自动控制元件习题

自动控制元件习题自动化学院例1-1已知某直流伺服电动机电枢电阻为Ra（Ω）,当外加电压为Ua（V）时,电枢电流为Ia（A）,转速为n（r/min）.求电枢转矩Tem.解根据静态电压平衡方程式aeaaUCnIR可得aaaeeUIRKCn因为9.559.55tmeeKCCK故emtamaTKICI四大基本方程式：（1.4）、（1.5）、（1.6）、（1.7）。例1-2用一对完全相同的小功率他励式直流电动机组成电动机-发电机组。它们的励磁电压Uj=110V，电枢电阻Ra=75。当发电机空载时，电动机所加的电枢电压Uad0=110V，电动机电枢电流Iad0=0.12A，机组转速为4500r/min。试求：1）发电机空载时的电枢电压Uaf0和每台电机的空载阻转矩T0。2）电动机电枢电压不变，此时发电机接上Rf=500的负载,机组的转速、电动机电流Iad和发电机电枢电流Iaf各为多少？解：0001100.1275101()adadadaEUIRV001010.0224(min/)4500adeECVrn9.559.550.02240.214(/)meCCNmA1）If=0，故00101()afadUEV0002200.2140.120.026()emdemfmadTTTTCINm00.013()TNm2）0()2eadaadeafafmadmafCnIRUCnIRRCICIT00.0224751100.0224(75500)0.2140.2142adafadafnInIIIT0.277()0.155()3978.8(/min)adafIAIAnr例1-3一台直流伺服电动机电枢电阻Ra=40Ω,转动惯量J=0.15x10-3kg·m2.当电枢电压Ua为110V时,理想空载转速n0=3000r/min.求电动机的机电时间常数τm。解：理想空载时：00aeUECn01100.0367min/3000aeeUKCVrn2322260609.5520.1510400.049609.550.0367aameteJRJRKKKs260ametJRKK直流伺服电机的机电时间常数P37：例1-4直流电动机的电枢电压和激磁电压同时改变极性，电机转向是否改变?答：电枢电压和激磁电压同时改变极性，相当于电枢电流和磁场同时改变方向，定、转子之间的转矩方向不变，电机转向不变。例1-5直流电动机在转轴卡死的情况下能否加电枢电压?如果加额定电压将会有什么后果?答：电机卡死时有00,aaaanEUIR。只要电流不超过额定值，就可以加电枢电压，但时间不宜过长，因此时电机电扇不动，散热差，温升较高。不能加额定电压，因为此时反电势为零，电枢电流远远高于额定值，引起电机过热，甚至烧毁绕组绝缘，使电机损坏。1-6简答直流电机的定子由哪几部分组成，各起什么作用？（5分）简答直流电机的转子由哪几部分组成，各起什么作用？（5分）答：定子组成：①定子铁心：主磁极：建立磁场；（0.5分）磁轭：提供磁通通路；（0.5分）②励磁绕组：通入励磁电流；（1分）③机壳：固定定子；（1分）④端盖：用来安放轴承和电刷装置，并作为转子的机械支撑；（1分）⑤电刷装置:保持外接电源与换向器的滑动接触。（1分）转子组成：①电枢铁心：给主磁通提供低阻磁路，嵌放电枢绕组；②电枢绕组:实现机电能量变换；③换向器：起整流和换向作用；④轴：转子绕其转动；⑤风扇：冷却电机；1.1.2直流电机的结构P12~P13.1-7画出直流电机采用他励励磁方式时的原理线路图。答：IjUEaUIa1-8画出直流电机采用复励励磁方式时的原理线路图。答：Ij1EaUIIj2Ia1.1.3直流电机的励磁方式P12~P13.1-9如图所示为同一台直流伺服电动机在不同情况下的机械特性曲线，由图中看出电枢电阻Ra1、Ra2和Ra3的关系为Ra2=Ra3Ra1，控制电压Ua1、Ua2和Ua3的关系为Ua1=Ua2Ua3，动态响应快速性的情况为2与3相同，1最慢。