電力傳動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)(習(xí)題解答)

1、.電力傳動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（習(xí)題解答）第1章 電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成1第2章 電力傳動系統(tǒng)的模型13第3章 直流傳動控制系統(tǒng)18第4章 交流傳動控制系統(tǒng)30第5章 電力傳動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計*38；.第1章 電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成1. 根據(jù)電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，簡述電力傳動控制系統(tǒng)的基本原理和共性問題。 答：電力傳動是以電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運動的一種傳動方式，由于電力傳輸和變換的便利，使電力傳動成為現(xiàn)代生產(chǎn)機械的主要動力裝置。電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，一般由電源、變流器、電動機、控制器、傳感器和生產(chǎn)機械（負(fù)載）組成。電力傳動控制系統(tǒng)的基本

2、工作原理是，根據(jù)輸入的控制指令（比如：速度或位置指令），與傳感器采集的系統(tǒng)檢測信號（速度、位置、電流和電壓等），經(jīng)過一定的處理給出相應(yīng)的反饋控制信號，控制器按一定的控制算法或策略輸出相應(yīng)的控制信號，控制變流器改變輸入到電動機的電源電壓、頻率等，使電動機改變轉(zhuǎn)速或位置，再由電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械按照相應(yīng)的控制要求運動，故又稱為運動控制系統(tǒng)。雖然電力傳動控制系統(tǒng)種類繁多，但根據(jù)圖1-1所示的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，可以歸納出研發(fā)或應(yīng)用電力傳動控制系統(tǒng)所需解決的共性問題：1）電動機的選擇。電力傳動系統(tǒng)能否經(jīng)濟可靠地運行，正確選擇驅(qū)動生產(chǎn)機械運動的電動機至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對驅(qū)動的要求，選擇合適的電動機的

3、種類及額定參數(shù)、絕緣等級等，然后通過分析電動機的發(fā)熱和冷卻、工作制、過載能力等進行電動機容量的校驗。2）變流技術(shù)研究。電動機的控制是通過改變其供電電源來實現(xiàn)的，如直流電動機的正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵磁電壓的方向，而調(diào)速需要改變電樞電壓或勵磁電流的大?。唤涣麟妱訖C的調(diào)速需要改變其電源的電壓和頻率等，因此，變流技術(shù)是實現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。3）系統(tǒng)的狀態(tài)檢測方法。狀態(tài)檢測是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵，根據(jù)反饋控制原理，需要實時檢測電力傳動控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)，如電壓、電流、頻率、相位、磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。因此，研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測和觀測方法是提高其控制性能的重要課題。4）控制策略和控制器的

4、設(shè)計。任何自動控制系統(tǒng)的核心都是對控制方法的研究和控制策略的選擇，電力傳動控制系統(tǒng)也不例外。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒ɑ虿呗允菍崿F(xiàn)電力傳動自動控制系統(tǒng)的主要問題。2直流電動機有幾種調(diào)速方法，其機械特性有何差別？答：直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為考慮到他勵直流電動機電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，可以將其機械特性寫成如下形式：式中稱作理想空載轉(zhuǎn)速，為機械特性的斜率。由上式可知，有以下三種調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法：1）改變電樞回路電阻（圖1-2）。2）減弱勵磁磁通（圖1-3）。3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓（圖1-4）。比較三種調(diào)速方法可知，改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速

5、，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的弱磁升速；調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式既能連續(xù)平滑調(diào)速，又有較大的調(diào)速范圍，且機械特性也很硬。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主，僅在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。3. 從異步電動機轉(zhuǎn)差功率的角度，可把交流調(diào)速系統(tǒng)分成哪幾類？并簡述其特點。答：異步電動機按其轉(zhuǎn)子構(gòu)造可分為籠型轉(zhuǎn)子異步電動機和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，可以根據(jù)實際應(yīng)用要求選擇電動機。異步電動機的轉(zhuǎn)速方程為由上式可知，若改變供電頻率或改變電動機極對數(shù)則可調(diào)速，這就是變頻調(diào)速和變極對數(shù)調(diào)速的由來。另外，通過改變定子電壓、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻或外接可變電源可以改變轉(zhuǎn)差率來

