电拖期末复习

三 作图题 10 1 转速负反馈闭环直流调速系统的稳态 动态结构图 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图 2 异步电机变压变频调速的机械特性图 调压调速的机械特性图 四 问答题 20 1 直流开环系统机械特性与闭环反馈系统静特性的关系 1 闭环系统静特性可以比机械特性硬得多 闭环系统静特性可以比机械特性硬得多 2 闭环系统的静差率要比开环系统小得多 闭环系统的静差率要比开环系统小得多 3 如果所要求的静差率一定 则闭环系统可以大大提高调速范围 如果所要求的静差率一定 则闭环系统可以大大提高调速范围 2 交流拖动控制系统的应用领域有哪些 一般性能的节能调速一般性能的节能调速 高性能的交流调速系统和伺服系统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特大容量 极高转速的交流调速 3 4 数字 PI 调节器增量式和位置式的算法公式 5 6 双闭环系统中电流调节器 转速调节器作用是什么 1 转速调节器的作用 1 转速调节器是调速系统的主导调节器 它使转速 n 很快地跟随给定电压变化 稳态时可减小转速误差 如果采用 PI 调节器 则可实现无静差 2 对负载变化起抗扰作用 3 其输出限幅值决定电机允许的最大电流 2 电流调节器的作用 1 作为内环的调节器 在外环转速的调节过程中 它的作用是使电流紧紧跟随其给 定电压 即外环调节器的输出量 变化 2 对电网电压的波动起及时抗扰的作用 3 在转速动态过程中 保证获得电机允许的最大电流 从而加快动态过程 4 当电机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起快速的自动保护作用 一旦 故障消失 系统立即自动恢复正常 对系统可靠运行十分重要 7 工程设计方法设计转速电流反馈控制直流调速系统的步骤 原则是先内环后外环 步骤是 先从电流环开始 对其进行必要的变换和近似处理 然后 根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统 再按照控制对象确定电流调节器 的类型 最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数 电流环设计完成后 把电流环 等效成转速环中的一个环节 再用同样的方法设计转速环 8 双闭环调速系统的调试原则有哪些 实验 9 10 直接转矩控制 矢量控制的基本思想 按转子磁链定向矢量控制 VC 的基本思想是通过坐标变换 在按转子磁链定向同步旋转 正交坐标系中 得到等效的直流电动机模型 仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩和 磁链 然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量 以实施控 制 直接转矩控制系统 DTC 的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负号和电磁转矩偏差 的正负符号 再依据当前定子磁链矢量所在的位置 直接选取合适的电压空间矢量 减小 定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差 实现电磁转矩与定子磁链的控制 11 12 直接转矩控制 矢量控制的特点及存在的问题 矢量控制 VC 的特点 1 按转子磁链定向 实现了定子电流励磁分量和转矩分量的 解耦 需要电流闭环控制 2 转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节 可以采用磁 链闭环控制 也可以采用开环控制 3 采用连续的 PI 控制 转矩与磁链变化平稳 电 流闭环控制可有效地限制起 制动电流 存在的问题 1 转子磁链计算精度受易于变化 的转子电阻的影响 转子磁链的角度精度影响定向的准确性 2 需要进行矢量变换 系 统结构复杂 运算量大 直接转矩控制 DTC 的特点 1 转矩和磁链的控制采用双位式控制器 并在 PWM 逆 变器中直接用这两个控制信号产生输出电压 省去了旋转变换和电流控制 简化了控制器 的结构 2 选择定子磁链作为被控量 计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响 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 但必须注意限制过大的冲击电流 以免损坏功率开关器 件 因此实际的转矩响应也是有限的 存在的问题 1 由于采用双位式控制 实际转矩 必然在上下限内脉动 2 由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型 积分初值 累积 误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度 一 填空题 40 二 判断题 30 1 现代运动控制技术已成为电机学 电力电子技术 微电子技术 计算机控制技术 控制理论 信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科 2 