n(r/min)0Tem(Nm)1231-10直流力矩电动机与普通直流直伺服电动机相比有何特点?答：直流力矩电机：①结构：直流力矩电动机极对数多，形状扁平，外径大；②特性：低速、输出大转矩。1.2直流伺服电动机的静态特性P25.1.5直流力矩电动机P42.1-11试比较直流伺服电动机在电动机状态和发电机状态时的电源电压、电枢电流、电磁转矩、转速以及能量关系。（10分）答：①电动机状态电源电压：大于电枢的感应电势，即UaEa；Ua的方向（外加电源电势的方向）与Ea相反。（1分）电流：方向与电枢感应电势Ea相反，数值小于堵转电流。（1分）电磁转矩：方向与转速n相同，数值小于堵转转矩。（1分）能量关系：电能转化为机械能。（1分）转速：低于空载转速。（1分）②发电机状态电源电压：小于电枢中的感应电势，即UaEa；Ua的方向仍与Ea相反。（1分）电流：方向与电枢感应电势Ea相同。（1分）电磁转矩：方向与转速n相反，电磁转矩起制动作用。（1分）能量关系：机械能转化为电能。（1分）转速：高于理想空载转速。（1分）1-12绘出直流电动机电枢控制的调节特性和机械特性曲线，标出始动电压、理想空载转速和堵转转矩，标出电动机、发电机和反接制动状态。1.2直流伺服电动机的静态特性P25.1-13当电枢绕组流过负载电流时，直流伺服电动机和直流测速发电机都会产生电枢反应，试比较它们电枢反应的异同。答①电枢反应使气隙合成磁场的物理中性面顺着直流测速发电机的旋转方向转过一个角度；而在直流伺服电动机中，是逆着旋转方向偏转一个角度。②电枢反应对磁极磁场有去磁效应，这点直流测速发电机和直流伺服电动机是完全相同的。1-14换向器是直流电机的关键部件，它起整流和换向的作用。在直流测速发电机中，换向器的作用是将电枢绕组内部的交流变为电刷上的直流；在直流伺服电动机中，换向器的作用是电刷上的直流变为绕组内部的交流。1.1.6直流电机的磁场P18-P19.1.1.6直流电机的磁场P18-P19.1-15哪种方式不能改变直流伺服电动机机械特性的硬度（）。A、电枢串电阻B、改变励磁电压C、改变电枢电压D、改变放大器的内阻1-16在直流伺服电动机电枢上加50V和100V的阶跃电压起动时，所测得的机电时间常数m是否相同？为什么？答：1.相同。2.机电时间常数，与电枢电压Ua无关。1-17电枢控制的直流伺服电动机，当控制电压和激磁电压不变时，如果电动机上负载增大，那么稳定后的控制电流、电磁转矩和转速都将怎样变化？为什么？答：稳定时电磁转矩与负载转矩相等（或答电磁转矩由负载决定也正确），当负载增大，电磁转矩增大；Tem=KtIa,控制电流Ia增大；Ua=IaRa+Cen，Ua不变，转速n减小。260ametJRKK1-18电机铁心多用硅钢片叠压而成。采用片状材料的目的是什么？答：减小涡流损耗。1-19一台直流伺服电动机额定数据是：电枢电压为24V，电枢电流为2.5A，转速为3000r/min，激磁电压为24V。如果电枢电压和激磁电压均为额定值，该电机是否允许在转速n=2500r/min下长期运转？为什么？如果必须在2500r/min下长期运行，电枢电压和电流应如何变动（定性说明）？答：由Ua=IaRa+Cen，当Ud和不变，nIa，使电机过热，损坏绝缘，减少电机寿命。若n下降，长期运行，电流不能超过额定值，应使电枢电压下降。1-20直流伺服电动机空载时调节特性有无死区？如果有死区，它的大小是什么原因造成的？答：直流伺服电动机空载时，轴上存在摩擦转矩等阻转矩，所以其调节特性有死区。死区是由摩擦转矩形成的。摩擦转矩大，为使电机转动所要产生的电磁转矩和电流就越大，由起动时Ua=IaRa知，所要加的电压就越大。故摩擦转矩越大，死区电压就越大。