电力拖动系统

1、一、填空 40分二、判断 40分三、问答 20分四、设计 10分一、填空（直流）1、现代运动控制技术已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。2、运动控制系统由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器等构成。运动控制系统按被控物理量分：以转速为被控量的系统叫调速系统；以角位移或直线位移为被控量的系统叫位置随动系统，有时也叫伺服系统。 按驱动电机类型分：用直流电机带动生产机械的为直流传动系统；用交流电机带动生产机械的为交流传动系统。 按控制器的类型分：以模拟电路构成的控制器叫模拟控制系统；以数字电路构成的控制器叫数

2、字控制系统。3、恒转矩负载; 任何转速下负载转矩总保持恒定不变或基本恒定，而与转速无关的负载称为恒转矩负载。a.这类负载多数呈反抗性的，。这类负载有金属的压延机构，机床的平移机构等。b.还有一种位能性转矩负载。起重类型负载中的重物多属这类负载。恒功率负载就是消耗的功率不变的负载，这样的负载在自然界中不是经常见到，好多是人为制造的。比如车床的负载，档转的快时，往往是进刀小的时候，这是阻力小；当进刀大时，转速就慢下来了。比较这两种情况，它们消耗的功率几乎不变（转速乘以转矩），这就是恒功率负载。恒功率往往是人为控制的，目的是为了充分利用机器的功率潜力，就好像老牛拉车，下坡的时候快上坡的时候慢一样。负

3、载转矩特性：恒转矩负载有位能性和反抗性两种。位能性恒转矩负载由重力产生，具有固定的大小和方向，反抗性恒转矩负载的大小不变，方向则始终与转速反向。恒功率负载的特征是负载转矩与转速成反比，而功率为常数。风机、泵类负载的转矩与转速的平方成正比。4、双闭环调速系统的起动过程有三个特点：饱和非线性控制、转速超调、准时间最优控制。5、比例控制的直流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，需设置电压放大器和转速检测装置。由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保

4、证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；用PID调节器实现的滞后超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。一般的调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用 PD 或PID 调节器。比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例积分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。6、0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称做有静差调速系统；1型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称做无静差调速系统。7、调速系统的稳态性能指

5、标：调速范围和静差率；动态性能指标：跟随性能指标和抗扰性能指标；跟随性能指标：上升时间、超调量与峰值时间、调节时间；抗扰性能指标：动态降落、恢复时间。8、比例控制的直流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，为此所需设置电压放大器和转速检测装置。 9、Simulink模块：Source组的Step模块、Math Operations组的Sum模块和Gain模块、Continuous组的Transfer Fcn模块和Integrator模块、Sinks组的Scope模块10、光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器和电动机相连，当

6、电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器在码盘上刻上表示角度的循环码（格雷码），通过接收器将该数码送入计算机，常用于检测转角，若需得到转速信号，必须对转角进行微分。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动，通过光栅的作用持续不断的开放或封闭光通路，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距1/4，则两项脉冲序列A和B的相位相差/2，正转时A相超前B相，反转时B相超前A相。11、为了使转速和电

7、流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套（或称串级）连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上来看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。12、在可逆运行系统当中,抑制瞬时脉动环流措施为采用均衡（环流）电抗器13、1. 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，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

8、抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，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。对系统可靠运行十分重要。 （交流）14、15、常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。异步电动机的稳态数学模型包括异步电动机稳态时的等效电路和机械特性，两者既有联系又

9、有区别。稳态等效电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性，而机械特性则表征了转矩与转差率（或转速）的稳态关系。16、以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波，当调制波和载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称做正弦波脉宽调制SPWM。PWM控制方式有单极性和双极性。17、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。异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。磁链方程和转矩方程为代数方程电压方程和运动方程为微分方程18、电枢磁

10、动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与 d 轴垂直而对主磁通影响甚微，所以直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。如果能将交流电机的物理模型（见下图）等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制就可以大大简化。坐标变换正是按照这条思路进行的。在这里，不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的磁动势完全一致。 19、按转子磁链定向矢量控制（VC）的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的

