電力拖動自動控制系統-運動控制系統思考題和課后習題答案

電力拖動自動控制系統■運動控制系統［阮毅伯時）課后答

案包括思量題和課后習題

第2章

2-1直流電動機有哪幾種調速方法.各有哪些特點.

答：調壓調速，弱磁調速，轉子回路串電阻調速，變頻調速。特點略。

2-2簡述直流PWM變換器電路的根本構造。

答：直流PWM變換器根本構造如圖，包括IGBT和續(xù)流二極管。三相交

流電經過整流濾波后送往直流PWM變換器，通過改變直流PWM變換

器中IGBT的控制脈沖占空比，來調節(jié)直流PWM變換器輸出電壓大小，二

極管起續(xù)流作用。

2-3直流PWM變換器輸出電壓的特征是什么.

答：脈動直流電壓。

2=4為什么直流PWM變換器-電動機系統比V-M系統能夠獲得更好的動態(tài)性

能.

答：直流PWM變換器和晶閘管整流裝置均可看做是一階慣性環(huán)節(jié)。其中直

流PWM變換器的時間常數Ts等于其IGBT控制脈沖周期（1/fc）,而晶閘

管整流裝置的時間常數Ts通常取其最大失控時間的一半（1/（2mf）。因fc通

常為kHz級，而f通常為工頻（50或者60Hz）為一周），m整流電壓的脈波

數，通常也不會超過20,故直流PWM變換器時間常數通常比晶閘管整流裝

置時間常數更小，從而響應更快，動態(tài)性能更好。

2=5在直流脈寬調速系統中，當電動機停頓不動時，電樞兩端是否還有電壓.

電路中是否還有電流.為什么.

答：電樞兩端還有電壓，因為在直流脈寬調速系統中，電動機電樞兩端電壓僅取

決于直流PWM變換器的輸出。電樞回路中還有電流，因為電樞電壓和電樞

電阻的存在。

2-6直流PWM變換器主電路中反并聯二極管有何作用.如果二極管斷路會產生

什么后果.

答：為電動機提供續(xù)流通道。假設二極管斷路則會使電動機在電樞電壓瞬時值

為零時產生過電壓。

2-7直流PWM變換器的開關頻率是否越高越好.為什么.

答：不是。因為假設開關頻率非常高，當給直流電動機供電時，有可能導致電

樞電流還未上升至負載電流時，就已經開場下降了，從而導致平均電流總小于

負載電流，機電無法運轉。

2-8泵升電壓是怎樣產生的.對系統有何影響.如何抑制.

答：泵升電壓是當電動機工作于回饋制動狀態(tài)時，由于二極管整流器的單向導電

性，使得電動機由動能轉變?yōu)榈碾娔懿荒芡ㄟ^整流裝置反響回交流電網，而只

能向濾波電容充電，造成電容兩端電壓升高。泵升電壓過大將導致電力電子開

關器件被擊穿。應合理選擇濾波電容的容量，或者采用泵升電壓限制電路。

2-9在晶閘管整流器-電動機開環(huán)調速系統中，為什么轉速隨負載增加而降低.

答：負載增加意味著負載轉矩變大，機電減速，并且在減速過程中，反電動勢減

小，于是電樞電流增大，從而使電磁轉矩增加，到達與負載轉矩平衡，機電不

再減速，保持穩(wěn)定。故負載增加，穩(wěn)態(tài)時，機電轉速會較增加之前降低。

2-10靜差率和調速圍有何關系.靜差率和機械特性硬度是一回事嗎.舉個例子。

答：D=(nN/An)(s/11-s)。靜差率是用來衡量調速系統在負載變化下轉速

Z.

的穩(wěn)定度的，）而機械特性硬度是用來衡量調速系統在負載變化下轉速的降落

的。

2-11調速圍與靜態(tài)速降和最小靜差率之間有何關系.為什么必須同時提才故意

義.

答：D=（nN/An）卬（1-s）。因為假設只考慮減小最小靜差率，則在一定靜

態(tài)速降下，允許）的調速圍就小得不能滿足要求；而假設只考慮增大調速圍，則

在一定靜態(tài)速降下，允許的最小轉差率又大得不能滿足要求。因此必須同時提

才故意義。

2-12轉速單閉環(huán)調速系統有哪些特點.改變給定電壓能否改變電動機的轉速.為什

么.如果給定電壓不變，調節(jié)轉速反響系數是否能夠改變轉速.為什么.如果測速發(fā)

機電的勵磁發(fā)生了變化，系統有無抑制這種干擾的能力.（已驗證）答：轉速單

閉環(huán)調速系統增加了轉速反響環(huán)節(jié)（由轉速檢測裝置和電壓放大器構成），

可獲得比開環(huán)調速系統硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而保證在一定靜差率下，能夠提

高調速圍。改變給定電壓能改變電動機轉速。因為改變給定電壓則改變實際轉

速反響電壓與給定電壓的偏差，從而改變電力電子變換器的輸出電壓，即改變

電動機的電樞電壓，改變了轉速。調節(jié)轉速反響系數而不改變給定電壓能改變

轉速。因為改變轉速反響系數則改變實際轉速反饋電壓，而給定電壓不變，則

電壓偏差改變，從而電力電子變換器輸出電壓改變，即電動機電樞電壓改變，

轉速改變。假設測速發(fā)機電勵磁發(fā)生變化，則反響電壓發(fā)生變化，當給定電壓

一定時，則電壓偏差發(fā)生變化，從而轉速改變。故系統無抑制測速發(fā)電機勵磁

發(fā)生變化干擾的能力。

2-13為什么用積分控制的調速系統是無靜差的.在轉速單閉環(huán)調速系統中，當積

Z.

