1、浙江大學遠程教育學院機電運動控制系統課程作業姓名：學 號:年級：學習中心:1. 直流電機有哪些調速方法？根據其速度公式說明之，并說明 如何釆用電力電子手段實現。n Ua RJa答：根據直流電動機轉速公式Ce ,電機調速方法有（1）調壓調速一一調節電樞電壓 Ua，使電機轉速在寬廣的范圍 內平滑變化；采用電力電子手段時，有晶閘管可控整流器供電和自關斷器件H型橋脈寬調（PWM供電等方式，其損耗小，控制性能好。（2） 弱磁調速一一改變勵磁磁通大小使轉速變化，但基于電機鐵磁飽和考慮只能在額定速度以上通過弱磁作升速運行，限制了調速范圍；采用電力電子手段時，有晶閘管可控整流器供電勵磁控制。（3）串電阻調速一

2、一通過增大電樞電阻 Ra實現調速，但伴隨有 巨大的功率損耗、發熱和運行下降，很少采用。2. 畫出雙閉環晶閘管 一直流電動機不可逆調速系統電原理 圖（非方塊圖），須清楚表達兩個閉環的關鍵元件，寫出各部分名稱，標注有關信號量；指出兩閉環連接上的特點及相互關系。 答：雙閉環晶閘管 一直流電動機不可逆調速系統電原理圖如下:兩閉環連接上的關系是速度調節器的輸出作為電流調節器的輸 入，這就使得該系統具有由速度調節器的輸出限幅值確定了電流 環的給定值，進而確定了系統的最大電流的特點。3. 分析雙閉環晶閘管一直流電動機不可逆調速系統：(1) 如果要改變轉速，應調節什么參數？為什么？(2) 如要控制系統的起動電

3、流、確保系統運行安全，應調節什么參數？為什么？答：(1)改變轉速時只能改變速度調節器的輸入 Ug，因為它是速度 環的指令信號。改變速度調節器的參數對穩態速度無調節作用， 僅會影響動態響應速度快慢。(2)要控制系統的起動電流、確保系統運行安全，應調節速度調節器的輸出限幅值。因為速度調節器的輸出限幅值確定了電流 環的給定值，進而確定了系統的最大電流。4. 填空:雙閉環晶閘管一直流電動機調速系統中，內環為電流控制一環，外環為速度控制一環，其連接關系是： 速 度調節器的輸出作為電流調節器的輸入,因此外環調節器的輸出限幅值應按調速系統允許最大電流來整定；內環調節器的輸出限幅值應按可控整流器晶閘管最大、最

4、小移相觸發角來整定。兩調節器均為巳型調節器，調速系統能夠做到 靜態無差是由于調節器具有積分記憶功能;能實現快速動態調節是由于調節器具有飽和限幅功能。5. 在轉速、電流雙閉環系統中，速度調節器有哪些作用？其輸 出限幅值應按什么要求來調整？電流調節器有哪些作用？其輸 出限幅值應如何調整？答：速度調節器用于對電機轉速進行控制，以保障：調速精度，做到靜態無差；機械特性硬，滿足負載要求。速度調節器輸出限幅值應按調速系統允許最大電流來調整，以確保系統運行安全（過電流保護）電流調節器實現對電流的控制， 以保障：精確滿足負載轉矩大 小要求（通過電流控制）：調速的快速動態特性（轉矩的快速響 應）。電流調節器的輸

5、出限幅作為可控整流器晶閘管的移相觸發電壓， 其限幅值決定了觸發角的移相范圍，故應按min max來調整。6. 雙閉環調速系統正常工作時，調節什么參數可以改變電動機 轉速？如果速度閉環的轉速反饋線突然斷掉，會發生什么現象？電動機還能否調速？答：（1） 雙閉環調速系統正常工作時，只有調節速度給定信號Ug 才可以改變電動機轉速。而改變速度調節器的參數（如比例系數、 積分時間常數）均無作用，改變負載大小也不能影響轉速，因為 是速度閉環系統，不論負載大小均速度無差。 轉速反饋線突然斷掉時，Ufn 0，使Un Ug Ufn Ug很大， 速度調節器飽和限幅輸出，調速系統以最大電流、最大轉矩加速， 直至電磁轉

