电力传动控制系统运动控制系统习题解答.doc

电力传动控制系统运动控制系统（习题解答）第1章 电力传动控制系统的基本结构与组成1第2章 电力传动系统的模型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 电力传动控制系统的分析与设计*38第1章 电力传动控制系统的基本结构与组成1. 根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。 答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的重要动力装置。电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），通过一定的解决给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、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照相应的控制规定运动，故又称为运动控制系统。虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。电力传动系统能否经济可靠地运营，对的选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。应根据生产工艺和设备对驱动的规定，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过度析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。2）变流技术研究。电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。3）系统的状态检测方法。状态检测是构成系统反馈的关键，根据反馈控制原理，需要实时检测电力传动控制系统的各种状态，如电压、电流、频率、相位、磁链、转矩、转速或位置等。因此，研究系统状态检测和观测方法是提高其控制性能的重要课题。4）控制策略和控制器的设计。任何自动控制系统的核心都是对控制方法的研究和控制策略的选择，电力传动控制系统也不例外。根据生产工艺规定，研发或选择适当的控制方法或策略是实现电力传动自动控制系统的重要问题。2直流电动机有几种调速方法，其机械特性有何差别？答：直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系为考虑到他励直流电动机电枢电流与电磁转矩的关系，可以将其机械特性写成如下形式：式中称作抱负空载转速，为机械特性的斜率。由上式可知，有以下三种调节直流电动机转速的方法：1）改变电枢回路电阻（图1-2）。2）减弱励磁磁通（图1-3）。3）调节电枢供电电压（图1-4）。比较三种调速方法可知，改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然可以平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，实现一定范围内的弱磁升速；调节电枢供电电压的方式既能连续平滑调速，又有较大的调速范围，且机械特性也很硬。因此，直流调速系统往往以变压调速为主，仅在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。3. 从异步电动机转差功率的角度，可把交流调速系统提成哪几类？并简述其特点。答：异步电动机按其转子构造可分为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机，可以根据实际应用规定选择电动机。异步电动机的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的由来。此外，通过改变定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻或外接可变电源可以改变转差率来实现异步电动机的转速调节。为更科学地进行分类，按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率可提成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率成正比。从能量转换的角度看，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的标志。从这点出发，又可以把异步电动机的调速系统提成三类： 1）转差功率消耗型。调速时所有转差功率都转换成热能消耗掉，它是以增长转差功率的消耗来换取转速的减少（恒转矩负载时），这类调速方法的效率最低，越向下调效率越低。2）转差功率馈送型。调速时转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机械能予以运用，转速越低时回收的功率越多，其效率比前者高。3）转差功率不变型。这类调速方法无论转速高低，转速降都保持不变，并且很小，因而转差功率的消耗基本不变且很小，其效率最高。目前通常采用笼型转子异步电动机实现低于同步转速的调速，调速方法可选择定子变压调速、定子变压变频调速等方案；当需要高于同步转速运营或其他特殊应用场合时，则需采用绕线转子异步电动机，通过定子和转子实行双馈调速。4. 运用电力电子器件，可以构成哪几种直流输出变换器？试简述各自的基本拓扑结构和换流模式。答：运用电力电子器件，可以构成相控整流器、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. 试简述交流变频器的分类，分析比较各自的特点。 答：由于高性能的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，因此，交流输出变流器是一种变压变频装置，通常称为变频器。