電機課后練習

1、負載轉矩折算原則：折算遵循等效原則，即保持折算前后兩個系統(tǒng)傳送的功率、儲存的動能相同；同時，平衡工作點的選擇方式為折算到電動機軸，或者折算到工作機械。對于某些線性運動的工作機械，如電動汽車，還應對旋轉運動與直線運動之間物理量轉換進行折算，折算時，涉及的物理量有轉矩（力）、轉速（速度）及轉動慣量（質量）。力矩電動機：是一種由伺服電動機和驅動電動機結合起來(結構和功率角度)發(fā)展而成的特殊電機。特點：（1）不經(jīng)過齒輪減速而直接驅動負載，堵轉力矩大，空載轉速低，過載能力強。（2）具有精度高(無齒輪間隙引起的誤差)、耦合剛度高、線性度高、快速響應好、噪音低等優(yōu)點。（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靜態(tài)控制精度以及動態(tài)

2、控制精度高。應用：通常在堵轉（位置控制方式的伺服系統(tǒng)）或低速狀態(tài)（速度控制方式的伺服系統(tǒng)）下使用。直流力矩電動機結構 ：一種永磁式低速直流伺服電動機，但電樞一般做成扁平形狀（產(chǎn)生比較大的轉矩和較低的轉速）。力矩電動機的總體結構形狀可以分為分裝式和內裝式。分裝式結構包括定子、轉子和電刷架，轉子直接套在負載軸上，用戶根據(jù)需要自行選配機殼。內裝式結構與一般電動機相同，機殼和軸由制造廠在出廠時裝配好。直流力矩電動機特點 ： 1、可直接與負載連接 具有較高的耦合剛度、轉矩和慣量比。因為不存在齒輪減速，消除了齒隙，提高了傳動精度。 2、反應速度快，動態(tài)特性好采用了高度飽和的電樞鐵芯，以降低電樞自感，電磁時

3、間常數(shù)很小，一般在幾毫秒甚至在1ms以內，且機械特性設計得較硬，所以總的機電時間常數(shù)也較小，約十幾毫秒至幾十毫秒。 3、力矩波動小，低速時能平衡運行 力矩波動是指力矩電動機轉子處于不同位置時，堵轉力矩的峰值與平均值之間存在的差值。它是力矩電動機重要性能指標。直流力矩電動機通常在每分鐘幾轉到幾十轉時，其力矩波動約為5左右(其他電動機約20)，甚至更小。 4、線性度好、結構緊湊 特別適用于尺寸、重量和反應時間必須最小，而位置與轉速控制精度要求高的伺服系統(tǒng)。力矩式自整角機的主要技術指標 ：1、比整步轉矩用發(fā)送機和接收機在協(xié)調位置附近失調角為1時所產(chǎn)生的整步轉矩值來衡量。是力矩式自整角機的重要性能指標

4、。2、 零位誤差力矩式自整角機零位誤差一般為0.2-1。3、靜態(tài)誤差 在靜態(tài)協(xié)調位置時，接收機與發(fā)送機轉子轉角之差，稱為靜態(tài)誤差。力矩式接收機的精度由靜態(tài)誤差來確定，大約為1的數(shù)量級。步進電動機（脈沖電動機）是一種數(shù)字電動機，本質上屬于斷續(xù)運轉的同步電動機?？勺鳛閿?shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，其功用是將輸入的脈沖電信號變換為階躍性的角位移或直線位移，即給一個脈沖信號，電動機就轉動一個角度或前進一步。應用：它具有精度高、慣性小的特點，特別適合于數(shù)字控制系統(tǒng)；既可用作驅動電動機，又可用作伺服電動機，并主要用于開環(huán)系統(tǒng)，也可用作閉環(huán)系統(tǒng)的控制元件。直線步進電動機 以四相反應式直線步進電動機為例，其定子和

5、動子都是由硅鋼片疊成的。定子上、下兩表面都開有均勻分布的齒槽。動子是一對具有4個極的鐵芯，極上套有四相控制繞組，每個極的表面也開有齒槽，齒距與定子上的齒鋸相同。當某相動子齒與定子齒對齊時，相鄰的動子齒軸線與定子齒軸線錯開1/4齒鋸。上、下兩個動子鐵芯用支架剛性連接起來，可以一起沿著定子表面滑動單電壓串電阻驅動電路：增加繞組回路的電阻R，可減少繞組導通的回路電氣時間常數(shù) 。采用串電阻的辦法雖可提高繞組導通電流上升的前沿，從而可以提高高頻時繞組電流的平均值，改善高頻特性，但卻增加了損耗，帶來通風散熱等一系列問題。高低壓驅動電路：高低壓驅動電路里有兩種電源電壓。接通或截止相電流時使用高電壓；繼續(xù)勵磁

