正好和CW轴线重合CW上e0 。 E0 2 E2p nE0 n或U0E0Kn,7.1 电动机的温升与哪些因素有关？电动机铭牌上的温升值其含义是什么？电动机的温升、温度以及环境温度三者之间有什么关系？,答：温升与负载大小、负载持续时间（即运行方式）有关。铭牌上的温升值：指电动机允许的温度与周围介质温度（40）之差。电动机温升电动机温度环境温度,7.2 电动机在运行中，其电压、电流、功率、温升能否超过额定值？是何原因？,答：电压、温升不许超过额定值，否则烧坏电机。电流、功率可短时超过额定值，因为热惯性，电动机在短时温升不能超过允许值。,7.3 电动机的选择包括哪些具体内容？,答：容量、种类、电压、转速、结构形式。,7.4 选择电动机的容量时主要应考虑哪些因素？,答：发热：应有max a过载能力：启动能力： TLst TN,7.3 电动机的选择包括哪些具体内容？,答：容量、种类、电压、转速、结构形式。,7.4 选择电动机的容量时主要应考虑哪些因素？,答：发热：应有max a过载能力：启动能力： TLst TN,7.5 电动机有哪几种工作方式？当电动机的实际工作方式与铭牌上标注的工作方式不一致时，应注意哪些问题？,答：连续工作制、短时工作制、重复短时工作制。应采用等效功率法进行计算。,7.6 一台室外工作的电动机，在春、夏、秋、冬四季其实际允许的使用容量是否相同？为什么？,答：容量可以不相同，因为在不同的季节里，环境温度不同，如在冬季，电动机的温升可以较大，也不会超过允许的温度，所以容量可以大一些；而在很热的夏季，如果温度很高，超过40度时，电动机的容量必须降低使用。,7.7 有一抽水站的水泵向高度H10m处送水，排水量Q500m3/h，水泵的效率10.9，传动装置的效率20.78，水的重度1000kg/m3，试选择一台电动机拖动水泵。,答：,7.8 有一生产机械的实际负载转矩曲线如题7.8图所示，生产机械要求的转速nN=1450r/min，试选一台容量合适的交流电动机来拖动此生产机械。,答：,7.9 一生产机械需要直流电动机拖动，负载曲线如题7.9图所示，试选择电动机的容量。,答：,7.10 有台35KW、工作时间30min的短时工作电动机，欲用一台Th90min的长期工作制电动机代替。若不考虑其它问题（如过载能力等）试问长期工作制电动机的容量应选多大？,答：,7.11 暂载率表示什么？当15%时，能否让电动机工作15min，休息85min？为什么？试比较15%，30KW和40%，20KW两个重复短时工作制的电动机，哪一台容量大一些？,答：,换算（按SN折合 ）,7.12 有一台生产机械的功率为10KW，其工作时间tP=0.72min，t0=2.28min，试选择所用电动机的容量。,答：,10.1 晶闸管的导通条件是什么？导通后流过晶闸管的电流决定于什么？晶闸管由导通转变为阻断的条件是什么？阻断后它所承受的电压大小决定于什么？,答：导通条件：阳极、控制极同时加控制电压。导通后，电流决定于主电压和负载。阻断：阳极电压变0或变负。阻断后：承受电压大小决定于主电压。,10.2 晶闸管能否和晶体管一样构成放大器？为什么？,答：不能。当加上控制电流Ig后，晶闸管有强烈正反馈，立即导通，导通后阳极电流I（由主电压和负载决定）和Ig无关。,10.3试画出图中负载电阻R上的电压波形和晶闸管上的电压波形。,10.4 如题10.4图所示，试问：（1）在开关S闭合前灯泡亮不亮？为什么？（2）在开关S闭合后灯泡亮不亮？为什么？ （3）再把开关S断开后灯泡亮不亮？为什么？,答：（1）不亮。因为控制极没加正向电压；（2）亮。因为控制极加正向电压，当阳极也加正向电压时，晶闸管导通。（3）再把S断开，不亮。因为U2为交流，当S断开，且U2为负时，晶闸管关断，此后，没有Ug，不会再导通。,10.5如题10.5图所示，若在t1时刻合上开关S，t2时刻断开S，试画出负载电阻R上的电压波形和晶闸管上的电压波形。,答：,10.6晶闸管的主要参数有哪些？,答： UDRM为断态重复峰值电压，在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值规定比正向转折电压小100V。,URRM为反向重复峰值电压，在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，其数值规定比反向击穿电压小100V。,IT为额定通态平均电流（额定正向平均电流）。在环境温度不大于40和标准散热及全导通条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，简称额定电流。,IH为维持电流。在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流。,10.7 如何用万用表粗测晶闸管的好坏？,答：见书上表10.1,10.8 晶闸管的控制角和导通角是何含义？,答：控制角：晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。