交流调速试题库

101随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的实现，高性能交流调速系统产生。2交流拖动控制系统的应用领域有3个方面，为一般性能的节能调速和按工艺要求调速、高性能的交流调速系统和伺服系统、特大容量、极高转速的交流调速4矢量控制技术，又称磁场定向控制技术，通过坐标变换把交流电机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来控制电动机的转矩和磁通，可获得高动态性能。5交流电机调速技术发展迅速，继矢量控制技术后，又出现了直接转矩控制，解耦控制等方法6按电动机能量转换类型分类，调速系统可分为转差功率消耗型调速系统、转差功率馈送型调速系统和转差功率不变型调速系统7按电动机调速方法分类，常见的交流调速方法有降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速、绕线电机串级调速或双馈电机调速、变极对数调速、变压变频调速等8按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分为两部分，一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率成正比。10自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号，来控制变压变频装置，类似于直流电机中的电刷和换向器的作用，均又称作无换向器点击调速或无刷直流电机调速11异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩和定子电压的平方成正比，因此改变定子外加电压就可以改变机械特性，从而调节定负载转速13为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，常采用交流力矩电机，它要求电动机转子有较高的电阻值，特点是.（为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在带恒转矩负载时的电压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又叫做交流力矩电机）14力矩电机的优点是.缺点是机械特性变软，改进方法采用.反馈的闭环控制系统（采用普通异步电机的变电压调速时，调速范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可以增大调速范围，但机械特性又变软，因而当负载变话时静差率很大，为解决这个矛盾，对于恒转矩性质负载，要求调速范围大于D=2，往往采用带转速反馈的闭环控制系统）16传统分降压起动方法有星-三角（y-）起动、定子串电阻或电抗起动、自藕变压器（又称起动补偿器）降压起动第六章填空题2 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 Fm 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。3 在交流异步电机中，磁通 Fm 由定子和转子磁动势合成产生。 4 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，则转矩基本上随磁场变化，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。5 在基频以上变频调速时，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。对于机械特性是在正弦波电压供电下的情况，如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。 6 在变频调速时，保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流控制，电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。7 对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。9 近年来出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得第四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.866。10 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，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。11 电压源型逆变器（VSI ）的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。12 电流源型逆变器（CSI）的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。 14 交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源。由电力电子开关器件组成的三相逆变器主电路中，控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。17根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。18脉宽调制（PWM）的目的是使变压变频器输出的电压波形尽量接近正弦波，减少谐波，以满足交流电机的需要。20电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。21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）。24 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。26 不同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标下所产生的（磁动势）完全一致。 27 要把三相静止坐标系上的电压方程、磁链方程和转矩方程都变换到两相旋转坐标系上来，可以先利用3/2变换将方程式中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都变换到两相静止坐标系 a、b 上，然后再用旋转变换阵 C2s/2r 将这些变量变换到两相坐标系 dq 上。28 两相同步旋转坐标系的突出特点是，当三相ABC坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到dq坐标系上就成为直流。 29 要实现按转子磁链定向的矢量控制系统，很关键的因素是要获得转子磁链信号，以供磁链反馈和除法环节的需要。开始提出矢量控制系统时，曾尝试直接检测磁链的方法，一种是在电机槽内埋设探测线圈，另一种是利用贴在定子内表面的霍尔元件或其它磁敏元件。从理论上说，直接检测应该比较准确，但实际上这样做都会遇到不少工艺和技术问题，而且由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时影响越严重。