湘潭大学运动控制系统试题库

e K IRU n 一 复习 直流调速系统一 复习 直流调速系统 问题问题 1 21 2 衡量调速系统的性能指标是哪些 调速范围D nmax nmin nnom nmin 静差率S nnom n0 100 对转差率要求高 同时要求调速范围大 D 大 S 小 时 只能 用闭环调速系统 和负载匹配情况 一般要求 恒功率负载用恒功率调速 恒转矩负载用恒转矩调速 问题问题 1 31 3 请比较直流调速系统 交流调速系统的优缺点 并说明今后电力传动系统的发展的趋势 直流电机调速系统直流电机调速系统 优点 调速范围广 易于实现平滑调速 起动 制动性能好 过载转矩大 可靠性高 动态性能 良好 缺点 有机械整流器和电刷 噪声大 维护困难 换向产生火花 使用环境受限 结构复杂 容 量 转速 电压受限 交流电机调速系统 正好与直流电机调速系统相反 交流电机调速系统 正好与直流电机调速系统相反 优点 异步电动机结构简单 坚固耐 用 维护方便 造价低廉 使用环境广 运行可靠 便于制造大容量 高转速 高电压电机 大 量被用来拖动转速基本不变的生产机械 缺点 缺点 调速性能比直流电机差 发展趋势 发展趋势 用直流调速方式控制交流调速系统 达到与直流调速系统相媲美的调速性能 或 采用同步电机调速系统 问题问题 1 41 4 直流电机有哪几种 直流电机调速方法有哪些 请从调速性能 应用场合和优缺点等方 面进行比较 哪些是有级调速 哪些是无级调速 直流电动机中常见的是有换向器直流电动机 可分为串励 并励 复励 他励四种 无换向 器直流电动机属于一种特殊的同步电动机 根据直流电机的转速公式 调速方法有变压调速 变电阻调速和变转差 率调速 调压调速 调节电压供电电压进行调速 适应于 U Unom 基频以下 在一定范围内无 级平滑调速 弱磁调速 无级 适用于 nom 一般只能配合调压调速方案 在基频以上 即 电动机额定转速以上 作小范围的升速 变电阻调速 有级调速 变转差率调速 无级调速 问题问题 1 51 5 带有比例调节器的单闭环直流调速系统 如果转速的反馈值与给定值相等 则调节器的输出为 A A 零 B 大于零的定值 C 小于零的定值 D 保持原先的值不变 问题问题 1 61 6 什么是调速范围 D 什么是静差率 S 两者的关系如何 用什么方法可以使调速系统满 足 D 大 S 小的控制要求 精品文档 2欢迎下载 调速范围D nmax nmin nnom nmin 静差率S nnom n0 100 对转差率要求高 同时要求调速范围大 D 大 S 小 时 只能 用闭环调速系统 问题问题 1 71 7 直流调速系统用的可控直流电源有 旋转变流机组 G M 系统 静止可控整流器 V M 系统 直流斩波器和脉宽调制变换器 PWM 名词解释名词解释 1 81 8 G M 系统 V M 系统 PWM PFM G M 系统 交流电动机拖动直流发电机 G 实现变流 由直流发电机给需要调速的直流电动 机 M 供电 调节 G 的励磁电流及改变其输出电压 从而调节 M 的转速 优点 在允许转矩范围内四象限运行 缺点 设备多 体积大 费用高 效率低 有噪音 维护不方便 V M 系统 晶闸管 工作在相位控制状态 由晶闸管可控整流器 V 给需要调速直流电动机 M 供电 调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位 即可改变整流器 V 的输出电压 从 而调节直流电动机 M 的转速 优点 经济性和可靠性提高 无需另加功率放大装置 快速性好 动态性能提高 缺点 只允许单向运行 元件对过电压 过电流 过高的 du dt 和 di dt 十分敏感 低速时易产生电力公害 系统功率因数低 谐波电流大 PWM 脉冲宽度调制 PWM 晶闸管工作在开关状态 晶闸管被触发导通时 电源电压加到 电动机上 晶闸管关断时 直流电源与电动机断开 这样通过改变晶闸管的导通时间 即调占空 比 ton 就可以调节电机电压 从而进行调速 PWM 调速系统优点 系统低速运行平稳 调速范围 较宽 电动机损耗和发热较小 系统快速响应性能好 动态抗扰能力强 器件工作早开关状态 主电路损耗小 装置效率较高 PWM 调速系统应用 中 小功率系统 PFM 脉冲频率调制 PFM 晶闸管工作在开关状态 晶闸管被触发导通时 电源电压加到电 动机上 晶闸管关断时 直流电源与电动机断开 晶闸管的导通时间不变 只改变开关频率 f 或 开关周期 T 即调节晶闸管的关断时间 t0ff 就可以调节电机电压 从而进行调速 问题问题 1 91 9 哪些是控制系统的稳态性能指标 稳定性指标和动态性能指标 稳态性能指标是 调速范围D nmax nmin nnom nmin 和静差率S nnom n0 100 稳定 性指标 柏德图 对数幅频特性和对数幅频特性 典型 型系 对数幅频特性以 20dB dec 的斜率穿越零分贝线 只有保证足够的中频带宽度 只有保证足够的中频带宽度 系统就一定是稳定的 且有足够的稳定裕量 系统就一定是稳定的 且有足够的稳定裕量 90 tg 1 cT 45 典型 型系统 对数幅频 特性以 20dB dec 的斜率穿越零分贝线 180 180 tg 1 ct tg 1 cT tg 1 ct tg 1 cT 动态性能指标分跟随性 能指标和抗扰性能指标 跟随性能指标 上升时间 在典型的阶跃响应跟随过程中 输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间 有些教材定义为 10 90 超调量 在典型的阶跃响应跟随过程中 输出量超出稳态值的最大偏移量 与稳态值之比 调节时间 又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全 稳定下来的时间 