機電傳動控制練習題及詳解機電傳動控制作為連接機械與電氣的橋梁學科，其核心在于理解電機原理、掌握控制策略并能解決實際運行中的問題。通過練習題的演練，不僅能鞏固理論知識，更能提升分析與應用能力。以下精選若干典型習題，并附上詳細解答思路與過程，希望能為讀者提供有益的參考。一、直流電動機及其控制直流電動機因其優(yōu)良的調速性能和啟動特性，在許多精密傳動系統(tǒng)中仍被廣泛應用。理解其機械特性、調速方法及啟動制動過程是掌握直流傳動的關鍵。練習題1：他勵直流電動機的啟動與調速分析題目：一臺他勵直流電動機，額定功率PN，額定電壓UN，額定電流IN，額定轉速nN，電樞回路總電阻為Ra（不考慮電樞反應）。(1)若采用直接啟動，啟動電流Ist為額定電流IN的多少倍？這種啟動方式有何問題？(2)若要將啟動電流限制在1.5倍額定電流，應在電樞回路中串入多大的啟動電阻Rst？(3)若電動機在額定狀態(tài)下運行，現(xiàn)需將轉速降至0.8nN，保持勵磁電流為額定值，不計空載損耗，應采取何種調速方法？此時電樞回路需串入的調速電阻Radj為多大？詳解：(1)直接啟動電流倍數(shù)及問題分析：他勵直流電動機直接啟動時，啟動瞬間轉速n=0，反電動勢Ea=CeΦn=0。根據(jù)電樞回路電壓平衡方程：UN=Ea+IaRa，此時啟動電流Ist=UN/Ra。額定運行時，EaN=UN-INRa。通常，Ra的值很小，使得EaN≈UN。因此，Ist=UN/Ra≈(EaN+INRa)/Ra≈EaN/Ra+IN。由于EaN=CeΦnN，CeΦnN/Ra遠大于IN（因為Ra很小），所以直接啟動電流Ist會達到額定電流IN的十幾倍甚至幾十倍。這種過大的啟動電流會導致：*對電源系統(tǒng)造成沖擊，引起電網電壓波動，影響其他用電設備。*電動機繞組會因過大電流產生嚴重發(fā)熱，甚至燒毀繞組。*過大的啟動轉矩會對機械傳動部件產生強烈沖擊，可能造成損壞。因此，除了極小容量的直流電動機外，一般不允許直接啟動。(2)啟動電阻計算：為限制啟動電流Ist'=1.5IN，根據(jù)電壓平衡方程：UN=Ist'(Ra+Rst)則總電阻Ra+Rst=UN/Ist'所以，需串入的啟動電阻Rst=(UN/Ist')-Ra=(UN/(1.5IN))-Ra。（注：實際應用中，為獲得平滑啟動，常采用多級啟動電阻，此處為簡化分析，按單級啟動計算。）(3)調速方法選擇與調速電阻計算：保持勵磁電流為額定值，即保持磁通Φ為額定磁通ΦN。此時欲降低轉速，可采用電樞回路串電阻調速的方法。額定運行時，EaN=UN-INRa=CeΦNnN。調速后，轉速n=0.8nN，此時反電動勢Ea=CeΦNn=CeΦN(0.8nN)=0.8EaN。設此時電樞電流為Ia。不計空載損耗，意味著電動機的輸出功率等于電磁功率（或輸入功率減去電樞銅耗，但此處簡化處理，認為調速前后負載轉矩不變，或更簡單地，在串電阻調速的一定范圍內，若負載轉矩TL不變，則電樞電流Ia近似不變，仍為IN。這是一個重要的簡化假設，在習題中常見）。因此，Ea=UN-Ia(Ra+Radj)=UN-IN(Ra+Radj)即0.8EaN=UN-IN(Ra+Radj)而EaN=UN-INRa，代入上式：0.8(UN-INRa)=UN-INRa-INRadj展開左邊：0.8UN-0.8INRa=UN-INRa-INRadj移項整理：INRadj=UN-INRa-0.8UN+0.8INRa=0.2UN-0.2INRa=0.2(UN-INRa)=0.2EaN所以，Radj=0.2EaN/IN又因為EaN=CeΦNnN，且UN≈EaN+INRa≈EaN（因Ra很?。?，故EaN≈UN-INRa，所以Radj≈0.2(UN-INRa)/IN。若忽略Ra（在粗略估算時常用），則Radj≈0.2UN/IN。（注：實際中，若負載轉矩變化，電樞電流也會變化，計算需相應調整。