湘潭大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)試題庫

一、復(fù)習(xí)：直流調(diào)速系統(tǒng)

問題1-2：衡量調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)是哪些？

①調(diào)速氾圍D=nmax/nmin=nnom/nmin

②靜差率S=4nnom/nO*100%對轉(zhuǎn)差率要求高，同時(shí)要求調(diào)速范圍大（D大S小）時(shí)，

只能用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

③和負(fù)載匹配狀況：

一般要求：恒功率負(fù)載用恒功率調(diào)速，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

問題1-3：請比較直流調(diào)速系統(tǒng)、溝通調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并說明今后電力傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展

的趨勢.

*直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，起動(dòng)、制動(dòng)性能好，過載轉(zhuǎn)矩大，牢靠性高，動(dòng)態(tài)

性能良好。

缺點(diǎn)：有機(jī)械整流器和電刷，噪聲大，維護(hù)困難；換向產(chǎn)生火花，運(yùn)用環(huán)境受限；結(jié)構(gòu)困難,

容量、轉(zhuǎn)速、電壓受限。

*溝通電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（正好與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相反）優(yōu)點(diǎn)：異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡潔、堅(jiān)

實(shí)耐用、維護(hù)便利、造價(jià)低廉，運(yùn)用環(huán)境廣，運(yùn)行牢靠，便于制造大容量、高轉(zhuǎn)速、

高電壓電機(jī)。大量被用來拖動(dòng)轉(zhuǎn)速基本不變的生產(chǎn)機(jī)械。

缺點(diǎn)：調(diào)速性能比直流電機(jī)差。

*發(fā)展趨勢：用直流調(diào)速方式限制溝通調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速性

能；或采納同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng).

問題1-4：直流電機(jī)有哪幾種？直流電機(jī)調(diào)速方法有哪些?請從調(diào)速性能、應(yīng)用場合和優(yōu)缺

點(diǎn)等方面進(jìn)行比較.哪些是有級調(diào)速？哪些是無級調(diào)速？

直流電動(dòng)機(jī)中常見的是有換向器直流電動(dòng)機(jī)，可分為串勵(lì)、并勵(lì)、復(fù)勵(lì)、他勵(lì)四種，無

換向器直流電動(dòng)機(jī)屬于一種特殊的同步電動(dòng)機(jī)。

U-IR

依據(jù)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)歹速公式，調(diào)速方法有變壓調(diào)速、變電阻調(diào)速和變轉(zhuǎn)

差率調(diào)速。

調(diào)壓調(diào)速：調(diào)整電壓供電電壓進(jìn)行調(diào)速，適應(yīng)于：UWUnom,基頻以下，在肯定范

圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。弱磁調(diào)速：無級，適用于中W中nom,一般只能協(xié)作調(diào)壓調(diào)速方案，在

基頻以上（即電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速以上）作小范圍的升速。

變電阻調(diào)速：有級調(diào)速。

變轉(zhuǎn)差率調(diào)速：無級調(diào)速。

問題1-5：帶有比例調(diào)整器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，假如轉(zhuǎn)速的反饋值與給定值相等，

則調(diào)整器的輸出為（A）

A、零；B、大于零的定值

C、小于零的定值；D、保持原先的值不變

問題1-6：什么是調(diào)速范圍D?什么是靜差率S,兩者的關(guān)系如何？用什么方法可以使調(diào)速

系統(tǒng)滿足D大S小的限制要求？

①調(diào)速氾圍D=nmax/nmin=nnom/nmin

②靜差率S=Z;xnnom/nO*100%對轉(zhuǎn)差率要求高，同時(shí)要求調(diào)速范圍大（D大S?。r(shí)，

只能用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

問題1-7：直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源有：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-M系統(tǒng)）、靜止可控整流器

工V-M系統(tǒng)）、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器（PWM）。

名詞說明1-8：G-M系統(tǒng)V-M系統(tǒng)PWMPFM

①G-M系統(tǒng)：溝通電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由直流發(fā)電機(jī)給須要調(diào)速的直

流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)整G的勵(lì)磁電流與變更其輸出電壓，從而調(diào)整M的轉(zhuǎn)速。

優(yōu)點(diǎn)：在允許轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運(yùn)行。

缺點(diǎn)：設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，有噪音，維護(hù)不便利。

②V-M系統(tǒng)：晶閘管，工作在相位限制狀態(tài)，由晶閘管可控整流器V給須要調(diào)速直流

電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)整觸發(fā)裝置GT的限制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可變更整流器V的

輸出電壓，從而調(diào)整直流電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速。

優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性和牢靠性提高，無需另加功率放大裝置?？焖傩院?，動(dòng)態(tài)性能提高。

缺點(diǎn)：只允許單向運(yùn)行；元件對過電壓、過電流、過高的du/dt和di/dt非常敏

感；低速時(shí)易產(chǎn)生電力公害：系統(tǒng)功率因數(shù)低，諧波電流大。

③PWM：脈沖寬度調(diào)制（PWM）,晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電

壓加到電動(dòng)機(jī)上；晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開；這樣通過變更晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間

（即調(diào)占空比ton）就可以調(diào)整電機(jī)電壓，從而進(jìn)行調(diào)速。PWM調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)低速運(yùn)

行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬；電動(dòng)機(jī)損耗和發(fā)熱較?。幌到y(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾實(shí)力強(qiáng)；

器件工作早開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率較高。PWM調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用：中、小功率系統(tǒng)

④PFM脈沖頻率調(diào)制（PFM）,晶閘管工作在開關(guān)狀態(tài)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓

加到電動(dòng)機(jī)上；晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開；晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間不變，只變更開

關(guān)頻率f或開關(guān)周期T（即調(diào)整晶閘管的關(guān)斷時(shí)間儲(chǔ)玲就可以調(diào)整電機(jī)電壓，從而進(jìn)行調(diào)

速。

問題1-9：哪些是限制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)？

①穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)是：調(diào)速范圍D=nmax/nmin=nnom/nmin和靜差率S=Z\nnom/n（）*l。。%②

穩(wěn)定性指標(biāo)：柏德圖（對數(shù)幅頻特性和對數(shù)幅頻特性）

典型I型系：對數(shù)幅頻特性以一20dB/dec的斜率穿越零分貝線，只有保證足夠的中頻

帶寬度，系統(tǒng)就肯定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。丫=90。-tg-1，cT>450典型H

型系統(tǒng)：對數(shù)幅頻特性以一20dB/dec的斜率穿越零分貝線。

7=180°-180°+tgT3ct-tgT3cT=tgT3ct-tgT3cT③動(dòng)態(tài)性能指

標(biāo)分跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)：

跟隨性能指用上升時(shí)間：在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到

I穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時(shí)間（有些教材定義為10%—90%）

超調(diào)量：在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏移

量

與穩(wěn)態(tài)值之比。

調(diào)整時(shí)間：又稱過度過程時(shí)間原則上是系統(tǒng)從給定量階躍變更到輸出量

完全

穩(wěn)定下來的時(shí)間。一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值旁邊，

取±5%（或±2%）的范圍作為允許誤差。抗擾性能指標(biāo)：動(dòng)

態(tài)著陸：在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)的擾動(dòng)量，在過度過程中引起

的輸出量最大著陸值。

復(fù)原時(shí)間：從階躍擾動(dòng)作用起先，到輸出量基本復(fù)原穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值

之差

進(jìn)入某基準(zhǔn)量的±5%（或±2%）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間。

問題1-10：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程特點(diǎn)是、

和O

①飽和非線性限制

ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，恒值電流調(diào)整的單閉環(huán)系統(tǒng)；

ASR不飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，無靜差調(diào)速系統(tǒng).