一般在阶跃响应曲线的稳态值附近 精品文档 3欢迎下载 取 5 或 2 的范围作为允许误差 抗扰性能指标 动态降 落 在系统稳定时 突加一个约定的标准的扰动量 在过度过程中引起 的输出量最大降落值 恢复时间 从阶跃扰动作用开始 到输出量基本恢复稳态 距新稳态值之差 进入某基准量的 5 或 2 范围之内所需的时间 问题问题 1 101 10 转速 电流双闭环调速系统的起动过程特点是 和 饱和非线性控制 ASR 饱和 转速环开环 恒值电流调节的单闭环系统 ASR 不饱和 转速环闭环 无静差调速系统 准时间最优控制 恒流升速可使起动过程尽可能最快 转速超调 只有转速超调才能使 ASR 退饱和 问题问题 1 111 11 转速 电流双闭环调速系统中 转速环按典型 型系统设计 抗扰能力 强 稳态 无静差 电流环按典型 型系统设计 抗扰能力 稍差 超调 小 问题问题 1 121 12 无静差调速系统的 PI 调节器中 P 部份的作用是 D A 消除稳态误差 B 不能消除稳态误差也不能加快动态响应 C 既消除稳态误差又加快动态响应 D 加快动态响应 问题问题 1 151 15 位置随动系统解决的主要问题是什么 试比较位置随动系统与调速系统的异同 位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令 给定量 的准确跟踪 随动系统一般称伺服系统 位置随动系统与调速系统的相同点 两者的控制原理相同 它们都是反馈控制系统 即通过对系统的输出量与给定量进行比较 组成 闭环控制 位置随动系统与调速系统的相异点 调速系统的给定量是恒值 不管外界扰动情况如何 希望输出能够稳定 因此系统的抗扰性 能显得十分重要 位置随动系统中的位置指令是经常变化的 是一个随机变量 要求输出量准确跟踪给定量的 变化 输出响应的快速性 灵活性 准确性成了位置随动系统的主要特征 位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些 位置随动系统可以在调速系统的基础上增 加一个位置环 位置环是位置随动系统的主要结构特征 问题问题 1 161 16 什么是串联校正 并联校正和复合控制 试举例说明它们的使用场合 串联校正 调节器校正 采用 PID 校正的单位置环随动系统 可以得到较高的截止频率 和对给定信号的快速响应 结构简单 由于不使用测速机 从而排除了测速机带来的干扰 但反 过来又使摩察 间隙等非线性因素不能很好地受到抑制 负载扰动也必须通过位置环进行调节 没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大 同时 PID 调节器是采用比例微分超前作用来对消 调节对象中的大惯性 属于串联校正 常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度 还会因 控对象参数变化而丧失零极点对消的效果 因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻 扰动不 大 非线性因素不太突出的场合 并联校正 在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正 在随动系统中经常采用这 种并联校正 有助于抑制振荡 减小超调 提高系统的快速性 在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好 因为它不需增大 K1 就可以保证原有的稳态精度 而快速性同样可以得到一定程度的提高 只受到小时间常数及测速 发电机信号中噪声干扰的限制 复合控制 当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时 利用输入信号的各阶导数进 行前馈控制构成前馈控制 开环控制 和反馈控制 闭环控制 相结合的复合控制 也是一种提 高系统稳态和动态品质指标的有效途径 精品文档 4欢迎下载 二 回顾 交流调速系统二 回顾 交流调速系统 问题问题 2 52 5 常用的异步电动机调速有哪些 哪些属于转差功率消耗型 哪些属于转差功率不变型 哪些属于转差功率回馈型 异步电动机调速方法有 降电压调速 绕线式异步电机转子串电阻调速 串级调速 变极 调速 变频调速等 降电压调速 绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率消耗型 串级调速属于转差功率回馈型 变极调速 变频调速属于转差功率不变型 问题问题 2 62 6 变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用 为什么 变极调速只适合于本身具备改变极对数的笼型电动机 双速电动机 三速和四速电动机 它 们可以通过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成调速 绕线式电动机一般采用转子传 电阻或串级调速 问题问题 2 82 8 请简述交流异步电动机变极调速的工作原理 并说明其特点和应用场合 变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的 是无附加转差 损耗的高效调速方式 改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的 双速电动机 三速和 四速电动机 这种改变极对数来调速的笼型电动机 通常称为多速感应电动机或变极感应电动机 缺点 缺点 有级调速 而且调速级差大 从而限制了它的使用范围 特点 特点 具有较硬的机械特性 稳定性良好 无转差损耗 效率高 接线简单 控制方便 价 格低 有级调速 级差较大 不能获得平滑调速 可以与调压调速 