本科运动控制系统习题及答案 47页

一、复习：直流调速系统问题1-1：电机的分类？①发电机（其他能→电能）直流发电机交流发电机②电动机（电能→其他能）直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机）交流电动机：同步电动机异步电动机：鼠笼式绕线式：伺服电机旋转变压器控制电机自整角机力矩电机测速电机步进电机（反应式、永磁式、混合式）问题1-2：衡量调速系统的性能指标是哪些？①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin②静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。③和负载匹配情况：一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。问题1-3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势.*直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。*交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。缺点：调速性能比直流电机差。*发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用场合和优缺点等方面进行比较.哪些是有级调速？哪些是无级调速？直流电动机中常见的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特殊的同步电动机。\n根据直流电机的转速公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：U≤Unom，基频以下，在一定范围内无级平滑调速。弱磁调速：无级，适用于Φ≤Φnom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即电动机额定转速以上)作小范围的升速。变电阻调速：有级调速。变转差率调速：无级调速。问题1-5：带有比例调节器的单闭环直流调速系统，如果转速的反馈值与给定值相等，则调节器的输出为（A）A、零；B、大于零的定值C、小于零的定值；D、保持原先的值不变问题1-6：什么是调速范围D？什么是静差率S，两者的关系如何？用什么方法可以使调速系统满足D大S小的控制要求？①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin②静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。问题1-7：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器（V-M系统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。名词解释1-8：G-M系统V-M系统PWMPFM①G-M系统：交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流及改变其输出电压，从而调节M的转速。优点：在允许转矩范围内四象限运行。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不方便。②V-M系统：晶闸管，工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器V给需要调速直流电动机M供电，调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流器V的输出电压，从而调节直流电动机M的转速。优点：经济性和可靠性提高，无需另加功率放大装置。快速性好，动态性能提高。缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt十分敏感；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。③PWM：脉冲宽度调制(PWM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。PWM调速系统优点：系统低速运行平稳，调速范围较宽；电动机损耗和发热较小；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；器件工作早开关状态，主电路损耗小，装置效率较高。PWM调速系统应用：中、小功率系统④PFM脉冲频率调制(PFM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节晶闸管的关断时间t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。问题1-9：哪些是控制系统的稳态性能指标、稳定性指标和动态性能指标？①稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=△nnom/n0*100%②\n②稳定性指标：柏德图（对数幅频特性和对数幅频特性）典型Ⅰ型系：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。γ=90°-tg-1ωcT>45°典型Ⅱ型系统：对数幅频特性以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线。γ=180°-180°+tg-1ωct-tg-1ωcT=tg-1ωct-tg-1ωcT③动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标：跟随性能指标上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%--90%）超调量：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏移量与稳态值之比。调节时间：又称过度过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完全稳定下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取±5%（或±2%）的范围作为允许误差。抗扰性能指标：动态降落：在系统稳定时，突加一个约定的标准的扰动量，在过度过程中引起的输出量最大降落值。恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的±5%（或±2%）范围之内所需的时间。问题1-10：转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是、和。①饱和非线性控制ASR饱和，转速环开环，恒值电流调节的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.②准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快.③转速超调：只有转速超调才能使ASR退饱和.问题1-11：转速、电流双闭环调速系统中，转速环按典型Ⅱ型系统设计，抗扰能力强，稳态无静差。电流环按典型Ⅰ型系统设计，抗扰能力稍差，超调小。问题1-12：无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是（D）A、消除稳态误差；B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应问题1-13：转子位置检测的方法有哪几种？选择其中1～2种进行论述它们的工组原理和特点及其应用场合？①自整角机(角位移传感器，成对应用：发送机与指令轴相连，接收机与执行轴相连)②旋转变压器(一种特制的两相旋转电机，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当转子旋转时，输出电压与转子角呈一定的函数关系，主要作角度传感器)。③感应同步器(圆形感应同步器用来测角位移，用于转台(立式车床)的角度数字显示和精确定位。\n直线式形感应同步器用来测直线位移，安装在具有平移运动的机床上(式车床)，用来测量刀架的位移并构成闭环系统。④光电编码盘分增量式绝对式两种（增量式光电编码盘实际是一个光电脉冲发生器和一个可逆计算器）（绝对式光电编码盘则是通过读取码盘的图形来表示轴的位置，码制可选二进制、二-十进制（BCD码）、和循环码（格雷码）同轴齿轮在电机位置检测是应用较多。具体工作原理见(陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社)P154-163问题1-14：什么是检测误差、原理误差和扰动误差？哪些无法克服？哪些能克服？①检测误差：由检测产生的误差，它取决于检测元件本身的精度，位置随动系统中常用的位置检测元件如自整角机、旋转变压器、感应同步器等都有一定的精度等级，系统的精度不可能高于所用位置检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法克服的。②原理误差：又称系统误差，它是系统自身的结构形式、系统特征参数和输入信号的形式决定的，Ⅰ型系统只对位置输入是无静差的随动系统（一阶无差系统）；Ⅱ型系统对位置输入和速度输入都是无静差的随动系统（二阶无差系统）。③扰动误差分负载扰动、系统参数变化、噪声干扰三种。*负载扰动（恒值负载扰动和随机性负载扰动），在抵抗负载扰动能力方面，Ⅱ型系统比Ⅰ型系统好。*系统参数变化（放大器零漂、元件老化、电源电压波动等）负载扰动和系统参数变化都作用在系统的前向通道上，可通过闭环予以抑制。*噪声干扰（经检测装置混入系统，一般多为高频成分，其频谱与输入信号频谱不重叠，可滤除，但影响快速性和系统动态精度）问题1-15：位置随动系统解决的主要问题是什么？试比较位置随动系统与调速系统的异同。①位置随动系统解决的主要问题是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪。随动系统一般称伺服系统②位置随动系统与调速系统的相同点：两者的控制原理相同，它们都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。③位置随动系统与调速系统的相异点：调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗扰性能显得十分重要。位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。位置随动系统在结构上往往比调速系统复杂一些。位置随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构特征。问题1-16：什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用场合。①\n串联校正（调节器校正），采用PID校正的单位置环随动系统，可以得到较高的截止频率和对给定信号的快速响应，结构简单。由于不使用测速机，从而排除了测速机带来的干扰，但反过来又使摩察、间隙等非线性因素不能很好地受到抑制。负载扰动也必须通过位置环进行调节，没有快速的电流环及时补偿而使动态误差增大。同时PID调节器是采用比例微分超前作用来对消调节对象中的大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，还会因控对象参数变化而丧失零极点对消的效果。因此单位置环的随动系统仅适用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不太突出的场合。②并联校正在调速系统中引入被调量的微分负反馈是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于抑制振荡、减小超调，提高系统的快速性。在位置随动系统中转速微分负反馈的并联校正比转速反馈的并联校正好，因为它不需增大K1就可以保证原有的稳态精度，而快速性同样可以得到一定程度的提高，只受到小时间常数及测速发电机信号中噪声干扰的限制。③复合控制当随动系统输入信号的各阶导数可以测量或者可以实时计算时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制构成前馈控制（开环控制）和反馈控制（闭环控制）相结合的复合控制，也是一种提高系统稳态和动态品质指标的有效途径。二、回顾：交流调速系统问题2-1：交流调速技术引起人们广泛重视的原因是什么?交流电动机优点，20世纪30年代，交流调速系统存在问题，70年代电子技术发展，高性能交流调速技术的不断涌现：矢量变换控制、直接转矩控制、无速度传感器控制系统、数字化技术等，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制策略不断推进。问题2-2：简述异步电机的工作原理。三相异步电动机的定子通入对称三相电流产生旋转磁场→与静止的转子有相对运动→产生感应电动势→转子导体有感应电流→转子导体带电导体在磁场中受电磁力的作用→两边同时受到电磁力的作用，产生电磁力矩→转子转动→带动生产机械运动。问题2-3：设异步电动机运行时，定子电流的须率为f1，试问此时定子磁势F1、转子磁势F2是多少？