电力拖动自动控制系统-运动控制系统(-阮毅-陈伯时)思考题和课后习题答案

电力拖动自动控制系统-运动控制系统（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变换器电路的基本结构。

答：直流PWM变换器基本结构如图，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的控制脉冲占空比，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？

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控制脉冲周期（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）o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，因为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。电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电

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。若二极管断路则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。因为若开关频率非常高，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整流装置反馈回交流电网，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，达到与负载转矩平衡，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/An)(s/(l-s)o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，)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/An)(s/(l-s)o因为若只考虑减小最小静差率，则在一定静

态速降下，允许)的调速范围就小得不能满足要求；而若只考虑增大调速范围,

则在一定静态速降下，允许的最小转差率又大彳导不能满足要求。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，调节转速反馈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能力？(已验证)

答：转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节(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,

能够提高调速范围。改变给定电压能改变电动机转速。因为改变给定电压则改

变实际转速反馈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。调节转速反馈系数而不改变给定电压

能改变转速。因为改变转速反馈系数则改变实际转速反馈电压，而给定电压不

变，则电压偏差改变，从而电力电子变换器输出电压改变，即电动机电枢电压

制电压增大，则转速上升。（2）有。不解释。（3）有。不解释。（4）有。

不解释。（5）没有。不解释。2-16在转速负反馈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，反馈电压增加，给定电压一定，偏差电

压减小，控制电压减小，故输出电压减小。（2）n不变，Ud增加。转速负反

馈调速系统转速仅取决于给定电压，故不变；略。2-17闭环调速系统有哪些基

本特征？它能减少或消除转速稳态误差的实质是什么？

一、可以作为填空题或简答题的

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）。

2-3V-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r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：tl时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为。1,在t2>tl时刻，控

制电压发生变化，但此时晶闸管已导通，故控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13时刻到来时，控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。2后导通。t3-t2即为失控时间，最大失控时间

即为考虑t2=tl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

的移相触发控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和电流通

路。17-182-7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

简述转速反馈控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，就相应地提高（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简述比例反馈控制的规律。答：比例控

制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统；反馈控制系统的作用是（抵

抗前向通道的扰动，服从给定）；反馈系统的精度依赖于（给定和反馈检测的

精度）。

2-11简述积分控制规律

答：积分控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则

包含了（输入偏差量的全部历史）2-13简述比例积分控制规律。答：比例部

分能（迅速响应控制作用），积分部分则（最终消除稳态偏差）。2-14微机

控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，若需要转速信号，应对转角微分。增量式编码器：可直接检测转速信号。

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高低全2-18为什么积分需限

幅？答：若没有积分限幅，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馈环节转速反馈调速系统机械特性的特点。

答：电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsR,导致当

ld=ldcr时，机械特性急剧下垂；比较电压Ucom与给定电压Un*

作用一致，相当于把理想空载转速提高到

n0'=（KpKs（Un*+Ucom））/（Ce（l+K））o

二、公式和特性

1.整流电压平均值：UdO=（m/n）Umsin（m/n）cosa（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=（UdO-ldR）/Ce

3.晶闸管整流器最大失控时间:Tsmax=1/mf

4.调速范围定义式:D=nmax/nmin

5.静差率定义式:s=An/n

6.闭环静特性与开环静特性：ncl=(UdOcl-ldR)/Ce=(KpKsUn*-ldR)/(Ce(l+K))

nop=(UdOop-ldR)/Ce=(KpKsUn*-ldR)/Ce

7.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/A

n_)(s/(l-s))(Ancl=Anop/fl+K))8.转速反馈控制直流调速系统的K定义

式及表达式:"KpKsoCe9.临界开环放大倍数Kcr=(Tm(TI+Ts)+TsA2)/(TITs)<K

(TI=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=(60Ml)/(ZTc)|QM=60/(ZTc)|6M=1/M1|

nT=(60f0)/(ZM2)|QT=(ZnA2)/(60f0-Zn)|6T=1/(M2-1)|

nMT=(60f0Ml)/(ZM2)=nT?Ml|QMT=60/(ZTc|=QM|6MT=｛低速一>6T|

高速一><5M|11.连续式PI算式：？u⑴=Kpe⑴+(1/T)/(0_t)6(t)dt12.位置式

P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-l)=Kp(e(k)-e(k-l))+(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.转速负反馈直

流调速系统-系统原理图：4.转速负反馈直流调速系统-静态结构图：5.转速负

反馈直流调速系统-动态结构图：6.带电流截止负反馈的闭环直流调速系统-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.带电流截止负反馈比例控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，电枢电流能否达到最大值1dm?为什么？

