运动控制系统习题解析

《运动控制系统》习题参照答案

1-1简述运动控制系统的类型及其优缺陷。

答：运动控制系统重要有三种类型：液压传动系统、气压传动系统和电气传动系统，它

们各自优缺陷如下：

液压传动具有如下长处：I）能以便地实现无级调速，调速范围大。2）运动传递平稳、

均匀。3）易于获得很大的力和力矩。4）单位功率的体积小，重量轻，构造紧凑，反应敏捷。

5）易于实现自动化。6）易于实现过载保护，工作可靠。7）自动润滑，元件寿命长。8）液

压元件易于实现通用化、原则化、系列化、便于设计制造和推广使用。但也有一系列缺陷：

1）由于液压传动的工作介质是液压油，因此无法防止会有泄漏，效率减少，污染环境。2）

温度对液压系统日勺工作性能影响较大。3）传动效率低。4）空气的混入会引起工作不良。5）

为了防止泄漏以及满足某些性能上的规定，液压元件的制造精度规定高，使成本增长。6）

液压设备故障原因不易查找。

气压传动口勺长处是：1）气动装置构造简朴、轻便，安装维护简朴：压力等级低，故使

用安全。2）工作介质是空气，取之不尽、用之不竭，又不花钱。排气处理简朴，不污染环

境，成本低。3）输出力及工作速度的调整非常轻易，气缸工作速度快。4）可靠性高，使用

寿命长。5）运用空气H勺可压缩性，可储存能量，实现集中供气；可短时间释放能量，以获

得间歇运动中H勺高速响应；可实现缓冲，对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条

件下，可使气动装置有自保护能力。6）全气动控制具有防火、防爆、耐潮II勺能力。与液压

方式比较，气动方式可在高温场所使用。7）由于空气流动压力损失小，压缩空气可集中供

气，较远距离输送。气压传动的缺陷是：1）由于空气具有压缩性，气缸的动作速度易受负

载的变化影响。2）气缸在低速运动时，由于摩擦力占推力MJ比例比较大，气缸的低速稳定

性不如液压缸。3）虽然在许多应用场所气缸卧J输出力能满足工作规定，但其输出力比液压

缸小。

电气传动系统具有控制以便、体积紧凑、噪声小、节能、轻易实现自动化、智能化、网

络化等长处，不过其控制线路复杂，对软硬件规定较高，维修较困难。

1-2常用时液压元件有哪些?

答：液压元件重要有液压泵、液压马达、液压缸、方向控制阀、压力控制阀、流量控制

阀及油箱、漉油器、油管、密封装置等辅助元件。

1-3常用的气动元件有哪些?

答：气动元件重要有空气压缩机、冷却器、储气罐、压力阀、流量阀、方向阀、气缸、

气马达、过滤器、干燥器、油雾器、消声器、分水滤油器以及多种管路附件等。

1-4试写出旋转运动欧J动力学方程式。

解：旋转运动的动力学方程为（忽视阻尼转矩和扭转弹性转矩）

■d/

J―m

dr

d盘

0m=

dr

或写成

丁「GD?d〃

L-375-d7

2-1简述直流调速措施。

答：直流电动机的调速措施有三种：变化电枢回路电阻调速-串电阻调速、调整电枢电

压调速-降压调速以及变化励磁磁通调速-弱磁调速。

2-2调速性能指标有哪些？

答：稳态性能指标包括调速范围和静差率，动态性能指标包括上升时间、超调量、峰值

时间、调整时间、动态降落、恢复时间。

2-3调速范围与额定速降和最小静差率有什么关系？为何必须同步讨论才故意义？

答：三者FI勺关系式为

D=2

对于同一种调速系统，值一定，因此假如对静差率规定越严，即规定s值越小时，

系统容许日勺调速范围也越小。假如规定调速范围大，S就会较大。因此讨论性能时这三个量

要同步考虑。

2-4为何直流PWM变换器-电动机系统比晶闸管整流器.电动机系统可以获得更好的动态性

能？

答：PWM变换器开关频率高，时间常数小，系统响应快。此外一般於JPWM变换器具

有制动作用，构成的调速系统可以在几种象限运行，在正反转、减速和停车时具有很好H勺动

态性能。

2-5在晶闸管整流器•电动机开环调速系统中，为何转速随负载增长而减少？

答：负载增长，电枢电流对应增大，在电枢回路电阻上的压降也增大，电枢两端电压就

会减少，因此转速会下降，这也可以从机械特性上明显看出来。

2-6在直流PWM变换器.电动机系统中，当电动机停止不动时，电枢两端与否尚有电压？

电路中与否尚有电流？为何？

答：对于不可逆直流PWM变换器-电动机系统，电动机停止不动时，电枢两端电，玉为

(1)当电流持续时，在额定负载下的转速降落/小为多少？

(2)开环系统机械特性持续段在额定转速时的岸差率为为多少？

(3)额定负载下的转速降落/〃N为多少时，才能满足。=20、$45%的规定？

M300xQ.19.

