运动控制系统思考题和课后习题答案

1、电力拖动自动限制系统 -运动限制系统 阮毅 陈伯时课后答案包括思考题和课后习题 第2章2-1直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？答：调压调速,弱磁调速,转子回路串电阻调速,变频调速.特点略2-2简述直流PWM变换器电路的根本结构.答：直流PWM变换器根本结构如图, 包括IGBT和续流二极管. 三相交流电经过整流滤波后送 往直流PWM 变换器,通过改变直流 PWM变换器中IGBT的限制脉冲占空比,来调节直流 PWM变换器输出电压大小,二 极管起续流作用.2-3直流PWM变换器输出电压的特征是什么？答：脉动直流电压.2=4为什么直流PWM变换器-电动机系统比 V-M系统能够获得更好的动态性能

2、？答：直流PWM变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节.其中直流PWM变换器的时 间常数Ts等于其IGBT限制脉冲周期1/fc ,而晶闸管整流装置的时间常数 Ts通常取其最大 失控时间的一半1/2mf.因fc 通常为kHz级,而f通常为工频50或60Hz 为一周内,m整流电压的脉波数,通常也不会超过 20 ,故直流PWM变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小,从而响应更快, 动态性能更好.2=5在直流脉宽调速系统中,当电动机停止不动时,电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？答：电枢两端还有电压,由于在直流脉宽调速系统中,电动机电枢两端电压仅取决于直流PWM变换器的输出

3、电枢回路中还有电流,由于电枢电压和电枢电阻的存在.2-6直流PWM变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？答：为电动机提供续流通道.假设二极管断路那么会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电压.2-7直流PWM变换器的开关频率是否越高越好？为什么？答：不是.由于假设开关频率非常高,当给直流电动机供电时,有可能导致电枢电流还未上升至负载电流时,就已经开始下降了,从而导致平均电流总小于负载电流,电机无法运转.2-8泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何抑制？答：泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时,由于二极管整流器的单向导电性,使得电 动机由动能转变为的电能不能通过

4、整流装置反应回交流电网,而只能向滤波电容充电,造成电容两端电压升高.泵升电压过大将导致电力电子开关器件被击穿.应合理选择滤波电容的容量,或采用泵升电压限制电路.2-9在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中,为什么转速随负载增加而降低？答：负载增加意味着负载转矩变大,电机减速,并且在减速过程中,反电动势减小,于是电枢电流增大,从而使电磁转矩增加,到达与 负载转矩平衡,电机不再减速,保持稳定.故负载 增加,稳态时,电机转速会较增加之前降低.2-10静差率和调速范围有何关系？静差率和机械特性硬度是一回事吗？举个例子.答：D= nN/Ans/ 1-s .静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的

5、,而机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落的.2-11调速范围与静态速降和最小静差率之间有何关系？为什么必须同时提才有意义？答：D= nN/Ans/ 1-s.由于假设只考虑减小最小静差率,那么在一定静态速降下,允许的调速范围就小得不能满足要求；而假设只考虑增大调速范围,那么在一定静态速降下,允许的最 小转差率又大得不能满足要求.因此必须同时提才有意义.2-12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,调节转速反应系数是否能够改变转速？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水平？已验证答：转速单闭环调速系统增加

6、了转速反应环节由转速检测装置和电压放大器构成可获得比 开环调速系统硬得多的稳态特性,从而保证在一定静差率下,能够提升调速范围.改变给定电压能改变电动机转速.由于改变给定电压那么改变实际转速反应电压与给定电压的偏差,从而改变电力电子变换器的输出电压,即改变电动机的电枢电压,改变了转速.调节转速反应系数而不改变给定电压能改变转速.由于改变转速反应系数那么改变实际转速反馈电压,而给定电压不变, 那么电压偏差改变, 从而电力电子变换器输出电压改变,即电动机电枢电压改变,转速改变.假设测速发电机励磁发生变化,那么反应电压发生变化,当给定电压一定时,那么电压偏差发生变 化,从而转速改变.故系统无克服测速发

7、电机励磁发生变化干扰的能 力.2-13为什么用积分限制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中,当积分调节器的输入偏差电压 U=0时,调节器的输出电压是多少？它决定于哪些因素？答：由于积分调节器能在电压偏差为零时仍有稳定的限制电压输出,从而克服了比例调节器必须要存在电压当积分调节器的输入偏差电压为零偏差才有限制电压输出这一比例限制的调速系统存在静差的根本原因时,调节器输出电压应为一个恒定的积分终值.它取决于 输入偏差量在积分时间内的积累,以及积分调节器的限幅值.2-14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？为什么？答：仍然受影响.由于无静差转速

8、单闭环调速系统只是实现了稳态误差为零,因此假设给点电源发生偏移,或者测速发电机精度受到影响而使反应电压发生改变,系统仍会认为是给定或转速发生改变,从而改变转速,以到达电压偏差为零.2-15在转速负反应单闭环有静差调速系统中,当以下参数发生变化时系统是否有调节作用？为什么？已验证 1放大器的放大系数 Kp o 2供电电网电压 Ud o 3电枢电阻Ra. 4电动机励磁电流 If O 5转速反应系数 a.答：1有.假设Kp减小,那么限制电压减小,那么电力电子变换器输出减小,那么电动机转速下降；而电动机转速下降,那么反应电压减小,那么偏差电压增大,那么限制电压增大,那么转速上升.2有.不解释. 3有.