电力电子器件经历了由半控型向全控型 由低频开关向高频开关 由分立的器件 向具有复合功能的功率模块发展的过程 电力电子技术的发展 使功率放大与变 换装置的结构趋于简单 性能趋于完善 3 运动控制系统由电动机 功率放大与变换装置 控制器及相应的传感器等构成 4 现代运动控制技术以各类电动机为控制对象 以计算机和其他电子装置为控制手 段 以电力电子装置为弱电控制强电的纽带 以自动控制理论和信息处理理论为 理论基础 以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具 5 电动机根据工作原理可分为直流电动机 交流感应电动机 又称作交流异步电动 机 和交流同步电动机等 根据用途可分为用于调速系统的拖动电动机和用于伺 服系统的伺服电动机 6 调节电动机转速的方法 调节电枢供电电压 减弱励磁磁通 改变电枢回路电阻 7 负载转矩特性 恒转矩负载有位能性和反抗性两种 位能性恒转矩负载由重力产 生 具有固定的大小和方向 反抗性恒转矩负载的大小不变 方向则始终与转速 反向 恒功率负载的特征是负载转矩与转速成反比 而功率为常数 风机 泵类 负载的转矩与转速的平方成正比 8 比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性 从而在保 证一定静差率的要求下 能够提高调速范围 为此 需设置电压放大器和转速检 测装置 9 由 PD 调节器构成的超前校正 可提高系统的稳定裕度 并获得足够的快速性 但 稳态精度可能受到影响 由 PI 调节器构成的滞后校正 可以保证稳态精度 却是 以对快速性的限制来换取系统稳定的 用 PID 调节器实现的滞后 超前校正则兼有 二者的优点 可以全面提高系统的控制性能 但具体实现与调试要复杂一些 一 般的调速系统调速系统要求以动态稳定和稳态精度为主 对快速性的要求可以差一些 所 以主要采用采用 PI 调节器调节器 在随动系统随动系统中 快速性是主要要求 须用 PD 或或 PID 调调 节器节器 10 比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点 又克服了各自的缺点 扬长避短 互相补充 比例积分能迅速响应控制作用 积分部分则最终消除稳态 偏差 11 0 型系统对于阶跃给定输入稳态有差 被称做有静差调速系统 1 型系统对于阶跃 给定输入稳态无差 被称做无静差调速系统 12 光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件 旋转编码器和电动机相连 当电动 机转动时 带动编码器旋转 产生转速或转角信号 旋转编码器可分为绝对式和 增量式两种 绝对式编码器在码盘上刻上表示角度的循环码 格雷码 通过接收 器将该数码送入计算机 常用于检测转角 若需得到转速信号 必须对转角进行 微分 增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅 当电动机旋转时 码 盘随之一起转动 通过光栅的作用持续不断的开放或封闭光通路 在接收装置的 输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列 从而可以计算转速 为了获得 转速的方向 可增加一对发光与接收装置 使两对发光与接收装置错开光栅节距 1 4 则两项脉冲序列 A 和 B 的相位相差 2 正转时 A 相超前 B 相 反转时 B 相 超前 A 相 13 Simulink 模块 Source 组的 Step 模块 Math Operations 组的 Sum 模块和 Gain 模 块 Continuous 组的 Transfer Fcn 模块和 Integrator 模块 Sinks 组的 Scope 模块 14 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用 可在系统中设置两个调节器 分别引 入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流 二者之间实行嵌套 或称串级 连接 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入 再用电流调节器的输出去控 制电力电子变换器 UPE 从闭环结构上来看 电流环在里面 称作内环 转速环 在外面 称作外环 这就形成了转速 电流反馈控制直流调速系统 简称双闭环 系统 15 双闭环调速系统的起动过程有三个特点 饱和非线性控制 转速超调 准时间最 优控制 16 调速系统的稳态性能指标 调速范围和静差率 动态性能指标 跟随性能指标和 抗扰性能指标 跟随性能指标 上升时间 超调量与峰值时间 调节时间 抗扰 性能指标 动态降落 恢复时间 17 按工程设计方法设计转速 电流反馈控制直流调速系统的调节器 电流环选用典 型 1 型系统 转速环选用典型 11 型系统 18 电抗器的原理和个数 直流互感器的工作原理就是饱和电抗器的原理 其一次绕 组相当于饱和电抗器的直流控制绕组 而二次绕组则相当于交流绕组 直流互感 器的原理实质上是当铁心被交直流线圈同时激励时 直流电流的大小引起铁芯饱 和程度的改变 使交流线圈的电抗大小发生变化 交流电流及串在回路中的取样 电阻上的电压相应改变 当直流为被测电流时 