电力拖动自动控制系统第4版复习要点汇总

第2章转速反馈限制的直流调速系统1直流电机主要有哪几种基本调速方法?通过性能比较，你认为哪一种方法最好？答：直流电动机稳态表达式式中:—转速（r/min）,—电枢电压（V）,—电枢电流（A）,—电枢回路总电阻（Ω）,—励磁磁通（Wb）,—电动势常数。直流电机主要有三种基本调速方法：调整电枢供电电压U，减弱励磁磁通，变更电枢回路电阻R。对于要求在确定范围内无级平滑调速的系统来说，以调整电枢供电电压的方式为最好。变更电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是协作调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动限制的直流调速系统往往以调压调速为主。2常用的可控直流电源主要有哪些？答：常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组——用沟通电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。3．静差率s与空载转速n0的关系如何?答：静差率s与空载转速n0成反比，n0下降，s上升。所以检验静差率时应以最低速时的静差率为准。5转速限制的要求是什么？答：1）调速-在确定的最高转速和最低转速的范围内，分档的或平滑的调整转速。2）稳速-以确定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。3）加、减速-频繁起、制动的设备要求尽量快的加、减速以提高生产率；不宜经受猛烈速度变更的机械则要求起、制动尽量平稳。6说明反馈限制规律？答（1）被调量有静差（2）反抗扰动与听从给定（3）系统精度依靠于给定和反馈检测精度7闭环空载转速比开环空载转速小多少?答：是的1/（1+K）。8试说明转速负反馈调速系统工作原理。答：转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调整器ASR、触发器GT、晶闸管变流器VT、测速发电机TG等组成；当电动机负载TL增加时，电枢电流Id也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则转速反馈电压也相应下降，而转速给定电压不变，增加。转速调整器ASR输出增加，使限制角减小，晶闸管整流装置输出电压增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调整过程可简述为：

上述过程循环往复，直至为止。9下图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理图，各部件的名称和作用。答：1）比较器：给定值与测速发电机的负反馈电压比较，得到转速偏差电压。2）比例放大器A：将转速偏差电压放大，产生电力电子变换器UPE所需的限制电压。3）电力电子变换器UPE：将输入的三相沟通电源转换为可控的直流电压。4）M电机：驱动电机。5）TG发电机：测速发电机检测驱动电机的转速。6）电位器：将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值。10说明单闭环调速系统能削减稳态速降的缘由，变更给定电压或者调整转速反馈系数能否变更电动机的稳态转速?为什么?答：负反馈单闭环调速系统能够削减稳态速降的实质在于它的自动调整作用，在于它能随着负载的变更而相应地变更电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变更。稳态转速为：从上式可可得：变更给定电压能变更稳态转速；调整转速反馈系数，则也要变更，因此也能变更稳态转速。11闭环系统静特性的定义？与开环系统比较有何特点？答（1）定义：表示闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系。（2）特点：1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多，2）假如比较同一N0的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小的多。3）当要求的静差率确定时，闭环系统可以大大提高调速范围。4）要取得上述三项优势，闭环系统必需设置放大器。12闭环限制系统具有良好的抗扰实力和限制精度的缘由？答：闭环限制系统是建立在负反馈基础上，按偏差进行限制。当系统中由于某种缘由使被控量偏离希望值而出规偏差时，必定产生一个相应的限制作用去减小或消退这个偏差，使被限制量与希望值趋于一样，所以闭环限制系统具有良好的抗扰动实力和限制精度。13反馈限制系统为什么极性不能接错？答：限制系统一般都是负反馈系统。假如错接成正反馈系统，对调速系统造成超速“飞车”或振荡等故障，后果特别严峻。14有静差系统与无差系统的区分？答：根本区分在于结构上(限制器中)有无积分限制作用，PI限制器可消退阶跃输入和阶跃扰动作用下的静差，称为无静差系统，P限制器只能降低静差，却不能消退静差，故称有静差系统。15比例积分(PI)调整器的特点？答：PI调整器的输出电压Uc由两部分组成。第一部分KPUi是比例部分，其次部分是积分部分。当t=0突加Ui瞬间，电容C相当于短路，反馈回路只有电阻Rf，此时相当于P调整器，输出电压，随着电容C被充电起先积分，输出电压Uc线性增加，只要输入Ui接着存在，Uc始终增加饱和值（或限幅值）为止。16PID限制各环节的作用是什么?答：PID限制器各环节的作用是：(l)比例环节P：成比例地反映限制系统的偏差信号，偏差一旦出现，限制器马上产生限制作用，以便削减偏差，保证系统的快速性。(2)积分环节I：主要用于消退静差，提高系统的限制精度和无差度。(3)微分环节D：反映偏差信号的变更趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个早期修正信号，从而加快系统的动作速度，削减调整时间。18采纳比例积分调整器限制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是否有静差？为什么？试说明理由。答：采纳比例积分调整器限制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是无静差的。