電力傳動控制新版系統(tǒng)運動控制新版系統(tǒng)習(xí)題解答

電力傳動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)（習(xí)題解答）TOC\o"1-3"\h\z第1章電力傳動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和組成 1第2章電力傳動系統(tǒng)模型 13第3章直流傳動控制系統(tǒng) 18第4章交流傳動控制系統(tǒng) 30第5章電力傳動控制系統(tǒng)分析和設(shè)計* 38第1章電力傳動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和組成1.依據(jù)電力傳動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，簡述電力傳動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)原理和共性問題。答：電力傳動是以電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運動一個傳動方法，因為電力傳輸和變換便利，使電力傳動成為現(xiàn)代生產(chǎn)機械關(guān)鍵動力裝置。電力傳動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖1-1所表示，通常由電源、變流器、電動機、控制器、傳感器和生產(chǎn)機械（負(fù)載）組成。電力傳動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)工作原理是，依據(jù)輸入控制指令（比如：速度或位置指令），和傳感器采集系統(tǒng)檢測信號（速度、位置、電流和電壓等），經(jīng)過一定處理給出對應(yīng)反饋控制信號，控制器按一定控制算法或策略輸出對應(yīng)控制信號，控制變流器改變輸入到電動機電源電壓、頻率等，使電動機改變轉(zhuǎn)速或位置，再由電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械按攝影應(yīng)控制要求運動，故又稱為運動控制系統(tǒng)。即使電力傳動控制系統(tǒng)種類繁多，但依據(jù)圖1-1所表示系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠歸納出研發(fā)或應(yīng)用電力傳動控制系統(tǒng)所需處理共性問題：1）電動機選擇。電力傳動系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)可靠地運行，正確選擇驅(qū)動生產(chǎn)機械運動電動機至關(guān)關(guān)鍵。應(yīng)依據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對驅(qū)動要求，選擇適宜電動機種類及額定參數(shù)、絕緣等級等，然后經(jīng)過分析電動機發(fā)燒和冷卻、工作制、過載能力等進(jìn)行電動機容量校驗。2）變流技術(shù)研究。電動機控制是經(jīng)過改變其供電電源來實現(xiàn)，如直流電動機正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵磁電壓方向，而調(diào)速需要改變電樞電壓或勵磁電流大??；交流電動機調(diào)速需要改變其電源電壓和頻率等，所以，變流技術(shù)是實現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。3）系統(tǒng)狀態(tài)檢測方法。狀態(tài)檢測是組成系統(tǒng)反饋關(guān)鍵，依據(jù)反饋控制原理，需要實時檢測電力傳動控制系統(tǒng)多種狀態(tài)，如電壓、電流、頻率、相位、磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。所以，研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測和觀察方法是提升其控制性能關(guān)鍵課題。4）控制策略和控制器設(shè)計。任何自動控制系統(tǒng)關(guān)鍵全部是對控制方法研究和控制策略選擇，電力傳動控制系統(tǒng)也不例外。依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇合適控制方法或策略是實現(xiàn)電力傳動自動控制系統(tǒng)關(guān)鍵問題。2．直流電動機有多個調(diào)速方法，其機械特征有何差異？答：直流電動機轉(zhuǎn)速和其它參量之間穩(wěn)態(tài)關(guān)系為考慮到她勵直流電動機電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系，能夠?qū)⑵錂C械特征寫成以下形式：式中稱作理想空載轉(zhuǎn)速，為機械特征斜率。由上式可知，有以下三種調(diào)整直流電動機轉(zhuǎn)速方法：1）改變電樞回路電阻（圖1-2）。2）減弱勵磁磁通（圖1-3）。3）調(diào)整電樞供電電壓（圖1-4）。比較三種調(diào)速方法可知，改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通即使能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)弱磁升速；調(diào)整電樞供電電壓方法既能連續(xù)平滑調(diào)速，又有較大調(diào)速范圍，且機械特征也很硬。所以，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）以上作小范圍弱磁升速。3.從異步電動機轉(zhuǎn)差功率角度，可把交流調(diào)速系統(tǒng)分成哪幾類？并簡述其特點。答：異步電動機按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為籠型轉(zhuǎn)子異步電動機和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，能夠依據(jù)實際應(yīng)用要求選擇電動機。