電力拖動自動控制系統(tǒng)第版復(fù)習(xí)要點樣本

第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1直流電機(jī)主要有哪幾種基本調(diào)速方法?經(jīng)過性能比較，你認(rèn)為哪

一種方法最好？

答：直流電動機(jī)穩(wěn)態(tài)表示式

，=式中:〃一轉(zhuǎn)速（"min）,U—電樞電壓（V）J—可樞

中f

電流（A）,R一電樞回路總電阻（Q）,中一勵磁磁通（Wb）,K.一旦動

勢常數(shù)。

直流電機(jī)主要有三種基本調(diào)速方法：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U,減

弱勵磁磁通F,改變電樞回路電阻Ro

對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電

樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然

能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速

（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直

流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。

2常見的可控直流電源主要有哪些？

答：常見的可控直流電源有以下三種：

（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組一一用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組,

以獲得可調(diào)的直流電壓。

（2）靜止式可控整流器一一用靜止式的可控整流器，以獲得可

調(diào)的直流電壓。

（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器一一用恒定直流電源或不控

整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)

生可變的平均電壓。

3.靜差率s與空載轉(zhuǎn)速〃。的關(guān)系如何？

答：靜差率S與空載轉(zhuǎn)速〃。成反比，〃。下降，S上升。因此檢驗靜差

率時應(yīng)以最低速時的靜差率s二.為準(zhǔn)。

〃omin

5轉(zhuǎn)速控制的要求是什么？

答：1）調(diào)速-在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，分檔的或平

滑的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

2）穩(wěn)速-以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種可能的

干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。

3）力口、減速-頻繁起、制動的設(shè)備要求盡量快的加、減速以

提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平

穩(wěn)。

6解釋反饋控制規(guī)律？

答（1）被調(diào)量有靜差（2）抵抗擾動與服從給定（3）系統(tǒng)精度依賴于

給定和反饋檢測精度

7閉環(huán)空載轉(zhuǎn)速期比開環(huán)空載轉(zhuǎn)速.小多少？

答：也./是〃0叩的1/（1+K）O

8試說明轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)工作原理。

答：轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、觸

發(fā)器GT、晶閘管變流器VT、測速發(fā)電機(jī)TG等組成；

當(dāng)電動機(jī)負(fù)載TL增加時，電樞電流h也增加，電樞回路壓降增

加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，則轉(zhuǎn)速反饋電壓U〃也相應(yīng)下降，而轉(zhuǎn)速給定

電壓u：不變，AU.=U：-力增加。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出乙增加，使控

制角。減小，晶閘管整流裝置輸出電壓力增加，于是電動機(jī)轉(zhuǎn)速便

相應(yīng)自動回升，其調(diào)節(jié)過程可簡述為：

TLT—idT—/,/（&十自）T-〃JfufnTfAUT->ucT-

aTfUdT??T.............T

AUwo

上述過程循環(huán)往復(fù)，直至△〃=（）為止。

9下圖帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，各部件的名稱和

答：1）比較器：給定值與測速發(fā)電機(jī)的負(fù)反饋電壓比較，得到轉(zhuǎn)

速偏差電壓AU”o

2）比例放大器A:將轉(zhuǎn)速偏差電壓AU“放大，產(chǎn)生電力電子變換器

UPE所需的控制電壓4。

3）電力電子變換器UPE:）將輸入的三相交流電源轉(zhuǎn)換為可控的直

流電壓力。

4）M電機(jī)：3僅動電雙。

5）TG發(fā)電機(jī)：測速發(fā)電機(jī)檢測3僅動電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

6)電位器：將測速發(fā)電機(jī)輸出電壓降壓，以適應(yīng)給定電壓幅值

10說明單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降的原因，改變給定電壓或

者調(diào)整轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)能否改變電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速?為什么？

答：負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自

動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以

補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化。

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為：

KPKSU；,IdR

=〃0,廠4如

C（l+K）C/l+K）

從上式可可得：改變給定電壓能改變穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；調(diào)整轉(zhuǎn)速反饋

系數(shù)，則心皆乜要改變，因此也能改變穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。

11閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的定義？與開環(huán)系統(tǒng)比較有何特點？

答(1)定義：表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。

n二KKU；1〃R

n

~Ce(\+K)~Ce(i+K)

(2)特點：

1)閉環(huán)系統(tǒng)靜特性能夠比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬的多，

2)如果比較同一M的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要

小的多。

3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)能夠大大提高調(diào)速范圍。

4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。

12閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾能力和控制精度的原因？

答：閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在負(fù)反饋基礎(chǔ)上，按偏差進(jìn)行控制。當(dāng)系

統(tǒng)中由于某種原因使被控量偏離希望值向出規(guī)偏差時，必定產(chǎn)生

一個相應(yīng)的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控制量與看望

值趨于一致，因此閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾動能力和控制精

度。

13反饋控制系統(tǒng)為什么極性不能接錯？

答：控制系統(tǒng)一般都是負(fù)反饋系統(tǒng)。如果錯接成正反饋系統(tǒng)，對調(diào)

