電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(習(xí)題解答)

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1、. 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 〔習(xí)題解答〕 第1章電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的根本構(gòu)造與組成1 第2章電力傳動(dòng)系統(tǒng)的模型13 第3章直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)18 第4章交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)30 第5章電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)*38 . > . 第1章 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的根本構(gòu)造與組成 1. 根據(jù)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的根本構(gòu)造，簡(jiǎn)述電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的根本原理和共性問題。 答：電力傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種傳

2、動(dòng)方式，由于電力傳輸和變換的便利，使電力傳動(dòng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械的主要?jiǎng)恿ρb置。電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的根本構(gòu)造如圖1-1所示，一般由電源、變流器、電動(dòng)機(jī)、控制器、傳感器和生產(chǎn)機(jī)械〔負(fù)載〕組成。 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的根本工作原理是，根據(jù)輸入的控制指令〔比方：速度或位置指令〕，與傳感器采集的系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)〔速度、位置、電流和電壓等〕，經(jīng)過一定的處理給出相應(yīng)的反應(yīng)控制信號(hào)，控制器按一定的控制算法或策略輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制變流器改變輸入到電動(dòng)機(jī)的電源電壓、頻率等，使電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)速或位置，再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械按照相應(yīng)的控制要求運(yùn)動(dòng)，故又稱為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 雖然電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，但根據(jù)圖1-1所示的

3、系統(tǒng)根本構(gòu)造，可以歸納出研發(fā)或應(yīng)用電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)所需解決的共性問題： 1〕電動(dòng)機(jī)的選擇。電力傳動(dòng)系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行，正確選擇驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求，選擇適宜的電動(dòng)機(jī)的種類及額定參數(shù)、絕緣等級(jí)等，然后通過分析電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻、工作制、過載能力等進(jìn)展電動(dòng)機(jī)容量的校驗(yàn)。 2〕變流技術(shù)研究。電動(dòng)機(jī)的控制是通過改變其供電電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵(lì)磁電壓的方向，而調(diào)速需要改變電樞電壓或勵(lì)磁電流的大??；交流電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 3〕系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)方

4、法。狀態(tài)檢測(cè)是構(gòu)成系統(tǒng)反應(yīng)的關(guān)鍵，根據(jù)反應(yīng)控制原理，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電力傳動(dòng)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(cè)和觀測(cè)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設(shè)計(jì)。任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心都是對(duì)控制方法的研究和控制策略的選擇，電力傳動(dòng)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?shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要問題。 2．直流電動(dòng)機(jī)有幾種調(diào)速方法，其機(jī)械特性有何差異？ 答：直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為 考慮到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，可以將其機(jī)械特性寫成如下形式： 式中稱

5、作理想空載轉(zhuǎn)速，為機(jī)械特性的斜率。 由上式可知，有以下三種調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法： 1〕改變電樞回路電阻〔圖1-2〕。 2〕減弱勵(lì)磁磁通〔圖1-3〕。 3〕調(diào)節(jié)電樞供電電壓〔圖1-4〕。 比擬三種調(diào)速方法可知，改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，實(shí)現(xiàn)一定圍的弱磁升速；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)速圍，且機(jī)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〕以上作小圍的弱磁升速。 3. 從異步電動(dòng)機(jī)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(jiǎn)述其特點(diǎn)。 答：異步電動(dòng)機(jī)按其轉(zhuǎn)子構(gòu)造可分為

6、籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求選擇電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為 由上式可知，假設(shè)改變供電頻率或改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)則可調(diào)速，這就是變頻調(diào)速和變極對(duì)數(shù)調(diào)速的由來(lái)。另外，通過改變定子電壓、繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻或外接可變電源可以改變轉(zhuǎn)差率來(lái)實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。 為更科學(xué)地進(jìn)展分類，按照交流異步電動(dòng)機(jī)的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩局部：一局部是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功率；另一局部是傳輸給轉(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(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率上下的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，又可以把異步電動(dòng)機(jī)

