电机课后练习

1、负载转矩折算原则：折算遵循等效原则，即保持折算前后两个系统传送的功率、储存的动能相同；同时，平衡工作点的选择方式为折算到电动机轴，或者折算到工作机械。对于某些线性运动的工作机械，如电动汽车，还应对旋转运动与直线运动之间物理量转换进行折算，折算时，涉及的物理量有转矩（力）、转速（速度）及转动惯量（质量）。力矩电动机：是一种由伺服电动机和驱动电动机结合起来(结构和功率角度)发展而成的特殊电机。特点：（1）不经过齿轮减速而直接驱动负载，堵转力矩大，空载转速低，过载能力强。（2）具有精度高(无齿轮间隙引起的误差)、耦合刚度高、线性度高、快速响应好、噪音低等优点。（3）系统的稳定性、静态控制精度以及动态

2、控制精度高。应用：通常在堵转（位置控制方式的伺服系统）或低速状态（速度控制方式的伺服系统）下使用。直流力矩电动机结构 ：一种永磁式低速直流伺服电动机，但电枢一般做成扁平形状（产生比较大的转矩和较低的转速）。力矩电动机的总体结构形状可以分为分装式和内装式。分装式结构包括定子、转子和电刷架，转子直接套在负载轴上，用户根据需要自行选配机壳。内装式结构与一般电动机相同，机壳和轴由制造厂在出厂时装配好。直流力矩电动机特点 ： 1、可直接与负载连接 具有较高的耦合刚度、转矩和惯量比。因为不存在齿轮减速，消除了齿隙，提高了传动精度。 2、反应速度快，动态特性好采用了高度饱和的电枢铁芯，以降低电枢自感，电磁时

3、间常数很小，一般在几毫秒甚至在1ms以内，且机械特性设计得较硬，所以总的机电时间常数也较小，约十几毫秒至几十毫秒。 3、力矩波动小，低速时能平衡运行 力矩波动是指力矩电动机转子处于不同位置时，堵转力矩的峰值与平均值之间存在的差值。它是力矩电动机重要性能指标。直流力矩电动机通常在每分钟几转到几十转时，其力矩波动约为5左右(其他电动机约20)，甚至更小。 4、线性度好、结构紧凑 特别适用于尺寸、重量和反应时间必须最小，而位置与转速控制精度要求高的伺服系统。力矩式自整角机的主要技术指标 ：1、比整步转矩用发送机和接收机在协调位置附近失调角为1时所产生的整步转矩值来衡量。是力矩式自整角机的重要性能指标

4、。2、 零位误差力矩式自整角机零位误差一般为0.2-1。3、静态误差 在静态协调位置时，接收机与发送机转子转角之差，称为静态误差。力矩式接收机的精度由静态误差来确定，大约为1的数量级。步进电动机（脉冲电动机）是一种数字电动机，本质上属于断续运转的同步电动机。可作为数字控制系统中的执行元件，其功用是将输入的脉冲电信号变换为阶跃性的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步。应用：它具有精度高、惯性小的特点，特别适合于数字控制系统；既可用作驱动电动机，又可用作伺服电动机，并主要用于开环系统，也可用作闭环系统的控制元件。直线步进电动机 以四相反应式直线步进电动机为例，其定子和

5、动子都是由硅钢片叠成的。定子上、下两表面都开有均匀分布的齿槽。动子是一对具有4个极的铁芯，极上套有四相控制绕组，每个极的表面也开有齿槽，齿距与定子上的齿锯相同。当某相动子齿与定子齿对齐时，相邻的动子齿轴线与定子齿轴线错开1/4齿锯。上、下两个动子铁芯用支架刚性连接起来，可以一起沿着定子表面滑动单电压串电阻驱动电路：增加绕组回路的电阻R，可减少绕组导通的回路电气时间常数 。采用串电阻的办法虽可提高绕组导通电流上升的前沿，从而可以提高高频时绕组电流的平均值，改善高频特性，但却增加了损耗，带来通风散热等一系列问题。高低压驱动电路：高低压驱动电路里有两种电源电压。接通或截止相电流时使用高电压；继续励磁

6、期间使用低电压，把电流维持在额定值上。开始激励绕组时，两只晶体管VTl和VT2导通，因此，加在相绕组上的电压等于两个电源电压之和(VL+VH)，二极管D2受VH反偏。因没有串联电阻限制电流，因此，它开始迅速上升双极性驱动电路 ：永磁式和永磁感应子式步进电动机工作时则要求绕组有双极性电路驱动，即绕组电流能正、反向流动。斩波恒流驱动电路 ：主回路由高压晶体管、电动机绕组、低压晶体管串联而成。主要优点：电流上升很快；在很大的频率范围内电动机都能输出恒定的转矩；有很高的效率；减少电动机共振现象的发生。步进电动机的开环控制：步进电动机的控制主要是速度控制，从运动过程来看，一般来说有加速、匀速（工作速度）