电磁转差离合器配合使用 获得较高效率的平 滑调速特性 变极调速适合于 适合于 按 2 4 档固定调速变化的场合 不需要无级 调速的生产机械 如金属切削机床 升降机 起重设备 风机 水泵等 问题问题 2 92 9 晶闸管交流调压调速系统中 对触发脉冲有何要求 为什么 晶闸管交流调压调速系统中 要求用宽脉冲 双窄脉冲或脉冲列触发 以保证可靠换流 防 止直通 晶闸管是半控器件 只需要用脉冲触发其导通 不需要控制其关断 问题问题 2 102 10 请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理 并对三种常用的调压方法进行说明 当改变电动机的定子电压时 可以得到一组不同的机械特性曲线 从而获得不同转速 当改变电动机的定子电压时 可以得到一组不同的机械特性曲线 从而获得不同转速 调压调速 的主要装置主要装置是一个能提供电压变化的电源 目前常用的调压方式目前常用的调压方式有串联饱和电抗器 自耦变压器 以及晶闸管调压等几种 晶闸管调压方式为最佳 晶闸管调压方式为最佳 调压调速的特点 调压调速的特点 调压调速线路简单 易实现自动控制 调压过程中转差功率以发热形式消 耗在转子电阻中 效率较低 调压调速一般适用于适用于 100KW100KW 以下的生产机械 以下的生产机械 通过改变自耦变 压器变比 来改变电机电压 从而进行调速 通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度 改变交流电抗值 改变电机电压 实现降压调速 饱和 交流电抗小 电机定子电压高 通过 控制晶闸管的导通角 来调节电动机的端电压 从而进行调速 问题问题 2 152 15 请简述晶闸管调压调速的工作原理 并说明其优缺点 画出几种晶闸管主电路的连接 方法 指出他们各自的特点 在交流异步电动机变压调速系统中 由于电动机的转矩与电压平方成正比 通过控制晶闸管 的导通角 来调节电动机的端电压 从而进行调速 优点 维护方便 噪声小 可以四象限运行 缺点 电网输入电压为正弦波 但输出电压不为正弦波 谐波大 功率因素低 机械特性软 解决办法 采用闭环系统 三相分支双向控制绕组 Y 连接 特点 用双脉冲或者宽 60 脉冲触发晶闸管 SCR 输出含有奇次谐波 绕组 Y 连接 如电机绕组带中线 可消取三次谐波电流 精品文档 5欢迎下载 但仍然存在其他次谐波 产生脉动转矩和附加损耗 与其它接法相比 此接法谐波分量最小 三相分支双向控制绕组 连接 特点 用双脉冲或者宽 60 脉冲触发 SCR 输出含有奇次谐波 绕组 连接 有其它的高次谐波 产生脉动转矩和附加损耗 三相分支单向控制绕组 Y 连接 特点 每一相制用一个用晶闸管和一个二极管反并联 可以降低成本 但各相波形不对称 输出含有偶次谐波 降低了运行性能 所以只用于小容量装置 三相 形双向控制绕组 连接 特点 晶闸管串接在相绕组回路中 在同等容量下 晶闸管承受的电压高而电流小 适合于电机绕组 连接的情况 三相零点 连接 单向控制 特点 电路简单 晶闸管放在负载后面 可以减小电网浪涌电压对它的冲击 但因为是单向控制 奇次 偶次谐波都存在 运行效率稍低 只适合于小容量电机 问题问题 2 172 17 请简述绕线式异步电动机转子串电阻调速的工作原理 并说明其优缺点 绕线式异步电动机转子串入附加电阻绕线式异步电动机转子串入附加电阻 使电动机的转差率加大 电动机在较低的转速下运行 在较低的转速下运行 串入的电阻越大 电动机的转速越低 此方法设备简单 控制方便设备简单 控制方便 但转差功率以发热的形式消 耗在电阻上 属有级调速 机械特性较软有级调速 机械特性较软 三 三 交流异步电动机变频调速的理论基础交流异步电动机变频调速的理论基础 问题问题 3 33 3 交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控制方法 磁通 转 矩 功率呈现怎样的变化规率 并请用图形表示 恒磁通调速 基频以下 U1 f1 常数 并补偿定子电阻损耗 恒功率调速 基频以上 升高电源电压时不允许的 在频率上调时 只能保持电压不变 频率越大 磁通就越小 类似于直流电动机的弱磁增速 问题问题 3 53 5 交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制 恒功率控制和 恒电流控制三种 其中恒磁通控制又称恒转矩控制 问题问题 3 63 6 如果在交流异步电动机变频调速系统采用恒转矩控制时 出现励磁电流急剧增加的现象 实际上时由于电压补偿过多 导致系统不能正常工作 应采取的解决办法有 适当增 加定子电压 U1和在开环系统上加电流负反馈 以便限制定子励磁电流 实际上 变为 恒转矩负载加恒电流控制 问题问题 3 113 11 什么是变转差率调速 在转差率 s 很小的范围内 只要能够维持气隙磁通 m 不变异步电机的转矩就近似与转差角 频率 s 成正比 即在异步电机中 控制转差率就代表了控制转矩 这就是转差频率控制的基本 概念 问题问题 3 193 19 交流异步电动机变频调速控制策略的研究 电气传动自动化 2003 25 5 P22 25 常规控制策略 常规控制策略 恒压频比控制 转差频率控制 矢量控制 直接转矩控制 m U1 fn Un 0 n T 精品文档 6欢迎下载 现有控制策略现有控制策略 转子参数推算法 自适应控制 鲁棒控制 非线性控制 非线性反馈控制 逆控制 智能控制 神经网络于内模复合控制 模糊于模型参考自适应复合控制 模糊于变结构 复合控制 滑模 模糊 神经网络的复合控制 热门课题及关键技术热门课题及关键技术 非线性自适应控制 智能控制器算法的实用化 双优控制 在线诊断和容错控制 四 交流异步电动机矢量变换控制四 交流异步电动机矢量变换控制 