解：(1)An==285r/nn

N0.2

285

⑵§N=»0.2217=22.17%

nN+AnN1000+285

lfWx°05r/min.2.63r/nin

(3)A/IN

D(l-5)20X(1-0.05)

2-11试分析有制动电流通路的不可逆PWM变换器•电动机系统进行制动时，两个VT是怎样

工作的？

答：在图2-l4a原理图中，当电动机在运行过程中需要减速或停车时，则应先减小控制

电压，使〃球的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使Udo减少。但由于惯性，电动机H勺转速和

反电动势来不及立即变化，使得Udo<瓦在aM/vT期间，由于〃b2为正，VTz导通，电枢

电流id沿3号通路流通，电动机进入能耗制动状态。在OW/</°n期间，〃b2为负，VT?截止，

由于感应电动势和反电动势H勺共同作用，VD1导通，电枢电流小沿4号通路流通，对电源回

馈制动。

2-12步进电动机的细分控制是什么意思？有什么作用？

答：细分控制电路可以将步进电动机口勺实际步距角深入减小。将上级装置发出口勺每个脉

冲按设定日勺细分系数提成系数个脉冲输出，例如步进电动机每转一圈需240个脉冲，目前细

分4倍，那么需要960个脉冲步进电动机才转一圈,换句话说，采用四细分电路后，在进给速

度不变的状况下，可使脉冲当量缩小到本来的1/4。

步进电动机日勺细分控制是由精确控制步进电动机的用电流来实现口勺，没细分时，绕组相

电流是由零跃升到额定值*J,相电流口勺巨大变化，必然会引起电动机运行的振动和噪声。假

如使用细分电路，在细分H勺状态下驱动电动机，电动机每运行一微步，其绕组内的电流变化

只有额定值H勺I/M且电流是以正弦曲线规律变化，这样就大大地改善了电机H勺振动和噪声。

3-1试分析比较开环和闭环控制系统，在哪些方面可以改善系统的性能？

答：开环控制系统是被控量（输出量）对控制作用没有影响日勺系统，其稳态精度完全取

决于各环节元件参数的精密度。闭环控制系统是将被控量（输出量）反馈到输入端，根据其

与参照输入量（给定量）的差值决定控制量。闭环捽制系统可以克制被反馈环包围的前向通

道上任何参数变化和外来扰动H勺影响，只要反馈装置精度足够高，系统稳态精度就能得到保

证，假如校正得当，动态跟随性能和抗扰性能也能到达规定，不过在一定条件下系统也许出

现不稳定。

3-2在转速负反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测

速发电机励磁各量发生变化时，都会引起转速的变化，问系统对上述各量有无调整能力？

为何？

答：电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻这些量的变化都作用于前向通道,

系统对它们都能自动调整。而测速发电机励磁发生变化会使反馈系数发生变化，系统对它是

没有调整能力H勺。

3-3为何用积分控制的调速系统是无静差的I?在转速单闭环调速系统中，当积分调整器的

输入偏差电压为零时，调整器的输出电压是多少？它决定于哪些原因？

答：根据积分控制规律，只要积分调整器口勺输入偏差电压不小于零，其输出便一直增长,

只有到达输入偏差电压等r零时，输出才停止上升，因此稳态时输入偏差电压肯定为零即用

积分控制的调速系统是无静差的。输入偏差电压为零时，调整器的输出电压是某个稳定值，

其大小与直流电动机此时所带口勺负载轻重、转速大小以及电动势系数、电枢回路电阻和电力

电子装置口勺放大系数有关，用公式表达为：

JR+C/

2c-

cK,

3-4在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度与否还受给定电源和测速发电机精

度的影响？请阐明理由。

答：是H勺，由于给定电源变化给定值就会变化，系统转速就会跟着变化，而测速发电机

精度不够日勺话反馈系数就会变化，闭环系统对此是没有克制能力的。

3-5简答下列问题：

（1）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S较之负载变化前是增长、减少还是不变？

（2）在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速〃和整流装置的输出电压以

是增长、减少还是不变？

答：（1）有静差调速系统突减负载时，转速上升，输入偏差减小，晶网管整流装置H勺输

出电压也会跟着减小，转速回调，但稳态后转速不能回到本来大小。

（2）无静差调速系统突加负载时，转速下降，输入偏差加大，整流装置输出电压增长，

使转速回升，直至稳态后转速P1到本来大小。

3-6有一直流稳压电源，其稳态构造图如图3-54所示，已知给定电压U；-8.8V,比例调

整器放大系数KP二3,电压调整及功率放大电路放大系数K尸10,反馈系数产0.7。求:

(1)输出电压3。

(2)若把反馈通道断开，“1为何值？开环时的输出电压是闭环时的多少倍？

(3)若把反馈系数减至产0.5,当保持同样的I输出电压时，给定电压应为多少？

图3-54习题3-6图

Kp(=3x10

解：⑴4=x8.8V=12V

1+KpK/r1+3x10x0.7

(2)反馈通道断开时，［二KpKgU；=3xl0x8.8V=264V。开环时输出电压是闭

环时的l+KpK7=22倍。

(3)此时，J+KpK：1+3x10x0.5/J2V=6.4V

、3x10

Kr°K,

3-7有一V-M调速系统：电动机参数PN=2.2kW,t7N=220V,ZN=12.5A,/lN=1500r/min,

电枢电阻(=1.2J2,整流装置内阻1.5。，触发整流环节的放大倍数K,二35。规定

系统满足：调速范围，;20,静差率SW10%。

(1)计算开环系统的稳态速降和调速规定所容许的闭环稳态速降&力；

(2)采用转速负反馈构成闭环系统，试画出系统的原理图和稳态构造图；

(3)调整该系统参数，使当U：=15V时，/d=/N,〃=人，则转速负反馈系数〃应

当是多少？

(4)计算放大器所需的放大倍数。

解：首先计算电动机为电动势系数

.1500x0.1Q门.

=----------<-------------r/min«8.33r/min

£)(1-s)20(1-0.1)

系统稳态构造图如F

(3)由于Un=a〃"U：，因此

U"15

ax--=------V•min/r=0.0IV•min/r

〃N1500

(4)由于A%,则

△〃冲］二246.9

-1«28.64

-8.33

K二旦28.64x0,1367

那么®11.2

35x0.01

3-8在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR和ACR各起什么作用？

答：（1）转速调整器（ASR）的作用

1）转速调整器是调速系统的主导调整器，它使转速很快地跟随给定电压变化，假如采

用PI调整器，则可实现无静差。

2）对负载变化起抗扰作用。

3）其输出限幅值决定电动机容许日勺最大电流。

（2）电流调整器（ACR）的作用

1）在转速外环H勺调整过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调整器的输出量）

变化。

2）对电网电压的波切起及时抗扰的作用。

3）在转速动态过程中，保证获得电动机容许的最大电流。

4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起迅速的自动保护作用。•旦

故障消失，系统立即自动恢复正常。

3-9试从下面5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环节的转速单

闭环直流调速系统：

（1）调速系统的稳态特性；

（2）动态限流性能；

（3）起动时迅速性；

（4）抗负载干扰的性能；

（5）抗电源电压波动的性能。

答：（1）双闭环系统的稳态特性的下垂段比带电流截止环节的转速单闭环直流调速系统

陡得多，几乎是垂直线。

（2）双闭环系统的电流调整器能很快压制动态过程中电流超过最大值。

（3）双闭环系统在起动过程中转速调整器很快到达饱和，使电动机在容许最大电流卜.

起动，起动速度是最快的，

（4）两者都能克制负载干扰，但由于双闭环系统是无差H勺，转速被干扰后最终能回到

本来大小。

（5）由于双闭环系统存在电流内环，电网电压波动能比较及时的调整，其引起H勺转速

动态变化会比单闭环系统小得多。

3-10在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR、ACR均采用PI调整器。已知电动机参数:

