电力拖动自动控制系统
—运动控制系统习题
第一篇 直流调速系统
习题一 闭环控制的直流调速系统
1-1为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机调速系统能够获得更好的动态性能？
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？
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多了”？
1-4 某一直流调速系统，测得的最高转速特性为nmax=1500 r/min, 最低转速特性为nmin=150 r/min电动机额定转速为，带额定负载时的速度速降 ?nN = 15r/min，且在转速下额定速降 ?nN如不变，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？
n?nD?maxs?N
nminn01-5 某闭环调速系统的调速范围1500～150 r/min，要求系统的静差率S≤20%，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是多少？
1-6 某闭环调速系统的开环放大倍数为15时,额定负载下电动机的速降为8 r/min，如果将开环放大倍数提高到30, 它的速降为多少?在相同静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？
1-7 某调速系统的调速范围D=20, 额定转速nN=1500 r/min开环转速降落?nOP为240r/min，如果要求系统的静差率由10%减少到5%, 则系统的开环放大倍数将如何变化？
1-8 转速单闭环调速系统有那些特点？ 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？调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有克服着种干扰的能力？
1-9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、测速发电机的励磁各量发生变化时，都会引起转速变化，问系统有没有调节能力?
1-10 有一V—M调速系统，电动机参数为PN＝2.2KW，UN＝220V，IN=12.5A, nN=1500r／min，Ra＝1.2?，整流装置内阻Ra＝1.5?，触发整流环节的放大系数Ks＝35，要求调速范围D＝20，静差率s≤10％。试：
① 计算开环系统的稳态速降?nOP和调速要求所允许的闭环稳态速降?nCL。 ② 采用转速负反馈组成闭环系统, 试画出系统的原理图和静态结构图。
③ 调整该系统参数，使u*n＝15V时, IN= Id n= nN，此时转速反馈系数α应为多少?(un≈u*n) ④ 计算所需的放大器放大系数。
1-11 在题1-10 的转速负反馈系统中增设电流截止环节,要求堵转电流Idbl=2IN,临界截止电流Idcr=1.2IN,
1
应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻?要求电流反馈采样电阻不超过主电路总电阻的1, 如果3做不到, 需要增加电流反馈放大器,试画出系统的原理图和静态结构框图,并计算电流反馈放大系数.这时电流反馈采样电阻和比较电阻各为多少?
1-12某调速系统原理图如下图所示,，已知数据如下:电动机PN＝18KW，UN＝220V，IN=94A, nN=1000r／min，Ra＝0.15?，整流装置内阻Ra＝0.3?，触发整流环节的放大系数Ks＝40，最大给定电压u*nm＝15V,当主电路电流达到最大值时,整定电流反馈电压u*im＝10V,
设计指标: 要求系统满足调速范围D＝20，静差率s≤10％, Idbl=1.5IN, Idcr=1.1IN。试画出系统的静态结构框图,并计算：
① 转速反馈系数α。② 调节器放大系数KP。
② ASR转速调节器R1的数值(放大器输入电阻R0=20KΩ) ④ ASR转速调节器R2的数值和稳压管的击穿电压值.
1-13、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，系统是否有调节作用？为什么？ 1-14 有一V—M调速系统，已知:电动机PN＝2.8KW，UN＝220V，IN=15.6A, nN=1500r／min，Ra＝1.5?，整流装置内阻Rrec＝1?，触发整流环节的放大系数Ks＝35， ① 系统开环工作时, 试计算调速范围D＝30时的静差率s值. ② 当D＝30, s=10％, 计算系统的稳态速降。
③ 如组成转速负反馈有静差调速系统, 要求D＝30, s=10％, 在u*n＝10V时, IN= Id , n= nN，计算转速反馈系数α和放大器放大系数KP.
④ 如将上述调速系统该为电压负反馈有静差调速系统, 还要求在u*n＝10V时, IN= Id , n= nN，并保持原来的开环放大系数K不变,试求在D＝30时的静差率。
1-15 在题1-10 的系统中,若主电路电感L=50mH,系统运动部分的飞轮惯量GD2=1.6Nm2, 整流装置采用三相零式电路, 试判断按题1-10要求设计的转速反馈系统能否稳定运行? 如要保证系统稳定运行,允许的最大开环放大系数K是多少?
1-16、电机的分类？
① 发电机（其他能→电能） 直流发电机 交流发电机
② 电动机（电能→其他能） 直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）
无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机）
交流电动机： 同步电动机
异步电动机： 鼠笼式 绕线式
： 伺服电机
旋转变压器
控制电机 自整角机
力矩电机 测速电机
步进电机（反应式、永磁式、混合式）
1-17 为什么用积分调节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为零时, 调节器的输出电压是多少? 它取决于哪些因素?
2
无静差的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？。 1-19 采用比例积分调节器控制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。
1-20 请比较直流电机调速系统、交流异步电机调速系统、同步电机调速系统的优缺点,并说明今后电力
传动系统的发展的趋势.
