电力拖动复习要点

电力拖动自动化系统重点章节

其次章：

2.2、2.3节（稳态计算），2.3.4节不要求。2.4

节，数字测速方法，及各种方法的适用场合。

第三章：

3.1节、3.2节、3.3节（调整器的工程设计方

法）。

第四章：泵升电压

第五章：5.1节、5.3节。

第八早：

6.3节、6.5节、6.6节（矢量把握的基本思想）。

转子磁链计算方法以及相应框图绘制、6.8节。

第七章：7.2节、7.6节。

第八章：8.1节、8.3节。

2011.11.14

第2章转速反馈把握的直流调速系统

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

TJ_[R

/?=——式中:〃一转速（r/min）,U—电枢电压（V），/一电枢电流（A）,R一

K,中

电枢回路总电阻（。），6一励磁磁通（Wb）,K,一电动势常数。

直流电机主要有三种基本调速方法：调整电枢供电电压U,减弱励磁磁通中，转变电

枢回路电阻Ro

对于要求在肯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。

转变电阻只能有级调速；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，自动把握的直流道速系

统往往以调压调速为主c

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）旋转变流机组一一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）静止式可控整流器一用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。

（3）直流斩波器或脓宽调制变换器一一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“0的关系如何？

答：静差率S与空载转速如成反比，也下降，S上升。所以检验静差率时应以最低速时的静

差率5='为准。

"°min

5转速把握的要求是什么？

答：1）调速-在肯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-以肯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）力口、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

速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

6解释反馈把握规律？

答（1）被调量有静差（2）抵制扰动与听从给定（3）系统精度依靠于给定和反馈检测精度

7闭环空载转速〃0”比开环空载转速劭卬小多少？

答:也/是“0即的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U”也相应下降，而转速给定电压U；不变，△U〃=U：-U〃增加。转速调整

器ASR输出U,增加，使把握角。减小，晶闸管整流装置输出电压力增加，于是电动机转

速便相应自动回升，其调整过程可简述为：

勿（殳+此）

TLT->idT->nufilT->\uTfucT->

aTfiTf.............T

AUwO

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AU”。

2）比例放大器A：将转速偏差电压AU”放大，产生电力电子变换器UPE所需的把握电压心。

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U：。

10说明单闭环调速系统能削减稳态速降的缘由，转变给定电压或者调整转速反馈系数能否

转变电动机的稳态转速?为什么？

答：根本区分在于结构上(把握器中)有无积分把握作用，PI把握器可消退阶跃输入和阶跃扰

动作用下的静差，称为无睁差系统，P把握器只能降低静差，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调整器的输出电压以由两部分组成。第一部分描U是比例部分，其次部分5

是枳分部分。当『0突加口瞬间，电容c相当于短路，反馈回路只有电阻与，此时相当于

P调整器，输出电压4=-勺,七，随着电容c被充电开头积分，输出电压以线性增加，只

要输入Ui连续存在，&始终增加饱和值(或限幅值)为止。

16PID把握各环节的作用是什么？

答：PID把握器各环节的作用是：

(1)比例环节P：成比例地反映把握系统的偏差信号，偏差一旦消灭，把握器马上产生把

握作用，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，提高系统的把握精度和无差度。

(3)微分环节D：反映偏差信号的变化趋势，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。

17下图为带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图，说明电流截止负反馈的工作原理,

及这种调速系统的静特性特点？

答：当AlW瓜r时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式

相同,现重写于下"=黯-缶

当/d>/d”时，引入了电流负反馈，静特性变成

Ce(\+K)Q(l+K)

特点：

(1)电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpK、R「因而稳态速降极大,

特性急剧下垂。

(2)比较电压与给定电压U：的作用全都，好象把抱负空载转速提高到

“lC(l+K)

18接受比例积分调整器把握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：接受比例积分调整器把握的电压负反馈调速系统，旗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。但基本把握原

