湘潭大学运动控制系统试题库

一、复习：直流调速系统

问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？

①调速氾围D=nmax/nmin=nnom/nmin

②静差率S=4nnom/nO*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，

只能用闭环调速系统。

③和负载匹配状况：

一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。

问题1-3：请比较直流调速系统、沟通调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展

的趋势.

*直流电机调速系统

优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，牢靠性高，动态

性能良好。

缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，运用环境受限；结构困难,

容量、转速、电压受限。

*沟通电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简洁、坚

实耐用、维护便利、造价低廉，运用环境广，运行牢靠，便于制造大容量、高转速、

高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。

缺点：调速性能比直流电机差。

*发展趋势：用直流调速方式限制沟通调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性

能；或采纳同步电机调速系统.

问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场合和优缺

点等方面进行比较.哪些是有级调速？哪些是无级调速？

直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无

换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。

U-IR

依据直流电机的转歹速公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转

差率调速。

调压调速：调整电压供电电压进行调速，适应于：UWUnom,基频以下，在肯定范

围内无级平滑调速。弱磁调速：无级，适用于中W中nom,一般只能协作调压调速方案，在

基频以上（即电动机额定转速以上）作小范围的升速。

变电阻调速：有级调速。

变转差率调速：无级调速。

问题1-5：带有比例调整器的单闭环直流调速系统，假如转速的反馈值与给定值相等，

则调整器的输出为（A）

A、零；B、大于零的定值

C、小于零的定值；D、保持原先的值不变

问题1-6：什么是调速范围D?什么是静差率S,两者的关系如何？用什么方法可以使调速

系统满足D大S小的限制要求？

①调速氾围D=nmax/nmin=nnom/nmin

②静差率S=Z;xnnom/nO*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，

只能用闭环调速系统。

问题1-7：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器

工V-M系统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。

名词说明1-8：G-M系统V-M系统PWMPFM

①G-M系统：沟通电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给须要调速的直

流电动机M供电，调整G的励磁电流与变更其输出电压，从而调整M的转速。

优点：在允许转矩范围内四象限运行。

缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不便利。

②V-M系统：晶闸管，工作在相位限制状态，由晶闸管可控整流器V给须要调速直流

电动机M供电，调整触发装置GT的限制电压来移动触发脉冲的相位，即可变更整流器V的

输出电压，从而调整直流电动机M的转速。

优点：经济性和牢靠性提高，无需另加功率放大装置。快速性好，动态性能提高。

缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt非常敏

感；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。

③PWM：脉冲宽度调制（PWM）,晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电

压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过变更晶闸管的导通时间

（即调占空比ton）就可以调整电机电压，从而进行调速。PWM调速系统优点：系统低速运

行平稳，调速范围较宽；电动机损耗和发热较小；系统快速响应性能好，动态抗扰实力强；

器件工作早开关状态，主电路损耗小，装置效率较高。PWM调速系统应用：中、小功率系统

④PFM脉冲频率调制（PFM）,晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压

加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只变更开

关频率f或开关周期T（即调整晶闸管的关断时间储玲就可以调整电机电压，从而进行调

速。

问题1-9：哪些是限制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？

①稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=Z\nnom/n（）*l。。%②

稳定性指标：柏德图（对数幅频特性和对数幅频特性）

典型I型系：对数幅频特性以一20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频

带宽度，系统就肯定是稳定的，且有足够的稳定裕量。丫=90。-tg-1，cT>450典型H

型系统：对数幅频特性以一20dB/dec的斜率穿越零分贝线。

7=180°-180°+tgT3ct-tgT3cT=tgT3ct-tgT3cT③动态性能指

标分跟随性能指标和抗扰性能指标：

跟随性能指用上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到

I稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%—90%）

超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移

量

与稳态值之比。

调整时间：又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变更到输出量

完全

稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值旁边，

