(完整版)试题3

1．闭环调速系统对于闭环系统前向通道中的扰动具有抑制作用，而对于反馈通道中的扰动则无能为力。所以，在转速单闭环调速系统中，对于电动机励磁的波动，系统有抑制作用；

对于测速发电机励磁的波动系统无抑制作用。

2．在V-M 开环调速系统中，突加负载后又进入稳定运行时，转速n 减小，电压U d0不变；

在转速单闭环有静差调速系统中，突加负载又进入稳定运行时，转速n 减小，电压U d0增加；在转速单闭环无静差调速系统中，突减负载又进入稳定运行时，转速n 不变，电压U d 0增加。（可用增加、减小、不变表示）

3．转速、电流双闭环调速系统中，调节转速调节器的限幅值可以调节系统最大电流；调节电流调节器的限幅可以调节UPE 的最大输出电压。

4．转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器ASR、电流调节器ACR 均为PI 调节器ASR 的输入U n 0，输出U i* I dN 。电流调节器ACR 的输入U i 0，输出U c（C e U n / I dN R） / K s 。

5．数字测速方法有T、M 及M/T 三种，其中T 适应于高速；M 适应于低速；M/T 具有M 和T 的优点。

6．在对系统静态性能要求不太高的场合，为节约成本，可采用电机电枢电压反馈代替转速反馈实现转速的控制，构成电压反馈调速系统，该系统对电机电枢电阻变化无调节作用；对电力电子装置内阻的变化有调节作用；对电压反馈系数的变化无调节作用。

二、系统的开环对数副频特性渐近线（伯德图）如下图所示，定性说明中频段、低频段、高频段和截止频率c（或称剪切频率）与闭环系统稳定性、稳态精度和动态响应的关系。

答：低频段的斜率陡、增益大，系统的稳态精度高；中频段以-20db/dec 的斜率穿越0db 线，

而且这一斜率能够覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；高频段衰减越快，即高频特性三、转速、电流双闭环直流调速系统，突加给定的启动过程可分三个阶段，按时间顺序，论述

在不同的阶段内，转速和电流的变化规律及两个调节器的作用，并在下图中画出转速、电流的过度过程曲线。

负分贝值低，说明系统抗高频干扰的能力强；截止频率c越大，则系统的快速性越好。

答：起动过程可分为三个阶段：1．电流上升阶段，此阶段电流很快上升到最大值，转速几乎没有变化，转速调节器由不饱和到饱和，电流调节器不饱和，电流调节器起跟随作用。

2．转速上升阶段：电流维持最大值不变，转速按线性规律上升，一直上升到给定值。转速调节器一直处于饱和状态。为了克服反电动势的扰动，电流略小于最大值。电流调节器不饱和，起限制最大电流的作用。

3．转速调整阶段：转速超调，转速调节器退饱和，电流由最大值下降到负载值。三个阶段电流调节器均不饱和。转速调节器为主调节器，电流调节器起跟随作用。

0 t1t2t3t4t

四、在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用PI 调节器。当系统带额定负载运行时，转速反馈线突然断线，系统重新进入稳态后，两个调节器的输入偏差电压U n及U i

分别为多少？电流调节器的输出电压U c 是否达到限幅值？为什么？答：转速反馈突然断线，系统重新进入稳态后，由于U n 0，U n U n*，所有转速调节

器饱和，转速调节器输出达限幅值，U i U im I dm ，电流调节器的输入

U i (I dm I dN) 0 ，电流调节器饱和，其输出电压U c达到限幅值U cm ，这是由于重

新进入稳态运行后，I d I dN I dM ，有U i (I dm I dN) 0 ，所有ACR 饱和。

五、写出数字PI 调节器的差分方程，讨论位置式和增量式两种算法，在限幅方式上有什么不同？为什么？

答：数字PI 调节器的差分方程：

k

u(k) K P e(k) K I T sam e(i) K P e(k) u I (k)

i1

K P e(k) K I T sam e(k) u I (k 1)

位置式算法：u(k) u P(k) u I (k)

增量式算法：

k k 1

u(k) u(k) u(k 1) K P e(k) K I T sam e(i ) K P e(k 1) K I T sam e(i)

i 1 i1

K P e(k) e(k 1) K I T sam e(k)

增量式算法仅对输出限幅就可以了，而位置式算法除对输出限幅外，还需要对积分部分限幅，否则会造成退饱和时间长、超调量过大。

六、转速单闭环控制系统如下图所示，已知数据如下：电动机：P N 10kW ，U N 220V ，I N 55A ，n N 1500r / min ，R a 0.5 。整流装置内阻R rec 0.3 ，触发整流环节的放大倍数K s 35 。最大给定电压U n*m 8V ，当主电路电流达到最大值时，整定电流反馈电压U im 8V 。设计指标：要求系统满足调速范围D=25 ，静差率s 10% 。1．试画出系统的静态结构图；

