电力传动控制系统运动控制系统(习题解答).doc
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“电力拖动控制系统”习题解答
电力传动控制系统——运动控制系统
（习题解答）
第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 1
第2章电力传动系统的模型 13
第3章直流传动控制系统 18
第4章交流传动控制系统 30
第5章电力传动控制系统的分析与设计* 38
－39－
第1章电力传动控制系统的基本结构与组成
1.根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。
答：
电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。
电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。
电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：
速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。
虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：
1）电动机的选择。
电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。
应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。
2）变流技术研究。
电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。
3）系统的状态检测方法。
状态检测是构成系统反馈的关键，根据反馈控制原理，需要实时检测电力传动控制系统的各种状态，如电压、电流、频率、相位、磁链、转矩、转速或位置等。
因此，研究系统状态检测和观测方法是提高其控制性能的重要课题。
4）控制策略和控制器的设计。
任何自动控制系统的核心都是对控制方法的研究和控制策略的选择，电力传动控制系统也不例外。
根据生产工艺要求，研发或选择适当的控制方法或策略是实现电力传动自动控制系统的主要问题。
2．直流电动机有几种调速方法，其机械特性有何差别？
答：
直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系为
考虑到他励直流电动机电枢电流与电磁转矩的关系，可以将其机械特性写成如下形式：
式中称作理想空载转速，为机械特性的斜率。
由上式可知，有以下三种调节直流电动机转速的方法：
1）改变电枢回路电阻（图1-2）。
2）减弱励磁磁通（图1-3）。
3）调节电枢供电电压（图1-4）。
比较三种调速方法可知，改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，实现一定范围内的弱磁升速；调节电枢供电电压的方式既能连续平滑调速，又有较大的调速范围，且机械特性也很硬。
因此，直流调速系统往往以变压调速为主，仅在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
3.从异步电动机转差功率的角度，可把交流调速系统分成哪几类？
并简述其特点。
答：
异步电动机按其转子构造可分为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机，可以根据实际应用要求选择电动机。
异步电动机的转速方程为
由上式可知，若改变供电频率或改变电动机极对数则可调速，这就是变频调速和变极对数调速的由来。
另外，通过改变定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻或外接可变电源可以改变转差率来实现异步电动机的转速调节。
为更科学地进行分类，按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：
一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率成正比。
从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。
从这点出发，又可以把异步电动机的调速系统分成三类：
1）转差功率消耗型。
调速时全部转差功率都转换成热能消耗掉，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），这类调速方法的效率最低，越向下调效率越低。
2）转差功率馈送型。
调速时转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机械能予以利用，转速越低时回收的功率越多，其效率比前者高。
3）转差功率不变型。
这类调速方法无论转速高低，转速降都保持不变，而且很小，因而转差功率的消耗基本不变且很小，其效率最高。
目前通常采用笼型转子异步电动机实现低于同步转速的调速，调速方法可选择定子变压调速、定子变压变频调速等方案；当需要高于同步转速运行或其他特殊应用场合时，则需采用绕线转子异步电动机，通过定子和转子实行双馈调速。
4.利用电力电子器件，可以构成哪几种直流输出变换器？
试简述各自的基本拓扑结构和换流模式。
答：
利用电力电子器件，可以构成相控整流器、直流斩波器和PWM整流器等三种直流输出变换器。
1）相控整流器（图1-5）。
2）直流斩波器（图1-6、图1-7）。
3）PWM整流器（图1-8）。
5.试简述交流变频器的分类，分析比较各自的特点。
答：
由于高性能的交流调速系统需要现代电力电子变流器既能改变电压又能改变频率，因此，交流输出变流器是一种变压变频装置，通常称为变频器。
目前，交流输出变换器主要有交-直-交变频器和交-交变频器两大类：
（1）交-直-交变频器
交-直-交变频器的基本原理是：
首先将交流电通过整流器变成直流电，然后再通过逆变器变成交流电。