取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。抗扰性能指标：动

态着陆：在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起

的输出量最大着陆值。

复原时间：从阶跃扰动作用起先，到输出量基本复原稳态，距新稳态值

之差

进入某基准量的±5%（或±2%）范围之内所需的时间。

问题1-10：转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是、

和O

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.问题1-11：转速、电流双闭环调速系

统中，

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。

问题1-12：无静差调速系统的PI调整器中P部份的作用是（D）

A、消退稳态误差；B、不能消退稳态误差也不能加快动态响应

C、既消退稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应

问题「15：位置随动系统解决的主要问题是什么？试比较位置随动系统与调速系统的异同。

①位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的精确跟踪。

随动系统一般称伺服系统

②位置随动系统与调速系统的相同点：

两者的限制原理相同，它们都是反馈限制系统，即通过对系统的输出量与给定量进行比较，

组成闭环限制。

③位置随动系统与调速系统的相异点：

调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动状况如何，希望输出能够稳定，因此系统的

抗扰性能显得非常重要。

位置随动系统中的位置指令是常常变更的，是一个随机变量，要求输出量精确跟踪给定

量的变更，输出响应的快速性、敏捷性、精确性成了位置随动系统的主要特征。

位置随动系统在结构上往往比调速系统困难一些。位置随动系统可以在调速系统的基础

上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。

问题1-16：什么是串联校正、并联校正和复合限制？试举例说明它们的运用场合。

①串联校正（调整器校正），采纳PID校正的单位置环随动系统，可以得到较高的截止

频率和对给定信号的快速响应，结构简洁。由于不运用测速机，从而解除了测速机带来的干

扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。负载扰动也必需通过位置

环进行调整，没有快速的电流环与时补偿而使动态误差增大。同时JID调整器是采纳比例微

分超前作用来对消调整对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而减弱微分信

号的补偿强度，还会因控对象参数变更而丢失零极点对消的效果。因此单位置环的随动系统

仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。

②并联校正

在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中常常采

纳这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快速性。

在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增

大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到肯定程度的提高，只受到小时间

常数与测速发电机信号中噪声干扰的限制。

③复合限制

当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时，利用输入信号的各阶导

数进行前馈限制构成前馈限制（开环限制）和反馈限制（闭环限制）相结合的复合限制，也

是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。

二、回顾：沟通调速系统

问题2-5：常用的异步电动机调速有哪些？哪些属于转差功率消耗型？哪些属于转差功率不

变型？哪些属于转差功率回馈型？

①异步电动机调速方法有：降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、

变极调速、变频调速等。②降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率消

耗型

③串级调速属于转差功率回馈型

④变极调速、变频调速属于转差功率不变型。

问题2-6：变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用，为什么？

变极调速只适合于本身具备变更极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动

机），它们可以通过变更极对数是用变更定子绕组的接线方式来完成调速，绕线式电动机一

般采纳转子传电阻或串级调速。

问题2-8：请简述沟通异步电动机变极调速的工作原理，并说明其特点和应用场合。

变极调速是通过变更定子绕组的极对数来变更旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加

转差损耗的高效调速方式。变更极对数是用变更定子绕组的接线方式来完成的（双速电动机、

三速和四速电动机）这种变更极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极

感应电动机。

缺点：有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的运用范围。

特点：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简洁、限制便利、

价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器协作

运用，获得较高效率的平滑调速特性。变极调速适合于：按2〜4档固定调速变更的场合，

（不须要无级调速的生产机械），如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

问题2-9：晶闸管沟通调压调速系统中，对触发脉冲有何要求，为什么？

晶闸管沟通调压调速系统中，要求用宽脉冲、双窄脉冲或脉冲列触发，以保证牢靠换流,

防止直通。

晶闸管是半控器件，只须要用脉冲触发其导通，不须要限制其关断。

问题2-10：请简述沟通异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进

行说明。当变更电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转

速。调压调速的主要装置是一个能供应电压变更的电源。目前常用的调压方式有串联饱和电

抗器、自耦变压器以与晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。