異步電動機轉(zhuǎn)速方程為由上式可知，若改變供電頻率或改變電動機極對數(shù)則可調(diào)速，這就是變頻調(diào)速和變極對數(shù)調(diào)速由來。另外，經(jīng)過改變定子電壓、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻或外接可變電源能夠改變轉(zhuǎn)差率來實現(xiàn)異步電動機轉(zhuǎn)速調(diào)整。為更科學(xué)地進(jìn)行分類，根據(jù)交流異步電動機原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負(fù)載有效功率，稱作機械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路轉(zhuǎn)差功率，和轉(zhuǎn)差率成正比。從能量轉(zhuǎn)換角度看，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)效率高低標(biāo)志。從這點出發(fā)，又能夠把異步電動機調(diào)速系統(tǒng)分成三類：1）轉(zhuǎn)差功率消耗型。調(diào)速時全部轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，它是以增加轉(zhuǎn)差功率消耗來換取轉(zhuǎn)速降低（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時），這類調(diào)速方法效率最低，越向下調(diào)效率越低。2）轉(zhuǎn)差功率饋送型。調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率一部分消耗掉，大部分則經(jīng)過變流裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機械能給予利用，轉(zhuǎn)速越低時回收功率越多，其效率比前者高。3）轉(zhuǎn)差功率不變型。這類調(diào)速方法不管轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)速降全部保持不變，而且很小，所以轉(zhuǎn)差功率消耗基礎(chǔ)不變且很小，其效率最高?，F(xiàn)在通常采取籠型轉(zhuǎn)子異步電動機實現(xiàn)低于同時轉(zhuǎn)速調(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)需要高于同時轉(zhuǎn)速運行或其它特殊應(yīng)用場所時，則需采取繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，經(jīng)過定子和轉(zhuǎn)子實施雙饋調(diào)速。4.利用電力電子器件，能夠組成哪多個直流輸出變換器？試簡述各自基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和換流模式。答：利用電力電子器件，能夠組成相控整流器、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.試簡述交流變頻器分類，分析比較各自特點。答：因為高性能交流調(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，所以，交流輸出變流器是一個變壓變頻裝置，通常稱為變頻器?，F(xiàn)在，交流輸出變換器關(guān)鍵有交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類：（1）交-直-交變頻器交-直-交變頻器基礎(chǔ)原理是：首先將交流電經(jīng)過整流器變成直流電，然后再經(jīng)過逆變器變成交流電。因為中間直流步驟存在，故而稱為交-直-交變頻器，又可稱為間接式變壓變頻器?，F(xiàn)在，有多個方法實現(xiàn)交-直-交變頻器電能變換，關(guān)鍵應(yīng)用于電力傳動控制系統(tǒng)有下面四種方法：1）采取相控整流器和六拍逆變器組成交-直-交變頻器（圖1-11、圖1-13）。六拍變流器優(yōu)點是：在整流步驟進(jìn)行調(diào)壓控制，在逆變步驟進(jìn)行調(diào)頻控制，兩種控制分開實現(xiàn)，概念清楚，控制簡便。但因為早期采取晶閘管整流和逆變，帶來了以下不足：eq\o\ac(○,1)假如采取晶閘管相控整流，在交流輸入端造成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低和高次諧波大問題；eq\o\ac(○,2)六拍逆變器因為晶閘管工作頻率限制，變頻控制范圍有限，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變頻器調(diào)制方法關(guān)鍵包含正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）、消除指定次數(shù)諧波PWM控制（SHEPWM）、PWM跟蹤控制、電壓空間矢量PWM（SVPWM）等。PWM變頻器優(yōu)點以下：eq\o\ac(○,1)在主電路整流器和逆變器兩個單元中，只有逆變單元是可控，經(jīng)過它同時調(diào)整電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單。采取全控型功率開關(guān)器件，經(jīng)過驅(qū)動電壓脈沖進(jìn)行控制，驅(qū)動電路簡單，效率高。eq\o\ac(○,2)輸出電壓波形雖是一系列PWM波，但因為采取了合適PWM控制技術(shù)，正弦基波比重較大，影響電動機運行低次諧波受到很大抑制，所以轉(zhuǎn)矩脈動小，提升了系統(tǒng)調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。eq\o\ac(○,3)逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響應(yīng)不受中間直流步驟濾波器參數(shù)影響，系統(tǒng)動態(tài)性能也得以提升。