1-21：衡量调速系统的性能指标是哪些？（D、S、和负载匹配）
1-22：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有几种?请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较. 哪些是有级调速？哪些是无级调速？
1-23：带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，
则调节器的输出为（）
A、零； B、大于零的定值 C、小于零的定值； D、保持原先的值不变
1-24、直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器（V-M系统）、
直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。
1-25、名词解释 G-M系统 V-M系统 PWM PFM
1-26、哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？
① 稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=△nnom/n0*100%② 稳定性指标：柏德图（对数幅频特性和对数幅频特性）
典型Ⅰ型系：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。γ=90° -tg-1 ωcT > 45°典型Ⅱ型系统：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线。
γ=180°-180°+tg-1ωct-tg-1ωcT=tg-1ωct-tg-1ωcT③ 动态性能指标分跟随性能指标
和抗扰性能指标：
跟随性能指标 上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态
所经过的时间（有些教材定义为10%--90%）
超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量
与稳态值之比。
调节时间：又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全
稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值附近， 取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。
抗扰性能指标： 动态降落：在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起
的输出量最大降落值。
恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差
进入某基准量的±5% （或±2%）范围之内所需的时间。
1-27、在单闭环调速成系统中，为了实施限流保护，可以引进（ ）环节。
A、电流截止正反馈； B、电流截止负反馈；
3
C、电压截止正反馈； D、电压截止负反馈
1-28、电流正反馈可以作为调速系统的补偿控制，在实际系统中应用的是电流正反馈的（ ）
A、欠补偿; B、全补偿; C、过补偿; D、临界补偿 1-29、直流调速系统的可控直流电源可以用旋转变流机组组成，它是由交流电动机拖动直流发电机实现变流。
1-30、晶闸管整流器的输出电压是用晶闸管的触发控制角来控制导通的，晶闸管是半控器件。
1-31、某调速系统的调速范围：100r/min～1000r/min，要求静差率S=2%，此时系统允许的稳态速度降是 ；如果开环系统的稳态速降是150r/min，此时闭环系统的开环放大系数为 。
1-32 什么叫PWM？直流可逆PWM变换器主电路有哪几种结构型式，试简述其优缺点。
1-33对于H型PWM变换器电路，采用何种控制方式可使输出电压频率为两倍开关频率？试简述这种电路的工作原理和优点，并画出VT1～VT4的控制电压和输出电压等波形。
解答见参考资料[1]的P86例题4-4
1-35 为什么晶体管PWM－电动机系统比晶闸管－电动机系统能获得更高的动态性能？
1-36 什么是脉宽调制器，常用的脉宽调制器有哪几种？请分别简述其工作原理。
1-37 PWM变换器的输出电压要等到下一周期才能改变，可看成一个滞后环节；当整个系统开环频率特性截止频率时，滞后环节可看成一个一阶惯性环节；因此，脉宽调制器和变换器（简称PWM装置）的传递函数可看成：一阶惯性环节W（S）=
KS TS?11-38 PWM变换器中电力晶体管工作在什么状态？PWM变换器带电动机负载怎样避开击穿？
1-39 什么是泵升电压？应采用什么电路限制泵升电压？
在单极性可逆PWM变换器中，随着负载的减小，电流将（ ）。
A、断续，不改变方向; B、保持连续，不改变方向 C、断续，来回变向; D、保持连续，来回变向
在Ｈ型可逆PWM变换器主要电路中，只有二个三极管交替通断，而其它二个的通断是受电动机转向
控制的是（ ）
A、双极性; B、单极性
C、受限单极性; D、受限双极性
1-42 当脉宽调速系统减速时，电能通过PWM变换器回送给滤波电容，而使电源电压升高。
1-43 脉宽调速系统中，电流脉动量大的是_单极式H型式PWM变换器。
4
在SPWM逆变器的控制中，对SPWM波有几种调制方式，并分别指出其优、缺点。
习题二 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
2-1 在转速、电流双闭环调速系统中，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,应调节系统中的哪些参数?
2-2 在转速、电流双闭环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?
2-3 在转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器，而是P调节器，对系统的静、动态性能将会产生什么影响?
2-4 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 调速系统的静态性能； ② 动态限流性能； ③ 启动的快速性 ④ 抗负载扰动的性能；⑤ 抗电源波动的性能
2-5 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，当系统重新进入稳定运行时电流调节器的输入偏差信号?Ui是否为零?
2-6 在转速、电流双闭环调速系统中，给定信号U*n未变，增加转速反馈系数?，系统稳定后转速反馈电压Un是增加、减小还是不变？
2-7 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。已知电动机参数为：PN＝3.7KW，
UN＝220V，IN=20A，nN=1000r／min，电枢绕组总电阻Ra＝1. 5?，U*nm =U*im＝U*cm=8V，电枢回路最大电流Idm=40A, 电力电子变换器的放大倍数Ks=40,试求: ① 电流反馈系数?和转速反馈系数?
② 当电动机在最高转速发生堵转时的Ud0、U*I、Ui、Uc值.
2-8 在转速、电流双闭环调速系统中，ASR、ACR两个调节器均采用PI调节器。当ASR的输出达到
U*im=8V时，主电路电流达到最大电流80A，当负载电流由40A增加到70A，试问： ① U*I如何变化？ ② Uc如何变化？ ③ Uc值.由哪些条件决定？
2-9 在转速、电流双闭环调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因使电动机励磁电源突然下降一半，系统工作情况会如何变化？写出Ud0、U*i、Uc、Id、n在系统重新进入稳定后的表达式。
2-10 某反馈控制系统已校正成典型Ⅰ型系统。已知时间常数T=0.1S，要求阶跃响应超调量σ≤10%
① 求系统的开环增益； ② 计算过渡过程时间ts和上升时间tr ③ 画出开环对数特性。如要求上升时间tr<0.25s, 则K=？,σ=？ 2-11 有一个系统,其控制对象的传递函数为Wobj(S)=
k110=，要求设计一个无静差系统,在
TS?10.01S?1阶跃输入下系统超调量σ≤5%(按线性系统考虑),试决定调节器的结构,并选择其参数。
5
2-12 有一个系统,其控制对象的传递函数为Wobj(S)=
k110=，要求校正为典型Ⅱ型系
S(TS?1)S(0.02S?1)统, 在阶跃输入下系统超调量σ≤25%(按线性系统考虑),试决定调节器的结构,并选择其参数。
2-13 调节对象的传递函数为Wobj(S)=
18，要求分别校正成典型Ⅰ型系统和典型
(0.25S?1)(0.02S?1)Ⅱ型系统, 求调节器的结构和参数。
2-14在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机额定参数: PN
＝360KW，UN＝220V，IN=308A，nN=1000r／min，电动势系数Ce=0.196V. min／r, 主回路总电阻R＝0.18?，触发整流环节的放大倍数Ks=35, 电磁时间常数Tl=0.012S, 机电时间常数Tm=0.12S,电流反馈滤波时间常数Toi=0.0025S 转速反馈滤波时间常数Ton=0.015S. 额定转速时给定电压U(*n)N=10V, 调节器ASR、ACR饱和输出电压U*im=8V，Ucm=6.5V,
系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量σi≤5%,空载启动到额定转速时的
转速超调量σn≤5%, 试求:
① 电流反馈系数?(假定启动电流限制在339A以内)和转速反馈系数? ② 试设计电流调节器ACR， 计算其参数Ri、Ci、Coi，画出其电路图 （调节器输入回路电阻R0=40K?
③ 设计转速调节器ASR， 计算其参数Rn、Cn、Con， R0=40K? ④ 计算电动机带40%额定负载启动到最低转速时的转速超调量σn ⑤ 计算空载启动到额定转速的时间
2-15有一个转速、电流双闭环调速系统，主电路采用三相桥式整流电路, 已知电动机额定参数: PN＝
555KW，UN＝750V，IN=760A，nN=375r／min，电动势系数Ce=1.82V. min／r, 主回路总电阻R＝0.14?，允许电流过载倍数λ=1.5, 触发整流环节的放大倍数Ks=75, 电磁时间常数Tl=0.03S, 机电时间常数Tm=0.112S, 电流反馈滤波时间常数Toi=0.002S 转速反馈滤波时间常数Ton=0.02S. 设调节器输入电压U*nm=U*im=Ucm=10V, 调节器输入回路电阻R0=40K?