分調節(jié)器的輸入偏差電壓△u=o時，調節(jié)器的輸出電壓是多少.它決定于哪些因

素.

答：因為積分調節(jié)器能在電壓偏差為零時仍有穩(wěn)定的控制電壓輸出，從而抑制了

比例調節(jié)器必須要存在電壓偏差才有控制電壓輸出這一比例控制的調速系統存

在靜差的根本原因。當積分調節(jié)器的輸入偏差電壓為零時，調節(jié)器輸出電壓應

為一個恒定的積分終值。它取決于輸入偏差量在積分時間的積累，以及積分調

節(jié)器的限幅值。

2-14在無靜差轉速單閉環(huán)調速系統中，轉速的穩(wěn)態(tài)精度是否還受給定電源和測

速發(fā)機電精度的影響.為什么.

答：仍然受影響。因為無靜差轉速單閉環(huán)調速系統只是實現了穩(wěn)態(tài)誤差為零，

因此假設給點電源發(fā)生偏移，或者測速發(fā)機電精度受到影響而使反響電壓發(fā)生

改變，系統仍會認為是給定或者轉速發(fā)生改變，從而改變轉速，以到達電壓偏

差為零。

2-15在轉速負反響單閉環(huán)有靜差調速系統中，當以下參數發(fā)生變化時系統是否

有調節(jié)作用.為什么.（已驗證）（1）放大器的放大系數Kp。（2）供電電網電壓

Udo⑶電樞電阻Ra。⑷電動機勵磁電流If。⑸轉速反響系數a。

答：（1）有。假設Kp減小，則控制電壓減小，則電力電子變換器輸出減小，

則電動機轉速下降；而電動機轉速下降，則反響電壓減小，則偏差電壓增大，

則控制電壓增大，則轉速上升。（2）有。不解釋。（3）有。不解釋。（4）有。

不解釋。（5）沒有。不解釋。2-16在轉速負反響單閉環(huán)有靜差調速系統中，突

減負載后又進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud較

Z.

之負載變化前是增加、減少還是不變.在無靜差調速系統中，突加負載后進入穩(wěn)

態(tài)時轉速n和整流裝置的輸出電壓Ud是增加、減少還是不變.〔已驗證）答：

（1）Ud減小。因負載減小，轉速上升，反響電壓增加，給定電壓一定，偏差

電壓減小，控制電壓減小，故輸出電壓減小。（2）n不變，Ud增加。轉速

負反響調速系統轉速僅取決于給定電壓，故不變；略。2-17閉環(huán)調速系統有哪

些根本特征.它能減少或者消除轉速穩(wěn)態(tài)誤差的實質是什么.

一、可以作為填空題或者簡答題的

2-1簡述直流電動機的調速方法。答：直流調速系統常以［調壓調速）為主，必

要時輔以（弱磁調速），以（擴大調速圍），實現（額定轉速以上調速）。2-2

直流調壓調速主要方案有（G-M調速系統，V-M調速系統，直流PWM調速

系統）。

2-3V-M調速系統的電流脈動和斷續(xù)是如何形成的.如何抑制電流脈動.

11-12答：整流器輸出電壓大于反電動勢時，電感儲能，電流上升，整流器輸出

電壓小于反電動勢時，電感放能，電流下降。整流器輸出電壓為脈動電壓，時

而大于反電動勢時而小于，從而導致了電流脈動。當電感較小或者電動機輕載時,

電流上升階段電感儲能不夠大，從而導致當電流下降時，電感已放能完畢、電

流已衰減至零，而下一個相卻尚未觸發(fā)，于是形成電流斷續(xù)。

2-4看P14圖簡述V-M調速系統的最大失控時間。

14答：tl時刻*一對晶閘管被觸發(fā)導通，觸發(fā)延遲角為al,在t2>tl時刻，控制電

壓發(fā)生變化，但此時晶閘管已導通，故控制電壓的變化對它已不起作用，惟獨

等到下一個自然換向點t3時刻到來時，控制電壓才干將正在承受正電壓的另一

對晶閘管在觸發(fā)延遲角破后導通。t3-t2即為失控時間，最大失控時間即為

Z.

考慮t2=tl時的失控時間。2-5簡述V-M調速系統存在的問題。16答：整流器晶

閘管的單向導電性導致的電動機的不可逆行性。整流器晶閘管對過電壓過電流

的敏感性導致的電動機的運行不可靠性。整流器晶閘管基于對其門極的移相觸

發(fā)控制的可控性導致的低功率因數性。2-6簡述不可逆PWM變換器1無制動

電流通路與有制動電流通路）各個工作狀態(tài)下的導通器件和電流通路。17-182-

7調速時普通以電動機的（額定轉速）作為最高轉速。2-8（調速圍）和〔靜差率）

合稱調速系統的（穩(wěn)態(tài)性能指標）。2-8一個調速系統的調速圍，是指（在最低轉速

時還能滿足所需靜差率的轉速可調圍）。2-9簡述轉速反響控制的直流調速系統

的靜特性本質。答：在閉環(huán)系統中，每增加（或者減少）一點負載，就相應地

提高（或者降低）一點電樞電壓，使電動機在新的機械特性下工作。因此閉環(huán)

系統的靜特性本質上就是無數開環(huán)機械特性上各取一個相應的工作點連接而成

的。2-10簡述比例反響控制的規(guī)律。答：比例控制的反響控制系統是（被調量

有靜差）的控制系統；反響控制系統的作用是（反抗前向通道的擾動，服從給定）

;反響系統的精度依賴于（給定和反響檢測的精度）。

2-11簡述積分控制規(guī)律

答：積分控制可以使系統在無靜差的情況下保持恒速運行，實現無靜差調速。

2-12比例調節(jié)器和積分調節(jié)器有何不同.