速系統(tǒng)造成超速“飛車”或振蕩等故障，后果非常嚴(yán)重。

14有靜差系統(tǒng)與無差系統(tǒng)的區(qū)別？

答：根本區(qū)別在于結(jié)構(gòu)上（控制器中）有無積分控制作用，PI控制器

可消除階躍輸入和階躍擾動作用下的靜差，稱為無靜差系統(tǒng)，P控

制器只能降低靜差，卻不能消除靜差，故稱有靜差系統(tǒng)。

15比例積分（PI）調(diào)節(jié)器的特點？

答：PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓”由兩部分組成。第一部分KPU是比例

部分，第二部分能》初是積分部分。當(dāng)U0突加g瞬間，電容C相

當(dāng)于短路，反饋回路只有電阻R,此時相當(dāng)于P調(diào)節(jié)器，輸出可壓

隨著電容C被充電開始積分，輸出電壓“線性增加，只

要輸入Ui繼續(xù)存在,”?一直增加飽和值（或限幅值）為止。

16P1D控制各環(huán)節(jié)的作用是什么？

答:PID控制器各壞節(jié)的作用是：

(1)比例環(huán)節(jié)P：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦

出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以便減少偏差，保證系統(tǒng)的快速

性。

(2)積分環(huán)節(jié)I:主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的控制精度和無

差度。

(3)微分環(huán)節(jié)D:反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變

得過大之前，在系統(tǒng)中引入一個早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動

作速度，減少調(diào)節(jié)時間。

17下圖為帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，說明電

流截止負(fù)反饋的工作原理，及這種調(diào)速系統(tǒng)的靜特性特點？

C^com

~T~\—h

----IX~Rs1—

R

，「JT=

團(tuán)——玲_%JK,汽?J=―廣

答：當(dāng)/d<；dcr時，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反

饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫于下戶KpKsU；IdR

Q(l+K)C/l+K)

當(dāng)/d>/dcr時，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成

〃「收■%)(R+KpKR)Id

ft~C(l+K)C(l+K)

特點：

(1)電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻

KpK、R’,因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。

(2)比較電壓與給定電壓U；的作用一致，好象把理想空載

轉(zhuǎn)速提高到

〃。-Q(I+K)

18采用比例積分調(diào)節(jié)器控制的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運行時

的速度是否有靜差？為

什么？試說明理由。

答：采用比例積分調(diào)節(jié)器控制的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運行時

的速度是無靜差的。

電壓負(fù)反饋實際是一個自動調(diào)壓系統(tǒng)，只有被包圍的電力電子裝

置內(nèi)阻引起的穩(wěn)態(tài)速降被

減小到1/(1+K),它的穩(wěn)態(tài)性能比帶同樣放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系

統(tǒng)要差。但基本控制原

理與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋類似。它與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋一樣能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。

19光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法主要有哪幾種？各用于何種

場合？

答：采用中光電式旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)字測速方法主要有M法測速,T

法測速,M"法測速,M法適用于測高速,T法適用于測低速,M/T

法即適用于測低速，又適用于測高速。

(2-4)

為什么PWM—電動機(jī)系統(tǒng)比晶閘管一電動機(jī)系統(tǒng)能夠獲得更好

的動態(tài)性能？

答:PWM—電動機(jī)系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：

(1)主電路線路簡單，需用的功率器件少。

(2)開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較

小。

(3)低速性能好,穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右。

(4)若與快速響應(yīng)的電動機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快,動

態(tài)抗擾能力強(qiáng)。

(5)功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻室適

當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。

(6)直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。

(2-11)

調(diào)速范圍和靜差率的定義是什么？調(diào)速范圍、靜差速降和最小靜

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(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)

速范圍，用字母D表示，即D=j其中，小和。一般都指電動機(jī)

臂min

額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，能夠用

實際負(fù)載時的最高和最低轉(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，稱作靜差率九即

△出或用百分比表示^=—xlOO%

在直流電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作

為最高轉(zhuǎn)速Nn

A(1-5)Anv

則"min"一-=---------

%"min+4為ss

p_"max_"曾5

〃minfT)

由上式可看出調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差速降和最小靜差率

之間的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，△%值一定，如果對靜差率要求

越嚴(yán)，即要求S值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。一個調(diào)

速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速

可調(diào)范圍。

(2-12)

轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有那些特點？改變給定電壓能否改變電動機(jī)

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(jī)的勵磁發(fā)生了變化,

系統(tǒng)有無克服這種干擾的能力？

答：(1)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有以下三個基本特征：1)只用比例放

大器的反饋控制系統(tǒng)，其被被調(diào)量仍是有靜差的。2)反饋控制系

統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。擾動性能是反饋控制系統(tǒng)最突

出的特征之一。3)系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。

(2)改變給定電壓會改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因為反饋控制系統(tǒng)完全

服從給定作用。

(3)如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測速反饋電壓的分壓比或測速發(fā)電

機(jī)的勵磁發(fā)生了變化，它不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增

大被調(diào)量的誤差。反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是

被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。

(2-13)

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)積分調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓AU」。時，調(diào)節(jié)器的輸出電壓

是多少？它取決于那些因素？

答：在動態(tài)過程中，當(dāng)△以變化時，只要其極性不變，積分調(diào)節(jié)器的

輸出力便一直增長;只有達(dá)到U：=U“，AU“=O時,力才停止上升;

