1、電力傳動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（習(xí)題解答）第 1 章電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成 1第 2 章電力傳動系統(tǒng)的模型 13第 3 章直流傳動控制系統(tǒng) 18第 4 章交流傳動控制系統(tǒng) 30第 5 章電力傳動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計 * 38第1章 電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成1.根據(jù)電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，簡述電力傳動控制系統(tǒng)的基本原理 和共性問題。答：電力傳動是以電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運動的一種傳動方式， 由 于電力傳輸和變換的便利，使電力傳動成為現(xiàn)代生產(chǎn)機械的主要動力裝置。 電力 傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，一般由電源、變流器、電動機、控制器、 傳感器和生產(chǎn)機械（負載）組成

2、?？刂浦噶顖D1-1電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)電力傳動控制系統(tǒng)的基本工作原理是， 根據(jù)輸入的控制指令（比如：速度或 位置指令），與傳感器采集的系統(tǒng)檢測信號（速度、位置、電流和電壓等），經(jīng)過 一定的處理給出相應(yīng)的反饋控制信號，控制器按一定的控制算法或策略輸出相應(yīng) 的控制信號，控制變流器改變輸入到電動機的電源電壓、頻率等，使電動機改變 轉(zhuǎn)速或位置，再由電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械按照相應(yīng)的控制要求運動， 故又稱為運動 控制系統(tǒng)。雖然電力傳動控制系統(tǒng)種類繁多，但根據(jù)圖1-1所示的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，可以 歸納出研發(fā)或應(yīng)用電力傳動控制系統(tǒng)所需解決的共性問題：1）電動機的選擇。電力傳動系統(tǒng)能否經(jīng)濟可靠地運行，正確選擇驅(qū)動

3、生產(chǎn)機械運動的電動機至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對驅(qū)動的要求，選擇合適的 電動機的種類及額定參數(shù)、絕緣等級等， 然后通過分析電動機的發(fā)熱和冷卻、 工 作制、過載能力等進行電動機容量的校驗。2）變流技術(shù)研究。電動機的控制是通過改變其供電電源來實現(xiàn)的，如直流電動機的正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵磁電壓的方向，而調(diào)速需要改變電樞電壓或勵磁電流的大??；交流電動機的調(diào)速需要改變其電源的電壓和頻率等， 因此，變流技術(shù)是實現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。3）系統(tǒng)的狀態(tài)檢測方法。狀態(tài)檢測是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵，根據(jù)反饋控制原理，需要實時檢測電力傳動控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)，如電壓、電流、頻率、相位、磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速

4、或位置等。因此，研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測和觀測方法是提高其控制性能的重要課題。4）控制策略和控制器的設(shè)計。任何自動控制系統(tǒng)的核心都是對控制方法的研究和控制策略的選擇，電力傳動控制系統(tǒng)也不例外。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，研發(fā)或選擇適當?shù)目刂品椒ɑ虿呗允菍崿F(xiàn)電力傳動自動控制系統(tǒng)的主要問題。2 直流電動機有幾種調(diào)速方法，其機械特性有何差別? 答：直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為Ua RianCe考慮到他勵直流電動機電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩 特性寫成如下形式：n n式中no Ua/Ce稱作理想空載轉(zhuǎn)速，Te的關(guān)系Te Ct Ia，可以將其機械TeR/Ce6 2為機械特性的斜率。由上式可知，有以下三種調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)

5、速的方法: 1）改變電樞回路電阻R （圖1-2 ）。圖1-2改變電樞電阻的人為機械特性n i圖1-3改變磁通的人為機械特性3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ua （圖1-4 ）。比較三種調(diào)速方法可知，改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào) 速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的弱磁升速；調(diào) 節(jié)電樞供電電壓的方式既能連續(xù)平滑調(diào)速， 又有較大的調(diào)速范圍，且機械特性也 很硬。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主，僅在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作 小范圍的弱磁升速。3. 從異步電動機轉(zhuǎn)差功率Psi的角度，可把交流調(diào)速系統(tǒng)分成哪幾類？并簡 述其特點。答：異步電動機按其轉(zhuǎn)子構(gòu)造可分為籠型轉(zhuǎn)子異步電動

6、機和繞線轉(zhuǎn)子異步電 動機，可以根據(jù)實際應(yīng)用要求選擇電動機。異步電動機的轉(zhuǎn)速方程為60 fs由上式可知，若改變供電頻率 fs或改變電動機極對數(shù)np則可調(diào)速，這就是 變頻調(diào)速和變極對數(shù)調(diào)速的由來。 另外，通過改變定子電壓、繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻或外接可變電源可以改變轉(zhuǎn)差率 s來實現(xiàn)異步電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。為更科學(xué)地進行分類， 按照交流異步電動機的原理， 從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pem可分成兩部分：一部分Pm （1 S）Pem是拖動負載的有效功率，稱作機械 功率；另一部分Psi SRm是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率 S成正比。從 能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差功率 巳是否增大，是消耗掉還是得到回收