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：接受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一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）主电路线路简洁，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，动态抗扰力量强。

（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）直流电源接受不挖整流时，电网功率因数比相控整流器高。

（2-11）

调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差速降和最小静差率之间有什么关系？为

什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就简洁得多了”？

答：生产机械要求电动机供应的最高转速和最低转速之化叫做调速范围，用字母D表示，即

。二%丝其中，〃，八和品小一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载

很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。

当系统在某一转速下运行时，负载由抱负空载增加到额定值时所对应的转速降落，与抱

负空载转速之比，称作静差率s,即$=包生或用百分比表示s=A3xl（X）%

在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速作为最高转速N„

则L__AH.V_（1）△/力一〃max_2

%〃min+A〃NSSnmm△〃'（1）

由上式可看出调速系统的调速范围、静差速降和最小静差率之间的关系。对丁同一个调

速系统，加为值肯定，假如对静差率要求越严，即要求f值越小时，系统能够允许的调速范

围也越小。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。

（2-12）

转速单闭环调速系统有那些特点？转变给定电压能否转变电动机的转速？为什么？假如给

定电压不变，调整测速反馈电压的分压比是否能够转变转速？为什么？假如测速发电机的

励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的力量？

答：(1)转速单闭环调速系统有以下三个基本特征：1)只用比例放大器的反馈把握系统，

其被被调量仍是有静差的。2)反馈把握系统的作用是：抵制扰动，听从给定。扰动性能是

反馈把握系统最突出的特征之一。3)系统的精度依靠于给定和反馈检测的精度。

(2)转变给定电压会转变电动机的转速，由「反馈把握系统完全听从给定作用。

(3)假如给定电压不变，调整测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化，

它不能得到反馈把握系统的抑制，反而会增大被调量的误差。反馈把握系统所能抑制佗只是

被反馈环包围的前向通道上的扰动。

(2-13)

为什么用积分把握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AU”变化时，只要其极性不变，积分调整器的输出U,便始线增长；

只有达到U：=U“，△□〃=()时，U,才停止上升；不到变负，U,不会下降。当

△U〃=0时，U,并不是零，而是一个终值；假如“不再变化，这个终值便保持恒定而

不再变化，这是积分把握的特点。因此，积分把握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AU”二O，但历史上有过，其积分就有肯定数值，足以

产生稳态运行时需要的把握电压U,。

(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，当下列参数发生变化时系统是否有调整作用，为

什么？(1)放大器的放大系数跖,；(2)供电电网电压；(3)电枢电阻R”；(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化时系统有调

节作用再通过反馈把握作用，由于他们的变化最终会影响到转速，减小它们对稳态转速的影

响。

电动机励磁电流、电枢电阻R“发生变化时仍旧和开环系统一样，由于电枢电阻处于反

馈环外,

当供电电网电压发生变化时系统有调整作用。由于电网电压是系统的给定反馈把握系统

完全听从给定。

当电压反馈系数，发生变化时，它不能得到反馈把握系统的抑制，反而会增大被避量的

误差。反馈把握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〃N=1430i7min,额定速降加为二115|71«加，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sW20%,则调速范围是多少？假如期

望调速范围达到10,所能满足的静差率是多少？

解：在要求sW30%时，允许的调速范围为

八nNs143Dx0.3_.

一Mv(l-s)-113x(1—0.3)~・

若要求sW20%,则允许的调速范围只有

1430X02=3.1

115x(1-0.2)

若调速范围达到10,则静差率只能是

10x115

=0.446=44.6%

1430+10x115

（例题2・2）

某龙门刨床工作台拖动接受直流电动机，其额定数据如下：60kVV,220V,305A,lOOOr/min,

接受V-M系统，主电路总电阻K=0.18Q,电动机电动势系数G=0.2%nin/r。假如要求调速

范围D=20,静差率sW5%,接受开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降

A/木最多能有多少？

解：当电流连续时，V-M系统的额定速降

、I.R305x0.18___.