不到AU〃變負(fù)，力不會下降。當(dāng)△q=（）時，”并不是零，而是一個

終值；如果AU〃不再變化，這個終值便保持恒定而不再變化，這是

積分控制的特點。因此，積分控制能夠使系統(tǒng)在尢靜差的情況、保

持恒速運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。

比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)

器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。雖然現(xiàn)在△力=。，但

歷史上有過AU.，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行時需

要的控制電壓工。

（2-14）

在無靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度是否還受給定

電源和測速發(fā)電機(jī)精度的影響？并說明理由。

答：系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。因此轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精

度還受給定電源和測速發(fā)電機(jī)精度的影響。

（2-15）

在電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)下列參數(shù)發(fā)生變化時

系統(tǒng)是否有調(diào)節(jié)作用，為什么？（1）放大器的放大系數(shù)心；（2）供

電電網(wǎng)電壓；（3）電樞電阻（;（4）電動機(jī)勵磁電流；（5）電壓反饋

系數(shù)7。

答：在電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)放大器的放大系數(shù)

3發(fā)生變化時系統(tǒng)有調(diào)

節(jié)作用再經(jīng)過反饋控制作用，因為她們的變化最終會影響到轉(zhuǎn)速,

減小它們對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影

響。

電動機(jī)勵磁電流、電樞電阻（發(fā)生變化時依然和開環(huán)系統(tǒng)一

樣，因為電樞電阻處于反

饋環(huán)外。

當(dāng)供電電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時系統(tǒng)有調(diào)節(jié)作用。因為電網(wǎng)電壓是

系統(tǒng)的給定反饋控制系統(tǒng)

完全服從給定。

當(dāng)電壓反饋系數(shù)7發(fā)生變化時，它不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑

制，反而會增大被調(diào)量的

誤差。反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道二的

擾動。

（例題2-1）

某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為“N=1430r/min,額定速降

的N=115"min,當(dāng)要求靜差率sV30%時，允許多大的調(diào)速范圍？

如果要求靜差率5<20%,則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍

達(dá)到10,所能滿足的靜差率是多少？

解：在要求S<30%時，允許的調(diào)速范圍為

八nNs1430x0.3__

Mvd)115x(1-03),

若要求S<20%,則允許的調(diào)速范圍只有

「1430x0.2-

1J=-----------=3.1

115x(1-0.2)

若調(diào)速范圍達(dá)到10,則靜差率只能是

10x115

^0.446-44.6%

（例般:泮'1430+10x115

某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW,

220V,305A,1000r/min,采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻^=0.18Q,

電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/ro如果要求調(diào)速范圍D=20,靜差

率s<5%,采用開壞調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額

定速降△外最多能有多少？

解：當(dāng)電流連續(xù)時,V-M系統(tǒng)的額定速降

305x0.18

=275i7min

02

開冰系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為

必275

=0.216=21.6%

匹+△即1000+275

如要求力=20,5<5%,即要求

nNs<1000x0.05

A〃N2.63/7min

￡)(1-5)-20x(1-0.05)

(例題2-3)

在例題2-2中，龍門刨床要求。=20,s<5%,已知K=30-=

0.015Vmin/r,Ce=0.2Vmin/r,采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足上述

要求時，比例放大器的放大系數(shù)應(yīng)該有多少？

解：

已知開環(huán)系統(tǒng)額定速降為=275r/min,

閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為<2.63r/min,

由式5尸普可得K=槳-1=103.6

1+K△/a2.63

則得K°=—>J。==

146

Ksa/Ce30x0.015/0.2

即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于460

(例題2-4)

在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回

路總電阻7?=O.18Q,電感量L=3mH,系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量

GQ2=60N.〃兒試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

解：電磁時間常數(shù)7/=。=罌=。.0帥

AU.1O

機(jī)電時間常數(shù)T“產(chǎn)存裊=—=0.075.V

375c375x().2x—x(),2

7T

晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為(=0.001675

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：

K<mTJ+T：=0.075x(0.0167+0.00167)+0.001672=495

TtTs-0.0167x0.00167

閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求KN103.6是矛

盾的。

(例題2-5)

在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件的PWM調(diào)速系

統(tǒng)，電動機(jī)不變，電樞回路參數(shù)為：A-0.1C,L=lmH,KS=44,PWM

開關(guān)頻率為8kHzo按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)0=20,§<5%,該系統(tǒng)

能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統(tǒng)能夠達(dá)

到的最大調(diào)速范圍有多少？

/解Ur.?

電磁時間常數(shù)甯=0.0k

A().1

機(jī)電時間常數(shù)工"禽裊=一嗯==0.0417s

375ceJ"375x0,2x—xO.2

冗

晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為焉=。。。0125s

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：

“T(T+TJ+T^0.0417x(0.01+0.000125)+0.0001252「八，

K<--i-n---f---:-------=---------------------------------------=339.4

TlTs0.01x0.000125

按照穩(wěn)態(tài)性翻豳S0的要求

\nd<2.63r/min(見例題1-2)

r/min

°,C,0.2

/C=^-l>i^-l=57

2.63

PWM調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求下穩(wěn)定運行。

若系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀況,

AT=339.4

I5">5

△〃/=----=—:~:-=0.45r/min

cl1+K1+339.4

1000x0.05一

2---------------=117

△〃</(1)0.45(1-0.05)

第3章轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的作用?

