電力傳動與控制 習題及答案匯 第2-5章

2-1直流電機有哪幾種調速方法？試從調節(jié)過程、調速特點、調速性能方面對這幾種調速方法進行分析。答：直流電機調速方法有：降壓、電樞回路串電阻、弱磁三種降壓調速機械特性硬度不變（斜率不變），穩(wěn)定性較好，可以在低速范圍內運行，降壓調速可以得到較大的調速范圍，只要電源電壓連續(xù)可調，就可以實現轉速的平滑調速，即無級調速；關鍵在于：要有電壓可連續(xù)調節(jié)的直流電源。電樞回路串電阻調速只能是基速（電動機運行于固有機械特性上的轉速）向下調；但也可以減小串入電阻值使轉速升高；轉速越低，損耗越大。該方法穩(wěn)定性能差，低速運行時，負載在不太大的范圍內變化，就會引起較大的轉速變化，而空載或輕載時，調速范圍小，調速效果不明顯，但設備簡單，易于操作。弱磁調速一般用于升速，從基速向上調，在功率較小的勵磁電路中進行調節(jié)，控制方便，能量損耗小，調速的平滑性較高，由于調速范圍不大，常和額定轉速以下的降壓調速配合應用，以擴大調整范圍。2-2簡述可逆和不可逆PWM變換器在結構和工作原理上各自具有的特點。雙極式和單極式可逆PWM變換器在結構、工作原理上又有什么相同之處和不同之處呢？答：略2-3在直流脈寬調速系統中，當電機停止不動時，電樞兩端是否還有電壓？電路中是否還有電流？為什么？答：在采用雙極性可逆PWM變換器的直流脈寬調速系統中，當電機停止不動時，電樞兩端電壓是正負對稱的交變信號，這意味著雖然瞬時電壓不為零，但平均值可能為零。同樣地電樞電流也是正負對稱的交變信號，其平均值也可能為零，但瞬時電流不為零。對于不可逆直流PWM變換器-電動機系統，當電動機停止不動時，電樞兩端電壓通常為零，電流通常也為零，這里的電流為零是指平均值，瞬時電流可能由于電路中的電容、電感等元件的放電效應而短暫存在。2-4在PWM-M系統中，直流電源等效為一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數是如何確定的？電樞電流是否還可能斷續(xù)？試進行簡單討論。答：PWM輸出電壓Ud與控制電壓Uc的關系可概括為：當控制電壓Uc改變時，平均輸出電壓Ud按線性規(guī)律變化，但其響應會有延遲，通常最大滯后時間認為為一個載波周期T。對于帶制動回路的PWM-M系統，無論電機是重載還是輕載狀態(tài)下，電流波形一般都是連續(xù)的。2-5調速范圍D、靜差率s和額定速降ΔnN三者之間存在什么內在關系？答：略2-6直流電機的開環(huán)控制存在哪些問題？如何解決？答：略2-7轉速單閉環(huán)控制系統有哪些特點？改變給定電壓能否改變電機的轉速？為什么？如果給定電壓不變，調節(jié)測速反饋電壓的分壓比是否能夠改變轉速？為什么？如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變化，系統有無克服這種干擾的能力？答：轉速單閉環(huán)控制系統特點：略。改變給定電壓能改變電機轉速；調節(jié)測速反饋電壓的分壓比和測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變化都將改變轉速反饋系數，因此將改變穩(wěn)態(tài)時的轉速。2-8在轉速負反饋調速系統中，當電網電壓、負載轉矩、電機勵磁電流、電樞電阻、測速發(fā)電機勵磁各量發(fā)生變化時，都會引起轉速的變化，問系統對上述各量有無調節(jié)能力？為什么？答：根據轉速負反饋調速系統的特點可知，當電網電壓、負載轉矩、電機勵磁電流、電樞電阻發(fā)生變化時，系統都可以進行調節(jié)；而測速發(fā)電機勵磁發(fā)生變化時將改變轉速反饋系數，系統無調節(jié)作用。2-9在PWM-M系統中，當直流電機再生制動時，其存儲的機械能是如何處理的，應注意什么問題？如果要求將這些機械能饋回電網，可采取哪些措施？答：在PWM-M系統中，當直流電機再生制動時，其存儲的機械能將轉換為電能回饋至直流側，但是由于二極管整流器的單向導電性，電能不能通過整流器送回交流電網，只能向濾波電容進行充電，使得電容兩端電壓升高。應注意過高的電容電壓可能會超過電力電子器件的耐壓限制值，因此電容的容量不能太小。如果要求將這些機械能饋回電網可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，將直流電逆變成交流電。2-10什么叫典型I型系統、典型Ⅱ型系統，它們有哪些基本特征？答：略。2-11采用理想起動的目的是什么？答：理想起動目的是能夠使電動機在起動時保持最大的允許電流，從而產生最大的轉矩，同時電動機的轉速能夠迅速以直線規(guī)律上升，從而大大縮短起動時間，但也要注意減小對電網的沖擊。2-12在轉速、電流雙閉環(huán)控制系統中，調節(jié)什么參數可以改變系統的轉速？答：根據閉環(huán)控制系統的特點可知，調節(jié)給定電壓、調節(jié)反饋系數都可以改變系統的轉速。2-13在轉速、電流雙閉環(huán)控制系統中，轉速調節(jié)器有哪些作用？其輸出限幅值應該按照什么要求整定？電流調節(jié)器又有哪些作用？其輸出限幅值應該如何整定？答：略2-14在轉速、電流雙閉環(huán)控制系統中，如遇到下列情況會出現什么現象？