機電傳動控制試題庫

一.機電傳動系統(tǒng)的組成、運動方程及運動規(guī)律、穩(wěn)定運行條件

（1）機電系統(tǒng)由機械運動部件、機電傳動和電氣控制系統(tǒng)組成。其中機械運動部件指完成生產(chǎn)任務(wù)的基礎(chǔ),

機械執(zhí)行部分，機電傳動指電力傳動或電力拖動，是驅(qū)動生產(chǎn)機械運動部件的原動機的總稱，電氣控制系

統(tǒng)指控制電動機的系統(tǒng)。

（2）機電傳動系統(tǒng)的運動方程式

j2萬dn

①理論方程式:

60dtdt

GD2dn

②實用方程式:~315~dt

式中：TM、TL——分別為電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位皆為

J、（o、t——轉(zhuǎn)動慣量（依?冽？）、角速度（rad/s）、時間（s）；

GD2——飛輪慣量G、D——轉(zhuǎn)動部分的重量（N）和慣性直徑（加）；

n——電動機的轉(zhuǎn)速，77min。

7M.L魚缸足以用矽方向?qū)”）=＞禽業(yè)癡

工5與s回向-7當(dāng)7。=夕1忒以小公.

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（3）機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

A.機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的兩重含義

1.系統(tǒng)能以一定速度勻速運轉(zhuǎn)；

2.系統(tǒng)受外部干擾作用致使運行速度稍有變化時，應(yīng)保證在干擾消除后恢復(fù)到原來的運行速度。

B.保證系統(tǒng)勻速運轉(zhuǎn)的必要條件

L物理條件：電動機軸上的拖動轉(zhuǎn)矩約與折算到電動機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩7；大小相等、方向相反、相互

平衡。

2.幾何意義：電動機的機械特性曲線”=/（為）與生產(chǎn)機械的負(fù)載特性曲線"=/（7；）B有交點一一

“拖動系統(tǒng)的平衡點”。

C.穩(wěn)定工作點的判別與分析

①電動機和生產(chǎn)機械的機械特性曲線

n=f（T”）和n=f（TL）有交點（即拖動系統(tǒng)的平衡點）。

②給該點施加干擾，使轉(zhuǎn)速變化，然后取消干擾，

如果轉(zhuǎn)速能恢復(fù)，則該點為穩(wěn)定點，反之為不穩(wěn)定點。

A.當(dāng)轉(zhuǎn)速大于平衡點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，必須有TM〈T“即若干擾使轉(zhuǎn)速上升，當(dāng)干擾消除后應(yīng)有T“T《O,才

能使系統(tǒng)減速而回到平衡點。

B.當(dāng)轉(zhuǎn)速小于平衡點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速時，必須有TM>T“即若干擾使轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)干擾消除后應(yīng)有T,-Ti〉O,才

1、電動機的機械特性n=f（T。

2,生產(chǎn)機械的機械特性n=f（T。

,

A.當(dāng)干擾出現(xiàn)使TLTJ,。暫時不變,有T?>TL,使ln',TLT,',即使A點到A'點，Tj=T/;

B.當(dāng)干擾消除使TJ-T"T,'暫時不變，有TM'VT"使n'-n,TM'-T,,即使A'點一A點，0=T”.

D.機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定工作運行的充要條件

1.必要條件一一電動機的輸出轉(zhuǎn)矩心與負(fù)載

轉(zhuǎn)矩7；大小相等、方向相反。即：電動機

的機械特性曲線”=/（乙）與生產(chǎn)機械的負(fù)載特性曲線〃=/（乙）有交點（即拖動系統(tǒng)的平衡

點）。

2.充分條件一一系統(tǒng)受干擾后，要具有恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力。

即：.當(dāng)干擾使轉(zhuǎn)速t（1）時一一&乙）。

二.分析機電傳動系統(tǒng)機械特性，在此基礎(chǔ)上總結(jié)機電傳動控制的基本思路和主要內(nèi)容

直流電動機的機械特性

A.他勵（并勵）電動機的機械特性.

1.固有（自然）機械特性一一額定條件下的〃=/（T）曲線。

機械特性硬度/3——轉(zhuǎn)矩變化dT與所引起的轉(zhuǎn)速變化dn的比值

。=dT/dn=AT/AwxKX）%（3.14）?

