电力拖动自动控制系统思考题答案
第2章
三、思考题
2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？
答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。特点略。
2-2 简述直流PWM 变换器电路的基本结构。
答：直流PWM 变换器基本结构如图，包括IGBT 和续流二极管。三相交流电经过整流滤波后送往直流PWM 变换器，通过改变直流PWM 变换器中IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。
2-3 直流PWM 变换器输出电压的特征是什么？
答：脉动直流电压。
2-4 为什么直流PWM 变换器-电动机系统比V-M 系统能够获得更好的动态性能？
答：直流PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。其中直流PWM 变换器的时间常数Ts等于其IGBT 控制脉冲周期（1/fc），而晶闸管整流装置的时间常数Ts通常取其最大失控时间的一半（1/（2mf）。因fc 通常为kHz 级，而f 通常为工频（50 或60Hz为一周内），m 整流电压的脉波数，通常也不会超过20，故直流PWM 变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。
2-5 在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？
答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流PWM 变换器的输出。电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。
2-6 直流PWM 变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？
答：为电动机提供续流通道。若二极管断路则会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电压。
2-7 直流PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？
答：不是。因为若开关频率非常高，当给直流电动机供电时，有可能导致电枢电流还未上升至负载电流时，就已经开始下降了，从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运转。
2=8 泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何抑制？
答：泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时，由于二极管整流器的单向导电
性，使得电动机由动能转变为的电能不能通过整流装置反馈回交流电网，而只能向滤波电容充电，造成电容两端电压升高。泵升电压过大将导致电力电子开关器件被击穿。应合理选择滤波电容的容量，或采用泵升电压限制电路。
2-9 在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负载增加而降低？答：负载增加意味着负载转矩变大，电机减速，并且在减速过程中，反电动势减小，于是电枢电流增大，从而使电磁转矩增加，达到与负载转矩平衡，电机不再减速，保持稳定。故负载增加，稳态时，电机转速会较增加之前降低。
2-10 静差率和调速范围有何关系？静差率和机械特性硬度是一回事吗？举个例子。
答：D=（nN/△n）（s/（1-s）。静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的，）而机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落的。2-11 调速范围与静态速降和最小静差率之间有何关系？为什么必须同时提才有意义？
答：D=（nN/△n）（s/（1-s）。因为若只考虑减小最小静差率，则在一定静态速降下，允许）的调速范围就小得不能满足要求；而若只考虑增大调速范围，则在一定静态速降下，允许的最小转差率又大得不能满足要求。因此必须同时提才有意义。
2-12 转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调节转速反馈系数是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？（已验证）答：转速单闭环调速系统增加了转速反馈环节（由转速检测装置和电压放大器构成），可获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而保证在一定静差率下，能够提高调速范围。改变给定电压能改变电动机转速。因为改变给定电压则改变实际转速反馈电压与给定电压的偏差，从而改变电力电子变换器的输出电压，即改变电动机的电枢电压，改变了转速。调节转速反馈系数而不改变给定电压能改变转速。因为改变转速反馈系数则改变实际转速反馈电压，而给定电压不变，则电压偏差改变，从而电力电子变换器输出电压改变，即电动机电枢电压改变，转速改变。若测速发电机励磁发生变化，则反馈电压发生变化，当给定电压一定时，则电压偏差发生变化，从而转速改变。故系统无克服测速发电机励磁发生变化干扰的能力。
2-13 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当积分调节器的输入偏差电压△U=0 时，调节器的输出电压是多少？它决定于哪些因素？
答：因为积分调节器能在电压偏差为零时仍有稳定的控制电压输出，从而克服了
比例调节器必须要存在电压偏差才有控制电压输出这一比例控制的调速系统存在静差的根本原因。当积分调节器的输入偏差电压为零时，调节器输出电压应为一个恒定的积分终值。它取决于输入偏差量在积分时间内的积累，以及积分调节器的限幅值。
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？为什么？
答：仍然受影响。因为无静差转速单闭环调速系统只是实现了稳态误差为零，因此若给点电源发生偏移，或者测速发电机精度受到影响而使反馈电压发生改变，系统仍会认为是给定或转速发生改变，从而改变转速，以达到电压偏差为零。2-15 在转速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节作用？为什么？（已验证）（1）放大器的放大系数Kp。（2）供电电网电压Ud。（3）电枢电阻Ra。（4）电动机励磁电流If。（5）转速反馈系数α。
答：（1）有。假设Kp减小，则控制电压减小，则电力电子变换器输出减小，则电动机转速下降；而电动机转速下降，则反馈电压减小，则偏差电压增大，则控制电压增大，则转速上升。（2）有。不解释。（3）有。不解释。（4）有。不解释。（5）没有。不解释。
2-16 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Ud较之负载变化前是增加、减少还是不变？在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速n 和整流装置的输出电压Ud 是增加、减少还是不变？（已验证）
答：（1）Ud减小。因负载减小，转速上升，反馈电压增加，给定电压一定，偏差电压减小，控制电压减小，故输出电压减小。（2）n 不变，Ud增加。转速负反馈调速系统转速仅取决于给定电压，故不变；略。
一、可以作为填空题或简答题的
2-1 简述直流电动机的调速方法。
答：直流调速系统常以（调压调速）为主，必要时辅以（弱磁调速），以（扩大调速范围），实现（额定转速以上调速）。
2-2 直流调压调速主要方案有（G-M 调速系统，V-M 调速系统，直流PWM 调速系统）。
2-3 V-M 调速系统的电流脉动和断续是如何形成的？如何抑制电流脉动？
答：整流器输出电压大于反电动势时，电感储能，电流上升，整流器输出电压小于反电动势时，电感放能，电流下降。整流器输出电压为脉动电压，时而大于反电动势时而小于，从而导致了电流脉动。当电感较小或电动机轻载时，电流上升阶段电感储能不够大，从而导致当电流下降时，电感已放能完毕、电流已衰减至
零，而下一个相却尚未触发，于是形成电流断续。
2-4 看P14 图简述V-M 调速系统的最大失控时间。
答：t1 时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为α1，在t2>t1 时刻，控制电压发生变化，但此时晶闸管已导通，故控制电压的变化对它已不起作用，只有等到下一个自然换向点t3 时刻到来时，控制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角α2 后导通。t3-t2 即为失控时间，最大失控时间即为考虑t2=t1 时的失控时间。
2-5 简述V-M 调速系统存在的问题。
答：整流器晶闸管的单向导电性导致的电动机的不可逆行性。整流器晶闸管对过电压过电流的敏感性导致的电动机的运行不可靠性。整流器晶闸管基于对其门极的移相触发控制的可控性导致的低功率因数性。
2-6 简述不可逆PWM 变换器（无制动电流通路与有制动电流通路）各个工作状态下的导通器件和电流通路。17-18
2-7 调速时一般以电动机的（额定转速）作为最高转速。
2-8 （调速范围）和（静差率）合称调速系统的（稳态性能指标）。2-8 一个调速系统的调速范围，是指（在最低转速时还能满足所需静差率的转速可调范围）。2-9 简述转速反馈控制的直流调速系统的静特性本质。
