第一章电力拖动系统的动力学基础
本章要求了解有关电力拖动的基本概念；掌握单轴拖动系统的运动方程；重点掌握多轴系统等效为单轴系统后等效的系统负载和系统转动惯量的计算。
本章重点多轴系统向单轴系统的等效折算。
本章简述在电力拖动系统中，为了得到系统中电机和负载的运动和工作情况，需要通过求解动力学方程和利用电机学中的电机方程得到。然而动力方程只能适用单轴系统，而实际中大多是多轴拖动系统，因此必须将多轴系统通过等效变换为合适的单轴系统来求解。这就要掌握等效变换的原则和方法。
本章学时2学时
第一节单轴电力拖动系统的运动方程式
本节学时0.5学时
本节重点１、单轴拖动系统运动方程
２、转动惯量的单位制转换
教学方法结合理论，推导出单轴拖动系统运动的计算公式，掌握其中的单位制变换，以及方程的求解。
教学手段以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。
教学内容:
一、单轴电力拖动系统的运动方程式
在图1-1（a）所示电力拖动系统中，作用在该轴上的转矩有电动机的电磁转矩T、电
动机的空载转矩T
0及生产机械的负载转矩T
m
，T
+T
m
=T
L
。T
L
为电动机的负载转矩，轴
的旋转角速度为 。电动机转子的转动惯量为J
R ，生产机械转动部分的转动惯量为J
m
。
联轴器的转动惯量比J
R 及J
m
小很多，可忽略，因此单轴拖动系统对转轴的总转动惯量为
J=J
R +J
m
。图1-1（b）给出了各物理量的参考正方向。假定两轴之间为刚性连接，并忽略
轴的弹性变形，那么图1-1所示的单轴拖动系统可以看成刚体绕固定轴转动。根据力学中
（a ） 单轴电力拖动系统 （b ） 各量的参考方向
图 1-1 单轴电力拖动系统及各量的参考方向
刚体转动定律及各量的参考正方向，可写出如下的转动方程式
T-T L =J
dt d Ω
（1-1） 式中：T —电动机的电磁转矩（N ·m ）
T L ——电动机的负载转矩（N ·m ），
J —电动机轴上的总转动惯量（㎏·㎡）， Ω —电动机的角速度（rad/s ）
式（1-1）称为单轴电力拖动系统的运动方程式，它描述了作用于单轴拖动系统的转矩与速度变化之间的关系，是研究电力拖动系统各种运转状态的基础。
转动惯量J 是物理学中常用的参量，在实际的电力拖动工程中则采用飞轮惯量（即飞轮
矩）GD 2代替转动惯量J ；用转速n 代替角速度Ω。n 与Ω的关系为60
2π=Ωn ，则 dt
d Ω= 602πdt dn (1-2) J 与GD 2
之间的关系为 J= m 2
ρ=g G （2D ）2=g GD 42
(1-3) 式中，m —系统转动部分的质量（㎏），
G —系统转动部分的重力（N ），
ρ—系统转动部分的回转半径（m ），
D —系统转动部分的回转直径（m ），
g —重力加速度，可取g=9.81m/s 2
，
将式(1-2)和式(1-3)代入式(1-1)，可得 T-T L =3752GD dt
dn （1-4） 式中，GD 2
是系统转动部分的总飞轮矩（N ·m ）
375=4g×60/2π，是具有加速度量纲的系数。
式（1-4）就是电力拖动系统的基本运动方程式。它表明电力拖动系统的转速变化dn/dt
（即加速度）是由作用在转轴上所有转矩的代数和T-T
L
决定的。
当T> T
L 时，dn/dt>0，系统加速；当T L 时，dn/dt<0，系统减速；这两种情况，系 统的运动都处在过渡过程之中，称为动态或过渡状态。 当T= T L 时，dn/dt=0，转速不变，系统以恒定的转速运行，或者静止不动。这种运动状态称为稳定运转状态或静态，简称稳态。 必须注意，T、T L 及n都是有方向的，假如规定：转速n对观察者而言逆时针为正，则转 矩T与n的正方向相同为正；负载转矩T L 与n的正方向相反为正。在代入具体数值时，如果其实际方向与规定的正方向相同，就用正数，否则应当用负数。掌握住这一点，就可以正确应用基本运动方程式了。 第二节多轴电力拖动系统转矩及飞轮矩的折算本节学时1学时 本节重点１、多轴拖动系统向单轴系统等效的原理 ２、工作机构旋转运动时系统转矩和飞轮矩的折算 3、工作机构直线运动时系统转矩和飞轮矩的折算，包括平移和 垂直运动 教学方法结合利用功率守恒和能量守恒的自然法则推导出转矩和飞轮矩 的折算公式，并掌握其中的特殊情况即直线运动时的计算公式。 教学手段以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间 内掌握更多的相关知识。 教学内容: 在实际生产中，大多数生产机械都是多轴电力拖动系统。这是因为许多生产机械为满足工艺要求需要较低的转速，或者需要平移、升降、往复等不同的运动形式，但在制造电动机时，为了节省材料，一般都制成额定转速较高的旋转电动机，因此其间必须装置减速机构。 图1-2所示为一多轴电力拖动系统，图中采用四个轴把电动机转速Ω变成符合生产机械 工作机构需要的转速 m Ω，不同的轴上有不同的转动惯量和转速，也有相应的反映电动机拖动的转矩及反映工作机构工作的阻转矩，这种系统比单轴拖动系统复杂，计算较为困难，为了简化计算，通常不必详细研究每根 轴的问题，只要把电动机轴作为 研究的对象即可。因此，一般都 采用折算的办法，把多轴电力拖 动系统折算为等效的单轴系统， 图1-2 多轴电力拖动系统示意图 然后按单轴电力拖动系统的运动方程式来分析。应注意的是在使用运动方程式进行分析时，式中的T L 应是折算后的等效负载转矩T meq （忽略T 0），GD 2 是折算后系统总的等效飞轮 矩GD 2eq 。 因此本节重点研究负载转矩和飞轮矩的具体折算方法。折算的原则是：按照能量守恒定律，系统在折算前和折算后应具有相等的机械功率和动能。 一、 工作机构旋转运动时转矩和飞轮矩的折算 1. 转矩的折算 转矩的折算是按照所传递的功率相等的原则进行。在图1-2所示的电力拖动系统中，工作机构上的阻转矩是T m ，折算到电动机轴上的阻转矩是T meq ，如不考虑传动机构的损耗时，则有 T meq Ω=T m m Ω T meq =ΩΩ T m m =j T m （1-5） 式中：j=m ΩΩ=m n n 为电动机轴与工作机构轴间的转速比。