请画出异步动电机的等效电路，并按频率折算(折算前后磁动势不变)和绕组折算(折算前后电机内部的电磁性能和功率不变)对相关参数进行折算，最后得出T形效电路。问题2-4：请写出异步电动机的电磁关系。定子输入功率：P1=Pm+Pcu1+Pfe定子输入功率P1输出功率P2效率=定子铜耗：Pcu1=3I12R1定子铁耗：PFe=PFe1=3I12R1转子铜耗：Pcu2=3I’22R’2电磁功率：Pm=Pout+Pcu2机械损耗：Ps附加损耗：P’f轴上输出功率：Pout=P2+Ps+P’f输出功率：P2问题2-5：常用的异步电动机调速有哪些？哪些属于转差功率消耗型？哪些属于转差功率不变型？哪些属于转差功率回馈型？①异步电动机调速方法有：降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等。②降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率消耗型\n③串级调速属于转差功率回馈型④变极调速、变频调速属于转差功率不变型。问题2-6：变极调速方法对笼型与绕线式电动机是否都适用，为什么?变极调速只适合于本身具备改变极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动机），它们可以通过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成调速，绕线式电动机一般采用转子传电阻或串级调速。问题2-7：采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，是否只需改变电动机定子绕组的联结方式就可以了，还需要注意什么问题？采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，除了需要改变电动机定子绕组的联结方式外，还应注意保持电源的相序不变，即：要对调电源端子。如：变极前：A→0B→240℃C→480℃（120℃）变极后：A→0B→120℃C→240℃与变极前不一致。应对调B、C两相，以保证变极前后的电源相序一致。问题2-8：请简述交流异步电动机变极调速的工作原理，并说明其特点和应用场合。变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的（双速电动机、三速和四速电动机）这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。缺点：有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。特点：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。变极调速适合于：按2～4档固定调速变化的场合，（不需要无级调速的生产机械），如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。问题2-9：晶闸管交流调压调速系统中，对触发脉冲有何要求，为什么？晶闸管交流调压调速系统中，要求用宽脉冲、双窄脉冲或脉冲列触发，以保证可靠换流，防止直通。晶闸管是半控器件，只需要用脉冲触发其导通，不需要控制其关断。问题2-10：请简述交流异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制。调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。①通过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，从而进行调速。②通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，改变交流电抗值，改变电机电压，实现降压调速。饱和，交流电抗小，电机定子电压高。③通过控制晶闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。问题2-11：在交流异步电动机变压调速系统中，怎样解决调速范围小和机械特性软的问题？在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，械特性曲线软，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。\n问题2-12：交流调速的主要应用领域有哪些？已普及国民经济各部门的传动领域：⑴冶金机械①轧钢机主传动（大容量、低转速、过载能力强，交交变频调速取代直流调速。②高炉热风炉鼓风机。⑵机车牵引：电气机车、电动机车等（不消耗汽油、不排废气、噪声小，将燃油机车改电动机车）。⑶数控机床：主传动（调速范围宽、静差率小）、进给传动（输出转矩大、动态响应好、定位精度高）采用交流传动，异步电动机或同步电动机取代直流电动机。⑷矿井提升机：交交变频电源供电（优良的调速性能和位置控制以获得平稳、安全的制动运行，消除失控现象，提高可靠性。⑸起重、装卸机械：环境恶劣、频繁迅速启动和调速。⑹原子能及化工设备：使用条件恶劣要求调速范围宽。⑺建筑电气设备：空调系统、电梯传动、供水系统等。⑻纺织、食品机械：纺织卷绕机、肉类搅拌机等。问题2-13：请简述自耦调压器调速的工作原理，并说明其优缺点。在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，从而进行调速。自耦调压器调速可以实现无级调速，但启动转矩也与电压平方成正比，因而只能适合空载启动或者轻载启动。自耦调压器调速结构简单，但性能指标和经济指标都不高，常用于特殊效功率场合。问题2-14：请简述串饱和电抗器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过改变直流励磁电流来控制铁心的饱和程度，以改变串接在定子回路中的交流电抗值，从而调节电机定子绕组上得到的电压，实现降压调速。如铁心饱和，交流电抗小，电机定子电压高，电机升速。反之则电机减速。串饱和电抗器调压调速控制简单，但电磁装置太笨重。问题2-15：请简述晶闸管调压调速的工作原理，并说明其优缺点。画出几种晶闸管主电路的连接方法，指出他们各自的特点。在交流异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，通过控制晶闸管的导通角，来调节电动机的端电压，从而进行调速。优点：维护方便，噪声小，可以四象限运行。缺点：电网输入电压为正弦波，但输出电压不为正弦波，谐波大，功率因素低，机械特性软。解决办法：采用闭环系统。①三相分支双向控制绕组Y连接：特点：用双脉冲或者宽60°脉冲触发晶闸管SCR，输出含有奇次谐波，绕组Y连接。\n如电机绕组带中线，可消取三次谐波电流，但仍然存在其他次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。与其它接法相比，此接法谐波分量最小。②三相分支双向控制绕组△连接：特点：用双脉冲或者宽60°脉冲触发SCR，输出含有奇次谐波，绕组△连接。有其它的高次谐波，产生脉动转矩和附加损耗。③三相分支单向控制绕组Y连接：特点：每一相制用一个用晶闸管和一个二极管反并联，可以降低成本，但各相波形不对称，输出含有偶次谐波，降低了运行性能，所以只用于小容量装置。④三相△形双向控制绕组△连接特点：晶闸管串接在相绕组回路中，在同等容量下，晶闸管承受的电压高而电流小，适合于电机绕组△连接的情况。⑤三相零点△连接，单向控制特点：电路简单，晶闸管放在负载后面，可以减小电网浪涌电压对它的冲击，但因为是单向控制奇次、偶次谐波都存在，运行效率稍低。只适合于小容量电机。问题2-16：请简述转差离合器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。①电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。②电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；③磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；调速平滑、无级调速；对电网无谐影响；速度失大、效率低。本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。问题2-17：请简述绕线式异步电动机转子串电阻调速的工作原理，并说明其优缺点。绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。\n三、交流异步电动机变频调速的理论基础EgΦm=Kf1问题3-1：在电动机调速时，为什么要保持每极磁通量为额定值不变？对直流电机和交流异步电机，分别采用什么方法使电机每极的磁通恒定？异步电机的气隙磁链在每相定子中的感应电动势Eg=4.44f1N1kN1Φm如果使Eg/f1=K，则可使气隙磁链保持不变，以便实现恒转矩调速（恒磁通调速）。要保持直流电机的磁通恒定，因为其励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，容易做到保持磁通恒定。要保持交流异步电机的磁通恒定，必须采用恒压频比控制。问题3-2：交流异步电动机的恒压频比控制有哪三种方式？试就其实现难易程度、机械特性等方面进行比较。Eg/f1=K，气隙磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，机械特性非线性，难实现，加定子电压补偿的目标，改善低速性能。Tmax，Dnm与频率无关，机械特性平行，硬度相同，类似于直流电动机的降压调速，属于恒转矩调速。U1/f1=K，定子相电压/输入频率为恒值，U1定子相电压，机械特性非线性，易实现。f1接近额定频率时，Tmax变化不大，f1的降低，Tmax变化较大，在低速时甚至拖不动负载。Unn0fE2/f1=K=K实际上U1/f1=常数，由于频率很低时定子电阻损耗相对较大，U1/f1=K=KEg/f1=K=K不可忽略，故必须进行定子电压补偿。E2/f1=K，转子磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，E2转子磁链在每相定子中的感应电动势（忽略转子电阻损耗）Tf带定子电压补偿的U1/f1=K转子磁链恒值，机械特性线性，稳态性能和动态性能好，最难实现。这是矢量控制追求的目标。φφmU1fnUn0nT问题3-3：交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控制方法，磁通、转矩、功率呈现怎样的变化规率？并请用图形表示。恒磁通调速（基频以下）U1/f1=常数，并补偿定子电阻损耗。恒功率调速（基频以上）升高电源电压时不允许的，在频率上调时，只能保持电压不变。频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。问题3-4：正弦波恒流供电时交流异步电动机变频调速系统的机械特性有何特点？TI1a>I1b,ω1a>ω1bI1a,ω1bI1b,ω1bI1b,ω1a0UfnI1a,ω1a①与恒压频比控制的机械特性相似，有空载转矩点和最大转矩点，②恒流机械特性的最大转矩与ω1无关，恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。③由于Lσ1＜＜Lm，所以恒流机械特性的线性段比恒压机械特性较平，而且最大转矩处很尖。\n④恒流特性限制了定子电流I1，而恒压供电时随着转速n降低电流I1会不断增大。所以额定电流时Temax∣I1=cont比额定电压时Temax∣v1=cont小得多。但这并不影响恒流控制得系统承担短时过载能力。因为过载时加大定子电流，以产生更大得转矩。问题3-5：交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和恒电流控制三种，其中恒磁通控制又称恒转矩控制。问题3-6：如果在交流异步电动机变频调速系统采用恒转矩控制时，出现励磁电流急剧增加的现象（实际上时由于电压补偿过多），导致系统不能正常工作，应采取的解决办法有：适当增加定子电压U1和在开环系统上加电流负反馈，以便限制定子励磁电流，（实际上，变为恒转矩负载加恒电流控制）。问题3-7：已知一台异步电动机参数如下：PN＝3KW，U1N＝380V，I1N=7.5A，nN=1450r／min，电枢绕组电阻R1＝1.5W，R2＝0.823W。定子漏抗Lσ1=0.0038H，转子漏抗L’σ2＝0.00475H，励磁电感Lm＝0.0968H，励磁电阻Rm＝1.49W，试计算：①在U1/f1=C方式控制下，f1=5Hz时U1=?②在Temax=C方式控制下，f1=5Hz时U1=?③在f1=5Hz时，U1/f1=C方式控制下，Temax=?④在f1=50Hz时，U1/f1=C方式控制下，Temax=?解：①U1/f1=C方式下，U1/f1=U1P/f1N=C相电压U1=（f1/f1N）×U1N=(5/50)×380/=22伏②Temax=C方式，α=f1/f1N=(5/50)=0.1θ=XN/R=2πf1N(Lσ1+L’σ2)/R1=2×3.14[0.0038+0.00475]/1.5=1.778γ=电压调节系数γ=α[=0.257U1=γγU1N=γ=0.257×220=56.5伏>22伏结论：恒转矩控制方式下，在f1较低时提高了定子电压。③f1=5Hz时，U1/f1=C方式控制下，nN=1450r／min，n==1500r／min，为2对磁极电机。Temax-5==15.2牛顿.