答：比例調節(jié)器的輸出只取決于（輸入偏差的現狀），而積分調節(jié)器的輸出則

包含了（輸入偏差量的全部歷史）2-13簡述比例積分控制規(guī)律。答：比例局部

能（迅速響應控制作用），積分局部則（最終消除穩(wěn)態(tài)偏差）。2-14微機控制的

調速系統有什么特點答：（信號離散化，信息數字化）。2-15旋轉編碼器分為

哪幾種.各有什么特點.答：絕對式編碼器：常用語檢測轉角信號，假

Z.

設需要轉速信號，應對轉角微分。增量式編碼器：可直接檢測轉速信號。2-16數

字測速方法有哪些精度指標.答：(分辨率，測速誤差率)。2-17采用旋轉編碼

器的數字測速方法有(M,T,M/T)o上下全2-18為什么積分需限幅.答：假

設沒有積分限幅，積分項可能很大，將產生較大的退飽和超調。

2-19簡述帶電流截止負反響環(huán)節(jié)轉速反響調速系統機械特性的特點。

答：電流負反響的作用相當于在主電路中串入一個大電阻KpKsR,導致當

Id=Idcr時，機械特性急劇下垂；比較電壓U與給定電壓Un*作用一致，

相當于把理想空載轉速提高到nO'=(KpKs(Un*+U))/(Ce(l+K))。

二、公式和特性

1.整流電壓平均值：UdO=(m/7i)Umsin(m/7t)cosa(Um/m_單相全波/三相

半波/三相全波_Y2U2/Y2U2/d6U2/2/3/6)

2.V-M調速系統機械特性方程：n=(UdO-IdR)/Ce

3.晶閘管整流器最大失控時間：Tsma*=l/mf

4.調速圍定義式：D=nma*/nmin

5.靜差率定義式：s=An/n

6.閉環(huán)靜特性與開環(huán)靜特性：ncl=(UdOcl-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/(Ce(1+K))

nop=(UdOop-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/Ce7.調速圍，靜差率和額

定速降之間的關系式(開環(huán)和閉環(huán))：D_=(nN/Anj(s/(l-s))

(△ncl=△nop/(l+K))8.轉速反響控制直流調速系統的K定義式及表達式：

K=KpKsa/Ce9.臨界開環(huán)放大倍數Kcr=(Tm(Tl+Ts)+TsA2)/(TlTs)<K(T1=L/R|

Tm=((GDA2)R)/(375CeCm))10.各種數字測速方法其分辨率和測速誤差率表達

Z.

式：nM=(60Ml)/(ZTc)|QM=60/(ZTc)|5M=1/M1|nT=(60f0)/(ZM2)|

QT=(ZnA2)/(60f0-Zn)|5T=1/(M2-1)|nMT=(60f0M1)/(ZM2)=nT"M1|

QMT=60/(ZTc)=QM|SMT=｛低速一＞3T|高速一＞3M|11.連續(xù)式PI算式：

"u(t)=Kpe(t)+(l/T)kO_t)e(t)dt12.位置式PI算式：u(k)=Kpe(k)+(Tsam/T)2(i=O_k)e(i)13增量式

PI算式：△u(k)=u(k＞u(k-l)=Kp(e(k)~e(k-l)ETsam/T)e(k)LV-M調速-系統原理圖：2.(

無制動和有制動)直流PWM變換器-電動機-電路原理圖：3.轉速負反響直流調

速系統-系統原理圖：4.轉速負反響直流調速系統-靜態(tài)構造圖：5.轉速負反響直流

調速系統-動態(tài)構造圖：6.帶電流截止負反響的閉環(huán)直流調速系統-靜態(tài)構造圖：

1.有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統各工作狀態(tài)下的電壓

和電流波形：2.帶電流截止負反響比例控制閉環(huán)直流調速系統-靜特性：

第3章

三、思量題

3-1在恒流起動過程中，電樞電流能否到達最大值1dm.為什么.

答：不能。因為恒流升速過程中，電流閉環(huán)調節(jié)的擾動是電動機的反電動勢，是

一個線性漸增的斜坡擾動量，而電流閉環(huán)采用的PI調節(jié)器對斜坡擾動無法消除

靜差，故Id略低于1dm。

±2由于機械原因，造成轉軸堵死，分析雙閉環(huán)直流調速系統的工作狀態(tài)。(未

驗證)

答：電動機堵轉則轉速恒為零，在一定的給定下，偏差電壓相當大，從而使ASR

迅速到達飽和，又電動機轉速由于轉軸堵死無法提升，故ACR無法退飽和，

因此系統處于ASR飽和狀態(tài)。

Z.

