1、機電運動控制系統(tǒng)選做作業(yè)1.晶閘管可控整流器供電直流電機調壓調速的機械特性有何特點?畫出三相半波可控整流器供電直流電機機械特性并說明之。答:與直流發(fā)電機-電動機組機械特性相比,不同之處是:(1)分電流連續(xù)與電流斷續(xù)二個區(qū)域;(2)電流連續(xù)區(qū)因可控整流器內阻大(特別有換流重迭壓降引入的等效電阻)而使機械特性軟；電流斷續(xù)區(qū)則因電流不連續(xù)致使機械特性更軟而無法負載工作。三相半波可控整流器供電直流電機機械特性如圖所示:a<0o時，整流器工作在整流狀態(tài)，電機工作在電動狀態(tài)；a>Oo時，整流器工作在逆變狀態(tài)，電機工作在制動狀態(tài)。2.可控整流器供電直流電機調速系統(tǒng)主回路中為何要釆用平波電抗器?其

2、電感量應按什么要求來設計?答:由于可控整流器供電直流電機調速系統(tǒng)負載輕時電流斷續(xù),機械特性軟,調速特性差，無靜差度可言。解決辦法：串接平波電抗器L,增大晶閘管導通角以使電流連續(xù)。平波電抗器電感量計算原則是:能確保輕載下最小電流(510)%I1dm】n一20%I時電流仍連續(xù)。N一般規(guī)律是Idmin越小，要求平波電抗器電感量越大。3在轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，出現(xiàn)電網電壓波動與負載擾動時，各是哪個調節(jié)器起主要調節(jié)作用？答：(1)電網電壓波動：影響整流電壓Ud，整流電流Id，反映到控制信號即Ufi，它從電流環(huán)介入，故電流調節(jié)器起主要作用。(2)負載擾動：負載Tl的變化將影響轉矩平衡關系，繼而影響轉

3、速尊，n反映到控制信號即ufn，它從速度環(huán)介入，故速度調節(jié)器起主要作用4.雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，兩個PI調節(jié)器的輸入偏差（給定與反饋之差）是多少？它們的輸出電壓應對應于何種狀態(tài)的值？為什么？答：（1）根據(jù)PI調節(jié)器的特性，穩(wěn)態(tài)時能實現(xiàn)無差調節(jié)，使反饋等于給定，即：un=0或u.=0，兩個PI調節(jié)器的輸入偏差為零。（2）它們的輸出電壓應對應于第一次進入un=0或厶ui=0時的輸出狀態(tài)值（如un，ui，aUd，Id，T）。這是由于PI調節(jié)器有積分、記憶功能，對過去出現(xiàn)過的誤差信號有記憶作用。當u二u時，山二0，調節(jié)器輸入為零，但由于PI調節(jié)器的積分作用，對過去出現(xiàn)過的誤差有記憶，則積分輸出不為

4、零，維持第一次出現(xiàn)時An二0的輸出值u豐0nn，進而維持u二u（無差）gfn5反并聯(lián)時為何會出現(xiàn)環(huán)流？限制環(huán)流有哪些有效方法？各有什么特點？答：兩橋反并聯(lián)且同時整流時，產生的整流電壓U、U'會不經直流電機而順串短路，因無dd電阻限流，會形成巨大環(huán)流。限制環(huán)流的有效辦法（對策）是:（1）要求直流電壓：極性互頂：一橋整流、一橋逆變。如圖所示橋I橋IIa(卩)a(P)IIIIIIa=BinB=aIn大小相等U=U',Ecosa=Ecos卩即dd1n這樣可以消除平均環(huán)流,因為a=P平均環(huán)流=an整流平均電壓U=U'，消除了平均環(huán)流ndd但不能消除瞬吋環(huán)流,因為：瞬時環(huán)流一橋整流