米④f1=50Hz时，U1/f1=C方式控制下Temax-50==100.8牛顿.米结论：U1/f1=C方式控制下，在f1较低时应补偿了定子绕组压降，以提高最大转矩.。\n问题3-8：从结构上看，静止式变频装置分为哪两类？间接变频装置（交-直-交变频）直接变频装置（交-交变频）问题3-9：什么是间接变频？按照控制方式不同，请画出三种间接变频的结构图，并说明其优缺点先将交流经整流装置变成直流，再经过逆变装置变成交流，实现调压变频功能。①三相交流输入经晶闸管组成的可控整流变成直流实现调压，再由晶闸管组成的逆变器转换成交流实现变频。优点：结构简单、控制方便。缺点：输入环节用可控整流，电压和频率较低时，电网的功率因数较小。输出环节多由晶闸管组成的三相六拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。②三相交流输入经二极管组成的不控整流变成直流，然后由直流斩波器实现调压，再由晶闸管组成的逆变器将直流转换成交流实现变频。优点：不控整流，输入功率因数高，控制较方便。缺点：输出环节多由晶闸管组成的三相六拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。③三相交流输入经二极管组成的不控整流变成直流，然后由PWM逆变器将直流转换成交流实现变频调压。优点：不控整流，输入功率因数高，控制较方便。PWM逆变器输出谐波减少。缺点：谐波减少程度取决于PWM逆变器的开关频率，开关频率受功率器件开关时间限制。解决方法：采用全控器件，提高开关频率，组成SPWM（正弦波脉宽调制）逆变器。问题3-10：什么是直接变频？晶闸管的触发控制角采用怎样的变化规律能得到正弦输出电压？三相交流输入经晶闸管组成的交-交变频器转换成交流输出，实现变频调压。a在0至p之间变化，输出交流电压，两组三相可控整流电路反并联组成的可逆电路，其输出电压和电流的方向及大小是可以任意改变的。三个单相交-交变频器互差120°工作，就构成了一个三相交-交变频器。问题3-11：什么是变转差率调速?在转差率s很小的范围内，只要能够维持气隙磁通φm不变异步电机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。问题3-12：请从换能形式、换流方式、元件数量、调频范围、电网功率因数和适用场合等方面比较交-直-交间接变频器和交-交直接变频器。比较项目交-直-交间接变频器交-交直接变频器换能形式两次换能，效率较低一次换能，效率较高换流方式强迫或负载谐振换流电源电压换流元件数量元件数量较少元件数量较多调频范围频率调节范围宽一般情况下，输出最高频率为电网频率的1/3～1/2。电网功率因数较低。\n用可控整流调压时，功率因数在低压时较小；斩波器或PWM实现调压时，功率因数高。适用场合可用于各种电力拖动装置，稳频稳压电源和不停电电源。特别适合于低频大功率拖动。问题3-13：请从直流回路滤波环节、输出电压波形、输出电流波形、输出阻抗、回馈制动、调速动态响应、对晶闸管的要求和适用范围等方面比较电压源和电流源交-直-交变频器。比较项目电压源型电流源型直流回路滤波环节无功功率缓冲环节电容电感输出电压波形矩形波决定于负载，对异步电机负载近似为正弦波。输出电流波形决定于负载的功率因数，有较大的谐波分量。矩形波输出阻抗小大回馈制动须在电源侧设置反并联逆变器方便，主回路不需附加设备调速动态响应较慢快对晶闸管的要求关断时间要短，对耐压要求一般较低耐压高，对关断时间无特殊要求使用范围多电机拖动，稳频稳压电源单电机拖动，可逆拖动问题3-14：请举例说明交-直-交电压源变频调速系统、交-直-交电流源变频调速系统、电流源变频器-异步电动机变频调速矢量控制系统、电压型变频器的矢量控制系统、电压型SPWM变频器的矢量控制系统、交-交变频器的矢量控制系统、无速度传感器的矢量控制系统的工作原理。问题3-15：异步电动机变压变频调速时，采用（B）控制方式，可获得一线性机械特性。A、U1／f1=常值；B、Eg/f1=常值；C、Es/f1=常值；D、Er/f1=常值问题3-16：一般的间接变频器中，逆变器起（B）作用。A、调压；B、调频；C、调压与逆变；D、调频与逆变问题3-17：变频器从结构上看，可分为直接变频、简接变频两类，从变频电源性质看，可分为电流型、电压型两类。问题3-18：转差频率控制变频调速系统的基本思想是控制（C）。A、电机的调速精度；B、电机的动态转矩；C、电机的气隙磁通；D、电机的定子电流问题3-19：交流异步电动机变频调速控制策略的研究（电气传动自动化）2003，25（5）P22~25①常规控制策略：恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制\n②现有控制策略：转子参数推算法、自适应控制、鲁棒控制非线性控制（非线性反馈控制、逆控制）智能控制（神经网络于内模复合控制、模糊于模型参考自适应复合控制、模糊于变结构复合控制、滑模/模糊/神经网络的复合控制）③热门课题及关键技术非线性自适应控制智能控制器算法的实用化、双优控制、在线诊断和容错控制）四、交流异步电动机矢量变换控制问题4-1：在实际系统中，怎样保证E2/f1=K？E2转子磁链在每相定子中的感应电动势，（忽略转子电阻损耗）转子磁链恒值，机械特性线性，稳态性能和动态性能好，最难实现。是矢量控制追求的目标.问题4-2：什么是矢量控制系统VCS或TCS矢量变换控制系统？请画出矢量控制系统的构思框图，并简述其工作原理。将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统VCS（VectorControlSystem）矢量变换控制系统TCS(Trans-vectorControlSystem)。控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*m1i*t1jw1i*a1i*b1i*Ai*Bi*CiAiBiCia1iβ1im1it1~反馈信号异步电动机给定信号j问题4-3：三相异步电动机的数学模型包括：电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。问题4-4：将三相交流电机变换成两极直流电机的物理模型要经过的坐标变换有哪些？先将静止的三相坐标A-B-C转换成静止的两相坐标α-β，再将静止的两相坐标α-β换成旋转的两相坐标d-q或极坐标(M-T)。\n问题4-5：三相异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，问题4-6：请写出Park定理。V=矢量V称为Park矢量，即空间矢量，表示合成矢量在某时刻在空间的位置。三相电动势、电压、电流、磁动势、磁通均是三相电磁量，若在复平面中，它们都能用一个矢量表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物理量变为二维物理量。问题4-7：坐标变换有哪些？坐标变换原则有哪两种？它们各用于什么场合？坐标变换有：①静止的三相坐标（A-B-C）→旋转的两相坐标（d-q-0），P246cosλsinλC3S/2R=cos(λ-120℃)sin(λ-120℃)Cos(λ+120℃)sin(λ+120℃)②旋转的两相坐标（d-q）→静止的三相坐标（A-B-C），C2R/3S=C3S/2R-1③静止的三相坐标（A-B-C）→静止的两相坐标（α-β-0），零轴电流1--C3S/2s=0-KKK④静止的两相坐标（α-β-0）→静止的三相坐标（A-B-C），C2s/3S=C3S/2s-1⑤静止的两相坐标（α-β）→旋转的两相坐标（d-q），C2s/2R=cosλsinλ-sinλcosλ⑥旋转的两相坐标（d-q）→静止的两相坐标（α-β）C2s/2R=C2R/2s-1⑦直角坐标与极坐标I=θ=artg()或I=θ=artg()因为θ在0～90℃变化时，tgθ的变化范围是0～∝，这个变化范围太大，常改用下式求θ值：θ=2artg()\n坐标变换原则有功率不变原则和空间矢量不变原则两种。功率不变原则是保持坐标变换前后的电动机功率不变，在电力拖动系统中应用较多。空间矢量不变原则是保持坐标变换前后的电流、电压、电动势等空间矢量的相位、幅值不变。问题4-8：磁链直接检测的方法有哪些？各有何缺点？磁链直接检测的方法有检测线圈法和磁通传感器法①检测线圈法是在定子中安放宽度等于全极距的检测线圈，可产生正比于磁通变化的信号，通过积分求得主磁通的测量值。这种方法由于积分有漂移，硬件上不易实现，故应用不多。②磁通传感器法是异步电动机的气隙中设置两个磁链传感器，它们分别装在与α相绕组磁轴重合和垂直的位置，用来分别检测气隙磁链在静止坐标系中的两个分量φαm和φβm。由于这种检测方法必须在电机内置检测器，使用不方便，且检测的气隙磁链含有大量谐波，容易造成系统不稳定。问题4-9：请写出在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型。在二相静止坐标系上的转子磁链观测模型有电流模型观测器和电压模型观测器：①电流模型观测器：当电机转速小于额定转速的10％，定子绕组压降不可忽略，异步电动机在静止坐标系（a－b）中的电压方程为：uas(Rs+Lsp0Lmp0iasubs=0Rs+Lsp0Lmpibs0LmpwLmRr+LrpwLriar0-wLmLmp-wLrRr+Lrpibr可得：0＝p（Lmias＋Lriar）＋w（Lmibs＋Lribr）＋Rriar0＝p（Lmibs＋Lribr）－w（Lmias＋Lriar）＋Rribr转子磁链可表示为：yar＝Lmias＋Lriarybr=Lmibs＋Lribr由上述3式解出iar、ibr并化简得：yar＝（Lmias－wTrybr），ybr=（Lmibs＋wTryar）式中：Tr—转子绕组的电磁时间常数，uas—定子a绕阻电压，ubs—定子b绕阻电压，ias—定子a绕阻电流，ibs—定子b绕阻电流，yar—与转子a绕阻匝链的磁链，ybr—与转子b绕阻匝链的磁链。②电压模型观测器：当电机转速在额定转速的10％以上，忽略定子绕组压降，定子回路的电压平衡方程式为：us=pys=Lspis+Lmpir转子磁链可以用电感和电流表示，yr=Lmis+Lrir其中：p—微分算子us—定子电压，is—定子电流，ys—定子磁链，yr—转子磁链，Rs—定子绕阻电阻，Rr—转子绕阻电阻，Ls—定子绕阻全电感，Lr—转子绕阻全电感，Lm定、转子绕阻之间的互感。从上述两式中消去ir，得：yr=[us-·]dt，令：Ks＝，Kr=，\nyr在静止坐标系中的分量为：yar=Ks[uas-Kr]dt，ybr=Ks[ubs-Kr]dt。问题4-10：异步电动机A、B、C、坐标系的数学模型经三相旋转/两相静止/两相旋转坐标变换，可得到d-q-o坐标系的数学模型。问题4-11：异步电动机的等效二相模型为什么简单？四个方程中的为0项很多，转矩和磁通分开控制(相互垂直).问题4-12：磁链定向方法有哪些？采用M-T坐标系是按什么磁链定向？磁链定向方法有三种：①按转子磁链φr（φ2）定向：控制性能最好，但转子磁链不易测量和控制；②按气隙磁链φm定向：气隙磁链较易测量和控制，但控制性能不好；③按定子磁链φs（φ1）定向：定子磁链最容易测量和控制，但控制性能不好；问题4-13：按转子磁场定向和矢量控制变频调速成系统中，在（C转子磁链恒定；）条件下，有电动机转矩与定子电流转矩分量成正比的关系。五、交流异步电动机直接转矩控制名词解释：DTCDSCSPWM原型电动机DTC(DirectTorqueControl)或DSC（DirectSelfControl）：直接转矩控制，通过改变电机磁场对转子的瞬时转差速率，以直接控制异步机的转矩和转矩增加率，获得电机的快速响应。SPWM：正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。原型电动机：（两相电动机），它具有两个集中绕组，即d轴绕组（直轴绕组）和q轴绕组（交轴绕组），两个绕组互相垂直，可以对转矩和磁通进行独立控制其转子结构与直流电动机一样，有枢和换向器等。问题5-1：简述直接转矩控制的工作原理，并比较它与矢量控制的异同点。①+直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，它采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机的数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理结构明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内。且无超调，是一种具有高性能的交流调速方法。②直接转矩控制与矢量控制的相同点是：两者都要对转矩和磁链进行控制。③直接转矩控制与矢量控制的相同异点如下：\n直接转矩控制只利用定子侧参数，而矢量变换控制是利用转子侧参数，这些参数容易受转子转速变化的影响；直接转矩控制在静止的坐标系中进行，控制运算比矢量变换控制简单；直接转矩控制对转矩进行闭环控制，准确性高，动态性好，而矢量控制则过分要求圆磁磁链和正弦波电流；直接转矩控制和直接磁链控制采用滞环，参数选择适当可弥补由直接转矩控制引起的速度下降。直接转矩控制利用相电压矢量的概念，对逆变器的功率开关进行综合控制，开关次数少，开关损耗少。问题5-2：请画出异步电动机的空间矢量等效电路图，并推出稳态转矩的计算公式。