电力传动控制系统——运动控制系统 （习题解答） 第 1 章电力传动控制系统的基本结构与组成.......... 第 2 章电力传动系统的模型................. 第 3 章直流传动控制系统................... 第 4 章交流传动控制系统................... 第 5 章电力传动控制系统的分析与设计* ............ 错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签错误!未定义书签
第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 1.根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。 答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。 控制指令 图1-1电力传动控制系统的基本结构 电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。 虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题： 1）电动机的选择。电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产 机械运动的电动机至关重要。应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。 2）变流技术研究。电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流 电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电 枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。 3）系统的状态检测方法。状态检测是构成系统反馈的关键，根据反馈控制 原理，需要实时检测电力传动控制系统的各种状态，如电压、电流、频率、相位、 磁链、转矩、转速或位置等。因此，研究系统状态检测和观测方法是提高其控制
《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
平顶山学院 补考 课程：交流传动控制系统(专升本)总时长：120分钟 1. (单选题) 我国铁路的供电方式为( )(本题 2.0分) A. 15KV16.67HZ B. 1500V直流 C. 25KV50HZ D. 3000V直流 答案: C 解析: 无 2. (单选题) 两电平牵引逆变器由几相组成( )(本题2.0分) A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 答案: C 解析: 无 3. (单选题) 两电平牵引逆变器输出线电压由几个电平组成( )(本题2.0分) A. 2
B. 3 C. 4 D. 5 答案: B 解析: 无 4. (单选题) 在恒力矩控制时,一般控制电机的气隙磁通为( )(本题2.0分) A. 与电机转速成正比 B. 恒定 C. 与供电频率成正比 D. 与电机转速成反比 答案: B 解析: 无 5. (单选题) 高速列车牵引传动系统属于( )(本题2.0分) A. 交-直-交传动 B. 直-交传动 C. 交-直传动 D. 交-交传动 答案: A 解析: 无 6. (单选题) 恒功率控制时,当转差频率不变时,电压( )(本题2.0分)
A. 不变 B. 与频率正比递增 C. 与频率平方根值正比递增 D. 与频率平方正比 答案: B 解析: 无 7. (单选题) 变频调速运行时,电机转子漏抗( )(本题2.0分) A. 与供电频率成正比 B. 恒定 C. 与供电频率成反比 D. 与供电频率平方成正比 答案: A 解析: 无 8. (单选题) 异步牵引电机牵引工况运行时,供电频率与转子频率的关系为( )。(本题2.0分) A. 大于 B. 等于 C. 小于 D. 小于等于 答案: A 解析: 无
1. 运动控制系统是由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器等构成，交流调速系统取代直流调速系 统已成为不争的事实。 2. V-M系统：晶闸管整流器一电动机调速系统；SPVWM :电压空间矢量PWM控制 3. 直流PWM调速系统：脉宽调整变换器一直流电动机调速系统； 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可 变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速 4. 泵升电压：当系统工作在逆变状态时，会对滤波电路中滤波电容进行充电，使电容两端电压升高 5. 静特性：表示闭环系统电动机转速与负载电流(转矩)间的稳态关系 6. 