3-3雙閉環(huán)直流調速系統中，給定電壓Un*不變，增加轉速負反響系數a,系統穩(wěn)

定后轉速反響電壓Un和實際轉速n是增加、減小還是不變.（已驗證）答：轉速

反響系數a增加，則轉速反響電壓Un增加，給定電壓Un*,則轉速偏差電壓減

小，則ASR給定電壓Ui*減小，則控制電壓Uc減小，則轉速n減小；轉速n減

小，則轉速反響電壓Un減小，直到轉速偏差電壓為零；故穩(wěn)態(tài)時轉速反響電

壓Un不變，且實際轉速n減小。

34雙閉環(huán)直流調速系統調試時，遇到以下情況會浮現什么現象.（未通過驗證，

求姐）（1）電流反響極性接反。（2）轉速極性接反。

答：（1）由于電流環(huán)的正反響作用，電樞電流將持續(xù)上升，轉速上升飛快，電

動機飛車。（2）由于轉速環(huán)的正反響作用，ACR無法退飽和，電動機轉速持

續(xù)恒流上升。

3-5*雙閉環(huán)調速系統，ASR、均采用PI調節(jié)器，ACR調試中怎樣才干做到

Uim*=6V時，Idm=20A；如欲使Un*=10V時，n=1000rpm,應調什么參數.

答：（1）調節(jié)電流反響系數歸）.3；（2）調節(jié)轉速反響系數上0.01。

3-6在轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統中，假設要改變電動機的轉速，應調節(jié)什

么參數.改變轉速調節(jié)器的放大倍數Kn行不行.（==|||）改變電力電子變換器的

放大倍數Ks行不行.改變轉速反響系數a行不行.假設耍改變電動機的堵轉電流，

應調節(jié)系統中的什么參數.

答：通?？梢哉{節(jié)給定電壓。改變Kn和Ks都不行，因為轉速電流雙閉環(huán)直

流調速系統對前向通道的階躍擾動均有能力抑制。也可以改變a,但目的通常是

為了獲得更理想的機械特性。假設要改變堵轉電流，應調節(jié)電流反響系數氏

3-7轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)運行時，兩個調節(jié)器的輸入偏差電壓和輸

Z.

出電壓各是多少.為什么.

答：輸入偏差電壓皆是零。因為系統無靜差。則ASR輸出電壓Ui*=Ui邛Id=f3

IdL；ACR輸出電壓a=1｝（10/心=見P62o

3-8在雙閉環(huán)系統中，假設速度調節(jié)器改為比例調節(jié)器，或者電流調節(jié)器改為比

例調節(jié)器，對系統的穩(wěn)態(tài)性能影響如何.

答：速度調節(jié)器對階躍擾動的靜差由0變?yōu)?/C+Kn）,或者電流調節(jié)器對

階躍擾動的靜差由0變?yōu)?/（1+Kc）,而對斜坡擾動的靜差變得更大。

3-9從下述五個方面來比較轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統和帶電流截止負反響環(huán)

節(jié)的轉速單閉環(huán)直流調速系統：（1）調速系統的靜態(tài)特性。（2）動態(tài)限流性

能。（3）起動的快速性。（4）抗負載擾動的性能。（5）抗電源電壓波動的性

能。

答：

3-10根據ASR和ACR的作用，答復（均為PIR）（已驗證）：⑴雙閉環(huán)

系統在穩(wěn)定運行中，如果電流反響信號線斷開，系統仍能正常工作嗎.（2）雙

閉環(huán)系統在額定負載下穩(wěn)定運行時，假設電動機驀地失磁，最終電動時機飛車嗎

答:11）穩(wěn)態(tài)時轉速不變，電流減小。12）不會飛車，而是停轉。

一、可以作為填空題或者簡答題的

3-1為了實現（電流的實時控制和快速尾隨），希翼電流調節(jié)器（不要）進入飽

和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，惟獨（轉速調節(jié)器的飽和與不飽和兩種情況）

O

3-2當兩個調節(jié)器都不飽和且穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓分別為（0）o

3-3當ASR輸出（到達限幅值Uim*），轉速外環(huán)呈（開環(huán)狀態(tài)），轉速變

Z.

化對轉速環(huán)（不會）產生影響，雙閉環(huán)系統變成一個（電流無靜差的單電流閉

環(huán)調節(jié)系統）。穩(wěn)態(tài)時，Id（=）Idnio

3-4電流限幅值Idm取決于（電動機的容許過載能力和系統要求的最大加速

度）。

3-5簡述采用兩個PI調節(jié)器分別形成外閉環(huán)的效果。答：雙閉環(huán)直流調速系統

的靜特性在負載電流小于1dm時表現為轉速無靜差，此時轉速負反饋起主要

調節(jié)作用。當負載電流到達1dm時，對應于轉速調節(jié)器為飽和輸出Uim*,此

時電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統表現為電流無靜差，起到過電流的自動保

護作用。

3-6簡述ASR的退飽和條件。答：當ASR處于飽和狀態(tài)時，假設實際轉速大

于給定轉速，則反響電壓大于給定電壓，使偏差電壓小于零，則ASR反向積

分，從而退飽和，返回線性調節(jié)狀態(tài)。3-7簡述轉速電流負反響控制電流調速

系統起動過程。633-8簡述雙閉環(huán)直流調速系統起動過程的特點。（飽和非線性

控制；轉速超調；準時間最優(yōu)控制）

土9雙閉環(huán)直流調速系統的抗擾性能主要包括（抗負載擾動；抗電網電壓擾動）。

3-10簡述雙閉環(huán)直流調速系統中轉速調節(jié)器的作用。答：作為主導調節(jié)器，在

轉速動態(tài)過程中，使轉速快速尾隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時減小轉速誤差，采用