问题问题 4 14 1 在实际系统中 怎样保证 E2 f1 K E2转子磁链在每相定子中的感应电动势 忽略转子电阻损耗 转子磁链恒值 机械特性线性 稳态性能和动态性能好 最难实现 机械特性线性 稳态性能和动态性能好 最难实现 是矢量控制追求的目标 问题问题 4 24 2 什么是矢量控制系统 VCS 或 TCS 矢量变换控制系统 请画出矢量控制系统的构思框图 并简述其工作原理 将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机 那么 模仿直流电动机的控制方法 求 得直流电动机的控制量 经过坐标反变换 就能够控制异步电动机 由于进行坐标变换的是电流 代表磁动势 的空间矢量 所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统 VCS Vector Control System 矢量变换控制系统 TCS Trans vector Control System 控制器控制器 VR 1 2 3电流控制电流控制 变频器变频器 3 2 VR 等效直流等效直流 电机模型电机模型 i m1 i t1 1 i 1 i 1 i A i B i C iA iB iC i 1 i 1 im1 it1 反馈信号 异步电动机 给定 信号 问题问题 4 34 3 三相异步电动机的数学模型包括 电压方程 磁链方程 转矩方程和 运动方程 问题问题 4 44 4 将三相交流电机变换成两极直流电机的物理模型要经过的坐标变换有哪些 先将静止的三相坐标 A B C 转换成静止的两相坐标 再将静止的两相坐标 换成旋 转的两相坐标 d q 或极坐标 M T 问题问题 4 54 5 三相异步电动机动态数学模型是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 问题问题 4 74 7 坐标变换有哪些 坐标变换原则有哪两种 它们各用于什么场合 坐标变换有 静止的三相坐标 A B C 旋转的两相坐标 d q 0 P246 cos sin 2 1 C3S 2R cos 120 sin 120 2 1 Cos 120 sin 120 2 1 精品文档 7欢迎下载 旋转的两相坐标 d q 静止的三相坐标 A B C C2R 3S C3S 2R 1 静止的三相坐标 A B C 静止的两相坐标 0 零轴电流 1 2 1 2 1 C3S 2s 0 2 3 2 3 K K K 静止的两相坐标 0 静止的三相坐标 A B C C2s 3S C3S 2s 1 静止的两相坐标 旋转的两相坐标 d q C2s 2R cos sin sin cos 旋转的两相坐标 d q 静止的两相坐标 C2s 2R C2R 2s 1 直角坐标与极坐标 I artg 或 I artg 22 ii i i 22 TM ii T M i i 因为 在 0 90 变化时 tg 的变化范围是 0 这个变化范围太大 常改用下式求 值 2artg M T i i 1 坐标变换原则有功率不变原则和空间矢量不变原则两种 功率不变原则是保持坐标变换前后的电动机功率不变 在电力拖动系统中应用较多 空间矢量不变原则是保持坐标变换前后的电流 电压 电动势等空间矢量的相位 幅值不变 问题问题 4 84 8 磁链直接检测的方法有哪些 各有何缺点 磁链直接检测的方法有检测线圈法和磁通传感器法 检测线圈法是在定子中安放宽度等于全极距的检测线圈 可产生正比于磁通变化的信号 通过积分求得主磁通的测量值 这种方法由于积分有漂移 硬件上不易实现 故应用不多 磁通传感器法是异步电动机的气隙中设置两个磁链传感器 它们分别装在与 相绕组磁 轴重合和垂直的位置 用来分别检测气隙磁链在静止坐标系中的两个分量 m和 m 由于这种 检测方法必须在电机内置检测器 使用不方便 且检测的气隙磁链含有大量谐波 容易造成系统 不稳定 问题问题 4 94 9 请写出在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型 在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型有电流模型观测器和电压模型观测器 电流模型观测器 当电机转速小于额定转速的 10 定子绕组压降不可忽略 异步电动机在静止坐 标系 中的电压方程为 u s Rs Lsp 0 Lmp 0 i s u s 0 Rs Lsp 0 Lmp i s 0 Lmp Lm Rr Lrp Lr i r 0 Lm Lmp Lr Rr Lrp i r 可得 0 p Lm i s Lr i r Lm i s Lr i r Rr i r 0 p Lm i s Lr i r Lm i s Lr i r Rr i r 转子磁链可表示为 r Lm i s Lr i r r Lm i s Lr i r 精品文档 8欢迎下载 由上述 3 式解出 i r i r并化简得 r Lm i s Tr r r Lm i s Tr r PT21 1 PT21 1 式中 Tr 转子绕组的电磁时间常数 u s 定子 绕阻电压 u s 定子 绕阻电压 i s 定子 绕阻电流 i s 定子 绕阻电流 r 与转子 绕阻匝链的磁链 r 与转子 绕阻匝链的磁链 电压模型观测器 当电机转速在额定转速的 10 以上 忽略定子绕组压降 定子回路的电压平衡方 程式为 us p s Ls pis Lm pir转子磁链可以用电感和电流表示 r Lm is Lr ir 其中 p 微分算子 us 定子电压 is 定子电流 s 定子磁链 r 转子磁链 Rs 定子绕阻电阻 Rr 转子 绕阻电阻 Ls 定子绕阻全电感 Lr 转子绕阻全电感 Lm定 转子绕阻之间的互感 从上述两式中消去 ir 得 r us dt 