7、的調(diào)速系統(tǒng)分成三類： 1〕轉(zhuǎn)差功率消耗型。調(diào)速時(shí)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(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低〔恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)〕，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(shí)轉(zhuǎn)差功率的一局部消耗掉，大局部則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低時(shí)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(wú)論轉(zhuǎn)速上下，轉(zhuǎn)速降都保持不變，而且很小，因而轉(zhuǎn)差功率的消耗根本不變且很小，其效率最高。 目前通常采用籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)實(shí)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(yùn)行或其他特殊應(yīng)

8、用場(chǎng)合時(shí)，則需采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，通過定子和轉(zhuǎn)子實(shí)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(jiǎn)述各自的根本拓?fù)錁?gòu)造和換流模式。 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1-6、圖1-7〕。 3〕PWM整流器〔圖1-8〕。 5. 試簡(jiǎn)述交流變頻器的分類，分析比擬各自的特點(diǎn)。 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

9、交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類： 〔1〕交-直-交變頻器 交-直-交變頻器的根本原理是：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(shí)現(xiàn)交-直-交變頻器的電能變換，主要應(yīng)用于電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的有下面四種方式： 1〕采用相控整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(diǎn)是：在整流環(huán)節(jié)進(jìn)展調(diào)壓控制，在逆變環(huán)節(jié)進(jìn)展調(diào)頻控制，兩種控制分開實(shí)現(xiàn)，概念清楚，控制簡(jiǎn)便。但由于早期采用晶閘管整流和逆變，帶來(lái)了如下缺乏： 如果采用晶閘管相

10、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)點(diǎn)如下： 在主電路整流器和逆變器兩個(gè)單元中，只有逆變單元是可控的，通過它同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，構(gòu)造簡(jiǎn)單。采用全控型的功率開關(guān)器件，通過驅(qū)動(dòng)電壓脈沖進(jìn)展控制，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，效率高。 輸出電壓波形雖是一系列的PWM波，但由于采用

11、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(dòng)機(jī)運(yùn)行的低次諧波受到很大的抑制，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速圍和穩(wěn)態(tài)性能。 逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動(dòng)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(dòng)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(diǎn)是： 可方便的實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)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(diǎn)主要有： 多電平逆變

12、電路對(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)外圍電路的干擾小，對(duì)電機(jī)的沖擊小，在開關(guān)頻率附近的諧波幅值也小。在開關(guān)頻率一樣的條件下，諧波比兩電平要小得多。 〔2〕交-交變頻器〔圖1-28、圖1-30〕。 與交-直-交變頻器相比，交-交變頻器的優(yōu)點(diǎn)是： 采用電網(wǎng)自然換流，由一次換流即可實(shí)現(xiàn)變壓變頻，換流效率高； 能量回饋方便，容易實(shí)現(xiàn)四

13、象限運(yùn)行； 低頻時(shí)輸出波形接近正弦。 但是，交-交變頻器也存在一些缺點(diǎn)： 使用晶閘管數(shù)量多，接線復(fù)雜； 輸出頻率圍窄，只能在1/2~1/3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(cè)方法？如何獲得數(shù)字轉(zhuǎn)速信號(hào)？ 答：常用的轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器有測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器等。測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的是轉(zhuǎn)速的模擬量信號(hào)；旋轉(zhuǎn)編碼器則為數(shù)字測(cè)速裝置。 轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器輸出的模擬信號(hào)先經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)器，進(jìn)展放大、電平轉(zhuǎn)換、濾波、阻抗匹配、調(diào)制和解調(diào)等信號(hào)處理過程，然后進(jìn)展A/D轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)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(duì)模擬信號(hào)進(jìn)展采樣，即在

14、固定的時(shí)間間隔上取信號(hào)值。數(shù)字化是將所取得信號(hào)值進(jìn)展數(shù)字量化，用一組數(shù)碼來(lái)逼近離散的模擬信號(hào)的幅值，逼近程度由A/D芯片的位數(shù)來(lái)決定。 7. 調(diào)速圍和靜差率的定義是什么“ 調(diào)速圍與靜態(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(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速圍，用字母來(lái)表示，即 式中，和一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速。 當(dāng)系統(tǒng)在*一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)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(lái)表示，即 靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，

