电力拖动复习题答案Word格式文档下载.docx

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1.恒压频比控制（Us/1），由气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使常值，然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈Eg，则得，即恒压频比的控制方式。

2.恒Eg/1控制，如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子漏阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），无论频率高低，每极磁通m均为常值,即恒Eg/1控制；

3．恒Er/1控制，如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制

（可加上机械特性的分析等使更完整）

各控制的方式及其各自的特点：

（1）恒压频比（Us/1=Constant）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿

（2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=Constant，从而改善了低速性能。

但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。

3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通rm恒定进行控制，即得Er/1=Constant，而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。

3.请论述电机的恒转矩运行和恒功率运行含义。

如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。

4.试述按照中间直流环节的不同，交直交变频器的分类，并分析它们的特点。

在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器

电压源型逆变器，直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。

电流源型逆变器，直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。

两类逆变器在性能上的差异主要表现在

（1）无功能量的缓冲。

在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。

在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。

滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。

因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。

（2）能量的回馈

用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。

下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。

当电动运行时，UCR的控制角<

90，工作在整流状态，直流回路电压Ud的极性为上正下负，电流Id由正端流入逆变器CSI，CSI工作在逆变状态，输出电压的频率1>

，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。

如果降低变压变频器的输出频率1，或从机械上抬高电机转速，使1<

，同时使UCR的控制角>

90，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。

与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。

这样做，设备要复杂多了。

（3）动态响应正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。

（4）输出波形电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。

（5）应用场合电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。

采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。

（未详，详见p168）

5.请简述变频调速系统中SPWM方法及其实现依据。

按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。

这种调制方法称作正弦波脉宽调制，这种序列的矩形波称作SPWM波。

参考正弦波振荡器供给调频、调幅的正弦信号，其

频率决定逆变器输出电压的基波频率；

幅值决定输出电压的大小。

SPWM控制方式又分为单极性控制方式和双极性控制方式。

6.请论述SPWM方法中的规则采样法，其有何优点。

上图中三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc，在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断，正弦调制信号波

式中，M称为调制度，0≤a<

1；

r为信号波角频率。

从图中可得

，

则有，三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度

，根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形。

自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化，且得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

7.写出

六拍阶梯波逆变器8种工作状态与对应的开关代码，其中，ABC三相上、下桥臂的开关管排列分别为135、462。

逆变器采用180°

导通型，功率开关器件共有8种工作状态，其中6种有效开关状态；

2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：

上桥臂开关VT1、VT3、VT5全部导通，下桥臂开关VT2、VT4、VT6全部导通，开关状态和代码表表如下：

8、变频调速的异步电动机，带额定负载起动，应选用下面哪一个图中的

特性，说明理由。

（b）

（b）图，从压降补偿和不同斜率的补偿特性，未详。

9、什么是电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术？

相对于SPWM和电流滞环控制有什么优点？

交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。

如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。

这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM）控制”。

（定义简单,具体讲就很多了，p176-181）

SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形，电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，而电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，其效果应该更好；

它利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便,；

采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%（不一定完整）

10、什么是SPWM逆变器的同步调制和异步调制？

为什么要采用分段同步调制？

同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。

异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。

由于同步调制时fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；

fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受，而异步调制时当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，为克服上述缺点，把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同，即分段同步调制，这样在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；

在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。

试采用线性组合法由空间矢量

组成新的电压矢量

，按最小开关损耗原则生成

区间的三相对称电压，并画出对应电压波形。

（为

，参考p179-182页，类似）

12、结合下图解释异步电机的动态数学模型，及其为什么是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。

（）上图反映了三相异步电机的多变量非线性数学模型：

该图表明了异步电机数学模型的下列具体性质：

异步电机可以看作一个双输入双输出的系统，输入量是电压向量和定子输入角频率，输出量是磁链向量和转子角速度。

电流向量可以看作是状态变量，它和磁链矢量之间有由式（5-76）确定的关系。

非线性因素存在于?

1（•）和?

2（•）中，即存在于产生旋转电动势er和电磁转矩Te两个环节上，还包含在电感矩阵L中，旋转电动势和电磁转矩的非线性关系和直流电机弱磁控制的情况相似，只是关系更复杂一些。

多变量之间的耦合关系主要也体现在?

2（•）两个环节上，特别是产生旋转电动势的?

1对系统内部的影响最大

（）1）异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。

在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。

因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。

由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。

这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。

3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。

总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统.