6、矩與負載轉矩、 阻尼轉矩相平衡，達到最高轉速而恒 定，故電動機不可調速。7. 以雙閉環直流調速系統兩個閉環之間連接上的特點及各個閉環的功能為依據，詳細解釋下圖所示 從靜止起動至給定轉速ng 并帶負載（以負載電流IL表示）的過程，即說明（1）、（2）、（3） 階段轉速n、電樞電流id的變化規律。答：（1） 起動特征: id由0 Idmax （限幅值） ST LT全部飽和限幅，蛻化為限幅器，系統實為速度、電流雙開環過程Un Ug很大，ST飽和，Un輸電機靜止，Ufn 0,給定Ug突加，出限幅，無PI調節作用； 電流給定Un為限幅值-對應電流指令Idmax ;但電流未建立，Ufi 0 , LT輸入

7、山Un , LT飽和，輸出山限幅，推 min，至使d max1 d maxTmax加速n因轉子慣性，nv ng加速特征 Id Idmax恒定（電流調節結果，非限幅） ST飽和限幅，LT作PI調節，實為電流單閉環系統。過程 n v % UfnwUg Un Ug Ufn很大ST仍飽和限幅，無調節 作用。ST輸出Un為限幅值使LT以Idmax為指令值電流閉環不斷調節整流觸發角a動態地保持Id Idmax，維持與給定無差“動態平衡”動態平衡過程：隨nf E Ce nIdUd ERdf原定a（ U d ）下1 d將反饋u fiUi Un Ufi ff經LT PI調節后，Uk ffaId I dmax并維

8、持不變電機以恒定1 dmax、Tmax加速，nf。（3） PI調節至穩定特征轉速穩定至n ng，電流穩定至Id Il T（對應）； ST、LT均作PI調節，真正速度、電流雙閉環工作。過程 首先分析進入本階段開始點的初值情況A.速度：上階段末加速至n ng f Ufn Ug f ST輸入Un 0 ;但PI型ST的積分（記憶）作用使 ST輸出Un 0f 仍暫作飽和輸出f電流指令為1 d 1d maxotf原定a（ U d ）下1 d將反饋u fiUi Un Ufi ftf原定a（ U d ）下1 d將反饋u fiUi Un Ufi fB.電流：上階段末I d Idmax，與指令相同f Ufi Un

9、 f Ui 0 f PI 型LT的積分（記憶）作用使LT輸出Uk 0 迫使 移至能產生1 d I dmax的位置。故以Id Idmax進入，會用TTmax驅動而加速過頭，出現 門tf原定a（ U d ）下1 d將反饋u fiUi Un Ufi ftf原定a（ U d ）下1 d將反饋u fiUi Un Ufi fng 轉速超調超調時nngUnUgUfn 0UnI d I dmax LT退出飽和，進入PI調節piUk命令調節器反向積分f ST輸出tf原定a（ U d ）下1 d將反饋u fiUi Un Ufi ftf原定a（ U d ）下1 d將反饋u fiUi Un Ufi f其中Id Il時

10、，n （超調）最大，以后nUn 0t 由于電磁慣性d可能決 T Tl電機進入制動f n f Ejf I d Ud一-回升，重新回到n ng （平衡）R 經幾次振蕩，PI調節達平衡f 雖Un 0 , Ui 0，但PI調節 器積分記憶功能使Uk 0 f 推 至適當位置 f 產生合適Ud、 Id、Tf保證系統靜態無差運行。8. 在直流可逆調速系統中，主回路為何需要雙橋反并聯？ 答：在直流可逆系統中，要求電磁轉矩具有兩種方向，以實現四象限運行1反轉L T 0正轉制動n 0J1電動反轉1r正轉電動制動n轉矩為正T Ct Ia轉矩 為負C.Ia 0電流為正電流為負單橋只能提供單一方向電樞電流f產生單一方向

