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摘要許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn),又能反轉(zhuǎn),而且常常還需要快速的啟動(dòng)和制動(dòng),這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性,也就是需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆調(diào)速系統(tǒng)解決了電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行和回饋制動(dòng)問題,但是,如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn),便會(huì)產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流,稱做環(huán)流。有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快、過渡平滑等優(yōu)點(diǎn),但設(shè)置幾個(gè)環(huán)流電抗器終究是個(gè)累贅。因此,當(dāng)工藝過程對(duì)系統(tǒng)過度特性的平滑性要求不高時(shí),特別是對(duì)于大容量的系統(tǒng),常采用既沒有直流平均環(huán)流又沒有瞬時(shí)脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。本文介紹了邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及其構(gòu)成,并對(duì)其控制電路進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)。運(yùn)用了一種基于Matlab的Simulink和Power System工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真新方法,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)邏輯無(wú)環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。關(guān)鍵詞: 直流電機(jī);環(huán)流;邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速;Matlab仿真 目 錄第一章 緒論11.課題研究的目的與意義1第二章MATLAB的基本知識(shí)22.1 MATLAB軟件介紹2 2.2 MATLAB(Sumilink)的介紹2第三章 邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理33.1系統(tǒng)工作原理33.2系統(tǒng)的組成4第四章 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)54.1 主電路的設(shè)計(jì)54.1.1 主電路的模型64.1.2 主電路參數(shù)的設(shè)定及仿真模型64.2. 邏輯控制器DLC模塊74.3 電流調(diào)節(jié)器的模塊及參數(shù)設(shè)計(jì)94.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模塊及參數(shù)設(shè)計(jì)10五章 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試及動(dòng)態(tài)仿真125.1 邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路的建模125.2仿真波形145.3圖形分析16第六章 心得體會(huì)16參 考 文 獻(xiàn)17第一章 緒論1 課題研究的目的與意義直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能和調(diào)速性能,易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,且調(diào)速后的效率很高等優(yōu)點(diǎn),因而直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)中的到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際的生產(chǎn)中,許多生產(chǎn)機(jī)械不僅要求調(diào)速系統(tǒng)能夠完成調(diào)速的任務(wù),而且還要求系統(tǒng)能夠可逆運(yùn)轉(zhuǎn),;有些生產(chǎn)機(jī)械雖然不要求可逆運(yùn)行,但要求能進(jìn)行快速電氣制動(dòng)。從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可知,要使其制動(dòng)或者改變旋轉(zhuǎn)方向,就必須改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的方向。改變電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的方向有兩種方法:一種是改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓的極性,另一種是改變勵(lì)磁磁通的方向。與此對(duì)應(yīng),晶閘管-直流調(diào)速系統(tǒng)的可逆線路有兩種:電樞反接線路和勵(lì)磁反接可逆線路。對(duì)于大容量的系統(tǒng),從生產(chǎn)角度出發(fā),往往采用既沒有直流平均環(huán)流,有沒有脈動(dòng)環(huán)流的無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)。無(wú)環(huán)流可逆系統(tǒng)省去了環(huán)流電抗器,沒有了附加的環(huán)流損耗,節(jié)省變壓器和晶閘管裝置的附加設(shè)備容量。和有環(huán)流系統(tǒng)相比,因環(huán)流失敗造成的事故率大為降低。因此,無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。所以我選擇了用MATLAB仿真軟件來研究電動(dòng)機(jī)中無(wú)環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)與仿真。以考察自己的所學(xué)的知識(shí)和分析能力,達(dá)到理論與實(shí)際相結(jié)合的目的。第二章 MATLAB的基本知識(shí)2.1 MATLAB的介紹MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)的簡(jiǎn)稱。MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。