15、它和機(jī)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)速圍、靜態(tài)速降和最小靜差率之間的關(guān)系為 調(diào)速圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過程中，假設(shè)額定速降一樣，則轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)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(shí)所能到達(dá)的數(shù)值為準(zhǔn)。所以說，脫離了調(diào)速圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。 8. 試簡(jiǎn)述PID控制器中，比例、積分和微分環(huán)節(jié)各自的作用，并分析其特性。 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(duì)偏差進(jìn)展放大，產(chǎn)生與偏差成正比

16、的控制信號(hào)，施加于被控對(duì)象，以減少偏差。 2〕積分環(huán)節(jié)通過對(duì)偏差歷史的累積，產(chǎn)生控制信號(hào)以消除偏差，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)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(shí)間的作用。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇全部或局部校正環(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．*閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速圍是1500r/min～150r/min，要求系統(tǒng)的靜差率 ，則系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降是多少？ 解：調(diào)速圍 靜態(tài)速降 10．*直流電動(dòng)機(jī)，其參數(shù)為：，，，，。假設(shè)只考慮電樞電阻引起的轉(zhuǎn)速降，

17、 〔1〕要求靜差率，求系統(tǒng)的調(diào)速圍； 〔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(dòng)系統(tǒng)的模型 1. 簡(jiǎn)述坐標(biāo)變換與統(tǒng)一電機(jī)理論的意義。 答：坐標(biāo)變換是一種線性變換，對(duì)電動(dòng)機(jī)作系統(tǒng)分析時(shí)，所用的坐標(biāo)變換，不僅可以將坐標(biāo)系統(tǒng)擴(kuò)展為維空間，還可以將原坐標(biāo)變換到另一個(gè)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(duì)電機(jī)這種復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)所做出的對(duì)策，在電機(jī)學(xué)科的開展史上具有劃時(shí)代的重要意義。 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比擬簡(jiǎn)單，交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就相對(duì)復(fù)雜得多，而且

18、由于其種類繁多，如果根據(jù)電機(jī)理論，按不同的電機(jī)構(gòu)造建立各自的電路和磁路方程，則所建立的方程將形式各異，比擬復(fù)雜。統(tǒng)一電機(jī)理論提出了原型電機(jī)的概念，分析了原型電機(jī)的根本電磁關(guān)系，并研究了原型電機(jī)與其他各種實(shí)際電機(jī)之間的聯(lián)系，研究說明任何電機(jī)的數(shù)學(xué)模型都可以從原型電機(jī)中導(dǎo)出，并統(tǒng)一求解，這是電機(jī)理論的一個(gè)重大開展。 2. 電機(jī)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(jī)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(gè)靜止的坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)展，最常用的是在A-B-C三相坐標(biāo)系統(tǒng)與α-β-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，如下列圖所示： 旋轉(zhuǎn)

19、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(jìn)展，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度可以是電機(jī)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)，如下列圖所示： 3. 在電機(jī)坐標(biāo)變換時(shí)，功率不變約束條件下的變換式與合成磁動(dòng)勢(shì)不變約束條件下的變換式哪些是一樣的？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(wú)約束，變換就不是唯一的。在電機(jī)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?cè)瓌t，即變換前后電機(jī)的功率保持不變； 2〕合成磁動(dòng)勢(shì)不變約束，即變換前后電機(jī)的合成磁動(dòng)勢(shì)保持不變。 如果是兩相靜止坐標(biāo)

20、系與兩相旋轉(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(dòng)勢(shì)不變約束條件下的變換式是一樣的。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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(lì)與串勵(lì)直流電

21、動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 解：與第一種原型電機(jī)相比擬，可直接得到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程 式中，，，，， ，。 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為 式中，電磁轉(zhuǎn)矩。 上面兩式就構(gòu)成了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。為簡(jiǎn)便起見，在實(shí)際使用時(shí)往往忽略補(bǔ)償繞組C和阻尼系數(shù)Dw的作用，即有 對(duì)于并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電樞電壓等于勵(lì)磁電壓，即補(bǔ)充條件； 對(duì)于串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電樞電流等于勵(lì)磁電流，即補(bǔ)充條件。 6. 試導(dǎo)出直軸和交軸方向上各有一個(gè)阻尼繞組的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程與電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式。 解：與第一種原型電機(jī)相比擬，可直接寫出帶阻尼繞組的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程 式中，，， ，， ， 。