（1）電流反饋極性接反；（2）轉速反饋極性接反；（3）起動時ASR未能達到飽和；（4）額定負載正常運行時，電流反饋突然斷開。答：略2-15圖2-57為常見的液位控制系統原理圖，其工作目的是在任意時刻保持液面高度維持不變，試說明系統工作原理并畫出系統控制框圖。答：該液位控制系統為典型的反饋控制系統，該系統中被控量為水箱的液位高度。通過浮球的上下浮動來反映液位的變化，當液位上升或下降時，浮球會隨之浮動，并帶動電位器電刷位置發(fā)生變化，從而改變電機輸入電壓的變化，進而改變驅動電機的旋轉速度，改變閥門開度，最終改變進入水箱的流量。需注意，電位器電刷位于中間位置時，電動機輸入電壓為零，電機保持靜止。2-16有一PWM-M轉速控制系統：電機參數PN=2.2kW，UN=220V，IN=12.5A，nN=1500r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω，整流裝置內阻R=1.5Ω，整流環(huán)節(jié)的放大倍數Ks=35。要求系統滿足調速范圍D=20，靜差率s=10%。（1）計算開環(huán)系統的轉速降落Δnop和調速要求所允許的閉環(huán)時的轉速降落Δncl；（2）試畫出采用轉速負反饋閉環(huán)系統穩(wěn)態(tài)結構框圖；（3）當Un*=15V時，Id=IN，n=nN時，轉速負反饋系數α應是多少？（4）計算放大器所需的放大倍數。（5）若開關頻率為8kHz，主電路電感L=10mH，系統運動部分的飛輪慣量GD2=1.2Nm2，試判斷該轉速負反饋系統能否穩(wěn)定運行？如要保證系統穩(wěn)定運行，允許的最大開環(huán)放大系數K是多少？解：（1）要求，根據開環(huán)系統中，先求Ce則開環(huán)系統穩(wěn)態(tài)速降為：根據要求：D=20，s≤10％，由公式得（2）略（3）、（4）已知，，根據公式則取K=20由已知：時，,，公式：得：根據公式得：（5）分析：要使系統穩(wěn)定運行，根據要求使得：，先求出三個時間常數其中：電磁時間常數為：機電時間常數為：要使得系統穩(wěn)定K必須小于268.99，根據（3）可知，K取20，則系統能穩(wěn)定運行。2-17轉速、電流雙閉環(huán)直流電機控制系統，轉速和電流調節(jié)器均采用PI調節(jié)器。已知α＝0.01V/r﹒min-1，β＝0.04V/A，Ce=0.416V/r﹒min-1，R=0.25Ω，負載電流IdL=140A，Un*=9V。試參計算出穩(wěn)態(tài)時Un、Ui、Ui*、ΔUn、ΔUi、Ud、Ea、Id、n各為多少。解：由于轉速和電流調節(jié)器均采用PI調節(jié)器，則根據雙閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構框圖可知當Un*=9V，穩(wěn)態(tài)時Un=Un*=9V，ΔUn=0Ea=Cen=0.416×900=374.4V穩(wěn)態(tài)時Id=IdL=140A當A，V因為采用PI調節(jié)器，穩(wěn)定時，則V，ΔUi=02-18略2-19略2-20略3-1對于恒轉矩負載，為什么調壓調速的調速范圍不大？電動機機械特性越軟，調速范圍是否越大？解：對于恒轉矩負載，普通籠型異步電動機的降壓調速度的工作范圍為0<s<電機機械特性越軟，調速范圍不變，因為sm3-2異步電動機變頻調速時，為何要電壓協調控制？在整個調速范圍內，保持電壓恒定是否可行？為何在基頻以下時，采用恒壓頻比控制，而在基頻以上保持電壓恒定？解：當異步電動機在基頻以下運行時，如果磁通太弱，沒有充分利用電動機的鐵心，是一種浪費；如果磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時還會因繞組過熱而損壞電動機。由此可見，最好是保持每極磁通量為額定值不變。當頻率從額定值向下調節(jié)時，必須同時降低Eg使Eg=4.44在基頻以上調速時，頻率從額定值向上升高，受到電動機絕緣耐壓和磁路飽和的限制，定子電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變，這將導致磁通與頻率成反比地降低，使得異動電動機工作在弱磁狀態(tài)。3-3異步電動機變頻調速時，基頻以下和基頻以上分別屬于恒功率還是恒轉矩調速方式？為什么？所謂恒功率或恒轉矩調速方式，是否指輸出功率或轉矩恒定？若不是，那么恒功率或恒轉矩調速究竟是指什么？解：在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉矩也恒定，屬于恒轉矩調速方式；在基頻以上，轉速升高時磁通減小，允許輸出轉矩也隨之降低，輸出功率基本不變，屬于近似的恒功率調速方式。3-4一臺三相異步電動機的銘牌數據如下：額定電壓UN=380V，額定轉速nN=1200r/min，額定頻率fN=60Hz，定子繞組為星型聯結。由實驗測得定子電阻Rs=0.8Ω，定子漏感Lls=0.006H，定子繞組產生氣隙主磁通的等效電感Lm=0.26H（1）畫出異步電動機Ｔ形等效電路和簡化等效電路。