機電運動控制系統(tǒng)離線作業(yè)(必)

1、浙江大學遠程教育學院機電運動控制系統(tǒng)課程作業(yè)（必做）姓名：學 號：年級：2014秋學習中心：玉環(huán)學習中心1.直流電機有哪些調(diào)速方法? 根據(jù)其速度公式說明之, 并說明如何釆用電力電子手段實現(xiàn)。答：根據(jù)直流電動機轉速公式n=(Ua-RaIa)/Ce,電機調(diào)速方法有（1）調(diào)壓調(diào)速調(diào)節(jié)電樞電壓Ua，使電機轉速在寬廣的范圍內(nèi)平滑變化；采用電力電子手段時，有晶閘管可控整流器供電和自關斷器件H型橋脈寬調(diào)(PWM)供電等方式, 其損耗小，控制性能好。（2）弱磁調(diào)速改變勵磁磁通大小使轉速變化，但基于電機鐵磁飽和考慮只能在額定速度以上通過弱磁作升速運行，限制了調(diào)速范圍；采用電力電子手段時，有晶閘管可控整流器供電勵

2、磁控制。（3）串電阻調(diào)速通過增大電樞電阻實現(xiàn)調(diào)速，但伴隨有巨大的功率損耗、發(fā)熱和運行下降，很少采用。2. 畫出雙閉環(huán)晶閘管直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)電原理圖（非方塊圖），須清楚表達兩個閉環(huán)的關鍵元件，寫出各部分名稱，標注有關信號量；指出兩閉環(huán)連接上的特點及相互關系。答：雙閉環(huán)晶閘管直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)電原理圖如下：兩閉環(huán)連接上的關系是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，這就使得該系統(tǒng)具有由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值確定了電流環(huán)的給定值，進而確定了系統(tǒng)的最大電流的特點。3. 分析雙閉環(huán)晶閘管直流電動機不可逆調(diào)速系統(tǒng)： (1) 如果要改變轉速，應調(diào)節(jié)什么參數(shù)？為什么？ (2) 如要控制系統(tǒng)的起動電

3、流、確保系統(tǒng)運行安全，應調(diào)節(jié)什么參數(shù)？為什么？答:(1) 改變轉速時只能改變速度調(diào)節(jié)器的輸入ug，因為它是速度環(huán)的指令信號。改變速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)對穩(wěn)態(tài)速度無調(diào)節(jié)作用，僅會影響動態(tài)響應速度快慢。 (2) 要控制系統(tǒng)的起動電流、確保系統(tǒng)運行安全，應調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值。因為速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值確定了電流環(huán)的給定值，進而確定了系統(tǒng)的最大電流。 Ufn=04. 填空 : 雙閉環(huán)晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為速度控制環(huán)，其連接關系是：速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，因此外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出限幅值應按調(diào)速系統(tǒng)允許最大電流 來整定；內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出限幅值應按可控整流器晶閘管最

4、大、最小移相觸發(fā)角來整定。兩調(diào)節(jié)器均為PI型調(diào)節(jié)器，調(diào)速系統(tǒng)能夠做到靜態(tài)無差是由于調(diào)節(jié)器具有積分記憶功能；能實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)是由于調(diào)節(jié)器具有飽和限幅功能。5. 在轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器有哪些作用？其輸出限幅值應按什么要求來調(diào)整？電流調(diào)節(jié)器有哪些作用？其輸出限幅值應如何調(diào)整？答：速度調(diào)節(jié)器用于對電機轉速進行控制，以保障：調(diào)速精度，做到靜態(tài)無差；機械特性硬，滿足負載要求。速度調(diào)節(jié)器輸出限幅值應按調(diào)速系統(tǒng)允許最大電流來調(diào)整，以確保系統(tǒng)運行安全(過電流保護)電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對電流的控制，以保障：精確滿足負載轉矩大小要求(通過電流控制)；調(diào)速的快速動態(tài)特性(轉矩的快速響應)。電流調(diào)節(jié)器的輸出限

