第六章控制电机
《机电传动控制》第五版课后习题答案
第3章直流电机的工作原理及特性习题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？答案：直流电动机工作时，（1）电枢绕组中流过交变电流，它产生的磁通当然是交变的。
这个（2）变化的磁通在铁芯中产生感应电流。
铁芯中产生的感应电流，在（3）垂直于磁通方向的平面内环流，所以叫涡流。
涡流损耗会使铁芯发热。
为了减小这种涡流损耗，电枢铁芯采用彼此绝缘的硅钢片叠压而成，使涡流在狭长形的回路中，通过较小的截面，以（4）增大涡流通路上的电阻，从而起到（5）减小涡流的作用。
如果没有绝缘层，会使整个电枢铁芯成为一体，涡流将增大，使铁芯发热。
因此，如果没有绝缘，就起不到削减涡流的作用。
习题3.4 一台他励直流电动机在稳态下运行时，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？答案：∵当电动机再次达到稳定状态后，输出转矩仍等于负载转矩，即输出转矩T ＝T L ＝常200aae e ae m ae m e e R U n I K K R U n E K n T K I n n n K K K U T K =Φ=−ΦΦ=∴=Φ−Φ∴−∆=Φ=ΦQ Q 又当T=0a aU E I R =+数。
又根据公式（3.2）， T ＝K t ФI a 。
∵励磁磁通Ф减小，T 、K t 不变。
∴电枢电流I a 增大。
再根据公式（3.11），U ＝E ＋I a ·R a 。
∴E=U －I a ·R a 。
又∵U 、R a 不变，I a 增大。
∴E 减小即减弱励磁到达稳定后，电动机反电势将小于E 1。
习题3.8 一台他励直流电动机的铭牌数据为：P N ＝5.5KW ，U N ＝110V ，I N ＝62A ，n N ＝1000r/min ，试绘出它的固有机械特性曲线。
（1）第一步，求出n 0 （2）第二步，求出（T N ，n N ）答案：根据公式（3.15），（1-1）Ra ＝（0.50~0.75）(N N N I U P −1)NN I U我们取Ra ＝0.7(N N N I U P −1)NN I U， 计算可得，Ra ＝0.24 Ω 再根据公式（3.16）得，（1-2） Ke ФN ＝（U N －I N Ra ）/n N =0.095 又根据（1-3） n 0＝U N /（Ke ФN ），计算可得，n 0＝1158 r/min 根据公式（3.17），（2-1） T N ＝9.55NNn P ， 计算可得，T N ＝52.525 N ·M 根据上述参数，绘制电动机固有机械特性曲线如下：3.10一台他励直流电动机的技术数据如下：P N =6.5KW ，U N =220V ， IN=34.4A ， n N =1500r/min ， R a =0.242Ω，试计算出此电动机的如下特性：①固有机械特性；②电枢附加电阻分别为3Ω和5Ω时的人为机械特性；③电枢电压为U N /2时的人为机械特性； ④磁通φ=0.8φN 时的人为机械特性；并绘出上述特性的图形。
第6章_6.3三相异步电机的各种控制电路
多重互锁
电气互锁较可靠，但不能直接反 向起动（需先停车后才能反向起动）； 机械互锁虽能直接反向起动，但却不 太可靠，因此将电气互锁和机械互锁 组合在一起则成为多重互锁。 特点：既可直接反向，又较可靠 （主触头粘连时也能起到互锁作用）。 注意：主令控制器互锁，应采用 多重互锁（避免主令触头故障使互锁 失效）。
§6-3、电动 机的各种控制电路
§6-3、电动机的各种控制电路
一、电气控制原理图和安装接线图
在电气控制系统中，各种电机、电器等元件是按照生产工艺的要求，按照一定的 规律，由导线等联成电气线路，而表示电气电路图的方法有两种，即原理图和安 装接线图。
绘制原理图的原则
（1）所有电机、电器等元件都应采用统一规定的图形符号和文字符号来 表示。 （2）原理图一般分主电路和辅助电路两大部分。 （3）在原理图中，同一电器的不同部分（如线圈、触点）分散在图内不 同的部位，为易于识别，规定使用同一文字符号标明。 （4）在原理图中所有的触点均表示“正常状态”，所谓正常状态是指各 种电器在没有通电和没有外力作用时的状态。 （5）为安装和维修方便，电机和电器的各接线端都要用数字编号。