答：不能。因为恒流升速过程中，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ldmo

3-2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：电动机堵转则转速恒为零，在一定的给定下，偏差电压相当大，从而使ASR

迅速达到饱和，又电动机转速由于转轴堵死无法提升，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，增加转速负反馈系数系

统稳定后转速反馈电压Un和实际转速n是增加、减小还是不变？（已验证）

答：转速反馈系数Q增加，则转速反馈电压Un增加，给定电压Un*,则转速

偏差电压减小，贝ijASR给定电压Ui*减小，则控制电压Uc减小，则转速n

减小；转速n减小，则转速反馈电压Un减小，直到转速偏差电压为零；故稳

态时转速反馈电压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，遇到下列情况会出现什么现象？（未通过验

证，求姐）（1）电流反馈极性接反。（2）转速极性接反。

答：（1）由于电流式的正反馈作用，电枢电流商持续上升，转速上升飞快，电

动机飞车。（2）由于转速环的正反馈作用，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，ldm=20A;如欲使Un*=10V时,n=1000rpm,应调什么参

数？

答：（1）调节电流反馈系数（3=0.3;（2）调节转速反馈系数0=0.01。

3-6在转速、电流双闭环直流调速系统中，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Q行不行？若要改

变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？

答：通常可以调节给定电压。改变Kn和Ks都不行，因为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能力克服。也可以改变。，但目的通常

是为了获得更理想的机械特性。若要改变堵转电流，应调节电流反馈系数讥

3-7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玉和

输出电压各是多少？为什么？

答：输入偏差电压皆是零。因为系统无静差。则ASR输出电压Ui*=Ui=[3ld=|3

IdL;ACR输出电压叱=11€10/1<5=见P62。

3-8在双闭环系统中，若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。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较转速电流双闭环直流调速系统和带电流截止负反馈

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，回答（均为PIR）（已验证）：（1）双闭

环系统在稳定运行中，如果电流反馈信号线断开，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，若电动机突然失磁，最终电动机会飞车

吗？答：（1）稳态时转速不变，电流减小。（2）不会飞车，而是停转。

一、可以作为填空题或简答题的

3-1为了实现（电流的实时控制和快速跟随），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）o

3-3当ASR输出（达到限幅值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用环

调节系统）。稳态时,Id（=）Idrrio

3-4电流限幅值1dm取决于（电动机的容许过载能力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旦流小于1dm时表现为转速无静差，此时转速负反馈

起主要调节作用。当负载电流达到1dm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，若实际转速大于

给定转速，则反馈电压大于给定电压，使偏差电压小于零，则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控制电流调速系统

起动过程。633-8简述双闭环直流调速系统起动过程的特点。(饱和非线性控

制；转速超调；准时间最优控制)

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=an=an0Ui*=Ui=Bld=BIdL

Uc=UdO/Ks=(Cen+ldR)/Ks=(Ce(Un7a)+ldR)/Ks

2.转速反馈系数：o=Un*m/nm

3.电流反馈系数：p=Ui*m/ldm1.转速电流反馈控制直流调速系统-系统原理图:

2.转速电流反馈控制直流调速系统-稳态结构图：3.转速电流反馈控制直流调速

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答题的

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.双极式控制可逆PWM变换器输出电压平均值：Ud=（2ton/T-l）Us1.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<smzsm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，为何要电压协调控制？在整个调速范围内，保持

电压恒定是否可行？为何在基频以下时，采用恒压频比控制，而在基频以上

保持电压恒定?

答：因为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，若保持电压恒定，则在基频以上E寸，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，若保持电压不

变，则气隙磁通增加，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，即采用恒压频比控制；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。

5-3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？若不是，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，采用恒压频比控制，则磁通保持恒定，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

压控制，则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，因此允许输出功率基本保持不变，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控制，恒定子磁通3ms、恒气隙磁通cpm和

恒转子磁通cpmr的控制方式，从机械特性和系统实现两个方面分析与比较四

种控制方法的优缺点。

答：恒压频比控制最容易实现，其机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能

满足一般调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。

恒定子磁通（pms、恒气隙磁通（pm和恒转子磁通（pmr的控制方式均需要定

子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通9ms和恒气隙磁通9m的控制方

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＜pmr控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性,

性能最佳。

5-5常用的交流PWM有三种控制方式，分别为SPWMXFPWM和SVPWM,

论述它们的基本特征及各自的优缺点。答：略。

5-6分析CFPWM控制中，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Y联结，能否将中性点与直流侧参考点短接？为什么？

