《电力拖动自动控制系统》第三版陈伯时详解
电力拖动自动控制系统(第三版)_陈伯时_习题答案(全部)之欧阳家百创编
第一章：闭环控制的直流调速系统00000欧阳家百（2021.03.07）1-1 为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM系统与V-M系统相比，在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电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，可达1：10000左右；（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）功率开关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；1-2 试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的。
答：如图P13，1-17，制动状态时，先减小控制电压，使U g1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压U d 降低。
但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成E ＞U d ，很快使电流i d 反向，VD 2截止，在t on ≤t ＜T 时，U g2变正，于是VT 2导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗制动作用。
在T≤t ＜T+t on (即下一周期的0≤t ＜T on )时，VT 2关断，-i d 沿回路4经VD 1续流，向电源回馈制动，与此同时，VD 1两端压降钳住VT 1使它不能导通。
在制动状态中，VT 2和VD 1轮流导通，而VT 1始终是关断的。
有一种特殊状态，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT 1关断后i d 经VD 2续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD 2两端电压也降为零，VT 2便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。
1-3 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差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和最低转速之比叫做调速范围，用字母D 表示,即：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Δn N 与理想空载转速n 0之比，称作静差率s ，即0n n s N∆=。
电力拖动自动控制系统课件陈伯时PPT课件
• 工程设计时以最低速特性所对应的静差率为依据。 ➢ 此时为电动机最困难的工作条件； ➢ 在低速时的静差率能满足要求，在高速时的静差率也能满足要求。
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• 调速范围和静差率两项指标并不是孤立的，必须同时考虑才有意义。
➢一个调速系统的调速范围是指在最低转速时（额 定负载下）还能满足静差率要求的转速可调范围；
测量值
A1 A2 … A3
B1 B2 … B3
综合自动化电力拖动系统
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七 调速的分类和指标
基本概念 • 调速——按照一定的工艺要求，调节电动机的
转速。 • 稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，
在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保 产品质量； • 加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减 速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变 化的机械则要求起制动尽量平稳。
❖ 全面、深入； ❖ 交直流并重； ❖ 以控制规律为主线，由简入繁。
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四 学习重点
•理 论 技 能 直流调速系统（第1、2章） 交流调速系统（第5、6、7章） •实 验 技 能 双闭环直流调速系统的调试与机械特性的测试
*应用自动控制理论解决电力拖动系统的分析和设计问题， 以控制规律为主线，由简入繁，讨论拖动系统的动、静态性能。
• 以节能为目的的改恒速为调速 • 以少维护、安全为目的取代直流调速系统 • 直流调速难以实现的领域
➢大电流（电机本体的限制） ➢高转速（电机本体的限制） ➢恶劣环境（电机本体的限制） ➢要求长期运转（电机本体的限制）
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六 电力拖动系统的构成和分类
• 组成 电力拖动系统一般由电源、控制装置、电动机、传动机械和生产机械五部分组成。 （开环结构）
电力拖动自动控制系统(第三版)(陈伯时)主编大学
电力拖动自动控制系统（第三版）（陈伯时）主编大学引言电力拖动自动控制系统在现代工业中起着至关重要的作用，它能够有效地控制和操作各种电动设备，减轻人工劳动强度，提高工作效率和安全性。
本文档将介绍《电力拖动自动控制系统》第三版，该版本由陈伯时主编，涵盖了大学教学的相关内容。
1. 拖动系统的基本原理1.1 拖动系统的定义拖动系统是指通过电动机、传动装置和控制装置来实现对机械装置或工业设备的控制和操作。
它可实现运动的平稳性、快速性和精准性，广泛应用于工业生产中。
1.2 拖动系统的组成拖动系统主要由电动机、传动机构和控制系统三部分组成。
电动机提供动力，传动机构将电动机的转速和转矩传递给被控对象，控制系统负责控制和调节拖动系统的运行。
2. 电动机的选择与控制2.1 电动机的分类根据拖动系统的要求，电动机可以分为直流电动机和交流电动机两种。
