电力传动控制系统
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。
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性能的重要课题。
4）控制策略和控制器的设计。任何自动控制系统的核心都是对控制方法的研究和控制策略的选择，电力传动控制系统也不例外。根据生产工艺要求，研发或选择适当的控制方法或策略是实现电力传动自动控制系统的主要问题。
2．直流电动机有几种调速方法，其机械特性有何差别？ 答：直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系为
a a
e U RI n C Φ
-=
考虑到他励直流电动机电枢电流与电磁转矩e T 的关系e T a T C I Φ=，可以将其机械特性写成如下形式：
0e n n T β=-
式中0
a e /n U C Φ=称作理想空载转速，2e T /R C C βΦ=为机械特性的斜率。
由上式可知，有以下三种调节直流电动机转速的方法： 1）改变电枢回路电阻R （图1-2）。
n e
图1-2 改变电枢电阻的人为机械特性
2）减弱励磁磁通Φ（图1-3）。
n n e
图1-3 改变磁通的人为机械特性
3）调节电枢供电电压a U （图1-4）。
T e
图1-4 调压调速的机械特性
比较三种调速方法可知，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，往
往只是配合调压方案，实现一定范围内的弱磁升速；调节电枢供电电压的方式既能连续平滑调速，又有较大的调速范围，且机械特性也很硬。因此，直流调速系统往往以变压调速为主，仅在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
3. 从异步电动机转差功率sl P 的角度，可把交流调速系统分成哪几类？并简述其特点。
答：异步电动机按其转子构造可分为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机，可以根据实际应用要求选择电动机。异步电动机的转速方程为
()p
601s
f n s n =
-
由上式可知，若改变供电频率
s f 或改变电动机极对数p n 则可调速，这就是变频调速和变极对数调速
的由来。另外，通过改变定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻或外接可变电源可以改变转差率s 来实现异步电动机的转速调节。
为更科学地进行分类，按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率em P 可分成两部分：一部分m
em (1)P s P =-是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分em sl P sP =是传输给转子电路
的转差功率，与转差率s 成正比。从能量转换的角度看，转差功率sl P 是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，又可以把异步电动机的调速系统分成三类：
1）转差功率消耗型。调速时全部转差功率都转换成热能消耗掉，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），这类调速方法的效率最低，越向下调效率越低。
2）转差功率馈送型。调速时转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机械能予以利用，转速越低时回收的功率越多，其效率比前者高。
3）转差功率不变型。这类调速方法无论转速高低，转速降都保持不变，而且很小，因而转差功率的消耗基本不变且很小，其效率最高。
目前通常采用笼型转子异步电动机实现低于同步转速的调速，调速方法可选择定子变压调速、定子变压变频调速等方案；当需要高于同步转速运行或其他特殊应用场合时，则需采用绕线转子异步电动机，通过定子和转子实行双馈调速。
4. 利用电力电子器件，可以构成哪几种直流输出变换器？试简述各自的基本拓扑结构和换流模式。 答：利用电力电子器件，可以构成相控整流器、直流斩波器和PWM 整流器等三种直流输出变换器。 1）相控整流器（图1-5）。
图1-5 V-M 系统的结构示意图
AC
~
2）直流斩波器（图1-6、图1-7）。
图1-6 采用二极管整流与斩波器的直流变换器结构
图1-7 直流斩波器-电动机系统原理与电压波形
b ）电压波形图
u U
+
+
_
3）PWM 整流器（图1-8）。
图1-8 单相全桥PWM 整流器
（b ）换流模式I
（c ）换流模式II （d ）换流模式III
（a ）电路原理图
d
5. 试简述交流变频器的分类，分析比较各自的特点。
答：由于高性能的交流调速系统需要现代电力电子变流器既能改变电压又能改变频率，因此，交流输出变流器是一种变压变频装置，通常称为变频器。目前，交流输出变换器主要有交-直-交变频器和交-交变
频器两大类：
（1）交-直-交变频器
交-直-交变频器的基本原理是：首先将交流电通过整流器变成直流电，然后再通过逆变器变成交流电。由于中间直流环节的存在，故而称为交-直-交变频器，又可称为间接式的变压变频器。目前，有多种方式实现交-直-交变频器的电能变换，主要应用于电力传动控制系统的有下面四种方式：
1）采用相控整流器与六拍逆变器组成的交-直-交变频器（图1-11、图1-13）。
六拍变流器的优点是：在整流环节进行调压控制，在逆变环节进行调频控制，两种控制分开实现，概念清楚，控制简便。但由于早期采用晶闸管整流和逆变，带来了如下不足：
○
1 如果采用晶闸管相控整流，在交流输入端造成网侧功率因数低和高次谐波大的问题； ○
2 六拍逆变器由于晶闸管的工作频率的限制，变频控制范围有限，且输出不是正弦波，谐波含量高。 图1-11 晶闸管交-直-交变频器
逆变器
~
图1-13 六拍逆变器的两种类型
（b ）电流源逆变器
（a ）电压源逆变器
2）PWM 变频器（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 ）、消除指定次数谐波的PWM 控制（SHEPWM ）、PWM 跟踪控制、电压空间矢量PWM （SVPWM ）等。PWM 变频器的优点如下：
○
1 在主电路整流器和逆变器两个单元中，只有逆变单元是可控的，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简单，效率高。
○
2 输出电压波形虽是一系列的PWM 波，但由于采用了恰当的PWM 控制技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。
○3 逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。
○
4 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。
图1-14 PWM 变频器的构成
（b ）PWM 调制原理
（a ）主电路拓扑结构图1-15 PWM 逆变器的主电路拓扑及工作原理
3) 双PWM 变频器（图1-26）。 双PWM 变频器的特点是： ○
1 可方便的实现四象限运行； ○
2 采用PWM 整流控制，可任意调节网侧功率因数，使功率因数小于1、等于1或大于1； ○
3 可大大减小电流谐波。
～
图1-26 双PWM 变频器的基本结构
4）多电平逆变器（图1-27）。 多电平逆变器的优点主要有：
○1 多电平逆变电路对器件的耐压要求不高，其开关器件所承受的关断电压由所串联的各开关器件分
担；
○
2 多电平逆变器输出的负载相电压为多电平的阶梯波，相对于两电平电路其输出波形阶梯增多，其形状更接近于正弦波，且阶梯波调制时，开关损耗小，效率高；
○
3 多电平逆变器随着输出电平数的增加，各电平幅值变化降低，这就使得它对外围电路的干扰小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小。在开关频率相同的条件下，谐波比两电平要小得多。