6、實現(xiàn)異步電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。為更科學(xué)地進行分類，按照交流異步電動機的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負(fù)載的有效功率，稱作機械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點出發(fā)，又可以把異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類： 1）轉(zhuǎn)差功率消耗型。調(diào)速時全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時），這類調(diào)速方法的效率最低，越向下調(diào)效率越低。2）轉(zhuǎn)差功率饋送型。調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機械能予以

7、利用，轉(zhuǎn)速越低時回收的功率越多，其效率比前者高。3）轉(zhuǎn)差功率不變型。這類調(diào)速方法無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)速降都保持不變，而且很小，因而轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變且很小，其效率最高。目前通常采用籠型轉(zhuǎn)子異步電動機實現(xiàn)低于同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，調(diào)速方法可選擇定子變壓調(diào)速、定子變壓變頻調(diào)速等方案；當(dāng)需要高于同步轉(zhuǎn)速運行或其他特殊應(yīng)用場合時，則需采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，通過定子和轉(zhuǎn)子實行雙饋調(diào)速。4. 利用電力電子器件，可以構(gòu)成哪幾種直流輸出變換器？試簡述各自的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和換流模式。答：利用電力電子器件，可以構(gòu)成相控整流器、直流斬波器和PWM整流器等三種直流輸出變換器。1）相控整流器（圖1-5）。 2）直流斬波器（圖

8、1-6、圖1-7）。 3）PWM整流器（圖1-8）。5. 試簡述交流變頻器的分類，分析比較各自的特點。 答：由于高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代電力電子變流器既能改變電壓又能改變頻率，因此，交流輸出變流器是一種變壓變頻裝置，通常稱為變頻器。目前，交流輸出變換器主要有交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類： （1）交-直-交變頻器交-直-交變頻器的基本原理是：首先將交流電通過整流器變成直流電，然后再通過逆變器變成交流電。由于中間直流環(huán)節(jié)的存在，故而稱為交-直-交變頻器，又可稱為間接式的變壓變頻器。目前，有多種方式實現(xiàn)交-直-交變頻器的電能變換，主要應(yīng)用于電力傳動控制系統(tǒng)的有下面四種方式：1）采用相控整

9、流器與六拍逆變器組成的交-直-交變頻器（圖1-11、圖1-13）。六拍變流器的優(yōu)點是：在整流環(huán)節(jié)進行調(diào)壓控制，在逆變環(huán)節(jié)進行調(diào)頻控制，兩種控制分開實現(xiàn)，概念清楚，控制簡便。但由于早期采用晶閘管整流和逆變，帶來了如下不足： 如果采用晶閘管相控整流，在交流輸入端造成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低和高次諧波大的問題； 六拍逆變器由于晶閘管的工作頻率的限制，變頻控制范圍有限，且輸出不是正弦波，諧波含量高。2）PWM變頻器（圖1-14、圖1-15）。PWM變頻器的調(diào)制方法主要包括正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）、消除指定次數(shù)諧波的PWM控制（SHEPWM）、PWM跟蹤控制、電壓空間矢量PWM（SVPWM）等。PWM變頻器的優(yōu)

10、點如下： 在主電路整流器和逆變器兩個單元中，只有逆變單元是可控的，通過它同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單。采用全控型的功率開關(guān)器件，通過驅(qū)動電壓脈沖進行控制，驅(qū)動電路簡單，效率高。 輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用了恰當(dāng)?shù)腜WM控制技術(shù)，正弦基波的比重較大，影響電動機運行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。 逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響，系統(tǒng)的動態(tài)性能也得以提高。 采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因數(shù)較高，且不受逆變器輸出電壓大小的影響。3) 雙PWM變頻器（圖1-26）。雙PWM變頻器的特點是： 可方便的