直流电动机具有调速范围广、起动转矩大等优点，交流电动机具有结构简单、可靠性高等特点。
2.2 电动机的控制电动机的控制包括起动、制动、调速和定位等方面。
常用的电动机控制方法有电压、电流和频率控制法，通过改变电机终端电压、电流和频率来实现电动机的控制和调节。
3. 传动装置的选择与设计3.1 传动装置的分类传动装置主要分为机械传动和液压传动两种。
机械传动包括齿轮传动、皮带传动和链传动等，液压传动则利用液压系统将液压压力转化为机械能传递。
3.2 传动装置的设计原则传动装置的设计应考虑到传动效率、传动可靠性和传动误差等因素，合理选择传动比和传动元件，以实现拖动系统的高效运行。
4. 拖动系统的控制策略4.1 开环控制开环控制是一种基本的控制策略，通过设定输入信号来控制输出信号，但无法对输出信号进行实时调节和修正。
它适用于一些简单的拖动系统。
4.2 闭环控制闭环控制是一种反馈控制策略，通过监测和比较输出信号和参考信号的差异，实现实时调节和修正。
它适用于复杂的拖动系统，能够提高控制的稳定性和精确性。
电力拖动自动控制系统_(第三版)_陈伯时
1-17在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？并说明理由。
答：转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响，因为系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度， 。例如，若给定应为15V～1500转；当给定发生错误为13V时，转速n不为1500转。当反馈检测环节的精度不准时，即α有误差时，转速n也不为1500转。
1-4某一调速系统，测得的最高转速特性为 ，最低转速特性为 ，带额定负载时的速度降落 ，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：思路一：
系统能够达到的调速范围为：
系统允许的静差率：
思路二：
系统允许的静差率：
系统能够达到的调速围为：
1-5某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min，要求系统的静差率 ，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倍数应有多大？
（1）系统开环工作时，试计算调速范围 时的静差率s值。
（2）当 ， 时，计算系统允许的稳态速降。
（3）如组成转速负反馈有静差调速系统，要求 ， ，在 时 ， ，计算转速负反馈系数 和放大器放大系数 。
（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求在 时， ， ，并保持系统原来的开环放大系数 不变，试求在 时的静差率。
②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。
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。
（3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比会改变转速，因为反馈信号与给定信号的比较值发生了变化，破坏了原先的平衡，调速系统就要继续动作，使反馈信号与给定信号达到新的平衡为止。
电力拖动自动控制系统(第3版)(陈伯时)第18讲.
其中，Pm(1- s)项随s的变化和串级调速时一样，而 所串电阻越大时，pCus越大，∑p也越大，因而效率 R越低，几乎是随着转速的降低而成比例地减少。
效率的比较
串级调速系统的总 效率是比较高的， 且当电动机转速降 低时，sch的减少 并不多。 而绕线转子异步电 动机转子回路串电 阻调速时的效率几 乎随转速的降低而 成比例地减少。
整流器和逆变器容量
选择主要依据其电流与电压的定额。 电流定额决定于异步电动机转子的额定电 流和所拖动的负载IrN； 电压定额则决定于异步电动机转子的额定 相电压（即转子开路电动势Er0）和系统的 调速范围D。这里，
D nsyn n0 min
其中，n0min是调速系统的最低转速，对应于最大 理想空载转差率s0max，由式（7-7）可得
（7-30）
式中 n0 —不同占空比时的理想空载转速； nsyn—异步电动机的同步转速。
2．系统的功率因数
在斩波控制时， 逆变角设定为 min， 则逆变器从电网吸 收的无功功率可减 到最小程度。图716绘出了带恒转 矩负载的斩波控制 串级调速系统在不 同转差率下的功率 因数。
斩波控制串 级调速系统
常规串级调 速系统
图7-16 两种串级调速系统的功率因数比较
*7.4.4 串级调速装置的电压和容量 串级调速装置是指整个串级调速系统 中除异步电动机以外为实现串级调速而附 加的所有功率部件，包括转子整流器、逆 变器和逆变变压器。从经济角度出发，必 须正确合理地选择这些附加设备的电压和 容量，以提高整个调速系统的性能价格比。
系统比较
图7－17所示的系统与直流不可逆双闭环 调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流 的作用。 所不同的是它的控制作用都是通过异步电 动机转子回路实现的。
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-2-3直流拖动控制系统
n
2U 2
cos[sin(
6
)
sin(
6
)ectg
]
Ce (1 ectg )
(1-10)
Id
3 2U2
2R
[cos(
6
) cos(
6
)
Ce n]
2U 2
式中 arctg L ； — 一个电流脉波的导通角。
R
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
21
（3）电流断续机械特性计算
当阻抗角 值已知时，对于不同的控制 角 ，可用数值解法求出一族电流断续时的
1
LP
VT
T
c1
2
c2
L
b1 a1
b2 M
a2
并联多重联结的12脉波整流电路
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
17