此處按習題常見簡化條件處理。）二、三相異步電動機及其運行特性三相異步電動機是工業(yè)領域應用最廣泛的動力設備，其啟動、制動、調速及運行特性是機電傳動控制的重點內容。練習題2：三相異步電動機的運行狀態(tài)判斷與轉差率計算題目：一臺三相異步電動機，額定頻率fN，額定轉速nN。已知在某一運行情況下，其轉子轉速為n。試判斷在以下幾種n值時，電動機分別處于何種運行狀態(tài)（電動、發(fā)電、電磁制動），并計算相應的轉差率s。(1)n=0.95nN(2)n=1.05nN(3)n=-0.1nN(負號表示轉向與旋轉磁場方向相反)詳解：要判斷三相異步電動機的運行狀態(tài)，首先需要明確其同步轉速n1和轉差率s的定義。同步轉速n1=60fN/p，其中p為電機極對數(shù)。在本題中，雖未直接給出極對數(shù)p，但額定轉速nN略低于n1，通常異步電動機額定轉差率sN在1%~9%之間（視電機類型而定）。轉差率的定義式為：s=(n1-n)/n1。運行狀態(tài)判斷依據(jù)：*電動運行狀態(tài)：0<s≤1。此時，轉子轉速n與旋轉磁場轉速n1方向相同，且n<n1。電磁轉矩為驅動性質，電機從電網吸收電能并轉換為機械能輸出。*發(fā)電運行狀態(tài)（回饋制動狀態(tài)）：s<0。此時，轉子轉速n與旋轉磁場轉速n1方向相同，且n>n1。電磁轉矩為制動性質，電機向電網回饋電能，將機械能轉換為電能。*電磁制動運行狀態(tài)（如反接制動、能耗制動等，此處特指轉子反向旋轉或n與n1反向的情況）：s>1。此時，轉子轉速n與旋轉磁場轉速n1方向相反，或者n雖與n1同向但n>n1是發(fā)電，這里s>1是指n與n1方向相反時，n為負（若n1為正），則s=(n1-n)/n1=(n1+|n|)/n1>1。電磁轉矩為制動性質，電機吸收機械能并轉換為電能消耗在轉子回路（通常還會串入電阻）。(1)當n=0.95nN時：由于nN<n1，所以n=0.95nN<n1，且方向相同。轉差率s=(n1-n)/n1。因為n<n1，所以s為正值。又因為nN略小于n1，0.95nN比nN更小，所以s值比額定轉差率sN稍大，但仍滿足0<s<1。結論：此時電動機運行于電動狀態(tài)。(2)當n=1.05nN時：因為nN<n1，所以n=1.05nN可能大于n1（具體取決于nN與n1的接近程度，例如，若nN=1440r/min(4極，n1=1500r/min)，則1.05nN=1512r/min>n1=1500r/min）。此時，n>n1，且方向相同。轉差率s=(n1-n)/n1=(n1-1.05nN)/n1。由于n>n1，分子為負，故s<0。結論：此時電動機運行于發(fā)電（回饋制動）狀態(tài)。(3)當n=-0.1nN時（轉向與旋轉磁場方向相反）：此時，n與n1方向相反，n為負值。轉差率s=(n1-n)/n1=(n1-(-0.1|nN|))/n1=(n1+0.1|nN|)/n1。因為n1和|nN|均為正值，所以s>1。結論：此時電動機運行于電磁制動狀態(tài)（具體為反接制動中的一種情況，如倒拉反接或直接反接）。三、控制電路基礎理解和分析繼電器-接觸器控制電路是進行機電傳動系統(tǒng)設計與維護的基礎。練習題3：三相異步電動機正反轉控制電路分析題目：下圖為某三相異步電動機正反轉控制的主電路和控制電路示意圖（此處省略傳統(tǒng)圖示，改為文字描述控制電路邏輯）。控制電路由以下部分組成：*兩個啟動按鈕：SBF（正轉啟動）、SBR（反轉啟動）*兩個停止按鈕：SB1、SB2(均為常閉按鈕，串聯(lián)在控制回路中)*兩個交流接觸器線圈：KMF（正轉接觸器）、KMR（反轉接觸器）*兩個接觸器的輔助常閉觸點：KMF的輔助常閉觸點（串聯(lián)在KMR線圈回路中）、KMR的輔助常閉觸點（串聯(lián)在KMF線圈回路中）*兩個接觸器的輔助常開觸點：KMF的輔助常開觸點（與SBF并聯(lián)）、KMR的輔助常開觸點（與SBR并聯(lián)）請分析：(1)該控制電路如何實現(xiàn)電動機的正轉啟動、反轉啟動和停止？