（2）額定運行時的轉差率sN、定子額定電流I1N（3）定子電壓和頻率均為額定值時，理想空載時的勵磁電流I0（4）定子電壓和頻率均為額定值時，臨界轉差率sm和臨界轉矩Tm，解：（1）Ｔ形等效電路和簡化等效電路如下：（2）額定運行時轉差率s根據簡化等效電路，定子額定電流IT其中np=60fNn（3）定子電壓和頻率均為額定值時，理想空載時的勵磁電流I（4）定子電壓和頻率均為額定值時，臨界轉差率sT異步電動機機械特性：3-5異步電動機參數如習題３－４所示，畫出調壓調速在12UN和23UN時的機械特性，計算臨界轉差率sm和臨界轉矩Tm，解：調壓調速在12UN臨界轉差率s12T?23T?帶恒轉矩負載TL工作時，穩(wěn)定工作范圍為0<s<s3-6異步電動機參數如習題3-4所示，若定子每相繞組匝數Ns=250系數KNs=0.9，定子電壓和頻率均為額定值。（1）忽略定子漏阻抗，每極氣隙磁通量?m值Eg（2）考慮定子漏阻抗，在理想空載和額定負載時的?m和E（3）比較上述三種情況下?m和Eg的差異，解：（1）忽略定子漏阻抗，U所以，E?（2）考慮定子漏阻抗，理想空載時同（1）額定負載時，根據簡化等效電路，定子額定電流IE?（3）忽略定子漏阻抗時，不考慮定子漏阻抗壓降，理想空載時，定子漏阻抗壓降等于零，兩者相同?？紤]定子漏阻抗時，定子漏阻抗壓降使得?m和E3-7接上題，求：（1）在理想空載和額定負載時的定子磁通?ms和定子每相繞組感應電動勢E（2）轉子磁通?m和轉子繞組中的感應電動勢（折合到定子邊）E（3）分析與比較在額定負載時，?m、?ms和?mr的差異，Eg、Es和解：（1）定子磁通?ms和定子每相繞組感應電動勢Es理想空載時，E?額定負載時，根據簡化等效電路，定子額定電流IE?理想空載和額定負載時的轉子磁通?m和轉子繞組中的感應電動勢（折合到定子邊）E理想空載時，I1E?額定負載時，根據簡化等效電路，定子額定電流IE?（3）額定負載時，?ms>?m3-8用習題3-4參數計算轉差頻率控制系統的臨界轉差頻率ωsm。假定系統最大的允許轉差頻率ωsmax=0.9解：轉差頻率控制系統的臨界轉差頻率ω起動時定子電流I其中ET3-9論述轉速閉環(huán)轉差頻率控制系統的控制規(guī)律、實現方法及系統的優(yōu)缺點。解：轉差頻率控制的規(guī)律為：在ωs≤ωsm的范圍內，轉矩在不同的定子電流值時，按Us=f(ω轉差頻率控制系統的優(yōu)點是：轉差角頻率ωs?與實測轉速ω相加后得到定子頻率ω1?，在調速過程中，實際頻率ω1隨著實際轉速ω同步地上升或下降，加、減速平滑且穩(wěn)定。同時，由于動態(tài)過程中轉速調節(jié)器ASR飽和，系統以對應于ω轉差頻率控制系統的缺點是：轉差頻率控制系統是基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型的，Us3-10基頻以下調速可以是恒壓頻比控制、恒定子磁通?ms、恒氣隙磁通?m和恒轉子磁通?mr解：恒壓頻比控制:恒壓頻比控制最容易實現，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，低速時需適當提高定子電壓，以近似補償定子阻抗壓降。在對于相同的電磁轉矩，角頻率越大，速降落越大，機械特性越軟，與直流電動機弱磁調速相似。在基頻以下運行時，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡便的優(yōu)點，但負載變化時定子壓降不同，將導致磁通改變，因此需采用定子電壓補償控制。根據定子電流的大小改變定子電壓，以保持磁通恒定。恒定子磁通:雖然改善了低速性能，但機械特性還是非線性的，仍受到臨界轉矩的限制。頻率變化時，恒定子磁通控制的臨界轉矩恒定不變。恒定子磁通控制的臨界轉差率大于恒壓頻比控制方式。恒定子磁通控制的臨界轉矩也大于恒壓頻比控制方式?？刂品绞骄枰ㄗ与妷貉a償，控制要復雜一些。恒氣隙磁通:雖然改善了低速性能，但機械特性還是非線性的，仍受到臨界轉矩的限制。保持氣隙磁通恒定即Egω恒轉子磁通:機械特性完全是一條直線，可以獲得和直流電動機一樣的線性機械特性，這正是高性能交流變頻調速所要求的穩(wěn)態(tài)性能。3-11常用的交流PWM有三種控制方式，分別為SPWM、CHBPWM和SVPWM，論述它們的基本特征、各自的優(yōu)缺點。解：SPWM：基本特征：以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列。優(yōu)缺點：普通的SPWM變頻器輸出電壓帶有一定的諧波分量，為降低諧波分量，減少電動機轉矩脈動，可以采用直接計算各脈沖起始與終了相位的方法，以消除指定次數的諧波。

CHBPWM：基本特征：在原來主回路的基礎上，采用電流閉環(huán)控制，使實際電流快速跟隨給定值。優(yōu)缺點：在穩(wěn)態(tài)時，盡可能使實際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能。精度高、響應快，且易于實現。但功率開關器件的開關頻率不定。

SVPWM：基本特征：把逆變器和交流電動機視為一體，以圓形旋轉磁場為目標來控制逆變器的工作，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實現的。優(yōu)缺點：8個基本輸出矢量，6個有效工作矢量和2個零矢量，在一個旋轉周期內，每個有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉磁鏈，諧波分量大，導致轉矩脈動。