有静差调速系统：在比例控制调速系统中，存在扰动引起的稳态误差； 7. 无静差调速系统：对于积分控制和比例积分控制系统，由阶跃扰动引起的稳态误差为0； 8. 电流截止负反馈：当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控 制转速。 9. 准时间最优控制：在设备物理上的允许条件下，实现最短时间的控制； 10. 双闭环调速系统：在电流、转速反馈控制系统中，从闭环结构上看，由电流环在里面构成的内环和由__________ 转速环在外面构成的外环，两个闭环构成的控制系统称作双闭环调速系统; 11. 可逆调速系统：可以实现电机正反转，具有四象限运行功能的调速系统称为可逆调速系统; __________ 12. 环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时岀现，便会产生 不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流 (1 )静态环流一一两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：直流平均环流一一由晶闸 管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。 瞬时脉动环流一一两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。 (2)动态环流一一仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。 两种抑制环流方法：(1)只要实行> 配合控制就能保证消除直流平均环流。 (2)可在环流回路中串入环流(均衡)电抗器，抑制瞬时脉动环流 13. 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： (1 )电流一定连续；(2)可使电动机在四象限运行；(3)电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区； (4)低速平稳性好，系统的调速范围大；(5)低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件 的可靠导通。 14. 转差频率控制系统调速：在转差率S很小的范围内，只要能够维持气隙磁通$ m不变异步电机的转矩 就近似与转差角频率3 S成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩。 15. 脉冲宽度调制(PWM )：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽 度或周期达到变压变频的目的 16. SPWM控制方式：SPWM即以正弦波作为调制信号对载波信号进行调制后，产生一组等幅而脉冲宽 度正比干正弦波的矩形脉冲。将该组脉冲作为逆变器开关元件的控制信号，从而在逆变器负载上(多为异步电动机)得到与控制信号波形相同，等效于正弦波的驱动电压。 17. 电压空间矢量PWM (SVPWM )的基本思想：按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效工作矢量合 成期望的输出矢量。 18. 电流截止负前反馈的作用：(1)限流保护(过载自动保护)；(2)加速起动过程。 载流环节的物理实现方法：(1)比较电压法；(2)稳压管法;(3)封锁运放法 19. PID控制器各环节的作用是： (1) 比例环节P :成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一日出现，控制器立即产生控制作用，以便 减少偏差，保证系统的快速性。 (2) 积分环节I :主要用于消除静差，提高系统的控制精度和无差度。
智慧树知到《电力拖动自动控制系统（黑龙江联盟）》章节测试答案 第一章 1、不属于电力拖动自动控制系统构成单元的是（）。 A.电动机 B.功率放大与变换装置 C.柴油机 D.传感器 答案: 柴油机 2、电动机转速与转角控制的根本是（）控制，但同时也需要做好（）控制。 A.磁链、转矩 B.转矩、磁链 C.电流、转速 D.转速、电流 答案: 转矩、磁链 3、直流电力拖动控制系统和交流电力拖动控制系统比较，（）流电力拖动控制系统的数学模型简单；（）流电力拖动控制系统调节器的设计简单。 A；B；C；D。 A.直、交 B.交、直 C.直、直 D.交、交 答案: 直、直 4、船舶电力推进是通过（）拖动螺旋桨的系统。 A.柴油机 B.汽轮机
C.燃气轮机 D.电动机 答案: 电动机 5、（）电动机的转速与电源频率保持严格对应关系，机械特性硬。 A.直流 B.异步 C.同步 D.永磁 答案: 同步 6、典型机械负载中，起重机提升重物属于（）负载。 A.反抗性恒转矩 B.位能性恒转矩负载 C.通风机类 D.恒功率负载 答案: 位能性恒转矩负载 7、典型机械负载中，船舶螺旋桨属于（）负载。 A.反抗性恒转矩 B.位能性恒转矩负载 C.通风机类 D.恒功率负载 答案: 通风机类 8、根据转速-转矩四象限，电动机在第四象限为（）状态。 A.正向电动 B.反向电动 C.正向制动