11、實現(xiàn)四象限運行； 采用PWM整流控制，可任意調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，使功率因數(shù)小于1、等于1或大于1； 可大大減小電流諧波。4）多電平逆變器（圖1-27）。多電平逆變器的優(yōu)點主要有： 多電平逆變電路對器件的耐壓要求不高，其開關(guān)器件所承受的關(guān)斷電壓由所串聯(lián)的各開關(guān)器件分擔(dān)； 多電平逆變器輸出的負(fù)載相電壓為多電平的階梯波，相對于兩電平電路其輸出波形階梯增多，其形狀更接近于正弦波，且階梯波調(diào)制時，開關(guān)損耗小，效率高； 多電平逆變器隨著輸出電平數(shù)的增加，各電平幅值變化降低，這就使得它對外圍電路的干擾小，對電機的沖擊小，在開關(guān)頻率附近的諧波幅值也小。在開關(guān)頻率相同的條件下，諧波比兩電平要小得多。（2）交-交變

12、頻器（圖1-28、圖1-30）。與交-直-交變頻器相比，交-交變頻器的優(yōu)點是： 采用電網(wǎng)自然換流，由一次換流即可實現(xiàn)變壓變頻，換流效率高； 能量回饋方便，容易實現(xiàn)四象限運行； 低頻時輸出波形接近正弦。但是，交-交變頻器也存在一些缺點： 使用晶閘管數(shù)量多，接線復(fù)雜； 輸出頻率范圍窄，只能在1/21/3電網(wǎng)頻率以下調(diào)頻； 由于采用相控整流，功率因數(shù)低。 6有哪些轉(zhuǎn)速檢測方法？如何獲得數(shù)字轉(zhuǎn)速信號？答：常用的轉(zhuǎn)速檢測傳感器有測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器等。測速發(fā)電機輸出的是轉(zhuǎn)速的模擬量信號；旋轉(zhuǎn)編碼器則為數(shù)字測速裝置。轉(zhuǎn)速檢測傳感器輸出的模擬信號先經(jīng)過信號調(diào)節(jié)器，進行放大、電平轉(zhuǎn)換、濾波、阻抗匹配、調(diào)制和

13、解調(diào)等信號處理過程，然后進行A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，包括離散化和數(shù)字化。離散化是以一定的采樣頻率對模擬信號進行采樣，即在固定的時間間隔上取信號值。數(shù)字化是將所取得信號值進行數(shù)字量化，用一組數(shù)碼來逼近離散的模擬信號的幅值，逼近程度由A/D芯片的位數(shù)來決定。7. 調(diào)速范圍和靜差率的定義是什么? 調(diào)速范圍與靜態(tài)速降和最小靜差率之間有什么關(guān)系? 為什么說“脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了”？答：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速范圍，用字母來表示，即式中，和一般都指電動機額定負(fù)載時的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加

14、到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率，用字母來表示，即靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。調(diào)速范圍、靜態(tài)速降和最小靜差率之間的關(guān)系為調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計要求，則高速時的靜差率就更滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。所以說，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。8. 試簡述PID控制器中，比例、積分和微分環(huán)節(jié)各自的作用，并

15、分析其特性。答：PID控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下（圖1-49）：1）比例環(huán)節(jié)對偏差進行放大，產(chǎn)生與偏差成正比的控制信號，施加于被控對象，以減少偏差。2）積分環(huán)節(jié)通過對偏差歷史的累積，產(chǎn)生控制信號以消除偏差，可實現(xiàn)系統(tǒng)的無差調(diào)節(jié)。越大，積分作用越大，有利于減小誤差，但減慢系統(tǒng)響應(yīng)。3）微分環(huán)節(jié)能反映偏差的變化率，具有加速系統(tǒng)響應(yīng)，減小調(diào)節(jié)時間的作用。實際應(yīng)用時，可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇全部或部分校正環(huán)節(jié)組成具有不同功能的調(diào)節(jié)器，如P調(diào)節(jié)器、I調(diào)節(jié)器、PI調(diào)節(jié)器、PD調(diào)節(jié)器等9某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是1500r/min150r/min，要求系統(tǒng)的靜差率 ，那么系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降是多少？ 解：調(diào)速范圍

