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电力传动控制系统运动控制系统（习题解答）第1章 电力传动控制系统基础结构和组成1第2章 电力传动系统模型13第3章 直流传动控制系统18第4章 交流传动控制系统30第5章 电力传动控制系统分析和设计*38第1章 电力传动控制系统基础结构和组成1. 依据电力传动控制系统基础结构，简述电力传动控制系统基础原理和共性问题。 答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动一个传动方法，因为电力传输和变换便利，使电力传动成为现代生产机械关键动力装置。电力传动控制系统基础结构图1-1所表示，通常由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。电力传动控制系统基础工作原理是，依据输入控制指令（比如：速度或位置指令），和传感器采集系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定处理给出对应反馈控制信号，控制器按一定控制算法或策略输出对应控制信号，控制变流器改变输入到电动机电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按摄影应控制要求运动，故又称为运动控制系统。即使电力传动控制系统种类繁多，但依据图1-1所表示系统基础结构，能够归纳出研发或应用电力传动控制系统所需处理共性问题：1）电动机选择。电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动电动机至关关键。应依据生产工艺和设备对驱动要求，选择适宜电动机种类及额定参数、绝缘等级等，然后经过分析电动机发烧和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量校验。2）变流技术研究。电动机控制是经过改变其供电电源来实现，如直流电动机正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流大小；交流电动机调速需要改变其电源电压和频率等，所以，变流技术是实现电力传动系统关键技术之一。3）系统状态检测方法。状态检测是组成系统反馈关键，依据反馈控制原理，需要实时检测电力传动控制系统多种状态，如电压、电流、频率、相位、磁链、转矩、转速或位置等。所以，研究系统状态检测和观察方法是提升其控制性能关键课题。4）控制策略和控制器设计。任何自动控制系统关键全部是对控制方法研究和控制策略选择，电力传动控制系统也不例外。依据生产工艺要求，研发或选择合适控制方法或策略是实现电力传动自动控制系统关键问题。2直流电动机有多个调速方法，其机械特征有何差异？答：直流电动机转速和其它参量之间稳态关系为考虑到她励直流电动机电枢电流和电磁转矩关系，能够将其机械特征写成以下形式：式中称作理想空载转速，为机械特征斜率。由上式可知，有以下三种调整直流电动机转速方法：1）改变电枢回路电阻（图1-2）。2）减弱励磁磁通（图1-3）。3）调整电枢供电电压（图1-4）。比较三种调速方法可知，改变电阻只能有级调速；减弱磁通即使能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，实现一定范围内弱磁升速；调整电枢供电电压方法既能连续平滑调速，又有较大调速范围，且机械特征也很硬。所以，直流调速系统往往以变压调速为主，仅在基速（额定转速）以上作小范围弱磁升速。3. 从异步电动机转差功率角度，可把交流调速系统分成哪几类？并简述其特点。答：异步电动机按其转子结构可分为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机，能够依据实际应用要求选择电动机。异步电动机转速方程为由上式可知，若改变供电频率或改变电动机极对数则可调速，这就是变频调速和变极对数调速由来。另外，经过改变定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻或外接可变电源能够改变转差率来实现异步电动机转速调整。