如传动机构为多级齿轮或皮带轮变速，各级的速比为j 1、j 2、j 3……则总速比j=j 1·j 2·j 3… 考虑传动机构的传动损耗时，负载转矩的折算值还要大些 T meq =η ?j T m （1-6） 这就是负载转矩的折算公式。式中：η为传动机构的总效率，等于各级传动效率的乘积， η=321ηηη??… 以上分析是电动机工作在电动状态，传动损耗由电动机承担，如果电动机工作在发电制动状态，电动机由工作机构带动，传动损耗就由工作机构承担，按传动功率不变的原则 T meq Ω=T m m Ω· η 因此 T meq = η?j T m （1-7） 2. 飞轮矩的折算 在图1-2所示的多轴系统中，必须将传动机构各轴的转动惯量J 1、J 2及工作机构的转动惯量J m 折算到电动机轴上，用电动机轴上一个等效的转动惯量J （或飞轮矩GD 2）来反映各轴的转动惯量对整个拖动系统的影响。各轴的转动惯量对运动过程的影响直接反映在各轴转动惯量所储存的动能上。因此飞轮矩的折算原则必须是折算前后系统储存的动能不变。由力学的规律可知，旋转体的动能为 2 1J 2Ω，设各轴的角速度为Ω、1Ω、2Ω、m Ω时，可得下列关系式： 21J 2Ω=21J d 2Ω+21J 121Ω+21J 222Ω+2 1J m 2 m Ω J=J d +J 1/21???? ??ΩΩ+J 2/22???? ??ΩΩ+J m /2 ???? ??ΩΩm 式中：J d 为电动机轴的转动惯量。考虑到J=g GD 42 ，Ω=602n π，上式又可写成 GD 2=GD 2 d +212 1???? ??n n GD +2222???? ??n n GD +22???? ??m m n n GD （1-8） 式中：GD 2d 、GD 21、GD 2 2、GD 2m 为各轴和电动机轴上相应的飞轮矩。 推广到一般，各种多轴拖动系统飞轮矩的折算可用下式表示 GD 2=GD 2 d +212 1???? ??n n GD +2222???? ??n n GD +……+22???? ??m m n n GD （1-9） 一般情况下，在系统总飞轮矩中，电动机轴上的飞轮矩占的比重最大，其次是工作机构上飞轮矩的折算值，传动机构中各种飞轮矩的折算值占的比重最小。因此实际工作中，为了简化计算，还可采用以下公式估算系统的飞轮矩 GD 2 =（1+δ）GD 2d （1-10） 式中GD 2 d 是电动机转子飞轮矩，其值可从产品目录中查阅。如果在电动机轴上除了第 一级小齿轮外没有其它旋转部件，常数δ=0.2～0.3，若有其它部件，则需专门考虑。 二、 工作机构直线运动时转矩与飞轮矩的折算 某些生产机械具有直线运动的工作机构，如起重机的提升装置，刨床工作台带动工件前进来进行切削加工的工作机构等都属于此类直线运动工作机构。直线运动又分为平移运动和升降运动两种，其转矩和飞轮矩的折算公式有其自己的特点。 （一） 平移运动 1 . 转矩的折算 有些生产机械，例如刨床，其工 作机构作平移运动，如图1-3所示， 切削时工件与工作台的速度为 ν，刨刀 固定不动，刨刀作用在工件上的力为F ， 传动机构的效率为η。切削时的切削功 率为 图 1-3 工作机构作平移运动的示意图 P=F ν 式中，P 的单位为W ，F 的单位为N ， ν的单位为m/s 。 考虑到传动机构中的损耗，电动机轴上的负载功率为 T meq Ω=ηP =ην F T meq =ΩηνF =60 2n F πην=9.55η νn F （1-11） 式（1-11）就是平移运动的负载转矩折算公式。 2. 飞轮矩的折算 设平移运动部件的重量为G=mg ，则平移运动部件的动能为 21m 2ν=221ν??g G 又设折算到电动机轴上的转动惯量为J eq ，那么折算到电机轴上后的动能为 21J eq 2Ω=21g GD eq 42（60 2n π）2 根据折算前后动能不变的原则有 221ν??g G =21g GD eq 42（602n π）2 所以 GD 2eq =4×22 602??? ??n G πν=365n G 2ν （1-12） GD 2eq 为折算到电动机轴上的等效飞轮矩，单位为N ·2m 为了求得等效单轴系统的总飞轮矩，还需要计算传动机构各旋转轴飞轮矩的折算值，其方法与多轴旋转系统飞轮矩的折算方法相同，不在赘述。 （二）升降运动 桥式起重机的提升机构、电梯、矿井卷扬机等，它们的工作机构都是作升降运动的。升 降运动虽然属于直线运动，但它与重力有关。 1. 转矩的折算 图1-4所示为一起重机示意图，通过传动 机构（减速箱）拖动一个卷筒，缠在卷筒上的 钢丝声绳悬挂一重物，重物的重力为G=mg ， 传动机构总速比为j ，重物提升时传动机构效 率为η，卷筒半径为R ，转速为n ，重物提升 图 1-4 起重机示意图 或下放的速度都为ν，是个常数。 重物作用在卷筒上，重物对卷筒轴上的负载转矩为GR ，不计传动机构损耗时，折算到电动机轴上的负载转矩为 T meq =j GR （1-13） 考虑传动机构有损耗，当提升重物时，这个损耗由电动机负担，因此折算到电动机轴上的负载转矩应为 T meq =η j GR （1-14） 传动机构损耗的转矩T ?是由摩擦产生的，其值为 T ?=ηj GR －j GR 下放重物时，工作机构带动电动机使重物下放，传动损耗由工作机构承担，于是可得 T meq ='ηj GR （1-15） 式中，'η为重物下放时传动机构的效率，在提升与下放传动损耗相等（提升与下放同一重物）的条件下，可以证明'η与η有如下关系 'η=2－η 1 （1-16） 2.飞轮矩的折算 升降运动飞轮矩的折算，因不涉及传动损耗，因此和平移运动飞轮矩的折算相同。 第三节 生产机械的负载转矩特性 本节学时 0.5学时 本节重点 １、常见的几种生产机械负载类型 ２、各种负载在图中的画法 教学方法 利用负载方程结合规定的正方向推导出各种负载在图中的画法。 教学手段 以传统教学手段与电子课件相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。 教学内容： 负载转矩特性是指生产机械工作机构的转矩与转速之间的函数关系，即T L =f （n ）。