本科运动控制系统习题及答案

一、复习：直流调速系统

问题1-1：电机的分类？

① 发电机（其他能→电能）直流发电机 交流发电机

② 电动机（电能→其他能） 直流电动机： 有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）

无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机） 交流电动机：同步电动机 异步电动机：鼠笼式 绕线式

： 伺服电机 旋转变压器

控制电机 自整角机 力矩电机 测速电机

步进电机（反应式、永磁式、混合式）

问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？ ① 调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin

② 静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。 ③ 和负载匹配情况：

一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。

问题1-3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.

* 直流电机调速系统

优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。

缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。

* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。 缺点：调速性能比直流电机差。

* 发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.

问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较. 哪些是有级调速？哪些是无级调速？

直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。

根据直流电机的转速公式，调速方n?U?IR法有变压调速、变电阻调速和变转差率调

Ke?速。

调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：U≤Unom，基频以下，在一定范围内无级平滑调速。弱磁调速：无级，适用于Φ≤Φnom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即电动机额定转速以上)作小范围的升速。 变电阻调速：有级调速。 变转差率调速：无级调速。

问题1-5：带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等， 则调节器的输出为（ A ）

A、零； B、大于零的定值 C、小于零的定值； D、保持原先的值不变

问题1-6：什么是调速范围D？什么是静差率S，两者的关系如何？用什么方法可以使调速系统满足D大S小的控制要求？

① 调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin

② 静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。

问题1-7：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器（V-M系统）、 直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。

名词解释1-8： G-M系统 V-M系统 PWM PFM

① G-M系统：交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流及改变其输出电压，从而调节M的转速。 优点：在允许转矩范围内四象限运行。

缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不方便。

② V-M系统：晶闸管，工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器V给需要调速直流电动机M供电，调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流器V的输出电压，从而调节直流电动机M的转速。

优点：经济性和可靠性提高，无需另加功率放大装置。快速性好，动态性能提高。

缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt十分敏感；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。

③ PWM：脉冲宽度调制(PWM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。PWM调速系统优点：系统低速运行平稳，调速范围较宽；电动机损耗和发热较小；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；器件工作早开关状态，主电路损耗小，装置效率较高。PWM调速系统应用：中、小功率系统 ④ PFM脉冲频率调制(PFM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节晶闸管的关断时间t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。

问题1-9：哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？ ① 稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=△nnom/n0*100% ② 稳定性指标：柏德图（对数幅频特性和对数幅频特性）

典型Ⅰ型系：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。γ=90° -tg-1 ωcT > 45° 典型Ⅱ型系统：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线。 γ=180°-180°+tg-1ωct-tg-1ωcT=tg-1ωct-tg-1ωcT ③ 动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标： 跟随性能指标 上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%--90%） 超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量

与稳态值之比。

调节时间：又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全

稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值附近， 取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。

抗扰性能指标：动态降落：在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起

的输出量最大降落值。 恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差 进入某基准量的±5% （或±2%）范围之内所需的时间。

问题1-10：转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是 、 和 。 ① 饱和非线性控制

ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统； ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.

② 准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快. ③ 转速超调：只有转速超调才能使ASR退饱和.

问题1-11：转速、电流双闭环调速系统中，

转速环按典型 Ⅱ 型系统设计，抗扰能力 强 ，稳态 无静差 。

电流环按典型 Ⅰ 型系统设计，抗扰能力 稍差 ，超调 小 。

问题1-12：无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是（D）

A、消除稳态误差； B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应 C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应

问题1-13：转子位置检测的方法有哪几种？选择其中1～2种进行论述它们的工组原理和特点及其应用场合？

① 自整角机(角位移传感器，成对应用：发送机与指令轴相连，接收机与执行轴相连) ② 旋转变压器(一种特制的两相旋转电机，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当转子旋转时，输出电压与转子角呈一定的函数关系，主要作角度传感器)。

③ 感应同步器(圆形感应同步器用来测角位移，用于转台(立式车床)的角度数字显示和精确定位。

直线式形感应同步器用来测直线位移，安装在具有平移运动的机床上( 式车床)， 用来测量刀架的位移并构成闭环系统。 ④ 光电编码盘分增量式绝对式两种

（增量式光电编码盘实际是一个光电脉冲发生器和一个可逆计算器）

（绝对式光电编码盘则是通过读取码盘的图形来表示轴的位置，码制可选二进制、 二-十进制（BCD码）、和循环码（格雷码） 同轴齿轮在电机位置检测是应用较多。

具体工作原理见(陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社)P154-163

问题1-14：什么是检测误差、原理误差和扰动误差？哪些无法克服？哪些能克服？

① 检测误差：由检测产生的误差，它取决于检测元件本身的精度，位置随动系统中常用的位置检测元件如自整角机、旋转变压器、感应同步器等都有一定的精度等级，系统的精度不可能高于所用位置检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克服的。 ② 原理误差：又称系统误差，它是系统自身的结构形式、系统特征参数和输入信号的形式决定的，Ⅰ型系统只对位置输入是无静差的随动系统（一阶无差系统）；Ⅱ型系统对位置输入和速度输入都是无静差的随动系统（二阶无差系统）。 ③ 扰动误差分负载扰动、系统参数变化、噪声干扰三种。 * 负载扰动（恒值负载扰动和随机性负载扰动），在抵抗负载扰动能力方面，Ⅱ型系统比Ⅰ型系统好。

* 系统参数变化（放大器零漂、元件老化、电源电压波动等）

负载扰动和系统参数变化都作用在系统的前向通道上，可通过闭环予以抑制。

* 噪声干扰（经检测装置混入系统，一般多为高频成分，其频谱与输入信号频谱不重叠，可滤除，但影响快速性和系统动态精度）

问题1-15：位置随动系统解决的主要问题是什么？试比较位置随动系统与调速系统的异同。 ① 位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪。 随动系统一般称伺服系统

② 位置随动系统与调速系统的相同点：

两者的控制原理相同，它们都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。

③ 位置随动系统与调速系统的相异点：

调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要。

位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。 位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些。位置随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。

问题1-16：什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用场合。 ① 串联校正（调节器校正），采用PID校正的单位置环随动系统，可以得到较高的截止频率和对给定信号的快速响应，结构简单。由于不使用测速机，从而排除了测速机带来的干扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。负载扰动也必须通过位置环进行调节，没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大。同时PID调节器是采用比例微分超前作用来对消调节对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号

的补偿强度，还会因控对象参数变化而丧失零极点对消的效果。因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。 ② 并联校正

在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快速性。

在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到一定程度的提高，只受到小时间常数及测速发电机信号中噪声干扰的限制。 ③ 复合控制

当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制构成前馈控制（开环控制）和反馈控制（闭环控制）相结合的复合控制，也是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。

二、回顾：交流调速系统

问题2-1：交流调速技术引起人们广泛重视的原因是什么?