①絕對硬特性（夕一8）；②硬特性（夕>10）；③軟特性（夕

■3.U他■電篇機的機械忖慢

<10）O

2.人為機械特性

UR

以下特性皆由n=--------------^-rT=n-An（P23/S3.13）導(dǎo)出：

2°n

Ke①KeKt,①

①電樞（轉(zhuǎn)子）回路中串接附加電阻時的人為機械特性

a）轉(zhuǎn)速：不變，”隨串入的附加電阻變化：串入的附加電阻越t——Ant——n\o

b）特點：特性變軟，串入的附加電阻越t,特性越軟。

c）電路和特性曲線：見P25/T3.18?

②改變電樞（轉(zhuǎn)子）電壓U時的人為機械特性

a）轉(zhuǎn)速：A"不變，人隨U的變化而變化也"隨U變化。

b）特點：特性的軟硬不變，受電動機耐壓強度的限制，得到一

族低于且平行于固有特性曲線的人為特性曲線。

n0

國3.1，at更*n*壓的人力機械?長

c）特性曲線：見P26/T3.19。

③改變磁通小時的人為機械特性

a）轉(zhuǎn)速：An和人都隨①的變化兒變化。

①只能向I調(diào)節(jié)和都變t—?nto

nQAn

b）特點：特性變軟，串入的附加電阻越3特性越軟。

c）電路和特性曲線:見P26/T3.20。

B..三相異步電動機的機械特性

H3.?W?。的人為“械，性

1.固有機械特性一一電動機用規(guī)定接線方式、定、轉(zhuǎn)子回路不附加任何

電阻或電抗時的機械特性，又稱“自然機械特性”。（啟動T臨界-空載-

額定）

①空載工作點A----T=0、n=n0、S=0c

②額定工作點B---

T—TNn—nN,S—SNo

此時，TN^9.55PN/nN,SN=(n0-nN)/n0

式中：飛——電動機的額定轉(zhuǎn)速，一般"N=（°?94?0.985）%；

SN——電動機的額定轉(zhuǎn)差率，一般5可=0.06?0.015。

③啟動工作點c—T=、"=0、5=1.此時，T=K*——7

心+區(qū)0）2

【顯然】：UI和X2（）t時，7；明顯I,這是我們所不需要的。為此把1,/〃=4,作為電動機啟動

能力的一個衡量參數(shù)，一般4,=1.0?1.2。

④臨界工作點D-----T=Znax、n=n,“、S-Sm,不穩(wěn)定工作點。

2.人為機械特性—人為的改變電動機的某些參數(shù)而獲得的機械特性。

①I電源電壓時的人為機械特性（見P64/T4.24）

2

a）電壓U的變化空載轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)差率Sm無影響，但TmaxxU,Tmax大大I。

b）在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變下，電網(wǎng)UI導(dǎo)致一St、n\>I\,電動機發(fā)熱甚至燒壞。

②定子電路串電阻或電抗時的人為機械特性（見P65/T4.25或下左圖）

H5.25定于電房外接電阻或8B5.26就交定于電源頻率時

電抗時的人為機械特性的人為機械將性

a）機械特性仁I電源電壓時的人為機械特性。b）只是最大轉(zhuǎn)矩〉降低電源電壓的最大轉(zhuǎn)矩。

③改變定子電源頻率f時的人為機械特性（見P66/T4.26或上右圖）

改變了對三相異步電動機的影響比較復(fù)雜，僅就"=/（T）而言：f

-—臨界S,"t、/I、7；t、而7；ax基本保持不變。

④轉(zhuǎn)子回路串接電阻時的人為機械特性（見P66/T4.27）

改變轉(zhuǎn)子回路的電阻，對三相異步電動機的“0、4ax沒有影響，但隨著串入電阻的3機械特性比固有（自

然）特性疲軟。

C.機電傳動控制的基本思路

機電傳動控制旨在實現(xiàn)生產(chǎn)機械的啟動，停止及速度調(diào)節(jié)，來滿足各種生產(chǎn)工藝過程的要求、保證生產(chǎn)過

程正常進行。我們通過掌握電機、控制電器的工作原理，特性，應(yīng)用及選用方法，實現(xiàn)對生產(chǎn)機械（電）

的設(shè)計與控制。我們可以通過分析機械特性，充分使用電機功率和合理地設(shè)計電力拖動的控制和調(diào)速系統(tǒng)。

D.機電傳動控制的主要內(nèi)容

1、掌握機電傳動系統(tǒng)的動力學(xué)基礎(chǔ)

2、直流機的結(jié)構(gòu)、原理，機械特性（含固有與人為），啟動特性，調(diào)速特性及制動特性

3、交流機的結(jié)構(gòu)及工作原理，異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩及機械特性，異步電動機的啟動特性，調(diào)速方法及特性,