PIR可實現無靜差。對負載變化其抗擾作用。其輸出限幅值決定電動機允許最大

電流。

3-11簡述雙閉環(huán)直流調速系統中電流調節(jié)器的作用。答：作為環(huán)調節(jié)器，在轉

速調節(jié)過程中，使電流緊緊尾隨給定電流變化。對電網電壓波動起及時抗擾作

用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機最大允許電流，從而加快動態(tài)過程。當

Z.

電動機過載或者堵轉時，限制電樞電流最大值，起快速的自動保護作用。一旦

故障消失，系統即將自動恢復正常。

二、公式和特性

1.P62穩(wěn)態(tài)時：Un*=Un=an=anOUi*=Ui=pId=pIdL

Uc=UdO/Ks=（Cen+IdR）/Ks=（Ce（Un*/a）+IdR）/Ks

2.轉速反響系數：a=Un*m/nm

3.電流反響系數：懺Ui*m/Idml.轉速電流反響控制直流調速系統-系統原理圖：2.轉

速電流反響控制直流調速系統-穩(wěn)態(tài)構造圖：3.轉速電流反響控制直流調速系統-

動態(tài)構造圖：1.時間最優(yōu)的理想過渡過程：2.雙閉環(huán)直流調速系統靜特性：第4章

一、可以作為填空題或者簡答題的

44直流PWM可逆調速系統中當電動機停頓時，電樞電壓瞬時值0零，是（正

負脈寬相等的交變脈沖電壓），故（電流也是交變的），稱為（高頻微振電流）

,其平均值為（），不能產生（平均轉矩）。

4-2高頻微振電流對機電有何影響.答：消除機電正反向時的靜磨擦死區(qū)，起動

力潤滑作用。同時也增大了機電的損耗。

二、公式和特性

1.雙極式控制可逆PWM變換器輸出電壓平均值：Ud=（2toiVT-l）Us1.調速系統

四象限運行-示意圖：2.橋式可逆PWM變換器電路-原理圖：3.橋式可逆PWM

調速系統主電路-原理圖：

第5章

5-1對于恒轉矩負載，為什么調壓調速的調速圍不大.機電機械特性越軟調速圍越

Z.

大嗎.

答：帶恒轉矩負載工作時，普通籠型異步電動機降壓調速時的穩(wěn)定工作圍為

0<s<sm,sm本來就不大，因此調速圍也不大。降壓調速時，機械特性變軟，

但sm不變，故調速圍不變。

02異步電動機變頻調速時，為何要電壓協調控制.在整個調速圍，保持電壓恒定

是否可行.為何在基頻以下時，采用恒壓頻比控制，而在基頻以上保持電壓恒定.

答：因為定子電壓頻率變化時，將導致氣隙磁通變化，影響電動機工作。在整

個調速圍，假設保持電壓恒定，則在基頻以上時，氣隙磁通將減少，電動機將出

力不足；而在基頻以下時，氣隙磁通將增加，由于磁路飽和，勵磁電流將過大，

電動機將遭到破壞。因此保持電壓恒定不可行。在基頻以下時，假設保持電壓不

變，則氣隙磁通增加，由于磁路飽和，將使勵磁電流過大，破壞電動機，故應

保持氣隙磁通不變，即保持壓頻比不變，即采用恒壓頻比控制；而在基頻以上時，

受繞組絕緣耐壓和磁路飽和的限制，電壓不能隨之升高，故保持電壓恒定。

5-3異步電動機變頻調速時，基頻以下和基頻以上分別屬于恒功率還是恒轉矩調

速方式.為什么.所謂恒功率或者恒轉矩調速方式，是否指輸出功率或者轉矩恒定.

假設不是，則恒功率和恒轉矩調速終究是指什么.

答：在基頻以下調速，采用恒壓頻比控制，則磁通保持恒定，又額定電流不變，

故允許輸出轉矩恒定，因此屬于恒轉矩調速方式。在基頻以下調速，采用恒電壓

控制，則在基頻以上隨轉速的升高，磁通將減少，又額定電流不變，故允許輸

出轉矩減小，因此允許輸出功率根本保持不變，屬于恒功率調速方式。恒功率

或者恒轉矩調速方式并非指輸出功率或者輸出轉矩恒定，而是額定電流下允許

輸出的功率或者允許輸出的轉矩恒定。

Z.