令 Ks Kr m r L L r mrs L LLL 2 dt dis m r L L r mrs L LLL 2 r在静止坐标系中的分量为 r Ks u s Kr dt r Ks u s Kr dt dt di s dt di ss 问题问题 4 124 12 磁链定向方法有哪些 采用 M T 坐标系是按什么磁链定向 磁链定向方法有三种 按转子磁链 r 2 定向 控制性能最好 但转子磁链不易测量和控制 按气隙磁链 m定向 气隙磁链较易测量和控制 但控制性能不好 按定子磁链 s 1 定向 定子磁链最容易测量和控制 但控制性能不好 五 五 交流异步电动机直接转矩控制交流异步电动机直接转矩控制 名词解释 名词解释 DTC DSC SPWM 原型电动机 DTC Direct Torque Control 或 DSC Direct Self Control 直接转矩控制 通过改变电 机磁场对转子的瞬时转差速率 以直接控制异步机的转矩和转矩增加率 获得电机的快速响应 SPWM 正弦波脉宽调制 将正弦半波 N 等分 把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用 一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代 三角波载波信号 Ut与一组三相对称的正弦参考电压信 号 Ura Urb Urc比较后 产生的 SPWM 脉冲序列波 Uda Udb Udc作为逆变器功率开关器件的 驱动控制信号 逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波 调节正弦波参考信号的幅值 和频率就可以调节 SPWM 逆变器输出电压的幅值和频率 原型电动机 两相电动机 它具有两个集中绕组 即 d 轴绕组 直轴绕组 和 q 轴绕组 交轴绕组 两个绕组互相垂直 可以对转矩和磁通进行独立控制其转子结构与直流电动机一样 有枢和换向器等 问题问题 5 15 1 简述直接转矩控制的工作原理 并比较它与矢量控制的异同点 直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法 直接在定子坐标下计算和控制交流电动机的 转矩 它采用定子磁场定向 借助于离散的两点式调节 Band Band 控制 产生 PWM 信号 直接 对逆变器的开关状态进行最佳控制 以获得转矩的高动态性能 它省掉了复杂的矢量变换与电动 机的数学模型的简化处理 没有通常的 PWM 信号发生器 它的控制思想新颖 控制结构简单 控 制手段直接 信号处理的物理结构明确 该控制系统的转矩响应迅速 限制在一拍以内 且无超 调 是一种具有高性能的交流调速方法 直接转矩控制与矢量控制的相同点是 两者都要对转矩和磁链进行控制 直接转矩控制与矢量控制的相同异点如下 直接转矩控制只利用定子侧参数 而矢量变换控制是利用转子侧参数 这些参数容易受转 子转速变化的影响 直接转矩控制在静止的坐标系中进行 控制运算比矢量变换控制简单 直接 转矩控制对转矩进行闭环控制 准确性高 动态性好 而矢量控制则过分要求圆磁磁链和正弦波 电流 直接转矩控制和直接磁链控制采用滞环 参数选择适当可弥补由直接转矩控制引起的速度 下降 直接转矩控制利用相电压矢量的概念 对逆变器的功率开关进行综合控制 开关次数少 精品文档 9欢迎下载 开关损耗少 问题问题 5 25 2 请画出异步电动机的空间矢量等效电路图 并推出稳态转矩的计算公式 在正交定子坐标系 坐标系 上描述异步电机的等效电路图 us 定子电压空间矢量 is 定子电流空间矢量 ir 转子电流空间矢量 电角速度 机械角速度对极对数的积 s 定子磁链空间矢量 r 转子磁链空间矢量 异步电动机在定子坐标系下的电压方程 us Rs is s 0 Rr ir j r r 定子磁链 s L iu 转子磁链 r s L iu 定子旋转磁场提供的功率 P sTd isa isB 图 5 1 异步电动机的空间矢量等效电路图 2 3 s s 其中 s定子频率 定子旋转磁场频率 s sB s sa 得转矩 Td sa isB sB isa s s 2 3 由 is iu ir可得 转矩 Td sB ra s a rB s r sin L 1 2 3 L 1 2 3 转矩为定子磁链与转子磁链的交叉乘积 磁通角 定子磁链与转子磁链之间夹角 在实际运行中 保持定子磁链的幅值为额定值 以便充分利用电动机 而转子磁链幅值由负载决 定 通过改变磁通角 可实现异步电动机转矩的改变 通过改变转子电流可改变转子磁链 定子 磁链可以以定子电压的积分来改变 问题问题 5 35 3 请画出电压型逆变器 8 个电压状态形成的电压空间矢量图 并说明定子磁链的运动轨迹 电压型逆变器 为三组六个开关同一桥臂 的两个开关互为反向 一个接通 1 另一个断开 0 逆变器 8 个电压状态 V1 100 V2 110 V3 010 V4 011 V5 001 V6 101 构成正六边形的顶点 V7 111 V0 000 位于正六边形的中心 图 5 2 电压型逆变器 由相电压波形图可直接得到逆变器的各开关状态 两者的开关状态顺序一致 6 个状态一个周期 状态 1 状态 6 相电压波形幅值两个 2Ud 3 和 4Ud 3 忽略定子电阻和漏感的影响 定子回路的电压平衡方程式为 uS eS d s dt s us t s0 s0 定子磁链的初始值 从电压型逆变器 8 个电压状态形成的电压 空间矢量图可见 定子磁链矢量 s 的增长方向 即 s 矢头的运动方向 决定于电压矢量 uS的方向 定子磁链空间矢量顶点的运动方向 和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向 