电力拖动自动控制系统考纲及试题

直流调速系统

一 判断题

5串级调速系统的容量随着调速范围的增大而下降。（Ⅹ） 6交流调压调速系统属于转差功率回馈型交流调速系统。（Ⅹ）

7普通串级调速系统是一类高功率因数低效率的仅具有限调速范围的转子变频调速系统。（√）

9交流调压调速系统属于转差功率不变型交流调速系统。（Ⅹ） 13 转差频率矢量控制系统没有转子磁链闭环。（Ⅹ）

计算转子磁链的电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。 9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。（Ⅹ） 10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。（√） 与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。 （ Ⅹ ）

16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。 二 选择题

2绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）

A 0?S?1，输出功率低于输入功率 B S?0，输出功率高于输入功率 C 0?S?1，输出功率高于输入功率 D S?0，输出功率低于输入功率

4绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）

Ａn?n1，输出功率低于输入功率 B n?n1，输出功率高于输入功率 Cn?n1，输出功率高于输入功率 D n?n1，输出功率低于输入功率 5与矢量控制相比，直接转矩控制（D）

A 调速范围宽 B 控制性能受转子参数影响大 C 计算复杂 D 控制结构简单 7异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是

A 补偿定子电阻压降 B 补偿定子电阻和漏抗压降 C 补偿转子电阻压降 D 补偿转子电阻和漏抗压降 8异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）

A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制 9电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时，

A开关频率高，B电流波形失真小 C电流谐波分量高 D电流跟踪精度高

4系统的静态速降△ned一定时，静差率S越小，则（ ）。

A 调速范围D越小 B 额定转速ned越大 C 调速范围D越大 D 额定转速ned越大

11双闭环直流调速系统电流环调试时，如果励磁电源合闸，电枢回路亦同时通电，给定 由ACR输入端加入且产生恒定的额定电流，则 （ ）。（假定电机不带机械负载）

Ａ 电机会稳定运转 Ｂ 电机不会运转 Ｃ 电机会加速到最高转速 Ｄ过流

1

跳闸

13 α＝β配合控制有环流可逆调速系统的主回路采用反并联接线，除平波电抗器外，还需要（ ）个环流电抗器。

A 2 B 3 C 4 D 1

15 输入为零时输出也为零的调节器是

A P调节器 B I调节器 C PI调节器 D PID 调节器 16 下列电动机哪个环节是比例惯性环节 A

Ud(s)U(s)Id(s)E(sn(s) B dI(s) C U D )d(s)?E(s)I(s)?I

dfz(s)17 直流电动反并联晶闸管整流电源供电的可逆调速系统给定为零时，主要停车过程

是

A本桥逆变，回馈制动 B 它桥整流，反接制动 C它桥逆变，回馈制动 D 自由停车

18直流电动一组晶闸管整流电源供电的不可逆调速系统给定为零时，主要停车过程是

A本桥逆变，回馈制动 B 它桥整流，反接制动 C它桥逆变，回馈制动 D 自由停车

三 填空题

1如图，埸效应管VT5的作用是零速封锁即在给定为零且反馈为零使调节器输出为零，以防止由于PI中由于积分作用输出不为零，使得移相控制角可能处于最小，出现全压启动导致过电流故障。电位器RP1可调整输出正限幅值，RP2可调整输出负限幅。C11是积分电容，C5和R9接入速度反馈构成微分调节器。C6、C7是输入

滤波电容。

2电流断续时KZ—D系统的机械特性变软，相当于电枢回路的电阻值增大。

4 脉宽调速系统中，开关频率越高，电流脉动越小，转速波动越小，动态开关损耗越大。

5 采用转速—电流双闭环系统能使电动机按允

许的最大加速度起动，缩短起动时间。

7 典型I型系统的超调量比典型II型系统小，抗扰动性能比典型II型系统差。

8下图为单闭环转速控制系统。

2

(1)图中V是 晶闸管整流器；

(2)图中Ld是平波电抗器 ，它的作用是 抑制电流脉动和保证最小续流电流 ；

(3)图中采用的是PI即比例积分调节器，它的主要作用是 保证动静态性能满足系统要求； (4)此系统主电路由 三 相交流电供电； (5)此系统具有 转速（速度） 负反馈环节； (6)改变转速，应调节___RP1__电位器；

(7)整定额定转速1500转/分，对应8V，应调节_RP2_电位器； (8)系统的输出量(或被控制量)是_转速_。

四 分析与计算题

1如下图，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：PN?3.7KW，UN?220V，IN?20A，nN?1000r/min，电枢回路总电阻R?1.5?，

**设Unm?Uim?10V，电枢回路最大电流为Idm?30A，电力电子变换器的放大系数

Ks?40。

试求：

（1） 电流反馈系数?和转速反馈系数?；（5分）

（2） 突增负载后又进入稳定运行

状态，则ACR的输出电压Uc、

变流装置输

出电压Ud，电动机转速n，较之负载变化前是增加、减少，还是不变？为什么？

*（3） 如果速度给定Un不变时，要改变

系统的转速，可调节什么参数？ （4） 若要改变系统起动电流应调节什

*么参数？此时，设Un为正电压信号，在

右图ASR中应调节中哪个电位器？ 当电动机在最高转速发生堵转时

3

的Ud,Ui*,Ui,Uc值；（10分）

**UnUnm10?????0.01V/rpmnnm1000解：(1)

??U10??0.33V/AIdm30*im

(2)

TL??IdL*Cen?ILRCeUn?IdLR??Uc????Ud?KsUc?KsKs

*Un?c,n?c(3) 因为

*Un?Un??n,n?*Un?,所以调节?可以改变转速n。

*(4)因为Ui*?Ui??Id，起动时转速调节器ASR饱和，输出限幅值Uim??Idm，所以改*变ASR限幅值可以改变起动电流Idm，Un为正时，起动时ASR输出为负，所以应调

节RP5来改变起动电流。不能改变电流反馈系数，因为它还影响电流环的动特性。 (5)