D.反向制动 答案: 反向制动 9、转速-转矩四象限中的第三象限，电动机电磁转矩与转速方向相（），为（）性质。 A.同、驱动 B.反、驱动 C.同、制动 D.反、制动 答案: 同、驱动 10、根据运动方程式，转速变化是因为（）。 A.电磁转矩为驱动转矩 B.电磁转矩为制动转矩 C.电磁转矩等于阻转矩 D.电磁转矩不等于阻转矩 答案: 电磁转矩不等于阻转矩 第二章 1、直流调速系统要求一定范围内无级平滑调速，以（）调速方式为最好。 A.电枢回路串电阻 B.降低电枢电压 C.降低励磁电压 D.励磁回路串电阻 答案: 降低电枢电压 2、V-M直流调速系统中采用了平波电抗器来抑制电流脉动，改善（）问题。 A.轻载时电流断续 B.低速时的高次谐波 C.堵转时电流过大
第1章 绪论 1、电机的分类？ ①发电机(其她能→电能)直流发电机与交流发电机 ②电动机(电能→其她能) 直流电动机:有换向器直流电动机(串励、并励、复励、她励)与 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 控制电机:旋转变压器 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) 2、根据直流电机转速方程 n — 转速(r/min); U — 电枢电压(V) I — 电枢电流(A); R — 电枢回路总电阻( Ω ); Φ — 励磁磁通(Wb);Ke — 由电机结构决定的电动势常数。 三种方法调节电动机的转速:(1)调节电枢供电电压 U ; (2)减弱励磁磁通 Φ;(3)改变电枢回路电阻 R 。 调压调速:调节电压供电电压进行调速,适应于:U ≤Unom,基频以下,在一定范围内无级平滑调速。 弱磁调速:无级,适用于Φ≤Φnom,一般只能配合调压调速方案,在基频以上(即电动机额定转速以上)作小范围的升速。 变电阻调速:有级调速。 问题3: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。 * 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:有机械整流器与电刷,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、 第2章 闭环控制的直流调速系统 1、常用的可控直流电源有以下三种 ? 旋转变流机组——用交流电动机与直流发电机组成机组,以获得可调的直流电压。 ? 相控整流器——把交流电源直接转换成可控的直流电源。 ? 直流斩波器或脉宽调制变换器——先用不可控整流交流电变换成直流电,然后用PWM 脉宽调制方式调节输出的直流电压。 2、由原动机(柴油机、交流异步或同步电动机)拖动直流发电机 G 实现变流,由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电,调节G 的励磁电流 i f 即可改变其输出电压 U ,从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M 系统,国际上通称Ward-Leonard 系统。 3、晶闸管-电动机调速系统(简称V-M 系统,又称静止的Ward-Leonard 系统), 4、晶闸管触发与整流装置的放大系数与传递函数 在动态过程中,可把晶闸管触发与整流装置瞧成就是一个纯滞后环节,其滞后效应就是由晶闸管的 Φ-=e C IR U n
第十二章交流传动控制系统 12.1、试述电磁转差离合器的工作原理，其工作原理与鼠笼式异步电动机的工作原理有何异 同？为什么？ 答:电磁转差离合器的工作原理是基于电磁感应原理通过改变励磁电流进行工作。它由主动和从动两个基本部分组成。 鼠笼式异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流相互作用，两者都是基于电磁感应原理。 12.2、试说明JZT1型转差离合器调速系统的调速过程。 答:JZT1型简易式转差离合器采用速度负反馈使电动机在负载增加导致转速降低以后控制 率很大，可能引起过热而损坏电动机，所以说调压调速方法不太适合于长期工作在低速的工作机械。 12.5、为什么调压调速必须采用闭环控制才能获得较好的调速特性，其根本原因何在？ 答：因为即使增加电动机转子绕阻的电阻，调整范围仍不大，且低速时运行稳定性不好，不能满足生产机械的要求。因此为了保证低速时的机械性硬度，又能保证一定的负载能力，所以在调压调速系统里采用转速负反馈构成闭环系统。 参见课本P329图12.10。图中的晶闸管交流调压系统，可根据控制信号U的大小将电源电压U1改变为不同的可变电压U‘x。控制信号的大小，由给定信号U g和来自测速发电机的测速反馈信号U fn的差来调节。当负载稍有增加引起转速下降时，则正比于转速的U fn也将减小，由于U＝U g-U fn，故U随U fn的减小而自动增大，从而使输出电压U’x 增大，电动机将产生较大转矩以与负载转矩平衡。此时的机械特性基本上是一簇平行的特性。 显而易见，在这种闭环调速系统中，只要能平滑地改变电子电压，就能平滑调节异步电动机的转速，同时，低速的特性较硬，调速范围也较宽。 12.6、串级调速的基本原理是什么？串级调速引入转子回路的电势，其频率有何特点？ 答：串级调速就是在异步电动机转子电路内引入附加电势E ad，以调节异步电动机的转速。