调压调速的特点：调压调速线路简洁，易实现自动限制。调压过程中转差功率以发热形

式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。①通过变

更自耦变压器变比，来变更电机电压，从而进行调速。②通过变更直流励磁电流来限制铁

心的饱和程度，变更沟通电抗值，变更电机电压，实现降压调速。饱和，沟通电抗小，电机

定子电压高。③通过限制晶闸管的导通角，来调整电动机的端电压，从而进行调速。

问题2-15：请简述晶闸管调压调速的工作原理，并说明其优缺点。画出几种晶闸管主电路

的连接方法，指出他们各自的特点。

在沟通异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过限制晶

闸管的导通角，来调整电动机的端电压，从而进行调速。

优点：维护便利，噪声小，可以四象限运行。

缺点：电网输入电压为正弦波，但输出电压不为正弦波，谐波大，功率因素低，机械特

性软。

解决方法：采纳闭环系统。

①三相分支双向限制绕组Y连接：

特点：用双脉冲或者宽60°脉冲触发晶闸管SCR,

输出含有奇次谐波，绕组Y连接。

如电机绕组带中线，可消取三次谐波电流,

但仍旧存在其他次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。

与其它接法相比，此接法谐波重量最小。

②三相分支双向限制绕组△连接：

特点：用双脉冲或者宽60°脉冲触发SCR,

输出含有奇次谐波，绕组△连接。

有其它的高次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。

③三相分支单向限制绕组Y连接：

特点：每一相制用一个用晶闸管和一个二极管反并联,

可以降低成本，但各相波形不对称，输出含有偶次谐波，

降低了运行性能，所以只用于小容量装置。

④三相△形双向限制绕组△连接

特点：晶闸管串接在相绕组回路中，

在同等容量下，晶闸管承受的电压高而电流小，

适合于电机绕组△连接的状况。

⑤三相零点△连接，单向限制

特点：电路简洁，晶闸管放在负载后面,

可以减小电网浪涌电压对它的冲击，但因为是单向限制

奇次、偶次谐波都存在，运行效率稍低。

只适合于小容量电机。

问题2-17：请简述绕线式异步电动机转子串电阻调速的工作原理，并说明其优缺点。

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下

运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简洁，限制便利，但转差功率以发

热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

三、沟通异步电动机变频调速的理论基础

问题3-3：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率？并请用图形表示。°

T

恒磁通调速（基频以下）Ul/fl=常数，并补偿定子电阻损耗

°fnn

恒功率调速（基频以上）上升电源电压时不允许的，

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。

问题3-5：沟通异步电动机变频调速系统的限制方式有恒磁通限制、恒功率限制和

恒电流限制三种,其中恒磁通限制又称恒转矩限制。

问题3-6：假如在沟通异步电动机变频调速系统采纳恒转矩限制时，出现励磁电流急剧增加

的现象

（事实上时由于电压补偿过多），导致系统不能正常工作，应实行的解决方法有：

适当增加定子电压5和在开环系统上加电流负反馈，以便限制定子励磁电流,（事

实上，变为恒转矩负载加恒电流限制）。

问题3-11：什么是变转差率调速？

在转差率s很小的范围内，只要能够维持气隙磁通6m不变异步电机的转矩就近似与转

差角频率3s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。

问题3-19：沟通异步电动机变频调速限制策略的探讨（电气传动自动化）2003,25（5）P22~25

①常规限制策略：恒压频比限制、转差频率限制、矢量限制、干脆转矩限制

②现有限制策略：转子参数推算法、自适应限制、鲁棒限制

非线性限制（非线性反馈限制、逆限制）

智能限制（神经网络于内模复合限制、模糊于模型参考自适应复合限制、模糊于变

结构复合限制、滑模/模糊/神经网络的复合限制）

③热门课题与关键技术

非线性自适应限制

智能限制器算法的好用化、双优限制、在线诊断和容错限制）

四、沟通异步电动机矢量变换限制

问题4-1：在实际系统中，怎样保证E2/fl=K?

E2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。是矢量限制追求的

目标.

问题4-2：什么是矢量限制系统VCS或TCS矢量变换限制系统？请画出矢量限制系统的构

思框图，

并简述其工作原理。

将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，仿照直流电动机的限制方法,

求得直流电动机的限制量，经过坐标反变换，就能够限制异步电动机。由于进行坐标变换的

是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换的限制系统就叫做矢量限制系统

VCS(VectorControlSystem)矢量变换限制系统TCS(Trans-vectorControlSystem)o

(DQ%Q

问题4-3：三相异步电动机的数学模型包括：电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方

程。

问题4-4：将三相沟通电机变换成两极直流电机的物理模型要经过的坐标变换有哪些?

先将静止的三相坐标A-B-C转换成静止的两相坐标a-B,再将静止的两相坐标a-B换

成旋转的两相坐标d-q或极坐标(M-T)o

问题4-5：三相异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,

问题4-7：坐标变换有哪些？坐标变换原则有哪两种？它们各用于什么场合？

坐标变换有：

①静止的三相坐标(A-B-C)一旋转的两相坐标(d-q-O),P246

'cos入sinX】

/

c3s/2际cos(X-120℃)sin(X-120℃)；

、Cos(X+120℃)sin(X+120℃)

②旋转的两相坐标(d-q)-静止的三相坐标(A-B-C),C2R/3S=C3s/21

③静止的三相坐标(A-B-C)-静止的两相坐标(a-8-O),零轴电流

C1-1」)

22

V3_V3

5rs/2s—Un——--

22

KKK

④静止的两相坐标(a-0-O)一静止的三相坐标(A-B-C),C2s/3S=C3s£

⑤静止的两相坐标(a-B)一旋转的两相坐标(d-q),

C2s/2R=[cosXsing

-sinXcos入

⑥旋转的两相坐标(d-q)-静止的两相坐标(a-B)C2s您=C23T

⑦直角坐标与极坐标[=1¥+/0=artg(3)或1=渥+10

lp

^artgC-^-)

因为。在0~90℃变更时，tg0的变更范围是0~8,这个变更范围太大，常改用下式求0

值：

0=2artg(-，r-)