1175.空压机总是在空气压力低时能正常起动，但未到足够的高压值就停机。下述原因 哪种最可能______。 C A．低压继电器整定值太高 B．冷却水压低，此压力继电器动作 C．高压继电器整定值太低 D．低压继电器接到高压继电器的位置 1176.在被控对象的控制精度要求不高时，例如：海水柜水位控制只要保证水位在柜高 的3/4-1/2即可，常采取的最为简单、经济易行的控制方案______。 C A．计算机控制 B．随动控制 C．双位控制 D．模拟控制 1177.冷藏系统中的压缩机的起停控制是由双压力继电器（俗称“压力开关”）参与的 B 。当压力达到整定值下限时，压缩机应______。 A．起动 B．停止 C．报警 D．高压保护动作
第六章 异步电动机矢量控制与直接转矩控制
图6-3 矢量控制系统原理
6.2 按转子磁链定向异步电动机矢量控制系统 6.2.1 按转子磁链定向的矢量控制方程 1.异步电动机在M-T坐标系上的数学模型 为了与一般的同步旋转d-q坐标系区别， 取d轴沿转子磁链Ψr的方向，称之为M轴；q轴逆 时针旋转90º，称之为T轴。这样就得到了按转 子磁链定向的两相同步旋转M、T坐标系。 在M-T坐标系上，磁链方程为 Ψms=Lsims+Lmimr Ψts=Lsits+Lmitr Ψmr=Lmims+Lrimr=Ψr （6-3） Ψtr=Lmits+Lritr=0 （6-4）
（2） 转矩方程 由磁链方程式(6-4),得 重写电磁转矩方程
Te =
itr = −
Lm its Lr
(6-10)
(6-6） 这个转矩表达式和直流电动机的很相似，当转 子磁链Ψr不变时,定子电流转矩分量的变化会 引起电磁转矩成正比的变化,没有任何推迟,这 正是我们所期望的关系。 但是考虑到Ψr也是被控对象,式(6-6)实际 上仍然是非线性的。他励直流电动机的磁通不 用控制就是常量，交流异步电动机的Ψr被控制 为常量,这仍然是两个完全不同的概念。
3 Lm np ψ r its Lr 2
（3）转差角频率方程
由电压矩阵方程式（6-5）的第四行展开得
0 = ω s ( Lm ims + Lr i mr ) + Rdqr itr
将磁链方程式（6-3）代入上式，得 整理后得
ωs = −
Rdqr
0 = ω sψ r + Rdqr itr
itr
ψr
（6-11）
6.1 矢量控制(VC：vector control)的基本思路 6.1.1 模仿直流电动机 粗略地讲，矢量控制是模仿他励直流电动 机的控制。忽略磁饱和及电枢反应的影响，直 流电动机的转矩方程为 Te=CT´IaIf
华中科技大学-机电传动-第六章-控制电机
直线电动机原理
直线异步电动机的推力公式与三相异步电动机转矩公式 相类似，即
F KpI2m cos2
式中：K ——电机结构常数； p ——初级磁极对数； I2 ——次级电流；
m ——初级一对磁极的磁通量的幅值； cos 2 ——次级功率因数。
（1-23）
直线电动机原理
在推力作用下，次级运动速度应小于同步速度， 则滑差率为:
（1-19）
直线异步电动机的结构
直线电动机是由旋转电动机演变而来的，结构类似 于将其旋转电动机切割并展开铺平而成
动子
定子 短初级
短次级
（1-20）
直线电动机原理
直线电动机初级的多相 绕组通入多相电流后， 也会产生一个行波气隙 磁场B，这个磁场的磁 感应强度按通电的相序 顺序作直线移动。 显然行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面的线 速度是一样的，这个速度称之为同步线速，用 v s 表示， 且
vs v S vs
v (1 S )vs 2 f (1 S ) 次级移动速度 上式表明直线异步电动机的速度与电机极距及 电源频率成正比，因此，改变极距或电源频率 都可改变电动机的速度。 与旋转电动机一样，改变直线异步电动机初级 绕组的通电相序，就可改变电动机运动的方向， 从而可使直线电动机作往复运动。
（1-25）
直线电动机XY工作台
（1-26）
直线电动机用于PCB钻孔
（1-27）
v s 2 f (cm/s)
式中， ——极距(cm)； f ——电源频率(Hz)。
（1-21）
直线电动机原理
F
v
在行波磁场B切割下，次级导条将产生感应 电势和电流 ，所有导条的电流和气隙磁场 相互作用，产生切向电磁力F。由于初级是 固定不动的，那么，次级就顺着行波磁场运 动的方向作直线运动v。
运动控制系统-第6章 同步电动机变压变频调速系统
2
当负载转矩加大为 TL4时，转子减速使角θ 增加，电磁转矩 Te减4 小，导致θ继续，最 终，同步电动机转速偏离同步转速，这种 现象称为“失步”。
2
在 的范围 内，2 同步电动机不 能稳定运行，将产 生失步现象。
Te
Te3
Te4
0
3 4
2
图6-4 在 的范围内，
2
Te1
TL1
3U s Es
m xd
sin1
0
2