PN=3.7kVV,UN=220V,ZN=20A,nN=lOOOr/min,电枢回路总电阻/?=1.5C。设

U：m=U；n=Um=8V,电枢回路最大电流4m=40A，电力电子变换器的放大系数人=

40o试求：

(1)电流反馈系数A和转速反馈系数。；

(2)当电动机在最高转速发生堵转时时。如、U；、q、q值。

FT*Q

解：(1)B=*=—V/A=0.2V/A

/dm40

U*Q

a=*■=——V•min/r=0.008V•min/r

〃N1000

(2)^d()=/dm/?=43xl.5V=60V

U=^-=—V=1,5V

K$40

q=u；=u：=8v

3-11在一种由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环直流调速系统中，已知电

动机的I额定数据：PN=60kW,Uy=220V,ZN=300A,//N=lOOOr/min,电动势系数

Ce=0.196V*min/r,电枢回路总电阻R=0.18Q,触发整流环节的放大倍数=35,电

磁时间常数刀=0.012s,机电时间常数7m=0.22s,电流反馈漉波时间常数几=O.OO25s,

转速反馈滤波时间常数Q=0.015s。额定转速时的给定电压(U：)N=10V,ASR、ACR饱

和输出电压U：=8V,Um=6.5Vo系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围改10,

电流超调量。i«5%,空载起动到额定转速时的J转速超调量弓、410%。试求：

(1)确定电流反馈系数”(假定起动电流限制在1.5人以内)和转速反馈系数a；

(2)试设计电流调整器，调整器输入电阻取叫)=39kC,计算其他参数％、G、。出。

画出其电路图；

(3)试设计转速调整器，计算其参数人、C、Con(r=39kC)；

（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0n；

（5）计算空载起动到额定转速的I时间。

解：⑴。=---V/A«0.0178V/A

1.5x300

1°V•min/r=0.01V•min/r

1000

（2）三相零式整流装置的平均失控时间7；=O.OO33s；

按小时间常数近似史理，电流环小时间常数之和

Tn=TS=0.0033s+0.0025s=O.OO58s；

由于对电流跟随性能规定较高，电流环应校正成经典I型系统，则可选用PI调整器,

并取=0.5就可满足规定。

电流调整器参数如下：

fj=7)=0.012s；

K“,=——0.5=---0-.-5--=8»6.2cs_11

1々0.0058

TtR

K、一«0,299.

2Ks叫2x35x0.0178x0.0058

校验近似条件:

co.=K.=86.2s-1

cVII

①巨获嬴=100s-1>s&

满足晶闸管整流装置传递函数近似条件。

满足忽视电动势影响日勺条件。

_1

（3）-11=-J1S«1I6s>69ci

3旧为3V0.0033x0.0025c,

满足小时间常数近似条件。

计算电阻、电容数值：

R.=K./?（）=0.299x39kQ«11.66kQ,可以用一种11kC和一种680c的金属膜电阻串

联实现。

C」:0.012F

«1.03pF,可以用一种1叶和一种0.033"的无极性电容并联

殳11.66x10?

实现。

47；^4x0.0025

Fu0.256",可以用•种0.22卜iF和•种0.033所的无极性电容

oi叫）39x10s

并联实现。

电流调整器电路图如下

Ri9

—1=3-II--------

*Ro&

L>

22

o-------~~I-d□------------a

R-L。*A+--------o

如粤工今L-+一

0------[ZZH-1_CZ

-LQnRbal

工

(3)电流环等效时间常数：—=2^=2x0.0058s=0.0116s

K【

转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取

7；n=—+7；)n=0.0116s+0.015s=0.0266s

K\

系统校正成经典II型系统，转速调整器也选用PI调整器。为兼顾跟随性能和抗扰性能,

取〃=5,则转速调整器积分时间常数为

7n=n=5x0.0266s=0.133s

转速环开环增益为

/?+15+1

s-2*169.6s-2

N

K22

2hT£n2x5x0.0266

则转速调整器的比例系数为

u(h+i)/3CT(5+1)x0.0178x0.196x0.22八一。

A=--------------c---m-=-----------------------------------------^9.0Io

n2haR7\n2x5x0.01x0.18x0.0266

校验近似条件:

%=心^=169.6>：0.133S-1*22.56S-1

186.2t//-i

----------s=40.64s>co

3V().(X)58cn

满足电流环传递函数简化条件。

186.2.ic_i

=-.------s25.27s>(y

吗3V0.015ccnn

满足小时间常数近似条件。

计算电阻、电容数值：

(=KMo=9.618x39kQ^375kQ,可以用•种300kC和•种75kCE向金属膜电阻

串联实现。

Cn=$=3胃3Fx0.355所,可以用一种0.33"和一种0.022"的无极性电容并

联实现。

Con=乎=展等F=1.538MF,可以用一种1.5pF和一种0.033所的无极性电容

并联实现。

空载起动到额定转速时日勺转速超调量为

300x0J8

△

Cnax际4=2x81.2%xl.5x°196X"叽81％

%%=2()(4-z)

