机电传动控制试题库

一.机电传动系统的组成、运动方程及运动规律、稳定运行条件

（1）机电系统由机械运动部件、机电传动和电气控制系统组成。其中机械运动部件指完成生产任务的基础,

机械执行部分，机电传动指电力传动或电力拖动，是驱动生产机械运动部件的原动机的总称，电气控制系

统指控制电动机的系统。

（2）机电传动系统的运动方程式

j2万dn

①理论方程式:

60dtdt

GD2dn

②实用方程式:~315~dt

式中：TM、TL——分别为电动机产生的转矩、负载转矩，单位皆为

J、（o、t——转动惯量（依•冽？）、角速度（rad/s）、时间（s）；

GD2——飞轮惯量G、D——转动部分的重量（N）和惯性直径（加）；

n——电动机的转速，77min。

7M.L鱼缸足以用矽方向对k”）=＞禽业痴

工5与s回向-7当7。=夕1忒以小公.

心5h2旬上怒制融

TtXA*"力屋/£.

屋6n城向"发窥W

Ts>TuR?我,~[xi<lu.I”，i口阿

（3）机电传动系统稳定运行的条件

A.机电传动系统稳定运行的两重含义

1.系统能以一定速度匀速运转；

2.系统受外部干扰作用致使运行速度稍有变化时，应保证在干扰消除后恢复到原来的运行速度。

B.保证系统匀速运转的必要条件

L物理条件：电动机轴上的拖动转矩约与折算到电动机轴上的负载转矩7；大小相等、方向相反、相互

平衡。

2.几何意义：电动机的机械特性曲线”=/（为）与生产机械的负载特性曲线"=/（7；）B有交点一一

“拖动系统的平衡点”。

C.稳定工作点的判别与分析

①电动机和生产机械的机械特性曲线

n=f（T”）和n=f（TL）有交点（即拖动系统的平衡点）。

②给该点施加干扰，使转速变化，然后取消干扰，

如果转速能恢复，则该点为稳定点，反之为不稳定点。

A.当转速大于平衡点所对应的转速时，必须有TM〈T“即若干扰使转速上升，当干扰消除后应有T“T《O,才

能使系统减速而回到平衡点。

B.当转速小于平衡点所对应的转速时，必须有TM>T“即若干扰使转速下降，当干扰消除后应有T,-Ti〉O,才

1、电动机的机械特性n=f（T。

2,生产机械的机械特性n=f（T。

,

A.当干扰出现使TLTJ,。暂时不变,有T«>TL,使ln',TLT,',即使A点到A'点，Tj=T/;

B.当干扰消除使TJ-T"T,'暂时不变，有TM'VT"使n'-n,TM'-T,,即使A'点一A点，0=T”.

D.机电传动系统稳定工作运行的充要条件

1.必要条件一一电动机的输出转矩心与负载

转矩7；大小相等、方向相反。即：电动机

的机械特性曲线”=/（乙）与生产机械的负载特性曲线〃=/（乙）有交点（即拖动系统的平衡

点）。

2.充分条件一一系统受干扰后，要具有恢复到原平衡状态的能力。

即：.当干扰使转速t（1）时一一&乙）。

二.分析机电传动系统机械特性，在此基础上总结机电传动控制的基本思路和主要内容

直流电动机的机械特性

A.他励（并励）电动机的机械特性.