11、電磁轉矩;E雙橋反并聯 才能提供兩個方向電樞電流，產生兩個方向電磁轉 矩，構成可逆系統主電路。反組ZYW. rw,9. 圖示為直流電動機脈寬調制（PWM）調速系統主電路（H型橋）， 各功率開關元件編號及電機反電勢Ea方向如圖。當采用雙極性脈寬調制時:畫出VTiVT4基極控制信號ublub4及電機端電壓Ua波形； 說明為何叫雙極性？如何實現正、 反轉？何時速度為零?答：正半周t tl負半周W t T)電機電壓Ua > 0 (BA)電機電壓Ua < 0 (A B)即一個周期內可獲得兩個方向電壓極性，稱雙極性。正/反轉控制只需改變tl位置（占空比 丫），方便: t1 T/2,平均值UA

12、0 電機正轉ti T/2,平均值Ua 0 電機反轉VTlVT4基極信號ublub4及電機端電壓Ua波圖示為直流電動機脈寬調制（斬波）調速系統主電路（H型橋），各功率開關元件編號及電機反電勢Ea方向如圖。當采用雙極性脈寬調制時，分析: 不同時刻的導通元件及導通原因； 畫出各階段的電流路徑及維持電流的源泉 （電源電壓、電 樞反電勢、自感電勢等） 電機運行狀態（電動、能耗制動、再生制動、反接制動等） 及其原因。VT答：工作過程(1)°t；Ub1,4Ub2,3)VT；通VT2 ,VT3 斷IVT1BAhlVT3VD2VD4?4 II* VD1VT2| VT4作用下，形成電流路徑I反向f電機作

13、電動運行tlUb1,4 0 f VT1、VT4斷，切斷電源t t2UsT；VT1 VT3Ub2,3 0 應 VT2、VT3 通，VD4?gf但電樞電感自感電勢/dt作用| VT4VT2 | 維持電流方向不能突變 f VD2、VD3通f續流f VT2、VT3反偏，斷f形成電流路徑H也 與反向-電機仍作電動運行路徑H也 與反向-電機仍作電動運行-使Ldia/dt很快衰減為零，為換向創造時刻斷流）OIV條件（設在t2 TI Us EaIa w形成電流路徑III Ea同向-電機作反接制動至下周期路徑H也 與反向-電機仍作電動運行tlvt2、vt3 斷 應VTp VT4通IV Us 川12&八

14、VD1VD3 A上(T t1)時刻(4)t TUb2,30ub1,40-但在ydt續流及反電勢共同作用下電流方向不變VD1、VD4通形成電流路徑W 路徑H也 與反向-電機仍作電動運行路徑H也 與反向-電機仍作電動運行I a、Ea同向再生制動（能量 回饋電源f VT1、VT4得以導通，進入下一周期輸出電壓一周期內瞬時電壓為雙極性方波，平均值UaUa Tus °丄（2半 1Us U負載電壓系數1Uat1Tt-UsUsU ati2 1= -1 0 +1 UsT10. 異步電機有哪些調速方法？從轉速公式上進行分類說明這些調速方法又各采用什么樣的電力電子手段來實現？答：異步電機調速方法可按其速

15、度公式1 - S)nS來分類:(1)變同步速度調速ns 60邑,具體有:P 變頻調速。可采用直-交變換的逆變器戓交-交變頻器改變電 機供電頻率f|。 變極調速。需同時改變定、轉子極對數，故只適合鼠籠式異步電機。(2) 變轉差率 S 調速。這是一種改變轉子滑差功率消耗的調速 方式。具體有： 交流調壓調速 采用雙向晶閘管構成的交流固態調壓器實 現。 轉子串電阻調速，僅適合繞線式異步電機。 串級調速，繞線式異步電機轉子中串入與轉子同頻的電勢 吸收或補充滑差功率來實現速度的調節， 采用不控整流器一有源 逆變器裝置。 雙饋調速，繞線式異步電機轉子中采用功率可雙向流動變 頻裝置，實現同步速上、下的調速和四