10000.22

满足规定。

（4）40%负载起动到最低转速lOOr/min的超调量为

300x038

^%=2(A£m^)(A_2)^NZin.=2x8]2%x(j5_04)x上二"”59.5%

1000.22

（5）空载起动到额定转速的时间攵基本上就是恒流升速阶段所需的时间，根据公式

(2-24)日./产1.5人，/dL=0.E=C.n,则有

7N

mdE〜CeTm〃

15/N

RdlRt2

Nx』2_s。。.53s

CcTm〃0,196x0.22

1.5x300

R1.5/N0.18

3-12试分析直流脉宽调速系统的不可逆和可逆电路的区别。

答：直流脉宽调速系统的主电路有不可逆和可逆电路两类。它们的区别在于

（1）不可逆电路电力机最多只能运行在一、二两个象限，而可逆电路电动机可以运行

在四个象限。

（2）可逆电路能消除静摩擦死区。

(3)可逆电路调速范围大，低速平稳性好。

(4)可逆电路比不可逆电路功率管多，损耗较大。

3-13晶闸管可逆系统中环流产生的原因是什么？有哪些克制措施？

答；环流是由于两组反并联整流装置同步工作时瞬时电压不•样产生的。克制环流日勺措

施重要有两种：采用配合控制并在环流回路中串入环流电抗器限制环流，采用逻辑控制保证

任何时候只有一组工作就不会产生环流。

3-14无环流逻辑控制器中为何必须设置封锁延时和开放延时？延时过大或过小对系统有何

影响？

答：由于正、反组切换必须等到电枢电流降到零后才能进行，逻辑切换指令发出后不能

立即执行，必须设置封锁延时和开放延时。延时过小也许使得切换不可靠，一组尚未完全关

断另一组就开通了。延时过大则正反转过渡过程太慢，影响系统迅速性。

3-15请从系统构成、功用、工作原理、特性等方面比较PWM可逆直流调速系统与晶闸管

可逆直流调速系统的异同点。

答：两者系统构成原理框图相似，但主电路及功率元件不一样，PWM可逆直流调速系

统主电路一般采用H桥电路，功率元件采用MOSFET或IGBT等全控型器件；而晶闸管可

逆直流系统主电路是反并我晶闸管整流电路。两者都能实现直流电动机可逆运行，但两者工

作原理和特性有所不一样。PWM可逆系统通过高频脉宽变化变化速度和方向，系统响应快、

调速范围大、电流总是持续欧I、能消除静摩擦死区，并且可以直接使用直流电源：V-M可

逆系统通过变化移相触发角调整速度，通过切换正反组变化方向，系统响应较慢，电流有也

许断续，也许出现环流，并且必须采用交流电源，存在电力污染，但功率容量大。

3-16弱磁与变压协调控制系统空载起动到额定转速以上，主电路电流和励磁电流的变化规

律是什么？

答：该系统在空载起动到额定转速过程中，励磁电流保持不变以使得磁通恒定，而主电

路电流在转速、电流双闭环系统控制下保持在容许的最大值。超过额定转速后，励磁电流逐

渐减小，而主电路电流保持在与负载对应的较小值。

4-1异步电动机的变压调速需要何种交流电源？有哪些交流调压措施？

答：既然是变压调速就需要一种电压可以调整的单相或三相交流电源，过去采用自耦变

压器或带直流励磁绕组日勺饱和电抗器，目前采用晶闸管交流调压器及全控型开关斩波调压

器。

4-2异步电动机变压调速开环控制系统存在什么缺陷？而闭环控制系统是怎样改善性能

的？

答：一般异步电动机采用变压调速时，调速范围很窄，采用力矩电动机可以增大调速范

围但负载变化时静差率很大，开环控制很难处理这个矛盾。力矩电动机采用闭环控制，由于

系统放大倍数很大，闭环稳态特性可以很硬，假如采用PI调整器则可以做到无静差。变化

给定信号可以实现较大范围的调速。

4-3什么是SPWM控制技术？什么是SVPWM控制技术？

答：SPWM控制技术即正弦波脉宽调制技术，对于电压正弦PWM技术，就是将电压

正弦波正半周分为N等份，然后把每一份的正弦曲线与横轴所包围U勺面积都用一种与此面

积相等的等高矩形脉冲来替代，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重叠。这样，由N

个等幅而不等宽口勺矩形脉冲所构成口勺脉冲序列就与正弦波口勺正半周等效。同样，正弦波H勺负

半周也可用相似日勺措施来等效。

SVPWM控制技术即电压空间矢量PWM技术，是从电机H勺角度出发，目时在于使交流

电动机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流也动机产生的理想磁链圆为基

准，通过选择逆变器功率开关器件的不一样开关模式，使电动机H勺实际磁链尽量迫近理想磁

链圆。

4-4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到达与直流

调速系统相称的性能？

答：异步电动机矢量控制日勺目H勺是仿照直流电动机的控制方式，运用坐标变换的手段，

把交流电动机H勺定子电流分解为磁场分量电流（相称于励磁电流）和转矩电流分量（相称于电

枢电流）分别加以控制，以获得类似于直流调速系统H勺动态性能。由于用来进行坐标变换的1

物理量是空间矢量，因此将这种控制系统称为矢量变换控制系统。

4-5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。

答：直接转矩控制系统采用双位式控制，根据定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差些符号

以及期望甩磁转矩的极性,再根据目前定子磁链矢量所在口勺位置，直接产生PWM驱动信号,

避开了旋转坐标变换，省掉复杂计算，简化了控制构造。

矢量控制系统与直接转矩控制系统的性能特点比较如下:

性能与特点立接转矩控制系统矢量控制系统

转子磁链可以闭环控制，

磁链控制定子磁链闭环控制

也可以开环控制

转矩控制双位式控制，有转矩脉动持续控制，比较平滑

电流控制无闭环控制闭环控制

坐标变换刎坐标弯换，较简朴1旋转坐标变换，较复杂

磁链定向下一按转子磁链定向

/$/f

浮比较宽

调速范围”

