电机与运动控制系统第二版罗应立课后问题详解.docx

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电机与运动控制系统第二版罗应立课后问题详解

2-1安培环路定律P11，磁路的欧姆定律P12，电磁感应定律P19

不一定可以，因为磁路是非线性的，存在饱和现象。

2-2磁阻和磁导与磁路的磁导率、长度和截面积有关，其中磁导率取决于磁路的饱和程度，即磁通密度的大小。

2-3Φ2＞Φ1  B2=B1

Φ2=Φ1  B1>B2

2-4

（1）如果工作时进入磁饱和区，设备发热加剧，影响设备正常运行。

P15P16

（2）

2-5P24

2-6

（1）P23

（2）

2-7P24

2-8

（1）瞬态值

（2）平均值

2-9无功功率铁心损耗P37

2-10

（1）P35P39

（2）P42

2-11P39重置前后磁动势不变P40

2-12P37大好

2-13因素:

①铁芯材质，磁路结构②磁感应强度③原边和副边的绕线方式，顺序④线圈结构

2-14

2-15增大

2-16P42

2-17

2-18

E1=-j4*44fW1Φm

E2=-j4*44fW2Φm

2-19

2-20N1=W1N2=W2

3-1

（1）换向器在直流电机中起什么作用?

答:

在直流发电机中,换向器起整流作用,即把电枢绕组里的交流电整流为直流电,在正、负电刷两端输出。

在直流电动机中,换向器起逆变作用,即把电刷外电路中的直流电经换向器逆变为交流电输入电枢元件中。

（2）直流电机的主磁路由哪几部分组成？

磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在哪一部分上？

答：

直流电机的主磁路由以下路径构成:

主磁极N经定、转子间的空气隙进入电枢铁心,再从电枢铁心出来经定、转子间的空气隙进入相邻的主磁极S,经定子铁心磁轭到达主磁极N,构成闭合路径。

励磁磁通势主要消耗在空气隙上。

3-2直流电机的铭牌上的额定功率是指什么功率？

答：

对于直流发电机，是指输出的电功率；对于直流电动机，是指输出的机械功率。

3-3

3-4

直流发电机的损耗主要有哪些?

铁损耗存在于哪一部分,它随负载变化吗?

电枢铜损耗随负载变化吗?

答：

直流发电机的损耗主要有:

（1）励磁绕组铜损耗;

（2）机械摩擦损耗;（3）铁损耗;（4）电枢铜损耗;（5）电刷损耗;（6）附加损耗。

铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时硅钢片中的磁滞和涡流损耗。

这两种损耗与磁密大小以及交变频率有关。

当电机的励磁电流和转速不变时,铁损耗也几乎不变。

它与负载的变化几乎没有关系。

电枢铜损耗由电枢电流引起,当负载增加时,电枢电流同时增加,电枢铜损耗随之增加。

电枢铜损耗与电枢电流的平方成正比。

3-5P55页

电枢电流，励磁电流

3-6P57页

电动：

nTe同方向发电：

nTe反方向

1.3电动2.4发电（1.2.3.4为罗马数字）

为各量的实际运动方向提供参考

3-71.略

2.是

3-8略

3-9

3-101.先励磁再电枢

2.一般的他励直流电动机为什么不能直接启动?

采用什么启动方法比较好?

答:

他励直流电动机启动时由于电枢感应电动势Ea=CeΦn=0,最初启动电流IS=URa,若直接启动,由于Ra很小,IS会十几倍甚至几十倍于额定电流,无法换向,同时也会过热,因此不能直接启动。

比较好的启动方法是降低电源电压启动,只要满足T≥（1.1～1.2）TL即可启动,这时IS≤Iamax。

启动过程中,随着转速不断升高逐渐提高电源电压,始终保持Ia≤Iamax这个条件,直至U=UN,启动便结束了。

如果通过自动控制使启动过程中始终有Ia=Iamax为最理想。

3-11

3-12

他励直流电动机启动前,励磁绕组断线,启动时,在下面两种情况下会有什么后果:

（1）空载启动;

（2）负载启动,TL=TN。

答:

他励直流电动机励磁绕组断线,启动过程中磁通则为剩磁磁通,比ΦN小很多。

（1）空载启动当最初启动电流IS≤Iamax时,启动转矩TS就会比空载转矩M0大很多,因此电动机可以启动,但启动过程结束后的稳态转速则非常高,因为稳定运行时要满足Ea≈UN,Ea=CeΦn,Φ很小,n就很高,机械强度不允许,电动机会损坏。

（2）负载启动,TL=TN当Ia≤Iamax时,电磁转矩比负载转矩TL小,电动机不启动。

这样如果采用降压启动时,电源电压继续上升,电枢电流继续增大,电磁转矩T继续增大,从动转矩来讲会达到大于1.1TN,但是由于Φ很小,会使电枢电流远远超过Iamax,不能换向,同时也会由于过热而损坏电动机。

当然,用电枢串电阻启动的结果也相同。

3-13略

3-14略

3-15用电动机惯例时，他励直流电动机电磁功率PM=EaIa=TΩ<0，说明了电动机电能量转换的方向是机械功率转换成电功率，那么是否可以认为该电动机运行于回馈制动状态，或者说是一台他励直流发电机？

为什么？

答：

（1）他励直流电动机运行时PM<0，说明T与n方向相反，因此电动机运行于制动状态。

（2）制动运行状态包括回馈制动运行、能耗制动运行、反接制动过程及倒拉反转等制动状态，而直流发电机状态仅仅是回馈制动运行这一种。

（3）因此，仅仅从PM<0说明电动机是一台发电机的看法是错误的。

（4）运行于回馈制动运行状态的条件是：

①PM<0，②P1=UIa<0，也就是说，机械功率转变成电功率后还必须回送给电源。

3-16

3-17

3-18略

3-19

一台他励直流电动机的PN=17kW，UN=110V，IN=185A，nN=1000r/min，已知电动机最大允许电流Imax=1.8IN，电动机拖动TL=0.8TN负载电动运行。