不同的生产机械其负载转矩特性也不相同。典型的负载转矩特性有恒转矩特性、恒功率特性和通风机型特性三种。 一、恒转矩负载特性 凡是负载转矩T L 的大小为一定值，而与转速n 无关的称为恒转矩负载。根据负载转矩的方向是否与转向有关又分为两种。 （一）反抗性恒转矩负载特性 这种负载转矩是由摩擦阻力产生的。它的特点：T L大小不变，但作用方向总是与运动方向相反，是阻碍运动的制动性质转矩。属于这一类负载的生产机械有带式运输机、轧钢机、起重机的行走机构等。 从反抗性恒转矩负载的特点可知，当n为正向时，T L亦为正（按规定，以反对正向运动的方向作为T L的正方向）；当n为负向时，T L也改变方向（阻碍运动、与+n同方向），变为负值。因此，反抗性恒转矩负载特性应画在第一与第三象限内，如图1-5所示。 图1-5 反抗性恒转矩负载特性图1-6 位能性恒转矩负载特性图1-7 恒功率负载特性 (二) 位能性恒转矩负载特性 这种负载转矩是由重力作用产生的。它的特点：T L大小不变，而且作用方向也保持不变。 最典型的位能性负载是起重机的提升机构及矿井卷扬机。这类负载无论是提升重物还是下放重物，重力的作用方向不变。如果以提升作为运动的正方向，则n为正向时，T L反对运动，也为正值；当下放重物，n为负向时，T L的方向不变，仍为正，表明这时T L是帮助运动的，T L成为拖动转矩了。其特性应画在第一和第四象限内，如图1-6所示。 二、恒功率负载转矩特性 某些生产机械，例如车床，在粗加工时，切削量大，因而切削阻力也大，这时运转速度低；在精加工时，切削量小，因而切削阻力也小，这时运转速度高。因此，在不同转速下，负载转矩T L基本上与转速成反比，即 T L= n K 切削功率为 P L =T LΩ=T L 60 2nπ =K1 可见，切削功率基本不变，因此，把这种负载称为恒功率负载。 恒功率负载特性T L 与n 成双曲线关系，如图1-7所示。 三、通风机型负载转矩特性 属于通风机型负载的生产机械有：通风机、水泵、油泵等。这种负载转矩是由周围介质（空气、水、油等）对工作机构产生阻力所引起的阻转矩，转矩基本上与n 2成正比，即 T L =κn 2 式中，κ为比例系数。其负载转矩特性如图1-8实线所示。 图1-8 风机泵类负载特性 图1-9 提升机构负载转矩性质 以上三类都是很典型的负载特性，实际负载可能是一种类型，也可能是几种类型的综合。例如，实际的通风机由于轴承上有一定的摩擦转矩T 0m ，因此实际的通风机负载转矩为 T L =T 0m +kn 2 与其相应的特性如图1-8中虚线所示。再如起重机的提升机构，除位能转矩外，传动机构也存在摩檫转矩T 0m ，T 0m 具有反抗性恒转矩负载性质。因此实际提升机构的负载转矩特性是反抗性负载和位能负载两种典型特性的综合，相应的负载转矩特性如图1-9所示。 《电机与拖动基础》课后习题 第一章 习题答案 1．直流电机有哪些主要部件？各用什么材料制成？起什么作用？ 答：主要部件：（1）定子部分：主磁极，换向极，机座，电刷装置。 （2）转子部分：电枢铁心，电枢绕组，换向器。 直流电机的主磁极一般采用电磁铁，包括主极铁心和套在铁心上主极绕组（励磁绕组）主磁极的作用是建立主磁通。 换向极也是由铁心和套在上面的换向绕组构成，作用是用来改善换向。机座通常采用铸钢件或用钢板卷焊而成，作用两个：一是用来固定主磁极，换向极和端盖，并借助底脚将电机固定在机座上；另一个作用是构成电机磁路的一部分。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、刷杆座和汇流条等组成，作用是把转动的电枢与外电路相连接，并通过与换向器的配合，在电刷两端获得直流电压。 电枢铁心一般用原0.5mm 的涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠加而成。有两个作用，一是作为磁的通路，一是用来嵌放电枢绕组。 电枢绕组是用带有绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成的线圈按一定的规律联接而成，作用是感应电动势和通过电流，使电机实现机电能量装换，是直流电机的主要电路部分。 换向器是由许多带有鸠尾的梯形铜片组成的一个圆筒，它和电刷装置配合，在电刷两端获得直流电压。 2．一直流电动机，已知，，，，0.85r/m in 1500n V 220U kw 13P N N N ====η求额定电流N I 。 解：电动机η?=N N N I U P ， 故 A =??=?=5.6985 .02201013U P I 3 N N N η 3． 一直流电动机，已知，，，，0.89r/m in 1450n V 230U kw 90P N N N ====η求额定电流N I 。 解：发电机N N N I U P =， 故 A ?==391230 1090U P I 3 N N N 电机及电力拖动选择题目试题目库答案 《电机及电力拖动》选择题试题库答案 1.交流接触器的 B 发热是主要的。 A、线圈 B、铁心 C、.触头 2.直流接触器通常采用的灭弧方法是 C 。 A、栅片灭弧 B、电动力灭弧 C、磁吹灭弧 3.由于电弧的存在将导致A 。A、电路分断时间加长B、电路分断时间 缩短C、电路分断时间不变 4.某交流接触器在额定电压380V时的额定工作电流为100A，故它能控制的电 机功率约为 B 。（1KW为2A电流）A、50KW B、20KW C、100KW 5.在延时精度要求不高，电源电压波动较大的场合，应使用 C 时间继电器。 A、空气阻尼式 B、电动式 C、晶体管式 6.下列电器中不能实现短路保护的是B 。 A、熔断器 B、热继电器 C、空气开关 D、过电流继电器 7.按下复合按钮时 B 。 A、动断点先断开 B、动合点先闭合 C、动断动合点同时动作 8.热继电器过载时双金属片弯曲是由于双金属片的B 。 A、机械强度不同 B、热膨胀系数不同 C、温差效应 9.在螺旋式熔断器的熔管内要填充石英沙，石英沙的作用是A 。 A、灭弧 B、导电 C、固定熔体使其不摇动绝缘 10.在下列型号中，行程开关的型号为 B 。 A、LA19—2H B、LX19—111 C、LW6—3 11.