电机控制常见面试问题（十三）

–

一、直流电机与交流电机的基本工作原理

直流电机中，直流发电机是电枢在原动机拖动下旋转，其导体切割主磁极固定磁场产生感应电动势（右手定则），经换向器和电刷输出直流电，实现机械能到电能转换；直流电动机是电枢绕组加直流电压后有电流通过，与磁场相互作用产生电磁转矩使电枢旋转（左手定则），实现电能到机械能转换。
交流电机里，交流发电机一般是旋转磁极式，原动机带动转子旋转使定子绕组导体切割磁力线产生交变感应电动势（右手定则），实现机械能到电能转换；三相异步电动机是在定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，切割转子绕组产生感应电流，该电流与旋转磁场作用产生电磁转矩使转子转动（左手定则），实现电能到机械能转换 。

二、永磁同步电机和异步电机区别

永磁同步电机依靠永磁体产生磁场，异步电机的转子通常有鼠笼式或绕线式结构，需要通过感应电动势来产生磁场 。永磁同步电机的定子和转子磁场方向一致，与电源频率严格相等；而异步电机转子磁场滞后于定子磁场。再者从性能上看，永磁同步电机功率因数高、效率高，在调速性能上更为优异，能实现精确的速度控制；异步电机结构简单、成本较低、运行可靠，但在效率和功率因数方面相对较差，调速性能也不如永磁同步电机灵活 。最后在应用场景上，永磁同步电机常用于对精度、效率要求较高的场合，如电动汽车、工业自动化中的高精度伺服系统等；异步电机则广泛应用于对成本较为敏感、负载变化较大且对调速要求不高的领域，像一般的风机、水泵等 。

三.PID控制器的原理及其在电机速度控制中的应用

PID控制器(比例:积分-微分控制器)是一种广泛应用的闭环控制系统，其基本原理是通过连续比较系统输出与设定值的偏差，计算出相应的控制信号，以减少偏差，最终实现系统稳定。PID控制算法由三部分组成:
比例(P:即时反应偏差，控制量与偏差成正比，快速响应但不能消除静态误差。
积分(I):累积过去的偏差，用于消除静态误差，但过度积分可能导致系统振荡。
微分(D):预测未来偏差，根据偏差变化的速度调整控制量，可以提高系统的响应速度，减少超调
在电机速度控制中，PID控制器能够根据电机的实际转速与目标转速的差值，实时调整施加在电机上的电压或电流，以快速准确地调节电机转速。例如，当电机速度低于设定值时，控制器通过增加输出电压来加速电机;反之，则减小输出，实现速度的稳定控制。PID控制器的灵活性和适应性使其成为电机速度闭环控制的首选方法。

四.电机驱动电路设计的关键因素

设计电机驱动电路时，需要考虑以下关键因素:
功率匹配:确保驱动电路能提供电机所需的功率，包括电压和电流规格热管理:良好的散热设计，包括散热片、风扇或液体冷却系统，防止过热损坏。.保护机制:过流、过压、欠压保护，以及短路保护，确保电路安全运行。EMC设计:电磁兼容性设计，减少电磁干扰，符合相关标准。.
效率:选用高效元件，减少能源浪费，提高系统整体效率，控制策略:根据应用需求选择合适的控制算法，如PWM调制、矢量控制等。.成本与可靠性:在满足性能需求的同时，考虑成本控制和长期运行的可靠性。