9、不解释.4有.不解释.5没有.不解释.2-16在转速负反应单闭环有静差调速系统中,突减负载后又进入稳定运行状态,此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较之负载变化前是增加、减少还是不变？在无静差调速系统中, 突加负载后进入稳态时转速n和整流装置的输出电压 Ud是增加、减 少还是不变？已验证答：1 Ud减小.因负载减小, 转速上升,反应电压增加,给定电压一定,偏差电压减小,限制电压减小,故输出电压减小.2 n不变,Ud增加.转速负反应调速系统转速仅取决于给定电压,故不变；略. 一、可以作为填空题或简做题的 2-1简述直流电动机的调速方法.答：直流调速系统常以调压调速为主,必要时辅以弱磁调速,以扩大调速

10、范围,实现额定转速以上调速.2-2直流调压调速主要方案有G-M调速系统,V-M调速系统,直流 PWM调速系统. 2-3 V-M 调速系统的电流脉动和断续是如何形成的？如何抑制电流脉动？ 11-12答：整流器输出电压大于反电动势时,电感储能,电流上升,整流器输出电压小于反电动势时,电感放能,电流下降.整流器输出电压为脉动电压,时而大于反电动势时而小于,从而导致了电流脉动.当电感较小或电动机轻载时,电流上升阶段电感储能不够大,从而导致当电流下降时,电感已放能完毕、电流已衰减至零,而下一个相却尚未触发,于是形成电流断续.2-4看P14图简述V-M调速系统的最大失控时间.14答：t1时刻某一对晶闸管被

11、触发导通,触发延迟角为a1,在t2>t1 时刻,限制电压发生变化,但此时晶闸管已导通,故限制电压的变化对它已不起作用,只有等到下一个自然换向点t3时刻到来时,限制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角a2后导通.t3-t2即为失控时间,最大失控时间即为考虑t2=t1时的失控时间2-5简述V-M调速系统存在的问题.16答：整流器晶闸管的单向导电性导致的电动机的不可逆行性.整流器晶闸管对过电压过电流的敏感性导致的电动机的运行不可靠性.整流器晶闸管基于对其门极的移相触发限制的可控性导致的低功率因数性.2-6简述不可逆PWM变换器无制动电流通路与有制动电流通路各个工作状态下的导通器件

12、和电流通 路.17-18 2-7 调速时一般以电动机的(额定转速)作为最高转速.2-8 (调速范围)和(静差率)合称调速系统的(稳态性能指标).2-8 一个调速系统的调速范围,是指(在最低转速时还能满足所需静差率的转速可调范围).2-9简述转速反应限制的直流调速系统的静特性本质.答：在闭环系统中,每增加(或减少)一点负载,就相应地提升(或降低)一点电枢电压,使电动机在新的机械特性下工作.因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环机械特性上各取一个相应的工作点连接而成的.2-10简述比例反应限制的规律.答：比例限制的反应限制系统是(被调量有静差)的限制系统；反应限制系统的作用是(反抗前向通道的扰动,

13、服从给定)；反应系统的精度依赖于(给定和反应检测的精度)2-11简述积分限制规律答：积分限制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行,实现无静差调速.2-12比例调节器和积分调节器有何不同？ 答：比例调节器的输出只取决于(输入偏差的现状),而积分调节器的输出那么包含了(输入 偏差量的全部历史) 2-13简述比例积分限制规律.答：比例局部能(迅速响应限制作用),积分局部那么(最终消除稳态偏差).2-14 微机限制的调速系统有什么特点？答：(信号离散化,信息数字化).2-15旋转编码器分为哪几种？各有什么特点？答：绝对式编码器：常用语检测转角信号,假设需要转速信号,应对转角微分.增量式编码器：可直接

14、检测转速信号. 2-16数字测速方法有哪些精度指标？答：(分辨率,测速误差率) .2-17 采用旋转编码器的数字测速方法有( M, T, M/T) o上下全 2-18为什么积分需限幅？答：假设没有积分限幅,积分项可能很大,将产生较大的退饱和超调.2-19简述带电流截止负反应环节转速反应调速系统机械特性的特点.答：电流负反应的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsR,导致当Id=Idcr 时,机械特性急剧下垂；比拟电压Ucom与给定电压Un*作用一致,相当于把理想空载转速提升到 n0'=(KpKs(Un*+Ucom)/(Ce(1+K).二、公式和特性1,整流电压平均值：Ud0=(m/

