《控制電機》配套PPT課件及習題答案,控制電機,控制,電機,配套,PPT,課件,習題,答案
控制電機思考題與習題參考答案
（機械工業(yè)出版社2009年，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(zhuǎn)速為3600r/min，電樞電阻為50Ω，空載阻轉(zhuǎn)矩N·m，試問電動機的額定負載轉(zhuǎn)矩是多少？
解：TL=Te-T0 , Te=EaIaΩ=90×0.4120π=0.0955N.m
Ω=2πn60=120π, Ea=U-RaIa=110-50×0.4=90V
TL=0.0955-0.015=0.0805N.m
2. 一臺型號為55SZ54的并勵直流伺服電動機，其額定電壓為110V，額定電樞電流為0.46A，額定轉(zhuǎn)矩為 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。忽略電動機本身的空載阻轉(zhuǎn)矩，試求電機在額定運行狀態(tài)時的反電勢和電樞電阻。
解：U=Ea+IaRa , Te=EaIa/Ω , Ω=2πn60=100π
Ea=TeΩIa=0.093×100π0.46=63.51V，Ra=U-EaIa=110-63.50.46=101.1Ω
3. 伺服電動機70SZ54為并勵勵磁方式，其額定數(shù)據(jù)為：效率，空載阻轉(zhuǎn)矩 N·m。試求額定運行時電動機的電樞電流，電磁轉(zhuǎn)矩，反電勢和電樞電阻。
解： IaN=PNUNηN=55110×0.625=0.8A，TLN=PNΩ=55100π=0.175N.m ，Ω=2πn60=100π
Te=TLN+T0=0.175+0.0715=0.2465N.m，EaN=TeΩIaN=0.2465×110π0.8=96.8V
Ra=U-EaNIaN=110-96.80.8=16.5Ω
4. 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(zhuǎn)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(zhuǎn)速為多少?
解：（1） UF0=EDa=U-RaIDa0=110-75×0.12=101 V
（2） 由Ea=CeΦn 得，CeΦ=Ea/n, IDa0=0.12A, n=4500r/min.
接負載時，U=CeΦn1+IDaRa，CeΦn1=IFaRa+RL
CeΦn1IDa= CeΦn1IFa+CeΦn1IDa0
解得 IFa=0.0878A, IDa=IFa+IDa0=0.0878+0.12=0.2078A
n1=U-RaIDaCeФ=110-75×0.2078101/4500=4207r/min
5. 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(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化的關(guān)系，即 n=UaCeΦ-TeRaCeCtΦ2 = n0-kTe。由公式可知，隨著控制信號減弱，Φ減小，k增大，機械特性變軟。調(diào)節(jié)特性是指電磁轉(zhuǎn)矩不變時，轉(zhuǎn)速隨控制信號變化的關(guān)系。由公式可知，n與Φ為非線性關(guān)系，不利于精確調(diào)速。
6. 若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，若勵磁電壓下降，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(zhuǎn)矩減小，試問這時電機控制電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩減小時，Te減小，由Te=CtΦIa得 Ia減小，U=CeΦn+IaRa，轉(zhuǎn)速升高。
物理過程：負載轉(zhuǎn)矩減小時，瞬時電磁轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩，電動機加速，反電動勢升高，電流下降，電磁轉(zhuǎn)矩下降，直到新的轉(zhuǎn)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-TeRaCeCtΦ2。當控制電壓和勵磁電壓均不變時，，UaCeΦ和RaCeCtΦ2都是常數(shù)，轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩Te之間是線性關(guān)系，且隨著電磁轉(zhuǎn)矩Te的增加，轉(zhuǎn)速n下降，因此機械特性是一條下傾的直線。放大器的內(nèi)阻對機械特性來說，與電樞電阻是等價的，電阻越大，直線斜率RaCeCtΦ2就越大，機械特性就越軟。
9. 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(guān)?
答：有死區(qū)。Us=RaCtΦTs ,死區(qū)電壓與起始負載轉(zhuǎn)矩，電樞電阻，勵磁電壓，電機結(jié)構(gòu)有關(guān)。
10. 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(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向成什么關(guān)系？它們的能量流向有什么特點?
答：電動機：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相同，電能轉(zhuǎn)化為機械能。發(fā)電機：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，機械能轉(zhuǎn)化為電能。反接制動：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，電能和轉(zhuǎn)子機械能轉(zhuǎn)化為電機內(nèi)部的熱能。能耗制動：電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反。轉(zhuǎn)子機械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速從零升到理想空載轉(zhuǎn)速的63.2%所需的時間。
12. 直流伺服電動機當轉(zhuǎn)速很低時會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定現(xiàn)象，簡述產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩負載（即負載轉(zhuǎn)矩保持不變），測得始動電壓，當電樞電壓為50V時，其轉(zhuǎn)速為1500r/min，若要求轉(zhuǎn)速達到3000r/min，試問要加多大的電樞電壓?