6、期間使用低電壓，把電流維持在額定值上。開始激勵繞組時，兩只晶體管VTl和VT2導通，因此，加在相繞組上的電壓等于兩個電源電壓之和(VL+VH)，二極管D2受VH反偏。因沒有串聯(lián)電阻限制電流，因此，它開始迅速上升雙極性驅動電路 ：永磁式和永磁感應子式步進電動機工作時則要求繞組有雙極性電路驅動，即繞組電流能正、反向流動。斬波恒流驅動電路 ：主回路由高壓晶體管、電動機繞組、低壓晶體管串聯(lián)而成。主要優(yōu)點：電流上升很快；在很大的頻率范圍內電動機都能輸出恒定的轉矩；有很高的效率；減少電動機共振現(xiàn)象的發(fā)生。步進電動機的開環(huán)控制：步進電動機的控制主要是速度控制，從運動過程來看，一般來說有加速、勻速（工作速度）

7、和減速三個主要過程。速度控制主要通過控制進給脈沖頻率來實現(xiàn)，該脈沖信號產(chǎn)生相應的相控制信號，對驅動電路進行控制，使步進電動機按一定的轉速運轉。常用的調速方法簡介 ：低效調速方法：異步電動機的調壓調速、轉子串電阻調速、斬波調速、電磁轉差離合器調速。高效率的調速方法 ：變極調速和變頻調速，包括串級調速。調壓調速方法 ：改變電動機的定子電壓就可改變其機械特性的函數(shù)關系，從而改變電動機在一定輸出轉矩下的轉速。特點：調壓調速線路簡單，易實現(xiàn)自動控制；調壓過程中轉差功率以發(fā)熱形式消耗在轉子電阻中，效率較低，調速范圍較小 。調壓方式：串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器、晶閘管調壓等。（2）轉子串電阻調速方法：在繞線

8、式異步電動機的轉子串入附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串入轉子附加電阻計算公式： 優(yōu)點：設備簡單、控制方便，只需要一個變阻器和幾個開關。缺點：增大轉差率，轉差功率增加，并以發(fā)熱的形式消耗在電阻上；運行效率低；屬有級調速，機械特性較軟，調速范圍小。該調速方法仍在調速要求不高的場合普遍采用。（3）電磁轉差離合器調速方法：是由籠型異步電動機、電磁轉差離合器以及直流勵磁電源(控制器)三部分組成?；\型電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉動，通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現(xiàn)對其磁極的速度調節(jié)。電磁轉差離合器由電樞、磁極和勵磁繞組三部分組成。特點：裝置結構及控制線路簡單、

9、運行可靠、維修方便；調速平滑、無級調速；對電網(wǎng)無諧波影響；調節(jié)速度時效率低。改變極對數(shù)調速方法：是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數(shù)達到調速目的。變極調速的異步電動機一般采用鼠籠式轉子，因為鼠籠式轉子的極對數(shù)能自動地隨著定子極對數(shù)的改變而改變，使定、轉子磁場的極對數(shù)總是相等而產(chǎn)生平均電磁轉矩。特點：具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；無轉差損耗，電動機運行效率高；接線簡單、控制方便、價格低；有級調速，級差較大，不能獲得平滑調速。（5） 串級調速方法：指繞線式電動機轉子回路中串入可調節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再經(jīng)特殊的變換裝

10、置，把吸收的轉差功率返回電網(wǎng)或轉換能量加以利用。可分為電機串級調速、機械串級調速及晶閘管串級調速形式，多采用晶閘管串級調速。特點：可將調速過程中的轉差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機械上，效率較高；裝置容量與調速范圍成正比，節(jié)省投資；調速裝置故障時可以切換至全速運行，避免停產(chǎn)；晶閘管串級調速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。變頻調速方法：改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。主要特點是：效率高，調速過程中沒有附加損耗；應用范圍廣，可用于籠型異步電動機；調速范圍大，機械特性硬，精度高；技術復雜，造價高，維護檢修困難。本方法適用于要求精度高、調速性能較好的場合。從調速范圍、平滑性以及調速過程中電