答：在闭环系统中，每增加（或减少）一点负载，就相应地提高（或降低）一点电枢电压，使电动机在新的机械特性下工作。因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环机械特性上各取一个相应的工作点连接而成的。
2-10 简述比例反馈控制的规律。
答：比例控制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统；反馈控制系统的作用是（抵抗前向通道的扰动，服从给定）；反馈系统的精度依赖于（给定和反馈检测的精度）。
2-11 简述积分控制规律
答：积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。2-12 比例调节器和积分调节器有何不同？
答：比例调节器的输出只取决于（输入偏差的现状），而积分调节器的输出则包含了（输入偏差量的全部历史）
2-13 简述比例积分控制规律。
答：比例部分能（迅速响应控制作用），积分部分则（最终消除稳态偏差）。2-14 微机控制的调速系统有什么特点？
答：（信号离散化，信息数字化）。
2-15 旋转编码器分为哪几种？各有什么特点？
答：绝对式编码器：常用语检测转角信号，若需要转速信号，应对转角微分。增量式编码器：可直接检测转速信号。
2-16 数字测速方法有哪些精度指标？
答：（分辨率，测速误差率）。
2-17 采用旋转编码器的数字测速方法有（M，T，M/T）。高低全
2-18 为什么积分需限幅？
答：若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较大的退饱和超调。
2-19 简述带电流截止负反馈环节转速反馈调速系统机械特性的特点。
答：电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsR，导致当Id=Idcr 时，机械特性急剧下垂；比较电压Ucom与给定电压Un* 作用一致，相当于把理想空载转速提高n0`=(KpKs(Un*+Ucom))/(Ce(1+K))。
二、公式和特性
1. 整流电压平均值：Ud0=(m/π)Umsin(m/π)cosα（Um/m_ 单相全波/ 三相半波/ 三相全波_√2U2/√2U2/√6U2/2/3/6）
2.V-M 调速系统机械特性方程：n=(Ud0-IdR)/Ce
3.晶闸管整流器最大失控时间：Tsmax=1/mf
4.调速范围定义式：D=nmax/nmin
5.静差率定义式：s=△n/n
6.闭环静特性与开环静特性：ncl=(Ud0cl-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/(Ce(1+K)) nop=(Ud0op-IdR)/Ce=(KpKsUn*-IdR)/Ce
7.调速范围，静差率和额定速降之间的关系式（开环和闭环）：D_=(nN/△n_)(s/(1-s))（△ncl= △nop/(1+K)）
8.转速反馈控制直流调速系统的K 定义式及表达式：K=KpKsα/Ce
9.临界开环放大倍数Kcr=(Tm(Tl+Ts)+Ts^2)/(TlTs) 10.各种数字测速方法其分辨率和测速误差率表达式：nM=(60M1)/(ZTc) | QM=60/(ZTc) | δM=1/M1 | nT=(60f0)/(ZM2) | QT=(Zn^2)/(60f0-Zn) | δT=1/(M2-1) | nMT=(60f0M1)/(ZM2)=nT?M1 | QMT=60/(ZTc)=QM | δMT=｛低速—>δT | 高速—>δM | 11.连续式PI 算式：?u(t)=Kpe(t)+(1/τ)∫(0_t)e(t)dt 12.位置式PI 算式：u(k)=Kpe(k)+(Tsam/τ)∑(i=0_k)e(i) 13.增量式PI 算式：△u(k)=u(k)-u(k-1)=Kp(e(k)-e(k-1))+(Tsam/τ)e(k) 1.V-M 调速-系统原理图： 2.（无制动和有制动）直流PWM 变换器-电动机-电路原理图： 3.转速负反馈直流调速系统-系统原理图： 4.转速负反馈直流调速系统-静态结构图： 5.转速负反馈直流调速系统-动态结构图： 6.带电流截止负反馈的闭环直流调速系统-静态结构图：1.有制动电流通路的不可逆PWM 变换器-直流电动机系统各工作状态下的电压和电流波形：2.带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统-静特性： 第3章 三、思考题 3-1 在恒流起动过程中，电枢电流能否达到最大值Idm？为什么？ 答：不能。因为恒流升速过程中，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，是一个线性渐增的斜坡扰动量，而电流闭环采用的PI 调节器对斜坡扰动无法消除静差，故Id 略低于Idm。 3-2 由于机械原因，造成转轴堵死，分析双闭环直流调速系统的工作状态。（未验证） 答：电动机堵转则转速恒为零，在一定的给定下，偏差电压相当大，从而使ASR 迅速达到饱和，又电动机转速由于转轴堵死无法提升，故ACR 无法退饱和，因此系统处于ASR 饱和状态。 3-3 双闭环直流调速系统中，给定电压Un*不变，增加转速负反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压Un 和实际转速n 是增加、减小还是不变？（已验证）答：转速反馈系数α增加，则转速反馈电压Un 增加，给定电压Un*，则转速偏差电压减小，则ASR 给定电压Ui*减小，则控制电压Uc减小，则转速n 减小；转速n 减小，则转速反馈电压Un 减小，直到转速偏差电压为零；故稳态时转速反馈电压Un 不变，且实际转速n 减小。 3-4 双闭环直流调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象？（未通过验证，求姐）（1）电流反馈极性接反。（2）转速极性接反。 答：（1）由于电流环的正反馈作用，电枢电流将持续上升，转速上升飞快，电动机飞车。（2）由于转速环的正反馈作用，ACR 无法退饱和，电动机转速持续恒流上升。 3-5 某双闭环调速系统，ASR、均采用PI 调节器，ACR 调试中怎样才能做到Uim*=6V 时，Idm=20A；如欲使Un*=10V 时，n=1000rpm，应调什么参数？答：（1）调节电流反馈系数β=0.3；（2）调节转速反馈系数α=0.01。 3-6 在转速、电流双闭环直流调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？改变转速调节器的放大倍数Kn行不行？（= =|||）改变电力电子变换器的放大倍数Ks 行不行？改变转速反馈系数α行不行？若要改变电动机的堵转 电流，应调节系统中的什么参数？ 答：通常可以调节给定电压。改变Kn和Ks 都不行，因为转速电流双闭环直流调速系统对前向通道内的阶跃扰动均有能力克服。也可以改变α， 但目的通常是为了获得更理想的机械特性。若要改变堵转电流，应调节电流反馈系数β。 3-7 转速电流双闭环直流调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少？为什么？ 答：输入偏差电压皆是零。因为系统无静差。则ASR 输出电压Ui*=Ui=βId=βIdL；ACR 输出电压Uc=Ud0/Ks=见P62。 3-8 在双闭环系统中，若速度调节器改为比例调节器，或电流调节器改为比例调节器，对系统的稳态性能影响如何？ 答：速度调节器对阶跃扰动的静差由0 变为1/（1+Kn），或电流调节器对阶跃扰动的静差由0 变为1/（1+Kc），而对斜坡扰动的静差变得更大。 3-9 从下述五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负反馈环节的转速单闭环直流调速系统：（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：3-10 根据ASR 和ACR 的作用，回答（均为PIR）（已验证）：（1）双闭环系统在稳定运行中，如果电流反馈信号线断开，系统仍能正常工作吗？（2）双闭环系统在额定负载下稳定运行时，若电动机突然失磁，最终电动机会飞车吗？答：（1）稳态时转速不变，电流减小。（2）不会飞车，而是停转。 一、可以作为填空题或简答题的 3-1 为了实现（电流的实时控制和快速跟随），希望电流调节器（不要）进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有（转速调节器的饱和与不饱和两种情况）。3-2 当两个调节器都不饱和且稳态时，它们的输入偏差电压分别为（0）。 3-3 当ASR 输出（达到限幅值Uim*），转速外环呈（开环状态），转速变化对转速环（不会）产生影响，双闭环系统变成一个（电流无静差的单电流闭环调节系统）。稳态时，Id（=）Idm。 3-4 电流限幅值Idm取决于（电动机的容许过载能力和系统要求的最大加速度）。3-5 简述采用两个PI 调节器分别形成内外闭环的效果。答：双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，此时转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器为饱和输出Uim*，此时电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。3-6 简述ASR 的退饱和条件。 答：当ASR 处于饱和状态时，若实际转速大于给定转速，则反馈电压大于给定 电压，使偏差电压小于零，则ASR 反向积分，从而退饱和，返回线性调节状态。3-7 简述转速电流负反馈控制电流调速系统起动过程。63 3-8 简述双闭环直流调速系统起动过程的特点。（饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制） 3-9 双闭环直流调速系统的抗扰性能主要包括（抗负载扰动；抗电网电压扰动）。