解： 由題意，1500-050-4=nU-4，n=150046U-130.4，代入數(shù)據(jù)得U=96V
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(zhuǎn)速為3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為 N·m，忽略空載阻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩為 N·m電樞電壓為80 V時電機的轉(zhuǎn)速；（3）對應于該負載和電壓下的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和始動電壓。
解：（1）由CtΦIa=Ts得，CtΦ=TeIa=0.090.46=0.196，CeΦ=π30CeΦ=π30×0.196=0.0205
Ea=CeΦn=π30Cen=π30×0.196×3000=61.57V
Ra=U-EaIa=110-61.570.46=105.28Ω
n=n0-kTe
n01=U1CeΦ=1100.0205=5366 r/min
n02=U2CeΦ=800.0205=3902 r/min
k1=k2=RaCtΦCeΦ=105.280.0205×0.196=26202
曲線略。
（2）n=UCeΦ-kTs=800.0205-26202× 0.08=1806 r/min
（3）Tk=CtΦURa=0.196×80105.28=0.149N.m
Us0=RaCtΦTs=105.280.196×0.08=42.97 V
15. 已知一臺直流伺服電動機的電樞電壓，空載電流，空載轉(zhuǎn)速，電樞電阻，試求：（1）當電樞電壓時的理想空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；（2）該電機若用放大器控制，放大器的內(nèi)阻，開路電壓，求這時的理想空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
解：（1） U=Ea+IaRa，Ea=U- IaRa=110-80×0.055=105.6V
CeΦ=Ean=105.64600=0.023，CtΦ=30πCeΦ=30π×0.023=0.219
n0=UCeΦ=67.50.023=2935 r/min
Tk=CtΦURa=0.219×67.580=0.185N.m
（2）n0=UCeΦ=67.50.023=2935 r/min
Tk=CtΦUiRa+Ri=0.219×67.580+80=0.092N.m
第2章 交流感應伺服電動機
1．空心杯形轉(zhuǎn)子兩相感應伺服電動機與籠型轉(zhuǎn)子感應伺服電動機相比，在結(jié)構(gòu)與原理上有何異同?
答：籠型轉(zhuǎn)子感應伺服電動機的結(jié)構(gòu)與普通籠型感應電動機相似，只是為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，需做得細而長?？招谋透袘欧妱訖C的定子分為外定子和內(nèi)定子。外定子鐵心槽中放置空間相距90°電角度的兩相交流繞組，內(nèi)定子鐵心中一般不放繞組，僅作為磁路的一部分，以減少主磁通磁路的磁阻。在內(nèi)、外定子之間有細長的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上，空心轉(zhuǎn)子做成杯子形狀，所以稱為空心杯型轉(zhuǎn)子?？招谋秃突\型感應伺服電機本質(zhì)是一樣的，杯型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子。
2．兩相感應伺服電動機的轉(zhuǎn)子電阻為什么要選得相當大? 轉(zhuǎn)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)并無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，二相感應伺服電機必須具有足夠大的轉(zhuǎn)子電阻。當然如果電阻太大，會導致轉(zhuǎn)子中電阻損耗過大，電機效率降低。
3．什么叫“自轉(zhuǎn)”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(zhuǎn)”現(xiàn)象?
答：二相感應伺服電機正常勵磁，在控制電壓作用下電機運行時，若失去控制信號，電機仍能穩(wěn)態(tài)運行的話，稱為自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。增大轉(zhuǎn)子電阻可以克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。為了實現(xiàn)不自轉(zhuǎn)，單相供電時要保證機械特性線上轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩符號相反。
4．兩相繞組有效匝數(shù)不等的兩相感應伺服電動機，若外施兩相對稱電壓，電機中能否得到圓形旋轉(zhuǎn)磁場？若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，兩相繞組的外施電壓應滿足什么條件？
答：不能。若要產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，兩相電壓的比值要與匝數(shù)比值相同，且相位上相差。
5．幅值控制的兩相感應伺服電動機，若有效信號系數(shù)ae由零變化到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，若有效信號系數(shù)ae為零，在滿足電機不自轉(zhuǎn)的條件下，電機不轉(zhuǎn)，正、負序磁動勢大小相等，合成磁動勢為脈振磁動勢；若有效信號系數(shù)ae為1，則合成磁動勢為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，負序磁動勢等于零；若有效信號系數(shù)0
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