11、控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。20、直接转矩控制系统（DTC）的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负号和电磁转矩偏差的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。21、伺服系统由伺服电动机、功率驱动器、控制器和传感器四大部分组成。除了位置传感器外，可能还需要电压、电流和速度传感器。22、伺服系统实际位置与目标值之间的误差，称作系统的稳态跟踪误差。由系统结构和参数决定的稳态跟踪误差可分为三类：位置误差、速度误差和加速度误差。23、经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽

12、量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩.如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，下面的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。24、ASR为转速调节器AR为转子磁链调节器ACMR为定子电流励磁分量调节器ACTR

13、为定子电流转矩分量调节器FBS为转速传感器二、1、记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率法测速，M法测速只适用于高速段。T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速，T法测速更适用于低速段。在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法，它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度。2、.异步电机调压调速的机械特性图变压变频调速的机械特性图3、

14、不可逆PWM变换器-直流电动机系统是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统。可逆是指转速可逆、电压可逆。不是电流、转矩可逆，也不是能量可逆4、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所对应的转速降落nN与理想空载转速n0之比称做静差率s：对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。对于同一个调速系统， DnN 值一定，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速

15、nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即：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。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。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。5、为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取

16、消。当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈（不同于电流负反馈）。6、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，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵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及时的调节，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。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。7、调节器工程设计方法的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出

17、简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统；工程设计方法设计转速电流反馈控制直流调速系统的步骤原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。8、双闭环设计时采样周期怎么定：外环的响应比内环慢，这是按工程设计方法设计多环控制系统的特点，这样做虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。转速环与电流环的关系

18、： 外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。 9、按照交流异步电动机原理，从定子传输到转子的电磁功率分成两部分，一部分是拖动负载的有效功率，称做机械功率，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，能量是被消耗掉还是得到利用，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电动机的调速系统分成三类：转差功率消耗型调速系统；转差功率馈送型调速系统；转差功率不变型调速系统；10、恒定子磁通、恒气隙磁通、恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补

19、偿，控制要复杂一些。恒定子磁通和恒气隙磁通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。在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 通常在控制软件中备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。11、电流跟踪控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽2h选得较大时，开关频率低，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽小，电流跟踪性能好，但开关频率却增大了。实际使用中，

20、应在器件开关频率允许的前提下，尽可能选择小的环宽。12、转差频率控制的基本思想就是在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩。13、环流是什么、怎么回事、有用没用、平均环流和瞬时环流如何消除：两组晶闸管整流装置同时工作时，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。一般地说，环流对系统无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此必须予以抑制或消除。如果让正组VF和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。应该在正组处于整流状态、Ud0f为正时，强迫让反组处于逆变状态，使Ud0r为负，

21、且幅值与Ud0f相等，使逆变电压Ud0r把整流电压Ud0f顶住，则直流平均环流为零。 在采用=配合控制以后，消除了直流平均环流，但这只是就电压的平均值而言的，由于整流与逆变电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压 ud0f ud0r 的情况，从而仍能产生环流，这类因为瞬时的电压差而产生的环流被称为瞬时脉动环流。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器。环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量限制在负载额定电流的5%10%来设计。在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置四个环流电抗器，另外还需要一个平波电抗器。三、1、.数字PI

22、调节器增量式和位置式的算法公式数字PI调节器有位置式和增量式两种算法，增量式PI调节器算法只需输出限幅，位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。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、按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器：电流环选用典型1型系统，转速环选用典型11型系统。作用：3、 同步转速是指旋转磁场的转速 4、 5、 6.直接转矩控制、矢量控制的基本思想按转子磁链定向矢量控制（VC）的基本思想是通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和磁链，然后将转子磁链定向坐标系中

23、的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。直接转矩控制系统（DTC）的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负号和电磁转矩偏差的正负符号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。直接转矩控制、矢量控制的特点及存在的问题矢量控制（VC）的特点：（1）按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制；（2）转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制；（3）采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流；存在的问题：（1）转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性；（2）需要进行矢量变换，系统结构复杂，运算量大；直接转矩控制（DTC）的特点：（1）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构；（2）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性；（3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。存在的问题：（1）由于采用双