1-21如果直流伺服电动机的励磁电压下降，试分析将对它的机械特性和控制特性产生怎样的影响？答：励磁电压下降Ke，Kt。0=aeUnK=adtaUTKR0=fdnkT机械特性1=cekK0=caatTURK控制特性相同Ua相同Tc1-22一台直流伺服电动机其电磁转矩为0.2倍额定电磁转矩时，测得始动电压为4V，并当电枢电压Ua=49V时，电机转速n=1500r/min。试求电机为额定电磁转矩，转速为3000r/min时，应加多大电枢电压？1-23欲使用某直流伺服电动机，需要取得其机械特性。现测得控制电压Ua=100V时的两组数据，即试画出Ua=110V相应的机械特性。转速（r/min）控制电流（A）备注45000.05空载30000.2负载1-24一台直流伺服电动机，额定电压UaN=24V，额定电流IaN=0.5A，额定电磁转矩为TemN=0.015Nm,空载摩擦转矩T0=0.003Nm，额定转速n=3000r/min。1）电枢电压为18V时，画出此时的机械特性曲线。2）当电磁转矩Tem=0.02Nm，转速为2500r/min时，电枢电压是多少？电机输出的机械转矩是多少？1-25某直流伺服电动机机械特性如图所示。已知其空载阻转矩T0=0.005Nm,求：①该电动机堵转转矩Td；②该电动机理想空载转速n0；③该电动机实际空载转速n0；④该电动机机械特性硬度。0.11000n(r/min)Tem(Nm)02-1直流测速发电机为什么有最高限速和最小负载电阻的额定指标规定?答：转速升高，负载电阻越小，使输出电压的线性误差增大，最高限速和最小负载电阻的额定指标规定是保证非线性误差不超过允许值。2-2直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件。除了作为测量元件，在实际使用时根据需要直流测速发电机还可以被用作阻尼元件或解算元件。2-3直流测速发电机的误差分析。3-1步进电机可按单拍制和双拍制两类方式运行。单拍制是指运行拍数等于相数；双拍制是指运行拍数等于相数的2倍。步进电机的起动转矩是指步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩。3-2什么是步进电机的运行矩频特性、起动矩频特性和起动惯频特性？什么是运行频率？答：步进电机最大输出转矩与运行频率的关系称为运行矩频特性。起动频率与负载转矩的关系是起动矩频特性，起动频率与负载转动惯量的关系是起动惯频特性。在负载条件下能无失步运行的最高控制频率称为运行频率。3-3步进电动机转角的大小取决于控制脉冲的（个数），转速大小取决于控制脉冲的（频率）。控制脉冲频率增高，步进电机的负载能力下降，主要原因是（绕组电感的影响）。3-4已知步进电机某相绕组矩角特性曲线的初始相位角为0，则其静稳定区为，动稳定区为，稳定裕度为。3-5磁阻式步进电动机有A、B、C、D四相。绘出A和B极下，当A通电，B通电，和AB通电时，定子、转子齿的相对位置。ebeebe0bee定子转子转子转子3-6画出四相反应式步进电动机单相通电时的矩角特性。指出C相的静稳定区和动稳定区。已知单相通电时矩角特性的最大静转矩为0.2N•m，负载为0.18N•m时，哪种运行方式能使该步进电动机正常运行？答：C相的静稳定区为(0,2)，动稳定区为（/2,5/2)。四相单四拍：maxcos0.2cos0.1414emjfTTNmTN四相双四拍：四相八拍：四相双四拍和四相八拍可以使该步进电机正常运行。maxmaxmaxsin0.22sin()4AjeqjfABjeTTTTNmTTTmax2cos0.22cos0.24emqjfTTNmTNP83：式（3.15）。P85最大静态转矩结论。P89：式（3.25）。P83：式（3.15）P84：式（3.16）或者作图3-7某五相步进电动机转子有48个齿，当该电机分别采用五相单五拍和五相双