试求：

（1）采用能耗制动停车，电枢应串入多大电阻？

（2）采用电压反接制动停车，电枢应串入多大电阻？

解：

（1）

（2）

3-20

3-21略

4-1为什么加负载后直流电动机的转速会降低，它的实质是什么？

答：

当负载电流增大后，电枢电阻上压降增大，使E减小，导致转速n必然下降。

实质是电枢电阻的存在导致压降增大。

4-2什么叫调速范围、静差率？

它们之间有什么关系？

怎样才能扩大调速范围？

①调速范围——电动机在额定负载下调速时，允许的最高转速

与最低转速

之比叫做调速范围，用D表示，即

②静差率——当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落

与理想空载转速

之比，称作静差率S，即

③直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系为

④采用闭环控制方式，使转速降落

能够大幅度下降，才能在保证静差率S不变的前提下扩大调速范围。

4-3直流电动机为PN=74kW,UN=220V，IN=378A，nN=1430r/min，Ra=0.023Ω。

相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。

采用降压调速。

当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。

解：

（就是公式的转换！

）

4-4：

4-5

4-6

（1）

（2）

（3）

4-7

4-8 某调速系统的开环放大系数为15时，额定负载下电动机的速降为8r/min，如果将开环放大系数提高到30，它的转速降为多少？

在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？

解：

根据

，在K=15时，求出

r/min

当K2=30时，求得

再根据

，在同样静差率要求下

答：

如果开环放大系数提高到30，它的转速降为4.13r/min；在同样静差率要求下，调速范围可以扩大到1.94倍。

4-9

4-10略

4-11

4-12

4-13

4.14

4-15

（2）.抑制负载转矩

（3）.可以。

4-16

区别是有无独立的加速度环和补偿的方式不同，前者是前馈补偿，后者是转速环的补偿。

因为扰动计算机的原理是加入了前馈补偿所以是前馈方法。

4-17略4-18略

5-1同步电机与异步电机在结构上有什么不同和相同之处？

与他励直流电动机的结构有何不同？

同步电机和异步电机的定子绕组是相同的，主要区别在于转子的结构。

同步电机的转子上有直流励磁绕组，所以需要外加励磁电源，通过滑环引入电流；而异步电机的转子是短路的绕组，靠电磁感应产生电流。

相比之下，同步电机较复杂，造价高。

他励直流电动机是利用换向器来自动改变线圈中的电流方向，从而使线圈受力方向一致而连续旋转的。

同步与异步电机由定子和转子组成，定子就是电磁铁，转子就是线圈。

而定子和转子是采用同一电源的，所以，定子和转子中电流的方向变化总是同步的，即线圈中的电流方向变了，同时电磁铁中的电流方向也变

5-2

（1）鼠笼式异步电机的鼠笼式转子如何产生感应电流从而变成磁铁的？

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而变成磁铁。

（2）鼠笼式异步电机能否工作在发电状态？

该电机被原动机拖动旋转并在定子电端口接上无缘负载时电机是否可以发出电来？

可以工作在发电状态。

不能发出点电，缺少励磁电流。

（3）用原动机拖动永磁同步机电动机旋转，电端口接无缘负载，此时电动机能否做发电机用？

为什么？

可以

原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。

由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三 相  对称交变电势。

通过引出线，即可提供交流电源。

5-3

（1）异步电动机的俩种转子结构和同步电动机的俩种转子结构？

异步分为（鼠笼式）笼型转子和绕线型转子。

（鼠笼式）笼型转子是在转子铁芯槽中镶入铜条组成，工艺较简单，功率因数较低。

绕线型转子是用绝缘导线做成三相绕组嵌入转子槽中，可以通过串接电阻降低启动电流和调速。

功率因数较高。

同步由定子和转子两大部分组成。

两种结构主要区别在转子上面有凸极式和隐极式

同步电动机的定子同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基本相同，由机座、定子铁芯、电枢绕组等组成。

于大型同步电动机，由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。

同步电动机的转子由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成，在电刷和滑环通入直流电励磁，产固定磁极。

根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极两种。

凸极特点：

气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁芯短粗，适用于转速低于1000r/min，极对数p≥3的电动机

隐极特点：

气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯长细，适用于转速高于1500r/min，极对数p≤2的电动机。