eq\o\ac(○,4)采取不可控二極管整流器，電源側(cè)功率因數(shù)較高，且不受逆變器輸出電壓大小影響。3)雙PWM變頻器（圖1-26）。雙PWM變頻器特點是：eq\o\ac(○,1)可方便實現(xiàn)四象限運行；eq\o\ac(○,2)采取PWM整流控制，可任意調(diào)整網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，使功率因數(shù)小于1、等于1或大于1；eq\o\ac(○,3)可大大減小電流諧波。4）多電平逆變器（圖1-27）。多電平逆變器優(yōu)點關(guān)鍵有：eq\o\ac(○,1)多電平逆變電路對器件耐壓要求不高，其開關(guān)器件所承受關(guān)斷電壓由所串聯(lián)各開關(guān)器件分擔(dān)；eq\o\ac(○,2)多電平逆變器輸出負(fù)載相電壓為多電平階梯波，相對于兩電平電路其輸出波形階梯增多，其形狀更靠近于正弦波，且階梯波調(diào)制時，開關(guān)損耗小，效率高；eq\o\ac(○,3)多電平逆變器伴隨輸出電平數(shù)增加，各電平幅值改變降低，這就使得它對外圍電路干擾小，對電機沖擊小，在開關(guān)頻率周圍諧波幅值也小。在開關(guān)頻率相同條件下，諧波比兩電平要小得多。（2）交-交變頻器（圖1-28、圖1-30）。和交-直-交變頻器相比，交-交變頻器優(yōu)點是：eq\o\ac(○,1)采取電網(wǎng)自然換流，由一次換流即可實現(xiàn)變壓變頻，換流效率高；eq\o\ac(○,2)能量回饋方便，輕易實現(xiàn)四象限運行；eq\o\ac(○,3)低頻時輸出波形靠近正弦。不過，交-交變頻器也存在部分缺點：eq\o\ac(○,1)使用晶閘管數(shù)量多，接線復(fù)雜；eq\o\ac(○,2)輸出頻率范圍窄，只能在1/2~1/3電網(wǎng)頻率以下調(diào)頻；eq\o\ac(○,3)因為采取相控整流，功率因數(shù)低。6．有哪些轉(zhuǎn)速檢測方法？怎樣取得數(shù)字轉(zhuǎn)速信號？答：常見轉(zhuǎn)速檢測傳感器有測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器等。測速發(fā)電機輸出是轉(zhuǎn)速模擬量信號；旋轉(zhuǎn)編碼器則為數(shù)字測速裝置。轉(zhuǎn)速檢測傳感器輸出模擬信號先經(jīng)過信號調(diào)整器，進(jìn)行放大、電平轉(zhuǎn)換、濾波、阻抗匹配、調(diào)制和解調(diào)等信號處理過程，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，包含離散化和數(shù)字化。離散化是以一定采樣頻率對模擬信號進(jìn)行采樣，即在固定時間間隔上取信號值。數(shù)字化是將所取得信號值進(jìn)行數(shù)字量化，用一組數(shù)碼來迫近離散模擬信號幅值，迫近程度由A/D芯片位數(shù)來決定。7.調(diào)速范圍和靜差率定義是什么?調(diào)速范圍和靜態(tài)速降和最小靜差率之間有什么關(guān)系?為何說“脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定靜差率也就輕易得多了”？答：生產(chǎn)機械要求電動機提供最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比，稱為調(diào)速范圍，用字母來表示，即式中，和通常全部指電動機額定負(fù)載時最高轉(zhuǎn)速和最低轉(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)轉(zhuǎn)速降落和理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率，用字母來表示，即靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載改變時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度，它和機械特征硬度相關(guān)，特征越硬，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度就越高。調(diào)速范圍、靜態(tài)速降和最小靜差率之間關(guān)系為調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標(biāo)并不是相互孤立，必需同時提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大。假如低速時靜差率能滿足設(shè)計要求，則高速時靜差率就更滿足要求了。所以，調(diào)速系統(tǒng)靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)成數(shù)值為準(zhǔn)。所以說，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定靜差率也就輕易得多了。8.試簡述PID控制器中，百分比、積分和微分步驟各自作用，并分析其特征。答：PID控制器中各校正步驟作用以下（圖1-49）：1）百分比步驟對偏差進(jìn)行放大，產(chǎn)生和偏差成正比控制信號，施加于被控對象，以降低偏差。2）積分步驟經(jīng)過對偏差歷史累積，產(chǎn)生控制信號以消除偏差，可實現(xiàn)系統(tǒng)無差調(diào)整。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）微分步驟能反應(yīng)偏差改變率，含有加速系統(tǒng)響應(yīng)，減小調(diào)整時間作用。實際應(yīng)用時，可依據(jù)系統(tǒng)需求選擇全部或部分校正步驟組成含有不一樣功效調(diào)整器，如P調(diào)整器、I調(diào)整器、PI調(diào)整器、PD調(diào)整器等9．某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍是1500r/min～150r/min，要求系統(tǒng)靜差率，那么系統(tǒng)許可靜態(tài)速降是多少？解：調(diào)速范圍靜態(tài)速降10．