機(jī)電運(yùn)動控制系統(tǒng)離線作業(yè)(選)答案

1、浙江大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院機(jī)電運(yùn)動控制系統(tǒng)課程作業(yè)（選做）姓名：學(xué) 號：年級：學(xué)習(xí)中心：1. 晶閘管可控整流器供電直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的機(jī)械特性有何特點? 畫出三相半波可控整流器供電直流電機(jī)機(jī)械特性并說明之。答: 與直流發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組機(jī)械特性相比, 不同之處是: (1) 分電流連續(xù)與電流斷續(xù)二個區(qū)域; (2) 電流連續(xù)區(qū)因可控整流器內(nèi)阻大 (特別有換流重迭壓降引入的等效電阻) 而使機(jī)械特性軟； 電流斷續(xù)區(qū)則因電流不連續(xù)致使機(jī)械特性更軟而無法負(fù)載工作。 三相半波可控整流器供電直流電機(jī)機(jī)械特性如圖所示: 時，整流器工作在整流狀態(tài)，電機(jī)工作在電動狀態(tài)； 時，整流器工作在逆變狀態(tài)，電機(jī)工作在制動狀態(tài)。 2.

2、可控整流器供電直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主回路中為何要釆用平波電抗器?其電感量應(yīng)按什么要求來設(shè)計?答: 由于可控整流器供電直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載輕時電流斷續(xù), 機(jī)械特性軟, 調(diào)速特性差，無靜差度可言。 解決辦法：串接平波電抗器L，增大晶閘管導(dǎo)通角以使電流連續(xù)。 平波電抗器電感量計算原則是: 能確保輕載下最小電流 時電流仍連續(xù)。 一般規(guī)律是Idmin越小，要求平波電抗器電感量越大。3在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動與負(fù)載擾動時，各是哪個調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用？答： (1) 電網(wǎng)電壓波動：影響整流電壓Ud ，整流電流Id，反映到控制信號即ufi，它從電流環(huán)介入，故電流調(diào)節(jié)器起主要作用。 (2)負(fù)載

3、擾動：負(fù)載TL的變化將影響轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，繼而影響轉(zhuǎn)速r，n，反映到控制信號即ufn，它從速度環(huán)介入，故速度調(diào)節(jié)器起主要作用4. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，兩個PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差(給定與反饋之差)是多少？它們的輸出電壓應(yīng)對應(yīng)于何種狀態(tài)的值？為什么？答： (1) 根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的特性，穩(wěn)態(tài)時能實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，使反饋等于給定，即： un 0 或ui 0 ，兩個PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差為零。 (2) 它們的輸出電壓應(yīng)對應(yīng)于第一次進(jìn)入un 0 或ui 0 時的輸出狀態(tài)值(如 un， ui，Ud，Id，T )。這是由于PI調(diào)節(jié)器有積分、記憶功能，對過去出現(xiàn)過的誤差信號有記憶作用。當(dāng) 時， ，調(diào)節(jié)器輸入為零，但

4、由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，對過去出現(xiàn)過的誤差有記憶，則積分輸出不為零，維持第一次出現(xiàn)時 的輸出值 ，進(jìn)而維持 （無差）5反并聯(lián)時為何會出現(xiàn)環(huán)流？限制環(huán)流有哪些有效方法？各有什么特點？答： 兩橋反并聯(lián)且同時整流時, 產(chǎn)生的整流電壓 會不經(jīng)直流電機(jī)而順串短路，因無電阻限流，會形成巨大環(huán)流。限制環(huán)流的有效辦法(對策)是: (1) 要求直流電壓：l 極性互頂：一橋整流、一橋逆變。 如圖所示 l 大小相等 ， 即這樣可以消除平均環(huán)流, 因為 平均環(huán)流 整流平均電壓 ，消除了平均環(huán)流但不能消除瞬吋環(huán)流, 因為： 瞬時環(huán)流 一橋整流、一橋逆變時整流平均電壓相等，但瞬時電壓波形不同，瞬時電壓差將引起瞬時環(huán)流，