1+，M

坐标变换原则有功率不变原则和空间矢量不变原则两种。

功率不变原则是保持坐标变换前后的电动机功率不变，在电力拖动系统中应用较多。

空间矢量不变原则是保持坐标变换前后的电流、电压、电动势等空间矢量的相位、幅值

不变。

问题4-8：磁链干脆检测的方法有哪些？各有何缺点？

磁链干脆检测的方法有检测线圈法和磁通传感器法

①检测线圈法是在定子中安放宽度等于全极距的检测线圈，可产生正比于磁通变更的

信号，通过积分求得主磁通的测量值。这种方法由于积分有漂移，硬件上不易实现，故应用

不多。

②磁通传感器法是异步电动机的气隙中设置两个磁链传感器，它们分别装在与a相绕

组磁轴重合和垂直的位置，用来分别检测气隙磁链在静止坐标系中的两个重量＜葭..和6R

由于这种检测方法必需在电机内置检测器，运用不便利，且检测的气隙磁链含有大量谐波,

简洁造成系统不稳定。

问题4-9：请写出在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型。

在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型有电流模型观测器和电压模型观测器：

①电流模型观测器：当电机转速小于额定转速的10%,定子绕组压降不行忽视，异步

电动机在静止坐标系（一）中的电压方程为:

r

(Rs+LsP

US0Linp)is

二

U、0Rs+LsP0Lmi

1)