设计指标：稳态无静差，电流超调量σi≤5%,空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤10%, 可电流调节器已按典型Ⅰ型系统设计，并取参数KT=0.5, 试求:
① 选择转速调节器ASR结构， 计算其参数Rn、Cn、Con， R0=40K?
② 计算电流环的截止频率wc和转速环的截止频率wn，并考虑他们是否合理.
2-16 在一转速、电流双闭环V-M系统中，转速调节器ASR、电流调节器ACR均采用PI调节器。
① 在此系统中, 当转速给定信号最大值U*nm=15V, n=nN=1500r／min; 电流给定信号最大值U*im =10V, 允许最大电流Idm =30A, 电枢回路总电阻R＝2?, 晶闸管装置的放大倍数Ks=30,电动机的额定电流IN=20A, 电动势系数Ce=0.128V. min／r, 现系统在U*n=5V, IdL=20A时稳定运行.求此时的稳态转速n=?, ACR的输出电压UC=?
② 当系统在上述情况下运行时,电动机突然失磁(υ=0), 系统将会发生什么现象?试分析并说明. 若系统能够稳定下来,则稳定后n=?, Un=?, U*I=?, Ui=?, Id =?, UC=?,
③ 该系统转速环按典型Ⅱ型系统设计,且按Mmin准则选择参数, 取中频宽h=5, 转速环小时间常数T∑n=0.05, 求转速环在跟随给定作用下的开环传递函数,并计算出放大系数及各时间常数.
④ 该系统由空载(IdL=0)突加额定负载时,电流Id和转速n的动态过程波形是怎样的?已知机电
6
时间常数Tm=0.05S, 计算其最大动态降落△nmax和恢复时间tv.
2-17 有一转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统, 已知电动机参数为: PN＝200KW，
UN＝48V，IN=3.7A，nN=200r／min，电枢电阻Ra＝6.5?, 电枢回路总电阻R＝8?，允许电流过载倍数λ=2, 电动势系数Ce=0.12V. min／r, 电磁时间常数Tl=0.015S, 机电时间常数Tm=0.2S, 电流反馈滤波时间常数Toi=0.001S 转速反馈滤波时间常数Ton=0.005S. 设调节器输入电压U*nm=U*im=Ucm=10V, 调节器输入回路电阻R0=40K?, 已计算出电力晶体管D202的开关频率f=1kHz,PWM环节的放大倍数Ks=4.8
试对该系统进行动态参数设计, 设计指标：稳态无静差，电流超调量σi≤5%,空载启动到额定转速时的转速超调量σn≤20%, 过渡过程时间ts≤0.1S
问题2-18：哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？
2-19 转速、电流双闭环调速系统启动过程的特点是 饱和非线性控制 、 转速超调 和 准时间最优 。
2-20、调节器的设计顺序是 先内环后外环:从内环开始,逐步向外扩展 。常用的调节器设计方法有工程设计方法 、 调节器最佳整定方法 、模型系统法和 振荡指标法。
2-21、转速、电流双闭环调速系统中，转速环按典型 Ⅱ 型系统设计，抗扰能力 强 ，稳态无静差 。
2-22、转速、电流双闭环调速系统中，电流环按典型 Ⅰ型系统设计，抗扰能力 较差 ，超调 小 。
2-23、在电机调速控制系统中，对于（ ）的扰动，系统是无能为力的。
A、运算放大器的参数的变化； B、电机励磁电压的变化； C、转速反馈参数的变化； D、电网电压的变化
2-24 带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，
则调节器的输出为（ ）
A、零； B、大于零的定值 C、小于零的定值； D、保持原先的值不变
2-25 带有比例积分调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，
则调节器的输出为（ ）
A、零； B、大于零的定值 C、小于零的定值； D、保持原先的值不变 无静差调速系统的PＩ调节器中P部份的作用是（ ）
A、消除稳态误差； B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应 C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应
2-27、双闭环调速系统在稳定时，控制电压Uct的大小取决于（ ）。P51
A、转速n; B、负载电流Idl C、转速n和负载电流Idl; D、电流反馈系数β
2-28 转速电流双闭环调速系统在起动的恒流升速阶段中，两个调节器的关系为（ ）
A、AＳＲ和ACＲ均饱和限幅输出; B、AＳＲ不饱和，ACＲ饱的限幅输出 C、AＳＲ饱和限幅输出，ACＲ不饱和; D、AＳＲ和ACＲ均不饱和
7
2-29、带电流变化率内环的三环调速系统中的电流变化率调节器一般采用 积分 调节器.
2-30、带电压内环的三环调速系统中的电压调节器一般采用 积分 调节器.
2-31转速微分负反馈的引入，可使转速调节器在起动时 转速调节器退饱和时间提前τdn,使得转速调节器提前进入调节状态，从而抑制了超调。
2-32、带比例调节器的单闭环调速系统的开环放大系数_大于_临界放大系数时，系统将不稳定。P29
2-33、有一采用PI调节器的双闭环调速系统，已知电动机参数：Unom＝220V，Inom=100A，nnom=1000r／min，?=1.5, U*n＝10V, Ks=30, ASR、ACR限幅值为U*im＝10V， Uctm＝8V，电枢主回路总电阻R＝1?，系统的转速反馈系数?＝10/1000=0.001 , ?＝10/150=0.067，系统原来稳定运行在额定工作状态，突然转速反馈线断线，系统重新稳定后，U*i＝__10V___，n=___1000r／min_，Uct＝__8V_，Id=_100A_.
2-34、在转速、电流双闭环调速系统中，电流环为什么校正成典型Ⅰ型系统，转速环为什么校正成典型II型系统？
2-35、弱磁控制的直流调速系统属于（ ）。A、恒转矩调速 B、恒功
率调速
C、恒磁通调速； D、不能确定
2-36、典Ⅰ型系统在阶跃输入：R(t)=R0的稳态误差是（ ）。
A、0； B、R0 C、R0/K； D、无穷大
2-36、典Ⅰ型系统在阶跃输入：R(t)=R0的稳态误差是（ ）。
A、0； B、R0 C、R0/K； D、无穷大
2-37、典Ⅰ型系统在斜坡输入：R(t)=V0t的稳态误差是（ ）。
A、0； B、v0 C、v0/K； D、无穷大
a0t22-38、典Ⅰ型系统在加速度输入：R(t)=R的稳态误差是（ ）。
20
A、0； B、a0 C、a0/K； D、无穷大 2-39、典II型系统在阶跃输入：R(t)=R0的稳态误差是（ ）。
A、0； B、R0 C、R0/K； D、无穷大
2-40、典Ⅰ型系统在斜坡输入：R(t)=V0t的稳态误差是（ ）。
A、0； B、v0 C、v0/K； D、无穷大
8
a0t22-41、典Ⅰ型系统在加速度输入：R(t)=R0的稳态误差是（ ）。
2A、0； B、a0 C、a0/K； D、无穷大
习题三 直流调速的数字控制
3-1 直流电动机额定转速nN=1000r／min，电枢电流额定值IdN=760A，允许过流倍数?=1.5, 计算机内部定点数占一个字的位置（16位），试确定数字控制系统的转速反馈存储系数和电流反馈存储系数，适当考虑余量。
解答见参考资料[1]的P86例题4-6
3-2 旋转编码光栅数为1024，倍数系数为4，高频时钟脉冲频率f0=1MHZ，旋转编码器输出的脉冲个数和高频时钟脉冲个数均采用16位计数器，M法和T法测速时间均为0.1S，求转速n=1500r／min 和n=150r／min时的测速分辨率和误差率最大值.
