電力拖動系統(tǒng)

1、一、填空 40分二、判斷 40分三、問答 20分四、設計 10分一、填空（直流）1、現(xiàn)代運動控制技術已成為電機學、電力電子技術、微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科。2、運動控制系統(tǒng)由電動機、功率放大與變換裝置、控制器及相應的傳感器等構成。運動控制系統(tǒng)按被控物理量分：以轉速為被控量的系統(tǒng)叫調速系統(tǒng)；以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng)叫位置隨動系統(tǒng)，有時也叫伺服系統(tǒng)。 按驅動電機類型分：用直流電機帶動生產機械的為直流傳動系統(tǒng)；用交流電機帶動生產機械的為交流傳動系統(tǒng)。 按控制器的類型分：以模擬電路構成的控制器叫模擬控制系統(tǒng)；以數(shù)字電路構成的控制器叫數(shù)

2、字控制系統(tǒng)。3、恒轉矩負載; 任何轉速下負載轉矩總保持恒定不變或基本恒定，而與轉速無關的負載稱為恒轉矩負載。a.這類負載多數(shù)呈反抗性的，。這類負載有金屬的壓延機構，機床的平移機構等。b.還有一種位能性轉矩負載。起重類型負載中的重物多屬這類負載。恒功率負載就是消耗的功率不變的負載，這樣的負載在自然界中不是經常見到，好多是人為制造的。比如車床的負載，檔轉的快時，往往是進刀小的時候，這是阻力?。划斶M刀大時，轉速就慢下來了。比較這兩種情況，它們消耗的功率幾乎不變（轉速乘以轉矩），這就是恒功率負載。恒功率往往是人為控制的，目的是為了充分利用機器的功率潛力，就好像老牛拉車，下坡的時候快上坡的時候慢一樣。負

3、載轉矩特性：恒轉矩負載有位能性和反抗性兩種。位能性恒轉矩負載由重力產生，具有固定的大小和方向，反抗性恒轉矩負載的大小不變，方向則始終與轉速反向。恒功率負載的特征是負載轉矩與轉速成反比，而功率為常數(shù)。風機、泵類負載的轉矩與轉速的平方成正比。4、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程有三個特點：飽和非線性控制、轉速超調、準時間最優(yōu)控制。5、比例控制的直流調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(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，能夠提高調速范圍，為此，需設置電壓放大器和轉速檢測裝置。由PD調節(jié)器構成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響；由PI調節(jié)器構成的滯后校正，可以保

4、證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的；用PID調節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調試要復雜一些。一般的調速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用 PD 或PID 調節(jié)器。比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例積分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。6、0型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱做有靜差調速系統(tǒng)；1型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱做無靜差調速系統(tǒng)。7、調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指

5、標：調速范圍和靜差率；動態(tài)性能指標：跟隨性能指標和抗擾性能指標；跟隨性能指標：上升時間、超調量與峰值時間、調節(jié)時間；抗擾性能指標：動態(tài)降落、恢復時間。8、比例控制的直流調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(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，能夠提高調速范圍，為此所需設置電壓放大器和轉速檢測裝置。 9、Simulink模塊：Source組的Step模塊、Math Operations組的Sum模塊和Gain模塊、Continuous組的Transfer Fcn模塊和Integrator模塊、Sinks組的Scope模塊10、光電式旋轉編碼器是檢測轉速或轉角的元件，旋轉編碼器和電動機相連，當

6、電動機轉動時，帶動編碼器旋轉，產生轉速或轉角信號。旋轉編碼器可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器在碼盤上刻上表示角度的循環(huán)碼（格雷碼），通過接收器將該數(shù)碼送入計算機，常用于檢測轉角，若需得到轉速信號，必須對轉角進行微分。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，當電動機旋轉時，碼盤隨之一起轉動，通過光柵的作用持續(xù)不斷的開放或封閉光通路，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉速。為了獲得轉速的方向，可增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距1/4，則兩項脈沖序列A和B的相位相差/2，正轉時A相超前B相，反轉時B相超前A相。11、為了使轉速和電

7、流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節(jié)轉速和電流，二者之間實行嵌套（或稱串級）連接，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上來看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。12、在可逆運行系統(tǒng)當中,抑制瞬時脈動環(huán)流措施為采用均衡（環(huán)流）電抗器13、1. 轉速調節(jié)器的作用（1）轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負載變化起

8、抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2. 電流調節(jié)器的作用（1）作為內環(huán)的調節(jié)器，在外環(huán)轉速的調節(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)調節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉速動態(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。 （4）當電機過載甚至堵轉時，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)立即自動恢復正常。對系統(tǒng)可靠運行十分重要。 （交流）14、15、常用的基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機調速方法有調壓調速和變壓變頻調速兩類。異步電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型包括異步電動機穩(wěn)態(tài)時的等效電路和機械特性，兩者既有聯(lián)系又