3-12按基頻以下和基頻以上分析電壓頻率協調的控制方式，畫出：（1）恒壓恒頻正弦波供電時異步電動機的機械特性。（2）基頻以下電壓頻率協調控制時異步電動機的機械特性。（3）基頻以上恒壓變頻控制時異步電動機的機械特性。（4）電壓頻率特性曲線U=f(f)。解：（1）（2）（3）（4）3-13異步電動機參數同習題3-4，輸出頻率f等于額定頻率fn，輸出電壓U等于額定電壓UN，考慮低頻補償，若頻率f=0（1）求出基頻以下電壓頻率特性曲線U=f(f)的表達式，并畫出特性曲線。（2）當f=5Hz和f=2Hz時，比較補償與不補償的機械特性曲線解：（1）基頻以下，電壓頻率特性曲線U=（2）補償與不補償的機械特性曲線，兩種情況下的臨界轉矩T當f=5HU=臨界轉矩T不補償U=臨界轉矩T當f=2HU=臨界轉矩T不補償U=臨界轉矩T3-14分析電流滯環(huán)跟蹤PWM控制中，環(huán)寬對電流波動與開關頻率的影響。解：電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關,當環(huán)寬選得較大時,可降低開關頻率,但電流波形失真較多,諧波分量高;如果環(huán)寬太小,電流波形雖然較好,卻使開關頻率增大了。這是一對矛盾的因素,實用中,應在充分利用器件開關頻率的前提下,正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。3-15三相異步電動機星型聯結，能否將中性點與直流側參考點短接？為什么？解：能。雖然直流電源中點和交流電動機中點的電位不等，但合成電壓矢量的表達式相等。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點不等?？梢詫⒅行渣c與直流側參考點短接。3-16兩電平PWM逆變器主回路的輸出電壓矢量是有限的，若期望輸出電壓矢量us的幅值小于23Ud解：兩電平PWM逆變器有六個基本空間電壓矢量，這六個基本空間電壓矢量將電壓空間矢量分成六個扇區(qū)，根據空間角度θ確定所在的扇區(qū)，然后用扇區(qū)所在的兩個基本空間電壓矢量分別作用一段時間等效合成期望的輸出電壓矢量。3-17異步電動機基頻以下調速時，氣隙磁通量?m、定子磁通?ms和轉子磁通?mr隨負載的變換而變化，要保持恒定需采用電壓補償控制。寫出保持三種磁通恒定的電壓補償控制的相量表達式，若僅采用幅值補償是否可行解：（1）定子磁通?msU（2）氣隙磁通量?mU（3）轉子磁通?mrU精確的補償應該是幅值補償和相位補償，考慮實現方便的原因，也可僅采用幅值補償。3-18兩電平PWM逆變器主回路，采用雙極性調制時，用1表示上橋臂開通，0表示上橋臂關斷，共有幾種開關狀態(tài)，寫出其開關函數。根據開關狀態(tài)寫出其電壓空間矢量表達式，畫出電壓空間矢量圖。解：兩電平PWM逆變器主回路：采用雙極性調制時，用1表示上橋臂開通，0表示上橋臂關斷，逆變器輸出端電壓：uu以直流電源中點O為參考點u空間電壓矢量圖：3-19采用SVPWM控制，用有效工作電壓矢量合成期望的輸出電壓矢量，由于期望輸出電壓矢量是連續(xù)可調的，定子磁鏈矢量軌跡可以是圓，這種說法是否正確？為什么？解：實際的定子磁鏈矢量軌跡在期望的磁鏈圓周圍波動。N越大，磁鏈軌跡越接近于圓，但開關頻率隨之增大。由于N是有限的，所以磁鏈軌跡只能接近于圓，而不可能等于圓。3-20采用電壓空間矢量PWM調制方法，若直流電壓ud解：在一個周期內,6個有效工作矢量順序作用一次,定子磁鏈矢量是一個封閉的正六邊形。正六邊形定子磁鏈的大小與直流側電壓成正比,而與電源角頻率成反比。在基頻以下調速時,應保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定。若直流側電壓恒定,則越小時,Δt越大,勢必導致增加。第四章習題答案已做習題：4-1--4-10，4-12，4-15，4-19有問題的習題4-19缺極對數，不能計算出同步轉速，因此只寫了公式4-1結合異步電動機三相原始動態(tài)模型，討論異步電動機非線性、強耦合和多變量的性質，并說明具體體現在哪些方面？解：非線性：異步電動機的非線性主要來源于電流與磁通的乘積產生轉矩，以及轉速與磁通的乘積產生感應電動勢。在數學模型中，這些關系表現為變量的乘積項，即使不考慮磁飽和等因素，也使得模型具有非線性特性。強耦合：異步電動機的強耦合特性表現在定子和轉子之間的耦合，以及三相繞組之間的耦合。這種耦合關系在電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程中都有體現。電機電動勢和電磁轉矩存在變量乘積，定轉子的相對運動使得互感矩陣為非線性變參數，這些都使得異步電動機成為一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。多變量：異步電動機是一個多變量系統，具有多個輸入和輸出變量。在變壓變頻調速時，需要進行電壓（或電流）和頻率的協調控制，這意味著有電壓（電流）和頻率兩種獨立的輸入變量。在輸出變量中，除了轉速外，磁通也是一個重要的輸出變量。4-2三相原始模型是否存在約束條件？為什么說“三相原始數學模型并不是其物理對象最簡潔的描述，完全可以且完全有必要用兩相模型代替”？兩相模型為什么相差90°？可否相差180°？