答：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的作用：

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用：

1）轉(zhuǎn)速〃跟隨轉(zhuǎn)速給定電壓u；變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。

2）突加負(fù)載時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均參與調(diào)節(jié)

作用，但轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR處于主導(dǎo)作用，對負(fù)載變化起抗擾作用。

3）其輸出電壓限幅值決定允許最大電流值。

（2）電流調(diào)節(jié)器ACR的作用

1）起動過程中保證獲得允許最大電流。

2）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其電流給定電壓u：變化。

3）電源電壓波動時及時抗擾作用，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎不受可源

電壓波動的影響。

4）當(dāng)電動機(jī)過載、堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到

安全保護(hù)作用。

2在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動與負(fù)載擾動

時，哪個調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用？

答：電網(wǎng)電壓波動時,ACR起主要調(diào)節(jié)作用；伏載擾動時,ASR起主

要抗擾調(diào)節(jié)作用。

3下圖為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如果要改變雙閉環(huán)有

靜差V-M系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，可調(diào)節(jié)什么參數(shù)?改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器放大系數(shù)

3觸發(fā)整流環(huán)節(jié)放大系數(shù)K,和改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a能行否?如

果要改變堵轉(zhuǎn)電流應(yīng)調(diào)節(jié)什么參數(shù)？

答：要改變轉(zhuǎn)速，能夠調(diào)節(jié)給定電U：或轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)要改變堵

轉(zhuǎn)電流，應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的限幅值4：或改變電流反饋系數(shù)夕

4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程特點是什么？

答：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程特點是：

I）飽和非線性控制

ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng);

ASR不飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，無靜差調(diào)速系統(tǒng).

2）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制，恒流升速可使起動過程盡可能最快。

3）轉(zhuǎn)速超調(diào)：只有轉(zhuǎn)速超調(diào)才能使ASR退飽和。

5下圖為轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖，ASR.ACR

均采用PI調(diào)節(jié)器。（1）突增負(fù)載后又進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，則ACR

的輸出電壓L、變流裝置輸出電壓L,電動機(jī)轉(zhuǎn)速〃，較之負(fù)載變

化前是增加、減少，還是不變？為什么？（2）如果速度給定u；不

變時，要改變系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，可調(diào)節(jié)什么參數(shù)？

答：（1）J=c“u“”Rj5尸KUT

U；=e,n=c

（2）因為U：=U“=的,〃=4■，因此調(diào)節(jié)a能夠改變轉(zhuǎn)速

a

6直流調(diào)速系統(tǒng)有哪些主要性能指標(biāo)？

答：直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動態(tài)性能指

標(biāo)兩個部分。

靜態(tài)主要性能指標(biāo)有調(diào)速范圍D、靜差率S、A,,vo動態(tài)性能指

標(biāo)分成給定控制信號和擾動信號作用下兩類性能指標(biāo)。給定控制信

號作用下的動態(tài)性能指標(biāo)有上升時間，調(diào)節(jié)時間G（亦稱過濾過程

時間）和超調(diào)量O%。擾動信號作用下的動態(tài)性能指標(biāo)有最大動態(tài)速

降例…恢復(fù)時間%

7調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程能夠簡化為哪兩步？

答：1.選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

2.選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)

8轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中分別按什么典型型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計？

為什么？

答：轉(zhuǎn)速環(huán)按典型（II）型系統(tǒng)設(shè)計，抗擾能力（強(qiáng)），穩(wěn)態(tài)（無靜差）O

電流環(huán)按典型（I）型系統(tǒng)設(shè)計，抗擾能力（稍差），超調(diào)（?。?。

9如果轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不是PI調(diào)節(jié)器,

而改為P調(diào)節(jié)器，對系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能將會產(chǎn)生什么影響？

答：改為P調(diào)節(jié)器時其輸出量總是正比于輸入量，PI調(diào)節(jié)器的輸

出量在動態(tài)過程中決定于

輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)

而是由它后面環(huán)節(jié)的需要

決定的。

（3?6）

在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，若要改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，應(yīng)調(diào)節(jié)

什么參數(shù)？改變轉(zhuǎn)

速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)K“行不行？改變電力電子變換器的放大倍數(shù)

E行不行？改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。行不行？若要改變電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)

電流，應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的什么參數(shù)？

答：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各

變量之間有卜列關(guān)系

Un~U“=an=atiQ

因此轉(zhuǎn)速〃是由給定電壓6；決定的；改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)也能

夠改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速。改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)儲和電力電子變換

器的放大倍數(shù)K,不能夠。

（3-7）

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，兩個調(diào)節(jié)器的輸入偏差

電壓和輸出電壓各是多少？為什么？

答：當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，它們的輸入偏差電壓都是零。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓黨決定了電流給定電壓的

最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變

換器的最大輸出電壓%”0

（3-9）

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）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速〃是由給

定電壓u：決定的。ASR的輸出量u；是由負(fù)載電流“決定的。控

制電壓心的大小則同時取決于〃和〃，或者說，同時取決于u；和

心o雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相

似。

(2)帶電流截止環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性特點：電

流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻KpK禺，因而穩(wěn)

態(tài)速降極大，特性急劇下垂；比較電壓也〃與給定電壓U；的作用一

致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高了。這樣的兩段式靜特性常稱作二垂

特性或挖土機(jī)特性。

(3)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：飽和非線

性控制、轉(zhuǎn)速超調(diào)、準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。

(4)由動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中能夠看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因