因此，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，利用转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与相位。30 直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统，在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩。第七章选择题1 所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的（定子）绕组与交流电网连接，（转子）绕组与其他含（电动势）的电路相连接，使它们可以进行（电功率）的相互传递。2 在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外，转子侧也要与交流电网或外接（电动势 ）相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个（交流电动势）。3 在双馈调速工作时，由于转子电动势与电流的频率随转速变化，因此必须通过功率变换单元（Power Converter UnitCU）对不同频率的（电功率）进行电能变换。对于双馈系统来说，CU应该由（双向变频器）构成，以实现功率的双向传递。5 在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在（转子）侧串入一个可（变频）、可（变幅）的电压。对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是将（转子电压）电压先整流成直流电压，然后再引入一个附加的（直流）电动势，控制其幅值，就可以调节异步电动机的（转速）。 6 串级调速系统的功率因数与系统所用的（异步电动机、不可控整流器和逆变器）三大部分有关。8 串级调速装置是指整个串级调速系统中除异步电动机以外为实现串级调速而附加的所有功率部件，包括（转子整流器、逆变器和逆变变压器）9 串级调速系统的起动方式通常有（间接起动和直接起动两种。10 串级调速系统是依靠逆变器提供（附加电动势）而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器（交流侧）断电，使（晶闸管）无法关断，造成逆变器的（短路）事故。12 串级调速系统的直接起动又称串级调速方式起动。在起动控制时让（逆变器）先于电动机接通交流电网，然后使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈（开路）状态，可防止因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏（整流装置），最后再使（转子回路与整流器）接通。 第八章填空题4 自控变频调速系统是用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。 5 转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，是一种最简单的他控变频调速系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中，这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的变频器上，由统一的频率给定信号同时调节各台电动机的转速。6 大型同步电动机转子上一般都具有励磁绕组，通过滑环由直流励磁电源供电，或者由交流励磁发电机经过随转子一起旋转的整流器供电。对于经常在高速运行的机械设备，定子常用交-直-交电流型变压变频器供电，其电机侧变换器（即逆变器）比给异步电动机供电时更简单，可以省去强迫换流电路，而利用同步电动机定子中的感应电动势的波形实现换相，这样的逆变器称作负载换流逆变器（Load-commutated Inverter，简称LCI）。7 为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。 9 在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生电枢反应，其在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。10 自控变频同步电动机在其开发与发展的过程中，可以分为三类，分别是无换向器电动机； 三相正弦波永磁同步电动机（输入正弦波电流时）；梯形永磁波电动机（采用方波电流时）。11 永磁电动机控制系统的优点是：采用永磁材料磁极，容量相同时电机的体积小、重量轻；转子没有铜损和铁损，又没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；结构紧凑，运行可靠。 12 永磁无刷直流电动机的转子磁极采用瓦形磁钢，经专门的磁路设计，可获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的电动势也是梯形波的。14 梯形波永磁同步电动机（即无刷直流电动机）的转矩与电流Ip成正比，和一般的直流电动机相当，其控制系统也和直流调速系统一样，无论是开环还是闭环系统，都必须具备转子位置监测、发出换相信号、调速时对直流电压的PWM控制等功能。15 正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证定子绕组中的感应电动势具有正弦波形，外施的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流PWM变压变频器提供。16正弦波永磁同步电动机一般没有阻尼绕组，转子磁通由永久磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链？方向上，无须再采用任何计算磁链的模型。 2 如下图所示为转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统，是一种最简单的他控变频调速系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖动系统中。试述该系统的系统组成及控制特点。（1）系统组成：多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压源型PWM变压变频器上，由统一的频率给定信号 f * 同时调节各台电动机的转速。（2）控制特点：系统结构简单，控制方便，只需一台变频器供电，成本低廉。由于采用开环调速方式，系统存在一个明显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未解决，因此各台同步电动机的负载不能太大。3如下图所示为由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统，试分析该系统的系统组成及功能，分析该系统的控制策略及换流问题，并提出解决方案。（1）系统组成：转速调节、转差控制、负载换流控制和励磁电流控制，FBS是测速反馈环节、电流控制器（包括电流调节和电源侧变换器的触发控制）。 （2） 换流问题：低速时同步电动机感应电动势不够大，不足以保证可靠换流；当电机静止时，感应电动势为零，根本就无法换流。（3）解决方案：采用“直流侧电流断续”的特殊方法，使中间直流环节电抗器的旁路晶闸管导通，让电抗器放电，同时切断直流电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁路晶闸管，使电流恢复正常。 用这种换流方式可使电动机转速升到额定值的 3%5%，然后再切换到负载电动势换流。 4 如下图所示为自控变频同步电动机调速系统结构原理图，试分析该系统的结构特点。（1）转子位置检测器 BQ发出的信号控制变压变频装置的逆变器 U I 换流，从而改变同步电动机的供电频率，保证转子转速与供电频率同步。调速时则由外部信号或脉宽调制（PWM）控制 UI 的输入直流电压。 （2）从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器 UI、转子位置检测器 BQ 合起来看，就象是一台直流电动机。6 提高负载换向同步电动机的过载能力有哪些方法？要求不高时可采用开环调速。对于动态性能要求较高的负载，可采用转速，电流双闭环控制系统。二、简答题1试述异步发电机闭环变压调速系统的主要组成结构及功能？转速调节器ASR：常用PI 调节器，用以消除静差并改善动态性能。装置的输入-输出关系原则上是非线性的，在一定范围内可假定为线性函数，在动态中可以近似成一阶惯性环节，正如直流调速系统中的晶闸管触发和整流装置那样。测速反馈环节：反馈滤波作用。3按电动机的能量转换类型分类，可把异步电动机的调速系统分为三类，总结他们的优缺点？（1）转差功率消耗型调速系统：优点是系统结构简单，设备成本最低；缺点是效率最低，且越到低速时效率越低。（2）转差功率馈送型调速系统：优点是效率高，缺点是要增加一些设备（3）转差功率不变型调速系统：优缺点是无论转速高低，转差功率基本不变，效率更高，缺点是应用场合有限，设备成本最高1 试分析基频以下几种电压频率协调控制方式的特性。（1）恒压频比（Vs/W1=恒值）控制最容易实现，它的变频机械特性基本行是平行下移，硬度也比较好，能够满足一般的调速要求，但低速大载能力有限，须对定子压降实行补偿（2）恒Eg/W1控制是通常对恒压频比控制实现电压补偿的标准，可以在稳态时达到Fm=恒值，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/W1控制可以得到和直流他励电动机一样的线性机械特性，按照转子全磁通Fm恒定进行控制即的Er/W=恒值，在动态中也尽可能保持Fm恒定是矢量控制系统所追求的目标，当然实现起来比较复杂。3 试述PWM变压变频器的应用及其特点。PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）结构简单，驱动电路简单，效率高（2）调速范围增加，稳态性能提高（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。4 试比较交-直-交变压变频器和交-交变压变频器的组成结构及工作特点。（1）两者结构图P165（2）交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器换成直流，再通过逆变器换成可控频率和电压的交流，为间接式变压变频器。（3）交-交变压变频器只有一个交换环节，把恒压恒频的交流电源直接变换成VVVF输出，为直接式变压变频器。5 试比较电压源型逆变器（VSI ）和电流源型逆变器（CSI）的性能。性能比较：两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，（1）无功能量的缓冲 VSI采用大电容来缓冲无功能量，而CSI采用大电感（2）能量的回馈 CSI比VSI容易实现能量的回馈。（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。（5）应用场合 电压源型逆变器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。电流源型逆变器的系统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。7 试述SVPWM控制模式的特点。（1）逆变器得意个工作周期划成6个扇区，为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0，T0越短，旋转磁场越接近圆形，但T0的缩短受到功率开关器件允许的开关频率的制约（2）开关损耗较小（3）每个小区间均以零电压矢量开始，又仪零矢量结束（4）计算简便（5）逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，比一般的SPWM逆变器输出电压提高15%8下图绘出了一种典型的数字控制通用变频器-异步电动机调速系统原理图。试分析该系统的组成结构及功能。（1） 主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。（2）控制电路现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或16位的单片机，或用32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。10 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统如下图所示，试分析该系统的结构特点和控制特点。磁链模型有哪些？分别用在什么场合？（1）结构特点：1）转速双闭环：ASR的输出作为电磁转矩的给定信号；设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。2）转矩和磁链的控制器： 用滞环控制器取代通常的PI调节器。（2）控制特点 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，简化了控制器的结构。 2）选择定子磁链作为被控量，提高了控制系统的鲁棒性。 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（3）定子磁链电压模型：它适合于以中、高速运行的系统，转矩模型：用于DTC11 试比较直接转矩控制系统与矢量控制系统。矢量控制系统特点：VC系统强调 Te 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。 DTC系统特点：DTC系统则实行 Te 与s 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。性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换较简单旋转坐标变换较复杂转子参数变影响无有调速范围不够宽比较宽1 试述电气串级调速系统的系统组成及功能、工作原理以及调速控制原理。系统组成及功能：三相绕线转子异步电动机M；三相不可控整流装置VR，功能为整流；三相可孔整流装置VI，功能为可提供可调的直流电压Vi作为电机调速所需的附加直流电动势，还可将经VR整流输出的转差功率逆变