由取样电阻上得到正比于直流电 流的电压 19 常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类 20 异步电动机的稳态数学模型包括异步电动机稳态时的等效电路和机械特性 两者 既有联系又有区别 稳态等效电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特 性 而机械特性则表征了转矩与转差率 或转速 的稳态关系 21 异步电动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 22 三相绕组和两相绕组之间的变换 称做三相坐标系和两相正交坐标系间的变换 简称 3 2 变换 消除了定子三相绕组 转子三相绕组间的相互耦合 但定子绕组 和转子绕组间仍存在相对运动 因而定 转子绕组互感阵仍是非线性的变参数阵 不过其减少了状态变量的维数 简化了定子和转子的自感矩阵 从静止两相正交 坐标系到旋转正交坐标系的变换 称做静止两相 旋转正交变换 简称 2s 2r 变换 消除了定 转子绕组间夹角对磁链和转矩的影响 将非线性变参数的磁链方程 转化为线性定常的方程 但却加剧了电压方程中的非线性耦合程度 将矛盾从磁 链方程转移到电压方程中来了 并没有改变对象的非线性耦合性质 不过其增加 了一个输入量 提高了系统控制的自由度 磁场定向控制就是通过选择这个输入 量而实现的 变换的原则同样是产生的磁动势相等 异步电动机定子绕组是静止 的 只要进行 3 2 变换就行了 而转子绕组是旋转的 必须通过 3 2 变换和旋转到 静止的变换 才能变换到静止两相正交坐标系 23 实验测电枢电阻 电枢电感和整流装置内阻用什么方法 24 运动控制的根本问题是转矩控制 25 基于稳态模型的交流调速系统和直流调速系统的比较 保留 1 直流电动机的动态数学模型只有一个输入变量 电枢电压 和一个输 出变量 转速 异步电动机变压变频调速时需要进行电压 或电流 和频率的协调控 制 有电压 或电流 和频率两种独立的输入变量 在输出变量中除转速外 磁通也 是一个输出变量 这是由于异步电动机输入为三相电源 磁通的建立和转速变化是同 时进行的 为了获得良好的动态性能 也需要对磁通施加控制 因此异步电动机是一 个多变量系统 2 直流电动机在基速一下运行时 容易保持磁通恒定 可以视为常 数 异步电动机无法单独对磁通进行控制 电流乘磁通产生转矩 转速乘磁通产生感 应电动势 在数学模型中含有两个变量的乘积项 因此数学模型是非线性的 3 三 相异步电动机定子三相绕组和转子三相绕组在空间都互差 2 3 各绕组间存在交叉 耦合 每个绕组都有各自的电磁惯性 再考虑运动系统的机电惯性 转速和转角的积 分关系等 动态模型是一个高阶系统 26 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 以调节电枢供电电压的方式为 最好 改变电阻只能有级调速 减弱磁通虽然能够平滑调速 但调速范围不大 往往只是配合调压方案 在基速 即电机额定转速 以上作小范围的弱磁升速 因此 自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主 直流电机调压调速 转速 下降 机械特性曲线平行下移 直流电机调阻调速 转速下降 机械特性曲线变 软 直流电机调磁调速 转速上升 机械特性曲线变软 27 不可逆 PWM 变换器 直流电动机系统是因为平均电压 Ud始终大于零 电流虽然能 够反向 而电压和转速仍不能反向 如果要求转速反向 需要再增加 VT 和 VD 构成可逆的 PWM 变换器 直流电动机系统 28 当系统在某一转速下运行时 负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落 nN与理想空载转速 n0之比称做静差率 s 对于同样硬度的特性 理想空载转速越低时 静差率越大 转速的相对稳定度也就 越差 对于同一个调速系统 nN 值一定 如果对静差率要求越严 即要求 s 值 越小时 系统能够允许的调速范围也越小 生产机械要求电动机提供的最高转速 nmax和最低转速 nmin之比称为调速范围 用 字母 D 表示 即 调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的 必须同时提才有意义 调速系 统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准 一个调速系统的调速范围 一个调速系统的调速范围 是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围 是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围 29 将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后 带比例放大器的闭环直流调速系统可 以看作是一个三阶线性系统一个三阶线性系统 30 比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用 在于它 能随着负载的变化而相应地改变电枢电压 以补偿电枢回路电阻压降的变化 1 