某三相变压器的一次二次绕组联结如图，则它的联结组是（A ） A，Y，d1；B，Y，d7； C，Y，d11；D，Y，d5。 12、若变压器带感性负载，从轻载到重载，其输出电压将会（B）。A、升高；B、降低；C、基本不变；D、不能确定。 13、欲增大电压继电器的返回系数，应采取的方法是：（ B ） A、减小非磁性垫片厚度 B、增加非磁性垫片厚度 C、增加衔铁释放后的气隙 14、X62W万能铣床主轴要求正反转，不用接触器控制，而用组合开关控制，是因为（ B ）。 A、节省接触器 B、改变转向不频繁 C、操作方便 第二章电力拖动系统的动力学 选择以下各题的正确答案。 (1) 电动机经过速比j =5的减速器拖动工作机构, 工作机构的实际转矩为20N·m, 飞轮矩为1N·m,不计传动机构损耗, 折算到电动机轴上的工作机构转矩与飞轮矩依次为。 A. 20N·m,5N·m B. 4N·m,1N·m C. 4N·m,·m D. 4N·m,·m E. ·m,·m F. 100N·m,25N·m (2) 恒速运行的电力拖动系统中, 已知电动机电磁转矩为80N·m,忽略空载转矩, 传动机效率为, 速比为10, 未折算前实际负载转矩应为。 A. 8N·m B. 64N·m C. 80N·m D. 640N·m E. 800N·m F. 1000N·m (3) 电力拖动系统中已知电动机转速为1000r/ min, 工作机构转速为100r/ min, 传动效率为, 工作机构未折算的实际转矩为120N·m, 电动机电磁转矩为20N·m, 忽略电动机空载转矩, 该系统肯定运行于。( ) A. 加速过程 B. 恒速 C. 减速过程 答 (1) 选择D。因为转矩折算应根据功率守恒原则。折算到电动机轴上的工作机构转矩等于工作机构实际转矩除以速比,为4N·m;飞轮矩折算应根据动能守恒原则, 折算到电动机轴上的工作机构飞轮矩等于工作机构实际飞轮矩除以速比的平方, 为·m。 (2) 选择D。因为电力拖动系统处于恒速运行, 所以电动机轴上的负载转矩与电磁转矩相平衡,为80N·m, 根据功率守恒原则,实际负载转矩为80N·m××10=640N·m (3) 选择A。因为工作机构折算到电动机轴上的转矩为120N·m /×100(r/ min)/1000(r/ min)=40/3N·m小于电动机电磁转矩,故电力拖动系统处于加速运行过程。 电动机拖动金属切削机床切削金属时, 传动机构的损耗由电动机负担还是由负载负担? 答电动机拖动金属切削机床切削金属时, 传动机构的损耗由电动机负担,传动机构损耗转矩ΔT与切削转矩对电动机来讲是同一方向的, 恒速时, 电动机输出转矩T2 应等于它们二者之和。 起重机提升重物与下放重物时, 传动机构损耗由电动机负担还是由重物负担?提升或下放同一重物时,传动机构损耗的转矩一样大吗?传动机构的效率一样高吗? 答起重机提升重物时, 传动机构损耗转矩ΔT由电动机负担;下放重物时,由于系统各轴转向相反, 性质为摩擦转矩的ΔT方向改变了,而电动机电磁转矩T及重物形成的负载转矩方向都没变,因此ΔT由重物负担。提升或下放同一重物时,可以认为传动机构损耗转矩的大小ΔT是相等的。若把损耗ΔT的作用用效率来表示,提升重物时为η, 下放重物时为η′, 由于提升重物与下放重物时ΔT分别由电动机和负载负担, 因此使η≠η′, 二者之间的关系为η′=2-1/η。 表所列生产机械在电动机拖动下稳定运行时的部分数据,根据表中所给数据, 忽电动机的空载转矩, 计算表内未知数据并填入表中。 如图所示，已知切削力F=2000N,工件的直径d=150mm，电动机转速n=1450r/min,减速箱的三级速比j1 =2,j2 =,j3 =2, 各转轴的飞轮矩为GDa =·m(指电动机轴), GDb =2N·m, GDc =·m, GDd =9N·m, 各级传动效率都是η=, 求: (1) 切削功率;(2) 电动机输出功率;(3) 系统总飞轮矩;(4) 忽略电动机空载转矩时, 电动机电磁转矩;(5) 车床开车但未切削时,若电动机加速度dn/dt=800r/ (min·s),忽略电动机空载转矩但不忽略传动机构的转矩损耗, 求电动机电磁转矩 解 (1) 切削功率。切削负载转矩Tf = F·d/2= 2000×2= 150N·m 负载转速nf =n/j1j2j3=1450/(2××2)= min 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 ） 第二章 1、数字控制系统的被测转速由 n变为2n时，引起测量计数值改变了 1 一个字，则测速装置的分辩率定义为Q = n-2n。要使系统控制精度越 1 高，则（ B ）2 。 A.Q越大 B.Q越小 C. n越大 D.1n越小 1 2、根据 Shannon 采样定理，采样频率 f应不小于信号最高频率 sam f的( B )倍。2 m ax A. 0.1 B. 2 C. 5 D. 10 3、采样后得到的离散信号本质上是( A ) 信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，称为数字化。2 A. 模拟 B. 数字 C. 开关 D. 采样 4、PI调节器是拖动控制系统中最常用的一种控制器，在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是（ D ）调节器的数字化。2 A.数字 B.自动 C.离散 D.模拟 5、在微机控制系统中，当采样频率足够高时，先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，得到数字控制器的算法，这就是( 模拟调节器) 的数字化。2 6、图2-1绘出了比例积分调节器的输入输出动态过程，PI调节器的输出电压U c有快速响应性能和消除调速系统的 ( 静差 )。2 图2-1 7、数字PI调节器有位置式和增量式两种算法，下式表述的是差分方程为（位置式）算法。