*Un?Un??n*Un?10V,Un?0V,|Ui*|?|Ui|?10V,Ud?IdmR?30?1.5?45V,Uc?UdCen?IdRIdlR30?1.5????1.13VKsKsKs40

2双闭环调速系统中如反馈断线会出现什么情况，正反馈会出什么情况？

答：反馈断线后，Un?0，ASR 饱和，输出为限幅值，转速环开环，相当于堵转，电流给定为ASR的输出最大值，电流闭环，按最大电流值恒流加速，转速上升，但由于转速反馈断线，触发移相控制电压增大到极限，触发角最小移至?min，转速达到最高值。

n?Ud?IdlR?Ud0cos?min?IdlR?，同样，正反馈时，也是一样。 ?CeCe

五（10分）

下图所示为控制系统实验装置中的过流保护单元电路原理图，试简述其工作原理。

4

解： 当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R2上取得的过流信号电压超过运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。

SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。

六 设计题

1校正为典型I型系统的几种调节器选择

校正为典型II型系统的几种调节器选择

2已知控制对象开环传递函数G(s)?K2,T2?T1，试加入串联调节器Wc(s)将

(T1s?1)(T2s?1)其校正为开环典型I型系统，并求调节器结构和参数 （15分）

5

Wc(s)G(s)?Wob(s)?Wc(s)?K2K?Wc(s)s(Ts?1)(T1s?1)(T2s?1)(T1s?1)(T2s?1)K?s?1?Kpis(Ts?1)K2?sK2Kpi1s(T1s?1)?

?T2?T1??s?1?T2s?1,??T2Wob(s)?

T1?12?KT??KpiK2KpiT2??2T1K22T1K2??T?K2Kpi?

所以，调节器的结构为PI调节器，参数如上式。 3写出下图电路的传递函数。

Uc?UR?CS????UR1R1RCS?1R?CSURRCS?11TS?1TS?1???????KP? UC?RCSR1?R1TSTSKP?1，T?RC?R14计算电机空载时恒流升速到额定转速时间

GD2nNTe?375t 22CenNGDnNGDRce?nNt???T/Rm375Te375cecm?2?IN?IN交流调速系统

三 填空题（10分）

下图为异步电动机矢量控制原理结构图，A，B，C，D分别为坐标变换模块，请指出它们分别表示什么变换？（8分）这些变换的等效原则是什么（2分）？

6

? 给定信号 ~ i*A i*B B i*C iA 电流控制iB 变频器 iC i? C iβ ? im D 等效直流电动机模型 i*m i*t A i*? i*? ? 控制器 + ?1 反馈信号 异步电动机 it

解：A 矢量旋转逆变换 VR?1，B 二相静止坐标变成三相静止坐标变换 C 三相静止坐标系变成二相静止坐标变换 D 矢量旋转变换 VR，将二相静止坐标下的互相垂直的交流信号变换成二相旋转的互相垂直的直流信号。 等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效

下图为异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型，A，B分别为坐标变换模块，请指出它们分别表示什么变换？（8分）这些变换的等效原则是什么（2分）？

iAisα?ismiBiCA isβB LmTrp?1ΨrTL?istLnpmLr× TenpJp? 解： A三相静止坐标系变成二相静止坐标变换 B矢量旋转变换 VR将二相静止坐标下的互相垂直的交流信号变换成二相旋转的互相垂直的直流信号。其等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。 五 简述题

下图为调速范围D≤3的串级调速系统主回路单线原理框图，试说明起动时各电器开关正确的合闸顺序和停机时的分闸顺序，并说明理由。（15分）

间接起动操作顺序

1.先合上装置电源总开关S，使逆变器在 ?min 下等待工作。

2.然后依次接通接触器K1 ，接入起动电阻R , 再接通K0 ，把电机定子回路与电网

7

接通，电动机便以转子串电阻的方式起动。

3.待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2 ，使电动机转子接到串级调速装置，然后断开K1 , 切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速方式继续加速到所需的转速运行。 停车操作顺序

1.由于串级调速没有制动能力，应先将转速降至nmin , 再合上K1 ，然后断开K2 ，使电动机转子回路与串级调速装置脱离； 2.最后断开K0 ，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。

四、简答题：（每小题10分，10×2=20分） 1．答：泵升电压产生的原因：

采用二极管整流获得直流电源时，电机制动时不能回馈电能，只好对滤波电容充电，

使

电

容

两

端

电

压

升

高

，

产

生

泵

升

电

压。 ???????????????????????（5分）

泵升电压抑制措施：

电容器吸收动能；镇流电阻消耗动能；并接逆变器。????????????（5

分） 2. 答： ASR输出限幅决定电动机允许的最大电流。 ????????????（5分） ACR输出限幅决定电力电子变换器的最大输出电压。????????????（5分） 五、计算题：（每小题20分，20×2=40分） 1.解：(20分)

R （1）原理图：????（5分）

RUUPEIRP1 RUMU R

URP2TG

（2）稳态结构框图： IR ?????（5分） *U?Un1UEKsUKp nCeU

?

1*n0d0Cdbalndncd0n *?Un?Un?Un

（3）电压比较环节 ： 8

????（1分）

放大器：

电力电子

Uc?Kp?Un

变换器 ：Ud0?KsUc

????（1分） ????（1分） ????（1分）

调速系统开环机械特性 ：n?(U?IR)/Ce d0d测速反馈环节 ：Un??n 削去中间变量的静特性方程；

????（1分）

《电力拖动自动控制系统》辅导

本次期末考试采用闭卷考试，共三大部分题目，第一部分为填空题，没空2分，

共40分；第二部分为简答题，每题8分，共24分；第三部分为计算题，每题12分，共36分。

计算题的内容为直流调速系统的直流控制部分出一个大题；V-M调速系统部分出一个大题，开环闭环的速降以及反馈系数和放大倍数方面的计算；三相半波的双闭环调速系统计算，计算电流和转速反馈系数，设计和计算电流调节器的各个参数，设计转速调节器，并验证。

