電力拖動系統

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

按被控物理量分：以轉速為被控量的系統叫調速系統；以角位移或直線位移為被控量的

系統叫位置隨動系統，有時也叫伺服系統。

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；用交流電機帶動生產

機械的為交流傳動系統。

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；以數字電路構成的控制

器叫數字控制系統。

3、恒轉矩負載；任何轉速卜.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。

恒功率負我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?。寒斶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。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可以獲得比開環(huán)調速系統硬得多的穩(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，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的

限制來換取系統穩(wěn)定的；用PID調節(jié)器實現的滯后一超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面

提高.系統的控制性能，但具體實現與調試要復雜一些。一般的調速系統要求以動態(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型系統對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱做有靜差調速系統；1型系統對于階躍給定輸

入穩(wěn)態(tài)無差，被稱做無靜差調速系統。

7、調速系統的穩(wěn)態(tài)性能指標：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可以獲得比開環(huán)調速系統硬得多的穩(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、MathOperations組的Sum模塊和Gain模塊、

Continuous組的TransferFen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，當也動機轉動時，

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?

定數量的光柵，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，可增加一時發(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的相位相差兀/2,正轉時A相超前B相，反轉時B相超前A

相。

11、

為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節(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I牙環(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（簡稱雙閉環(huán)系統）。

12、在可逆運行系統當也抑制瞬時脈動環(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，則可實現無靜差。

（2）對負載變化起抗擾作用。

（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，系統立即自動恢復正常。對系統可靠運行十分重要。

（交流）

由異步電動機的機械特性方程式

丁二3n式心_______

‘四[（這+R）2（4+4）2]

可知，能夠改變的參數可分為3類：

電動機參數、電源電壓和電源頻率（或角頻

率）。

15、

1.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。

2.異步電動機的穩(wěn)態(tài)數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

有聯系又有區(qū)別c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。

1b、以頻率馬期望的輸出也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SPWMo

PWM控制方式有單極性和雙極性。

17、異步電動機的動態(tài)數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。

?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方程

?電壓方程和運動方程為微分方程

18、

電樞磁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?地由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電

機的數學模型及其控制系統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,坐標變換上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

2.電樞電阻Ra

(1)短接電機電樞

(2)不加勵磁、電機堵轉

(3)合上S1和S2,

＞調節(jié)給定，使輸出電壓到30%?70%的額定電樂

＞調節(jié)電阻，使樞電流80%―90%的額定電流

＞測定UJ和丫。

(4)斷開S2上注匚

＞測定式和時。

(5)計算

＞平波電抗器電陽母和整流裝置內阻電：RL+RnMuZ-u/JAi/-1/)

＞電樞電阻Ra：Ra=R-(Rl+Rn)

3.平波電抗器電阻RL

(1)短接電抗器兩端

(2)不加勵磁、電機堵轉

(3)合上S1和S2,

調節(jié)給定，使輸出電壓到30%?70%的額定電壓

調節(jié)電阻，使樞電流80%―90%的額定電流

測定和?

⑷斷JFS2

測定U廣和1廣?

(5)計算

電樞電BiRa和整流裝置內阻電：Ra+Bn=(U/'-U；?(l2〃T「)

平波電抗器電阻Ri=R-(Ra+Rn)

（二）電樞回路電感測量

交流伏安法測定

L=La+q+LB（電樞電感La、平波電抗器電感/、整流裝

置漏感內阻LB忽略）”

L額定勵磁，電機不轉（直流機通交流電當然不轉）

2.變片器高壓端接交流電源，低壓側接電樞

3.讀出電樞電壓以、電抗器電壓5和I。此處為交渣電

勵慰

電源

■ASR為轉速調節(jié)器

■A甲R為轉子磁鏈調節(jié)器

■ACMR為定子電流勵磁分量調節(jié)器

■ACTR為定子電流轉矩分量調節(jié)器

■FBS為轉速傳感器

、

1、記取一個采樣周期內旋轉編碼器發(fā)出的脈沖個數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/1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

恒轉矩負載特性

變壓變頻調速的機械特性圖

圖5-11異步電動機變壓變頻調速機械特性

3、不可逆PWM變換器-直流電動機系統是因為平均電壓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。

可逆是指轉速可逆、電壓可逆。

不是電流、轉矩可逆，也不是能量可逆

4、

當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載㈣加到額定值所對應的轉速降落

與理想空載轉速〃。之比稱做靜差率s：s=也

刀o

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，值一定，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值

越小時，系統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,mox和最低轉速〃總之比稱為調速范圍，用字

母。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

的靜差率指標應以最低速時所能達到的數值為準。一個調速系統的調速范圍，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)調速系統的起動和堵轉時電流過大的問題，系統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

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)速運行時又得取消。當電流大到一定程度時才出現的

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)調速系統抵抗電壓擾動府性能要差一些。

雙閉環(huán)系統中，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I可來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統中，由電網

