电力传动控制系统运动控制系统习题解答.pdf

“电力拖动控制系统”习题解答 1 第 1 章 电力传动控制系统的基本结构与组成 1. 根据电力传动控制系统的基本结构简述电力传动控制系统的基本原理 和共性问题。 答电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式由于电 力传输和变换的便利使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。电力传动 控制系统的基本结构如图 1-1 所示一般由电源、变流器、电动机、控制器、传 感器和生产机械负载组成。 图1-1 电力传动控制系统的基本结构 电源 变流器电动机负载控制器 传感器 控制指令 电力传动控制系统的基本工作原理是根据输入的控制指令比如速度或 位置指令 与传感器采集的系统检测信号速度、位置、电流和电压等 经过 一定的处理给出相应的反馈控制信号 控制器按一定的控制算法或策略输出相应 的控制信号控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等使电动机改变 转速或位置再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动故又称为运动 控制系统。 虽然电力传动控制系统种类繁多但根据图 1-1 所示的系统基本结构可以 归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题 1电动机的选择。电力传动系统能否经济可靠地运行正确选择驱动生产 机械运动的电动机至关重要。应根据生产工艺和设备对驱动的要求选择合适的 电动机的种类及额定参数、绝缘等级等然后通过分析电动机的发热和冷却、工 作制、过载能力等进行电动机容量的校验。 2变流技术研究。电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的如直流 电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向 而调速需要改变电 枢电压或励磁电流的大小交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等 因此变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。 3系统的状态检测方法。状态检测是构成系统反馈的关键根据反馈控制 “电力拖动控制系统”习题解答 2 原理需要实时检测电力传动控制系统的各种状态如电压、电流、频率、相位、 磁链、转矩、转速或位置等。因此研究系统状态检测和观测方法是提高其控制 性能的重要课题。 4控制策略和控制器的设计。任何自动控制系统的核心都是对控制方法的 研究和控制策略的选择电力传动控制系统也不例外。根据生产工艺要求研发 或选择适当的控制方法或策略是实现电力传动自动控制系统的主要问题。 2直流电动机有几种调速方法其机械特性有何差别 答直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系为 aa e URI n C 考虑到他励直流电动机电枢电流与电磁转矩 e T的关系 eTa TCI可以将其机械 特性写成如下形式 0e nnT 式中 0ae /nUC称作理想空载转速 2 eT /R C C为机械特性的斜率。 由上式可知有以下三种调节直流电动机转速的方法 1改变电枢回路电阻R图 1-2 。 R1 s1 s2 s1 s2 n01 n02 图4-17 恒压频比控制变频调速的机械特性 2恒定子电动势频比控制模式 再次分析图 4-15 的等效电路可以发现假如能够提高定子电压以完全补偿 定子阻抗的压降就能实现恒定子电动势频比的控制模式即有 gs /=E常值 其机械特性如图 4-18 所示。可见最大电磁转矩因 gs /E保持恒值而不变而 特性曲线从额定曲线平行下移 这说明采用恒 gs /E控制模式的系统稳态性能优 于恒 ss /U控制模式。 n O Te n01 Tem s1 sN s1 s2 s3 s2 s3 sN n02 n03 n0N s 图4-18 恒Eg /s控制模式的系统稳态特性 3恒转子电动势频比控制模式 进一步研究图 4-15 的等效电路可以设想如果能够通过某种方式直接控制 转子电动势使其按照恒转子电动势频比进行控制即有 rs /=E常值。