华工电力拖动运动控制系统平时作业答案.docx

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华工电力拖动运动控制系统平时作业答案

第一章

1、请画出运动控制系统及其组成的框图。

2、请列出几种典型的生产机械负载转矩特性。

答：

1.恒转矩负载负载转矩的大小恒定（TL=const），称作恒转矩负载。

又分为

（1）位能性恒转矩负载。

（2）反抗性恒转矩负载。

2.恒功率负载负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。

3.风机、泵类负载负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。

3、请问如果构建一辆电动汽车，请问您认为必备哪些功能系统。

答：

电动汽车系统应具备三大功能系统：

电力驱动系统、主能源系统和辅助控制系统

电力驱动系统：

由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成

主能源系统：

有主电源、能量管理系统和充电系统构成

辅助控制系统：

具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能

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第二章

1、什么是调速范围和静差率？

调速范围、静态速降和最小静差率之间有什么关系？

为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易多了”？

答：

生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示,即：

当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即

。

调速范围、静态速降和最小静差率之间的关系是：

按上述关系可得出：

D越小，s越小，D越大，s越大；D与s相互制约，所以说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”。

2、某一直流调速系统，测得的最高转速特性为

=1500r/min,最低转速特性为

=150r/min。

电动机额定转速为

，带额定负载时的速度速降

=15r/min，且在转速下额定速降

如不变，试问系统能够达到的调速范围D是多少？

系统允许的静差率s是多少？

答：

（1）nmax=1500r/min，nmin=150r/min，系统能够达到的调速范围是

nN=15r/min，且不同转速下额定速降nN不变，

（2）最大静差率=15/150=0.1，

（3）最小静差率=15/1500=0.01，

系统允许的静差率是0.01～0.1。

3、转速单闭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，系统还有克服什么干扰的能力？

答：

（1）转速单闭环调速系统有以下三个基本特征：

①只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。

②抵抗扰动，服从给定。

③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。

（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。

（3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比会改变转速，因为反馈信号与给定信号的比较值发生了变化，破坏了原先的平衡，调速系统就要继续动作，使反馈信号与给定信号达到新的平衡为止。

（4）如果测速发电机的励磁发生了变化，系统没有克服这种干扰的能力。

因为反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。

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第三章

1、在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,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α行不行?

若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数?

答：

（1）在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：

转速给定电压U*n，因为转速反馈系统的转速输出服从给定。

（2）改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡过程，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。

因此，不能通过改变转速调节器的放大倍数Kn，来改变转速

（3）改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡过程，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。

因此，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速

（4）改变转速反馈系数α，能改变转速。

转速反馈系数α的影响不在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。

因此，可以通过改变转速反馈系数α来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。

（5）若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：

转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反馈系数α等，因为它们都在电流环之外。

2、在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用PI调节器。

当系统带额定负载运行时，如果转速反馈线突然断线，当系统重新进入稳定运行时电流调节器的输入偏差信号△Ui是否为零？

答：

在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用PI调节器。

当系统带额定负载运行时，转速反馈线突然断线，转速调节器反馈电压突变为为0，转速调节器输入偏差突变为最大，转速调节器（PI调节器）饱和，转速开环，系统变为电流单闭环调节。

转速调节器的输出突变为正极限值U*im,电流调节器的输入偏差变大，电流调节器为PI调节器作用，直至进入新的稳定状态，电流无静差。

当重新进入稳定运行时，电流调节器（PI调节器）的输入偏差信号Ui为零。

3、在转速、电流双闭环调速系统中，电流环为什么校正成典型I型系统，转速环为什么校正成典型II型系统？

答：

在转速、电流双闭环调速系统中，电流环的一项重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。

从这个观点出发，应该把电流环校正成典型Ⅰ型系统。

电流环的还有一项作用是对电网电压波动及时调节，为了提高其抗扰性能，又希望把电流环校正成典型II型系统。

在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比

，典型Ⅰ型系统的抗扰恢复时间还是可以接收的，因此一般多按典型Ⅰ型系统来设计电流环。

在转速、电流双闭环调速系统中，为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要II型系统。

再从动态性能来看，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，所以把转速环校正成典型II型系统。

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第四章

1、什么叫环流？

环流有几种？

怎样抑制直流平均环流？

怎样抑制瞬时脉动环流？

答：

采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。

1、静态环流——两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：

（1）直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。

（2）瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。

2、动态环流——仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流

直流平均环流采用配合控制来抑制：

为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。

为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器.