2 ()()()1)(-++=k k e k e k u u T K K i sam i p 8、 图2-1为转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图，请在上面 圈画出直流电机的模型 2 图2-1 9、比例控制的闭环直流调速系统具有被调量有静差、抵抗扰动、服从给定以及精度依赖于给定和反馈检测精度的三个基本特征。----------------------------------------（ ）2-P31 10、图3-3表示的是额定励磁下交（ 直 ）流电动机的动态结构图。（ ） 2-P28 图3-3 11、调速系统的两个动态 （ 稳态 ）性能指标是“调速范围”和“静差率”。----------------------------------------（ F ）2-P21 12、由下式可知，一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需要静差率的转速可调范围()s S D n n N N -=??1 。 （ T ）2-P23 第三章 1、 直流电机的转矩与电枢电流（ Ｂ ），控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流给定信号，也就是转矩给定信号。3 A.成反比 B.成正比 C. 相关 D.相等 2、 在双闭环直流调速系统，当ASR 不饱和时，转速环( A )， 东华大学研究生课程论文封面 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人 亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：洪豪 注：本表格作为课程论文的首页递交，请用水笔或钢笔填写。 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1200 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。 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1200 ，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，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 (1-1) 式中以微分算子P 代替微分符号 相应地，三相转子绕组折算到定子侧的电压方程 (1-2) 式中：U A ,U B ,U C ,U a ，U b ,U c 为定子和转子相电压的瞬时值； iA ，iB ，i C ，ia ，ib ，ic 为定子和转子相电流的瞬时值； 屮 屮 屮 屮 屮 屮 A, B, C, a, b, c 为定子和转子相磁链的瞬时值； Rs,Rr 为定子和转子电阻。 将定子和转子电压方程写成矩阵形式： 电力拖动自动控制系统复习（14电气工程本） 一．题型 填空（20）、选择（10）、简答（30）、计算（40） 二．各章节内容提要 （一）绪论——基本概念 1.运动控制系统的组成（电动机、功率放大与变换装置、控制器、相应的传感器）【P1】【填空】 2.直流电机的数学模型简单，转矩易于控制。交流电机具有结构简单等优点，但其动态数学模 型具有非线性多变量强耦合的性质。【P3】【填空】 3.转矩控制是运动控制的根本问题，磁链控制与转矩控制同样重要。【P5】【填空】 4.典型的生产机械负载转矩特性主要包含恒转矩负载特性、恒功率负载特性、风机与泵类负载 特性。【P5】【填空】 （二）第2章 1．基本概念 （1）直流调速转速公式、方法。【P7】【填空】 公式：方法：1）调节电枢供电电压U； 2）减弱励磁磁通； 3）改变电枢回路电阻R （2）可控直流电源（G-M系统、V-M系统、PWM变换器）【P9】【填空】 （3）增设平波电抗器来抑制电流脉动，总电感量的计算。【P12】【选择题】 三相桥式 三相半波 单相桥式 （4）失控时间的选择【p15】【选择题】 整流电路形式最大失控时间 单相半波20 10 单相桥式（全波）10 5 三相半波 6.67 3.33 三相桥式 3.33 1.67 ★★★★（5）PWM调速系统的优越性表现【p16】【简答题】 ○1主电路简单，需要的电力电子器件少； ○2开关频率高，电路容易连续，谐波少，电动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； ○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电力电子器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，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 （6）不可逆PWM系统中，γ与ρ的关系。【P17】 γ=ρ （7）泵升电压【P20】【填空题】 对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高 （8）调速系统的稳态性能指标S与D及相互之间的关系。【P21-22】【填空题】 ○1——额定负载时的最高和最低转速 => ○2最低速 => 空载转速 ○3例： ★★★★（9）开环系统与闭环系统比较（4点结论）【P29-30】【简答题】 ○1闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 ○2闭环系统的静差率要比开环系统小得多。 ○3当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 ○4要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 ★★★★（10）闭环系统能减少稳态转速降的实质问题是什么？结合图形分析【P31】【简答题】闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。 （11）反馈控制规律（3点）【P31】【简答题】 ○1比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统 ○2反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定 ○3系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 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 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。 电力系统成人中等专业教育2007级期末考试 《电机与电力拖动基础》试卷 姓名成绩 一、填空题（每空0.5分，共25分） I.变压器是根据 _____ 原理工作的。 2.. ____________________________ 变压器的主要结构部件是和。 3..变压器油的作用，一是________ ；二是________ o 4.变压器分接开关有 ____ 和________ 两种，分接开关的作用是 ______ o 5.变压器空载运行时，由 _____ 建立主磁通，主磁通在一次，二次绕组感应电动势为El= E2= _____ o 6.变压器空载电流的大小约为额定电流的_________ 倍，其性质是________ o 7.变压器负载运行时，一次电流包括_________ 和__________ 两个分量。 &变压器负载运行时的电压变化率与________ 和________ 有关。 9.三相变压器的连接组别取决于—，_______ 和_________ 三个因素。 10.变压器的励磁阻抗由_______ 试验测得，短路阻抗由_________ 试验测得。 II.自耦变压器的一、二次绕组之间既有______ 联系，乂有______ 连接。 12.三相变压器并联运行的条件是、 13.电焊变压器具有______ 的外特性，常采用______ 和_________ 方法增人漏抗。 14.按能量转换方式不同，同步电机可分为、___________ 、 15.同步电机的转了励磁电流由________ 电源供给，通过________ 和_______ 的滑动接触通入转了励磁电流。 16._______________________________ 同步电机的励磁方式分为和两人类。 17.同步发电机的并列运行条件是_____ ；_____ ； ___ 1&同步发电机的并列方法有__________ 和_________ 两种。 19._______________________________________________ 改变同步发电机输出的有功功率， 天津铁道职业技术学院 2007―2008学年度第一学期 2006级电气化铁道技术专业《电机及电力拖动》课程期末考试A卷 命题教师系主任 审批签字 考试班级 考试 人数 开闭卷或 其他要求 李继文电气化0601、0602 开卷 题号一二三四五六七总分 得分 核分教师复核教师 1. 并励直流电动机在起动时应将电枢回路所串电阻调到，励磁回路所串电阻调到。 2. 直流电机电枢导体中流过的电流是性质，从电刷中流过的电流是性质。 3.改变并励直流电动机转向的方法 是。 4．三相电力变压器二次侧额定电压U2N是指。 5．变压器空载试验通常在边进行，短路试验通常在边进行。 6．三相变压器Yd11联结组的含义是 。 7．直流电机励磁磁极与电刷应保持相对关系，而与电枢绕组应保持相对关系。 8．变压器铁心一般采用0.27mm、0.3mm厚的硅钢片叠压而成，是为了减少和 。 9．把一台三相交流电机定子绕组的三个首端和三个末端分别连在一起，再通以交流电流，则合成磁动势基波是，如将三相绕组依次串联起来后通以交流电流，则合成磁动势基波又是。 10．同步电机转速为75r/min，频率为50Hz，则该电机是极的。 1．试判断下列情况下，电刷两端电压性质 (1)磁极固定，电刷与电枢同时旋转（）； (2)电枢固定，电刷与磁极同时旋转（） A、直流 B、交流 C、交直流都可能 D、无电流 2．若一台直流发电机的额定空载电动势是230V，试判定在下列情况下电动势的变化如何? (1)磁通减少10% ；（） (2)励磁电流减少10%；（） (3)磁通不变，速度增加20%；（） (4)磁通减少10%，同时速度增加20%。（） A、228V B、207V； C、276V； D、207V＜E＜230V 3．一台三角形联接的定子绕组，当绕组内有一相断线时，产生的磁动势是（）磁动势. A、圆形旋转磁场 B、椭圆形旋转磁场 C、无 4．把三相感应电动机接到电源的三个接线头对调两根后，电动机的转向（） 得分评卷人 一、填空题（每空1分，共16分）得分评卷人 二、选择题（每空1分，共14分） 考生姓名 学号 系别 班级 密 封 线 内 答 题 无 第1 页共页 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：10000.02(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 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=0.2V ?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 判断题 采用光电式旋转编码器的数字测速方法中，M法适用于测高速，T法适用于测低速。（√）只有一组桥式晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统在位能式负载下能实现制动。（√）直流电动机变压调速和降磁调速都可做到无级调速。（√） 静差率和机械特性硬度是一回事。（×） 使用PI调节器构成的无静差调速系统稳态精度不受反馈检测装置的影响。 电流—转速双闭环无静差可逆调速系统稳态时控制电压的大小并非仅取决于速度给定的大小。（√） 转速、电流反馈控制无静差可逆调速系统稳态时电力电子装置控制电压的大小取决于电流调节器输入信号的大小。（×） 反馈控制系统的精度只取决于给定的精度。（×） 双闭环调速系统在起动过程中，速度调节器总是处于饱和状态。