5、、一橋逆變時整流平均電壓相等，但瞬時電壓波形不同，瞬時電壓差將引起瞬時環(huán)流，控制上要求必須同時控制平均及瞬時環(huán)流。因此環(huán)流控制策略有:（1）有環(huán)流系統(tǒng) 原則：無平均環(huán)流，限制瞬時環(huán)流 做法：f二p一橋整流、一橋逆變，V"I；P=aIn電抗器L、L（非平波電抗器L）限制瞬時環(huán)流（2）無環(huán)流系統(tǒng) 原則：一橋工作（整流或逆變），一橋封鎖（不工作） 采用邏輯電路保證兩橋切換的安全邏輯無環(huán)流晶閘管直流電機可逆調速系統(tǒng)6. 為什么脈寬調制（PWM）型直流調速系統(tǒng)比晶閘管型直流調速系統(tǒng)能獲得更好的動態(tài)特性?答:可控整流器-直流電動機調速系統(tǒng)釆用開關速度慢（300Hz）的晶閘管作開關元件，使換流死區(qū)

6、（晶閘管不立即響應觸發(fā)信號的時間）平均為3.33-6.66mS.而脈寬調制（PWM）型直流調速系統(tǒng)釆用自關斷器件（GTR,IGBT,MOSFET等），其開關頻率在幾kHz-幾百kHz,換流死區(qū)時間降至幾十nS-幾百nS,快上了幾百、上千倍，致使電機電壓、電流、轉矩、速度響應時間大大縮短,即有了更好的動態(tài)特性。7. 從電機學原理說明調壓調速機理,從電力電子技術說明調壓調速的實現(xiàn)手段答:TU>U2>U3根據(jù)電機學原理,當異步電機端電壓變化時,機械特性發(fā)生如圖改變,即:最大轉矩TsU2m1臨界轉差S=mx+xlo2o(a)故隨端電壓U下降時，最大轉矩丁皿平方下降，但發(fā)生最大轉矩的位置Sm

7、不變，致使機械特性變軟，與負載特性的交點即運行點的滑差S增大，速度n降低，實現(xiàn)了調壓調速。實現(xiàn)調壓調速的電力電子技術裝置是交流固態(tài)調壓器,是用雙向晶閘管或兩只反并聯(lián)的晶閘管構成。8畫出晶閘管恒轉矩亞同步串級調速系統(tǒng)主電路,說清為什么是亞同步答:由于電機轉子側釆用了不控整流器使轉子頻率滑差功率Ps變成直流功率,可以簡單釆用有源逆變器的直流電勢Up來吸收，但釆用不控整流器只能使滑差功率Ps從電機向電網方向傳送,即增大轉子Ps,增大S,實現(xiàn)從同步速向下降低n,故為亞同步串級調速系統(tǒng)。9.晶閘管恒轉矩亞同步串級調速系統(tǒng)如何實現(xiàn)速度調節(jié)?其調節(jié)規(guī)律又如何?答:系統(tǒng)調速控制量為逆變超前角0,即卩變化一U卩

8、(=Ef)=2-34UsCOS卩變化T3Ef12變化TP=312R+3EI=sP變化s變n變。s22f2M其調節(jié)規(guī)律是：(a) 當卩=90oTU(二E)=0時，串級調速系統(tǒng)運行于轉子短接的自然特性上達最高ff速;(b) 當卩/tU(二E)8cos卩TtP=sPTtsTtn/時，速度下降；ffsM(c)為防止逆變顛覆，限定P>P=30o，即達到了最低速min10. 分析、討論恒電壓/頻率比(Uf=C)控制時，異步電機變頻調速控制方式的特點特點：（1）同步速ns隨運行頻率變化（2）不同頻率下，特性曲線硬度相同（平行線）恒轉矩特性 u/f=c控制下，其機械特性適合調速范圍不寬、轉速不太低的恒轉

9、矩負載（tm11m不夠）；特別適合負載轉矩隨轉速下降而減小的負載，如風機/水泵。 低頻時（f<5Hz）適當提高端電壓，以補償定子電阻壓降，可增大Tm，以11m適當提高帶負載能力11. 分析、討論恒氣隙電勢/頻率比（Ef=C）時，異步電機變頻調速控制方式的特點答:特點是: 恒最大轉矩運行最大轉矩T不變，與卩無關。m1 仍為恒轉矩特性（不同3下An相同），但線性段范圍更寬。 低頻時起動轉矩TQ比額定頻率起動轉矩TQN大。低頻起動時，4仙1）小f屮；小f轉子電流有功分量（1；c°艸；）大產生起動轉矩Tq大；額定頻率起動時，f（3）大f屮'大f轉子電流有功分量（1COS屮