0LmpLnRr+LpLrir

0-LL,„p-LrRr+Lrpir

可得:{=

0P(LmiS4-Lr1r)+(Lm1s+Lri,)+Rrir

0=p(Lmis+L1r)-(Lm1s+Lrir)+Rri

转子磁链可表示为：r=Uis+L1rr-L„,is+L1r

由上述3式解出ir、ir并化简得：r=--—(L,„1s-Trr),尸一—(L,„is

1+T2Pl+T2P

+Trr）

式中：T,一转子绕组的电磁时间常数，us一定子绕阻电压，us一定子绕阻电压，is—

定子绕阻电流，

is一定子绕阻电流，，一与转子绕阻匝链的磁链，，一与转子绕阻匝链的磁

链。

②电压模型观测器：当电机转速在额定转速的10%以上，忽视定子绕组压降，定子回

路的电压平衡方程式为：Us=ps=Lspis+Lmpir转子磁链可以用电感和电流表示，r=Lmis+Lr

lr

其中：p—微分算子Us一定子电压，is一定子电流，s--定子磁链，r一转子磁链，Rs一定

子绕阻电阻，Rr一转子绕阻电阻，L一定子绕阻全电感，L「一转子绕阻全电感，L,“定、转子绕

阻之间的互感。

从上述两式中消去i”得：尸&f[tis-乜—邑生]dt,令：凡=上，K,i'K,

LJ

mL,dtLmLr

r在静止坐标系中的重量为：r=Ksf[us-Kr%]dt,,=KSf[u色竺]dt。

JdtJdt

问题4-12：磁链定向方法有哪些？采纳M-T坐标系是按什么磁链定向？

磁链定向方法有三种：

①按转子磁链3（小2）定向：限制性能最好，但转子磁链不易测量和限制；

②按气隙磁链3定向：气隙磁链较易测量和限制，但限制性能不好；

③按定子磁链6s（5）定向：定子磁链最简洁测量和限制，但限制性能不好；五、沟

通异步电动机干脆转矩限制

名词说明：DTCDSCSPWM原型电动机

DTC（DirectTorqueControl）或DSC（DirectSelfControl）：干脆转矩限制，通过变

更电机磁场对转子的瞬时转差速率，以干脆限制异步机的转矩和转矩增加率，获得电机的快

速响应。

SPWM：正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面

积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信号比与一组三相对称的正弦

参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Ude作为逆变器

功率开关器件的驱动限制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调整正

弦波参考信号的幅值和频率就可以调整SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。

原型电动机：（两相电动机），它具有两个集中绕组，即d轴绕组（直轴绕组）和q轴绕

组（交轴绕组），两个绕组相互垂直，可以对转矩和磁通进行独立限制其转子结构与直流电

动机一样，有枢和换向器等。

问题5-1：简述干脆转矩限制的工作原理，并比较它与矢量限制的异同点。

①干脆转矩限制技术利用空间矢量的分析方法，干脆在定子坐标下计算和限制沟通电

动机的转矩，它采纳定子磁场定向，借助于离散的两点式调整（Band-Band限制）产生PWM

信号，干脆对逆变器的开关状态进行最佳限制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了困难的

矢量变换与电动机的数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的限制思想新奇,

限制结构简洁，限制手段干脆，信号处理的物理结构明确。该限制系统的转矩响应快速，限

制在一拍以内。且无超调，是一种具有高性能的沟通调速方法。

②干脆转矩限制与矢量限制的相同点是：两者都要对转矩和磁链进行限制。

③干脆转矩限制与矢量限制的相同异点如下：

干脆转矩限制只利用定子侧参数，而矢量变换限制是利用转子侧参数，这些参数简洁

受转子转速变更的影响；干脆转矩限制在静止的坐标系中进行，限制运算比矢量变换限制简

洁；干脆转矩限制对转矩进行闭环限制，精确性高，动态性好，而矢量限制则过分要求圆磁

磁链和正弦波电流；干脆转矩限制和干脆磁链限制采纳滞环，参数选择适当可弥补由干脆转

矩限制引起的速度下降。干脆转矩限制利用相电压矢量的概念，对逆变器的功率开关进行综

合限制，开关次数少，开关损耗少。

问题5-2：请画出异步电动机的空间矢量等效电路图，并推出稳态转矩的计算公式。

在正交定子坐标系（a-8坐标系）上描述异步电机的等效电路图,

Q定子电压空间矢量,L定子电流空间矢量

ir转子电流空间矢量,3电角速度（机械角速度对极对数的积）

机定子磁链空间矢量，口转子磁链空间矢量

异步电动机在定子坐标系下的电压方程：

史

Us—Rsis+材$

0-R]ir—j3”r

定子磁链。s二L定转子磁链中r二力S-Loiu

定子旋转磁场供应的功率

3

P=3sTd=5(Wsaisa+WspiSB)图5-1异步电动机的空间矢量等效电

路图

其中：3s定子频率（定子旋转磁场频率）

3

=W

必、”=—3s中SBy/xpssa得转矩Td=—(saIsB一3sBisa)

由is=iu+ir可得转矩Td=---3(力sB巾ra-巾sa巾$)=..-I111sli巾rISin()

42La2

转矩为定子磁链与转子磁链的交叉乘积，0磁通角(定子磁链与转子磁链之间夹角)

在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机；而转子磁链幅值由负

载确定。

通过变更磁通角0可实现异步电动机转矩的变更，通过变更转子电流可变更转子磁链，

定子磁链可以以定子电压的积分来变更。

问题5-3：请画出电压型逆变器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。

电压型逆变器，为三组六个开关同一桥臂

cE

的两个开关互为反向：一个接通“1”，另一个断开“0”。

E

①逆变器8个电压状态：

匕(100),V2(110),V3(010),V4(Oil),

v5(001),V6(101)构成正六边形的顶点,

V7(111),Vo(000)位于正六边形的中心。图5-2电压型逆变器

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1一状态6),

相电压波形幅值两个：土2必/3和±4Ud/3

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：us=es=d4)s/dt

圾=5力+小so,3so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：

定子磁链矢量小S的增长方向，即小S矢头的运动方向

确定于电压矢量Us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，图5-38个电压状态的空间矢量

图

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X-V6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）Si...区段（扇区）S6