16、限象運行。11. 鼠籠式異步電機采用調壓調速時，適合拖動什么樣的負載？ 為什么？ 答：鼠籠式異步電機采用調壓調速時，適合于拖動風機、水泵類 負載， 這類負載的轉矩與轉速平方成正比， 功率與轉速三次方成 正比。調壓調速的特性與這類負載特性很匹配， 主要從轉子發熱 能通過來考慮。用于調壓調速的異步電機應是高轉子電阻電機(高滑差電 機，轉子串電阻繞線式異步電機) , 這是基于以下考慮 :限制轉子發熱 (滑差功率消耗型調速) ：轉子發熱與滑差消耗有關，而Ps = S印,與s即調速范圍有關。而風機/水泵調速 范圍不寬(10070% ),兩者特性相配(1) 高轉子電阻能軟化異步電機的 T-S曲線，擴大調速

17、范圍12. 交直交變頻調速系統：(1) 六階梯波逆變器中， 改變UI依靠調節可控整流器 的移動相觸發角一 來實現， 改變fl依靠調節逆變器晶閘管換流快慢(頻率)來實 現， 改變電機轉向依靠改變 逆變器晶閘管觸發脈沖的分配規 律來實現。(2) 在正弦脈寬調制型 SPWM逆變器中， 改變UI依靠調節正弦調制波幅值來實現， 改變fl依靠調節正弦調制波頻率一來實現， 改變電機轉向依靠改變 逆變器開關元件驅動脈沖的分配規 律來實現。13. 異步電機非正弦供電下，存在兩種諧波轉矩：(1) 恒定諧波轉矩， 性質：(a)_異步轉矩性質,(b)恒定轉矩，但數值很小，其影響可忽略; 產生機理是氣隙磁通中諧波磁通(

18、激勵轉子中感應出同次諧波電流(響應)相互作用產生的諧波轉矩。(2) 交變諧波轉矩，性質：(a)_脈振轉矩(基波的六倍頻)?（b）非恒定轉矩（不同極對數磁場作用產生）,平均值為零?產生機理是不同次數諧波磁場與基波磁場的相互作用結果。幅值最大低次（5、7次）諧波電流-建立5、7次諧波磁場- 轉子中感應出 5、 7 次轉子諧波電流。 其中 5 次諧波轉子電流 （磁 勢）以5® i反轉，基波旋轉磁場以 宀i正轉，兩者相對速度為6® i。 7次諧波轉子電流（磁勢）以 7® i正轉，基波旋轉磁場以 ® i正 轉，兩者相對速度為 6® 1。均產生出六倍頻諧波

19、轉矩。14. 變流器非正弦供電對電機運行性能有何影響？ 答：變流器非正弦供電對電機運行性能的影響有：（1）磁路工作點 : 使六階梯波電壓源供電電機氣隙磁密比正弦波供電時大10%,磁路將飽和，使力能指標 nJ, cosJ,設計非正弦電壓源供電電機時， 其磁路設計和空載試驗須提高電 壓 10%，以計及諧波磁場的飽和效應。（2）電流中的諧波將使槽電流增大（1.1 倍），槽磁勢增大， 漏磁路飽和，使定子漏抗減小（ 1520） %。（3）轉子參數 :諧波滑差 Sk = 1 ，轉子頻率 f2 = Sk f1 = f1 為高頻，轉子集膚效應嚴重。 轉子電阻增大； 轉子電流擠向槽口， 分布不均，槽漏抗減小。（

20、4）功率因數 : 電流諧波-增大電流有效值-提高磁路飽和程度增加勵磁電流cos©降低。(5)損耗與效率 : 變頻器非正弦供電時，諧波電流增加了損 耗、降低了效率。但變化趨勢與變頻器型有關 : 電壓源型逆變器供電時 , 諧波電流大小及產生的諧波損 耗p不隨負載P 2變化而恒定,造成:輕載時，nJ多；滿載 時，nJ 少(2%) 電流源型逆變器供電時 , 電流中各次諧波含量比例確定， 大小隨負載變，造成:滿載時，損耗增大，n、 cosJ多；輕載 時，損耗較小，n、 cosJ少。(6) 諧波轉矩 恒定諧波轉矩 氣隙磁通中諧波磁通與在轉子中感應出同次諧波電流相互作用 產生的異步性質諧波轉矩，其