2．计算C e ，额定负载时，开环系统的稳态速降n op ，满足静差率要求时，闭环系统的稳

态速降n cl 及闭环系统的开环放大系统K 。

3．转速反馈系统，调节器放大系数K p。

1

* *

4．定性画出当I d I N时，U n n N和U n*2n N 的闭环静特性。

5．系统是否有静差？若有静差，应采取何种实际可行的措施消除静差。

8

解：(1)静态结构图： 2) U N I d R a C e

220 55*0.5 n N 1500 0.128V / rpm n op I dN R

C e 55*0.8 0.128 343.75rpm n cl

n N s D(1 s) 1500*10% 25(1 6.67rpm

10%) 343.75 1 50.54 3)

U

nm

n

N

K p

6.67 1500

0.0053V / rpm

KC e 50.54*0.128 K s 35*0.0053

34.87

4)

5)由于 ASR 采用 P 调节器，系统有静差，将 ASR 改为 PI 调节器。

七、某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： 直流电动机：额定电压 U N 220V ，额定电流 I dN 136 A ，额定转速 n N 1460r / min ， 电动机电势系数 C e 0.132V min/ r ，允许过载倍数

K s 40， T s 0.0017s ；电枢回路总电阻：R=0.5Ω；时间常数： T m 0.18s ， T 0i 0.002s T 0n 0.01s ；电流反馈系数： β=0.05V/A ，

0.007V min/ r 。电流环已按

典型 I 型系统设计好，且选 K I T i 0.5，请设计转速调节器，满足下述要求：静态指标： 转速无静差；动态指标：空载起动到额定转速时的转速超调量 % 10% 附： 1.转速、电流双环系统动态结构图

2.典型 II 型系统指标与参数的关系 典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

1.5 ；晶闸管装置放大系数：

1)确定时间常数 1/ K I ：已知 K I T i 0.5， T i T s T 0i 0.0017 0.002 0.0037s

K I 0.5/T i 0.5 / 0.0037 135.1

4）校核转速超调量

满足设计要求

调节器实现：如图所示，取调节器输入电阻 R 0 20k ，则

2）转速环小时间常数， 按小时间常数近似： n 1/ K I T 0n 1/135.1 0.01 0.0174s

3）选择转速调节器结构及参数：选择

PI 调节器，取 h=5， ASR 的超前时间常数为：

n

hT n 5

0.0174 0.087s

转速环开环增益： K N

h1 22

2h

2

T n 2

2 6 2 396.4s 2

52 0.01742

ASR 的比例系数：

K n

(h 1) C e T m

2h RT n

n

6 0.05 0.132 0.18 11.

7 0.007 0.5 0.0174

25 理想空载起动时， z=0， 由上表查得 h=5 时， C max /C b 81.2%

C

% (

C Cb

max

n

b

%)

n

C

2(

C max

%)(

C b

z)

n

T

n

T m

2 81.2% 1.5 136 0.5

0.132 0.0174

1460 0.18

8.31% 10%

R n K n *R 0 11.7*20 K 234K ， C n n /R n 0.08 / 234K 0.34 F ， C 0n 4T 0n / R 0 4*0.01/ 20K 2 F

解：三相异步电动机定子每相电动势有效值为：

E g 4.44 f 1N s k Ns mN 1 分

常值

由于电机绕组中的电动势难以控制，当 E g 较高时，忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为定 子相电压 U E g ，则有 E g 常值 ，为恒转矩调速。低频时适当调高定子电压，补偿定子 f 1 阻抗压降。 3 分