请推导出2s/2r变换的变换阵。

从两相静止坐标系到两相旋转坐标系M、T变换称作两相—两相旋转变换，简称2s/2r变换，两个坐标系画在一起，即得下图

两相交流电流i、i和两个直流电流im、it产生同样的以同步转速1旋转的合成磁动势Fs。

由于各绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示M，T轴和矢量Fs（is）都以转速1旋转，分量im、it的长短不变，相当于M，T绕组的直流磁动势。

但、轴是静止的，轴与M轴的夹角随时间而变化，因此is在、轴上的分量的长短也随时间变化，相当于绕组交流磁动势的瞬时值。

由图可见，i、i和im、it之间存在下列关系：

和，

写成矩阵形式，得

，式中

对式两边都左乘以变换阵的逆矩阵，即得

即得两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵：

14、根据下图分析异步电机在任意旋转速度dq坐标系下的电压方程。

根据上图得到异步电机在任意旋转速度dq坐标系下的电压方程，略去零轴分量后，可写成

其中dq坐标系下磁链方程

式中——dq坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感

——dq坐标系定子等效两相绕组的自感

——dq坐标系转子等效两相绕组的自感。

请叙述异步电机矢量控制的基本原理。

以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i、i，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im和it，如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，通过控制，可以使交流电机的转子总磁通r就是等效直流电机的磁通，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im相当于励磁电流，T绕组相当于伪静止的电枢绕组，it相当于与转矩成正比的电枢电流。

把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到异步电动机的坐标变换结构图，从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电机。

从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im和it输入，由输出的直流电机。

模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。

由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统，控制系统的原理结构如下图所示：

可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图5-53中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。

16.请分析在异步电机矢量控制系统中常用的两种转子磁链模型。

根据描述磁链与电流关系的磁链方程计算转子磁链，得出的模型为电流模型：

在两相静止坐标系上的转子磁链电流模型,整理得：

在两相旋转坐标系上的转子磁链电流模型（详p210，此未列出），和在两相静止坐标系上的转子磁链模型相比，这种模型更适合于微机实时计算，容易收敛，也比较准确；

电流模型特点：

转子磁链电流模型的应用较普遍，但也都受电机参数变化的影响，例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻Rr，从而改变时间常数Tr，磁饱和程度将影响电感Lm和Lr，从而Tr也改变。

这些影响都将导致磁链幅值与相位信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低。

根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型叫电压模型（详见p211,式6-144,145，未列出）

电压模型特点：

电压模型只需要实测的电流和电压信号，不需要转速信号，且算法与转子电阻无关，只与定子电阻有关，它是容易测得的。

与电流模型相比，电压模型受电动机参数变化的影响较小，而且算法简单，便于应用。

但由于电压模型包含纯积分项，积分的初始值和累积误差都影响计算结果，低速时，定子电阻压降变化的影响也较大。

电压模型适合中、高速范围，而电流模型能适应低速。

17.请分析直接转矩控制系统的优缺点。

优点：

1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。

2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。

如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。

3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应。

缺点：

1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。

2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。

这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。

18、根据下式分析同步电机转矩的组成。

第一项npLmdIfiq是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩，是同步电动机主要的电磁转矩。

第二项np（Lsd-Lsq）idiq是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称作反应转矩或磁阻转矩，这是凸极电机特有的转矩，在隐极电机中，Lsd=Lsq，该项为0。

第三项np（LmdiDiq–LmqiQid）是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩，如果没有阻尼绕组，或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流，该项都是零，只有在动态中，产生阻尼电流，才有阻尼转矩，帮助同步电动机尽快达到新的稳态。

19、请给出永磁同步电机矢量控制的数学模型，并解释各方程的含义。

动态电压方程式：

式中前三个方程是定子A、B、C三相的电压方程，第四个方程是励磁绕组直流电压方程，永磁同步电动机无此方程，最后两个方程是阻尼绕组的等效电压方程。

磁链方程：

在两相同步旋转（d-q）坐标系上的磁链方程为

式中Lsd—等效两相定子绕组d轴自感，Lsd=Lls+Lmd；

Lsq—等效两相定子绕组q轴自感，Lsq=Lls+Lmq；

Lls—等效两相定子绕组漏感；

Lmd—d轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步

电动机原理中的d轴电枢反应电感；

Lmq—q轴定子与转子绕组间的互感，相当于q轴

电枢反应电感；

Lrf—励磁绕组自感，Lrf=Llf+Lmd；

LrD—d轴阻尼绕组自感，LrD=LlD+Lmd；

LrQ—q轴阻尼绕组自感，LrQ=LlQ+Lmq；

转矩和运动方程：

整理后得

其中第一项npLmdIfiq是转子励磁磁动势和定子电枢反应磁动势转矩分量相互作用所产生的转矩。

第二项np（Lsd-Lsq）idiq是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩，称作反应转矩或磁阻转矩，第三项np（LmdiDiq–LmqiQid）是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩

20、与异步电机相比，同步电机调速系统有哪些特点。

1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子电源频率f1有确定的关系

异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差s；

同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差s=0。

2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。

3）同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。

4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。

但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。

5）异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。

同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。

当cos=1.0时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。

6）由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。

7）异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。

21如何将dq坐标定义成为MT坐标？

22.分析异步电机矢量控制中的FAIOMIGA系统解耦的条件。

1.什么是调速系统的思想线运行？

试分析采用两组晶闸管装置反并联的V-M系统四象限运行的工作状态。

2.、试分析比例控制和积分控制的优缺点，在调速系统中为什么常采用比例－积分（PI）调节器控制？

3、请分析采用PI控制的双闭环直流调速系统起动过程。

4、反馈控制的规律

5、数字测速方法及特点

6、常用的数字滤波方法

7、数字PI调节器的种类及特点