制動特性

4、繼電器-接觸器控制電路的組成，基本控制電路等

三.分析介紹它勵直流電機和鼠籠三相異步電機的結(jié)構(gòu)、原理、啟動特點及方法

電機結(jié)構(gòu)原理啟動方法啟動特點

他勵直1、轉(zhuǎn)子（電樞）=鐵芯所謂直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機直接啟動1、啟動電流很大

流電機+繞組+換向器+軸+械。固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈連同導(dǎo)磁圓（限制啟動電流

風(fēng)扇等組成。柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端連接到為額定電流的

2、主磁極:產(chǎn)生磁場，兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)1.5-2倍一降壓

鐵芯和勵磁線圈（鐵芯+子線圈與外電路的連接是通過放谿在換向片上固定啟動）

勵磁繞組或一個永磁不動的電刷進行的。當(dāng)原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子逆時針2、啟動轉(zhuǎn)矩太大

體）旋轉(zhuǎn)時，線圈將切割定子磁極磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電（對電動機機械

3、其他構(gòu)件（包括：前、動勢。而他勵直流發(fā)電機，定子線圈就是勵磁繞組，用部分影響）

后端蓋、電刷裝置、軸來建立磁場的，他相對其它類型直流電機，它的勵降壓啟動啟動電流小，啟

承、風(fēng)扇、防護罩等。磁繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別單獨供電，需要兩個電源，而動轉(zhuǎn)矩易控制，

其它直流電機只需一個電源.啟動平穩(wěn)，能耗

小

電樞串電阻設(shè)備簡單，可靠

啟動

鼠籠三定子=鐵芯+繞組+機定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場—?磁力線切割轉(zhuǎn)子繞組—?轉(zhuǎn)直接啟動設(shè)備簡單，方法

相異步座組成子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流一-?轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相簡便，但啟動電

電機轉(zhuǎn)子=鐵芯+繞組+轉(zhuǎn)互作用--?在轉(zhuǎn)子上形成電磁轉(zhuǎn)矩（且方向與旋轉(zhuǎn)磁流大，啟動轉(zhuǎn)矩

軸+風(fēng)扇等組成場相同）一-?轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一-?軸上有轉(zhuǎn)矩輸出。小。

降壓啟動轉(zhuǎn)矩小，電流小

四.分析比較交、直流電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整方法，電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向

A.分析比較交、直流電機的轉(zhuǎn)速調(diào)整方法：

①直流電機調(diào)速

⑴改變電樞回路電阻。該方法的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，缺點是效率低。因此，該方法適于小功率直流電機、

開環(huán)控制且僅能有級調(diào)速；

(2)改變電動機主磁通。該方法的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，缺點是調(diào)速范圍小而且通常是配合調(diào)壓調(diào)速在

基速以上作小范圍的升速?，F(xiàn)已很少單獨使用，通常以非獨立控制勵磁的方式出現(xiàn)；

⑶調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定向下變速,屬于恒

轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說,這種方法最好。

比較上面三種直流調(diào)速方法可看出自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。

②交流電機調(diào)速

⑴降電壓調(diào)速：調(diào)速過程中增加轉(zhuǎn)差損耗，此損耗使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，調(diào)速范圍比較小;要求采用高轉(zhuǎn)

差電機，比如特殊設(shè)計的力矩電機,所以特性較軟，一段適用于55以下的異步電動機。

⑵轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速：結(jié)構(gòu)簡單，控制裝置容量小，價值便宜運行可靠，維修容易。無波干擾但速度損失大,

因為電磁轉(zhuǎn)差離合器本身轉(zhuǎn)差較大,所以輸出軸的最高轉(zhuǎn)速僅為電機同步轉(zhuǎn)速的80%-90%,并且調(diào)速過程中

轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)化成熱能形式的損耗,效率低。

⑶轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速無電磁波干擾。但是串鑄鐵電阻只能進行有級調(diào)速。若用液體電阻進行無級調(diào)速，則維

護、保養(yǎng)要求較高;調(diào)速過程中附加的轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)化為所串電阻發(fā)熱形式的損耗,效率低調(diào)速范圍不大。

⑷繞線轉(zhuǎn)子電動機串級調(diào)速和雙饋電動機調(diào)速。可以將調(diào)速過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差能量加以回饋利用效率高；

裝置容量與調(diào)速范圍成正比,適用于70%-95%的調(diào)速。但是功率因素較低,有諧波干擾,正常運行時無制動轉(zhuǎn)