只要定子电阻压降比起定子电压足够小 图 5 3 8 个电压状态的空间矢量图 这种平衡就能得到很好地近似 在适当地时候依次给出定子电压空间矢量 则得到的定子磁链的运动轨迹依次按 V1 V6运动 形 C B A a V6 V5 V4 V3 V2 V1 iu is Rr Lm us u L Rs ir jw r Ud0 E E Sa Sa Sb Sb Sc Sa 精品文档 10欢迎下载 成正六边形磁链 正六边形的六条边代表磁链空间矢量一个周期的运动轨迹 称区段 扇区 S1 区段 扇区 S6 s 矢头的运动速率与 uS的幅值 US成正比 若 uS 0 则 s 停止运动 V0 V7 若有效电压矢量依照矢量图 V1 V2 V3 V4 V5 V6的次序交替作用 且作用时间相等 则 s 矢头的运动轨迹为一正六边形 问题问题 5 45 4 交流异步电动机采用直接转矩控制 在正六边形的定子磁链图中怎样实现恒转矩控制和 恒功率控制 逆变器 8 个电压状态 V1 V2 V3 V4 V5 V6构成正六边形的顶点 V7 V0位于正六边形的 中心 若改变有效电压矢量的交替作用时间 即改变 s 的旋转速度 由于有效电压矢量的幅值不变 所以它们的作用时间改变后 正六边形的面积将发生变化 作用时间变短 正六边形的面积变小 面积 Viti 磁链幅值 s 也将变小 因此可以用这种方法控制异步电动机的弱磁调速 若在有效电压矢量的作用期间以一定规律插入零矢量 V7 V0 s 以最大旋转速度旋转 零 矢量作用时 s 停止运动 由于零矢量的插入 s 走走停停 所以旋转速度变慢了 显然 零矢 量的作用时间越长 s 的旋转速度越慢 如果在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变 不难想象 正六边形的面 积将不变 即磁链矢量的幅值将不变 用这种方法可以控制异步电动机的恒磁通调速 即恒转矩 调速 问题问题 5 65 6 请画出异步电动机直接转矩控制调速系统的组成框图 并说明各模块的功能和整个 系统的工作原理 由图可见 直接转矩控制系统由转矩闭环和磁链闭环组成 既直接进行转矩控制又直接进行 磁链控制 只需用电流互感器和电压互感器检测定子电流和电子电压 然后对转矩和磁链进行观 测 公式如下 aS uaS R1 ias dt S u S R1 i s dt Te kT aS i s S ias 转矩调节器 ATR 和磁链调节器都使用滞环两位调节 可以保持转矩在给定误差允许范围内波 动 达到较好的转矩控制性能 磁链自控制 DMC 的最简单方案 由检测出的定子磁链 经坐标变换单元 UCT 2S 3S 坐标转换 得 到磁链的 分量 a b c 通过三个施密特触发器分别把三个磁链分量与磁链给定值 ug相比较 得到三个磁链开关信号 S a S b S c 三相磁链开关信号通过开关 S 换相 得到 三相电压开关信号 经反相后变成正确的电压状态信号 ba SSU cb SSU cb SSU SUa SUb SUc 直接去控制逆变器 UI 输出相应的电压空间矢量 去控制产生期望的六边形磁链 M U s T给 定 T反 馈 转矩 观测器 3S 2S 坐 标转换 电流 互感器 磁通 观测器 2S 3S 坐 标转换 3S 2S 坐 标转换 滞环调节器 换相 逻辑 电压 互感器 滞环调节器 aS S iaS i S u S uaS uab ubc uca uab ubc ia ib A B C S AS BS C S0 SASBSC 整流器 逆变器 精品文档 11欢迎下载 图 5 5 异步电动机直接转矩控制调速系统 转矩的大小通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度来控制 引入零矢量 采用两点式调节 当实际转矩值和转矩给定值的差值小于 m 转矩调节器 ATR 的输出信号 TQ 变 1 工作电 压空间矢量加到电机上 使定子磁链旋转 磁通角加大 转矩加大 当实际转矩值和转矩给定值 的差值大于 m ATR 的输出信号 TQ 变 0 零电压加到电机上 定子磁链停止不动 磁通角 减小 转矩减小 通过转矩直接自调节作用 使工作电压空间矢量的工作状态和零电压工作状态 交替接通 控制定子磁链 s 走走停停 从而使转矩动态平衡保持在给定值的 m 容差 的范 围内 既控制了转矩 又形成了 PWM 的调制过程 问题问题 5 75 7 在异步电动机直接转矩控制调速系统中有磁链调节器和转矩调节器 磁链调节器通常采 用怎样的控制方式 转矩调节器通常采用怎样的控制方式 转矩调节器和磁链调节器都使用滞环两位调节 可以保持转矩在给定误差允许范围内波动 达到较好的转矩控制性能 完整的转矩调节器是由转矩两点式调节器和 P N 调节器组成 在转矩 给定值变化较大时 P N 调节器参与调节 加快调节过程 问题问题 5 105 10 根据工作特点的不同 可根据转速分为 低速范围 高速范围和弱磁范围 问题问题 5 125 12 在弱磁范围怎样实现异步电动机直接转矩控制 弱磁范围内进行的是恒功率调节 基速以上 全电压工作 没有零状态电压工作的时间 工 作电压在整个区段中作用 其特点是 转速的提高 定子磁链空间矢量旋转的加快 靠的是磁链 给定值的减小 即稳态弱磁 转矩的调节是靠六边形磁链给定值的动态变化调节的方法 转矩的 脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率 其解决方案如下 用电动机模型检测 计算电动机的磁链和转矩 用磁链自控制环节来确定 区段 六边形磁链轨迹 用功率调节器实现恒功率调节 通过改变磁链给定值实现平均转矩的动态 调节 每个区段用一个工作电压状态 改变有效电压矢量的交替作用时间 即改变 s 的旋转速度 由于有效电压矢量的幅值不变 所以它们的作用时间改变后 