电力拖动自动控制系统(第四版)习题答案 _陈伯时
《电力拖动自动控制系统—运动控制系统》习题 2-2 调速系统的调速范围是 1000~100r/min ，要求静差率 s=2%，那么系统允许的稳态速降是 多少？ 解：系统允许的稳态速降 sn 0 02 × 100 min ? n N = = = 2 04( r min ) ( 1 ? s ) ( 1 ? 0 02) 2-5 某龙门刨床工作台采用晶闸管整流器-电动机调速系统。已知直流电动机 = 60 k W ， P N U N = 220 V ， I N = 305 A ， n N = 1000 r min ， 主 电 路 总 电 阻 R = 0 18? ， C e = 0 2 V ? min r ，求： （1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落 ?n 为多少？ N （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 s 多少？ N （3）额定负载下的转速降落 ?n 为多少，才能满足 D = 20, s ≤ 5% 的要求。 N 解：（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落 I R 305 × 0 18 N ? n = = = 274 5( r min ) N C 0 2 e （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 ? n 274 5 N s = = ≈ 0 215 = 21 5% N n + ? n 1000 + 274 5 N N （3）额定负载下满足 D = 20, s ≤ 5% 要求的转速降落 n s 1000 × 0 05 N ? n = = ≈ 2 63 ( r min ) N D ( 1 ? s ) 20 × ( 1 ? 0 05) * 2-6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构如图所示，已知给定电压 U u = 8 8 V , 比例调节放大 系数 K = 2, 晶闸管装置放大系数 K = 15, 反馈系数 γ = 0 7 。求： p s （1）输出电压 U ； d （2）若把反馈线断开， U 为何值？开环时的输出电压是闭环时的多少倍？ d （3）若把反馈系数减至 γ = 0.3 5 U 应为多少？ u 解：（1）输出电压 K K 2 × 15 p s * U = U = × 8 8 = 12( V ) ； d u 1 + K K γ 1 + 2 × 15 × 0 7 p s * （2）若把反馈线断开， U = K K U = 2 × 15 × 8 8 = 264 ( V) ；开环时的输出电压是闭环 d p s u 时的 264 12 = 22 倍。 （3）若把反馈系数减至 γ = 0.3 5 ，当保持同样的输出电压时，给定电压 1 + K K γ 1 + 2 × 15 × 0 35 * p s U = U = × 12 = 4 6( V ) 。 u d K K 2 × 15 p s
一、填空题 1. 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 统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。 2. 转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是饱和非线性控制、准时间最优控制 和转速超调。 3. 交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和恒电流控 制三种。 4. 变频器从结构上看，可分为交交变频、交直交变频两类，从变频电源性质看，可分为 电流型、电压型两类。 5. 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. 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。 7. 常见的调速系统中，在基速以下按恒转矩调速方式，在基速以上按恒功率调速方 式。 8. 