2、分析配合控制的有环流可逆系统反向启动和制动的过程。

答：

α=β配合控制的整个制动过程可以分为两个主要阶段即：

本组逆变阶段和它组制动阶段。

第1阶段：

本组逆变阶段在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组VF流通，具体过程如下：

（1）发出停车（或反向）指令后，转速给定电压突变为零（或负值）；

（2）ASR输出跃变到正限幅值+U*im；

（3）ACR输出跃变成负限幅值-Ucm；

（4）VF由整流状态很快变成的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态转变成待整流状态。

（5）在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势E极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，大部分能量通过VF回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。

由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化。

第Ⅱ阶段---它组制动阶段：

当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第I阶段结束，转到反组VR工作，开始通过反组制动。

从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制动阶段”。

它组制动阶段又可分成三个子阶段:

（1）它组建流子阶段;

（2）它组逆变子阶段;

（3）反向减流子阶段。

它组建流子阶段：

Id过零并反向，直至到达-Idm以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为-Ucm。

这时，VF和VR输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓。

反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供–Id。

由于反组整流电压Ud0r和反电动势E的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，因此，又可称作“它组反接制动状态”。

电枢电流过零，反组VR进入整流状态，电机处于反接制动状态。

正组处于待逆变状态.Udor和反电动势E迫使反向电流增加，电机降速。

反组整流装置将交流电能转变为直流电能，同时电动机也将机械能转变为电能，大部分电能转变成磁能储存在电感L中，使电动机电枢的反向电流增大至反向最大值-Idm；小部分电能消耗在电阻上。

它组逆变子阶段：

当反向电流达到–Idm并略有超调时，ACR输出电压Uc退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而VF变成待整流状态。

此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流–Idm电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过VR逆变回馈电网，过渡过程波形为图4-10中的第II2阶段，称作“它组回馈制动阶段”或“它组逆变阶段”。

反向电流达到-Idm并超调，ACR输入偏差变负，ACR退饱和出，输出由负变正，然后再增大，使反组VR回到逆变状态，而正组VF变成待整流状态。

此后，在ACR的作用下，力图维持接近最大反向电流-Idm，使电动机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过反组VR逆变回馈电网，由于电流恒定，电感中磁场基本不变。

第2阶段：

反向减流子阶段：

在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持-Idm，于是电流立即衰减。

在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LdId/dt支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。

如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。

电机转速降为零并略超调，电动机反向，反电动势E变向，转速反馈Un变正，△Un>0，ASR的输出即ACR的给定信号开始降低，△Ui<0，由于ACR的作用，Uct由负变正，VR进入逆变状态，使电动机的反向电流开始减小，在电动机电流大于负载电流时，反向转速继续增大。