目前，交流输出变换器重要有交-直-交变频器和交-交变频器两大类： （1）交-直-交变频器交-直-交变频器的基本原理是：一方面将交流电通过整流器变成直流电，然后再通过逆变器变成交流电。由于中间直流环节的存在，故而称为交-直-交变频器，又可称为间接式的变压变频器。目前，有多种方式实现交-直-交变频器的电能变换，重要应用于电力传动控制系统的有下面四种方式：1）采用相控整流器与六拍逆变器组成的交-直-交变频器（图1-11、图1-13）。六拍变流器的优点是：在整流环节进行调压控制，在逆变环节进行调频控制，两种控制分开实现，概念清楚，控制简便。但由于初期采用晶闸管整流和逆变，带来了如下局限性： 假如采用晶闸管相控整流，在交流输入端导致网侧功率因数低和高次谐波大的问题； 六拍逆变器由于晶闸管的工作频率的限制，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变频器的调制方法重要涉及正弦波脉宽调制（SPWM）、消除指定次数谐波的PWM控制（SHEPWM）、PWM跟踪控制、电压空间矢量PWM（SVPWM）等。PWM变频器的优点如下： 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的，通过它同时调节电压和频率，结构简朴。采用全控型的功率开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简朴，效率高。 输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运营的低次谐波受到很大的克制，因而转矩脉动小，提高了系统的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环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。3) 双PWM变频器（图1-26）。双PWM变频器的特点是： 可方便的实现四象限运营； 采用PWM整流控制，可任意调节网侧功率因数，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）。多电平逆变器的优点重要有： 多电平逆变电路对器件的耐压规定不高，其开关器件所承受的关断电压由所串联的各开关器件分担； 多电平逆变器输出的负载相电压为多电平的阶梯波，相对于两电平电路其输出波形阶梯增多，其形状更接近于正弦波，且阶梯波调制时，开关损耗小，效率高； 多电平逆变器随着输出电平数的增长，各电平幅值变化减少，这就使得它对外围电路的干扰小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小。在开关频率相同的条件下，谐波比两电平要小得多。（2）交-交变频器（图1-28、图1-30）。与交-直-交变频器相比，交-交变频器的优点是： 采用电网自然换流，由一次换流即可实现变压变频，换流效率高； 能量回馈方便，容易实现四象限运营； 低频时输出波形接近正弦。但是，交-交变频器也存在一些缺陷： 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； 由于采用相控整流，功率因数低。 6有哪些转速检测方法？如何获得数字转速信号？答：常用的转速检测传感器有测速发电机、旋转编码器等。测速发电机输出的是转速的模拟量信号；旋转编码器则为数字测速装置。转速检测传感器输出的模拟信号先通过信号调节器，进行放大、电平转换、滤波、阻抗匹配、调制和解调等信号解决过程，然后进行A/D转换，实现模拟信号到数字信号的转换，涉及离散化和数字化。离散化是以一定的采样频率对模拟信号进行采样，即在固定的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，用一组数码来逼近离散的模拟信号的幅值，逼近限度由A/D芯片的位数来决定。7. 调速范围和静差率的定义是什么? 调速范围与静态速降和最小静差率之间有什么关系? 为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”？答：生产机械规定电动机提供的最高转速和最低转速之比，称为调速范围，用字母来表达，即式中，和一般都指电动机额定负载时的最高转速和最低转速。当系统在某一转速下运营时，负载由抱负空载增长到额定值时所相应的转速降落与抱负空载转速之比，称为静差率，用字母来表达，即静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度就越高。调速范围、静态速降和最小静差率之间的关系为调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才故意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低，静差率就越大。假如低速时的静差率能满足设计规定，则高速时的静差率就更满足规定了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达成的数值为准。所以说，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。8. 试简述PID控制器中，比例、积分和微分环节各自的作用，并分析其特性。答：PID控制器中各校正环节的作用如下（图1-49）：1）比例环节对偏差进行放大，产生与偏差成正比的控制信号，施加于被控对象，以减少偏差。2）积分环节通过对偏差历史的累积，产生控制信号以消除偏差，可实现系统的无差调节。越大，积分作用越大，有助于减小误差，但减慢系统响应。3）微分环节能反映偏差的变化率，具有加速系统响应，减小调节时间的作用。实际应用时，可根据系统需求选择所有或部分校正环节组成具有不同功能的调节器，如P调节器、I调节器、PI调节器、PD调节器等9某闭环调速系统的调速范围是1500r/min150r/min，规定系统的静差率 ，那么系统允许的静态速降是多少？ 