电力传动控制系统——运动控制系统(习题解答)

1、电动控制系统运动控制系统(练习问题解决)第一章电动控制系统的基本结构和配置1第二章电动系统模型13第三章直流传动控制系统18第四章交流传动控制系统30第五章电动控制系统的分析与设计*38第一章传动控制系统的基本结构和配置1.根据电动传动控制系统的基本结构，简述了电动传动控制系统的基本原理和通用性问题。答：传记传动是以电动机为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和转换的便利，使传记传动成为现代生产机械的主要动力装置。电力传输控制系统的基本结构通常由电源、转换器、电动机、控制器、传感器和生产机器(负载)组成，如图1-1所示。电力传输控制系统的基本工作原理是根据根据输入控制命令(例如速

2、度或位置命令)从传感器收集的系统检测信号(速度、位置、电流、电压等)提供适当的反馈控制信号。控制器根据特定控制算法或策略输出相应的控制信号。控制转换器更改输入电动机的电源电压、频率虽然电力传输控制系统各不相同，但是根据图1-1所示的系统基本结构，可以概括开发或应用电力传输控制系统所需的常见问题。1)选择电动机。传记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。根据生产工艺和设备的驱动器要求，应选择合适的电动机种类和额定参数、绝缘等级等，然后分析电动机的发热和冷却、工作剂、过载容量等，验证电动机容量。2)变换器技术研究。马达控制是通过变更供电电源供应装置实现的。例如，直流

3、电动机的正向反转控制需要改变电枢电压或励磁电压的方向，速度控制需要改变电枢电压或励磁电流的大小。交流电动机的速度调节需要改变电源供应设备的电压和频率等，所以电流变流技术是实现电力传输系统的关键技术之一。3)系统状态检测方法。状态检测是配置系统反馈的关键。根据反馈控制原理，必须实时检测电力传输控制系统的各种状态，例如电压、电流、频率、相位、自身、转矩、转速或位置。因此，研究系统状态检测和观察方法是提高控制性能的重要课题。4)控制战略和控制器设计。所有自动控制系统的核心是对控制方法的研究和控制策略的选择，电动控制系统也不例外。根据生产工艺要求制定或选择适当的控制方法或策略是实施电力传动自动控制系统

4、的主要问题。2.直流电动机有几种茄子调速方法，其机械特性有什么不同？答：直流电动机速度和其他参数之间的稳态关系如下考虑到直流电动机电枢电流与电磁转矩的关系，机械特性可以写为：表达式中称为理想空载转速，是机械特性的斜率。如上所述，有三种调整直流电动机速度的茄子方法。1)更改电枢电路电阻(图1-2)。2)削弱这里的磁通量(图1-3)。3)调整电枢供电电压(图1-4)。比较三种茄子速度调节方法，可以发现电阻变化只能进行等级速度调节。削弱磁通量可以平稳地调节速度，但速度调节范围不大，经常配合压力调节方案，以达到一定范围的弱磁力上升速度。调节电枢供电电压的方式不仅可以连续平稳地调节速度，而且有更大的调速

5、范围，机械特性也很硬。因此，直流调速系统往往以可变速度调节为主，仅在基本速度(额定速度)以上的情况下产生较小范围的弱磁上升速度。3.从异步电动机旋转功率的角度看，交流调速系统可以分为哪些类别？简述其特点。答：根据异步电动机转子结构，可分为黑木启司转子异步电动机和转子异步电动机转子，根据实际应用要求选择电机。异步电动机速度方程式为如上所述，改变供电频率或改变马达极数就能调节速度，这就是频率调节和极数调节的由来。另外，通过改变定子电压、转子异步电动机转子串电阻或外部可变电源供应设备，可以改变转速，以调整异步电动机旋转速度。为了更科学地分类，根据交流异步电动机原理，从精子传送到转子的电磁功率可以分为

6、两部分。一种是拖曳负载的有效动力，称为机械动力。另一部分是转子电路传输旋转功率，与旋转率成正比。从能量转换的角度来看，旋转功率是否增加、消耗、回收是评价速度调节系统效率的标志。在牙齿点，异步电动机调速系统可以分为三类茄子。1)旋转动力消耗型。调节速度时，总旋转功率转换为热量消耗，增加旋转功率的消耗，改变旋转速度的减少(在一定转矩负载下)，这种速度调节方法的效率最低，向下曹征效率低。2)旋转动力供应型。调速时，旋转功率的一部分消耗，大部分通过电流装置反馈给电网或切换到机械能使用，旋转速度越低，回收的功率越多，效率就越高。3)滑动功率不变。这种速度调节方法，不管转速的高低，转速下降不变，小，所以旋