图1-27 二极管中点钳位三电平变频器的拓扑结构
（2）交-交变频器（图1-28、图1-30）。 与交-直-交变频器相比，交-交变频器的优点是：
○
1 采用电网自然换流，由一次换流即可实现变压变频，换流效率高； ○
2 能量回馈方便，容易实现四象限运行； ○
3 低频时输出波形接近正弦。 但是，交-交变频器也存在一些缺点： ○
1 使用晶闸管数量多，接线复杂； ○
2
输出频率范围窄，只能在1/2~1/3电网频率以下调频； ○
3 由于采用相控整流，功率因数低。
VR
~
~
图1-28 单相交-交变频器的电路结构
图1-30 三相交-交变频器的电路结构
6．有哪些转速检测方法？如何获得数字转速信号？
答：常用的转速检测传感器有测速发电机、旋转编码器等。测速发电机输出的是转速的模拟量信号；旋转编码器则为数字测速装置。
转速检测传感器输出的模拟信号先经过信号调节器，进行放大、电平转换、滤波、阻抗匹配、调制和解调等信号处理过程，然后进行A/D 转换，实现模拟信号到数字信号的转换，包括离散化和数字化。离散化是以一定的采样频率
s f 对模拟信号进行采样，即在固定的时间间隔s 1/t f ?=上取信号值。数字化是
将所取得信号值进行数字量化，用一组数码来逼近离散的模拟信号的幅值，逼近程度由A/D 芯片的位数来决定。
7. 调速范围和静差率的定义是什么? 调速范围与静态速降和最小静差率之间有什么关系? 为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”？
答：生产机械要求电动机提供的最高转速max n 和最低转速min n 之比，称为调速范围，用字母D 来表示，即
max min
n D n =
式中，max n 和max n 一般都指电动机额定负载时的最高转速和最低转速。
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N Δn 与理想空载转速
0n 之比，称为静差率，用字母δ
来表示，即
N 0N 00
Δ-100%100%n n n
n n δ=
?=? 静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度就越高。
调速范围D 、静态速降N Δn 和最小静差率δ之间的关系为
N N Δ(1)
n D n δ
δ=
-
调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低，静差率就越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。所以说，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
8. 试简述PID 控制器中，比例、积分和微分环节各自的作用，并分析其特性。 答：PID 控制器中各校正环节的作用如下（图1-49）：
1）比例环节对偏差进行放大，产生与偏差成正比的控制信号，施加于被控对象，以减少偏差。 2）积分环节通过对偏差历史的累积，产生控制信号以消除偏差，可实现系统的无差调节。I k 越大，积分作用越大，有利于减小误差，但减慢系统响应。
3）微分环节能反映偏差的变化率，具有加速系统响应，减小调节时间的作用。
实际应用时，可根据系统需求选择全部或部分校正环节组成具有不同功能的调节器，如P 调节器、I 调节器、PI 调节器、PD 调节器等
e (t t )
图1-49 模拟式PID 控制算法框图
9．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 2%δ<，那么系统允
许的静态速降是多少？
解：调速范围 max min 1500
10150n D
n =
== 静态速降 N max N 15000.02
3.06(r /min)(1)(1)10(10.02)
n n n D D δδδδ??=
===--?-
10．某直流电动机，其参数为：N 10kW P =，N 220V U =，N 55A I =，N 1000r /min n =，
a 0.1R =Ω。若只考虑电枢电阻引起的转速降，
（1）要求静差率10%δ=，求系统的调速范围D ；
（2）如果要求2D
=，则其静差率δ
允许的为多少?
（3） 如果要求105%D δ==，，则允许的转速降落N n ?为多少?
解： （1）N N a e
N 220550.1
0.2145(V min/r)1000U I R K n --?=
==?
N a N e 550.1
25.64(r/min)0.2145
I R n K ??=
=≈ N N 10000.1
4.33(1)2
5.64(10.1)n D n δδ?=
=≈?-?-
(2) 由N N (1)
n D n δ
δ?-＝
，得
N N N 225.64
4.88%100022
5.64
D n n D n δ??=≈+?+?＝
(3) N N 10000.05
5.26(r /min)(1)10(10.05)
n n D δδ??=≈-?-＝
第2章 电力传动系统的模型
1. 简述坐标变换与统一电机理论的意义。
答：坐标变换是一种线性变换，对电动机作系统分析时，所用的坐标变换，不仅可以将坐标系统扩展为n 维空间，还可以将原坐标变换到另一个旋转平面上的坐标，或者由笛卡儿平面坐标变换到复平面坐标。这些理论与方法都是针对电机这种复杂的机电系统所做出的对策，在电机学科的发展史上具有划时代的重要意义。
直流电机的数学模型比较简单，交流电机的数学模型就相对复杂得多，而且由于其种类繁多，如果根据电机理论，按不同的电机结构建立各自的电路和磁路方程，则所建立的方程将形式各异，比较复杂。统一电机理论提出了原型电机的概念，分析了原型电机的基本电磁关系，并研究了原型电机与其他各种实际
电机之间的联系，研究表明任何电机的数学模型都可以从原型电机中导出，并统一求解，这是电机理论的一个重大发展。
2. 电机常用的坐标系统有哪几种？分别画出它们的坐标轴矢量图。 答：电机常用的坐标系统可分为两大类，即
静止坐标变换：这类变换是在两个静止的坐标系统中进行，最常用的是在A-B-C 三相坐标系统与α-β-0两相静止坐标系统之间的变换，称为3/2变换和2/3变换，如下图所示：
旋转坐标变换：这类变换是在静止的坐标系统与旋转的坐标系统之间进行，旋转坐标轴的旋转速度可以是电机转子的转速或同步转速，也可以是任意转速。这类系统的典型代表是d-q-0坐标系统，如下图所示：
B
C
d
3. 在电机坐标变换时，功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式哪些是相同的？哪些是不同的？不同的变换式有什么不同？
答：坐标变换是一种线性变换，如无约束，变换就不是唯一的。在电机的系统分析中，通常采用两种原则作为坐标变换的约束条件：
1）功率不变原则，即变换前后电机的功率保持不变；
2）合成磁动势不变约束，即变换前后电机的合成磁动势保持不变。
如果是两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的变换，则功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式是相同的。而如果是三相静止坐标系与两相静止或两相旋转坐标系之间的变换，则功率不变约束条件下的变换式与合成磁动势不变约束条件下的变换式是不同的的，例如A-B-C 三相静止坐标系与d-q-0两相旋转坐标系在功率不变约束条件下的变换式为
d A q B
0C 2π2πcos cos()cos()33
2π2πsin sin()sin()33i i i i i i θ
θθθθθ?
?
-
+??????
??????=----+????
????????
????????
在合成磁动势不变约束条件下的变换式则为
d A q B
0C 2π2πcos cos()cos()33
22π2πsin sin()sin()3331112
22i i i i i i θ
θθθθθ?
?
-
+??????
?
???????=----+????
??????????
????????