15、 ) )Umsin(m/n)cos a ( Um/m_单相全波/ 三相半波/ 三相 全 波 _,2U2/,2U2/,6U2/2/3/6 )2,V-M调速系统机械特性方程：n=(Ud0-IdR)/Ce3,晶闸管整流器最大失控时间：Tsmax=1/mf4,调速范围定义式：D=nmax/nmin5,静差率定义式：s=An/n6,闭环静特性与开环静特性：ncl=(Ud0cl-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/(Ce(1+K)nop=(Ud0op-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/Ce7 .调速范围,静差率和额定速降之间的关系式(开环和闭环)：D_=(nN/n_)(s/(1-s)(n

16、cl= nop/(1+K)8 .转速反应限制直流调速系统的K定义式及表达式：K=KpKsa /Ce 9.临界开环放大倍数Kcr=(Tm(Tl+Ts)+TsA2)/(TlTs)<K(Tl=L/R | Tm=(GDA2)R)/(375CeCm) 10,各种数字测速方法其分辨率和测速误差率表达式：nM=(60M1)/(ZTc) | QM=60/(ZTc) | 6 M=1/M1 | nT=(60f0)/(ZM2)| QT=(ZnA2)/(60f0-Zn)| 6 T=1/(M2-1) | nMT=(60f0M1)/(ZM2)=nT?M1 | QMT=60/(ZTc)=QM | 6 MT= 低速&g

17、t;6T | 高速 >6 M| 11.连续式 PI 算式：?u(t)=Kpe(t)+(1/ t ) / (0_t)e(t)dt 12, 位置式 PI 算式：u(k)=Kpe(k)+(Tsam/ t ) E (i=0_k)e(i) 13, 增量式 PI 算式： u(k)=u(k)-u(k-1)=Kp(e(k)-e(k-1)+(Tsam/t )e(k)1,V-M 调速-系统原理图：2,(无制动和有制动)直流PWM变换器-电动机-电路原理图：3,转速负反应直流调速系统-系统原理图：4,转速负反应直流调速系统-静态结构图：5,转速负反应直流调速系统 -动态结构图：6,带电流截止负反应的闭环直流调

18、速系统-静态结构图：1.有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统各工作状态下的电压和电流波形：2,带电流截止负反应比例限制闭环直流调速系统 -静特性：第3章 三、思考题3-1在恒流起动过程中,电枢电流能否到达最大值Idm ?为什么？答：不能.由于恒流升速过程中,电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势,是一个线性渐增的斜坡扰动量,而电流闭环采用的PI调节器对斜坡扰动无法消除静差,故 Id略低于Idm o3-2由于机械原因,造成转轴堵死,分析双闭环直流调速系统的工作状态.未验证答：电动机堵转那么转速恒为零,在一定的给定下,偏差电压相当大,从而使ASR迅速到达饱 和,又电动机转速由于转轴堵死

19、无法提升,故ACR无法退饱和,因此系统处于ASR饱和状态.3-3双闭环直流调速系统中,给定电压Un*不变,增加转速负反应系数a,系统稳定后转速反应 电压Un和实际转速n是增加、减小还是不变？已验证答：转速反应系数a增加,那么转速反应电压Un增加,给定电压Un* ,那么转速偏差电压减小,那么ASR给定电压Ui*减小,那么限制电压 Uc减小,那么转速n减小；转速n减小,那么转速反应电压 Un减小,直到转速偏差电压为零；故稳态时转速反应电压Un不变,且实际转速n减小. 3-4双闭环直流调速系统调试时,遇到以下情况会出现什么现象？未通过验证,求姐1电流反应极性接反.2转速极性接反.答：1由于电流环的正

20、反应作用,电枢电流将持续上升,转速上升飞快,电动机飞车.2由于转速环的正反应作用,ACR无法退饱和,电动机转速持续恒流上升.3-5某双闭环调速系统,ASR、均采用PI调节器,ACR调试中怎样才能做到 Uim*=6V时,Idm=20A;如欲使Un*=10V 时,n=1000rpm,应调什么参数？ 答：1调节电流反应系数B=0.3;2调节转速反应系数 a =0.01.3-6在转速、电流双闭环直流调速系统中,假设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 速反应系数 a行不行？假设要改变电动机的堵转电流,应调节系