为更科学地进行分类，根据交流异步电动机原理，从定子传入转子电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路转差功率，和转差率成正比。从能量转换角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低标志。从这点出发，又能够把异步电动机调速系统分成三类： 1）转差功率消耗型。调速时全部转差功率全部转换成热能消耗掉，它是以增加转差功率消耗来换取转速降低（恒转矩负载时），这类调速方法效率最低，越向下调效率越低。2）转差功率馈送型。调速时转差功率一部分消耗掉，大部分则经过变流装置回馈电网或转化成机械能给予利用，转速越低时回收功率越多，其效率比前者高。3）转差功率不变型。这类调速方法不管转速高低，转速降全部保持不变，而且很小，所以转差功率消耗基础不变且很小，其效率最高。现在通常采取笼型转子异步电动机实现低于同时转速调速，调速方法可选择定子变压调速、定子变压变频调速等方案；当需要高于同时转速运行或其它特殊应用场所时，则需采取绕线转子异步电动机，经过定子和转子实施双馈调速。4. 利用电力电子器件，能够组成哪多个直流输出变换器？试简述各自基础拓扑结构和换流模式。答：利用电力电子器件，能够组成相控整流器、直流斩波器和PWM整流器等三种直流输出变换器。1）相控整流器（图1-5）。 2）直流斩波器（图1-6、图1-7）。 3）PWM整流器（图1-8）。5. 试简述交流变频器分类，分析比较各自特点。 答：因为高性能交流调速系统需要现代电力电子变流器既能改变电压又能改变频率，所以，交流输出变流器是一个变压变频装置，通常称为变频器。现在，交流输出变换器关键有交-直-交变频器和交-交变频器两大类： （1）交-直-交变频器交-直-交变频器基础原理是：首先将交流电经过整流器变成直流电，然后再经过逆变器变成交流电。因为中间直流步骤存在，故而称为交-直-交变频器，又可称为间接式变压变频器。现在，有多个方法实现交-直-交变频器电能变换，关键应用于电力传动控制系统有下面四种方法：1）采取相控整流器和六拍逆变器组成交-直-交变频器（图1-11、图1-13）。六拍变流器优点是：在整流步骤进行调压控制，在逆变步骤进行调频控制，两种控制分开实现，概念清楚，控制简便。但因为早期采取晶闸管整流和逆变，带来了以下不足： 假如采取晶闸管相控整流，在交流输入端造成网侧功率因数低和高次谐波大问题； 六拍逆变器因为晶闸管工作频率限制，变频控制范围有限，且输出不是正弦波，谐波含量高。2）PWM变频器（图1-14、图1-15）。PWM变频器调制方法关键包含正弦波脉宽调制（SPWM）、消除指定次数谐波PWM控制（SHEPWM）、PWM跟踪控制、电压空间矢量PWM（SVPWM）等。PWM变频器优点以下： 在主电路整流器和逆变器两个单元中，只有逆变单元是可控，经过它同时调整电压和频率，结构简单。采取全控型功率开关器件，经过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简单，效率高。 输出电压波形虽是一系列PWM波，但因为采取了合适PWM控制技术，正弦基波比重较大，影响电动机运行低次谐波受到很大抑制，所以转矩脉动小，提升了系统调速范围和稳态性能。 逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流步骤滤波器参数影响，系统动态性能也得以提升。 采取不可控二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变器输出电压大小影响。3) 双PWM变频器（图1-26）。双PWM变频器特点是： 可方便实现四象限运行； 采取PWM整流控制，可任意调整网侧功率因数，使功率因数小于1、等于1或大于1； 可大大减小电流谐波。4）多电平逆变器（图1-27）。多电平逆变器优点关键有： 多电平逆变电路对器件耐压要求不高，其开关器件所承受关断电压由所串联各开关器件分担； 多电平逆变器输出负载相电压为多电平阶梯波，相对于两电平电路其输出波形阶梯增多，其形状更靠近于正弦波，且阶梯波调制时，开关损耗小，效率高； 多电平逆变器伴随输出电平数增加，各电平幅值改变降低，这就使得它对外围电路干扰小，对电机冲击小，在开关频率周围谐波幅值也小。