1.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性
当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为
n
1 Ce
(U d0
Id R)
1 Ce
m ( π Um
sin
π m
cos
Id R)
（1-9）
式中 Ce = KeN —电机在额定磁通下的电动势系数。 式（1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第1.2.1节
R— 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
8
对ud0进行积分，即得理想空载整流电 压平均值Ud0 。
用触发脉冲的相位角 控制整流电压的平 均值Ud0是晶闸管整流器的特点。
Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电
路的形式而异，对于一般的全控整流电路，
第4讲《电力拖动自动控制系统》第三版陈伯时资料重点
R1 RaR2 R1 Ra 2来自Rm1Rm 2
Ra
m1
Rm Rm1 Ra m
m Rm
Ra
lg Rm m Ra
lg
R1 R1 Ra ( 1)Ra
RΩ2 R2 R1 ( 2 )Ra RΩ1
RΩm1
Rm1
Rm2
RΩm2
m2
RΩ1
RΩm
Rm
Rm1
RΩm1
R m1 Ω1
在减速过程中，各个参数变化如下：
nA
感应电动势Ea
CenA
电枢电流Ia
(U
Ea ) Ra
转矩T
CT Ia
直到T TZ 2时，电动机不再减速，达到了一个新的稳态（B点）。
两种特性曲线有交点仅是稳定运行的必要条件。稳定运行 的充分条件是：如果电力拖动系统原在交点处稳定运行，由于 出现某种干扰作用（如电网电压波动、负载转矩的微小变化 等），使原来两种特性的平衡变成不平衡，电动机转速便稍有 变化，这时，当干扰消除后，拖动系统必须有能力使转速恢复 到原来交点处的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合 条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。
3）电机由 c点加速到 d点时，再切除电阻 R1，机械特性变成固有特 性n0gfe， 同理Ia ，转矩T1 ，加速度逐步增大，直 到转速n达到稳定转速 ng， 此时，电机稳定运转， 转矩T Tz，起动过程结束。
串电阻分级起动时，最好保证每一级的电流I1（T1）相等, 每一级的I2（T2）相等，这样起动就会很平稳！
在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载 转矩等可能会突然变化，但由于惯性，这些变化却不能导致电动机 的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的 过程，从而引起了相应的过渡过程 ！
电力拖动自动控制系统(第3版)陈伯时答案解析全解
第一章：闭环控制的直流调速系统1-1 为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM系统与V-M系统相比，在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电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，可达1：10000左右；（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）功率开关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；1-2 试分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时，两个VT是如何工作的。
答：如图P13，1-17，制动状态时，先减小控制电压，使U g1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压U d降低。
但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成E＞U d，很快使电流i d反向，VD2截止，在t on≤t＜T 时，U g2变正，于是VT2导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗制动作用。
在T ≤t＜T+t on(即下一周期的0≤t＜T on)时，VT2关断，-i d沿回路4经VD1续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。
在制动状态中，VT 2和VD 1轮流导通，而VT 1始终是关断的。
有一种特殊状态，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT 1关断后i d 经VD 2续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD 2两端电压也降为零，VT 2便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。
1-3 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差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和最低转速之比叫做调速范围，用字母D 表示,即：m in m axn n D =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Δn N 与理想空载转速n 0之比，称作静差率s ，即0n n s N∆=。
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计算旋转物体的转动惯量分两种情况：
1.旋转轴通过该物体的重心
k
J ri2 mi i 1
mi 该物体某个组成部分的质量； ri－－该部分mi的重心到旋转轴的距离。
对于质量连续分布的物体用相应的定积分计算如下
J r2dm V