下面各个部分的内容为填空和简答的重点内容，颜色标红的部分为重点复习内容！

第一章 结论

【本章重点】

1. 电力拖动控制系统的基本类型： 1) 直流电机拖动控制系统的基本类型； 2) 交流电机拖动控制系统的基本类型。

2. 典型的生产机械负载转矩有哪几种，特性是什么。

第二章 转速反馈控制直流调速系统 第三章 转速、电流反馈控制直流调速系统 【本章重点】

9

1. 转速控制的要求和调速指标： l）调速范围 D ； 2）静差率 S

3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系。

2．闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图。 3．开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较。 4．闭环系统能够减少稳态速降的实质。

5．反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）。 6．反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算。

7．截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性。

8．反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数、以及稳定条件。

9． PI 调节器的设计。

10．无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构。积分调节器与比例调节器的区别。比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别。 11．无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算。 12．直流电动机转速的调速方法有那些。 13．转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括：双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图。

14．双闭环直流调速系统 PI 调节器在稳态时的特征： l）饱和——输出达到限幅值； 2）不饱和——输出未达到限幅值。 15．双闭环直流调速系统的静特性。

16．双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系（分析出现特殊情况时候的运行状况）、稳态工作点和稳态参数的计算。

10

17．双闭环直流调速系统起动过程中电流和转速的三个阶段： l）电流上升阶段； 2）恒流升速阶段； 3）转速调节阶段；

4）起动过程的三个特点，波形分析。 18．双闭环直流调速系统的动态性能： 1）动态跟随性能；

2）动态抗扰性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动。 19．转速、电流两个调节器的作用。 20．调节器的工程设计方法的基本思路。 21．按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器： l）电流调节器的设计； ①电流环的动态结构图； ②电流调节器的结构选择； ③电流调节器参数的选择。 2）转速调节器的设计： ①转速环的动态结构图； ②转速调节器的结构选择； ③转速调节器多数的选择。

3）电流调节器和转速调节器的实现。 22．双闭环直流调速系统中外环和内环的作用。

23．带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点。

第五、六章 交流调速系统

11

【本章重点】

1. 变压变频调速的基本控制方式，基频以上和基频以下的各自的调速方式。 2. 异步电机电压、频率协调控制时的机械特性。

3．静止式电力电子变压型变频装置的组成，各元件的作用，导电方式，以及大致的工作原理。

4．转速开环、恒压频比控制的调速系统，主要包括：系统的控制原理、结构框图的组成、工作原理、以及动态结构图。

5．转速闭环、转差频率控制的变压变频调速系统，主要包括： l）转差频率控制的基本概念； 2）转差频率控制的规律； 3) 转差频率控制系统的结构组成、特点、工作原理。 6．异步电机的多变量数学模型和坐标变换。

7．按转子磁场定向矢量控制的变压变频调速系统，主要包括：

1）矢量控制系统的构想；（如何用有限的PWM逆变器输出电压矢量来逼近期望的输出电压矢量） 2）矢量控制调速系统原理性框图、主要特点。

1-1为什么PWM-电动机系统比晶闸管----电动机系统能够获得更好的动态性能？

答：PWM—电动机系统在很多方面有较大的优越性：

（1） 主电路线路简单，需用的功率器件少。

（2） （3） （4） （5）

开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1：10000 左右。

若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也 不大，因而装置效率较高。

（6） 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

PWM开关频率高，响应速度快，电流容易连续，系统频带宽，动态 响应快，动态抗扰能力强。

1-2试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的？

答：制动时，由于U

g1的脉冲变窄而导致id反向时，Ug2 变正，于是VT2导通，

12

VT2导通，VT1关断。

1-3调速范围和静差率的定义是什么？调速范围，静态速降和最小静差之间有什么

关系？为什么脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了？

答：生产机械要求电动机提供的最高转速 nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围， 用字母D表示，即：D?nmax nmin负载由理想空载增加到额定值时，所对应的转速降落?nN 与理想空载转速n0min之比，称为系统的静差率S,即：s??nN n0min 调速范围，静差速降和最小静差之间的关系为：

D?nNs

?nN(1?s) 由于在一定的nN下，D越大，nmin越小?nN 又一定，则S变大。所以，如果不考虑D，则S的调节也就会容易，

?1500r/min1-4．某一调速系统，测得的最高转速特性为n，最低转速特性为0maxn?150r/minn15r/min，带额定负载的速度降落?，且不同转速下额定速降?nN不0minN?变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多大？

解

nn??n?15max0maxN1500 D????11nn??n150?15min0minN?n15s???10%

n1500min1-5闭环调速系统的调速范围是1500----150r/min，要求系统的静差 S<=2%,那末系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min则闭环系统的开环放大倍数应有多大？

maxN???10则?n?? 1，Dn1500nS1500?2%?3.06r/min

n150D(1?S)10(1?2%)min2，

?n100op?K?1则K??1?31.7 ?n3.06cl

1-6某闭环调速系统的开环放大倍数为15时，额定负载下电动机的速降为8 r/min，如果将开环

13

放大倍数他提高到30，它的速降为多少？在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？

K?15;K?30;12K??n;K??n1cl12cl2 同样负载扰动的条件下?n与开环放大倍数加1成反比，则（K?1）（/K?1）??n/?n12cl2cl1K?115?1?n?1?n??8?4r/mincl2cl1K?130?12同样静差率的条件下调速范围与开环放大倍数加1成正比

（K1）（/K1）?D1?2?cl1/Dcl2 DK130?1cl22????1.94DK?115?1cl111-7某调速系统的调速范围D=20，额定转速n，开环转速降落?1500r/min，若要求静差率由10%减少到5%则系统的开环增益将如何变化？ ?n?240r/minNop 解：原系统在调速范围D=20，最小转速为：n?max?minn1500， ?75r/minD20

?n?n?ncl原系统在范围D=20，静差率?cl?cl?10%则?n?8.33r/minclnn??n??n为10%时，开环增益为： 0minmincl75cl?n?nNopN?n??31.5r/min?K??cl1K?1?n1cl静差率10%时原系统的开环增益为：

当s5%时，同理可得K2?59.762?所以系统的开环增益K将从27.8增加到59.76

1-8转速单环调速系统有那些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果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：1）闭环调速系统可以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要求下，能够提高调速范围。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。