5、幅作為可控整流器晶閘管的移相觸發(fā)電壓，其限幅值決定了觸發(fā)角的移相范圍，故應按 min-max來調(diào)整。6. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時，調(diào)節(jié)什么參數(shù)可以改變電動機轉速？如果速度閉環(huán)的轉速反饋線突然斷掉，會發(fā)生什么現(xiàn)象？電動機還能否調(diào)速？答：(1)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時，只有調(diào)節(jié)速度給定信號才可以改變電動機轉速。而改變速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)(如比例系數(shù)、積分時間常數(shù))均無作用，改變負載大小也不能影響轉速，因為是速度閉環(huán)系統(tǒng)，不論負載大小均速度無差。(2)轉速反饋線突然斷掉時，ufn=0 ，使un=ug-ufn=ug 很大，速度調(diào)節(jié)器飽和限幅輸出，調(diào)速系統(tǒng)以最大電流、最大轉矩加速，直至電磁轉矩與負載轉矩、

6、阻尼轉矩相平衡，達到最高轉速而恒定，故電動機不可調(diào)速。7. 以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個閉環(huán)之間連接上的特點及各個閉環(huán)的功能為依據(jù)，詳細解釋下圖所示 從靜止起動至給定轉速ng并帶負載（以負載電流IL表示）的過程，即說明(1)、(2)、(3) 階段轉速n、電樞電流id 的變化規(guī)律。答：(1)起動l特征： id由0Idmax（限幅值）ST、LT全部飽和限幅，蛻化為限幅器，系統(tǒng)實為速度、電流雙開環(huán)l過程電機靜止，Ufn=0,給定ug突加，un=ug很大，ST飽和，un輸出限幅，無PI調(diào)節(jié)作用； 流給定為限幅值對應電流指令Idmax；但電流未建立，ufi=0，LT輸入un=un，LT飽和，輸出uk限幅，推

7、=min，至使UdmaxIdmaxTmax加速n。因轉子慣性， n ng(2)加速l特征 Id=Idmax恒定（電流調(diào)節(jié)結果，非限幅）ST飽和限幅，LT作PI調(diào)節(jié)，實為電流單閉環(huán)系統(tǒng)。l過程 0（BA） 負半周（ ）電機電壓UA 0（AB） 即一個周期內(nèi)可獲得兩個方向電壓極性，稱雙極性。正/反轉控制只需改變 t1 位置（占空比 ），方便: VTl VT4 基極信號ubl ub4及電機端電壓Ua波形10. 圖示為直流電動機脈寬調(diào)制(斬波)調(diào)速系統(tǒng)主電路(H型橋)，各功率開關元件編號及電機反電勢Ea方向如圖。當采用雙極性脈寬調(diào)制時,分析: 不同時刻的導通元件及導通原因; 畫出各階段的電流路徑及維持

8、電流的源泉(電源電壓、電樞反電勢、自感電勢等) 電機運行狀態(tài)(電動、能耗制動、再生制動、反接制動等)及其原因。答：工作過程（設 ）（1） 在 作用下，形成電流路徑 反向電機作電動運行（2） VT1、VT4斷，切斷電源 ； 應VT2、VT3通， 但電樞電感自感電勢 作用維持電流方向不能突變VD2、VD3通續(xù)流VT2、VT3反偏，斷形成電流 路徑 與 反向電機仍作電動運行使 很快衰減為零，為 換向創(chuàng)造條件（設在 時刻斷流）。（3） 時刻路徑斷流VD2、VD3斷VT2、VT3反偏消失，通在（ ）作用下產(chǎn)生大值沖擊電流 形成電流路徑III 同向電機作反接制動至下周期（ ）時刻（4） 但在 續(xù)流及反電勢

9、 共同作用下電流方向不變VD1、VD4通形成電流路徑 同向再生制動（能量回饋電源 ）直至（ ） ，路徑斷流VT1、VT4得以導通，進入下一周期輸出電壓 一周期內(nèi)瞬時電壓為雙極性方波，平均值 負載電壓系數(shù) 11. 異步電機有哪些調(diào)速方法？ 從轉速公式上進行分類說明。這些調(diào)速方法又各采用什么樣的電力電子手段來實現(xiàn)？ 答：異步電機調(diào)速方法可按其速度公式 來分類： (1) 變同步速度調(diào)速 , 具體有: 變頻調(diào)速?？刹捎弥?交變換的逆變器戓交-交變頻器改變電機供電頻率fl。 變極調(diào)速。需同時改變定、轉子極對數(shù)，故只適合鼠籠式異步電機。 (2) 變轉差率S調(diào)速。這是一種改變轉子滑差功率消耗的調(diào)速方式。具體