7、转功率的消耗基本不变，小，其效率最高。(威廉莎士比亚、温斯顿、旋转、旋转、旋转、旋转、旋转、旋转、旋转、旋转)目前一般使用黑木启司转子异步电动机(黑木启司转子)保持低于同步速度的速度，调速方法可以选择定子变压调节、定子变压变速调节等。如果需要高于同步速度的转速或其他特殊应用，则需要通过转子异步电动机、精子和转子进行双馈调速。4.可以使用电力电子设备配置什么类型的直流输出转换器？简述一下每个基本的拓扑结构和回流模式。答：电力电子设备允许配置三种茄子直流输出转换器：相位控制整流器、直流斩波和PWM整流器。1)相位控制适配器(图1-5)。2)直流斩波器(图1-6，图1-7)。3)PWM适配器(图1-

8、8)。5.简述交流变频器的分类，分析和比较各自的特点。答：高性能交流调速系统需要能同时改变电压和频率的现代电力电子转换器，因此交流输出转换器是变压装置，通常称为变频器。目前，交流输出转换器主要有两类茄子：交流-直线-交流变频器和交流-交流变频器。(1) AC-DC-AC逆变器AC-DC-AC逆变器的基本原则是，首先通过整流器将交流电转换为直流电，然后再将交流电转换为逆变器。由于中间直流链路的存在，有时称为交流-直线-交流变频器，有时称为间接变压变频器。目前，实现交流-直线-交流变频器功率转换的方法有多种，主要应用于电力传动控制系统的四种茄子方法。1)由相位控制整流器和6位逆变器组成的交叉-直线

9、-交流逆变器(图1-11，图1-13)。六拍整流器的优点是在整流环上进行调节控制，在逆变换环上进行频率调节，两个茄子控制分开实现，概念明确，控制简单。但是早期引进了晶闸管整流和逆流，带来了以下缺点。使用晶闸管相位控制整流，交流输入部的网络端功率因数低，谐波大出现问题。6位逆变器由于晶闸管工作频率的限制，变频控制范围有限，输出不是正弦波，谐波含量高。2)PWM频率转换器(图1-14、图1-15)。PWM变频器的调制方法主要包括正弦波脉宽调制(SPWM)、消除指定数量波的PWM控制(SHEPWM)、PWM跟踪控制和电压空间矢量PWM(SVPWM)。PWM变频器的优点包括：主电路整流器和逆变器两个单

10、位中只能控制逆变器，这样可以同时控制电压和频率，结构简单。采用全控制电源开关设备，通过驱动电压脉冲控制，驱动电路简单，高效。输出电压波形是一系列PWM波形，但由于适当的PWM控制技术，正弦基波的比重提高，影响电机运行的低阶谐波受到了极大的抑制，扭矩脉搏小，提高了系统的速度调节范围和稳定性能。逆变器既实现了电压调节，又实现了FM，动态响应不受中间DC链路滤波器参数的影响，系统的动态性能也得到了提高。使用无法控制的二极管整流器，电源端功率因数高，不受逆变输出电压大小的影响。3)双PWM反相器(图1-26)。双PWM变频器的特点包括：4象限操作简单。使用PWM整流控制，可以随机调节网络端的功率因数，

11、使功率因数小于1，大于或等于1。能大大减少电流谐波。4)多电平逆变器(图1-27)。多级逆变器的优点主要包括：多电平逆变器电路对设备的耐压要求不高，交换机设备能承受的截止电压由每个连接的交换机设备共享。多电平逆变器输出的负载电压为多级阶梯波，与两级电路相比输出波形阶梯增加，更接近正弦波，在阶梯波调制时开关损耗小，效率高。多电平逆变器随着输出电平数的增加，各电平振幅的变化减少，对周围电路干扰小，对电机的影响小，开关频率附近谐波振幅也小。开关频率相同的条件下，谐波比2坪小得多。(2)交流逆变电源(图1-28，图1-30)。与Ac-dc-ac逆变器相比，ac-ac逆变器的优点包括：使用电网自然回流，

12、可以实现一次回流的变流变流，回流效率高。能量反馈方便，4象限操作容易实现。低频输出波形靠近正弦。但是，ac-ac逆变器也有一些茄子缺点。晶闸管数量多，接线复杂。输出频率范围窄，只能在1/2到1/3栅格频率以下调整频率。由于相位控制整流，功率因数低。6.有什么转速检测方法吗？如何获得数字速度信号？答：常用的转速检测传感器有速度发电机、旋转编码器等。转速表输出是速度的模拟信号。旋转编码器是数字测速装置。转速检测传感器输出模拟信号首先通过信号调节器进行放大、水平转换、滤波、阻抗匹配、调制和解调等信号处理过程，然后执行A/D转换，进行模拟信号-数字信号转换(包括离散化和数字化)。离散化以一定的采样频率