3-10 简述双闭环直流调速系统中转速调节器的作用。 答：作为主导调节器，在转速动态过程中，使转速快速跟随给定电压变化，稳态时减小转速误差，采用PIR 可实现无静差。对负载变化其抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许最大电流。 3-11 简述双闭环直流调速系统中电流调节器的作用。 答：作为内环调节器，在转速调节过程中，使电流紧紧跟随给定电流变化。对电网电压波动起及时抗扰作用。在转速动态过程中，保证获得电动机最大允许电流，从而加快动态过程。当电动机过载或堵转时，限制电枢电流最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。 二、公式和特性 1.P62 稳态时：Un*=Un=αn=αn0 Ui*=Ui=βId=βIdLUc=Ud0/Ks=(Cen+IdR)/Ks=(Ce(Un*/α)+IdR)/Ks 2.转速反馈系数：α=Un*m/nm 3.电流反馈系数：β=Ui*m/Idm 1.转速电流反馈控制直流调速系统-系统原理图：2.转速电流反馈控制直流调速系统-稳态结构图：3.转速电流反馈控制直流调速系统-动态结构图：1.时间最优的理想过渡过程：2.双闭环直流调速系统静特性第4章 一、可以作为填空题或简答题的 4-1 直流PWM 可逆调速系统中当电动机停止时，电枢电压瞬时值（）零，是（正负脉宽相等的交变脉冲电压），故（电流也是交变的），称为（高频微振电流），其平均值为（），不能产生（平均转矩）。 4-2 高频微振电流对电机有何影响？ 答：消除电机正反向时的静摩擦死区，起动力润滑作用。同时也增大了电机的损耗。 二、公式和特性 1.双极式控制可逆PWM 变换器输出电压平均值：Ud=(2ton/T-1)Us 1.调速系统四象限运行-示意图： 2.桥式可逆PWM 变换器电路-原理图： 3.桥式可逆PWM 调速系统主电路-原理图： 第5章 三、思考题 5-1 对于恒转矩负载，为什么调压调速的调速范围不大？电机机械特性越软调速范围越大吗？ 答：带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为0 5-2 异步电动机变频调速时，为何要电压协调控制？在整个调速范围内，保持电压恒定是否可行？为何在基频以下时，采用恒压频比控制，而在基频以上保持电压恒定？ 答：因为定子电压频率变化时，将导致气隙磁通变化，影响电动机工作。在整个调速范围内，若保持电压恒定，则在基频以上时，气隙磁通将减少，电动机将出力不足；而在基频以下时，气隙磁通将增加，由于磁路饱和，励磁电流将过大，电动机将遭到破坏。因此保持电压恒定不可行。在基频以下时，若保持电压不变，则气隙磁通增加，由于磁路饱和，将使励磁电流过大，破坏电动机，故应保持气隙磁通不变，即保持压频比不变，即采用恒压频比控制；而在基频以上时，受绕组绝缘耐压和磁路饱和的限制，电压不能随之升高，故保持电压恒定。 5-3 异步电动机变频调速时，基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方式？为什么？所谓恒功率或恒转矩调速方式，是否指输出功率或转矩恒定？若不是，那么恒功率和恒转矩调速究竟是指什么？ 答：在基频以下调速，采用恒压频比控制，则磁通保持恒定，又额定电流不变，故允许输出转矩恒定，因此属于恒转矩调速方式。在基频以下调速，采用恒电压控制，则在基频以上随转速的升高，磁通将减少，又额定电流不变，故允许输出转矩减小，因此允许输出功率基本保持不变，属于恒功率调速方式。恒功率或恒转矩调速方式并不是指输出功率或输出转矩恒定，而是额定电流下允许输出的功率或允许输出的转矩恒定。 5-4 基频以下调速可以是恒压频比控制，恒定子磁通φms、恒气隙磁通φm 和恒转子磁通φmr的控制方式，从机械特性和系统实现两个方面分析与比较四种控制方法的优缺点。 答：恒压频比控制最容易实现，其机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能满足一般调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。恒定子磁通φms、恒气隙磁通φm 和恒转子磁通φmr的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通φms和恒气隙磁通φm 的控制方式虽然改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通 φmr控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。 5-5 常用的交流PWM 有三种控制方式，分别为SPWM、CFPWM 和SVPWM，论述它们的基本特征及各自的优缺点。 答：略。 5-6 分析CFPWM 控制中，环宽h 对电流波动与开关频率的影响。 答：略。 5-7 三相异步电动机Y 联结，能否将中性点与直流侧参考点短接？为什么？答：不宜。因为当电动机发生故障或不正常运行时其中性点可能会有不平衡电流流过。 5-8 当三相异步电动机由正弦对称电压供电，并达到稳态时，可以定义电压相量U、电流相量I 等，用于分析三相异步电动机的稳定工作状态，5.4.5 节定义的空间矢量us、is 与相量有何区别？在正弦稳态时，两者有何联系？ 答：空间矢量位置固定（如空间矢量uAO固定在 A 相绕组轴线上），但大小随时间变化；而相量大小是不变的（如有效值相量其大小即为稳态时的有效值），但位置随相角变化。稳态时，空间矢量相当于一种相角固定的瞬时值相量。5-9 采用SVPWM 控制，用有效工作电压矢量合成期望的输出电压，由于期望输出电压矢量是连续可调的，因此，定子磁链矢量轨迹可以是圆，这种说法是否正确？为什么？ 答：不正确。尽管期望输出电压矢量是连续的，然而其作用时间是断续的，因此定子磁链矢量只能是断续的。 5-10 总结转速闭环转差频率控制系统的控制规律，若Us=f（ω1，Is）设置不当，会产生什么影响？一般说来，正反馈系统是不稳定的，而转速闭环转差频率控制系统具有正反馈的内环，系统却能稳定，为什么？ 答： 一、可以作为填空题或简答题的 5-1 简述矢量控制的基本思想。 答：将逆变器和交流电动机视为一体，以在电机内产生圆形旋转磁场为目标来控制变频器工作。 5-2 异步电动机变压变频调速系统中，基频以下调速采用（恒压频比）控制，称为（恒转矩）调速；基频以上采用（保持电压不变）控制，称为（近似的恒功率调速）。为什么？略 5-3 六拍式逆变器控制的异步电动机正六边形定子磁链的大小与（直流侧电压Ud）成正比，而与（电源角频率）成反比。在基频以下调速时，应（保持正六边形定子磁链的最大值恒定）。若直流侧电压Ud恒定，则ω1 越小时，△t 越大， 势必导致（|Ψs（k）|）增大。因此，要保持正六边形定子磁链不变，必须使Ud/ω1 为常数，这意味着在变频的同时必须调节直流电压Ud，造成了控制的复杂性。有效的方法是（插入零矢量）。 5-4 简述转差频率控制的基本思想。 答：保持（气隙磁通φm 不变）的前提下，通过控制（转差频率ωs）来控制（转矩）。 5-5 转差频率控制变压变频调速系统通过（最大转差频率）间接限制（了最大的允许电流）。 5-6 与直流调速系统相似，转差频率控制变压变频调速系统起动过程分为（转矩上升）（恒转矩、升速）与（转速调节）三个阶段：在恒转矩升速阶段，（ASR）不参与调节，相当于（转速开环），在正反馈内环作用下，保持（加速度恒定）；转速超调后，ASR（退出饱和），进入（转速调节阶段），最后达到稳态。 5-7 简述转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统起动过程。 答：转矩上升阶段：恒转矩升速阶段：转速调节： 二、公式和特性 1.公式略 1.异步电动机等效电路图： 2.交-直-交电压源型PWM 变频器主电路：（各个元件作用需知） 3.转速开环变压变频调速系统-系统原理图： 4.转速闭环转差频率控制变压变频调速系统-系统原理图： 1.异步电动机调压调速机械特性： 2.异步电动机转子串阻调速机械特性： 3.异步电动机变压变频调速机械特性： 4.异步电动机变压变频调速控制特性 第6章 一、可以作为填空题或简答题的 6-1 异步电动机的动态数学模型是一个（高阶、非线性、强耦合）的（多变量）系统。 6-2 异步电动机的动态数学模型由（磁链方程、电压方程、转矩方程、运动方程）组成。 6-3 异步电动机每个绕组的磁链是（自感磁链）和（互感磁链）之和。 6-4 绕组间的互感分为哪几类？ 答：定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的互感，因其位置固定，故为常值。定子任一相与转子任一相之间的互感，因其相对位置变化，故为（角位移）的函数。 6-5 为什么说异步电动机的三相原始数学模型不是物理对象最简洁的描述？ 答：由异步电动机三相数学模型的约束条件（。。。）可知，对于无中性线Y/Y 联结绕组的电动机，三相变量中只有两相是独立的。 6-6 不同坐标系中电动机模型等效的原则是：（在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等） 6-7 三相绕组可以用（互相独立的两相正交对称绕组）等效代替，等效的原则是（）。 6-8 坐标变换有（3/2 变换及其反变换）和（2r/2s 变换及其反变换）。 6-9 异步电动机通过坐标变换简化其数学模型时，若以静止正交坐标为变换方向，定转子绕组的变换方式有何不同？ 答：异步电动机定子绕组是静止的，因此只要进行（3/2 变换）即可，而转子绕组是旋转的，因此必须通过（3/2 变换）及（2r/2s 变换），才能变换到（静止两相正交坐标系）。 