7、，是評價調(diào) 速系統(tǒng)效率高低的標志。 從這點出發(fā)，又可以把異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)分成三類：1）轉(zhuǎn)差功率消耗型。調(diào)速時全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，它是以增 加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低（恒轉(zhuǎn)矩負載時） ，這類調(diào)速方法的效率最 低，越向下調(diào)效率越低。2）轉(zhuǎn)差功率饋送型。調(diào)速時轉(zhuǎn)差功率的一部分消耗掉，大部分則通過變流 裝置回饋電網(wǎng)或轉(zhuǎn)化成機械能予以利用， 轉(zhuǎn)速越低時回收的功率越多， 其效率比 前者高。3）轉(zhuǎn)差功率不變型。這類調(diào)速方法無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)速降都保持不變，而 且很小，因而轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變且很小，其效率最高。目前通常采用籠型轉(zhuǎn)子異步電動機實現(xiàn)低于同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速， 調(diào)速方法可選 擇定子

8、變壓調(diào)速、 定子變壓變頻調(diào)速等方案； 當需要高于同步轉(zhuǎn)速運行或其他特 殊應(yīng)用場合時，則需采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，通過定子和轉(zhuǎn)子實行雙饋調(diào)速。4. 利用電力電子器件，可以構(gòu)成哪幾種直流輸出變換器？試簡述各自的基 本拓撲結(jié)構(gòu)和換流模式。答：利用電力電子器件，可以構(gòu)成相控整流器、直流斬波器和PWM整流器等三種直流輸出變換器。1）相控整流器（圖 1-5 ）。L一觸發(fā)脈沖圖1-5 V-M系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖2）直流斬波器（圖1-6、圖1-7）DC圖1-6采用二極管整流與斬波器的直流變換器結(jié)構(gòu)+b）電壓波形圖圖1-7直流斬波器-電動機系統(tǒng)原理與電壓波形3) PWM8流器(圖 1-8)（c）換流模式IILQ u

9、us換流模式I(b)（d）換流模式川圖1-8單相全橋PW整流器5試簡述交流變頻器的分類，分析比較各自的特點。答：由于高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代電力電子變流器既能改變電壓又能 改變頻率，因此，交流輸出變流器是一種變壓變頻裝置， 通常稱為變頻器。目前, 交流輸出變換器主要有交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類：（1）交-直-交變頻器交-直-交變頻器的基本原理是：首先將交流電通過整流器變成直流電， 然后 再通過逆變器變成交流電。由于中間直流環(huán)節(jié)的存在，故而稱為交-直-交變頻器， 又可稱為間接式的變壓變頻器。目前，有多種方式實現(xiàn)交-直-交變頻器的電能變 換，主要應(yīng)用于電力傳動控制系統(tǒng)的有下面四種方式

10、：1）采用相控整流器與六拍逆變器組成的交-直-交變頻器（圖1-11、圖1-13）。六拍變流器的優(yōu)點是：在整流環(huán)節(jié)進行調(diào)壓控制，在逆變環(huán)節(jié)進行調(diào)頻控制， 兩種控制分開實現(xiàn)，概念清楚，控制簡便。但由于早期采用晶閘管整流和逆變， 帶來了如下不足： 如果采用晶閘管相控整流，在交流輸入端造成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低和高次諧 波大的問題；逆變器 六拍逆變器由于晶閘管的工作頻率的限制，變頻控制范圍有限，且輸出 不是正弦波，諧波含量高。整流器調(diào)頻控制調(diào)壓控制圖1-11晶閘管交-直-交變頻器(a)電壓源逆變器(b)電流源逆變器圖1-13六拍逆變器的兩種類型2)pwr變頻器(圖 1-14、圖 1-15 )。PWM變頻器的調(diào)

11、制方法主要包括正弦波脈寬調(diào)制(SPWM消除指定次數(shù)諧 波的PWM空制(SHEPWM PWM跟蹤控制、電壓空間矢量 PWM SVPWM等。PWM 變頻器的優(yōu)點如下： 在主電路整流器和逆變器兩個單元中，只有逆變單元是可控的，通過它 同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，結(jié)構(gòu)簡單。 采用全控型的功率開關(guān)器件，通過驅(qū)動電壓脈 沖進行控制，驅(qū)動電路簡單，效率高。 輸出電壓波形雖是一系列的pwm波，但由于采用了恰當?shù)腜WM控制技術(shù)， 正弦基波的比重較大，影響電動機運行的低次諧波受到很大的抑制， 因而轉(zhuǎn)矩脈 動小，提高了系統(tǒng)的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)性能。 逆變器同時實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，動態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的 影響，系統(tǒng)的動

12、態(tài)性能也得以提高。(采用不可控的二極管整流器，電源側(cè)功率因數(shù)較高，且不受逆變器輸出電壓大小的影響。整流器ACO_IIIUdO逆變器PWM控制圖1-14 PWM變頻器的構(gòu)成UdC(a )主電路拓撲結(jié)構(gòu)Ua o參：.W專摻摻(b) PWM調(diào)制原理圖1-15 PWM逆變器的主電路拓撲及工作原理3)雙PWM頻器(圖1-26)雙PWM頻器的特點是：可方便的實現(xiàn)四象限運行;采用PWMg流控制，可任意調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，使功率因數(shù)小于 1、等于 1或大于1 ；可大大減小電流諧波。圖1-26雙PWM變頻器的基本結(jié)構(gòu)4）多電平逆變器（圖1-27 ）。多電平逆變器的優(yōu)點主要有： 多電平逆變電路對器件的耐壓要求不高，