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起的转速降，（1）规定静差率，求系统的调速范围；（2）假如规定，则其静差率允许的为多少?（3） 假如规定，则允许的转速降落为多少?解：（1） (2) 由，得(3) 第2章 电力传动系统的模型1. 简述坐标变换与统一电机理论的意义。答：坐标变换是一种线性变换，对电动机作系统分析时，所用的坐标变换，不仅可以将坐标系统扩展为维空间，还可以将原坐标变换到另一个旋转平面上的坐标，或者由笛卡儿平面坐标变换到复平面坐标。这些理论与方法都是针对电机这种复杂的机电系统所做出的对策，在电机学科的发展史上具有划时代的重要意义。直流电机的数学模型比较简朴，交流电机的数学模型就相对复杂得多，并且由于其种类繁多，假如根据电机理论，按不同的电机结构建立各自的电路和磁路方程，则所建立的方程将形式各异，比较复杂。统一电机理论提出了原型电机的概念，分析了原型电机的基本电磁关系，并研究了原型电机与其他各种实际电机之间的联系，研究表白任何电机的数学模型都可以从原型电机中导出，并统一求解，这是电机理论的一个重大发展。2. 电机常用的坐标系统有哪几种？分别画出它们的坐标轴矢量图。答：电机常用的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的坐标系统中进行，最常用的是在A-B-C三相坐标系统与-0两相静止坐标系统之间的变换，称为3/2变换和2/3变换，如下图所示：旋转坐标变换：这类变换是在静止的坐标系统与旋转的坐标系统之间进行，旋转坐标轴的旋转速度可以是电机转子的转速或同步转速，也可以是任意转速。这类系统的典型代表是d-q-0坐标系统，如下图所示： 3. 在电机坐标变换时，功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式哪些是相同的？哪些是不同的？不同的变换式有什么不同？答：坐标变换是一种线性变换，如无约束，变换就不是唯一的。在电机的系统分析中，通常采用两种原则作为坐标变换的约束条件：1）功率不变原则，即变换前后电机的功率保持不变；2）合成磁动势不变约束，即变换前后电机的合成磁动势保持不变。 假如是两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的变换，则功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式是相同的。而假如是三相静止坐标系与两相静止或两相旋转坐标系之间的变换，则功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式是不同的的，例如A-B-C三相静止坐标系与d-q-0两相旋转坐标系在功率不变约束条件下的变换式为在合成磁动势不变约束条件下的变换式则为4. 写出静止三相坐标系与静止两相坐标系、以及静止两相坐标系与旋转两相坐标系之间的坐标变换式。解：静止三相坐标系与静止两相坐标系之间的坐标变换式静止两相坐标系与旋转两相坐标系之间的坐标变换式5. 试分别建立并励与串励直流电动机的数学模型。解：与第一种原型电机相比较，可直接得到他励直流电动机的电压平衡方程式中，。 转子运动方程为式中，电磁转矩。上面两式就构成了他励直流电动机的数学模型。为简便起见，在实际使用时往往忽略补偿绕组C和阻尼系数Dw的作用，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的电励磁同步电动机的电压平衡方程与电磁转矩计算公式。解：与第一种原型电机相比较，可直接写出带阻尼绕组的电励磁同步电动机的电压平衡方程式中，。定子两个绕组的电阻是相等的，即；而运动电动势系数之间的关系为，所以上式可以写为式中，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：由于采用电力电子变流器，给直流电动机控制带来一些新的问题，特别是晶闸管-电动机系统（图3-1）存在以下两个重要问题：1）系统机械特性的变异问题（电流断续）；2）能量回馈问题（晶闸管的单向导电性）。2. 引入转速负反馈后，为什么能改善系统性能？试分析比较开环和闭环系统，在哪些方面可以改善系统性能？答：开环调速系统虽能实现一定范围内的无级调速，但是其额定速降很大，往往不能满足生产工艺规定。为了克服开环系统的局限性，根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。由于转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统应当可以大大减少转速降落。为此引入转速反馈，组成转速反馈控制的闭环直流调速系统（图3-5、图3-6）。 比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，可以看出转速反馈闭环控制的优越性：1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多。3）假如所规定的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。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的转速？为什么？假如给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比是否可以改变转速？为什么？假如测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？答：转速单闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的规定下，可以提高调速范围，为此所需付出的代价是，需增设电压放大器以及检测与反馈装置。改变给定电压可以改变电动机的转速，由于反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。