在开关频率相同条件下，谐波比两电平要小得多。（2）交-交变频器（图1-28、图1-30）。和交-直-交变频器相比，交-交变频器优点是： 采取电网自然换流，由一次换流即可实现变压变频，换流效率高； 能量回馈方便，轻易实现四象限运行； 低频时输出波形靠近正弦。不过，交-交变频器也存在部分缺点： 使用晶闸管数量多，接线复杂； 输出频率范围窄，只能在1/21/3电网频率以下调频； 因为采取相控整流，功率因数低。 6有哪些转速检测方法？怎样取得数字转速信号？答：常见转速检测传感器有测速发电机、旋转编码器等。测速发电机输出是转速模拟量信号；旋转编码器则为数字测速装置。转速检测传感器输出模拟信号先经过信号调整器，进行放大、电平转换、滤波、阻抗匹配、调制和解调等信号处理过程，然后进行A/D转换，实现模拟信号到数字信号转换，包含离散化和数字化。离散化是以一定采样频率对模拟信号进行采样，即在固定时间间隔上取信号值。数字化是将所取得信号值进行数字量化，用一组数码来迫近离散模拟信号幅值，迫近程度由A/D芯片位数来决定。7. 调速范围和静差率定义是什么? 调速范围和静态速降和最小静差率之间有什么关系? 为何说“脱离了调速范围，要满足给定静差率也就轻易得多了”？答：生产机械要求电动机提供最高转速和最低转速之比，称为调速范围，用字母来表示，即式中，和通常全部指电动机额定负载时最高转速和最低转速。当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应转速降落和理想空载转速之比，称为静差率，用字母来表示，即静差率是用来衡量调速系统在负载改变时转速稳定度，它和机械特征硬度相关，特征越硬，静差率就越小，转速稳定度就越高。调速范围、静态速降和最小静差率之间关系为调速范围和静差率这两项指标并不是相互孤立，必需同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低，静差率就越大。假如低速时静差率能满足设计要求，则高速时静差率就更满足要求了。所以，调速系统静差率指标应以最低速时所能达成数值为准。所以说，脱离了调速范围，要满足给定静差率也就轻易得多了。8. 试简述PID控制器中，百分比、积分和微分步骤各自作用，并分析其特征。答：PID控制器中各校正步骤作用以下（图1-49）：1）百分比步骤对偏差进行放大，产生和偏差成正比控制信号，施加于被控对象，以降低偏差。2）积分步骤经过对偏差历史累积，产生控制信号以消除偏差，可实现系统无差调整。越大，积分作用越大，有利于减小误差，但减慢系统响应。3）微分步骤能反应偏差改变率，含有加速系统响应，减小调整时间作用。实际应用时，可依据系统需求选择全部或部分校正步骤组成含有不一样功效调整器，如P调整器、I调整器、PI调整器、PD调整器等9某闭环调速系统调速范围是1500r/min150r/min，要求系统静差率 ，那么系统许可静态速降是多少？ 解：调速范围 静态速降 10某直流电动机，其参数为：，。若只考虑电枢电阻引发转速降，（1）要求静差率，求系统调速范围；（2）假如要求，则其静差率许可为多少?（3） 假如要求，则许可转速降落为多少?解：（1） (2) 由，得(3) 第2章 电力传动系统模型1. 简述坐标变换和统一电机理论意义。答：坐标变换是一个线性变换，对电动机作系统分析时，所用坐标变换，不仅能够将坐标系统扩展为维空间，还能够将原坐标变换到另一个旋转平面上坐标，或由笛卡儿平面坐标变换到复平面坐标。这些理论和方法全部是针对电机这种复杂机电系统所做出对策，在电机学科发展史上含有划时代关键意义。直流电机数学模型比较简单，交流电机数学模型就相对复杂得多，而且因为其种类繁多，假如依据电机理论，按不一样电机结构建立各自电路和磁路方程，则所建立方程将形式各异，比较复杂。统一电机理论提出了原型电机概念，分析了原型电机基础电磁关系，并研究了原型电机和其它多种实际电机之间联络，研究表明任何电机数学模型全部能够从原型电机中导出，并统一求解，这是电机理论一个重大发展。2. 电机常见坐标系统有哪多个？分别画出它们坐标轴矢量图。