此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計ASR

時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。

(5)在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠(yuǎn),

調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾

動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波

動能夠經(jīng)過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速

以后才能反饋回來,抗擾性能大有改進(jìn)。

第5章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1異步電動機(jī)從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率以中，有一部分是與轉(zhuǎn)

差成正比的轉(zhuǎn)差功率尸,根據(jù)對R處理方式的不同，可把交流調(diào)

速系統(tǒng)分成哪幾類？并舉例說明。

答：從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，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)，能夠把異

步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類。

轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)：這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換

成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，降電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子

串電阻調(diào)速屬于這一類。在三類異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的

效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗

來換取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時）。可是這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)

備成本最低，因此還有一定的應(yīng)用價值。

轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)：在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外.大

部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)過變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋

送的功率越多，繞線電機(jī)串級調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速屬于這一類。無

論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終

都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)

備。

轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)：在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子

銅損，而且無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，變極

對數(shù)調(diào)速、變壓變頻調(diào)速屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速是有級的,

應(yīng)用場合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，能夠構(gòu)成高動態(tài)性能

的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動機(jī)

容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。

2異步交流電機(jī)變頻器上電壓和頻率為什么要協(xié)調(diào)控制？

答：在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電

機(jī)中每極磁通量已為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用

電機(jī)的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從

而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱向損壞電機(jī)。在交流

異步電機(jī)中，磁通R由定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生，因為有

線=4.44/Mg,此式可知，只要控制好Eg和力，便可達(dá)到控制

磁通Fm的目的。

3在電動機(jī)調(diào)速時，為什么要保持每極磁通量為額定值不變?對直

流電機(jī)和交流異步電機(jī)，分別采用什么方法使電機(jī)每極的磁通恒

定？

答：異步電動機(jī)的氣隙磁鏈在每框定子中的感應(yīng)電動勢

Eg=4.44力中切

如果使F年=c氣隙磁鏈保持不變，要保持直流電機(jī)的磁通恒定,

/i

因為其勵磁系統(tǒng)是獨立的，只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，容易做到

保持磁通恒定。要保持交流異步電機(jī)的磁通恒定，必須采用恒壓頻

比控制。

4簡述恒壓頻比控制方式。

答：繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時,

能夠忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓。一4，

則得字=c。這是恒壓頻比的控制方式?？墒牵诘皖l時q和2都

j\

較小，定子阻抗壓隆所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需

要人為地把電壓a抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。

5下圖為異步電動機(jī)在不同控制方式下的機(jī)械特性，交流異步電

動機(jī)的恒壓頻比控制有哪三種方式?試就其實現(xiàn)難易程度、機(jī)械特

性等方面進(jìn)行比較。

a）恒壓頻比控制b）恒定子磁通控制c）恒氣隙磁通控制d）恒轉(zhuǎn)

子磁通控制

答：今”，氣隙磁鏈在每相定子中的感應(yīng)電動勢/輸入頻率為恒值,

機(jī)械特性非線性，難實現(xiàn)，加定子電壓補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)，改進(jìn)低速性能。

了2，/與頻率無關(guān)，機(jī)械特性平行，硬度相同，類似于直流電動機(jī)

的降壓調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

牛=，，定子相電壓/輸入頻率為恒值，S定子相電壓，機(jī)械特性

J\

非線性，易實現(xiàn)。4接近額定頻率時，丸變化不大，力的降低，Lx

變化較大，在低速時甚至拖不動負(fù)載。實際上號“，由于頻率很低

時定子電阻損耗相對較大，不可忽略，故必須進(jìn)行定子電壓補(bǔ)償。

”,轉(zhuǎn)子磁鏈在每相定子中的感應(yīng)電動勢/輸入頻率為恒值,

J\

"轉(zhuǎn)子磁鏈在每相定子中的感應(yīng)電動勢（忽略轉(zhuǎn)子電阻損耗）轉(zhuǎn)子磁

鏈恒值，機(jī)械特性線性，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能好，最難實現(xiàn)。這是矢

量控制追求的目標(biāo),

6交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在基速以上和基速以下分別采用

什么控制方法，磁通、轉(zhuǎn)矩、功率呈現(xiàn)怎樣的變化規(guī)律？

答：恒磁通調(diào)速（基頻以下）?！埃⒀a(bǔ)償定子電阻損耗。恒功率調(diào)

J\

速（基頻以上）升高電源電壓時不允許。

在頻率上調(diào)時，只能保持電壓不變。

頻率越大，磁通就越小，類似于直流電動機(jī)的弱磁增速。

7交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式主要有哪兩種？

答：交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式主要有兩種：有恒

磁通控制和恒功率控制兩種，其中恒磁通控制又稱恒轉(zhuǎn)矩控制。

8什么是脈沖寬度調(diào)制（PWM）?