解：異步電動機三相繞組為Y無中線連接，若為Δ連接，可等效為Y連接。因此異步電動機三相數學模型中存在一定的約束條件三相變量中只有兩相是獨立的，因此三相原始數學模型并不是物理對象最簡潔的描述。完全可以而且也有必要用兩相模型代替。在交流電動機三相對稱的靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉速（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉。任意對稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產生旋轉磁動勢，以兩相最為簡單。相差180°，相互抵消后相當于只有單相繞組通入電流，不能產生旋轉磁動勢。4-3電源三相電流為2cos、2cos(-120°)和2cos(+120°)，求其3/2變換下的結果；若按電源旋轉角定向，求2s/2r變換后的結果。解：三相—兩相(2s/2r)的電流變換矩陣方程為由中性點公式化簡得給定的三相電流為因此得到進行2s/2r變換4-43/2坐標變換的等效原則是什么？功率相等是否為坐標變換的必要條件？是否可以采用匝數相等的變換原則？如可以，變換前后的功率是否相等？解：三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效代替，等效的原則是產生的磁動勢相等。確定電流變換矩陣時，應遵守變換前后所產生的旋轉磁場等效的原則。確定電壓變換矩陣時，應遵守變換前后電動機功率不變的原則。功率相等不是坐標變換的必要條件。不可以采用匝數相等的變換原則，若采用，變換前后的功率不相等。4-5旋轉變換的等效原則是什么？當磁動勢矢量幅值恒定、勻速旋轉時，在靜止繞組中通入正弦對稱的交流電流，而在同步旋轉坐標系中的電流為什么是直流電流？如果坐標系的旋轉速度大于或小于磁動勢矢量的旋轉速度時，繞組中的電流是交流量還是直流量？解：旋轉變換的等效原則主要是基于不同坐標系下繞組產生的合磁動勢相等的原則。通過坐標變換，可以將靜止坐標系中的交流量轉換為旋轉坐標系中的直流量。這是因為在旋轉坐標系中，觀察者與磁動勢矢量一起旋轉，因此看到的電流就像是直流一樣。如果坐標系的旋轉速度大于或小于磁動勢矢量的旋轉速度時，繞組中的電流將不再是直流量。如果旋轉坐標系的速度大于磁動勢矢量的旋轉速度，那么在旋轉坐標系中觀察到的電流將是負頻率的交流量；如果旋轉坐標系的速度小于磁動勢矢量的旋轉速度，那么在旋轉坐標系中觀察到的電流將是正頻率的交流量。這是因為相對速度的變化導致了電流頻率的變化。4-6按磁動勢等效、功率相等的原則，三相坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換矩陣為現有三相正弦對稱電流求變換后兩相靜止坐標系中的電流is和is，分析兩相電流的基本特征與三相電流的關系。解：兩相靜止坐標系中的電流兩相電流與三相電流的的頻率相同，兩相電流的幅值是三相電流的的32倍，兩相電流的相位差4-7兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換矩陣為將習題4-6中兩相靜止坐標系中的電流is和is變換到兩相旋轉坐標系中的電流isd和isq，坐標系旋轉速度ddt=1。分析當1=時，isd和isq解：兩相旋轉坐標系中的電流當ddt=電流矢量幅值4-8坐標變換（3/2變換和旋轉變換）的優(yōu)點何在？能否改變或減弱異步電動機非線性、強耦合和多變量的性質？解：3/2變換將按三相繞組等效為互相垂直的兩相繞組，消除了定子三相繞組、轉子三相繞組間的相互耦合。與三相原始模型相比，3/2變換減少了狀態(tài)變量的維數，簡化了定子和轉子的自感矩陣。但是坐標變換并不能改變或減弱異步電動機非線性、強耦合和多變量的性質，這些特性是電機固有的。4-9論述矢量控制系統的基本工作原理、矢量變換和按轉子磁鏈定向的作用，等效的直流電動機模型、矢量控制系統的轉矩與磁鏈控制規(guī)律。解：矢量控制系統將異步電動機模型解耦以及坐標變化，相當于按照控制直流電動機的方式來實現交流電動機的控制。矢量變換包括Clarke變換和Park變換。Clarke變換將三相電流轉換為αβ坐標系，Park變換將αβ坐標系轉換為dq坐標系。按轉子磁鏈定向通過坐標變換，在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型。仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉矩與磁鏈。按轉子磁鏈定向，將d軸與轉子磁場方向一致，通過坐標變換，在按轉子磁場定向同步旋轉坐標系中，得到等效的直流電動機模型。仿照直流電動機的控制方法控制電磁轉矩與磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。在磁場定向控制回路中，通過控制q軸電流為零，使電機的磁場與轉子磁場同步。這樣，電機的轉子磁場就可以有效地與定子磁場相互作用，從而產生所需的轉矩。4-10轉子磁鏈計算模型有電壓模型和電流模型兩種，分析兩種模型的基本原理，比較各自的優(yōu)缺點。解：根據描述磁鏈與電流關系的磁鏈方程來計算轉子磁鏈，所得出的模型叫做電流模型。計算轉子磁鏈的電流模型需要實測的電流和轉速信號，不論轉速高低時都能適用。但受電動機參數變化的影響。