電壓波動引起的轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統小得多。

7、

1.調節(jié)器工程設計方怙的原則是：（1）概念清楚、易懂；（2）計算公式簡明、好記；

（3）不僅給出參數計算的公式，而且指明參數調整的方向；（4）能考慮飽和非線

性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式；（5）適用于各種可以簡化成典型系統的

反饋控制系統；

2.工程設計方法設計轉速電流反饋控制直流調速系統的步驟

3.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，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。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、

1.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

系統的組成和調試工作非常有利。

■轉速環(huán)與電流環(huán)的關系：

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，對系統的組成和調試工作非常有利。

9、

1.按照交流異步電動機原理，從定子傳輸到轉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

統分成三類：轉差功率消耗型調速系統；轉差功率饋送型調速系統；轉差功率不變

型調速系統；

10、

1.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償，控制要更

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。

1-----------------A.-------------------------------

p助率消腱一交流調壓調速系統

市用，欠同步串線調速系統

按變化

PPsi力率醺型一顆調速普

情況^分

對M同步串線調速系統

實現

Psi力率不變型一朝調速SPWM

交

流

如

掾恒EgJ控制

調恒Er④11甜

劃

分

速

制

統

士面十第（他空同步電動機潮崛系統

電蜘機調速

劃分

自控同步電動機變頻調速系統

在低頻時Us和蜃都較小，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u$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、

1.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，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、

1.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、

1.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)、心血為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，使41r

為負，且幅值與圓f相等，使逆變電壓及「把整流電壓及「頂住，則直流平均環(huán)流為

零。在采川。二￡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，仍會出現瞬時電壓uQ〃曲的情

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曠10%來設計。在三相橋式反并聯可逆線路中，由于每一組橋又有兩條并聯的環(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、

.數字PI調節(jié)器增量式和位置式的算法公式

■PI調節(jié)器的傳遞函數列出如下:

耳為")=——

TS(2-56)

■輸出函數和輸入誤差函數關系的時域表達式為

〃(。=J&r)+工J夕9=K/(r)+KJe(t)dt

式中頻為比例系數，&為積分系數。

■轉換為差分方程，其第左拍輸出為

xz(Zr)=Kpc(k)+=Kpo(k)+u：(k)9。)

=Kp儀k)-KmaMc)+葭Kk—l)式中北皿為采樣周期c

■增量式算法只需要當前的和尸拍的偏差即

可計算輸出值。

△〃⑻=u(k)-u(k-Y)=KP\e(k)-e(k-1)]+KjTsame(k)(2-92)

〃(左)=u(k-1)4-\u(k)

=u(k-r)^Kp[e(k)-e(k-1)]+峪口*)(2-93)

i.數字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的調節(jié)器：電流環(huán)選用典型1型

系統，轉速環(huán)選用典型11型系統。

作用：

交流電機主要分為異步電機（即感應電

機）和同步電機兩大類，每類電機又有不

同類型的調速系統。

■轉差率=（同步轉速-異步轉速）/同步轉速

■同步轉速=60*電源頻率/極對數

■異步轉速就是電機的轉速。

■n=60f（1-s）/p,（式中n、f、s、p分

別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁

3，極對數）；

同步轉速是指旋轉磁場的轉速

?同步轉速6=用

供電電源頻率/電動機極對數〃0

轉差頻率

■交流異步電機的實際轉速與同步轉速之間

的差值。

■定子上的電頻率轉換到轉子上的時候，中

間有多少被消耗掉了。（n=60f/p）

fr+fm=fe

■fr--轉差頻率

■fm--轉子轉動頻率

■fe--電頻率，or定子上通過的電流頻率

轉差率

■交流異步電機的轉差頻率與同步轉速之比叫“轉差率”：

S=(nl-n)/nl式中：nl為同步轉速，n為電機轉速。

■起動瞬間，n=Ozs=l

■理想空載運行時：n=nlzs=O

■作為電動機運行時，s的范圍在0---1之間。

■轉差率一般很小，如s=0.03o

■制動運行時，電磁轉矩方向與轉速方向相反，即nl與n反

向，s>l

■發(fā)電運行時，n高于同步轉速nl,svO.

為什么存在轉差

1、轉子必須與旋轉磁場保持一定的速度差

,才可能切割磁力線。

2、切割磁力線是產生轉子感應電流和電磁

轉矩的必要條件。

3、只有存在轉差，電機才能轉動。

5

2.SPWM控制方式

■如果在正弦調制波的半個周期內，三角載波

只在正或負的一種極性范圍內變化，所得到

的SPWM波也只處于一個極性的范圍內，叫

做單極性控制方式。

■如果在正弦調制波半個周期內，三角載波在

正負極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在

正負之間變化，叫做雙極性控制方式。

（2）雙極性PWM控制方式

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（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，實現電磁轉矩與定子磁錐的控制。

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