小s矢头的运动速率与小的幅值£成正比；

若比=0,则心停止运动（V。、V7）；

若有效电压矢量依照矢量图片fV3-%-V5fV6的次序交替作用，且作用时间相等，

则2s矢头的运动轨迹为一正六边形。

问题5-4：沟通异步电动机采纳干脆转矩限制，在正六边形的定子磁链图中怎样实现恒转矩

限制和恒功率限制。

逆变器8个电压状态：%,V2,%,V4,V5,V6构成正六边形的顶点，V7,V。位于正六边

形的中心。

若变更有效电压矢量的交替作用时间，即变更2s的旋转速度，由于有效电压矢量的幅

值不变，所以它们的作用时间变更后，正六边形的面积将发生变更。作用时间变短，正六边

形的面积变小，

面积=磁链幅值2s也将变小。因此可以用这种方法限制异步电动机的弱磁调速。

若在有效电压矢量的作用期间以肯定规律插入零矢量（V7,Vo）,小s以最大旋转速度旋

转，零矢量作用时2s停止运动。由于零矢量的插入，es走走停停，所以旋转速度变慢了。

明显，零矢量的作用时间越长，巾s的旋转速度越慢。

假如在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变，不难想象，正六边形

的面积将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法可以限制异步电动机的恒磁通调速，

即恒转矩调速。

问题5-6：请画出异步电动机干脆转矩限制调速系统的组成框图，并说明各模块的功能

和整个系统的工作原理。

由图可见，干脆转矩限制系统由转矩闭环和磁链闭环组成，既干脆进行转矩限制又干脆

进行磁链限制，只需用电流互感器和电压互感器检测定子电流和电子电压，然后对转矩和磁

链进行观测，公式如下:中aS=J(Uas-Rlias)dt4Ps=/(UBS-RIips)dtTe=L'［力aS1

3BSias］

转矩调整器ATR和磁链调整器都运用滞环两位调整，可以保持转矩在给定误差允许范围

内波动，达到较好的转矩限制性能。

磁链自限制DMC的最简洁方案：由检测出的定子磁链，经坐标变换单元UCT(2S/3s坐标转

换)得到磁链的8重量小小中W力…通过三个施密特触发器分别把三个磁链重量与磁

链给定值弧.相比较，得到三个磁链开关信号Sh、SM、SiDc,三相磁链开关信号通过开关

S换相，得到三相电压开关信号：近=瓯、瓯=瓯、西=瓯，经反相后变成正确的

电压状态信号SUa、SUb、SUc,干脆去限制逆变器UL输出相应的电压空间矢量，去限制产

生期望的六边形磁链。

ic="ia-ib

T给定+图5—5寸步电公专矩限制调速系统so整流器

转嬴案小通过变更定子N

二轨迹的平均速度用用觐［引入浮蜂),采纳两点式

T反馈

滞环调整器

调整：举』军值.矩绐定值的差日换相整OgATy；信号“TQ”变

转矩42》3S坐逻辑逆变器

观测器标转换

“1”，工口］大。当实际转

Tenr

3AWB巾c滞环调整器S»AS(,BSTC

矩值和转矩给定值的裁值大于+",ATR的输出信号“TQ”变“0"，零4小加到电机上，定

Uab

磁通3S/2S坐电压

观测器标转换互感器

子磁链停止不动，磁通角减小，转矩减小。通过转矩干脆自调整作用，使工作电压空间矢量

的工作状态和零电压工作状态交替接通，限制定子磁链3s走走停停，从而使转矩动态平衡

保持在给定值的士容差）的范围内，既限制了转矩，又形成了PWM的调制过程。

问题5-7：在异步电动机干脆转矩限制调速系统中有磁链调整器和转矩调整器，磁链调整器

通常采纳怎样的限制方式？转矩调整器通常采纳怎样的限制方式？

转矩调整器和磁链调整器都运用滞环两位调整，可以保持转矩在给定误差允许范围内波

动，达到较好的转矩限制性能。完整的转矩调整器是由转矩两点式调整器和P/N调整器组成,

在转矩给定值变更较大时，P/N调整器参加调整，加快调整过程。

问题5-10：依据工作特点的不同，可依据转速分为：低速范围、高速范围和弱磁范围。

问题5-12：在弱磁范围怎样实现异步电动机干脆转矩限制？

弱磁范围内进行的是恒功率调整，基速以上，全电压工作，没有零状态电压工作的时间，

工作电压在整个区段中作用，其特点是：转速的提高，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的

是磁链给定值的减小，即稳态弱磁；转矩的调整是靠六边形磁链给定值的动态变更调整的方

法。转矩的脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。

其解决方案如下：用电动机模型检测、计算电动机的磁链和转矩；用磁链自限制环节来

确定区段；六边形磁链轨迹；用功率调整器实现恒功率调整；通过变更磁链给定值实现平均

转矩的动态调整；每个区段用一个工作电压状态。

变更有效电压矢量的交替作用时间，即变更巾s的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值

不变，所以它们的作用时间变更后，正六边形的面积将发生变更。作用时间变短，正六边形

的面积变小，

面积=Vt,磁链幅值小s也将变小。因此可以用这种方法限制异步电动机的弱磁调速。

六、PWM和SPWM

问题6-1：通过调整SPWM逆变器限制电路中晶闸管的触发脉冲频率和相位,就可以调整SPW

逆变器输出沟通电压的幅值和频率。

问题6-2：什么是SPWM,它有何特点？请简述其工作原理。

将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的

等高矩形脉冲来替代。这样，有N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等

效。正弦的负半周也可用同样方法来等效。一组三相对称的正弦参考电压信号Urc、Urb、

Ura,其频率确定逆变器输出的基波频率。三角波载波信号Ut与每相的参考电压比较后，给

出“正”或“零”的饱和输出。产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Ude作为逆变器功率开

关器件的驱动限制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，这种SPWM逆