正六边形的面积将发生变化 作用时间变短 正六边形的面积变小 面积 Viti 磁链幅值 s 也将变小 因此可以用这种方法控制异步电动机的弱磁调速 六 六 PWMPWM 和和 SPWMSPWM 问题问题 6 16 1 通过调节 SPWM 逆变器控制电路中晶闸管的触发脉冲频率和相位 就可以调节 SPWM 逆变 器输出交流电压的幅值和频率 问题问题 6 26 2 什么是 SPWM 它有何特点 请简述其工作原理 将正弦半波 N 等分 把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高 矩形脉冲来替代 这样 有 N 个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效 正弦 的负半周也可用同样方法来等效 一组三相对称的正弦参考电压信号 Urc Urb Ura 其频率决定 逆变器输出的基波频率 三角波载波信号 Ut 与每相的参考电压比较后 给出 正 或 零 的饱 和输出 产生的 SPWM 脉冲序列波 Uda Udb Udc 作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号 逆 变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波 这种 SPWM 逆变器能有效地抑制 2N 1 次以下的 低次谐波 但存在高次谐波电压 调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节 SPWM 逆变器输出电压的幅值和频率 ic ia ib 精品文档 12欢迎下载 问题问题 6 36 3 什么是 SPWM 的同步调制和异步调制 各有何特点 同步调制 N 常数 正弦波频率与三角波频率同步变化 逆变器输出电压 半波内得矩形脉冲数固 定不变 如果 N 3K 则可保证逆变器输出波形的正 负半波对称 三相输出具有 1200对称关系 但低频工作时 相邻脉冲间距增大 使电机产生较大的转矩脉动和较强的噪声 异步调制 N 常数逆变器的整个变频范围内 载波比 N 常数 提高低频时的载波比 在改变参考信号频率时保持三角波频率不变 逆变器输出电压半波内得矩形脉冲数可随输出频率降低而增加 相应的减少负载电机的转矩脉动和噪声 改善低频工作的特性 但很难保证三相输出的对称关系 引起电动机工 作不平稳 分段同步调制 综合利用两者的特长 在一定频率范围内 采用同步调制 保持三相输出的对称 低频时 使载波比分段有级的增加 问题问题 6 46 4 SPWM 波形有那几种常用的方法 试对其中一种进行具体说明 SPWM 波形的常用方法有 自然采样法 规则采样法 指定谐波消去法 自然采样法 按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样 从而生成 SPWM 波 自然采样法虽然能真实反映脉冲产生与结束时刻 却难以用于实时控制中 一般可以将事先 计算出自然采样法的数据放入计算机内存中 控制时利用查表法进行查询 当调速系统频率变化 范围较大 频率段数很多时 将占用大量内存空间 自然采样法用于有限调速范围的场合 规则采样法 设法使 SPWM 波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线相对 从而简化计算 查 表法 开环系统 一般可以事先离线在通用计算机上算出规则采样法相应的脉宽后写入 EPROM 然后由调速系统的微型机通过查表和加减运算求出各相脉冲的时间和间隙时间 实时计算法 闭环系统 在内存中存贮正弦函数和 TC 2 值 控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度 M 作乘法运算 再根据给定的载波频率取出对应的 TC 2 值 与 Msinw1te作乘法运算 然后运用加 减 移位即可求出脉宽时间 t2和间隙时间 t1 t3 指定谐波消去法 从消除某些指定次数的谐波出发 通过计算来确定各个脉冲的开关时刻 从而生成 SPWM 波 一般用离线迭代计算事先求出不同输出频率下各开关角的数值解 放入微机内 存 以备控制时取用 具体工作过程说明见陈伯时主编 电力拖动自动控制系统 问题问题 6 56 5 SPWM 的三种调制方式为 同步调制 异步调制和分段同步调制 问题问题 6 66 6 SPWM 逆变器是利用正弦波信号与三角波信号相比较后 而获得一系列 A 的脉冲波形 A 等幅不等宽 B 等宽不等幅 C 等幅等宽 D 不等宽不等幅 在一般的交 直 交变频器供电的变压变频调速系统中 为了获得变频调速所要求的电压频 率协调控制 整流器必须是可控的 调速时须同时控制整流器 UR 和逆变器 UI 这样就带来了一系 列的问题 主要是 1 主电路有两个可控的功率环节 相对来说比较复杂 2 由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在 使系统的动态响应缓慢 3 由于整流器是可控的 使供电电源的功率因数岁变频装置输出频率的降低而变差 并 产生高次谐波电流 4 逆变器输出为六拍阶梯波交变电压 电流 在拖动电动机中形成较多的各次谐波 从 而产生较大的脉动转矩 影响电机的稳定工作 低速时尤为严重 因此 由第一代电力电子器件 所组成的变频装置已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源的需要 随着第二代电力 电子器件的出现以及微电子技术的发展 出现了解决这个问题的良好条件 1964 年 德国的 A Schonung 等率先提出了脉宽调制变频的思想 他们把通讯系统中的调制 技术推广引用于交流变频 用这种技术构成的 PWM 