2．基频以上调速原则：频率从

f 1N 向上升高，因为定子电压 U U sN ，最多只能保持

U U sN ，所以，当频率 f 1升高，减少气隙磁通 转速

升高，为恒功率调速。 3 分

1. 基频以下调速原则：

m

恒定， U 与 f 1 同时增大或同时减小，即：

cm

m ，是定子电压 U U sN 保持不变，电机

4.44N s

k

Ns mN

三、根据电压空间矢量合成的表达式，画出空间矢量图，

在图中标出相应的参数，说明参数和矢量的意义，求出零矢量的作用时间。10 分

t1 t2

u s u1 u2 u s cos ju s sin

ur uur

u1，u2：基本电压空间矢量

uur

u s ：合成电压空间矢量

：合成电压矢量与扇区起始边的夹角

T 0 ：一个开关周期

ur uur

t 1： u 1作用时间

t 2： u 2作用时间

一般 t 1 t 2 T 0 ，其余时间由零矢量填补 零矢量作用时间： t 0 T 0 t 1 t 2

四、试论述基于稳态模型的转速闭环转差频率控制系统的基本控制规律， 画出电压频率特性。

10 分

1)在 s

sm

的范围内，转矩 T e 基本上与 s 成正比，条件是气隙磁通不变

2)在不同的定子电流值时，按下图 U s f ( 1, I s )的函数关系控制定子电压和频率，就能

保持气隙磁通 m 恒定。

五、经矢量变化和按转子磁场定向， 异步电动机三相原始模型可等效为直流电动机模型， 定子电流分解为励磁分量和转矩分量，将下列表达式和结构图补充完整。

i sm

L m

T r p 1

T e

n p L

m

r

六、根据矢量图写出旋转变换阵，当异步电动机达到稳态时，且 dq 坐标系与旋转磁动势同 步时，两个坐标系中电流的本质区别。

i d

cos sin i

i

q

sin cos i

i ， i 为交流电流

L

m

i st

T r r

七、试在图中标出异步电动机双馈调速在各种工况下负载功率及转差功率的流向， 中啊 a 、b 、c 、d 及 e 分别为哪种工况？

a ——电机在次同步转速下作电动运行

b ——电机在反转时作倒拉制动运行

c ——电机在超同步

转速下作回馈制动运行 d ——电机在超同步转速下作电动运行 e ——电机在次同步转速下作回馈制动运行

2

三、 A 、B 、C 分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差

3

三相定子相电压

u AO

，u BO ， u CO 分别加在三相绕组上，写出电压合成矢量表达式，画出

u AO 0 ， u BO 0， u CO 0 时的合成矢量图。当定子相电压为三相平衡正弦电压时

三相平衡正弦电压时

并说明图 2 u

A U

m cos( 1t )

，

u B U m

cos( 1t 3 )

3 的表达式，并说明合成矢量幅值不变、匀速旋转。

U m cos( 10 分

1t

2

3 )，写出三相合成矢量

e j t e j t

提示： sin( t) e 2j e ，cos(

t) e

j t

e jt

2

u g u AO u BO u CO u AO u BO e jr

j2r

u

CO

e

2分

合成矢量是一个以电源角频率 1

为电气角速度作恒速旋转地空间矢量，它的幅值不变，是

相电压幅值的 3/2 倍。 2 分

四、坐标变换的原则及前提是什么？据此得到三相坐标系变换到两相静止坐标系的变化矩阵

解：

1、 变换的前提：三相变量中只有两相为独立变量，完全可以也应该消去一相。所以，三相 绕

组可以用相互独立的对称两相绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势相等。 3 分

2、 变换原则：变换前后的磁动势相等。 2 分

3、 电流 i s 和 i s 的推导

u g U m cos( 1t)

U m cos( 1t 2

)e jr U m cos( 1t 4

)e j2r

33

U m

22

j ( t

) j ( t ) 2

3 3 j

2

e e j 3

22

j ( t )

j ( t ) 4

3 3 j

4

e e j 3

3

U 2

j 1t

j m e u g e

1t

C 3/2 ， 现 有 三 相 正 弦 对 称 电 流 ： i A I m sin( t) ， i B I m sin( t

2

3)，

2

i C I m sin( t

) ，导出变换后两相静止坐标系中的电流

3 i s 和 i s ，比较三相电流与两

幅值及相位。

10 分

提示：

C 3/2

23

3

0 1

2 3

2

1 2

， sin( 3 2

) sin( ) 2cos sin

120o 变为两相相差 90o 。

五、按转子磁链定向的矢量控制系统是高动态性能的交流调速系统

（1）论述矢量控制系统的基本思想，分析按转子磁链定向的作用，定子电流的解耦作用， 转矩与转子磁链的控制规律，画出等效的直流电动机模型，讨论控制系统的思想。 （2）下图为矢量控制系统结构图，写出图中 7 个环节的名称。

15分

矢量控制系统结构图

1、 通过坐标变换和按转子磁链定向，可以得到等效的直流电动机模型，在按转子磁链定向 坐

标系中，三相定子交流电流 i A ，i B ，i C 通 3/2变换可以等效成两相静止坐标系上的交 流电流

i s ， i s ，再通过与转子磁链同步的旋转变换，等效成同步旋转坐标系上的直流

电流 i sm ， i st ，从而可以用控制直流电动机的方法控制交流电动机。通过按转子磁链定

i s i

s

1

N 3

2 N

2 0

3 2

1 2 3 2

i A i B

i

C

i s

3(i A

1 2 i C

3(i A 2i A )

2

?3

i

3

I m sin t

i

s

23( 23 i B 3

32B 2

? 3 I 32

m

2cos

i C )

3

2? 23I m sin( t 32

sin( t 23 )

t?sin 23 3

I m cos

2I m

sin( t 2)

频率不变，幅值变为

向，将定子电流分解为励磁分量i sm和转矩分量i st ，使转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，而电磁转矩正比于转子磁链和定子电力转矩分量的乘积，实现了定子电流两个分量的解耦。7.5 分

（2） A 转子磁链调节器， B 转速调节器， C 定子电流励磁分量调节器， D 定子电流转矩分量调节器，E逆旋转变换VR 1，F旋转变换VR，G 3/2 变换。

六、第I 扇区的定子磁链与电压空间矢量图如图所示，定子磁链矢量s1位于前30o，转子旋转速度与 d 同向，忽略定子电阻压降对磁链幅值的影响，并假定电流的变化足够快，分析8 个电压空间矢量对定子磁链幅值的控制作用（增大、减小、不变）和转矩的控制作用（增大、减小、不变、反向）。当定子磁链矢量s2位于后30o时，有那两个矢量的控制作

用不同，体现在哪些方面？

1

s1

o

s2 o