某直流電動機，其參數(shù)為：，，，，。若只考慮電樞電阻引發(fā)轉(zhuǎn)速降，（1）要求靜差率，求系統(tǒng)調(diào)速范圍；（2）假如要求，則其靜差率許可為多少?假如要求，則許可轉(zhuǎn)速降落為多少?解：（1）(2)由，得(3)第2章電力傳動系統(tǒng)模型1.簡述坐標(biāo)變換和統(tǒng)一電機理論意義。答：坐標(biāo)變換是一個線性變換，對電動機作系統(tǒng)分析時，所用坐標(biāo)變換，不僅能夠?qū)⒆鴺?biāo)系統(tǒng)擴(kuò)展為維空間，還能夠?qū)⒃鴺?biāo)變換到另一個旋轉(zhuǎn)平面上坐標(biāo)，或由笛卡兒平面坐標(biāo)變換到復(fù)平面坐標(biāo)。這些理論和方法全部是針對電機這種復(fù)雜機電系統(tǒng)所做出對策，在電機學(xué)科發(fā)展史上含有劃時代關(guān)鍵意義。直流電機數(shù)學(xué)模型比較簡單，交流電機數(shù)學(xué)模型就相對復(fù)雜得多，而且因為其種類繁多，假如依據(jù)電機理論，按不一樣電機結(jié)構(gòu)建立各自電路和磁路方程，則所建立方程將形式各異，比較復(fù)雜。統(tǒng)一電機理論提出了原型電機概念，分析了原型電機基礎(chǔ)電磁關(guān)系，并研究了原型電機和其它多種實際電機之間聯(lián)絡(luò)，研究表明任何電機數(shù)學(xué)模型全部能夠從原型電機中導(dǎo)出，并統(tǒng)一求解，這是電機理論一個重大發(fā)展。2.電機常見坐標(biāo)系統(tǒng)有哪多個？分別畫出它們坐標(biāo)軸矢量圖。答：電機常見坐標(biāo)系統(tǒng)可分為兩大類，即靜止坐標(biāo)變換：這類變換是在兩個靜止坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行，最常見是在A-B-C三相坐標(biāo)系統(tǒng)和α-β-0兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)之間變換，稱為3/2變換和2/3變換，以下圖所表示：旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換：這類變換是在靜止坐標(biāo)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)之間進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)速度能夠是電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或同時轉(zhuǎn)速，也能夠是任意轉(zhuǎn)速。這類系統(tǒng)經(jīng)典代表是d-q-0坐標(biāo)系統(tǒng)，以下圖所表示：3.在電機坐標(biāo)變換時，功率不變約束條件下變換式和合成磁動勢不變約束條件下變換式哪些是相同？哪些是不一樣？不一樣變換式有什么不一樣？答：坐標(biāo)變換是一個線性變換，如無約束，變換就不是唯一。在電機系統(tǒng)分析中，通常采取兩種標(biāo)準(zhǔn)作為坐標(biāo)變換約束條件：1）功率不變標(biāo)準(zhǔn)，即變換前后電機功率保持不變；2）合成磁動勢不變約束，即變換前后電機合成磁動勢保持不變。假如是兩相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間變換，則功率不變約束條件下變換式和合成磁動勢不變約束條件下變換式是相同。而假如是三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止或兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間變換，則功率不變約束條件下變換式和合成磁動勢不變約束條件下變換式是不一樣，比如A-B-C三相靜止坐標(biāo)系和d-q-0兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系在功率不變約束條件下變換式為在合成磁動勢不變約束條件下變換式則為4.寫出靜止三相坐標(biāo)系和靜止兩相坐標(biāo)系、和靜止兩相坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系之間坐標(biāo)變換式。解：靜止三相坐標(biāo)系和靜止兩相坐標(biāo)系之間坐標(biāo)變換式靜止兩相坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系之間坐標(biāo)變換式5.試分別建立并勵和串勵直流電動機數(shù)學(xué)模型。解：和第一個原型電機相比較，可直接得到她勵直流電動機電壓平衡方程式中，，，，，，。轉(zhuǎn)子運動方程為式中，電磁轉(zhuǎn)矩。上面兩式就組成了她勵直流電動機數(shù)學(xué)模型。為簡便起見，在實際使用時往往忽略賠償繞組C和阻尼系數(shù)D作用，即有對于并勵直流電動機，電樞電壓等于勵磁電壓，即補充條件；對于串勵直流電動機，電樞電流等于勵磁電流，即補充條件。6.試導(dǎo)出直軸和交軸方向上各有一個阻尼繞組電勵磁同時電動機電壓平衡方程和電磁轉(zhuǎn)矩計算公式。解：和第一個原型電機相比較，可直接寫出帶阻尼繞組電勵磁同時電動機電壓平衡方程式中，，，，，，。定子兩個繞組電阻是相等，即；而運動電動勢系數(shù)之間關(guān)系為，，，，，所以上式能夠?qū)憺槭街校娊撬俣?。電磁轉(zhuǎn)矩為第3章直流傳動控制系統(tǒng)1.晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）存在哪些問題？答：因為采取電力電子變流器，給直流電動機控制帶來部分新問題，尤其是晶閘管-電動機系統(tǒng)（圖3-1）存在以下兩個關(guān)鍵問題：1）系統(tǒng)機械特征變異問題（電流斷續(xù)）；2）能量回饋問題（晶閘管單向?qū)щ娦裕?.引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，為何能改善系統(tǒng)性能？