使用 MATLAB,您可以較使用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言更快地解決技術(shù)計(jì)算問題。MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣,包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。2.2 MATLAB(Sumilink)的介紹MathWork開發(fā)的Sumilink是MATLAB里的重要軟件工具之一,其主要的功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析,從而在實(shí)際系統(tǒng)制作出來之前,可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析,并可以對(duì)系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)膶?shí)際修正或者按照仿真的最佳效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù),以提高系統(tǒng)的性能,減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中反復(fù)修改時(shí)間,實(shí)現(xiàn)高效率地開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)。實(shí)際的鼠標(biāo)操作是用其點(diǎn)擊與拖曳功能。在構(gòu)建完一個(gè)模型以后,可以通過Simulink的菜單或者在MATLAB命令里窗口鍵入命令來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真機(jī)分析其動(dòng)態(tài)特性。其次,Simulink內(nèi)置有各種分析工具:多種仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點(diǎn)等,都是非常先進(jìn)而使用的。還有,采用Scop示波器模塊與其他的畫圖模塊,可以在仿真進(jìn)行的同時(shí),就觀看到仿真結(jié)果。第三章 邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理 3.1系統(tǒng)工作原理邏輯無(wú)環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)采用了兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器和兩套觸發(fā)裝置分別控制正、反組晶閘管。兩組橋在任何時(shí)刻只有一組投入工作(另一組關(guān)斷),所以在兩組橋之間就不會(huì)存在環(huán)流。但當(dāng)兩組橋之間需要切換時(shí),不能簡(jiǎn)單的把原來工作著的一組橋的觸發(fā)脈沖立即封鎖,而同時(shí)把原來封鎖著的一組橋立即開通,因?yàn)橐呀?jīng)導(dǎo)通晶閘管并不能在觸發(fā)脈沖取消的一瞬間立即被關(guān)斷,必須待晶閘管承受反壓時(shí)才能關(guān)斷。如果對(duì)兩組橋的觸發(fā)脈沖的封鎖和開放式同時(shí)進(jìn)行,原先導(dǎo)通的那組橋不能立即關(guān)斷,而原先封鎖著的那組橋已經(jīng)開通,出現(xiàn)兩組橋同時(shí)導(dǎo)通的情況,因沒有環(huán)流電抗器,將會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流,把晶閘管燒毀。為此首先應(yīng)是已導(dǎo)通的的晶閘管斷流,要妥當(dāng)處理主回路中的電感儲(chǔ)存的一部分能量回饋給電網(wǎng),其余部分消耗在電機(jī)上,直到儲(chǔ)存的能量釋放完,主回路電流變?yōu)榱?,使原晶閘管恢復(fù)阻斷能力,隨后再開通原來封鎖著的那組橋的晶閘管,使其觸發(fā)導(dǎo)通。 圖3-1 邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR速度調(diào)節(jié)器 ACR1ACR2正反組電流調(diào)節(jié)器 GTF、GTR正反組整流裝置 VF、VR正反組整流橋 DLC無(wú)環(huán)流邏輯控制器 HX推裝置 TA交流互感器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) M工作臺(tái)電動(dòng)機(jī) LB電流變換器 AR反號(hào)器 GL過流保護(hù)環(huán)節(jié)3.2系統(tǒng)的組成這種邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)有一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR,一個(gè)反號(hào)器AR,采用雙電流調(diào)節(jié)器1ACR和2ACR,雙觸發(fā)裝置GTF和GTR結(jié)構(gòu)。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路,由于沒有環(huán)流,不用再設(shè)置環(huán)流電抗器,但是為了保證穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電流波形的連續(xù),仍應(yīng)保留平波電抗器,控制線路采用典型的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng),1ACR用來調(diào)節(jié)正組橋電流,其輸出控制正組觸發(fā)裝置GTF;2ACR調(diào)節(jié)反組橋電流,其輸出控制反組觸發(fā)裝置GTR,1ACR的給定信號(hào)經(jīng)反號(hào)器AR作為2ACR的給定信號(hào),這樣可使電流反饋信號(hào)的極性在正反轉(zhuǎn)時(shí)都不必改變,從而可采用不反映極性的電流檢測(cè)器,在邏輯無(wú)環(huán)流系統(tǒng)中設(shè)置的無(wú)環(huán)流邏輯控制器DLC,這是系統(tǒng)中關(guān)鍵部件。它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài),指揮系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)切換,或者允許正組觸發(fā)裝置發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖反組,或者允許反組觸發(fā)裝置發(fā)出觸發(fā)脈沖而封鎖正組。在任何情況下,決不允許兩組晶閘管同時(shí)開放,確保主電路沒有產(chǎn)生環(huán)流的可能。