②準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)限制：恒流升速可使起動(dòng)過程盡可能最快.

③轉(zhuǎn)速超調(diào)：只有轉(zhuǎn)速超調(diào)才能使ASR退飽和.問題1-11：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系

統(tǒng)中，

轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì),抗擾實(shí)力強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)無靜差。

電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì),抗擾實(shí)力稍差，超調(diào)小。

問題1-12：無靜差調(diào)速系統(tǒng)的PI調(diào)整器中P部份的作用是（D）

A、消退穩(wěn)態(tài)誤差；B、不能消退穩(wěn)態(tài)誤差也不能加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)

C、既消退穩(wěn)態(tài)誤差又加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)；D、加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)

問題「15：位置隨動(dòng)系統(tǒng)解決的主要問題是什么？試比較位置隨動(dòng)系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的異同。

①位置隨動(dòng)系統(tǒng)解決的主要問題是實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對位置指令（給定量）的精確跟蹤。

隨動(dòng)系統(tǒng)一般稱伺服系統(tǒng)

②位置隨動(dòng)系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的相同點(diǎn)：

兩者的限制原理相同，它們都是反饋限制系統(tǒng)，即通過對系統(tǒng)的輸出量與給定量進(jìn)行比較，

組成閉環(huán)限制。

③位置隨動(dòng)系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的相異點(diǎn)：

調(diào)速系統(tǒng)的給定量是恒值，不管外界擾動(dòng)狀況如何，希望輸出能夠穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的

抗擾性能顯得非常重要。

位置隨動(dòng)系統(tǒng)中的位置指令是常常變更的，是一個(gè)隨機(jī)變量，要求輸出量精確跟蹤給定

量的變更，輸出響應(yīng)的快速性、敏捷性、精確性成了位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要特征。

位置隨動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上往往比調(diào)速系統(tǒng)困難一些。位置隨動(dòng)系統(tǒng)可以在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)

上增加一個(gè)位置環(huán)，位置環(huán)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)特征。

問題1-16：什么是串聯(lián)校正、并聯(lián)校正和復(fù)合限制？試舉例說明它們的運(yùn)用場合。

①串聯(lián)校正（調(diào)整器校正），采納PID校正的單位置環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，可以得到較高的截止

頻率和對給定信號的快速響應(yīng)，結(jié)構(gòu)簡潔。由于不運(yùn)用測速機(jī)，從而解除了測速機(jī)帶來的干

擾，但反過來又使摩察、間隙等非線性因素不能很好地受到抑制。負(fù)載擾動(dòng)也必需通過位置

環(huán)進(jìn)行調(diào)整，沒有快速的電流環(huán)與時(shí)補(bǔ)償而使動(dòng)態(tài)誤差增大。同時(shí)JID調(diào)整器是采納比例微

分超前作用來對消調(diào)整對象中的大慣性，屬于串聯(lián)校正，常會(huì)因放大器的飽和而減弱微分信

號的補(bǔ)償強(qiáng)度，還會(huì)因控對象參數(shù)變更而丟失零極點(diǎn)對消的效果。因此單位置環(huán)的隨動(dòng)系統(tǒng)

僅適用于負(fù)載較輕，擾動(dòng)不大，非線性因素不太突出的場合。

②并聯(lián)校正

在調(diào)速系統(tǒng)中引入被調(diào)量的微分負(fù)反饋是一種很有效的并聯(lián)校正，在隨動(dòng)系統(tǒng)中常常采

納這種并聯(lián)校正，有助于抑制振蕩、減小超調(diào)，提高系統(tǒng)的快速性。

在位置隨動(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的并聯(lián)校正比轉(zhuǎn)速反饋的并聯(lián)校正好，因?yàn)樗恍柙?/p>

大K1就可以保證原有的穩(wěn)態(tài)精度，而快速性同樣可以得到肯定程度的提高，只受到小時(shí)間

常數(shù)與測速發(fā)電機(jī)信號中噪聲干擾的限制。

③復(fù)合限制

當(dāng)隨動(dòng)系統(tǒng)輸入信號的各階導(dǎo)數(shù)可以測量或者可以實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)，利用輸入信號的各階導(dǎo)

數(shù)進(jìn)行前饋限制構(gòu)成前饋限制（開環(huán)限制）和反饋限制（閉環(huán)限制）相結(jié)合的復(fù)合限制，也

是一種提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)的有效途徑。

二、回顧：溝通調(diào)速系統(tǒng)

問題2-5：常用的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速有哪些？哪些屬于轉(zhuǎn)差功率消耗型？哪些屬于轉(zhuǎn)差功率不

變型？哪些屬于轉(zhuǎn)差功率回饋型？

①異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有：降電壓調(diào)速、繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、

變極調(diào)速、變頻調(diào)速等。②降電壓調(diào)速、繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率消

耗型

③串級調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率回饋型

④變極調(diào)速、變頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率不變型。

問題2-6：變極調(diào)速方法對籠型與繞線式電動(dòng)機(jī)是否都適用，為什么？

變極調(diào)速只適合于本身具備變更極對數(shù)的籠型電動(dòng)機(jī)（雙速電動(dòng)機(jī)、三速和四速電動(dòng)

機(jī)），它們可以通過變更極對數(shù)是用變更定子繞組的接線方式來完成調(diào)速，繞線式電動(dòng)機(jī)一

般采納轉(zhuǎn)子傳電阻或串級調(diào)速。

問題2-8：請簡述溝通異步電動(dòng)機(jī)變極調(diào)速的工作原理，并說明其特點(diǎn)和應(yīng)用場合。

變極調(diào)速是通過變更定子繞組的極對數(shù)來變更旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的，是無附加

轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式。變更極對數(shù)是用變更定子繞組的接線方式來完成的（雙速電動(dòng)機(jī)、

三速和四速電動(dòng)機(jī)）這種變更極對數(shù)來調(diào)速的籠型電動(dòng)機(jī)，通常稱為多速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或變極

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

缺點(diǎn)：有級調(diào)速，而且調(diào)速級差大，從而限制了它的運(yùn)用范圍。

特點(diǎn)：具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；接線簡潔、限制便利、

價(jià)格低；有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器協(xié)作

運(yùn)用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。變極調(diào)速適合于：按2?4檔固定調(diào)速變更的場合，

（不須要無級調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械），如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等。

問題2-9：晶閘管溝通調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，對觸發(fā)脈沖有何要求，為什么？

晶閘管溝通調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，要求用寬脈沖、雙窄脈沖或脈沖列觸發(fā)，以保證牢靠換流,

防止直通。

晶閘管是半控器件，只須要用脈沖觸發(fā)其導(dǎo)通，不須要限制其關(guān)斷。

問題2-10：請簡述溝通異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速的工作原理，并對三種常用的調(diào)壓方法進(jìn)

行說明。當(dāng)變更電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)