13、执行模拟信号采样。即，在固定时间间隔处获取信号值。数字化是将得到的信号值量化为数字，用由A/D芯片上的位数确定的一系列数字近似离散模拟信号大小。速度调节范围和静态差异的定义是什么？速度调节范围和静态速度降与最小静态差比率之间的关系是什么？为什么说“超出速度调节范围的话，满足给定停车率也容易得多”？答：生产机器是马达提供的最高速度和最低速度的比率称为速度范围，用字母表示。表示表达式中电动机额定负荷的最大和最小转速。系统在特定速度下运行时，当负载从理想空载状态增加到额定状态时，相应的转速着陆与理想空载转速的比率(称为静态差分率)用文字表示。停车率用于测量负荷变化时调速系统转速的稳定性，与机械特性的

14、硬度有关，特性越硬，停车率越小，转速的稳定性越高。速度控制范围、静态速度降和最小静态差值百分比之间的关系如下速度调节范围和停车率这两个茄子指标不是徐璐孤立的，必须同时提及，才有意义。在速度调节过程中，如果额定速度下降相同，则转速越低，停车率越大。如果低速停车率能满足设计要求，高速停车率将进一步得到满足。因此，速度调节系统的停车率指标应以最低速时能达到的数值为准。因此，如果超出速度调节范围，满足给定停车率也就容易多了。8.简述比率、积分和微分链接在PID控制器中的作用，并分析其特性。答：PID控制器上的每个校准链接工作方式如下(图1-49):1)比例链路放大偏差，产生与偏差成比例的控制信号，并将

15、其应用于控制目标，以减小偏差。2)积分链路生成用于通过偏差历史累积消除偏差的控制信号，从而实现系统的无序调节。越大的积分作用越大，有助于减少误差，但系统响应速度越慢。3)微分可以反映偏差的变化率，起到加快系统响应、减少曹征时间的作用。实际应用时，根据系统要求，可以选择“完全”或“部分”校正链接来配置具有各种功能的调节器，例如P调节器、I调节器、PI调节器、PD调节器等。9.闭环调速系统的速度调节范围为1500r/min至150r/min，如果系统需要静态速度降，系统允许的静态速度降是多少？解决方案：速度控制范围静态速度降10.参数：和直流电动机。如果只考虑电枢电阻引起的转速下降，(1)为了找到

16、系统的速度调节范围，需要静态差分比率。(2)要求时停车率允许多少？(3)请求时允许的转速降落是多少？解决方案：(1)好的，知道了(3)第二章传动系统模型1.简述了坐标转换和集成电机理论的意义。答：坐标转换是系统分析电动机时使用的坐标转换，不仅可以将坐标系扩展到维度空间，还可以将原始坐标转换为其他旋转平面上的坐标，或者从笛卡尔平面坐标转换为复平面坐标。这些理论和方法都是对电机这一复杂机械系统的对策，在电机学科发展史上具有划时代的意义。直流电动机的数学模型比较简单，交流电动机的数学模型比较复杂，而且种类很多种，因此，如果根据电机理论根据徐璐不同的电动机结构建立各自的电路及磁路方程，建立的方程就会形

17、式不同，比较复杂。综合电机理论提出了圆电机的概念，分析了圆电机的基本电磁关系，研究了圆电机与其他各种实际电动机之间的联系。研究表明，所有电机的数学模型都可以从圆电机派生出来，可以统一解决。这是马达理论的重大发展。马达常用的座标系统是什么？单独绘制坐标轴矢量图形。答：马达常用的座标系统主要可分为两个茄子品类停止坐标变换：这种变换称为A-B-C三相坐标系和-0两相停止坐标系之间的变换，如下图所示。旋转坐标变换：这种变换在静态和旋转坐标系之间进行，旋转轴的旋转速度可以是电动机转子的旋转速度、同步速度或随机旋转速度。这些系统的典型表示是d-q-0坐标系，如下图所示。3.在电机坐标转换中，在动力不变约束下的转换表达式和合成磁势不变约束下，哪些转换相同？哪个不同？根据转换式有什么不同吗？a:坐标变换是线性变换。如果没有约束条件，则转换不是唯一的。在电机的系统分析中，一般采用两种茄子原则牙齿坐标转换的约束。1)电源