当负载转矩加大为 时，转子减速使角θ增加，
当 衡，
，电磁 转 2矩 2
和TL负2 载转矩
Te 2
又达到平
TL2
Te 2
TL2
3U s Es
m xd
s in 2
同步电动机仍以同步转速稳定运行。
0
2
若负载转矩又恢复
为 TL1，则角 恢 复
3. 梯形波永磁自控变频同步电动机即无刷直 流电动机——以梯形波永磁同步电动机为 核心的自控变频同步电动机，由于输入方 波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更 接近于直流电动机，但没有电刷，故称无 刷直流电动机。
无刷直流电动机实质 上是一种特定类型的
iA eA eA
同步电动机，气隙磁 场和感应电动势是梯
第6章
同步电动机变压变频 调速系统
同步电动机直接投入电网运行时，存在 失步与起动两大问题，曾一直制约着同 步电动机的应用。同步电动机的转速恒 等于同步转速，所以同步电动机的调速 只能是变频调速。
变频调速的发展与成熟不仅实现了同步 电动机的调速问题，同时也解决了失步 与起动问题，使之不再是限制同步电动 机运行的障碍。
永磁同步电动机的转子用永磁材料制 成，无需直流励磁。
第六章第四节三相异步电动机的典型控制电路.
1、图示为淡水柜（压力水柜）自动控制线路，当SA向下合自动位置时，该电路能实现______控制。
A．两地自动B．电机连续运转自动起动C．双位自动D．依电压大小自动起动2、海（淡）水柜必须采用密闭式压力水柜，将水位的高低变为气压的高低，以高低压压力继电器作为控制元件实现水位的双位控制。
其密闭水柜示意图与水泵自动起停控制线路如图所示。
若将压力继电器的两个触点位置互换，在水位低于H L时，将SA合自动位置，在合上QS后，会出现______。
A．电机立即起动，水泵给水，当水位达到H L时，水泵停B．电机立即起动，水泵给水，当水位达到H H时，水泵停C．电机不能起动D．电机立即起动，水泵给水，但当水位达到H H时，水泵仍供水不停3、如图为电动机的控制线路图,如果KM R的常闭辅触头和KM F的常闭辅触头取消，并将该处电路短接，当电动机正转时，按下反转按钮SB R，则______。
A．FR动作B．KM F线圈烧毁C．FU4、FU5熔断D．FU1 、FU3熔断4、如图为电动机的控制线路图,若KM R的常闭辅触头与KM F的常闭辅触头位置交换，则______。
A．按下SB F电机反转；按下SB R电机正转B．按下SB F，FU1、FU3熔断C．按下SB F，KM F出现衔铁不停地吸合、释放现象D．热继电器动作5、如图为电动机的控制线路图,该线路的功能______。
A．多地点起停控制B．具有能耗制动起停C．单方向转动起停控制D．正、反转起停控制6、如图为电动机的控制线路图,该线路中，没有______。
A．失压保护B．零压保护C．过载保护D．超速保护如图为电动机的控制线路图,若被取代，其他7、线路未改动，则______。
A．线路功能不变B．正向可以起动；反向不能起动C．正向不能起动；反向不能停机D．只能反转8、如图为电动机的正反转控制线路图,该线路中不含有______控制环节。
A．自锁B．互锁C．连锁D．点动9、如图所示，为电动机正、反转控制电路，若仅按钮SB F的常开触点粘连成闭合状，即使按下SB F也不能打开，其他均正常，则会出现______。
机械电子学-第6章 步进电动机的驱动与控制
认识步进电动机
功能 • 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 • 转角 ∝脉冲信号的个数； • 转速 ∝脉冲信号的频率。 • 转向取决于脉冲信号的相序
f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
步进电动机的特点
2) 步距角
步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3 时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km m:相数 k=
整步
2 双拍制
半步
步距角不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的特点
2) 步距角
步进电动机的特点
3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n
60f ZrN
60f 360 360Z r N
s f
6
(r / min)
步进电动机的特点
