2025年机电运动控制系统离线作业选.doc

浙江大學遠程教育學院
《机電运動控制系统》課程作业（选做）

1. 晶闸管可控整流器供電直流電机调压调速的机械特性有何特點? 画出三相半波可控整流器供電直流電机机械特性并阐明之。
答:
与直流发電机-電動机组机械特性相比, 不壹样之处是:
(1) 分電流持续与電流断续二個区域;
(2) 電流持续区因可控整流器内阻大 (尤其有换流重迭压降引入的等效電阻) 而使机械特性软； 電流断续区则因電流不持续致使机械特性更软而無法负载工作。
三相半波可控整流器供電直流電机机械特性如图所示:
時，整流器工作在整流状态，電机工作在電動状态；
時，整流器工作在逆变状态，電机工作在制動状态。

2. 可控整流器供電直流電机调速系统主回路中為何要釆用平波電抗器?其電感量应按什么规定来设计?
答:
由于可控整流器供電直流電机调速系统负载轻時電流断续, 机械特性软, 调速特性差，無静差度可言。
处理措施：串接平波電抗器L，增大晶闸管导通角以使電流持续。
平波電抗器電感量计算原则是: 能保证轻载下最小電流

時電流仍持续。
壹般规律是Idmin越小，规定平波電抗器電感量越大。

3. 在转速、電流双闭环调速系统中，出現電网電压波動与负载扰動時，各是哪個调整器在起重要调整作用？
答：
(1) 電网電压波動：影响整流電压Ud ，整流電流Id，反应到控制信号即ufi，它從電流环介入，故電流调整器起重要作用。
(2)负载扰動：负载TL的变化将影响转矩平衡关系，继而影响转速ωr，n，反应到控制信号即ufn，它從速度环介入，故速度调整器起重要作用

4. 双闭环调速系统稳态运行時，两個PI调整器的输入偏差(給定与反馈之差)是多少？它們的输出電压应對应于何种状态的值？為何？
答：
(1) 根据PI调整器的特性，稳态時能实現無差调整，使反馈等于給定，即： △un＝ 0 或△ui＝ 0 ，两個PI调整器的输入偏差為零。
(2) 它們的输出電压应對应于第壹次進入△un＝ 0 或△ui＝ 0 時的输出状态值(如 un， ui，α，Ud，Id，T )。這是由于PI调整器有积分、记忆功能，對過去出現過的误差信号有记忆作用。
當 時， ，调整器输入為零，但由于PI调整器的积分作用，對過去出現過的误差有记忆，则积分输出不為零，维持第壹次出現時 的输出值
，進而维持 （無差）

5. 反并联時為何會出現环流？限制环流有哪些有效措施？各有什么特點？
答：
两桥反并联且同步整流時, 产生的整流電压 會不經直流電机而顺串短路，因無電阻限流，會形成巨大环流。
限制环流的有效措施(對策)是:
(1) 规定直流電压：
l 极性互顶：壹桥整流、壹桥逆变。 如图所示

l 大小相等 ， 即

這样可以消除平均环流, 由于

① 平均环流 整流平均電压 ，消除了平均环流

但不能消除瞬吋环流, 由于：
② 瞬時环流 壹桥整流、壹桥逆变時整流平均電压相等，但瞬時電压波形不壹样，瞬時電压差将引起瞬時环流，控制上规定必须同步控制平均及瞬時环流。
因此环流控制方略有:
（1）有环流系统
l 原则： 無平均环流，限制瞬時环流
l 做法：
l 壹桥整流、壹桥逆变， ；

l 電抗器L、L，（非平波電抗器L）限制瞬時环流
（2）無环流系统
l 原则：壹桥工作（整流或逆变），壹桥封锁（不工作）
l 采用逻辑電路保证两桥切换的安全——逻辑無环流晶闸管直流電机可逆调速系统

6. 為何脉宽调制(PWM)型直流调速系统比晶闸管型直流调速系统能获得更好的動态特性?
答:
可控整流器-直流電動机调速系统釆用開关速度慢(300Hz)的晶闸管作開关元件, 使换流死区(晶闸管不立即响应触发信号的時间)平均為3.33 – 6.66mS. 而脉宽调制(PWM)型直流调速系统釆用自关断器件(GTR, IGBT, MOSFET等), 其開关频率在几kHz – 几百kHz, 换流死区時间降至几拾nS – 几百nS, 快上了几百、上仟倍, 致使電机電压、電流、转矩、速度响应時间大大缩短, 即有了更好的動态特性。

7. 從電机學原理阐明调压调速机理, 從電力電子技术阐明调压调速的实現手段。
答:
根据電机學原理, 當异步電机端電压变化時, 机械特性发生如图变化, 即:

故隨端電压Ｕ1下降時, 最大转矩Ｔm平方下降, 但发生最大转矩的位置Sm不变, 致使机械特性变软, 与负载特性的交點即运行點的滑差S增大,速度 n 減少, 实現了调压调速。
实現调压调速的電力電子技术装置是交流固态调压器, 是用双向晶闸管或两只反并联的晶闸管构成。

8. 画出晶闸管恒转矩亚同步串级调速系统主電路, 從功率流向角度說清為何是亚同步。
答:
由于電机转子侧釆用了不控整流器使转子频率滑差功率Ps变成直流功率, 可以简朴釆用有源逆变器的直流電势Uβ来吸取, 但釆用不控整流器只能使滑差功率Ps從電机向電网方向传送,即增大转子Ps, 增大S, 实現從同步速向下減少 n, 故為亚同步串级调速系统。

9. 晶闸管恒转矩亚同步串级调速系统怎样实現速度调整? 其调整规律又怎样?
答:
系统调速控制量為逆变超前角β, 即
β 变化→ 变化

变化→ s 变→ n 变。
其调整规律是：
(a)當 時, 串级调速系统运行于转子短接的自然特性上→达最高速;
(b) 當 時, 速度下降;

(c)為防止逆变颠覆，限定 ，即到达了最低速

10. .分析、讨论恒電压/频率比(U1/f1 = C)控制下异步電机变频调速控制方式的特點.
答:

特點：
（1）同步速 ns 随运行频率变化
（2）不壹样频率下，特性曲线硬度相似（平行线）——恒转矩特性
① 控制下，其机械特性适合调速范围不宽、转速不太低的恒转矩负载（Tm 不够）；尤其适合负载转矩随转速下降而減小的负载，如風机/水泵。
②低频時（ ）合适提高端電压U1 ，以赔偿定子電阻压降，可增大Tm ，以合适提高带负载能力

11. 分析、讨论恒气隙電势/频率比(E1/f1 = C)下异步電机变频调速控制方式的特點。
答:
特點是:
①恒最大转矩运行——最大转矩 Tm 不变， 与ω1無关。
②仍為恒转矩特性（不壹样ω1 下 Δn相似），但线性段范围更宽。
③低频時起動转矩 TQ比额定频率起動转矩 TQN大。

l 低频起動時，小→ 小→转子電流有功分量（）大→产生起動转矩 大；
l 额定频率起動時，大→ 大→转子電流有功分量（）小→产生起動转矩小。
要实現恒最大转矩运行，必须保证气隙磁通（恒定），即 （恒定）。而外部控制量為 ，必须全频范围内恰如其分地赔偿定子電阻压降。

12. 分析、讨论恒转子電势/频率比（ Er / f1 = C）控制下异步電机变频调速控制方式的特點及長处
答:
13.
低频時如将電压作深入赔偿，除赔偿掉定子漏阻抗压降外，再赔偿掉转子漏阻抗压降，最终保持转子電势Er线性变化，实現 Er/f1 = C 控制.
這样, 在确定频率 下， 机械特性 為壹直线； 不壹样频率 下，為壹族平行线 —— 并激直流電机特性

14. 為何变频器供電電机转子轻易发热甚至烧毁? 详细分析转子损耗的变化来阐明。
答:
這重要是变流器(变频器)非正弦電源中具有丰富的谐波電压(電流), 引起转子参数变化之故。 即對谐波而言, 谐波滑差 Sk = 1 ，转子频率 f2 = Sk f1 = f1 变成了高频，转子集肤效应严重, 致转子電阻R2k增大；转子電流挤向槽口，分布不均，槽漏抗減小；槽漏抗原是限制转子電流的重要原因, 它的減小致使转子中谐波電流I2k剧增, 成果是转子谐波铜耗P2k = (I2k)2 R2k遠不小于基波铜耗, 转子发热剧烈, 成為变频调速電机重要問題之壹。
必须注意与调压调速時异步電机转子发热是由基波损耗(滑差功率)引起, 而变流器(变频器)非正弦供電電机转子轻易发热是谐波效应所致, 不是基波导致的成果。

14．变流器(变频器)非正弦供電時, 异步電机的效率怎样变化? 与变流器(变频器)类型有关系否?
答:
变频器非正弦供電時，谐波電流增長了损耗、減少了效率。但变化趋势与变频器型有关:
①電压源型逆变器供電時: 谐波電压大小取决于变频器输出電压波形，确定；谐波含量固定，与電机负载大小無关。故谐波電流大小及产生的谐波损耗Δp不随负载Ρ2变化而恒定。這样:
●轻载時，Р2小，大小固定的Δp影响大，η↓多。
●满载時，Ρ2大，大小固定的Δp影响小，η↓少（2%）
②電流源型逆变器供電時: 電流波形确定，即電流中各次谐波含量比例确定，而其大小随负载变。這样:
●满载時，電机電流谐波增大，损耗增大，η、cosФ ↓多；
●轻载時，電机電流谐波量小，损耗较小，η、cosФ ↓少。

15．变流器(变频器)非正弦供電時, 异步電机是怎么产生出谐波转矩的(成因)? 有几种形态的谐波转矩? 各有什么性质(特點)?