21、值恒定但很小(1%TN),影響可忽略。 脈動轉矩不同次數諧波磁場 (主要是幅值最大的 5、 7 次)與基波磁場的相互 作用產生出六倍頻諧波轉矩 .其性質為脈振轉矩 ,平均值為零。(7) 電應力非正弦電壓波形上電壓變化梯度大 ,繞組進 線第一匝電容小、容抗大，將承受 40%的過電壓(電位梯度) ， 使絕緣因電暈而老化、擊穿。(8) 軸電流:零序電壓 U0 作用在零序回路上 , 形成流過軸、 軸承的軸電流 .變頻器供電時，其中諧波電壓頻率高，容性零序 阻抗小， 軸電流大。 流過軸承， 破壞油膜穩定生成， 形成干磨擦， 燒毀電機，成為變頻電機常燒軸承的原因。15. 在設計及選用變流器非正弦供電電機時

22、 , 應作如何考慮？ 答：在設計及選用變流器非正弦供電電機時 , 應考慮的對策是： 電壓源型變流器供電時 , 因變頻器輸出電壓諧波含量確 定，要設計或選用漏抗大電機來限制諧波電流的產生惡果。 電流源型變流器供電時 , 因變頻器輸出電流諧波含量確 定，要設計或選用漏抗小電機來限制諧波電壓的產生及惡果。16. 變頻調速系統中，逆變器有電壓源逆變器（ VSI ）及電流源 逆變器（CSI）之分，試從以下三方面對比說明其差異，并詳細 說明其理由： 答:直流環節所用濾波元件及造成的電源內阻特性上； 功率開關元件導通型式及造成的輸出電壓、電流特性上； 拖動多機及四象限運行能力上。（1） 直流環節所用濾波元件

23、及造成的電源內阻特性上： 電壓源型逆變器 : 采用大電容濾波，逆變器電源內阻呈 現低內阻特性，使輸出電壓不隨負載電流改變而穩定。 電流源型逆變器 : 釆用大電感濾波，逆變器電源內阻呈 現高內阻特性，使輸出電流穩定，輸出電壓隨負載電流變。2）功率開關元件導通型式及造成的輸出電壓、 電流特性上： 電壓源型： 180 度導通型（每管導通半周期） , 換流在同 相上、下橋臂元件間進行，任何時刻均有三管導通，使三相電壓 確定。 電流源型： 120 度導通型（每管導通 1/3 周期） , 換流在 同組（共陽或共陰組）的三相元件間進行，任何時候只有兩管導 通，使三相電流確定。（3）拖動多機及四象限運行能力上

24、： 電壓源型：大電容濾波，直流母線電壓極性不能改變， 兩橋開關元件單向導電性決定了直流電流流向不能變， 功率只能 從電網流向電機，電機只能作電動運行，故無四象限運行能力。 電流源型：雖兩橋開關元件單向導電性決定直流電流流 向不能改 變，但大電感濾波下直流母線電壓極性允許改變， 故 有四象限運行能力。17. 在 采用六階梯波 （ 方波 ） 逆變器構成的交一直一交變頻 調速系統中，分別闡述： 改變電機端電壓依靠調節什么來實現？ 改變電機運行頻率依靠調節什么來實現？ 改變電機轉向又是依靠什么來實現？答： 改變電機端電壓依靠調節可控整流器的輸出直流電壓來 實現； 改變電機運行頻率依靠調節逆變器晶閘管換