在正交定子坐标系（α-β坐标系）上描述异步电机的等效电路图，us定子电压空间矢量，is定子电流空间矢量ir转子电流空间矢量，ω电角速度（机械角速度对极对数的积）iuisRrLmusψuLσRsirjwψrψs定子磁链空间矢量，ψr转子磁链空间矢量异步电动机在定子坐标系下的电压方程：us=Rsis+0=Rrir-+jωψr定子磁链ψs=Liu，转子磁链ψr=ψs-Lσiu定子旋转磁场提供的功率P=ωsTd=(isa+isB)图5-1异步电动机的空间矢量等效电路图其中：ωs定子频率（定子旋转磁场频率）=-ωsψsB=ωsψsa得转矩Td=(ψsaisB–ψsBisa)由is=iu+ir可得转矩Td=(ψsBψra–ψsaψrB)=︱ψs︱︱ψr︱sinθ转矩为定子磁链与转子磁链的交叉乘积，θ磁通角（定子磁链与转子磁链之间夹角）在实际运行中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机；而转子磁链幅值由负载决定。通过改变磁通角θ可实现异步电动机转矩的改变，通过改变转子电流可改变转子磁链，定子磁链可以以定子电压的积分来改变。问题5-3：请画出电压型逆变器8个电压状态形成的电压空间矢量图，并说明定子磁链的运动轨迹。------Ud0EE+-SaSaSbSbScSa电压型逆变器，为三组六个开关同一桥臂的两个开关互为反向：一个接通“1”，另一个断开“0”。①逆变器8个电压状态：V1（100），V2（110），V3（010），V4（011），V5（001），V6（101）构成正六边形的顶点，V7（111），V0（000）位于正六边形的中心。图5-2电压型逆变器由相电压波形图可直接得到逆变器的各开关状态，两者的开关状态顺序一致6个状态一个周期（状态1→状态6），\nCBAaV6V5V4V3V2V1β相电压波形幅值两个：±2Ud/3和±4Ud/3②忽略定子电阻和漏感的影响，定子回路的电压平衡方程式为：uS=eS=dψs/dtψs=us*t+ψs0，ψs0---定子磁链的初始值。③从电压型逆变器8个电压状态形成的电压空间矢量图可见：定子磁链矢量ψs的增长方向，即ψs矢头的运动方向决定于电压矢量uS的方向；定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向。只要定子电阻压降比起定子电压足够小，图5-38个电压状态的空间矢量图这种平衡就能得到很好地近似），在适当地时候依次给出定子电压空间矢量，则得到的定子磁链的运动轨迹依次按V1→V6运动，形成正六边形磁链。正六边形的六条边代表磁链空间矢量一个周期的运动轨迹，称区段（扇区）S1……区段（扇区）S6ψs矢头的运动速率与uS的幅值US成正比；若uS=0，则ψs停止运动(V0、V7)；若有效电压矢量依照矢量图V1→V2→V3→V4→V5→V6的次序交替作用，且作用时间相等，则ψs矢头的运动轨迹为一正六边形。问题5-4：交流异步电动机采用直接转矩控制，在正六边形的定子磁链图中怎样实现恒转矩控制和恒功率控制。逆变器8个电压状态：V1，V2，V3，V4，V5，V6构成正六边形的顶点，V7，V0位于正六边形的中心。若改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变ψs的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值不变，所以它们的作用时间改变后，正六边形的面积将发生变化。作用时间变短，正六边形的面积变小，面积=Viti，磁链幅值ψs也将变小。因此可以用这种方法控制异步电动机的弱磁调速。若在有效电压矢量的作用期间以一定规律插入零矢量（V7，V0），ψs以最大旋转速度旋转，零矢量作用时ψs停止运动。由于零矢量的插入，ψs走走停停，所以旋转速度变慢了。显然，零矢量的作用时间越长，ψs的旋转速度越慢。如果在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变，不难想象，正六边形的面积将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法可以控制异步电动机的恒磁通调速，即恒转矩调速。问题5-5：异步电动机定子磁链观测模型有几种？各用于什么场合？①当电机转速大于额定转速的10％时，若忽略定子电阻影响，定子磁链一般采用u-i模型：Ψs=∫(us-isRs)dt其中，Ψs为定子磁链，us、is分别是定子电压、电流瞬时空间矢量，Rs为定子电阻。30%额定转速以上，采用u-i模型能够非常准确地确定定子磁链，并且要注意定子电阻Rs随温度变化的影响。②当电机转速小于额定转速的10％时，定子电阻压降不可忽略，采用i-n模型，即磁链只能根据测得的定子电流和电机转速来计算定子磁链来计算。\n基本公式为：ΨS=(ISLσ+Ψr)式中：Ψr为转子磁链矢量；Lσ为漏电感；LS为定子主电感。从式可以看出，必须首先确定转子磁链矢量Ψr才能算出定子磁链。此时Ψr的计算公式如下：Ψar＝（Lmias－weT2Ψbr），Ψbr=（Lmibs＋weT2Ψar），Ψr=式中：T2=Lr/Rr—转子绕组的电磁时间常数，ias—定子a绕阻电流，ibs—定子b绕阻电流，Ψar—与转子a绕阻匝链的磁链，Ψbr—与转子b绕阻匝链的磁链，we—电机转速，P—微分算子。i-n模型受转子电阻Rr、漏电感Lσ、主电感LS变化的影响。此外还要求准确地测量角速度w，w地测量误差对i-n模型的结果影响很大。③u-n模型，转子方程=(Ψs-Ψr)+jωΨr，定子方程=us-isRs；磁链方程：Ψs=Lis，Ψr=Ψs-Lσir+++.ΨuBΨsBiSB+-+++-+-iuBΨrBi’SBiSBuSBPIRSI.ΨrBI--++++-+-iuaΨsaΨra.Ψuai’SaiSaiSauSaPIRSI.ΨraIira++-+\n图5-4定子磁链观测的电动机模型电流调节器“PI”的作用是强迫电动机模型电流和实际电动机电流相等。使电动机模型的仿真精度大大提高了。电动机模型综合了u-i模型和i-n模型的优点，又很自然地解决了切换问题。高速时，电动机模型实际工作在u-i模型下，磁链实际上是定子电压、定子电流由计算得到。低速时，电动机模型实际工作在i-n模型下。问题5-6：请画出异步电动机直接转矩控制调速系统的组成框图，并说明各模块的功能和整个系统的工作原理。由图可见，直接转矩控制系统由转矩闭环和磁链闭环组成，既直接进行转矩控制又直接进行磁链控制，只需用电流互感器和电压互感器检测定子电流和电子电压，然后对转矩和磁链进行观测，公式如下：ψaS=∫（uaS-R1ias）dtψβS=∫（uβS-R1iβs）dtTe=kT’[ψaSiβs-ψβSias]转矩调节器ATR和磁链调节器都使用滞环两位调节，可以保持转矩在给定误差允许范围内波动，达到较好的转矩控制性能。磁链自控制DMC的最简单方案：由检测出的定子磁链，经坐标变换单元UCT（2S/3S坐标转换）得到磁链的β分量ψβa、ψβb、ψβc，通过三个施密特触发器分别把三个磁链分量与磁链给定值ψug相比较，得到三个磁链开关信号Sψa、Sψb、Sψc，三相磁链开关信号通过开关S换相，得到三相电压开关信号：、、，经反相后变成正确的电压状态信号SUa、SUb、SUc，直接去控制逆变器UI，输出相应的电压空间矢量，去控制产生期望的六边形磁链。MU*ωs+T给定—T反馈转矩观测器3S/2S坐标转换电流互感器磁通观测器2S/3S坐标转换3S/2S坐标转换滞环调节器换相逻辑电压互感器滞环调节器ψaSψβSiaSiβSuβSuaSuabubcuca=-uab-ubciaibψAψBψCSψASψBSψCS0SASBSC整流器逆变器ic=-ia-ib图5-5异步电动机直接转矩控制调速系统\n转矩的大小通过改变定子磁链运动轨迹的平均速度来控制（引入零矢量），采用两点式调节：当实际转矩值和转矩给定值的差值小于-ξm，转矩调节器ATR的输出信号“TQ”变“1”，工作电压空间矢量加到电机上，使定子磁链旋转，磁通角加大，转矩加大。当实际转矩值和转矩给定值的差值大于+ξm，ATR的输出信号“TQ”变“0”，零电压加到电机上，定子磁链停止不动，磁通角减小，转矩减小。通过转矩直接自调节作用，使工作电压空间矢量的工作状态和零电压工作状态交替接通，控制定子磁链ψs走走停停，从而使转矩动态平衡保持在给定值的±ξm（容差）的范围内，既控制了转矩，又形成了PWM的调制过程。问题5-7：在异步电动机直接转矩控制调速系统中有磁链调节器和转矩调节器，磁链调节器通常采用怎样的控制方式？转矩调节器通常采用怎样的控制方式？转矩调节器和磁链调节器都使用滞环两位调节，可以保持转矩在给定误差允许范围内波动，达到较好的转矩控制性能。完整的转矩调节器是由转矩两点式调节器和P/N调节器组成，在转矩给定值变化较大时，P/N调节器参与调节，加快调节过程。问题5-8：在异步电动机直接转矩控制调速系统中，插入零矢量有什么作用？怎样选择零矢量？若在有效电压矢量的作用，ψs以最大旋转速度旋转，以一定规律插入零矢量后，零矢量作用时ψs停止运动。由于零矢量的插入，ψs走走停停，所以旋转速度变慢了。如果在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变，不难想象，正六边形的面积将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法可以控制异步电动机的恒磁通调速，即恒转矩调速。选择零矢量的原则是：从有效电压矢量转换到零矢量使开关器件的状态变化最少。V1（100），V0（000）；V2（110），V7（1111）；V3（010），V0（000）；单数矢量插入V0，V4（011），V7（111）；V5（001），V0（000）；V6（101），V7（111）；双数矢量插入V7。根据原来作用的有效电压矢量选择不同的零矢量可以在相同的开关器件下,明显减少开关损耗，提高逆变器可靠性（减少直通危险），增加PWM控制的载波比，减少电动机电流的谐波分量。问题5-9：在异步电动机直接转矩控制调速系统中，转矩容差代表什么？怎样合理选择转矩容差？在异步电动机直接转矩控制调速系统中，由于转矩是开关两位控制，所以电磁转矩存在脉动。转矩调节器的容差愈小，电磁转矩的脉动幅度愈小，如果电磁转矩的脉动频率足够高，脉动的幅度足够小，则由于系统机电时间常数的滤波作用，转矩脉动所引起的转速波动将小到容许的范围之内。容差愈小，零矢量插入的次数愈高，这对开关器件的性能提出了更高的要求。所以具体设计时，应两者兼顾，即在开关元件容许的情况下，尽可能减小转矩调节器的容差。问题5-10：根据工作特点的不同，可根据转速分为：低速范围、高速范围和弱磁范围。问题5-11：在低速范围怎样实现异步电动机直接转矩控制？低速范围：30%额定转速以下的转速范围，存在转速低、定子压降影响大等特点，造成一些问题：磁链波形崎变、在低定子频率（含零频）时保持转矩和磁链基本不变等问题。\n其解决方案如下：用电动机模型检测计算电动机的磁链和转矩；为了改善转矩动态性能，对定子磁链空间矢量正反向变化控制；转矩调节器和磁链调节器的多功能协调工作；调节每个区段的磁链量，圆形磁链轨迹用于15%n0以下范围，六边形磁链轨迹用于15%～30%n0范围（带有圆形磁链和六边形磁链切换的磁链三点式调节器）；每个区段上，有四个工作电压状态和两个零电压状态的使用与选择（0°电压、+60°电压、-60°电压、-120°电压的应用：0°电压制增加转矩，不影响磁通量，+60°电压、-60°电压同时影响转矩和磁通量，三者只能使定子磁链空间矢量正转；只有-120°电压能使定子磁链空间矢量反转，在增磁调磁的同时，使定子磁链平均旋转频率为零或保持低频，解决低频和零频下的磁链调节任务）。问题5-12：在弱磁范围怎样实现异步电动机直接转矩控制？弱磁范围内进行的是恒功率调节，基速以上，全电压工作，没有零状态电压工作的时间，工作电压在整个区段中作用，其特点是：转速的提高，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的是磁链给定值的减小，即稳态弱磁；转矩的调节是靠六边形磁链给定值的动态变化调节的方法。转矩的脉动频率就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频率。其解决方案如下：用电动机模型检测、计算电动机的磁链和转矩；用磁链自控制环节来确定区段；六边形磁链轨迹；用功率调节器实现恒功率调节；通过改变磁链给定值实现平均转矩的动态调节；每个区段用一个工作电压状态。改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变ψs的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值不变，所以它们的作用时间改变后，正六边形的面积将发生变化。作用时间变短，正六边形的面积变小，面积=Viti，磁链幅值ψs也将变小。因此可以用这种方法控制异步电动机的弱磁调速。问题5-13：怎样实现异步电动机直接转矩控制调速系统的数字化控制？①数字化的积分方法一般说来，差分方程的解函数的值是通过解函数前一拍时间的值和输入函数前一拍时间的值的线性组合来确定。数字化积分方法有单步逼近积分法、近似计算的改善办法（多步逼近积分法）。单步逼近积分法（Euler法）：yk=yk-1+hfk-1其中h为步长，f为导函数的值。它用于步长很短的情况下，当导函数有不连续的间断点时，也能提供所需的解答。多步逼近积分法中简易方法是：二阶的阿的达姆斯-巴斯福斯（Adams-Bashforth）积分法。yk=yk-1+h（fk-1-fk-2），计算方法精确，且不增加计算量。在导函数不连续时可采用。定子电压空间矢量是一个不连续的电压量，在采样时间内，该量保持常数，定子电流的变化很小，定子电阻压降对定子磁链的影响相对于电压状态来说非常小。