解答见参考资料[1]的P87例题4-7
3-3 将习题2-14设计的模拟电流调节器进行数字化,采样周期Tsam =0.5ms, 调节器输出限幅及积分限幅均为±Um, 写出位置式和增量式数字PI调节器的表达式,并用已掌握的汇编语言设计实时控制程序.
τi=Tl=0.012S Ki=0.222
解答见参考资料[1]的P87例题4-8
3-4 根据习题2-15电流调节器的设计结果(电流调节器按典型Ⅰ型系统设计,KT=0.5), 按离散系统设计方法设计转速调节器, 要求转速无静差,已知电动机额定功率 PN＝555KW，额定电压UN＝750V，I，额定电枢电流N=760A，，额定转速nN=375r／min，电动势系数Ce=1.82V. min／r, 主回路总电阻R＝0.14?，允许电流过载倍数λ=1.5, 机电时间常数Tm=0.112S, 转速反馈滤波时间常数Ton=0.02S, 转速反馈存储系数Kα=67min／r和电流反馈存储系数Kβ=23A-1转速调节器采样时间Tsam=0.01S, 电流环最小时间常数T∑i= TS+Toi=0.00167+0.002=0.0037S
解答见参考资料[1]的P88例题4-9
习题四 可逆直流调速系统和位置随动系统
4-1 晶闸管-电动机系统需要快速回馈制动时,为什么必须采用可逆线路?
晶闸管装置供电的晶闸管-电动机(V-M)系统, 在整流和逆变状态下的机械特性,并分析这种机械特性适合于何种性质的负载.
单组晶闸管装置供电的V-M系统在拖动起重机类型的负载时也可能出现整流和有源逆变状态a）整流状态：提升重物，a < 90°，Ud0 > E，n > 0 由电网向电动机提供能量。b）逆变状态：放下重物
n 提升 T- n 放下 Te Id
9
a > 90°，Ud0 < E，n < 0 由电动机向电网回馈能量。
整流状态：电动机工作于第1象限；
逆变状态：电动机工作于第4象限。
4-3 分析配合控制的有环流可逆系统反向启动和制动的过程。画出各参变量的动态波形，并说明在每个阶段中ASR和ACR各起什么作用，VF和VR各处于什么状态。
4-4 试分析图4-13所示逻辑选触无环流可逆系统的工作原理，说明正向制动时各处电压极性及能量关系。
4-5 试分析位置随动系统和调速系统在哪些方面是不同的。
4-6环流可逆调速系统有哪几种?试简述每种系统的优缺点，并就?与?的配合关系、均衡电抗器体积大小、环流的利弊分析、正反向过渡过程的平滑性与快速性以及适用场合等项目，列表作一比较。
解答见参考资料[1]的P58例题3-4
4-7 环流可逆系统中除了会产生静态环流外，当系统处于过渡过程时还可能产生动态环流。试说明动态环流产生的原因。
解答见参考资料[1]的P59例题3-5
4-8 错位无环流系统中，采用电压内环的重要作用之一是防止动态环流，保证电流安全换向，试简述其
工作原理。
解答见参考资料[1]的P61例题3-7
4-9晶闸管-电动机系统中改变转矩方向的办法有几种？它们各有何特点
4-10什么叫环流？环流有几种？怎样抑制直流平均环流？怎样抑制瞬时脉动环流？
4-11什么时候要消除环流？什么时候要利用环流？4-12简述逻辑控制的无环流可逆调速系统的组成和工作原理，无环流逻辑控制器DLC的由哪四个基本环节组成？ *逻辑控制环节的的组成如下图 Ui Ublf
电平 逻辑 延时 连锁
检测判断电路保护U i0
Ublr
4-13 什么叫错位选触无环流系统，此时Uct起什么作用？ 4-14 带电压内环的错位控制无环流系统中电压内环的作用是哪些？ 4-15 简述DLC（无环流逻辑控制器）的组成和工作流程。
4-16 DLC切换的条件是什么？为什么要考虑封锁延时与开放延时？
为保证两组晶闸管装置可靠切换，需要有两个延时时间：
4-17 V-M系统中实现电枢反接的方法有哪些？
10
4-18 V-M系统中实现励磁反接的方法有几种？存在什么缺点? 应怎样解决？
4-19 试比较发电回馈制动与带位势性负载反转制动状态不同之处。
4-20 什么叫α=β配合控制？实际应用中为什么要使α ≥ β？
4-21 可控环流的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变阶段和它组制动 阶段。
第一阶段的主要特征是 电流的迅速上升 ；第二阶段的主要特征是 转速调整 ，
它又可进一步分成它组建流、它组逆变和反向减流三个子阶段。
4-22 在α=β配合控制可逆调速系统中当αf=60。时，αr= （ ）
A、60?; B、120? C、180?; D、240?
4-23 α=β配合控制有环流可逆调速系统中存在的是（ ）环流。
A、 直流; B、 动态; C、 平均; D、 脉动
4-24 逻辑控制的无环流可逆调速系统中逻辑装置的转矩极性信号采样于（ ）
＊
A、转速给定电压Un; B、转速反馈电压Un;
＊
C、电流给定电压UI; D、电流反馈电压Ui
4-25 配合控制可逆调速系统运行在第二象限（ ），整流装置的输出电压方向与电机反电势方向相反，此时是（ ）状态。
A、正组待整流，反组逆变，电机电动; B、正组待逆变，反组整流，电机反接制动; C、正组待整流，反组逆变，电机回馈制动; D、正组待逆变，反组整流，电机回馈制动
4-26 在晶闸管反并联线路中，两组晶闸管的电源是____三相工频交流电源____。.
4-27 错位控制的无环流可逆调速系统的零位在αro=__150度或180度_（一般选180度_）。
4-28 α=β配合控制的制动过程分哪些阶段？请分别写出每个阶段的本组、它组晶闸管及电机的
工作状态。 ?