4)误差不长期积累。 5）可实现数字信号的开环控制，控制系统廉价。 6）步进电机具有自锁能力
齿距角 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含
120/9 = 13 1 齿 3
A 相和 C 相差240，含240/ 9 =26 2个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，3B 相、C 相不能 对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的 转子、定子相差2/3个齿（6）。
电机及其拖动基础选择题
第二章变压器第三张异步电动机第四章同步电机第五章直流电机第六章控制电机第七章电力拖动基础1.电动机的输出功率的大小取决于____。
（d22）A．电动机的额定功率B．负载转矩C．电动机的转速D．电动机的转速及负载转矩2.直流发电机输出电压是从____两端输出的。
（b42）A．换向器B．电刷C．励礠线圈D．都不是3.直流发电机中感应电势与____成比例。
（d42）A．励磁电流B．主磁极磁通C．转子转速D．转速与主磁极磁通4.并励直流电动机可通过____使其反转。
（b42）A．该变电源电压极性B．改变电枢绕组两端电压极性C．同时改变励磁电流及电枢电流的方向D．改变负载转矩的方向5.直流电动机通常用____方法启动。
（b42）A．直接起动B．电枢回路串电阻C．励磁回路串电阻D．空载启动6.____式直流电动机当负载转矩增大时，转速降最大（c42）A．他励B．并励C.串励D. 复励7.直流电动机电枢绕组中的电流是____。
（b42）A．直流的B．交流的C．脉动的D．恒定的8.并励直流电动机轴上负载转矩增大时，转速____.（b22）A．恒定不变B．略有下降C．大大下降D．略有上升9.电动机的额定功率是指额定运行时____。
（b21）A．消耗的电功率B．转速与转矩的乘积C．电压与电流的乘积E．输入，输出功率的平均值10.直流发电机额定功率是指其额定运行时____。
（4b1）A．原动机输入给它的功率B．输出端电压与电流的乘积C．电磁转矩与转速的乘积D．感应电势与电枢电流的乘积11.并励直流电动机轻载运行时，若励磁绕组断开，会引起____。
（b42）A．电动机停车B．电动机“飞车”C．转速达到理想空载转速D．转速不稳定12.并励直流电动机转速降低时，其电磁转矩____。
（a42）A．增大B．减小C．不变D．由负载决定13.变压器的铁芯用硅钢片叠成，是为了____。
（b11）A．防止铁芯振动B．减小涡流损耗C．安装方便D．节省铁芯材料14.变压器具有____作用。
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6．1．4 交流伺服电动机特性和应用
。 两相交流伺服电动机的控制方法有三种：①幅值控制；②相位 控制；②幅值-相位控制。生产中应用幅值控制的最多，下面只讨论 幅值控制法。
6.7 直线电动机
直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元 件．在变通运输、机械工业和仪器工业中，直线电动机已得到推广和 应用。它为实现高精度、响应快和高稳定的机电传动和控制开辟了新 的领域。 原则上对于每一种旋转电动机都有其相应的直线电动 机．故它的种类很多，但一般按工作原理来区分，可分为直线异步电 动机、直线直流电动机和直线同步电动机三种。由于直线电动机与旋 转电动机在原理上基本相同，故下面只简单介绍直线异步电动机。
•
•
•2：人为特性： • 1）降低电动机电源电压
•2）定子电路中串入电阻或电抗：
•3）改变电源频率：
•பைடு நூலகம்）转子回路中串电阻的人为特性：
• 5.4 三相异步电动机的启动特性：
• 启动的要求：1）启动转矩要足够大，能带动负载。启动转矩越 大，启动越快。2）启动电流越小越好。
• 三相异步电动机启动电流大而启动转矩小（因启动时功率因
•6.1 交流伺服电动机
• 伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件．将 电信号转换为轴上的转角或转速，以带动控制对象。伺服电动机有交 流和直流两种，它们的最大特点是可控．在有控制信号输入时，伺服 电动机就转动；没有控制信号输入，则停止转动；改变控制电压的大 小和相位(或极性)就可改变伺服电动机的转速和转向，因此，它与瞢 通电动机相比具有如下特点：
数低），因而启动情况更不利，因此要解决启动问题。
•5.4.1三相鼠笼式异步电动机的启动方法