5-4基頻以下調速可以是恒壓頻比控制，恒定子磁通（pms、恒氣隙磁通（pm和恒

轉子磁通（pmr的控制方式，從機械特性和系統實現兩個方面分析與比較四種控

制方法的優(yōu)缺點。

答：恒壓頻比控制最容易實現，其機械特性根本上是平行下移，硬度也較好，能

滿足普通調速要求，低速時需適當提高定子電壓，以近似補償定子阻抗壓降。恒

定子磁通（pms、恒氣隙磁通（pm和恒轉子磁通cpmr的控制方式均需要定子電壓補償,

控制要復雜一些。恒定子磁通（pms和恒氣隙磁通＜pm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（pmr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，性能最正確。

5-5常用的交流PWM有三種控制方式，分別為SPWM、CFPWM和

SVPWM,論述它們的根本特征及各自的優(yōu)缺點。答：略。

5-6分析CFPWM控制中，環(huán)寬h對電流波動與開關頻率的影響。答：略。5-

7三相異步電動機Y聯結，能否將中性點與直流側參考點短接.為什么.答：不宜。

因為當電動機發(fā)生故障或者不正常運行時其中性點可能會有不平衡電流流過。

5-8當三相異步電動機由正弦對稱電壓供電，并到達穩(wěn)態(tài)時，可以定義電壓相量

U、電流相量I等，用于分析三相異步電動機的穩(wěn)定工作狀態(tài)，545節(jié)定義的空

間矢量us、is與相量有何區(qū)別.在正弦穩(wěn)態(tài)時，兩者有何聯系.

答：空間矢量位置固定（如空間矢量uAO固定在A相繞組軸線上），但大

小隨時間變化；而相量大小是不變的（如有效值相量其大小即為穩(wěn)態(tài)時的有效

值），但位置隨相角變化。穩(wěn)態(tài)時，空間矢量相當于一種相角固定的瞬時值相

Z.

量。

5=9采用SVPWM控制，用有效工作電壓矢量合成期望的輸出電壓，由于期

望輸出電壓矢量是連續(xù)可調的，因此，定子磁鏈矢量軌跡可以是圓，這種說法

是否正確.為什么.答：不正確。盡管期望輸出電壓矢量是連續(xù)的，然而其作用時

間是斷續(xù)的，因此定子磁鏈矢量只能是斷續(xù)的。

5-10總結轉速閉環(huán)轉差頻率控制系統的控制規(guī)律，假設Us=f（si,Is）設置不當,

會產生什么影響.普通說來，正反響系統是不穩(wěn)定的，而轉速閉環(huán)轉差頻率控制

系統具有正反響的環(huán)，系統卻能穩(wěn)定，為什么.答：

一、可以作為填空題或者簡答題的

5-1簡述矢量控制的根本思想。

答：將逆變器和交流電動機視為一體，以在機電產生圓形旋轉磁場為目標來

控制變頻器工作。

5-2異步電動機變壓變頻調速系統中，基頻以下調速采用（恒壓頻比）控制，稱

為（恒轉矩）調速；基頻以上采用（保持電壓不變）控制，稱為（近似的恒功

率調速）。為什么略

5-3六拍式逆變器控制的異步電動機正六邊形定子磁鏈的大小與（直流側電壓

Ud）成正比，而與（電源角頻率）成反比。在基頻以下調速時，應（保持正六

邊形定子磁鏈的最大值恒定）。假設直流側電壓Ud恒定，則31越小時，△t越

大，勢必導致（|中s（k）|）增大。因此，要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使

UMI為常數，這意味著在變頻的同時必須調節(jié)直流電壓Ud,造成為了控制的

復雜性。有效的方法是（插入零矢量）。54簡述轉差頻率控制的根本思想。

答：保持（氣隙磁通＜pm不變）的前提下，通過控制（轉差頻率cos）來

z.

控制（轉矩）。5-5轉差頻率控制變壓變頻調速系統通過（最大轉差頻率）間接

限制1了最大的允許電流）。

5-6與直流調速系統相似，轉差頻率控制變壓變頻調速系統起動過程分為（轉矩

上升）（恒轉矩、升速）與（轉速調節(jié)）三個階段：在恒轉矩升速階段，（ASR）不

參預調節(jié)，相當于（轉速開環(huán)），在正反響環(huán)作用下，保持（力磷度恒定）；轉速超

調后，ASR［退出飽和），進入（轉速調節(jié)階段），最后到達穩(wěn)態(tài)。

5-7簡述轉速閉環(huán)轉差頻率控制的變壓變頻調速系統起動過程。答：轉矩上升階

段：恒轉矩升速階段：轉速調節(jié)：二、公式和特性L公式略1.異步電動機等效電

路圖：2.交-直-交電壓源型PWM變頻器主電路：（各個元件作用需知）3.轉速開

環(huán)變壓變頻調速系統-系統原理圖：4.轉速閉環(huán)轉差頻率控制變壓變頻調速系統-系

統原理圖：1.異步電動機調壓調速機械特性：2.異步電動機轉子串阻調速機械特性:

3.異步電動機變壓變頻調速機械特性：4.異步電動機變壓變頻調速控制特性：

第6章

一、可以作為填空題或者簡答題的

6-1異步電動機的動態(tài)數學模型是一個1高階、非線性、強耦合）的（多變量）

系統。

&2異步電動機的動態(tài)數學模型由（磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程、運動方程）組

成。

6-3異步電動機每一個繞組的磁鏈是（自感磁鏈）和（互感磁鏈）之和。

6-4繞組間的互感分為哪幾類.答：定子三相彼此之間和轉子三相彼此之間的互

感，因其位置固定，故為常值。定子任一相與轉子任一相之間的互感，因其相

Z.