10、有： 交流調(diào)壓調(diào)速 采用雙向晶閘管構成的交流固態(tài)調(diào)壓器實現(xiàn)。 轉子串電阻調(diào)速，僅適合繞線式異步電機。 串級調(diào)速，繞線式異步電機轉子中串入與轉子同頻的電勢吸收或補充滑差功率來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，采用不控整流器一有源逆變器裝置。 雙饋調(diào)速，繞線式異步電機轉子中采用功率可雙向流動變頻裝置，實現(xiàn)同步速上、下的調(diào)速和四限象運行。12. 鼠籠式異步電機采用調(diào)壓調(diào)速時，適合拖動什么樣的負載？為什么？答：鼠籠式異步電機采用調(diào)壓調(diào)速時，適合于拖動風機、水泵類負載，這類負載的轉矩與轉速平方成正比，功率與轉速三次方成正比。調(diào)壓調(diào)速的特性與這類負載特性很匹配，主要從轉子發(fā)熱能通過來考慮。 用于調(diào)壓調(diào)速的異步電機應是高轉子

11、電阻電機（高滑差電機，轉子串電阻繞線式異步電機）, 這是基于以下考慮: (1) 限制轉子發(fā)熱（滑差功率消耗型調(diào)速）：轉子發(fā)熱與滑差消耗有關，而 Ps = sPM ,與 s 即調(diào)速范圍有關。而風機/水泵調(diào)速范圍不寬（100 70% ），兩者特性相配 (2) 高轉子電阻能軟化異步電機的T-S曲線，擴大調(diào)速范圍13. 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)：（1）六階梯波逆變器中， 改變Ul 依靠調(diào)節(jié)可控整流器的移動相觸發(fā)角來實現(xiàn)， 改變f1依靠調(diào)節(jié)逆變器晶閘管換流快慢（頻率）來實現(xiàn)，改變電機轉向依靠改變 逆變器晶閘管觸發(fā)脈沖的分配規(guī)律來實現(xiàn)。（2）在正弦脈寬調(diào)制型SPWM逆變器中， 改變Ul 依靠調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波幅值

12、來實現(xiàn)，改變f1依靠調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波頻率來實現(xiàn)，改變電機轉向依靠改變逆變器開關元件驅動脈沖的分配規(guī)律 來實現(xiàn)。14. 異步電機非正弦供電下，存在兩種諧波轉矩：(1) 恒定諧波轉矩， 性質 ：(a)異步轉矩性質，(b)恒定轉矩，但數(shù)值很小，其影響可忽略； 產(chǎn)生機理是氣隙磁通中諧波磁通（激勵）轉子中感應出同次諧波電流（響應）相互作用產(chǎn)生的諧波轉矩 。(2) 交變諧波轉矩， 性質：(a)脈振轉矩(基波的六倍頻)，(b)非恒定轉矩(不同極對數(shù)磁場作用產(chǎn)生)，平均值為零；產(chǎn)生機理是不同次數(shù)諧波磁場與基波磁場的相互作用結果。幅值最大低次(5、7次)諧波電流建立5、7次諧波磁場轉子中感應出5、7次轉子諧波電流

13、。其中5次諧波轉子電流（磁勢）以51反轉，基波旋轉磁場以1正轉，兩者相對速度為61。 7次諧波轉子電流（磁勢）以71正轉，基波旋轉磁場以1正轉，兩者相對速度為61。均產(chǎn)生出六倍頻諧波轉矩。15. 變流器非正弦供電對電機運行性能有何影響？答：變流器非正弦供電對電機運行性能的影響有：(1) 磁路工作點: 使六階梯波電壓源供電電機氣隙磁密比正弦波供電時大10%,磁路將飽和，使力能指標，cos ，設計非正弦電壓源供電電機時，其磁路設計和空載試驗須提高電壓10%，以計及諧波磁場的飽和效應。(2)電流中的諧波將使槽電流增大（1.1倍），槽磁勢增大，漏磁路飽和，使定子漏抗減?。?520）%。(3)轉子參數(shù):

14、諧波滑差 Sk = 1 ，轉子頻率 f2 = Sk f1 = f1 為高頻，轉子集膚效應嚴重。轉子電阻增大；轉子電流擠向槽口，分布不均，槽漏抗減小。(4)功率因數(shù): 電流諧波增大電流有效值提高磁路飽和程度增加勵磁電流cos降低。(5)損耗與效率: 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:電壓源型逆變器供電時, 諧波電流大小及產(chǎn)生的諧波損耗p不隨負載2變化而恒定, 造成: 輕載時，多；滿載時，少（2%）電流源型逆變器供電時, 電流中各次諧波含量比例確定，大小隨負載變,造成: 滿載時，損耗增大，、cos多；輕載時，損耗較小，、cos少。(6) 諧波轉矩恒定諧波