21、统中的什么参数？ 答：通常可以调节给定电压.改变Kn和Ks都不行,由于转速电流双闭环直流调速系统对前向通道内的阶跃扰动均有水平克服.也可以改变a,但目的通常是为了获得更理想的机械特性.假设要改变堵转电流,应调节电流反应系数B o3-7转速电流双闭环直流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：输入偏差电压皆是零.由于系统无静差.那么ASR输出电压Ui*=Ui= 0 Id= 0 IdL ； ACR输出电压Uc=Ud0/Ks=见 P62. 3-8在双闭环系统中, 假设速度调节器改为比例调节器,或电流调节器改为比例调节器,对系统的 稳态性能影响如何？答：速度调节器对

22、阶跃扰动的静差由0变为1/ 1+Kn,或电流调节器对阶跃扰动的静差由0变为1/1+Kc,而对斜坡扰动的静差变得更大.3-9从下述五个方面来比拟转速电流双闭环直流调速系统和带电流截止负反应环节的转速单闭环直流调速系统：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：3-10 根据ASR和ACR的作用,答复均为 PIR 已验证：1双闭环系统在稳定运行中,如果电流反应信号线断开,系统仍能正常工作吗？2双闭环系统在额定负载下稳定运行时,假设电动机忽然失磁,最终电动时机飞车吗？答：1稳态时转速不变,电流减小. 2不会飞车,而是停转. 一、可以作为填

23、空题或简做题的 3-1为了实现电流的实时限制和快速跟随,希望电流调节器不要进入饱和状态,因此,对于静特性来说,只有转速调节器的饱和与不饱和两种情况.3-2当两个调节器都不饱和且稳态时,它们的输入偏差电压分别为0 o3-3当ASR输出到达限幅值 Uim* ,转速外环呈开环状态 ,转速变化对转速环不会产 生影响,双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统.稳态时,Id = Idm.3-4电流限幅值Idm取决于电动机的容许过载水平和系统要求的最大加速度.3-5简述采用两个PI调节器分别形成内外闭环的效果. 答：双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小 于Idm时表现为转速无静差,此时转速负反应起

24、主要调节作用.当负载电流到达Idm时,对应于转速调 节器为饱和输出 Uim* ,此时电流调 节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,起到过电流的自动保护 作用.3-6简述ASR的退饱和条件. 答：当ASR处于饱和状态时,假设实际转速大于给定转速,那么反应电压大于给 定电压,使偏差 电压小于零,那么 ASR反向积分,从而退饱和,返回线性调节状态.3-7简述转速电流负反馈限制电流调速系统起动过程.63 3-8简述双闭环直流调速系统起动过程的特点.饱和非线性限制；转速超调；准时间最优限制3-9双闭环直流调速系统的抗扰性能主要包括抗负载扰动；抗电网电压扰动.3-10简述双闭环直流调速系统中转速调节器

25、的作用.答：作为主导调节器,在转速动态过程中,使转速快速跟随给定电压变化,稳态时减小转速误差,采用PIR可实现无静差.对负载变化其抗扰作用.其输出限幅值决定电动机允许最大电流.3-11简述双闭环直流调速系统中电流调节器的作用.答：作为内环调节器,在转速调节过程中,使电流紧紧跟随给定电流变化.对电网电压波动起及时抗扰作用.在转速动态过程中,保证获得电动机最大允许电流,从而加快动态过程.当电动机过载或堵转时,限制电枢电流最大值,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.二、公式和特性1.P62 稳态时： Un*=Un= a n= a n0 Ui*=Ui= 0 Id= 0 IdL U

26、c=Ud0/Ks=Cen+IdR/Ks=CeUn*/ a +IdR/Ks 2.转速反应系数：a =Un*m/nm3.电流反应系数：0 =Ui*m/Idm 1.转速电流反应限制直流调速系统-系统原理图：2.转速电流反应限制直流调速系统-稳态结构图：3.转速电流反应限制直流调速系统-动态结构图：1.时间最优的理想过渡过程：2.双闭环直流调速系统静特性：第4章一、可以作为填空题或简做题的4-1直流PWM可逆调速系统中当电动机停止时,电枢电压瞬时值零,是正负脉宽相等的交变脉冲电压,故电流也是交变的,称为高频微振电流,其平均值为,不能产生平 均转矩.4-2高频微振电流对电机有何影响？答：消除电机正反向时

27、的静摩擦死区,起动力润滑作用. 同时也增大了电机的损耗. 二、公式和特性1.双极式限制可逆 PWM变换器输出电压平均值：Ud=2ton/T-1Us 1.调速系统四象限运行 -示意图：2.桥式可逆PWM变换器电路-原理图：3.桥式可逆PWM调速系统主电路-原理图： 第5章5-1对于恒转矩负载,为什么调压调速的调速范围不大？电机机械特性越软调速范围越大吗？答：带恒转矩负载工作时,普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为0<s<sm, sm本来就不大,因此调速范围也不大.降压调速时,机械特性变软,但 sm不变,故调速范围不变.5-2异步电动机变频调速时,为何要电压协调限制？在整个调速