（2）发电和电动状态下绕组的相轴是否变化？

不知道

（3）电机的电角度和机械角度有什么关系？

电角频率和机械角频率有什么关系？

电角度=机械角度×极对数

电角度就是定子电流频率角速度相当于机械频率

电角频率w=np机械角频率Ω

5-4

（1）略

（2）略

5-5

（1）单相整距线圈流过正弦电流产生的磁动势是一个在空间呈矩形波分布的脉振磁动势它既是时间函数又是空间函数即：

矩形波的振幅随时间以正弦电流的频率按正弦规律变化而在任一时刻该矩形波本身又是在空间分布的是空间位置的函数。

单相整距线圈流过正弦电流产生的磁动势是一个在空间呈矩形波分布的脉振磁动势,它既是时间函数又是空间函数,即：

矩形波的振幅随时间以正弦电流的频率按正弦规律变化,而在任一时刻该矩形波本身又是在空间分布的,是空间位置的函数。

5-6--------5-9略

5-10

5-11略

5-12

5-13

（1）同时连过定子、转子两个绕组的磁通为主磁通，仅连过定子绕组或仅连过转子绕组的磁通为漏磁通。

（2）略

（3）

5-14

（1）转子绕组开路时，定子电流是励磁电流I0，其值较小。

转子堵转时，短路的转子绕组中的电流产生磁动势F2，相应地，定子磁动势中出现与之平衡的分量（-F2），使F1的数值增大，即满足磁动势平衡关系F1+F2=F0。

因此，定子电流I1要比I0大

（2）堵转时，气隙旋转磁场相对转子绕组运动，在转子绕组中产生电动势和电流。

转子电流与气隙磁场相互作用，产生电磁转矩。

根据右手定则，可以确定转子电流的方向；再利用左手定则，就可判断出电磁转矩的方向与气隙旋转磁场的转向相同。

此时，转子是由于被堵住而不能旋转起来。

5-15略

5-16

（1）

具体内容：

频率折算，绕组折算，电流折算，电动势折算，阻抗折算

（2）线电压

5-17略

5-18

5-19

5-20

5-21

5-22略

6-1.P230换向器换向能力差

6-2.P232

三相异步电动机的7种转速方式 

三相异步电动机转速公式为：

 n=60f/p（1-s）

变极对数调速方法,变频调速方法,串级调速方法,绕线式电动机转子串电阻调速方法,定子调压调速方法,电磁调速电动机调速方法 ,液力耦合器调速方法.

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方法只有变频调速一种方法。

6-3

6-4.（3）

6-5VSI:

C存在，C的作用是滤波和吸收无功功率，适合感性负载

CSL:

L存在，L的作用是滤波和吸收无功功率，适合容性负载

6-6略

6-7略

6-8（3）

6-10

6-11略

6-12

6-13

6-14---------6-20略

8-110极电机的极对数为5，18极为9，

同步的是:

转速=60*频率/极对数，异步的是：

转速=60*频率（1-转差率）/极对

8-2

（1）交轴也叫q轴，直轴也叫d轴，他们实际上是坐标轴，而不是实际的轴

在永磁同步电机控制中，为了能够得到类似直流电机的控制特性，

在电机转子上建立了一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，取转子磁场方向为d轴，

垂直于转子磁场方向为q轴，将电机的数学模型转换到此坐标系下，可实现d轴和q轴的

解耦，从而得到良好控制特性。

要用双反应理论，即 把 电枢反应磁动势分解成垂直和平行于电动势^E0的两个分量~Fad和~Faq，它们分别产生直轴电枢反应磁通ψad和交轴电枢反应磁通ψaq，相应的电流也分解成两个分量。

因此 或 Ead=IdXad Xd=Ead/Id Id∝Fad∝ψad∝Ead 或 Eaq=IqXaq Xq=Eaq/Iq Iq∝Faq∝ψaq∝Eaq，由于直轴磁路的磁导比交轴磁路的磁导要大得多，同样大小的电流产生的磁通和相应的电动势也大的多，所以电抗Xd>Xq。

（2）

（3）从原理上讲永磁同步电机分隐极和凸极，凸极电机交直轴电感不等，比如说插入式结构的电机，转子永磁磁钢的磁导率跟空气磁导率接近，插入永磁体部分的这一段气隙磁路的磁阻大部分为气隙宽度加磁体厚度这部分对应于空气磁导率的磁路提供，即D轴，而没有磁体的部分磁路就是气隙的空气磁导率对应的磁阻，即Q轴。

因此Lq大些。

8-3略

8-4

（1）

（2）

（3）

8-5略

8-6一台励磁式隐极同步电动机增大励磁电流时，

最大电磁转矩是否增大？

否；

其最大电磁功率是否增大？

是

8-7P335a图

8-8这种情况下电机的转速是不会降低的，仍为同步转速空载运行。

因为在这种情况下，虽然失去励磁使励磁电磁功率为零，但还有凸极电磁功率及相对应的电磁转矩，这个电磁转矩足能维持电动机的空载运行。

8-9磁链方程：

磁链和电机的电感，电流有关，从电机的结果和磁材料的饱和特性上说，还和磁路的饱和程度有关；转矩方程：

转子产生机械功率，旋转磁场对转子做功：

电压矩阵方程：

8-10组成：

变压变频器，永磁或磁阻式同步电动机； 转子位置传感器用于探知转子的位置。

传感器的控制单元必须知道转子的准确位置，以便计算出环绕的定子磁场所需要的相电压（电子传感器控制的整流）

8-11控制原动力的转速

8-13正弦波永磁同步电动机谐波少转矩的精度高，多用于伺服系统和高性能的调速系统；梯形波永磁同步电动机由于各项电流是方波，逆变器的电压只需按直流PWN的方法进行控制。