對位置變化，故為（角位移）的函數。

6-5為什么說異步電動機的三相原始數學模型不是物理對象最簡潔的描述.答：

由異步電動機三相數學模型的約束條件（ooo）可知，對于無中性線Y/Y聯

結繞組的電動機，三相變量中惟獨兩相是獨立的。6~6不同坐標系中電動機模型

等效的原則是：（在不同坐標下繞組所產生的合成磁動勢相等）

6-7三相繞組可以用（互相獨立的兩相正交對稱繞組）等效代替，等效的原則是

（）0

&8坐標變換有（3/2變換及其反變換）和（2r/2s變換及其反變換）。

6-9異步電動機通過坐標變換簡化其數學模型時，假設以靜止正交坐標為變換

方向，定轉子繞組的變換方式有何不同.答：異步電動機定子繞組是靜止的，因

此只要發(fā)展（3/2變換）即可，而轉子繞組是旋轉的，因此必須通過（3/2變換）

及（2r/2s變換）,才干變換到（靜止兩相正交坐標系）。

&10（32變換）將（按加3分布的三相繞組）等效為（互相垂直的兩相繞組），消除

了（定子三相繞組間）以及（轉子三相繞組間）的相互耦合，減小了狀態(tài)變量

的維數，簡化了定轉子的自感矩陣。

611（說變換）將（相對運動的定轉子繞組）等效為（相對靜止的等效繞組），消

除了（定轉子繞組間夾角對磁鏈和轉矩的影響）。

6-12（2r/2s變換）將非線性耦合矛盾從磁鏈方程轉移到電壓方程，沒有改變對

象的（非線性耦合程度。）

6-13（2s/2r變換）是用（旋轉繞組）代替（原來靜止的定子繞組）,并使等效的

轉子繞組與等效的定子繞組（重合），且保持（嚴格同步），等效后定轉子繞

組間（不存在）相對運動。

Z.

6-14〔靜止正交坐標系動械學模型］—>口磨專正交坐標系動械學模型〕轉

回0。

6-15旋轉正交坐標系的優(yōu)點在于〔增加了一個輸入量co1,提高了系雌制的自

由度〕。二、公式和特性1.異步電動機三相動態(tài)數學模型：磁鏈方程+電壓方

程+輸昉程+運動方程+約束條件：

習題解答〔供參考〕

習題二

2.2系統的調速圍是1000-100r/min,要求靜差率s=2%,則系統允許的靜差轉速降是多少.

解：An=VD(-1_S)=1000xO.O2,(10xO-98)=2.04rpm

系統允許的靜態(tài)速降為2.04rpm。

2.3*一調速系統，在額定負載下，最高轉速特性為nomax=15OOt/min,最低轉速特性為

nOmjn=150r/min,帶額定負載時的速度降落人品=15r/min,且在不同轉速下額定速降

不變，試問系統能夠到達的調速圍有多大.系統允許的靜差率是多少.

解：1〕調速圍D=n/n(均指額定負載情況下)

11IdXIIIIII

2)靜差率s=AnN/hQ=15/150=10%

2.4直充幾為P=74kW,UN=220V,I=378A,n=1430r/min,Ra=0.023Q。相糜流器

NNN

阻Rrec=0.022Q采用降壓調速。當生產機械要求s=20%時，求系統的調速圍。如果s=30%

時，則系統的調速圍又為多少“

解：Ce=(U-IR)/n=(220-378x0.023)1430=0.1478V/rpm

2.5*龍門刨床工作臺采用V-M調速系統。直流電動機

PN=60kW,UN=220V,卜=305A,即=10OOr/min,主電路總電阻R=0.18Q,Ce=0,2V?

min/r,求:

Cl)當電留連續(xù)時，在額定負載下的轉速降落人%為多少.

(2)開環(huán)系統機械特性連續(xù)段在額定轉速時的靜差率SN多少.

(3)假設要滿足D=20,sv5%的要求，額定負載下的轉速降落Ar)N又為多少”

Z.

解：(l)An=IxR[e=305x01892=274.5r7min

(2)SN=AnN。=274.5,000+274.5)=21.5%

(3)An=nSJD(1_s)]=1000x0.05^(20x0.95]=2.63r/min

2.6有一晶閘管穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)態(tài)構造圖如下列圖，給定電壓U*『8.8V、比例調節(jié)器放大

系數K=2、晶閘管裝置放大系數K<=15、反響系數尸0.7。求：(1)輸出電壓U“；(2)

假設把反響線斷開，U“為何值.開環(huán)時的輸出電壓是閉環(huán)是的多少倍.(3)假設把反響系數

d

減至產0.35,當保持同樣的輸出電壓時，給定電壓U\應為多少.

解：(I)U=KKU*X1+KK)=2x15x8.8fl+2x15x0.7)=12V

dpsu/pvs

(2)U=8.8x2x15=264V，開環(huán)輸出電壓是閉環(huán)的22倍

d

(3)U*=U(1+KK)WK=12x(1+2x15x0.35)(2x15)=4.6V

uapYs/ps'

2.7*閉環(huán)調速系統的調速圍是1500r/min~150r/min,要求系統的靜差率S45%,則系統允許

的靜態(tài)速降是多少.如果開環(huán)系統的靜態(tài)速降是100r/min,則閉環(huán)系統的開環(huán)放大倍數應有

多大.