試分析比較開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，在哪些方面能夠改善系統(tǒng)性能？答：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)無級調(diào)速，不過其額定速降很大，往往不能滿足生產(chǎn)工藝要求。為了克服開環(huán)系統(tǒng)不足，依據(jù)自動控制原理，反饋控制閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量偏差進(jìn)行控制系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差作用。因為轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引發(fā)轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大降低轉(zhuǎn)速降落。為此引入轉(zhuǎn)速反饋，組成轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（圖3-5、圖3-6）。比較開環(huán)系統(tǒng)機械特征和閉環(huán)系統(tǒng)靜特征，能夠看出轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制優(yōu)越性：1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特征能夠比開環(huán)系統(tǒng)機械特征硬得多。2）閉環(huán)系統(tǒng)靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多。3）假如所要求靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)能夠大大提升調(diào)速范圍。3.轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有哪些特點？改變給定電壓能否改變電動機轉(zhuǎn)速？為何？假如給定電壓不變，調(diào)整測速反饋電壓分壓比是否能夠改變轉(zhuǎn)速？為何？假如測速發(fā)電機勵磁發(fā)生了改變，系統(tǒng)有沒有克服這種干擾能力？答：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠取得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多穩(wěn)態(tài)特征，從而在確保一定靜差率要求下，能夠提升調(diào)速范圍，為此所需付出代價是，需增設(shè)電壓放大器和檢測和反饋裝置。改變給定電壓能夠改變電動機轉(zhuǎn)速，因為反饋控制系統(tǒng)作用是：抵御擾動，服從給定。假如給定電壓不變，調(diào)整測速反饋電壓分壓比能夠改變轉(zhuǎn)速，因為改變反饋電壓分壓比，就相當(dāng)于改變了反饋系數(shù)，而。假如測速發(fā)電機勵磁發(fā)生了改變，系統(tǒng)沒有克服這種干擾能力，因為該改變不是被反饋所包圍擾動，閉環(huán)系統(tǒng)對此沒有抑制能力，以下圖所表示。4.在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動機勵磁電流、電樞電阻、測速發(fā)電機勵磁各量發(fā)生改變時，全部會引發(fā)轉(zhuǎn)速改變，問系統(tǒng)對上述各量有沒有調(diào)整能力？為何？答：反饋控制系統(tǒng)規(guī)律是：首先能夠有效地抑制一切被包圍在負(fù)反饋內(nèi)前向通道上擾動作用；其次，則緊緊地跟隨給定作用，對給定信號任何改變?nèi)渴俏菑摹Ｈ缟蠄D所表示，在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動機勵磁電流、電樞電阻各量發(fā)生改變時所引發(fā)轉(zhuǎn)速改變有調(diào)整能力，而對測速發(fā)電機勵磁改變沒有調(diào)整作用。5.有一V-M調(diào)速系統(tǒng)，電動機參數(shù)為：，，，，電樞電阻，整流裝置內(nèi)阻，觸發(fā)整流步驟放大倍數(shù)。要求系統(tǒng)滿足調(diào)速范圍，靜差率。(1)計算開環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)速降和調(diào)速要求所許可閉環(huán)靜態(tài)速降。(2)采取轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)原理圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。(3)調(diào)整該系統(tǒng)參數(shù)，使當(dāng)初，，，則轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)應(yīng)該是多少？(4)計算放大器所需放大倍數(shù)。解：(1) (2)系統(tǒng)原理圖：靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖）：(4)閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)依據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)靜特征方程，可得放大器所需放大倍數(shù)為(3)依據(jù)，可得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)為 6.為何用積分控制調(diào)速系統(tǒng)是無靜差？在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)I調(diào)整器輸入偏差電壓時，調(diào)整器輸出電壓是多少？它取決于哪些原因？答：用積分控制調(diào)速系統(tǒng)不只靠偏差而且靠偏差積累來控制，只要輸入偏差電壓，積分控制就使得逐步積累，所以轉(zhuǎn)速就要改變；只有到時，不再改變，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定下來，所以是無靜差。