4. 写出静止三相坐标系与静止两相坐标系、以及静止两相坐标系与旋转两相坐标系之间的坐标变换式。
解：静止三相坐标系与静止两相坐标系之间的坐标变换式
αA βB 0C 111220i i i i i i ?
?-
-
???
?? ? ?= ? ? ? ????????? 静止两相坐标系与旋转两相坐标系之间的坐标变换式
d αq βcos sin sin cos i i i i θ
θθ
θ????
??= ? ?
?-??????
5. 试分别建立并励与串励直流电动机的数学模型。
解：与第一种原型电机相比较，可直接得到他励直流电动机的电压平衡方程
m p ω=++=u R L G i Z i （）
式中，T F C a []u u u =u ，T
F C a []i i i =i ，F
C a 00000
R R R ????=?
?????R ，F
C Ca aC
a 0000L L L L L ??
??=??????
L ， aF
000
0000G ????=??????
G ，F F C C Ca aF m aC a a 00
0R L p
R L p
L p G L p
R L p ω+??
??=+????+??Z 。
a)b)
图2-5 直流电动机模型
A) 直流电动机 b) 第一种原型电机
转子运动方程为
e L m ωm T T Jp D ωω-=+
式中，电磁转矩T e
aF F a T G i i ==i Gi 。
上面两式就构成了他励直流电动机的数学模型。为简便起见，在实际使用时往往忽略补偿绕组C 和阻尼系数D ω的作用，即有
()()a a a a aF m F F F F F
e aF F a e L m
u R L p i G i u R L p i T G i i T T Jp ωω?=++?
=+??
=??-=? 对于并励直流电动机，电枢电压等于励磁电压，即补充条件a F u u =； 对于串励直流电动机，电枢电流等于励磁电流，即补充条件a F i i =。
6. 试导出直轴和交轴方向上各有一个阻尼绕组的电励磁同步电动机的电压平衡方程与电磁转矩计算公式。
解：与第一种原型电机相比较，可直接写出带阻尼绕组的电励磁同步电动机的电压平衡方程
m p ω=++=u R L G i Z i （）
图2-18 有阻尼绕组的同步电动机等效模型
s
式中，T d
q F D Q []u u u u u =u ，T d q F D Q []i i i i i =i ，
d q F
D Q 000000000
0000000000
0R R R R R ??????
??=??
??????R ，d
dF dD q qQ Fd
F FD Dd
DF D Qq
Q 00000000
000
L L L L L L L L L L L L L ????????=????????
L ， dq
dQ qd
qF qD
000000
0000000000
0G G G G G --????????=????????
G ，
d d dq m
dF dD dQ m qd m
q q qF m qD m qQ Fd F F FD Dd DF D D Qq Q Q 00
0000
R L p G L p L p G G R L p G G L p L p
R L p L p L p
L p
R L p
L p R L p ωωωωω+--????+??
??+=?
?+????+?
?
Z 。 定子两个绕组的电阻是相等的，即d q s R R R ==；而运动电动势系数之间的关系为dq p q G n L =，
qd p d G n L =，qF p dF p Fd G n L n L ==，qD p dD p Dd G n L n L ==，dQ p qQ p Qq G n L n L ==，所以上式
可以写为
s d q dF dD qQ d d d s q dF dD qQ q q dF F F FD F F dD FD D D D D qQ Q Q Q Q 00
00000R L p
L L p L p L u i L R L p L L L p u i L p R L p L p u i L p
L p R L p u i L p R L p u i ωωωωω+--??????
??????+????????????+=?
?????+??????
??????+????
?
?
式中，电角速度p m n ωω=。
电磁转矩e T 为
T e p dF F q dD D q qQ Q d d q d q [()]T n L i i L i i L i i L L i i ==+-+-i Gi
第3章 直流传动控制系统
1. 晶闸管-电动机系统（V-M 系统）存在哪些问题？
答：由于采用电力电子变流器，给直流电动机控制带来一些新的问题，特别是晶闸管-电动机系统（图3-1）存在以下两个主要问题：
1）系统机械特性的变异问题（电流断续）； 2）能量回馈问题（晶闸管的单向导电性）。
图3-1 开环直流调速系统结构
I d
n
I d
a)
b)
图3-2 V-M 系统的机械特性
a) 电流连续时V-M 系统的机械特性 b ) 完整的V-M 系统机械特性
~
~
a ）整流状态
c ）运行范围
①
②
图3-3 带起重机负载的V-M 系统运行范围
2. 引入转速负反馈后，为何能改善系统性能？试分析比较开环和闭环系统，在哪些方面可以改善系统性能？
答：开环调速系统虽能实现一定范围内的无级调速，但是其额定速降很大，往往不能满足生产工艺要求。为了克服开环系统的不足，根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。由于转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。为此引入转速反馈，组成转速反馈控制的闭环直流调速系统（图3-5、图3-6）。
图3-5 转速反馈的闭环直流调速系统
图3-6 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图
比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，可以看出转速反馈闭环控制的优越性： 1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。
op c 1l n n K
??=
+
2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多。
op
c 1l K δδ=
+
3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。
c op
(1)l D K D =+
3. 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？如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变化，系统有无克服这种干扰的能力？
答：转速单闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，需增设电压放大器以及检测与反馈装置。
改变给定电压能够改变电动机的转速，因为反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。 如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比能够改变转速，因为改变反馈电压的分压比，就相当于改变了反馈系数n K ，而*
n
n n U U K n ≈=。
如果测速发电机的励磁发生了变化，系统没有克服这种干扰的能力，因为该变化不是被反馈所包围的扰动，闭环系统对此没有抑制能力，如下图所示。
I 变化
检测误差
n
4. 在转速负反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测速发电机励磁各量发生变化时，都会引起转速的变化，问系统对上述各量有无调节能力？为什么？
答：反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包围在负反馈内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。
如上图所示，在转速负反馈调速系统中，系统对电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻各量发生变化时所引起的转速变化有调节能力，而对测速发电机励磁的变化没有调节作用。
5. 有一V-M 调速系统，电动机参数为：
N 2.2kW
P =，N 220V U =，N 12.5A I =，N 1500r/min n =，电枢电阻a 1.2R =Ω，整流装置内阻rec 1.5R =Ω，触发整流环节的放大倍数s 35K =。要求系统满足调速范围20=D ，静差率10%δ<。
(1) 计算开环系统的静态速降op n ?和调速要求所允许的闭环静态速降cl n ?。 (2) 采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。 (3) 调整该系统参数，使当*
n
15V U =时，d N I I =，N n n =，则转速负反馈系数n K 应该是多少？
(4) 计算放大器所需的放大倍数。 解： (1) N N a e
N 22012.5 1.2
0.1367(V min/r)1500U I R K n --?=
==?