22、 定子兩個(gè)繞組的電阻是相等的，即；而運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)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 直流傳動(dòng)控制系統(tǒng) 1.晶閘管-電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)控制帶來(lái)一些新的問題，特別是晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)〔圖3-1〕存在以下兩個(gè)主要問題： 1〕系統(tǒng)機(jī)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娦浴场? 2. 引入轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)后，為何能改善系統(tǒng)性能？試分析比擬開環(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(shí)現(xiàn)一定圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，但是其額定速降很大，往往不能滿足生產(chǎn)

23、工藝要求。為了克制開環(huán)系統(tǒng)的缺乏，根據(jù)自動(dòng)控制原理，反應(yīng)控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)展控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。由于轉(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)速反應(yīng)，組成轉(zhuǎn)速反應(yīng)控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)〔圖3-5、圖3-6〕。 比擬開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，可以看出轉(zhuǎn)速反應(yīng)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(jī)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)速圍。 3. 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有哪些特點(diǎn)？改變給定電壓

24、能否改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速？為什么？如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測(cè)速反應(yīng)電壓的分壓比是否能夠改變轉(zhuǎn)速？為什么？如果測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變化，系統(tǒng)有無(wú)克制這種干擾的能力？ 答：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)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)速圍，為此所需付出的代價(jià)是，需增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反應(yīng)裝置。 改變給定電壓能夠改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)榉磻?yīng)控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定。 如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測(cè)速反應(yīng)電壓的分壓比能夠改變轉(zhuǎn)速，因?yàn)楦淖兎磻?yīng)電壓的分壓比，就相當(dāng)于改變了反應(yīng)系數(shù)，而。 如果測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變化，系統(tǒng)沒有克制這種干擾的能力，因?yàn)樵撟兓?/p>

25、不是被反應(yīng)所包圍的擾動(dòng)，閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)此沒有抑制能力，如下列圖所示。 4. 在轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流、電樞電阻、測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁各量發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起轉(zhuǎn)速的變化，問系統(tǒng)對(duì)上述各量有無(wú)調(diào)節(jié)能力？為什么？ 答：反應(yīng)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)反應(yīng)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。 如上圖所示，在轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流、電樞電阻各量發(fā)生變化時(shí)所引起的轉(zhuǎn)速變化有調(diào)節(jié)能力，而對(duì)測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)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(dòng)機(jī)參

26、數(shù)為：，，，，電樞電阻，整流裝置阻，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。要求系統(tǒng)滿足調(diào)速圍，靜差率。 (1) 計(jì)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)反應(yīng)組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)的原理圖和靜態(tài)構(gòu)造框圖。 (3) 調(diào)整該系統(tǒng)參數(shù)，使當(dāng)時(shí)，，，則轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)系數(shù)應(yīng)該是多少？ (4) 計(jì)算放大器所需的放大倍數(shù)。 解： (1) (2) 系統(tǒng)原理圖： 靜態(tài)構(gòu)造框圖〔穩(wěn)態(tài)構(gòu)造圖〕： (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)反應(yīng)系數(shù)為 6. 為什么用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差的？在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)

27、調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)I調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓時(shí)，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(lái)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(shí)，不再變化，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定下來(lái)，因而是無(wú)靜差的。 當(dāng)輸入偏差電壓時(shí)，積分調(diào)節(jié)器的輸出電壓是一個(gè)定值，這個(gè)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)反應(yīng)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)反應(yīng)系統(tǒng)中引入電流負(fù)反應(yīng)？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)

28、可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，由于轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)無(wú)法對(duì)電流和轉(zhuǎn)矩實(shí)施控制，因而存在起動(dòng)電流的限制問題。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)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(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程〔圖3-13〕。 按照反應(yīng)控制規(guī)律，采用*個(gè)物理量的負(fù)反應(yīng)就可以保持該量根本不變，即采用電流負(fù)反應(yīng)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)反應(yīng)系統(tǒng)中引入電流負(fù)反應(yīng)。 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： ① ASR是調(diào)速系統(tǒng)的