（×） 对于有环流可逆V-M系统，在一般情况下允许两组晶闸管同时处于整流状态。（×）逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。（×） 可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。（√） 双闭环可逆系统中，电流调节器的作用之一是对负载扰动起抗扰作用。（×） 与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。（×） α=β配合工作制的可逆调速系统的制动过程分为本组逆变和它组制动两阶段（√） α=β配合工作制的有环流可逆调速系统的正向制动过程中，转速调节器饱和，电流调节器不饱和。（×） 转速电流双闭环速度控制系统中转速调节为PID调节器时转速总有超调。（×） 电压闭环相当于电流变化率闭环。（√） 闭环系统可以改造控制对象。（√） 闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。 V-M系统中平波电抗器的电感量一般按照额定负载时保证电流连续的条件来选择。（×）直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电动势反电势不变。（√） 直流电动机弱磁升速的前提条件是恒定电枢电压不变。（×） 电压闭环会给闭环系统带来谐波干扰，严重时会造成系统振荡。（√） 单选题 1. 一台他励直流发电机转速为额定运行状态下降到原来的60%，而励磁电流，电枢电流都不变，则_______.(5分) (A) E a下降到原来的60% (B) T下降到原来的60% (C) E a和T都下降到原来的60% (D) 端电压下降到原来的60% 参考答案：A 2. 如果并励直流发电机的转速上升20%，则空载时发电机的端电压U0升高_______。(5分) (A) 等于20% (B) 大于20% (C) 小于20% (D) 不确定 参考答案：B 3. 直流发电机主磁极磁通产生感应电动势存在于_______中。(5分) (A) 电枢绕组 (B) 励磁绕组 (C) 电枢绕组和励磁绕组 (D) 都不存在 参考答案：A 4. 当电动机的电枢回路铜损耗比电磁功率或轴机械功率都大时，这时电动机处于______ _。(5分) (A) 能耗制动状态 (B) 反接制动状态 (C) 倒拉反转状态 (D) 回馈制动状态 参考答案：C 5. 直流电动机采用降低电源电压的方法起动，其目的是_______。(5分) (A) 为了使起动过程平稳 (B) 为了减小起动电流 (C) 为了减小起动时电枢感应电势 (D) 为了减小起动电压 参考答案：B 6. 恒速运行的电力拖动系统中，已知电动机电磁转矩为80N?m，忽略空载转矩，传动机构效率为0.8，速比为10，未折算前实际负载转矩为_______。(5分) (A) 8N?m (C) 80N?m (D) 640N?m 参考答案：D 判断题 7. 他励直流电动机降压或串电阻调速时，最大静差率数值越大，调速范围也越大。(5分) 正确错误 参考答案：错误 解题思路： 8. 提升位能负载时的工作点在第一象限内，而下放位能负载时的工作点在第四象限内。(5分) 正确错误 参考答案：正确 解题思路： 9. 一台并励直流发电机，正转能自励，若反转也能自励。(5分) 正确错误 参考答案：错误 解题思路： 10. 一台直流发电机若把电枢固定，而电刷与磁极同时旋转，则在电刷两端仍能得到直流电压。(5分) 正确错误 参考答案：正确 解题思路： 11. 直流电动机的电磁转矩是驱动性质的，因此稳定运行时，大的电磁转矩对应的转速就高。(5分) 正确错误 参考答案：错误 解题思路： 12. 一台并励直流电动机，若改变电源极性，则电机转向也改变。(5分) 正确错误 参考答案：错误 解题思路： 13. 直流电动机的人为特性都比固有特性软。(5分) 正确错误 参考答案：错误 解题思路： 14. 直流电动机串多级电阻起动，在起动过程中，每切除一级起动电阻时，电枢电流都会突变。(5分) 1．转速电流双闭环调速系统中的两个调速器通常采用的控制方式是 A．PID B．PI C．P D．PD 2．静差率和机械特性的硬度有关,当理想空载转速一定时,特性越硬,静差率 A．越小B．越大C．不变D．不确定 3．下列异步电动机调速方法属于转差功率消耗型的调速系统是 A．降电压调速B．串级调速C．变极调速D．变压变频调速4．可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速的是 A．比例控制B．积分控制C．微分控制D．比例微分控制5．控制系统能够正常运行的首要条件是 A．抗扰性B．稳定性C．快速性D．准确性 6．在定性的分析闭环系统性能时，截止频率ωc越低,则系统的稳定精度 A．越高B．越低C．不变D．不确定 7．常用的数字滤波方法不包括 A．算术平均值滤波B．中值滤波 C．中值平均滤波D．几何平均值滤波 8．转速电流双闭环调速系统中电流调节器的英文缩写是 A．ACR B．AVR C．ASR D．ATR 9．双闭环直流调速系统的起动过程中不包括 A.转速调节阶段 B.电流上升阶段 C.恒流升速阶段 D.电流下降阶段 11．下列不属于双闭环直流调速系统启动过程特点的是 A．饱和非线性控制B．转速超调 C．准时间最优控制D．饱和线性控制 12．下列交流异步电动机的调速方法中，应用最广的是 A．降电压调速B．变极对数调速 C．变压变频调速D．转子串电阻调速 13．SPWM技术中，调制波是频率和期望波相同的 A．正弦波B．方波C．等腰三角波D．锯齿波 14．下列不属于异步电动机动态数学模型特点的是 A．高阶B．低阶C．非线性D．强耦合 15．在微机数字控制系统的中断服务子程序中中断级别最高的是 A．故障保护B．PWM生成C．电流调节D．转速调节 16．比例微分的英文缩写是 A．PI B．PD C．VR D．PID 17．调速系统的静差率指标应以何时所能达到的数值为准 A．平均速度B．最高速C．最低速D．任意速度20．采用旋转编码器的数字测速方法不包括 A．M法B．T法C．M/T法D．F法 21．