當(dāng)輸入偏差電壓時，積分調(diào)整器輸出電壓是一個定值，這個電壓大小取決于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速（即給定電壓和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)）、負(fù)載電流、主回路電阻、觸發(fā)整流步驟放大倍數(shù)等，以下式所表示：，7.為何要在直流調(diào)速轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)中引入電流負(fù)反饋？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：采取PI調(diào)整轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能夠在確保系統(tǒng)穩(wěn)定前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。不過，因為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)無法對電流和轉(zhuǎn)矩實施控制，所以存在起動電流限制問題。假如對系統(tǒng)動態(tài)性能要求較高，比如要求快速起制動，突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。為了實現(xiàn)在許可條件下最快起動，關(guān)鍵是要取得一段使電流保持為最大值恒流過程（圖3-13）。根據(jù)反饋控制規(guī)律，采取某個物理量負(fù)反饋就能夠保持該量基礎(chǔ)不變，即采取電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似恒流過程，所以要在直流調(diào)速轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)中引入電流負(fù)反饋。在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR分別作用為：1）轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR作用：①ASR是調(diào)速系統(tǒng)主導(dǎo)調(diào)整器，它使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓改變，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，假如采取PI調(diào)整器，則可實現(xiàn)無靜差。②對負(fù)載改變起抗擾作用。③其輸出限幅值決定電動機許可最大電流。2）電流調(diào)整器ACR作用：①作為內(nèi)環(huán)調(diào)整器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)整過程中，它作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)整器輸出量）改變。②對電網(wǎng)電壓波動起立即抗擾作用。③在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，確保取得電機許可最大電流，從而加緊動態(tài)過程。④當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流最大值，起快速自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)可靠運行來說是十分關(guān)鍵。8．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)和帶電流截止步驟轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：（1）調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特征；（2）動態(tài)限流性能；（3）起動快速性；（4）抗負(fù)載擾動性能；（5）抗電源電壓波動性能。答：**（1）調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特征：雙環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時無靜差，當(dāng)電流達(dá)成限流值時，呈恒流下墜特征；單環(huán)系統(tǒng)假如也用PI調(diào)整器，也能夠做到穩(wěn)態(tài)無靜差，但電流截止后靜特征較軟。（2）動態(tài)限流性能：雙環(huán)系統(tǒng)動態(tài)限流性能靠近于方波恒流，而單環(huán)系統(tǒng)動態(tài)限流性能要差得多。（3）起動快速性：突加較大給定電壓時，雙環(huán)系統(tǒng)起動過程要比單環(huán)系統(tǒng)快得多。（4）抗負(fù)載擾動性能：雙環(huán)系統(tǒng)和單環(huán)系統(tǒng)抵御負(fù)載擾動性能差不多，其調(diào)整作用快慢視具體參數(shù)而定。(5)抗電源電壓波動性能：雙環(huán)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)能立即抑制電源電壓波動影響，調(diào)整速度快，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均采取PI調(diào)整器。已知參數(shù)：電動機：，，，，電樞回路總電阻，設(shè)，電樞回路最大電流，電力電子變換器放大系數(shù)。試求：(1)電流反饋系數(shù)和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；(2)當(dāng)電動機在最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時、、、值。