答：不宜。因为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，并达到稳态时，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与相量有何区另ij?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控制，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控制系统的控制规律，若Us=f（calls）设置不当,

会产生什么影响？一般说来，正反馈系统是不稳定的，而转速闭环转差频率控

制系统具有正反馈的内环，系统却能稳定，为什么？答：

一、可以作为填空题或简答题的

5-1简述矢量控制的基本思想。

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

来控制变频器工作。

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）控制，称

为（恒转矩）调速；基频以上采用（保持电压不变）控制，称为（近似的恒功

率调速）。为什么？略

5-3六拍式逆变器控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）。若直流侧电压Ud恒定，则31越小时，at

越大，势必导致（|Ws（k）|）增大。因此，要保持正六边形定子磁链不变，必

须使Ud/col为常数，这意味着在变频的同时必须调节直流电压Ud,造成了

控制的复杂性。有效的方法是（插入零矢量）。5-4简述转差频率控制的基本

思想。答：保持（气隙磁通9m不变）的前提下，通过控制（转差频率cos）来

控制（转矩）。5-5转差频率控制变压变频调速系统通过（最大转差频率）问

接限制（了最大的允许电流）。

5-6与直流调速系统相似，转差频率控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），在正反馈内环作用下，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），最后达到稳态°

5-7简述转速闭环转差频率控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.转速闭环转差频率控制变压变频

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.异步电动机变玉变

频调速控制特性：

第6章

一、可以作为填空题或简答题的

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）加（互感磁链）之和。

6-4绕组间的互感分为哪几类？答：定子三相彼此之间和转子三相彼比之

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o）可知，对于无中性线Y/Y铁结

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

等效的原则是：（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，等效的原则是

0o

6-8坐标变换有（3/2变换及其反变换）和（2r/2s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，若以静止正交坐标为变换方

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/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（）。

6-15旋转正交坐标系的优点在于（增加了一个输入量31,提高了系统控制的自

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1000-100,要求静差率s=2%,那么系统允许的静差转速降是多

少？

解：

系统允许的静态速降为2.04/y加2o

2.3某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为，最低转速特性为，带额定负载时

的速度降落，且在不同转速下额定速降不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？

系统允许的静差率是多少？

解：1）调速范围（均指额定负载情况下）

"max=%max-V=1500-15=1485

"min="Omin一=150-15=135

。二〃max/。=1485/135=11

2)静差率s==15/150=10%

2.4直流电动机为PN=74kW,UN=220V,IN=378A,nh=l430r/min,Ra=0.023fio柜控整

流器内阻Rrec=0.022Qo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，则系统的调速范围又为多少？？

解：

△n=INR/Ce=378x(0.023+0.022)/0.1478=11

D=7?A,S/[A/?(1-5)]=1430X0.2/[115X(1-0.2)]=3.1

D=〃NS/Q〃(1-$)]=1430x0.3/[l15x(1-0.3)]=5.33

2.5某龙门刨床工作台采用V-M调速系统。已知直流电动机,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多少？

(3)若要满足D=20,s<5%的要求，额定负载下的转速降落又为多少？

解:⑴

(2)SN=/〃o=274.5/(1000+274.5)=21.5%

(3)Nn=nNS/[D(l-5)]=1000x0.05/(20x0.95]=2.63r/min

2.6有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压、比例调节器放大系数

、晶闸管装置放大系数、反馈系数丫=0.7。求：(1)输出电压；(2)若把反馈线断开,

为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？(3)若把反馈系数减至Y=0.35,当

保持同样的输出电压时，给定电压应为多少？

解：⑴

(2)(4=8.8x2x15=264V，开环输出电压是闭环的22倍

(3)U't=Ud(\+KpKsy)/=12x(1+2x15x0.35)/(2x15)=4.6V

2.7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？如果开环系统的静态速降是IOOi7min,则闭环系统的

开环放大倍数应有多大？

解：1)

10=1500x2%/A//iVx98%

=15(X)x2%/98%xl()=3.()6r/min

2)K=(△%〃/A/tr/)-l=100/3.06-1=31.7

2.8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高到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：

如果将开环放大倍数提高到30,则速降为：

△〃河=△〃少/(1+K)=128/(1+30)=4.13平〃7

在同样静差率要求下,D可以扩大倍

2.9有一V-M调速系统：电动机参数PN=2.2kW,UN=220V,IN=12.5A,nN=1500r/min,

电枢电阻Ro=1.5Q,电枢回路电抗器电阻RL=0.8Q,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和调速要求所允许的闭环静态速降And。