交流电动机优点，20世纪30年代，交流调速系统存在问题，70年代电子技术发展，高性能交流调速技术的不断涌现：矢量变换控制、直接转矩控制、无速度传感器控制系统、数字化技术等，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制策略不断推进。

问题2-2：简述异步电机的工作原理。

三相异步电动机的定子通入对称三相电流产生旋转磁场 → 与静止的转子有相对运动 → 产生感应电动势 →转子导体有感应电流 → 转子导体带电导体在磁场中受电磁力的作用 → 两边同时受到电磁力的作用，产生电磁力矩 →转子转动 → 带动生产机械运动。

问题2-3：设异步电动机运行时，定子电流的须率为f1，试问此时定子磁势F1、转子磁势F2是多少？请画出异步动电机的等效电路，并按频率折算(折算前后磁动势不变)和绕组折算(折算前后电机内部的电磁性能和功率不变)对相关参数进行折算，最后得出T形效电路。

问题2-4：请写出异步电动机的电磁关系。 定子输入功率： P1= Pm+ Pcu1+ Pfe 定子铜耗：Pcu1=3I12R1

输出功率P2 定子铁耗： PFe= PFe1=3I12R1 效率= 定子输入功率P

1

转子铜耗：Pcu2=3I’22R’2

电磁功率： Pm = Pout + Pcu2 机械损耗：Ps 附加损耗： P’f

轴上输出功率： Pout = P2 + Ps + P’f 输出功率： P2

问题2-5：常用的异步电动机调速有哪些？哪些属于转差功率消耗型？哪些属于转差功率不变型？哪些属于转差功率回馈型？

① 异步电动机调速方法有：降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等。② 降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率消耗型

③ 串级调速属于转差功率回馈型

④ 变极调速、变频调速属于转差功率不变型。

问题2-6：变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用，为什么?

变极调速只适合于本身具备改变极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动机），它们可以通过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成调速，绕线式电动机一般采用转子传电阻或串级调速。

问题2-7：采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，是否只需改变电动机定子绕组的联结方式就可以了，还需要注意什么问题？ 采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，除了需要改变电动机定子绕组的联结方式外，还应注意保持电源的相序不变，即：要对调电源端子。

如：变极前：A→0 B→240℃ C→480℃（120℃）

变极后：A→0 B→120℃ C→240℃与变极前不一致。应对调B、C两相，以保证变极前后的电源相序一致。

问题2-8：请简述交流异步电动机变极调速的工作原理，并说明其特点和应用场合。 变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（双速电动机、三速和四速电动机）这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。

缺点：有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。

特点：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平 滑调速特性。变极调速适合于：按2～4档固定调速变化的场合，（不需要无级调速的生产机械），如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

问题2-9：晶闸管交流调压调速系统中，对触发脉冲有何要求，为什么？

晶闸管交流调压调速系统中，要求用宽脉冲、双窄脉冲或脉冲列触发，以保证可靠换流，防止直通。

晶闸管是半控器件，只需要用脉冲触发其导通，不需要控制其关断。

问题2-10：请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。

调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制。调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。 ① 通过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，从而进行调速。② 通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，改变交流电抗值，改变电机电压，实现降压调速。饱和，交流电抗小，电机定子电压高。③ 通过控制晶闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。

问题2-11：在交流异步电动机变压调速系统中，怎样解决调速范围小和机械特性软的问题？

在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，械特性曲线软，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。 为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

问题2-12：交流调速的主要应用领域有哪些？ 已普及国民经济各部门的传动领域：

⑴ 冶金机械 ① 轧钢机主传动（大容量、低转速、过载能力强，交交变频调速取代直流调速。② 高炉热风炉鼓风机。

⑵ 机车牵引：电气机车、电动机车等（不消耗汽油、不排废气、噪声小，将燃油机车改电动机车）。

⑶ 数控机床：主传动（调速范围宽、静差率小）、进给传动（输出转矩大、动态响应好、定位精度高）采用交流传动，异步电动机或同步电动机取代直流电动机。

⑷ 矿井提升机：交交变频电源供电（优良的调速性能和位置控制以获得平稳、安全的制动运行，消除失控现象，提高可靠性。

⑸ 起重、装卸机械：环境恶劣、频繁迅速启动和调速。 ⑹ 原子能及化工设备：使用条件恶劣要求调速范围宽。 ⑺ 建筑电气设备：空调系统、电梯传动、供水系统等。 ⑻ 纺织、食品机械：纺织卷绕机、肉类搅拌机等。

问题2-13：请简述自耦调压器调速的工作原理，并说明其优缺点。 在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，从而进行调速。自耦调压器调速可以实现无级调速，但启动转矩也与电压平方成正比，因而只能适合空载启动或者轻载启动。自耦调压器调速结构简单，但性能指标和经济指标都不高，常用于特殊效功率场合。

问题2-14：请简述串饱和电抗器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。 在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，以改变串接在定子回路中的交流电抗值，从而调节电机定子绕组上得到的电压，实现降压调速。如铁心饱和，交流电抗小，电机定子电压高，电机升速。反之则电机减速。

串饱和电抗器调压调速控制简单，但电磁装置太笨重。

问题2-15：请简述晶闸管调压调速的工作原理，并说明其优缺点。画出几种晶闸管主电路的连接方法，指出他们各自的特点。 在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过控制晶闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。 优点：维护方便，噪声小，可以四象限运行。 缺点：电网输入电压为正弦波，但输出电压不为正弦波，谐波大，功率因素低，机械特性软。 解决办法：采用闭环系统。

① 三相分支双向控制绕组Y连接：

特点：用双脉冲或者宽60°脉冲触发晶闸管SCR， 输出含有奇次谐波，绕组Y连接。

如电机绕组带中线，可消取三次谐波电流，

但仍然存在其他次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。 与其它接法相比，此接法谐波分量最小。

② 三相分支双向控制绕组△连接：

特点：用双脉冲或者宽60°脉冲触发SCR， 输出含有奇次谐波，绕组△连接。

有其它的高次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。

③ 三相分支单向控制绕组Y连接：

特点：每一相制用一个用晶闸管和一个二极管反并联， 可以降低成本，但各相波形不对称，输出含有偶次谐波， 降低了运行性能，所以只用于小容量装置。

④ 三相△形双向控制绕组△连接 特点：晶闸管串接在相绕组回路中，

在同等容量下，晶闸管承受的电压高而电流小， 适合于电机绕组△连接的情况。

⑤ 三相零点△连接，单向控制

特点：电路简单，晶闸管放在负载后面，

可以减小电网浪涌电压对它的冲击，但因为是单向控制 奇次、偶次谐波都存在，运行效率稍低。 只适合于小容量电机。

问题2-16：请简述转差离合器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。 ① 电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。