• (1)谓速范围宽广，伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在宽广 的范围内连续调节；
• (2)转子的惯性小，即能实现迅速启动、停转；
• (3)控制功率小．过载能力强，可靠性好。
• 6.1.1 两相交流伺服电动机的结构
• 两相交流伺服电动机的结构与普通异步电动机的结构差不多．其定 子绕组则与单相电容式异步电动机的结构相类似。定于用硅钢片叠成， 在定字铁心的内圈表面上嵌入两个相差90。电角度的绕组．一个叫励 磁绕组WF．另一个叫控制绕组WC．如图6．1所示，这两个绕组
6．1．2 交流伺服电动机基本工作原理
两相交流伺服电动机是以单相异步电动机原理为基础的，从图6 l 看出．励磁绕组接到电压一定的交流电压上。控制绕组接到控制电压 以上。当有控制信号输人时．两相绕组使产生旋转磁场。该磁场与转 子中的感应电流相互作用产生转矩．使转子跟着旋转磁场以一定的转 差率转动起来，其同步转连
图6．4中曲线1为有控制电压时伺服电机的机械特性曲线．曲线 T+和T-为去掉控制电压后，脉动磁场分解为正、反两个旋转磁场对 应产生的转矩曲线。曲线T为去掉控制电压后单相供电时的合成转矩 曲线。从图看出，它与异步电动机的机械特性曲线不同，它是在第 二和第四象限内．当速度n为正时，电磁转矩T为负．当n为负时．T 为正，即去掉控制电压后，单相供电时的电盛转矩的方向总是与转 子转向相反．所以。是一个制动转矩．由于制动转距的存在．可使 转子迅速停止转动，保证了不会存在“自转”现象。停转所需要的 时间，比两相电压UC和U1同时取捎、单靠摩擦等制动方法所需的 时间要步得多。这正是两相交流伺服电动机在工作时．励磁绕组始 终是接在电源上的原因。
6．1．3 交流伺服电动机消除自转现象的措施
其解决办法，就是使转子导条具有较大电阻．从三相异步电动机的 机械特性可知，转子电阻对电动机的转速转矩特性影响很大(见图 6．3)．转子电阻增大到一定程度。倒如图中R23，时，最大转矩可出 现在s=1附近，为此目的，把伺服电动机的转子电阻r2设计得很大，使 电动机在失去控制信号，即成单相运行时．正转矩或负转矩的最大值均 出理在Sm>1的地方，这样可得出图6 4所示的机械特性曲线。
6．7．2 直线异步电动机的工作原理
直线电动机是由旋转电动机演变而来的．因而当初级的多相绕 组通人多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁感应强 度B按通电的相序顺序作直线移动(见图6 30)，该磁场称为形波磁场。 显然•行波的移动速度与旋转磁场在定子内圈表面的线速度是一样的， 这个速度称之为同步线速。用V表示。
第六章 控制电机
• 重点掌握控制电机的结构，工作原理，主要运行特性 及特点，以及应用场合
控制电机一般是指用于自动控制、自动调节、远距离测量，随 动系统以及计算装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控 制、同步连接等系统的基础元件．根据它在自动控制系统中的职 能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。控制 电机是在一般旋转电机的基础上发展起来的小功率电机，就电磁 过程及所遵循的基本规律而言．它与一般旋转电机投有本质区 别．只是所起的作用不同。传动生产机械用的传动电机主要用来 完成能量的变换，具有较高的力能指标(如效率和功率因数等)；而 控制电机则主要用来完成控制信号的传递和变换，要求它们技术 性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻，耗电少。
•通常是分别接在两个不同的交流电源(两者频率相同)上．这一点与 单相电容式异步电动机不同。
两相交流伺服电动机转子一般分为鼠笼转于和杯形转子两种结 构型式。鼠笼转子和三相鼠笼式电动机的转子结构相似，杯形转子 伺服电动机的结构如图6．2所示．杯形转子通常用铝台盒或铜合金 制成空心薄璧圈筒，为了减少磁阻．在空心杯形转子内放置固定的 内定子。不同结构型式的转子都制成具有较小惯量的细长形。目前 用得量多的是鼠笼转子的交流伺服电动机．
转子转向与旋转磁场的方向相同，把控制电压的相位改变180。，则 可改变伺服电动机的旋转方向。 对伺服电动机的要求是控制电压一 旦取消，电动机必须立即停转．但根据单相异步电动机的原理，电动 机转子一旦转动以后．再取消控制电压，仅剩励磁电压单相供电，它 将继续转动，即存在‘自转”现象，这意味着失去控制作用．所以要 消除自转。