由于导函数的不连续性，一般采用Euler积分法计算定子磁链。转子磁链的导函数是连续的，在一个周期内定子磁链分段连续，而转子磁链接近正弦波。在高定子频率时，一般采用阿的达姆斯-巴斯福斯积分法确定转子磁链导函数的近似值。在低频范围内，一般采用信号处理器实现欧拉积分法，对确定转子磁链更好。②数字化的数学模型（异步电动机的差分方程）：h=w*T步长为频率标幺值和采样周期的乘积定子磁链：ψsαk=ψαk-1+hn0usαk-1-hρ(1-σ)isαk-1ψsβk=ψβk-1+hn0usβk-1-hρ(1-σ)isβk-1优点：导函数的值以16位的形式能够直接加到状态变量的旧值上，而不必进一步转换。\n(低频)转子磁链：ψrαk=ψrαk-1+hψαk-1-hψrαk-1-hnψrβk-1ψrβk=ψrβk-1+hψβk-1-hψrβk-1+hnψrαk-1(高频)转子磁链：ψrαk=ψrαk-1+1.5frαk-1-0.5frαk-2ψrβk=ψrβk-1+1.5frβk-1-0.5frβk-2定子电流：isαk=ψsαk-ψrαkisβk=ψsβk-ψrβk转矩：T=2(ψsαkisβk-ψsβkisαk)③逆变器模型：根据逆变器的中间直流电压和逆变器控制信号，定子电压空间矢量的分量可求得并存于表中。以便计算导函数。计算逆变器模拟电压的时间只需1μS。④DSC的数字化系统：数字化调节器程序结构正向着组件模块程序结构得方向发展。TMS3210信号处理器执行DSR/DSC控制所必需得计算，以及控制给逆变器得控制信号。I8086微处理器完成下列任务：计算机系统的用户接口、赋初值、信号处理器的控制、外围叠加调节、参数匹配、数据传输。⑤计算机系统的输入输出数据：模拟量的“转速”、“直流电压”、“转矩给定值”、“转速给定值”通过I8086微处理器的A/D转换器读入。输出转速、直流电压、转矩给定、磁链给定、转矩容差、磁链容差、模型参数、开始/停止（DSR/DSC）、初始化数据和模拟记录输出经双口数据RAM送TMS3210，TMS3210输出逆变器控制信号，经最小开关持续时间监视口送出输出信号Sa、Sb、Sc。DSR状态总开关频率经双口数据RAM送I8086微处理器作为反馈信号。问题5-14：交流电机直接转矩控制策略现状与趋势（清华大学胡虎李永东《电气传动》2004年34卷3期P3-8①传统直接转矩控制策略：通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。磁链的控制可以采用六边形或圆形两种。在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速（在无速度传感器DTC中不需要测速）进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较而输出转矩和磁链的增、减信号，把这2个信号输入优化矢量开关表，在加上定子磁链所在的扇区位置就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。直接转矩控制策具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一输出矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础上的控制方法，不可避免得造成了低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了它在低速区得应用。针对与此国内外学者提出了各种提高开关频率、固定开关频率以及减小转矩脉动的方法。②无差拍(Deadbeat)空间矢量调制方法A.T.G.Habetler的空间矢量调制方法把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人T.G.Habetler提出来的。这种方法\n主要针对数字化直接转矩控制提出的，其主要思想是在本次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之差，这个差值可以用下式表示出来：（1）其中，P为极对数，TS为采用周期，Eα、Eβ为定子上的反电动势在空间电压矢量在d轴和q轴上的两个分量，Vα、Vβ为空间电压矢量在d轴和q轴上的两个分量。另外，由电机定子侧电压方程可以得到使定子磁链幅值达到给定值的所加空间电压矢量的数学式子：（2）利用式(1)和式(2)可以联立求解出下一周期使转矩误差和磁链误差为零的空间电压矢量合成矢量，它的两个分量Vd和Vq，显然，此空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链无差拍的目的。利用Habetler的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩误差为零，从而消除转矩脉动，可以弥补传统DTC的Bang-Bang控制的不足，使电机可以运行于极低转速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可以使开关频率相对于单一矢量得到大幅度提高并且使之固定，这对于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助的。但是由式(1)和式(2)可以联立求解出的空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足磁链和转矩无差拍控制。因此作者提出了三个步骤，首先是否转矩满足无差拍，如果不满足再看是否磁链满足无差拍，如果还不满足就按照原有直接转矩控制矢量表来选取下一周期的单一电压矢量。因此按照Habetler的无差拍方法最大的计算量有4个步骤，这将耗费很大的计算资源，不易实现，另外在整个计算过程中对电机参数的依赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。B.转矩或磁链的预测控制方法在T·G·Habetler的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现，因此出现了一系列的简化的无差拍直接转矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论，之后又进一步由基本电机方程得出转矩变化式子：（3）其中：，通过分析(3)式可知，非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的作用是不同的，非零电压矢量可以使转矩上升或下降，而零电压矢量总是使转矩下降。另外，在不同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在转矩预测控制方法中，电压矢量在空间的位置是固定不变的，合成在两个单一电压矢量的中间，但是电压矢量不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比\n，在一个采样周期中可以分为非零电压矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差，如下式所示：（4）通过求解方程可以获得消除转矩误差的电压矢量作用时间，达到转矩无差拍控制的目的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压矢量来代替，因此是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称，说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁链的无差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制，在这中方法中，通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近视得到：（5）其中ΔΨS是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θVΨ是二者的空间角度。设第k采样周期的磁链误差为ΔΨSK，那么根据公式(5)，可以得到使第k+1周期磁链误差为零的矢量作用时间是：以转矩控制优先为原则，根据转矩预测控制计算出来的矢量作用时间和磁链预测控制计算出来的作用时间，可以得到综合的矢量作用时间。考虑磁链的无差拍控制之后的系统控制效果，相对于单纯的转矩无差拍控制效果好，既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸变，并且计算量不会太大。除了上述的转矩无差拍控制方法，在文献中也采用了类似的方法，最后的电压矢量计算作用时间也基本相同，此处不详述。同Habetler的无差拍方法一样，预测方法也要用到比较多的电机参数，如果能在线实时辨识定子电阻和转子时间常数，将大大提高控制精度。C.基于检测反电势的离散时间直接转矩控制(DTDTC)使用离散时间的方法进行异步电机的控制，在文献中已经有了比较详细的介绍，首次把这种方法使用于直接转矩控制，其基本方法如下：对由电机的基本电路模型得到的电压方程和磁链方程进行离散化如下：（6）或（7）其中反电动势的计算式为：（8）a，b的定义对转矩方程也进行离散化，并把方程(7)代入其中，同时也把方程(7)代入到磁链的幅值平方表达式中去，利用离散的转矩方程和离散的磁链幅值平方式可以求解出下一周期的空间电压矢量的增量ΔVSx和ΔVSy，代入方程（9）可以得到转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，并对其进行了限幅：（9）离散时间直接转矩控制可以通过差分方程，把k+1周期的所应达到的转矩和磁链递推出来，因此可以同时达到转矩和磁链的无差拍控制，从实现方式上是很适合于数字化控制的，另外这种方法主要基于定子侧进行控制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒性比较好，从实验结果来看，系统的动态响应性能是比较好的。但是在这种方法中，需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，另外，\n计算量也比较大。D.基于几何图形的无差拍控制对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程进行离散化、之后把前两个方程带入到转矩方程中，通过离散的转矩方程分析可以知道施加一定的电压矢量可以使转矩误差为零。当转矩变化到平面上的一条直线上时，这条直线与转子磁链矢量方向平行。采取同样的分析方法可以知道，施加一定的电压矢量可以使磁链误差为零。当磁链变化到平面上的一个圆上时，这个圆与磁链圆同心。于是利用直线和圆的交点就可以得到使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，当然这个电压矢量受到逆变器所能输出的电压大小的限制。把几何图形引入到无差拍控制中来是一个比较好的思路，可以得到最优的无差拍控制的电压矢量，同时也有助于理论上的分析。但如何把图形方式和数字化控制结合起来从实现方式上来说还存在较大的难度。③离散空间矢量调制(DSVM)方法无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的的误差，克服了Bang-Bang控制不精确性的弱点，但是需要比较大的计算量，并且这些计算都是与电机参数有关，容易引起计算上的误差。因此在文献中提出了既不需要多少计算，又能提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制方法。图1DSVM的空间电压分布情况图2磁链2级滞环和转矩5级滞环在离散空间矢量调制方法中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成，如图1是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出来的空间电压矢量。从图1中可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每一段由非零电压矢量或零电压矢量组成，如空间电压矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零电压矢量各作用1/3采样周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中没说明)，利用这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。细化的电压矢量可以对转矩和磁链进行更精确的控制，文献中对磁链使用了传统的2级滞环Bang-Bang控制，而考虑到转矩需要动态响应快，对其划分了5级滞环Bang-Bang控制，如图2所示，不同的误差带内使用不同的电压矢量表\n。另外，作者通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式子如下所示：（10）从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影响是不同的。因此，在不同的速度范围使用了不同的电压矢量，如图1所示。从另一方面看，低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢量也是符合V/f=C这一规律的。