假如给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比可以改变转速，由于改变反馈电压的分压比，就相称于改变了反馈系数，而。假如测速发电机的励磁发生了变化，系统没有克服这种干扰的能力，由于该变化不是被反馈所包围的扰动，闭环系统对此没有克制能力，如下图所示。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变化时，都会引起转速的变化，问系统对上述各量有无调节能力？为什么？ 答：反馈控制系统的规律是：一方面可以有效地克制一切被包围在负反馈内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。如上图所示，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、电枢电阻各量发生变化时所引起的转速变化有调节能力，而对测速发电机励磁的变化没有调节作用。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，触发整流环节的放大倍数。规定系统满足调速范围，静差率。(1) 计算开环系统的静态速降和调速规定所允许的闭环静态速降。(2) 采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。(3) 调整该系统参数，使当时，则转速负反馈系数应当是多少？(4) 计算放大器所需的放大倍数。解：(1) (2) 系统原理图： 静态结构框图（稳态结构图）：(4) 闭环系统的开环放大系数 根据闭环系统的静特性方程，可得放大器所需的放大倍数为(3) 根据，可得转速负反馈系数为 6. 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当I调节器的输入偏差电压时，调节器的输出电压是多少？它取决于哪些因素？答：用积分控制的调速系统不只靠偏差并且靠偏差的积累来控制，只要输入偏差电压，积分控制就使得逐渐积累，因而转速就要变化；只有届时，不再变化，转速才稳定下来，因而是无静差的。当输入偏差电压时，积分调节器的输出电压是一个定值，这个电压的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、触发整流环节的放大倍数等，如下式所示：，7. 为什么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：采用PI调节的转速单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，由于转速单闭环系统无法对电流和转矩实行控制，因而存在起动电流的限制问题。假如对系统的动态性能规定较高，例如规定快速起制动，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。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程（图3-13）。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，即采用电流负反馈应当可以得到近似的恒流过程，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的分别作用为：1）转速调节器ASR的作用： ASR是调速系统的主导调节器，它使转速不久地跟随给定电压的变化，稳态时可减小转速误差，假如采用PI调节器，则可实现无静差。 对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2）电流调节器ACR的作用： 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运营来说是十分重要的。 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环节的转速单闭环调速系统：（1）调速系统的静态特性；（2）动态限流性能；（3）起动的快速性；（4）抗负载扰动的性能；（5）抗电源电压波动的性能。答：*（1）调速系统的静态特性：双环系统稳态运营时无静差，当电流达成限流值时，呈恒流的下坠特性；单环系统假如也用PI调节器，也可以做到稳态无静差，但电流截止后静特性较软。（2）动态限流性能：双环系统的动态限流性能接近于方波恒流，而单环系统的动态限流性能要差得多。（3）起动的快速性：突加较大的给定电压时，双环系统的起动过程要比单环系统快得多。（4）抗负载扰动的性能：双环系统和单环系统抵抗负载扰动的性能差不多，其调节作用的快慢视具体参数而定。(5) 抗电源电压波动的性能：双环系统的内环能及时克制电源电压波动的影响，调节速度快，而单环系统较慢。 9. 在转速、电流双闭环调速系统中，ASR、ACR均采用PI调节器。已知参数：电动机：，电枢回路总电阻，设，电枢回路最大电流，电力电子变换器的放大系数。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的、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迅速处在饱和状态，其输出（即ACR的输入）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营的场合，如何采用电压与磁场配合控制？试分析两种控制方式的转矩和功率特性。答：*由于直流电动机允许的弱磁调速范围有限，一般电动机不超过2：1，专用的“调速电动机”也但是是3：1或4：1。另一方面，变压调速虽然调速范围较广，但也不宜在基速以上调速。因此，当负载规定的调速范围更大时，需要采用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，只调节电枢电压；2）在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速。