调速系统的稳态性能指标包括调速范围和静差率。 9. 反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。 10. VVVF控制是指逆变器输出电压和频率可变的控制 11、转速、电流双闭环调速系统当中，两个调节器采用串级联接，其中转速反馈极性为负 反馈、电流反馈极性为负反馈。 12、直流斩波器的几种常用的控制方法：①T不变，变ton——脉冲宽度调制（PWM）； ②ton不变，变T——脉冲频率调制（PFM）；③ton和T 都可调，改变占空比——混合型。 13、转速、电流双闭环系统，采用PI调节器，稳态运行时，转速n取决于给定电压、 ASR的输出量取决于负载电流。 14. 各种电力拖动自动控制系统都是通过控制电动机转速来工作的。 15. V-M系统中，采用三相整流电路，为抑制电流脉动，可采用的主要措施是设置平波电 抗器。 16、在单闭环调速系统中，为了限制全压启动和堵转电流过大，通常采用电流截止负反馈。 17、在α＝β配合控制的直流可逆调速系统中，存在的是直流平均环流，可用串接环 流电抗器抑制。 18、采用PI调节器的转速、电流双闭环系统启动时，转速调节器经历不饱和、饱和、退 饱和三种状态。 二、选择题 1. 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 ） 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. 无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是（D ）
地铁车辆交流传动系统
本文简要的探讨了地铁车辆交流传动系统的组成、控制原理、牵引和电制 动特性曲线，对地铁车辆的系统电路进行了简要的描述，分析了直流传动和交 流传动的优缺点。 我国早期的地铁列车多为国产直流传动电动车组，采用凸轮调阻或斩波调阻的 牵引控制方式，牵引电机为直流电机。而近几年建设的地铁项目均采用了进口 交流传动电动车组，牵引控制方式为VVVF逆变器控制，牵引电机为异步电机。与直流传动系统相比，交流传动系统具有恒功速度范围宽、功率因数和粘着系 数高、牵引电机结构简单和维修方便等优势。 1 交流传动系统的组成 地铁车辆与铁路机车在结构、系统集成上大不相同，机车是完整的牵引系统， 与后面连接的载客（货）车厢相对独立；而地铁车辆则是编列成组，虽然分为 动车和拖车两部分，但都是旅客车厢，动力系统均被分散安装于各车箱的地板 下（动力分散）。 交流传动系统是以调压调频VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）逆变器为核心的电传动系统。主要由高速断路器、滤波电抗器、VVVF逆变器和异步电动机等装置构成。地铁车辆交流传动系统的组成因生产厂家的不同及用户 要求的不同而不相同，这里以六节编组的四动两拖（Tc+M+M+M+M+Tc ）地铁车辆为例，简要探讨交流传动系统的组成。 下图为一个“两动一拖（2M1T）”单元主电路实例。电网经受电弓后分别经两 台动车（B车和C车）的高速开关给逆变器供电，而在拖车（A车）上的辅助逆变器的供电是经过隔离二极管的。 下图为1C4M单元主传动系统原理电路图，1C4M是指一台VVVF逆变器给同一辆车四台相互并联的异步电动机供电的方式，也叫“车控”方式。其中滤波电抗 器和滤波电容器构成线路滤波器。VVVF逆变器包含斩波器，斩波器由T7、T8构成，斩波器主要功能用于电阻制动，用它来调节制动电流大小，其另一个功能 为过电压保护。 2 交流传动系统的控制原理 VVVF控制的基本原理为通过改变VVVF逆变器各IGBT元件的开通时间来改变负载的电压，通过改变VVVF逆变器各IGBT元件开通的周期来改变输出的频率。 异步电动机的转矩公式为：T=K1·φ·Ir=K2·（V/fi）2·fs
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
第二章双闭环直流调速系统 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行不行？改变电力电子变换器的放大倍数行不行？改变转速反馈系数行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？ 答：改变电机的转速需要调节转速给定信号Un※；改变转速调节器的放大倍数不行，改变电力电子变换器的放大倍数不行。若要改变电机的堵转电流需要改变ASR的限幅值。 2-2 （1 （2 （1 （2 （3 （4 2-3是多少？ 答：=βId=Ui，Uc=U d0 2-4如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器，而是比例调节器，对系统的静、动态性能会有什么影响？ 答：若采用比例调节器可利用提高放大系数的办法使稳态误差减小即提高稳态精度，但还是有静差的系统，但放大倍数太大很有可能使系统不稳定。 2-5在转速、电流双闭环系统中，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，电流调节器的输入偏差电压△Ui是否为0，为什么？