答：电机常见坐标系统可分为两大类，即静止坐标变换：这类变换是在两个静止坐标系统中进行，最常见是在A-B-C三相坐标系统和-0两相静止坐标系统之间变换，称为3/2变换和2/3变换，以下图所表示：旋转坐标变换：这类变换是在静止坐标系统和旋转坐标系统之间进行，旋转坐标轴旋转速度能够是电机转子转速或同时转速，也能够是任意转速。这类系统经典代表是d-q-0坐标系统，以下图所表示： 3. 在电机坐标变换时，功率不变约束条件下变换式和合成磁动势不变约束条件下变换式哪些是相同？哪些是不一样？不一样变换式有什么不一样？答：坐标变换是一个线性变换，如无约束，变换就不是唯一。在电机系统分析中，通常采取两种标准作为坐标变换约束条件：1）功率不变标准，即变换前后电机功率保持不变；2）合成磁动势不变约束，即变换前后电机合成磁动势保持不变。 假如是两相静止坐标系和两相旋转坐标系之间变换，则功率不变约束条件下变换式和合成磁动势不变约束条件下变换式是相同。而假如是三相静止坐标系和两相静止或两相旋转坐标系之间变换，则功率不变约束条件下变换式和合成磁动势不变约束条件下变换式是不一样，比如A-B-C三相静止坐标系和d-q-0两相旋转坐标系在功率不变约束条件下变换式为在合成磁动势不变约束条件下变换式则为4. 写出静止三相坐标系和静止两相坐标系、和静止两相坐标系和旋转两相坐标系之间坐标变换式。解：静止三相坐标系和静止两相坐标系之间坐标变换式静止两相坐标系和旋转两相坐标系之间坐标变换式5. 试分别建立并励和串励直流电动机数学模型。解：和第一个原型电机相比较，可直接得到她励直流电动机电压平衡方程式中，。 转子运动方程为式中，电磁转矩。上面两式就组成了她励直流电动机数学模型。为简便起见，在实际使用时往往忽略赔偿绕组C和阻尼系数Dw作用，即有对于并励直流电动机，电枢电压等于励磁电压，即补充条件；对于串励直流电动机，电枢电流等于励磁电流，即补充条件。6. 试导出直轴和交轴方向上各有一个阻尼绕组电励磁同时电动机电压平衡方程和电磁转矩计算公式。解：和第一个原型电机相比较，可直接写出带阻尼绕组电励磁同时电动机电压平衡方程式中，。定子两个绕组电阻是相等，即；而运动电动势系数之间关系为，所以上式能够写为式中，电角速度。电磁转矩为第3章 直流传动控制系统1. 晶闸管-电动机系统（V-M系统）存在哪些问题？答：因为采取电力电子变流器，给直流电动机控制带来部分新问题，尤其是晶闸管-电动机系统（图3-1）存在以下两个关键问题：1）系统机械特征变异问题（电流断续）；2）能量回馈问题（晶闸管单向导电性）。2. 引入转速负反馈后，为何能改善系统性能？试分析比较开环和闭环系统，在哪些方面能够改善系统性能？答：开环调速系统虽能实现一定范围内无级调速，不过其额定速降很大，往往不能满足生产工艺要求。为了克服开环系统不足，依据自动控制原理，反馈控制闭环系统是按被调量偏差进行控制系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差作用。因为转速降落正是由负载引发转速偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大降低转速降落。为此引入转速反馈，组成转速反馈控制闭环直流调速系统（图3-5、图3-6）。 比较开环系统机械特征和闭环系统静特征，能够看出转速反馈闭环控制优越性：1）闭环系统静特征能够比开环系统机械特征硬得多。2）闭环系统静差率要比开环系统小得多。3）假如所要求静差率一定，则闭环系统能够大大提升调速范围。3. 转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机转速？为何？假如给定电压不变，调整测速反馈电压分压比是否能够改变转速？为何？假如测速发电机励磁发生了改变，系统有没有克服这种干扰能力？答：转速单闭环调速系统能够取得比开环调速系统硬得多稳态特征，从而在确保一定静差率要求下，能够提升调速范围，为此所需付出代价是，需增设电压放大器和检测和反馈装置。改变给定电压能够改变电动机转速，因为反馈控制系统作用是：抵御扰动，服从给定。假如给定电压不变，调整测速反馈电压分压比能够改变转速，因为改变反馈电压分压比，就相当于改变了反馈系数，而。假如测速发电机励磁发生了改变，系统没有克服这种干扰能力，因为该改变不是被反馈所包围扰动，闭环系统对此没有抑制能力，以下图所表示。4. 