電動機溫升和頻率變化都會影響轉子電阻，磁飽和程度將影響電感。這些影響都將導致磁鏈幅值與位置信號失真，而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統的性能降低，這是電流模型的不足之處。根據電壓方程中感應電動勢等于磁鏈變化率的關系，取電動勢的積分得到磁鏈，所得出的模型叫做電壓模型。電壓模型包含純積分項，積分的初始值和累積誤差都影響計算結果，在低速時，定子電阻壓降變化的影響也較大。電壓模型更適合于中、高速范圍，而電流模型能適應低速。有時為了提高準確度，把兩種模型結合起來。4-12如圖4-36所示為一變頻調速系統結構圖，試分析如下問題。（１）該系統采用的是間接矢量控制還是直接矢量控制？其磁鏈觀測模型是什么類型？（２）矢量控制實現的關鍵是什么？（３）簡述該系統的基本工作原理。解：1、直接矢量控制和間接矢量控制的主要區(qū)別在于是否需要對轉子磁鏈進行直接測量或觀測。直接矢量控制需要對磁鏈進行閉環(huán)控制，而間接矢量控制則通過轉差頻率和轉速的關系來估算磁鏈的位置，從而實現控制。本系統采用的是直接矢量控制。磁鏈觀測模型是電流模型。2、矢量控制實現的關鍵是通過將電機的磁鏈和轉矩解耦，使得可以獨立控制電機的磁鏈和轉矩3、首先將三相定子電流iA、iB、iC經3/2變換得到兩相靜止坐標系上的電流is、is，按轉子磁場定向，經過同步旋轉坐標變換，可得到M-T旋轉坐標系上的電流is＞isT，利用磁場定向方程式可獲得轉差角頻率s1和轉子磁鏈r。把s1和實測轉速ω相加求得定子同步角頻率s，再將s進行積分運算處理就得到轉子磁鏈的瞬時方位信號s，s是按轉子磁鏈定向的定向角。通過磁鏈環(huán)和轉速環(huán)分別得到參考電流勵磁分量和轉矩分量，加上按轉子磁鏈定向的定向角s，經過反旋轉坐標變換2r/2s得到兩相靜止坐標系上的參考電流is、is，經2/3變換得到三相定子電流給定，注入PWM，控制電機運行。

4-15按轉子磁鏈定向同步旋轉坐標系中狀態(tài)方程為坐標系的旋轉角速度為假定電流閉環(huán)控制性能足夠好，電流閉環(huán)控制的等效傳遞函數為慣性環(huán)節(jié)：Ti為等效慣性時間常數。畫出電流閉環(huán)控制后系統的動態(tài)結構圖，輸入為i*sM和i，輸出為和r，討論系統的穩(wěn)定性。解：按轉子磁鏈定向的異步電動機動態(tài)結構圖如下矢量控制系統通過電流反饋控制、速度和位置反饋控制、坐標變換、解耦控制、弱磁控制等多種方式來保證其穩(wěn)定性。這些方法共同作用，使得矢量控制系統能夠在各種工況下保持穩(wěn)定運行。4-19籠型異步電動機銘牌數據如下：額定功率PN=10kＷ，額定電壓UN=380V，額定電流N=10A，額定轉速nN=2000/min，額定頻率fN=60Hz，定子繞組聯結。由實驗測得定子電阻Rs=2，轉子電阻Rr=2.658，定子自感Ls=0.294H，轉子自感Lr=0.2898H，定、轉子互感Lm=0.2838H，轉子參數已折合到定子側，系統的轉動慣量J=0.1284kg·m2，電動機穩(wěn)定運行在額定工作狀態(tài)，試求轉子磁鏈r和按轉子磁鏈定向的定子電流兩個分量isM、isT。解：計算同步轉速由異步電動機穩(wěn)態(tài)模型得額定轉差率額定轉差電流幅值由按轉子磁鏈定向的動態(tài)模型得穩(wěn)定運行時，drd解得轉子磁鏈第五章思考題與習題5-1簡述永磁同步電動機矢量控制技術的含義。通過坐標變換，將定子電流變換到兩相旋轉坐標系下，分解成產生定子磁場的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，在三相交流電動機上設法模擬直流電動機的轉矩控制方式。將勵磁電流分量定位在永磁體的勵磁磁鏈上，轉矩電流分量與勵磁電流分量方向正交，彼此獨立，然后分別對其進行控制。5-2以電動汽車為例，何時會采用轉速控制，何時會采用轉矩控制？轉速控制是電動汽車電機控制的關鍵環(huán)節(jié)之一、轉速控制可以通過改變電機的電壓、頻率和電流來實現。在低速運行時，可以通過提高電機的電壓和電流來增加車輛的加速度，提高動力輸出；在高速運行時，可以通過減小電機的電壓和電流來控制車輛的速度，提高續(xù)航里程。通常情況下，轉速控制采用閉環(huán)控制方法，即根據車輛的實際速度和目標速度的差異來調節(jié)電機的轉速，使其盡可能接近目標速度。轉矩控制是電動汽車電機控制的另一個關鍵環(huán)節(jié)。轉矩控制可以通過改變電機的電流來實現。在啟動和加速階段，需要提供足夠大的轉矩來驅動車輛，而在穩(wěn)定行駛和減速階段，需要減小轉矩以提高能效。轉矩控制的目標是在保證車輛安全和舒適性的前提下，實現最佳的車輛性能和能效。通常情況下，轉矩控制也采用閉環(huán)控制方法，即根據車輛的實際轉矩和目標轉矩的差異來調節(jié)電機的電流，使其盡可能接近目標轉矩。5-3永磁同步電動機矢量控制系統是如何組成的？為什么要用位置傳感器？永磁同步電動機矢量控制系統?主要由位置傳感器、電機控制器和逆變器組成。位置傳感器用于測量電機轉子的位置和角度，電機控制器根據這些信息控制逆變器輸出相應的電流和電壓，從而實現對電機的精確控制。5-4永磁同步電動機采用弱磁控制策略時，需要注意哪些事項？在進行永磁電機弱磁調整時，需要注意以下幾點：1.