电力传动控制系统-运动控制系统(习题解答)

1、“电力拖动控制系统”习题解答电力传动控制系统运动控制系统（习题解答）第1章电力传动控制系统的基本结构与组成1第2章电力传动系统的模型13第3章直流传动控制系统18第4章交流传动控制系统30第5章电力传动控制系统的分析与设计*38i“电力拖动控制系统”习题解答1章电力传动控制系统的基本结构与组成根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载

2、）组成。电源控制指令控制器变流器电动机负载传感器图1-1电力传动控制系统的基本结构电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。电力传动系统能否经济可

3、靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。2）变流技术研究。电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。3）系统的状态检测方法。状态检测是构成系统反馈的关键，根据反馈控制原理，需要实时检测电力传动控制系统的各种状态，如电压、电流、频率、相位、磁链

4、、转矩、转速或位置等。因此，研究系统状态检测和观测方法是提高其控制1“电力拖动控制系统”习题解答性能的重要课题。4）控制策略和控制器的设计。任何自动控制系统的核心都是对控制方法的研究和控制策略的选择，电力传动控制系统也不例外。根据生产工艺要求，研发或选择适当的控制方法或策略是实现电力传动自动控制系统的主要问题。2直流电动机有几种调速方法，其机械特性有何差别？答：直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系为UaRIanCe考虑到他励直流电动机电枢电流与电磁转矩Te的关系TeCTIa，可以将其机械特性写成如下形式：nn0Te式中n0Ua/Ce称作理想空载转速，R/CeCT2为机械特性的斜率。由上式可知

5、，有以下三种调节直流电动机转速的方法：1）改变电枢回路电阻R（图1-2）。nR1s1s2n01s1n02s2低频电压补偿OTe图4-17恒压频比控制变频调速的机械特性2）恒定子电动势频比控制模式再次分析图4-15的等效电路可以发现，假如能够提高定子电压以完全补偿定子阻抗的压降，就能实现恒定子电动势频比的控制模式，即有Eg/s=常值，其机械特性如图4-18所示。可见，最大电磁转矩因Eg/s保持恒值而不变，而特性曲线从额定曲线平行下移，这说明采用恒Eg/s控制模式的系统稳态性能优于恒Us/s控制模式。nssNs1s2s3n0NsNn01s1n02s2n03s3OTemTe图4-18恒Eg/s控制模

6、式的系统稳态特性3）恒转子电动势频比控制模式进一步研究图4-15的等效电路，可以设想如果能够通过某种方式直接控制转子电动势，使其按照恒转子电动势频比进行控制，即有Er/s=常值。当采用这种控制模式时，异步电动机的机械特性将是一条下斜的直线（如图4-19），可获得与直流电动机相同的稳态性能。这也正是高性能交流调速系统想要达到的目标。34“电力拖动控制系统”习题解答nssNs1s2s3n0NsNn01s1n02s2n03s3OTe图4-19恒Er/s控制模式的系统稳态特性比较以上三种控制模式，显然恒Us/s控制模式最容易实现，但系统性能一般，调速X围有限，适用于对调速要求不太高的场合，如风机、水泵

7、的节能控制等；恒Eg/s控制模式因其定子压降得到完全补偿，在调速过程中最大电磁转矩保持不变，系统性能优于前者，但其机械特性还是非线性的，输出转矩的能力仍受一定限制；恒Er/s控制模式能获得与直流电动机一样的线性机械特性，其动静态性能优越，适用于各种高性能要求的电力传动场合，但其控制相对复杂。（2）基频以上的恒压变频调速在基频fsN以上变频调速时，由于定子电压不宜超过其额定电压，因此一般需采取UsUsN不变的控制策略。当角频率s提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图4-20所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速却升高了，可以认为

8、输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速（图4-21）。nns3s3s2s3sNs1s2ns2ns1s1nsNsNTeO图4-20基频以上恒压变频调速的机械特性35“电力拖动控制系统”习题解答UsmUsNmN恒转矩调速恒功率调速UsmOsNs4-21异步电动机变频调速控制特性交流调速矢量控制系统的基本思想是什么？为何采用矢量控制可以使交流调速系统达到与直流调速系统相当的性能？答：由图4-25所示的异步电动机电流解耦模型可见，通过坐标变换、主磁链按转子磁链定向等计算处理，一个异步电动机在模型上被等效为直流电动机，而且该等效直流电动机的磁通和转矩是分离的，可以分别进行单独控制。这样