9、有區(qū)別。穩(wěn)態(tài)等效電路描述了在一定的轉差率下電動機的穩(wěn)態(tài)電氣特性，而機械特性則表征了轉矩與轉差率（或轉速）的穩(wěn)態(tài)關系。16、以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波，當調制波和載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調制方法稱做正弦波脈寬調制SPWM。PWM控制方式有單極性和雙極性。17、異步電動機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。異步電動機的動態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程和運動方程組成。磁鏈方程和轉矩方程為代數(shù)方程電壓方程和運動方程為微分方程18、電樞磁

10、動勢的作用可以用補償繞組磁動勢抵消，或者由于其作用方向與 d 軸垂直而對主磁通影響甚微，所以直流電機的主磁通基本上唯一地由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電機的數(shù)學模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將交流電機的物理模型（見下圖）等效地變換成類似直流電機的模式，分析和控制就可以大大簡化。坐標變換正是按照這條思路進行的。在這里，不同電機模型彼此等效的原則是：在不同坐標下所產生的磁動勢完全一致。 19、按轉子磁鏈定向矢量控制（VC）的基本思想是通過坐標變換，在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型，仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉矩和磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中的

11、控制量反變換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。20、直接轉矩控制系統(tǒng)（DTC）的基本思想是根據定子磁鏈幅值偏差的正負號和電磁轉矩偏差的正負符號，再依據當前定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉矩的偏差，實現(xiàn)電磁轉矩與定子磁鏈的控制。21、伺服系統(tǒng)由伺服電動機、功率驅動器、控制器和傳感器四大部分組成。除了位置傳感器外，可能還需要電壓、電流和速度傳感器。22、伺服系統(tǒng)實際位置與目標值之間的誤差，稱作系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。由系統(tǒng)結構和參數(shù)決定的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差可分為三類：位置誤差、速度誤差和加速度誤差。23、經典的SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡

12、量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形。而電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這就比只要求正弦電壓前進了一步。然而交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩.如果對準這一目標，把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，其效果應該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，下面的討論將表明，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。24、ASR為轉速調節(jié)器AR為轉子磁鏈調節(jié)器ACMR為定子電流勵磁分量調節(jié)器ACTR

13、為定子電流轉矩分量調節(jié)器FBS為轉速傳感器二、1、記取一個采樣周期內旋轉編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)來算出轉速的方法稱為M法測速，又稱頻率法測速，M法測速只適用于高速段。T法測速是測出旋轉編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算轉速，又被稱為周期法測速，T法測速更適用于低速段。在M法測速中，隨著電動機的轉速的降低，計數(shù)值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。T法測速正好相反，隨著電動機轉速的增加，計數(shù)值減小，測速裝置的分辨能力越來越差。綜合這兩種測速方法的特點，產生了M/T測速法，它無論在高速還是在低速時都具有較高的分辨能力和檢測精度。2、.異步電機調壓調速的機械特性圖變壓變頻調速的機械特性圖3、

14、不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)是因為平均電壓Ud始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉速仍不能反向。如果要求轉速反向，需要再增加VT和VD，構成可逆的PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)?？赡媸侵皋D速可逆、電壓可逆。不是電流、轉矩可逆，也不是能量可逆4、當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落nN與理想空載轉速n0之比稱做靜差率s：對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。對于同一個調速系統(tǒng)， DnN 值一定，如果對靜差率要求越嚴，即要求 s 值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。生產機械要求電動機提供的最高轉速nmax和最低轉速

15、nmin之比稱為調速范圍，用字母D表示，即：調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。5、為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。引入電流負反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應在起動和堵轉時存在，在正常的穩(wěn)速運行時又得取

16、消。當電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋，叫做電流截止負反饋（不同于電流負反饋）。6、在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電網電壓擾動的作用點離被調量較遠，調節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網電壓波動引起的轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。7、調節(jié)器工程設計方法的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；（3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調整的方向；（4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出

17、簡單的計算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)；工程設計方法設計轉速電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的步驟原則是先內環(huán)后外環(huán)。步驟是：先從電流環(huán)開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據電流環(huán)的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統(tǒng)，再按照控制對象確定電流調節(jié)器的類型，最后按動態(tài)性能指標要求確定電流調節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)設計完成后，把電流環(huán)等效成轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設計轉速環(huán)。8、雙閉環(huán)設計時采樣周期怎么定：外環(huán)的響應比內環(huán)慢，這是按工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點，這樣做雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調試工作非常有利。轉速環(huán)與電流環(huán)的關系