永磁電機的負載應在連續(xù)工作狀態(tài)下進行，以便調整的精度更高。2.應將弱磁調整后的電機性能與調整前進行比對，以確保調整結果的準確性。3.弱磁調整應在專業(yè)人員的指導下進行，以確保調整的有效性和安全性。4.弱磁調整應在正常運行狀況下進行，不能在電機故障或損壞情況下進行。5.調整時應注意避免過多弱磁量導致電機的性能下降。5-5表面式和內嵌式永磁同步電動機在控制策略上有何不同？表貼電機的控制是直接通過電源開關或變頻控制，因此其控制方式更加簡單明了，對于一些打印機、掃描儀等電子產品的電源及機器中不需要頻繁變速之類的場合比較適用。內嵌電機的控制需要通過控制器實現，因為其內部結構較為復雜，需要通過控制器的調節(jié)來實現轉速調節(jié)。通常用于一些需要頻繁變速、旋轉精度有要求的場合，如工業(yè)研磨機械、風機等。5-6畫出id=0控制策略的向量圖，并分析其特點。實現簡單?：id=0控制策略通過始終保持定子電流的d軸分量id為零，僅通過控制q軸分量iq來控制電動機的轉矩，實現起來相對簡單?。轉矩控制直接?：轉矩與定子電流的幅值成正比，通過控制iq可以直接控制電動機的轉矩，這使得轉矩控制非常直接和有效?。效率高?：對于表面式永磁同步電動機，由于Ld=Lq，不產生磁阻轉矩，id的大小與電磁轉矩無關。通過使id=0，可以減少所需的定子電流，從而降低損耗、提高效率?。功率因數較低?：采用id=0控制時，電流矢量總是滯后電壓矢量一個角度，導致電動機運行時的功率因數總是滯后的。隨著負載增加，電流iq增大，電壓矢量與電流矢量的夾角增大，電機的功率因數降低。對變頻器容量要求高?：隨著負載增加，所需的定子電壓矢量幅值也相應增大，對變頻器的容量要求較高?。適用于表面式電機?：對于表面式永磁同步電動機，由于等效氣隙大，電感Ld=Lq的值很小，上述問題并不嚴重。因此，表面式電機通常采用id=0控制?。5-7簡述PMSM直接轉矩控制的基本思想。直接轉矩控制技術是一種基于電機轉矩、電流和位置信息進行控制的方法。該方法的基本思想是通過直接測量電機的狀態(tài)變量來計算電機磁通和轉矩，從而實現對電機的精確控制。與傳統的控制方法相比，直接轉矩控制技術具有更高的動態(tài)響應性能和更好的穩(wěn)態(tài)精度，可以在高速和重載情況下保持良好的電機性能。5-8對于PMSM，DTC是如何控制定子磁鏈幅值的，又是如何控制電動機的電磁轉矩？通過計算轉矩和磁鏈的幅值，并分別與給定值比較，來控制定子磁鏈的幅值及該矢量相對于磁鏈的夾角。通過轉矩和磁鏈調節(jié)器直接輸出所需的空間電壓矢量，從而達到磁鏈和轉矩直接控制的目的。5-9在一個采樣周期內，PMSM的轉矩增量與哪些因素有關？如果試圖控制轉矩增量，應如何做？5-10基于滯環(huán)比較器和開關表的DTC有哪些優(yōu)點？又有哪些缺點？哪些措施可以用來改進該DTC技術的性能？DTC控制技術具有快速響應、高精度控制等優(yōu)點，但也存在一些缺點。首先，它依賴于系統的采樣周期，采樣周期的不準確會影響DTC系統的控制精度。其次，DTC技術采用了開關器件和PWM技術控制，可能會對電機的波形和電網產生一定的干擾。為了更好地應用DTC技術，需要注意以下幾點。首先，要選擇合適的采樣周期，以保證控制精度。其次，要注意電機的負載特性，以便更好地控制電機的轉矩和速度。此外，還需要注意DTC技術對電機波形和電網的干擾問題。5-11SVM-DTC較基于滯環(huán)比較器和開關表的DTC有哪些優(yōu)勢？又有哪些劣勢？優(yōu)勢：對轉矩脈動出色的抑制能力、開關頻率固定、電流和磁鏈紋波小。劣勢：系統結構更加復雜，計算量增加，還需要調節(jié)PI參數。5-12為什么DTC無需同步旋轉變換？與矢量控制相比，DTC的最大優(yōu)勢是什么？DTC利用Bang-Bang控制（滯環(huán)控制）產生PWM信號，通過控制逆變器的開關狀態(tài)來獲得高動態(tài)性能的轉矩。其基本操作是將磁鏈和轉矩的設定值與實際值的誤差傳遞給滯環(huán)比較器，經過離線運算開關表獲得合適的電機空間矢量，從而實現電機的調速控制?。這種控制方式不需要進行旋轉坐標變換，因此在控制過程中不需要同步旋轉變換?。直接轉矩控制（DTC）的最大優(yōu)勢在于其快速的動態(tài)響應和相對簡單的控制結構?。

5-13異步電機DTC與永磁同步電機的DTC有何區(qū)別？永磁同步電動機的定子和轉子的運行頻率保持嚴格一致，不存在異步電動機中的“轉差”。5-14除了七段式SVPWM調制，還有哪種調制方式？與七段式調制區(qū)別在哪？五段式調制。開關次數?：七段式SVPWM的開關次數較多，而五段式SVPWM的開關次數較少。七段式SVPWM在一個采樣周期中會產生更多的開關動作，而五段式則在每個采樣周期中開關動作較少?12。諧波含量?：七段式SVPWM的諧波含量較小，而五段式SVPWM的諧波含量較大。由于七段式通過更多的開關動作來合成電壓矢量，能夠更好地減少諧波，從而獲得更平滑的電流波5-15相同的采樣頻率下，SVM-DTC和基于滯環(huán)比較器和開關表的DTC哪種開關損耗更大？為什么？在相同采樣頻率下，基于滯環(huán)比較器和開關表的DTC會產生更大的開關損耗。這主要是因為滯環(huán)控制的頻繁開關特性，而SVM-DTC通過優(yōu)化矢量選擇和開關時機，有效減少了不必要的開關操作，從而降低了開關損耗。