電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)習(xí)題解答.pdf

“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答 1 第 1 章 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成 1. 根據(jù)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理 和共性問(wèn)題。 答電力傳動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)方式由于電 力傳輸和變換的便利使電力傳動(dòng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械的主要?jiǎng)恿ρb置。電力傳動(dòng) 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示一般由電源、變流器、電動(dòng)機(jī)、控制器、傳 感器和生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載組成。 圖1-1 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 電源 變流器電動(dòng)機(jī)負(fù)載控制器 傳感器 控制指令 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)輸入的控制指令比如速度或 位置指令 與傳感器采集的系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)速度、位置、電流和電壓等 經(jīng)過(guò) 一定的處理給出相應(yīng)的反饋控制信號(hào) 控制器按一定的控制算法或策略輸出相應(yīng) 的控制信號(hào)控制變流器改變輸入到電動(dòng)機(jī)的電源電壓、頻率等使電動(dòng)機(jī)改變 轉(zhuǎn)速或位置再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械按照相應(yīng)的控制要求運(yùn)動(dòng)故又稱為運(yùn)動(dòng) 控制系統(tǒng)。 雖然電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)種類(lèi)繁多但根據(jù)圖 1-1 所示的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可以 歸納出研發(fā)或應(yīng)用電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)所需解決的共性問(wèn)題 1電動(dòng)機(jī)的選擇。電力傳動(dòng)系統(tǒng)能否經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行正確選擇驅(qū)動(dòng)生產(chǎn) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對(duì)驅(qū)動(dòng)的要求選擇合適的 電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)及額定參數(shù)、絕緣等級(jí)等然后通過(guò)分析電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和冷卻、工 作制、過(guò)載能力等進(jìn)行電動(dòng)機(jī)容量的校驗(yàn)。 2變流技術(shù)研究。電動(dòng)機(jī)的控制是通過(guò)改變其供電電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的如直流 電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵(lì)磁電壓的方向 而調(diào)速需要改變電 樞電壓或勵(lì)磁電流的大小交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速需要改變其電源的電壓和頻率等 因此變流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 3系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)方法。狀態(tài)檢測(cè)是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵根據(jù)反饋控制 “電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答 2 原理需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)如電壓、電流、頻率、相位、 磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。因此研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)和觀測(cè)方法是提高其控制 性能的重要課題。 4控制策略和控制器的設(shè)計(jì)。任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心都是對(duì)控制方法的 研究和控制策略的選擇電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)也不例外。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求研發(fā) 或選擇適當(dāng)?shù)目刂品椒ɑ虿呗允菍?shí)現(xiàn)電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要問(wèn)題。 2直流電動(dòng)機(jī)有幾種調(diào)速方法其機(jī)械特性有何差別 答直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為 aa e URI n C 考慮到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩 e T的關(guān)系 eTa TCI可以將其機(jī)械 特性寫(xiě)成如下形式 0e nnT 式中 0ae /nUC稱作理想空載轉(zhuǎn)速 2 eT /R C C為機(jī)械特性的斜率。 由上式可知有以下三種調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法 1改變電樞回路電阻R圖 1-2 。 R1 s1 s2 s1 s2 n01 n02 圖4-17 恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機(jī)械特性 2恒定子電動(dòng)勢(shì)頻比控制模式 再次分析圖 4-15 的等效電路可以發(fā)現(xiàn)假如能夠提高定子電壓以完全補(bǔ)償 定子阻抗的壓降就能實(shí)現(xiàn)恒定子電動(dòng)勢(shì)頻比的控制模式即有 gs /=E常值 其機(jī)械特性如圖 4-18 所示?？梢?jiàn)最大電磁轉(zhuǎn)矩因 gs /E保持恒值而不變而 特性曲線從額定曲線平行下移 這說(shuō)明采用恒 gs /E控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu) 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 圖4-18 恒Eg /s控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性 3恒轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)頻比控制模式 進(jìn)一步研究圖 4-15 的等效電路可以設(shè)想如果能夠通過(guò)某種方式直接控制 轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)使其按照恒轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)頻比進(jìn)行控制即有 rs /=E常值。當(dāng)采用 這種控制模式時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將是一條下斜的直線如圖 4-19 可 獲得與直流電動(dòng)機(jī)相同的穩(wěn)態(tài)性能。 