16、 靜態(tài)速降 10某直流電動機，其參數(shù)為：，。若只考慮電樞電阻引起的轉(zhuǎn)速降，（1）要求靜差率，求系統(tǒng)的調(diào)速范圍；（2）如果要求，則其靜差率允許的為多少?（3） 如果要求，則允許的轉(zhuǎn)速降落為多少?解：（1） (2) 由，得(3) 第2章 電力傳動系統(tǒng)的模型1. 簡述坐標(biāo)變換與統(tǒng)一電機理論的意義。答：坐標(biāo)變換是一種線性變換，對電動機作系統(tǒng)分析時，所用的坐標(biāo)變換，不僅可以將坐標(biāo)系統(tǒng)擴展為維空間，還可以將原坐標(biāo)變換到另一個旋轉(zhuǎn)平面上的坐標(biāo)，或者由笛卡兒平面坐標(biāo)變換到復(fù)平面坐標(biāo)。這些理論與方法都是針對電機這種復(fù)雜的機電系統(tǒng)所做出的對策，在電機學(xué)科的發(fā)展史上具有劃時代的重要意義。直流電機的數(shù)學(xué)模型比較簡單，

17、交流電機的數(shù)學(xué)模型就相對復(fù)雜得多，而且由于其種類繁多，如果根據(jù)電機理論，按不同的電機結(jié)構(gòu)建立各自的電路和磁路方程，則所建立的方程將形式各異，比較復(fù)雜。統(tǒng)一電機理論提出了原型電機的概念，分析了原型電機的基本電磁關(guān)系，并研究了原型電機與其他各種實際電機之間的聯(lián)系，研究表明任何電機的數(shù)學(xué)模型都可以從原型電機中導(dǎo)出，并統(tǒng)一求解，這是電機理論的一個重大發(fā)展。2. 電機常用的坐標(biāo)系統(tǒng)有哪幾種？分別畫出它們的坐標(biāo)軸矢量圖。答：電機常用的坐標(biāo)系統(tǒng)可分為兩大類，即靜止坐標(biāo)變換：這類變換是在兩個靜止的坐標(biāo)系統(tǒng)中進行，最常用的是在A-B-C三相坐標(biāo)系統(tǒng)與-0兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)之間的變換，稱為3/2變換和2/3變換，如

18、下圖所示：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換：這類變換是在靜止的坐標(biāo)系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系統(tǒng)之間進行，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度可以是電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速，也可以是任意轉(zhuǎn)速。這類系統(tǒng)的典型代表是d-q-0坐標(biāo)系統(tǒng)，如下圖所示： 3. 在電機坐標(biāo)變換時，功率不變約束條件下的變換式與合成磁動勢不變約束條件下的變換式哪些是相同的？哪些是不同的？不同的變換式有什么不同？答：坐標(biāo)變換是一種線性變換，如無約束，變換就不是唯一的。在電機的系統(tǒng)分析中，通常采用兩種原則作為坐標(biāo)變換的約束條件：1）功率不變原則，即變換前后電機的功率保持不變；2）合成磁動勢不變約束，即變換前后電機的合成磁動勢保持不變。 如果是兩相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之

19、間的變換，則功率不變約束條件下的變換式與合成磁動勢不變約束條件下的變換式是相同的。而如果是三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止或兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則功率不變約束條件下的變換式與合成磁動勢不變約束條件下的變換式是不同的的，例如A-B-C三相靜止坐標(biāo)系與d-q-0兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在功率不變約束條件下的變換式為在合成磁動勢不變約束條件下的變換式則為4. 寫出靜止三相坐標(biāo)系與靜止兩相坐標(biāo)系、以及靜止兩相坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換式。解：靜止三相坐標(biāo)系與靜止兩相坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換式靜止兩相坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換式5. 試分別建立并勵與串勵直流電動機的數(shù)學(xué)模型。解：與第一種原型電機相比