变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中 存在的问题 为近代交流调速系统开辟了新的发展领域 下图表示了 SPWM 变频器的原理图 精品文档 13欢迎下载 图 6 1 SPWM 交 直 交变压变频器的原理框图 图 6 2 SPWM 变压变频器主电路的原理图 上图是 SPWM 交 直 交变压变频器的原理框图 它仍是一个交 直 交变压变频装置 但它 的整流器 UR 是不可控的 它的输出电压经电容滤波 可附加小电感限流 后形成恒定幅值的直流 电压 加在逆变器 UI 上 逆变器的功率开关器件采用全控式器件 按一定规律控制器导通或断 开 使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形 在这里 通过改变脉冲的不同宽度可以 控制逆变器输出交流基波电压的幅值 通过改变调制周期可以控制器输出频率 从而同时实现变 压和变频 SPWM 变压变频器的主要特点如下 1 主电路只有一组可控的功率环节 简化了结构 2 采用了不可控整流器 使电网功率因数接近于 1 且与输出电压大小无关 3 逆变器同时实现调频与调压 系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响 4 可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形 因而转矩脉动小 大大扩展了 传动系统的调速范围 提高了系统的性能 问题问题 6 86 8 怎样产生 SPWM 波 脉宽调制变压变频器的控制方法 原始的 SPWM 是由模拟控制来实现的 图 6 4 是 SPWM 变压变频器的模拟控制电路原理框图 三相对称的参考电压调制信号 ura urb urc 由参考信号发生器提供 器频率和幅值都是可调的 三角载波信号 ut由三角波发生器提供 各相共用 它分别是每相调制信号在比较器上进行比较 给出 正 或 零 的饱和输出 产生 SPWM 脉冲序列波 uda udb udc 作为变压变频器功率开 关器件的驱动信号 图 6 3 SPWM 变压变频器的模拟控制电路图 图 6 4 SPWM 变压变频器的 Simulink 模块图 虽然此模拟控制电路很少应用 但因为用 MATLAB 很容易仿真 且可以对输出的 SPWM 波形的 频率和幅值都是可调的 所以才采用 Simulink 中的模块做 SPWM 变压变频发生器和示波器 图 6 4中 将三相正弦波作为基准的调制波 Modulation Wave 而三角波发生器产生的三角波信号作为载波 Carrier Wave 当调 制波与载波相交时 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻 具体的做法是 当 A 相的调制波电压 URA高出载波电压 Ut 时 使相应 的开关器件 VT1导通 输出正的脉冲电压 当 URA的负半周中 可用 类似的方法控制下桥臂的 VT4 输出负的脉冲电压序列 改变调制波 的频率时 输出电压基波的频率也随之改变 降低调制波的幅值时 如 U RA 各段脉冲的宽度都将变窄 从而使输出电压基波的幅值也 精品文档 14欢迎下载 相应减小 上述的单极式 SPWM 波形在半周内的脉冲电压只在 正 或 负 和 零 之间变 化 主电路每项只有一个开关器件反复通断 如果让同一桥臂上 下两个开关器件交替地导通与 关断 则输出脉冲在 正 和 负 之间变化 就得到双极式的 SPWM 波形 图 6 5 双极式 SPWM 波形 问题问题 6 96 9 什么是 SPWM 的数学控制方法 数学控制是 SPWM 目前常用的控制方法 可以采用微机存储预先计算好的 SPWM 数据表格 控 制是根据指令调出 或者通过软件实时生成 SPWM 波形 而 面积 等效算法 则是其中最简单的一种方法 它的基本原理是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系 列等幅不等宽的矩形脉冲波形 如图 3 7 绘出了单极式的 SPWM 波 形 它是由逆变器上桥臂中一个功率开关器件反复导通和关断形 成的 其等效正弦波为 Umsin 1t 而 SPWM 脉冲序列波的幅值为 Us 2 各脉冲不等宽 但中心间距相同 都等于 n n 为正弦 波半个周期内的脉冲数 令第 i 个矩形脉冲的宽度为 i 其中心 点相位角为 6 1 i s m i im n n m S i nU U n UttdU U i i sin 2 sin 2 sin2 sin 2 1 2 2 1 这就是说 第 i 个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比 因此 与半个周期正弦波等效的 SPWM 波是两侧窄 中间宽 脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形 根据上述原理 SPWM 脉冲 波形的宽度可以严格地用计算方法求得 采用数字控制时 这是很容易实现的 我刚开始做这个 脉冲发生器时用的就是计算方法 但是在 MATLAB 中运用这种方法虽然方便简单 但是脉冲发生器 产生的 SPWM 波形的频率就不能改变了 所以我选择了第一种方法 七 七 双馈调速和内反馈双馈调速和内反馈 问题问题 7 17 1 什么是双馈调速 它与串级调速由什么不同 双馈调速是将定 转子三相绕组分别接入两个相对独立的三相对称电源 电子绕组接入工频 电源 转子绕组接入频率 幅值 相位都可以按要求进行调节的交流电源 即采用交 交变频器和 交 直 交变频器给转子绕组供电 其中必须保证在任何情况下 转子外加电压的频率都要与转子任何情况下 转子外加电压的频率都要与转子 感应电动势的频率保持一致