速。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能供應(yīng)電壓變更的電源。目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電

抗器、自耦變壓器以與晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最佳。

調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：調(diào)壓調(diào)速線路簡潔，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限制。調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形

式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。①通過變

更自耦變壓器變比，來變更電機(jī)電壓，從而進(jìn)行調(diào)速。②通過變更直流勵(lì)磁電流來限制鐵

心的飽和程度，變更溝通電抗值，變更電機(jī)電壓，實(shí)現(xiàn)降壓調(diào)速。飽和，溝通電抗小，電機(jī)

定子電壓高。③通過限制晶閘管的導(dǎo)通角，來調(diào)整電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而進(jìn)行調(diào)速。

問題2-15：請簡述晶閘管調(diào)壓調(diào)速的工作原理，并說明其優(yōu)缺點(diǎn)。畫出幾種晶閘管主電路

的連接方法，指出他們各自的特點(diǎn)。

在溝通異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，通過限制晶

閘管的導(dǎo)通角，來調(diào)整電動(dòng)機(jī)的端電壓，從而進(jìn)行調(diào)速。

優(yōu)點(diǎn)：維護(hù)便利，噪聲小，可以四象限運(yùn)行。

缺點(diǎn)：電網(wǎng)輸入電壓為正弦波，但輸出電壓不為正弦波，諧波大，功率因素低，機(jī)械特

性軟。

解決方法：采納閉環(huán)系統(tǒng)。

①三相分支雙向限制繞組Y連接：

特點(diǎn)：用雙脈沖或者寬60°脈沖觸發(fā)晶閘管SCR,

輸出含有奇次諧波，繞組Y連接。

如電機(jī)繞組帶中線，可消取三次諧波電流,

但仍舊存在其他次諧波，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和附加損耗。

與其它接法相比，此接法諧波重量最小。

②三相分支雙向限制繞組△連接：

特點(diǎn)：用雙脈沖或者寬60°脈沖觸發(fā)SCR,

輸出含有奇次諧波，繞組△連接。

有其它的高次諧波，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和附加損耗。

③三相分支單向限制繞組Y連接：

特點(diǎn)：每一相制用一個(gè)用晶閘管和一個(gè)二極管反并聯(lián),

可以降低成本，但各相波形不對稱，輸出含有偶次諧波，

降低了運(yùn)行性能，所以只用于小容量裝置。

④三相△形雙向限制繞組△連接

特點(diǎn)：晶閘管串接在相繞組回路中，

在同等容量下，晶閘管承受的電壓高而電流小，

適合于電機(jī)繞組△連接的狀況。

⑤三相零點(diǎn)△連接，單向限制

特點(diǎn)：電路簡潔，晶閘管放在負(fù)載后面,

可以減小電網(wǎng)浪涌電壓對它的沖擊，但因?yàn)槭菃蜗蛳拗?/p>

奇次、偶次諧波都存在，運(yùn)行效率稍低。

只適合于小容量電機(jī)。

問題2-17：請簡述繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的工作原理，并說明其優(yōu)缺點(diǎn)。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下

運(yùn)行，串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡潔，限制便利，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)

熱的形式消耗在電阻上。屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。

三、溝通異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的理論基礎(chǔ)

問題3-3：溝通異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)在基速以上和基速以下分別采納什么限制方法，磁

通、轉(zhuǎn)矩、功率呈現(xiàn)怎樣的變更規(guī)率？并請用圖形表示。°

T

恒磁通調(diào)速（基頻以下）Ul/fl=常數(shù)，并補(bǔ)償定子電阻損耗

°fnn

恒功率調(diào)速（基頻以上）上升電源電壓時(shí)不允許的，

在頻率上調(diào)時(shí)，只能保持電壓不變。

頻率越大，磁通就越小，類似于直流電動(dòng)機(jī)的弱磁增速。

問題3-5：溝通異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的限制方式有恒磁通限制、恒功率限制和

恒電流限制三種,其中恒磁通限制又稱恒轉(zhuǎn)矩限制。

問題3-6：假如在溝通異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采納恒轉(zhuǎn)矩限制時(shí)，出現(xiàn)勵(lì)磁電流急劇增加

的現(xiàn)象

（事實(shí)上時(shí)由于電壓補(bǔ)償過多），導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作，應(yīng)實(shí)行的解決方法有：

適當(dāng)增加定子電壓5和在開環(huán)系統(tǒng)上加電流負(fù)反饋，以便限制定子勵(lì)磁電流,（事

實(shí)上，變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩負(fù)載加恒電流限制）。

問題3-11：什么是變轉(zhuǎn)差率調(diào)速？

在轉(zhuǎn)差率s很小的范圍內(nèi)，只要能夠維持氣隙磁通6m不變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)

差角頻率3s成正比，即在異步電機(jī)中，限制轉(zhuǎn)差率就代表了限制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率限

制的基本概念。

問題3-19：溝通異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速限制策略的探討（電氣傳動(dòng)自動(dòng)化）2003,25（5）P22~25

①常規(guī)限制策略：恒壓頻比限制、轉(zhuǎn)差頻率限制、矢量限制、干脆轉(zhuǎn)矩限制

②現(xiàn)有限制策略：轉(zhuǎn)子參數(shù)推算法、自適應(yīng)限制、魯棒限制

非線性限制（非線性反饋限制、逆限制）

智能限制（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)于內(nèi)模復(fù)合限制、模糊于模型參考自適應(yīng)復(fù)合限制、模糊于變

結(jié)構(gòu)復(fù)合限制、滑模/模糊/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合限制）

③熱門課題與關(guān)鍵技術(shù)

非線性自適應(yīng)限制

智能限制器算法的好用化、雙優(yōu)限制、在線診斷和容錯(cuò)限制）

四、溝通異步電動(dòng)機(jī)矢量變換限制

問題4-1：在實(shí)際系統(tǒng)中，怎樣保證E2/fl=K?

E2轉(zhuǎn)子磁鏈在每相定子中的感應(yīng)電動(dòng)勢，（忽視轉(zhuǎn)子電阻損耗）

轉(zhuǎn)子磁鏈恒值，機(jī)械特性線性，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能好，最難實(shí)現(xiàn)。是矢量限制追求的

目標(biāo).

問題4-2：什么是矢量限制系統(tǒng)VCS或TCS矢量變換限制系統(tǒng)？請畫出矢量限制系統(tǒng)的構(gòu)

思框圖，

并簡述其工作原理。

將異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電動(dòng)機(jī)，那么，仿照直流電動(dòng)機(jī)的限制方法,

求得直流電動(dòng)機(jī)的限制量，經(jīng)過坐標(biāo)反變換，就能夠限制異步電動(dòng)機(jī)。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的

是電流（代表磁動(dòng)勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換的限制系統(tǒng)就叫做矢量限制系統(tǒng)

VCS(VectorControlSystem)矢量變換限制系統(tǒng)TCS(Trans-vectorControlSystem)o

(DQ%Q

問題4-3：三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括：電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方

程。

問題4-4：將三相溝通電機(jī)變換成兩極直流電機(jī)的物理模型要經(jīng)過的坐標(biāo)變換有哪些?