(2)控制電路中，SB1和SB2的作用是什么？它們?yōu)槭裁匆?lián)？(3)KMF和KMR的輔助常閉觸點分別串聯(lián)在對方線圈回路中的作用是什么？詳解：(1)正轉啟動、反轉啟動和停止的實現(xiàn)：*正轉啟動過程：按下正轉啟動按鈕SBF（常開），控制回路接通：電源→SB1（常閉）→SB2（常閉）→SBF（閉合）→KMF線圈→電源。KMF線圈得電，其主觸點KMF（三相主電路中的常開觸點）閉合，電動機接入三相電源，開始正轉運行。同時，與SBF并聯(lián)的KMF輔助常開觸點閉合，實現(xiàn)“自鎖”（或“自?！保┕δ?。這樣，當松開SBF后，KMF線圈仍能通過其輔助常開觸點保持得電狀態(tài)，電動機持續(xù)正轉。*反轉啟動過程：首先確保電動機已停止或處于正轉運行狀態(tài)下需要切換方向時。按下反轉啟動按鈕SBR（常開），控制回路接通：電源→SB1（常閉）→SB2（常閉）→SBR（閉合）→KMR線圈→電源。KMR線圈得電，其主觸點KMR（三相主電路中的常開觸點，與KMF主觸點電源相序不同，通常交換兩相）閉合，電動機接入相序相反的三相電源，開始反轉運行。同時，與SBR并聯(lián)的KMR輔助常開觸點閉合，實現(xiàn)自鎖。*關鍵前提：在進行正反轉切換時，若電動機已在正轉，直接按下SBR，此時由于KMF線圈仍得電，其串聯(lián)在KMR線圈回路中的輔助常閉觸點KMF是斷開的，因此KMR線圈無法得電。必須先按下停止按鈕，使KMF失電，其輔助常閉觸點恢復閉合，KMR線圈才能得電?；蛘?，在更完善的電路中，若設計有“正-停-反”邏輯，則需先停后反。本題未明確是否有機械互鎖或更復雜邏輯，但基于常規(guī)“正-反-?！被颉罢?停-反”，此處按標準互鎖邏輯分析，即直接按反轉按鈕在正轉時是無效的，需先停。*停止過程：按下任意停止按鈕SB1或SB2（常閉按鈕，串聯(lián)），控制回路被切斷。無論是KMF還是KMR線圈都會失電，其主觸點斷開，電動機脫離電源，停止轉動。同時，相應的自鎖輔助常開觸點也斷開，解除自鎖。松開停止按鈕后，其常閉觸點恢復閉合，但因自鎖已解除，接觸器線圈不會自行得電。(2)SB1和SB2的作用及串聯(lián)原因：*作用：SB1和SB2均為停止按鈕，用于切斷控制回路，使電動機停止運行。*串聯(lián)原因：將兩個停止按鈕串聯(lián)，意味著只要按下其中任意一個停止按鈕，控制回路就會被斷開，電動機停止。這種設計通常用于需要在多個地點（如操作臺和機床床頭）都能實現(xiàn)緊急或常規(guī)停止操作的場合，提高了操作的靈活性和安全性。如果是并聯(lián)，則需要同時按下兩個停止按鈕才能停止，這顯然不符合安全和操作便捷性的要求。(3)KMF和KMR輔助常閉觸點的作用——互鎖保護：KMF的輔助常閉觸點串聯(lián)在KMR線圈回路中，KMR的輔助常閉觸點串聯(lián)在KMF線圈回路中。這種設計稱為“電氣互鎖”或“聯(lián)鎖”。*作用：防止正轉接觸器KMF和反轉接觸器KMR的線圈同時得電。如果沒有互鎖，假設由于誤操作（如同時按下SBF和SBR）或接觸器主觸點熔焊粘連等故障，導致KMF和KMR主觸點同時閉合，將會造成三相電源中的兩相直接短路，引發(fā)嚴重的電氣事故（如燒毀接觸器、熔斷器熔斷、甚至引發(fā)火災）。*原理：當KMF線圈得電時，其輔助常閉觸點斷開，從而切斷了KMR線圈的回路，即使此時誤按SBR，KMR也無法得電。反之，當KMR線圈得電時，其輔助常閉觸點斷開，切斷KMF線圈回路。這樣