△〃、，=——=-------=275r/min

“C0.2

开环系统在额定转速时的静差率为

275

=0.216=21.6%

nN+V1000+275

如要求。=20,5<5%,即要求

1000x0.05

2<=2.63/7min

D(\-s)20x(1-0.05)

（例题2・3）

在例题2・2中，龙门刨床要求0=20,s<5%,已知&=30,cr=0.015Vmin/r,G=0.2Vmin/r,

接受比例把握闭环调速系统满足上述要求时，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△〃叩=275r/min,

闭环系统额定速降须为△〃,/<2.63r/min,

△〃叩可得K二"更275

由式=1>-1=103.6

1+K763

K103.6

贝阳”y=46

Kxa/Ce-30x0.015/0.2

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，系统接受的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻R=（）.18Q,电

感量L=3mH,系统运动部分的飞轮惯量GO2=6（）N-〃F,试判别系统的稳定性。

解：电磁时间常数7；=工="曳=00167s

R0.18

机电时间常数T〃,=G，）2R=—"誓一=0.075s

375CC3（）

375X0.2X3X0.2

71

品闸管装置的滞后时间常数为7；=0.001675

为保证系统稳定，应满足的稳定条件：

T,0D+T：_0.075x（0.0167+0.00167）+0.001672.

K<--------------=--------------------------------=49.〉

TtTx0.0167x0.00167

闭环系统的动态稳定性和例题2-3中稳态性能要求K>103.6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PVVM调速系统，电动机不变，电枢

回路参数为：R=O.K2,L=lmH,勺=44,PWM开关频率为8kHz。按同样的稳态性能

指标&=20,sW5%,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：

电磁时间常数刀=’="3=0.01$

1R0.1

机电时间常数〃=GDk=_竺黑_=（）.04175

mc30

工e酬375x0,2x-x0.2

冗

晶闸管装置的滞后时间常数为7；=-^=0.00012%

s8000

为保证系统稳定，应满足的稳定条件：

T（7；+7；）+1：_0.0417x（0.01+0.000125）+0.000125?

K<--m------------=--------------------------------=339.4

3Ts0.01x0.000125

依据稳态性能指标0=20、$45%要求

An”42.63r/min（见例题*2）

305x0.1

=152.5r/niin

△%,0.2

I>152.5

------I2------

△〃,72.63

PWM调速系统能够在满足稳态性能指标要求下稳定运行。

若系统处于临界稳定状况,

K=339.4

A^,=J52^=()45r/min

\+K1+339.4

1000x0.05

----------=11/

AW/1-5)0.45(1-0.05)

第3章转速、电流反馈把握的直流调速系统

1转速电流双闭环系统中，转速调整器、电流调整器的作用?

5

答：转速调整器和电流调整器的作用：

（I）转速调整器ASR的作用：

I）转速〃跟随转速给定电压U：变化，稳态无静差。

2）突加负载时转速调整器ASR和电流调整器ACR均参与调整作用，但转速调整器ASR

处于主导作用，对负载变化起抗扰作用。

3）其输出电压限幅值打算允许最大电流值。

（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U：变化。

3）电源电压波动时准时抗扰作用，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，消灭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，假如要转变双闭环有静差V-M系统的转速,

可调整什么参数?转变转速调整器放大系数Kp触发整流环节放大系数K,和转变转速反馈

系数a能行否?假如要转变堵转电流应调整什么参数？

a-转速反馈系数p-电流反馈系数

答：要转变转速，可以调整给定电U：或转速反馈系数a。，要转变堵转电流，应调整转速

调整器的限幅值U：或转变电流反馈系数夕

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）饱和非线性把握

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）准时间最优把握，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、电流反馈把握直流调速系统原理图，ASR、ACR均接受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U,、变流装置输出电压U”，电动机转速〃，