28、范围内,保持电压恒定是否可行？为何在基频以下时,采用恒压频比限制,而在基频以上保持电压恒定？答：由于定子电压频率变化时,将导致气隙磁通变化,影响电动机工作.在整个调速范围内,假设保持电压恒定,那么在基频以上时,气隙磁通将减少,电动机将出力不 足；而在基频以下时,气隙磁通将增加,由于磁 路饱和,励磁电流将过大,电动机将遭到破坏.因此保持电压恒定不可行.在基频以下时,假设保持电压不变,那么气隙磁通增加,由于磁路饱和,将使励磁电流过大,破 坏电动机,故应保持气隙磁通不变,即保持压 频比不变,即采用恒压频比限制； 而在基频以上 时,受绕组绝缘耐压和磁路饱和的限制,电压不能随之升高,故保持电压恒定.5-

29、3异步电动机变频调速时,基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方式？为什么？所谓恒功率或恒转矩调速方式,是否指输出功率或转矩恒定？假设不是,那么恒功率和恒转矩调速究竟是指什么？答：在基频以下调速,采用恒压频比限制,那么磁通保持恒定,又额定电流不变,故允许输出转矩恒定,因此属于恒转矩调速方式.在基频以下调速,采用恒电压限制,那么在基频以上随转速的升高,磁通将减少,又额定电流不变,故允许输出转矩减小,因此允许输出功率根本保持不变,属于恒功率调速方式.恒功率或恒转矩调速方式并不是指输出功率或输出转矩恒定,而是额定电流下允许输出的功率或允许输出的转矩恒定.5-4基频以下调速可以是恒压频比限制,

30、恒定子磁通 m$恒气隙磁通 m和恒转子磁通 mr的限制方式,从机械特性和系统实现两个方面分析与比拟四种限制方法的优缺点.答：恒压频比限制最容易实现,其机械特性根本上是平行下移,硬度也较好,能满足一般调速要求,低速时需适当提升定子电压, 以近似补偿定子阻抗压降.恒定子磁通 m$恒气隙磁通 m和恒转子磁通 mr的限制方式均需要定子电压补偿,限制要复杂一些.恒定子磁通ms和恒气隙磁通 m的限制方式虽然改善了低速性能,但机械特性还是非线性的,仍受到临界转矩的限制.恒转子磁通 mr限制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性,性能最正确.5-5常用的交流 PWM有三种限制方式, 分别为SPWM C

31、FPWM和SVPWM论述它们的根本特征及各自的优缺点.答：略.5-6分析CFPWM限制中,环宽h对电流波动与开关频率的影响.答：略.5-7三相异步电动机 丫联结,能否将中性点与直流侧参考点短接？为什么？答：不宜.由于当电动机发生故障或不正常运行时其中性点可能会有不平衡电流流过.5-8当三相异步电动机由正弦对称电压供电,并到达稳态时,可以定义电压相量U、电流相量I等,用于分析三相异步电动机的稳定工作状态, 5.4.5 节定义的空间矢量 us、is与相量有何区 别？在正弦稳态时, 两 者有何联系？答：空间矢量位置固定如空间矢量 uAO固定在A相绕组轴线上,但大小随时间变化；而相量大小是不变的如有效

32、值相量其大小即为稳态时的有效值,但位置随相角变化.稳态时,空间矢量相当于一种相角固定的瞬时值相量.5=9采用SVPWM限制,用有效工作电压矢量合成期望的输出电压,由于期望输出电压矢量是连续可调的,因此,定子磁链矢量轨迹可以是圆,这种说法是否正确？为什么？答：不正确.尽管期望输出电压矢量是连续的,然而其作用时间是断续的,因此定子磁链矢量只能是断续的.5-10总结转速闭环转差频率限制系统的限制规律,假设Us=f col, Is 设置不当,会产生什么影响？ 一般说来,正反应系统是不稳定的,而转速闭环转差频率限制系统具有正反应的内环,系统却能稳定,为什么？答： 一、可以作为填空题或简做题的 5-1简述

33、矢量限制的根本思想. 答：将逆变器和交流电动机视为一体,以在电机内产生圆形旋转磁场为目标来限制变频器工作.5-2异步电动机变压变频调速系统中,基频以下调速采用恒压频比限制,称为恒转矩调速；基频以上采用保持电压不变限制,称为近似的恒功率调速.为什么？略5-3六拍式逆变器限制的异步电动机正六边形定子磁链的大小与直流侧电压Ud成正比,而 与电源角频率成反比.在基频以下调速时,应保持正六边形定子磁链的最大值恒定.假设直流侧电压Ud恒定,那么co 1越小时,At越大,势必导致|里s k |增大.因此,要保持 正六边形定子磁链不变,必须使Ud/3 1为常数,这意味着在变频的同时必须调节直流电压Ud ,造成