5、控制上要求必須同時控制平均及瞬時環(huán)流。因此環(huán)流控制策略有:（1）有環(huán)流系統(tǒng)l 原則： 無平均環(huán)流，限制瞬時環(huán)流l 做法： l 一橋整流、一橋逆變， ；l 電抗器L、L，（非平波電抗器L）限制瞬時環(huán)流（2）無環(huán)流系統(tǒng)l 原則：一橋工作（整流或逆變），一橋封鎖（不工作）l 采用邏輯電路保證兩橋切換的安全邏輯無環(huán)流晶閘管直流電機(jī)可逆調(diào)速系統(tǒng)6為什么脈寬調(diào)制(PWM)型直流調(diào)速系統(tǒng)比晶閘管型直流調(diào)速系統(tǒng)能獲得更好的動態(tài)特性?答:可控整流器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)釆用開關(guān)速度慢(300Hz)的晶閘管作開關(guān)元件, 使換流死區(qū)(晶閘管不立即響應(yīng)觸發(fā)信號的時間)平均為3.33 6.66mS. 而脈寬調(diào)制(PWM)

6、型直流調(diào)速系統(tǒng)釆用自關(guān)斷器件(GTR, IGBT, MOSFET等), 其開關(guān)頻率在幾kHz 幾百kHz, 換流死區(qū)時間降至幾十nS 幾百nS, 快上了幾百、上千倍, 致使電機(jī)電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度響應(yīng)時間大大縮短, 即有了更好的動態(tài)特性。7從電機(jī)學(xué)原理說明調(diào)壓調(diào)速機(jī)理, 從電力電子技術(shù)說明調(diào)壓調(diào)速的實現(xiàn)手段答: 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理, 當(dāng)異步電機(jī)端電壓變化時, 機(jī)械特性發(fā)生如圖改變, 即:故隨端電壓1下降時, 最大轉(zhuǎn)矩m平方下降, 但發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩的位置Sm不變, 致使機(jī)械特性變軟, 與負(fù)載特性的交點即運(yùn)行點的滑差S增大,速度 n 降低, 實現(xiàn)了調(diào)壓調(diào)速。實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的電力電子技術(shù)裝置是交流固態(tài)調(diào)壓

7、器, 是用雙向晶閘管或兩只反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成。8畫出晶閘管恒轉(zhuǎn)矩亞同步串級調(diào)速系統(tǒng)主電路, 說清為什么是亞同步答:由于電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)釆用了不控整流器使轉(zhuǎn)子頻率滑差功率Ps變成直流功率, 可以簡單釆用有源逆變器的直流電勢U來吸收, 但釆用不控整流器只能使滑差功率Ps從電機(jī)向電網(wǎng)方向傳送,即增大轉(zhuǎn)子Ps, 增大S, 實現(xiàn)從同步速向下降低 n, 故為亞同步串級調(diào)速系統(tǒng)。 9. 晶閘管恒轉(zhuǎn)矩亞同步串級調(diào)速系統(tǒng)如何實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)? 其調(diào)節(jié)規(guī)律又如何?答: 系統(tǒng)調(diào)速控制量為逆變超前角, 即 變化 變化 變化 s 變 n 變。其調(diào)節(jié)規(guī)律是： (a)當(dāng) 時, 串級調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行于轉(zhuǎn)子短接的自然特性上達(dá)最高速;(b)當(dāng)

8、 時, 速度下降; (c)為防止逆變顛覆，限定 ，即達(dá)到了最低速10. 分析、討論恒電壓/頻率比(U1/f1 = C)控制時, 異步電機(jī)變頻調(diào)速控制方式的特點答: 特點：（1）同步速 ns 隨運(yùn)行頻率變化（2）不同頻率下，特性曲線硬度相同（平行線）恒轉(zhuǎn)矩特性 控制下，其機(jī)械特性適合調(diào)速范圍不寬、轉(zhuǎn)速不太低的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（Tm 不夠）；特別適合負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的負(fù)載，如風(fēng)機(jī)/水泵。低頻時（ ）適當(dāng)提高端電壓U1 ，以補(bǔ)償定子電阻壓降，可增大Tm ，以適當(dāng)提高帶負(fù)載能力11. 分析、討論恒氣隙電勢/頻率比(E1/f1 = C)時, 異步電機(jī)變頻調(diào)速控制方式的特點 答: 特點是: 恒最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)