第四章 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)模塊的設(shè)計(jì)4.1 主電路的設(shè)計(jì)4.1.1 主電路的模型圖4-1系統(tǒng)的主電路系統(tǒng)采用的主電路是兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制,不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài),否則將造成電源短路。本系統(tǒng)采用的是三相橋式反并聯(lián)可逆線路,可使電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。 4.1.2 主電路參數(shù)的設(shè)定及仿真模型電源:交流160(峰值) 50hz,直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù): Un=220V,In=136A,n=1460r/min,電樞電阻 Ra =0.21電樞電感 La =0.000543H; 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=2.29Kgm2;電樞回路的總電阻 R=0.375,勵(lì)磁電壓Uf=220V,勵(lì)磁電阻Rf =14.7。平波電抗器Ld=15mH。晶閘管整流器放大倍數(shù) Ks=40,過載倍數(shù) =1.5. 整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值:U2=Un+R*In/2.34cosa=220+0.21*136/*/2.34*cos30=123v電動(dòng)機(jī)的參數(shù):(1)勵(lì)磁電流If=Uf/Rf=220/14.7=14.97A(2)勵(lì)磁電感在恒定磁場(chǎng)控制時(shí)可取0(3)電動(dòng)勢(shì)系數(shù):Ce=(Un-RaIn)/n=0.131V.min/r(4)轉(zhuǎn)矩系數(shù):Cm=30Ce/3.14=30*0.131/3.14=1.25(5)電樞繞組和勵(lì)磁繞組互感:Laf=Cm/If=0.083(6)額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩:TL=30CeIn/3.14=9.55*0.131*136=170N.m本實(shí)驗(yàn)采用MATLAB 7.0.1版本中模塊庫(kù),其控制子模塊庫(kù)中有6脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫(kù)中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機(jī)子模塊庫(kù)中有直流電機(jī)模塊,如圖所示。 圖4-2脈沖觸發(fā)器、晶閘管全控橋、直流電機(jī)模塊符號(hào)4.2. 邏輯控制器DLC模塊邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)通常采用典型的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),關(guān)鍵是設(shè)置了一套無(wú)環(huán)流邏輯切換裝置(DLC)。邏輯控制器模塊DLC是根據(jù)控制器輸入來判斷輸出的邏輯狀態(tài)的。設(shè)計(jì)的邏輯控制器如圖3-2所示。邏輯控制器由電平檢測(cè)、邏輯判斷、延時(shí)電路和聯(lián)鎖保護(hù)等四個(gè)環(huán)節(jié)組成。圖3-2下方的是封裝后的邏輯控制器圖標(biāo)。圖4-3邏輯控制器(1) 電平檢測(cè)電平檢測(cè)是將輸入的模擬信號(hào)(Ui*、Ui)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(UT、UI),轉(zhuǎn)換由兩個(gè)滯環(huán)控制模塊(Relay)實(shí)現(xiàn),轉(zhuǎn)換的要求如下: 轉(zhuǎn)矩極性檢測(cè)。當(dāng)Ui* 0時(shí),UT=1;當(dāng)Ui 0時(shí),UT=0。 零電流檢測(cè)。當(dāng)有電流即Ui 0時(shí),UI=0;當(dāng)電流為零(Ui =0)時(shí),UI=1。表3-3 邏輯真值表UTUIUblfUblr111010100010010100011001(2) 邏輯判斷電路按表3-3可以得到邏輯控制器輸入和輸出的邏輯關(guān)系表達(dá)式為(用與非門實(shí)現(xiàn)) (3-1) (3-2) 邏輯判斷電路由與非門YF1YF4組成,其輸入為轉(zhuǎn)矩極性和零電流信號(hào)UT、UI;輸出為邏輯切換信號(hào)UF、UR。(3) 延時(shí)電路邏輯判斷電路發(fā)出切換指令后還不能立即改變整流器工作狀態(tài),因?yàn)樵跈z測(cè)到電流為零時(shí),電樞電流還不一定真正到零,必須延遲3ms(關(guān)斷延時(shí))左右以保證電流真正為零后,才能發(fā)出指令使導(dǎo)通的整流器截止;并且為了確保截止的整流器能恢復(fù)阻斷狀態(tài),需開放的整流器也需要延遲一段時(shí)間再開放,即開放延時(shí),一般開放延時(shí)取7ms左右。關(guān)斷延時(shí)和開放延時(shí)由邏輯控制器中的延時(shí)電路產(chǎn)生。由于延時(shí)發(fā)生在邏輯判斷電流輸出UF和UR從“0”變“1”時(shí)的上升沿,而信號(hào)下降沿不需要延時(shí),因此設(shè)計(jì)延時(shí)仿真模塊如圖3-5所示。圖4-4 延時(shí)模塊(4) 聯(lián)鎖保護(hù)為了保證正反兩組整流器不會(huì)發(fā)生同時(shí)開放,邏輯控制器中由與非門YF5YF7組成了聯(lián)鎖保護(hù)電路,YF5和YF6采用與非門是因?yàn)檩敵鯱blf和Ublr的電平與觸發(fā)單元Block端的電平要求一致。在UF和UR同時(shí)為“1”時(shí),兩組整流器都關(guān)斷,避免發(fā)生整流器短路故障。4.3 電流調(diào)節(jié)器的模塊及參數(shù)設(shè)計(jì)1.通過MATLAB制作電流調(diào)節(jié)器模塊如3-5所示圖4-5 電流調(diào)節(jié)器模塊2. 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算(1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) Ts三相橋式電路的平均失控時(shí)間 Ts=0.017s (2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi 三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 3.33ms,為了基本濾平波頭,應(yīng)該有 (12)Toi=3.33ms ,因此取Toi=0.002s 。