6-10（3/2 变换）将（按2π/3 分布的三相绕组）等效为（互相垂直的两相绕组），消除了（定子三相绕组间）以及（转子三相绕组间）的相互耦合，减小了状态变量的维数，简化了定转子的自感矩阵。 6-11（2r/2s 变换）将（相对运动的定转子绕组）等效为（相对静止的等效绕组），消除了（定转子绕组间夹角对磁链和转矩的影响）。 6-12（2r/2s 变换）将非线性耦合矛盾从磁链方程转移到电压方程，没有改变对象的（非线性耦合程度。） 6-13（2s/2r 变换）是用（旋转绕组）代替（原来静止的定子绕组），并使等效的转子绕组与等效的定子绕组（重合），且保持（严格同步），等效后定转子绕组间（不存在）相对运动。 6-14（静止正交坐标系动态数学模型）—>（旋转正交坐标系动态数学模型）转速为（）。 6-15 旋转正交坐标系的优点在于（增加了一个输入量ω1，提高了系统控制的自由度）。 二、公式和特性 1.异步电动机三相动态数学模型：磁链方程+电压方程+转矩方程+运动方程+约束条件： 第一章：闭环控制的直流调速系统00000 1-1 为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM系统与V-M系统相比，在很多方面有较大的优越性： （1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，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配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； （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，开关损耗也大， 因而装置效率较高； （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高； 1-2 试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的。答：如图P13，1-17，制动状态时，先减小控制电压，使U g1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压U d降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成E＞U d，很快使电流i d反向，VD2截止，在t on≤t＜T时，U g2变正，于是VT2导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗制动作用。在T≤t＜T+t on(即下一周期的0≤t＜T on)时，VT2关断，-i d沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的。 有一种特殊状态，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT1关断后i d经VD2续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD2两端电压也降为零，VT2便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。 1-3 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容易得多了”?答：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 电力系统分析课后习题解答 第1章 绪论 1-1 答：能保证电气设备正常运行，且具有最佳技术指标和经济指标的电压，称为额定电压。 用电设备的额定电压和电网的额定电压相等。 发电机的额定电压比所连接线路的额定电压高5％，用于补偿电网上的电压损失。 变压器一次绕组的额定电压等于电网的额定电压。 当升压变压器与发电机直接相连时，一次绕组的额定电压与发电机的额定电压相同。 变压器二次绕组的额定电压一般比同级电网的额定电压高10％。 当变压器二次侧输电距离较短，或变压器阻抗较小（小于7％）时，二次绕组的额定电压可只比同级电网的额定电压高5％。 1-2 答：一般情况下，输电线路的电压越高，可输送的容量（输电能力）就越大，输送的距离也越远。因为输电电压高，线路损耗少，线路压降就小，就可以带动更大容量的电气设备。 在相同电压下，要输送较远的距离，则输送的容量就小，要输送较大的容量，则输送的距离就短。当然，输送容量和距离还要取决于其它技术条件以及是否采取了补偿措施等。 1-3 答：是一个假想的时间，在此时间内，电力负荷按年最大负荷持续运行所消耗的电能，恰好等于该电力负荷全年实际消耗的电能。 1-4 解：（1）G ：10.5kV ；T-1：10.5kV/242kV ；T-2：220kV/121kV ，220kV/38.5kV ；T-3：110kV/11kV ； T-4：35kV/6.6kV ；T-5：10.5kV/3.3kV ，（长线路） 10.5kV/3.15kV （短线路） （2）T-1工作于+5%抽头：实际变比为10.5/242×（1+5%）=10.5/254.1，即K T-1=254.1/10.5=24.2； T-2工作于主抽头：实际变比为K T-2(1-2)=220/121=1.818；K T-2(1-3)=220/38.5=5.714； K T-2(2-3)=121/38.5=3.143； T-3工作于-2.5%抽头：实际变比为K T-3=110×(1-2.5%)/11=9.75； T-4工作于-5%抽头：实际变比为K T-4=35×(1-5%)/6.6=5.038； T-5工作于主抽头：实际变比为K T-5=10.5/(3+3×5%)=3.333。 1-5 解：由已知条件，可得日总耗电量为 MW 204027041204902804100280450270=?+?+?+?+?+?+?+?=d W 则日平均负荷为MW 8524 2040 24=== d av W P 负荷率为708.012085max m === P P k av ；最小负荷系数为417.0120 50max min ===P P a 1-6 解：系统年持续负荷曲线如图所示。 由题1-5可得年平均负荷为MW 858760 365 20408760=?== d av W P 最大负荷利用小时数为 h 6205120 3652040max =?== P W T 习题解答（供参考） 习题二 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？ 解：10000.02(100.98) 2.04(1) n n s n rpm D s ?= =??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 。 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为0max 1500min n r =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落15min N n r ?=，且在不同转速下额定速降 不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？ 解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?== 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=Ω。相控整流器内阻Rrec=Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？ 解：()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R rpm ?==?+= (1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33N D n S n s =?-=??-= 某龙门刨床工作台采用 V-M 调速系统。已知直流电动机 60,220,305,1000min N N N N P kW U V I A n r ====，主电路总电阻R=Ω,Ce=?min/r,求： （1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落N n ?为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率N S 多少？ （3）若要满足D=20,s ≤5%的要求，额定负载下的转速降落N n ?又为多少? 解：(1)3050.180.2274.5/min N N n I R r ?=?=?= (2) 0274.5(1000274.5)21.5%N N S n n =?=+= (3) [(1)]10000.05[200.95] 2.63/min N n n S D s r ?=-=??= 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压* 8.8u U V =、比例调节器放 大系数2P K =、晶闸管装置放大系数15S K =、反馈系数γ=。求：（1）输出电压d U ；（2）若把反馈线断开，d U 为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？（3）若把反馈系数 减至γ=，当保持同样的输出电压时，给定电压*u U 应为多少？ 解：（1）* (1)2158.8(12150.7)12d p s u p s U K K U K K V γ=+=??+??= (2) 8.8215264d U V =??