?2）能。因为nRId?，由公式可以看出，当其它量均不变化时，n随着UC(1?k)C(1?k)ee*kkUpsn*n的变化而变化

3）能。因为转速和反馈电压比有关。

4）不，因为反馈控制系统只对反馈环所包围的前向通道上的扰动起抑制作用 ，而测速机励磁不是。

1-9在转速负反馈调节系统中，当电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、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，问系统对于上述各量有无调节能力？为什么？

14

答：系统对于上述各量中电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、电枢电阻、有调节能力。因为它们在闭环系统的前向通道中，对于测速发电机励磁各量发生变化，没有调节能力。因为它不在闭环系统的前向通道中。 1-10有一V-M调速系统，电动机参数为：

P?2.2kW,U?220V,I?12.5A,n?1500r/mNNNN电枢电阻R，整流装置内阻R，触发整流环节的放大倍数KS?35。要求系统满足调1.2??1.5?a?rec速范围Ｄ＝20，静差率Ｓ≤10％。

（１） 计算开环系统的静态速降?nop和调速要求所允许的闭环静态速降?ncl。

（２） 调整该系统能参数，使当Un?15应该是多少？ V，Id?IN，n?nN，则转速负反馈系数??（３） 计算放大器所需的放大倍数。

N 解：（１）电动机的电动势系数C?eU?IR?12.5?1.2Na220 ??0.1367V?min/rn1500N开环系统静态速降?n?dN?opRI12.5?(1.2?1.5) ?246.9r/minC0.1367e闭环静态速降?n?clns1500?0.1N ??8.33r/minD(1?S)20(1?0.1)?n246.9op?1??1?28.64 ?n9.33cl?闭环系统开环放大倍数 K（2）因为n?RId?

C1?k)C1?k)e(e(*kkUpsn 所以kpks=407.4288

?=

Kr =0.00961V?min/kpKS/Ce（3）

? 运算放大器的放大倍数 Kp

K28.64??11.64

?K/C.00961?35/0.1367Se0IN，１－１１ 在题１－１０的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流Idbl?2临界截止电?1.2IN,应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻？要求电流反馈采样电阻不超过主电路总流Idcr阻的1/3，如果做不到，需要加电流反馈放大器，试画出系统的原理图和静态结构图，并计算电流反馈放

15

大系数。这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？

解：（1）I ?2I?2?12.5?25AdblN I ?1.2I?1.2?12.5?15AdcrN*KK(UU)psn?comI?(1?42) 则 U 0 ?I?R?15RdblcomdcrssR?KKRpss 25?11.6?35(15?15R)s (由1?42式）也可（由1?43）式(1.2?1.5)?11.6?35?Rs*(U?U)15?15RncomS得：I ?(1?43)；25?dblRRsSR1.46?1.5? s?

U?I?R?15R?15?1.5?22.5V comdcrss

系统的原理图和静态结构图 (给它画出图)

（2）显然采样电阻大于主电路2.7*1/3倍，所以增加电流反馈放大器后：

16

新的采样电阻：R可选0.5欧姆 ?(1.2?1.5)?0.9?s?R电流反馈放大系数：Kfi?'13131.5??3 '0.5Rs'Rs 新的比较电压：U ?I?R?15R?15?0.5?8.5Vcomdcrss 所以加上的电流反馈放大器的放大倍数为3

１－１２

某调速系统原理图如图所示，已知数据如下：电动机

P?18KW;U?220V;I?94A;n?1000r/min;R?0.15?Ｐｎ＝18ＫＷ，Ｕｎ＝220Ｖ，In＝94NNNna?0.3?15V，当主电路Ａ，整流装置内阻R,触发整流环节的放大倍数KS?40。最大给定电压Urecnm?10V。 电达到最大值时，整定电流反馈电压Uim??1.5IN，Idcr?1.1IN。试画出设计指标：要求系统满足调速范围Ｄ＝20，静差率S≤10％，Idbl系统的静态结构框图，并计算：

（１） 转速反馈系数ａ。

17

（２） 调节器放大系数KP。

（３） 电阻R1的数值。（放大器的输入电阻R） 20K?0?（４） 电阻R2的数值和稳压管ＶＳ的击穿电压值。

解：(1) ?n?clnS1000?0.1N ??100/18?5.56r/minD(1?S)20?09U?IR?94?0.15NNa220 C???0.20597V?min/ren1000NIR94?0.45N ?n???205.44r/minopC0.2059e?n205.4opK??1??1?35.95(取36）

?n5.56cl同1-10可得a=0.0145 (2) K?pK35.95 ??12.8(取13）?K/C.0145?40/0.2059Se0?KR?13?20?260k?(3)R 1p0?1.5I?1.5?94?14?1.1I?1.1?94?103.4（4）IA；IA； dblNdcrN10V 当主电路电流最大即为Idbl时，Uim?而当主电路电流为Idcr时，Ui为：

UimUiU?I?103.4imdcr10 UV ????7.33iIdblIdcrI141dbl7.4V 此时电流反馈起作用，稳压管的击穿电压Uvs可根据Ui确定取稍大值：Uvs?当主电路的电流增大到Idbl时，为起到保护作用应使流过R2的电流IR2等于流过R0的电流，以使电机转速迅速降落。此时：

*UU?U?7.4nm15imvs10IR2???0.75???3.47mA ; RkΩ(取3.5kΩ) 2I0.75R20R20

系统的静态结构框图

18

１－１３ 在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时，系统是否有调节作用，为什么？

（１）放大器的放大倍数Ｋｐ （２）供电电网电压 （３）电枢电阻Ｒａ （４）电动机励磁电流 （５）电压反馈系数a

答：3）电枢电阻，４）电动机励磁电流，（５）电压反馈系数a

无调节作用。因为反馈控制系统所能抑制的只是被反馈包围的前向通道上的扰动。

１－１４ 有一个V-M系统,已知:电动机: （15分）

P?2.8KW;U?220V;I?15A;n?1500r/min;R?0.15?,Ra=1.5,整流装置内阻 NNNNaR1?,触发整流环节的放大倍数KS?35。（15分） rec?(1) 系统开环工作时,试计算调速范围D=30时的静差率s值;