五.电机发热过高的有效原因以及处理办法

原因：
​负载过大：电机所驱动的负载超过了其额定功率，会使电机电流增大
​电源问题
​电压过高：当电源电压高于电机的额定电压时，电机的激磁电流会增大，铁芯损耗增加，同时定子绕组的电流也会相应增大，造成电机发热。比如正常工作电压为 380V 的电机，接入 420V 的电源，就可能出现这种情况。
​电压过低：电源电压低于额定值，为了输出足够的转矩维持负载运行，电机电流会增大，同样会使铜损耗增加，导致发热。像在一些偏远地区，电网电压不稳定，经常出现低于额定电压的情况，就容易引发电机发热问题。
​三相电压不平衡：在三相交流电机中，如果三相电压不平衡，各相绕组的电流就会不一致，导致电机内部磁场分布不均匀，产生附加损耗，引起电机发热。一般规定三相电压不平衡度不应超过 5% ，超过这个范围就可能对电机造成不良影响。
​电机自身故障
​绕组短路：电机绕组由于绝缘损坏等原因发生短路，短路电流会急剧增大，产生大量热量，使电机温度迅速上升。
​绕组接地：绕组与电机外壳之间发生接地故障，会导致部分电流通过接地路径泄漏，不仅影响电机正常运行，还会引起发热。
​轴承损坏：电机的轴承如果磨损、润滑不良或卡死，会增加电机转动时的摩擦阻力，消耗更多电能并转化为热能，造成电机发热。
​散热不良：电机的散热装置如风扇损坏、通风道堵塞等，会使电机产生的热量无法及时散发出去，导致温度升高。

处理办法
​针对负载过大
检查电机所驱动的负载，确保其在额定功率范围内运行。如果是机械传动系统存在卡死、过紧等问题，需进行修复和调整；若负载确实超出电机能力，应考虑更换更大功率的电机 。
​针对电源问题
​电压过高：安装电压调节装置，如稳压器，将电压稳定在电机额定电压范围内；若因电网原因持续出现电压过高情况，需联系供电部门解决。
​电压过低：同样可以采用电压调节设备提升电压；检查供电线路是否存在接触不良、导线过细等问题，及时修复或更换，以降低线路电阻，提高电压。
​三相电压不平衡：查找不平衡原因，可能是三相负载分配不均，可重新调整负载分配；若是供电系统故障，通知供电部门处理，使三相电压恢复平衡。
​针对电机自身故障
​绕组短路：使用专业的绝缘检测设备找出短路点，根据短路情况选择修复绝缘或更换绕组。
​绕组接地：确定接地部位，修复绝缘层，消除接地故障。
​轴承损坏：更换损坏的轴承，并确保正确安装和添加适量的润滑脂，保证轴承的良好润滑和运转。
​散热不良：检查并修复或更换损坏的风扇；清理通风道内的杂物，保证空气流通顺畅，提高散热效率 。

六.常见电机过载保护方法及其工作原理

一种常见的过载保护方法是热继电器保护。热继电器内部有一个加热元件，串联在电机主回路中。当电机电流过大导致发热时，加热元件温度上升，进而触动机械开关断开电路，停止电机工作。热继电器具有延时特性，能区分瞬时过载与持续过载，避免因瞬时负载波动误动作。

七.电机振动的原因以及处理

电机振动的原因
​电磁方面
​转子不平衡：电机转子上的零部件分布不均匀，或者转子在制造、安装过程中存在误差，导致转子重心与旋转中心不重合，在高速旋转时就会产生不平衡力，引起电机振动。例如，电机转子的风扇叶片有损坏或积垢不均匀，就可能破坏转子的平衡。
​气隙不均匀：电机定子和转子之间的气隙应保持均匀，如果气隙不均匀，在电机运行时会产生单边磁拉力，使电机产生振动。这可能是由于电机装配不当、轴承磨损等原因造成的。
​电磁力波：电机运行过程中，定子绕组产生的磁场相互作用会形成电磁力波，当电磁力波的频率与电机的固有频率接近或相等时，会发生共振现象，从而引起较大的振动。
​机械方面
​轴承问题：轴承磨损、间隙过大、润滑不良或滚珠损坏等，都会导致电机转动部件的摩擦力和阻力发生变化，产生振动。比如，长期运行的电机，轴承中的润滑脂干涸或变质，会增加摩擦，引发振动。
​转轴弯曲：电机转轴因受到外力撞击、长期过载运行等原因发生弯曲，在旋转时会产生不平衡力，造成电机振动。
​基础不牢固：电机安装的基础如果强度不够、不平整或固定螺栓松动，在电机运行时会产生晃动，进而导致振动。
​联轴器不对中：对于通过联轴器连接电机和负载设备的系统，如果联轴器的中心线没有对正，会产生附加的径向力和轴向力，引起电机振动。