② 电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；

③ 磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分 当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。

电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐影响；速度失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。

问题2-17：请简述绕线式异步电动机转子串电阻调速的工作原理，并说明其优缺点。

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

三、

交流异步电动机变频调速的理论基础

问题3-1：在电动机调速时，为什么要保持每极磁通量为额定值不变？对直流电机和交流异步电机，分别采用什么方法使电机每极的磁通恒定？ Eg

Φm =K f1

异步电机的气隙磁链在每相定子中的感应电动势Eg=4.44f1N1kN1Φm

如果使Eg/f1=K气隙磁链保持不变，要保持直流电机的磁通恒定，因为其励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，容易做到保持磁通恒定。要保持交流异步电机的磁通恒定，必须采用恒压频比控制。

问题3-2：交流异步电动机的恒压频比控制有哪三种方式？试就其实现难易程度、机械特性等方面 进行比较。 Eg/f1=K，气隙磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，机械特性非线性，难实现，加定子电压补偿的目标，改善低速性能。Tmax，?nm与频率无关，机械特性平行，硬度相同，类似于直流电动机的降压调速，属于恒转矩调速。

U1/f1=K，定子相电压/输入频率为恒值，U1定子相电压，机械特性非线性，易实现。f1接近额定频率时，Tmax变化不大，f1的降低，Tmax变化较大，在低速时甚至拖不动负载。 实际上U1/f1=常数，由于频率很低时定子电阻损耗相对较大， Un E2/f1=K不可忽略，故必须进行定子电压补偿。

U1/f1=KE2/f1=K，转子磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率 Eg/f1=K为恒值，E2转子磁链在每相定子中的感应电动势

（忽略转子电阻损耗）转子磁链恒值，机械特性线性， 带定子电压补Tf f 偿的U1/f1=K 稳态性能和动态性能好，最难实现。

这是矢量控制追求的目标。

问题3-3：交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控制方法，磁通、转矩、功率呈现怎样的变化规率？并请用图形表示。

Un 恒磁通调速（基频以下）U1/f1=常数，并补偿定子电阻损耗。 φ φm恒功率调速（基频以上）升高电源电压时不允许的，

T 在频率上调时，只能保持电压不变。

U1 频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。

0 fn n

问题3-4：正弦波恒流供电时交流异步电动机变频调速系统的机械特性有何特点？ ① 与恒压频比控制的机械特性相似，有空载转矩点

U I1a,ω1a 和最大转矩点，

n ② 恒流机械特性的最大转矩与ω1无关，

I1b,ω1a 恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，

I1a,ω1b 最大转矩与电流的平方成正比。

I1b,ω1b ③ 由于Lσ1＜＜Lm，所以恒流机械特性的线性段

f 比恒压机械特性较平，而且最大转矩处很尖。

0

T I1a>I1b,ω1a>ω

0 ④ 恒流特性限制了定子电流I1，而恒压供电时 随着转速n降低电流I1会不断增大。

所以额定电流时Temax∣I1=cont比额定电压时Temax∣v1=cont小得多。但这并不影响恒流控制得系统承担短时过

载能力。因为过载时加大定子电流，以产生更大得转矩。

问题3-5：交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和 恒电流控制三种，其中恒磁通控制又称恒转矩控制。

问题3-6：如果在交流异步电动机变频调速系统采用恒转矩控制时，出现励磁电流急剧增加的现象

（实际上时由于电压补偿过多），导致系统不能正常工作，应采取的解决办法有：适当增加定子电压U1和在开环系统上加电流负反馈，以便限制定子励磁电流，（实际上，变为恒转矩负载加恒电流控制）。

问题3-7：已知一台异步电动机参数如下：PN＝3KW，U1N＝380V，I1N=7.5A，nN=1450r／min，电枢绕组电阻R1＝1.5?，R2＝0.823?。定子漏抗Lσ1=0.0038H，转子漏抗L’σ2＝0.00475H，励磁电感Lm＝0.0968H，励磁电阻Rm＝1.49?，试计算：

① 在U1/f1=C 方式控制下， f1=5Hz时U1 =? ② 在Temax=C 方式控制下， f1=5Hz时U1 =?在f1=5Hz时，U1/f1=C 方式控制下，

Temax=?在f1=50Hz时，U1/f1=C 方式控制下， Temax=?解： ① U1/f1=C 方式下，U1/f1= U1P/f1N= C 相电压

U1=（f1/ f1N）× U1N=(5/50) ×380/3=22伏

② Temax=C 方式，α= f1/ f1N=(5/50)=0.1

θ=XN/R=2πf1N(Lσ1+ L’σ2)/R1=2×3.14[0.0038+0.00475]/ 1.5=1.778

1?γ=α[

12?（）??2?1?1??2]12=0.257

U1=γU1N=γ×220=56.5伏>22伏

结论：恒转矩控制方式下，在f1较低时提高了定子电压。

③ f1=5Hz时，U1/f1=C 方式控制下，nN=1450r／min，n==1500r／min，为2对磁极电机。

U123Pn2{R1?R12?[2?f1(L?1?L'?2)]2}2?f1Temax-5==15.2牛顿.米

④ f1=50Hz时，U1/f1=C 方式控制下

U123Pn2{R1?R12?[2?f1(L?1?L'?2)]2}2?f1Temax-50==100.8牛顿.米

结论：U1/f1=C 方式控制下，在f1较低时应补偿了定子绕组压降，以提高最大转矩.。

转矩给定值的差值大于+ξm，ATR的输出信号“TQ”变“0”，零电压加到电机上，定子磁链停止不动，磁通角减小，转矩减小。通过转矩直接自调节作用，使工作电压空间矢量的工作状态和零电压工作状态交替接通，控制定子磁链ψs走走停停，从而使转矩动态平衡保持在给定值的±ξm（容差）的范围内，既控制了转矩，又形成了PWM的调制过程。

问题5-7：在异步电动机直接转矩控制调速系统中有磁链调节器和转矩调节器，磁链调节器通常采用怎样的控制方式？转矩调节器通常采用怎样的控制方式？

转矩调节器和磁链调节器都使用滞环两位调节，可以保持转矩在给定误差允许范围内波动，达到较好的转矩控制性能。完整的转矩调节器是由转矩两点式调节器和P/N调节器组成，在转矩给定值变化较大时，P/N调节器参与调节，加快调节过程。