11、動機的性能等方面來看；變頻調速很優(yōu)越，可以和直流電動機調速相媲美。但要使頻率和端電壓同時可調，需要一套專門的變頻裝置，使投入的設備增多，成本增大。直接轉矩控制與矢量變換控制的特點和性能比較矢量變換控制原理其基本原理和異步電機矢量控制相似，異步電機矢量控制的思想完全可以應用。轉子以同步轉速1 旋轉，轉子上的勵磁繞組在電壓Uf供電下流過勵磁電流If。沿勵磁磁極的軸線為d軸，與d軸正交的是q軸，d、q坐標在空間也以同步轉速旋轉，d軸與靜止正交的A軸之間的夾角為變量0 。除轉子直流勵磁外，定子磁動勢還產(chǎn)生電樞反應，兩者合成產(chǎn)生氣隙磁通，合成磁通在定子中感應的電動勢與外加電壓基本平衡。正常運行的同步電機

12、希望氣隙磁通保持恒定。同步電機矢量變換控制采用氣隙磁場定向進行矢量控制。步進電機的工作原理步進電機的工作就是步進轉動，其功用是將脈沖電信號變換為相應的角位移或是直線位移，就是給一個脈沖信號，電動機轉動一個角度或是前進一步。步進電機的角位移量與脈沖數(shù)成正比，它的轉速與脈沖頻率(f)成正比，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。步進電動機有如下特點：1）步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此，當它轉一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。2）由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單

13、、廉價，又非?？煽浚瑫r，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。3）步進電動機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉及變速。4）速度可在相當寬的范圍內平穩(wěn)調整，低速下仍能獲得較大轉距，因此一般可以不用減速器而直接驅動負載。5）步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。6）步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應措施。7）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。9)當步進電機轉動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導致力矩下降。步進電動機以其顯著的

14、特點，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術的發(fā)展以及步進電機本身技術的提高，步進電機將會在更多的領域得到應用。 步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。 問題：分別簡述直接矢量控制系統(tǒng)和間接矢量控制系統(tǒng)的工作原理，磁鏈定向的精度受哪 些參數(shù)的影響？ 答：直接矢量控制的工作原理：轉速正、反向和弱磁

15、升速。磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲 得。轉速調節(jié)器 ASR 的輸出作為轉矩給定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。在轉 矩內環(huán)中，磁鏈對控制對象的影響相當于一種擾動作用，因而受到轉矩內環(huán)的抑制，從而改 造了轉速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。間接矢量控制的工作原理：采用磁鏈開環(huán)控制，系統(tǒng)反而會簡單一些。在這種情況下， 常利用矢量控制方程中的轉差公式，構成轉差型的矢量控制系統(tǒng)，它繼承了基于穩(wěn)態(tài)模型轉 差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點，同時用基于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了它的大部分不足之處。 轉差型矢量控制系統(tǒng)的主電路采用了交-直-交電流源型變頻器，適用于數(shù)千 kW 的大容量裝 置，在中、小容量裝置中多

16、采用帶電流控制的電壓源型 PWM 變壓變頻器。磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統(tǒng)的磁場定向由磁鏈和轉矩給定信號確定，靠矢量控制方程 保證，并沒有實際計算轉子磁鏈及其相位，所以屬于間接矢量控制。問題：試分析并解釋矢量控制系統(tǒng)與直流轉矩控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點。 答：兩者都采用轉矩（轉速）和磁鏈分別控制，但兩者在控制性能上卻各有千秋。VC 系統(tǒng)強調 Te 與r 的解耦，有利于分別設計轉速與磁鏈調節(jié)器；實行連續(xù)控制，可 獲得較寬的調速范圍；但按r 定向受電動機轉子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。DTC 系統(tǒng)則實行 Te 與s 砰-砰控制，避開了旋轉坐標變換，簡化了控制結構；控制定子磁鏈而不是轉子磁鏈，不受轉子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉矩脈動，低速性 能較差，調速范圍受到限制。下表列出了兩種系統(tǒng)的特點與性能的比較。矢量控制的優(yōu)點： 1、 動態(tài)的高速響應； 2、 低頻轉矩增大； 3、 控制靈活；具體說就是同時控制定子電流I1和相位。轉矩響應很好，精度也高。勵磁電流Im=I1cos，力矩電流I2=I1sin，電機力矩=KImI2。電壓矢量：通過控制電機磁場和轉矩的電壓的方法。如果100%了解電機的定子回路，可與電流矢量有同等效果。綜上所述矢量控制比以往的V/F控制要進步得多.特別加上編碼器進行速度反饋,它可以完成力矩控制,且低速性能也大大改觀。矢量控制的原理是將