13、其開關(guān)器件所承受的關(guān)斷電壓 由所串聯(lián)的各開關(guān)器件分擔； 多電平逆變器輸出的負載相電壓為多電平的階梯波，相對于兩電平電路 其輸出波形階梯增多，其形狀更接近于正弦波，且階梯波調(diào)制時，開關(guān)損耗小， 效率高；多電平逆變器隨著輸出電平數(shù)的增加，各電平幅值變化降低，這就使得 它對外圍電路的干擾小，對電機的沖擊小， 在開關(guān)頻率附近的諧波幅值也小。 在 開關(guān)頻率相同的條件下，諧波比兩電平要小得多。圖1-27二極管中點鉗位三電平變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)（2）交-交變頻器（圖1-28、圖1-30）與交-直-交變頻器相比，交-交變頻器的優(yōu)點是： 采用電網(wǎng)自然換流，由一次換流即可實現(xiàn)變壓變頻，換流效率高; 能量回饋方便，容易

14、實現(xiàn)四象限運行； 低頻時輸出波形接近正弦。但是，交-交變頻器也存在一些缺點： 使用晶閘管數(shù)量多，接線復(fù)雜；輸出頻率范圍窄，只能在1/21/3電網(wǎng)頻率以下調(diào)頻；由于采用相控整流，功率因數(shù)低。VFVR+ ld卓正組控制反組控制圖1-28單相交-交變頻器的電路結(jié)構(gòu)圖1-30三相交-交變頻器的電路結(jié)構(gòu)6 有哪些轉(zhuǎn)速檢測方法？如何獲得數(shù)字轉(zhuǎn)速信號？答：常用的轉(zhuǎn)速檢測傳感器有測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)編碼器等。測速發(fā)電機輸出 的是轉(zhuǎn)速的模擬量信號；旋轉(zhuǎn)編碼器則為數(shù)字測速裝置。轉(zhuǎn)速檢測傳感器輸出的模擬信號先經(jīng)過信號調(diào)節(jié)器，進行放大、電平轉(zhuǎn)換、濾波、阻抗匹配、調(diào)制和解調(diào)等信號處理過程，然后進行 A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)模擬信

15、號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，包括離散化和數(shù)字化。離散化是以一定的采樣頻率fs對模 擬信號進行采樣，即在固定的時間間隔t 1/ fs上取信號值。數(shù)字化是將所取得 信號值進行數(shù)字量化，用一組數(shù)碼來逼近離散的模擬信號的幅值，逼近程度由 A/D芯片的位數(shù)來決定。7.調(diào)速范圍和靜差率的定義是什么？調(diào)速范圍與靜態(tài)速降和最小靜差率之 間有什么關(guān)系？為什么說“脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多 了”？答：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速 nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比，稱為調(diào) 速范圍，用字母D來表示，即D n maxnmin式中，“max和nmax 一般都指電動機額定負載時的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速。當系統(tǒng)在某

16、一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落An”與理想空載轉(zhuǎn)速no之比，稱為靜差率，用字母來表示，即如 100%n。n。-“nn。100%靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。調(diào)速范圍D、靜態(tài)速降A(chǔ)nN和最小靜差率 之間的關(guān)系為nNnN(1)調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大。如果低速時的靜差 率能滿足設(shè)計要求，則高速時的靜差率就更滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。所以說，脫離

17、了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。8試簡述PID控制器中，比例、積分和微分環(huán)節(jié)各自的作用，并分析其特 性。答：PID控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下（圖1-49）：1）比例環(huán)節(jié)對偏差進行放大，產(chǎn)生與偏差成正比的控制信號，施加于被控 對象，以減少偏差。2）積分環(huán)節(jié)通過對偏差歷史的累積，產(chǎn)生控制信號以消除偏差，可實現(xiàn)系 統(tǒng)的無差調(diào)節(jié)。k|越大，積分作用越大，有利于減小誤差，但減慢系統(tǒng)響應(yīng)。3）微分環(huán)節(jié)能反映偏差的變化率，具有加速系統(tǒng)響應(yīng)，減小調(diào)節(jié)時間的作 用。實際應(yīng)用時，可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇全部或部分校正環(huán)節(jié)組成具有不同功能的 調(diào)節(jié)器，如P調(diào)節(jié)器、I調(diào)節(jié)器、PI調(diào)節(jié)器、PD調(diào)節(jié)器等 kI G

18、*u j I d /dt kD 圖1-49模擬式PID控制算法框圖9 .某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是1500r/min150r/min，要求系統(tǒng)的靜差率2%，那么系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降是多少？解：調(diào)速范圍Dnmax1500nmin15010靜態(tài)速降nNnN)n max)1500 0.0210 (1 0.02)3.06(r/mi n)10 .某直流電動機，其參數(shù)為:PN 10kW，UN 220V， IN 55A，nN1000r / min ， Ra0.1 。若只考慮電樞電阻引起的轉(zhuǎn)速降,(1)(2)要求靜差率 如果要求D10%，求系統(tǒng)的調(diào)速范圍D ;2，則其靜差率允許的為多少？(3)如果要求D10,5

19、%，則允許的轉(zhuǎn)速降落nN為多少？解:(1)KeUn I n &nN22055 010.2145(V min/ r)1000nN1 NRaKe550.21450.125.64(r/mi n)nN鵡（11000 心 4.3325.64 (1 0.1)由，得D nNnN D nN2 25.641000 2 25.644.88%nNnN =D(1)1000 0.0510 (1 0.05)5.26(r / min)第2章電力傳動系統(tǒng)的模型1. 簡述坐標變換與統(tǒng)一電機理論的意義答：坐標變換是一種線性變換，對電動機作系統(tǒng)分析時，所用的坐標變換， 不僅可以將坐標系統(tǒng)擴展為n維空間，還可以將原坐標變換到另一個旋

