机电运动控制系统离线作业选.doc

浙江大学远程教育学院
《机电运动控制系统》课程作业（选做）

1. 晶闸管可控整流器供电直流电机调压调速机械特征有何特点? 画出三相半波可控整流器供电直流电机机械特征并说明之。
答:
与直流发电机-电动机组机械特征相比, 不一样之处是:
(1) 分电流连续与电流断续二个区域;
(2) 电流连续区因可控整流器内阻大 (尤其有换流重迭压降引入等效电阻) 而使机械特征软； 电流断续区则因电流不连续致使机械特征更软而无法负载工作。
三相半波可控整流器供电直流电机机械特征如图所表示:
时，整流器工作在整流状态，电机工作在电动状态；
时，整流器工作在逆变状态，电机工作在制动状态。

2. 可控整流器供电直流电机调速系统主回路中为何要釆用平波电抗器?其电感量应按什么要求来设计?
答:
因为可控整流器供电直流电机调速系统负载轻时电流断续, 机械特征软, 调速特征差，无静差度可言。
处理方法：串接平波电抗器L，增大晶闸管导通角以使电流连续。
平波电抗器电感量计算标准是: 能确保轻载下最小电流

时电流仍连续。
通常规律是Idmin越小，要求平波电抗器电感量越大。

3. 在转速、电流双闭环调速系统中，出现电网电压波动与负载扰动时，各是哪个调整器在起主要调整作用？
答：
(1) 电网电压波动：影响整流电压Ud ，整流电流Id，反应到控制信号即ufi，它从电流环介入，故电流调整器起主要作用。
(2)负载扰动：负载TL改变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，它从速度环介入，故速度调整器起主要作用

4. 双闭环调速系统稳态运行时，两个PI调整器输入偏差(给定与反馈之差)是多少？它们输出电压应对应于何种状态值？为何？
答：
(1) 依照PI调整器特征，稳态时能实现无差调整，使反馈等于给定，即： △un＝ 0 或△ui＝ 0 ，两个PI调整器输入偏差为零。
(2) 它们输出电压应对应于第一次进入△un＝ 0 或△ui＝ 0 时输出状态值(如 un， ui，α，Ud，Id，T )。这是因为PI调整器有积分、记忆功效，对过去出现过误差信号有记忆作用。
当 时， ，调整器输入为零，但因为PI调整器积分作用，对过去出现过误差有记忆，则积分输出不为零，维持第一次出现时 输出值
，进而维持 （无差）

5. 反并联时为何会出现环流？限制环流有哪些有效方法？各有什么特点？
答：
两桥反并联且同时整流时, 产生整流电压 会不经直流电机而顺串短路，因无电阻限流，会形成巨大环流。
限制环流有效方法(对策)是:
(1) 要求直流电压：
l 极性互顶：一桥整流、一桥逆变。 如图所表示

l 大小相等 ， 即

这么能够消除平均环流, 因为

① 平均环流 整流平均电压 ，消除了平均环流

但不能消除瞬吋环流, 因为：
② 瞬时环流 一桥整流、一桥逆变时整流平均电压相等，但瞬时电压波形不一样，瞬时电压差将引发瞬时环流，控制上要求必须同时控制平均及瞬时环流。
所以环流控制策略有:
（1）有环流系统
l 标准： 无平均环流，限制瞬时环流
l 做法：
l 一桥整流、一桥逆变， ；

l 电抗器L、L，（非平波电抗器L）限制瞬时环流
（2）无环流系统
l 标准：一桥工作（整流或逆变），一桥封锁（不工作）
l 采取逻辑电路确保两桥切换安全——逻辑无环流晶闸管直流电机可逆调速系统

6. 为何脉宽调制(PWM)型直流调速系统比晶闸管型直流调速系统能取得愈加好动态特征?
答:
可控整流器-直流电动机调速系统釆用开关速度慢(300Hz)晶闸管作开关元件, 使换流死区(晶闸管不立刻响应触发信号时间)平均为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), 其开关频率在几kHz – 几百kHz, 换流死区时间降至几十nS – 几百nS, 快上了几百、上千倍, 致使电机电压、电流、转矩、速度响应时间大大缩短, 即有了愈加好动态特征。

7. 从电机学原理说明调压调速机理, 从电力电子技术说明调压调速实现伎俩。
答:
依照电机学原理, 当异步电机端电压改变时, 机械特征发生如图改变, 即:

故隨端电压Ｕ1下降时, 最大转矩Ｔm平方下降, 但发生最大转矩位置Sm不变, 致使机械特征变软, 与负载特征交点即运行点滑差S增大,速度 n 降低, 实现了调压调速。
实现调压调速电力电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晶闸管组成。

8. 画出晶闸管恒转矩亚同时串级调速系统主电路, 从功率流向角度说清为何是亚同时。
答:
因为电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, 能够简单釆用有源逆变器直流电势Uβ来吸收, 但釆用不控整流器只能使滑差功率Ps从电机向电网方向传送,即增大转子Ps, 增大S, 实现从同时速向下降低 n, 故为亚同时串级调速系统。

9. 晶闸管恒转矩亚同时串级调速系统怎样实现速度调整? 其调整规律又怎样?
答:
系统调速控制量为逆变超前角β, 即
β 改变→ 改变

改变→ s 变→ n 变。
其调整规律是：
(a)当 时, 串级调速系统运行于转子短接自然特征上→达最高速;
(b) 当 时, 速度下降;

(c)为预防逆变颠覆，限定 ，即达成了最低速

10. .分析、讨论恒电压/频率比(U1/f1 = C)控制下异步电机变频调速控制方式特点.
答:

特点：
（1）同时速 ns 随运行频率改变
（2）不一样频率下，特征曲线硬度相同（平行线）——恒转矩特征
① 控制下，其机械特征适合调速范围不宽、转速不太低恒转矩负载（Tm 不够）；尤其适合负载转矩随转速下降而减小负载，如风机/水泵。
②低频时（ ）适当提升端电压U1 ，以赔偿定子电阻压降，可增大Tm ，以适当提升带负载能力

11. 分析、讨论恒气隙电势/频率比(E1/f1 = C)下异步电机变频调速控制方式特点。
答:
特点是:
①恒最大转矩运行——最大转矩 Tm 不变， 与ω1无关。
②仍为恒转矩特征（不一样ω1 下 Δn相同），但线性段范围更宽。
③低频时起动转矩 TQ比额定频率起动转矩 TQN大。

l 低频起动时，小→ 小→转子电流有功分量（）大→产生起动转矩 大；
l 额定频率起动时，大→ 大→转子电流有功分量（）小→产生起动转矩小。
要实现恒最大转矩运行，必须确保气隙磁通（恒定），即 （恒定）。而外部控制量为 ，必须全频范围内恰如其分地赔偿定子电阻压降。

12. 分析、讨论恒转子电势/频率比（ Er / f1 = C）控制下异步电机变频调速控制方式特点及优点
答:
13.
低频时如将电压作深入赔偿，除赔偿掉定子漏阻抗压降外，再赔偿掉转子漏阻抗压降，最终保持转子电势Er线性改变，实现 Er/f1 = C 控制.
这么, 在确定频率 下， 机械特征 为一直线； 不一样频率 下，为一族平行线 —— 并激直流电机特征

14. 为何变频器供电电机转子轻易发烧甚至烧毁? 详细分析转子损耗改变来说明。
答:
这主要是变流器(变频器)非正弦电源中含有丰富谐波电压(电流), 引发转子参数改变之故。 即对谐波而言, 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, 致转子电阻R2k增大；转子电流挤向槽口，分布不均，槽漏抗减小；槽漏抗原是限制转子电流主要原因, 它減小致使转子中谐波电流I2k剧增, 结果是转子谐波铜耗P2k = (I2k)2 R2k远大于基波铜耗, 转子发烧激烈, 成为变频调速电机主要问题之一。
必须注意与调压调速时异步电机转子发烧是由基波损耗(滑差功率)引发, 而变流器(变频器)非正弦供电电机转子轻易发烧是谐波效应所致, 不是基波造成结果。

14．变流器(变频器)非正弦供电时, 异步电机效率怎样改变? 与变流器(变频器)类型关于系否?
答:
变频器非正弦供电时，谐波电流增加了损耗、降低了效率。但改变趋势与变频器型关于:
①电压源型逆变器供电时: 谐波电压大小取决于变频器输出电压波形，确定；谐波含量固定，与电机负载大小无关。故谐波电流大小及产生谐波损耗Δp不随负载Ρ2改变而恒定。这么:
●轻载时，Р2小，大小固定Δp影响大，η↓多。
●满载时，Ρ2大，大小固定Δp影响小，η↓少（2%）
②电流源型逆变器供电时: 电流波形确定，即电流中各次谐波含量百分比确定，而其大小随负载变。这么:
●满载时，电机电流谐波增大，损耗增大，η、cosФ ↓多；
●轻载时，电机电流谐波量小，损耗较小，η、cosФ ↓少。

15．变流器(变频器)非正弦供电时, 异步电机是怎么产生出谐波转矩(成因)? 有几个形态谐波转矩? 各有什么性质(特点)?