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很低，转矩脉动大。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量，因此连续使用的零电压矢量少，开关频率高，转矩脉动小。另外，由于高速时的电压矢量比较多，可以划分12个扇区，使用两个电压矢量表，这样可以进行更精确的控制。从以上分析可以看出，离散的空间矢量调制方法易于实现，不需要有无差拍控制那样多的计算，保持了传统Bang-Bang控制的优点，因此鲁棒性好，但相对于传统的直接转矩控制又可以提高转矩和磁链控制精度，减小低速转矩脉动。但是控制精度越提高，矢量划分就越细，电压矢量控制表就越多越大，这将增加控制的复杂性。因此，如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起来，将会有助于克服这个缺点。④．由PI调节器输出空间电压矢量的方法在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。通过无差拍控制就能得到任意相位的空间电压矢量，但是计算比较复杂，实现比较困难。另一种获得任意相位的空间电压矢量的方法是使用PI调节器。美国人A·B·Plunkett提出的直接转矩和磁链调节方法就是一种PI调节方法，只是那时候还没有空间电压矢量这个概念，只能使用SPWM方法输出电机控制电压。在文献中，所提出的直接转矩控制使用PI调节的方法，并且用于SVM的方法输出空间电压矢量，其控制结构如图3所示：图5-6基于PI调节的直接转矩控制结构图在图5-6中，由转矩给定和转矩反馈获得转矩误差输入PI调节器中，经过PI调节得到q轴电压矢量，\n由定子磁链给定和定子磁链反馈获得定子磁链误差输入PI调节器中，经过PI调节得到d轴电压矢量，之后将d轴和q轴的电压矢量旋转变换到静止坐标系下的α轴和β上，用于空间电压矢量的输出，显然这个空间电压矢量在空间位置上的相位是任意的。从结构上看基于PI调节的直接转矩控制相似于定子磁链定向的矢量控制，但二者是有区别的，定子磁链定向的矢量控制基于同步旋转坐标系，定向于定子磁链d轴，q轴磁链为零，另外在d轴方向还要对磁链和和q轴方向上的电流进行解耦，而这些对于基于PI调节的直接转矩控制不需要，其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过PI调节方法来跟随上给定即可，因此从实现上是比较简单的，同时鲁棒性也比较好，并且相对于传统的直接转矩控制可以提高开关频率，减小了低速下的转矩脉动，但是在这种方法当中需要选取合适的PI参数，否则会影响控制系统的动、静态性能。图5-7注入高频抖动的方法提高开关频率⑤．注入高频抖动提高开关频率在前面的各种直接转矩控制策略中都谈到提高低速下的开关频率可以降低转矩脉动，同时也可以降低噪声。在文献中，提出了一种在传统的直接转矩控制基础上注入高频抖动的方法提高开关频率，其中作者用图表的方式显示了开关频率随转矩和磁链滞环宽度的减小而提高，但是这种提高是有限的，一个最主要的原因是磁链和转矩控制上的延迟，滞后越大开关频率就越低。例如从仿真来看10μs延迟只有14kHz的开关频率，但当有20μs的延迟时只有8kHz的开关频率。文献中提出的提高开关频率方法是在转矩和磁链滞环内叠加上高频的三角波，其幅值与滞环宽度相当，其结构图5-7所示：当反馈值大于三角波时，电压矢量减小，当反馈值小于三角波时，电压矢量增大，因此，即使控制上有延迟，但随着三角波频率的增大，开关频率也就提高了，例如当三角波的频率为30kHz时，开关频率可达10kHz。文献中采用的是单一电压矢量的方法，如果能采用空间任意电压矢量的方法，可以使开关频率进一步提高。\n⑥．大容量的直接转矩控制的低速控制策略直接转矩控制当初在德国提出来是为了解决大容量的机车控制的问题，其中最重要的一点就是要降低开关频率。目前以GTO作为逆变器的功率器件时，其开关频率一般不超过200Hz，使用IGBT时，一般也不能超过500Hz。因此以上的各节所描述的直接转矩控制策略将不适用于大容量的直接转矩控制，否则将造成比较高的开关频率。在低速下，如果使用直接转矩进行控制，首先是采样周期很小，否则转矩脉动大，而且容易过流。其次是要求圆形磁链（恒转矩），否则转矩脉动大；再次是要使用单一电压矢量，并且占空比为100％，这样才能减少至少一半的开关频率；最后是转矩和磁链要有比较大的滞环，否则开关频率也比较高，但是，如果转矩和磁链的滞环太大，又会造成比较大的转矩脉动。因此在大容量的调速中不易使用传统的直接转矩控制。目前使用的最成熟的方法是间接转矩控制，其控制结构如图5-8所示：图5-8间接转矩控制框图由图5-8可以看出，转矩调节器输出的是动态滑差在一个采用周期的积分动态增量ΔXd，而稳态滑差由磁链和转矩计算出来。动态滑差与电机机械角速度之和得到同步角速度，对其在一个采样周期进行积分就可以得到磁链在一个周期内的相位稳态增量ΔX0，使之与动态增量相加可得磁链在一个采样周期总的相位增量ΔX。磁链调节器输出幅值增量Δψ，利用相位增量和幅值增量以及电压方程可以得到控制电机的空间电压矢量。从以上分析可以看出间接转矩控制的物理概念是很清晰的。通过计算磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，不但可以保证磁链轨迹为圆形，而且还对转矩进行了稳态和动态的调节。另外，可以象矢量控制那样通过增大采样周期来减小开关频率而不会产生额外的转矩脉动，这主要是因为磁链的幅值增量和相位增量在一个采样周期中是可以准确计算出来的。因此间接转矩控制具有很好的稳态和动态性能，在大容量的调速中能大大减小低速转矩脉动，增大调速范围。\n六、PWM和SPWM问题6-1：通过调节SPWM逆变器控制电路中晶闸管的触发脉冲频率和相位，就可以调节SPWM逆变器输出交流电压的幅值和频率。问题6-2：什么是SPWM，它有何特点？请简述其工作原理。将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。这样，有N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效。正弦的负半周也可用同样方法来等效。一组三相对称的正弦参考电压信号Urc、Urb、Ura，其频率决定逆变器输出的基波频率。三角波载波信号Ut与每相的参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出。产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，这种SPWM逆变器能有效地抑制2N-1次以下的低次谐波，但存在高次谐波电压。调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。问题6-3：什么是SPWM的同步调制和异步调制？各有何特点？①同步调制：N=常数，正弦波频率与三角波频率同步变化，逆变器输出电压，半波内得矩形脉冲数固定不变。如果N=3K，则可保证逆变器输出波形的正、负半波对称，三相输出具有1200对称关系。但低频工作时，相邻脉冲间距增大，使电机产生较大的转矩脉动和较强的噪声。②异步调制：N≠常数，逆变器的整个变频范围内，载波比N≠常数，提高低频时的载波比。在改变参考信号频率时保持三角波频率不变，逆变器输出电压半波内得矩形脉冲数可随输出频率降低而增加，相应的减少负载电机的转矩脉动和噪声，改善低频工作的特性。但很难保证三相输出的对称关系，引起电动机工作不平稳。③分段同步调制：综合利用两者的特长，在一定频率范围内，采用同步调制，保持三相输出的对称；低频时，使载波比分段有级的增加。\n问题6-4：SPWM波形有那几种常用的方法？试对其中一种进行具体说明。SPWM波形的常用方法有：自然采样法、规则采样法、指定谐波消去法①自然采样法：按照正弦波与三角波的交点进行脉冲宽度与间隙时间的采样，从而生成SPWM波。自然采样法虽然能真实反映脉冲产生与结束时刻，却难以用于实时控制中。一般可以将事先计算出自然采样法的数据放入计算机内存中，控制时利用查表法进行查询。当调速系统频率变化范围较大、频率段数很多时，将占用大量内存空间。自然采样法用于有限调速范围的场合。②规则采样法：设法使SPWM波形的每一个脉冲都与三角载波的中心线相对，从而简化计算。查表法：（开环系统）一般可以事先离线在通用计算机上算出规则采样法相应的脉宽后写入EPROM，然后由调速系统的微型机通过查表和加减运算求出各相脉冲的时间和间隙时间。实时计算法：（闭环系统）在内存中存贮正弦函数和TC/2值，控制时先取出正弦值与调速系统所需的调制度M作乘法运算，再根据给定的载波频率取出对应的TC/2值，与Msinw1te作乘法运算，然后运用加、减、移位即可求出脉宽时间t2和间隙时间t1、t3。③指定谐波消去法：从消除某些指定次数的谐波出发，通过计算来确定各个脉冲的开关时刻，从而生成SPWM波。一般用离线迭代计算事先求出不同输出频率下各开关角的数值解，放入微机内存，以备控制时取用。具体工作过程说明见陈伯时主编.电力拖动自动控制系统。问题6-5：SPWM的三种调制方式为：同步调制、异步调制和分段同步调制。问题6-6：SPWM逆变器是利用正弦波信号与三角波信号相比较后，而获得一系列（A）的脉冲波形。A、等幅不等宽；B、等宽不等幅；C、等幅等宽；D、不等宽不等幅；在一般的交—直—交变频器供电的变压变频调速系统中，为了获得变频调速所要求的电压频率协调控制，整流器必须是可控的，调速时须同时控制整流器UR和逆变器UI，这样就带来了一系列的问题。主要是：（1）、主电路有两个可控的功率环节，相对来说比较复杂；（2）、由于中间直流环节有滤波电容或电抗器等大惯性元件存在，使系统的动态响应缓慢；（3）、由于整流器是可控的，使供电电源的功率因数岁变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电流；（4）、逆变器输出为六拍阶梯波交变电压（电流），在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电机的稳定工作，低速时尤为严重。因此，由第一代电力电子器件所组成的变频装置已不能令人满意地适应近代交流调速系统对变频电源的需要。随着第二代电力电子器件的出现以及微电子技术的发展，出现了解决这个问题的良好条件。1964年，德国的A.Schonung等率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广引用于交流变频。用这种技术构成的PWM变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器中存在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。下图表示了SPWM变频器的原理图。\n图6-1SPWM交—直—交变压变频器的原理框图图6-2SPWM变压变频器主电路的原理图上图是SPWM交—直—交变压变频器的原理框图，它仍是一个交—直—交变压变频装置，但它的整流器UR是不可控的，它的输出电压经电容滤波（可附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件采用全控式器件），按一定规律控制器导通或断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。在这里，通过改变脉冲的不同宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制器输出频率，从而同时实现变压和变频。SPWM变压变频器的主要特点如下：（1）主电路只有一组可控的功率环节，简化了结构。（2）采用了不可控整流器，使电网功率因数接近于1，且与输出电压大小无关。（3）逆变器同时实现调频与调压，系统的动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响。（4）可获得比常规六拍阶梯波更接近正弦波的输出电压波形，因而转矩脉动小，大大扩展了传动系统的调速范围，提高了系统的性能。问题6-7：请简述SPWM正弦脉宽调制原理所谓的正弦脉宽调制（SPWM）波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。等效的原则时每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，由n各等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效，称作SPWM波形。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法与一系列负脉冲波等效。这种正弦波正、负半轴分别用正、负脉冲等效的SPWM波形称作单极式SPWM。图6-3是SPWM变压变频器主电路的原理图，图中VT1～VT6是逆变器的六个全控式功率开关器件，他们各有一个续流二极管反并联接。整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流恒压电压为Us。为分析方便起见，认为异步电机定子燃组Y联结，其中点0与整流器输出端滤波电容器的中点0相连，因而当逆变器任一相导通时，电机绕组上所获得的相电压为Us／2。问题6-8：怎样产生SPWM波？脉宽调制变压变频器的控制方法原始的SPWM是由模拟控制来实现的。图6-4是SPWM变压变频器的模拟控制电路原理框图。三相对称的参考电压调制信号ura、urb、urc由参考信号发生器提供，器频率和幅值都是可调的。