先將靜止的三相坐標(biāo)A-B-C轉(zhuǎn)換成靜止的兩相坐標(biāo)a-B,再將靜止的兩相坐標(biāo)a-B換

成旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)d-q或極坐標(biāo)(M-T)o

問題4-5：三相異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),

問題4-7：坐標(biāo)變換有哪些？坐標(biāo)變換原則有哪兩種？它們各用于什么場合？

坐標(biāo)變換有：

①靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C)一旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q-O),P246

'cos入sinX】

/

c3s/2際cos(X-120℃)sin(X-120℃)；

、Cos(X+120℃)sin(X+120℃)

②旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q)-靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C),C2R/3S=C3s/21

③靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C)-靜止的兩相坐標(biāo)(a-8-O),零軸電流

C1-1」)

22

V3_V3

5rs/2s—Un——--

22

KKK

④靜止的兩相坐標(biāo)(a-0-O)一靜止的三相坐標(biāo)(A-B-C),C2s/3S=C3s￡

⑤靜止的兩相坐標(biāo)(a-B)一旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q),

C2s/2R=[cosXsing

-sinXcos入

⑥旋轉(zhuǎn)的兩相坐標(biāo)(d-q)-靜止的兩相坐標(biāo)(a-B)C2s您=C23T

⑦直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)[=1￥+/0=artg(3)或1=渥+10

lp

^artgC-^-)

因?yàn)?。?~90℃變更時(shí)，tg0的變更范圍是0~8,這個(gè)變更范圍太大，常改用下式求0

值：

0=2artg(-，r-)

1+，M

坐標(biāo)變換原則有功率不變原則和空間矢量不變原則兩種。

功率不變原則是保持坐標(biāo)變換前后的電動(dòng)機(jī)功率不變，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

空間矢量不變原則是保持坐標(biāo)變換前后的電流、電壓、電動(dòng)勢等空間矢量的相位、幅值

不變。

問題4-8：磁鏈干脆檢測的方法有哪些？各有何缺點(diǎn)？

磁鏈干脆檢測的方法有檢測線圈法和磁通傳感器法

①檢測線圈法是在定子中安放寬度等于全極距的檢測線圈，可產(chǎn)生正比于磁通變更的

信號，通過積分求得主磁通的測量值。這種方法由于積分有漂移，硬件上不易實(shí)現(xiàn)，故應(yīng)用

不多。

②磁通傳感器法是異步電動(dòng)機(jī)的氣隙中設(shè)置兩個(gè)磁鏈傳感器，它們分別裝在與a相繞

組磁軸重合和垂直的位置，用來分別檢測氣隙磁鏈在靜止坐標(biāo)系中的兩個(gè)重量＜葭..和6R

由于這種檢測方法必需在電機(jī)內(nèi)置檢測器，運(yùn)用不便利，且檢測的氣隙磁鏈含有大量諧波,

簡潔造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

問題4-9：請寫出在二相靜止坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型。

在二相靜止坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型有電流模型觀測器和電壓模型觀測器：

①電流模型觀測器：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速的10%,定子繞組壓降不行忽視，異步

電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系（一）中的電壓方程為:

r

(Rs+LsP

US0Linp)is

二

U、0Rs+LsP0Lmi

1)

0LmpLnRr+LpLrir

0-LL,?p-LrRr+Lrpir

可得:{=

0P(LmiS4-Lr1r)+(Lm1s+Lri,)+Rrir

0=p(Lmis+L1r)-(Lm1s+Lrir)+Rri

轉(zhuǎn)子磁鏈可表示為：r=Uis+L1rr-L?,is+L1r

由上述3式解出ir、ir并化簡得：r=--—(L,?1s-Trr),尸一—(L,?is

1+T2Pl+T2P

+Trr）

式中：T,一轉(zhuǎn)子繞組的電磁時(shí)間常數(shù)，us一定子繞阻電壓，us一定子繞阻電壓，is—

定子繞阻電流，

is一定子繞阻電流，，一與轉(zhuǎn)子繞阻匝鏈的磁鏈，，一與轉(zhuǎn)子繞阻匝鏈的磁

鏈。

②電壓模型觀測器：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的10%以上，忽視定子繞組壓降，定子回

路的電壓平衡方程式為：Us=ps=Lspis+Lmpir轉(zhuǎn)子磁鏈可以用電感和電流表示，r=Lmis+Lr

lr

其中：p—微分算子Us一定子電壓，is一定子電流，s--定子磁鏈，r一轉(zhuǎn)子磁鏈，Rs一定

子繞阻電阻，Rr一轉(zhuǎn)子繞阻電阻，L一定子繞阻全電感，L「一轉(zhuǎn)子繞阻全電感，L,“定、轉(zhuǎn)子繞

阻之間的互感。

從上述兩式中消去i”得：尸&f[tis-乜—邑生]dt,令：凡=上，K,i'K,

LJ

mL,dtLmLr

r在靜止坐標(biāo)系中的重量為：r=Ksf[us-Kr%]dt,,=KSf[u色竺]dt。

JdtJdt

問題4-12：磁鏈定向方法有哪些？采納M-T坐標(biāo)系是按什么磁鏈定向？

磁鏈定向方法有三種：

①按轉(zhuǎn)子磁鏈3（小2）定向：限制性能最好，但轉(zhuǎn)子磁鏈不易測量和限制；

②按氣隙磁鏈3定向：氣隙磁鏈較易測量和限制，但限制性能不好；

③按定子磁鏈6s（5）定向：定子磁鏈最簡潔測量和限制，但限制性能不好；五、溝

通異步電動(dòng)機(jī)干脆轉(zhuǎn)矩限制

名詞說明：DTCDSCSPWM原型電動(dòng)機(jī)

DTC（DirectTorqueControl）或DSC（DirectSelfControl）：干脆轉(zhuǎn)矩限制，通過變

更電機(jī)磁場對轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差速率，以干脆限制異步機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩增加率，獲得電機(jī)的快

速響應(yīng)。

SPWM：正弦波脈寬調(diào)制，將正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面

積用一個(gè)與此面積相等的等高矩形脈沖來替代。三角波載波信號比與一組三相對稱的正弦

參考電壓信號Ura、Urb、Urc比較后，產(chǎn)生的SPWM脈沖序列波Uda、Udb、Ude作為逆變器

功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)限制信號。逆變器輸出電壓的基波正是調(diào)制時(shí)所要求的正弦波，調(diào)整正

弦波參考信號的幅值和頻率就可以調(diào)整SPWM逆變器輸出電壓的幅值和頻率。

原型電動(dòng)機(jī)：（兩相電動(dòng)機(jī)），它具有兩個(gè)集中繞組，即d軸繞組（直軸繞組）和q軸繞

組（交軸繞組），兩個(gè)繞組相互垂直，可以對轉(zhuǎn)矩和磁通進(jìn)行獨(dú)立限制其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與直流電

動(dòng)機(jī)一樣，有樞和換向器等。

問題5-1：簡述干脆轉(zhuǎn)矩限制的工作原理，并比較它與矢量限制的異同點(diǎn)。

①干脆轉(zhuǎn)矩限制技術(shù)利用空間矢量的分析方法，干脆在定子坐標(biāo)下計(jì)算和限制溝通電

動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，它采納定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)整（Band-Band限制）產(chǎn)生PWM

信號，干脆對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳限制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省掉了困難的