4-29 可控环流的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变阶段和它组制动阶段。 第一阶段的主要特征是 电流降落 ；第二阶段的主要特征是 速度降落 。
4-30：什么是检测误差、原理误差和扰动误差？哪些无法克服？哪些能克服？
4-31：什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用场合。
4-32：常用的转子位置检测方法（含直接的和间接的）有哪几种？选择其中1～2种进行论述它们的工组原理和特点及其应用场合？
直接位置检测方法具体工作原理见陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社教材P154-163。
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间接位置检测方法工作原理请上网查相关资料。
第二篇 交流调速系统
习题五 闭环控制的异步电动机变压调速系统
--- 一种转差功率消耗型调速系统
5-1按照交流异步电从定子传入转子的电磁功率Pm可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率P2，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率PS, 根据对PS的处理方式的不同，可把交流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高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。
① 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，上述的第降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速这三种调速方法都属于这一类。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单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
②.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，上述第绕线电机串级调速或双馈电机调速方法属于这一类。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。
③ 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，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的变极对数调速和变压变频调速等调速方法属于此类。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交流调速系统，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。
5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5KW, 频率为50HZ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率P1为6.32 KW，定子铜损耗Pcu1为341W，转子铜损耗Pcu2为237.5 W，铁心损耗PFe为167.5 W，机械损耗Ps为45 W，附加损耗P’f为29 W，是绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。 答：根据异步电动机的功率流图，可以求出该电动机的效率：
η=
P1?Pcu1?PFe?Pcu2?Ps?Pf'P1=
Pcu1
P Pm = Fe Pcu2 Ps=S Pm =45 W P1-Pcu1-Pfe=6320-341-167.5=5811.5P1 P s + P ’ f S=0.0077
P m 三相四极异步电动机
Pout P2 60电机功率流图f1n0==1500r/min 6.32?1000?341?237.5?167.5?45?29=87%
6.32?1000p n= n0(1-s)=1384 r/min
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5-3 简述交流变压调速系统的优缺点和适用场合.
答: 变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。 为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。其中以晶闸管调压方式为最佳。
调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制。调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
5-4 何谓软起动器? 交流异步电动机采用起启动器有什么好处?
答：现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来，起动时间也短于一级降压起动。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作. 视起动时所带负载的大小，起动电流可在 (0.5~4) IsN 之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。 软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。
常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%~15%），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。
但是起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更快，降压起动时又会出现起动转矩够不够的问题。为了避免这个麻烦，降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。
5-5、用三个晶闸管接成星点三角形的三相交流调压电路，给电阻性负载供电。 (1) 试画出当?＝150时的A相输出电压波形。 (2) 说明对触发脉冲的宽度有何要求。 (3) 求控制角最大移相范围。
见参考文献[1]的P117例题6-1
5-6、衡量调速系统的性能指标是调速范围D、静差率S、和负载匹配情况。 ① 调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin
13
② 静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。
和负载匹配情况：
一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。
5-7：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点,并说明今后电力传动系统的发展的趋势.
答：* 直流电机调速系统
优点：调速范围广,易于实现平滑调速,起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。 缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。
* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。 缺点：调速性能比直流电机差。
发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能;或采用同步电机调速系统.
5-8、从定子传入转子的电磁功率Pm = 轴上输出功率 + 转差功率 ，
其中转差功率消耗型的调速系统有 降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速；转差功率不变型的调速系统有 变压变频调速、变极对数调速；转差功回馈型的调速系统有 绕线式电动机串级调速、双馈电动机调速。
5-9、异步电动机在变压调速工作时，其最大转矩随电机电压的降低而_减小_。
5-10、对普通的笼型异步电动机，当它带恒转矩负载作变压调速工作时，其调速范围在_0到额定转速_
之间。
5-11、从对转差功率的处理方式来看，交流调速系统可分为：__差功率消耗型__、_转差功率不变型__和___转差功回馈型__三大类。
5-12、变频调速系统的控制方式为：基频以下采用__恒转矩____控制方式；基频以上采用___恒功率___控制方式。
5-13、绕线式异步电动机转子串电阻调速属于（ A ）。
A、转差功率消耗型调速系统 B、转差功率不变型调速系统 C、转差功回馈型调速系统； D、不能确定
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习题六 笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)
6-1 简述恒压频比控制方式
6-2 简述异步电动机在下面四种不同的电压-频率协调控制时的机械特性，并进行比较： ① 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性；
② 基频以下电压-频率协调控制时异步电动机的机械特性；
③ 基频以上恒压频比控制（弱磁调速）时异步电动机的机械特性； ④ 恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性；