20、轉(zhuǎn)平面上 的坐標，或者由笛卡兒平面坐標變換到復(fù)平面坐標。 這些理論與方法都是針對電 機這種復(fù)雜的機電系統(tǒng)所做出的對策，在電機學(xué)科的發(fā)展史上具有劃時代的重要 意義。直流電機的數(shù)學(xué)模型比較簡單，交流電機的數(shù)學(xué)模型就相對復(fù)雜得多， 而且 由于其種類繁多，如果根據(jù)電機理論，按不同的電機結(jié)構(gòu)建立各自的電路和磁路 方程，則所建立的方程將形式各異， 比較復(fù)雜。統(tǒng)一電機理論提出了原型電機的 概念，分析了原型電機的基本電磁關(guān)系，并研究了原型電機與其他各種實際電機 之間的聯(lián)系，研究表明任何電機的數(shù)學(xué)模型都可以從原型電機中導(dǎo)出，并統(tǒng)一求解，這是電機理論的一個重大發(fā)展。2. 電機常用的坐標系統(tǒng)有哪幾種？分別畫出它們的

21、坐標軸矢量圖。答：電機常用的坐標系統(tǒng)可分為兩大類，即靜止坐標變換：這類變換是在兩個靜止的坐標系統(tǒng)中進行，最常用的是在 A-B-C三相坐標系統(tǒng)與a - B -0兩相靜止坐標系統(tǒng)之間的變換，稱為 3/2變換和 2/3變換，如下圖所示：旋轉(zhuǎn)坐標變換：這類變換是在靜止的坐標系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)的坐標系統(tǒng)之間進行, 旋轉(zhuǎn)坐標軸的旋轉(zhuǎn)速度可以是電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速，也可以是任意轉(zhuǎn)速。 這類系統(tǒng)的典型代表是d-q-0坐標系統(tǒng)，如下圖所示：qd3. 在電機坐標變換時，功率不變約束條件下的變換式與合成磁動勢不變約 束條件下的變換式哪些是相同的？哪些是不同的？不同的變換式有什么不同？答：坐標變換是一種線性變換，如無約束

22、，變換就不是唯一的。在電機的系 統(tǒng)分析中，通常采用兩種原則作為坐標變換的約束條件：1）功率不變原則，即變換前后電機的功率保持不變；2）合成磁動勢不變約束，即變換前后電機的合成磁動勢保持不變。如果是兩相靜止坐標系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標系之間的變換，則功率不變約束條件 下的變換式與合成磁動勢不變約束條件下的變換式是相同的。 而如果是三相靜止 坐標系與兩相靜止或兩相旋轉(zhuǎn)坐標系之間的變換，則功率不變約束條件下的變換 式與合成磁動勢不變約束條件下的變換式是不同的的，例如 A-B-C三相靜止坐 標系與d-q-0兩相旋轉(zhuǎn)坐標系在功率不變約束條件下的變換式為idiqiocossin12cos(iAi Bic在合成磁動

23、勢不變約束條件下的變換式則為cosd2q3sin0丄2cos(sin(2ncos(sin(iAiBic4. 寫出靜止三相坐標系與靜止兩相坐標系、以及靜止兩相坐標系與旋轉(zhuǎn)兩相坐標系之間的坐標變換式。解：靜止三相坐標系與靜止兩相坐標系之間的坐標變換式11丄22Iai b|01111C、2 、2 、2靜止兩相坐標系與旋轉(zhuǎn)兩相坐標系之間的坐標變換式idcossiniaiqsincos5試分別建立并勵與串勵直流電動機的數(shù)學(xué)模型。解：與第一種原型電機相比較，可直接得到他勵直流電動機的電壓平衡方程電樞a)b)u(R L pGm)iZiRf00Lf00式中，U Uf uc UaT，i Ific iaT ，R0

24、Rc0，L0LCLCa00Ra0LaCLa000RfLfP00G000，Z0RC LcpLCa p0GaF00GaF mLacPRaLaP圖2-5直流電動機模型A）直流電動機 b）第一種原型電機轉(zhuǎn)子運動方程為TeTLJp m D w m式中，電磁轉(zhuǎn)矩Te iT Gi GaFiFia。上面兩式就構(gòu)成了他勵直流電動機的數(shù)學(xué)模型。為簡便起見，在實際使用時 往往忽略補償繞組C和阻尼系數(shù)D的作用，即有UaRaJ PGaF m，F(xiàn)UfRfLfP iFTeGaFi FiaTeTLJp m對于并勵直流電動機，電樞電壓等于勵磁電壓，即補充條件uauF ；對于串勵直流電動機，電樞電流等于勵磁電流，即補充條件iai