转矩动态响应”,1不够快

4・6一台三相笼型异步电动机的铭牌数据为：额定电压UN=380V,额定转速

〃N=960r/min,额定频率/N=50HZ,定子绕组为Y形联结。定子电阻尺=0.34。，定

子漏感£«=（）・（X）6H,定子绕组产生气隙主磁通的等效电感Lm=0.25H,折算到定子侧的

转子电阻/<=0.49。，转子漏感。=0.007H,忽视铁心损耗。

（1）画出异步电动机T形等效电路和简化等效电路；

（2）求额定运行时的转差率外、定子额定电流/n和额定电磁转矩IN；

（3）求定子电压和频率均为额定值时，理想空载时的励磁电流/（）;

（4）求定子电压和频率均为额定值时，临界转差率外和临界转矩画出异步电动

机的机械特性。

解：⑴

T形等效电路

简化等效电路

(2)显然，〃p=3,〃i=1000r/min。

根据简化等效电路，有

U$N38()

INX=A«28.7A

20.49

(Rs+U)2+0:NIL［、+L/r)J034+)24-3142x(0.006+0.007)2

0.04

由于SN•很小，近似有

3〃pU*SN

3x3x380-x().()4N>m%337j87N>m

①2K314x0.49

（3）理想空载相称于转子回路开路，则

380

A*4.73A

0不R：+媪(Lk+Lm)2J0.342+314、X(0.006+0.25)

R0.49…

(…4)Sm=/r.==!=«0.12

2034222

+^(L/S+LZr)V-+314X(0.(X)6+0.(X)7)

3日3x3x380?

N•m

2例NI&+JR：+小户］2x314x［0.34+7o.342+3142(0.006+0.007)2|

*466.49N•m

该异步电动机Fl勺机械特性如下:

4-7异步电动机参数同题4-6,画出变压调速时的机械特性，计算临界转差率。和临界转矩

Tmt分析气隙磁通的变化和在额定电流下的电磁转矩，分析在恒转矩负载和风机类负载两

种状况下变压调速的稳定运行范围。

答：变压调速时的机械特性如下图所示。Sm与题4-6相似，而临界转矩。与定子电压

的二次方成正比，故0.7以N时口勺临界转矩为229.3N-m,0.5U$N时的临界转矩为117N-m<,

电压减少时，气隙磁通也随之减小，额定电流下的电磁转矩也会减小。在恒转矩负载F.

一般笼型异步电动机变电压时口勺稳定工作点如上图中人、B、C点，转差率sH勺变化范围为0

~Sm，调速范围有限，不能实现低速运行。由于S>Sm时，不仅电动机不能稳定运行，伴随

转子电流增大还也许导致过热而损坏电动机。假如带风机、泵类负载运行，则工作点为。、

E、F,采用变压调速可得到较大口勺调速范围。

4-8按基波如下和基波以上分析电压频率协调的控制方式，画出：

(1)恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性；

(2)基频如下电压频率协调控制时异步电动机的机械特性；

(3)基频以上恒压变频控制时异步电动机的I机械特性；

(4)电压频率特性由线U=/(/)。

答：（1）如下图中固有特性

（2）如下图中基频如下部分

（3）如下图中基频以上部分

（4）a为无赔偿时特性曲线，b为有赔偿时特性曲线。

(2)当/=5Hz和/=2Hz时，假如不赔偿临界转矩较小，赔偿后临界转矩增大，机械

特性曲线向右扩展。

/=5Hz时，赔偿前G=22V,

13〃pU：3x3x222

T.=-------------=-----------------------N•m

2。J凡+4&+°：(4+几)2]2x31.4x[0.34+^0.342+31.42(0.006+0.(X)7)2]

、79.6N・m

/=5Hz时，赔偿后G=41.8V,则

T3x3x41.8?

2助火+"昭+3：也+4)2]2X31.4X[0,34+70.342+31.42(0.006+0.007)2]

«287.4N•m

片2Hz时，赔偿前G=8.8V,

T3x3x8a

222

2co}[R+板+0；&+幻2]2x12.56x[0.34+7o.34+12.56(0.0064-0.007)]

«38.68N•m

/=2Hz时，赔偿后料=29.92V,则

3*；3x3x29.92?