三角载波信号ut由三角波发生器提供，各相共用。它分别是每相调制信号在比较器上进行比较，给出“正”或“零”的饱和输出，产生SPWM脉冲序列波uda、udb、udc，作为变压变频器功率开关器件的驱动信号。\n图6-3SPWM变压变频器的模拟控制电路图图6-4SPWM变压变频器的Simulink模块图虽然此模拟控制电路很少应用，但因为用MATLAB很容易仿真，且可以对输出的SPWM波形的频率和幅值都是可调的。所以才采用Simulink中的模块做SPWM变压变频发生器和示波器。图6-4中，将三相正弦波作为基准的调制波（ModulationWave），而三角波发生器产生的三角波信号作为载波（CarrierWave）。当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。具体的做法是，当A相的调制波电压URA高出载波电压Ut时，使相应的开关器件VT1导通，输出正的脉冲电压；当URA的负半周中，可用类似的方法控制下桥臂的VT4，输出负的脉冲电压序列，改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；降低调制波的幅值时，如U‘RA，各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。上述的单极式SPWM波形在半周内的脉冲电压只在“正”（或“负”）和“零”之间变化，主电路每项只有一个开关器件反复通断。如果让同一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到双极式的SPWM波形。图6-5双极式SPWM波形问题6-9：什么是SPWM的数学控制方法？数学控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制是根据指令调出；或者通过软件实时生成SPWM波形。而“面积等效算法”则是其中最简单的一种方法。它的基本原理是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。如图3-7绘出了单极式的SPWM波形，它是由逆变器上桥臂中一个功率开关器件反复导通和关断形成的。其等效正弦波为Umsinω1t，而SPWM脉冲序列波的幅值为Us／2，各脉冲不等宽，但中心间距相同，都等于л/n，n为正弦波半个周期内的脉冲数。令第i个矩形脉冲的宽度为δi，其中心点相位角为\n（6-1）这就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比.因此，与半个周期正弦波等效的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。根据上述原理，SPWM脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，采用数字控制时，这是很容易实现的。我刚开始做这个脉冲发生器时用的就是计算方法，但是在MATLAB中运用这种方法虽然方便简单，但是脉冲发生器产生的SPWM波形的频率就不能改变了，所以我选择了第一种方法。七、双馈调速和内反馈问题7-1：什么是双馈调速?它与串级调速由什么不同？（胡宗岳，近代交流调速技术：21-24，机械工业出版社，P309）双馈调速是将定、转子三相绕组分别接入两个相对独立的三相对称电源：电子绕组接入工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按要求进行调节的交流电源，即采用交-交变频器和交-直-交变频器给转子绕组供电。其中必须保证在任何情况下，转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致。当改变转子外加电压的幅值和相位时就可以调节异步电动机的转速，也可以调节定子侧的功率因数。这种双馈调速的异步电机不但可以在此同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运转，因此，双馈调速也叫超同步调速。串级调速是对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动势，也叫低同步串级调速系统，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的缘故。串级调速是双馈调速的一种特殊情况。设转子外加电压E2与转子感应电动势SE2同相位转子电流电磁转矩=TD+/-T‘D理想空载转速n’=n1(1-s)=n1问题7-2：请说明双馈调速的五种情况的功率流动情况（胡宗岳，近代交流调速技术：21-24，机械工业出版社，P312）①转子运行于次同步电动状态（1＞S`＞0）电磁功率＞0，从电源流向负载；机械功率＞0，从电机输给机械负载；转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。\n②转子运行于次同步速的定子回馈制动状态（1＞S`＞0）电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。③转子运行于超同步电动状态（S`＜0电磁功率＞0，从定子电源输向电机；机械功率＞0，从电机输给机械负载；转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。④转子运行于超同步速的定子回馈制动状态（S`＜0电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。⑤转子运行于倒拉反转的电动状态（S`＞1）电磁功率＞0，从定子电源输给电机；机械功率＜0，从原动机输给电机；转差功率＜0，由电动机回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。问题7-3：双馈调速中为了实现任何转速下变频器输出的电压与转子感应电动势同频率，用于变频电源频率控制的方法有哪些？（胡宗岳，近代交流调速技术：21-24，机械工业出版社，P340）双馈调速中为了实现任何转速下变频器输出的电压与转子感应电动势同频率，用于变频电源频率控制的方法有：他控式和自控式。①他控式：由独立的频率可控正弦波发生器发出控制信号，去控制交交变频器，使之产生转差频率的电压U2，每个控制信号的给定值都对应着一个确定的频率f2，即对应着异步电动机的一个确定转速，此转速和异步电动机的负载无关。这种运行方式的异步电动机实际上相当于转子加交流励磁的同步电动机运行，只不过转速可以调节而已，因此又称同步工作方式。他控式双馈调速的异步电动机在突加负载、快速调节转速、或其他参数突变的情况下，很难保持稳定和容易振荡。其解决办法是：快速调节转子绕组中电流的相位和幅值。他控式双馈调速适合于负载平稳、对调速快速性要求不高的场合，如风机、泵类负载的调速，实际中一般不采用。②自控式又称异步工作方式，异步电动机转子侧电源的频率是通过系统内的调节环节，根据电动机的状态自动控制，这个频率要求自动跟踪异步电动机的转差频率。为了检测转差频率，需要在系统中安装位置检测器（差频信号检测器），以检测转子位置，实现相位控制。自控式双馈调速异步电动机具有异步电动机的特点，即使转速达到同步转速还具有异步电动机的特点：转速随轴上负载而变化。与普通异步电动机的不同之处是定子侧无功功率可调。自控式双馈调速异步电动机避免了失步现象，其稳定性好，适用于轧钢机等具有冲击性负载的场合。问题7-4：双馈调速异步电动机的起动方法有哪些？双馈调速异步电动机的起动方法基本上可分为：转子绕组串电阻启动和利用现成的交-交变频器启动。①转子绕组串电阻或串电抗器启动方法最适合于风机类负载，它利用有级或无级改变电阻的方法控制异步电动机的起动电流和启动转矩。这种启动方法可靠性高、成本低，但整个装置的重量和体积要增大。\n②利用现成的交-交变频器启动。在启动开始时，将定子绕组闭合(短接方式)，转子绕组和交-交变频器相连接，从零到n1/2范围内改变交-交变频器的输出频率，就可把电动机转速从零加速到同步转速的一半。这时，将定子绕组改接到电网上。如果变频器不改变输出频率，电动机将继续以同步转速的一半旋转。如果从n1/2到零连续改变变频器的输出频率，就能使异步电动机的转速从同步转速的一半提高到同步转速。采用这种方法，变频器的最大稳态功率大约是电动机功率的一半，但启动方法较复杂：要把定子绕组从短接方式改接到电网上；当异步电动机的转速为n1/2时保证转子绕组感应电动势是转子开口电压的一半，要求晶闸管耐压等级较高。③综合同步电动机变频调速的思想，在启动时，定子绕组接入一个整流电源G，转子绕组接到交-交变频器。当电动机静止或转速很低时，定子磁场在转子绕组中感应的电动势很小，这时类似于异步电机变频启动。随着转速的上升，转子绕组感应电动势增加，电动机过度到同步电动机变频启动状态。启动过程结束后，电机的转速进入调速范围，这时将定子绕组从整流电源上断开，改接到电网上，变频器的控制信号就是转差频率信号。问题7-5：从原理上讲，双馈调速异步电动机既是电动机，又是无功功率补偿器，合理地选择转子电流，使双馈调速系统获得最优的能量指标。通常有三种实现最优的工作方式：全补偿工作方式（全部补偿定子侧的无功功率）、最小损失工作方式、转子电流最小工作方式（可减小变频器容量）。问题7-6：何谓内反馈调速？内反馈调速，是一种将交流调速电机的部分转子功率(即电转差功率SPm)移出来，以电能的形式反馈到交流电机定子上的调节绕组的一种特殊调速方式。由于通过对外附电势幅值的控制调节，可以改变转子电势和转差率，从而实现了调速。这就是所谓交流内反馈调速(简称屈氏调速)。内反馈调速电机由定子绕组、转子绕组、调节绕组和整流—斩波—逆变器组成。如果忽略铁耗和定子铜耗，电源功率就等于输出轴功率+转差功率+调节绕组功率。交流电机在调速时，转子的部分功率通过整流器、逆变器馈入调节绕组，交流电机转子反馈给调节绕组的功率越大，电机的机械功率输出就越小，转速就越低，反之就越高。调节绕组在接受转子馈入功率的同时，通过旋转磁场又送还给转子，电机从电网中吸收的功率就自然减少，因此效率高，如图7-1所示。\n图7-1内反馈调速电机要实现转子与调节绕组之间转差功率的传输，必须通过整流器、逆变器进行频率交换，使二者频率相等。为了实现转速调节，要求从转子移出转差功率的大小，必须是可调的。问题7-7：请简述内反馈调速电机的调速原理。交流内反馈调速电机的基本原理，从经典电机学角度看，是通过调节其附加电势的大小，以改变转差率的调速。从能量平衡角度来分析，则更容易揭示其实质，占绝大多数恒转矩类的电机调速，其实质就是通过改变电机的轴功率(即机械功率)来实现调速的。当电机轴功率增大时，转速升高；反之，则转速下降。内反馈调速电机的调速能量原理，可用图1说明。交流电机在调速时，转子的部分功率(斜线阴影部分)，通过电传导馈入调节绕组，如果忽略损耗，调节绕组所莸得的功率应与从转子移出的功率相等，即图7-2中转子功率圆斜线部分面积与调节绕组功率圆的面积相等。由于转子的部分功率被移出，故转化为轴功率的部分减小(即转子圆所余的面积)，因此，电机转速下降。反之，则电机转速上升。调节绕组功率的传输，是内反馈调速中至关重要的一环。调节绕组在接受转子馈入功率的同时，通过旋转磁场，这一电磁通道，将能量送还给转子，因此，这是内反馈调速最大的特点。由于调节绕组供给了转子一部分功率，因此，定子主绕组功率就仅供给转子所不足的部分即可。当转速下降时，轴功率减小，则定子功率相应减少，此时电机从电网中吸收的功率也自然减小，这就是内反馈调速电机的节能所在。\n图7-2　内反馈调速的能量原理示意图问题7-8：内反馈调速的特点有哪些？其不足之处是什么？内反馈调速的主要特点：①调节绕组在接受转子馈入功率的同时，通过旋转磁场又将能量返还于转子，这部分功率只是在转子绕组—调节绕组之间循环，不需要经过电源供应，这是内反馈调速的最大特点。②结构简单，不需逆变变压器和其它外附电机，更不需建配电室或变压器室。③谐波小，定子电流的畸变率一般小于10%。采用YQT-2斩波式逆变器的内反馈调速，其电流畸变率小于5%，而串级调速反馈到电网的电流畸变率高达30%。④内反馈调速系统的结构和控制方式较简单，产品价格低，投资省。⑤可靠性高，内反馈调速系统的控制装置承受的只是部分转子电压，远远低于电源电压，因此电力电子元器件所承受的工作电压很低，有利于元器件的可靠运行。其不足之处是，内反馈调速电机采用绕线式转子，有滑环和电刷，这样相对于鼠笼电机来说，可靠性差。应采用高强度的耐磨合金钢滑环，配以金属石墨电刷，延长其使用寿命。总之，内反馈调速系统具有：①价格低廉，结构简单；②调速效率高，节电效果明显；③波形畸变率小，谐波污染少；④功率因数高，控制装置的功率因数恒大于0.9；⑤采用电流斩波数字控制，可靠性高等优点。\n所以这种投资少见效快的调速方式，在火力发电厂的节能降耗领域中将大有所为。问题7-9：与串级调速相比，内反馈调速有何优点？与串级调速相比，内反馈调速的优点是很显著的，①首先是定子绕组中不含调速产生的电转差功率。而在串级调速系统中，被移出的部分转子功率，经过电子换向器和逆变变压器，被馈入电网，因此形成了图7-3能量原理图。串级调速最大的缺点是被移出的转子功率通过逆变变压器馈入电网，然后通过电网又送回转子，形成了电网—转子之间的无谓循环，效率低，谐波大，并增加了定子绕组的热负荷。图7-3　串级调速的能量原理示意图由图2可知，为了维持电机的功率平衡，反馈到电网的转差功率又会通过定子绕组吸收进来，然后经感应通道传给转子，形成转差功率无谓循环。它的危害是使损耗加大，降低调速效率。另外，定子绕组功率是机械功率和转差功率之和，增大了定子绕组负担，使其温升增高，绝缘易老化，影响电机寿命。