由于中间直流环节的存在，故而称为交-直-交变频器，又可称为间接式的变压变频器。
目前，有多种方式实现交-直-交变频器的电能变换，主要应用于电力传动控制系统的有下面四种方式：
1）采用相控整流器与六拍逆变器组成的交-直-交变频器（图1-11、图1-13）。
六拍变流器的优点是：
在整流环节进行调压控制，在逆变环节进行调频控制，两种控制分开实现，概念清楚，控制简便。
但由于早期采用晶闸管整流和逆变，带来了如下不足：
如果采用晶闸管相控整流，在交流输入端造成网侧功率因数低和高次谐波大的问题；
六拍逆变器由于晶闸管的工作频率的限制，变频控制范围有限，且输出不是正弦波，谐波含量高。
2）PWM变频器（图1-14、图1-15）。
PWM变频器的调制方法主要包括正弦波脉宽调制（SPWM）、消除指定次数谐波的PWM控制（SHEPWM）、PWM跟踪控制、电压空间矢量PWM（SVPWM）等。
PWM变频器的优点如下：
在主电路整流器和逆变器两个单元中，只有逆变单元是可控的，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，通过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简单，效率高。
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，影响电动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，电源侧功率因数较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。
3）双PWM变频器（图1-26）。
双PWM变频器的特点是：
可方便的实现四象限运行；
采用PWM整流控制，可任意调节网侧功率因数，使功率因数小于1、等于1或大于1；
可大大减小电流谐波。
4）多电平逆变器（图1-27）。
多电平逆变器的优点主要有：
多电平逆变电路对器件的耐压要求不高，其开关器件所承受的关断电压由所串联的各开关器件分担；
多电平逆变器输出的负载相电压为多电平的阶梯波，相对于两电平电路其输出波形阶梯增多，其形状更接近于正弦波，且阶梯波调制时，开关损耗小，效率高；
多电平逆变器随着输出电平数的增加，各电平幅值变化降低，这就使得它对外围电路的干扰小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小。
在开关频率相同的条件下，谐波比两电平要小得多。
（2）交-交变频器（图1-28、图1-30）。
与交-直-交变频器相比，交-交变频器的优点是：
采用电网自然换流，由一次换流即可实现变压变频，换流效率高；
能量回馈方便，容易实现四象限运行；
低频时输出波形接近正弦。
但是，交-交变频器也存在一些缺点：
使用晶闸管数量多，接线复杂；
输出频率范围窄，只能在1/2~1/3电网频率以下调频；
由于采用相控整流，功率因数低。
6．有哪些转速检测方法？
如何获得数字转速信号？
答：
常用的转速检测传感器有测速发电机、旋转编码器等。
测速发电机输出的是转速的模拟量信号；旋转编码器则为数字测速装置。
转速检测传感器输出的模拟信号先经过信号调节器，进行放大、电平转换、滤波、阻抗匹配、调制和解调等信号处理过程，然后进行A/D转换，实现模拟信号到数字信号的转换，包括离散化和数字化。
离散化是以一定的采样频率对模拟信号进行采样，即在固定的时间间隔上取信号值。
数字化是将所取得信号值进行数字量化，用一组数码来逼近离散的模拟信号的幅值，逼近程度由A/D芯片的位数来决定。
7.调速范围和静差率的定义是什么?
调速范围与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得多了”？
答：
生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比，称为调速范围，用字母来表示，即
式中，和一般都指电动机额定负载时的最高转速和最低转速。
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与理想空载转速之比，称为静差率，用字母来表示，即
静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度就越高。
调速范围、静态速降和最小静差率之间的关系为
调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。
在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低，静差率就越大。
如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。
因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。
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。
8.试简述PID控制器中，比例、积分和微分环节各自的作用，并分析其特性。
答：
PID控制器中各校正环节的作用如下（图1-49）：
1）比例环节对偏差进行放大，产生与偏差成正比的控制信号，施加于被控对象，以减少偏差。
2）积分环节通过对偏差历史的累积，产生控制信号以消除偏差，可实现系统的无差调节。
越大，积分作用越大，有利于减小误差，但减慢系统响应。
3）微分环节能反映偏差的变化率，具有加速系统响应，减小调节时间的作用。
实际应用时，可根据系统需求选择全部或部分校正环节组成具有不同功能的调节器，如P调节器、I调节器、PI调节器、PD调节器等
9．某闭环调速系统的调速范围是1500r/min～150r/min，要求系统的静差率，那么系统允许的静态速降是多少？
解：
调速范围
静态速降
10．某直流电动机，其参数为：
，，，，。
若只考虑电枢电阻引起的转速降，
（1）要求静差率，求系统的调速范围；
（2）如果要求，则其静差率允许的为多少?
（3）如果要求，则允许的转速降落为多少?