=,开环输出电压是闭环的22倍 (3) * (1)12(12150.35)15) 4.6u d p s p s U U K K K K V γ=+=?+???= 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min~150r/min ，要求系统的静差率5%s ≤，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min ，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？ 解： 1）()s n s n D N N -?=1/ 《电力拖动自动控制系统》参考答案： 第一章 一、填空题： 1.答案：静止可控整流器直流斩波器 2.答案：调速围静差率. 3.答案：恒转矩、恒功率 4.答案：脉冲宽度调制 二、判断题： 答案：1.×、2. √、 三、问答题： 1.答案：生产机械的转速n与其对应的负载转矩T L的关系。1.阻转矩负载特性； 2.位转矩负载特性； 3.转矩随转速变化而改变的负载特性，通风机型、恒功率、转矩与转速成比例； 4.转矩随位置变化的负载特性。 2.答案：放大器的放大系数K p，供电电网电压，参数变化时系统有调节作用。电压负反馈系统实际上只是一个自动调压系统，只有被反馈环包围部分参数变化时有调节作用。 3.答案：U d减少，转速n不变、U d增加。 4.答案：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速围。当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落与理想空载转速之比，称作转差率。静态速降值一定，如果对静差率要求越严，值越小时，允许的调速围就越小。 5.答案：反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。系统能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用。但完全服从给定作用。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。可见，测速发电机的励磁量发生变化时，系统无能为力。 6.答案：采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统。积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，原因是积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史。可以实现无静差调速。 四、计算题： 1.答案：开环系统的稳态速降：354.33r/min；满足调速要求所允许的稳态速降：8.33r/min；闭环系统的开环放大系数：41.54 2.答案：42.5N?M， 3.41N?M 3.答案：T=62.92N?M，n=920r/min，cosФ=0.78 4.答案：α=0。时n0=2119r/min, α=30。时n0=1824r/min，α=31.1。，cosФ=0.82，s=0.0395。 5.答案：D=4.44，s=0.048，Δn=5.3r/min。 6.答案：系统允许的稳态速降：3.06r/min，开环放大系数：31.7 7.答案：系统的开环放大系数从4.7变为17.9 8.答案：s=0.86，Δn cl=5.56r/min，K p=27.8，α=0.0067V?min/r。 9.答案：调速围D=10，允许静差率s=10%。 10.答案：允许的静态速降Δn cl=3.06r/min，闭环系统的开环放大系数K=31.7。 第二章 一、填空题： 1.跟随抗扰环ACR 外环ASR 2.典型Ⅰ型典型Ⅱ型 第一章 1、电力系统的额定电压是如何定义的？电力系统中各元件的额定电压是如何确定的？ 经济指标的电压。 电力系统各元件的额定电压：a.用电设备的额定电压应与电网的额定电压相同。 b.发电机的额定电压比所连接线路的额定电压高5%，用于补偿线路上的电压损失。 c.变压器的一次绕组额定电压等于电网额定电压，二次绕组的额定电压一般比同级电网的额定电压高10%。 2、电力线路的额定电压与输电能力有何关系？ 况下，输电电压高，线路损耗少，线路压降就小，就可以带动更大容量的电气设备。 3、什么是最大负荷利用小时数？ 的电能，恰好等于该电力负荷全年消耗的电能。 第二章 1、分裂导线的作用是什么？分裂导线为多少合适？为啥？ 小，分裂的根数越多，电抗下降也越多，但是分裂数超过4时，电抗的下降逐渐趋缓。所以最好为4分裂。 2、什么叫变压器的空载试验和短路试验？这两个试验可以得到变压器的哪些参数？ 得变压器的空载损耗和空载电流 变压器的短路试验：将变压器高压侧加电压，低压侧短路，使短路绕组的电流达到额定值。此实验可以测得变压器的短路损耗和短路电压。 3、对于升压变压器和降压变压器，如果给出的其他原始数据都相同，它们的参数相同吗？为啥？ （包含给定的空载损耗，变比，短路损耗，短路电压），那么这两台变压器的性能就是一致的，也就是说可以互换使用，但是实际上不可能存在这样的变压器，我们知道出于散热和电磁耦等因数的考虑，一般高压绕组在底层（小电流），低压绕组在上层（大电流，外层便于散热）。绕组分布可以导致一二次绕组的漏磁和铜损差别较大，故此无法做到升压变压器和降压变压器参数完全一致。 4、标幺值及其特点是什么?电力系统进行计算式，如何选取基准值？ 答：标幺值是相对于某一基准值而言的，同一有名值，当基准值选取不同时，其标幺值也不同。它们的关系如下：标幺值=有名值/基准值。其特点是结果清晰，计算简便，没有单位，是相对值。电力系统基准值的原则是：a.全系统只能有一套基准值b.一般取额定值为基准值c.电压、电流、阻抗和功率的基准值必须满足电磁基本关系。 5、什么叫电力线路的平均额定电压？我国电力线路的平均额定电压有哪些？答：线路额定平均电压是指输电线路首末段电压的平均值。我国的电力线路平均额定电压有3.15kv、6.3kv、10.5kv、15.75kv、37kv、115kv、230kv、345kv、525kv。 第三章 1、什么是电压损耗和电压偏移？ 压同网络该处的额定电压之间的数值差。 2、如何计算输电线路和变压器阻抗元件上的电压降落？电压降落的大小主要取决于什么量？电压降落的相位主要取决于什么量？什么情况下会出现线路末端电压大于线路首端电压？答：电压降落是指变压器和输电线路两端电压的向量U=(PR+QX)/U，相位主要取决于电压降落的横行分量△U=(PX-QR)/U，当线路末端的功率为容性负荷时，如线路空载，只有充电功率时，由于X>>R，由计算公式可见，会出现首端电压低于末端电压的情况。 3、如何计算输电线路和变压器的功率损耗？其导纳支路上的功率损耗有何不同？答：输电线路和变压器功率损耗可以根据输电线路和变压器的等效电路按照电路的基本关系通过计算阻抗和导纳支路的功率损耗来进行，不同的是，线路导纳损耗是容性无功功率，而变压器导纳支路损耗是感性的无功功率。 4、求闭环网络功率分布的力矩法计算公式是什么？用力矩法求出初始功率分布是否考虑了网络中的功率损耗和电压降落？ 5、什么是循环功率？多极环网在什么情况下会出现循环功率？ 功率。变压器的变比K1与K2，当K1≠K2时则存在循环功率。 6、有哪些降低网损的技术措施？答：减少无功功率的传输，在闭式网络中实第四章 1、电力系统频率偏高偏低有哪些危害？ 降低，影响电子设备的准确度。b.频率变化对发电厂和电力系统本身的影响：频率降低将使它们的出力降低，若频率降低过多，有可能使电动机停止运转，这会引起严重后果。电力系统在低频率运行时，容易引起汽轮机低压叶片的共振，缩短汽轮机叶片的寿命，严重时会是叶片断裂造成重大事故。电力系统的频率降低时，异步电动机和变压器的励磁电流将大为增加，引起系列的无功功率损耗增加，在系统中备用无功电源不足的情况下，将导致电压的降低。 2、什么是电力系统频率的一次和二次调整？电力系统有功功率负荷变化的情况与电力系统的频率一次和二次调整有何关系？ 量的发电机组都自动参加频率调整。二次调整：通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移动，从而使负荷变动引起的频率偏移缩小在允许波动范围内。关系：负荷变化幅度较大，周期较长的，一次调整和二次调整同时参与，负荷变化幅度小，周期短时只需一次调频。 3、什么是电力系统负荷的有功功率—频率的静态特性？什么是有功负荷的频率调节效应？何为发电机组的有功功率—频率静态特性？发电机的单位调节功率是什么？答：当电力系统稳态运行时，系统中有功功率随频率变化的特性。当系统中有功功率失去平衡时而引起频率变化，系统负荷也参与对频率的调节，这种特性有助于系统中有功功率在新的频率值下重新获得平衡，这种现象称为负荷的频率调节效应。发电机输出的有功功率与系统频率的关系。发电机单位调节功率KG表示当频率下降或上升1HZ时发电机增发或减发的功率值。 4、什么是电力系统的单位调节功率？试说明电力系统频率的一次调频和二次调频的基本原理。答：电力系统的单位调节功率即电力系统的功率-频率静态特性系数，它表示在计及发电机组和负荷的调节效应时，引起频率单位变化的负荷变化量。当负荷变化引起频率偏差时，系统中的某些发电机组装有调速器又留有可调容量就可以参加频率调整，自动地增加或减小机组的功率，从而达到新的平衡，这是一次调频的原理。通过操作调频器，使发电机组的频率特性平行的移动，从而使负荷变动引起的频率偏移缩小在允许波动范围内，这是二次调频的原理。 5、互联电力系统怎么样调频才合理？为啥？ 调整频率时，必须注意联络线功率交换的问题。若互联电力系统发电机功率的二次调整增量△PG能与全系统负荷增量△PD相平衡，则可实现无差调节，即△f=0，否则会出现频率偏移。 第五章 1、电压变化对用户有什么影响？电力系统中无功功率平衡与节点电压的关系？性变差。