采用配合控制策略的系统特性如图3-20所示，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；纵坐标同时表达电压、磁通、转矩和功率。在基速以下，磁通，随着电压增大，转速升高，但转矩不变，功率却与电压同样变化；在基速以上，电压保持不变，随着磁通减小，转速进一步增大，但转矩却随磁通一起减小，而功率保持不变。（,）11. 采用两组晶闸管装置反并联供电的V-M系统，试分析在四象限运营中，两组整流器的工作在整流和逆变状态的输出电压极性、电流和功率流向，以及电动机的运营状态及其机械特性。 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的过程。画出各参变量的动态波形，并说明在每个阶段中ASR和ACR各起什么作用，VF和VR各处在什么状态。答：逻辑控制无环流可逆系统的正向动态过程可分为三个重要阶段：1）起动阶段。假如可逆调速系统采用转速、电流双闭环控制方法，其起动过程与不可逆调速系统的起动过程相同（图3-18），ASR饱和，由ACR起重要作用，在允许最大电流限制下使转速基本上按线性变化的“准时间最优控制”，动态过程的响应曲线如图3-30中的阶段所示。2）正向运营阶段。ASR退饱和后，进行转速无差调节，系统进入稳态，其响应曲线如图3-30的阶段。3）正向制动阶段，在这一阶段一方面通过VF的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，通过反接制动和回馈制动使转速迅速下降。假如是停车，则电动机停止运营，其动态过程如图3-30的阶段。假如还需反向运营，则电动机在转速过零后，继续反向起动，其过程与正向起动相同，响应曲线如图3-30的阶段。由于两组晶闸管在切换过程中需要延时，以保证可靠换流，这就导致了电流换向死区，如图3-30所示。 第4章 交流传动控制系统1. 何谓交流异步电动机的动态等效电路和稳态等效电路？两者之间有何不同？答：异步电动机在任意旋转d-q坐标系上的动态等效电路如图4-1所示。动态等效电路仅仅忽略了空间谐波，并没有忽略时间谐波，因此动态等效电路中的电压、电流及磁链可以是任意波形。异步电动机的稳态等效电路如图4-2所示。异步电动机稳态等效电路也有与动态等效电路类似的假定条件，除此之外，稳态等效电路还忽略了时间谐波。2. 异步电动机的变压调速需要何种交流电源？有哪些交流调压方法？答：异步电动机的变压调速需要三相交流电源。过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流励磁绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这些笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。图4-3给出了一个采用双向晶闸管组成交流调压器（TVC）的变压调速系统，其主电路分别用三个双向晶闸管串接在三相电路中。其调压方式一般采用相位控制模式，由调压控制信号通过脉冲触发电路GT控制TVC的输出交流电压变化。此外，假如TVC的主电路由可关断的开关器件构成，可采用斩控方式来调节输出交流电压。3. 异步电动机的变压调速开环控制系统和闭环控制系统性能有何不同？答：普通异步电动机变压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电动机虽然可以增大调速范围，但其机械特性又变软，因而当负载变化时转速波动很大。由此说明，开环控制很难解决这些问题，为了提高调速精度需要采用闭环控制。 异步电动机变压调速闭环控制系统结构如图4-6所示，假如采用PI调节器，可以做到无静差调速，其不同于直流电动机变压调速闭环控制系统的地方在于：静特性左右两边都有极限，不能无限延长，它们是额定电压下的机械特性和最小输出电压下的机械特性。当负载变化时，假如电压调节到极限值，闭环系统便失去控制能力，系统的工作点只能沿着极限开环特性变化。 4. 从异步电动机等效电路分析变压变频调速有哪几种控制模式？其各自的机械特性有何不同？ 答：异步电动机调速应考虑的一个重要因素，就是希望保持电动机中每极磁通量为额定值不变。这是由于假如磁通太弱，没有充足运用铁心；假如过度增大磁通，又会使铁心饱和。但是，不同于他励直流电动机励磁回路独立，易于保持其恒定，如何在异步电动机控制中保持磁通恒定是实现变频变压调速的先决条件。考虑到三相异步电动机定子每相电动势的有效值与定子频率和每极气隙磁通的积成正比，即有只要控制好和，便可达成控制磁通的目的。对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况： （1）基频以下的恒磁通调速在基频以下调速时，根据上式，要保持不变，当定子频率从额定值向下调节时，必须同时减少，使两者同比例下降，即应采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，从图4-15所示的笼型转子异步电动机等效电路可见，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，为达成这一目的有三种控制模式：1）恒压频比控制模式分析图4-15的等效电路可以发现，当电动机的电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，从而认为定子相电压，因此可以采用恒压频比的控制模式，即有，其机械特性如图4-17所示。由于电磁转矩与定子电压的平方正比，随着电压和频率的减少，电动机的输出转矩有较大的减少，因此在低频时需要加定子电压补偿。但是即便如此，恒压频比控制模式在低频时带负载的能力仍然有限，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的等效电路可以发现，假如可以提高定子电压以完全补偿定子阻抗的压降，就能实现恒定子电动势频比的控制模式，即有，其机械特性如图4-18所示。