答：利用電力電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)可變的

電壓，并經(jīng)過控制脈沖寬度或周期達(dá)到變壓變頻的目的。

9什么是SPWM控制方式？

答：SPWM即以正弦波作為調(diào)制信號對載波信號進(jìn)行調(diào)制后，產(chǎn)生

一組等幅而脈沖寬度正比干正弦波的矩形脈沖。將該組脈）中作為逆

變器開關(guān)元件的控制信號，從而在逆變器負(fù)載上（多為異步電動機(jī)）

得到與控制信號波形相同，等效于正弦波的驅(qū)動電壓。

10什么是電壓型逆變器8個電壓狀態(tài)形成的電壓空間矢量圖？并

說明定子磁鏈的運動軌跡。

圖基本電壓空間矢量圖

圖電壓空間矢量的6個扇區(qū)

答：電壓型逆變器，為三組六個開關(guān)同一橋臂的兩個開關(guān)互為反向:

一個接通“1"，另一個斷開“0"。

1)逆變器8個電壓狀態(tài)：

Vi(100),V2(010),V3(010),V4(011),V5(001),V6(101)構(gòu)成正六邊形

的頂點,v7(lll),Vo(OOO)位于正六邊形的中心。

由相電壓波形圖可直接得到逆變器的各開關(guān)狀態(tài),

兩者的開關(guān)狀態(tài)順序一致6個狀態(tài)一個周期（狀態(tài)1-狀態(tài)6）,

相電壓波形幅值一致：±2力/3和±44/3。

2）忽略定子電隹和漏感的影響，定子回路的電壓平衡方程式為：

,，=di//xIdt或憶=uj+y/s0匕0一定子磁鏈的初始值。

3）從電壓型逆變器8個電壓狀態(tài)形成的電壓、空間矢量圖可見:

定子磁鏈?zhǔn)噶繎浀脑鲩L方向，即憶矢頭的運動方向決定于電壓

矢量明的方向；

定子磁鏈空間矢量頂點的運動方向和軌跡對應(yīng)于相應(yīng)的電壓空

間矢量的作用方向。只要定子電阻壓降比起定子電壓足夠小，這種

平衡就能得到很好地近似），在適當(dāng)?shù)貢r候依次給出定子電壓空間

矢量，則得到的定子磁鏈的運動軌跡依次按Y-V6運動，形成正

六邊形磁鏈。正六邊形的六條邊代表磁鏈空間矢量一個周期的運動

軌跡,稱區(qū)段（扇區(qū)）S「區(qū)段（扇區(qū)）S6。

憶矢頭的運動速率與〃5的幅值S成正比；若％=。則憶停止運

動（Vo、V7）

若有效電壓矢量依照矢量圖V\TV2TV3TV4TV5fV6的次序

交替作用，且作用時間相等，孔矢頭的運動軌跡為一正六邊形。

11什么是轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)調(diào)速？

答：在轉(zhuǎn)差率S很小的范圍內(nèi)，只要能夠維持氣隙磁通耙不變異步

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率叫成正比，即在異步電機(jī)中，控

制轉(zhuǎn)差率就代表了控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念。

12轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠仿照直流電動機(jī)雙

閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可是其動靜態(tài)性能卻不能完全達(dá)到直流雙閉

環(huán)系統(tǒng)的水平，這是為什么？

答：它的靜、動態(tài)性能還不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平,存

在差距的原因有以下幾個方面：

(1)在分析轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律時，是從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和

穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，所謂的"保持磁通①m恒定”的結(jié)論也只在

穩(wěn)態(tài)情況下才能成立。在動態(tài)中①m如何變化還沒有深入研究，但

肯定不會恒定，這不得不影響系統(tǒng)的實際動態(tài)性能。

(2)Us-f(CDl,Is)函數(shù)關(guān)系中只抓住了定子電流的幅值，沒有控

制到電流的相位，而在動態(tài)中電流的相位也是影響轉(zhuǎn)矩變化的因

素。

(3)在頻率控制環(huán)節(jié)中，取81=8s+8,使頻率得以與轉(zhuǎn)速

同步升降，這本是轉(zhuǎn)差頻率控制的優(yōu)點。然而，如果轉(zhuǎn)速檢測信號

不準(zhǔn)確或存在干擾，也就會直接給頻率造成誤差，因為所有這些偏

差和干擾都以正反饋的形式毫無衰減地，'專遞到頻率控制信號上來

了。

(5-8)

兩電平PWM逆變器主回路，采用雙極性調(diào)制時，用“1”表示上橋

臂開通，”0”表示上橋臂關(guān)斷，共有幾種開關(guān)狀態(tài)，寫出其開關(guān)國

數(shù)。根據(jù)開關(guān)狀態(tài)寫出其電壓空間矢量表示式，畫出空間電壓矢量

圖。

解：兩電平PWM逆變器主回路:

交-直■交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖

采用雙極性調(diào)制時，忽略死區(qū)時問影響，用"1”表示上橋臂

開通，“0”表示下橋臂開通，逆變器輸出端電壓：

以直流電源中點。'為參考點

(5-9)

當(dāng)三相電壓分別為明。a,如何定義三相定子電壓空間矢

量*0,%0,%和合成矢量U”寫出她們的表示式。

解:A,B,C為定子三相繞組的軸線，定義三相電壓空間矢量:

UAO=11AOURO=UKOe，7UCO=UCO€'

j7j27

U,=u.o+Ugo+uco=uAO+uHOe+ucoe

8(e")

電壓空間矢量

(5-10)

忽略定子電阻的影響，討論定子電壓空間矢量％與定子磁鏈匕的關(guān)