25、F。6.試導(dǎo)出直軸和交軸方向上各有一個阻尼繞組的電勵磁同步電動機的電壓 平衡方程與電磁轉(zhuǎn)矩計算公式。解：與第一種原型電機相比較，可直接寫出帶阻尼繞組的電勵磁同步電動機 的電壓平衡方程u （R Lp G m）i Zi圖2-18有阻尼繞組的同步電動機等效模型式中，uUdUqUfUD Uqt，iidiq iF iDiQ】T，Rd 0000Ld0LdFLdD00 Rq0000Lq00LqQR00RF 00，LLFd0LFLFD0，000RD0LDd0LDFLD00000RQ0LQq00LQ0Gdq00GdQGqd0GqFGqD0G 0 00000000000000Rd Ld pGdq mnLdF pL

26、dD pGdQ mGqd mRq LqpGqF mGqDmLqQpZLFd p0RF LF pLFD p0。LDd p0LDF pRDLD p00LQq p00RQ LQp定子兩個繞組的電阻是相等的，即RdRqRs ；而運動電動勢系數(shù)之間的關(guān)系為GdqnpL， GqdnpLd ， GqFnpLdFnpLFd ， GqDnpLdDnpLDdGdQnpLqQnpLQq，所以上式可以寫為udRs LdpLqLdF pLdD pLqQiduqLdRsLqpLdFLdDLqQpiquFLdF p0RF LF pLFD p0iFuDLdD p0LFD pRDLD p0iDuQ0LqQ p00RQLQ pi

27、Q式中，電角速度np m 。電磁轉(zhuǎn)矩 Te 為TeiTGinp LdFiFiqLdDiDiqLqQiQid (Ld Lq )idiq第 3 章 直流傳動控制系統(tǒng)1. 晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）存在哪些問題？答：由于采用電力電子變流器，給直流電動機控制帶來一些新的問題，特別是晶閘管-電動機系統(tǒng)（圖 3-1 ）存在以下兩個主要問題：1）系統(tǒng)機械特性的變異問題（電流斷續(xù)）；2）能量回饋問題（晶閘管的單向?qū)щ娦裕?。圖3-1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-2 V-M系統(tǒng)的機械特性a）電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性b）完整的V-M系統(tǒng)機械特性辿空默態(tài)C）運行范圍圖3-3帶起重機負載的V-M系統(tǒng)運行范圍2.

28、 引入轉(zhuǎn)速負反饋后，為何能改善系統(tǒng)性能？試分析比較開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)， 在哪些方面可以改善系統(tǒng)性能？答：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雖能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，但是其額定速降很大，往往不能滿足生產(chǎn)工藝要求。為了克服開環(huán)系統(tǒng)的不足，根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。由于轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然， 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。為此引入轉(zhuǎn)速反饋，組成轉(zhuǎn)速反饋控 制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（圖3-5、圖3-6 ）。L圖3-5轉(zhuǎn)速反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)比較開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性， 可以看出轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制

29、的優(yōu)越性：1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。ncinop1 K2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)小得多opcl3）如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍Dei(1 K)Dp3. 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有哪些特點？改變給定電壓能否改變電動機的轉(zhuǎn) 速？為什么？如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測速反饋電壓的分壓比是否能夠改變轉(zhuǎn) 速？為什么？如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變化，系統(tǒng)有無克服這種干擾的能 力？答：轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，需增 設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。改變給定電壓能夠改

30、變電動機的轉(zhuǎn)速，因為反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾 動，服從給定。如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測速反饋電壓的分壓比能夠改變轉(zhuǎn)速，因為改變反饋電壓的分壓比，就相當于改變了反饋系數(shù)Kn，而U； Un Knn如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變化， 系統(tǒng)沒有克服這種干擾的能力，因為該 變化不是被反饋所包圍的擾動，閉環(huán)系統(tǒng)對此沒有抑制能力，如下圖所示。Id變化n檢測誤差U n +4. 在轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)中，當電網(wǎng)電壓、負載轉(zhuǎn)矩、電動機勵磁電流、 電樞電阻、測速發(fā)電機勵磁各量發(fā)生變化時，都會引起轉(zhuǎn)速的變化，問系統(tǒng)對上 述各量有無調(diào)節(jié)能力？為什么？答：反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包圍在負反饋內(nèi) 前向

31、通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨給定作用，對給定信號的任何 變化都是唯命是從的。如上圖所示，在轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓、負載轉(zhuǎn)矩、電動 機勵磁電流、電樞電阻各量發(fā)生變化時所引起的轉(zhuǎn)速變化有調(diào)節(jié)能力，而對測速發(fā)電機勵磁的變化沒有調(diào)節(jié)作用。5. 有一 V-M調(diào)速系統(tǒng)，電動機參數(shù)為：PN 2.2kW ,UN 220V ,IN 12.5A ,nN 1500r/min，電樞電阻R. 1.2 ，整流裝置內(nèi)阻Rc 1.5 ，觸發(fā)整流環(huán)節(jié) 的放大倍數(shù)Ks 35。要求系統(tǒng)滿足調(diào)速范圍D 20，靜差率 10%。(1) 計算開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降nop和調(diào)速要求所允許的閉環(huán)靜態(tài)速降nd。(2) 采用

32、轉(zhuǎn)速負反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)的原理圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。(3) 調(diào)整該系統(tǒng)參數(shù)，使當U； 15V時，Id In，n nN，則轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)Kn應(yīng)該是多少?(4) 計算放大器所需的放大倍數(shù)解:(1) KeU n I N RanN220 12.5 1.215000.1367(V min/r)125(25)246.9(r/min)Ke0.13678.33(r/mi n)nNs 1500 0.1D(1 s)20 (1 0.1)(2) 系統(tǒng)原理圖:+靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖)：Rid閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K上12469 1 28.64ncl8.33根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程n KpKsUn電，可得Ke(