34、了限制的复杂性.有效的方法是插入零矢量.5-4 简述转差频率限制的根本思想.答：保持气隙磁通m不变的前提下,通过限制转差频率3 s来限制转矩.5-5转差频率限制变压变频调速系统通过最大转差频率间接限制了最大的允许电流.5-6与直流调速系统相似,转差频率限制变压变频调速系统起动过程分为转矩上升恒转矩、升速与转速调节三个阶段：在恒转矩升速阶段,ASR不参与调节,相当于转速开环 ,在正反应内环作用下,保持加速度恒定 ；转速超调后,ASR退出饱和,进入转速调节阶 段,最后到达稳 态.5-7简述转速闭环转差频率限制的变压变频调速系统起动过程.答：转矩上升阶段：恒转矩升速阶段：转速调节： 二、公式和特性

35、1.公式略1.异步电动机等效电路图：2.交-直-交电压源型 PWM变频器主电路：各个元件作用需知3.转速开环变压变频调速系统 -系统原理图：4.转速闭环转差频率限制变压变频调速系统-系统原理图：1.异步电动机调压调速机械特性：2.异步电动机转子串阻调速机械特性：3.异步电动机变压变频调速机械特性：4.异步电动机变压变频调速限制特性：第6章一、可以作为填空题或简做题的6-1异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统.6-2异步电动机的动态数学模型由磁链方程、电压方程、转矩方程、运动方程组成.6-3异步电动机每个绕组的磁链是自感磁链和互感磁链之和.6-4绕组间的互感分为哪几类？

36、答：定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的互感,因其位置固定, 故为常值.定子任一相与转子任一相之间的互感,因其相对位置变化,故为角位移的函数.6-5为什么说异步电动机的三相原始数学模型不是物理对象最简洁的描述？答：由异步电动机三相数学模型的约束条件.可知,对于无中性线 Y/Y联结绕组的电 动机,三相变量中只有两相是独立的.6-6不同坐标系中电动机模型等效的原那么是:在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等6-7三相绕组可以用互相独立的两相正交对称绕组等效代替,等效的原那么是o6-8坐标变换有3/2变换及其反变换和2172s变换及其反变换.6-9异步电动机通过坐标变换简化其数学模型时,假设以静止正

37、交坐标为变换方向,定转子绕组的变换方式有何不同？ 答：异步电动机定子绕组是静止的,因此只要进行3/2变换即可,而转子绕组是旋转的,因此必须通过3/2变换及2r/2s 变换,才能变换到静止两相正交坐标系.6-10 3/2变换将按2n/3分布的三相绕组等效为互相垂直的两相绕组,消除了定 子三相绕组间以及转子三相绕组间的相互耦合,减小了状态变量的维数,简化了定转子的自感矩阵.6-11 2r/2s变换将相对运动的定转子绕组等效为相对静止的等效绕组,消除了定 转子绕组 间夹角对磁链和转矩的影响6-12 2r/2s变换将非线性耦合矛盾从磁链方程转移到电压方程,没有改变对象的非线性耦合程度.6-13 2s/

38、2r变换是用旋转绕组代替原来静止的定子绕组,并使等效的转子绕组与等效的定子绕组重合,且保持严格同步 ,等效后定转子绕组间不存在相对运动.6-14 静止正交坐标系动态数学模型一 > 旋转正交坐标系动态数学模型转速为 o6-15旋转正交坐标系的优点在于增加了一个输入量3 1,提升了系统限制的自由度.二、公式和特性1.异步电动机三相动态数学模型：磁链方程+电压方程+转矩方程+运动方程+约束条件：习题解答供参考 习题二2.2 系统的调速范围是 1000100 r/min ,要求静差率 s=2%,那么系统允许的静差转速降是多少?解：,n=nns1000 0.0210 0.98 = 2.04rpmD

39、| -s系统允许的静态速降为 2.04rpm.2.3 某一调速系统,在额定负载下,最高转速特性为n°max =1500r/min ,最低转速特性为n°min =150r/min ,带额定负载时的速度降落Mn =15r/min ,且在不同转速下额定速降不变,试问系统能够到达的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？解：1调速范围D =nmax/nmin 均指额定负载情况下2） 静差率 s = 4nN/n° =15/150 =10%2.4 直流电动机为 PN=74kW,UN=220V , In=378A , nN=1430r/min , Ra=0.023 Q.相控整流

40、器内阻 Rrec=0.022 Q.采用降压调速.当生产机械要求s=20%时,求系统的调速范围.如果 s=30%时,那么系统的调速范围又为多少？ ？解：Ce =(Un -In Ra). nN =(220 一378 0.023). 1430 = 0.14787. rpm2.5 某龙门刨床工作台采用V-M调速系统.直流电动机Pn =60kW,UN =220V,In =305A,nN =1000r/min ,主电路总电阻 R=0.18 Q ,Ce=0.2V ?min/r,求：(1)当电流连续时,在额定负载下的转速降落AnN为多少？(2)开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率SN多少？(3)假设要满