6-3交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，
再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。
6-4电压源型逆变器输出电压是方波，输出电流近似正弦波；电流源型逆变器输出电流是方波，输出电
压近似正弦波；能否据此得出电压源型逆变器输出电流的谐波成分比电流源型逆变器输出电流的谐波成分小的结论？在变频调速系统中，负载电动机希望达到的是正弦波电压还是正弦波电流？
二极管不控整流器和功率开关器件脉宽调制（PWM）逆变器组成的交-直-交变压变频器有什么优点？6-6 如何改变由晶闸管组成的交-交变压变频器的输出电压和频率？这种变频器适合于什么场合？为什么？
6-7 交流PWM变换器和直流PWM变换器有什么异同？
6-8 请你外出时到一个变频器厂家或变频器专卖店索取一份任意型号的通用变频器资料，用它与异步电动机组成一个转速开环恒压频比控制的调速系统，然后说明该系统的工作原理。（学生自己完成）
6-9 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统能够仿照直流电动机双闭环系统进行控制，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？
6-10 在转差频率控制的变频调速系统中，当转差频率的测量值大于或小于实际值时，将给系统工作造成怎样的影响？
6-11 分别简述直接矢量控制系统和间接矢量控制系统的工作原理，磁链定向的精度受哪些参数的影响？
6-12 试比较转子磁链的电压模型和电流模型的运算方法及优缺点。
6-13 坐标变换是矢量控制的基础，试分析交流电机矢量变换的基本概念和方法。
6-14 按定子磁链控制的直接转矩控制（DTC）系统与磁链闭环控制的矢量控制的基本概念和方法。 6-15 试分析并解释矢量控制系统与直接转矩控制（DTC）系统的优缺点。
6-16 名词解释： DTC DSC SPWM 原型电动机
15
6-17、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
6-18、将三相交流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？
6-19、什么是矢量控制系统VCS或TCS矢量变换控制系统？请画出矢量控制系统的构思框图，并简述其工作原理。
6-20、三相异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统 6-21、请写出下图交-直-交电压源变频调速系统的工作原理。
TA 绝对值发生器 函数发生器 Ui ASR - Ugi Uabs U*v U给定 UR + + * Ui -
ACR Uv Cd 给定积分器
极性鉴别器 频率给定动态校正器 压频变换器 环形分配器 脉冲放大器 VSI M 3~ 3~
6-22请写出下图交-直-交电流源变频调速系统的工作原理。 绝对值发生器 函数发生器 ASR Ui *- Ugi Uabs Uv U给定 + + U*i - ACR Uv 给定积分器 极性鉴别器 频率给定动态校正器 TA UR
Cd 脉冲放大器 VSI 16
压频变换器 环形分配器
6-23、交流电动机变压调速方法属转差功率（ ）调速。
A、消耗型; B、回馈型 C、不变型; D、不存在型
6-24、交流电动机带恒转矩负载作调压调速时，其转差功率与转差率（ ）？
A、无关系; B、成比例关系; C、成平方关系; D、成反比关
6-25、请写出下图转差频率控制变频调速系统的工作原理，并指出其优缺点。
TA 函数发生器 U给定 + - Uω ASR U*+ *- Ui I1=f(ωs) Ui Ui*1 Ui1 ACR UR 极性鉴别器 + U*ωs - Uω Uω1 绝对值发生器 压频变换器 环形分配器 脉冲放大器 Ld CSI
TG M 3~ 6-26、ＳPWM逆变器是利用正弦波信号与三角波信号相比较后，而获得一系列（ ）的脉冲波形。 A、等幅不等宽; B、等宽不等幅;
C、等幅等宽; D、不等宽不等幅;
6-27、异步电动机变压变频调速时，采用（ ）控制方式，可获得一线性机械特性。
A、U1／f1=常值; B、Eg/f1=常值; C、Es/f1=常值; D、Er/f1=常值
6-28、一般的间接变频器中，逆变器起（ ）作用。
A、调压; B、调频;
C、调压与逆变; D、调频与逆变
TG 17
6-29、转差频率控制变频调速系统的基本思想是控制（ ）。 A、电机的调速精度; B、电机的动态转矩; C、电机的气隙磁通; D、电机的定子电流
6-30、按转子磁场定向和矢量控制变频调速成系统中，在（ ）条件下，有电动机转矩与
定子电流转矩分量成正比的关系。
A、气隙磁通恒定; B、转子电流恒定; C、转子磁链恒定; D、定子电流恒定
6-31、在变压变频调速系统中，若采用 U1/f1=常数控制，而不加补偿措施，则电动机的最大转达矩会
随转速而下降.
6-32、异步电动机A、B、C、坐标系的数学模型经_三相静止/两相静止坐标转换和两相静止/两相旋转
坐标变换，可得到dqo坐标系的数学模型。
6-33、SPWM的三种调制方式为:同步调制、异步调制和混合调制。
6-34、变频器从结构上看，可分为直接变频器、间接变频器两类，从变频电源性质看，可分为电压源变频器、电流源变频器两类。
6-35、通过调节SPWM逆变器控制电路中晶闸管的触发控制角，就可以调节SPWM逆变器输出交流电压的幅值和频率。
习题七 绕线转子异步电动机串级调速系统
----转差功率回馈型的调速系统
7-1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：双馈调速是将定、转子三相绕组分别接入两个相对独立的三相对称电源：电子绕组接入工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按要求进行调节的交流电源，即采用交-交变频器和交-直-交变频器给转子绕组供电。其中必须保证在任何情况下，转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致。当改变转子外加电压的幅值和相位时就可以调节异步电动机的转速，也可以调节定子侧的功率因数。这种双馈调速的异步电机不但可以在亚同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运转，因此，双馈调速也叫超同步调速。
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串级调速是对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动势，也叫低同步串级调速系统，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的缘故。串级调速是双馈调速的一种特殊情况。
异步电动机双馈调速的五种情况的功率流动情况：
`
① 转子运行于次同步电动状态（1＞S＞0）
电磁功率＞0，从电源流向负载；机械功率＞0，从电机输给机械负载；
转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。
`
② 转子运行于次同步速的定子回馈制动状态（1＞S＞0）
电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；
转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。
`
③ 转子运行于超同步电动状态（S＜0
电磁功率＞0，从定子电源输向电机；机械功率＞0，从电机输给机械负载；
转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。
`
④ 转子运行于超同步速的定子回馈制动状态（S＜0
电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；
转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。
`
⑤ 转子运行于倒拉反转的电动状态（S＞1）
电磁功率＞0，从定子电源输给电机；机械功率＜0，从原动机输给电机；
转差功率＜0，由电动机回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。
7-2 串级调速系统的组成原理是什么？在起动、调速、停车的过程中，逆变角?是如何控制的？
在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将转子电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的直流电动势，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。① 起动 起动条件：对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流Ir或足够大的整流后直流电流Id，为此转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。
控制逆变角??，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。
随着转速的增高，相应地增大?角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。 ② 调速：?调速原理：通过改变?角的大小调节电动机的转速。 ?调速过程： ? ? ?
Ui ? ? I? ? Te ? ? n ?