问题5-8：在异步电动机直接转矩控制调速系统中，插入零矢量有什么作用？怎样选择零矢量？

若在有效电压矢量的作用，ψs以最大旋转速度旋转，以一定规律插入零矢量后，零矢量作用时ψs停止运动。由于零矢量的插入，ψs走走停停，所以旋转速度变慢了。如果在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变，不难想象，正六边形的面积将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法可以控制异步电动机的恒磁通调速，即恒转矩调速。 选择零矢量的原则是：从有效电压矢量转换到零矢量使开关器件的状态变化最少。 V1（100），V0（000）；V2（110），V7（1111）；V3（010），V0（000）；单数矢量插入V0， V4（011），V7（111）；V5（001），V0（000）；V6（101），V7（111）；双数矢量插入V7。 根据原来作用的有效电压矢量选择不同的零矢量可以在相同的开关器件下, 明显减少开关损耗，提高逆变器可靠性（减少直通危险），增加PWM控制的载波比，减少电动机电流的谐波分量。

问题5-9：在异步电动机直接转矩控制调速系统中，转矩容差代表什么？怎样合理选择转矩容差？

在异步电动机直接转矩控制调速系统中，由于转矩是开关两位控制，所以电磁转矩存在脉动。转矩调节器的容差愈小，电磁转矩的脉动幅度愈小，如果电磁转矩的脉动频率足够高，脉动的幅度足够小，则由于系统机电时间常数的滤波作用，转矩脉动所引起的转速波动将小到容许的范围之内。容差愈小，零矢量插入的次数愈高，这对开关器件的性能提出了更高的要求。 所以具体设计时，应两者兼顾，即在开关元件容许的情况下，尽可能减小转矩调节器的 容差。

问题5-10：根据工作特点的不同，可根据转速分为：低速范围、高速范围和弱磁范围。

问题5-11：在低速范围怎样实现异步电动机直接转矩控制？

低速范围：30%额定转速以下的转速范围，存在转速低、定子压降影响大等特点，造成一些问题：磁链波形崎变、在低定子频率（含零频）时保持转矩和磁链基本不变等问题。

其解决方案如下：用电动机模型检测计算电动机的磁链和转矩；为了改善转矩动态性能，对定子磁链空间矢量正反向变化控制；转矩调节器和磁链调节器的多功能协调工作；调节每个区段的磁链量，圆形磁链轨迹用于15%n0以下范围，六边形磁链轨迹用于15%～30% n0范围（带有圆形磁链和六边形磁链切换的磁链三点式调节器）；每个区段上，有四个工作电压状态和两个零电压状态的使用与选择（0°电压、+60°电压、-60°电压、-120°电压的应

用：0°电压制增加转矩，不影响磁通量，+60°电压、-60°电压同时影响转矩和磁通量，三者只能使定子磁链空间矢量正转；

只有-120°电压能使定子磁链空间矢量反转，在增磁调磁的同时，使定子磁链平均旋转频率为零或保持低频，解决低频和零频下的磁链调节任务）。

问题5-12：在弱磁范围怎样实现异步电动机直接转矩控制？

弱磁范围内进行的是恒功率调节，基速以上，全电压工作，没有零状态电压工作的时间，工作电压在整个区段中作用，其特点是：转速的提高，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的是磁链给定值的减小，即稳态弱磁；转矩的调节是靠六边形磁链给定值的动态变化调节的方法。转矩的脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。

其解决方案如下：用电动机模型检测、计算电动机的磁链和转矩；用磁链自控制环节来确定区段；六边形磁链轨迹；用功率调节器实现恒功率调节；通过改变磁链给定值实现平均转矩的动态调节；每个区段用一个工作电压状态。 改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变ψs的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值不变，所以它们的作用时间改变后，正六边形的面积将发生变化。作用时间变短，正六边形的面积变小，

面积= Viti，磁链幅值ψs也将变小。因此可以用这种方法控制异步电动机的弱磁调速。

问题5-13：怎样实现异步电动机直接转矩控制调速系统的数字化控制？

① 数字化的积分方法一般说来，差分方程的解函数的值是通过解函数前一拍时间的值和输入函数前一拍时间的值的线性组合来确定。数字化积分方法有单步逼近积分法、近似计算的改善办法（多步逼近积分法）。 单步逼近积分法（Euler法）：yk=yk-1+hfk-1其中h为步长，f为导函数的值。它用于步长很短的情况下，当导函数有不连续的间断点时，也能提供所需的解答。

多步逼近积分法中简易方法是：二阶的阿的达姆斯-巴斯福斯（Adams-Bashforth）积分法。

31yk=yk-1+h（2fk-1-2fk-2），计算方法精确，且不增加计算量。在导函数不连续时可采用。

定子电压空间矢量是一个不连续的电压量，在采样时间内，该量保持常数，定子电流的变化很小，定子电阻压降对定子磁链的影响相对于电压状态来说非常小。由于导函数的不连续性，一般采用Euler积分法计算定子磁链。

转子磁链的导函数是连续的，在一个周期内定子磁链分段连续，而转子磁链接近正弦波。 在高定子频率时，一般采用阿的达姆斯-巴斯福斯积分法确定转子磁链导函数的近似值。 在低频范围内，一般采用信号处理器实现欧拉积分法，对确定转子磁链更好。 ② 数字化的数学模型（异步电动机的差分方程）： h=?*T 步长为频率标幺值和采样周期的乘积 定子磁链：ψsαk=ψαk-1+hn0usαk-1-hρ(1-σ)isαk-1 ψsβk=ψβk-1+hn0usβk-1-hρ(1-σ)isβk-1

优点：导函数的值以16位的形式能够直接加到状态变量的旧值上，而不必进一步转换。 (低频)转子磁链：ψrαk=ψrαk-1+hψαk-1-hψrαk-1 -hnψrβk-1 ψrβk=ψrβk-1+hψβk-1-hψrβk-1+hnψrαk-1

(高频)转子磁链：ψrαk=ψrαk-1+1.5frαk-1-0.5 frαk-2 ψrβk=ψrβk-1+1.5frβk-1-0.5 frβk-2

1定子电流： isαk=1??ψsαk-ψrαk 1isβk=1??ψsβk-ψrβk

转矩： T=2(ψsαk isβk-ψsβk isαk)

③ 逆变器模型：根据逆变器的中间直流电压和逆变器控制信号，定子电压空间矢量的分量可求得并存于表中。以便计算导函数。计算逆变器模拟电压的时间只需1μS。

④ DSC的数字化系统：数字化调节器程序结构正向着组件模块程序结构得方向发展。TMS3210信号处理器执行DSR/DSC控制所必需得计算，以及控制给逆变器得控制信号。I8086微处理器完成下列任务：计算机系统的用户接口、赋初值、信号处理器的控制、外围叠加调节、参数匹配、数据传输。

⑤ 计算机系统的输入输出数据：模拟量的“转速”、“直流电压”、“转矩给定值”、“转速给定值”通过I8086微处理器的A/D转换器读入。输出转速、直流电压、转矩给定、磁链给定、转矩容差、磁链容差、模型参数、开始/停止（DSR/DSC）、初始化数据和模拟记录输出经双口数据RAM送TMS3210，TMS3210输出逆变器控制信号，经最小开关持续时间监视口送出输出信号Sa、Sb、Sc。DSR状态总开关频率经双口数据RAM送I8086微处理器作为反馈信号。