解：
（1）
（2）由，得
（3）
第2章电力传动系统的模型
1.简述坐标变换与统一电机理论的意义。
答：
坐标变换是一种线性变换，对电动机作系统分析时，所用的坐标变换，不仅可以将坐标系统扩展为维空间，还可以将原坐标变换到另一个旋转平面上的坐标，或者由笛卡儿平面坐标变换到复平面坐标。
这些理论与方法都是针对电机这种复杂的机电系统所做出的对策，在电机学科的发展史上具有划时代的重要意义。
直流电机的数学模型比较简单，交流电机的数学模型就相对复杂得多，而且由于其种类繁多，如果根据电机理论，按不同的电机结构建立各自的电路和磁路方程，则所建立的方程将形式各异，比较复杂。
统一电机理论提出了原型电机的概念，分析了原型电机的基本电磁关系，并研究了原型电机与其他各种实际电机之间的联系，研究表明任何电机的数学模型都可以从原型电机中导出，并统一求解，这是电机理论的一个重大发展。
2.电机常用的坐标系统有哪几种？
分别画出它们的坐标轴矢量图。
答：
电机常用的坐标系统可分为两大类，即
静止坐标变换：
这类变换是在两个静止的坐标系统中进行，最常用的是在A-B-C三相坐标系统与α-β-0两相静止坐标系统之间的变换，称为3/2变换和2/3变换，如下图所示：
旋转坐标变换：
这类变换是在静止的坐标系统与旋转的坐标系统之间进行，旋转坐标轴的旋转速度可以是电机转子的转速或同步转速，也可以是任意转速。
这类系统的典型代表是d-q-0坐标系统，如下图所示：
3.在电机坐标变换时，功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式哪些是相同的？
哪些是不同的？
不同的变换式有什么不同？
答：
坐标变换是一种线性变换，如无约束，变换就不是唯一的。
在电机的系统分析中，通常采用两种原则作为坐标变换的约束条件：
1）功率不变原则，即变换前后电机的功率保持不变；
2）合成磁动势不变约束，即变换前后电机的合成磁动势保持不变。
如果是两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的变换，则功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式是相同的。
而如果是三相静止坐标系与两相静止或两相旋转坐标系之间的变换，则功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式是不同的的，例如A-B-C三相静止坐标系与d-q-0两相旋转坐标系在功率不变约束条件下的变换式为
在合成磁动势不变约束条件下的变换式则为
4.写出静止三相坐标系与静止两相坐标系、以及静止两相坐标系与旋转两相坐标系之间的坐标变换式。
解：
静止三相坐标系与静止两相坐标系之间的坐标变换式
静止两相坐标系与旋转两相坐标系之间的坐标变换式
5.试分别建立并励与串励直流电动机的数学模型。
解：
与第一种原型电机相比较，可直接得到他励直流电动机的电压平衡方程
式中，，，，，
，。
转子运动方程为
式中，电磁转矩。
上面两式就构成了他励直流电动机的数学模型。
为简便起见，在实际使用时往往忽略补偿绕组C和阻尼系数Dw的作用，即有
对于并励直流电动机，电枢电压等于励磁电压，即补充条件；
对于串励直流电动机，电枢电流等于励磁电流，即补充条件。
6.试导出直轴和交轴方向上各有一个阻尼绕组的电励磁同步电动机的电压平衡方程与电磁转矩计算公式。
解：
与第一种原型电机相比较，可直接写出带阻尼绕组的电励磁同步电动机的电压平衡方程
式中，，，
，，
，
。
定子两个绕组的电阻是相等的，即；而运动电动势系数之间的关系为，，，，，所以上式可以写为
式中，电角速度。
电磁转矩为
第3章直流传动控制系统
1.晶闸管-电动机系统（V-M系统）存在哪些问题？
答：
由于采用电力电子变流器，给直流电动机控制带来一些新的问题，特别是晶闸管-电动机系统（图3-1）存在以下两个主要问题：
1）系统机械特性的变异问题（电流断续）；
2）能量回馈问题（晶闸管的单向导电性）。
2.引入转速负反馈后，为何能改善系统性能？
试分析比较开环和闭环系统，在哪些方面可以改善系统性能？
答：
开环调速系统虽能实现一定范围内的无级调速，但是其额定速降很大，往往不能满足生产工艺要求。
为了克服开环系统的不足，根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
由于转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。
为此引入转速反馈，组成转速反馈控制的闭环直流调速系统（图3-5、图3-6）。
比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，可以看出转速反馈闭环控制的优越性：
1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。
2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多。
3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
3.转速单闭环调速系统有哪些特点？
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：
转速单闭环调速系统可以获得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。
改变给定电压能够改变电动机的转速，因为反馈控制系统的作用是：
抵抗扰动，服从给定。
如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比能够改变转速，因为改变反馈电压的分压比，就相当于改变了反馈系数，而。
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，因为该变化不是被反馈所包围的扰动，闭环系统对此没有抑制能力，如下图所示。
4.在转速负反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、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，问系统对上述各量有无调节能力？
为什么？
答：
反馈控制系统的规律是：
一方面能够有效地抑制一切被包围在负反馈内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。