解：1)D=ns/An(1_s)

NN

2)K=n/An=100/3.06-1=31.7

opcl

2.8*閉環(huán)調速系統的開環(huán)放大倍數為15時，額定負載下電動機的速降為8r/min,如果將開環(huán)

放大倍數提高到30,它的速降為多少.在同樣靜差率要求下，調速圍可以擴大多少倍.

解：An=(1+K)An=(1+15)x8=128

opcl

如果將開環(huán)放大倍數提高到30,則速降為：

在同樣靜差率要求下，D可以擴大An/An=1.937倍

cl1cl2

2.9有一V-M調速系統：電動機參數P=42kW,R=220y,I=1%.5A,n=1500r/min,電樞

電阻R=L5C,電樞回路電抗器電阻RL=0.8C,整流萎置阻R=1.0R觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大

arec

倍數K=35。要求系統滿足調速圍D=20,靜差率S<=10%。

(1)在算開環(huán)系統的靜態(tài)速降An和調速要求所允許的用環(huán)靜態(tài)速降An。

(2)采用轉速負反響組成閉環(huán)系統，試畫出系統的原理圖和靜態(tài)構造圖。

(3)調整該系統參數，使當U：=15VW，NI=《，n=n,則轉速負反響系數a應該是多少.

(4)計算放大器所需的放大倍敏。

解：⑴

所以，RI=8.33r/min

cl

z.

（2）

“=kKU*_IR）/（C（1+K））=1KU*/a（1+K）]

[|R/（C（1+K）]

：3][41

psndnde

俎Kv=K*C35.955*0.1341_43_4

可以求得,PK35*0.0096=

也可以用粗略算法:

U*15

U*必U=an,a=—*-=-------=0.01

nnn1500

K=KC/Ka，K=35.955人0.134/(35人0.01)=13.76

PesP

2.10在題2.9的轉速負反響系統中增設電流截止環(huán)節(jié)，要求堵轉電流1仙共2、，臨界截止

dblN

電流I>1.21,應該選用多大的比較電壓和電流反響采樣電阻.要求電流反響采樣電阻不

dcrN

超過主電路總電阻的1/3,如果做不到，需要增加電流反響放大器，試畫出系統的原理圖和

靜態(tài)構造圖，并計算電流反響放大系數。這時電流反響采樣電阻和比較電壓各為多少.

解：(1)I共21=25A,I>1.21=15A

dblNdcrN

I必(U*+U)/R亭25=(15+U)/R亭R=1.5Q

dblncomscomss

U=15A1.5=22.5V

com

(R/3)=(1.0+1.5+0.8)/3=1.1Q,R>(R/3)

⑵XsX

不符合要求，取R=1.1Q,需加電流反饋放大器

S

由于需要的檢測電阻值大，說明要求的電流信號值也大。要同時滿足檢測電阻小和電流

信號大的要求，則必須采用放大器，對電流信號發(fā)展放大。為此，

取R=1.1Q,則U=I人R=15人1.1=16.5V

Scomdcrs

3

?

X(R_）/C（1+K）]_[RI/C（1+K）]

,U

-gIs

come\d\、1e

-+KKKR^\/（C（1+K））」

psisde

2.11在題2.9的系統中，假設主電路電感L=50mH,系統運動局部的飛輪慣量GDz=1.6Nm2,

整流裝置采用三相零式電路，試判斷按題2-9要求設計的轉速負反響系統能否穩(wěn)定運行.如要

保證系統穩(wěn)定運行，允許的最大開環(huán)放大系數是多少.

解：L=50mH,GD2=i.6Nm2,R=3.3QC=0.134V/rpm

xre

Z.

K<『T(T+T)+Tzl/TT=[0.082根(0.015+0.00333)+0.0033321/(0.0151*0.00333)

Lm1ss」1sL」j

=[0.0015+0.003332'/0.00004983=30.52

見與前面的K>35.955相矛盾，故系統不穩(wěn)定。要使系統能夠穩(wěn)定運行，K最大為30.52。

2.12有一個晶閘-電動機調速系統，：電動機：P=2.8kW,U=220V,|=156A，N

NN

n=1500r/min,R=1.5C,整流裝置阻R=1C,電樞回路電抗器電阻R1=0.8Q,觸發(fā)整

NarecL

流環(huán)節(jié)的放大倍數K=35。

s

⑴系統開環(huán)工作時，試計算調速圍D=30時的靜差率s值。

⑵當D=30,s=10%時，計算系統允許的穩(wěn)態(tài)速降。

(3)如組成轉速負反響有靜差調速系統，要求D=30,s=10%,在1>=10V時I=I,n=n,

ndNN

計算轉速負反響系數a和放大器放大系數K。

P

解：

(1)

(2)

(3)

2.13旋轉編碼器光柵數1024,倍頻系數4,高頻時鐘脈沖頻率f=1MHz,旋轉編碼器輸出

的脈沖個數和高頻時鐘脈沖個數均采用16位計數器，M法測速時間為0.01s,求轉速

n=1500r/min和n=150r/min時的測速分辨率和誤差率最大值。

解：

(1)M法：分辨率Q=60=60=

T465r/minZT1024根4根0.01

C

口60M、

最大誤差率：n=1■才)

一C

....nZT1500根4根1024根0.01

n=14c5n0n0r/mm時，M=a=-=1024

16060

皿「aMnZT150根4根1024根0.01

n=150r/mm時，M=c=.=102,4

16060

1500r/min時，b%=4100%=1根100%=0.098%