N op
e 12.5(1.2 1.5)246.9(r/min)0.1367
I R n K ?+?=
== N cl
15000.1
8.33(r/min)(1)20(10.1)
n s n D s ??=
==-?-
(2) 系统原理图：
+
-
静态结构框图（稳态结构图）：
(4) 闭环系统的开环放大系数op cl
246.9
1128.648.33
n K
n ?=
-=
-=? 根据闭环系统的静特性方程*
p s d
e e (1)
(1)
n
K K U RI n K K K K =
-
++，可得
放大器所需的放大倍数为
e d p *
s n (1)0.13671500(128.64) 2.712.5
11.643515
K n K RI K K U ++??++?=
==? (3) 根据p s n
e
K K K K K =
，可得转速负反馈系数为
e n p s 28.640.13670.00961(V min/r)11.6435
KK K K K ?=
==??
6. 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当I 调节器的输入偏差电压
n 0U ?=时，调节器的输出电压是多少？它取决于哪些因素？
答：用积分控制的调速系统不只靠偏差而且靠偏差的积累来控制，只要输入偏差电压n 0U ?≠，积
分控制就使得
n
d U t ??逐渐积累，因而转速就要变化；只有到n
0U
?=时，n d U t ??不再变化，转速
才稳定下来，因而是无静差的。
当输入偏差电压n
0U ?=时，积分调节器的输出电压c U 是一个定值，这个电压的大小取决于稳态转
速n （即给定电压*
n U 和转速负反馈系数n K ）、负载电流d I 、主回路电阻R 、触发整流环节的放大倍数s K 等，如下式所示：
e d e d c s s C n I R K n I R U K K Φ++==
，*
n
n
U n K =
图3-11 无静差直流调速系统稳态结构图
7. 为何要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈？在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR 和ACR 各起什么作用？
答：采用PI 调节的转速单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，由于转速单闭环系统无法对电流和转矩实施控制，因而存在起动电流的限制问题。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，转速单闭环系统就难以满足需要。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dm I 的恒流过程（图3-13）。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，即采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程，所以要在直流调速转速负反馈系统中引入电流负反馈。
图3-13 直流调速系统起动过程的电流和转速波形
在转速、电流双闭环直流调速系统中，ASR 和ACR 的分别作用为： 1）转速调节器ASR 的作用：
① ASR 是调速系统的主导调节器，它使转速n 很快地跟随给定电压*
n U 的变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI 调节器，则可实现无静差。
② 对负载变化起抗扰作用。
③ 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 2）电流调节器ACR 的作用：
① 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压*
i U （即外环调节器的输出量）变化。
② 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
③ 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
④ 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
电力牵引传动系统
.. . … 目录 1. 概述 (1) 1.1 电力牵引的特点 (1) 2. 电力机车的传动方式 (2) 2.1 直-直流传动 (2) 2.2 交-直流传动 (3) 2.3 直-交流传动 (3) 2.4 交-直-交流传动 (3) 3. 我国机车电传动技术的发展与现状 (4) 3.1 交-直传动技术的发展 (4) 3.2 交流传动技术的发展 (5) 4. 动车组的牵引传动系统的现状 (6) 5. 电力牵引传动系统网侧原理图 (8)
1.概述 1.1电力牵引的特点 电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面： 1、电力机车的功率大 燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）燃机车的牵引能力。由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极提高了线路的通过能力和输送能力。 2、电力机车的效率高 由于电力牵引所需的电能是由发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比燃牵引高得多。由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。而燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。 3、电力机车的过载能力强 机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。 4、电力机车的运营费用较低
国内外电力牵引传动与控制技术的现状与发展
国内外电力牵引传动与控制技术的现状与发展 交通设备1003班叶文斌宋文强卢志文康杨 摘要： 始于上世纪70年代初的交流电传动技术已经从晶闸管技术发展到GTO技术。交流电传动技术的不断成熟，使其真正成为所有新机车动车的标准。在最近几年中实现了IGBT取代GTO晶闸管的重要技术转型。作为最新进步，该技术转型现在还涵盖了大功率应用范围。德国铁路公司新型的BR189 四电流制电力机车最早将该项革新技术应用于极限功率范围。我国电力牵引技术在不断引进和消化吸收国外先进技术的同时，自主创新，也取得了长足的进步。 关键词：电力牵引传动晶闸管 GTO技术 IGBT技术 IGCT技术直直传动交 直传动交直交传动 Abstract: Starting at beginning of the seventies of the last century the three-phase ac drive technology was developed from Thyristor Technology to GTO technology .With its high maturity three-phase ac drive technology has become the standard for practically all new vehicles .During the last years the replacement of GTO-Thyristors by IGBTs (insulated gate bipolar transistor) was carried out as another important technology change. Now as the last step this technology change also covers the high power applications. The