電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 阮毅 陳伯時(shí)課后參考答案第五六七章僅供參考

1、第五章 思考題 5-1 對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，為什么調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍不大？電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性越軟，調(diào)速范圍越大嗎？ 答：對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，普通籠型異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速時(shí)的穩(wěn)定工作范圍為0SS所以調(diào)速m 范圍不大。 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性越軟，調(diào)速范圍不變，因?yàn)镾不變。 m 5-2 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，為何要電壓協(xié)調(diào)控制？在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，保持電壓恒定是否可行？為何在基頻以下時(shí)，采用恒壓頻比控制，而在基頻以上保存電壓恒定？ 答：當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在基頻以下運(yùn)行時(shí)，如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。由此可見(jiàn)，最好是保持每

2、極磁通量為額定值不變。當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，EgNK?常值?4.44，即在基頻以下應(yīng)采用電動(dòng)勢(shì)頻使必須同時(shí)降低Eg mNSNfS1率比為恒值的控制方式。然而，異步電動(dòng)機(jī)繞組中的電動(dòng)勢(shì)是難以直接檢測(cè)與控制的。當(dāng)電UE? 動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，可忽略定子電阻和漏感壓降，而認(rèn)為定子相電壓。gs 在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，保持電壓恒定是不可行的。定子頻率從額定值向上升高，受到電動(dòng)機(jī)絕緣耐壓和磁路飽和的限制，在基頻以上調(diào)速時(shí)，使得這將導(dǎo)致磁通與頻率成反比地降低，電壓不能隨之升高，最多只能保持額定電壓不變， 異步電動(dòng)機(jī)工作在弱磁狀態(tài)。 基頻以下和基頻以上分別屬于恒功率還是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式？為異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，5-3

3、 那么恒功率或是否指輸出功率或轉(zhuǎn)矩恒定？若不是，什么？所謂恒功率或恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式， 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速究竟是指什么？ 32 / 1 答：在基頻以下，由于磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”方式；在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)磁通減小，允許輸出轉(zhuǎn)矩也隨之降低，輸出功率基本不變，屬于“近似的恒功率調(diào)速”方式。 5-4基頻以下調(diào)速可以是恒壓頻比控制、恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通的控制方式，從機(jī)械特性和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面分析與比較四種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。 答： 恒壓頻比控制：恒壓頻比控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿(mǎn)足一般的調(diào)速要求，低速時(shí)需適當(dāng)提高定子電壓，以近似補(bǔ)償

4、定子阻抗壓降。在對(duì)于相同的電磁轉(zhuǎn)矩，角頻率越大，速降落越大，機(jī)械特性越軟，與直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速相似。在基頻以下運(yùn)行時(shí)，采用恒壓頻比的控制方法具有控制簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但負(fù)載變化時(shí)定子壓降不同，將導(dǎo)致磁通改變，因此需采用定子電壓補(bǔ)償控制。根據(jù)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(jī)械特性還是非線性的，仍受到臨界轉(zhuǎn)矩的限制。頻率變化時(shí)，恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩恒定不變 。恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)差率大于恒壓頻比控制方式。恒定子磁通控制的臨界轉(zhuǎn)矩也大于恒壓頻比控制方式?？刂品绞骄枰ㄗ与妷貉a(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。 恒氣隙磁通：雖然改善了低速性能，但機(jī)械特性還是非線性

5、的，仍受到臨界轉(zhuǎn)矩的限制。保Eg?常值 持氣隙磁通恒定： ，除了補(bǔ)償定子電阻壓降外，還應(yīng)補(bǔ)償定子漏抗壓降。與 ?1恒定子磁通控制方式相比較，恒氣隙磁通控制方式的臨界轉(zhuǎn)差率和臨界轉(zhuǎn)矩更大，機(jī)械特性更硬?？刂品绞骄枰ㄗ与妷貉a(bǔ)償，控制要復(fù)雜一些。 恒轉(zhuǎn)子磁通：機(jī)械特性完全是一條直線，可以獲得和直流電動(dòng)機(jī)一樣的線性機(jī)械特性，這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的穩(wěn)態(tài)性能。 5-5常用的交流PWM有三種控制方式，分別為SPWM、CFPWM和SVPWM，論述它們的基本特征、各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 32 / 2 答： SPWM：特征：以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為