解：(1)電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(2)當(dāng)電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，ASR快速處于飽和狀態(tài)，其輸出（即ACR輸入）達(dá)成限幅值，所以，（ACR不飽和），10．對于需要高于直流電動機額定轉(zhuǎn)速運行場所，怎樣采取電壓和磁場配合控制？試分析兩種控制方法轉(zhuǎn)矩和功率特征。答：*因為直流電動機許可弱磁調(diào)速范圍有限，通常電動機不超出2：1，專用“調(diào)速電動機”也不過是3：1或4：1。其次，變壓調(diào)速即使調(diào)速范圍較廣，但也不宜在基速以上調(diào)速。所以，當(dāng)負(fù)載要求調(diào)速范圍更大時，需要采取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)整電樞電壓；2）在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速。采取配合控制策略系統(tǒng)特征圖3-20所表示，其中：橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，以額定轉(zhuǎn)速為分界線，分為基速以下和基速以上兩個區(qū)域；縱坐標(biāo)同時表示電壓、磁通、轉(zhuǎn)矩和功率。在基速以下，磁通，伴隨電壓增大，轉(zhuǎn)速升高，但轉(zhuǎn)矩不變，功率卻和電壓一樣改變；在基速以上，電壓保持不變，伴隨磁通減小，轉(zhuǎn)速深入增大，但轉(zhuǎn)矩卻隨磁通一起減小，而功率保持不變。（,）11.采取兩組晶閘管裝置反并聯(lián)供電V-M系統(tǒng)，試分析在四象限運行中，兩組整流器工作在整流和逆變狀態(tài)輸出電壓極性、電流和功率流向，和電動機運行狀態(tài)及其機械特征。答：12．試分析邏輯控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)正向和反向起動和制動過程。畫出各參變量動態(tài)波形，并說明在每個階段中ASR和ACR各起什么作用，VF和VR各處于什么狀態(tài)。答：邏輯控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)正向動態(tài)過程可分為三個關(guān)鍵階段：1）起動階段。假如可逆調(diào)速系統(tǒng)采取轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方法，其起動過程和不可逆調(diào)速系統(tǒng)起動過程相同（圖3-18），ASR飽和，由ACR起關(guān)鍵作用，在許可最大電流限制下使轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上按線性改變“按時間最優(yōu)控制”，動態(tài)過程響應(yīng)曲線圖3-30中階段Ⅰ所表示。2）正向運行階段。ASR退飽和后，進(jìn)行轉(zhuǎn)速無差調(diào)整，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，其響應(yīng)曲線圖3-30階段Ⅱ。3）正向制動階段，在這一階段首先經(jīng)過VF逆變使電流下降過零，并封鎖脈沖使其關(guān)閉；然后開通VR，使其建立電流并達(dá)成最大電流，此時電動機進(jìn)入制動階段，經(jīng)過反接制動和回饋制動使轉(zhuǎn)速快速下降。假如是停車，則電動機停止運行，其動態(tài)過程圖3-30階段Ⅲ。假如還需反向運行，則電動機在轉(zhuǎn)速過零后，繼續(xù)反向起動，其過程和正向起動相同，響應(yīng)曲線圖3-30階段Ⅳ。因為兩組晶閘管在切換過程中需要延時，以確?？煽繐Q流，這就造成了電流換向死區(qū)，圖3-30所表示。第4章交流傳動控制系統(tǒng)1.何謂交流異步電動機動態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)等效電路？二者之間有何不一樣？答：異步電動機在任意旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系上動態(tài)等效電路圖4-1所表示。動態(tài)等效電路僅僅忽略了空間諧波，并沒有忽略時間諧波，所以動態(tài)等效電路中電壓、電流及磁鏈能夠是任意波形。異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路圖4-2所表示。異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路也有和動態(tài)等效電路類似假定條件，除此之外，穩(wěn)態(tài)等效電路還忽略了時間諧波。2.異步電動機變壓調(diào)速需要何種交流電源？有哪些交流調(diào)壓方法？答：異步電動機變壓調(diào)速需要三相交流電源。過去改變交流電壓方法多用自耦變壓器或帶直流勵磁繞組飽和電抗器，自從電力電子技術(shù)興起以后，這些粗笨電磁裝置就被晶閘管交流調(diào)壓器替換了。圖4-3給出了一個采取雙向晶閘管組成交流調(diào)壓器（TVC）變壓調(diào)速系統(tǒng)，其主電路分別用三個雙向晶閘管串接在三相電路中。其調(diào)壓方法通常采取相位控制模式，由調(diào)壓控制信號經(jīng)過脈沖觸發(fā)電路GT控制TVC輸出交流電壓改變。另外，假如TVC主電路由可關(guān)斷開關(guān)器件組成，可采取斬控方法來調(diào)整輸出交流電壓。3.異步電動機變壓調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)性能有何不一樣？答：一般異步電動機變壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄，采取高轉(zhuǎn)子電阻力矩電動機即使能夠增大調(diào)速范圍，但其機械特征又變軟，所以當(dāng)負(fù)載改變時轉(zhuǎn)速波動很大。由此說明，開環(huán)控制極難處理這些問題，為了提升調(diào)速精度需要采取閉環(huán)控制。