20、較，可直接得到他勵直流電動機的電壓平衡方程式中，。 轉(zhuǎn)子運動方程為式中，電磁轉(zhuǎn)矩。上面兩式就構(gòu)成了他勵直流電動機的數(shù)學(xué)模型。為簡便起見，在實際使用時往往忽略補償繞組C和阻尼系數(shù)Dw的作用，即有對于并勵直流電動機，電樞電壓等于勵磁電壓，即補充條件；對于串勵直流電動機，電樞電流等于勵磁電流，即補充條件。6. 試導(dǎo)出直軸和交軸方向上各有一個阻尼繞組的電勵磁同步電動機的電壓平衡方程與電磁轉(zhuǎn)矩計算公式。解：與第一種原型電機相比較，可直接寫出帶阻尼繞組的電勵磁同步電動機的電壓平衡方程式中，。定子兩個繞組的電阻是相等的，即；而運動電動勢系數(shù)之間的關(guān)系為，所以上式可以寫為式中，電角速度。電磁轉(zhuǎn)矩為第3章 直流

21、傳動控制系統(tǒng)1. 晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）存在哪些問題？答：由于采用電力電子變流器，給直流電動機控制帶來一些新的問題，特別是晶閘管-電動機系統(tǒng)（圖3-1）存在以下兩個主要問題：1）系統(tǒng)機械特性的變異問題（電流斷續(xù)）；2）能量回饋問題（晶閘管的單向?qū)щ娦裕?. 引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，為何能改善系統(tǒng)性能？試分析比較開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，在哪些方面可以改善系統(tǒng)性能？答：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是其額定速降很大，往往不能滿足生產(chǎn)工藝要求。為了克服開環(huán)系統(tǒng)的不足，根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。由于

22、轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。為此引入轉(zhuǎn)速反饋，組成轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（圖3-5、圖3-6）。 比較開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，可以看出轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性：1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多。3）如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。3. 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有哪些特點？改變給定電壓能否改變電動機的轉(zhuǎn)速？為什么？如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測速反饋電壓的分壓比是否能夠改變轉(zhuǎn)速？為什么？如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變化，系統(tǒng)有無克服這種干擾的能力？答：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)

23、調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，需增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。改變給定電壓能夠改變電動機的轉(zhuǎn)速，因為反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測速反饋電壓的分壓比能夠改變轉(zhuǎn)速，因為改變反饋電壓的分壓比，就相當(dāng)于改變了反饋系數(shù)，而。如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變化，系統(tǒng)沒有克服這種干擾的能力，因為該變化不是被反饋所包圍的擾動，閉環(huán)系統(tǒng)對此沒有抑制能力，如下圖所示。4. 在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動機勵磁電流、電樞電阻、測速發(fā)電機勵磁各量發(fā)生變化時，都會引起轉(zhuǎn)速的變

24、化，問系統(tǒng)對上述各量有無調(diào)節(jié)能力？為什么？ 答：反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包圍在負(fù)反饋內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。如上圖所示，在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動機勵磁電流、電樞電阻各量發(fā)生變化時所引起的轉(zhuǎn)速變化有調(diào)節(jié)能力，而對測速發(fā)電機勵磁的變化沒有調(diào)節(jié)作用。5. 有一V-M調(diào)速系統(tǒng)，電動機參數(shù)為：，電樞電阻，整流裝置內(nèi)阻，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。要求系統(tǒng)滿足調(diào)速范圍，靜差率。(1) 計算開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降和調(diào)速要求所允許的閉環(huán)靜態(tài)速降。(2) 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)的原理

25、圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。(3) 調(diào)整該系統(tǒng)參數(shù)，使當(dāng)時，則轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)應(yīng)該是多少？(4) 計算放大器所需的放大倍數(shù)。解：(1) (2) 系統(tǒng)原理圖： 靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖）：(4) 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) 根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程，可得放大器所需的放大倍數(shù)為(3) 根據(jù)，可得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)為 6. 為什么用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的？在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)I調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓時，調(diào)節(jié)器的輸出電壓是多少？它取決于哪些因素？答：用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)不只靠偏差而且靠偏差的積累來控制，只要輸入偏差電壓，積分控制就使得逐漸積累，因而轉(zhuǎn)速就要變化；只有到時，不再變化，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定下來，因而是無靜差的