10%(2) 当D=30, S?时,计算系统允许的稳态速降;

10%(3) 如组成转速负反馈有静差调速系统,要求D=30,S?,在,

*,计算转速负反馈系数a 和放大器放大系数Kp; U?10V,I?I,n?nndNN（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统,仍要求在

*U?10V,I?I,n?n,并保持系统原来的开环放大系数Ｋ不变，试求在Ｄ＝30时的静差ndNN率。

N?解：（１）CeU?IR?15.6?1.5Na220??0.131V?min/r（原来多加了1）

n1500NRI15.6?(1?1.5)dN?n???297.7r/min opC0.131e19

?n297.7 s???85.61%n50?297.70min（２）当 Ｄ＝30，Ｓ＝10％ 时计算系统允许的稳态速降

nS1500*0.1N ?n???5.56r/minclD(1?S)30(1?0.1)?n297.7op（３）K ??1??1?52.54?n5.56cl求取?的方法同1-10

可得?=0.00652V?min/r K?p?K52.54 ??30.16(取30）K/C0.00652*35/0.131Se（4）改为电压负反馈有静差调速系统

闭环转速降落为：

IRI(R)15.6?115.6?1.5NrecNa当调速D范?n?????2.224?178.6?180.82rminclC(1?K)C0.131(1?52.54)0.132ee围不变时静差率为：

D?n30?180.8Ns???100%?78.35% cln?D?n?30?180.8NN1500显然比速度反馈系统在调速范围不变的情况下静差率大的多，但比无反馈系统静差率小了 １－１５ 在题1-10的系统中,若主电路电感L=50mH,系统运动部分的飞轮惯量

22,整流装置采用三相零式电路,试判断按题1-10要求设计的转速负反馈系统能否GD?1.6Nm稳定运行?如果保证系统稳定运行,允许的最大开怀放大系数K是多少?

电磁时间常数 Tl??机电时间数

2GDR1.6?2.7T???0.0645 m30375*CCeT375?0.01367?(或9.55)?0.013673.14L0.05 ?0.0185SR2.7T.00333S（查表全波为0.00167） S?02??TT?T?T??0.06450.0185?0.00333?0.00333mlss???23.1 K

TT0.0185?0.00333ls2?28.64?23.1在1-10题中K如要系统稳定须保证K则系统不稳定。

?23.1如要系统稳定，允许的最大的开环放大系数为K但调速范围不满足了

20

16.为什么用积分控制的调速系统是无静差的?在转速负反馈调速系统中,当积分调节器的输入偏差电压?时,调节器的输出电压是多少?它取决于那些因素? U?0答： 使用积分控制时可以借助积分作用，使反馈电压Un与给定电压Un相等，即使?Un为零UC一样有输

出，不再需要?Un来维持UC，由此即可使输出稳定于给定值使调速系统无静差。 当?Un?0时调节器的输出为电压UC，是对之前时刻的输入偏差的积累。

它取决于?Un的过去变化，当?Un为正UC增加，当?Un为负UC下降，当?Un为零时UC不变。

17.在无静差转速单闭环调速系统中,转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机

精度的影响?试说明理由;

答： 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度同样受给定电源和测速发电机

精度的影响。无静差转速单闭环调速系统只是消除了误差，使输出的转速基本稳定于给定的转速。但是，这种系统依然属于反馈控制系统，只能抑制被反馈环包围的前向通道上的扰动，对于其他环节上的精度影响无可奈何。

18.采用比例调节器控制的电压负反馈系统,稳态运行时的速度是否有静差?为什么?试

说明理由;

答：有静差。电压负反馈系统中是在转速较高时，

*Cn?IRU忽略了转速的降落认为 电枢电压正比于转速，而实际上是电枢电eaa?d0压无静差，从公式中可以看出速度的降落是不能消除的。

K?U因为调节器的输出是电力电子变换器的控制电压UC?Pn。

所以只要电动机在运行，就必须有控制电压UC,因而也必须有转速偏差电压?Un。

第二章 习题答案

2-1在转速、电流双闭环调速系统中，若改变电动机的转速，应调节什么参数？改变转速调节器的放大倍数Kn行不行？改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行？改变转速反馈系数?行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？ 答：改变转速，调节给定电压U电流调节电流反馈系数?.

2-2转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少？为什么？ 答：两个调节器的输入偏差电压均为0，如果不为0则Uc和U*i*n，改变转速调节器放大倍数Kn 不行，改变Ks也不行，改变?行。改变堵转

继续变化，就不是稳态。

21

*U?U??RIdoCen/d转速调节器的输出电压为：U??Id电流调节器的输出电压为：U ??cKKss*i2-3如果转速、电流双闭环调速系统中的转速调节器不是PI调节器，而改为P调节器，对系统的静、动态性能将会产生什么影响？

答：稳态精度变差，但跟随性和抗干扰能力都不会得到改善，使系统成为不稳定系统。 答：静特性 1）闭环系统的静特性变软 2）存在静差率相对较大。

动特性：跟随性和抗干扰能力不会得到改善，动态稳定性降低，而快速性却提高了。

2-4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）单闭环：在系统稳定时实现转速无静差。 双闭环：可实现转速无静差和电流无静差。

（2）单闭环：只能在超过临界电流Idcr后，限制电流冲击 双闭环：电流调节器通过电流反馈系数?随时调节控制电流

（3）单闭环：快、不平稳 双闭环：起动快、平稳 （4）单闭环：差

双闭环：强、靠ASR 单闭环：差

双闭环：由电流内环ACR及时调节

2-5在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用PI调节。当系统带额定负载运行时，转速线突然断线，系统重新进入后，电流调节器的输入偏差电压?Ui是否为零？为什么？

答：转速和电流调节器的输出达到饱和为止，电流调节器的输入偏差电压?Ui不为零，因为稳定后电流反馈依

Id只能增加电动机的 转速达到新的平衡U?Cn?RI然为U i??domemaxd2-6在转速、电流双闭环调速系统中，转速给定信号U馈电压Un是增加、减少还是不变？为什么？