7、和减速三个主要过程。速度控制主要通过控制进给脉冲频率来实现，该脉冲信号产生相应的相控制信号，对驱动电路进行控制，使步进电动机按一定的转速运转。常用的调速方法简介 ：低效调速方法：异步电动机的调压调速、转子串电阻调速、斩波调速、电磁转差离合器调速。高效率的调速方法 ：变极调速和变频调速，包括串级调速。调压调速方法 ：改变电动机的定子电压就可改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。特点：调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低，调速范围较小 。调压方式：串联饱和电抗器、自耦变压器、晶闸管调压等。（2）转子串电阻调速方法：在绕线

8、式异步电动机的转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入转子附加电阻计算公式： 优点：设备简单、控制方便，只需要一个变阻器和几个开关。缺点：增大转差率，转差功率增加，并以发热的形式消耗在电阻上；运行效率低；属有级调速，机械特性较软，调速范围小。该调速方法仍在调速要求不高的场合普遍采用。（3）电磁转差离合器调速方法：是由笼型异步电动机、电磁转差离合器以及直流励磁电源(控制器)三部分组成。笼型电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。特点：装置结构及控制线路简单、

9、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐波影响；调节速度时效率低。改变极对数调速方法：是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的。变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子，因为鼠笼式转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。特点：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，电动机运行效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速。（5） 串级调速方法：指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再经特殊的变换装

10、置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速。特点：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，节省投资；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。变频调速方法：改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。主要特点是：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，机械特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好的场合。从调速范围、平滑性以及调速过程中电

11、动机的性能等方面来看；变频调速很优越，可以和直流电动机调速相媲美。但要使频率和端电压同时可调，需要一套专门的变频装置，使投入的设备增多，成本增大。直接转矩控制与矢量变换控制的特点和性能比较矢量变换控制原理其基本原理和异步电机矢量控制相似，异步电机矢量控制的思想完全可以应用。转子以同步转速1 旋转，转子上的励磁绕组在电压Uf供电下流过励磁电流If。沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的是q轴，d、q坐标在空间也以同步转速旋转，d轴与静止正交的A轴之间的夹角为变量0 。除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，两者合成产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。正常运行的同步电机

12、希望气隙磁通保持恒定。同步电机矢量变换控制采用气隙磁场定向进行矢量控制。步进电机的工作原理步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。步进电动机有如下特点：1）步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。2）由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单

13、、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3）步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。4）速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。5）步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。6）步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。7）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。9)当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电动机以其显著的

14、特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 问题：分别简述直接矢量控制系统和间接矢量控制系统的工作原理，磁链定向的精度受哪 些参数的影响？ 答：直接矢量控制的工作原理：转速正、反向和弱磁

15、升速。磁链给定信号由函数发生程序获 得。转速调节器 ASR 的输出作为转矩给定信号，弱磁时它还受到磁链给定信号的控制。在转 矩内环中，磁链对控制对象的影响相当于一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改 造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。间接矢量控制的工作原理：采用磁链开环控制，系统反而会简单一些。在这种情况下， 常利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统，它继承了基于稳态模型转 差频率控制系统的优点，同时用基于动态模型的矢量控制规律克服了它的大部分不足之处。 转差型矢量控制系统的主电路采用了交-直-交电流源型变频器，适用于数千 kW 的大容量装 置，在中、小容量装置中多

16、采用带电流控制的电压源型 PWM 变压变频器。磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信号确定，靠矢量控制方程 保证，并没有实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量控制。问题：试分析并解释矢量控制系统与直流转矩控制系统的优缺点。 答：两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，但两者在控制性能上却各有千秋。VC 系统强调 Te 与r 的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可 获得较宽的调速范围；但按r 定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。DTC 系统则实行 Te 与s 砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性 能较差，调速范围受到限制。下表列出了两种系统的特点与性能的比较。矢量控制的优点： 1、 动态的高速响应； 2、 低频转矩增大； 3、 控制灵活；具体说就是同时控制定子电流I1和相位。转矩响应很好，精度也高。励磁电流Im=I1cos，力矩电流I2=I1sin，电机力矩=KImI2。电压矢量：通过控制电机磁场和转矩的电压的方法。如果100%了解电机的定子回路，可与电流矢量有同等效果。综上所述矢量控制比以往的V/F控制要进步得多.特别加上编码器进行速度反馈,它可以完成力矩控制,且低速性能也大大改观。矢量控制的原理是将