变器能有效地抑制2NT次以下的低次谐波，但存在高次谐波电压。

调整正弦波参考信号的幅值和频率就可以调整SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。问

题6-3：什么是SPWM的同步调制和异步调制？各有何特点？

①同步调制：N=常数，正弦波频率与三角波频率同步变更，逆变器输出电压，半波内

得矩形脉冲数固定不变。假如N=3K,则可保证逆变器输出波形的正、负半波对称，三相输

出具有120。对称关系。

但低频工作时，相邻脉冲间距增大，使电机产生较大的转矩脉动和较强的噪声。

②异步调制：NN常数逆变器的整个变频范围内，载波比N#常数，提凹凸频时的载波

比。

在变更参考信号频率时保持三角波频率不变，逆变器输出电压半波内得矩形脉冲数可随

输出频率降低而增加，相应的削减负载电机的转矩脉动和噪声，改善低频工作的特性。但很

难保证三相输出的对称关系，引起电动机工作不平稳。

③分段同步调制：综合利用两者的特长，在肯定频率范围内，采纳同步调制，保持三

相输出的对称；低频时，使载波比分段有级的增加。

问题6-4：SPWM波形有那几种常用的方法？试对其中一种进行详细说明。

SPWM波形的常用方法有：自然采样法、规则采样法、指定谐波消去法

①自然采样法：依据正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，从而生

成SPWM波。自然采样法虽然能真实反映脉冲产生与结束时刻，却难以用于实时限制中。一

般可以将事先计算出自然采样法的数据放入计算机内存中，限制时利用查表法进行查询。当

调速系统频率变更范围较大、频率段数许多时，将占用大量内存空间。自然采样法用于有限

调速范围的场合。

规则采样法：设法使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线相对，从而简化计

算。查表法：(开环系统)一般可以事先离线在通用计算机上算出规则采样法相应的脉宽后

写入EPROM,然后由调速系统的微型机通过查表和加减运算求出各相脉冲的时间和间隙时间。

实时计算法：(闭环系统)在内存中存贮正弦函数和Tc/2值，限制时先取出正弦值与调速系

统所需的调制度M作乘法运算，再依据给定的载波频率取出对应的TC/2值，与Msinwite作

乘法运算，然后运用加、减、移位即可求出脉宽时间t2和间隙时间口、t3。

③指定谐波消去法：从消退某些指定次数的谐波动身，通过计算来确定各个脉冲的开

关时刻，从而生成SPWM波。一般用离线迭代计算事先求出不同输出频率下各开关角的数值

解，放入微机内存，以备限制时取用。

详细工作过程说明见陈伯时主编.电力拖动自动限制系统。

问题6-5：SPWM的三种调制方式为：同步调制、异步调制和分段同步调制。

问题6-6：SPWM逆变器是利用正弦波信号与三角波信号相比较后，而获得一系列(A)的脉

冲波形。

A、等幅不等宽；B、等宽不等幅；

C、等幅等宽；D、不等宽不等幅；

在一般的交一直一交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的

电压频率协调限制，整流器必需是可控的，调速时须同时限制整流器UR和逆变器UI,这样

就带来了一系列的问题。主要是：

(1)、主电路有两个可控的功率环节，相对来说比较困难；

(2)、由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应

缓慢；

(3)、由于整流器是可控的，使供电电源的功率因数岁变频装置输出频率的降低而变

差，并产生高次谐波电流；

(4)、逆变器输出为六拍阶梯波交变电压(电流)，在拖动电动机中形成较多的各次谐

波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严峻。因此，由第一代电

力电子器件所组成的变频装置已不能令人满足地适应近代沟通调速系统对变频电源的须要。

随着其次代电力电子器件的出现以与微电子技术的发展，出现了解决这个问题的良好条件。

1964年，德国的A.Schonung等领先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中

的调制技术推广引用于沟通变频。用这种技术构成的PWM变频器基本上解决了常规六拍阶

梯波变频器中存在的问题，为近代沟通调速系统开拓了新的发展领域。下图表示了SPWM变

图6-1SPWM交一直一交变压变频器的原理框图图6-2SPWM变压变频器主电路的

原理图

上图是SPWM交一直一交变压变频器的原理框图，它仍是一个交一直一交变压变频装置,

但它的整流器UR是不行控的，它的输出电压经电容滤波（可附加小电感限流）后形成恒定

幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件采纳全控式器件），按肯定规律

限制器导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。在这里，通过变更

脉冲的不同宽度可以限制逆变器输出沟通基波电压的幅值，通过变更调制周期可以限制器输

出频率，从而同时实现变压和变频。

SPWM变压变频器的主要特点如下：

（1）主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构。

（2）采纳了不行控整流器，使电网功率因数接近于1,且与输出电压大小无关。

（3）逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。

(4)可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，因而转矩脉动小，大大扩

展了传动系统的调速范围，提高了系统的性能。

问题6-8：怎样产生SPWM波？

脉宽调制变压变频器的限制方法

原始的SPWM是由模拟限制来实现的。图6-4是SPWM变压变频器的模拟限制电路原理

框图。三相对称的参考电压调制信号s、5、urc由参考信号发生器供应，器频率和幅值

都是可调的。三角载波信号u由三角波发生器供应，各相共用。它分别是每相调制信号在比