矢量變換與電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的簡化處理，沒有通常的PWM信號發(fā)生器，它的限制思想新奇,

限制結(jié)構(gòu)簡潔，限制手段干脆，信號處理的物理結(jié)構(gòu)明確。該限制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速，限

制在一拍以內(nèi)。且無超調(diào)，是一種具有高性能的溝通調(diào)速方法。

②干脆轉(zhuǎn)矩限制與矢量限制的相同點(diǎn)是：兩者都要對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行限制。

③干脆轉(zhuǎn)矩限制與矢量限制的相同異點(diǎn)如下：

干脆轉(zhuǎn)矩限制只利用定子側(cè)參數(shù)，而矢量變換限制是利用轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)，這些參數(shù)簡潔

受轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變更的影響；干脆轉(zhuǎn)矩限制在靜止的坐標(biāo)系中進(jìn)行，限制運(yùn)算比矢量變換限制簡

潔；干脆轉(zhuǎn)矩限制對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)限制，精確性高，動(dòng)態(tài)性好，而矢量限制則過分要求圓磁

磁鏈和正弦波電流；干脆轉(zhuǎn)矩限制和干脆磁鏈限制采納滯環(huán)，參數(shù)選擇適當(dāng)可彌補(bǔ)由干脆轉(zhuǎn)

矩限制引起的速度下降。干脆轉(zhuǎn)矩限制利用相電壓矢量的概念，對逆變器的功率開關(guān)進(jìn)行綜

合限制，開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗少。

問題5-2：請畫出異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量等效電路圖，并推出穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式。

在正交定子坐標(biāo)系（a-8坐標(biāo)系）上描述異步電機(jī)的等效電路圖,

Q定子電壓空間矢量,L定子電流空間矢量

ir轉(zhuǎn)子電流空間矢量,3電角速度（機(jī)械角速度對極對數(shù)的積）

機(jī)定子磁鏈空間矢量，口轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量

異步電動(dòng)機(jī)在定子坐標(biāo)系下的電壓方程：

史

Us—Rsis+材$

0-R]ir—j3”r

定子磁鏈。s二L定轉(zhuǎn)子磁鏈中r二力S-Loiu

定子旋轉(zhuǎn)磁場供應(yīng)的功率

3

P=3sTd=5(Wsaisa+WspiSB)圖5-1異步電動(dòng)機(jī)的空間矢量等效電

路圖

其中：3s定子頻率（定子旋轉(zhuǎn)磁場頻率）

3

=W

必、”=—3s中SBy/xpssa得轉(zhuǎn)矩Td=—(saIsB一3sBisa)

由is=iu+ir可得轉(zhuǎn)矩Td=---3(力sB巾ra-巾sa巾$)=..-I111sli巾rISin()

42La2

轉(zhuǎn)矩為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的交叉乘積，0磁通角(定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間夾角)

在實(shí)際運(yùn)行中，保持定子磁鏈的幅值為額定值，以便充分利用電動(dòng)機(jī)；而轉(zhuǎn)子磁鏈幅值由負(fù)

載確定。

通過變更磁通角0可實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變更，通過變更轉(zhuǎn)子電流可變更轉(zhuǎn)子磁鏈，

定子磁鏈可以以定子電壓的積分來變更。

問題5-3：請畫出電壓型逆變器8個(gè)電壓狀態(tài)形成的電壓空間矢量圖，并說明定子磁鏈的運(yùn)

動(dòng)軌跡。

電壓型逆變器，為三組六個(gè)開關(guān)同一橋臂

cE

的兩個(gè)開關(guān)互為反向：一個(gè)接通“1”，另一個(gè)斷開“0”。

E

①逆變器8個(gè)電壓狀態(tài)：

匕(100),V2(110),V3(010),V4(Oil),

v5(001),V6(101)構(gòu)成正六邊形的頂點(diǎn),

V7(111),Vo(000)位于正六邊形的中心。圖5-2電壓型逆變器

由相電壓波形圖可干脆得到逆變器的各開關(guān)狀態(tài),

兩者的開關(guān)狀態(tài)依次一樣6個(gè)狀態(tài)一個(gè)周期(狀態(tài)1一狀態(tài)6),

相電壓波形幅值兩個(gè)：土2必/3和±4Ud/3

②忽視定子電阻和漏感的影響，

定子回路的電壓平衡方程式為：us=es=d4)s/dt

圾=5力+小so,3so定子磁鏈的初始值。

③從電壓型逆變器8個(gè)電壓狀態(tài)形成的電壓

空間矢量圖可見：

定子磁鏈?zhǔn)噶啃的增長方向，即小S矢頭的運(yùn)動(dòng)方向

確定于電壓矢量Us的方向；

定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向

和軌跡對應(yīng)于相應(yīng)的電壓空間矢量的作用方向。

只要定子電阻壓降比起定子電壓足夠小，圖5-38個(gè)電壓狀態(tài)的空間矢量

圖

這種平衡就能得到很好地近似），

在適當(dāng)?shù)貢r(shí)候依次給出定子電壓空間矢量，則得到的定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡依次按X-V6運(yùn)動(dòng),

形成正六邊形磁鏈。正六邊形的六條邊代表磁鏈空間矢量一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)軌跡，

稱區(qū)段（扇區(qū)）Si...區(qū)段（扇區(qū)）S6

小s矢頭的運(yùn)動(dòng)速率與小的幅值￡成正比；

若比=0,則心停止運(yùn)動(dòng)（V。、V7）；

若有效電壓矢量依照矢量圖片fV3-%-V5fV6的次序交替作用，且作用時(shí)間相等，

則2s矢頭的運(yùn)動(dòng)軌跡為一正六邊形。

問題5-4：溝通異步電動(dòng)機(jī)采納干脆轉(zhuǎn)矩限制，在正六邊形的定子磁鏈圖中怎樣實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩

限制和恒功率限制。

逆變器8個(gè)電壓狀態(tài)：%,V2,%,V4,V5,V6構(gòu)成正六邊形的頂點(diǎn)，V7,V。位于正六邊

形的中心。

若變更有效電壓矢量的交替作用時(shí)間，即變更2s的旋轉(zhuǎn)速度，由于有效電壓矢量的幅

值不變，所以它們的作用時(shí)間變更后，正六邊形的面積將發(fā)生變更。作用時(shí)間變短，正六邊

形的面積變小，

面積=磁鏈幅值2s也將變小。因此可以用這種方法限制異步電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速。

若在有效電壓矢量的作用期間以肯定規(guī)律插入零矢量（V7,Vo）,小s以最大旋轉(zhuǎn)速度旋

轉(zhuǎn)，零矢量作用時(shí)2s停止運(yùn)動(dòng)。由于零矢量的插入，es走走停停，所以旋轉(zhuǎn)速度變慢了。

明顯，零矢量的作用時(shí)間越長，巾s的旋轉(zhuǎn)速度越慢。

假如在插入零矢量后還保持每個(gè)有效電壓矢量的作用總時(shí)間不變，不難想象，正六邊形

的面積將不變，即磁鏈?zhǔn)噶康姆祵⒉蛔?。用這種方法可以限制異步電動(dòng)機(jī)的恒磁通調(diào)速，

即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

問題5-6：請畫出異步電動(dòng)機(jī)干脆轉(zhuǎn)矩限制調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖，并說明各模塊的功能