如上图所示，在转速负反馈调速系统中，系统对电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻各量发生变化时所引起的转速变化有调节能力，而对测速发电机励磁的变化没有调节作用。
5.有一V-M调速系统，电动机参数为：
，，，，电枢电阻，整流装置内阻，触发整流环节的放大倍数。
要求系统满足调速范围，静差率。
（1）计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降。
（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。
（3）调整该系统参数，使当时，，，则转速负反馈系数应该是多少？
（4）计算放大器所需的放大倍数。
解：
（1）
（2）系统原理图：
静态结构框图（稳态结构图）：
（4）闭环系统的开环放大系数
根据闭环系统的静特性方程，可得
放大器所需的放大倍数为
（3）根据，可得转速负反馈系数为
6.为什么用积分控制的调速系统是无静差的？
在转速单闭环调速系统中，当I调节器的输入偏差电压时，调节器的输出电压是多少？
它取决于哪些因素？
答：
用积分控制的调速系统不只靠偏差而且靠偏差的积累来控制，只要输入偏差电压，积分控制就使得逐渐积累，因而转速就要变化；只有到时，不再变化，转速才稳定下来，因而是无静差的。
当输入偏差电压时，积分调节器的输出电压是一个定值，这个电压的大小取决于稳态转速（即给定电压和转速负反馈系数）、负载电流、主回路电阻、触发整流环节的放大倍数等，如下式所示：
，
7.为何要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈？
在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR和ACR各起什么作用？
答：
采用PI调节的转速单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，由于转速单闭环系统无法对电流和转矩实施控制，因而存在起动电流的限制问题。
如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，转速单闭环系统就难以满足需要。
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程（图3-13）。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，即采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程，所以要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈。
在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR和ACR的分别作用为：
1）转速调节器ASR的作用：
①ASR是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压的变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
②对负载变化起抗扰作用。
③其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
2）电流调节器ACR的作用：
①作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
②对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
③在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
④当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
8．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）调速系统的静态特性：
双环系统稳态运行时无静差，当电流达到限流值时，呈恒流的下坠特性；单环系统如果也用PI调节器，也可以做到稳态无静差，但电流截止后静特性较软。
（2）动态限流性能：
双环系统的动态限流性能接近于方波恒流，而单环系统的动态限流性能要差得多。
（3）起动的快速性：
突加较大的给定电压时，双环系统的起动过程要比单环系统快得多。
（4）抗负载扰动的性能：
双环系统和单环系统抵抗负载扰动的性能差不多，其调节作用的快慢视具体参数而定。
（5）抗电源电压波动的性能：
双环系统的内环能及时抑制电源电压波动的影响，调节速度快，而单环系统较慢。
9.在转速、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：
，，，，电枢回路总电阻，设，电枢回路最大电流，电力电子变换器的放大系数。
试求：
（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、、、值。
解：
（1）电流反馈系数
转速反馈系数
（2）当电动机发生堵转时，ASR迅速处于饱和状态，其输出（即ACR的输入）达到限幅值，所以
，（ACR不饱和）
，
10．对于需要高于直流电动机额定转速运行的场合，如何采用电压与磁场配合控制？
试分析两种控制方式的转矩和功率特性。
答：
*
由于直流电动机允许的弱磁调速范围有限，一般电动机不超过2：
1，专用的“调速电动机”也不过是3：
1或4：
1。
另一方面，变压调速虽然调速范围较广，但也不宜在基速以上调速。
因此，当负载要求的调速范围更大时，需要采用变压和弱磁配合控制策略：
1）在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压；
2）在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速。
采用配合控制策略的系统特性如图3-20所示，其中：
横坐标为转速，以额定转速为分界线，分为基速以下和基速以上两个区域；纵坐标同时表示电压、磁通、转矩和功率。
在基速以下，磁通，随着电压增大，转速升高，但转矩不变，功率却与电压一样变化；在基速以上，电压保持不变，随着磁通减小，转速进一步增大，但转矩却随磁通一起减小，而功率保持不变。
（,）
11.采用两组晶闸管装置反并联供电的V-M系统，试分析在四象限运行中，两组整流器的工作在整流和逆变状态的输出电压极性、电流和功率流向，
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