new class 189 four-systems locomotive of German Rail (DB AG) forms the leading application for this innovation in the high power range. Electric traction technologies in China continue to introduce and absorb advanced foreign technology, independent innovation, have also made great progress. Key words:Electric traction drive thyristor GTO technology IGBT technology IGCT technology DC-DC drive technology AC-DC drive technology AC-DC-AC drive technology 引言 铁道牵引电传动技术是牵引动力设备的核心技术，其发展目标一直是致力于改善机车牵引和电制动性能，提高运用可靠性和能源的有效利用率，减少对环境的影响，降低运营成本，更好地满足铁路运输市场的需求。自上世纪50年代末，我国第1台干线电力机车问世至今，我国机车电传动技术随着电力电子和功率电力电子器件技术的发展和应用，经历了从第1代SS 1型电力机车的低压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第2代的SS3型电力机车调压开关分级与级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，再到第3代的SS4～SS9型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速技术，直到全新一代的“和谐”型交流传动机车的跨越式发展历程。电传动技术与功率电力电子器件技术紧密相关。一代功率电力电子器件，产生一代牵引设备。只有在GTO、IGBT等全控型大功率电力电子器件及先进的控制技术出现后，才真正确立了现代交流传动技术的优势，使机车电传动技术发生了根本变革，由直流传动向交流传动转变。 国外技术发展 现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器件不断问世为交流传动奠定
电力传动控制系统——运动控制系统
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论文
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。 120o
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?=+=+???=+=+?? ? =+=+?? a a a r a r a b b b r b r b c c c r c r 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? =+=+?? ? =+=+?? ? =+=+?? /du dt 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 ， 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：为定子和转子相电压的瞬时值； 为定子和转子相电流的瞬时值； 为定子和转子相磁链的瞬时值； 为定子和转子电阻。 将定子和转子电压方程写成矩阵形式： 120o θ,,,,,A B C a b c u u u u u u ,,,,,A B C a b c i i i i i i ,,,,,A B C a b c ψψψψψψ,s r R R
电力牵引传动系统
目录 1. 概述 (1) 1.1 电力牵引的特点 (1) 2. 电力机车的传动方式 (2) 2.1 直-直流传动 (2) 2.2 交-直流传动 (3) 2.3 直-交流传动 (3) 2.4 交-直-交流传动 (4) 3. 我国机车电传动技术的发展与现状 (4) 3.1 交-直传动技术的发展 (4) 3.2 交流传动技术的发展 (5) 4. 动车组的牵引传动系统的现状 (6) 5. 电力牵引传动系统网侧原理图 (8)
1.概述 1.1电力牵引的特点 电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列内燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面： 1、电力机车的功率大 内燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）内燃机车的牵引能力。由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极大地提高了线路的通过能力和输送能力。 2、电力机车的效率高 由于电力牵引所需的电能是由发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比内燃牵引高得多。由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。而内燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。 3、电力机车的过载能力强 机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为内燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。 4、电力机车的运营费用较低 （1）功率大、起动快、运行速度高、过载能力强、可以多拉快跑； （2）整备距离长、适合于长交路，提高了机车的利用率； （3）检修周期长、日常维护保养工作量也小。 一般情况下，电力牵引的运营费用比内燃牵引要低15%左右。 此外，由于电力机车运行过程中不污染环境，对于大型铁路枢纽站及隧道长
(完整word版)电气传动与调速系统
电气传动与调速系统课程总复习2011.7 一、教材信息： 《机电传动控制》，邓星钟主编，华中科技大学出版社 二、考试题型 客观题（单项选择、判断题） 主观题（填空、简答、分析和计算） 三、总的复习题 一、选择题 1、电动机所产生的转矩在任何情况下，总是由轴上的负载转矩和_________之和所平衡。 （ D ）A．静态转矩B．加速转矩C．减速转矩D．动态转矩 2、机电传动系统稳定工作时中如果T M>T L，电动机旋转方向与T M相同，转速将产生的变化是。（ B ）A．减速B．加速 C．匀速D．停止 3、机电传动系统中如果T M 2014—2015 学年第二学期期末考试 课程名称：电力传动控制系统 开 卷 B 卷 120分钟 一、选择题（共20分，每题2分） 1、直流P W M 变换器—电动机系统与晶闸管—电动机系统相比， B 。 A 、前者调速范围宽但谐波大 B 、前者调速范围宽且谐波少 C 、后者调整范围宽但谐波大 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 。 A 、越小 B 、越大 C 、不变 3、在可逆直流调速系统当中，抑制瞬时脉动环流的措施为 A 。 A 、采用均衡电抗器 B 、采用平波电抗器 C 、采用α=β配合控制 4、带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 、保持原先的值不变 5、无静差调速系统的PI 调节器中P 部份的作用是 B 。 A 、消除稳态误差 B 、加快动态响应 C 、既消除稳态误差又加快动态响应 6、转速、电流双闭环调速系统中，在恒流升速阶段时，两个调节器的状态是 A 。 A 、ASR 饱和、ACR 不饱和 B 、ACR 饱和、ASR 不饱和 C 、ASR 和ACR 都饱和 7、控制系统能够正常运行的首要条件是 B 。 