导通角：晶闸管在一周期内导通的电角度。,10.9有一单相半波可控整流电路，其交流电源电压U2220V，负载电阻RL=10，试求输出电压平均值Ud的调节范围，当/3时，输出电压平均值Ud、电流平均值Id为多少，并选择晶闸管。,答：,输出电压平均值,负载电流平均值,当 0时， Ud99V；当 时， Ud0V。所以Ud的调节范围是099V。当/3时，Ud74.25V,当/3时，Id7.425A。,考虑晶闸管的安全系数，一般取1.52，所以：,IT（1.52）8.89（13.33517.78）A,晶闸管最大反向电压：,考虑安全系数为23，故断态和反向重复峰值电压为：,UDRM（23）311V（622933）V,根据以上IT和UDRM的值查有关资料，选取合适的晶闸管。,10. 10续流二极管有何作用？为什么？若不注意把它的极性接反了会产生什么后果？,答：当电源电压变负时，V导通，负载上由电感维持的电流流经二极管。VS关断，电源负电压不加于负载上。作用：可提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压。极性若接反：造成短路。,答：见图10.10、图10.11、图10.12,10. 11试画出单相半波可控整流电路带不同性质负荷时，晶闸管的电流波形与电压波形。,77.75，导通角18077.75102.25 ,10.12. 有一电阻性负载，需要直流电压Ud=60V，电流Id=30A供电，若采用单相半波可控整流电路，直接接在220V的交流电网上，试计算晶闸管的导通角。,10.13 有一电阻负载，需要可调直流电压Ud=0V60V，电流Id=0A10A，现选用一单相半控桥式可控整流电路，试求变压器副边的电压和晶闸管与二极管的额定电压和电流。,当0时，电压应达最大，即为60V，所以变压器副边电压：,元件承受的最大正反向电压为,考虑安全系数为23，故断态和反向重复峰值电压（额定电压）为： UDRM（23）94.281V（188.563282.844）V,额定电流：因0 ，所以IT（1.52）10（1520）A,10.14 三相半波可控整流电路，如在自然相点之前加入触发脉冲会出现什么现象？画出这时负载侧的电压波形图。,答：,10.15 三相半波电阻负载的可控整电路，如果由于控制系统故障，A相的触发脉冲丢失，试画出控制角0时整流电压波形。,答：,10. 16三相桥式全控整流电路带电阻性负载，如果有一只晶闸管击穿，其它晶闸管会受什么影响？,答：见图10.29。如VS1被击穿，则VS3、VS5会短路，因为UBA、UCA不会加于负载，VS4用不着导通。,10.17晶闸管对触发电路有哪些要求？触发电路主要有哪三个环节？每个环节的功能是什么？,对晶闸管触发脉冲的要求主要有 、 、 、 和 。,足够大的触发电压和电流,有一定的脉宽度,不触发时的输出电压小最好为负,前沿要陡,与主电路同步,主要有三个环节：同步波形产生、移相控制、脉冲形成三个环节组成。,同步波形产生：产生与主电路电压同步的电压波形，使对应每一主电压波形的控制角都一样。,移相控制：为了改变输出主电压平均值，需要对同步波形移相，以改变控制角大小。,脉冲形成：把产生的具有一定控制角且可人为改变控制角的同步波形变成触发脉冲输出。,10.18单结晶体管自振荡电路的振荡频率是由什么决定的？为获得较高的振荡频率，减小充电电阻R与减小电容C效果是否一样？R大小受哪些因素限制？为什么？,答：振荡频率是由充电常数（RC）决定。为了获得较高的振荡频率，减小充电电阻R与减小电容C效果是一样的。,R受以下因素的限制：,10.19为什么晶闸管的触发脉冲必须与主电路电压同步？,答：如果不同步，由于每个正半周的控制角不同，输出电压就会忽大忽小的波动。所以要求在晶闸管承受正向电压的半周内，控制极获得第一个正向触发脉冲的时刻都相同。,10.20在单节晶体管触发电路中，改变电阻R为什么能实现移相？移相的目的是什么？,答：改变R就改变了电容的充电时间常数（RC），也就改变了电容充电的快慢，也就改变了第一个正向触发脉冲的时刻，即实现移相。移相的目的是：改变整流电路输出直流电压平均值大小。,图10.31(b)，为2/3的情况。,在t1触发VS1，uduA，且在12区间，ud0，由式,到23区间，ud正面积，故Ud0，一周期中变流器总的是吸收能量，直流电动机电枢电流由低电位到高电位是输出能量，,特点：直流电变成交流电回送到电网。电动机工作于发电(制动)状态。,有源逆变条件：Ud及E的极性与整流状态相反，且,逆变角：，对三相半波逆变电路，有 Ud-1.17U2P cos,当0，UdUdmax；,当/2，Ud0，为使逆变电路工作可靠，一般min/6，故逆变电路：/6/2。,11.1何谓开环控制系统？何谓闭环控制系统？两者各具有什么优缺点？,答：只有控制量（输入量）对被控制量（输出量）的单向控制作用，而不存在被控制量对控制量的影响和联系，这样的控制系统称为开环控制系统。开环控制系统不能满足高要求的生产机械的需要，调速范围小。