在转速负反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测速发电机励磁各量发生改变时，全部会引发转速改变，问系统对上述各量有没有调整能力？为何？ 答：反馈控制系统规律是：首先能够有效地抑制一切被包围在负反馈内前向通道上扰动作用；其次，则紧紧地跟随给定作用，对给定信号任何改变全部是唯命是从。如上图所表示，在转速负反馈调速系统中，系统对电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻各量发生改变时所引发转速改变有调整能力，而对测速发电机励磁改变没有调整作用。5. 有一V-M调速系统，电动机参数为：，电枢电阻，整流装置内阻，触发整流步骤放大倍数。要求系统满足调速范围，静差率。(1) 计算开环系统静态速降和调速要求所许可闭环静态速降。(2) 采取转速负反馈组成闭环系统，试画出系统原理图和静态结构框图。(3) 调整该系统参数，使当初，则转速负反馈系数应该是多少？(4) 计算放大器所需放大倍数。解：(1) (2) 系统原理图： 静态结构框图（稳态结构图）：(4) 闭环系统开环放大系数 依据闭环系统静特征方程，可得放大器所需放大倍数为(3) 依据，可得转速负反馈系数为 6. 为何用积分控制调速系统是无静差？在转速单闭环调速系统中，当I调整器输入偏差电压时，调整器输出电压是多少？它取决于哪些原因？答：用积分控制调速系统不只靠偏差而且靠偏差积累来控制，只要输入偏差电压，积分控制就使得逐步积累，所以转速就要改变；只有到时，不再改变，转速才稳定下来，所以是无静差。当输入偏差电压时，积分调整器输出电压是一个定值，这个电压大小取决于稳态转速（即给定电压和转速负反馈系数）、负载电流、主回路电阻、触发整流步骤放大倍数等，以下式所表示：，7. 为何要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈？在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR和ACR各起什么作用？答：采取PI调整转速单闭环直流调速系统能够在确保系统稳定前提下实现转速无静差。不过，因为转速单闭环系统无法对电流和转矩实施控制，所以存在起动电流限制问题。假如对系统动态性能要求较高，比如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，转速单闭环系统就难以满足需要。为了实现在许可条件下最快起动，关键是要取得一段使电流保持为最大值恒流过程（图3-13）。根据反馈控制规律，采取某个物理量负反馈就能够保持该量基础不变，即采取电流负反馈应该能够得到近似恒流过程，所以要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈。在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR和ACR分别作用为：1）转速调整器ASR作用： ASR是调速系统主导调整器，它使转速很快地跟随给定电压改变，稳态时可减小转速误差，假如采取PI调整器，则可实现无静差。 对负载改变起抗扰作用。 其输出限幅值决定电动机许可最大电流。2）电流调整器ACR作用： 作为内环调整器，在转速外环调整过程中，它作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调整器输出量）改变。 对电网电压波动起立即抗扰作用。 在转速动态过程中，确保取得电机许可最大电流，从而加紧动态过程。 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流最大值，起快速自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统可靠运行来说是十分关键。 8试从下述五个方面来比较转速、电流双闭环调速系统和带电流截止步骤转速单闭环调速系统：（1）调速系统静态特征；（2）动态限流性能；（3）起动快速性；（4）抗负载扰动性能；（5）抗电源电压波动性能。答：*（1）调速系统静态特征：双环系统稳态运行时无静差，当电流达成限流值时，呈恒流下坠特征；单环系统假如也用PI调整器，也能够做到稳态无静差，但电流截止后静特征较软。