26、。當(dāng)輸入偏差電壓時，積分調(diào)節(jié)器的輸出電壓是一個定值，這個電壓的大小取決于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速（即給定電壓和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)）、負(fù)載電流、主回路電阻、觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)等，如下式所示：，7. 為何要在直流調(diào)速轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)中引入電流負(fù)反饋？在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR各起什么作用？答：采用PI調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，由于轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)無法對電流和轉(zhuǎn)矩實施控制，因而存在起動電流的限制問題。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一

27、段使電流保持為最大值的恒流過程（圖3-13）。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，即采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程，所以要在直流調(diào)速轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)中引入電流負(fù)反饋。在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR的分別作用為：1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用： ASR是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓的變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 對負(fù)載變化起抗擾作用。 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2）電流調(diào)節(jié)器ACR的作用： 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器

28、的輸出量）變化。 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 8試從下述五個方面來比較轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：（1）調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性；（2）動態(tài)限流性能；（3）起動的快速性；（4）抗負(fù)載擾動的性能；（5）抗電源電壓波動的性能。答：*（1）調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性：雙環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時無靜差，當(dāng)電流達(dá)到限流值時，呈恒流的下墜特性；單環(huán)系統(tǒng)如果也用PI調(diào)節(jié)器，也可以

29、做到穩(wěn)態(tài)無靜差，但電流截止后靜特性較軟。（2）動態(tài)限流性能：雙環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)限流性能接近于方波恒流，而單環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)限流性能要差得多。（3）起動的快速性：突加較大的給定電壓時，雙環(huán)系統(tǒng)的起動過程要比單環(huán)系統(tǒng)快得多。（4）抗負(fù)載擾動的性能：雙環(huán)系統(tǒng)和單環(huán)系統(tǒng)抵抗負(fù)載擾動的性能差不多，其調(diào)節(jié)作用的快慢視具體參數(shù)而定。(5) 抗電源電壓波動的性能：雙環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)能及時抑制電源電壓波動的影響，調(diào)節(jié)速度快，而單環(huán)系統(tǒng)較慢。 9. 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR、ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。已知參數(shù)：電動機：，電樞回路總電阻，設(shè)，電樞回路最大電流，電力電子變換器的放大系數(shù)。試求：(1) 電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速

30、反饋系數(shù)；(2) 當(dāng)電動機在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時的、值。解：(1) 電流反饋系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(2) 當(dāng)電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，ASR迅速處于飽和狀態(tài)，其輸出（即ACR的輸入）達(dá)到限幅值，所以 ，（ACR不飽和），10對于需要高于直流電動機額定轉(zhuǎn)速運行的場合，如何采用電壓與磁場配合控制？試分析兩種控制方式的轉(zhuǎn)矩和功率特性。答：*由于直流電動機允許的弱磁調(diào)速范圍有限，一般電動機不超過2：1，專用的“調(diào)速電動機”也不過是3：1或4：1。另一方面，變壓調(diào)速雖然調(diào)速范圍較廣，但也不宜在基速以上調(diào)速。因此，當(dāng)負(fù)載要求的調(diào)速范圍更大時，需要采用變壓和弱磁配合控制策略：1）在基速以下保持磁通為額定值不變，只調(diào)節(jié)電樞

31、電壓；2）在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速。采用配合控制策略的系統(tǒng)特性如圖3-20所示，其中：橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，以額定轉(zhuǎn)速為分界線，分為基速以下和基速以上兩個區(qū)域；縱坐標(biāo)同時表示電壓、磁通、轉(zhuǎn)矩和功率。在基速以下，磁通，隨著電壓增大，轉(zhuǎn)速升高，但轉(zhuǎn)矩不變，功率卻與電壓一樣變化；在基速以上，電壓保持不變，隨著磁通減小，轉(zhuǎn)速進一步增大，但轉(zhuǎn)矩卻隨磁通一起減小，而功率保持不變。（,）11. 采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)供電的V-M系統(tǒng)，試分析在四象限運行中，兩組整流器的工作在整流和逆變狀態(tài)的輸出電壓極性、電流和功率流向，以及電動機的運行狀態(tài)及其機械特性。 答：12試分析邏輯控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)正向