A 、准确性 B 、稳定性 C 、快速性 8、在直流电机调速系统中，系统无法抑制 B 的扰动。 A 、电网电压 B 、电机励磁电压变化 C 、运算放大器参数变化 9、α=β配合控制双闭环可逆直流调速系统制动过程主要阶段是 C 。 A 、本组逆变阶段 B 、它组反接制动阶段 C 、它组逆变阶段 10、在转速、电流双闭环调速系统中，以下哪一项影响最大电流Idm 的设计 C 。 A 、运算放大器 B 、稳压电源 C 、 电动机允许的过载能力 二、判断题（共20分，每题2分） 1、双闭环调速系统中，给定信号* n U 不变，增加转速反馈系数α，系统稳定运行时转速反馈电压n U 不变。 （ 对 ） 2、I 型系统工程最佳参数是指参数关系选用 K=1/（2T ）或ξ=0.707。 （ 对） 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 ） 课程设计报告书 题目：电气传动自动控制系统 报告人：王宗禹 学号：1043031325 班级：2010级34班 指导教师：肖勇 完成时间：2013年7月日 同组人：王大松 秦缘 龚剑 电气信息学院专业实验中心 一．设计任务 1．设计目标： （1）系统基本功能：该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，系统在工作范围内能稳定工作 （2）已知条件： （3）稳态/动态指标:静态：s% ≤ 5% D = 3 动态：σi% ≤ 5% σn% ≤ 10% (4)期望调速性能示意说明:静差率小于5%，调速范围D=3. （5）系统电路结构示意图： 2.客观条件： （1）使用设备列表清单及主要设备功能描述： 二．系统建模（系统固有参数测定实验内容） 1.实验原理 （1）变流电源内阻Rn的测定： a.电路示意图如下： 可以等效如下： b.利用伏安法可以测出内阻R n的大小，方法是在电机静止，电枢回路外串限流电阻，固定控制信号 Uct 大小，0.5A≤Id ≤1A的条件下用伏安法测量Ud1，Id1和Ud2，Id2；利用公式可以求得Rn。 （2）电枢内阻 Ra、平波电感内阻 Rd的测定： a.电路示意图如下： b.实验方法步骤： ◆电机静止，电枢回路外串限流电阻 ◆固定控制信号Uct 大小，Id ≈1A(额定负载热效点) ◆使电枢处于三个不同位置（如上图约120o对称）进行三次测量(Ura，Urd，Id)，求 Ra ， Rd 的平均值. (3)电动机电势转速系数 Ce的测定： a.实验原理： 由公式 可以推导出Ce的测定公式： b.实验方法步骤： ◆空载启动电机并稳定运行（I d0大小基本恒定） ◆给定两个大小不同的控制信号Uct ，测量两组稳定运行时的Ud、n数据 (4)整流电源放大系数 Ks的测定： a.实验原理： Ks可以根据公式Ud0=Ks*Uct可知Ks就是以Uct为横坐标Ud0为纵坐标的如下图曲线中线性段的斜率。故可以通过公式测定Ks. 上海开放大学本科（专科起点）机械电子工程专业 《电力传动控制系统》课程教学大纲 （2013年5月30日审定） 第一部分课程的性质、目的与任务 一、课程的性质、目的与任务 本课程是专业必修课，课程学分4，课程学时数72。 课程主要阐述了自动控制理论、电力电子技术、电机与拖动基础的基础知识，讲授了电力传动自动控制系统工作原理和设计方法。 通过本课程的学习，使学生掌握电机拖动的基本方法、电力电子功率变换器及控制方法、电力传动自动控制系统的分析和设计方法，为今后从事与机电工程及其自动化有关的专业工作打下基础。 二、先修后续课程 先修课程：自动控制原理、传感器与测试基础 后续课程：机电一体化系统设计 第二部分教学内容与要求 绪论（4学时） 一、教学要求 1、了解电力传动自动控制系统的组成。 2、了解电力传动系统的历史与发展。 3、掌握电力传动自动控制系统的控制规律。 4、掌握生产机械的三种典型负载转矩特性。 5、掌握电力拖动系统稳定运行的条件。 6、理解调速系统静态指标。 7、理解多轴电力拖动系统的化简。 二、内容要点 1、电力传动自动控制系统组成及控制规律。 2、电力传动系统稳定运行的充分必要条件。 3、生产机械的三种典型负载转矩特性。 4、调速系统的静态指标。 5、多轴电力系统化简-负载力矩折算和转动惯量折算。 三、教学重点和难点 重点： 1、电力传动自动控制系统的控制规律。 2、三种典型负载转矩特性。 3、调速系统静态指标。 4、电力传动系统稳定运行的充分必要条件。 难点： 电力传动系统稳定运行的充分必要条件。 第一篇电机与拖动基础 第一章直流电机拖动基础（4学时） 一、教学要求 1、理解直流电机的工作原理。 2、理解直流电动机的基本方程和特性。 3、掌握他励直流电动机的机械特性。 4、掌握他励直流电动机的运行特性。 二、内容要点 1、直流电机的基本工作原理。 2、直流电动机的电压方程、励磁方程、转矩方程和功率方程。 3、直流电动机的转速特性和转矩特性。 4、他励直流电动机机械特性表达式和固有机械特性。 5、他励直流电动机的三种人为机械特性。 6、他励直流电动机的电动运行和起、制动特性。 7、他励直流电动机的四象限运行。 三、教学重点和难点 重点： 1、直流电动机的转速特性和转矩特性。 2、直流电动机的基本方程。 3、他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性。 4、他励直流电动机的起动和制动特性。 难点： 1、直流电动机的转速特性和转矩特性方程的应用。 2、他励直流电动机的反接制动和反馈制动。 第二章异步电机拖动基础（6学时） 一、教学要求 1、理解交流电机的旋转磁场概念。 2、理解异步电机的工作原理。 3、掌握异步电动机的功率与转矩方程。 4、掌握异步电动机的机械特性。 5、掌握异步电动机的的运行特性。 二、内容要点 1.2电力牵引传动控制系统发展现状 自20世纪80年代末90年代初至今，己有多种型号的三相交流电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组分别在德国、法国、日本、中国等众多国家的铁路线上运行。从20世纪90年代开始，铁路发达国家已不再生产交直传动电力机车和直流传动内燃机车，，而是全部采用交流传动技术。 交流传动电力机车具有如下优势[(2l0 (1)良好的牵引性能:合理的利用系统的调压、调频特性，可以实现宽范围 的平滑调速，另外调节调频特性能使机车和动车组启动时发出较大启动转矩。 (2)电网功率因数高、谐波干扰小:在交直交电力机车和动车组上，其电源 侧变流器可以采用四象限脉冲整流器，它通过PWM控制方法，可以调节电网输入电流的相位，使所取电流接近正弦波形，并能在广泛的负载范围内使机车和动车组的功率因数接近于1，这在减少对通信信号的谐波干扰方面和充分利用电网的传输功率方面都有很大的意义。另外，四象限脉冲整流器能很方便的实现牵引和再生之间的能量转换，取得显著的节能效果。 (3)牵引系统功率大、体积小、重量轻、运行可靠:由于异步牵引电动机转 速可达4000 r /min，利用了直流电动机换向器所占的空间，所以交流电动机能够做到功率大、重量轻，与带换向器的直流(脉流)电动机相比，其单位质量功率(kW/棺)是直流电动机的3倍。在列车车体提供的空间范围内，异步电动机的功率可以达到1400^-2000 kW。另外，交流电动机没有换向器和电刷装置，机车和动车组主电路系统又可以省去许多带触点电器，故障率低易于维护，进一步提高了机车和动车组运行中的可靠性。 (4)良好的牵引特性:由于交流异步电动机有较硬的机械特性，有自然防空 转的性能。三相交流异步电机对瞬时过压和过流不敏感，不存在换向器和火花问题，在启动时能在更长的时间内发出更大的转矩。特别是牵引电机控制采用矢量控制或直接转矩控制策略，可以实现大范围平滑调速，适合当代动车组高速牵引、机车重载牵引的要求。 20世纪70年代，我国许多科研单位已开始进行电力半导体变流技术和三相交流传动的研究，容量从几千瓦逐渐扩大。