较之负载变化前是增加、削减，还是不变？为什么？（2）假如速度给定U；不变时，要转

变系统的转速，可调整什么参数?

c+IlR

T,T->i（uT->uc=^=?->Ud=K5SUCcT

答：⑴"cK,Ksd

U；=c,n=c

（2）由丁U：=4=卯，〃=2,所以调整a可以转变转速〃。

a

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。、静差率s、动态性能指标分成给定把握信号和扰

动信号作用下两类性能指标。给定把握信号作用下的动态性能指标有上升时间，,.，调整时间

4（亦称过滤过程时间）和超调最o%。扰动信号作用下的动态性能指标有最大动态速降

4?max、恢复时间。

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，抗扰力量（强），稳态（无静差）。

电流环按典型（I）型系统设计，抗扰力量（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打算于

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需要

打算的。

(3-6)

在转速、电流双闭环调速系统中，若要转变电动机的转速，应调整什么参数？转变转

速调整器的放大倍数K”行不行？转变电力电子变换器的放大倍数（行不行？转变转速

反馈系数。行不行？若要转变电动机的堵转电流，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

U；=U“=8、=cai（）

因此转速〃是由给定电压U：打算的；转变转速反馈系数也可以转变电动机转速。转

变转速调整器的放大倍数K”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的输出限幅电压打算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U而o

（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U：打算的。

ASR的输出量U；是由侦载电流打算的。把握电压的大小则同时取决于〃和〃，或

者说，同时取决于U：和ldL,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KpK,R,,因而稳态速降极大，特性急剧下垂；比较电压七所与给

定电压U；的作用全都，好象把抱负空载转速提高了。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令以下二个特点：饱和非线性把握、转速超调、准

时间最优把握。

（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最较远，调整作用受到多个环

节的延滞，因此单闭环调速系统抵制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准时的调整，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以中，有一部分是与转差成正比的转差功率?

依据对PS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

效率凹凸的标志。从这点动身，可以把异步电机的调速系统分成三类0

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、转子串电阻调速属下这一类。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，所以还有肯定的应用价

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把握？

答：在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：期望保持电机中每极磁通量①m为

额定值不变。假如磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种铺张；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①m由定子和转子磁势合成产生，由于有4=4.44/乂攵&£…此式可知，

只要把握好Eg和力，便可达到把握磁通中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，

分别接受什么方法使电机每极的磁通恒定？

答：异步电动机的气隙磁流在每相定子中的感应电动势4=4.44力乂3中,”

E

假如使」p=c气隙磁链保持不变，要保持直流电机的磁通恒定，由于其励磁系统是独

/1

.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，必需接受恒压频比把握。

4简述恒压频比把握方式，

答：绕组中的感应电动势是难以直接把握的，当电动势值较高时，可以忽视定子绕组的漏磁

,则得号=c。这是恒压频比的把握方式。但是,

阻抗压降，而认为定子相电压U,工纥

在低频时4和々都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽视。这时,

需要人为地把电压U,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把握方式下的机械特性，沟通异步电动机的恒压频比把握有哪

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）恒压频比把握b）恒定子磁通把握c）恒气隙磁通把握d）恒转子磁通把握

F

答：T=C，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。7max，〜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。

？=C，定子相电压/输入频率为恒值，小定子相电压，机械特性非线性，易实现。/,

f\

接近额定频率时，7max变化不大，力的降低，7max变化较大，在低速时甚至拖不动负载。

实际上5=C,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。

£=C,转子磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，邑转子磁链在每相定

f\

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。这是矢量把握追求的目标。

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接受什么把握方法，磁通、转

矩、功率呈现怎样的变化规律？

答：恒磁通调速（基频以下）^-=c,并补偿定子电阻损耗。恒功率调速（基频以上）上升电源

f\

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漕速。

7沟通异步电动机变频调速系统的把握方式主要有哪两种？

答：沟通异步电动机变频调速系统的把握方式主要有两种：有恒磁通把握和恒功率把握两

种，其中恒磁通把握乂称恒转矩把握。

8什么是脉冲宽度调制(PWM)?