问题5-14：交流电机直接转矩控制策略现状与趋势

（清华大学 胡虎 李永东《电气传动》2004年34卷3期P3-8 ① 传统直接转矩控制策略：

通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。磁链的控制可以采用六边形或圆形两种。在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速（在无速度传感器DTC中不需要测速）进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较而输出转矩和磁链的增、减信号，把这2个信号输入优化矢量开关表，在加上定子磁链所在的扇区位置就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。 直接转矩控制策具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一输出矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础上的控制方法，不可避免得造成了低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了它在低速区得应用。针对与此国内外学者提出了各种提高开关频率、固定开关频率以及减小转矩脉动的方法。

② 无差拍(Deadbeat)空间矢量调制方法 A. T.G.Habetler的空间矢量调制方法

把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人T.G.Habetler提出来的。这种方法主要针对数字化直接转矩控制提出的，其主要思想是在本次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之

?T?差，这个差值可以用下式表示出来：

3pTS[(??SdEq??sqEd)?(?sdVq*??sqVd*)]4LS

（1）其中，P为极对数，TS为采用周期，Eα、Eβ为定子上的反电动势在空间电压矢量在d轴和q轴上的两个分量，Vα、Vβ为空间电压矢量在d轴和q轴上的两个分量。另外，由电机定子侧电压方程可以得到使定子磁链幅值达到给定值的所加空间电压矢量的数学式子：

*2??( sVqTst??sq)2?(Vd*Ts??sd)2

（2）

利用式(1)和式(2)可以联立求解出下一周期使转矩误差和磁链误差为零的空间电压矢量合成矢量，它的两个分量Vd和Vq，显然，此空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链无差拍的目的。

利用Habetler的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩误差为零，从而消除转矩脉动，可以弥补传统DTC的Bang-Bang控制的不足，使电机可以运行于极低转速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可以使开关频率相对于单一矢量得到大幅度提高并且使之固定，这对于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助的。

但是由式(1)和式(2)可以联立求解出的空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足磁链和转矩无差拍控制。

因此作者提出了三个步骤，首先是否转矩满足无差拍， 如果不满足再看是否磁链满足无差拍，

如果还不满足就按照原有直接转矩控制矢量表来选取下一周期的单一电压矢量。 因此按照Habetler的无差拍方法最大的计算量有4个步骤，这将耗费很大的计算资源，不易实现，另外在整个计算过程中对电机参数的依赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。

B. 转矩或磁链的预测控制方法 在T·G·Habetler的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现，因此出现了一系列的简化的无差拍直接转矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。

在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论， 之后又进一步由基本电机方程得出转矩变化式子：

L??T?[p(?s?Vs)?RmTe?p??s2)Ts （3）

L?(LsLr?Lm)/Lm ，

其中：?2Rm?LLLLrLRs?mRr??Rr?rRs?sRrLmLrLrLmLm

通过分析(3)式可知，非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的作用是不同的，

非零电压矢量可以使转矩上升或下降， 而零电压矢量总是使转矩下降。

另外，在不同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。 在转矩预测控制方法中，电压矢量在空间的位置是固定不变的，合成在两个单一电压矢量的中间，

但是电压矢量不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比，在一个采样周期中可以分为非零电压矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生

的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差，如下式所示： ?T??T???T? （4）

通过求解方程可以获得消除转矩误差的电压矢量作用时间，达到转矩无差拍控制的目的。

*即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压矢量来代替，因此是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称，说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁链的无差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制，在这中方法中，通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近视得到： （5）

其中ΔΨS是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θVΨ是二者的空间角度。设第k采样周期的磁链误差为ΔΨSK，那么根据公式(5)，可以得到使第k+1周期磁链误差为零的矢量作用时间是：

以转矩控制优先为原则，根据转矩预测控制计算出来的矢量作用时间 和磁链预测控制计算出来的作用时间，可以得到综合的矢量作用时间。 考虑磁链的无差拍控制之后的系统控制效果，相对于单纯的转矩无差拍控制效果好，既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸变，并且计算量不会太大。 除了上述的转矩无差拍控制方法，在文献中也采用了类似的方法，最后的电压矢量计算作用时间也基本相同，此处不详述。同Habetler的无差拍方法一样，预测方法也要用到比较多的电机参数，如果能在线实时辨识定子电阻和转子时间常数，将大大提高控制精度。

C. 基于检测反电势的离散时间直接转矩控制(DTDTC)

使用离散时间的方法进行异步电机的控制，在文献中已经有了比较详细的介绍， 首次把这种方法使用于直接转矩控制，其基本方法如下：

对由电机的基本电路模型得到的电压方程和磁链方程进行离散化如下：

*??s??s??s?VsTscos?V?is(k?1)?is(k)?b?Vs(k) （6）

或

?s(k?1)??s(k)?Tse(k)??Lsb?Vs(k) （7）

e(k?1)?Vs(k?1)?其中反电动势的计算式为：

ais(k?1)?is(k)b

（8）

a，b的定义对转矩方程也进行离散化，并把方程(7)代入其中，同时也把方程(7)代入到磁链的幅值平方表达式中去，利用离散的转矩方程和离散的磁链幅值平方式可以求解出下一周期的空间电压矢量的增量ΔVSx和ΔVSy，代入方程（9）可以得到转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，并对其进行了限幅：

Vs(k)?e(k)?Rsis??Vs(k)

（9）

离散时间直接转矩控制可以通过差分方程，把k+1周期的所应达到的转矩和磁链递推出来，因此可以同时达到转矩和磁链的无差拍控制，从实现方式上是很适合于数字化控制的， 另外这种方法主要基于定子侧进行控制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒性比较好，从实验结果来看，系统的动态响应性能是比较好的。

但是在这种方法中，需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，另外，计算量也比较大。

D.基于几何图形的无差拍控制

对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程进行离散化、之后把前

调速系统频率变化范围较大、频率段数很多时，将占用大量内存空间。自然采样法用于有限调速范围的场合。 规则采样法：设法使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线相对，从而简化计算。查表法：（开环系统）一般可以事先离线在通用计算机上算出规则采样法相应的脉宽后写入EPROM，然后由调速系统的微型机通过查表和加减运算求出各相脉冲的时间和间隙时间。实时计算法：（闭环系统）在内存中存贮正弦函数和TC/2值，控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的TC/2值，与Msinw1te作乘法运算，然后运用加、减、移位即可求出脉宽时间t2和间隙时间t1、t3。