2.旋转轴为不通过该物体重心的任意轴时，该物体的 转动惯量是它围绕着不通过其重心的任意轴旋转的转 动惯量（J）与它围绕穿过自身重心且平行于该任意轴 线旋转的转动惯量（J’）之和。
闭环控制的直流调速系统
转速、电流双闭环直流调速 系统和调节器的工程设计方法
注：教材1为顾绳谷教授主编《电机及拖动基础》下册 教材2为陈伯时教授主编《电力拖动自动控制系统》
第二篇 交流拖动控制系统
绪论2
（教材1）
第6章
（教材2）
异步电机及其拖动
笼型异步电动机变压变频调速 系统（VVVF系统）
第7章 绕线转子异步电机双馈调速系统 ---转差功率馈送型调速系统
概况
电机拖动的发展：
直流拖动---无耦合、调速性能好，但是结构复杂、难维护、
价格昂贵、转动惯量大等
交流拖动---强耦合、调速性能差，但是结构简单、易维护、价格
便宜、转动惯量小等
直流拖动
电力电子技术 和 控制技术的发展
交流拖动---基本无耦合、调速性能好等
性质与任务
性质：是电气工程及其自动化专业的专 业基础课；
T
Tz
GD 2 375
dn dt
（3）
式中，GD 2称为飞轮惯量（ N m2），GD 2 4gJ
由式（3）可知电机的各种运动状态：
1、当 T Tz 2、当 T Tz
3、当 T Tz
dn 0 dt
dn 0 dt dn 0 dt
电动机静止或等速旋转，电力拖动 系统处于稳定运转状态下。 电力拖动系统处于加速状态
概况
电能是现代大量应用的一种能量形式。 电能的生产、变换、传输、分配、使用
和控制等，都必须利用电机量转换还是控制电 机的信号变换，都是通过电磁感应作用 而实现的。
概况
电机的发展可以分成三个时期： 1.直流电机的产生和形成； 2.交流电机的形成； 3.电机理论、设计和制造工艺逐步达到 完善；
第8章 同步电动机变压变频调速系统
电力拖动系统的动力学基础
1.了解电力拖动基本概念； 2.熟悉电力拖动系统运动方程式； 3.掌握拖动转矩和负载转矩的概念。 重点： 运动方程式和负载转矩。
第一节 电力拖动系统的运动方程式
电力拖动装置常包含电动机、工作机构、控制设备 及电源等四个组成部分。
8）圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的轴线且距离 圆杆一端的距离为d
J m (4L2 3r 2 12dL 12d 2 ) 12
J J mL2
J J 'mL2
根据以上方法，可以推导出几 种常见的旋转物体转动惯量的计算 方法如下：
1）以ρ为半径，以O为旋转轴线，质量为 m的旋转小球（小球自身的半径与ρ相比 充分小）的转动惯量：
J m2
2）圆环柱体
J
m 2
(12
2 2
)
3）圆柱体自身的中轴线O为旋转轴线
J m 2 2
电力拖动系统处于减速状态
二、运动方程式中转矩的正负符号分析
运动方程式的一般形式
T
(Tz )
GD 2 375
dn dt
规定某个转动方向为正方向，则转矩T 正向取正，反向取负；阻 转矩Tz 正向取负，反向取正。
三、各种形状旋转体转动惯量的计算
近年来，随着制造业自动化程度的提高，各种各样 的机器人越来越广泛地应用于生产第一线。这一类生产 机械的转动惯量是机器人控制系统中的重要参数，因此， 需要计算各种形状旋转体的转动惯量。
4）长度为L，宽度为d，质量为m的长方体 J m (L2 d 2 ) 12
如果宽度d与长度L相比充分小, 则为 J m L2 12
5）长方体的质量为m，以O为旋转轴线
J
m 3
(12
2 2
12 )
6）旋转圆锥体 J 0.3mr2
7）圆柱体（圆杆），转轴垂直于圆杆的轴线且穿过它的重心
J m (L2 3r 2 ) 12
任务：掌握交、直流电机拖动的工作原 理（教材1）以及交、直流电机调速控制 系统的分析与设计等（教材2）。
注：教材1为顾绳谷教授主编《电机及拖动基础》下册 教材2为陈伯时教授主编《电力拖动自动控制系统》
第一篇 直流拖动控制系统
绪论1
（教材1）
第1章
（教材2）
第2章
（教材2）
电力拖动系统的动力学基础 直流电机及其拖动
《电机拖动与控制技术》
电气工程系
郑诗程
2014.02
电机在国民经济中的应用
电机是完成多种能量形式转换的有效 工具，而电能又是最容易实现传输、变换
的能量形式，可以说，如果没有电机就没 有现代工业，下面就电能的产生、传输和
利用等多个方面来说明电机在国民经济中 的作用。
一个完整的发电、传输、用电系统
葛洲坝水利枢纽工程
一、运动方程式
由牛顿运动定律，可得
对于直线运动
F
Fz
m
dv dt
（1）
对于旋转运动
T
Tz
J
d dt
（2）
T : 拖动转矩； TZ :阻转矩或负载转矩； J d ：惯性转矩或加速转矩 。
dt
式中 m与G——旋转部分的质量（kg）与重量（N）
ρ 与D——惯性半径与直径（m）
可推出常用的运动方程式如下
电动自行车？
拖动？ 电力拖动？
在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴（因为电动机速度 较快而工作机构速度一般较慢！），而在二者之间有传动机构，它 把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的 工作机构 。
电机传动机构
斜齿轮减速电机
采用电力拖动主要原因
现代化生产中，多数生产机械都采用 电力拖动，主要原因是 ： 1. 电能的运输、分配、控制方便经济。 2. 电动机的种类和规格很多，它们具有 各种各样的特性，能很好的满足大多数 生产机械的不同要求。 3. 电力拖动系统的操作和控制简便，可 以实现自动控制和远距离操作等等。
概况
对电机的要求由 性能良好、运行可靠、单位容量的重
量轻、体积小（旋转电机）等发展到 高精度、快响应的（控制电机），如
今控制电机已经成为一个非常重要的分 支。
概况
电力拖动控制系统最初是继电器－接触 器型的，属于有触点、断续型控制系统， 也称为继电器－接触器自动控制系统。
电力拖动控制系统现在是无触点、连续 型控制系统（采用功率器件）。
三峡电站
三峡水力发电机组
三峡电站的水轮发电机－当时全球最大的水轮发电机
全国最大的火力发电厂江苏谏壁发电站
火力发电机组
丹麦生产的风力发电机组
大型电力变压器
配电变压器
电路板上所使用的低压变换变压器
手机震动电机
直流电机
直流电机模型
直流电机模型
电动自行车所用的无刷直流电机
交流异步电机