答：利用电力电了•开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过把握脉冲宽

度或周期达到变压变频的目的。

9什么是SPWM把握方式？

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附开关元件的把握信号，从而在逆变器负载上

(多为异步电动机)得到与把握信号波形相同，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

A-(4)=〃4Az

△%(1)=勺加

图正六边形定子磁链轨迹

〃2

II

III

〃4

IVVI

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升

1)逆变器8个电压状态：

Vi(lOO),V2(010),V3(010),V4(011),V5(001),V6(101)构成正六边形的项点，v7(lll)，

Vo(OOO)位于正六边形的中心。

由相电压波形图可直接得到逆变器的各开关状态，

两者的开关状态挨次全都6个状态一个周期(状态If状态6),相电压波形幅值全都：

±2U”/3和±4力/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=di//x/dt或忆.=ust+肯定子磁链的初始值。

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：

定子磁链矢量忆的增长方向，即九矢头的运动方向打算于电压矢量Z的方向；

定子磁锥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V|-Vs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)S「区段(扇

区)S6。

忆矢头的运动速率与"s的幅值U,成正比；若％=0则k停止运动（Vo、v7）

若有效电压矢量依照矢量图Y-v2fv3-Kfv5-v6的次序交替作用，且

作用时间相等，忆矢头的运动轨迹为一正六边形。

U什么是转差频率把握系统调速？

答：在转差率S很小的范围内，只要能够维持气隙磁通念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，把握转差率就代表了把握转矩，这就是转差频率把

握的基本概念。

12转速闭环转差频率把握的变频调速系统能够仿照直流电动机双闭环系统进行把握，但是

其动静态性能却不能完全达到直流双闭环系统的水平，这是为什么？

答：它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的缘由有以下几个

方面：

（1）在分析转差频率把握规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式动身的，

所谓的“保持磁通中m恒定”的结论也只在稳态状况下才能成立。在动态中①m如何变化

还没有深化争辩，但确定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。

（2）U,=f（3],1J函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有把握到电流的相位，而在

动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。

（3）在频率把握环节中，取3|=3.+3,使频率得以与转速同步升降，这本是转差

频率把握的优点。然而，假如转速检测信号不精确或存在干扰，也就会直接给频

率造成误差，由于全部这些偏差和干扰都以正反馈的形式亳无衰减地传递到频率把握信号上

来了。

（5-8）

两电平PWM逆变器主回路，接受双极性调制时，用“1”表示上桥臂开通，“0”表示上桥

臂关断，共有几种开关状态，写出其开关函数。依据开关状态写出其电压空间矢量表达式,

画出空间电压矢量图。

解•：两电平PWM逆变器主回路：

接受双极性调制时，忽视死区时问影响，用“1”表示上桥臂开通，“0”表示下桥臂开

通，逆变器输出端电压:

Ud

2

肛=4

力S=0

2x

jyj2y

%=(uA+uBe+uce)以直流电源中点。'为参考点

(5-9)

当三相电压分别为〃人。〃30，〃co,如何定义三相定子电压空间矢量U,10,Uso，Uco和

合成矢量U,,写出他们的表达式。

解：A,B,C为定子三相绕组的轴线，定义三相电压空间矢量:

UAO=UAOUBO=UCO="⑶

%=UAO+UHO+U

C(ej2y)

电压空间矢量

(5-10)