,输入量与输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环，即闭环控制系统。闭环控制系统调速范围大。,11.2什么叫调速范围、静差度？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围？,答：电动机在额定负载下所允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速之比叫调速范围。,电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比叫静差度。,在一个调速系统中，转速降一定时，在不同的静差度下就有不同的调速范围。静差度越大，调速范围也越大。,保证在一定静差度的前提下，扩大系统调速范围的方法是提高电动机机械特性的硬度，以减小转速降。,11.3生产机械对调速系统提出的静态、动态技术指标主要有哪些？为什么要提出这些指标？,答：静态指标：静差度S 、调速范围D 、调速的平滑性,动态指标：过渡过程时间、最大超调量、振荡次数,静态指标,静差度S,TL变化时，应使n变化维持在一定范围。静差度S表示n稳定的程度，即S应小于一定值。,一般S50，普通车床S30，龙门刨床S5，冷轧机S2，热连轧机S=0.20.5，造纸机S0.1。,由式,机械特性愈硬，S愈小，n相对稳定性愈高。,在一个调速系统中，如果在nmin运行能满足S要求，则在其他转速必能满足要求。,调速范围D,如式,不同生产机械要求D不相同，如S一定，车床D=20120，龙门刨床D=2040，钻床D=212，铣床D=2030，轧钢机D=315，造纸机D=1020，机床进给机构D=530000。,.,机械、电气联合调速时，设D生产机械调速范围，Dm机械调速范围，De电气调速范围，则De=D/Dm。,调速的平滑性,两个相邻调速级转速差。在一定调速范围，n级数越多，平滑性就越高，若级数无穷大，即n连续可调，为无级调速。,动态指标,调速过程中，从一种稳定速度另一稳定速度，电磁惯性、机械惯性，要经过一段过渡过程或动态过程。生产机械对动态指标要求：过渡过程时间、最大超调量、振荡次数。,如图11.5，系统从n1过渡到n2时：,最大超调量,MP太大，达不到生产工艺要求，MP太小，过渡过程过于缓慢，生产率，一般MP=1035。,过渡过程时间T,从输入控制开始到被调量n进入(0.050.02) n2区间为止的一段时间,在T内，n在其稳定值上下摆动的次数，图11.5中为1次。,振荡次数,图11.6，系统1：T太长；系统2：被调量虽变化很快，但不能及时停住，要几次振荡才能停在新的稳定值上；系统3 ：动态性能较理想。,龙门刨床、轧钢机允许一次振荡，而造纸机不许有振荡。,11.4为什么电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应？两者如何配合才能算相适应。,答：电动机在调速过程中，在不同的转速下运行时，实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其允许长期输出的最大转矩和最大功率，并不取决于电动机本身，而取决于生产机械在调速过程中负载转矩TL及负载功率PL的大小和变化规律。所以，为了使电动机的负载能力得到最充分的利用，在选择调速方案时，必须注意电动机的调速性质与生产机械的负载特性要配合恰当。,恒转矩型负载应选用恒转矩性质调速方式，且电动机的TN应等于或略大于TL；恒功率型负载应选用恒功率性质调速方式，且电动机的PN应等于或略大于PL。这样，电动机在调速范围内的任何n下运行时，均可保持I等于或略小于IN，电动机得到最充分利用。,11.5有一直流调速系统，其调速时的理想空载转速n01=1480r/min，低速时的理想空载转速n02=157r/min，额定负载时的转速降nN=10r/min。试画出该系统的静特性（即电动机的机械特性），求出调速范围和静差度。,答：,11.6为什么调速系统中加负载后转速会降低，闭环调速系统为什么可以减少转速降？,答：当负载增加时，Ia加大，由于IaR的作用，会使转速下降，,11.7为什么电压负反馈顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降？,答：当负载 Ia Uf(U) (因为内阻)，n U 。 Ud n U即使由于电压负反馈作用维持不变，但TL 时， IaRa,还要引起n。即电压负反馈只能补偿内阻所引起的速度降落。,11.8电流正反馈在调速系统中起什么作用？如果反馈强度调得不适当会产生什么后果？,答：电流正反馈可补偿IaRa引起的速降。电流正反馈强度和电压负反馈强度比例恰当，则综合反馈便具有转速反馈性质。如果电流正反馈强度调得不适当，则达不到转速反馈性质。,11.9为什么由电压负反馈和电流正反馈一起可以组成转速反馈调速系统？,答：,11.10电流截止负反馈的作用是什么？转折点电流如何选？堵转电流如何选？比较电压如何选？,答：电流负反馈可人为造