（2）动态限流性能：双环系统动态限流性能靠近于方波恒流，而单环系统动态限流性能要差得多。（3）起动快速性：突加较大给定电压时，双环系统起动过程要比单环系统快得多。（4）抗负载扰动性能：双环系统和单环系统抵御负载扰动性能差不多，其调整作用快慢视具体参数而定。(5) 抗电源电压波动性能：双环系统内环能立即抑制电源电压波动影响，调整速度快，而单环系统较慢。 9. 在转速、电流双闭环调速系统中，ASR、ACR均采取PI调整器。已知参数：电动机：，电枢回路总电阻，设，电枢回路最大电流，电力电子变换器放大系数。试求：(1) 电流反馈系数和转速反馈系数；(2) 当电动机在最高转速发生堵转时、值。解：(1) 电流反馈系数 转速反馈系数(2) 当电动机发生堵转时，ASR快速处于饱和状态，其输出（即ACR输入）达成限幅值，所以 ，（ACR不饱和），10对于需要高于直流电动机额定转速运行场所，怎样采取电压和磁场配合控制？试分析两种控制方法转矩和功率特征。答：*因为直流电动机许可弱磁调速范围有限，通常电动机不超出2：1，专用“调速电动机”也不过是3：1或4：1。其次，变压调速即使调速范围较广，但也不宜在基速以上调速。所以，当负载要求调速范围更大时，需要采取变压和弱磁配合控制策略：1）在基速以下保持磁通为额定值不变，只调整电枢电压；2）在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速。采取配合控制策略系统特征图3-20所表示，其中：横坐标为转速，以额定转速为分界线，分为基速以下和基速以上两个区域；纵坐标同时表示电压、磁通、转矩和功率。在基速以下，磁通，伴随电压增大，转速升高，但转矩不变，功率却和电压一样改变；在基速以上，电压保持不变，伴随磁通减小，转速深入增大，但转矩却随磁通一起减小，而功率保持不变。（,）11. 采取两组晶闸管装置反并联供电V-M系统，试分析在四象限运行中，两组整流器工作在整流和逆变状态输出电压极性、电流和功率流向，和电动机运行状态及其机械特征。 答：12试分析逻辑控制无环流可逆系统正向和反向起动和制动过程。画出各参变量动态波形，并说明在每个阶段中ASR和ACR各起什么作用，VF和VR各处于什么状态。答：逻辑控制无环流可逆系统正向动态过程可分为三个关键阶段：1）起动阶段。假如可逆调速系统采取转速、电流双闭环控制方法，其起动过程和不可逆调速系统起动过程相同（图3-18），ASR饱和，由ACR起关键作用，在许可最大电流限制下使转速基础上按线性改变“按时间最优控制”，动态过程响应曲线图3-30中阶段所表示。2）正向运行阶段。ASR退饱和后，进行转速无差调整，系统进入稳态，其响应曲线图3-30阶段。3）正向制动阶段，在这一阶段首先经过VF逆变使电流下降过零，并封锁脉冲使其关闭；然后开通VR，使其建立电流并达成最大电流，此时电动机进入制动阶段，经过反接制动和回馈制动使转速快速下降。假如是停车，则电动机停止运行，其动态过程图3-30阶段。假如还需反向运行，则电动机在转速过零后，继续反向起动，其过程和正向起动相同，响应曲线图3-30阶段。因为两组晶闸管在切换过程中需要延时，以确保可靠换流，这就造成了电流换向死区，图3-30所表示。 第4章 交流传动控制系统1. 何谓交流异步电动机动态等效电路和稳态等效电路？二者之间有何不一样？答：异步电动机在任意旋转d-q坐标系上动态等效电路图4-1所表示。动态等效电路仅仅忽略了空间谐波，并没有忽略时间谐波，所以动态等效电路中电压、电流及磁链能够是任意波形。异步电动机稳态等效电路图4-2所表示。异步电动机稳态等效电路也有和动态等效电路类似假定条件，除此之外，稳态等效电路还忽略了时间谐波。2. 异步电动机变压调速需要何种交流电源？有哪些交流调压方法？答：异步电动机变压调速需要三相交流电源。过去改变交流电压方法多用自耦变压器或带直流励磁绕组饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这些粗笨电磁装置就被晶闸管交流调压器替换了。图4-3给出了一个采取双向晶闸管组成交流调压器（TVC）变压调速系统，其主电路分别用三个双向晶闸管串接在三相电路中。