忽视定子电阻的影响，争辩定子电压空间矢量〃，与定子磁链忆的关系。当三相电压心。、

“⑼、〃①为正弦对称时，写出电压空间矢量心与定子磁链忆的表达式，画出各自的运动

轨迹，

解：用合成空间矢量表示的定子电压方程式：

+也

''5dt

忽视定子电阻的影响，

%^^~或"司".、力

即电压空间矢最的积分为定子磁链的增量。

当三相电压为正弦对称时，定子磁链旋转矢量

y/,=忆羽…

电压空间矢量％S2

两电平PWM逆变器主回路的输出电压矢量是有有限的，若期望输出电压矢量%的幅值小

于息”,空间角度。任意，如何用有限的PWM逆变器输出电压矢量来靠近期望的？

解：两电平pWM逆变器有六个基本空间电压矢量，这六个基本空间电压矢量将电压空间矢

量分成六个扇区，依据空间角度。确定所在的扇区，然后川扇区所在的两个基本空间电压矢

量分别作用一段时间等效合成期望的输出电压矢量。

第6章基于动态模型的异步电动机调速系统

1从动态数学模型可以看出三相异步电动机是什么样的一个系统？

答：从动态数学模型可以看出三相异步电动机是•个高阶、非线性、强混合的多变量系统,

2三相异步电动机的数学模型包括哪几类方程？

答：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。

3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？

答：先将静止的三相坐标A-B-C转换成静止的两相坐标尸，再将静止的两相坐标a•尸

换成旋转的两相坐标d-q或同步两相坐标(M-T)。

4坐标变换有哪些?坐标变换原则有哪两种？

答：坐标变换有：

1)静止的三相坐标(A-B-C)-旋转的两相坐标(d-q-O),

2)旋转的两相坐标(d-q)-静止的三相坐标(A-B-C),

3)静止的三相坐标(A-B-C)-静止的两相坐标-0)

4)静止的两相坐标(a-£-0)-静止的三相坐标(A-B-C)

5)静止的两相坐标(a-£)-旋转的两相坐标(d-q),

6)旋转的两相坐标(d-q)-静止的两相坐标(a-夕)

7)直角坐标与极坐标

5异步电动机的等效二相模型为什么简洁？

答：四个方程中的为。项很多，转矩和磁通分开把握(相互垂直)。

6磁链定向方法有哪些?分别接受了哪种坐标系？

答：磁链定向方法有两种：

I)按转子磁链犷,定向：把握性能最好，但转子磁链不易测量和把握；接受M-T坐标系；

2)按定子磁链匕定向：定子磁链最简洁测量和把握，但把握性能不好；接受a-/?坐标

系。

7什么是矢量把握系统（VCS）?并简述其工作原理。

图矢量把握系统原理结构图

答：将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，仿照直流电动机的把握方法,

求得直流电动机的把握量，经过坐标反变换，就能够把握异步电动机。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把握系统就叫做矢量把握系统

VCS（VcctorControlSystem）。

8下图为异步电动机矢量把握原理结构图，A,B,C,D分别为坐标变换模块，请指出它们

分别表示什么变换？这些变换的等效原则是什么？

答：A矢策旋转逆变换依一,

B二相静止坐标变成三相静止坐标变换

C三相静止坐标系变成二相静止坐标变换

D矢量旋转变换VR,将二相静止坐标下的相互垂直的沟通信号变换成二相旋转的相互

垂直的直流信号。

等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。

9下图为异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型，A,B分别为坐标变换模块，请指出它

们分别表示什么变换？这些变换的等效原则是什么？

答：A三相静止坐标系变成二相静止坐标变换

B矢量旋转变换VR将二相静止坐标下的相互垂直的沟通信号变换成二相旋转的相互

垂直的直流信号。

其等效变换的原则是旋转磁场等效或磁动势等效。

10简述直接转矩把握的工作原理，并比较它与矢量把握的异同点。

答：1）直接转矩把握技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和把握沟通电

动机的转矩，它接受定子磁场定向，借助于离散的两点式调整（Band-Band把握）产生PWM

信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳把握，以获得转矩的高动态性能。它省掉了简单的

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，它的把握思想新

颖，把握结构简洁，把握手段直接，信号处理的物理结构明确。该把握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）直接转矩把握与矢最把握的相同点是：两者都要对转矩和磁链进行把握