答：反馈线未断之前，Id=In，令n=n1，当转速反馈断线，ASR迅速进入饱和，Un※=Un※max，Uc↑，Id↑至Idm，Te＞T l，n↑，Id↓，△Ui出现，Id↑至Idm，n↑，Id↓，此过程重复进行直到ACR饱和，n↑，Id↓，当Id=In，系统重新进入稳态，此时的速度n2＞n1，电流给定为Un※max=Idmaxβ＞电流反馈信号Un=Inβ，偏差△Ui不为0。 2-6在转速、电流双闭环系统中，转速给定信号Un※未改变，若增大转速反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压Un是增加还是减少还是不变？为什么？ 答：Un不变，因为PI调节器在稳态时无静差，即：Un※=Un，Un※未改变，则，Un也不变。 2-7 Unm*试求：（1 （2 解：（1 α=Unm* （2 2-8Uim=8V （1）Ui （2）Uc 解：（1 电流为 电流为 （2）Uc增加。 2-9在双闭环直流调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因电动机励磁下降一半，系统工作情况将会如何变化？（λ=1.5） 答：设突发状况之前的磁通为?1，令此时的磁通为?2，之前的电磁力矩为Te1，此刻的电磁力矩为Te2，负载转矩恒为T l，电机励磁下降一半，则?2=0.5?1，Te2=Cm（?2）Id=0.5Te1＜T l，n↓，Id↑甚至到Idm，Te2=Cm（?2）Idm=0.75Te1＜T l，n会一直下降到0。
直流拖动控制系统 学习心得体会 通过本次2012年度专业技术人员继续教育知识更新培训我学习了直流拖动控制系统，电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组以及拖动变流装置（G-M系统）相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。 直流调速方法: 根据直流电动机转速方程，n=（U-IR）/KΦ。公式中 n_转速（r/min）；U_电枢电压（V）；I_电枢电流（A）；R_电枢回路中电阻（Ω）；Φ_励磁磁通（wb）；K_由电机结构决定的电动势常数。由公式中可以看出，有三种方法调节直流电动机转速： （1）调节电枢电压 （2）减弱励磁磁通 （3）改变电枢回路电阻 三种调速方法性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，通常只是配合调压方案，在额定速度以上作小范围的弱磁升速。因此直流调速系统往往以调压调速为主。 一、闭环控制的直流调速系统 （一）直流调速系统用的可控直流电源
调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。常用的可控直流电源有（1）旋转变流机组——用交流电机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。 （二）闭环反馈系统的控制规律 转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。 （1）被调量有静差 从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数值K越大，系统的稳态性能越好。但但稳态速差只能减小，不可能消除。实际上这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的，因此称为有静差调速系统。 （2）抵抗扰动，服从给定 反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它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，但对给定作用的变化则唯命是从。 调速系统的扰动源包括，负载变化的扰动；交流电源电压波动的扰动；电动机励磁变化的扰动：放大器输出电压漂移的扰动；温升引起的主电路电阻增大的扰动；检测误差的扰动；反馈控制系统对被反馈包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到莫种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。对于在反馈环外的给定作用，它的微小变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。 （3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度 给定精度——由于决定系统输出，输出精度自然决定于给定精度。 如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。