和整個(gè)系統(tǒng)的工作原理。

由圖可見，干脆轉(zhuǎn)矩限制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)組成，既干脆進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限制又干脆

進(jìn)行磁鏈限制，只需用電流互感器和電壓互感器檢測定子電流和電子電壓，然后對轉(zhuǎn)矩和磁

鏈進(jìn)行觀測，公式如下:中aS=J(Uas-Rlias)dt4Ps=/(UBS-RIips)dtTe=L'［力aS1

3BSias］

轉(zhuǎn)矩調(diào)整器ATR和磁鏈調(diào)整器都運(yùn)用滯環(huán)兩位調(diào)整，可以保持轉(zhuǎn)矩在給定誤差允許范圍

內(nèi)波動(dòng)，達(dá)到較好的轉(zhuǎn)矩限制性能。

磁鏈自限制DMC的最簡潔方案：由檢測出的定子磁鏈，經(jīng)坐標(biāo)變換單元UCT(2S/3s坐標(biāo)轉(zhuǎn)

換)得到磁鏈的8重量小小中W力…通過三個(gè)施密特觸發(fā)器分別把三個(gè)磁鏈重量與磁

鏈給定值弧.相比較，得到三個(gè)磁鏈開關(guān)信號Sh、SM、SiDc,三相磁鏈開關(guān)信號通過開關(guān)

S換相，得到三相電壓開關(guān)信號：近=甌、甌=甌、西=甌，經(jīng)反相后變成正確的

電壓狀態(tài)信號SUa、SUb、SUc,干脆去限制逆變器UL輸出相應(yīng)的電壓空間矢量，去限制產(chǎn)

生期望的六邊形磁鏈。

ic="ia-ib

T給定+圖5—5寸步電公專矩限制調(diào)速系統(tǒng)so整流器

轉(zhuǎn)嬴案小通過變更定子N

二軌跡的平均速度用用覲［引入浮蜂),采納兩點(diǎn)式

T反饋

滯環(huán)調(diào)整器

調(diào)整：舉』軍值.矩紿定值的差日換相整OgATy；信號“TQ”變

轉(zhuǎn)矩42》3S坐邏輯逆變器

觀測器標(biāo)轉(zhuǎn)換

“1”，工口］大。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)

Tenr

3AWB巾c滯環(huán)調(diào)整器S?AS(,BSTC

矩值和轉(zhuǎn)矩給定值的裁值大于+",ATR的輸出信號“TQ”變“0"，零4小加到電機(jī)上，定

Uab

磁通3S/2S坐電壓

觀測器標(biāo)轉(zhuǎn)換互感器

子磁鏈停止不動(dòng)，磁通角減小，轉(zhuǎn)矩減小。通過轉(zhuǎn)矩干脆自調(diào)整作用，使工作電壓空間矢量

的工作狀態(tài)和零電壓工作狀態(tài)交替接通，限制定子磁鏈3s走走停停，從而使轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)平衡

保持在給定值的士容差）的范圍內(nèi)，既限制了轉(zhuǎn)矩，又形成了PWM的調(diào)制過程。

問題5-7：在異步電動(dòng)機(jī)干脆轉(zhuǎn)矩限制調(diào)速系統(tǒng)中有磁鏈調(diào)整器和轉(zhuǎn)矩調(diào)整器，磁鏈調(diào)整器

通常采納怎樣的限制方式？轉(zhuǎn)矩調(diào)整器通常采納怎樣的限制方式？

轉(zhuǎn)矩調(diào)整器和磁鏈調(diào)整器都運(yùn)用滯環(huán)兩位調(diào)整，可以保持轉(zhuǎn)矩在給定誤差允許范圍內(nèi)波

動(dòng)，達(dá)到較好的轉(zhuǎn)矩限制性能。完整的轉(zhuǎn)矩調(diào)整器是由轉(zhuǎn)矩兩點(diǎn)式調(diào)整器和P/N調(diào)整器組成,

在轉(zhuǎn)矩給定值變更較大時(shí)，P/N調(diào)整器參加調(diào)整，加快調(diào)整過程。

問題5-10：依據(jù)工作特點(diǎn)的不同，可依據(jù)轉(zhuǎn)速分為：低速范圍、高速范圍和弱磁范圍。

問題5-12：在弱磁范圍怎樣實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)干脆轉(zhuǎn)矩限制？

弱磁范圍內(nèi)進(jìn)行的是恒功率調(diào)整，基速以上，全電壓工作，沒有零狀態(tài)電壓工作的時(shí)間，

工作電壓在整個(gè)區(qū)段中作用，其特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)速的提高，定子磁鏈空間矢量旋轉(zhuǎn)的加快，靠的

是磁鏈給定值的減小，即穩(wěn)態(tài)弱磁；轉(zhuǎn)矩的調(diào)整是靠六邊形磁鏈給定值的動(dòng)態(tài)變更調(diào)整的方

法。轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率就是六邊形磁鏈軌跡形成的六倍定子頻率。

其解決方案如下：用電動(dòng)機(jī)模型檢測、計(jì)算電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩；用磁鏈自限制環(huán)節(jié)來

確定區(qū)段；六邊形磁鏈軌跡；用功率調(diào)整器實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)整；通過變更磁鏈給定值實(shí)現(xiàn)平均

轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)調(diào)整；每個(gè)區(qū)段用一個(gè)工作電壓狀態(tài)。

變更有效電壓矢量的交替作用時(shí)間，即變更巾s的旋轉(zhuǎn)速度，由于有效電壓矢量的幅值

不變，所以它們的作用時(shí)間變更后，正六邊形的面積將發(fā)生變更。作用時(shí)間變短，正六邊形

的面積變小，

面積=Vt,磁鏈幅值小s也將變小。因此可以用這種方法限制異步電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速。

六、PWM和SPWM

問題6-1：通過調(diào)整SPWM逆變器限制電路中晶閘管的觸發(fā)脈沖頻率和相位,就可以調(diào)整SPW

逆變器輸出溝通電壓的幅值和頻率。

問題6-2：什么是SPWM,它有何特點(diǎn)？請簡述其工作原理。

將正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積用一個(gè)與此面積相等的

等高矩形脈沖來替代。這樣，有N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等

效。正弦的負(fù)半周也可用同樣方法來等效。一組三相對稱的正弦參考電壓信號Urc、Urb、

Ura,其頻率確定逆變器輸出的基波頻率。三角波載波信號Ut與每相的參考電壓比較后，給

出“正”或“零”的飽和輸出。產(chǎn)生的SPWM脈沖序列波Uda、Udb、Ude作為逆變器功率開

關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)限制信號。逆變器輸出電壓的基波正是調(diào)制時(shí)所要求的正弦波，這種SPWM逆

變器能有效地抑制2NT次以下的低次諧波，但存在高次諧波電壓。

調(diào)整正弦波參考信號的幅值和頻率就可以調(diào)整SPWM逆變器輸出電壓的幅值和頻率。問

題6-3：什么是SPWM的同步調(diào)制和異步調(diào)制？各有何特點(diǎn)？

①同步調(diào)制：N=常數(shù)，正弦波頻率與三角波頻率同步變更，逆變器輸出電壓，半波內(nèi)