答：Un不变。因为?增大，在达到新的稳定运行时，依然要是无静差系统，系统的转速下降，在达到同样的Un*n未改变，若增大转速反馈系数?，系统稳定后转速反

时稳定运行。

2-7在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器。已知参数：电动机：

**P?3.7KW;U?220V,n?1000r/m?U?U?8V电枢回路总电阻R=1.5? ，设U，电枢回路NNNnmimcm22

最大电流Idm?40，电力电子变换器的放大系数Ks?40。试求： A（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Udo、U*U8im解：（1）电流反馈系数 ?? ??0.2V/AIdm40*U8nm 转速反馈系数 ? ???0.008V?min/rn1000max*i、Ui、Uc值。

（2）U I?0.2?40?8Vi?dm U（负反馈） ?U??8Vi?im 由于堵转电流 n＝0

**?U?C?n?IR?IR?40?1.5?60VdoeddmUdo60U???1.5VcK40s

2-8在转速、电流比闭环调速系统中，调节器ASR,ACR 均采用PI调节器。当ASR输出达到Uim?8V时，主电路电流达到最大电流80A。当负载电流由40A增加到70A时，试问： （1）U*i*应如何变化？

（2）Uc应如何变化？ （3）Uc值由哪些条件决定？ 解：（1）U*i应增加。因为当负载电流由40A增加到70A时Ui增加，U*U8i????0.1V/A

Idm80*U?Id?0.1?40?4Vi?*i是确定的。

U??Id?0.1?70?7V*i

Id由40A 增加到70A时，U*i由4V增加到7V

?K?U?Cn?RI（2）Uc略有增加。因为U；Id的增加使Ud0增加，使得Uc增加 csd0edUK（3）Uc 由n和Id决定。Uc?d0/s?Cn?RIed

Ks23

2-9在转速、电流双闭环调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因使电动机励磁电源电压突然下降一半,系统工作情况将会如何变化？写出U后的表达式。

答：当磁通下降一半时??'*i、Uc、Ud0、Id及n在系统重新进入稳定

? 2'但电动机拖动恒转矩负载运行所以Id?2Id

*' U?I2?Ii?d?d'*U?U/??2IRdoCend* U??cKKss* U?C?U/??2I*Rdoend'Id?2Id *n?Un/?

2-10某反馈控制系统已校正成典型I型系统。已知时间常数T＝0.1S，要求阶跃响应超调量?? 10%（１） 求系统的开环增益;

（２） 计算过渡过程时间ts和上升时间tr;

（３） 绘出开环对数幅频特性。如果上升时间t，则K=?，??? 0.25sr?解：（1）系统开环增益

KT K???10%?0.690.69?6.9（参见表2-2） 0.1?6T?6?0.1?0.6s（2）调节时间 t s上升时间t 3.3T?0.33sr??0.25s?16.3%(3) tr KT=1 K=10 ?

(4)用MATLAB 仿一个为好：

2-11 有一个系统，其控制对象的传递函数为

K101W?? ,要设计一个无静差系统，在阶跃输入obj?s?10.01s?1%下系统超调量??5（按线性系统考虑）。试对该系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。

K解：校正成典型I型系统，调节器传递函数为Wpi(s)?i校正后系统的开环传递函数为：

sKKi1W(s)?W(s)W(s)? 取 K?KiK1 piobjs(?s?1)24

查表得：KT?0.5;K???5%0.5K50 ? K?50???5 ?T?0.01si0.01K10150 W(s)?s(0.01s?1)2-12

K101(s)??有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为W，要求校正为典objs(Ts?1)s(0.02s?1)30%型?型系统，在阶跃输入下系统超调量??（按线性系统考虑）。决定调节器结构，并选择其参数。

解：?? 选用PI型调节器W30%pi?Kpi(?1s?1)?1

K(?s?1)10pi1?WW?系统开环传函为W piobj?s(0.02s?1)1 h=7

h?1 K??????hT?0.02?7?0.1418 ?204.12222hT2?49?0.0210KpiK?;K?K?/10?2.86 pi1?12-13调节对象的传递函数为W(s)?obj18，要求用调节器分别将其校正为典型?型和?型

(0.25s?1)(0.005s?1)系统，求调节器的结构与参数。

解：校正成典型?型系统选择PI调节器：

K(?s?1)pi1(s)? W校正后的开环传递函数为： pi?s1(s)?W(s)W(s)? Wpiobj?s(0.25s?1)(0.005s?1)1K(?s?1)?18pi1?K?18/? 令?1?0 K .25pi1K1006T?0.034.3%?0.5W(s)?? ?? KT K=100 ts?

s(0.005s?1)s(0.005s?1)K???0.251100??1.39 1818(2)校正成典?型系统，选择PI调节器： ? Kpi(s)? WpiK(?s?1)pi1?s1

25

W(s)?W)W(s)?pi(sobj?KpiK?1(?1s?1)1T1S2Kpi(?1s?1)?K1?1s(Ts?1)(T1)12s?

(T1)2s?(将T看成大惯性环节）1 h=5

t/T?9 t? .559.55?0.005?0.047??hT?5?0.005?0.0212ss ??37.6%KKKT?0.25?0.25h?16pi1114800 K??4800;K???1.67K?22??4800pi2TK182hT50?0.005111??