电压负反馈实际是一个自动调压系统，只有被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到1/（1+K），它的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差。但基本限制原理与转速负反馈类似。它与转速负反馈一样可以实现无静差调整。19光电式旋转编码器的数字测速方法主要有哪几种？各用于何种场合？答：采纳中光电式旋转编码器的数字测速方法主要有M法测速，T法测速，M/T法测速，M法适用于测高速，T法适用于测低速，M/T法即适用于测低速，又适用于测高速。（2-4）为什么PWM—电动机系统比晶闸管—电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM—电动机系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路途路简洁，需用的功率器件少。（2）开关频率高，电流简洁连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。（4）若与快速响应的电动机协作，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰实力强。（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。（6）直流电源采纳不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。（2-11）（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，当积分调整器的输入偏差电压时，调整器的输出电压是多少？它取决于那些因素？答：在动态过程中，当变更时，只要其极性不变，积分调整器的输出便始终增长；只有达到，时，才停止上升；不到变负，不会下降。当时，并不是零，而是一个终值；假如不再变更，这个终值便保持恒定而不再变更，这是积分限制的特点。因此，积分限制可以使系统在无静差的状况下保持恒速运行，实现无静差调速。比例调整器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调整器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。虽然现在，但历史上有过，其积分就有确定数值，足以产生稳态运行时须要的限制电压。（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？并说明理由。答：系统的精度依靠于给定和反馈检测的精度。因此转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响。（2-15）在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变更时系统是否有调整作用，为什么？（1）放大器的放大系数；（2）供电电网电压；（3）电枢电阻；（4）电动机励磁电流；（5）电压反馈系数。答：在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当放大器的放大系数发生变更时系统有调节作用再通过反馈限制作用，因为他们的变更最终会影响到转速，减小它们对稳态转速的影响。电动机励磁电流、电枢电阻发生变更时仍旧和开环系统一样，因为电枢电阻处于反馈环外。当供电电网电压发生变更时系统有调整作用。因为电网电压是系统的给定反馈限制系统完全听从给定。当电压反馈系数发生变更时，它不能得到反馈限制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈限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。（例题2-1）某直流调速系统电动机额定转速为=1430r/min，额定速降=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允很多大的调速范围？假如要求静差率s≤20%，则调速范围是多少？假如希望调速范围达到10，所能满意的静差率是多少？解：在要求s≤30%时，允许的调速范围为若要求s≤20%，则允许的调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是（例题2-2）某龙门刨床工作台拖动采纳直流电动机，其额定数据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采纳V-M系统，主电路总电阻R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。假如要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采纳开环调速能否满意？若要满意这个要求，系统的额定速降最多能有多少？解：当电流连续时，V-M系统的额定速降开环系统在额定转速时的静差率为如要求，，即要求（例题2-3）在例题2-2中，龙门刨床要求D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采纳比例限制闭环调速系统满意上述要求时，比例放大器的放大系数应当有多少？解：已知开环系统额定速降为=275r/min，闭环系统额定速降须为2.63r/min，由式可得则得即只要放大器的放大系数等于或大于46。（例题2-4）在例题2-3中，系统采纳的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻，电感量3mH，系统运动部分的飞轮惯量，试判别系统的稳定性。解：电磁时间常数机电时间常数晶闸管装置的滞后时间常数为为保证系统稳定，应满意的稳定条件：闭环系统的动态稳定性和例题2-3中稳态性能要求是冲突的。（例题2-5）在上题的闭环直流调速系统中，若改用全控型器件的PWM调速系统，电动机不变，电枢回路参数为：，1mH，，PWM开关频率为8kHz。按同样的稳态性能指标D=20，s≤5%，该系统能否稳定？假如对静差率的要求不变，在保证稳定时，系统能够达到的最大调速范围有多少？解：电磁时间常数机电时间常数晶闸管装置的滞后时间常数为为保证系统稳定，应满意的稳定条件：依据稳态性能指标、要求（见例题1-2）PWM调速系统能够在满意稳态性能指标要求下稳定运行。