33、1 K) Ke(1 K)放大器所需的放大倍數(shù)為KpKen(1 K) RId 0.1367 1500 (128.64)2.7 12.5 一*11.64KsUn35 15K k K(3) 根據(jù)K亠，可得轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)為KeKn監(jiān) 2864 0.13670.0096 min/r)KpKs11.64 356. 為什么用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的？在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中， 當I調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓 Un 0時，調(diào)節(jié)器的輸出電壓是多少？它取決于哪 些因素？答：用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)不只靠偏差而且靠偏差的積累來控制，只要輸入偏差電壓 Un 0，積分控制就使得Undt逐漸積累，因而轉(zhuǎn)速就要變化；只有到Un 0

34、時，Undt不再變化，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定下來，因而是無靜差的。當輸入偏差電壓 Un 0時，積分調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc是一個定值，這個電壓的大小取決于穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n (即給定電壓U；和轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)Kn)、負載電流Id、主回路電阻R、觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks等，如下式所示:Ce n I dRKsKsKnRid圖3-11無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖7. 為何要在直流調(diào)速轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)中引入電流負反饋？在轉(zhuǎn)速、電流雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR各起什么作用？答：采用PI調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下 實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，由于轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)無法對電流和轉(zhuǎn)矩實施控制，因而存在起動電

35、流的限制問題。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制 動，突加負載動態(tài)速降小等等，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值idm的恒流過程（圖 3-13 ）。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，即采用電流負反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程，所以要在直流調(diào)速轉(zhuǎn)速負反饋系 統(tǒng)中引入電流負反饋。圖3-13直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR的分別作用為：1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用： ASR是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n很快地跟隨給定電壓U；的變 化，穩(wěn)態(tài)時可

36、減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 對負載變化起抗擾作用。 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。2）電流調(diào)節(jié)器ACR勺作用： 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟 隨其給定電壓U；（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用 一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分 重要的。RidK1/KUiUKKn圖3-15雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3-18雙閉環(huán)直流調(diào)速系

37、統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形8. 試從下述五個方面來比較轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和帶電流截止環(huán)節(jié) 的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng):(1) 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性；(2) 動態(tài)限流性能；(3) 起動的快速性；(4) 抗負載擾動的性能；(5) 抗電源電壓波動的性能。答. *(1) 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性：雙環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時無靜差，當電流達到限流值Idm時，呈恒流的下墜特性；單環(huán)系統(tǒng)如果也用 PI調(diào)節(jié)器，也可以做到穩(wěn)態(tài)無靜差，但電流截止后靜特性較軟。(2) 動態(tài)限流性能：雙環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)限流性能接近于方波恒流，而單環(huán)系統(tǒng) 的動態(tài)限流性能要差得多(3) 起動的快速性：突加較大的給定電壓時，雙環(huán)系統(tǒng)的起動過程要比單環(huán) 系統(tǒng)快

38、得多。(4) 抗負載擾動的性能：雙環(huán)系統(tǒng)和單環(huán)系統(tǒng)抵抗負載擾動的性能差不多， 其調(diào)節(jié)作用的快慢視具體參數(shù)而定。(5) 抗電源電壓波動的性能：雙環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)能及時抑制電源電壓波動的影 響，調(diào)節(jié)速度快，而單環(huán)系統(tǒng)較慢。noABIdNIdmId9. 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR ACR均采用PI調(diào)節(jié)器。已知參 數(shù)：電動機： Pn 3.7kW，Un 220V，I n 20A，n” 1000r/min，電樞回路* *總電阻R 1.5 ，設(shè)Unm Um Ucm 8V，電樞回路最大電流 心 40A，電力電子變換器的放大系數(shù)Ks 40。試求:(1)電流反饋系數(shù)Ki和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)Kn ；(2)當電動機在

39、最高轉(zhuǎn)速發(fā)生堵轉(zhuǎn)時的Ud0、U*、Ui、Uc值。解:U 8電流反饋系數(shù)Ki4 一0.2(V/A)I dm40轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)KnU nmnN0.008(V min/r)(2)當電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時, 達到限幅值，所以Ui* U； 8V，Ui U*ASR迅速處于飽和狀態(tài)，其輸出(即 ACM輸入)8V ( ACF不 飽和)Ud0 IdmR 40 1.560(V)，U d0Ks60401.5(V)10. 對于需要高于直流電動機額定轉(zhuǎn)速運行的場合，如何采用電壓與磁場配合控制？試分析兩種控制方式的轉(zhuǎn)矩和功率特性。答：*由于直流電動機允許的弱磁調(diào)速范圍有限，一般電動機不超過2: 1，專用的“調(diào)速電動機”也不過是

40、3: 1或4: 1。另一方面，變壓調(diào)速雖然調(diào)速范圍較 廣，但也不宜在基速以上調(diào)速。因此，當負載要求的調(diào)速范圍更大時，需要采用 變壓和弱磁配合控制策略：1) 在基速以下保持磁通為額定值不變，只調(diào)節(jié)電樞電壓；2) 在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速。采用配合控制策略的系統(tǒng)特性如圖 3-20所示，其中：橫坐標為轉(zhuǎn)速，以額 定轉(zhuǎn)速nN為分界線，分為基速以下和基速以上兩個區(qū)域；縱坐標同時表示電壓Ud、磁通、轉(zhuǎn)矩Te和功率P。在基速以下，磁通n，隨著電壓增大，轉(zhuǎn)速升高，但轉(zhuǎn)矩不變，功率卻與電壓一樣變化；在基速以上，電壓Ud U N保持不變，隨著磁通 減小，轉(zhuǎn)速進一步增大，但轉(zhuǎn)矩卻隨磁通一起減小，