2-14 在一个三相零式晶闸管整流装置供电的转速-----------

*U8im???0.0263V/A(1) 电流反馈系数 ? I339dm*Un10????0.01V?min/r转速反馈系数 nmax1000（2）设计电流调节器ACR

1． 确定时间常数

?0.00333s Toi?0.0025s 整流装置滞后时间常数 TsTs?Toi?0.00583s电流环小时间常数之和T ?i?2.选择电流调节器结构

% ??5 按典型?型设计，电流环控制对象是双惯性型的可用PI型电流调节器。

W?ACR受。

T0.012sKi(?s?1)?2.06 检查对电源电压的抗扰性能：L? 各项指标可以接

T0.00583s?is?i3.计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数 电流开环增益：要求

Ii0.5??5% K K?IT?i?I??T0.012s i?L?K?R85.76?0.012?0.18 ?0.224Ks?35?0.02364.校验近似条件

?K85.76S 电流截止频率 WciI?（1）晶闸管装置传递函数的近似条件

?111?1??100.1S?W 满足近似条件 ci3T3?0.00333s26

（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

311?3??79.06?W 满足近似条件 ciTT0.12?0.012mL（４） 电流环小时间常数近似处理条件

1111?1??161.7S?W 满足近似条件 ci3TT0.0017?0.0025soi3R0?40K?Ri?KiR0?0.224?40?8.96K?(9K?)（5）计算调节器电阻和电容 Ci??i0.012??1.33?FRi9?1034T4?0.0025Coi?oi??0.25?F3R040?10

动态性能跟随指标为 (3)

3.ASR 1.确定时间常数

满足近似条件 ??4.3%?5%1?2T?i?2?0.00583?0.01166S1K电流环等效时间常数 K T?0.5I??KI0.015S 转速滤波时间常数 Ton?转速环小时间常数 T ??T?0.01166?0.015?0.02666S?non1KI(S)?2.选择转速调节器结构 ：按典型Ⅱ型系统设计，选择PI调节器 WARS3.计算转速调节器参数

取 h=3 ASR的超前时常数

K(?s?1)nn

?sn27

?n?hT?n?3?0.0266?0.0798SKN?转速开环增益

h?12h2T?2?4?2?314.07S22?9?0.0266

Kn?ASR例系数

4.校验近似条件

(h?1)?CeT4?0.0236?0.196?0.12m??7.732h?RT?n6?0.01?0.18?0.0266?1 W?K?169.6?0.0798?13.53ScnNn?（1）电流环传递函数简化条件

1K185.76I??40.43?W满足近似条件 cn3T30.00583?i(2)转速环小时间常数 5.计算调节器电阻电容

1K185.76I??25.2?W满足近似条件 cn3T.015on30Rn?KnR0?7.73?40?310K? Cn??nRn?0.0798?0.257?F 3310?10Con?4Ton4?0.015??1.5?F3R040?10调

节

器

h=5

2-15 (1)

*选用PI

U10 ??im??0.00877V/AIdm760?1.5*U10 ??n??0.0267V?min/rn375max

TTs?Toi?0.0017?0.002?0.0037S ?i?1?2T?i?2?0.0037?0.0074SKI

1T??T?0.0074?0.02?0.0274S ?nonKI28

?n?hT?0.137S?n?5?0.0274KN?

h?16?2??159.8S2250?0.02742h2T?

Kn?(h?1)?CeT6?0.00877?1.82?0.112m??10.52h?RT10?0.0267?0.14?0.0274?nRn?KnR0?10.5?40?420K?Cn??nRn?0.137?0.33?F

420?103Con?4Ton4?0.02??2?FR040?103（2）K 0.5IT?i?1?1 W?KI??135.1Sci2T?i?1 W?K?159.8?0.137?22ScnNn?（１） 电流环传递函数简化条件

1K1135.1I??64SW满足近似条件 ?1?cn3T30.0037?i

1K1135.1?1I??27S?W满足近似条件 cn3T30.02onUnn??2-16（1）

U5nn???500r/min?0.01**U15??n??0.01V?min/r

n1500max*U10??im??0.33V/A

Idm30Cen?IdR0.128?20?2 Uc???3.47VKs30*?0,U?0,U10V,U??10V,U?2V,I?30A n ni?icdL29

*

第 3 章 直流调速系统的数字控制

3-1 直流电机额定转速 nN ? 375r / min ，电枢电流额定值为 IdN ? 760 A ，允许过流倍数

? ? 1.5 ，计算机内部定点数占一个字的位置（16 位），试确定数字控制系统的转速反馈存 储

系数和电流反馈存储系数，适当考虑余量。

解：定点数长度为 1 个字（16 位），但最高位须用作符号位，只有 15 位可表示量值，故最 大

存储值Dmax=215-1。电枢电流最大允许值为 1.5IN，考虑到调节过程中瞬时值可能超 过此值，故取Imax=1.8IN。因此，电枢电流存储系数为

?

2??1 ?32768 1

? 23.95 A??K ? ? ?

?

1.8I N 1.8 ? 760

额定转速nN=375r/min，取nmax=1.3nN，则转速存储系数为

15

?

K?

215 ??1 32768 ? ??min/ r ? 67.21min/ r 1.3nN 1.3 ? 375

1

对上述运算结果取整得 K ? ? 23A??，K? ??? 67 min/ r 。

3-2 旋转编码器光栅数为 1024，倍频系数为 4，高频时钟脉冲频率 f0 ? 1MHz ，旋转编码 器输出的脉冲个数和高频时钟脉冲个数均采用 16 位计数器，M 法和 T 法测速时间均为 0.01s， 求转速 n=1500r/min 和 n=150r/min 时的测速分辩率和误差率最大值。 解：电动机每转一圈共产生 Z=4 ? 2048=4096 个脉冲。

（1） M 法测速

60 60M1 ?60 6（0 M1 ? 1） ??? ?测速分辨率 Q ? r / min ? 1.46r / min

ZTC ZTC ZTC 4096 ? 0.01

电动机的转速为 n ?