与此同时，铁道科学研究院与株洲电力机车研究所等也在进行交流传动机车的研制，到1996年研制成功单轴功率1000 kW的AC4000型交流传动原型机车，这是我国牵引传动由交直传动转变为 铁路运输作为我国中长距离，大运量、安全、低耗、环保、快捷的运输形式已成为交通运输体系中的重要组成部分，在国民经济中占有非常重要的地位。尤其是 电力牵引传动与控制第一章电力牵引传动与控制系统概述 一、系统组成与功用 1.①内燃机车电力传动与控制系统组成 ②电力机车电力传动与控制系统组成 2.机车理想牵引特性曲线 图1.2 牛马特性 理想特性要求：机车在运行时能经常利用其动力装置的额定功率.即：F·V=3.6η·N=const. 3.电传动装置的功用？ 图1.3 柴油机功率特性和扭矩特性 ①充分利用和发挥机车动力装置的功率； ②扩大机车牵引力F与速度V的调节范围； ③提高机车过载能力，解决列车起动问题； ④改善机车牵引控制性能。 Why要电传动：柴油机通过机械直接传动不能适应机车起动、过载、恒功等要求 二、系统分类 1.直-直电力传动系统 内燃或电力机车采用直流牵引发电机或直流电网直接向数台直流牵引电动机供电的传动方式。 特点： ①调速性能优良，系统简洁。 ②直流牵引电机造价较高，但可靠性、维护性相对较差。 ③受直流电机换向条件和机车限界、轴重等限制，主发电机单机功率受到限制。一般在2200KW以下。 ④车型：早期DF,DF2,DF3,ND1,ND2等 2.交-直电力传动系统 内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流网及变压器，通过整流器向数台直流牵引电动机供电的传动方式。 特点： ①采用三相交流同步发电机，结构简单，可靠性高，重量轻，造价较低。 ②适用于大功率机车。 ③车型：DF4，DF5，DF7，DF11，ND4，ND5，SS3-SS9等。 3.交-直-交电力传动系统 内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流电网及变压器，经整流器将交流电变换成直流，再通过逆变器将直流电变换成频率和幅值按列车运行控制要求变化的交流电，向数台交流牵引电动机供电的传动方式。 特点： ①采用交流牵引电机，彻底克服了直-直系统的不足，重量轻，造价低，可靠性及维修性好 ②良好的粘着性能 ③适用于大功率 ④控制系统复杂 ⑤车型：DF4DAC,NJ1; DJ,DJ2,DJJ1,DJ4; HX、CRH系列等 三、发展历史与现状 1.大功率（内然）机车电力传动与液力传动两种主要传动方式的演变与发展 主要趋势：电力传动 2.电力传动形式的发展：直-直→交-直→交-直-交 发展趋势：大功率、电力牵引、交流传动 电力传动自动控制系统 2019-06-16 第2章 直流电动机传动基础 直流电动机是电力传动系统的主要传动元件之一，它具有良好的起动和调速性能。直流电动机按励磁方式可分为：他励(Separately excited)、并励(Shunt)、串励(Series)、复励(Compound)(积复励、差复励)。本章主要研究直流他励电动机的运行问题，诸如机械特性及其计算；各种工作状态及其计算；调速特性及其计算等。 2.1 直流他励电动机的机械特性 在“电机学”中，注重电机的结构与原理，主要研究的是电机在进行能量转换时其内部的电磁过程；而“电力传动”，则注重的是电动机的使用，主要研究的是电机的外特性。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。 电动机的机械特性(Speed-Torque Characteristics)，是电动机产生的转矩(电磁转矩)T 与其转速n 之间的关系，即n =f (T )。 电动机的机械特性是电动机性能的主要表现，只有掌握好电动机的机械特性，才能正确选择和使用电动机。电动机的机械特性在很大程度上决定了电力传动系统的稳态运行和过渡过程的性质和特点。因而，电动机机械特性的研究是“电力传动”课程的核心内容。 2.1.1 直流他励电动机的机械特性方程式 直流他励电动机的基本接线图如图2-1所示。 电枢回路 励磁回路 图2-1 直流他励电动机的接线图 电枢回路包括电枢绕组、电刷、换向极绕组和补偿绕组(若存在的话)，其总电阻称为电枢内阻r a 。电枢回路还串有附加电阻R ad ，则电枢回路电阻总值为R a =r a +R ad 。励磁回路的电源U f 与U 无关(他励)，励磁回路包括励磁绕组，其电阻为r f ，还有附加电阻R fad 。 假设：电源电压为恒值，磁通为恒值，即励磁电流不变，认为无电枢反应，电枢回路电阻为恒值。对大多数电机，在机械特性的工作范围内，以上假设所带来的误差是不大的。 电枢回路的电压平衡方程式为： U =E +IR a (2-1) 式中： U ——电动机的电枢电压(V)； E ——电动机电枢绕组的感应电势(电枢电势)(V)； I ——电枢电流(A)； R a ——电枢回路总电阻(Ω)，R a =r a +R ad 。 直流电机的电枢电势公式为： E =C e Φn (2-2) 电气传动及控制参考资料 一、单项选择题（本大题共0分，共 120 小题，每小题 0 分） 1. 在转速负反馈单闭环有静差直流调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较负载变化前是（）了。 A. 增加 B. 不变 C. 减小 2. 如下关于转速开环恒压频比控制调速系统（通用变频器-异步电动机调速系统）论述正确的是（）。 A. 二极管整流器输出端的大电容仅仅用于滤波作用 B. 二极管整流器是全波整流装置，由于输出端有滤波电容存在，因此输入电流波形中谐波含量很低 C. 通用变频器一般用电阻来吸收制动能量 3. 比例微分的英文缩写是（）。 A. PI B. PD C. VR D. PID 4. 转速电流双闭环调速系统中的两个调速器通常方式是( )。 A. PID B. PI C. P D. PD 5. 双闭环无静差V-M调速系统中，增加UPE的增益，系统稳定后转速反馈电压（）。 A. 增加 B. 不变 C. 减小 6. 下列交流异步电动机的调速方法中，应用最广的是（） A. 降电压凋速 B. 变极对数调速 C. 变压变频调速 D. 转子串电阻调速 7. 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 8. 生产机械的负载转矩特性是（）。 A. 位能性恒转矩负载 B. 风机、泵类负载 C. 恒功率转矩负载 9. 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 10. 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 11. 限止电流冲击的最简单方法是采用（）。 A. 转速微分负反馈 B. 电流截止负反馈 C. 电压负反馈 D. 带电流正反馈的电压负反馈 12. 电动机在调速过程中，保持电枢电流不变情况下，输出转矩不变的调速称为( )。 A. 恒转矩调速 B. 恒功率调速 C. 恒压调速 13. 下列不属于交流异步电动机动态数学模型特点的是（）。 A. 高阶 B. 线性 C. 非线性 D. 强耦合 14. SPWM技术中，调制波是频率和明望波相同的（）。 A. 正玄波 B. 方波 C. 等腰三角波 D. 锯齿波 15. 在定性的分析闭环系统时，截止频率越低．则系统的稳定精度（）。 A. 越高 B. 越低 龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/7218461118.html, 变频器在电气传动自动控制中的应用 作者：王学雷董文新 来源：《城市建设理论研究》2013年第09期 摘要：从电力半导体、控制技术和主电路拓扑结构等方面综述了变频调速技术的发展历史和现状，并总结了在变频控制中的主要控制技术。 关键词：矢量控制; 交流电动机; PWM 技术; 高压变频器 中图分类号：O183 文献标识码：A 文章编号： 国内外交流变频调速技术的现状 早在国家“八五”科技攻关计划中，交流调速技术就被列为重点科技攻关项目，但是由于我国电力电子器件总体水平很低，IGBT、GTO 器件的生产虽引进了国外技术，但一直未形成规模经济效益，几乎不具备变频器新产品的独立开发能力，这在一定程度上影响了国内变频调速技术的发展。