其调压方法通常采取相位控制模式，由调压控制信号经过脉冲触发电路GT控制TVC输出交流电压改变。另外，假如TVC主电路由可关断开关器件组成，可采取斩控方法来调整输出交流电压。3. 异步电动机变压调速开环控制系统和闭环控制系统性能有何不一样？答：一般异步电动机变压调速时，调速范围很窄，采取高转子电阻力矩电动机即使能够增大调速范围，但其机械特征又变软，所以当负载改变时转速波动很大。由此说明，开环控制极难处理这些问题，为了提升调速精度需要采取闭环控制。 异步电动机变压调速闭环控制系统结构图4-6所表示，假如采取PI调整器，能够做到无静差调速，其不一样于直流电动机变压调速闭环控制系统地方在于：静特征左右两边全部有极限，不能无限延长，它们是额定电压下机械特征和最小输出电压下机械特征。当负载改变时，假如电压调整到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统工作点只能沿着极限开环特征改变。 4. 从异步电动机等效电路分析变压变频调速有哪多个控制模式？其各自机械特征有何不一样？ 答：异步电动机调速应考虑一个关键原因，就是期望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。这是因为假如磁通太弱，没有充足利用铁心；假如过分增大磁通，又会使铁心饱和。不过，不一样于她励直流电动机励磁回路独立，易于保持其恒定，怎样在异步电动机控制中保持磁通恒定是实现变频变压调速先决条件。考虑到三相异步电动机定子每相电动势有效值和定子频率和每极气隙磁通积成正比，即有只要控制好和，便可达成控制磁通目标。对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况： （1）基频以下恒磁通调速在基频以下调速时，依据上式，要保持不变，当定子频率从额定值向下调整时，必需同时降低，使二者同百分比下降，即应采取电动势频率比为恒值控制方法。然而，从图4-15所表示笼型转子异步电动机等效电路可见，绕组中感应电动势是难以直接控制，为达成这一目标有三种控制模式：1）恒压频比控制模式分析图4-15等效电路能够发觉，当电动机电动势值较高时，能够忽略定子绕组漏磁阻抗压降，从而认为定子相电压，所以能够采取恒压频比控制模式，即有，其机械特征图4-17所表示。因为电磁转矩和定子电压平方正比，伴随电压和频率降低，电动机输出转矩有较大降低，所以在低频时需要加定子电压赔偿。不过即便如此，恒压频比控制模式在低频时带负载能力仍然有限，使其调速范围受到限制并影响系统性能。2）恒定子电动势频比控制模式再次分析图4-15等效电路能够发觉，假如能够提升定子电压以完全赔偿定子阻抗压降，就能实现恒定子电动势频比控制模式，即有，其机械特征图4-18所表示。可见，最大电磁转矩因保持恒值而不变，而特征曲线从额定曲线平行下移，这说明采取恒控制模式系统稳态性能优于恒控制模式。3）恒转子电动势频比控制模式深入研究图4-15等效电路，能够设想假如能够经过某种方法直接控制转子电动势，使其根据恒转子电动势频比进行控制，即有。当采取这种控制模式时，异步电动机机械特征将是一条下斜直线（图4-19），可取得和直流电动机相同稳态性能。这也正是高性能交流调速系统想要达成目标。比较以上三种控制模式，显然恒控制模式最轻易实现，但系统性能通常，调速范围有限，适适用于对调速要求不太高场所，如风机、水泵节能控制等；恒控制模式因其定子压降得到完全赔偿，在调速过程中最大电磁转矩保持不变，系统性能优于前者，但其机械特征还是非线性，输出转矩能力仍受一定限制；恒控制模式能取得和直流电动机一样线性机械特征，其动静态性能优越，适适用于多种高性能要求电力传动场所，但其控制相对复杂。 （2）基频以上恒压变频调速在基频以上变频调速时，因为定子电压不宜超出其额定电压，所以通常需采取不变控制策略。当角频率提升时，同时转速随之提升，最大转矩减小，机械特征上移，而形状基础不变，图4-20所表示。因为频率提升而电压不变，气隙磁通势必减弱，造成转矩减小，但转速却升高了，能够认为输出功率基础不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速（图4-21）。5. 交流调速矢量控制系统基础思想是什么？