41、而功率保 持不變。(Te Ct la, P Te )圖3-20變壓與弱磁配合控制特性11. 采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)供電的 V-M系統(tǒng)，試分析在四象限運行中，兩組整流器的工作在整流和逆變狀態(tài)的輸出電壓極性、電流和功率流向，以及電動機的運行狀態(tài)及其機械特性。答：V-M系統(tǒng)的工作狀態(tài)正向運行正向制動反向運行反向制動電樞端電壓極性+一一電樞電流極性+一一+電機旋轉(zhuǎn)方向+一一電機運行狀態(tài)電動回饋發(fā)電電動回饋發(fā)電晶閘管工作的組別 和狀態(tài)正組整流反組逆變反組整流正組逆變機械特性所在象限一一一二二四12. 試分析邏輯控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)正向和反向起動和制動的過程。 畫出各 參變量的動態(tài)波形，并說明在每個階段中

42、 ASR和ACF各起什么作用，VF和VR各 處于什么狀態(tài)。答：邏輯控制無環(huán)流可逆系統(tǒng)的正向動態(tài)過程可分為三個主要階段：1）起動階段。如果可逆調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方法，其起動過程與不可逆調(diào)速系統(tǒng)的起動過程相同（圖 3-18），ASR飽和，由ACR起主要作 用，在允許最大電流限制下使轉(zhuǎn)速基本上按線性變化的“準時間最優(yōu)控制”，動態(tài)過程的響應(yīng)曲線如圖3-30中的階段I所示。2）正向運行階段。ASR退飽和后，進行轉(zhuǎn)速無差調(diào)節(jié)，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，其 響應(yīng)曲線如圖3-30的階段U。3）正向制動階段，在這一階段首先通過 VF的逆變使電流下降過零，并封鎖 脈沖使其關(guān)閉；然后開通 VR使其建立電流并達到最

43、大電流 Idm，此時電動機 進入制動階段，通過反接制動和回饋制動使轉(zhuǎn)速迅速下降。如果是停車， 則電動 機停止運行，其動態(tài)過程如圖 3-30的階段川。如果還需反向運行，則電動機在轉(zhuǎn)速過零后，繼續(xù)反向起動，其過程與正向 起動相同，響應(yīng)曲線如圖3-30的階段W。由于兩組晶閘管在切換過程中需要延 時，以保證可靠換流，這就造成了電流換向死區(qū)，如圖 3-30所示。圖3-27邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理框圖第4章交流傳動控制系統(tǒng)1. 何謂交流異步電動機的動態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)等效電路？兩者之間有何不 同？答：異步電動機在任意旋轉(zhuǎn)d-q坐標系上的動態(tài)等效電路如圖4-1所示。動 態(tài)等效電路僅僅忽略了空間諧波， 并

44、沒有忽略時間諧波，因此動態(tài)等效電路中的 電壓、電流及磁鏈可以是任意波形。異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖 4-2所示。異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路也有與 動態(tài)等效電路類似的假定條件，除此之外，穩(wěn)態(tài)等效電路還忽略了時間諧波。Rsdqs sqLisdqr rqLi rP rdRri sdi rdUsdP sdvLmUrddqs sd-L二isqUsqP sqLisLmLi rdqr rdP rqirqUrq圖4-1異步電動機在任意旋轉(zhuǎn)速度的dq坐標系上的動態(tài)等效電路LisLirUsRr /s&LmUr/s圖4-2異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路2. 異步電動機的變壓調(diào)速需要何種交流電源？有哪些交流調(diào)壓方法？答：異步

45、電動機的變壓調(diào)速需要三相交流電源。 過去改變交流電壓的方法多 用自耦變壓器或帶直流勵磁繞組的飽和電抗器，自從電力電子技術(shù)興起以后，這些笨重的電磁裝置就被晶閘管交流調(diào)壓器取代了。圖4-3給出了一個采用雙向晶閘管組成交流調(diào)壓器 (TVC的變壓調(diào)速系統(tǒng)， 其主電路分別用三個雙向晶閘管串接在三相電路中。 其調(diào)壓方式一般采用相位控 制模式，由調(diào)壓控制信號Uc通過脈沖觸發(fā)電路GT控制TVC的輸出交流電壓變化。 此外，如果TVC的主電路由可關(guān)斷的開關(guān)器件構(gòu)成， 可采用斬控方式來調(diào)節(jié)輸出 交流電壓。圖4-3利用晶閘管交流調(diào)壓器變壓調(diào)速3. 異步電動機的變壓調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)性能有何不同？答：普通異