41、足 D=20,s<5%的要求,额定负载下的转速降落AnN又为多少？解：(1).：nN =In RCe=305 0.18. 0.2 = 274.5r/min(2) Sn = ：nN； n0 =274.5, (1000 274.5) =21.5%(3) . ：n =nNS, D(1s) =1000 0.05. 20 0.95 = 2.63r / min. . . _ * _ _ _ 一 一2.6 有一晶闸管稳压电源,其稳态结构图如图所不,给定电压 Uu = 8.8V、比例调节器放大系数Kp = 2、晶闸管装置放大系数Ks =15、反应系数丫 =0.7.求：(1)输出电压Ud； (2)假设把反

42、应线断开,Ud为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？ (3)假设把反应系数减至丫=0.35,当保持同样的输出电压时,给定电压uu应为多少？解：(1) ud =KpKsuU/(1 + KpKs?) =2父15M8.8(1 + 2父15M0.7) = 12V(2) Ud =8.8父2M15= 264V ,开环输出电压是闭环的22倍 uu =ud(1 KpKs ). KpKs=12 (1 2 15 0.35). (2 15)-4.6V2.7 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min150r/min ,要求系统的静差率 s W 5% ,那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是10

43、0r/min ,那么闭环系统的开环放大倍数应有多大？解：1) D = nNs/ AnN(1 - s )2) K = ：nop/ ncl -1 =100/3.06 -1 =31.72.8 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 ,如果将开环放大倍数提升到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？解：nop = 1 K ncl = 1 15 8 =128如果将开环放大倍数提升到30,那么速降为：在同样静差率要求下,D可以扩大Ancli/Ancl2 =1.937倍2.9 有一 V-M 调速系统：电动机参数PN=2.2kW, U n=220

44、V, I n=12.5A, n n=1500 r/min,电枢电阻 Ra=1.5Q,电枢回路电抗器电阻 RL=0.8 Q,整流装置内阻Rrec=1.0Q触发整流环节的放大倍数Ks=35.要求系统满足调速范围D=20,静差率 S<=10%.(1)计算开环系统的静态速降An°p和调速要求所允许的闭环静态速降And.(2)采用转速负反应组成闭环系统,试画出系统的原理图和静态结构图.(3)调整该系统参数,使当 Un*=15V时,Id=lN, n=nN ,那么转速负反应系数a应该是多少？(4)计算放大器所需的放大倍数.解：(1)所以,.：ncl =8.33r/min(2)(3)(4)n=

45、(KpKsU： 1dR)(Ce(1 + K )=Ku：/cc(1 + K)LI1dR/(Ce(1 + KHK *Ce 35.955* 0.134可以求得,Kp =e = =14.34p Ks* 二 35* 0.0096也可以用粗略算法：*U 15U；>Un=an,d=5-=0.01n nn 1500Kp=KCe/Ks： , Kp =35.955 0.134/ 35 0.01 =13.762.10在题2.9的转速负反应系统中增设电流截止环节,要求堵转电流I dbl E 2I n ,临界截止电流Idcr >1.2I n ,应该选用多大的比拟电压和电流反应采样电阻？要求电流反应采样电阻不

46、超过主电路总电阻的1/3,如果做不到,需要增加电流反应放大器,试画出系统的原理图和静态结构图,并计算电流反应放大系 数.这时电流反应采样电阻和比拟电压各为多少？解：(1) Idbl 三21=25A, Idcr *.2In =15A.比 _ * _ _V _ _ jF . _ . ._Idbl ： Un Ucom /Rs= 25= 15 Ucom / Rs = Rs = 1.5 U com =15 1.5 = 22.5V(RJ3) =：1.0 1.5 0.8 /3-1.111,Rs (R三/3)不符合要求,取Rs =1.1.,需加电流反应放大器由于需要的检测电阻值大,说明要求的电流信号值也大.要

47、同时满足检测电阻小和电流信号大的要求, 那么必须采用放大器,对电流信号进行放大.为此,取 Rs H.1.,贝IJ Ucom =Idcr MRs=15M1.1 =16.5V 当Id > Idcr时,有n = KpKsU；/Ce1 K L KpKsKi RsId -Ucom /Ce 1 KRId/Ce 1 K 1= kpKsU： KUcom/Ce1 K LR KpKsKiRs Id/Ce 1 K 1 当n=0时,2_22.11 在题2.9的系统中,假设主电路电感L=50mH ,系统运动局部的飞轮惯量GD =1.6Nm ,整流装置米用三相零式电路,试判断按题2-9要求设计的转速负反应系统能否稳