得矩形脈沖數(shù)固定不變。假如N=3K,則可保證逆變器輸出波形的正、負(fù)半波對稱，三相輸

出具有120。對稱關(guān)系。

但低頻工作時(shí)，相鄰脈沖間距增大，使電機(jī)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和較強(qiáng)的噪聲。

②異步調(diào)制：NN常數(shù)逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，載波比N#常數(shù)，提凹凸頻時(shí)的載波

比。

在變更參考信號頻率時(shí)保持三角波頻率不變，逆變器輸出電壓半波內(nèi)得矩形脈沖數(shù)可隨

輸出頻率降低而增加，相應(yīng)的削減負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，改善低頻工作的特性。但很

難保證三相輸出的對稱關(guān)系，引起電動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)。

③分段同步調(diào)制：綜合利用兩者的特長，在肯定頻率范圍內(nèi)，采納同步調(diào)制，保持三

相輸出的對稱；低頻時(shí)，使載波比分段有級的增加。

問題6-4：SPWM波形有那幾種常用的方法？試對其中一種進(jìn)行詳細(xì)說明。

SPWM波形的常用方法有：自然采樣法、規(guī)則采樣法、指定諧波消去法

①自然采樣法：依據(jù)正弦波與三角波的交點(diǎn)進(jìn)行脈沖寬度與間隙時(shí)間的采樣，從而生

成SPWM波。自然采樣法雖然能真實(shí)反映脈沖產(chǎn)生與結(jié)束時(shí)刻，卻難以用于實(shí)時(shí)限制中。一

般可以將事先計(jì)算出自然采樣法的數(shù)據(jù)放入計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，限制時(shí)利用查表法進(jìn)行查詢。當(dāng)

調(diào)速系統(tǒng)頻率變更范圍較大、頻率段數(shù)許多時(shí)，將占用大量內(nèi)存空間。自然采樣法用于有限

調(diào)速范圍的場合。

規(guī)則采樣法：設(shè)法使SPWM波形的每一個(gè)脈沖都與三角載波的中心線相對，從而簡化計(jì)

算。查表法：(開環(huán)系統(tǒng))一般可以事先離線在通用計(jì)算機(jī)上算出規(guī)則采樣法相應(yīng)的脈寬后

寫入EPROM,然后由調(diào)速系統(tǒng)的微型機(jī)通過查表和加減運(yùn)算求出各相脈沖的時(shí)間和間隙時(shí)間。

實(shí)時(shí)計(jì)算法：(閉環(huán)系統(tǒng))在內(nèi)存中存貯正弦函數(shù)和Tc/2值，限制時(shí)先取出正弦值與調(diào)速系

統(tǒng)所需的調(diào)制度M作乘法運(yùn)算，再依據(jù)給定的載波頻率取出對應(yīng)的TC/2值，與Msinwite作

乘法運(yùn)算，然后運(yùn)用加、減、移位即可求出脈寬時(shí)間t2和間隙時(shí)間口、t3。

③指定諧波消去法：從消退某些指定次數(shù)的諧波動(dòng)身，通過計(jì)算來確定各個(gè)脈沖的開

關(guān)時(shí)刻，從而生成SPWM波。一般用離線迭代計(jì)算事先求出不同輸出頻率下各開關(guān)角的數(shù)值

解，放入微機(jī)內(nèi)存，以備限制時(shí)取用。

詳細(xì)工作過程說明見陳伯時(shí)主編.電力拖動(dòng)自動(dòng)限制系統(tǒng)。

問題6-5：SPWM的三種調(diào)制方式為：同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。

問題6-6：SPWM逆變器是利用正弦波信號與三角波信號相比較后，而獲得一系列(A)的脈

沖波形。

A、等幅不等寬；B、等寬不等幅；

C、等幅等寬；D、不等寬不等幅；

在一般的交一直一交變頻器供電的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了獲得變頻調(diào)速所要求的

電壓頻率協(xié)調(diào)限制，整流器必需是可控的，調(diào)速時(shí)須同時(shí)限制整流器UR和逆變器UI,這樣

就帶來了一系列的問題。主要是：

(1)、主電路有兩個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，相對來說比較困難；

(2)、由于中間直流環(huán)節(jié)有濾波電容或電抗器等大慣性元件存在，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

緩慢；

(3)、由于整流器是可控的，使供電電源的功率因數(shù)歲變頻裝置輸出頻率的降低而變

差，并產(chǎn)生高次諧波電流；

(4)、逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓(電流)，在拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)中形成較多的各次諧

波，從而產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)峻。因此，由第一代電

力電子器件所組成的變頻裝置已不能令人滿足地適應(yīng)近代溝通調(diào)速系統(tǒng)對變頻電源的須要。

隨著其次代電力電子器件的出現(xiàn)以與微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了解決這個(gè)問題的良好條件。

1964年，德國的A.Schonung等領(lǐng)先提出了脈寬調(diào)制變頻的思想，他們把通訊系統(tǒng)中

的調(diào)制技術(shù)推廣引用于溝通變頻。用這種技術(shù)構(gòu)成的PWM變頻器基本上解決了常規(guī)六拍階

梯波變頻器中存在的問題，為近代溝通調(diào)速系統(tǒng)開拓了新的發(fā)展領(lǐng)域。下圖表示了SPWM變

圖6-1SPWM交一直一交變壓變頻器的原理框圖圖6-2SPWM變壓變頻器主電路的

原理圖

上圖是SPWM交一直一交變壓變頻器的原理框圖，它仍是一個(gè)交一直一交變壓變頻裝置,

但它的整流器UR是不行控的，它的輸出電壓經(jīng)電容濾波（可附加小電感限流）后形成恒定

幅值的直流電壓，加在逆變器UI上，逆變器的功率開關(guān)器件采納全控式器件），按肯定規(guī)律

限制器導(dǎo)通或斷開，使輸出端獲得一系列寬度不等的矩形脈沖電壓波形。在這里，通過變更

脈沖的不同寬度可以限制逆變器輸出溝通基波電壓的幅值，通過變更調(diào)制周期可以限制器輸

出頻率，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。

SPWM變壓變頻器的主要特點(diǎn)如下：

（1）主電路只有一組可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)。

（2）采納了不行控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)接近于1,且與輸出電壓大小無關(guān)。

（3）逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻與調(diào)壓，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)不受中間直流環(huán)節(jié)濾波器參數(shù)的影響。

(4)可獲得比常規(guī)六拍階梯波更接近正弦波的輸出電壓波形，因而轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，大大擴(kuò)

展了傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)的性能。

問題6-8：怎樣產(chǎn)生SPWM波？

脈寬調(diào)制變壓變頻器的限制方法

原始的SPWM是由模擬限制來實(shí)現(xiàn)的。圖6-4是SPWM變壓變頻器的模擬限制電路原理

框圖。三相對稱的參考電壓調(diào)制信號s、5、urc由參考信號發(fā)生器供應(yīng)，器頻率和幅值

都是可調(diào)的。三角載波信號u由三角波發(fā)生器供應(yīng)，各相共用。它分別是每相調(diào)制信號在比

較器上進(jìn)行比較，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波國、皿、國，

作為變壓變頻器功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號。

圖6-3SPWM變壓變頻器的模擬限制電路圖圖6-4SPWM變壓變頻器的

Simulink模塊圖

雖然此模擬限制電路很少應(yīng)用，但因?yàn)橛肕ATLAB很簡潔仿真，且可以對輸出的SPWM

波形的頻率和幅值都是可調(diào)的。所以才采納Simulink中的模塊做SPWM變壓變頻發(fā)生器和示

波器。

圖6-4中，將三相正弦波作為基準(zhǔn)的調(diào)制波(Modulation

Wave),而三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波信號作為載波(Carrier

Wave)。當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開關(guān)