1.固有（自然）机械特性一一额定条件下的〃=/（T）曲线。

机械特性硬度/3——转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值

。=dT/dn=AT/AwxKX）%（3.14）„

①绝对硬特性（夕一8）；②硬特性（夕>10）；③软特性（夕

■3.U他■电篇机的机械忖慢

<10）O

2.人为机械特性

UR

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

2°n

Ke①KeKt,①

①电枢（转子）回路中串接附加电阻时的人为机械特性

a）转速：不变，”随串入的附加电阻变化：串入的附加电阻越t——Ant——n\o

b）特点：特性变软，串入的附加电阻越t,特性越软。

c）电路和特性曲线：见P25/T3.18„

②改变电枢（转子）电压U时的人为机械特性

a）转速：A"不变，人随U的变化而变化也"随U变化。

b）特点：特性的软硬不变，受电动机耐压强度的限制，得到一

族低于且平行于固有特性曲线的人为特性曲线。

n0

国3.1，at更*n*压的人力机械♦长

c）特性曲线：见P26/T3.19。

③改变磁通小时的人为机械特性

a）转速：An和人都随①的变化儿变化。

①只能向I调节和都变t—»nto

nQAn

b）特点：特性变软，串入的附加电阻越3特性越软。

c）电路和特性曲线:见P26/T3.20。

B..三相异步电动机的机械特性

H3.»W・。的人为“械，性

1.固有机械特性一一电动机用规定接线方式、定、转子回路不附加任何

电阻或电抗时的机械特性，又称“自然机械特性”。（启动T临界-空载-

额定）

①空载工作点A----T=0、n=n0、S=0c

②额定工作点B---

T—TNn—nN,S—SNo

此时，TN^9.55PN/nN,SN=(n0-nN)/n0

式中：飞——电动机的额定转速，一般"N=（°・94〜0.985）%；

SN——电动机的额定转差率，一般5可=0.06〜0.015。

③启动工作点c—T=、"=0、5=1.此时，T=K*——7

心+区0）2

【显然】：UI和X2（）t时，7；明显I,这是我们所不需要的。为此把1,/〃=4,作为电动机启动

能力的一个衡量参数，一般4,=1.0〜1.2。

④临界工作点D-----T=Znax、n=n,“、S-Sm,不稳定工作点。

2.人为机械特性—人为的改变电动机的某些参数而获得的机械特性。

①I电源电压时的人为机械特性（见P64/T4.24）

2

a）电压U的变化空载转速和临界转差率Sm无影响，但TmaxxU,Tmax大大I。

b）在负载转矩不变下，电网UI导致一St、n\>I\,电动机发热甚至烧坏。

②定子电路串电阻或电抗时的人为机械特性（见P65/T4.25或下左图）

H5.25定于电房外接电阻或8B5.26就交定于电源频率时

电抗时的人为机械特性的人为机械将性

a）机械特性仁I电源电压时的人为机械特性。b）只是最大转矩〉降低电源电压的最大转矩。

③改变定子电源频率f时的人为机械特性（见P66/T4.26或上右图）

改变了对三相异步电动机的影响比较复杂，仅就"=/（T）而言：f

-—临界S,"t、/I、7；t、而7；ax基本保持不变。

④转子回路串接电阻时的人为机械特性（见P66/T4.27）

改变转子回路的电阻，对三相异步电动机的“0、4ax没有影响，但随着串入电阻的3机械特性比固有（自

然）特性疲软。

C.机电传动控制的基本思路

机电传动控制旨在实现生产机械的启动，停止及速度调节，来满足各种生产工艺过程的要求、保证生产过

程正常进行。我们通过掌握电机、控制电器的工作原理，特性，应用及选用方法，实现对生产机械（电）

的设计与控制。我们可以通过分析机械特性，充分使用电机功率和合理地设计电力拖动的控制和调速系统。

D.机电传动控制的主要内容

1、掌握机电传动系统的动力学基础

2、直流机的结构、原理，机械特性（含固有与人为），启动特性，调速特性及制动特性

3、交流机的结构及工作原理，异步电动机电磁转矩及机械特性，异步电动机的启动特性，调速方法及特性,

制动特性

4、继电器-接触器控制电路的组成，基本控制电路等

三.分析介绍它励直流电机和鼠笼三相异步电机的结构、原理、启动特点及方法

电机结构原理启动方法启动特点

他励直1、转子（电枢）=铁芯所谓直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机直接启动1、启动电流很大

流电机+绕组+换向器+轴+械。固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈连同导磁圆（限制启动电流

风扇等组成。柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端连接到为额定电流的

2、主磁极:产生磁场，两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转1.5-2倍一降压

铁芯和励磁线圈（铁芯+子线圈与外电路的连接是通过放谿在换向片上固定启动）

励磁绕组或一个永磁不动的电刷进行的。当原动机驱动电机转子逆时针2、启动转矩太大

体）旋转时，线圈将切割定子磁极磁感线，产生感应电（对电动机机械

3、其他构件（包括：前、动势。而他励直流发电机，定子线圈就是励磁绕组，用部分影响）

后端盖、电刷装置、轴来建立磁场的，他相对其它类型直流电机，它的励降压启动启动电流小，启

承、风扇、防护罩等。磁绕组和转子绕组分别单独供电，需要两个电源，而动转矩易控制，

其它直流电机只需一个电源.启动平稳，能耗

小

电枢串电阻设备简单，可靠

启动

鼠笼三定子=铁芯+绕组+机定子产生旋转磁场—►磁力线切割转子绕组—►转直接启动设备简单，方法

相异步座组成子绕组中产生感应电流一-►转子电流与旋转磁场相简便，但启动电

电机转子=铁芯+绕组+转互作用--►在转子上形成电磁转矩（且方向与旋转磁流大，启动转矩

轴+风扇等组成场相同）一-►转子旋转一-►轴上有转矩输出。小。

降压启动转矩小，电流小

四.分析比较交、直流电机的转速调整方法，电机调速技术的发展方向

A.分析比较交、直流电机的转速调整方法：

①直流电机调速

⑴改变电枢回路电阻。该方法的优点是系统结构简单，缺点是效率低。因此，该方法适于小功率直流电机、

开环控制且仅能有级调速；

(2)改变电动机主磁通。该方法的优点是能够实现平滑调速，缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在