转速电流双闭环调速系统中转速调节器的英文缩写是 A．ACR B．AVR C．ASR D．ATR 22．下列关于转速反馈闭环调速系统反馈控制基本规律的叙述中，错误的是A．只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的 B．反馈控制系统可以抑制不被反馈环节包围的前向通道上的扰动 第2章电力拖动系统的动力学基础 2.1概述 在生产实践中广泛采用电动机作为原动机拖动生产机械运转，以完成一定的生产任务。这种以电动机作为原动机拖动生产机械运动的拖动方式称为“电力拖动”。 一般情况下，电力拖动系统是由电动机、控制设备、传动机构、电源及工作机构等五个组成部分，如图2-1所示。电动机作为原动机，通过传动机构拖动生产机械完成某一生产任务。传动机构主要用于电动机和生产机械之间传递功率和转矩，变换运动速度及形式。控制设备是由各种控制电器、工业控制计算机、可编程控制器等组成，用以控制电动机的运行，从而对工作机构的运动实现自动控制。电源部分向电动机及一些电气控制设备供电。 图2-1电力拖动系统示意图 在研究电力拖动系统的运动规律时，一般情况下不考虑电力拖动系统中所用的电动机的种类以及生产机械的性质，而是把电动机、传动机构和生产机械看作是一个运动着的整体进行分析、研究，找出它们所遵循的统一的运动规律，建立电力拖动系统的运动方程。2.2电力拖动系统的运动方程式 2.2.1单轴拖动系统的运动方程式 所谓单轴拖动系统是指电动机输出轴直接拖动生产机械运转的系统。此时电动机、传动机构、机械负载等所有的运动部件均以同一转速运动。这种单轴拖动系统是电力拖动系统中最基本的一种。它是研究复杂电力拖动系统的基础。单轴拖动系统又分为两种形式，一种形式是单轴旋转拖动系统，另一种形式是单轴直线运动的拖动系统。下面分别研究这两种简单电力拖动系统的运动方程式。 1. 单轴直线运动拖动系统的运动方程式 根据牛顿第二定律，在电力拖动系统中如果生产机械做直线运动，作用在电动机轴上的电动力F 与阻力L F 以及速度变化时产生的惯性力ma 之间的关系遵循下列基本运动方程式。 ma F F L =- 式中，F —拖动力，单位为N ； L F —阻力，单位为N ； m —物体的质量，单位为kg ； a —物体的加速度，单位为2/s m ； 上式也可写成 dt dv m F F L =- （2-1） 式中，dt dv m 是惯性力，如果质量m 的单位为kg ，速度v 的单位为s m /，时间t 的单位为s ，则惯性力的单位与F 及L F 的单位相同，为N 。 2. 单轴旋转拖动系统的运动方程式 1）转动惯量与飞轮矩 转动的物体与直线运动的物体一样，具有保持运动状态的性质，即惯性。在直线运动中表示惯性大小的量是质量；在旋转中，表示惯性大小的量叫做转动惯量，常用字母J 表示。同一物体即可以作直线运动，也可以转动，所以转动惯量与质量是直接相关的。质量大的物体在转动时，其转动惯量大；同时，转动惯量的大小显然还与物体距转轴轴心的距离有关。举个例子来分析一下：在绳子的一端栓一个钢球，用手抓住绳子，甩动钢球，如图2-2所示。 图2-2 圆周运动的转动惯量 电机与电力拖动复习材料 一、填空题 1．电动机按其功能可分为动力电动机和控制电动机。 2．电动机按用电类型可分为交流电动机和直流电动机。 3．电动机按其转速与电网电源频率之间的关系可分为同步电动机和异步电动机。 4．电动机的工作原理是建立在电磁感应定律通电导体在磁场中受电动力定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。 5．产生旋转磁场的必要条件是在三相对称绕组中通入对称三相交流电。 6．电动机的转动方向与旋转磁场的转动方向相同，它由通入三相定子绕组的交流电流 的相序决定。 7．电动机工作在额定状态时，铁心中的磁通处于临界饱和状态，这样可以减少电动机铁心的磁滞和涡流损耗。 8．工作制是指三相电动机的运转状态，即允许连续使用的时间，分为连续、短时和周期断续三种。 9．三相电动机定子绕组的连接方法有星形和三角形两种。 10．根据获得启动转矩的方法不同，电动机的结构也存在较大差异，主要分为笼型电动机和绕线式电动机两大类。 11．三相异步电动机固有机械特性是在额定电压、额定频率、按规定方法接线条件下的特性。 12．固有机械特性曲线上的四个特殊点是额定点、理想空载点、启动点、临界点。13．常用的人为机械特性曲线是转子串电阻和降低定子电压。 14．常用的降压启动方法有定子串电阻、星形-三角形降压、自耦降压等。 15．降压启动在启动电流减小的同时启动转矩也减小了。 16．绕线式异步电动机启动方法有转子串电阻和转子串频敏变阻器两种，其中控制简单的是转子串频敏变阻器方法。 17．能耗制动实现时应断开定子的三相电源电源，在定子两相上加上直流电源，同时串电阻。 18．电源两相反接反接制动的制动能源来自于电源和转子转动的动能，其制动力较能耗制动更大。 19．最常见的出现回馈制动的情况是限速下放重物和降低电压调速。 20．变极调速的调速范围大，调速的平滑性差，最突出的优点是低速时转矩大，所以常被用于重载启动。 21．变频调速的优点有调速范围宽、静差率小，稳定性好、平滑性好，能实现无级调速、可适应各种负载、效率较高。 22．单相罩极电动机的主要特点是结构简单、方便、成本低、运行时噪声小、维护方便。罩极电动机的主要缺点是启动性能及运行性能较差，效率和功率因数都较低，方向不能改变。23．如果在单相异步电动机的定子铁心上仅嵌有一组绕组，那么通入单相正弦交流电时，电动机气隙中仅产生脉振磁场，该磁场是没有启动转矩的。 24．单相电容运行电动机的结构简单，使用维护方便，堵转电流小，有较高的效率和功率因数；但启动转矩较小，多用于电风扇、吸尘器等。 25．电容启动电动机具有较大的启动转矩(一般为额定转矩的1.5～3.5倍)，但启动电流相应增大，适用于重载启动的机械，如小型空压机、洗衣机、空调器等。 26.电动机种类选择时应考虑的主要内容有：种类、结构形式、额定电压、额定转速、额定功率等方面。电机及电力拖动课后习题答案
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