电压过高会大大缩短照明灯的寿命，也会对设备的绝缘产生不利影响。电压过低会引起发热，甚至损坏。系统电压崩溃。无功功率平衡与节点电压的关系：当系统出现无功功率缺额时，系统各负载电压降下降；当系统出现无功功率过剩时，系统负荷电压将上升。因为电力系统中每一元件都有可能产生电压降落，所以电力系统中各点电压不相同，不可能同时将所有节点保持在额定电压。 2、电力系统中无功负荷和无功功率损耗主要指什么？ 即为无功负荷。无功损耗指电力线路上的无功损耗和变压器的无功损耗。 3、电力系统中无功功率电源有哪些？发电机的运行极限是如何确定的？ 的等值电路向量图后，以Vn末端为原点，Vn为X轴（Q），Y轴为P，找到额定运行点C，则水平线PgnC就是原动机出力限制。 4、电力系统中电压中枢点一般选在何处？电压中枢点的调压方式有哪几种？哪一种方式容易实现？那一种不容易实现？答：一般可选择下列母线作为电压中发电厂母线。调压方式：逆调压，顺调压，常调压。顺调压易实现，采用顺调压方式的中枢点电压，在最大负荷时，允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的102.5%，即1.25VN；在最小负荷时允许中枢点电压高一些，但不等于线路额定电压的107.5%。逆调压最不容易实现，采用逆调压方式的中枢点电压，在最大负荷时较线路的额定电压高105%；在最小负荷时等于线路的额定电压即1.0VN。常调压只要把中枢点电压保持在较线路额定电压高102%～105%的数值，即1.02～1.05VN。 5、电力系统调压的基本原理是什么？电力系统有哪几种主要调压措施？当电力系统无功不负时，是否可以只通过改变变压器的变比？为什么？ 过有载分接开关，在不切断负荷电流的情况下，由一分接头切换到另一分接头，以变换有效匝数，达到调节电压的目的。 b.调压措施：改变发电机端电压调压，改变变压器分接头调压，利用并联补偿设备调压，利用串联电容器补偿调压。 c.不能，因为改变变压器的电压从本质上并没有增加系统的无功功率，这样以减少其他地方的无功功率来补充某地由于无功功率不足而造成的电压低下，其他地方则有可能因此人造成无功功率不足，不能根本性解决整个电力网的电压质量问题，所以，必须首先进行无功补偿，再进行调压。 6、试比较并联电容补偿和串联电容补偿的特点，极其在电力系统中的应用。答：并联电容器：a.特点：是最经济最方便的补偿设备，但控制性能最差。 b.应用：分散安装在各用户处和一些降压变压所的10KV或35KV母线上使高低压电力网（包括配电网）的电压损耗和功率损耗都得到减小，在高峰负荷时能提高全网的电压水平，在负荷较低时，可以切除部分并联电容器，防止电压过高。串联电容器：a.特点：串联电容器提升的末端电压的数值QXc/V（即调压效果）随无功负荷增大而增大，随无功负荷的减小而减小，恰与调压要求一致。但对负荷功率因数字或导线截面小的线路，由于PR/V分量的比重大，串联补偿的调压效果就很小。 b.应用：只用于110KV以下电压等级，长度特别大或有冲击负荷的架空分支线路上，220KV以下电压等级的远距离输电线路中采用串联电容补偿，作用在于提高运行稳定性和输电能力。 第六章 1、为什么要进行派克变换？其实质是什么？ a、转子的旋转使定子绕组间产生相对运动，使定转子绕组间的互感系数发生相应的周期变化 b、转子在磁路上只是分别对于α轴和q轴对称而不是任意对称的，转子旋转也导致定子各绕组的自感和互感周期性变化，所以引入派克方程线性变换。其实质是将变系数微分方程变换成常系数微分方程。 2、同步发电机稳定运行的电势方程、等值电路及向量图的形式如何？ 其中EQ=Eq-j（Xd-Xq）Id。 P165-P166。 3、虚拟电势EQ有何意义？Eq的物理意义是什么？答：在凸极机中，Xd≠Xq，这不便于实际应用。为了能用一个等值电路来代表凸极同步发电机，或者仅用定子全电流列写电势方程便提出了虚拟电势EQ。Eq一般指空载电动势。 第七章 1、什么是短路冲击电流？它在什么条件下出现？与短路电流周期分量有什么关系？答：短路冲击电流指短路电流最大可能的瞬时值，用i im表示。其主要作用电源电势刚好过零值（即合闸角为0）的时候，即发生短路后约半个周期时出现。其与I pm的关系是i im=I pm+I pm e?0.01/Ts。 2、什么是短路电流的最大有效值？其计算公式是什么？ 答：短路电流的最大有效值是指以 t 时刻为中心的一周期内短路全电流瞬时值的均方根值。其计算式是I im=I p 1+2（k im?1）2。（当冲击系数k im=1.9时，I im=1.62I p；当k im=1.8时，I im=1.51I p，其中I p为短路电流的强制分量，其变 化规律与外加电源电势变化规律相同。） 3、什么是短路功率（短路容量）？其标幺值是否等于短路电流标幺值？为什么？ （一般用平均额定电压）的乘积。短路功率的标幺值等于短路电流的标幺值，因为St?= V av ItIt=I B IBIBt?。 4、无阻尼绕组同步发电机突然三相短路时，定子和转子绕组中出现了哪些电流分量？试用磁链守恒原理说明它们如何产生的。 答：无阻尼绕组同步发电机突然三相短路时，定子电流中出现的分量包括：a、基频交流分量（含强制分量和自由分量），衰减时间常数为Td′；b、倍频交流分量（若d、q磁阻相等，无此量），衰减时间常数为Tb；c、直流分量（自由分量），衰减时间常数为Ta。转子电流中出现的分量包含：a、直流分量（含强制分量和自由分量），自由分量的衰减时间常数为Td′；b、基频分量（自由分量），其衰减时间常数为Ta。 产生的原因包括：a、三相短路瞬间，由于定子回路阻抗减小，定子电流突然增大，电枢反应使得转子f绕组中磁链突然增大，f绕组为保持磁链守恒，将增加一个自由直流分量，并在定子回路中感应基频交流，最后定子基频分量与转子直流分量达到相对平衡（其中的自由分量要衰减为0）b、同样，定子绕组为保持磁链守恒，将产生一脉动直流分量（脉动是垂直于d、q不对称），该脉动直 第二章 2-1：答：在制动阶段，VT1始终不导通。VT2导通期间，并能耗制动；VT2不导通期间， VD1续流，并回馈制动。 2-2：由 10100 1000== D ； rpm s D s n n n N N cl 04.298 .01002.01000) 1(=??≤ -= ?=?； 2-3：已知 rpm n n n N 1500max max 0=?+= rpm n n n N 150min min 0=?+= max n n N =，rpm n N 15=? 所以1115 150151500min max =--= = n n D 1.015 11148515 11=?+?= ?+?= D n n D n s N N N 2-4： r v n R I U C N a N N e min/1478.0/)(?=-= rpm C R R I n e s a N op 1.1151478.0/045.0378/)(=?=+=? 1.38.0*1.115 2.0*1430) 1(==-?=s n s n D N N 32 .57 .0*1.1153.0*1430) 1(== -?= s n s n D N N 2-5： rpm C R I n e N op 5.2742.0/18.0305/=?==? /()27.45%N op N op s n n n =?+?= rpm s D s n n n N N cl 63.295 .02005.01000) 1(=??≤ -= ?=? 2-6： v K K U K K U s p u s p dcl 121 =+= γ 264==u s p dop U K K U 22/=dcl dop U U v U K K K K U dcl s p s p u 6.41=+= γ 2-7： 10=D 浅析电力拖动自动控制系统 【摘要】电力拖动控制系统是一种较为重要的控制系统，其在工业生产中发挥着很大的作用，随着社会的发展以及科技的推动，这一系统开始趋向于自动化的应用形式。电能在人们的生活中发挥着重要的作用，电器的种类越来越多，现代社会对电力的需求量也越来越大，所以，自动化的电力拖动控制系统，可以更好的满足人类社会对电力的需求。本文分析了电力拖动自动控制系统的设计原理，还介绍了电力拖动自动控制系统的安全防护，希望对相关电力人员有所帮助，使相关企业生产可以更加安全、稳定的进行。 【关键词】电力拖动；系统；自动控制；原理；安全防护 电力拖动系统在工业领域应用极其广泛，伴随着我国科技的发展，工业企业的生产效率越来越高，人类社会对电能的需求量也越来越大。很多工业企业引进了先进的机械设备，提高了企业的生产水平，同时也对电力拖动控制系统提出了更高的要求，所以，电力拖动控制系统的自动化也是企业未来发展的必然趋势。电力拖动自动控制系统是对传统系统的改进与优化，这种系统在运行的过程中，更加安全稳定，而且满足了企业对自动化机械设备生产运行的要求。为了使电力拖动自动控制系统发挥更大的效用，相关人员要研究出更加完善的安全防护措施，这也可以为企业增产以及效益提升做出更大的贡献。 1.电力拖动自动控制系统的设计原理 电力拖动控制系统在工业企业生产中发挥着重要的作用，工作人员在系统运行的过程中，可以更好的掌握电动机的运行状况，还可以通过信息反馈，了解企业生产运行机制的运转情况，比较常见的反馈信息是电流信息。电力拖动控制系统中包含着很多的构件，其中电气设备是生产运行机制中比较重要的系统，其也是企业实现机械自动控制的关键因素。在利用计算机设备，可以在系统运行的过程中，可以直观的从显示器中，了解设备的运行状况，通过计算机等设备的信息反馈，可以有效的实现电力拖动的自动化控制。 实现电力拖动控制系统的自动化运行，需要借助先进的计算机技术，相关工作人员通过计算机信息的反馈，以及企业生产需求的变化，可以有效的制定出不同的控制方案，还可以实现机械运行的自动化生产。