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〕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；电流断续区那么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下图: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。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。解决方法：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那么是: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。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ωr，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(给定与反应之差)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，使反应等于给定，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，α，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，那么积分输出不为零，维持第一次出现时的输出值，进而维持〔无差〕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。限制环流的有效方法(对策)是:(1)要求直流电压：极性互顶：一桥整流、一桥逆变。如下图大小相等，即这样可以消除平均环流,因为①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：②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〕有环流系统原那么：无平均环流，限制瞬时环流做法：一桥整流、一桥逆变，；电抗器L、L，〔非平波电抗器L〕限制瞬时环流〔2〕无环流系统原那么：一桥工作〔整流或逆变〕，一桥封锁〔不工作〕采用逻辑电路保证两桥切换的平安——逻辑无环流晶闸管直流电机可逆调速系统为什么脉宽调制(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。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Ｕ1下降时,最大转矩Ｔm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。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Uβ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。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β,即β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，即到达了最低速.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①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。②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:①恒最大转矩运行——最大转矩Tm不变，与ω1无关。②仍为恒转矩特性〔不同ω1下Δn相同〕，但线性段范围更宽。③低频时起动转矩TQ比额定频率起动转矩TQN大。低频起动时，小→小→转子电流有功分量〔〕大→产生起动转矩大；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。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: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=Skf1=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)2R2k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:①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Δp不随负载Ρ2变化而恒定。这样:●轻载时，Р2小，大小固定的Δp影响大，η↓多。●满载时，Ρ2大，大小固定的Δp影响小，η↓少〔2%〕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，η、cosФ↓多；●轻载时，电机电流谐波量小，损耗较小，η、cosФ↓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〔鼓励〕→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:①异步转矩，转矩恒定〔大小、方向确定〕,②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:①脉振转矩,平均值为零,但低频运行时单方向幅值很大,②六倍基波频谐波转矩。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,如下图。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：①控制方便；②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。③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：①任何频率下，半周内脉冲数相同，输出电压波形稳定②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：①低频段N大，以增加脉冲数，减少谐波。②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cosФ、η〕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Ф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。否那么①磁路过饱和：pFe∞(Bm)2↑→η↓Bm↓→cosφ↓②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〕，那么有，要维持Фm=C,要求El/fl=C,即El随fl线性变化，但E1为电机内