60M1 ZTC

30

而且频率越低时最大转矩值越小，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意， 须对定子压降实行补偿。恒 Eg /?1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以 在稳态时达到 ?rm = Constant，从而改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，产生转 矩的能力仍受到限制。恒 Er /?1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按 照转子全磁通 ?rm 恒定进行控制，而且，在动态中也尽可能保持 ?rm 恒定是矢量控制系 统的目标，

基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性：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。基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。

恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性：恒流机械特性的线性段比较平，而最大转矩 处形状很尖。恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转矩不变，但改变定 子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。

6-3 如何区别交??直??交变压变频器是电压源变频器还是电流源变频器？它们在性能上有 什么差异？

答：根据中间直流环节直流电源性质的不同， 直流环节采用大电容滤波是电压源型逆变器。

它的直流电压波形比较平直，理想情况下

是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或梯形波。 直流环节采用大电感滤波是

电流源型逆变器。它的直流电流波形比较平直，相当于一个 恒流源，输出交流电流是矩形波或梯形波。 在性能上

却带来了明显的差异，主要表现如下： （1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间 直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波 外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类逆变器的区别还表 现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。 （2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一 个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常 正、反转的生产机械。

（3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变， 所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。

（4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流 波形为方波。 （5）应用场合 电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多 台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采 用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行 的要求。

6-4 电压源变频器输出电压是方波，输出电流是近似正弦波；电流源变频器输出电流是方 波，输出电压是近似正弦波。能否据此得出电压源变频器输出电流波形中的谐波成分比电流 源变频器输出电流波形中的谐波成分小的结论？在变频调速系统中，负载电动机希望得到的 是正弦波电压还是正弦波电流？ 答：在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三 相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行 闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。

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6-5 采用二极管不控整流器和功率开关器件脉宽调制（PWM）逆变器组成的交??直??交变频 器有什么优点？

答：具有如下优点：

（1） 在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和 频

率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制， 电路也简单，效率高。

（2） 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，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，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

（3） 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，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小 的影响。

（4）

6-6 如何改变由晶闸管组成的交??交变压变频器的输出电压和频率？这种变频器适用于什 么场合？为什么？

答：正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0，u0的幅值决定于 各组可控整流装置的控制角 ? ，u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控 制角一直不变，则输出平均电压是方波，

一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给 低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。

6-7 交流 PWM 变换器和直流 PWM 变换器有什么异同？

6-8 请你外出时到一个变频器厂家或变频器专卖店索取一份任意型号的通用变频器资料， 用它与异步电动机组成一个转速开环恒压频比控制的调速系统，然后说明该系统的工作原 理。

6-9 转速闭环转差频率控制的变频调速系统能够仿照直流电动机双闭环系统进行控制，但 是其动静态性能却不能完全达到直流双闭环系统的水平，这是为什么？ 答：它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的原因有以下几个 方面： （1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所 谓的“保持磁通 ?m 恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中 ?m 如何变化还没 有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。 （2）Us = f(?1 , Is)函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而 在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。

（3）在频率控制环节中，取 ?1 = ?s + ? ，使频率得以与转速同步升降，这本是转差频 率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差， 因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。

6-10 在转差频率控制的变频调速系统中，当转差频率的测量值大于或小于实际值时，将 给系统工作造成怎样的影响？

答：在调速过程中，实际频率 ?1 随着实际转速 ? 同步地上升或下降，有如水涨而船高， 因此加、减速平滑而且稳定。如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成

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误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。

6-11 分别简述直接矢量控制系统和间接矢量控制系统的工作原理，磁链定向的精度受哪 些参数的影响？ 答：直接矢量控制的工作原理：转速正、反向和弱磁升速。磁链给定信号由函数发生程序获 得。转速调节器 ASR 的输出作为转矩给定信号，弱磁时它还受到磁链给定信号的控制。在转 矩内环中，磁链对控制对象的影响相当于一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改 造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。

间接矢量控制的工作原理：采用磁链开环控制，系统反而会简单一些。在这种情况下， 常利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统，它继承了基于稳态模型转 差频率控制系统的优点，同时用基于动态模型的矢量控制规律克服了它的大部分不足之处。 转差型矢量控制系统的主电路采用了交-直-交电流源型变频器，适用于数千 kW 的大容量装 置，在中、小容量装置中多采用带电流控制的电压源型 PWM 变压变频器。

磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信号确定，靠矢量控制方程 保证，并没有实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量控制。

6-12 试比较转子磁链的电压模型和电流模型的运算方法及其优缺点。 答：根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。根 据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的 模型叫电压模型。 转子磁链模型需要实测的电流和转速信号，但也都受电机参数变化的影响，从而改变时 间常数 Tr，磁饱和程度将影响电感 Lm 和 Lr，从而 Tr 也改变。这些影响都将导致磁链幅值 与相位信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低。

电压模型只需要实测的电流和电压信号，不需要转速信号，且算法与转子电阻 Rr 无关， 只与定子电阻有关它是容易测得的。

与电流模型相比，电压模型受电动机参数变化的影响较小，而且算法简单，便于应用。 但是，由于电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，低速时，定 子电阻压降变化的影响也较大。电压模型适合中、高速范围，而电流模型能适应低速。

6-13 坐标变换是矢量控制的基础，试分析交流电机矢量变换的基本概念和方法。 答：将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制就可以大大简化。 坐标变换正是按照这条思路进行的。在这里，不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标 下所产生的磁动势完全一致。

交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合 成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速 ?1 （即电流的角频率） 顺着 A-B-C 的相序旋转。然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、 三相、四相、?? 等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势， 当然以两相最为简单。在三相坐标系下的 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 i?、i? 和在旋 转两相坐标系下的直流 im、it 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。这样通过坐标系 的变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型。

6-14 按定子磁链控制的直接转矩控制（DTC）系统与磁链闭环控制的矢量控制（VC）系 统在控制方法上有什么异同？

答：1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制

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信号产生电压的 SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变 换和电流控制，简化了控制器的结构。

2）选择定子磁链作为被控量，而不象 VC 系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁 链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按 定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这 种复杂性对控制器并没有影响。

3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转 矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的 快速性也是有限的。

6-15 试分析并解释矢量控制系统与直流转矩控制系统的优缺点。 答：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却各有千秋。

VC 系统强调 Te 与Ψr 的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可 获得较宽的调速范围；但按Ψr 定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。

DTC 系统则实行 Te 与Ψs 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。下表列出了两种系统的特点与性能的比较。

性能与特点 直接转矩控制系统 矢量控制系统 磁链控制 定子磁链 转子磁链 转矩控制 砰-砰控制，有转矩脉动 连续控制，比较平滑 坐标变换 静止坐标变换，较简单 旋转坐标变换，较复杂 转子参数变化影响 无[注] 有 调速范围

不够宽 比较宽 39

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