机电运动控制系统离线作业答案必2017.doc

浙江大学远程教育学院机电运动控制系统课程作业（必做）姓名：学 号：年级：2015年春学习中心：广东（珠海）1. 直流电机有哪些调速方法? 根据其速度公式说明之, 并说明如何釆用电力电子手段实现。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 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. 画出双闭环晶闸管直流电动机不可逆调速系统电原理图（非方块图），须清楚表达两个闭环的关键元件，写出各部分名称，标注有关信号量；指出两闭环连接上的特点及相互关系。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. 分析双闭环晶闸管直流电动机不可逆调速系统： (1) 如果要改变转速，应调节什么参数？为什么？(2) 如要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节什么参数？为什么？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. 填空 :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. 在转速、电流双闭环系统中，速度调节器有哪些作用？其输出限幅值应按什么要求来调整？电流调节器有哪些作用？其输出限幅值应如何调整？ 答： 速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障： 调速精度，做到静态无差； 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： 精确满足负载转矩大小要求(通过电流控制)； 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 min max 来调整。 6. 双闭环调速系统正常工作时，调节什么参数可以改变电动机转速？如果速度闭环的转速反馈线突然断掉，会发生什么现象？电动机还能否调速？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 unug 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. 以双闭环直流调速系统两个闭环之间连接上的特点及各个闭环的功能为依据，详细解释下图所示 从静止起动至给定转速ng并带负载（以负载电流IL表示）的过程，即说明(1)、(2)、(3) 阶段转速n、电枢电流id 的变化规律。，至此启动过程结束。 答: (1) 起动l 特征： id 由 （限幅值） ST、LT全部饱和限幅，蜕化为限幅器，系统实为速度、电流双开环l 过程 电机静止， 给定 突加， 很大，ST饱和， 输出限幅，无PI调节作用 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 。 因转子惯性，(2) 加速l 特征 恒定（电流调节结果，非限幅） ST饱和限幅，LT作PI调节，实为电流单闭环系统。l 过程 很大ST仍饱和限幅，无调节作用。 ST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” 动态平衡过程：随 并维持不变 电机以恒定 加 速，(3) PI调节至稳定l 特征 转速稳定至 ，电流稳定至 （对应 ）； ST、LT均作PI调节，真正速度、电流双闭环工作。l 过程 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。 故以 进入(3)，会用 驱动而加速过头，出现 转速超调超调时 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 。 由于电磁惯性， 可能达 电机进入制动 回升， 重新回到（平衡） 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. 在直流可逆调速系统中，主回路为何需要双桥反并联？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. 图示为直流电动机脉宽调制(PWM)调速系统主电路(H型桥)，各功率开关元件编号及电机反电势Ea方向如图。当采用双极性脉宽调制时: 画出VTl VT4 基极控制信号ubl ub4及电机端电压Ua波形； 说明为何叫双极性？如何实现正、反转？何时速度为零？答:正半周（ ）电机电压UA 0（BA） 负半周（ ）电机电压UA 0（AB） 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 ），方便:VTl VT4 基极信号ubl ub4及电机端电压Ua波形10. 图示为直流电动机脉宽调制(斩波)调速系统主电路(H型桥)，各功率开关元件编号及电机反电势Ea方向如图。当采用双极性脉宽调制时,分析: 不同时刻的导通元件及导通原因; 画出各阶段的电流路径及维持电流的源泉(电源电压、电枢反电势、自感电势等) 电机运行状态(电动、能耗制动、再生制动、反接制动等)及其原因。答：工作过程（设 ）（1） 在 作用下，形成电流路径 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 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 同向再生制动（能量回馈电源 ）直至（ ） ，路径断流VT1、VT4得以导通，进入下一周期l 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异步电机有哪些调速方法？ 从转速公式上进行分类说明。这些调速方法又各采用什么样的电力电子手段来实现？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: 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。 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： 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。 转子串电阻调速，仅适合绕线式异步电机。 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。 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鼠笼式异步电机采用调压调速时，适合拖动什么样的负载？为什么？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 = S PM 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 交直交变频调速系统：（1）六阶梯波逆变器中， 改变Ul 依靠调节可控整流器的移相触发角来实现， 改变f1依靠调节逆变器晶闸管换流快慢(频率) 来实现， 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， 改变Ul 依靠调节正弦调制波幅值来实现，改变f1依靠调节正弦调制波频率来实现，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变流器非正弦供电对电机运行性能有何影响？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，cos 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（1520）% (3)转子参数:谐波滑差 Sk = 1 ，转子频率 f2 = Sk f1 = 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cos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: 电压源型逆变器供电时, 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, 造成: 轻载时，多；满载时，少（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，、cos多； 轻载时，损耗较小，、cos少。(6) 谐波转矩 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。 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.15. 在设计及选用变流器非正弦供电电机时, 应作如何考虑？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： 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。 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。16. 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，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 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， 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； 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51反转，基波旋转磁场以1正转，两者相对速度为 61。 7次谐波转子电流（磁势）以71正转，基波旋转磁场以1正转，两者相对速度为61。均产生出六倍频谐波转矩。17变频调速系统中，逆变器有电压源逆变器（VSI）及电流源逆变器（CSI）之分，试从以下三方面对比说明其差异，并详细说明其理由：答: (1) 直流环节所用滤波元件及造成的电源内阻特性上： 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。 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。 功率开关元件导通型式及造成的输出电压、电流特性上： 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。 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。 拖动多机及四象限运行能力上： 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 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. 在 采用六阶梯波 ( 方波 ) 逆变器构成的交一直一交变频调速系统中，分别阐述： 改变电机端电压依靠调节什么来实现？ 改变电机运行频率依靠调节什么来实现？ 改变电机转向又是依靠什么来实现？ 答： 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； 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； 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. 按电压与频率协调控制的实现方式区分,交直交变频器有几种结构形式? 图示说明。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. 在采用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，分别阐述： 改变电机端电压依靠调节什么来实现？ 改变电机运行频率依靠调节什么来实现？ 改变电机转向又是依靠什么来实现？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： 改变电机端电压依靠调节正弦调制波幅值来实现； 改变电机运行频率依靠调节正弦调制波频率来实现； 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. PWM型变频器输出电压的幅值和频率是如何调节的？分别就正弦脉宽调制(SPWM)和磁链追踪控制(SVPWM)两种不同方式作出说明。答： (1) SPWM： 改变正弦调制波的频率，调节PWM波脉宽变化周期，即频率； 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 设基频为基频以下 ：采用零矢量控制 磁链圆大小恒定-恒磁通控制基频 ：不用零矢量，有效矢量作用时间额定基频以上 ：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: 9. 脉宽调制(PWM)变频器与方波(六阶梯波) 变频器相比有何优点？正弦脉宽调制(SPWM)变频器如何获得正弦脉宽的输出电压？又如何实现输出频率和输出电压大小的调节。 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。异步电机变频调速时，电机端电压应如何变化? 图示说明之答: Ul随频率f1的变化规律是: (1) 基频以下 ( f1 f1N): 釆用Ul/fl = C 控制, 确保恒磁通控制, 实现恒转矩运行。但在f1 f1N): 保持Ul= C, 则隨 f1上升, U1N/ f1下降, 电机作弱磁控制, 实现恒功率运行。24. 画出频率开环、电压源(SPWM)逆变器异步电机变频调速系统原理图(包括详细的主电路、控制电路)，说明 主功率开关器件旁为何必须反并联续流二极管？ 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