③ 停车：串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小Te = TL ? I? ? K1sEr0 ?角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由? ? 停车。
串级调速系统能够靠调节逆变角? 实现平滑无级调速。系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。
7-3 串级调速系统的机械特性有什么特征？
在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角? 时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。在不同的? 角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。 串级调速时，转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变压器等），实际上相当于在电动机转子回路中接入了一定数量的等效电阻
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和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。
当电机在最高速的特性上 （b = 90°）带额定负载，也难以达到其额定转速。 整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。
7-4 串级调速系统的效率比转子串电阻的效率要高的原因是什么？
绕线式交流异步电动机转子回路串电阻调速系统是转差功率消耗型，转差功率消耗在转子电阻，效率低，而且效率随调速范围的增大而降低；
串级调速系统可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网，因而效率高。
7-5 某双闭环串级调速系统，电机额定数据为PN＝630KW，定子额定电压USN＝6000V，定子额定电
流ISN=84A, nN=370r／min，转子开路线电压3Ero=943V，转子额定电流IrN=413ARa＝1. 2?，允许电流过载倍数λ=1.5，XD0=0. 23?，RD=0. 025?；逆变变压器XT=0.18?，RT=0. 01?；平波电抗器L=5mH，RL=0. 004?系统运动部分的总飞轮惯量GD2=7848Nm2，转子回路整流器和逆变器均采用三相桥式电路，给定电压U*n、转速调节器的输出限幅值U*im电流调节器的输出限幅值U*cm均为8V，电流滤波时间常数Toi=0. 003S 转速滤波时间常数Ton=0. 01S. 请按转差率S=0. 7计算转子直流回路等效电阻。
7-6串级调速系统在起动、停车要注意什么?分别说明直接起动和间接起动的过程及工作原理。
①串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。
串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。
②为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高到串级调速系统的设计最低转速时，才把串级调速装置投入运行。
间接起动操作顺序：先合上装置电源总开关S，使逆变器在
bmin 下等待工作；然后依次接通接触器K1，接入起动电阻R，再接通K0，把电机定子回路与电网接通，电动机便以转子串电阻的方式起动；待起动到所设计的nmin（smax）时接通K2，使电动机转子接
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到串级调速装置，同时断开K1，切断起动电阻，此后电动机就可以串级调速的方式继续加速到所需的转速运行。
停车操作顺序：由于没有制动作用，应先断开K2，使电动机转子回路与串级调速装置脱离；再断开K0，以防止当K0断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器。
③直接起动又称串级调速方式起动。在起动控制时让逆变器先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置，最后再使转子回路与整流器接通。 直接起动操作顺序：接触器的工作顺序为 S－K0－K2，此时不需要起动电阻。当转子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚不能起动；待发出给定信号后，随着 b 的增大，逆变电压降低，产生直流电流，电动机才逐渐加速，直至达到给定转速。
停车操作顺序与直接起动操作顺序相反。
7-7 交流串级调速装置指的是串级调速系统中的整流装置、平波电抗器、逆变器与逆变变压器。
o
7-8串级调速系统的转子整流电路的第一工作状态的特征是：换流重叠角0<γ<60
换流延迟角αP=0o， 此时整流电路在自然换向点进行换流,不可控。
7-9:双闭环串级调速系统的电流环按 I型系统设计，此时电流内环 响应快，超调小 ；
速度环按 ∏型系统设计，此时速度外环 抗干扰能力强。
7-10:超同步串级调速系统带阻转矩负载时，电磁功率从电机回馈电网，电机处于 再生制动 状态，这
种工作仅发生在 使电机加快减速或停车的过度过程，并不能使电机稳定运行，可以加快串级调速系统的动态响应。
7-11:常见的串级调速系统有 电气串级调速系统（静止式串级调速系统）（功率回馈型调速系统）、三相零式电气串级调速系统、旋转变流机组电气串级调速系统、机械串级调速系统 (Kramer系统)，其中 静止式串级调速系统是恒转矩调速系统，机械串级调速系统是恒功率调速系统。13
7-12、请写出下图双闭环串级调速系统的工作原理，并指出其优缺点。 测速电机 TI 异步 LT+ 电机 UI Ud 1UR d 2UR I ASR ACR cRn cn
+5V
R Ui* R +
o
7-13 串级调速系统的转子整流电路的第二工作状态的特征是：换流重叠角γ=60,换流延迟角
o
αP=0～30，此时整流电路处于可控整流状态,强迫换流延迟角相当于元件的控制角。
Ri i 00 R0 R0 + Uct 21
7-14、双闭环串级调速系统的电流环按 Ⅰ 型系统设计，此时电流内环 抑制超调能力强 ；
速度环按 Ⅱ 型系统设计，此时速度外环 抗干扰能力强 。
7-15、超同步串级调速系统带阻转矩负载时，电磁功率从电机回馈电网，电机处于 再生制动 状态， 这种工作仅发生在 电机加快减速或停车的过度过程 时候，可以加快串级调速系统的动态响应。
7-16、常见的串级调速系统有 机械串级调速系统 、 电气串级调速系统 、 三相零式电气串级调速
系统，
其中电气串级调速系统是恒转矩调速系统，机械串级调速系统是恒功率调速系统。
7-17、串级调速系统功率因数改善的途径有逆变器的不对称控制、 采用具有强迫换相功能的逆变器和
在电动机转子直流回路中加斩波控制的串级调速系统。
⑴ 逆变器的不对称控制：两组可控整流器组成逆变器的纵续控制，进行逆变角的不对称控制（大功率系统）；
⑵ 采用具有强迫换相功能的逆变器：在逆变器工作时使晶闸管在自然换流点之后换相，产生容性无功功率（超前）以补偿负载的感性无功功率（滞后）。逆变器线路复杂。⑶ 在电动机转子直流回路中加斩波控制的串级调速系统，线路简单，改善功率因数有效。 斩波控制串级调速系统的功率因数比常规串级调速系统要高。
7-18、斩波控制串级调速系统的功率因数比常规串级调速系统的功率因数要 高得多 。
7-19、串级调速系统常用起动方法有 直接起动 和 间接起动 。
7-20、斩波控制串级调速系统中，当逆变器固定在最小逆变角下工作，只要改变占空比即可改变
异步电机的 转速 。
7-21、交流串级调速装置指的是串级调速系统中的（ ）
A、交流电动机; B、电动机加转子整流器;
C、逆变器与逆变变压器; D、转子整流器，逆变器与逆变变压器 对串级调速系统而言，一般整定在（ ）时对应于电动机的最低转速工作状态。
A、β＝0。; B、β＝30。;（防止逆变颠覆的最小逆变角） C、β＝60。; D、β＝90。
7-23、串级调速系统的转子整流电路工作在γ>60。时会出现整流电路中（ ）整流元件同时换流
的情况。
A、两个; B、三个; C、四个; D、五个
7-24 串级调速系统的转子整流电路工作在γ>60。时会出现整流电路中（C四个：VD6、VD2
换流未结束时，VD3已承受正向电压，并开始VD1、VD3）整流元件同时换流的情况。
7-25、静止式串级调速系统的附加直流电势由（ ）实现。
A、直流发电机; B、蓄电池;
C、工作在整流状态的可控整流器; D、工作在逆变状态的可控整流器
7-26、串级调速装置的容量与系统的_调速范围__近似成比例。
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7-27、串级调速系统转于直流回路传递函数中的时间常数ＴＬr和放在系数ＫLr都是__转速_的函数。