48、定运行？如要保证系统稳定运行,允许的最大开环放大系数是多少？解：L=50mH, GD2=1.6Nm2, R工=3.3C , Ce = 0.134V / rpm可见与前K "m(T +Ts 产2/T1Ts =七.082父(0.015+0.00333)+0.0033321/(0.0151*0.00333 = '0.0015 0.003332 / 0.00004983 =30.52面的K>35.955相矛盾,故系统不稳定.要使系统能够稳定运行,K最大为30.52.2.12 有一个晶闸-电动机调速系统,：电动机：Pn =2.8kW, Un =220V , IN =15.6A,

49、夙 =1500r/min ,Ra =1.5 Q,整流装置内阻Rrec=1Q,电枢回路电抗器电阻RL =0.8 Q,触发整流环节的放大倍数Ks = 35.(1)系统开环工作时,试计算调速范围D =30时的静差率s值.(2)当D =30, s =10%时,计算系统允许的稳态速降.(3)如组成转速负反应有静差调速系统,要求D=30, s=10%,在U； =10V时1d =I N , n=nN,计算转速负反应系数1a和放大器放大系数 Kd p解：(1)(3)2.13旋转编码器光栅数1024,倍频系数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

50、法测速时间为0.01s求转速n =1500r/min和n =150r/min时的测速分辨率和误差率最大值.解：(1)M 法：分辨率 Q=-60=60=1.465r/minZTc1024 4 0.01最大误差率:60MlZTcn =1500r/min 时,M1nZTc601500 4 1024 0.0160二 1024n =150r/min 时,M1nZTc60150 4 1024 0.0160= 102.4111500r/min 时,6max% = 黑100% =又 100% =0.098%M11024 11150r/min 时,5max% =x100% =父100% =0.98%M 1102

51、.4可见M法适合高速T法：分辨率：n =1500r/min 时,Zn260fo -Zn1024 4 1500260 1 106 -1025 4 1500= 171r/minn =150r / min 时,Q =Zn21024 4 1502最大误差率：n60 f0ZM 2n =1500r / min 时,60 f0-Zn 60 1 106 -1024 4 150=1.55r/min60 f0ZnM260 106= 9.771024 4 1500n =150r/min 时,M 260 106= 97.71024 4 15011n =1500r/min 时,6max % =父100% =父100%

52、=11.4%M 2 -19.77 -11 1 _n =150r/min 时,6max % =父100% =父100% =1%M 2 -197.7 -1可见T法适合低速习题三 *1.1 双闭环倜速系统的 ASR和ACR均为PI倜下器,设系统年大给te电压 Unm=15V, nN =1500r/min , I N =20A,*电流过载倍数为2,电枢回路总电阻 R=2Q, Ks=20, Ce=0.127V min/r ,求：(1)当系统稳定运行在 U n =5V,*IdL=10A时,系统的n、Un、Ui、Ui和Uc各为多少？( 2)当电动机负载过大而堵转时,Ui和Uc各为多少？解：(2)堵转时,U*

53、 =P1dm =15V ,3.2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.参数：电动机：PN =3.7kW,UN =220V, I N =20A, nN =1000 r/min ,电枢回路总电阻 R =1.5 Q ,设 U nm =U im =U cm =8V,电枢回路取大电流Idm=40A,电力电子变换器的放大系数Ks =40 0试求：(1)电流反应系数 P和转速反应系数 a.(2)当电动机在最高转速发生堵转时的Ud0, Ui'Ui'Uc值.*解:1) P =.=型-=0.2V/Aa=Unm=_8V-=0.008V/rpmIdm 40AnN10

54、00rpm2) Ud0=E IdlRx =CenN I#' =40A*15二 60V这时:Un =8V,Un =0, ASR处于饱和,输出最大电流给定值. *Ui =8V,Ui =8V,UC =Ud0： KS =60 40 =1.5V 一、.、.、,.一、 -、一 ,. . 一.、. *3.3在转速、电流双闭环倜速系统中,倜节器 ASR, ACR均米用PI倜节器.当 ASR输出到达Uim =8V时,王电路电流到达最大电流80A.当负载电流由 40A增加到70A时,试问：(1) Ui应如何变化？ ( 2) U应c如何变化？ ( 3) Uc值由哪些条件决定?*解：1)=Um =- =0.1V/AIdm 80A因此当电流从 40A= 70A时, U；应从4V= 7V变化.2)Uc要有所增加.3)UC取决于电机速度和负载大小.由于 U d0 = E+I di Rf = CenN+I 1隹UcUd0CenIdRKsKs3.5某反应限制系统已校正成典型I型系统.时间常数T=0.1s,要求阶跃响应超调量仃< 10%.(1)系统的开环增益.(2)计算过渡过程时间ts和