在这一过程中，计算机的编程起着至关重要的作用，计算机不但具有强大的计算等功能，还具有操作便捷等特点，所以，工作人员一定要多了解计算机相关知识，这样才能编制出独立的驱动程序，实现多种设备的自动控制。工作人员还要利用计算机操作技术，实现系统的对接测试，这些步骤有利于简化电力拖动自动化控制编程。电力拖动自动控制系统的各项参数可以认为调动，根据不同的要求，技术人员可以更改编程，所以这项工作具有一定的变动性。但是从系统的设计原理来看，电力拖动自动控制系统在调整的过程中，需要遵循一定的设计原则，其主要是利用计算机作为控制中心，而且是通过信号传输完成下达命令以及执行命令这一系列工作。 第3章习题 1. 答：无限大容量电源供电系统是指内阻抗为零的电源，即其容量相对于用户供电系统容量大得多的电力系统，当用户供电系统的负荷变动甚至发生短路时，电力系统变电所馈电母线上的电压能基本维持不变。 无限大容量系统发生三相短路后，短路电流在达到稳定之前，经过一个暂态过程。在短路暂态过程中，存在短路非周期分量电流和短路电流周期分量。短路非周期分量电流是由于短路初始瞬间电流不能突变而产生的一个按指数规律衰减电流，该电流衰减完，暂态过程结束而达到稳定状态。短路电流周期分量是短路后短路回路阻抗突然减小而增大很多倍的电流，短路后一直存在，短路暂态过程结束后只有该分量存在。 2. 答：短路全电流：短路后短路回路中存在的电流，为短路电流周期分量与非周期分量之和。 短路电流的周期分量：因短路后短路回路阻抗突然减小很多倍，而按欧姆定律应突然增大很多倍的电流。 短路电流的非周期分量：因电路含有电感，电路电流不可能突变，而按愣次定律感生的用以维持短路初始瞬间电流不致突变的一个反向衰减性电流。 短路冲击电流：为短路全电流中的最大瞬时值。短路后经半个周期，短路全电流达到最大值，此时的电流即短路冲击电流。 短路稳态电流：是短路电流非周期分量衰减完毕以后的短路全电 流。 短路容量：称短路功率，等于短路电流周期分量有效值与短路处的正常工作电压（平均额定电压）的乘积。 3. 答：因电压在线路上有损失，而使线路首末端电压不同，所以短路计算中采用平均电压。 平均电压为线路首末端电压的和除以2，若线路末端电压为额定电压，则首端电压应比额定电压高10％，这样平均电压为1.05倍的额定电压。 额定电压为国家根据经济技术需要统一制定的标准电压。4. 答：供电系统发生短路时，短路电流是相当大的，如此大的短路电流通过电器和导体就会产生很大的电动力，即短路电流的力效应。 供电系统发生短路时，短路电流特别是短路冲击电流将使相邻导体之间产生很大的电动力，有可能使电器和载流部分遭受严重损坏，所以要用短路冲击电流来计算。 5. 答：供电系统发生短路时，短路电流是相当大的，如此大的短路电流通过电器和导体就会产生很高的温度，即短路电流的热效应。 因短路全电流的有效值在整个短路过程中不是常数，为便于计算，在工程上以短路稳态电流来代替短路全电流进行计算。 6.答：短路发热的假想时间是指在此时间内，假定导体通过短路稳态电流所产生的热量，恰好与实际短路电流在实际短路 电力拖动自动控制系统运动控制系统第版习题 答案 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】 习题解答（供参考） 习题二 2.2 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？ 解：10000.020.98) 2.04(1) n n s n rpm D s ?= =??=- 系统允许的静态速降为2.04rpm 。 2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为0max 1500min n r =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落15min N n r ?=，且在不同转速下额定速降 不 变，试问系统能够达到的调速范围有多大系统允许的静差率是多少 解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下） 2) 静差率 01515010%N s n n =?== 2.4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=0.023Ω。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？ 解：()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。已知直流电动机 60,220,305,1000min N N N N P kW U V I A n r ====，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2Vmin/r, 求： （1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落N n ?为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率N S 多少？ （3）若要满足D=20,s ≤5%的要求，额定负载下的转速降落N n ?又为多少? 解：(1)3050.180.2274.5/min N N n I R Ce r ?=?=?= (2) 0274.5(1000274.5)21.5%N N S n n =?=+= (3) (1)]10000.050.95] 2.63/min N n n S D s r ?=-=??= 2.6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压* 8.8u U V =、比例调节 器放大系数2P K =、晶闸管装置放大系数15S K =、反馈系数γ=0.7。求：（1）输出电压 d U ；（2）若把反馈线断开，d U 为何值开环时的输出电压是闭环是的多少倍（3）若把反 馈系数减至γ=0.35，当保持同样的输出电压时，给定电压*u U 应为多少？ 解：（1）*(1)2158.8(12150.7)12d p s u p s U K K U K K V γ=+=??+??= 习题解答（供参考） 习题二 2.2 系统的调速范围是1000~100 min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？ 解： 10000.02(100.98) 2.04(1) n n s n rpm D s ?= =??=- 系统允许的静态速降为 2.04rpm 。 2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为 0max 1500min n r =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负 载时的速度降落15min N n r ?=，且在不同转速下额定速降 不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？ 解：1）调速范围 max min D n n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n =-?=-= min 0min 15015135N n n n =-?=-= max min 148513511D n n === 2) 静差率 01515010%N s n n =?== 2.4 直流电动机为P N =74kW,UN=220V ，I N =378A ，n N =1430r/min ，Ra=0.023Ω。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？ 解： ()(2203780.023)14300.1478N N a N Ce U I R n V rpm =-=-?= 378(0.0230.022)0.1478115N n I R C e r p m ?==?+= [(1)]14300.2[115(10.2)] 3.1N D n S n s =?-=??-= [(1)]14300.3[115(10.3)] 5.33 N D n S n s =?-=??-= 2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。已知直流电动机，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V ?min/r,求： （1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落 N n ?为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 N S 多少？ （3）若要满足D=20,s ≤5%的要求，额定负载下的转速降落 N n ?又为多少? 解：(1) 3050.180.2274.5/min N N n I R Ce r ?=?=?= (2) 0274.5(1000274.5)21.5%N N S n n =?=+= (3) [(1)]10000.05[200.95] 2.63/min N n n S D s r ?=-=??= 2.6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压 * 8.8u U V =、比例调节器放大系数2P K =、晶闸管装置放大系数 15S K =、反馈系数γ=0.7。求：（1）输出电压d U ；（2）若把反馈线断开，d U 为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？（3）若 把反馈系数减至γ=0.35，当保持同样的输出电压时，给定电压 * u U 应为多少？ 