29、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(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 ②對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 ③其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。 2〕電流調(diào)節(jié)器ACR的作用： ① 作為環(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)器的輸出量〕變化。 ② 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 ③ 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程。 ④ 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說是十分重要的。 8．試從下

30、述五個(gè)方面來(lái)比擬轉(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(dòng)態(tài)限流性能； 〔3〕起動(dòng)的快速性； 〔4〕抗負(fù)載擾動(dòng)的性能； 〔5〕抗電源電壓波動(dòng)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(yùn)行時(shí)無(wú)靜差，當(dāng)電流到達(dá)限流值時(shí)，呈恒流的下墜特性；單環(huán)系統(tǒng)如果也用PI調(diào)節(jié)器，也可以做到穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，但電流截止后靜特性較軟。 〔2〕動(dòng)態(tài)限流性能：雙環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)限流性能接近于方波恒流，而單環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)限流性能要差得多。 〔3〕起動(dòng)的快速性：突加較大的給定電壓時(shí)，雙環(huán)系統(tǒng)的起動(dòng)過程要比單環(huán)系統(tǒng)快得多。 〔4〕抗負(fù)載擾動(dòng)的性

31、能：雙環(huán)系統(tǒng)和單環(huán)系統(tǒng)抵抗負(fù)載擾動(dòng)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(dòng)的性能：雙環(huán)系統(tǒng)的環(huán)能及時(shí)抑制電源電壓波動(dòng)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。參數(shù)：電動(dòng)機(jī)：，，，，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) 電流反應(yīng)系數(shù)和轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)； (2) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)的、、、值。 解： (1) 電流反應(yīng)系數(shù) 轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù) (2)當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，ASR迅速處于飽和狀態(tài)，其輸出〔即ACR的輸入〕到達(dá)限幅值，所以 ，〔A

32、CR不飽和〕 ， 10．對(duì)于需要高于直流電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的場(chǎng)合，如何采用電壓與磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)允許的弱磁調(diào)速圍有限，一般電動(dòng)機(jī)不超過2：1，專用的“調(diào)速電動(dòng)機(jī)〞也不過是3：1或4：1。另一方面，變壓調(diào)速雖然調(diào)速圍較廣，但也不宜在基速以上調(diào)速。因此，當(dāng)負(fù)載要求的調(diào)速圍更大時(shí)，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)速為分界限，分為基速以下和基速以上兩個(gè)區(qū)

33、域；縱坐標(biāo)同時(shí)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(jìn)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(yùn)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及其機(jī)械特性。 答： 12．試分析邏輯控制無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)正向和反向起動(dòng)和制動(dòng)的過程。畫出各參變量的動(dòng)態(tài)波形，并說明在每個(gè)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(wú)環(huán)流可逆系

34、統(tǒng)的正向動(dòng)態(tài)過程可分為三個(gè)主要階段： 1〕起動(dòng)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(dòng)過程與不可逆調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程一樣〔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)速根本上按線性變化的“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制〞，動(dòng)態(tài)過程的響應(yīng)曲線如圖3-30中的階段Ⅰ所示。 2〕正向運(yùn)行階段。ASR退飽和后，進(jìn)展轉(zhuǎn)速無(wú)差調(diào)節(jié)，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其響應(yīng)曲線如圖3-30的階段Ⅱ。 3〕正向制動(dòng)階段，在這一階段首先通過VF的逆變使電流下降過零，并封鎖脈沖使其關(guān)閉；然后開通VR，使其建立電流并到達(dá)最大電流，此時(shí)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入制動(dòng)階段，通過反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)使轉(zhuǎn)速迅速下降。如果是停車

35、，則電動(dòng)機(jī)停頓運(yùn)行，其動(dòng)態(tài)過程如圖3-30的階段Ⅲ。 如果還需反向運(yùn)行，則電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速過零后，繼續(xù)反向起動(dòng)，其過程與正向起動(dòng)一樣，響應(yīng)曲線如圖3-30的階段Ⅳ。由于兩組晶閘管在切換過程中需要延時(shí)，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(dòng)控制系統(tǒng) 1. 何謂交流異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)等效電路？?jī)烧咧g有何不同？ 答：異步電動(dòng)機(jī)在任意旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系上的動(dòng)態(tài)等效電路如圖4-1所示。動(dòng)態(tài)等效電路僅僅忽略了空間諧波，并沒有忽略時(shí)間諧波，因此動(dòng)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(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖4-2所示。異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電