18、： 外環(huán)的響應比內環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調試工作非常有利。 9、按照交流異步電動機原理，從定子傳輸?shù)睫D子的電磁功率分成兩部分，一部分是拖動負載的有效功率，稱做機械功率，另一部分是傳輸給轉子電路的轉差功率，與轉差率成正比。從能量轉換的角度看，轉差功率是否增大，能量是被消耗掉還是得到利用，是評價調速系統(tǒng)效率高低的標志。從這點出發(fā)，可以把異步電動機的調速系統(tǒng)分成三類：轉差功率消耗型調速系統(tǒng)；轉差功率饋送型調速系統(tǒng)；轉差功率不變型調速系統(tǒng)；10、恒定子磁通、恒氣隙磁通、恒轉子磁通的控制方式均需要定子電壓補

19、償，控制要復雜一些。恒定子磁通和恒氣隙磁通的控制方式雖然改善了低速性能，但機械特性還是非線性的，仍受到臨界轉矩的限制。恒轉子磁通控制方式可以獲得和直流他勵電動機一樣的線性機械特性，性能最佳。在低頻時 Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降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 Us 抬高一些，以便近似地補償定子壓降。 通常在控制軟件中備有不同斜率的補償特性，以供用戶選擇。11、電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。當環(huán)寬2h選得較大時，開關頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開關頻率卻增大了。實際使用中，

20、應在器件開關頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。12、轉差頻率控制的基本思想就是在保持氣隙磁通不變的前提下，可以通過控制轉差角頻率來控制轉矩。13、環(huán)流是什么、怎么回事、有用沒用、平均環(huán)流和瞬時環(huán)流如何消除：兩組晶閘管整流裝置同時工作時，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。一般地說，環(huán)流對系統(tǒng)無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率，環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此必須予以抑制或消除。如果讓正組VF和反組VR都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產生較大的直流平均環(huán)流。應該在正組處于整流狀態(tài)、Ud0f為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，使Ud0r為負，

21、且幅值與Ud0f相等，使逆變電壓Ud0r把整流電壓Ud0f頂住，則直流平均環(huán)流為零。 在采用=配合控制以后，消除了直流平均環(huán)流，但這只是就電壓的平均值而言的，由于整流與逆變電壓波形上的差異，仍會出現(xiàn)瞬時電壓 ud0f ud0r 的情況，從而仍能產生環(huán)流，這類因為瞬時的電壓差而產生的環(huán)流被稱為瞬時脈動環(huán)流。為了抑制瞬時脈動環(huán)流，可在環(huán)流回路中串入電抗器，叫做環(huán)流電抗器，或稱均衡電抗器。環(huán)流電抗的大小可以按照把瞬時環(huán)流的直流分量限制在負載額定電流的5%10%來設計。在三相橋式反并聯(lián)可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯(lián)的環(huán)流通道，總共要設置四個環(huán)流電抗器，另外還需要一個平波電抗器。三、1、.數(shù)字PI

22、調節(jié)器增量式和位置式的算法公式數(shù)字PI調節(jié)器有位置式和增量式兩種算法，增量式PI調節(jié)器算法只需輸出限幅，位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺一不可。若沒有積分限幅，積分項可能很大，將產生較大的退飽和超調。2、按工程設計方法設計轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的調節(jié)器：電流環(huán)選用典型1型系統(tǒng)，轉速環(huán)選用典型11型系統(tǒng)。作用：3、 同步轉速是指旋轉磁場的轉速 4、 5、 6.直接轉矩控制、矢量控制的基本思想按轉子磁鏈定向矢量控制（VC）的基本思想是通過坐標變換，在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型，仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉矩和磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中

23、的控制量反變換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。直接轉矩控制系統(tǒng)（DTC）的基本思想是根據定子磁鏈幅值偏差的正負號和電磁轉矩偏差的正負符號，再依據當前定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉矩的偏差，實現(xiàn)電磁轉矩與定子磁鏈的控制。直接轉矩控制、矢量控制的特點及存在的問題矢量控制（VC）的特點：（1）按轉子磁鏈定向，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制；（2）轉子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用磁鏈閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制；（3）采用連續(xù)的PI控制，轉矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效地限制起、制動電流；存在的問題：（1）轉子磁鏈計算精度受易于變化的轉子電阻的影響，轉子磁鏈的角度精度影響定向的準確性；（2）需要進行矢量變換，系統(tǒng)結構復雜，運算量大；直接轉矩控制（DTC）的特點：（1）轉矩和磁鏈的控制采用雙位式控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個控制信號產生輸出電壓，省去了旋轉變換和電流控制，簡化了控制器的結構；（2）選擇定子磁鏈作為被控量，計算磁鏈的模型可以不受轉子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性；（3）由于采用了直接轉矩控制，在加減速或負載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉矩響應，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關器件，因此實際的轉矩響應也是有限的。存在的問題：（1）由于采用雙