32、和反向起動和制動的過程。畫出各參變量的動態(tài)波形，并說明在每個階段中ASR和ACR各起什么作用，VF和VR各處于什么狀態(tài)。答：邏輯控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)的正向動態(tài)過程可分為三個主要階段：1）起動階段。如果可逆調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方法，其起動過程與不可逆調(diào)速系統(tǒng)的起動過程相同（圖3-18），ASR飽和，由ACR起主要作用，在允許最大電流限制下使轉(zhuǎn)速基本上按線性變化的“準(zhǔn)時間最優(yōu)控制”，動態(tài)過程的響應(yīng)曲線如圖3-30中的階段所示。2）正向運行階段。ASR退飽和后，進行轉(zhuǎn)速無差調(diào)節(jié)，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，其響應(yīng)曲線如圖3-30的階段。3）正向制動階段，在這一階段首先通過VF的逆變使電流下降過零，并封鎖

33、脈沖使其關(guān)閉；然后開通VR，使其建立電流并達(dá)到最大電流，此時電動機進入制動階段，通過反接制動和回饋制動使轉(zhuǎn)速迅速下降。如果是停車，則電動機停止運行，其動態(tài)過程如圖3-30的階段。如果還需反向運行，則電動機在轉(zhuǎn)速過零后，繼續(xù)反向起動，其過程與正向起動相同，響應(yīng)曲線如圖3-30的階段。由于兩組晶閘管在切換過程中需要延時，以保證可靠換流，這就造成了電流換向死區(qū)，如圖3-30所示。 第4章 交流傳動控制系統(tǒng)1. 何謂交流異步電動機的動態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)等效電路？兩者之間有何不同？答：異步電動機在任意旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系上的動態(tài)等效電路如圖4-1所示。動態(tài)等效電路僅僅忽略了空間諧波，并沒有忽略時間諧波，因此動

34、態(tài)等效電路中的電壓、電流及磁鏈可以是任意波形。異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖4-2所示。異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路也有與動態(tài)等效電路類似的假定條件，除此之外，穩(wěn)態(tài)等效電路還忽略了時間諧波。2. 異步電動機的變壓調(diào)速需要何種交流電源？有哪些交流調(diào)壓方法？答：異步電動機的變壓調(diào)速需要三相交流電源。過去改變交流電壓的方法多用自耦變壓器或帶直流勵磁繞組的飽和電抗器，自從電力電子技術(shù)興起以后，這些笨重的電磁裝置就被晶閘管交流調(diào)壓器取代了。圖4-3給出了一個采用雙向晶閘管組成交流調(diào)壓器（TVC）的變壓調(diào)速系統(tǒng)，其主電路分別用三個雙向晶閘管串接在三相電路中。其調(diào)壓方式一般采用相位控制模式，由調(diào)壓控制信號通過脈沖觸

35、發(fā)電路GT控制TVC的輸出交流電壓變化。此外，如果TVC的主電路由可關(guān)斷的開關(guān)器件構(gòu)成，可采用斬控方式來調(diào)節(jié)輸出交流電壓。3. 異步電動機的變壓調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)性能有何不同？答：普通異步電動機變壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電動機雖然可以增大調(diào)速范圍，但其機械特性又變軟，因而當(dāng)負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速波動很大。由此說明，開環(huán)控制很難解決這些問題，為了提高調(diào)速精度需要采用閉環(huán)控制。 異步電動機變壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，如果采用PI調(diào)節(jié)器，可以做到無靜差調(diào)速，其不同于直流電動機變壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的地方在于：靜特性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們是額定電壓下的機