若系统处于临界稳定状况，第3章转速、电流反馈限制的直流调速系统1转速电流双闭环系统中，转速调整器、电流调整器的作用?答：转速调整器和电流调整器的作用：(1)转速调整器ASR的作用：1）转速n跟随转速给定电压变更，稳态无静差。2)突加负载时转速调整器ASR和电流调整器ACR均参加调整作用，但转速调整器ASR处于主导作用，对负载变更起抗扰作用。3）其输出电压限幅值确定允许最大电流值。(2)电流调整器ACR的作用1)起动过程中保证获得允许最大电流。2)在转速调整过程中，使电流跟随其电流给定电压变更。3)电源电压波动时刚好抗扰作用，使电动机转速几乎不受电源电压波动的影响。4)当电动机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到平安爱护作用。2在转速、电流双闭环调速系统中，出现电网电压波动与负载扰动时，哪个调整器起主要调整作用?答：电网电压波动时，ACR起主要调整作用；负载扰动时，ASR起主要抗扰调整作用。3下图为双闭环直流调速系统的稳态结构图，假如要变更双闭环有静差V-M系统的转速，可调整什么参数?变更转速调整器放大系数触发整流环节放大系数和变更转速反馈系数能行否?假如要变更堵转电流应调整什么参数?-转速反馈系数-电流反馈系数答：要变更转速，可以调整给定电或转速反馈系数。，要变更堵转电流，应调整转速调整器的限幅值或变更电流反馈系数4转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是什么？答：转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是：1)饱和非线性限制ASR饱和，转速环开环，恒值电流调整的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.2）准时间最优限制，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。5下图为转速、电流反馈限制直流调速系统原理图，ASR、ACR均采纳PI调整器。（1）突增负载后又进入稳定运行状态，则ACR的输出电压、变流装置输出电压，电动机转速，较之负载变更前是增加、削减，还是不变？为什么？（2）假如速度给定不变时，要变更系统的转速，可调整什么参数？答：(1)(2)因为所以调整可以变更转速。6直流调速系统有哪些主要性能指标?答：直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两个部分。静态主要性能指标有调速范围D、静差率s、。动态性能指标分成给定限制信号和扰动信号作用下两类性能指标。给定限制信号作用下的动态性能指标有上升时间，调整时间(亦称过滤过程时间)和超调量。扰动信号作用下的动态性能指标有最大动态速降、复原时间7调整器的设计过程可以简化为哪两步?答：1.选择调整器的结构2.选择调整器的参数8转速、电流双闭环调速系统中分别按什么典型型系统进行设计？为什么？答：转速环按典型（II）型系统设计，抗扰实力(强)，稳态（无静差）。电流环按典型（I）型系统设计，抗扰实力(稍差)，超调（小）。9假如转速、电流双闭环调速系统中的转速调整器不是PI调整器，而改为P调整器，对系统的静、动态性能将会产生什么影响？答：改为P调整器时其输出量总是正比于输入量，PI调整器的输出量在动态过程中确定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关而是由它后面环节的须要确定的。（3-6）在转速、电流双闭环调速系统中，若要变更电动机的转速，应调整什么参数？变更转速调整器的放大倍数行不行？变更电力电子变换器的放大倍数行不行？变更转速反馈系数行不行？若要变更电动机的堵转电流，应调整系统中的什么参数？答：双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调整器都不饱和时，各变量之间有下列关系因此转速是由给定电压确定的；变更转速反馈系数也可以变更电动机转速。变更转速调整器的放大倍数和电力电子变换器的放大倍数不行以。（3-7）转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调整器的输入偏差电压和输出电压各是多少？为什么？答：当两个调整器都不饱和时，它们的输入偏差电压都是零。转速调整器ASR的输出限幅电压确定了电流给定电压的最大值；电流调整器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。（3-9）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）转速、电流双闭环调速系统在稳态工作点上，转速是由给定电压确定的。ASR的输出量是由负载电流确定的。限制电压的大小则同时取决于和，或者说，同时取决于和。双闭环调速系统的稳态参数计算是和无静差系统的稳态计算相像。（2）带电流截止环节的转速单闭环调速系统静态特性特点：电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻，因而稳态速降极大，特性急剧下垂；比较电压与给定电压的作用一样，好象把志向空载转速提高了。这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。（3）双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性限制、转速超调、准时间最优限制。（4）由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调整器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。（5）在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调整作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统反抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较刚好的调整，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统1异步电动机从定子传入转子的电磁功率中，有一部分是与转差成正比的转差功率依据对处理方式的不同，可把沟通调速系统分成哪几类？并举例说明。