(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图。

(3)调整该系统参数，使当Un*=15V时,ld=IN,n=nN,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：⑴

m/Ce

=>Cr=(220-12.5x1.5)/1500=201.25/1500=0.134Vmin/r

=>210P=INxR1/Ce=12.5x3.3/0.134=307.836"min

=w^/(D(l-s))=1500x10%/(20*90%)=8.33"min

所以，

(2)

(3)(4)〃=(K〃KM；—〃R)/(C(l+K))=[KU：/a(l+K)]—[///(C(l+K))]

K=(△,,/A/?<7)-l=307.836/8.33-1=35.955

1500=[35.955x15/a(l+35.955)]-[12.5x3.3/(0.134(l+35.955))]

=>a=0.0096Vmin/r

可以求得，

也可以用粗略算法：

2.10在题2.9的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流，临界

截止电流，应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻？要求电流反馈采样电阻不超

过主电路总电阻的1/3，如果做不到，需要增加电流反馈放大器，试画出系统的原理图和静

态结构图，并计算电流反馈放大系数。这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？

解：⑴

1dcr=Ucom/&n15=ucom/R,

(&/3)=(l.()+1.5+().8)/3=l.lC,凡>(%/3)

(2)不符合要求，取凡需加电流反馈放大器

由于需要的检测电阻值大,说明要求的电流信号值也大。要同时满足检测电阻小和电流信号

大的要求，则必须采用放大器,对电流信号进行放大。为此,

取，则

+

(3)当时，有

当n=0时，

.=KpKjU；+&%/(/+KpKKR卜(U；+K,Ucom)/K风

25=(15+16.5K.)/1.1A：.=>^=15/(22.5-13.5)=1.36

2.11在题2.9的系统中，若主电路电感L=50mH,系统运动部分的飞轮惯量，整流

装置采用三相零式电路，试判断按题2-9要求设计的转速负反馈系统能否稳定运行？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：，，，

7；=L/=0.05/3.3=0.0155

7；,=GD?R*/(375GC；)=1.6x3.3/(375x0.134x0.134x30/3.14)

=5.28/64.33=0.082$

1\=0.00333s

可见与前面的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

30.52o

2.12有一个晶闸-电动机调速系统，已知：电动机：，，，r/min,=1.5Q,整流装置

内阻=10,电枢回路电抗器电阻=0.80,触发整流环节的放大倍数。

⑴系统开环工作时，试计算调速范围时的静差率值。

⑵当，时，计算系统允许的稳态速降。

(3)如组成转速负反馈有静差调速系统，要求，，在时，，计算转速负反馈系

数和放大器放大系数3

解：

Ce=(220-15.6x1.5)/1500=0.1311Vmill/r

(1)

△%=INx/?v/C,.=15.6x3.3/0.1311=392.68r/min

/7ii.n=1500/30=50

s=2%IA/?Omin=392.68/(392.68+50)=88.7%

(2)

0.1=AZ?/(AH+50I

A/?=5/0.9=5.56r/min

(3)

〃=KpK,U；/C(1+K)-&/〃/C(1+K)

K=KnaKJCe

1500=K〃K,U：,/Q(l+K)—(即15.6)/Q(1+K)

‘K=(△%/△/)-1=(297.48/5.56)-1=52.5

2.13旋转编码器光栅数1024,倍频系数4,高频时钟脉冲频率，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法测速时间为0.01s,求转速和时的测速

分辨率和误差率最大值。

解：

(1)M法：分辨率

最大误差率：

时，

时，

时，

时，

可见M法适合高速。

(2)T法：

分辨率：

时，

时，

最大误差率：，，

当时，

当时，

时，

时，

可见T法适合低速

习题三

3.1双闭环调速系统的ASR和ACR均为PI调节器，设系统最大给定电压=15V,

=1500r/min,=20A,电流过载倍数为2,电枢回路总电阻=2Q,=20,

=0.127V•min/r,求：(1)当系统稳定运行在=5V,=10A时，系统的、、、

和各为多少？(2)当电动机负载过大而堵转时，和各为多少？

解：⑴

a=U：/〃N=15V/1500rpm=0.01V/rpm

当U：=5V,转速〃=《=—————=500/TJW

aO.OW/rpm

U*Iw

/3=j=—=0.375V/4

/血40A

U；=01d=0.375*10=3.75V=Ut

_U(l0_E+IJLR_CenN+&.R_0.127*500+10*2

U7————

K,KsKs20

即n=500/pm,^=5V,(J；=Uf=3.15V,UC=4.175v

(2)堵转时，，

U=4。=(C4+〃R)=七穴-40*2

'K$K$Ks20

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。已知参

数：电动机：=3.7kW,二220V,=20A,二1000r/min,电枢回路总电阻=1.5Q,设

=8V,电枢回路最大电流二40A,电力电子变换器的放大系数二40。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S,。，U；，54值。