③ 指定谐波消去法：从消除某些指定次数的谐波出发，通过计算来确定各个脉冲的开关时刻，从而生成SPWM波。一般用离线迭代计算事先求出不同输出频率下各开关角的数值解，放入微机内存，以备控制时取用。

具体工作过程说明见陈伯时主编.电力拖动自动控制系统。

问题6-5：SPWM的三种调制方式为：同步调制、异步调制和分段同步调制。

问题6-6：SPWM逆变器是利用正弦波信号与三角波信号相比较后，而获得一系列（A）的脉冲波形。

A、等幅不等宽； B、等宽不等幅； C、等幅等宽； D、不等宽不等幅； 在一般的交—直—交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器UR和逆变器UI，这样就带来了一系列的问题。主要是： （1）、主电路有两个可控的功率环节，相对来说比较复杂； （2）、由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢； （3）、由于整流器是可控的，使供电电源的功率因数岁变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流； （4）、逆变器输出为六拍阶梯波交变电压（电流），在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。因此，由第一代电力电子器件所组成的变频装置已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源的需要。随着第二代电力电子器件的出现以及微电子技术的发展，出现了解决这个问题的良好条件。 1964年，德国的A.Schonung等率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广引用于交流变频。用这种技术构成的PWM变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。下图表示了SPWM变频器

的原理图。

图6-1 SPWM交—直—交变压变频器的原理框图 图6-2 SPWM变压变频器主电路的原理图

上图是SPWM交—直—交变压变频器的原理框图，它仍是一个交—直—交变压变频装置，但它的整流器UR是不可控的，它的输出电压经电容滤波（可附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件采用全控式器件），按一定规律控制器导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。在这里，通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制器输出频率，从而同时实现变压和变频。 SPWM变压变频器的主要特点如下：

（1）主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构。

（2）采用了不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。

（3）逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。 （4）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，因而转矩脉动小，大大扩展了传动系统的调速范围，提高了系统的性能。

问题6-7： 请简述SPWM正弦脉宽调制原理

所谓的正弦脉宽调制（SPWM）波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效的原则时每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，由n各等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称作SPWM波形。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。这种正弦波正、负半轴分别用正、负脉冲等效的SPWM波形称作单极式SPWM。图6-3是SPWM变压变频器主电路的原理图，图中VT1～VT6是逆变器的六个全控式功率开关器件，他们各有一个续流二极管反并联接。整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流恒压电压为Us 。为分析方便起见，认为异步电机定子燃组Y联结，其中点0与整流器输出端滤波电容器的中点0相连，因而当逆变器任一相导通时，电机绕组上所获得的相电压为Us／2。

问题6-8：怎样产生SPWM波？ 脉宽调制变压变频器的控制方法

原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图6-4 是SPWM变压变频器的模拟控制电路原理框图。三相对称的参考电压调制信号ura 、urb 、urc 由参考信号发生器提供，器频率和幅值都是可调的。三角载波信号ut由三角波发生器提供，各相共用。它分别是每相调制信号在比较器上进行比较，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波uda 、udb 、udc ，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。

图6-3 SPWM变压变频器的模拟控制电路图 图6-4 SPWM变压变频器的Simulink模块图

虽然此模拟控制电路很少应用，但因为用MATLAB很容易仿真，且可以对输出的SPWM波形的频率和幅值都是可调的。所以才采用Simulink中的模块做SPWM变压变频发生器和示波器。

图6-4中，将三相正弦波作为基准的调制波（Modulation Wave），而三角波发生器产生的三角波信号作为载波（Carrier Wave）。当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。具体的做法是，当A相的调制波电压URA高出载波电压Ut 时，使相应的开关器件VT1导通，输出正的脉冲电压；当URA的负半周中，可用类似的方法控制下桥臂的VT4 ，输出负的脉冲电压序列，改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改

‘

变；降低调制波的幅值时，如URA ，各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。上述的单极式SPWM波形在半周内的脉冲电压只在“正”（或“负”）和“零” 之间变化，主电路每项只有一个开关器

件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到双极式的SPWM波形。 图6-5 双极式SPWM波形

问题6-9：什么是SPWM的数学控制方法？ 数学控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制是根据指令调出；或者通过软件实时生成SPWM波形。而“面积等效算法”则是其中最简单的一种方法。

它的基本原理是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。如图3-7绘出了单极式的SPWM波形，它是由逆变器上桥臂中一个功率开关器件反复导通和关断形成的。其等效正弦波为Umsinω而SPWM脉冲序列波的幅值为Us／2，各脉冲不等宽，但中心间距相同，1t，

都等于л/n，n为正弦波半个周期内的脉冲数。令第i个矩形脉冲的宽度为δi ，其中心点相位角为

??i?US?2nsin?td(?t)?2Usin?i?Um??sin?i11m??22ni2n?i?

2?Umsin?inUs （6-1）

这就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比.因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。根据上述原理，SPWM脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，采用数字控制时，这是很容易实现的。我刚开始做这个脉冲发生器时用的就是计算方法，但是在MATLAB中运用这种方法虽然方便简单，但是脉冲发生器产生的SPWM波形的频率就不能改变了，所以我选择了第一种方法。

七、 双馈调速和内反馈

问题7-1： 什么是双馈调速?它与串级调速由什么不同？

（胡宗岳，近代交流调速技术：21-24，机械工业出版社，P309） 双馈调速是将定、转子三相绕组分别接入两个相对独立的三相对称电源：电子绕组接入工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按要求进行调节的交流电源，即采用交-交变频器和交-直-交变频器给转子绕组供电。其中必须保证在任何情况下，转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致。当改变转子外加电压的幅值和相位时就可以调节异步电动机的转速，也可以调节定子侧的功率因数。这种双馈调速的异步电机不但可以在此同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运转，因此，双馈调速也叫超同步调速。 串级调速是对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动势，也叫低同步串级调速系统，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的缘故。串级调速是双馈调速的一种特殊情况。

设转子外加电压E2与转子感应电动势SE2同相位

?'?U?'sE'j?U'j(???)sE22??2I?'2[e2?2'e]''r2?jsx2z2sE2转子电流

'2''sE2U2T?c?m'cos?2(1?')z2sE2=T+/- T‘

电磁转矩DD

'm'U2(1?')sE2 ’

理想空载转速n=n1(1-s)=n1

问题7-2：请说明双馈调速的五种情况的功率流动情况

（胡宗岳，近代交流调速技术：21-24，机械工业出版社，P312） ① 转子运行于次同步电动状态（1＞S`＞0）

电磁功率＞0，从电源流向负载；机械功率＞0，从电机输给机械负载；

转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。

② 转子运行于次同步速的定子回馈制动状态（1＞S`＞0）

电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；

转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。 ③ 转子运行于超同步电动状态（S`＜0

电磁功率＞0，从定子电源输向电机；机械功率＞0，从电机输给机械负载；

转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。 ④ 转子运行于超同步速的定子回馈制动状态（S`＜0