答：从能量转换的角度上看，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凹凸的标记。从这点动身，可以把异步电机的调速系统分成三类。转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简洁，设备成本最低，所以还有确定的应用价值。转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速凹凸，转差功率基本不变，因此效率更高，变极对数调速、变压变频调速属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的沟通调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。2异步沟通电机变频器上电压和频率为什么要协调限制？答：在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。假如磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种奢侈；假如过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严峻时会因绕组过热而损坏电机。在沟通异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，因为有，此式可知，只要限制好Eg和f1，便可达到限制磁通m的目的。3在电动机调速时，为什么要保持每极磁通量为额定值不变?对直流电机和沟通异步电机，分别采纳什么方法使电机每极的磁通恒定?答：异步电动机的气隙磁链在每相定子中的感应电动势假如使气隙磁链保持不变，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，简洁做到保持磁通恒定。要保持沟通异步电机的磁通恒定，必需采纳恒压频比限制。4简述恒压频比限制方式。答：绕组中的感应电动势是难以干脆限制的，当电动势值较高时，可以忽视定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得。这是恒压频比的限制方式。但是，在低频时和都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽视。这时，须要人为地把电压抬高一些，以便近似地补偿定子压降。5下图为异步电动机在不同限制方式下的机械特性，沟通异步电动机的恒压频比限制有哪三种方式?试就其实现难易程度、机械特性等方面进行比较。a）恒压频比限制b）恒定子磁通限制c）恒气隙磁通限制d）恒转子磁通限制答：，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。，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。，定子相电压/输入频率为恒值，定子相电压，机械特性非线性，易实现。接近额定频率时，变更不大，的降低，变更较大，在低速时甚至拖不动负载。事实上，由于频率很低时定子电阻损耗相对较大，不行忽视，故必需进行定子电压补偿。，转子磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，转子磁链在每相定子中的感应电动势(忽视转子电阻损耗)转子磁链恒值，机械特性线性，稳态性能和动态性能好，最难实现。这是矢量限制追求的目标。6沟通异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采纳什么限制方法，磁通、转矩、功率呈现怎样的变更规律?答：恒磁通调速(基频以下)，并补偿定子电阻损耗。恒功率调速(基频以上)上升电源电压时不允许。在频率上调时，只能保持电压不变。频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。7沟通异步电动机变频调速系统的限制方式主要有哪两种？答：沟通异步电动机变频调速系统的限制方式主要有两种：有恒磁通限制和恒功率限制两种，其中恒磁通限制又称恒转矩限制。8什么是脉冲宽度调制（PWM）?答：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过限制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。9什么是SPWM限制方式?答：SPWM即以正弦波作为调制信号对载波信号进行调制后，产生一组等幅而脉冲宽度正比干正弦波的矩形脉冲。将该组脉冲作为逆变器开关元件的限制信号，从而在逆变器负载上(多为异步电动机)得到与限制信号波形相同，等效于正弦波的驱动电压。10什么是电压型逆变器8个电压状态形成的电压空间矢量图？并说明定子磁链的运动轨迹。图基本电压空间矢量图图正六边形定子磁链轨迹图电压空间矢量的6个扇区答：电压型逆变器，为三组六个开关同一桥臂的两个开关互为反向：一个接通“1”，另一个断开“0”。1)逆变器8个电压状态：V1(100)，V2(010)，V3(010)，V4(011)，V5(001)，V6(101)构成正六边形的项点，V7(111)，V0(000)位于正六边形的中心。由相电压波形图可干脆得到逆变器的各开关状态，两者的开关状态依次一样6个状态一个周期(状态1状态6)，相电压波形幅值一样：和。2)忽视定子电阻和漏感的影响，定子回路的电压平衡方程式为：或确定子磁链的初始值。3)从电压型逆变器8个电压状态形成的电压、空间矢量图可见：定子磁链矢量的增长方向，即矢头的运动方向确定于电压矢量的方向；定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向。只要定子电阻压降比起定子电压足够小，这种平衡就能得到很好地近似)，在适当地时候依次给出定子电压空间矢量，则得到的定子磁链的运动轨迹依次按运动，形成正六边形磁链。正六边形的六条边代表磁链空间矢量一个周期的运动轨迹，称区段(扇区)-区段(扇区)S6。矢头的运动速率与的幅值成正比；若则停止运动(V0、V7)若有效电压矢量依照矢量图的次序交替作用，且作用时间相等，矢头的运动轨迹为一正六边形。11什么是转差频率限制系统调速?答：在转差率s很小的范围内，只要能够维持气隙磁通不变异步电机的转矩就近似与转差角频率成正比，即在异步电机中，限制转差率就代表了限制转矩，这就是转差频率限制的基本概念。12