3）直接转矩把握与矢量把握的相同异点如下：

直接转矩把握只利用定子侧参数，而矢量变换把握是利用转子侧参数，这些参数简洁受

转子转速变化的影响；直接转矩把握在静止的坐标系中进行，把握运算比矢量变换把握简洁;

直接转矩把握对转矩进行闭环把握，精确性高，动态性好，而矢量把握则过分要

求圆磁磁链和正弦波电流；直接转矩把握和直接磁链把握接受滞环，参数选择适当可弥补由

直接转矩把握引起的速度卜.降。直接转矩把握利用相电压矢量的概念，对逆变器的功率开关

进行综合把握，开关次数少，开关损耗少。

II坐标变换是矢量把握的基础，试分析沟通电机矢量变换的基本概念和方法。

答:将沟通电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和把握就可以大大简化。

坐标变换正是依据这条思路进行的。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全都。

沟通电机三相对称的驿止绕组A、B、C,通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合

成磁动势是旋转磁动势F,它在空间呈正弦分布，以同步转速山।（即电流的角频率）顺着

A-B-C的相序旋转。然而，旋转磁动势并不肯定非要三相不行，除单相以外，二相、三相、

四相、……等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以

两相最为简洁。在三相坐标系下的iA、iB、id在两相坐标系下的i。、ip和在旋转两相坐

标系下的直流im、h是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。这样通过坐标系的变换，

可以找到与沟通三相绕组等效的直流电机模型。

12试分析并解释矢量把握系统与直流转矩把握系统的优缺点。

答：两者都接受转矩（转速）和磁链分别把握，但两者在把握性能卜.却各有千秋。

VC系统强调Te与中r的解耦，有利于分别设计转速与磁链调整楷；实行连续把握，川

获得较宽的调速范围；但按定子中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。

DTC系统则实行Te与中S砰-砰把握，避开了旋转坐标变换，简化了把握结构；把握磁

链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不行避开地产生转矩脉动，低速性能较差,

调速范围受到限制。

（6-7）

试比较转子磁链的电压模型和电流模型的运算方法及其优缺点。

答：依据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。依

据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的

模型叫电压模型。

转子磁链模型需要实测的电流和转速信号，但也都受电机参数变化的影响，从而转变时

间常数Tr,磁饱和程度将影响电感U和Lr，从而Tr也转变。这些影响都将导致磁链幅

值与相位信号失真，而反馈信号的失真必定使磁链闭环壬握系统的性能降低。

电压模型只需要实测的电流和电压信号，不需要转速信号，且算法与转子电阻R.无关,

只与定子电阻有关它是简洁测得的。与电流模型相比，电压模型受电动机参数变化的影响

较小，而且算法简洁，便于应用。但是，由于电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积

误差都影响计算结果，低速时.，定子电阻压降变化的影响也较大。电压模型适合中、高速范

围，而电流模型能适应低速。

（6-8）

分别简述直接矢晟把握系统和间接矢最把握系统的工作原理，磁链定向的精度受哪些参数

的影响？

答：直接矢量把握的工作原理：转速正、反向和弱磁升速。磁链给定信号由函数发生程序获

得。转速调整器ASR的输出作为转矩给定信号，弱磁时它还受到磁链给定信号的把握。在

转矩内环中，磁链对把握对象的影响相当于一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而

改造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。

间接矢量把握的工作原理：接受磁链开环把握，系统反而会简洁一些。在这种状况卜.，

常利用矢量把握方程中的转差公式，构成转差型的矢量把握系统，它继承了基于稳态模型转

差频率把握系统的优点,同时用基于动态模型的矢量把樨规律克服了它的大部分不足之处c

转差型矢量把握系统的主电路接受了交-直-交电流源型变频器，适用于数千kW的大容量

装置，在中、小容量装置中多接受带电流把握的电压源型PWM变压变频器。

磁链开环转差型矢量把握系统的磁场定向