较器上进行比较，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波国、皿、国，

作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。

图6-3SPWM变压变频器的模拟限制电路图图6-4SPWM变压变频器的

Simulink模块图

虽然此模拟限制电路很少应用，但因为用MATLAB很简洁仿真，且可以对输出的SPWM

波形的频率和幅值都是可调的。所以才采纳Simulink中的模块做SPWM变压变频发生器和示

波器。

图6-4中，将三相正弦波作为基准的调制波(Modulation

Wave),而三角波发生器产生的三角波信号作为载波(Carrier

Wave)。当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关

器件的通断时刻。详细的做法是，当A相的调制波电压加高出载

波电压U,时，使相应的开关器件V1导通，输出正的脉冲电压；

当心的负半周中，可用类似的方法限制下桥臂的VT,,输出负的

脉冲电压序列，变更调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之变更；降低调制波的幅值

时，如U'm,各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。上述的

单极式SPWM波形在半周内的脉冲电压只在“正”(或“负”)和“零”之间变更，主电路每

项只有一个开关器件反复通断。假如让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则

输出脉冲在“正”和“负”之间变更，就得到双极式的SPWM波形。

图6-5双极式SPWM波形

问题6-9：什么是SPWM的数学限制方法？

数学限制是SPWM目前常用的限制方法。可以采纳微机存

储预先计算好的SPWM数据表格，限制是依据指令调出；或者

通过软件实时生成SPWM波形。而“面积等效算法”则是其中

最简洁的一种方法。

它的基本原理是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲

波形。如图3-7绘出了单极式的SPWM波形，它是由逆变器上桥臂中一个功率开关器件反复

导通和关断形成的。其等效正弦波为U”,sin31t,而SPWM脉冲序列波的幅值为IL/2,各脉

冲不等宽，但中心间距相同，都等于Ji/n,n为正弦波半个周期内的脉冲数。令第i个矩形

脉冲的宽度为5j,其中心点相位角为

U°M+二万

篇港=；nsmgtd(gt)=2Usin—sin6

2Fm2〃i

(6-1)

§a丝叫sind

这就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比.因此，与半个周期正弦波等

效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律渐渐变更的序列脉冲波形。依据上述原理,

SPWM脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，采纳数字限制时，这是很简洁实现的。

我刚起先做这个脉冲发生器时用的就是计算方法，但是在MATLAB中运用这种方法虽然便利

简洁，但是脉冲发生器产生的SPWM波形的频率就不能变更了，所以我选择了第一种方法。

七、双馈调速和内反馈

问题7-1：什么是双馈调速?它与串级调速由什么不同？

双馈调速是将定、转子三相绕组分别接入两个相对独立的三相对称电源：电子绕组接入

工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按要求进行调整的沟通电源，即采纳交-

交变频器和交-直-交变频器给转子绕组供电。其中必需保证在任何状况下，转子外加电压的

频率都要与转子感应电动势的频率保持一样。当变更转子外加电压的幅值和相位时就可以调

整异步电动机的转速，也可以调整定子侧的功率因数。这种双馈调速的异步电机不但可以在

此同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运转，因此，双馈调速也叫超同步调速。

串级调速是对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动

势，也叫低同步串级调速系统，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的原因。串级调

速是双馈调速的一种特殊状况。

设转子外加电压E2与转子感应电动势SE2同相位

转子电流£=里*=至［6用±区”外叫

r2+jsx2z2SE2

1

电磁转矩7=。；”①，,空cos心(1±-^7)=兀+/-TD

z2SE2

志向空载转速n'=ni(l-s)=ni(l±-^r)

SE2

问题7-2：请说明双馈调速的五种状况的功率流淌状况

(胡宗岳，近代沟通调速技术：21-24,机械工业出版社，P312)

①转子运行于次同步电动状态(1＞S＞0)

电磁功率＞0,从电源流向负载；机械功率＞0,从电机输给机械负载；

转差功率＜0,回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。

②转子运行于次同步速的定子回馈制动状态(1＞S＞O)

电磁功率＜0,从电机回馈给定子电源；机械功率＜0,从原动机输给电机；

转差功率＞0,转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。

③转子运行于超同步电动状态(S＜0

电磁功率＞0,从定子电源输向电机；机械功率＞0,从电机输给机械负载；

转差功率＞0,转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。

④转子运行于超同步速的定子回馈制动状态（S＜0

电磁功率＜0,从电机回馈给定子电源；机械功率V0,从原动机输给电机；

转差功率＜0,回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。

⑤转子运行于倒拉反转的电动状态（S＞1）

电磁功率＞0,从定子电