15、轉矩氣隙磁通中諧波磁通與在轉子中感應出同次諧波電流相互作用產(chǎn)生的異步性質諧波轉矩,其值恒定但很小（1%TN）,影響可忽略。脈動轉矩不同次數(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)生出六倍頻諧波轉矩.其性質為脈振轉矩,平均值為零。(7) 電應力非正弦電壓波形上電壓變化梯度大,繞組進線第一匝電容小、容抗大，將承受40%的過電壓（電位梯度），使絕緣因電暈而老化、擊穿。(8) 軸電流:零序電壓U0作用在零序回路上, 形成流過軸、軸承的軸電流.變頻器供電時，其中諧波電壓頻率高，容性零序阻抗小，軸電流大。流過軸承，破壞油膜穩(wěn)定生成，形成干磨擦，燒毀電機，成為變頻電機常燒軸承的原因。16.

16、 在設計及選用變流器非正弦供電電機時, 應作如何考慮？答：在設計及選用變流器非正弦供電電機時, 應考慮的對策是： 電壓源型變流器供電時, 因變頻器輸出電壓諧波含量確定，要設計或選用漏抗大電機來限制諧波電流的產(chǎn)生惡果。 電流源型變流器供電時, 因變頻器輸出電流諧波含量確定，要設計或選用漏抗小電機來限制諧波電壓的產(chǎn)生及惡果。17. 變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器有電壓源逆變器（VSI）及電流源逆變器（CSI）之分，試從以下三方面對比說明其差異，并詳細說明其理由： 直流環(huán)節(jié)所用濾波元件及造成的電源內(nèi)阻特性上； 功率開關元件導通型式及造成的輸出電壓、電流特性上； 拖動多機及四象限運行能力上。答: (1) 直流

17、環(huán)節(jié)所用濾波元件及造成的電源內(nèi)阻特性上： 電壓源型逆變器: 采用大電容濾波，逆變器電源內(nèi)阻呈現(xiàn)低內(nèi)阻特性，使輸出電壓不隨負載電流改變而穩(wěn)定。 電流源型逆變器: 釆用大電感濾波，逆變器電源內(nèi)阻呈現(xiàn)高內(nèi)阻特性，使輸出電流穩(wěn)定，輸出電壓隨負載電流變。 （2）功率開關元件導通型式及造成的輸出電壓、電流特性上： 電壓源型：180度導通型（每管導通半周期）,換流在同相上、下橋臂元件間進行，任何時刻均有三管導通，使三相電壓確定。 電流源型：120度導通型（每管導通1/3周期）,換流在同組（共陽或共陰組）的三相元件間進行，任何時候只有兩管導通，使三相電流確定。（3）拖動多機及四象限運行能力上： 電壓源型：大電

18、容濾波，直流母線電壓極性不能改變，兩橋開關元件單向導電性決定了直流電流流向不能變，功率只能從電網(wǎng)流向電機，電機只能作電動運行，故無四象限運行能力。 電流源型：雖兩橋開關元件單向導電性決定直流電流流向不能改變，但大電感濾波下直流母線電壓極性允許改變，故有四象限運行能力。18. 在 采用六階梯波 ( 方波 ) 逆變器構成的交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，分別闡述： 改變電機端電壓依靠調(diào)節(jié)什么來實現(xiàn)？ 改變電機運行頻率依靠調(diào)節(jié)什么來實現(xiàn)？ 改變電機轉向又是依靠什么來實現(xiàn)？答： 改變電機端電壓依靠調(diào)節(jié)可控整流器的輸出直流電壓來實現(xiàn)； 改變電機運行頻率依靠調(diào)節(jié)逆變器晶閘管換流快慢(頻率)來實現(xiàn)； 改變電機轉向