矩,適用于單象限運行的負(fù)載。

⑸變極對數(shù)調(diào)速。無附加轉(zhuǎn)差損耗,效率高控制電路簡單，易維修,價格低;與定子調(diào)壓或電磁轉(zhuǎn)差離合器配

合可得到效率較高的平滑調(diào)速。是有級調(diào)速,不能實現(xiàn)無級平滑的調(diào)速且由于受到交流電機結(jié)構(gòu)和制造工藝

的限制,通常只能實現(xiàn)2-3種極對數(shù)的有級調(diào)速,調(diào)速范圍相當(dāng)有限。

(6)變壓變頻調(diào)速。無附加轉(zhuǎn)差損耗,效率高,調(diào)速范圍寬;對于低負(fù)運行時間較長,或起停較頻繁的場合,可

以達到節(jié)電和保護電機的目的。

B.電機調(diào)速的發(fā)展方向：

直流調(diào)速控制簡單，調(diào)速性能好，變流裝置(晶閘管整流裝置)容量小，有一定缺點；交流調(diào)速的性能己達

到直流傳動的水平，裝置成本降低到與直流傳動相當(dāng)或者略低的程度，由于維修費用及能耗大大降低，可

靠性提高，因此出現(xiàn)了以交流傳動代替直流傳動的強烈趨勢。

(1)新的控制策略

異步電動機是一個多變量、強耦合、時變的非線性系統(tǒng)，瞬時轉(zhuǎn)矩的控制困難，使它的動態(tài)性能很長時間

內(nèi)不如直流電機。矢量控制技術(shù)開創(chuàng)了交流電機高性能控制的新時代，但矢量控制對電機參數(shù)的依賴很大,

使之也有不盡人意之處，磁鏈跟蹤型PWM控制逆變器及與之相關(guān)的轉(zhuǎn)矩直接控制正受到廣泛關(guān)注?；诂F(xiàn)

代控制理論的滑模結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等均己已引入電機控制，又如把模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、

專家系統(tǒng)等無需精確數(shù)學(xué)模型的智能控制技術(shù)應(yīng)用于變頻調(diào)速中也得到了廣泛的研究。

(2)新型變流裝置和變流技術(shù)

隨著電力電子元器件的不斷發(fā)展，調(diào)速系統(tǒng)用的變流裝置正朝向高電壓、大容量、小型化、高頻化的方向

發(fā)展，中高電壓(10kV)、大容量(10MW)的變頻器已得到了應(yīng)用，變流主元件的開發(fā)頻率越來越高，裝置的

體積越來越小，為提高開關(guān)頻率、降低開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)開始得到實際應(yīng)用。變流裝置對電網(wǎng)的

諧波問題已引起高度的重視，把不控整流橋改成PWM雙向整流橋已成為當(dāng)前的熱門課題。

(3)全數(shù)字化控制

隨著微機運算速度的提高和存儲器的大容量化，全數(shù)字化控制已成為調(diào)速系統(tǒng)的主流方向，各類單片機和

數(shù)字信號處理器(DSP)在調(diào)速系統(tǒng)得到了較為普遍的應(yīng)用。全數(shù)字化控制技術(shù)及集成化技術(shù)還在飛速發(fā)展，

年年都有新的芯片誕生，這不僅提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了成本，還使控制器向著小型化、智能

化的方向發(fā)展。

(4)模擬與計算機輔助設(shè)計技術(shù)

電機模擬器、負(fù)載模擬器以及各種CAD軟件的引入對變頻器的設(shè)計和測試提供了強有力的支持。

五.以55KW三相交流異步電動機星/角降壓啟動為例，論述繼電器-接觸器控制的設(shè)計方法。

A.設(shè)計題目：55KW三相交流異步電動機星型/三角型降壓啟動

B.選用降壓啟動原因：因為電機額定功率為55kw,為了限制起動電流，但同時也限制了起動轉(zhuǎn)矩，所以采

用降壓啟動。

C.控制原理：

1.起動按鈕（SB2）。手動按鈕開關(guān)，可控制電動機的起動運行。

2.停止按鈕（SB1）。手動按鈕開關(guān)，可控制電動機的停止運行。

3.主交流接觸器（KM1）。電動機主運行回路用接觸器，起動時通過電動機起動電流，運行時通過正常運行

的線電流。

4.Y形連接的交流接觸器（KM3）。用于電動機起動時作Y形連接的交流接觸器，起動時通過Y形連接降壓

起動的線電流，起動結(jié)束后停止工作。

5.A形連接的交流接觸器（KM2）。用于電動機起動結(jié)束后恢復(fù)A形連接作正常運行的接觸器，通過繞組正

常運行的相電流。

6.時間繼電器（KT）?？刂芛—