5-16簡述模型預測控制的基本思想。先由電動機模型和當前狀態(tài)預測出每個電壓矢量作用給電動機后的預測值，然后由預先定義的價值函數選擇一個使得預測值與給定值最接近的電壓矢量作為控制量，如此選擇的控制量考慮了系統的未來狀態(tài)，在誤差出現之前就對誤差進行了消除，可以獲得更好的控制性能。5-17畫出模型預測控制的原理框圖，并簡要介紹各部分。測量永磁同步電動機三相電流。將控制集中所有矢量代入預測模型，計算所有矢量作用下電流在下一時刻的預測值。計算每個預測狀態(tài)下的目標函數。選擇最小化目標函數的開關狀態(tài)。應用這種新的開關狀態(tài)。5-18與矢量控制和直接轉矩控制相比，模型預測控制的優(yōu)勢在哪？劣勢又有哪些？優(yōu)勢：強大的多變量控制能力；能夠處理系統約束并優(yōu)化控制過程；對復雜動態(tài)和負載變化具有較好的適應性和優(yōu)化能力。劣勢：高計算復雜度和實時性能要求；強依賴于精確的模型；系統設計和實現的復雜性較高。5-19簡述模型預測控制計算量大的原因，簡述如何減小計算量。 MPC的計算量大主要是因為每個控制周期內需要求解一個優(yōu)化問題，而這個優(yōu)化問題通常涉及到多狀態(tài)、多變量的動態(tài)系統，并且優(yōu)化時域越長、約束條件越多，計算量越大。為減小計算量，可以通過簡化優(yōu)化問題、使用簡化模型、選擇高效優(yōu)化算法、并行計算或硬件加速等方式來降低計算復雜度，從而實現更高效的實時控制。5-20舉例說明，哪些措施可以改善FCS-MPC的性能？改善FCS-MPC性能的措施包括優(yōu)化計算效率、簡化控制模型、調整預測時域、并行計算和硬件加速等。此外，精細化控制輸入的離散化、智能量化、以及自適應調整控制策略等方法也能顯著提高FCS-MPC在實際應用中的效率和性能。通過這些手段，可以有效降低計算復雜度，提升實時控制性能，尤其適用于對計算時間和實時性要求高的應用場景。5-21針對FCS-MPC存在的問題，你覺得哪些問題是可以通過價值函數予以解決的，并簡述解決思路。計算復雜度問題。利用價值函數來預評估不同控制輸入的潛在效果，避免每次都進行全面的優(yōu)化。實時性問題。價值函數的估算可以提前進行。在線更新和自適應?？刂撇呗缘聂敯粜?。價值函數與魯棒控制相結合。自適應價值函數。5-22簡述FCS-MPTC和直接轉矩控制的區(qū)別。特點DTCFCS-MPTC控制策略直接基于電壓矢量的選擇進行轉矩和磁鏈控制基于模型預測和優(yōu)化選擇最佳控制輸入計算復雜度計算簡單，實時性高計算復雜，實時性要求高開關頻率不規(guī)則，可能導致高頻噪聲和諧波相對平滑，可調，有助于減少電磁干擾和開關損耗控制精度精度有限，易受參數變化和擾動影響更精確，可以應對系統不確定性和動態(tài)變化魯棒性對擾動和參數變化敏感具有更好的魯棒性，能夠處理擾動和系統不確定性實現難度實現較為簡單，適用于中低端控制器實現較為復雜，對硬件和軟件要求高，適用于高性能控制系統5-23PMSM電源頻率為50Hz和60Hz時，10極PMSM轉速是多少？18極PMSM轉速又是多少？n=60f/p.n1=60*50/5=600r/minn1=60*60/9=400r/min5-24結合PMSM數學模型，討論PMSM非線性、強耦合和多變量的性質，并說明具體體現在哪些方面？非線性特性：由于電機的電壓、電流、轉矩與電感之間的非線性關系，PMSM在不同工作點的行為復雜，特別是在高負載或磁飽和情況下.強耦合特性：電機的iq、id電流分量、轉矩和磁場之間存在強耦合，控制輸入之間的耦合性要求更加精確的控制算法。多變量特性：PMSM作為一個多輸入多輸出系統，涉及的變量多，且這些變量之間的相互關系要求同時考慮多個控制量，以實現高效、精確的控制。5-25隱極式與凸極式PMSM的結構與電磁轉矩分別有何特點？特點SPMSMIPMSM轉子結構永磁體貼在轉子表面，結構簡單永磁體嵌入轉子槽內，結構復雜磁場分布磁場分布均勻，磁通密度低磁場不均勻，磁通密度高電磁轉矩轉矩平滑，波動較小轉矩波動較大，尤其在低轉速時適用場景高速應用，要求轉矩波動小低速高轉矩應用，電動汽車等優(yōu)點結構簡單，轉矩平滑，效率較高高轉矩密度，適應低速大轉矩缺點轉矩密度較低，低速時效率較差轉矩波動大，結構復雜，成本高5-26PMSM永磁轉矩于哪些因數有關，磁阻轉矩于哪些因數有關？永磁轉矩主要由轉子永磁體的磁鏈、定子電流的qq軸分量以及轉子和定子磁場的相對位置等因素決定，通常提供穩(wěn)定且較為平滑的轉矩輸出磁阻轉矩則是由于轉子和定子之間的磁阻差異引起的，主要受轉子磁阻變化、定子電流的dd軸分量以及轉子與定子相對位置等因素的影響。磁阻轉矩通常在低速、高扭矩需求時發(fā)揮作用，但其轉矩波動較大。5-27試分析PMSM結構簡單、運行可靠的原因。無刷設計：省去了易磨損的刷子和換向器，簡化了電機結構，減少了維護需求。永磁體轉子：使用永磁體代替了電磁繞組，避免了勵磁系統和滑環(huán)的復雜性緊湊高效：通過優(yōu)化設計，提高了功率密度，并實現了高效能和低損耗低維護需求：沒有易損件，減少了維護成本和停機時間，延長了使用壽命高穩(wěn)定性和可靠性：穩(wěn)定的電磁特性和高效運行，減少了溫升和故障風險，具備較強的過載能力5-28PMSM的機械角度與電角度是什么關系？