9、行最大轉(zhuǎn)矩 Tm 不變， 與1無關(guān)。 仍為恒轉(zhuǎn)矩特性（不同1 下 n相同），但線性段范圍更寬。低頻時起動轉(zhuǎn)矩 TQ比額定頻率起動轉(zhuǎn)矩 TQN大。l 低頻起動時，小 小轉(zhuǎn)子電流有功分量（）大產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩 大；l 額定頻率起動時，大 大轉(zhuǎn)子電流有功分量（）小產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩小。要實現(xiàn)恒最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，必須確保氣隙磁通（恒定），即 （恒定）。而外部控制量為 ，必須全頻范圍內(nèi)恰如其分地補(bǔ)償定子電阻壓降。12分析、討論恒轉(zhuǎn)子電勢/頻率比（ Er / f1 = C）控制時, 異步電機(jī)變頻調(diào)速控制方式的特點及優(yōu)點答: 低頻時如將電壓作進(jìn)一步補(bǔ)償，除補(bǔ)償?shù)舳ㄗ勇┳杩箟航低?，再補(bǔ)償?shù)艮D(zhuǎn)子漏阻抗壓降，最后保持轉(zhuǎn)子電勢E

10、r線性變化，實現(xiàn) Er/f1 = C 控制. 這樣, 在確定頻率 下， 機(jī)械特性 為一直線； 不同頻率 下，為一族平行線 并激直流電機(jī)特性13為何變頻器供電電機(jī)轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱甚至燒毀?答: 這主要是變流器(變頻器)非正弦電源中含有豐富的諧波電壓(電流), 引起轉(zhuǎn)子參數(shù)變化之故。 即對諧波而言, 諧波滑差 Sk = 1 ，轉(zhuǎn)子頻率 f2 = Sk f1 = f1 變成了高頻，轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)嚴(yán)重, 致轉(zhuǎn)子電阻R2k增大；轉(zhuǎn)子電流擠向槽口，分布不均，槽漏抗減??；槽漏抗原是限制轉(zhuǎn)子電流的主要因素, 它的減小致使轉(zhuǎn)子中諧波電流I2k劇增, 結(jié)果是轉(zhuǎn)子諧波銅耗P2k = (I2k)2 R2k遠(yuǎn)大于基波銅耗,

11、轉(zhuǎn)子發(fā)熱劇烈, 成為變頻調(diào)速電機(jī)主要問題之一。 必須注意與調(diào)壓調(diào)速時異步電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱是由基波損耗(滑差功率)引起, 而變流器(變頻器)非正弦供電電機(jī)轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱是諧波效應(yīng)所致, 不是基波造成的結(jié)果。14變流器(變頻器)非正弦供電時, 異步電機(jī)的效率如何變化? 與變流器(變頻器)類型有關(guān)系否?答: 變頻器非正弦供電時，諧波電流增加了損耗、降低了效率。但變化趨勢與變頻器型有關(guān): 電壓源型逆變器供電時: 諧波電壓大小取決于變頻器輸出電壓波形，確定；諧波含量固定，與電機(jī)負(fù)載大小無關(guān)。故諧波電流大小及產(chǎn)生的諧波損耗p不隨負(fù)載2變化而恒定。這樣: 輕載時，2小，大小固定的p影響大，多。 滿載時，2大，大小

12、固定的p影響小，少（2%） 電流源型逆變器供電時: 電流波形確定，即電流中各次諧波含量比例確定，而其大小隨負(fù)載變。這樣: 滿載時，電機(jī)電流諧波增大，損耗增大，、cos 多； 輕載時，電機(jī)電流諧波量小，損耗較小，、cos 少。15變流器(變頻器)非正弦供電時, 異步電機(jī)是怎么產(chǎn)生出諧波轉(zhuǎn)矩的(成因)? 有幾種形態(tài)的諧波轉(zhuǎn)矩? 各有什么性質(zhì)(特點)?答: 有兩種形態(tài)的諧波轉(zhuǎn)矩, 它們的成因及性質(zhì)(特點)是: (1) 恒定諧波轉(zhuǎn)矩, 其成因是:氣隙磁通中諧波磁通（激勵）轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出同次諧波電流（響應(yīng)）相互作用產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩其性質(zhì)是: 異步轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩恒定（大小、方向確定）, 其值很?。?% TN）影響