可见，最大电磁转矩因保持恒值而不变，而特性曲线从额定曲线平行下移，这说明采用恒控制模式的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进一步研究图4-15的等效电路，可以设想假如可以通过某种方式直接控制转子电动势，使其按照恒转子电动势频比进行控制，即有。当采用这种控制模式时，异步电动机的机械特性将是一条下斜的直线（如图4-19），可获得与直流电动机相同的稳态性能。这也正是高性能交流调速系统想要达成的目的。比较以上三种控制模式，显然恒控制模式最容易实现，但系统性能一般，调速范围有限，合用于对调速规定不太高的场合，如风机、水泵的节能控制等；恒控制模式因其定子压降得到完全补偿，在调速过程中最大电磁转矩保持不变，系统性能优于前者，但其机械特性还是非线性的，输出转矩的能力仍受一定限制；恒控制模式能获得与直流电动机同样的线性机械特性，其动静态性能优越，合用于各种高性能规定的电力传动场合，但其控制相对复杂。 （2）基频以上的恒压变频调速在基频以上变频调速时，由于定子电压不宜超过其额定电压，因此一般需采用不变的控制策略。当角频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图4-20所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速却升高了，可以认为输出功率基本不变。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的基本思想是什么？为什么采用矢量控制可以使交流调速系统达成与直流调速系统相称的性能？答：由图4-25所示的异步电动机电流解耦模型可见，通过坐标变换、主磁链按转子磁链定向等计算解决，一个异步电动机在模型上被等效为直流电动机，并且该等效直流电动机的磁通和转矩是分离的，可以分别进行单独控制。这样，就可以按直流电动机的控制思绪来控制交流电动机，并实现磁通和转矩（转速）的解耦控制。这就是交流调速矢量控制系统的基本思想。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，这与直流电动机的转矩由电枢电流控制相仿。这就是为什么采用矢量控制可以使交流调速系统达成与直流调速系统相称性能的主线因素。6. 交流调速直接转矩控制系统的基本思想是什么？试分析比较矢量控制系统与直接转矩控制系统各有何特点。答：直接转矩控制系统的基本思想是在静止两相坐标系上控制定子磁链和转矩，这样省略了旋转坐标变换，并采用Bang-Bang控制器取代转矩和磁链调节器，以加速系统的转矩动态响应。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，但两者在控制性能上各有千秋：矢量控制（VC）系统强调与的解耦，有助于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可以获得较宽的调速范围；但按定向受电动机转子参数变化的影响，减少了系统的鲁棒性。直接转矩控制（DTC）系统则实行与砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；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. 如何实现异步电动机的双馈控制？分析低同步速与超同步速运营时的转差功率流向和控制模式。8. 同步电动机有哪两种基本控制方式？其重要区别在何处？答：同步电动机的基本控制方式有他控式和自控式两种，其重要区别为：他控变频调速同步电动机采用独立的变压变频器给定子供电，并由专门的晶闸管整流器提供直流给转子励磁。自控变频同步电动机调速有PWM变频器供电，用电动机轴上的所带的转子位置检测器提供的信号来控制PWM变频器的换相时刻。由于其换相类似与直流电动机中电刷和换向器的作用，一般称为无换向器电机调速或无刷直流电动机调速。9. 梯形波永磁同步电动机自控变频调速系统和正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统在组成原理上有什么区别？ 10. 某交流变压调速系统，其系统结构如图4-8所示，已知：异步电动机稳态模型的参数为，；交流调压器的参数为，；转速反馈环节的参数为，。试设计转速调节器，使闭环系统稳定，并达成动态超调量小和稳态无静差的规定。第5章 电力传动控制系统的分析与设计*1. 有一个系统，其控制对象的传递函数为，规定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，决定调节器结构，并选择其参数。2. 有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为，规定校正为典型型系统，在阶跃输入下系统超调量（按线性系统考虑）。试决定调节器结构，并选择其参数。3. 调节对象的传递函数为， 规定用调节器分别将其校正为典型型和型系统，求调节器的结构与参数。4. 已知某控制对象的传递函数为，试在MATLAB/Simulink环境下搭建其PID控制系统的仿真模块，并通过仿真拟定其PID调节器的合适参数。5. 在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：，电动势系数，主回路总电阻，触发整流环节的放大倍数。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。额定转速时的给定电压，调节器ASR、ACR饱和输出电压，。系统的静、动态指标如下：稳态无静差,调速范围，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。试求：（1）拟定电流反馈系数（假设起动电流限制在339A以内)和转速反馈系数；（2）试设计电流调节器ACR，计算其参数，画出其电路图。调节器输入电路电阻；（3）设计转速调节器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的转速超调量；（5）计算空载起动到额定转速的时间。