当采用 这种控制模式时异步电动机的机械特性将是一条下斜的直线如图 4-19 可 获得与直流电动机相同的稳态性能。 这也正是高性能交流调速系统想要达到的目 “电力拖动控制系统”习题解答 37 标。 sN s1 s2 s3 n0N n01 n02 n03 n sN s1 s2 s3 Te O s 图4-19 恒Er /s控制模式的系统稳态特性 比较以上三种控制模式显然恒 ss /U控制模式最容易实现但系统性能一 般调速范围有限适用于对调速要求不太高的场合如风机、水泵的节能控制 等恒 gs /E控制模式因其定子压降得到完全补偿在调速过程中最大电磁转矩 保持不变系统性能优于前者但其机械特性还是非线性的输出转矩的能力仍 受一定限制恒 rs /E控制模式能获得与直流电动机一样的线性机械特性其动 静态性能优越适用于各种高性能要求的电力传动场合但其控制相对复杂。 2基频以上的恒压变频调速 在基频 sN f以上变频调速时由于定子电压不宜超过其额定电压因此一般 需采取 ssN UU不变的控制策略。当角频率 s 提高时同步转速随之提高最大 转矩减小机械特性上移而形状基本不变如图 4-20 所示。由于频率提高而 电压不变气隙磁通势必减弱导致转矩的减小但转速却升高了可以认为输 出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速图 4-21 。 “电力拖动控制系统”习题解答 38 n O Te nsN sN s1 s2 s3 ns1 ns2 ns3 s3 s2 s1 sN 图4-20 基频以上恒压变频调速的机械特性 恒转矩调速恒转矩调速恒转矩调速 Us UsNUsN mN m 恒功率调速恒功率调速 m Us O m Us O s sN 图4-21 异步电动机变频调速控制特性 5. 交流调速矢量控制系统的基本思想是什么为何采用矢量控制可以使 交流调速系统达到与直流调速系统相当的性能 答由图 4-25 所示的异步电动机电流解耦模型可见通过坐标变换、主磁 链按转子磁链定向等计算处理一个异步电动机在模型上被等效为直流电动机 而且该等效直流电动机的磁通和转矩是分离的可以分别进行单独控制。这样 就可以按直流电动机的控制思路来控制交流电动机并实现磁通和转矩转速 的解耦控制。这就是交流调速矢量控制系统的基本思想。 “电力拖动控制系统”习题解答 39 C3/2 C2s/2r m r 1 L T p m p r L n L iA iB iC is is isd isq r r Te TL p n Jp + 直流电动机等效模型 图4-25 异步电动机的矢量变换与电流解耦模型 如果能保持转子磁链 r 恒定则电磁转矩就由定子电流转矩分量 sq i控制 这与直流电动机的转矩由电枢电流控制相仿。 这就是为何采用矢量控制可以使交 流调速系统达到与直流调速系统相当性能的根本原因。 6. 交流调速直接转矩控制系统的基本思想是什么试分析比较矢量控制 系统与直接转矩控制系统各有何特点。 答 直接转矩控制系统的基本思想是在静止两相坐标系上控制定子磁链和转 矩 这样省略了旋转坐标变换 并采用 Bang-Bang 控制器取代转矩和磁链调节器 以加速系统的转矩动态响应。 两者都采用转矩转速和磁链分别控制但两者在控制性能上各有千秋 矢量控制VC系统强调 e T与 r 的解耦有利于分别设计转速与磁链调节器 实行连续控制可以获得较宽的调速范围但按 r 定向受电动机转子参数变化 的影响降低了系统的鲁棒性。直接转矩控制DTC系统则实行 e T与 r 砰-砰 控制避开了旋转坐标变换简化了控制结构控制定子磁链而不是转子磁链 不受转子参数变化的影响但不可避免地产生转矩脉动低速性能较差调速范 围受到限制。 7. 如何实现异步电动机的双馈控制分析低同步速与超同步速运行时的 转差功率流向和控制模式。 “电力拖动控制系统”习题解答 40 8. 同步电动机有哪两种基本控制方式其主要区别在何处 答同步电动机的基本控制方式有他控式和自控式两种其主要区别为 他控变频调速同步电动机采用独立的变压变频器给定子供电 并由专门的晶 闸管整流器提供直流给转子励磁。 自控变频同步电动机调速有 PWM 变频器供电 用电动机轴上的所带的转子位 置检测器提供的信号来控制 PWM 变频器的换相时刻。 由于其换相类似与直流电动 机中电刷和换向器的作用一般称为无换向器电机调速或无刷直流电动机调速。 9. 梯形波永磁同步电动机自控变频调速系统和正弦波永磁同步电动机自 控变频调速系统在组成原