N•in

20JR，+西+讨也+E")2]2x12.56x[0,34+^0.342+12.562(0.006+0.007)2]

«447.37N»m

4-10若三相电压分别为〃AO、〃BO、〃CO，怎样定义三相定子电压空间矢量“AO、“BO、“CO

和合成矢量人？写出它们的体现式。

答：电压空间矢量下图所示。A、B、C分别表达在空间静止口勺电动机定子三相绕组H勺

2允

轴线，它们在空间互差可，三相定子电压〃AO、〃BO、〃CO分别加在三相绕组上。可以定义

三个定子电压空间矢量"AO、"BO、"CO。当〃AO>0时，〃AO与4轴同向，当〃AOV0时，“AO

与A轴反向，8、C两相乜同样。则电压矢量可表达为

11AO=kliAO

CO=加8~”

其中y=等，氏为待定系数。

三相合成矢量为

j2y

枢电流同样，可以到达间接控制转矩的I目时。

按恒E"必控制时可保持0m恒定，要实现恒EJ幼控制，必须采用定子电压赔偿控制，

以抵消定子电阻和漏抗『、J压降。实现上述转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统原理图

如下图所示。转速调整器（ASR）的输出信号是转差频率给定口：（相称于电磁转矩给定），

々与实测转速信号3相加，即得定子频率给定信号。：，即①：=①：+/。由加和电流反馈

信号Is从微机存储的U：=，（加/）函数表格中杳得定子电压给定信号U：,用U：和口:控

制PWM逆变器，即可实现对异步电动机转差频率控制的变频调速。

转差频率控制系统具有突出长处：转差角频率d与实测转速。相加后得到定子角频率

。；，在调速过程中，定子角频率助伴随实际转速。同步地上升或下降，因此加、减速平滑

并且稳定。同步，由于在动态过程中ASR饱和，系统以对应于切曲”的最大转矩，max起、

制动，并限制了最大电流人max，保证了在容许条件下的迅速性。

转差频率控制是一种很好的控制方略，其调速系统内稳、动态性能靠近转速、电流双闭

环直流调速系统。不过，它的性能还不能完全到达双闭环直流调速系统，其原因如下：

（1）转差频率控制系统是基「异步电动机的稳态数学模型日勺，所谓日勺“保持磁通。m恒

定”只有在稳态状况卜.才能做到。在动态过程中难以保持磁通Sm恒定，这将影响到系统的

动态性能。

（2）电压频率特性只控制定子电流的幅值，没有考虑到电流的相位，而在动态中相位

也是影响转矩变化的原因，

（3）假如转速检测信号不精确或存在干扰，也会直接给频率导致误差，而这些误差和

干扰都以正反馈H勺形式亳无衰减地传递到频率控制信号上。

4-12通用变频器为何常常要外接一种制动电阻？

答：制动电阻R用于吸取电动机制动时产生I向再生电能，可以缩短大惯量负载代自由

停车时间，还可以在位能负载下放时实现再生运行。

变频器内部配有制动电阻，但当内部制动电阻不能满足工艺规定时，还要外部制动电阻。

4-13串级调速系统的效率比绕线转子串电阻调速的效率要高的原因是什么？

答：由于串级调速系统一部分转差功率可以回馈电网，因此效率比绕线转子串电阻调速

要高。

4-14简述异步电动机双馈调速的基本原理和异步电动机双馈调速的五种工况。

答：异步电动机双馈调速的基本原理是既可从绕线转子异步电动机的定子侧输入或输出

功率，也可以从转子侧输入或输出转差功率，因此采用从定、转子同步馈电H勺方式进行调速。

其五种工况为：次同步速电动状态、反转倒拉制动状态、超同步速回馈制动状态、超同步速

电动状态和次同步速回馈制动状态。

5-1何谓同步电动机的失步与起动问题，怎样克服处理？

答：同步电动机正常运行时，定子旋转磁场拉着转子磁场以同步转速旋转，同步电磁转

矩与转子轴上的机械负载转矩相平衡。所谓失步是指同学电动机受到来自电网、负载和自身

的多种扰动破坏了电动机轴上的转矩平衡关系，转子转速不能再和定子旋转磁场的同步转速

保持一致口勺状况。假如扰动不大，功率角（转矩角）稳定运行范围内，电动机自身具有自动

调整能力；假如扰动过大导致失步，需要专门的保护装置。

当同步电动机在工频电源下起动时，本来转子是静止的，而定子旋转磁场立即以同步转

速对转子作相对运动。由于转子的机械惯性，电动机转速具有较大的滞后，不能迅速跟上同

步转速：转矩角。认为2”周期变化，电磁转矩呈周期性正负变化。这样，作用于转子的电

磁转矩平均值为零，不能自行起动，这是同步电动机日勺一种重大缺陷。在实际的同步电动机

中，转子均有类似异步电动机的笼型起动绕组，使电动机按异步电动机B勺方式起动，当转速

靠近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。对三相永磁同步电动机，一般采用变频起动口勺措

施，即采用使电动机电源B勺频率从零逐渐增大的措施来起动。当定子电源频率很低时，同步

转速勺也很低，这样，定子旋转磁场就可以“吸住”永遨转子跟着转动。

5-2同步电动机有哪两种基本控制方式？其重要区别在何处？

答：从频率控制的方式来看，同步电动机变频调速系统可以分为两种：

（1）他控变频同步电动机调速系统：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。