10、9;）小1產1N1N222生起動轉矩TQ小。QN要實現(xiàn)恒最大轉矩運行，必須確保氣隙磁通0=C（恒定），即E/f=Cm11（恒定）。而外部控制量為U，必須全頻范圍內恰如其分地補償定子電阻壓降。112分析、討論恒轉子電勢/頻率比（Er/f1=C）控制時，異步電機變頻調速控制方式的特點及優(yōu)點答:低頻時如將電壓作進一步補償，除補償?shù)舳ㄗ勇┳杩箟航低猓傺a償?shù)艮D子漏阻抗壓降，最后保持轉子電勢Er線性變化，實現(xiàn)Er/f1=C控制.這樣，在確定頻率下，機械特性T=/（s）為一直線；不同頻率下，為一族11平行線并激直流電機特性13為何變頻器供電電機轉子容易發(fā)熱甚至燒毀?答:這主要是變流器（變頻器）非正弦電源中

11、含有豐富的諧波電壓（電流）,引起轉子參數(shù)變化之故。即對諧波而言,諧波滑差Sk=1，轉子頻率f2=Skf1=f1變成了高頻，轉子集膚效應嚴重，致轉子電阻R2k增大；轉子電流擠向槽口，分布不均，槽漏抗減小；槽漏抗原是限制轉子電流的主要因素,它的減小致使轉子中諧波電流I2k劇增,結果是轉子諧波銅耗P2k=（I2k）2R2k遠大于基波銅耗，轉子發(fā)熱劇烈，成為變頻調速電機主要問題之一。必須注意與調壓調速時異步電機轉子發(fā)熱是由基波損耗（滑差功率）引起,而變流器（變頻器）非正弦供電電機轉子容易發(fā)熱是諧波效應所致,不是基波造成的結果。14變流器（變頻器）非正弦供電時,異步電機的效率如何變化?與變流器（變頻器）

12、類型有關系否?答: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:諧波電壓大小取決于變頻器輸出電壓波形，確定；諧波含量固定，與電機負載大小無關。故諧波電流大小及產生的諧波損耗Ap不隨負載P2變化而恒定。這樣:輕載時，P2小，大小固定的Ap影響大，相多。滿載時，P2大，大小固定的Ap影響小，相少（2%）電流源型逆變器供電時:電流波形確定，即電流中各次諧波含量比例確定，而其大小隨負載變。這樣:滿載時，電機電流諧波增大，損耗增大，ncos。j多;輕載時，電機電流諧波量小，損耗較小，n、cosj少。15變流器（變頻器）非正弦供電時,異步電機是怎么產生

13、出諧波轉矩的（成因）?有幾種形態(tài)的諧波轉矩?各有什么性質（特點）?答:有兩種形態(tài)的諧波轉矩,它們的成因及性質（特點）是:（1）恒定諧波轉矩,其成因是:氣隙磁通中諧波磁通（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其性質是:異步轉矩，轉矩恒定（大小、方向確定），其值很小（1%TN）-影響可忽略。（2）脈動轉矩，其成因是:不同次數(shù)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.其性質是:脈振轉矩，平均值為零，但低頻運行時單方向幅值很大，六倍基波頻諧波轉矩。16為什么說交-直-交型電流源變頻器具有四象限運行能力?從變流器控制角度圖示說明答:電流源型逆變器釆用大電感濾

14、波，直流母線電壓ud極性允許改變，而兩橋開關元件單向導電性決定直流電流Id流向不能變，功率流向改變全靠改變直流母線電壓極性，這是通這樣可得如表所示的兩橋控制規(guī)律:直流母線極性-橋I觸發(fā)角"橋II觸發(fā)角"功率流向"電機狀態(tài)"上+）、下一）"阿<90°整流茄a2>90°（逆變）*橋IT橋II"電動狀態(tài)"上（-）>下（+>%>90°逆變a2<90°（整流k橋IIT橋I"制動運行"17. 電壓源逆變器（VSI）及電流源逆變器（CSI）各自