系。當(dāng)三相電壓〃.。、〃。為正弦對稱時，寫出電壓空間矢量

〃，與定子磁鏈匕的表示式，畫出各自的運動軌跡。

解：用合成空間矢量表示的定子電壓方程式:

at

忽略定子電阻的影響,

即電壓空間矢最的積分為定子磁鏈的憎量。

當(dāng)三相電壓為正弦對稱時，定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量

k=k/儂+仰

電壓空間矢量〃產(chǎn)嗎”)

圖旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運動軌跡圖電

壓矢量圓軌跡

(5-12)

兩電平PWM逆變器主回路的輸出電壓矢量是有有限的，若期望輸

出電壓矢量心的幅值小于■力，空間角度。任意，如何用有限的

PWM逆變器輸出電壓矢量來逼近期望的？

解：兩電平pWM逆變器有六個基本空間電壓矢量，這六個基本空

間電壓矢量將電壓空間矢量分成六個扇區(qū)，根據(jù)空間角度。確定所

在的扇區(qū)，然后用扇區(qū)所在的兩個基本空間電壓矢量分別作用一

段時間等效合成期望的輸出電壓矢量。

第6章基于動態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1從動態(tài)數(shù)學(xué)模型能夠看出三相異步電動機(jī)是什么樣的一個系統(tǒng)？

答：從動態(tài)數(shù)學(xué)模型能夠看出三相異步電動機(jī)是一個高階、非線

性、強(qiáng)混合的多變量系統(tǒng)，

2三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括哪幾類方程？

答：三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括：電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)

矩方程和運動方程。

3將三相交流電機(jī)變換成兩極直流電機(jī)的物理模型要經(jīng)過的坐標(biāo)

變換有哪些？

答：先將靜止的三相坐標(biāo)A-B-C轉(zhuǎn)換成靜止的兩相坐標(biāo)再將

靜止的兩相坐標(biāo)。-夕換成旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)d-q或同步兩相坐標(biāo)

(M-T)o

4坐標(biāo)變換有哪些?坐標(biāo)變換原則有哪兩種？

答：坐標(biāo)變換有：

1)靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C).旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q-O),

2)旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q)-靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C),

3)靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C)-靜止的兩相坐標(biāo)(a-￡-())

4)靜止的兩相坐標(biāo)(a/-())-靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C)

5)靜止的兩相坐標(biāo)(a-夕)-旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q),

6)旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q)-靜止的兩相坐標(biāo)(a/)

7)直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)

5異步電動機(jī)的等效二相模型為什么簡單？

答：四個方程中的為。項很多，轉(zhuǎn)矩和磁通分開控制(相互垂直)。

6磁鏈定向方法有哪些?分別采用了哪種坐標(biāo)系？

答：磁鏈定向方法有兩種：

I)按轉(zhuǎn)子磁鏈也定向：控制性能最好，但轉(zhuǎn)子磁鏈不易測量和控

制；采用M.T坐標(biāo)系；

2)按定子磁鏈九定向：定子磁鏈最容易測量和控制，但控制性能

不好；采用坐標(biāo)系。

7什么是矢量控制系統(tǒng)(VCS)?并簡述其工作原理。

圖矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

答：將異步電動機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換能夠等效成直流電動機(jī)，那么，模

仿直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，經(jīng)過坐標(biāo)反

變換，就能夠控制異步電動機(jī)。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流(代表磁

動勢)的空間矢量，因此這樣經(jīng)過坐標(biāo)變奐的控制系統(tǒng)就叫做矢量

控制系統(tǒng)VCS(VectorControlSystem)o

8下圖為異步電動機(jī)矢量控制原理結(jié)構(gòu)圖，A,B,C,D分別為坐標(biāo)

變換模塊，請指出它們分別表示什么變換？這些變換的等效原則

是什么？

給

答:A矢量旋轉(zhuǎn)逆變換左1

B二相靜止坐標(biāo)變成三相靜止坐標(biāo)變換

C三相靜止坐標(biāo)系變成二相靜止坐標(biāo)變換

D矢量旋轉(zhuǎn)變換VR,將二相靜止坐標(biāo)下的互相垂直的交流信

號變換成二相旋轉(zhuǎn)的互相垂直的直流信號。

等效變換的原則是旋轉(zhuǎn)磁場等效或磁動勢等效。

9下圖為異步電動機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型，A,B分別為坐

標(biāo)變換模塊，請指出它們分別表示什么變換？這些變換的等效原

則是什么？

答：A三相靜止坐標(biāo)系變成二相靜止坐標(biāo)變換

B矢量旋轉(zhuǎn)變換VR將二相靜止坐標(biāo)下的互相垂直的交流信

號變換成二相旋轉(zhuǎn)的互相垂直的直流信號。

其等效變換的原則是旋轉(zhuǎn)磁場等效或磁動勢等效。

10簡述直接轉(zhuǎn)矩控制的工作原理，并比較它與矢量控制的異同

點。

答：1）直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)利用空間矢量的分析方法，直接在定子坐

標(biāo)下計算和控制交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，它采用定子磁場定向，借助于

離散的兩點式調(diào)節(jié)（Band-Band控制）產(chǎn)生PWM信號，直接對逆變

器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省掉了

復(fù)雜的矢量變換與電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型的簡化處理，沒有一般的

PWM信號發(fā)生器，它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直

接，信號處理的物理結(jié)構(gòu)明確。該控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，限制