36、路也有與動(dòng)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(shí)間諧波。 2. 異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(lì)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(gè)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(gè)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(hào)通過脈沖觸發(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

37、斬控方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出交流電壓。 3. 異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)變壓調(diào)速時(shí)，調(diào)速圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電動(dòng)機(jī)雖然可以增大調(diào)速圍，但其機(jī)械特性又變軟，因而當(dāng)負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)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(dòng)機(jī)變壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造如圖4-6所示，如果采用PI調(diào)節(jié)器，可以做到無(wú)靜差調(diào)速，其不同于直流電動(dòng)機(jī)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(wú)限延長(zhǎng)，它們是額定電壓下的機(jī)械特性和最小輸出電壓下的機(jī)械特性。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制

38、能力，系統(tǒng)的工作點(diǎn)只能沿著極限開環(huán)特性變化。 4. 從異步電動(dòng)機(jī)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(jī)械特性有何不同？ 答：異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素，就是希望保持電動(dòng)機(jī)中每極磁通量為額定值不變。這是因?yàn)槿绻磐ㄌ酰瑳]有充分利用鐵心；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和。但是，不同于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路獨(dú)立，易于保持其恒定，如何在異步電動(dòng)機(jī)控制中保持磁通恒定是實(shí)現(xiàn)變頻變壓調(diào)速的先決條件?？紤]到三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)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，便可到達(dá)控制磁通的目的。對(duì)此需要考慮基頻〔額定頻率〕以下和基頻以上兩

39、種情況： 〔1〕基頻以下的恒磁通調(diào)速 在基頻以下調(diào)速時(shí)，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(shí)，必須同時(shí)降低，使二者同比例下降，即應(yīng)采用電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)等效電路可見，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，為到達(dá)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(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，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(jī)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，隨著電壓和頻率的降低，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有較大的減少

40、，因此在低頻時(shí)需要加定子電壓補(bǔ)償。但是即便如此，恒壓頻比控制模式在低頻時(shí)帶負(fù)載的能力仍然有限，使其調(diào)速圍受到限制并影響系統(tǒng)性能。 2〕恒定子電動(dòng)勢(shì)頻比控制模式 再次分析圖4-15的等效電路可以發(fā)現(xiàn)，假設(shè)能夠提高定子電壓以完全補(bǔ)償定子阻抗的壓降，就能實(shí)現(xiàn)恒定子電動(dòng)勢(shì)頻比的控制模式，即有，其機(jī)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(dòng)勢(shì)頻比控制模式 進(jìn)一步研究圖4-15的等效電路，可以設(shè)想如果能夠通過*種方式直接控制轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)，使其按照恒轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)頻比進(jìn)展控制，即有。當(dāng)采用這種

41、控制模式時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將是一條下斜的直線〔如圖4-19〕，可獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣的穩(wěn)態(tài)性能。這也正是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)想要到達(dá)的目標(biāo)。 比擬以上三種控制模式，顯然恒控制模式最容易實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)性能一般，調(diào)速圍有限，適用于對(duì)調(diào)速要求不太高的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、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(bǔ)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(jī)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(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，其動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)越，適用于各種高性能要求的電力傳動(dòng)場(chǎng)合，但其控制相對(duì)復(fù)雜。 〔2〕基頻以上的恒壓變頻調(diào)速 在基頻以上變頻調(diào)

42、速時(shí)，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(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，而形狀根本不變，如圖4-20所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢(shì)必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速卻升高了，可以認(rèn)為輸出功率根本不變。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)的根本思想是什么？為何采用矢量控制可以使交流調(diào)速系統(tǒng)到達(dá)與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅埽? 答：由圖4-25所示的異步電動(dòng)機(jī)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(jì)算處理，一個(gè)異步電動(dòng)機(jī)在模型上被等效為直流電動(dòng)機(jī)，而且該等效直流電動(dòng)機(jī)的磁通和