答:
有两种形态谐波转矩, 它们成因及性质(特点)是:
(1) 恒定谐波转矩, 其成因是:
气隙磁通中谐波磁通（激励）→转子中感应出同次谐波电流（响应）

相互作用产生谐波转矩

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）→影响可忽略。
(2) 脉动转矩, 其成因是:
不一样次数谐波磁场(主要是幅值最大5、7次)与基波磁场相互作用产生.
其性质是: ① 脉振转矩, 平均值为零, 但低频运行时单方向幅值很大,
② 六倍基波频谐波转矩。
16．为何说交-直-交型电流源变频器具备四象限运行能力? 从变流器控制角度图示说明
答:
电流源型逆变器釆用大电感滤波，直流母线电压Ud极性允许改变, 而两桥开关元件单向导电性决定直流电流Id 流向不能变, 功率流向改变全靠改变直流母线电压极性，这是经过调整两桥变流器触发角大小来实现, 如图所表示。

这么可得如表所表示两桥控制规律:

17．电压源逆变器（VSI）及电流源逆变器（CSI）各自有何特殊应用场所? 基于什么考虑?

答:
（1）电压源型逆变器（VSI）因电源内阻小，拖动多台电机工作时小值电源内阻压降不会影响端电压，适合多机群控; 但因无制动功效，不能实用要求快速加、减速场所。
（2）电流源型逆变器（CSI）因电源内阻大，多机运行将经过大内阻压降相互影响，只适合单机运行; 但有四象限运行能力，适合于有动态快速性要求场所。

18. 正弦脉宽调制中, 什么是异步调制、同时调制、分段同时调制？它们各有什么特点？
答:
(1) 异步调制：调制波频率改变时，保持载波频率恒定不变协调控制方式。
特点：
① 控制方便；
② 变频运行时调制波频率变，不能确保载波比
致使半周期脉冲数变，甚至正、负半周中脉冲数也不相同，分解出基波相位也变，将造成电机运行不稳定。
③ 高频运行时N 小，半周期脉少，谐波多，输出特征差。

(2) 同时调制：载波频率与调制波频率正比改变协调控制方式。
特点：
① 任何频率下，半周内脉冲数相同，输出电压波形稳定
② 低频时因为必须低压，造成脉冲稀疏，谐波成份大，输出特征差。
(3) 分段同时调制：将运行频率范围分段，每段段内N不变 （同时调制）协调控制方式。
特点：
① 低频段N大，以增加脉冲数，降低谐波。
② 基频以上为方波(不再作PWM调制)，以充分利用直流母线电压。

19．异步电机变频调速时，假如只从调速角度单纯改变频率fl行否？为何？还要同时改变什么量？
答：
异步电机运行（恒速或变频）时, 均希望其运行性能（力能指标 cosФ、η）保持在设计点上，其中关键是确保电机磁路工作点不变或按要求变。磁路工作点以每极磁通Ф或磁密 Bm描述，为保持良好运行性能，要求维持磁路工作点 不变——恒磁通。不然
① 磁途经饱和：pFe ∞ (Bm)2 ↑ → η↓
Bm ↓ → cosφ↓
② 磁路欠饱和→出力不够
从电机内、外部电量关系上：
所以电机确定后，结构参数确定（不变），则有 ，要维持Фm = C , 要求 El/fl = C, 即El随 fl 线性改变，但 E1为电机内部量，只能经过端电压 U1改变, 故变频时必须同时改变端电压。

20．试分别说明频率开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不一样作用。
答：
(1) 频率开环变频调速系统中，函数发生器是电压/频率协调控制关键部件，它协调了系统中频率通道与电压通道，确保了所需磁通改变规律(磁路工作点不变或按所需规律变)。其函数关系为：

(2) 转差频率控制系统中，函数发生器依照绝对转差 ωs，产生定子电流指令 Il *，以确保电机磁通 Фm 恒定，创造实现转差频率控制条件，确保电机实现恒磁通、恒转矩控制（El/f1 = C 控制）。 其规律为：