(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)處理,取Ti=Ts+Toi=0.0037s2.5.2 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇電流調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(PI),其傳遞函數(shù)為 WACRs=Ki(is+1)is2.5.3 選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)i=Tl=0.03s ;電流開環(huán)增益:取 KITi=0.5 ,因此KI=0.5Ti=135.1s-1 ,于是電流調(diào)節(jié)器(ACR)的比例系數(shù)為Ki=KIiRKs=5.013 。ACR 為PI調(diào)節(jié)器,其中: Kp =5.013; Ki =33.8。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器限幅值Ucm*=10V4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模塊及參數(shù)設(shè)計(jì)1.通過MATLAB制作電流調(diào)節(jié)器模塊如3-6所示圖4-6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊2.確定時(shí)間常數(shù)(1) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為 1KI=2Ti=0.0074s ;(2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) Ton 根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況,取 Ton=0.01s ; (3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) Tn 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取Tn=1KI+Ton=0.0174s 。3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié);又根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求,應(yīng)按典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用比例積分調(diào)節(jié)器(PI),其傳遞函數(shù)為 WASRs=Kn(ns+1)ns 4選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和抗擾性能都較好的原則,取 h=5 ,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前 時(shí)間常數(shù)為 n=hTn=0.0087s 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為KN=h+12h2Tn2=396.4s-2所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)的比例系數(shù)為Kn=(h+1)CeTm2hRTn=11.7 ASR 為PI調(diào)節(jié)器,其中: Kp =11.7; Kn = 134.5。 第五章 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試及動(dòng)態(tài)仿真5.1 邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路的建模組成邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的主要子模塊包括:三相交流電源、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發(fā)器、速度和電流調(diào)節(jié)器ASR及ACR、邏輯切換裝置DLC、直流電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)主電路采用兩組整流器反并聯(lián)方案,系統(tǒng)的控制電路有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,電流調(diào)節(jié)器,邏輯控制器等組成,且兩組整流器分別由兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器控制,其中反組整流器VR的電流調(diào)節(jié)器ACR2輸入經(jīng)過了倒相器,以確保兩組整流器的控制角=。兩組整流器的工作或封鎖由邏輯控制器控制。圖5-1邏輯無(wú)環(huán)流可逆調(diào)試系統(tǒng)的仿真模型 5.2 仿真波形圖3-8 整流電壓波形圖 圖3-9 正轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線圖3-10反轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線圖3-11正轉(zhuǎn)過程變換到反轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線5.3 圖形分析在無(wú)環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)帶載起動(dòng)( TL =200Nm )時(shí),電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)起動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行(0-2s) ,給出反轉(zhuǎn)指令后電動(dòng)機(jī)經(jīng)歷正轉(zhuǎn)制動(dòng)到反轉(zhuǎn)起動(dòng)、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速變化過程,然后系統(tǒng)又從反轉(zhuǎn)切換到正轉(zhuǎn)狀態(tài)。從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)給定正信號(hào)時(shí),在電流調(diào)節(jié)器作用下,電機(jī)電樞電流接近最大值,在1.7 s左右時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào),電流很快下降,在2.5s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài);在起動(dòng)后3 s,轉(zhuǎn)速給定Un*從“+”切換到“-”,系統(tǒng)進(jìn)入反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)狀態(tài)。電樞電流迅速改變方向,并從正變到負(fù)的最大值,電動(dòng)機(jī)也在電樞電流為0時(shí)迅速下降,也從正變?yōu)樨?fù),系統(tǒng)經(jīng)歷了本橋逆變和反接
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