比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统 2 反馈控制系统的 作用是 抵抗扰动 服从给定 3 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 反馈控制系统的规律是 一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道 上的扰动作用 另一方面 则紧紧地跟随着给定作用 对给定信号的任何变化都 是唯命是从的 31 从静特性分析中可以看出 由于采用了比例放大器 闭环系统的开环放大系数K 值越大 系统的稳态性能越好 但 Kp 过大 将降低系统稳定性 使系统动态不稳 定 然而 Kp 常数 稳态速差就只能减小 却不可能消除 只有 K 才能 使 ncl 0 而这是不可能的 因此 这样的调速系统叫做有静差调速系统 32 记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为 M 法测速 又称频率法测速 M 法测速只适用于高速段 T 法测速是测出旋转编码器两个输出 0 n n s N min max n n D 脉冲之间的间隔时间来计算转速 又被称为周期法测速 T 法测速更适用于低速段 在 M 法测速中 随着电动机的转速的降低 计数值减少 测速装置的分辨能力变 差 测速误差增大 T 法测速正好相反 随着电动机转速的增加 计数值减小 测 速装置的分辨能力越来越差 综合这两种测速方法的特点 产生了 M T 测速法 它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度 33 数字 PI 调节器有位置式和增量式两种算法 增量式 PI 调节器算法只需输出限幅 位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅 缺一不可 若没有积分限幅 积分 项可能很大 将产生较大的退饱和超调 34 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题 系统中必须有自动 限制电枢电流的环节 根据反馈控制原理 要维持哪一个物理量基本不变 就应 该引入那个物理量的负反馈 那么 引入电流负反馈 应该能够保持电流基本不 变 使它不超过允许值 系统中必须有自动限制电枢电流的环节 引入电流负反 馈 可以使它不超过允许值 但这种作用只应在起动和堵转时存在 在正常的稳 速运行时又得取消 当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈 叫做电流截止 负反馈 不同于电流负反馈 35 双闭环 单闭环对抑制作用的不同 在双闭环系统中 由电网电压波动引起的转 速动态变化会比单闭环系统小得多 36 典型 1 型系统是一个二阶系统 对于阶跃输入稳态误差为 0 对于斜坡输入稳态误 差为v0 K 对于加速度输入稳态误差为 37 典型 1 型系统和典型 11 型系统除了在稳态误差上的区别以外 在动态性能中 一 般来说 典型 1 型系统的跟随性能超调小 但抗扰性能稍差 而典型 11 型系统的 超调量相对较大 抗扰性能却比较好 这是设计时选择典型系统的重要依据 38 调节器工程设计方法的原则是 1 概念清楚 易懂 2 计算公式简明 好 记 3 不仅给出参数计算的公式 而且指明参数调整的方向 4 能考虑饱 和非线性控制的情况 同样给出简单的计算公式 5 适用于各种可以简化成典 型系统的反馈控制系统 39 双闭环设计时采样周期怎么定 外环的响应比内环慢 这是按工程设计方法设计 多环控制系统的特点 这样做虽然不利于快速性 但每个控制环本身都是稳定的 对系统的组成和调试工作非常有利 40 环流是什么 怎么回事 有用没用 平均环流和瞬时环流如何消除 两组晶闸管 整流装置同时工作时 便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路 电流 称作环流 一般地说 环流对系统无益 徒然加重晶闸管和变压器的负担 消耗功率 环流太大时会导致晶闸管损坏 因此必须予以抑制或消除 如果让正 组 VF 和反组 VR 都处于整流状态 两组的直流平均电压正负相连 必然产生较大 的直流平均环流 应该在正组处于整流状态 Ud0f为正时 强迫让反组处于逆变状 态 使Ud0r为负 且幅值与Ud0f相等 使逆变电压Ud0r把整流电压Ud0f顶住 则直 流平均环流为零 在采用 配合控制以后 消除了直流平均环流 但这只是 就电压的平均值而言的 由于整流与逆变电压波形上的差异 仍会出现瞬时电压 ud0f ud0r 的情况 从而仍能产生环流 这类因为瞬时的电压差而产生的环流被 称为瞬时脉动环流 为了抑制瞬时脉动环流 可在环流回路中串入电抗器 叫做 环流电抗器 或称均衡电抗器 环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流分量 限制在负载额定电流的 5 10 来设计 在三相桥式反并联可逆线路中 由于每一 组桥又有两条并联的环流通道 总共要设置四个环流电抗器 另外还需要一个平 波电抗器 41 按照交流异步电动机原理 从定子传输到转子的电磁功率分成两部分 一部分是 拖动负载的有效功率 称做机械功率 另一部分是传输给转子