（2）自控变频同步电动机调速系统：由PWM变频器供电，用电动机轴上所带的转子

位置传感器（BQ）提供的信号来控制PWM变频器的换相时刻。

5-3分析比较无刷直流电动机与有刷直流电动机及其对应的调速系统的相似与不一样之处。

答：无刷直流电动机实质上是一种永磁同步电动机-磁极位置传感器-电力电子供电电路

-自动控制器H勺有机结合体。它与有刷电动机H勺相似点是都采用直流供电，不一样之处重:要

有：(1)无刷直流电动机没有电刷和换向器.(2)定子绕组和转子构造不一样样。(3)无刷

直流电动机需要检测转子位置，其与调速系统已成有机整体；而有刷直流电动机调速系统需

要单独的调速器，不需要检测转子位置。

5-4旋转编码器有几种？各有什么特点？

答：按照工作原理，旋转编码器可分为增量式和绝对式两类。

增量式旋转编码器以转动时输出脉冲，通过计数设各来懂得其位置，当编码器不动或停

电时，依托计数设备的内部记忆来记住位置。这样，在停电后，编码器不能有任何的移动，

当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，否则，计数设备记忆H勺

零点就会偏移，并且这种偏移H勺量是无从懂得H勺，只有错误的生产成果出现后才能懂得。也

就是说，仅靠这些还不能获得绝对位置。处理H勺措施是增长参照点(即起始零点)，为此，

需在码盘边缘光槽内圈设置一种零位标志光槽，对应地光栏板上也要增长一条缝隙，在接受

器上增长一种光敏元件，从而得到零位脉冲乙编码器每通过参照点，将参照位置修正进计

数设备的记忆位置。由于这种措施在参照点此前，是不能保证位置的精确性的，因此，在工

控程序中就有每次操作要先找参照点，开机时要找零等。这样的措施对有些工控项目比较麻

烦，甚至不容许开机找零，

绝对式编码器输出是由码盘日勺机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对式编码

器由机械位置决定每个编码的唯一性，它无需记忆，无需找参照点，并且不用一直计数，什

么时候需要懂得位置.，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器小J抗干扰特性、数据H勺可

靠性大大提高了。由于其高精度，输出位数较多，若仍用并行输出，则每一位输出信号必须

保证连接良好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和减少可靠

性，因此，其多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。

5-5数字测速措施有几种？各有什么优缺陷？

答：（1）M法测速，在一定的时间A内测取旋转编码器输出口勺脉冲个数Mi,用以计算

这段时间内的转速。低速时测量精度较差，适合测量较高的转速。

（2）T法测速，通过测量旋转编码器输出信号的周期来推算电动机的转速，因此又称

周期法。高速时测量精度较差，适合测量较低的转速。

（3）M/T法测速，招M法和T法的长处结合起来，它无论在高速或低速时都具有较高

的辨别能力和检测精度。

5-6什么是电子齿轮功能？

答：电子齿轮是一种对位置输入脉冲信号进行分频（或倍频）口勺电路，给定信号（脉冲

数）要通过电子齿轮后，才转变为位置指令，目的是通过电子齿轮变比口勺设置，使系统满足

顾客对控制辨别率（角度;脉冲）H勺规定。

5-7三相隐极同步电动机时参数为：额定电压UN=380V,额定电流/N=23A,额定频率

/N=50Hz,额定功率因数cos°=0.8（超前），定子绕组Y形联结，电动机极对数〃「=2,

同步电抗％=10・4C,忽视定子电阻。

（1）求该同步电动机运行在额定状态时的电磁功率匕-电磁转矩乙、转矩角。、转

子磁动势在定子绕组产生的感应电动势均、最大转矩（mux

（2）若电磁转矩为额定值，功率因数cose=l,求电磁功率凡八定子电流（、转矩

角0、转子磁动势在定子绕组产生的感应电动势反、最大转矩,max

解：（1）额定相电压U,=窄=罩V=22（）V

V36

由cos0=0.8,可得°=36.87°,sin0=0.6。

感应电动势

22

Es=J(USsin°++(«cose)?=7(220x0.6+23x10.4)+(220x0.8)V=4IO.81V

转矩角

八^/sin(/>4-/x„

0-\i/-(/>—arctan--S------------N-(/>-arctan22°x0.6+23x10.4_3"7。-27.76。

Uscos(p220x0.8

电磁功率

c3久区.八3UEsin0=3x220x410.81乂5山27.76°W«12143W

%10.4

pqjF1714^

电磁转矩7；=3=旦上sin®=—上曰一N*m=77.34N»m

n)mff>mxc2TTx1500/60

3UE

最大转矩/max3X220x410.81N•m=166.05N•m

4人(2^x)500/60)x10.4

（2）此时，电磁转矩为额定值7；=77.34N・m,转速不变，则电磁功率也不变

Pcm=12143W,cos夕=1,sin0=0。

由