6、載波。由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)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(diǎn)：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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可以采用直接計(jì)算各脈沖起始與終了相位的方法，以消除指定次數(shù)的諧波。 CFPWM：特征：在原來(lái)主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值。 優(yōu)缺點(diǎn)：在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)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(yīng)快，且易于實(shí)現(xiàn)。但功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率不定。 SVPWM：特征：把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，磁鏈軌跡的控制是通

7、過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的。 優(yōu)缺點(diǎn)：8個(gè)基本輸出矢量，6個(gè)有效工作矢量和2個(gè)零矢量，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，每個(gè)有效工作矢量只作用1次的方式，生成正6邊形的旋轉(zhuǎn)磁鏈，諧波分量大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。 用相鄰的2個(gè)有效工作矢量，合成任意的期望輸出電壓矢量，使磁鏈軌跡接近于圓。開(kāi)關(guān)周期越小，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近于圓，但功率器件的開(kāi)關(guān)頻率將提高。用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計(jì)算簡(jiǎn)便。與一般的SPWM相比較，SVPWM控制方式的輸出電壓最多可提高15%。 5-6分析電流滯環(huán)跟蹤PWM控制中，環(huán)寬h對(duì)電流波動(dòng)于開(kāi)關(guān)頻率的影響。 答：當(dāng)環(huán)寬h選得較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬

8、小，電流跟蹤性能好，但開(kāi)關(guān)頻率卻增大了。 5-7三相異步電動(dòng)機(jī)Y聯(lián)結(jié)，能否將中性點(diǎn)與直流側(cè)參考點(diǎn)短接？為什么？ 答：能。雖然直流電源中點(diǎn)和交流電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)的電位不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。32 / 3 因此，三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)。可以將中性點(diǎn)與直流側(cè)參考點(diǎn)短接。 5-8當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)由正弦對(duì)稱(chēng)電壓供電，并達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，可以定義電壓向量U、電流向量I等，用于分析三相異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作狀態(tài)，4.2.4節(jié)定義的空間矢量與向量有何區(qū)別？在正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩者有何聯(lián)系？ 答：相量是從時(shí)間域的三角函數(shù)到復(fù)指數(shù)函數(shù)的映射,空間矢量是從空間域的三角函數(shù)到復(fù)指數(shù)函數(shù)的映射。 相量的正弦性表現(xiàn)為時(shí)間

9、域的正弦性,空間矢量的正弦性表現(xiàn)為空間域的正弦性。從本質(zhì)看它們都是正弦性,但從形式上看,相量的正弦性還表現(xiàn)為復(fù)數(shù)在旋轉(zhuǎn),而空間矢量的正弦性則僅表示原象在空間按正弦規(guī)律變化。當(dāng)然,也有旋轉(zhuǎn)的空間矢量,但此時(shí)空間矢量的旋轉(zhuǎn)性也是由于電流在時(shí)間上按正弦規(guī)律變化而引起的,并不起因于空間矢量本身的正弦性。 5-9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(diào)的，因此，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E可以是圓，這種說(shuō)法是否正確？為什么？ 答：實(shí)際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在期望的磁鏈圓周?chē)▌?dòng)。N越大，磁鏈軌跡越接近于圓，但開(kāi)關(guān)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，

10、而不可能等于圓。 Uf?I)?,(設(shè)置不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生什總結(jié)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，若5-10sS1么影響？一般來(lái)說(shuō)，正反饋系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，而轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)具有正反饋的內(nèi)環(huán)，系統(tǒng)卻能穩(wěn)定，為什么？ ? 的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)差頻率成正比，條件是氣隙磁答：控制規(guī)律：1）在sms通不變。2）在不同的定子電流值時(shí)，按定子電壓補(bǔ)償控制的電壓頻率特性關(guān)系控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通恒定。 Uf?I),?( 設(shè)置不當(dāng)，則不能保持氣隙磁通恒定。 若sS1一般來(lái)說(shuō)，正反饋系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，而轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)具有正反饋的內(nèi)環(huán)，系統(tǒng)32 / 4 卻能穩(wěn)定，是因?yàn)檫€設(shè)置了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