答:
有两种形态的谐波转矩, 它們的成因及性质(特點)是:
(1) 恒定谐波转矩, 其成因是:
气隙磁通中谐波磁通（鼓励）→转子中感应出同次谐波電流（响应）

互相作用产生的谐波转矩

其性质是: ①异步转矩，转矩恒定（大小、方向确定）,
② 其值很小（1% TN）→影响可忽视。
(2) 脉動转矩, 其成因是:
不壹样次数谐波磁場(重要是幅值最大的5、7次)与基波磁場的互相作用产生.
其性质是: ① 脉振转矩, 平均值為零, 但低频运行時單方向幅值很大,
② 六倍基波频谐波转矩。
16．為何說交-直-交型電流源变频器具有四象限运行能力? 從变流器控制角度图示阐明
答:
電流源型逆变器釆用大電感滤波，直流母线電压Ud极性容許变化, 而两桥開关元件單向导電性决定直流電流Id 流向不能变, 功率流向变化全靠变化直流母线電压极性，這是通過调整两桥变流器触发角大小来实現, 如图所示。

這样可得如表所示的两桥控制规律:

17．電压源逆变器（VSI）及電流源逆变器（CSI）各自有何特殊应用場所? 基于什么考虑?

答:
（1）電压源型逆变器（VSI）因電源内阻小，拖動多台電机工作時小值電源内阻压降不會影响端電压，适合多机群控; 但因無制動功能，不能实用规定迅速加、減速的場所。
（2）電流源型逆变器（CSI）因電源内阻大，多机运行将通過大内阻压降互相影响，只适合單机运行; 但有四象限运行能力，适合于有動态迅速性规定的場所。

18. 正弦脉宽调制中, 什么是异步调制、同步调制、分段同步调制？它們各有什么特點？
答:
(1) 异步调制：调制波频率变化時，保持载波频率恒定不变的协调控制方式。
特點：
① 控制以便；
② 变频运行時调制波频率变，不能保证载波比
致使半周期脉冲数变，甚至正、负半周中的脉冲数也不相似，分解出的基波相位也变，将导致電机运行不稳定。
③ 高频运行時N 小，半周期脉少，谐波多，输出特性差。

(2) 同步调制：载波频率与调制波频率正比变化的协调控制方式。
特點：
① 任何频率下，半周内脉冲数相似，输出電压波形稳定
② 低频時由于必须低压，导致脉冲稀疏，谐波成分大，输出特性差。
(3) 分段同步调制：将运行频率范围分段，每段段内N不变 （同步调制）的协调控制方式。
特點：
① 低频段N大，以增長脉冲数，減少谐波。
② 基频以上為方波(不再作PWM调制)，以充足运用直流母线電压。

19．异步電机变频调速時，假如只從调速角度單纯变化频率fl行否？為何？還要同步变化什么量？
答：
异步電机运行（恒速或变频）時, 均但愿其运行性能（力能指標 cosФ、η）保持在设计點上，其中关键是保证電机磁路工作點不变或按规定变。磁路工作點以每极磁通Ф或磁密 Bm描述，為保持良好运行性能，规定维持磁路工作點 不变——恒磁通。否则
① 磁路過饱和：pFe ∞ (Bm)2 ↑ → η↓
Bm ↓ → cosφ↓
② 磁路欠饱和→出力不够
從電机内、外部電量关系上：
因此電机确定後，构造参数确定（不变），则有 ，要维持Фm = C , 规定 El/fl = C, 即El随 fl 线性变化，但 E1為電机内部量，只能通過端電压 U1变化, 故变频時必须同步变化端電压。

20．试分别阐明频率開环变频调速系统中函数发生器与转差频率控制系统中函数发生器的不壹样作用。
答：
(1) 频率開环变频调速系统中，函数发生器是電压/频率协调控制关键部件，它协调了系统中的频率通道与電压通道，保证了所需的磁通变化规律(磁路工作點不变或按所需规律变)。其函数关系為：

(2) 转差频率控制系统中，函数发生器根据绝對转差 ωs，产生定子電流指令 Il *，以保证電机磁通 Фm 恒定，发明实現转差频率控制的条件，保证電机实現恒磁通、恒转矩控制（El/f1 = C 控制）。 其规律為：