43、轉(zhuǎn)矩是別離的，可以分別進(jìn)展單獨(dú)控制。這樣，就可以按直流電動(dòng)機(jī)的控制思路來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)，并實(shí)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)的根本思想。 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(dòng)機(jī)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)到達(dá)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)的根本思想是什么？試分析比擬矢量控制系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各有何特點(diǎn)。 答：直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的根本思想是在靜止兩相坐標(biāo)系上控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，這樣省略了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，并采用Bang-Bang控制器取代轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器，以

44、加速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 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各有千秋：矢量控制〔VC〕系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)與的解耦，有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實(shí)行連續(xù)控制，可以獲得較寬的調(diào)速圍；但按定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制〔DTC〕系統(tǒng)則實(shí)行與砰-砰控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)化了控制構(gòu)造；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可防止地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能較差，調(diào)速圍受到限制。 7. 如何實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的雙饋控制？分析低同步速與超同步速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差功率流向和控制模式。 8. 同步電動(dòng)機(jī)有哪兩種根本控制方式？其主要區(qū)別在何處？

45、答：同步電動(dòng)機(jī)的根本控制方式有他控式和自控式兩種，其主要區(qū)別為： 他控變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立的變壓變頻器給定子供電，并由專門的晶閘管整流器提供直流給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速有PWM變頻器供電，用電動(dòng)機(jī)軸上的所帶的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器提供的信號(hào)來(lái)控制PWM變頻器的換相時(shí)刻。由于其換相類似與直流電動(dòng)機(jī)中電刷和換向器的作用，一般稱為無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速或無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 9. 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)在組成原理上有什么區(qū)別？ 10. *交流變壓調(diào)速系統(tǒng)，其系統(tǒng)構(gòu)造如圖4-8所示，：異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的參數(shù)為，；交流調(diào)壓器的參數(shù)

46、為，；轉(zhuǎn)速反應(yīng)環(huán)節(jié)的參數(shù)為，。試設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，并到達(dá)動(dòng)態(tài)超調(diào)量小和穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差的要求。 第5章 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)* 1. 有一個(gè)系統(tǒng)，其控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為，要求設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)靜差系統(tǒng)，在階躍輸入下系統(tǒng)超調(diào)量〔按線性系統(tǒng)考慮〕。試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)展動(dòng)態(tài)校正，決定調(diào)節(jié)器構(gòu)造，并選擇其參數(shù)。 2. 有一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為，要求校正為典型Ⅱ型系統(tǒng)，在階躍輸入下系統(tǒng)超調(diào)量〔按線性系統(tǒng)考慮〕。試決定調(diào)節(jié)器構(gòu)造，并選擇其參數(shù)。 3. 調(diào)節(jié)對(duì)象的傳遞函數(shù)為，要求用調(diào)節(jié)器分別將其校正為典型Ⅰ型和Ⅱ型系統(tǒng)，求調(diào)節(jié)器的構(gòu)造與參數(shù)。 4. *控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為，試在MAT

47、LAB/Simulink環(huán)境下搭建其PID控制系統(tǒng)的仿真模塊，并通過仿真確定其PID調(diào)節(jié)器的適宜參數(shù)。 5. 在一個(gè)由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：，，，，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，主回路總電阻，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)。電磁時(shí)間常數(shù)，機(jī)電時(shí)間常數(shù)，電流反應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓，調(diào)節(jié)器ASR、ACR飽和輸出電壓，。 系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)如下：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差,調(diào)速圍，電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。試求： 〔1〕確定電流反應(yīng)系數(shù)〔假設(shè)起動(dòng)電流限制在339A以)和轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)； 〔2〕試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR，計(jì)算其參數(shù)，畫出其電路圖。調(diào)節(jié)器輸入電路電阻； 〔3〕設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，計(jì)算其參數(shù)()； 〔4〕計(jì)算電動(dòng)機(jī)帶40%額定負(fù)載起動(dòng)到最低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量； 〔5〕計(jì)算空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間。 . >