为何采取矢量控制能够使交流调速系统达成和直流调速系统相当性能？答：由图4-25所表示异步电动机电流解耦模型可见，经过坐标变换、主磁链按转子磁链定向等计算处理，一个异步电动机在模型上被等效为直流电动机，而且该等效直流电动机磁通和转矩是分离，能够分别进行单独控制。这么，就能够按直流电动机控制思绪来控制交流电动机，并实现磁通和转矩（转速）解耦控制。这就是交流调速矢量控制系统基础思想。假如能保持转子磁链恒定，则电磁转矩就由定子电流转矩分量控制，这和直流电动机转矩由电枢电流控制相仿。这就是为何采取矢量控制能够使交流调速系统达成和直流调速系统相当性能根本原因。6. 交流调速直接转矩控制系统基础思想是什么？试分析比较矢量控制系统和直接转矩控制系统各有何特点。答：直接转矩控制系统基础思想是在静止两相坐标系上控制订子磁链和转矩，这么省略了旋转坐标变换，并采取Bang-Bang控制器替换转矩和磁链调整器，以加速系统转矩动态响应。二者全部采取转矩（转速）和磁链分别控制，但二者在控制性能上各有千秋：矢量控制（VC）系统强调和解耦，有利于分别设计转速和磁链调整器；实施连续控制，能够取得较宽调速范围；但按定向受电动机转子参数改变影响，降低了系统鲁棒性。直接转矩控制（DTC）系统则实施和砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制订子磁链而不是转子磁链，不受转子参数改变影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。7. 怎样实现异步电动机双馈控制？分析低同时速和超同时速运行时转差功率流向和控制模式。8. 同时电动机有哪两种基础控制方法？其关键区分在何处？答：同时电动机基础控制方法有她控式和自控式两种，其关键区分为：她控变频调速同时电动机采取独立变压变频器给定子供电，并由专门晶闸管整流器提供直流给转子励磁。自控变频同时电动机调速有PWM变频器供电，用电动机轴上所带转子位置检测器提供信号来控制PWM变频器换相时刻。因为其换相类似和直流电动机中电刷和换向器作用，通常称为无换向器电机调速或无刷直流电动机调速。9. 梯形波永磁同时电动机自控变频调速系统和正弦波永磁同时电动机自控变频调速系统在组成原理上有什么区分？ 10. 某交流变压调速系统，其系统结构图4-8所表示，已知：异步电动机稳态模型参数为，；交流调压器参数为，；转速反馈步骤参数为，。试设计转速调整器，使闭环系统稳定，并达成动态超调量小和稳态无静差要求。第5章 电力传动控制系统分析和设计*1. 有一个系统，其控制对象传输函数为，要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量（按线性系统考虑）。试对系统进行动态校正，决定调整器结构，并选择其参数。2. 有一个闭环系统，其控制对象传输函数为，要求校正为经典型系统，在阶跃输入下系统超调量（按线性系统考虑）。试决定调整器结构，并选择其参数。3. 调整对象传输函数为， 要求用调整器分别将其校正为经典型和型系统，求调整器结构和参数。4. 已知某控制对象传输函数为，试在MATLAB/Simulink环境下搭建其PID控制系统仿真模块，并经过仿真确定其PID调整器适宜参数。5. 在一个由三相零式晶闸管整流装置供电转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机额定数据为：，电动势系数，主回路总电阻，触发整流步骤放大倍数。电磁时间常数，机电时间常数，电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。额定转速时给定电压，调整器ASR、ACR饱和输出电压，。系统静、动态指标以下：稳态无静差,调速范围，电流超调量，空载起动到额定转速时转速超调量。试求：（1）确定电流反馈系数（假设起动电流限制在339A以内)和转速反馈系数；（2）试设计电流调整器ACR，计算其参数，画出其电路图。调整器输入电路电阻；（3）设计转速调整器ASR，计算其参数 ()；（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时转速超调量；（5）计算空载起动到额定转速时间。