15、有何特殊應用場合？基于什么考慮?答:（1）電壓源型逆變器（VSI）因電源內阻小，拖動多臺電機工作時小值電源內阻壓降不會影響端電壓，適合多機群控;但因無制動功能，不能實用要求快速加、減速的場合。（2）電流源型逆變器（CSI）因電源內阻大，多機運行將通過大內阻壓降相互影響，只適合單機運行;但有四象限運行能力，適合于有動態(tài)快速性要求的場合。18. 正弦脈寬調制中,什么是異步調制、同步調制、分段同步調制？它們各有什么特點？答:（1）異步調制：調制波頻率變化時，保持載波頻率恒定不變的協(xié)調控制方式。特點：控制方便；載波頻率f應 變頻運行時調制波頻率變，不能確保載波比N調制波頻率f3kR致使半周期脈沖數(shù)變，

16、甚至正、負半周中的脈沖數(shù)也不相同，分解出的基波相位也變將造成電機運行不穩(wěn)定。 高頻運行時N小，半周期脈少，諧波多，輸出特性差。（2）同步調制：載波頻率與調制波頻率正比變化的協(xié)調控制方式。特點： 任何頻率下，半周內脈沖數(shù)相同，輸出電壓波形穩(wěn)定 低頻時由于必須低壓，造成脈沖稀疏，諧波成分大，輸出特性差。（3）分段同步調制：將運行頻率范圍分段，每段段內N不變（同步調制）的協(xié)調控制方式。特點： 低頻段N大，以增加脈沖數(shù)，減少諧波。 基頻以上為方波（不再作PWM調制），以充分利用直流母線電壓。19. 異步電機變頻調速時，如果只從調速角度單純改變頻率f行否？為什么？還要同時改變什么量？答：異步電機運行（恒

17、速或變頻）時均希望其運行性能（力能指標cos。、小保持在設計點上，其中關鍵是保證電機磁路工作點不變或按要求變。磁路工作點以每極磁通或磁密Bm描述，為保持良好運行性能，要求維持磁路工作點不變恒磁通。否則 磁路過飽和：pFeg（Bm）2f-nJBmJcos軻 磁路欠飽和-出力不夠從電機內、外部電量關系上：E=4.44fwk111w1mE因此電機確定后，結構參數(shù)確定（不變），則有a-1，要維持m=C,要求E、lfmfmll1=C,即E隨f線性變化，但E為電機內部量，只能通過端電壓U改變，故變頻時必須同時改變端電壓。20試分別說明頻率開環(huán)變頻調速系統(tǒng)中函數(shù)發(fā)生器與轉差頻率控制系統(tǒng)中函數(shù)發(fā)生器的不同作用

18、。答：（1）頻率開環(huán)變頻調速系統(tǒng)中，函數(shù)發(fā)生器是電壓/頻率協(xié)調控制關鍵部件，它協(xié)調了系統(tǒng)中的頻率通道與電壓通道，確保了所需的磁通變化規(guī)律（磁路工作點不變或按所需規(guī)律變）。其函數(shù)關系為：（2）轉差頻率控制系統(tǒng)中，函數(shù)發(fā)生器根據(jù)絕對轉差®s，產生定子電流指令Il*,以保證電機磁通m恒定，創(chuàng)造實現(xiàn)轉差頻率控制的條件,保證電機實現(xiàn)恒磁通、恒轉矩控制（Ef=C控制）。其規(guī)律為：I古今名言敏而好學，不恥下問孔子業(yè)精于勤，荒于嬉；行成于思，毀于隨一韓愈興于詩，立于禮，成于樂孔子己所不欲，勿施于人孔子讀書破萬卷，下筆如有神杜甫讀書有三到，謂心到，眼到，口到一朱熹立身以立學為先，立學以讀書為本歐陽修讀萬卷書，行萬里足劉彝黑發(fā)不知勤學早，白首方悔讀書遲一顏真卿書卷多情似故人，晨昏憂樂每相親于