46、步電動機變壓調(diào)速時，調(diào)速范圍很窄，采用高轉(zhuǎn)子電阻的力矩電 動機雖然可以增大調(diào)速范圍，但其機械特性又變軟，因而當負載變化時轉(zhuǎn)速波動 很大。由此說明，開環(huán)控制很難解決這些問題，為了提高調(diào)速精度需要采用閉環(huán) 控制。n0 A風機類負載特性Smax0.5UN0.7UnUnTemax Te圖4-5高轉(zhuǎn)子電阻電動機變壓調(diào)速的機械特性圖4-4異步電動機變壓調(diào)速的機械特性異步電動機變壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，如果采用PI調(diào)節(jié)器,可以做到無靜差調(diào)速，其不同于直流電動機變壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的地方在于： 靜特性左右兩邊都有極限，不能無限延長，它們是額定電壓Usn下的機械特性和最小輸出電壓Us(min)下的

47、機械特性。當負載變化時，如果電壓調(diào)節(jié)到極限值，閉環(huán)系統(tǒng)便失去控制能力，系統(tǒng)的工作點只能沿著極限開環(huán)特性變化。圖4-6轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制的異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖(a)異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)(b)異步電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)靜特性4. 從異步電動機等效電路分析變壓變頻調(diào)速有哪幾種控制模式？其各自的機械特性有何不同？答：異步電動機調(diào)速應(yīng)考慮的一個重要因素，就是希望保持電動機中每極磁 通量為額定值不變。這是因為如果磁通太弱，沒有充分利用鐵心；如果過分增大 磁通，又會使鐵心飽和。但是，不同于他勵直流電動機勵磁回路獨立，易于保持 其恒定，如何在異步電動機控制中保持磁通恒定是實現(xiàn)變頻變壓調(diào)速的先決條

48、件。考慮到三相異步電動機定子每相電動勢的有效值Eg與定子頻率fs和每極氣隙磁通m的積成正比，即有Eg 4.44 fsN skNs m只要控制好Eg和fs，便可達到控制磁通 m的目的。對此需要考慮基頻（額定頻 率）以下和基頻以上兩種情況：（1基頻以下的恒磁通調(diào)速在基頻以下調(diào)速時，根據(jù)上式，要保持m不變，當定子頻率fs從額定值fsN 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 Eg，使二者同比例下降，即應(yīng)采用電動勢頻率比為恒值的控制方式。然而，從圖 4-15所示的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機等效電路可見， 繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，為達到這一目的有三種控制模式：& -&Eg-” mE&1 r111RsL isLl

49、r旦s圖4-15籠型轉(zhuǎn)子異步電動機等效電路1）恒壓頻比控制模式分析圖4-15的等效電路可以發(fā)現(xiàn)，當電動機的電動勢值較高時，可以忽略 定子繞組的漏磁阻抗壓降，從而認為定子相電壓 Us Eg，因此可以采用恒壓頻比的控制模式，即有Us/ s二常值，其機械特性如圖4-17所示。由于電磁轉(zhuǎn)矩與 定子電壓的平方正比，隨著電壓和頻率的降低，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩有較大的減少， 因此在低頻時需要加定子電壓補償。但是即便如此，恒壓頻比控制模式在低頻時帶負載的能力仍然有限，使其調(diào)速范圍受到限制并影響系統(tǒng)性能。nTe圖4-17恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機械特性2）恒定子電動勢頻比控制模式再次分析圖4-15的等效電路可以發(fā)現(xiàn)，

50、假如能夠提高定子電壓以完全補償定子阻抗的壓降，就能實現(xiàn)恒定子電動勢頻比的控制模式，即有Eg/ s =常值，其機械特性如圖4-18所示?？梢?，最大電磁轉(zhuǎn)矩因Eg / s保持恒值而不變，而 特性曲線從額定曲線平行下移，這說明采用恒Eg/ s控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu) 于恒Us/ s控制模式。3）恒轉(zhuǎn)子電動勢頻比控制模式進一步研究圖4-15的等效電路，可以設(shè)想如果能夠通過某種方式直接控制 轉(zhuǎn)子電動勢，使其按照恒轉(zhuǎn)子電動勢頻比進行控制，即有Er/ s=常值。當采用這種控制模式時，異步電動機的機械特性將是一條下斜的直線（如圖4-19）,可獲得與直流電動機相同的穩(wěn)態(tài)性能。 這也正是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)想要達到

51、的目 標。比較以上三種控制模式，顯然恒Us/ s控制模式最容易實現(xiàn)，但系統(tǒng)性能一 般，調(diào)速范圍有限，適用于對調(diào)速要求不太高的場合，如風機、水泵的節(jié)能控制 等；恒Eg/ s控制模式因其定子壓降得到完全補償， 在調(diào)速過程中最大電磁轉(zhuǎn)矩 保持不變，系統(tǒng)性能優(yōu)于前者，但其機械特性還是非線性的，輸出轉(zhuǎn)矩的能力仍 受一定限制；恒Er/ s控制模式能獲得與直流電動機一樣的線性機械特性，其動靜態(tài)性能優(yōu)越，適用于各種高性能要求的電力傳動場合，但其控制相對復(fù)雜(2) 基頻以上的恒壓變頻調(diào)速在基頻fsN以上變頻調(diào)速時，由于定子電壓不宜超過其額定電壓，因此一般需采取UsUsN不變的控制策略。當角頻率s提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，而形狀基本不變，如圖4-20所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁通勢必減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小，但轉(zhuǎn)速卻升高了，可以認為輸 出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速(圖4-21 )。圖4-20基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機械特性圖4-21異步電動機變頻調(diào)速控制特性5. 交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想是什么？為何采用矢量