11、外環(huán)。 習(xí)題5-1 1）（ 形等效電路：T 簡(jiǎn)化等效電路： ）（2nn?SN1?4% Nn1?frads/?314?2? N132 / 5 Rj?LL?ClsSls1?1.023?1?1? 1LLj?mm1UAIIS15.97? Nr12?R?22LLCRC?r?lsSls111s?2RI3WPrr5964? ms?srad?1/?104.67? m1npPTTm?56.98 eeN?m1 ）（3UAIS2.63? 022?2L?LR?mSls1 4）（ 臨界轉(zhuǎn)差率：RSr0.122? m?222LLR?lslss1 臨界轉(zhuǎn)矩：2Un?3spT155.98? m?222LRRL?2?lsssl

12、s1132 / 6 5-2 RSr0.122? m?222LLR?lslss11U：調(diào)壓調(diào)速在 N22Un?3spT38.99? m?222L?R?RL?2?lslsss112U：調(diào)壓調(diào)速在 N332 / 7 2Un?3?spT?69.32? m?222LLRR?2?lsssls11US? 隨定子電壓的降低而減小，屬于弱磁調(diào)速。氣隙磁通 mkNf4.44NS1S 額定電流下的電磁轉(zhuǎn)矩：2sRnU?3?rspT? m?2222LssR?R?L?lslssr11 可調(diào)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比隨著定子電壓的降低而減小。Us ，調(diào)速范圍有0SS帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，普通籠型異步電動(dòng)機(jī)降壓調(diào)速時(shí)的穩(wěn)定

13、工作范圍為m 限。 。帶風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載運(yùn)行，穩(wěn)定運(yùn)行范圍可以稍大一些0SdIsEK回落，直到大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，使電動(dòng)機(jī)加速。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，減少，01rd新的平衡狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。 3停車(chē) 對(duì)于處于低同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的雙饋調(diào)速系統(tǒng)，必須在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸入電功率時(shí)才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中與轉(zhuǎn)子連接的是不可控整流裝置，它只能從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸出電功率，而不可能向轉(zhuǎn)子輸入電功率。因此串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)沒(méi)有制動(dòng)停車(chē)功能。只能靠減小角I，并依靠負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的作用自由停車(chē)。減小 d 7-3 ?角下異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性是近似平行的，其工作段類(lèi)似于直流電動(dòng)在不同的機(jī)變壓調(diào)速的機(jī)械

14、特性。由于轉(zhuǎn)子回路阻抗的影響，異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性比其? = 90固有特性要軟得多。受轉(zhuǎn)子回路電阻增加的影響：當(dāng)電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速的特性上（）帶額定負(fù)載，也難以達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。受轉(zhuǎn)子回路漏抗增加的影響：整流電路換相重疊角將加大，并產(chǎn)生強(qiáng)迫延遲導(dǎo)通現(xiàn)象，使串級(jí)調(diào)速時(shí)的最大電磁轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)機(jī)在正常接線時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩有明顯的降低。 32 / 30 7-4 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總效率是比較高的，且當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí),總效率的減少并不多。因?yàn)榇?jí)調(diào)速串的是電動(dòng)勢(shì)，有功率回饋回去。 而繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速時(shí)的效率幾乎隨轉(zhuǎn)速的降低而成比例地減少。因?yàn)榇娮枵{(diào)速的損耗都用來(lái)發(fā)熱了。 7-5 對(duì)于寬調(diào)速的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，隨著轉(zhuǎn)差率的增大，系統(tǒng)的功率因數(shù)還要下降，這是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 常用的方法是增加靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置電力電容器，采用無(wú)功就地補(bǔ)償來(lái)解決。 7-6 n7301?D?1.95 n375minn?n(