這也正是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)想要達(dá)到的目 “電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答 37 標(biāo)。 sN s1 s2 s3 n0N n01 n02 n03 n sN s1 s2 s3 Te O s 圖4-19 恒Er /s控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性 比較以上三種控制模式顯然恒 ss /U控制模式最容易實(shí)現(xiàn)但系統(tǒng)性能一 般調(diào)速范圍有限適用于對(duì)調(diào)速要求不太高的場(chǎng)合如風(fēng)機(jī)、水泵的節(jié)能控制 等恒 gs /E控制模式因其定子壓降得到完全補(bǔ)償在調(diào)速過(guò)程中最大電磁轉(zhuǎn)矩 保持不變系統(tǒng)性能優(yōu)于前者但其機(jī)械特性還是非線性的輸出轉(zhuǎn)矩的能力仍 受一定限制恒 rs /E控制模式能獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性其動(dòng) 靜態(tài)性能優(yōu)越適用于各種高性能要求的電力傳動(dòng)場(chǎng)合但其控制相對(duì)復(fù)雜。 2基頻以上的恒壓變頻調(diào)速 在基頻 sN f以上變頻調(diào)速時(shí)由于定子電壓不宜超過(guò)其額定電壓因此一般 需采取 ssN UU不變的控制策略。當(dāng)角頻率 s 提高時(shí)同步轉(zhuǎn)速隨之提高最大 轉(zhuǎn)矩減小機(jī)械特性上移而形狀基本不變?nèi)鐖D 4-20 所示。由于頻率提高而 電壓不變氣隙磁通勢(shì)必減弱導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小但轉(zhuǎn)速卻升高了可以認(rèn)為輸 出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速圖 4-21 。 “電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答 38 n O Te nsN sN s1 s2 s3 ns1 ns2 ns3 s3 s2 s1 sN 圖4-20 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機(jī)械特性 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 Us UsNUsN mN m 恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速 m Us O m Us O s sN 圖4-21 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 5. 交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想是什么為何采用矢量控制可以使 交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅?答由圖 4-25 所示的異步電動(dòng)機(jī)電流解耦模型可見(jiàn)通過(guò)坐標(biāo)變換、主磁 鏈按轉(zhuǎn)子磁鏈定向等計(jì)算處理一個(gè)異步電動(dòng)機(jī)在模型上被等效為直流電動(dòng)機(jī) 而且該等效直流電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩是分離的可以分別進(jìn)行單獨(dú)控制。這樣 就可以按直流電動(dòng)機(jī)的控制思路來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)并實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 的解耦控制。這就是交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想。 “電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答 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 + 直流電動(dòng)機(jī)等效模型 圖4-25 異步電動(dòng)機(jī)的矢量變換與電流解耦模型 如果能保持轉(zhuǎn)子磁鏈 r 恒定則電磁轉(zhuǎn)矩就由定子電流轉(zhuǎn)矩分量 sq i控制 這與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由電樞電流控制相仿。 這就是為何采用矢量控制可以使交 流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)性能的根本原因。 6. 交流調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是什么試分析比較矢量控制 系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各有何特點(diǎn)。 答 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是在靜止兩相坐標(biāo)系上控制定子磁鏈和轉(zhuǎn) 矩 這樣省略了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 并采用 Bang-Bang 控制器取代轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器 以加速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 兩者都采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和磁鏈分別控制但兩者在控制性能上各有千秋 矢量控制VC系統(tǒng)強(qiáng)調(diào) e T與 r 的解耦有利于分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器 實(shí)行連續(xù)控制可以獲得較寬的調(diào)速范圍但按 r 定向受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 的影響降低了系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制DTC系統(tǒng)則實(shí)行 e T與 r 砰-砰 控制避開(kāi)了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈 不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低速性能較差調(diào)速范 圍受到限制。 7. 如何實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的雙饋控制分析低同步速與超同步速運(yùn)行時(shí)的 轉(zhuǎn)差功率流向和控制模式。 “電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”習(xí)題解答 40 8. 同步電動(dòng)機(jī)有哪兩種基本控制方式其主要區(qū)別在何處 答同步電動(dòng)機(jī)的基本控制方式有他控式和自控式兩種其主要區(qū)別為 他控變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立的變壓變頻器給定子供電 并由專(zhuān)門(mén)的晶 閘管整流器提供直流給轉(zhuǎn)子勵(lì)磁。 自控變頻同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速有 PWM 變頻器供電 用電動(dòng)機(jī)軸上的所帶的轉(zhuǎn)子位 置檢測(cè)器提供的信號(hào)來(lái)控制 PWM 變頻器的換相時(shí)刻。 由于其換相類(lèi)似與直流電動(dòng) 機(jī)中電刷和換向器的作用一般稱為無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速或無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 9. 梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自 控變頻調(diào)速系統(tǒng)在組成原