在大功率交- 交变频技术、无换向器电机等方面，国内产品在数字化及系统可靠性方面与国外水平相比，还有相当差距。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都采用普通V/F 控制，仅有少量样机采用矢量控制,品种与质量不能满足市场需要。而在国外，变频调速技术得到了充分的发展，并在各个方面取得了显著成就。在功率器件方面,高电压、大电流容量的SCR、GTO、IGBT、IGCT 器件的出现和并联、串联技术的应用，高压大功率变频器产品得到生产和推广应用。在微电子技术方面，16 位、32 位高速微处理器以及DSP 和ASIC(Application Specific IC) 技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。在理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的控制理论都为高 性能变频器的研制提供了相关理论基础。可以看出，总体上我国交流变频调速技术水平较国际先进水平有着很大差距。 交流变频调速在控制中的主要应用 交流变频调速技术在20 世纪得到了迅速发展。这与一些关键性技术的突破性进展有关，它们是交流电动机的矢量控制技术、直接转矩控制技术、PWM 技术，以及以微型计算机和大规模集成电路为基础的全数字化控制技术、自整定技术等。 1.矢量控制技术 矢量变换控制技术是西门子公司于1971 年提出的一种新的控制思想和控制理论。它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦, 达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，从而获得了优良的静、动态性能。迄今为止，矢量控制技术已经获得了长足的发展，并得到了广泛的应用。 电力电子与电力传动学科硕士研究生培养方案 电力电子与电力传动学科硕士研究生培养方案 本学科是电气工程一级学科下的二级学科，是一个既涉及传统电气技术，又会聚了现代电力电子技术、信息与控制技术的工程应用学科。特点是综合了强电与弱电、电力与电子、硬件与软件、测量与控制等多学科的知识，实现对供配电系统、电力拖动系统及机电自动化设备与生产线的供电、驱动与控制及深层次的理论研究。 本学科与电子科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、仪器科学与技术、电路与系统等学科相互交叉，紧密联系，理论深入而又工程性强。近年来发展势头良好，社会对此方面的高级技术人才有很好的需求。 一、培养目标 本学科硕士学位培养过程中以电力电子、电机拖动及控制、供配电技术与测量传感及工程控制为核心，硕士学位获得者应掌握电力电子与电力传动科学的基础理论与技术，并掌握电子科学、计算机科学及信息科学的一般理论与技术，具有从事电力拖动与控制系统、供电系统和电子信息系统科学以及相关领域的研究开发及教学工作能力，有严谨求学的学风和高尚的职业道德，熟练掌握一门外语。 二、研究方向 01机电伺服驱动及控制技术 02电力传动控制与变流技术 03电力电子智能功率驱动及控制 04电力系统自动化 05电力电子与电力传动系统 06电能质量与控制 三、培养方式和学习年限 全日制硕士研究生学习年限一般为两年半至三年；在职硕士研究生学习年限一般为三年半至四年；提前完成硕士学业者，可提前半年毕业；若因客观原因不能按时完成学业者，可申请适当延长学习年限，延长时间不得超过半年。 四、学分与课程学习基本要求 总学分要求不低于26学分，其中课程总学分不低于24个学分，必修环节不低于2学分。课程学分要求中，学位课不低于15学分，其中所有公共基础课必修（皆为校统考课程），基础课至少选修一门。 学位课可以代替非学位课，但非学位课不能代替学位课。对于跨学科专业或同等学力录取的硕士生须补相应专业本科核心课程至少3门，但不计学分。 五、课程设置（详见课程设置表） 六、必修环节（参见第98页） 七、学位论文（参见第98页） ·1· 电力传动自动控制系统练习题 (电力拖动部分) 哈尔滨工业大学 第1章 电力传动系统基础 一、选择题 1. 电力拖动系统运动方程式中的GD 2反映了（ ）。 A 旋转体的重量和直径平方的乘积，它没有任何物理意义 B 系统机械惯性的一个整体物理量 C 系统储能的大小，它不是一个整体物理量 D 以上三种都对 2. 恒功率负载的特点是（ ）。 A 负载转矩与转速的乘积为一常数 B 负载转矩与转速成反比变化 C 恒功率负载特性是一条双曲线 D 以上都对 3. 反抗性恒转矩负载特性是位于第（ ）象限的竖直线。 A 1、2 B 1、3 C 1、4 D 2、4 4. 位能性恒转矩负载特性是位于第（ ）象限的竖直线。 A 1、2 B 1、3 C 1、4 D 2、4 二、填空题 1. 电力拖动系统的电磁转矩和负载转矩分别用L em T T 、表示，当（ ）时系统处于加速运行状态，当（ ）时系统处于减速运行状态。 2. 选定电动机转速n 的方向为正，若电磁转矩0>em T ，则em T 的方向与n 的方向（ ），若负载转矩0>L T ，则L T 的方向与n 的方向（ ）。 3. 选定电动机转速n 的方向为正，若电磁转矩0 第（ ）象限。 6. 位能性恒转矩负载是指负载转矩的大小恒定不变，其方向与转速的方向（ ），其负载转矩特性位于 第（ ）象限。 7. 电动机的运动方程式为：dt dn GD T T L em 3752=-，式中，GD 2称为旋转系统的（ ），dt dn GD 3752称为系统的（ ）。 三、简答题 1. 简述恒转矩负载特性、恒功率负载特性、泵与风机负载特性的特点。 2. 什么是电力拖动？电力拖动系统主要由哪些部分组成。 3. 什么是电力拖动系统运动方程式？动态转矩与系统运动状态有何关系？ 4. 负载转矩的折算原则是什么？负载飞轮矩的折算原则是什么？ 5. 在工作机构为旋转运动、平移运动和升降运动的情况下其负载转矩的折算有何异同？ 6. 在工作机构为旋转运动、平移运动和升降运动的情况下其飞轮矩的折算有何异同？ 四、计算题 1. 已知某电动机的额定转矩T N 为320N·m ，额定转速为n N =1000r/min ，拖动系统的总飞轮矩GD 2=75 N·m 2， 负载为恒定转矩，T L =0.82T N 。求：(1)如果电动机的转速从零起动至n N 的起动时间为0.88s ，起动时若电动机保持电磁转矩不变，则该电磁转矩为多少？(2)如果电动机拖动的负载不变，转速由n N 制动到停止时的时间为0.33s ，制动时若电动机保持电磁转矩不变，则其电磁转矩为多少？ 2. 已知某拖动系统的负载转矩T L 为280N·m 、飞轮矩为GD L 2=620 N·m 2，系统中减速机构的传动比为i=4.8，减速 机构折算到电动机轴上的飞轮矩与电动机转子的飞轮矩之和GD dj 2=620 N·m 2，求电动机电磁转矩为240N·m 时，电动机轴及负载轴在起动时的机械角速度；若起动时保持电动机电磁转矩240N·m 不变，当起动时间为2.2s ，电动机的转速为多少？ 3. 某刨床的传动机构如图所示。电动机转子的飞轮矩GD d 2=245 N·m 2，电动机轴直接与齿轮1相连，经过齿轮2~8， 再与工作台G 1的齿条啮合。由齿轮1至8的传动比i 1、i 2、i 3、i 4分别为3.0、2.8、2.4、2.0，其中GD 2分别是10、24、18、26、20、32、22、40 N·m 2，切削力F q =8250N ，切削速度v g =46m/min ，传动效率η=0.72，齿轮8的节距t=24mm ，齿数z 为84，工作台的重量1450kg ，工件的重量850kg ，工作台与导轨的摩擦系数μ=0.1。请计算：(1)折算到电动机上的负载转矩；(2)切削时电动机输出的功率；(3)电动机轴上的总飞轮矩GD 2。电力传动电力拖动控制系统B卷附参考答案
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