異步電動機變壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4-6所表示，假如采取PI調(diào)整器，能夠做到無靜差調(diào)速，其不一樣于直流電動機變壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)地方在于：靜特征左右兩邊全部有極限，不能無限延長，它們是額定電壓下機械特征和最小輸出電壓下機械特征。當(dāng)負(fù)載改變時，假如電壓調(diào)整到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)工作點只能沿著極限開環(huán)特征改變。4.從異步電動機等效電路分析變壓變頻調(diào)速有哪多個控制模式？其各自機械特征有何不一樣？答：異步電動機調(diào)速應(yīng)考慮一個關(guān)鍵原因，就是期望保持電動機中每極磁通量為額定值不變。這是因為假如磁通太弱，沒有充足利用鐵心；假如過分增大磁通，又會使鐵心飽和。不過，不一樣于她勵直流電動機勵磁回路獨立，易于保持其恒定，怎樣在異步電動機控制中保持磁通恒定是實現(xiàn)變頻變壓調(diào)速先決條件。考慮到三相異步電動機定子每相電動勢有效值和定子頻率和每極氣隙磁通積成正比，即有只要控制好和，便可達(dá)成控制磁通目標(biāo)。對此需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況：（1）基頻以下恒磁通調(diào)速在基頻以下調(diào)速時，依據(jù)上式，要保持不變，當(dāng)定子頻率從額定值向下調(diào)整時，必需同時降低，使二者同百分比下降，即應(yīng)采取電動勢頻率比為恒值控制方法。然而，從圖4-15所表示籠型轉(zhuǎn)子異步電動機等效電路可見，繞組中感應(yīng)電動勢是難以直接控制，為達(dá)成這一目標(biāo)有三種控制模式：1）恒壓頻比控制模式分析圖4-15等效電路能夠發(fā)覺，當(dāng)電動機電動勢值較高時，能夠忽略定子繞組漏磁阻抗壓降，從而認(rèn)為定子相電壓，所以能夠采取恒壓頻比控制模式，即有，其機械特征圖4-17所表示。因為電磁轉(zhuǎn)矩和定子電壓平方正比，伴隨電壓和頻率降低，電動機輸出轉(zhuǎn)矩有較大降低，所以在低頻時需要加定子電壓賠償。不過即便如此，恒壓頻比控制模式在低頻時帶負(fù)載能力仍然有限，使其調(diào)速范圍受到限制并影響系統(tǒng)性能。2）恒定子電動勢頻比控制模式再次分析圖4-15等效電路能夠發(fā)覺，假如能夠提升定子電壓以完全賠償定子阻抗壓降，就能實現(xiàn)恒定子電動勢頻比控制模式，即有，其機械特征圖4-18所表示。可見，最大電磁轉(zhuǎn)矩因保持恒值而不變，而特征曲線從額定曲線平行下移，這說明采取恒控制模式系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于恒控制模式。3）恒轉(zhuǎn)子電動勢頻比控制模式深入研究圖4-15等效電路，能夠設(shè)想假如能夠經(jīng)過某種方法直接控制轉(zhuǎn)子電動勢，使其根據(jù)恒轉(zhuǎn)子電動勢頻比進(jìn)行控制，即有。當(dāng)采取這種控制模式時，異步電動機機械特征將是一條下斜直線（圖4-19），可取得和直流電動機相同穩(wěn)態(tài)性能。這也正是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)想要達(dá)成目標(biāo)。比較以上三種控制模式，顯然恒控制模式最輕易實現(xiàn)，但系統(tǒng)性能通常，調(diào)速范圍有限，適適用于對調(diào)速要求不太高場所，如風(fēng)機、水泵節(jié)能控制等；恒控制模式因其定子壓降得到完全賠償，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，但其機械特征還是非線性，輸出轉(zhuǎn)矩能力仍受一定限制；恒控制模式能取得和直流電動機一樣線性機械特征，其動靜態(tài)性能優(yōu)越，適適用于多種高性能要求電力傳動場所，但其控制相對復(fù)雜。（2）基頻以上恒壓變頻調(diào)速在基頻以上變頻調(diào)速時，因為定子電壓不宜超出其額定電壓，所以通常需采取不變控制策略。當(dāng)角頻率提升時，同時轉(zhuǎn)速隨之提升，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特征上移，而形狀基礎(chǔ)不變，圖4-20所表示。因為頻率提升而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，造成轉(zhuǎn)矩減小，但轉(zhuǎn)速卻升高了，能夠認(rèn)為輸出功率基礎(chǔ)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)基礎(chǔ)思想是什么？為何采取矢量控制能夠使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)成和直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)性能？答：由圖4-25所表示異步電動機電流解耦模型可見，經(jīng)過坐標(biāo)變換、主磁鏈按轉(zhuǎn)子磁鏈定向等計算處理，一個異步電動機在模型上被等效為直流電動機，而且該等效直流電動機磁通和轉(zhuǎn)矩是分離，能夠分別進(jìn)行單獨控制。這么，就能夠按直流電動機控制思緒來控制交流電動機，并實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）解耦控制。這就是交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)基礎(chǔ)思想。假如能保持轉(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，這和直流電動機轉(zhuǎn)矩由電樞電流控制相仿。這就是為何采取矢量控制能夠使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)成和直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)性能根本原因。