7-28有一超同步串级调速系统，当1＞S＞0时向电网输入功率，则此系统工作在超同步再生制动状态；
当0＞S时向从电网吸收功率，则此系统工作在定子、转子双馈的电动工作状态）
7-29 斩波控制串级调速系统中，当逆变器固定在最小逆变角下工作，只要改变占空比即可改变异步电机的 理想空载转速 。
7-30、对串级调速系统而言，一般整定在（ 2 ）时对应于电动机的最高转速工作状态。
A、β＝0。; B、β＝30。;（S≈0） C、β＝60。; D、β＝90。
习题八 同步电机变频调速系统
8-1 同步电动机变压变频调速的特点是什么？基本类型有哪些？ 8-2 他控变频同步电动机调速系统有哪些基本类型？
8-3 在同步电动机多变量的动态数学模型中，磁链方程、电压矩阵方程、转矩方程中的各项物理意义是什么？
8-4自控变频同步电动机调速系统是如何组成的？
答：自控变频同步电动机调速系统由逆变器UI、同步电动机、位置检测装置和控制器四部分组成， 自控变频同步电动机调速系统的结构特点：
（1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器 BQ（见图8-7），由它发出的信号控制变压变频装置的逆变器 U I 换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制 UI 的输入直流电压
（2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器 UI、转子位置检测器 BQ 合起来看，就象是一台直流电动机。直流电动机电枢里面的电流本来就是交变的，只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流，这时，换向器相当于机械式的逆变器，电刷相当于磁极位置检测器。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。
8-5：梯形波永磁同步电动机自控变频调速系统和正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统在组成原理上有什么区别？
答：永磁同步电动机（输入正弦波电流时）：正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流PWM变压变频器提供。按转子磁链定向并使 id = 0 的正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统和直流电动机调速系统一样，转速调节器ASR的输出是正比于电磁转矩的定子电流给定值。正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统的优点：定子电流与转子永磁磁通互相独立，控制系统简单，转矩恒定性好，脉动小，可以获得很宽的调速范围，适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合。 正弦波永磁同步电动机自控变频调速系统的缺点：（1）当负载增加时，定子电流增大，使气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证足够的电源电压，电控装置须有足够的容量，而有效利用率却不大。
（2）负载增加时，定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大，造成功率因数降低。 （3）在常规情况下，弱磁恒功率的长期运行范围不大。
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无刷直流电动机（采用方波电流时）：梯形波永磁同步电动机（即无刷直流电动机）的转矩与电流成正比，和一般的直流电动机相当。
这样，梯形波永磁同步电动机自控变频调速系统的控制系统也和直流调速系统一样，要求不高时，可采用开环调速，对于动态性能要求较高的负载，可采用双闭环控制系统。无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置检测、发出换相信号、调速时对直流电压的PWM控制等功能。现已生产出专用的集成化芯片，比如： MC33033、MC33035等。
8-6试比较直流电动机和直流电机调速系统、异步电动机和交流异步电机调速系统、同步电动机和同步电机调速系统的优缺点，并指出今后调速系统的发展趋势。
⑴ 直流电动机的缺点：结构复杂，存在机械磨损、噪声大、维护困难、价格昂贵；换向产生火花，不适合易燃易爆等恶劣环境；机械换向器的换向能力限制了电动机，难以制造大容量、高转速、高电压的直流电动机，接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高。为改善换向能力，减小电枢漏感，转子变得短粗，GD2增大，影响系统的动态性能
⑵ 直流电机调速的优点：调速范围广，易于实现平滑无级调速；起动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性高，动态性能良好。⑶ 交流异步电动机的优点：结构简单，坚固耐用，维护工作量小；运行效率高、转动惯量小，动态响应快，适应范围广；可以制造大容量、高转速、高电压的交流电动机。⑷ 交流异步电动机调速的缺点：异步电动机需丛定子侧励磁，电机功率因数低，造成变频装置的功率因
数低；
在高性能的矢量控制异步电动机调速系统中（最好的变压变频调速），转子参数受温度影响，产生控制误差，影响控制精度，需加补偿措施或利用其他控制方式（如直接转矩控制）。异步电动机为提高其功率因数及效率，许尽量减小定、转子间隙这使得制造困难，并不适合工作于冲击振动大的场合。
⑸ 同步电动机的优点：普通同步电动机结构虽比笼型异步电动机复杂，但比直流电动机简单；和同容量
的直流电机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小，省维护；可以制造大容量、高转速、高电压的同步电动机。
⑹ 同步电动机的优点：普通同步电动机结构虽比笼型异步电动机复杂，但比直流电动机简单；和同容量
的直流电机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小，省维护；可以制造大容量、高转速、高电压的同步电动机。
同步电动机调速的缺点：起动费事，重载时有振荡以至于失步的危险。采用转速频率闭环控制解决失步问题。⑺ 今后调速系统的发展趋势：
在三种调速系统中，直流调速系统虽然历史悠久，技术成熟，并且在不断地完善自己（如全数字化），但由于直流电动机的固有缺陷，必然被交流调速所取代。
与异步电动机传动系统相比，有竞争能力的当属于同步电机调速系统，她引起了人们的极大兴趣，在电气传动领域中占很大比例，相信不久的将来，在取代直流调速系统方面，其作用将超过交流异步电机调速系统。8-7、 同步电动机按其转子结构不同可分为：隐极式和 凸极式；
同步电动机按其励磁方式不同可分为：直流励磁、永久励磁、反应式 同步电动机按其励磁方式不同可分为： 磁阻式同步电动机、磁滞式同步电动机、永磁式同步电动机等。 8-8、异步电动机和同步动电机主要区别是什么？
答：异步电动机和同步动电机主要区别如下（1） 异步电动机磁场靠定子供电产生，（大、中型）同
步电动机在转子侧有独立的直流励磁，小容量同步电动机常用永久磁铁励磁，其磁场可视为恒定。磁阻式同步电动机，其转子没有任何磁场，完全靠定子励磁，靠磁阻的变化产生同步转矩
（2） 异步电动机的转速始终比同步转速还要低，同步电动机的转速始终等于同步转速，与电源频率完全成正比（3） 异步电动机永远在滞后的功率因数下运行，同步电动机的功率因数用励磁电流来调节，可滞后、可超前，还可等于1。同步电动机除了拖动负载，还可负担无功功率。（4）同步电动机定子绕组与异步电动
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机定子绕组一样；同步电动机在转子侧有独立的直流励磁绕组（或永久磁铁还有一个自身短路的阻尼绕组。 当同步电动机在恒频下运行时，阻尼绕组有助于抑制重载时容易发生的振荡。当同步电动机在转速闭环下变频调速，阻尼绕组便失去作用，增加数学模型的复杂性。（5） 异步电动机间隙均匀；同步电动机分凸极式（显极式）和隐极式。
隐极式间隙均匀；凸极式气隙磁阻不均匀，直轴磁阻小，与之垂直的交轴磁阻大，两轴的电感系数不同，还会因此而产生转矩的磁阻分量。
8-9 根据变频调速系统是采用独立的还是不独立的变频装置，可将同步电动机变频调速系统 分为： 他控变频调速系统 和 自控变频调速系统 。
8-10、同步电动机采用电动势自然换流可以不必增加辅助设备，因而比较经济，但电动机在起动和低速运行时，电动势很小，不足以保证安全换流。解决办法有：电流断续换流和 改用可关断晶闸管或在小功率时用电力晶体管。
8-11、无换向器电动机过载能力低，解决办法是：减小功角θ 和 减小重叠角μ。
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