器件的通斷時(shí)刻。詳細(xì)的做法是，當(dāng)A相的調(diào)制波電壓加高出載

波電壓U,時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件V1導(dǎo)通，輸出正的脈沖電壓；

當(dāng)心的負(fù)半周中，可用類似的方法限制下橋臂的VT,,輸出負(fù)的

脈沖電壓序列，變更調(diào)制波的頻率時(shí)，輸出電壓基波的頻率也隨之變更；降低調(diào)制波的幅值

時(shí)，如U'm,各段脈沖的寬度都將變窄，從而使輸出電壓基波的幅值也相應(yīng)減小。上述的

單極式SPWM波形在半周內(nèi)的脈沖電壓只在“正”(或“負(fù)”)和“零”之間變更，主電路每

項(xiàng)只有一個(gè)開關(guān)器件反復(fù)通斷。假如讓同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)器件交替地導(dǎo)通與關(guān)斷，則

輸出脈沖在“正”和“負(fù)”之間變更，就得到雙極式的SPWM波形。

圖6-5雙極式SPWM波形

問題6-9：什么是SPWM的數(shù)學(xué)限制方法？

數(shù)學(xué)限制是SPWM目前常用的限制方法?？梢圆杉{微機(jī)存

儲(chǔ)預(yù)先計(jì)算好的SPWM數(shù)據(jù)表格，限制是依據(jù)指令調(diào)出；或者

通過軟件實(shí)時(shí)生成SPWM波形。而“面積等效算法”則是其中

最簡潔的一種方法。

它的基本原理是按面積相等的原則構(gòu)成與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖

波形。如圖3-7繪出了單極式的SPWM波形，它是由逆變器上橋臂中一個(gè)功率開關(guān)器件反復(fù)

導(dǎo)通和關(guān)斷形成的。其等效正弦波為U”,sin31t,而SPWM脈沖序列波的幅值為IL/2,各脈

沖不等寬，但中心間距相同，都等于Ji/n,n為正弦波半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)。令第i個(gè)矩形

脈沖的寬度為5j,其中心點(diǎn)相位角為

U°M+二萬

篇港=；nsmgtd(gt)=2Usin—sin6

2Fm2〃i

(6-1)

§a絲叫sind

這就是說，第i個(gè)脈沖的寬度與該處正弦波值近似成正比.因此，與半個(gè)周期正弦波等

效的SPWM波是兩側(cè)窄、中間寬、脈寬按正弦規(guī)律漸漸變更的序列脈沖波形。依據(jù)上述原理,

SPWM脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格地用計(jì)算方法求得，采納數(shù)字限制時(shí)，這是很簡潔實(shí)現(xiàn)的。

我剛起先做這個(gè)脈沖發(fā)生器時(shí)用的就是計(jì)算方法，但是在MATLAB中運(yùn)用這種方法雖然便利

簡潔，但是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的SPWM波形的頻率就不能變更了，所以我選擇了第一種方法。

七、雙饋調(diào)速和內(nèi)反饋

問題7-1：什么是雙饋調(diào)速?它與串級調(diào)速由什么不同？

雙饋調(diào)速是將定、轉(zhuǎn)子三相繞組分別接入兩個(gè)相對獨(dú)立的三相對稱電源：電子繞組接入

工頻電源，轉(zhuǎn)子繞組接入頻率、幅值、相位都可以按要求進(jìn)行調(diào)整的溝通電源，即采納交-

交變頻器和交-直-交變頻器給轉(zhuǎn)子繞組供電。其中必需保證在任何狀況下，轉(zhuǎn)子外加電壓的

頻率都要與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率保持一樣。當(dāng)變更轉(zhuǎn)子外加電壓的幅值和相位時(shí)就可以調(diào)

整異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，也可以調(diào)整定子側(cè)的功率因數(shù)。這種雙饋調(diào)速的異步電機(jī)不但可以在

此同步轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)行，而且可以在超同步轉(zhuǎn)速區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，雙饋調(diào)速也叫超同步調(diào)速。

串級調(diào)速是對轉(zhuǎn)子繞組中的電流進(jìn)行整流，并以直流形式在轉(zhuǎn)子繞組中串入外加電動(dòng)

勢，也叫低同步串級調(diào)速系統(tǒng)，這是由于轉(zhuǎn)差功率只能單方向由整流器送出的原因。串級調(diào)

速是雙饋調(diào)速的一種特殊狀況。

設(shè)轉(zhuǎn)子外加電壓E2與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢SE2同相位

轉(zhuǎn)子電流￡=里*=至［6用±區(qū)”外叫

r2+jsx2z2SE2

1

電磁轉(zhuǎn)矩7=。；”①，,空cos心(1±-^7)=兀+/-TD

z2SE2

志向空載轉(zhuǎn)速n'=ni(l-s)=ni(l±-^r)

SE2

問題7-2：請說明雙饋調(diào)速的五種狀況的功率流淌狀況

(胡宗岳，近代溝通調(diào)速技術(shù)：21-24,機(jī)械工業(yè)出版社，P312)

①轉(zhuǎn)子運(yùn)行于次同步電動(dòng)狀態(tài)(1＞S＞0)

電磁功率＞0,從電源流向負(fù)載；機(jī)械功率＞0,從電機(jī)輸給機(jī)械負(fù)載；

轉(zhuǎn)差功率＜0,回饋給轉(zhuǎn)子外接電源，屬于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。

②轉(zhuǎn)子運(yùn)行于次同步速的定子回饋制動(dòng)狀態(tài)(1＞S＞O)

電磁功率＜0,從電機(jī)回饋給定子電源；機(jī)械功率＜0,從原動(dòng)機(jī)輸給電機(jī)；

轉(zhuǎn)差功率＞0,轉(zhuǎn)子外接電源輸給電機(jī)，屬于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。

③轉(zhuǎn)子運(yùn)行于超同步電動(dòng)狀態(tài)(S＜0

電磁功率＞0,從定子電源輸向電機(jī)；機(jī)械功率＞0,從電機(jī)輸給機(jī)械負(fù)載；

轉(zhuǎn)差功率＞0,轉(zhuǎn)子外接電源輸給電機(jī)，屬于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。

④轉(zhuǎn)子運(yùn)行于超同步速的定子回饋制動(dòng)狀態(tài)（S＜0

電磁功率＜0,從電機(jī)回饋給定子電源；機(jī)械功率V0,從原動(dòng)機(jī)輸給電機(jī)；

轉(zhuǎn)差功率＜0,回饋給轉(zhuǎn)子外接電源，屬于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。

⑤轉(zhuǎn)子運(yùn)行于倒拉反轉(zhuǎn)的電動(dòng)狀態(tài)（S＞1）

電磁功率＞0,從定子電