当反向电流减小到和负载电流大小相等时，转速达到反向最大值。

之后，电流继续减小，反向转速也减小，转速经过一定时间的调整回到零，电动机停止工作。

3、什么叫α=β配合控制？

实际应用中为什么要使α≥β？

答：

防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零，α=β配合控制。

为了更可靠地消除直流平均环流，可采用

为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角min保护。

与此同时，对角也实施min保护，以免出现Ud0f>Ud0r而产生直流平均环流。

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第五章

1、请画出异步电动机的速度闭环调压调速的原理示意图，并画出机械特性。

带转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统

转速闭环控制的交流调压调速系统静态特性

UsN、Usmin为开环机械特性

Un1、Un2、Un3为闭环静态特性

2、简述异步电动机在下面四种不同的电压-频率协调控制时的机械特性，并进行比较。

答：

①恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性；

②基频以下电压-频率协调控制时异步电动机的机械特性；

③基频以上恒压频比控制（弱磁调速）时异步电动机的机械特性；

④恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性；

答：

①异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Te=f（s）。

当定子电压Us和电源角频率1恒定时，可以改写成如下形式：

当s很小时，转矩近似与s成正比，

机械特性Te=f（s）是一段直线；

s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，

Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。

②基频以下电压-频率协调控制时异步电动机的机械特性；

当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，

因而n也是基本不变的。

这就是说，在恒压频比的条件下

改变频率1时，机械特性基本上是平行下移，。

它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。

所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，

特性就折回来了。

而且频率越低时最大转矩值越小

最

大转矩Temax是随着的1降低而减小的。

频率很低时，

Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，

适当地提高电压Us，可以增强带载能力。

③基频以上恒压频比控制时异步电动机的机械特性；

在基频以上变频调速时，由于定子电压Us=UsN不变，

机械特性方程式可写成

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。

由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩

的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。

所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。

以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。

如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中

的损耗。

因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。

④恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性；

在变频调速时，

保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流

控制，电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，

这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。

恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同，

恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似，都有理想空载转速

点（s=0，Te=0）和最大转矩点（sm，Temax）。

两类特性的

特征有所不同，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。

由于恒流控制限制了电流Is，而恒压供电时随着转速的降低

Is会不断增大，所以在额定电流时Temax|的要比额定电压时

的Temax|小得多，但这并不影响恒流控制的系统承担短时过

载的能力，因为过载时可以短时加大定子电流，以产生更大的转矩。

3、常用的交流pwm有三种，分别为spwm,scpwm,svpwm，分析它们各自的特点。

答：

（1）Spwm:

按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。

①如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。

②如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。

（2）CurrentHysteresisBandPulseWideModulation：

将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过时h，经滞环控制器控制逆变器A相上（或下）桥臂的功率器件动作。

如果，ia

当增长到与相等时，虽然，但滞环控制器仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大，直到达到ia=i*a+h，ia=–h，使滞环翻转，滞环控制器输出负电平，关断V1，并经延时后驱动V4。

但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。

此后，逐渐减小，直到时，到达滞环偏差的下限值，使滞环控制器再翻转，又重复使导通。

这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化，输出电流是十分接近正弦波的。

（3）svpwm：

把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”。

磁链轨迹的控制是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，SpaceVectorPWM）控制。

4、简述转速闭环转差频率控制系统的控制规律。

（1）在s值很小的稳态运行范围内，如果能够保持气隙磁通m不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比。

在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率ωs来控制转矩，控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。

转差频率控制的规律是：

（1）在ωs<ωsm的范围内，转矩Te基本上与转差角频率ωs成正比，条件是气隙磁通m不变。

（2）在不同的定子电流值时，按上图的函数关系Us=f（w1,Is）控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。

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第六章

1、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思想和方法。

答：

VectorControlSystem，将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。

由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换的控制系统。

2、试分析并解释矢量控制系统与直接转矩控制（DTC）系统的优缺点。

答：

（1）直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，它采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。

它省掉了复杂的矢量变换与电动机的数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理结构明确。

该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内。

且无超调，是一种具有高性能的交流调速方法。

（2）直接转矩控制与矢量控制的相同点是：

两者都要对转矩和磁链进行控制。

（3）直接转矩控制与矢量控制的相同异点如下：

直接转矩控制只利用定子侧参数，而矢量变换控制是利用转子侧参数，这些参数容易受转子转速变化的影响；直接转矩控制在静止的坐标系中进行，控制运算比矢量变换控制简单；直接转矩控制对转矩进行闭环控制，准确性高，动态性好，而矢量控制则过分要求圆磁磁链和正弦波电流；直接转矩控制和直接磁链控制采用滞环，参数选择适当可弥补由直接转矩控制引起的速度下降。

直接转矩控制利用相电压矢量的概念，对逆变器的功率开关进行综合控制，开关次数少，开关损耗少。

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第七章 

1、串级调速系统的效率比转子串电阻的效率要高的原因是什么？

答：

 绕线式交流异步电动机转子回路串电阻调速系统是转差功率消耗型，转差功率消耗在转子电阻，效率低，而且效率随调速范围的增大而降低；串级调速系统可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网，因而效率高。

2、串级调速系统在起动、停车要注意什么?

分别说明直接起动和间接起动的过程及工作原理。

答：

 ①串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。

总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。

串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。

②为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投入运行。

间接起动操作顺序：

先合上装置电源总开关S，使逆变器在min下等待工作；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接通，电动机便以转子串电阻的方式起动；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，同时断开K1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。

停车操作顺序：

由于没有制动作用，应先断开K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离；再断开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。

③直接起动又称串级调速方式起动。

在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。

直接起动操作顺序：

接触器的工作顺序为S－K0－K2，此时不需要起动电阻。

当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动；待发出给定信号后，随着的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。

停车操作顺序与直接起动操作顺序相反。

3、串级调速系统的机械特性为什么比异步电动机的自然机械特性要软，最大转矩要小？

答：

串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。

由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。

当电机在最高速的特性上（=90°）带额定负载，也难以达到其额定转速。

整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。

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第八章