处理方法
​针对电磁方面
​转子不平衡处理：对转子进行动平衡测试和校正，通过去除多余的质量或添加平衡块的方式，使转子重心与旋转中心重合。
​气隙不均匀处理：重新装配电机，确保定子和转子的同心度，保证气隙均匀。如果是轴承磨损导致的，应及时更换轴承。
​电磁力波处理：调整电机的极数、槽数或绕组形式等参数，改变电磁力波的频率，避免与电机固有频率接近产生共振；也可以通过增加阻尼材料等方式来减小振动。
​针对机械方面
​轴承问题处理：更换磨损的轴承，选择合适型号和精度等级的轴承；定期检查和补充润滑脂，确保良好的润滑状态。
​转轴弯曲处理：如果转轴弯曲程度较小，可以通过校直工艺进行修复；若弯曲严重，则需要更换转轴。
​基础不牢固处理：加固电机安装基础，确保基础的强度和刚度满足要求；重新拧紧固定螺栓，防止松动。
​联轴器不对中处理：使用专业的对中工具，重新调整联轴器的中心线，使其精确对正，减小附加力。

八.电机电流波形分析判断电机故障

通过对电机电流波形的分析，可以有效判断电机是否存在故障，以下为你详细介绍不同故障状态下电流波形的特点及相应的判断方法：
正常运行时的电流波形
在正常情况下，三相交流电机的电流波形是对称的正弦波，三相电流幅值相等、相位互差 120°。直流电机的电流波形则相对稳定，其大小会根据负载的变化在一定范围内波动，但整体保持相对平滑的直流特性。
常见故障及对应的电流波形特征与判断方法
​三相不平衡故障
​波形特征：三相电流的幅值不再相等，相位差也不再严格为 120° ，某一相或多相电流可能会出现明显的增大或减小，波形的对称性被破坏。
​判断方法：使用示波器或电力分析仪同时采集三相电流波形，观察各相电流幅值和相位关系。若发现三相电流幅值偏差超过一定范围（一般认为超过额定电流的 5%），则可能存在三相不平衡故障。这可能是由于三相负载分配不均、供电线路故障等原因引起的。
​过载故障
​波形特征：电流波形的幅值会明显高于正常运行时的电流值，并且随着过载程度的增加，电流幅值会进一步增大。同时，由于电机绕组电阻的热效应，电流可能会出现一定程度的波动。
​判断方法：实时监测电机电流，当电流值持续超过电机的额定电流时，即可判断电机处于过载状态。过载可能是由于负载突然增大、电机选型不当等原因造成的。
​短路故障
​波形特征：如果是定子绕组短路，电流波形会出现异常的尖峰脉冲，电流幅值会急剧增大，远远超过正常运行电流。对于转子绕组短路，电流波形可能会出现周期性的波动或不规则变化。
​判断方法：当监测到电流突然增大且出现尖峰脉冲时，应高度怀疑电机存在短路故障。进一步通过绝缘电阻测试、绕组导通测试等方法来确定短路的具体位置。
​缺相故障
​波形特征：在三相电机中，当发生缺相故障时，电流波形会出现明显的变化。例如，若某一相断开，另外两相电流会增大，并且波形变得不对称，可能会出现较大的直流分量。
​判断方法：通过监测三相电流，发现其中一相电流为零或接近零，而另外两相电流异常增大，即可判断电机存在缺相故障。这通常是由于供电线路断路、接触器故障等原因引起的。
​轴承故障
​波形特征：电机正常运行时电流较为平稳，但当轴承出现磨损、润滑不良等故障时，电流波形会出现高频噪声或周期性的波动。这是因为轴承故障会增加电机的摩擦力矩，导致电机负载不稳定，从而使电流发生变化。
​判断方法：利用高精度的电流传感器采集电流信号，通过频谱分析等方法检测电流波形中的高频成分或周期性波动特征。如果发现存在明显的高频噪声或周期性波动，结合电机的运行状态和维护记录，可判断轴承可能存在故障 。