试卷A 参考答案 一、填空题（每小题 1 分，共 30 分） 1．在变压器的一次和（二次）绕组之间只有（磁）的耦合，却没有（电）的联系。 2．单相变压器的额定容量为S N =（ N N I U 11）=（N N I U 22 ）。 3．变压器一次绕组的匝数N 1与二次绕组匝数N 2之比称为变压器的变压比K ，即，K=（ 21N N ）＝ ( N N U U 21 ) = (N N I I 12)。 4．当12N N >时，则12U U >，为（ 升 ）变压器，若12N N <，则12U U <，为（ 降 ）变压器。 5．变压器一次绕组电流的大小取决于二次绕组上的（ 电流 ）大小，即（ 负载 ）大小。 6．反接制动时，使旋转磁场反向转动与电动机的转动方向（ 相反 ）。 7．三相异步电动机是利用定子绕组中三相交流电产生的（ 旋转磁场 ）与转子绕组内的（ 转子电流的有功分量 ）相互作用而旋转的。 8．当旋转磁场具有P 对磁极时，旋转磁场的转速为（ P f 160 ）。 9．转速差与同步转速的比值称为（ 转差率 ）。 10．异步电动机中的定子绕组相当于变压器的（ 一次绕组 ）。 11．当Ｔem ＞ＴL 时，Δn/Δt ＞0 ，电力拖动系统处于（加速运行）状态； 当Ｔem ＜ＴL 时，Δn/Δt ＜0 ，电力拖动系统处于（减速运行）状态。 12．凡用于1200V 及以下的交流或1500V 及以下的直流电路中，起通断保护，控制作用的电器叫（ 低压电器 ）。 13．变压器的作用是变（ 电压 ） 、变（ 电流 ）、变（ 阻抗 ）。 14．在三相异步电动机的定子中布置有相隔（120°）电角度的对称三相绕组。 15. 直流电动机有两种常用起动方法（电枢回路串电阻起动）（降压起动）。 16．交流测速发电机的输出电压和频率与转速关系为：交流测速发电机的输出电压U 2与（转速n ）成正比，输出频率f 2等于（励磁电源频率f 1）；转向改变时，输出电压的相位变化（180°）电角度。
A C 1 异步电机的矢量控制理论 本章首先阐述异步电动机的三相坐标系下的数学模型，然后根据坐标变换理论，得到了它在两相静止坐标系下和两相同步坐标系下的数学方程，在此基础之上介绍了异步电机的矢量控制原理【14】。 1.1 异步电机的数学模型 由于异步电机矢量控制调速系统的控制方式比较复杂，要确定最佳的方式，必须对系统动静态特性进行充分的研究。异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了便于研究，一般进行如下假设: （1)三相定子绕组和转子绕组在空间均分布，即在空间互差120o 所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦分布，并忽略空间谐波; (2)各相绕组的自感和互感都是线性的，即忽略磁路饱和的影响; (3)不考虑频率和温度变化对电阻的影响; (4)忽略铁耗的影响。 无论三相异步电动机转子绕组为绕线型还是笼型，均将它等效为绕线转子，并将转子参数换算到定子侧，换算后的每相绕组匝数都相等。这样异步电机数模型等效电路如图1.1所示。
A A A s A s A B B B s B s B C C C s C s C d u i R i R p dt d u i R i R p dt d u i R i R p dt ψψψψψψ?=+=+?? ? =+=+?? ? =+=+?? 图1.1 异步电机的物理模型 图1.1中，定子三相对称绕组轴线A 、B, C 在空间上固定并且互差120o ，转子对称绕组的轴线a 、b 、 c 随转子一起旋转。我们把定子A 相绕组的轴线作为空间参考坐标轴，转子a 轴和定子A 轴间的角度θ作为空间角位移变量。规定各绕组相电压、电流及磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。这样，我们可以得到异步电机在三相静止坐标系下的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。 1.1.1 异步电机在三相静止坐标系下的数学模型 1、三相定子绕组的电压平衡方程为
本文简要的探讨了地铁车辆交流传动系统的组成、控制原理、牵引和电制动特性曲线，对地铁车辆的系统电路进行了简要的描述，分析了直流传动和交流传动的优缺点。 我国早期的地铁列车多为国产直流传动电动车组，采用凸轮调阻或斩波调阻的牵引控制方式，牵引电机为直流电机。而近几年建设的地铁项目均采用了进口交流传动电动车组，牵引控制方式为VVVF逆变器控制，牵引电机为异步电机。和直流传动系统相比，交流传动系统具有恒功速度范围宽、功率因数和粘着系数高、牵引电机结构简单和维修方便等优势。 1 交流传动系统的组成 地铁车辆和铁路机车在结构、系统集成上大不相同，机车是完整的牵引系统，和后面连接的载客（货）车厢相对独立；而地铁车辆则是编列成组，虽然分为动车和拖车两部分，但都是旅客车厢，动力系统均被分散安装于各车箱的地板下（动力分散）。 