浙大远程机电运动控制系统离线作业必答案.docx

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浙大远程机电运动控制系统离线作业必答案

浙江大学远程教育学院

《机电运动控制系统》课程作业答案（必做）

1.答:

根据直流电机速度公式,有

（1）电枢电压Ua控制－调压调速（向下调速）

采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电和自关断器件H型桥脉宽调制（PWM）供电等方式,其损耗小，控制性能好。

（2）磁场φ控制－弱磁（向上调速）,采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电励磁控制。

（3）由于运行损耗大、效率低,一般不再釆用串Ra调速。

2.答:

双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图如下：

两闭环连接上的关系是速度调节器的输出作为电流调节器的输入，这就使得该系统具有由速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流的特点。

3.答:

（1）改变转速时只能改变速度调节器的输入ug，因为它是速度环的指令信号。

改变速度调节器的参数对稳态速度无调节作用，仅会影响动态响应速度快慢。

（2）要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节速度调节器的输出限幅值。

因为速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流。

4.答:

双闭环晶闸管━直流电动机调速系统中，内环为＿电流＿环，外环为＿速度＿环，其连接关系是：

速度调节器＿的输出作为＿电流调节器＿的输入，因此外环调节器的输出限幅值应按＿＿调速系统允许最大电流＿来整定；内环调节器的输出限幅值应按＿可控整流器晶闸管最大、最小移相触发角＿来整定。

两调节器均为＿PI＿型调节器，调速系统能够做到静态无差是由于调节器具有＿积分（记忆）＿功能；能实现快速动态调节是由于调节器具有＿饱和限幅＿＿功能。

5.答：

速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障：

①调速精度，做到静态无差；②机械特性硬，满足负载要求。

速度调节器输出限幅值应按调速系统允许最大电流来调整，以确保系统运行安全（过电流保护）

电流调节器实现对电流的控制，以保障：

①精确满足负载转矩大小要求（通过电流控制）；②调速的快速动态特性（转矩的快速响应）。

电流调节器的输出限幅作为可控整流器晶闸管的移相触发电压，其限幅值决定了触发角的移相范围，故应按αmin―αmax来调整。

6.答：

（1）双闭环调速系统正常工作时，只有调节速度给定信号ug才可以改变电动机转速。

而改变速度调节器的参数（如比例系数、积分时间常数）均无作用，改变负载大小也不能影响转速，因为是速度闭环系统，不论负载大小均速度无差。

（2）转速反馈线突然断掉时，ufn＝0，使△un＝ug－ufn＝ug很大，速度调节器饱和限幅输出，调速系统以最大电流、最大转矩加速，直至电磁转矩与负载转矩、阻尼转矩相平衡，达到最高转速而恒定，故电动机不可调速。

7.答:

（1）起动

●特征：

①id由（限幅值）

②ST、LT全部饱和限幅，蜕化为限幅器，系统实为速度、电流双开环

●

过程

①电机静止，

给定突加，很大，ST饱和，输出限幅，无PI调节作用

②电流给定为限幅值→对应电流指令；但电流未建立，，LT输入，LT饱和，输出限幅，推，至使。

③因转子惯性，

（2）加速

●特征

①恒定（电流调节结果，非限幅）

②ST饱和限幅，LT作PI调节，实为电流单闭环系统。

●

过程

①很大→ST仍饱和限幅，无调节作用。

②ST输出为限幅值→使LT以为指令值→电流闭环不断调节整流触发角→动态地保持，维持与给定无差——“动态平衡”

③动态平衡过程：

随

并维持不变

④电机以恒定加速，

（3）PI调节至稳定

●特征

①转速稳定至，电流稳定至（对应）；

②ST、LT均作PI调节，真正速度、电流双闭环工作。

●过程

①首先分析进入本阶段开始点的初值情况

A．速度：

上阶段末加速至输入；但PI型ST的积分（记忆）作用使ST输出→仍暂作饱和输出→电流指令为。

B．电流：

上阶段末，与指令相同

PI型LT的积分（记忆）作用使LT输出→迫使移至能产生的位置。

②故以进入（3），会用驱动而加速过头，出现——转速超调

③超调时调节器反向积分→ST退出饱和，进入PI调节命令输出

其中时，（超调）最大，以后。

④由于电磁惯性，可能达电机进入制动

回升，重新回到

（平衡）

⑤经几次振荡，PI调节达平衡虽，但PI调节器积分记忆功能使→推至适当位置→产生合适Ud、Id、T→保证系统静态无差运行。

8.答:

在直流可逆系统中，要求电磁转矩具有两种方向，以实现四象限运行

单桥只能提供单一方向电枢电流→产生单一方向电磁转矩;

双桥反并联才能提供两个方向电枢电流，产生两个方向电磁转矩，构成可逆系统主电路。

9.答:

正半周（）电机电压UA>0（B→A）

负半周（）电机电压UA<0（A→B）

即一个周期内可获得两个方向电压极性，称双极性。

正/反转控制只需改变t1位置（占空比γ），方便:

VTl～VT4基极信号ubl～ub4及电机端电压Ua波形

10.答：

工作过程（设）

（1）

在作用下，形成电流路径Ⅰ

→反向→电机作电动运行

（2）

→VT1、VT4断，切断电源；

→应VT2、VT3通，

→但电枢电感自感电势作用

维持电流方向不能突变→VD2、VD3通→

续流→VT2、VT3反偏，断→形成电流

路径Ⅱ→与反向→电机仍作电动运行

→使很快衰减为零，为换向创造

条件（设在时刻断流）。

（3）

时刻路径Ⅱ断流→VD2、VD3断

→VT2、VT3反偏消失，通→

在（）作用下产生大值冲击电流

形成电流路径III→

同向→电机作反接制动至下周期

（）时刻

（4）

→但在续流及反电势

共同作用下电流方向不变→

VD1、VD4通→形成电流路径Ⅳ→

同向→再生制动（能量回馈电源）

→直至（），路径Ⅳ断流

→VT1、VT4得以导通，进入下一周期

●

输出电压

一周期内瞬时电压为双极性方波，平均值

负载电压系数

11．答:

异步电机调速方法可按其速度公式来分类：

（1）变同步速调速,具体有:

①变频调速。

可采用直-交变换的逆变器戓交-交变频器改变电机供电频率fl。

②变极调速。

需同时改变定、转子极对数，故只适合鼠笼式异步电机。

（2）变滑差S调速。

这是一种改变转子滑差功率消耗的调速方式。

具体有：

①交流调压调速采用双向晶闸管构成的交流固态调压器实现。

②转子串电阻调速，仅适合绕线式异步电机。

③串级调速，绕线式异步电机转子中串入与转子同频的电势吸收或补充滑差功率来实现速度的调节，采用不控整流器一有源逆变器装置。

④双馈调速，绕线式异步电机转子中采用功率可双向流动变频装置，实现同步速上、下的调速和四限象运行。

12．答:

鼠笼式异步电机采用调压调速时，适合于拖动风机、水泵类负载，这类负载的转矩与转速平方成正比，功率与转速三次方成正比。

调压调速的特性与这类负载特性很匹配，主要从转子发热能通过来考虑。

用于调压调速的异步电机应是高转子电阻电机（高滑差电机，转子串电阻绕线式异步电机）,这是基于以下考虑:

（1）限制转子发热（滑差功率消耗型调速）：

转子发热与滑差消耗有关，而Ps=SPM与S,即调速范围有关。

而风机/水泵调速范围不宽（100～70%），两者特性相配

（2）高转子电阻能软化异步电机的T-S曲线，扩大调速范围

13．答:

交－直－交变频调速系统：

（1）六阶梯波逆变器中，①改变Ul依靠调节＿可控整流器的移相触发角＿＿来实现，

②改变f1依靠调节＿逆变器晶闸管换流快慢（频率）＿＿＿来实现，

③改变电机转向依靠改变＿逆变器晶闸管触发脉冲的分配规律＿来实现。

（2）在正弦脉宽调制型SPWM逆变器中，①改变Ul依靠调节＿正弦调制波幅值＿来实现，

②改变f1依靠调节＿正弦调制波频率＿来实现，

③改变电机转向依靠改变＿逆变器开关元件驱动脉冲的分配规律＿

＿来实现。

14.答:

异步电机非正弦供电下，存在两种谐波转矩：

（1）恒定谐波转矩，①性质：

＿＿（a）异步转矩性质。

＿（b）恒定转矩，但数值很小，其影响可忽略＿＿

②产生机理是＿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＿＿。

（2）交变谐波转矩，①性质：

（a）＿＿脉振转矩（基波的六倍频）＿＿

（b）非恒定转矩（不同极对数磁场作用产生），平均值为零，（c）但低速（低频）时脉动幅值大，会造成噪声、振动，影响大＿＿＿＿＿＿；

②产生机理＿不同次数谐波磁场与基波磁场的相互作用结果。

幅值最大低次（5、7次）谐波电流→建立5、7次谐波磁场→转子中感应出5、7次转子谐波电流。

其中

5次谐波转子电流（磁势）以5ω1反转，基波旋转磁场以ω1正转，两者相对速度为

6ω1。

7次谐波转子电流（磁势）以7ω1正转，基波旋转磁场以ω1正转，两者相对速度为6ω1。

均产生出六倍频谐波转矩＿＿。

15．答：

变流器非正弦供电对电机运行性能的影响有:

（1）磁路工作点:

使六阶梯波电压源供电电机气隙磁密比正弦波供电时大10%,磁路将饱和，使力能指标η↓，cosΦ↓

设计非正弦电压源供电电机时，其磁路设计和空载试验须提高电压10%，以计及谐波磁场的饱和效应

（2）电流中的谐波将使槽电流增大（1.1倍），槽磁势增大，漏磁路饱和，使定子漏抗减小（15~20）%

（3）转子参数:

谐波滑差Sk=1，转子频率f2=Skf1=f1为高频，转子集肤效应严重。

转子电阻增大；转子电流挤向槽口，分布不均，槽漏抗减小。

（4）功率因数:

电流谐波→增大电流有效值→提高磁路饱和程度→增加励磁电流→cosφ降低

（5）损耗与效率:

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:

①电压源型逆变器供电时,谐波电流大小及产生的谐波损耗Δp不随负载Ρ2变化而恒定,造成:

轻载时，η↓多；满载时，η↓少（2%）

②电流源型逆变器供电时,电流中各次谐波含量比例确定，大小随负载变,造成:

满载时，损耗增大，η、cosΦ↓多；

轻载时，损耗较小，η、cosΦ↓少。

（6）谐波转矩

①恒定谐波转矩

气隙磁通中谐波磁通与在转子中感应出同次谐波电流相互作用产生的异步性质谐波转矩,其值恒定但很小（1%TN）,影响可忽略。

②脉动转矩

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出六倍频谐波转矩.其性质为脉振转矩,平均值为零。

（7）电应力——非正弦电压波形上电压变化梯度大,绕组进线第一匝电容小、容抗大，将承受40%的过电压（电位梯度），使绝缘因电晕而老化、击穿。

（8）轴电流:

零序电压U0作用在零序回路上,形成流过轴、轴承的轴电流.变频器供电时，其中谐波电压频率高，容性零序阻抗小，轴电流大。

流过轴承，破坏油膜稳定生成，形成干磨擦，烧毁电机，成为变频电机常烧轴承的原因.

16.答:

在设计及选用变流器非正弦供电电机时,应考虑的对策是：

①电压源型变流器供电时,因变频器输出电压谐波含量确定，要设计或选用漏抗大电机来限制谐波电流的产生恶果。

②电流源型变流器供电时,因变频器输出电流谐波含量确定，要设计或选用漏抗小电机来限制谐波电压的产生及恶果。

17．答:

（1）直流环节所用滤波元件及造成的电源内阻特性上：

①电压源型逆变器:

采用大电容滤波，逆变器电源内阻呈现低内阻特性，使输出电压不随负载电流改变而稳定。

②电流源型逆变器:

釆用大电感滤波，逆变器电源内阻呈现高内阻特性，使输出电流稳定，输出电压随负载电流变。

⑵功率开关元件导通型式及造成的输出电压、电流特性上：

①电压源型：

180度导通型（每管导通半周期）,换流在同相上、下桥臂元件间进行，任何时刻均有三管导通，使三相电压确定。

②电流源型：

120度导通型（每管导通1/3周期）,换流在同组（共阳或共阴组）的三相元件间进行，任何时候只有两管导通，使三相电流确定。

⑶拖动多机及四象限运行能力上：

①电压源型：

大电容滤波，直流母线电压极性不能改变，两桥开关元件单向导电性决定了直流电流流向不能变，功率只能从电网流向电机，电机只能作电动运行，故无四象限运行能力

②电流源型：

虽两桥开关元件单向导电性决定直流电流流向不能改　变，但大电感滤波下直流母线电压极性允许改变，故有四象限运行能力。

18.答：

①改变电机端电压依靠调节可控整流器的输出直流电压来实现；

　　②改变电机运行频率依靠调节逆变器晶闸管换流快慢（频率）来实现；

　　③改变电机转向又是依靠逆变器晶闸管触发脉冲的分配来实现。

19.答:

（1）可控整流器调压+逆变器变频形式:

釆用可控整流器相控调压,改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频。

（2）不控整流器整流+斩波器调压+逆变器变频形式:

釆用不控整流改善输入特性,但输出直流电压Ud恒定，故采用斩波器脉宽调制调压;仍釆用六脉波逆变器,改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频,但输出特性差。

（3）不控整流器整流+PWM逆变器调压/变频形式:

逆变器采用高频自关断器件,提高逆变器开关频率，使最低次谐波频率提高,削弱了谐波负面影响;同时釆用正弦脉宽调制（PWM）控制，使输出电压以正弦基波为主,大大改善了输出特性。

20.答：

　采用SPWM（正弦脉宽调制）逆变器构成的交一直一交变频调速系统中：

　①改变电机端电压依靠调节正弦调制波幅值来实现；

　②改变电机运行频率依靠调节正弦调制波频率来实现；

　③改变电机转向又是依靠改变三相正弦调制波的相序来实现，也可认为是通过变化逆变器功率开关元件的分配次序来实现。

21.答：

（1）SPWM：

①改变正弦调制波的频率，调节PWM波脉宽变化周期，即频率；

②改变正弦调制波的幅值，调节PWM波脉冲宽度，即电压大小

（2）SVPWM

设基频为

①基频以下：

采用零矢量控制磁链圆大小恒定

---恒磁通控制

②基频：

不用零矢量，有效矢量作用时间额定

③基频以上：

不用零矢量，减少有效矢量作用时间——磁链圆变小（弱磁控制），转速变快

22.答:

脉宽调制（PWM）变频器与方波（六阶梯波）变频器相比优点是输出特性好，即输出基波成分大、谐波成分小，特别是谐波高频化，无低次谐波，因而易于滤波。

正弦脉宽调制（SPWM）变频器要获得正弦脉宽的输出电压可采用自然采样法的调制技术，即采用正弦调制波与等腰三角形载波相交、交点决定逆变器功率器件开关时刻的方式得到正弦脉宽的输出电压。

调节正弦调制波的频率可实现逆变器输出频率的调节，调节正弦调制波的幅值可实现逆变器输出电压大小的调节。

23.答:

Ul随频率f1的变化规律是:

（1）基频以下（f1

釆用Ul/fl=C控制,确保恒磁通控制,实现恒转矩运行。

但在f1<5Hz下要对定子电阻压降作补偿,确保El/fl=C的恒磁通条件。

（2）基频以上（f1>f1N）:

保持Ul=C,则隨f1上升,Φ∝U1N/f1下降,电机作弱磁控制,实现恒功率运行。

24.答:

频率开环、电压源（SPWM）逆变器—异步电机变频调速系统原理如右图所示。

由于异步电机是一种需要感性无功功率的交流电机，电机电流落后于电压。

为给落后的感性无功电流提供通路，必须在逆变器主功率开关器件旁反并联续流二极管。

25.答:

（1）控制系统分为频率控制通道和电压控制通道，其总信号为速度给定。

速度给定的正、负分别表示正、反转，速度给定绝对值代表速度高低。

为避免给定突变引起电流、转矩的冲击，采用给定积分器将阶跃给定变为斜坡给定。

为简化频率通道及电压通道的运算，可将速度给定的大小和极性分离，采用绝对值电路提取速度给定的大小来进行控制运算，用转向判别器提取转向标志来干预转向控制。

进入频率通道的转速绝对值经V/f变换器变成运行频率信号，作为正弦调制波的频率给定值，与三角形载波相交生成SPWM波调制信号。

而正弦调制波的幅值大小则由电压通道产生和给定。

但三角载波频率决定于调制控制方式（异步调制、同步调制、混合同步调制），故需从调制方式控制决定载波频率，通过三角波发生器产生三角载波，与正弦调制波一起送进PWM调制生成PWM驱动信号，送入脉冲分配器再根据转向信号决定逆变器各功率开关信号分配，控制电机按给定转向和转速运行。

为确保变频运行时电机磁路工作点不变或按要求变化，进入电压控制通道的转速绝对值必须通过一称之为函数发生器的电路，按基频以下恒U1/fl=C（恒磁通）控制、基频以上U1=UlN（弱磁）控制。

这是一个协调两通通控制的单元，其输入f1、输出U1关系如下图所示。

函数发生器的输出电压U1须经电压闭环控制以确保电压U1严格按要求控制，然后再送至正弦波发生器控制正弦调制波幅值。

因而电压通道还包括电压检测及电压调节器两个部件。

（2）SPWM调制控制是通过在正弦波发生器中正弦波的频率设定（V/f变换器）和函数发生器生成的正弦调制波电压大小的分别控制实现变频和调压的。