机电运动控制系统离线作业(选)

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的机械特性有何特点? 画出三相半波可控整流器供电直流电机机械特性并说明之。答: 与直流发电机-电动机组机械特性相比, 不同之处是: (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 (特别有换流重迭压降引入的等效电阻) 而使机械特性软； 电流断续区则因电流不连续致使机械特性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性如图所示: 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:由于可控整流器供电直流电机调速系统负载轻时电流断续, 机械特性软, 调速特性差，无静差度可言。 解决办法：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原则是: 能确保轻载下最小电流 时电流仍连续。 一般规律是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，各是哪个调节器在起主要调节作用？答： (1) 电网电压波动：影响整流电压Ud ，整流电流Id，反映到控制信号即ufi，它从电流环介入，故电流调节器起主要作用。 (2)负载扰动：负载TL的变化将影响转矩平衡关系，继而影响转速r，n，反映到控制信号即ufn，它从速度环介入，故速度调节器起主要作用4. 双闭环调速系统稳态运行时，两个PI调节器的输入偏差(给定与反馈之差)是多少？它们的输出电压应对应于何种状态的值？为什么？答： (1) 根据PI调节器的特性，稳态时能实现无差调节，使反馈等于给定，即： un 0 或ui 0 ，两个PI调节器的输入偏差为零。 (2) 它们的输出电压应对应于第一次进入un 0 或ui 0 时的输出状态值(如 un， ui，Ud，Id，T )。这是由于PI调节器有积分、记忆功能，对过去出现过的误差信号有记忆作用。当 时， ，调节器输入为零，但由于PI调节器的积分作用，对过去出现过的误差有记忆，则积分输出不为零，维持第一次出现时 的输出值 ，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, 产生的整流电压 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。限制环流的有效办法(对策)是: (1) 要求直流电压：l 极性互顶：一桥整流、一桥逆变。 如图所示 l 大小相等 ， 即这样可以消除平均环流, 因为 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： 瞬时环流 一桥整流、一桥逆变时整流平均电压相等，但瞬时电压波形不同，瞬时电压差将引起瞬时环流，控制上要求必须同时控制平均及瞬时环流。因此环流控制策略有:（1）有环流系统l 原则： 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 原则：一桥工作（整流或逆变），一桥封锁（不工作）l 采用逻辑电路保证两桥切换的安全逻辑无环流晶闸管直流电机可逆调速系统6. 为什么脉宽调制(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动态特性?答:可控整流器-直流电动机调速系统釆用开关速度慢(300Hz)的晶闸管作开关元件, 使换流死区(晶闸管不立即响应触发信号的时间)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, 即有了更好的动态特性。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的实现手段。答: 根据电机学原理, 当异步电机端电压变化时, 机械特性发生如图改变, 即:故隨端电压1下降时, 最大转矩m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, 与负载特性的交点即运行点的滑差S增大,速度 n 降低, 实现了调压调速。实现调压调速的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电路, 从功率流向角度说清为什么是亚同步。答:由于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, 可以简单釆用有源逆变器的直流电势U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, 实现从同步速向下降低 n, 故为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如何实现速度调节? 其调节规律又如何?答: 系统调速控制量为逆变超前角, 即 变化 变化 变化 s 变 n 变。其调节规律是： (a)当 时, 串级调速系统运行于转子短接的自然特性上达最高速;(b)当 时, 速度下降; (c)为防止逆变颠覆，限定 ，即达到了最低速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的特点.答: 特点：（1）同步速 ns 随运行频率变化（2）不同频率下，特性曲线硬度相同（平行线）恒转矩特性 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）；特别适合负载转矩随转速下降而减小的负载，如风机/水泵。低频时（ ）适当提高端电压U1 ，以补偿定子电阻压降，可增大Tm ，以适当提高带负载能力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的特点。答: 特点是: 恒最大转矩运行最大转矩 Tm 不变， 与1无关。 仍为恒转矩特性（不同1 下 n相同），但线性段范围更宽。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补偿定子电阻压降。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的特点及优点答: 13.低频时如将电压作进一步补偿，除补偿掉定子漏阻抗压降外，再补偿掉转子漏阻抗压降，最后保持转子电势Er线性变化，实现 Er/f1 = C 控制. 这样, 在确定频率 下， 机械特性 为一直线； 不同频率 下，为一族平行线 并激直流电机特性14. 为何变频器供电电机转子容易发热甚至烧毁? 详细分析转子损耗的变化来说明。答: 这主要是变流器(变频器)非正弦电源中含有丰富的谐波电压(电流), 引起转子参数变化之故。 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的主要因素, 它的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, 转子发热剧烈, 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热是由基波损耗(滑差功率)引起, 而变流器(变频器)非正弦供电电机转子容易发热是谐波效应所致, 不是基波造成的结果。14变流器(变频器)非正弦供电时, 异步电机的效率如何变化? 与变流器(变频器)类型有关系否?答: 变频器非正弦供电时，谐波电流增加了损耗、降低了效率。但变化趋势与变频器型有关: 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的谐波损耗p不随负载2变化而恒定。这样: 轻载时，2小，大小固定的p影响大，多。 满载时，2大，大小固定的p影响小，少（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比例确定，而其大小随负载变。这样: 满载时，电机电流谐波增大，损耗增大，、cos 多； 轻载时，电机电流谐波量小，损耗较小，、cos 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的(成因)? 有几种形态的谐波转矩? 各有什么性质(特点)?答: 有两种形态的谐波转矩, 它们的成因及性质(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）相互作用产生的谐波转矩其性质是: 异步转矩，转矩恒定（大小、方向确定）, 其值很小（1% TN）影响可忽略。(2) 脉动转矩, 其成因是:不同次数谐波磁场(主要是幅值最大的5、7次)与基波磁场的相互作用产生.其性质是: 脉振转矩, 平均值为零, 但低频运行时单方向幅值很大, 六倍基波频谐波转矩。16为什么说交-直-交型电流源变频器具有四象限运行能力? 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，这是通过调节两桥变流器触发角大小来实现, 如图所示。这样可得如表所示的两桥控制规律: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合? 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; 但因无制动功能，不能实用要求快速加、减速的场合。（2）电流源型逆变器（CSI）因电源内阻大，多机运行将通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的场合。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？它们各有什么特点？答: (1) 异步调制：调制波频率变化时，保持载波频率恒定不变的协调控制方式。 特点： 控制方便； 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、负半周中的脉冲数也不相同，分解出的基波相位也变，将造成电机运行不稳定。 高频运行时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。 特点： 任何频率下，半周内脉冲数相同，输出电压波形稳定 低频时由于必须低压，造成脉冲稀疏，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。 特点： 低频段N大，以增加脉冲数，减少谐波。 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，如果只从调速角度单纯改变频率fl行否？为什么？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 cos、）保持在设计点上，其中关键是保证电机磁路工作点不变或按要求变。磁路工作点以每极磁通或磁密 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。否则 磁路过饱和：pFe (Bm)2 Bm cos 磁路欠饱和出力不够 从电机内、外部电量关系上： 因此电机确定后，结构参数确定（不变），则有 ，要维持m = C , 要求 El/fl = C, 即El随 fl 线性变化，但 E1为电机内部量，只能通过端电压 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的不同作用。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，它协调了系统中的频率通道与电压通道，确保了所需的磁通变化规律(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，函数发生器根据绝对转差 s，产生定子电流指令 Il *，以保证电机磁通 m 恒定，创造实现转差频率控制的条件，保证电机实现恒磁通、恒转矩控制（El/f1 = C 控制）。 其规律为：