13、可忽略。(2) 脈動轉(zhuǎn)矩, 其成因是:不同次數(shù)諧波磁場(主要是幅值最大的5、7次)與基波磁場的相互作用產(chǎn)生.其性質(zhì)是: 脈振轉(zhuǎn)矩, 平均值為零, 但低頻運(yùn)行時單方向幅值很大, 六倍基波頻諧波轉(zhuǎn)矩。16為什么說交-直-交型電流源變頻器具有四象限運(yùn)行能力? 從變流器控制角度圖示說明答: 電流源型逆變器釆用大電感濾波，直流母線電壓Ud極性允許改變, 而兩橋開關(guān)元件單向?qū)щ娦詻Q定直流電流Id 流向不能變, 功率流向改變?nèi)扛淖冎绷髂妇€電壓極性，這是通過調(diào)節(jié)兩橋變流器觸發(fā)角大小來實現(xiàn), 如圖所示。這樣可得如表所示的兩橋控制規(guī)律:17電壓源逆變器（VSI）及電流源逆變器（CSI）各自有何特殊應(yīng)用場合? 基

14、于什么考慮?答:（1）電壓源型逆變器（VSI）因電源內(nèi)阻小，拖動多臺電機(jī)工作時小值電源內(nèi)阻壓降不會影響端電壓，適合多機(jī)群控; 但因無制動功能，不能實用要求快速加、減速的場合。（2）電流源型逆變器（CSI）因電源內(nèi)阻大，多機(jī)運(yùn)行將通過大內(nèi)阻壓降相互影響，只適合單機(jī)運(yùn)行; 但有四象限運(yùn)行能力，適合于有動態(tài)快速性要求的場合。18. 正弦脈寬調(diào)制中, 什么是異步調(diào)制、同步調(diào)制、分段同步調(diào)制？它們各有什么特點？答: (1) 異步調(diào)制：調(diào)制波頻率變化時，保持載波頻率恒定不變的協(xié)調(diào)控制方式。 特點： 控制方便； 變頻運(yùn)行時調(diào)制波頻率變，不能確保載波比 致使半周期脈沖數(shù)變，甚至正、負(fù)半周中的脈沖數(shù)也不相同，分

15、解出的基波相位也變，將造成電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定。 高頻運(yùn)行時N 小，半周期脈少，諧波多，輸出特性差。 (2) 同步調(diào)制：載波頻率與調(diào)制波頻率正比變化的協(xié)調(diào)控制方式。 特點： 任何頻率下，半周內(nèi)脈沖數(shù)相同，輸出電壓波形穩(wěn)定 低頻時由于必須低壓，造成脈沖稀疏，諧波成分大，輸出特性差。 (3) 分段同步調(diào)制：將運(yùn)行頻率范圍分段，每段段內(nèi)N不變 （同步調(diào)制）的協(xié)調(diào)控制方式。 特點： 低頻段N大，以增加脈沖數(shù)，減少諧波。 基頻以上為方波(不再作PWM調(diào)制)，以充分利用直流母線電壓。19異步電機(jī)變頻調(diào)速時，如果只從調(diào)速角度單純改變頻率fl行否？為什么？還要同時改變什么量？答： 異步電機(jī)運(yùn)行（恒速或變頻）時, 均希望其運(yùn)行性能（力能指標(biāo) cos、）保持在設(shè)計點上，其中關(guān)鍵是保證電機(jī)磁路工作點不變或按要求變。磁路工作點以每極磁通或磁密 Bm描述，為保持良好運(yùn)行性能，要求維持磁路工作點 不變恒磁通。否則 磁路過飽和：pFe (Bm)2 Bm cos 磁路欠飽和出力不夠 從電機(jī)內(nèi)、外部電量關(guān)系上： 因此電機(jī)確定后，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定（不變），則有 ，要維持m = C , 要求 El/fl = C, 即El隨 fl 線性變化，但 E1為電機(jī)內(nèi)部量，只能通過端電壓 U1改變, 故變頻時必須同時改