9、，就可以按直流电动机的控制思路来控制交流电动机，并实现磁通和转矩（转速）的解耦控制。这就是交流调速矢量控制系统的基本思想。直流电动机等效模型iAisisdLmr1TrpiBC3/2C2s/2rTLiCisisqLmTe+npnprLrJp图4-25异步电动机的矢量变换与电流解耦模型如果能保持转子磁链r恒定，则电磁转矩就由定子电流转矩分量isq控制，这与直流电动机的转矩由电枢电流控制相仿。这就是为何采用矢量控制可以使交流调速系统达到与直流调速系统相当性能的根本原因。交流调速直接转矩控制系统的基本思想是什么？试分析比较矢量控制系统与直接转矩控制系统各有何特点。36“电力拖动控制系统”习题解答答：直

10、接转矩控制系统的基本思想是在静止两相坐标系上控制定子磁链和转矩，这样省略了旋转坐标变换，并采用Bang-Bang控制器取代转矩和磁链调节器，以加速系统的转矩动态响应。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，但两者在控制性能上各有千秋：矢量控制（VC）系统强调Te与r的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可以获得较宽的调速X围；但按r定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。直接转矩控制（DTC）系统则实行Te与r砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速X围受到限制。如

11、何实现异步电动机的双馈控制？分析低同步速与超同步速运行时的转差功率流向和控制模式。同步电动机有哪两种基本控制方式？其主要区别在何处？答：同步电动机的基本控制方式有他控式和自控式两种，其主要区别为：他控变频调速同步电动机采用独立的变压变频器给定子供电，并由专门的晶闸管整流器提供直流给转子励磁。自控变频同步电动机调速有PWM变频器供电，用电动机轴上的所带的转子位置检测器提供的信号来控制PWM变频器的换相时刻。由于其换相类似与直流电动机中电刷和换向器的作用，一般称为无换向器电机调速或无刷直流电动机调速。梯形波永磁同步电动机自控变频调速系统和正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统在组成原理上有什么区别？

12、某交流变压调速系统，其系统结构如图4-8所示，已知：异步电动机稳态模型的参数为KMA7.1r/(minV)，Tm0.58s；交流调压器的参数为Ks38s，Ts0.01s；转速反馈环节的参数为Kn0.004Vmin/r，Td0.01s。试设计转速调节器，使闭环系统稳定，并达到动态超调量小和稳态无静差的要求。37“电力拖动控制系统”习题解答第5章电力传动控制系统的分析与设计*1.有一个系统，其控制对象的传递函数为K110，要求设G(s)10.01ss1计一个无静差系统，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。有一个闭环系统，其控制对象的传

13、递函数为K110，要求校正为典型型系统，在阶跃输入下系统超G(s)s(0.02s1)s(Ts1)调量%30%（按线性系统考虑）。试决定调节器结构，并选择其参数。3.调节对象的传递函数为G(s)18，要求用调节器分别1)(0.005s1)(0.25s将其校正为典型型和型系统，求调节器的结构与参数。4.已知某控制对象的传递函数为G(s)18，试在1)(0.005s1)(0.25sMATLAB/Simulink环境下搭建其PID控制系统的仿真模块，并通过仿真确定其PID调节器的合适参数KP、KI、KD。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：P60kWUN220VI308An1000r/min，N，N，N电动势系数Ke0.196Vmin/r，主回路总电阻R0.18，触发整流环节的放大倍数Ks35。电磁时间常数Tl0.012s，机电时间常数Tm0.12s，电流反馈滤波时间常数T0i0.0025s，转速反馈滤波时间常数T0n0.015s。额定转速时的给*，Ucm6.5V。定电压(Un)N10V，调节器ASR、ACR饱和输出电压Uim8V系统的静、动态指标如下：稳态无静差,调速X围D10，电流超调量i%5%，