25、流快慢（頻率）來實現; 改變電機轉向又是依靠逆變器晶閘管觸發脈沖的分配來實現。18. 按電壓與頻率協調控制的實現方式區分，交一直一交變頻器有幾種結構形式？圖示說明。答:（1）可控整流器調壓 +逆變器變頻 形式:釆用可控整流器相控調壓，改變逆變器換流快慢（脈沖頻率）實現變頻。調壓開頻（a）（2）不控整流器整流 +斬波器調壓+逆變器變頻 形式:釆用不控整流改善輸入特性，但輸出直流電壓Ud恒定，故 采用斬波器脈寬調制調壓；仍釆用六脈波逆變器，改變逆變器換 流快慢（脈沖頻率）實現變頻，但輸出特性差。（3）不控整流器整流 + PWM逆變器調壓/變頻形式:逆變器米用高頻自關斷器件,提高逆變器開關頻率，使最

26、低 次諧波頻率提高，削弱了諧波負面影響；同時釆用正弦脈寬調制（PWM ）控制，使輸出電壓以正弦基波為主,大大改善了輸出特 性。剛碉頻（C）19. 在采用SPWM （正弦脈寬調制）逆變器構成的交一直一交變頻調速系統中，分別闡述： 改變電機端電壓依靠調節什么來實現？ 改變電機運行頻率依靠調節什么來實現？ 改變電機轉向又是依靠什么來實現？答：采用SPWM （正弦脈寬調制）逆變器構成的交一直一交變 頻調速系統中： 改變電機端電壓依靠調節正弦調制波幅值來實現； 改變電機運行頻率依靠調節正弦調制波頻率來實現； 改變電機轉向又是依靠改變三相正弦調制波的相序來實 現，也可認為是通過變化逆變器功率開關元件的分配

27、次序來實 現。20. PWM型變頻器輸出電壓的幅值和頻率是如何調節的？分別就正弦脈寬調制（SPWM）和磁鏈追蹤控制（SVPWM）兩種不同方 式作出說明。答：（1） SPWM :改變正弦調制波的頻率，調節 PWM波脈寬變化周期，即頻率； 改變正弦調制波的幅值，調節 PWM波脈沖寬度，即電壓大小(2) SVPWM設基頻為1N基頻以下1 1N鏈圓大小恒定恒磁通控制912 flN:采用零矢量控制基頻1 1N:不用零矢量，有效矢量作用時間額定基頻以上1 1N :不用零矢量，減少有效矢量作用時間磁鏈圓變小(弱磁控制)，轉速變快22.脈寬調制(PWM)變頻器與方波(六階梯波)變頻器相比有何 優點？正弦脈寬調

28、制(SPWM)變頻器如何獲得正弦脈寬的輸出電壓？又如何實現輸出頻率和輸出電壓大小的調節。答：脈寬調制(PWM)變頻器與方波(六階梯波)變頻器相比優 點是輸出特性好，即輸出基波成分大、諧波成分小，特別是諧波 高頻化，無低次諧波，因而易于濾波。正弦脈寬調制(SPWM)變頻器要獲得正弦脈寬的輸出電壓可 采用自然采樣法的調制技術， 即采用正弦調制波與等腰三角形載 波相交、交點決定逆變器功率器件開關時刻的方式得到正弦脈寬 的輸出電壓。調節正弦調制波的頻率可實現逆變器輸出頻率的調節， 調節 正弦調制波的幅值可實現逆變器輸出電壓大小的調節。23. 異步電機變頻調速時，電機端電壓應如何變化 ? 圖示說明 之。答： Ul 隨頻率 f1 的變化規律是 :(1) 基頻以下 ( f1 < f1N): 釆用 Ul/fl = C 控制 , 確保恒磁通 控制 , 實現恒轉矩運行。 但在 f1 < 5 Hz 下要對定子電阻壓降作補 償, 確保 El/fl = C 的恒磁通條件。(2) 基頻以上(fl > f1N):保持Ul= C,則隨fl上升,*U1N/ f1 下降, 電機作弱磁控制 , 實現恒功率運行。善第定于電PH-i d-.24. 畫出頻率開環、電壓源（SPWM）逆變器一異步電機變頻調速 系統原理圖（包括詳細的主電路、控制電路）,說明 主功率開關器 件旁為何必須反并聯續流二