电力拖动自动控制系统的重点复习

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—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—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出现，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——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——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——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——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α≥β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φm不变异步电机的转矩
就近似与转差角频率ωs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：
(l) 比例环节P：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，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。

(3) 微分环节D：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个早期修
正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

20.反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）。

（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
21. 双闭环直流调速系统中转速调节器和电流调节器的作用：
(1) 转速调节器 ASR 的作用：
1）转速 n 跟随转速给定电压U n *变化，稳态无静差。

2) 突加负载时转速调节器 ASR 和电流调节器 ACR 均参与调节作用，但转速调节器 ASR 处于主导作用对负载变化起抗扰作用。

3）其输出电压限幅值决定允许最大电流值。

(2) 电流调节器 ACR 的作用：
1) 起动过程中保证获得允许最大电流。

2) 在转速调节过程中，使电流跟随其电流给定电压U n *变化。

3) 电源电压波动时及时抗扰作用，使电动机转速几乎不受电源电压波动的影响。

4) 当电动机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到安全保护作用
22. 双闭环调速系统，电网电压波动时，ACR 起主要调节作用；负载扰动时，ASR 起主要抗扰调节作用
23. 交流异步电动机数学模型具有高阶、非线性、强耦合、多变量的性质。

异步电动机的动态模型由磁链
方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。

磁链方程和转矩方程为代数方程，电压方程和运动方程为微分方程。

24. 试述双闭环直流调速系统起动过程的三个阶段和三个特点，以及性能指标。

答：(1) 三个阶段：第 1 阶段为电流上升阶段，第 2 阶段为恒流升速阶段，第 3 阶段为转速调节阶段。

(2)三个特点：饱和非线性控制，准时间最优控制，转速超调。

(3)性能指标：稳态调速性能指标，动态性能指标；
稳态性能指标：调速范围、静差率；
动态性能指标：跟随性能指标（上升时间、超调量、调节时间）、抗扰性能指标（动态降落、恢复时间）
25. 转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是什么？
答：1) 饱和非线性控制
ASR 饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；
ASR 不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.
2）准时间最优控制，恒流升速可使起动过程尽可能最快。

3）转速超调：只有转速超调才能使 ASR 退饱和。

26. 调节器的设计过程可以简化为两步：
第一步：先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。

第二步：再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

27. 电力电子变压变频器分类：交-直-交变频器、交-交变频器
交-直-交变频器：先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。

交-交变频器：将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频
28. 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图
两个转速反馈:
转速外环为负反馈，ASR 为转速调节器，一般
选用PI 调节器，转速调节器ASR 的输出转差
频率给定相当于电磁转矩给定。

内环为正反馈，将转速调节器ASR 的输出信
号转差频率给定与实际转速相加，得到定子频
率给定信号**1s ωωω=+
29. 转差频率控制系统突出的特点或优点：转差角频率与实测转速相加后得到定子频率。

在调速过程中，
实际频率随着实际转速同步地上升或下降，加、减速平滑。

在动态过程中转速调节器ASR饱和，系统以对应于最大转差频率的最大转矩起、制动，并限制了最大电流，保证了在允许条件下的快速性。

30.矢量变换控制系统：模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，
就能够控制异步电动机了。

由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统或称矢量控制系统。

31.矢量控制的基本思想:通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动
机模型，仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。

32.矢量控制系统特点
（1)按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制
（2)转子磁链系统的控制对象时稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以采用开环控制
（3)采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。

带除法环节的矢量控制系统结构图
33.直接转矩控制系统的基本思想：根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差的正负符号，再依
据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。

双闭环直流调速系统的动态结构图
由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，频率设定必须通过给定积分算法产生平缓的升速或降速信
号，
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
>
-
<
+
=
=
⎰
⎰
*
1
1
1
1
*
1
1
1
1
*
1
1
*
1
1
)
(
)
(
)(
ω
ω
τ
ω
ω
ω
ω
τ
ω
ω
ω
ω
ω
ω
t
t
down
N
t
t
up
N
dt
t
dt
t
t
电压/频率特性
⎩
⎨
⎧
<
≥
=
=
N
N
N
s f
U
f
U
1
1
1
'
1
1
1)
(
)
(
ω
ω
ω
ω
ω
ω
14、积分调节器为什么能消除静差？采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。

比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史，虽然ΔU n=0，只要历史上有过ΔU n，其积分有一定数值，就能产生足够的控制电压U ct，保证新的稳态运行。

1.试分析并解释矢量控制系统与直流转矩控制系统的优缺点。

答：两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，但两者在控制性能上却各有千秋。

VC系统强调Te与Ψr的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按定子Ψr定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。

DTC系统则实行Te与Ψs砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。

2.磁链定向方法有哪两种?分别采用了哪种坐标系?
答：1) 按转子磁链r：ψ定向：控制性能最好，但转子磁链不易测量和控制；采用M-T坐标系；
2) 按定子磁链s：ψ定向：定子磁链最容易测量和控制，但控制性能不好；采用α-β坐标系
3.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?
答：先将静止的三相坐标A-B-C 转换成静止的两相坐标α-β，再将静止的两相坐标α-β换成旋转的两相坐标d-q 或同步两相坐标(M-T)。

4.为什么转速闭环转差频率控制的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？
答：（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁通Φm恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。

在动态中Φm 如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。

（2）Us= f(ω1, I s)函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。

（3）在频率控制环节中，取ω1=ωs +ω，使频率得以与转速同步升降，这是转差频率控制的优点。

然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。

5.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？答：当两个调节器都不饱和时，它们的输入偏差电压都是零。

转速调节器ASR的输出限幅电压U im*决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压U cm限制了电力电子变换器的最大输出电压U dm。

6.试回答三相异步电机应如何通过坐标变换等效成直流电机？
答：三相电机的电流i a,i b,i c，通过三相——二相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流iα1,iβ1；再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流i m1,i t1。

i m1相当于励磁电流i t1相当于与转矩成正比的电枢电流，从而构成直流电机。