解：（1） * (1)2158.8(12150.7)12d p s u p s U K K U K K V γ=+=??+??= (2) 8.8215264d U V =??=,开环输出电压是闭环的22倍 (3) * (1)12(12150.35)(215) 4.6u d p s p s U U K K K K V γ=+=?+???= 2.7 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min~150r/min ，要求系统的静差率5%s ≤，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态 速降是100r/min ，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？ 解： 1） ()s n s n D N N -?=1/ 1015002%/98%N n =??? 15002%/98%10 3.06/min N n r ?=??= 2） () 7.31106.3/1001/=-=-??=cl op n n K 第2章 三、思考题 2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？ 答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。特点略。 2-2 简述直流PWM 变换器电路的基本结构。 答：直流PWM 变换器基本结构如图，包括IGBT 和续流二极管。三相交流电经过整流滤波后送往直流PWM 变换器，通过改变直流PWM 变换器中IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。 2-3 直流PWM 变换器输出电压的特征是什么？ 答：脉动直流电压。 2=4 为什么直流PWM 变换器-电动机系统比V-M 系统能够获得更好的动态性能？ 答：直流PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。其中直流PWM 变换器的时间常数Ts 等于其IGBT 控制脉冲周期（1/fc），而晶闸管整流装置的时间常数Ts 通常取其最大失控时间的一半（1/（2mf）。因fc 通常为kHz 级，而 f 通常为工频（50 或60Hz）为一周内），m 整流电压的脉波数，通常也不会超过20，故直流PWM 变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。 2=5 在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？ 答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流PWM 变换器的输出。电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。 2-6 直流PWM 变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？ 答：为电动机提供续流通道。若二极管断路则会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电压。 2-7 直流PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？ 答：不是。因为若开关频率非常高，当给直流电动机供电时，有可能导致电枢电流还未上升至负载电流时，就已经开始下降了，从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运转。2=8 泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何抑制？ 答：泵升电压是当电动机工作于回馈制动状态时，由于二极管整流器的单向导电性，使得电动机由动能转变为的电能不能通过整流装置反馈回交流电网，而只能向滤波电容充电，造成电容两端电压升高。泵升电压过大将导致电力电子开关器件被击穿。应合理选择滤波电容的容量，或采用泵升电压限制电路。 2-9 在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负载增加而降低？ 答：负载增加意味着负载转矩变大，电机减速，并且在减速过程中，反电动势减小，于是电枢电流增大，从而使电磁转矩增加，达到与负载转矩平衡，电机不再减速，保持稳定。故负载增加，稳态时，电机转速会较增加之前降低。 2-10 静差率和调速范围有何关系？静差率和机械特性硬度是一回事吗？举个例子。 答：D=（nN/△n）（s/（1-s）。静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的，）而机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落的。 2-11 调速范围与静态速降和最小静差率之间有何关系？为什么必须同时提才有意义？ 答：D=（nN/△n）（s/（1-s）。因为若只考虑减小最小静差率，则在一定静态速降下，允许） 允许的最小转差率又大得不能满足要求。因此必须同时提才有意义。 2=12 转速单闭环调速系统有哪些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如 1-1为什么PWM-电动机系统比晶闸管----电动机系统能够获得更好的动态性能？ 答：PWM 开关频率高，响应速度快，电流容易连续，系统频带宽，动态 响应快，动态抗扰能力强。 1-2试分析有制动通路的不可逆PWM 变换器进行制动时，两个VT 是如何工作的？ 答：制动时，由于1g U 的脉冲变窄而导致d i 反向时，U g2 变正，于是VT 2导通， VT 2导通，VT 1关断。 1-3调速范围和静差率的定义是什么？调速范围，静态速降和最小静差之间有什么 关系？为什么脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了？ 答：生产机械要求电动机提供的最高转速 max n 和最低转速min n 之比叫做调速范围， 用字母D 表示，即：min max n n D = 负载由理想空载增加到额定值时，所对应的转速降落N n ? 与理想空载转速min 0n 之比，称为系统的静差率S,即：min 0n n s N ?= 调速范围，静差速降和最小静差之间的关系为： ) 1(s n s n D N N -?= 由于在一定的N n 下，D 越大，min n 越小N n ? 又一定，则S 变大。所以，如果不考虑D ，则S 的调节也就会容易， 1-4．某一调速系统，测得的最高转速特性为min /1500max 0r n =，最低转速特性为 min /150min 0r n =，带额定负载的速度降落min /15r n N =?，且不同转速下额定速降N n ?不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多大？ 解 1115 150151500min 0max 0min max =--= ?-?-= = N N n n n n n n D %10150 15min 0== ?=n n s ★采用计算机控制电力传动系统的优越性在于：（1）可显著提高系统性能。采用数字给定、数字控制和数字检测，系统精度大大提高可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，以提高系统抗干扰能力（2）可采用各种控制策略。可变参数PID和PI控制；自适应控制；模糊控制；滑模控制；复合控制。（3）可实现系统监控功能。状态检测；数据处理、存储与显示；越限报警；打印报表等。 ★数字测速方法：1. 旋转编码器：光电转换；增量式旋转编码器； 脉冲数字（P/D）转换方法：（1）M法—脉冲直接计数方法；（2）T 法—脉冲时间计数方法；（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法 M法测速：工作原理：由计数器记录PLG发出的脉冲信号；定时器每隔时间T c向CPU发出中断请求INTt；CPU响应中断后，读出计数值M1，并将计数器清零重新计数；根据计数值M 计算出对应的转速值n。 ★计算公式：式中Z为PLG每转输出的脉冲个数； ★M法测速的分辨率： ★M法测速误差率：在上式中，Z 和T c均为常值，因此转速n 正比于脉冲个数。高速时Z大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大，转速过低时将小于1，测速装置便不能正常工作。所以，M法测速只适用于高速段。 ★T法测速：工作原理：计数器记录来自CPU的高频脉冲f0；PLG每输出一个脉冲，中断电路向CPU发出一次中断请求；CPU 响应INTn中断，从计数器中读出计数值M2，并立即清零，重新计数。 ★计算公式： ★T法测速的分辨率： ★Ｔ法测速误差率：低速时，编码器相★邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。 ★两种测速方法的比较：M法测速在高速段分辨率强；T法测速在低速段分辨率强。因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既检测T c时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。 ★M/T法测速：电路结构 ★工作原理：T0定时器控制采样时间；M1计数器记录PLG脉冲；M2计数器记录时钟脉冲。 ★计算公式：电力拖动自动控制系统(第三版)_陈伯时_习题答案(全部)
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