在一拍以內(nèi)。且無超調(diào)，是一種具有高性能的交流調(diào)速方法。

2）直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的相同點是：兩者都要對轉(zhuǎn)矩和磁

鏈進(jìn)行控制

3）直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的相同異點如下：

直接轉(zhuǎn)矩控制只利用定子側(cè)參數(shù)，而矢量變換控制是利用轉(zhuǎn)子

側(cè)參數(shù)，這些參數(shù)容易受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的影響；直接轉(zhuǎn)矩控制在靜

止的坐標(biāo)系中進(jìn)行，控制運算比矢量變換控制簡單；直接轉(zhuǎn)矩控制

對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)控制，準(zhǔn)確性高，動態(tài)性好，而矢量控制則過分要

求圓磁磁鏈和正弦波電流；直接轉(zhuǎn)矩控制和直接磁鏈控制采用滯

環(huán)，參數(shù)選擇適當(dāng)可彌補(bǔ)由直接轉(zhuǎn)矩控制引起的速度下降。直接轉(zhuǎn)

矩控制利用相電壓矢量的概念，對逆變器的功率開關(guān)進(jìn)行綜合控

制，開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗少。

11坐標(biāo)變換是矢量控制的基礎(chǔ)，試分析交流電機(jī)矢量變換的基本

概念和方法。

答：將交流電機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電機(jī)的模式，分

析和控制就能夠大大簡化。坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。在

這里，不同電機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下所產(chǎn)生的磁

動勢完全一致。

交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組A、B、C,通以三相平衡的

正弦電流時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F,它在空間呈正

弦分布，以同步轉(zhuǎn)速coi（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋

轉(zhuǎn)。然而，旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、

三相、四相、……等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流,

都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當(dāng)然以兩相最為簡單。在三相坐標(biāo)系下的

iA、iB、ic,在兩相坐標(biāo)系下的ia、和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的

直流吊、it是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢。這樣經(jīng)過坐

標(biāo)系的變換，能夠找到與交流三相繞組等效的直流電機(jī)模型。

12試分析并解釋矢量控制系統(tǒng)與直流轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

答：兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，但兩者在控制性能

上卻各有千秋。

VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)Te與小r的解耦，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)

節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按定子叫定向受

電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。

DTC系統(tǒng)則實行Te與叭砰-砰控軌避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,

簡化了控制結(jié)構(gòu)；控制磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的

影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，低速性能較差，調(diào)速范圍受到

限制。

(6-7)

試比較轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型和電流模型的運算方法及其優(yōu)缺點。

答：根據(jù)描述磁鏈與電流關(guān)系的磁鏈方程來計算轉(zhuǎn)子磁鏈，所得出

的模型叫做電流模型。根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動勢等于磁鏈變化率

的關(guān)系，取電動勢的積分就能夠得到磁推，這樣的模型叫電壓模

型。

轉(zhuǎn)子磁鏈模型需要實測的電流和轉(zhuǎn)速信號，但也都受電機(jī)參

數(shù)變化的影響，從而改變時間常數(shù)Tr,磁飽和程度將影響電感Lm

和Lr,從而Tr也改變。這些影響都將導(dǎo)致磁鏈幅值與相位信號失

真，而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能降低。

電壓模型只需要實測的電流和電壓信號，不需要轉(zhuǎn)速信號,且

算法與轉(zhuǎn)子電阻Rr無關(guān)，只與定子電阻有關(guān)它是容易測得的。與

電流模型相比，電壓模型受電動機(jī)參數(shù)變化的影響較小，而且算法

簡單，便于應(yīng)用?？墒?，由于電壓模型包含純積分項，積分的初始值

和累積誤差都影響計算結(jié)果，低速時，定子電阻壓降變化的影響也

較大。電壓模型適合中、高速范圍，而電流模型能適應(yīng)低速。

(6.8)

分別簡述直接矢量控制系統(tǒng)和間接矢量控制系統(tǒng)的工作原理，磁

鏈定向的精度受哪些參數(shù)的影響？

答：直接矢量控制的工作原理：轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速。磁鏈給

定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給

定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)中，磁

鏈對控制對象的影響相當(dāng)于一種擾動作用，因而受到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的

抑制，從而改造了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。

間接矢量控制的工作原理：采用磁鏈開環(huán)控制，系統(tǒng)反而會簡

單一些。在這種情況下，常利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成

轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)，它繼承了基于穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系

統(tǒng)的優(yōu)點，同時用基于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了它的大部

分不足之處。轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的主電路采用了交-直-交電流源

型變頻器，適用于數(shù)千kW的大容量裝置，在中、小容量裝置中多

采用帶電流控制的電壓源型PWM變壓變頻器。

磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的磁場定向由磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定信號

確定，靠矢量控制方程保證，并沒有實際計算轉(zhuǎn)子磁鏈及其相位,

因此屬于間接矢量控制。

(6-13)

按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)與磁鏈閉環(huán)控制的矢

量控制(VC)系統(tǒng)在控制方法上有什么異同？

答：1)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰■砰控制器，并在PWM逆

變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓的SVPWM波形，從而避

開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流

控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。

2)選擇定于磁鏈作為被控量，而小象V