所以内反馈调速效率高。②其二是简化了结构。因为其没有逆变变压器和其他的外附电机。另外，还可降低系统成本，又可减少系统安装费用。据有关资料介绍，大、中型串级调速工程中，仅逆变变压器室的建设投资，就相当于逆变变压器价格的2倍。③其三是谐波影响小。定子电流的畸变率一般小于10%，尤其在采用斩波式逆变器的YQT—2型内反馈调速中，畸变率可减小到5%以下，而串级调速反馈到电网电流的畸变率可高达30%。其四是产品价格较低。由于交流内反馈调速结构和控制方式都较简单，所以成本较低，相应价格亦较低廉。串级调速产品，仅指逆变器及其控制装置，不包括电动机和逆变变压器。而内反馈调速，则是包括电机和逆变变压器及内补偿等设备在内，成套供货，所以在价格比较时，可看出内反馈调速产品价格低。\n问题7-10：变频调速相比，内反馈调速有哪些优势？与变频调速相比，内反馈调速的优势主要有：①由于在转子侧实行调速控制，而转子电压较低，可以不受电源电压高、低的限制，便于实现高压电机的调速。而变频调速，则要直接承受电源电压，否则，要增加变压器，导致费用增大，效率降低，可靠性差，价格昂贵等。内反馈调速的总投资仅是变频调速的1/6，虽然变频器的投资为1700～2300元/kW，但是高压变频调速需要配套控制系统和配电室，这两项投资几乎和变频器的投资相当，而内反馈调速系统包括电机总投资仅仅650～750元/kW。内反馈调速的元器件所承受的工作电压很低，容易实现高压电机的调速控制，对高电压、大容量电动机的变速控制，其元器件仍为低电压、小容量的元器件②内反馈调速控制装置的容量，可以按需要的调速比，在小于电机额定容量的范围内选择。而变频调速的控制装置，是与电机相串联，其容量必须大于或等于电机额定容量。前者更经济。③由于定、转子的隔离作用，内反馈调速对电网的谐波影响，远远小于变频调速对电网的谐波影响。④体积小容量小，内反馈调速装置的容量，可以按需要的调速比，在小于电机额定容量下选择，而变频调速是与电机串联，其容量必须大于电机额定容量。问题7-11：就节能效果和投资回收期限而言，内反馈调速效果如何？对于电机的调速节能，是指在满足设备运行要求的前提下，不同调速方式所花费能量的对比，也就是说，调速效率的对比。在目前所有的交流调速中，内反馈调速的效率是最高的，因此，它的节能效果亦是最显著的。但是，节能的多少不仅决定于调速效率，还与设备的运行工况密切相关，如果运行工况不变，转速不需调节，就失去了调速的意义。因此，在预计节能效果时，必须有工况变化条件作为前提，这是选择调速电机时，应予以注意的。对于变化工况的风机、泵类，采用内反馈调速节能，效果最为明显，如在电机转速下降到(70～80)%ne时，电机比恒速阀门调节耗能低(30～40)%，通常不到2年时间就可收回投资。问题7-12：就可靠性而言，内反馈调速情况如何？调速的可靠性问题影响调速电机可靠性的因素很多，从技术角度衡量，内反馈调速的可靠性是很高的，首先在高压电机调速中，内反馈调速的控制装置承受的只是部分转子电压，远远低于电源电压，因此，电力电子元器件所承受的工作电压很低，有利于元器件的可靠运行，也易于维修更换。另外，内反馈调速，厂家多采用晶闸管作为逆变器元件，元件本身的可靠性高于GTR和IGBT等大功率三极管，不存在二次击穿问题，而且过载能力较强，因此，都有利于可靠性的提高。不过，内反馈调速，采用的电机是绕线式转子电机，必须具有滑环和电刷，这样相对于鼠笼电机而言，可靠性是差些。为此，制造厂家对于内反馈调速在这方面作了很大的改进，主要是采用高强度(硬度)的不锈钢滑环，配以金属石墨电刷，使滑环和电刷的耐磨性能大为改善，寿命得以延长。另外，在滑环处设立局部风扇，不仅降低磨擦损耗产生的温升，而且也明显改善了工作的可靠性。问题7-13：内反馈调速的关键技术有哪些？表7-1　高压电机调速主要方式对比表\n内反馈调速关键技术有三点：①电机定子上必须设有调节绕组，以备转子提供可变附加电势之用。②为了实现转子与调节绕组之间转差功率的传输，必须通过频率变换，使两者频率相同。③为了实现转速调节，要求从转子移出的转差功率的大小，必须是可调的。总之，第一点是通过绕组多重化在电机中实现的，第二和第三点是通过电力电子装置构成的电子换向器完成的。综上所述，高压电机调速主要方式对比结果见表7-1。\n图7-4　内反馈调速控制系统示意图问题7-14：简述说明内反馈调速技术的应用？①第一代内反馈调速实例：国内第一代内反馈调速产品，虽然采用的是普通串调的逆变器，系统功率因数较低，需要补偿量较大，但还是取得了较好的调速节能效果。目前，应用效果较好的单位有：陕西宝鸡市、辽宁阜新市、河北保定市的自来水公司等。②第二代调速实例：第二代内反馈调速产品，采用的是贯通式逆变器，系统功率因数和谐波均有较大改善，应用情况：*吉林市自来水公司二水厂，一台YQT—1型，10kV、250kW，600～980r/min，内反馈调速电机，平均节电率为50%。*秦皇岛市自来水公司海港水厂，一台380V、225kW，720～1450r/min，内反馈调速电机，调速效率为90%，功率因数：cosφ≥0.8。*山海关自来水公司山海关水厂，一台10kV、400kW，(下转第61页)0610～960r/min，内反馈调速电机，调速效率为90%，功率因数：cos≥0.8。由于节能效果与设备运行工况密切相关，而不同的使用工况亦差别较大，因此，上述仅提供设备调速效率作为参考。其中吉林市自来水公司的节能工况点较好，平均节电率为50%。③第三代内反馈调速实例：第三代内反馈调速产品，系采用斩波式逆变器，形成的YQT—2型的斩波式内反馈调速电机，使原Y系列10kV等级的电机功率因数由平均0.82提高到0.95以上。如黄岩自来水公司，应用了一台，10kV、450kW，YQT—2型斩波式内反馈调速电机。在流量为2.139～2.869kt/h范围内，平均节电功率为122.8kW。小流量变大流量时，节电显著：当流量为2.14kt/h时，节电功率为18.6kW；当流量为2.9kt/h时，节电功率为60kW。调速时，功率因数偏低，应进行容度补偿。内反馈调速技术是当代一种新型交流调速技术，在国内有关自来水公司的应用中，节能效果极为明显。凭借国内用户的应用经验和安全运行实践证明，YQT—2型斩波式内反馈调速技术，应用于发电厂的风机、泵类调速电机上，是完全可能和可行的。\n问题7-15：在内反馈调速系统的改造中应注意什么？在调速改造中应该注意两点：一是原电机可以重新改造成同容量的内反馈调速电机，造价可以节省；二是仅改一侧送机时，容易发生挡板侧分压大，调速侧分压小，因此调速不能调得太低，否则要产生喘振现象。八、绕线转子异步电动机串级调速系统问题8-1：交流串级调速装置指的是串级调速系统中的整流装置、平波电抗器、逆变器与逆变变压器问题8-2：试就串级调速系统转子整流电路工作状态分析回答下列问题：①换流重叠角g随转子直流整流电流Id增大到60º。时为何不再增大,却出现了强迫延迟导通角¶R？②最大强迫延迟导通角¶R为何是30º？①参考：陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，1992.11的P161图8-10C当换流重叠角γ=60º时，如转子直流整流电流Id继续增大，由于漏抗的影响，γ＞60º，但由于VD6、VD2换流未结束时，VD3承受反向电压，因此不能在自然换流点换流，这样就产生了强迫延迟导通角¶R。一旦产生强迫延迟导通角¶R后，将导致b、C相的换流电压加大，使换流过程加速（换流电压e2b-e2c＞e2，e2b-e2c=2LD，ik为换相时的短路电流），从而保持γ=60º不变。②在¶R＜30º时，随着¶R的增大，换相电压e2b-e2c一直是增大的，阻止γ＞60º的作用一直存在，一旦¶R=30º，换相电压将减小，这时将使换流过程变慢，于是γ角必将增大，进入¶R=30º、γ＞60º的非正常工作状态。实际上，当¶R=30º后，即使VD6、VD2换流未结束时，VD3已承受正向电压，并开始VD1、VD3之间的换流，所以最大强迫延迟导通角¶R只能是30º。问题8-3：试从功率因数、效率、装置容量相同情况下的调速范围等方面，对超同步、次同步串级调速系统作一比较，并简要说明理由。参考：童福尧主编.电力拖动自动控制系统习题例题集.北京：机械工业出版社，P166图8-2\n①功率因数：电动机的定子电流I1滞后电网电压U1，其功率因数在0.8～0.9左右，逆变变流器一次电流的相位取决于逆变控制角β（次同步串级调速情况）或整流控制角α（超同步串级调速情况），串级调速系统总电流Iin为I1与IF的矢量和，U1与Iin之间的夹角φsch即为次同步串级调速系统的总功率因数。IF1、Iin1和φsch1为次同步串级调速系统电流矢量和系统总功率因数角；IF2、Iin2和φsch2为串级调速系统在同步转速时的电流矢量和系统总功率因数角；IF3、Iin3和φsch3为超同步串级调速系统电流矢量和系统总功率因数角；显然，cosφsch3＞cosφsch2＞cosφsch1如以串级调速系统从电网吸收的总有功功率P与串级调速系统总视在功率S之比表示系统的总总功率因数，即cosφsch=P/S，则两种串级调速系统都工作在低于同步转速的电动状态和高于同步转速的发电制动状态，其功率因数相同，即cosφsch=（P1-PF）/S；超同步串级调速系统当工作在高于同步转速的电动状态和低于同步转速的发电制动状态（-PF），其功率因数为cosφ’sch=（P1+PF）/S；显然，cosφ’sch＞cosφsch②效率：当两种串级调速系统都工作在低于同步转速的电动状态和高于同步转速的发电制动状态，其总效率相同，即ηsch=×100%=×100%；超同步串级调速系统当工作在高于同步转速的电动状态和低于同步转速的发电制动状态（-S），其总效率为η’sch=×100%=×100%；显然，η’sch＞ηsch③装置容量：超同步串级调速系统既可工作在同步转速以下的电动状态，又可工作在高于同步转速的电动状态.对于恒转矩负载，当转子侧和变压器侧的变流器容量确定以后，其传输的有功功率绝对值和无功功率与次步串级调速系统相同。这样，向同步转速以下和同步转速以上的调速范围大致相等。因此，在装置容量相同情况下，超同步串级调速系统的调速范围大致可比次同步串级调速系统扩大一倍。问题8-4：某技术改造项目需采用双闭环串级调速系统，但受到原系统场地限制．无法安装测速发电机。请设计一种适用于绕线转子异步电动机的静止式转速测量装置?试画出电路图，说明其原理。参考：童福尧主编.电力拖动自动控制系统习题例题集.北京：机械工业出版社，P171图UnR10R7UT+15VVSTR6R2URSE20UdR5RR3R8R9MN2N1\n图8-1绕线式异步电动机静止式转速测量装置适合于绕线式异步电机的静止式转子测速装置电路如图所示。它由三相整流桥、减法器N1、和倒相器N2三部分组成。转子测速装置的输入是电动机转子三相感应电动势SE20，则：Ud=2.34SE20=SUd0=(1-)Ud0，UR=K1Ud=K1SUd0=K1(1-)Ud0，式中K1为Ud的分压比。由上式可见，UR与转速不是线性关系，不能直接作为转速反馈电压，于是将UR加到减法器N1的反相端，从稳压管VST处得到的恒定电压UT加到减法器N1的同相端，为提高精度，应取R2=R3=R4=R5于是得UM=UT-UR，转速测量装置输出为：Un=-(UT-UR)=K1Ud0-K1Ud0()-UT，取UT=K1Ud0，则Un=-K1Ud0()与转速呈线性关系。静止式转子测速装置的优点如下：不占用空间，无机械安装问题，使用方便；静止式，可靠性高；线路简单，制作方便，调试容易；线性度好；价廉。问题8-5：请简述绕线式交流异步电动机转子回路串附加电动势(+Eadd或-Eadd)调速的工作原理，并说明其特点和应用场合。电机原在S=S1的转差率下稳定运行加入反向附加电动势后-Eadd，（转子回路总电势减小，转子电流随之减小，电机的电磁转矩也减小，由于负载未变，电动机减速，电机转差率加大，感应电动势增加，直至S=S2时（S2>S1），转子电流又恢复原来值，电机进入新的稳定状态工作。电机原在S=S1的转差率下稳定运行加入反向附加电动势后+Eadd，（转子回路总电势增加，转子电流随之加大，电机的电磁转矩也加大，由于负载未变，电动机加速），电机转差率减小，感应电动势减小，直至S=S2时（S260。时会出现整流电路中（C四个：VD6、VD2换流未结束时，VD3已承受正向电压，并开始VD1、VD3）整流元件同时换流的情况。问题8-15：有一超同步串级调速系统，当1＞S＞0时向电网输入功率，则此系统工作在超同步再生制动状态；当0＞S时向从电网吸收功率，则此系统工作在定子、转子双馈的电动工作状态）本科教材P283。问题8-16：斩波控制串级调速系统中，当逆变器固定在最小逆变角下工作，只要改变占空比即可改变异步电机的理想空载转速。问题8-16：什么是串级调速？串级调速是在绕线式电机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电机的转差率，以达到调速目的，见图8-3。图8-3　串级调速控制原理基本原理是先将电动机转子回路中的转差频率的交流电流，用半导体整流器整流为直流，再经过可控硅逆变器把直流变为交流，送回到交流电网中去，这时逆变器的电压便相当于加到转子回路中的电势，控制逆变器的逆变角可改变逆变器的电压，也即改变加到转子回路中的电势。其特点是大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，并返回电网或转换能量加以利用，效率高，为80%～90%，无级。但是晶闸管串级调速功率因数偏低，为0.35～0.75，谐波影响较大，正是由于这一方面的原因，串级调速在火力发电厂中没能得到推广。