电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；

转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。 ⑤ 转子运行于倒拉反转的电动状态（S`＞1）

电磁功率＞0，从定子电源输给电机；机械功率＜0，从原动机输给电机；

转差功率＜0，由电动机回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。

问题7-3：双馈调速中为了实现任何转速下变频器输出的电压与转子感应电动势同频率，用于变频电源频率控制的方法有哪些？

（胡宗岳，近代交流调速技术：21-24，机械工业出版社，P340）

双馈调速中为了实现任何转速下变频器输出的电压与转子感应电动势同频率，用于变频电源频率控制的方法有：他控式和自控式。

①他控式：由独立的频率可控正弦波发生器发出控制信号，去控制交交变频器，使之产生转差频率的电压U2，每个控制信号的给定值都对应着一个确定的频率f2，即对应着异步电动机的一个确定转速，此转速和异步电动机的负载无关。

这种运行方式的异步电动机实际上相当于转子加交流励磁的同步电动机运行，只不过转速可以调节而已，因此又称同步工作方式。

他控式双馈调速的异步电动机在突加负载、快速调节转速、或其他参数突变的情况下，很难保持稳定和容易振荡。

其解决办法是：快速调节转子绕组中电流的相位和幅值。 他控式双馈调速适合于负载平稳、对调速快速性要求不高的场合，如风机、泵类负载的调速，实际中一般不采用。

②自控式又称异步工作方式，异步电动机转子侧电源的频率是通过系统内的调节环节，根据电动机的状态自动控制，这个频率要求自动跟踪异步电动机的转差频率。 为了检测转差频率，需要在系统中安装位置检测器（差频信号检测器），以检测转子位置，实现相位控制。

自控式双馈调速异步电动机具有异步电动机的特点，即使转速达到同步转速还具有异步电动机的特点：转速随轴上负载而变化。与普通异步电动机的不同之处是定子侧无功功率可调。 自控式双馈调速异步电动机避免了失步现象，其稳定性好，适用于轧钢机等具有冲击性负载的场合。

问题7-4：双馈调速异步电动机的起动方法有哪些？

双馈调速异步电动机的起动方法基本上可分为：转子绕组串电阻启动和利用现成的交-交变频器启动。

① 转子绕组串电阻或串电抗器启动方法最适合于风机类负载，它利用有级或无级改变电阻的方法控制异步电动机的起动电流和启动转矩。这种启动方法可靠性高、成本低，但整个装置的重量和体积要增大。

② 利用现成的交-交变频器启动。

在启动开始时，将定子绕组闭合(短接方式)，转子绕组和交-交变频器相连接，从零到n1/2范围内改变交-交变频器的输出频率，就可把电动机转速从零加速到同步转速的一半。 这时，将定子绕组改接到电网上。如果变频器不改变输出频率，电动机将继续以同步转速的一半旋转。

如果从n1/2到零连续改变变频器的输出频率，就能使异步电动机的转速从同步转速的一半提高到同步转速。

采用这种方法，变频器的最大稳态功率大约是电动机功率的一半，但启动方法较复杂：要把定子绕组从短接方式改接到电网上；当异步电动机的转速为n1/2时保证转子绕组感应电动势是转子开口电压的一半，要求晶闸管耐压等级较高。

③ 综合同步电动机变频调速的思想，在启动时，定子绕组接入一个整流电源G，转子绕组接到交-交变频器。当电动机静止或转速很低时，定子磁场在转子绕组中感应的电动势很小，这时类似于异步电机变频启动。随着转速的上升，转子绕组感应电动势增加，电动机过度到同步电动机变频启动状态。启动过程结束后，电机的转速进入调速范围，这时将定子绕组从整流电源上断开，改接到电网上，变频器的控制信号就是转差频率信号。

问题7-5：从原理上讲，双馈调速异步电动机既是电动机，又是无功功率补偿器，合理地选择转子电流，使双馈调速系统获得最优的能量指标。通常有三种实现最优的工作方式：全补偿工作方式（全部补偿定子侧的无功功率）、最小损失工作方式、转子电流最小工作方式（可减小变频器容量）。

问题7-6：何谓内反馈调速？

内反馈调速，是一种将交流调速电机的部分转子功率(即电转差功率SPm)移出来，以电能的形式反馈到交流电机定子上的调节绕组的一种特殊调速方式。由于通过对外附电势幅值的控制调节，可以改变转子电势和转差率，从而实现了调速。这就是所谓交流内反馈调速(简称屈氏调速)。

内反馈调速电机由定子绕组、转子绕组、调节绕组和整流—斩波—逆变器组成。如果忽略铁耗和定子铜耗，电源功率就等于输出轴功率+转差功率+调节绕组功率。交流电机在调速时，转子的部分功率通过整流器、逆变器馈入调节绕组，交流电机转子反馈给调节绕组的功率越大，电机的机械功率输出就越小，转速就越低，反之就越高。调节绕组在接受转子馈入功率的同时，通过旋转磁场又送还给转子，电机从电网中吸收的功率就自然减少，因此效率高，如图7-1所示。

图7-1 内反馈调速电机

要实现转子与调节绕组之间转差功率的传输，必须通过整流器、逆变器进行频率交换，使二者频率相等。为了实现转速调节，要求从转子移出转差功率的大小，必须是可调的。

问题7-7：请简述内反馈调速电机的调速原理。

交流内反馈调速电机的基本原理，从经典电机学角度看，是通过调节其附加电势的大小，以改变转差率的调速。

从能量平衡角度来分析，则更容易揭示其实质，占绝大多数恒转矩类的电机调速，其实质就是通过改变电机的轴功率(即机械功率)来实现调速的。当电机轴功率增大时，转速升高；反之，则转速下降。内反馈调速电机的调速能量原理，可用图1说明。

交流电机在调速时，转子的部分功率(斜线阴影部分)，通过电传导馈入调节绕组，如果忽略损耗，调节绕组所莸得的功率应与从转子移出的功率相等，即图7-2中转子功率圆斜线部分面积与调节绕组功率圆的面积相等。由于转子的部分功率被移出，故转化为轴功率的部分减小(即转子圆所余的面积)，因此，电机转速下降。反之，则电机转速上升。调节绕组功率的传输，是内反馈调速中至关重要的一环。调节绕组在接受转子馈入功率的同时，通过旋转磁场，这一电磁通道，将能量送还给转子，因此，这是内反馈调速最大的特点。由于调节绕组供给了转子一部分功率，因此，定子主绕组功率就仅供给转子所不足的部分即可。当转速下降时，轴功率减小，则定子功率相应减少，此时电机从电网中吸收的功率也自然减小，这就是内反馈调速电机的节能所在。