f7*QI/lrow

解.])Q=*=^=O.2V/Aa=3=-------------=O.OO8V/，p〃z

1M40AnN1000，p，〃

2)imK=C‘〃N+&M=40A*1.5Q=60V

这时：

,ASR处于饱和，输出最大电流给定值。

3.3在转速、电流双闭环调速系统中，调节器ASR,ACR均采用PI调节器。当ASR输出达

到二8V时，主电路电流达到最大电流80A。当负载电流由40A增加到70A时，试问：(1)

应如何变化？(2)应如何变化？(3)值由哪些条件决定？

解：1)

因此当电流从40A70A时，应从4V7V变化。

2)Uc要有所增加。

3)取决于电机速度和负载大小。因为匕1+6人=CenN+IdlR^

u/*(◎+/,/)

KK

css

3.5某反馈控制系统已校正成典型I型系统。已知时间常数T=O.ls,要求阶跃响应超调量。

<10%o

(1)系统的开环增益。

(2)计算过渡过程时间人和上升时间k；

绘出开环对数幅频特性。如果要求上升时间<0.25s,则"？，%=?

(1)解：取

(2)系统开环增益：

(3)上升时间。=3.3T=0.33S

过度过程时间：

3

。x------=67=6x0.1=0.6.S-

n

⑶

O)

69

如要求，查表3-1则应取,这时，超调量=16.3%。

3.6有一个系统，其控制对象的传递函数为，要求设L一个无静差系统，在阶跃输入下系

统超调量％<5%(按线性系统考虑)。试对系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择

其参数。

解：按典型I型系统设计，选。

选I调节器，校正后系统的开环传递函数为，已选KT=05则K=0.5/T=50,所以，积

分调节器：。

3.7有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为，要求校正为典型II型系统，在阶跃输入

下系统超调量%<30%(按线性系统考虑)。试决定调节器结构，并选择其参数。

解：应选择PI调节器，，对照典型II型系统，，满足设计要求。这样，

h+1_8+1

K=175.78,=K"K=175.78*0.16/1()=2.81

2什-2*8?"OS?

3.8在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的

额定数据为：kW,V,A,r/min,电动势系数=0.196V•min/r,主回路总电阻

=0.18Q,触发整流环节的放大倍数二35。电磁时间常数=0.012s,机电时间常数=0.12s,

电流反馈滤波时间常数=0.0025s,转速反馈滤波时间常数=0.015s。额定转速时的给定电

压(Un*)N=10V,调节器ASR,ACR饱和输出电压Uim*=3VzUcm=6.5V。

系统的静、动态指标为:稳态无静差，调速范围D=10,电流超调量45%,空载起动到额定转

速时的转速超调量410%。试求：

(1)确定电流反馈系数”假设起动电流限制在I」4以内)和转速反馈系数。。

(2)试设计电流调节器ACR,计算其参数Ri,、G、COio画出其电路图，调节器输入回路

电阻RO=4OM2。

(3)设计转速调节器ASR,计算其参数Rn、Cn、Cono(Ro=4OkQ)

(4)计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量

(5)计算空载起动到额定转速的时间。

解：⑴

a=!0/1000=0.01Vmin/r

(2)电流调节器设L

确定时间常数:

b)〃=0.0025s

=",+4=0.0025+0.00333=0.00583s

电流调节器结构确定：

因为，可按典型I型系统设计，选用PI调节器,

电流调节器参数确定：，。

校验等效条件：

。)电力电子装置传递函数的近似条件:「一二一!—1=loi.oi>%

3Ts3x0.00333

。)忽略反电势的影响的近似条件：3=3.11=79.06S-'<%

\TJtV0.12x0.012。

电流环小时间常数的近似条件1^^3,0.00333.10,0025

==115.52『＞%

可见满足近似等效条件，电流调节器的实现：选，则:

R,=K内)=0.224x40K=8.96A：,取9K.

G=T,.//?-=0.012/(9X103)=1.33//F

由此

3

Co/=4几/R。=4x().(X)25/40X10=0.25JLIF

(3