36、械特性和最小輸出電壓下的機械特性。當(dāng)負(fù)載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。 4. 從異步電動機等效電路分析變壓變頻調(diào)速有哪幾種控制模式？其各自的機械特性有何不同？ 答：異步電動機調(diào)速應(yīng)考慮的一個重要因素，就是希望保持電動機中每極磁通量為額定值不變。這是因為如果磁通太弱，沒有充分利用鐵心；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和。但是，不同于他勵直流電動機勵磁回路獨立，易于保持其恒定，如何在異步電動機控制中保持磁通恒定是實現(xiàn)變頻變壓調(diào)速的先決條件?？紤]到三相異步電動機定子每相電動勢的有效值與定子頻率和每極氣隙磁通的積成正比，即有只要控制好和，便可

37、達(dá)到控制磁通的目的。對此需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況： （1）基頻以下的恒磁通調(diào)速在基頻以下調(diào)速時，根據(jù)上式，要保持不變，當(dāng)定子頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低，使二者同比例下降，即應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。然而，從圖4-15所示的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機等效電路可見，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，為達(dá)到這一目的有三種控制模式：1）恒壓頻比控制模式分析圖4-15的等效電路可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動機的電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，從而認(rèn)為定子相電壓，因此可以采用恒壓頻比的控制模式，即有，其機械特性如圖4-17所示。由于電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方正比，隨著電

38、壓和頻率的降低，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩有較大的減少，因此在低頻時需要加定子電壓補償。但是即便如此，恒壓頻比控制模式在低頻時帶負(fù)載的能力仍然有限，使其調(diào)速范圍受到限制并影響系統(tǒng)性能。2）恒定子電動勢頻比控制模式再次分析圖4-15的等效電路可以發(fā)現(xiàn)，假如能夠提高定子電壓以完全補償定子阻抗的壓降，就能實現(xiàn)恒定子電動勢頻比的控制模式，即有，其機械特性如圖4-18所示?？梢?，最大電磁轉(zhuǎn)矩因保持恒值而不變，而特性曲線從額定曲線平行下移，這說明采用恒控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒控制模式。3）恒轉(zhuǎn)子電動勢頻比控制模式進一步研究圖4-15的等效電路，可以設(shè)想如果能夠通過某種方式直接控制轉(zhuǎn)子電動勢，使其按照恒轉(zhuǎn)子電動勢

39、頻比進行控制，即有。當(dāng)采用這種控制模式時，異步電動機的機械特性將是一條下斜的直線（如圖4-19），可獲得與直流電動機相同的穩(wěn)態(tài)性能。這也正是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)想要達(dá)到的目標(biāo)。比較以上三種控制模式，顯然恒控制模式最容易實現(xiàn)，但系統(tǒng)性能一般，調(diào)速范圍有限，適用于對調(diào)速要求不太高的場合，如風(fēng)機、水泵的節(jié)能控制等；恒控制模式因其定子壓降得到完全補償，在調(diào)速過程中最大電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，系統(tǒng)性能優(yōu)于前者，但其機械特性還是非線性的，輸出轉(zhuǎn)矩的能力仍受一定限制；恒控制模式能獲得與直流電動機一樣的線性機械特性，其動靜態(tài)性能優(yōu)越，適用于各種高性能要求的電力傳動場合，但其控制相對復(fù)雜。 （2）基頻以上的恒壓變頻調(diào)速

40、在基頻以上變頻調(diào)速時，由于定子電壓不宜超過其額定電壓，因此一般需采取不變的控制策略。當(dāng)角頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖4-20所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速卻升高了，可以認(rèn)為輸出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速（圖4-21）。5. 交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想是什么？為何采用矢量控制可以使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅?？答：由圖4-25所示的異步電動機電流解耦模型可見，通過坐標(biāo)變換、主磁鏈按轉(zhuǎn)子磁鏈定向等計算處理，一個異步電動機在模型上被等效為直流電動機，而且該等效直流電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩是分離的，可以分別進行單獨控制。這樣，就可以按直流電動機的控制思路來控制交流電動機，并實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）的解耦控制。這就是交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想。如果能保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，則電磁轉(zhuǎn)矩就由定子電流轉(zhuǎn)矩分量控制，這與直流電動機的轉(zhuǎn)矩由電樞電流控制相仿。這就是為何采用矢量控制可以使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)性能的根本原因。6. 交流調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是什么？試分析比