图7-2 内反馈调速的能量原理示意图

问题7-8： 内反馈调速的特点有哪些？其不足之处是什么？ 内反馈调速的主要特点：

① 调节绕组在接受转子馈入功率的同时，通过旋转磁场又将能量返还于转子，这部分功率只是在转子绕组—调节绕组之间循环，不需要经过电源供应，这是内反馈调速的最大特点。 ② 结构简单，不需逆变变压器和其它外附电机，更不需建配电室或变压器室。

③ 谐波小，定子电流的畸变率一般小于10%。采用YQT-2斩波式逆变器的内反馈调速，其电流畸变率小于5%，

而串级调速反馈到电网的电流畸变率高达30%。

④ 内反馈调速系统的结构和控制方式较简单，产品价格低，投资省。

⑤ 可靠性高，内反馈调速系统的控制装置承受的只是部分转子电压，远远低于电源电压，因此电力电子元器件所承受的工作电压很低，有利于元器件的可靠运行。

其不足之处是，内反馈调速电机采用绕线式转子，有滑环和电刷，这样相对于鼠笼电机来说，可靠性差。应采用高强度的耐磨合金钢滑环，配以金属石墨电刷，延长其使用寿命。

总之，内反馈调速系统具有： ① 价格低廉，结构简单；

② 调速效率高，节电效果明显； ③ 波形畸变率小，谐波污染少；

④ 功率因数高，控制装置的功率因数恒大于0.9； ⑤ 采用电流斩波数字控制，可靠性高等优点。

所以这种投资少见效快的调速方式，在火力发电厂的节能降耗领域中将大有所为。

问题7-9：与串级调速相比，内反馈调速有何优点？

与串级调速相比，内反馈调速的优点是很显著的，① 首先是定子绕组中不含调速产生的电转差功率。

而在串级调速系统中，被移出的部分转子功率，经过电子换向器和逆变变压器，被馈入电网，因此形成了图7-3能量原理图。

串级调速最大的缺点是被移出的转子功率通过逆变变压器馈入电网，然后通过电网又送回转子，形成了电网—转子之间的无谓循环，效率低，谐波大，并增加了定子绕组的热负荷。

图7-3 串级调速的能量原理示意图 由图2可知，为了维持电机的功率平衡，反馈到电网的转差功率又会通过定子绕组吸收进来，然后经感应通道传给转子，形成转差功率无谓循环。它的危害是使损耗加大，降低调速效率。另外，定子绕组功率是机械功率和转差功率之和，增大了定子绕组负担，使其温升增高，绝缘易老化，影响电机寿命。 所以内反馈调速效率高。

② 其二是简化了结构。因为其没有逆变变压器和其他的外附电机。另外，还可降低系统成本，又可减少系统安装费用。据有关资料介绍，大、中型串级调速工程中，仅逆变变压器室的建设投资，就相当于逆变变压器价格的2倍。

③ 其三是谐波影响小。定子电流的畸变率一般小于10%，尤其在采用斩波式逆变器的YQT—2型内反馈调速中，畸变率可减小到5%以下，而串级调速反馈到电网电流的畸变率可高达30%。其四是产品价格较低。由于交流内反馈调速结构和控制方式都较简单，所以成本较低，相应价格亦较低廉。

串级调速产品，仅指逆变器及其控制装置，不包括电动机和逆变变压器。

而内反馈调速，则是包括电机和逆变变压器及内补偿等设备在内，成套供货，所以在价格比较时，可看出内反馈调速产品价格低。

问题7-10： 变频调速相比，内反馈调速有哪些优势？ 与变频调速相比，内反馈调速的优势主要有：

① 由于在转子侧实行调速控制，而转子电压较低，可以不受电源电压高、低的限制，便于实现高压电机的调速。而变频调速，则要直接承受电源电压，否则，要增加变压器，导致费用增大，效率降低，可靠性差，价格昂贵等。内反馈调速的总投资仅是变频调速的1/6，虽然变频器的投资为1700～2300元/kW，但是高压变频调速需要配套控制系统和配电室，这两项投资几乎和变频器的投资相当，而内反馈调速系统包括电机总投资仅仅650～750元/kW。内反馈调速的元器件所承受的工作电压很低，容易实现高压电机的调速控制，对高电压、大容量电动机的变速控制，其元器件仍为低电压、小容量的元器件 ② 内反馈调速控制装置的容量，可以按需要的调速比，在小于电机额定容量的范围内选择。而变频调速的控制装置，是与电机相串联，其容量必须大于或等于电机额定容量。前者更经济。

③ 由于定、转子的隔离作用，内反馈调速对电网的谐波影响，远远小于变频调速对电网的谐波影响。

④体积小容量小，内反馈调速装置的容量，可以按需要的调速比，在小于电机额定容量下选择，而变频调速是与电机串联，其容量必须大于电机额定容量。

问题7-11：就节能效果和投资回收期限而言，内反馈调速效果如何？ 对于电机的调速节能，是指在满足设备运行要求的前提下，不同调速方式所花费能量的对比，也就是说，调速效率的对比。在目前所有的交流调速中，内反馈调速的效率是最高的，因此，它的节能效果亦是最显著的。但是，节能的多少不仅决定于调速效率，还与设备的运行工况密切相关，如果运行工况不变，转速不需调节，就失去了调速的意义。因此，在预计节能效果时，必须有工况变化条件作为前提，这是选择调速电机时，应予以注意的。对于变化工况的风机、泵类，采用内反馈调速节能，效果最为明显，如在电机转速下降到(70～80)%ne时，电机比恒速阀门调节耗能低(30～40)%，通常不到2年时间就可收回投资。

问题7-12：就可靠性而言，内反馈调速情况如何？ 调速的可靠性问题影响调速电机可靠性的因素很多，从技术角度衡量，内反馈调速的可靠性是很高的，首先在高压电机调速中，内反馈调速的控制装置承受的只是部分转子电压，远远低于电源电压，因此，电力电子元器件所承受的工作电压很低，有利于元器件的可靠运行，也易于维修更换。另外，内反馈调速，厂家多采用晶闸管作为逆变器元件，元件本身的可靠性高于GTR和IGBT等大功率三极管，不存在二次击穿问题，而且过载能力较强，因此，都有利于可靠性的提高。不过，内反馈调速，采用的电机是绕线式转子电机，必须具有滑环和电刷，这样相对于鼠笼电机而言，可靠性是差些。为此，制造厂家对于内反馈调速在这方面作了很大的改进，主要是采用高强度(硬度)的不锈钢滑环，配以金属石墨电刷，使滑环和电刷的耐磨性能大为改善，寿命得以延长。另外，在滑环处设立局部风扇，不仅降低磨擦损耗产生的温升，而且也明显改善了工作的可靠性。

问题7-13：内反馈调速的关键技术有哪些？ 表7-1 高压电机调速主要方式对比表

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