19、又是依靠逆變器晶閘管觸發(fā)脈沖的分配來實現(xiàn)。19. 按電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的實現(xiàn)方式區(qū)分,交直交變頻器有幾種結構形式? 圖示說明。答: （1）可控整流器調(diào)壓 + 逆變器變頻 形式: 釆用可控整流器相控調(diào)壓, 改變逆變器換流快慢（脈沖頻率）實現(xiàn)變頻。（2）不控整流器整流 + 斬波器調(diào)壓 + 逆變器變頻 形式: 釆用不控整流改善輸入特性, 但輸出直流電壓Ud恒定，故采用斬波器脈寬調(diào)制調(diào)壓; 仍釆用六脈波逆變器, 改變逆變器換流快慢（脈沖頻率）實現(xiàn)變頻, 但輸出特性差。（3）不控整流器整流 + PWM逆變器調(diào)壓/變頻 形式: 逆變器采用高頻自關斷器件, 提高逆變器開關頻率，使最低次諧波頻率提高, 削弱了

20、諧波負面影響; 同時釆用正弦脈寬調(diào)制（PWM）控制，使輸出電壓以正弦基波為主, 大大改善了輸出特性。20. 在采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制）逆變器構成的交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，分別闡述： 改變電機端電壓依靠調(diào)節(jié)什么來實現(xiàn)？ 改變電機運行頻率依靠調(diào)節(jié)什么來實現(xiàn)？ 改變電機轉向又是依靠什么來實現(xiàn)？答：采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制）逆變器構成的交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)中： 改變電機端電壓依靠調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波幅值來實現(xiàn)； 改變電機運行頻率依靠調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波頻率來實現(xiàn)； 改變電機轉向又是依靠改變?nèi)嗾艺{(diào)制波的相序來實現(xiàn)，也可認為是通過變化逆變器功率開關元件的分配次序來實現(xiàn)。21. PWM型變頻器輸出電壓的幅

21、值和頻率是如何調(diào)節(jié)的？分別就正弦脈寬調(diào)制(SPWM)和磁鏈追蹤控制(SVPWM)兩種不同方式作出說明。答：(1) SPWM： 改變正弦調(diào)制波的頻率，調(diào)節(jié)PWM波脈寬變化周期，即頻率； 改變正弦調(diào)制波的幅值，調(diào)節(jié)PWM波脈沖寬度，即電壓大小(2) SVPWM 設基頻為 基頻以下 ：采用零矢量控制 磁鏈圓大小恒定-恒磁通控制基頻 ：不用零矢量，有效矢量作用時間額定 基頻以上 ：不用零矢量，減少有效矢量作用時間磁鏈圓變?。ㄈ醮趴刂疲D速變快22.脈寬調(diào)制(PWM)變頻器與方波(六階梯波) 變頻器相比有何優(yōu)點？正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器如何獲得正弦脈寬的輸出電壓？又如何實現(xiàn)輸出頻率和輸出電壓大小

22、的調(diào)節(jié)。答：脈寬調(diào)制(PWM)變頻器與方波(六階梯波)變頻器相比優(yōu)點是輸出特性好，即輸出基波成分大、諧波成分小，特別是諧波高頻化，無低次諧波，因而易于濾波。 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器要獲得正弦脈寬的輸出電壓可采用自然采樣法的調(diào)制技術，即采用正弦調(diào)制波與等腰三角形載波相交、交點決定逆變器功率器件開關時刻的方式得到正弦脈寬的輸出電壓。 調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波的頻率可實現(xiàn)逆變器輸出頻率的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波的幅值可實現(xiàn)逆變器輸出電壓大小的調(diào)節(jié)。23. 異步電機變頻調(diào)速時，電機端電壓應如何變化? 圖示說明之。答：Ul隨頻率f1的變化規(guī)律是: (1) 基頻以下 ( f1 f1N): 釆用Ul/fl = C 控制, 確保恒磁通控制, 實現(xiàn)恒轉矩運行。但在f1 f1N): 保持Ul= C, 則隨 f1上升, U1N/ f1下降, 電機作弱磁控制, 實現(xiàn)恒功率運行。24. 畫出頻率開環(huán)、電壓源(SPWM)逆變器異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖(包括詳細的主電路、控制電路)，說明 主功率開關器件旁為何必須反并聯(lián)續(xù)流二極管？答：頻率開環(huán)、電壓源(SPWM)逆變器異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)原理如下圖所示。由于異步電機是一種需要感性無功功率的交流電機，電機電流落后于電壓。為給落后的感性無功電流提供通路，必須在逆變器主功率開關器件旁反并聯(lián)續(xù)流二極管。 25. 頻率開環(huán)、電壓源(SPWM)逆變器異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中：(