交流传动系统是以调压调频VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）逆变器为核心的电传动系统。主要由高速断路器、滤波电抗器、VVVF逆变器和异步电动机等装置构成。地铁车辆交流传动系统的组成因生产厂家的不同及用户要求的不同而不相同，这里以六节编组的四动两拖（Tc+M+M+M+M+Tc）地铁车辆为例，简要探讨交流传动系统的组成。 下图为一个“两动一拖（2M1T）”单元主电路实例。电网经受电弓后分别经两台动车（B车和C车）的高速开关给逆变器供电，而在拖车（A车）上的辅助逆变器的供电是经过隔离二极管的。 下图为1C4M单元主传动系统原理电路图，1C4M是指一台VVVF逆变器给同一辆车四台相互并联的异步电动机供电的方式，也叫“车控”方式。其中滤波电抗器和滤波电容器构成线路滤波器。VVVF逆变器包含斩波器，斩波器由T7、T8构成，斩波器主要功能用于电阻制动，用它来调节制动电流大小，其另一个功能为过电压保护。 2 交流传动系统的控制原理 VVVF控制的基本原理为通过改变VVVF逆变器各IGBT元件的开通时间来改变负载的电压，通过改变VVVF逆变器各IGBT元件开通的周期来改变输出的频率。异步电动机的转矩公式为：T=K1·φ·Ir=K2·（V/fi）2·fs
西南交《交流传动控制系统》在线作业一 一、单选题（共14 道试题，共98 分。） 1. 恒功率控制时，当转差频率不变时，电压 A. 不变 B. 与频率正比递增 C. 与频率平方根值正比递增 D. 与频率平方正比 正确答案： 2. 三电平牵引逆变器输出线电压由个电平组成 A. 3 B. 5 C. 7 D. 9 正确答案： 3. 串联谐振电路由组成 A. 电阻和电感 B. 电阻和电容 C. 电容和电感 D. 电阻和功率器件 正确答案： 4. 三电平牵引逆变器的基本电压空间矢量包括个 A. 21 B. 24 C. 27 D. 30 正确答案： 5. 高速动车组电机侧变流器是 A. 单相不控逆变器 B. 三相半控逆变器 C. 单相PWM逆变器 D. 三相PWM逆变器 正确答案： 6. 两电平牵引逆变器输出线电压由个电平组成 A. 2 B. 3 C. 4
D. 5 正确答案： 7. 高速动车组网侧变流器是 A. 单相不控整流器 B. 三相全控整流器 C. 单相PWM整流器 D. 三相PWM整流器 正确答案： 8. CRH动车组所用牵引电机属于 A. 直流电机 B. 异步电机 C. 同步电机 D. 步进电机 正确答案： 9. 牵引传动主电路为三电平拓扑结构的动车组为 A. CRH1 B. CRH2 C. CRH3 D. CRH5 正确答案： 10. 下列哪项不属于牵引传动系统部件 A. 牵引变压器 B. 牵引变流器 C. 牵引电机 D. 牵引变电所 正确答案： 11. 两电平牵引逆变器的基本电压空间矢量包括个 A. 4 B. 6 C. 8 D. 10 正确答案： 12. 动车组高速运行时，最大的阻力来自 A. 轴承摩擦阻力 B. 车轮滚动阻力 C. 轮轨滑动阻力 D. 空气阻力 正确答案： 13. 在电机等值电路中，不包含以下哪项 A. 定子电阻 B. 转子电阻 C. 转子漏抗 D. IGBT 正确答案：
《直流拖动控制系统》课程研究项目实施方案 PWM直流调速系统设计 2017年秋季学期 （起止时间：第3周~第12周） 2017年8月
一、项目概览 本课程研究项目是《直流拖动控制系统》课程学习的一个重要组成部分。通过课程研究项目的实施，使学生在掌握直流拖动控制系统课程理论的基础上，结合单片机技术、STM32和模拟电路等知识深入了解并掌握直流电机控制的相关知识与设计，掌握研究(开发)技术报告的撰写方法，使学生具备独立设计PCB 线路板及其安装调试的基本能力，提高综合应用已有知识解决工程实际问题的能力，更好地培养自动化专业学生的专业技术能力和综合素质。 二、项目目的 1、 掌握PWM 直流调速系统的设计原理以及具体的设计方案； 2、 掌握元器件的选型依据与原则； 3、 掌握AutoCAD(或Visio)软件的使用及系统原理框图的绘制方法； 4、 掌握Altium Designer 软件的使用及PCB 原理图的绘制方法； 5、 学会至少运用一种编程软件(C++等)； 6、 掌握所设计控制系统的安装与调试； 7、 掌握所设计控制系统方案报告的撰写方法； 8、 培养团队合作精神、项目组织与管理、交流表达能力。 三、主要内容 (一) PWM 直流调速系统主回路方案设计 可逆PWM 变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式(亦称H 形)电路。这时，电动机M 两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里给出单极式和双极式控制的可逆PWM 变换器，分别如图1(a)、图1(b)所示。 图1(a) 单极式PWM 直流调速系统主回路原理图 g2 g1 VCC