基速以上作小范围的升速。现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现；

⑶调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定向下变速,属于恒

转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,这种方法最好。

比较上面三种直流调速方法可看出自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

②交流电机调速

⑴降电压调速：调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较低，调速范围比较小;要求采用高转

差电机，比如特殊设计的力矩电机,所以特性较软，一段适用于55以下的异步电动机。

⑵转差离合器调速：结构简单，控制装置容量小，价值便宜运行可靠，维修容易。无波干扰但速度损失大,

因为电磁转差离合器本身转差较大,所以输出轴的最高转速仅为电机同步转速的80%-90%,并且调速过程中

转差功率全部转化成热能形式的损耗,效率低。

⑶转子串电阻调速无电磁波干扰。但是串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速，则维

护、保养要求较高;调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗,效率低调速范围不大。

⑷绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速。可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用效率高；

装置容量与调速范围成正比,适用于70%-95%的调速。但是功率因素较低,有谐波干扰,正常运行时无制动转

矩,适用于单象限运行的负载。

⑸变极对数调速。无附加转差损耗,效率高控制电路简单，易维修,价格低;与定子调压或电磁转差离合器配

合可得到效率较高的平滑调速。是有级调速,不能实现无级平滑的调速且由于受到交流电机结构和制造工艺

的限制,通常只能实现2-3种极对数的有级调速,调速范围相当有限。

(6)变压变频调速。无附加转差损耗,效率高,调速范围宽;对于低负运行时间较长,或起停较频繁的场合,可

以达到节电和保护电机的目的。

B.电机调速的发展方向：

直流调速控制简单，调速性能好，变流装置(晶闸管整流装置)容量小，有一定缺点；交流调速的性能己达

到直流传动的水平，装置成本降低到与直流传动相当或者略低的程度，由于维修费用及能耗大大降低，可

靠性提高，因此出现了以交流传动代替直流传动的强烈趋势。

(1)新的控制策略

异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间

内不如直流电机。矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，但矢量控制对电机参数的依赖很大,

使之也有不尽人意之处，磁链跟踪型PWM控制逆变器及与之相关的转矩直接控制正受到广泛关注。基于现

代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均己已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、

专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于变频调速中也得到了广泛的研究。

(2)新型变流装置和变流技术

随着电力电子元器件的不断发展，调速系统用的变流装置正朝向高电压、大容量、小型化、高频化的方向

发展，中高电压(10kV)、大容量(10MW)的变频器已得到了应用，变流主元件的开发频率越来越高，装置的

体积越来越小，为提高开关频率、降低开关损耗，软开关技术已经开始得到实际应用。变流装置对电网的

谐波问题已引起高度的重视，把不控整流桥改成PWM双向整流桥已成为当前的热门课题。

(3)全数字化控制

随着微机运算速度的提高和存储器的大容量化，全数字化控制已成为调速系统的主流方向，各类单片机和

数字信号处理器(DSP)在调速系统得到了较为普遍的应用。全数字化控制技术及集成化技术还在飞速发展，

年年都有新的芯片诞生，这不仅提高了系统的性能和可靠性，降低了成本，还使控制器向着小型化、智能

化的方向发展。

(4)模拟与计算机辅助设计技术

电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

五.以55KW三相交流异步电动机星/角降压启动为例，论述继电器-接触器控制的设计方法。

A.设计题目：55KW三相交流异步电动机星型/三角型降压启动

B.选用降压启动原因：因为电机额定功率为55kw,为了限制起动电流，但同时也限制了起动转矩，所以采

用降压启动。

C.控制原理：

1.起动按钮（SB2）。手动按钮开关，可控制电动机的起动运行。

2.停止按钮（SB1）。手动按钮开关，可控制电动机的停止运行。

3.主交流接触器（KM1）。电动机主运行回路用接触器，起动时通过电动机起动电流，运行时通过正常运行

的线电流。

4.Y形连接的交流接触器（KM3）。用于电动机起动时作Y形连接的交流接触器，起动时通过Y形连接降压

起动的线电流，起动结束后停止工作。

5.A形连接的交流接触器（KM2）。用于电动机起动结束后恢复A形连接作正常运行的接触器，通过绕组正

常运行的相电流。

6.时间继电器（KT）。控制Y—