机电运动控制系统作业答案选做

1、机电运动控制系统(习题集)选做作业参考答案1.答：与直流发电机-电动机组机械特性相比，不同之处是：(1) 分电流连续与电流断续二个区域；(2) 电流连续区因可控整流器内阻大(特别有换流重迭压降引入的等效电阻)而使机械特性软；电流断续区则因电流不连续致使机械特性更软而无法负载工作。三相半波可控整流器供电直流电机机械特性如图所示：00时，整流器工作在整流状态，电机工作在电动状态；00时，整流器工作在逆变状态，电机工作在制动状态。2. 答：由于可控整流器供电直流电机调速系统负载轻时电流断续，机械特性软，调速特性差，无静差度可言。解决办法：串接平波电抗器 L,增大晶闸管导通角以使电流连续。平波电抗器电

2、感量计算原则是：能确保轻载下最小电流I(510)%InIdmin20%L时电流仍连续。一般规律是ldmin越小，要求平波电抗器电感量越大。3. 答：(1)电网电压波动：影响整流电压Ud，整流电流ld，反映到控制信号即 口打，它从电流环介入，故电流调节器起主要作用。(2)负载扰动：负载Tl的变化将影响转矩平衡关系，继而影响转速3r, n,反映到控制信号即，它从速度环介入，故速度调节器起主要作用 un = 0 或4. 答：(1)根据Pl调节器的特性，稳态时能实现无差调节，使反馈等于给定，即: ui = o ,两个PI调节器的输入偏差为零。（2）它们的输出电压应对应于第一次进入 un= 0或厶ui

3、= 0时的输出状态值（如un,ui，a Ud, ld, T ）。这是由于PI调节器有积分、记忆功能，对过去出现过的误差信号有记 忆作用。当ug ufn 时，un 0，调节器输入为零，但由于 PI调节器的积分作用，对过去 出现过的误差有记忆，则积分输出不为零，维持第一次出现时nn 0的输出值 un 0，进而维持ug ufn （无差）II5.答：两桥反并联且同时整流时，产生的整流电压 Ud、Ud会不经直流电机而顺串短路，因无 电阻限流，会形成巨大环流。限制环流的有效办法（对策）是：（1）要求直流电压：极性互顶：一桥整流、一桥逆变。如图所示桥Ii(i)桥IIii ( ii)大小相等 Ud Ud ,

4、E cos | E cos这样可以消除平均环流，因为平均环流整流平均电压u u'，消除了平均环流dd但不能消除瞬吋环流，因为： 瞬时环流 一桥整流、一桥逆变时整流平均电压相等，但瞬时电压波形不同， 瞬时电压差将引起瞬时环流，控制上要求必须同时控制平均及瞬时环流。因此环流控制策略有：（1）有环流系统原则：无平均环流，限制瞬时环流做法：一桥整流、一桥逆变，1;I电抗器L、L，（非平波电抗器L ）限制瞬时环流（2）无环流系统原则：一桥工作（整流或逆变），一桥圭寸锁（不工作）采用逻辑电路保证两桥切换的安全一一逻辑无环流晶闸管直流电机可逆调速系统6.答：可控整流器-直流电动机调速系统釆用开关速度

5、慢（300Hz）的晶闸管作开关元件,使换流死区（晶闸管不立即响应触发信号的时间）平均为3.33 -6.66mS.而脉宽调制（PWM）型直流调速系统釆用自关断器件（GTR, IGBT, MOSFET等）,其开关频率在几 kHz -几百kHz,换流死 区时间降至几十nS -几百nS,快上了几百、上千倍，致使电机电压、电流、转矩、速度响 应时间大大缩短，即有了更好的动态特性。7.答：,机械特性发生如图改变，即:根据电机学原理，当异步电机端电压变化时最大转矩Tm U；临界转差 SmR2故隨端电压U1下降时，最大转矩T m平方下降，但发生最大转矩的位置 Sm不变，致使机械特性变软,与负载特性的交点即运行

6、点的滑差S增大，速度n降低,实现了调压调速。实现调压调速的电力电子技术装置是交流固态调压器，是用双向晶闸管或两只反并联的晶闸管构成。&答：由于电机转子侧釆用了不控整流器使转子频率滑差功率Ps变成直流功率，可以简单釆用有源逆变器的直流电势Ub来吸收，但釆用不控整流器只能使滑差功率Ps从电机向电网方向传送，即增大转子PS,增大S,实现从同步速向下降低n,故为亚同步串级调速系统。9. 答:系统调速控制量为逆变超前角3即B变化t U ( Ef)2.34UsCOS 变化 3Efl2 变化Ps 3I2R2 3Efl2 sPM 变化 t s 变t n 变。其调节规律是：当90Uf (速；Ef)0 时

7、,串级调速系统运行于转子短接的自然特性上(b)当Uf( Ef)cosP s sPMsn时，速度下降T达最咼min(C)为防止逆变颠覆，限定30，即达到了最低速10. 答:特点：(1) 同步速ns随运行频率变化(2) 不同频率下，特性曲线硬度相同(平行线)恒转矩特性 U1/f1 C控制下，其机械特性适合调速范围不宽、转速不太低的恒转矩负载 (Tm不够)；特别适合负载转矩随转速下降而减小的负载，如风机/水泵。 低频时(f1 5Hz)适当提高端电压 U1，以补偿定子电阻压降，可增大Tm，以 适当提高带负载能力11. 答：特点是： 恒最大转矩运行 一一最大转矩Tm不变， 与31无关。 仍为恒转矩特性(

8、不同31下An相同)，但线性段范围更宽。 低频时起动转矩 Tq比额定频率起动转矩 Tqn大。低频起动时,f1( 1 )小T2小T转子电流有功分量(J COS 2 )大产生起动额定频率起动时,转矩Tq大;f1N ( 1N)大T2大T转子电流有功分量(I 2 COS 2 )小7产生起动转矩Tqn小。要实现恒最大转矩运行，必须确保气隙磁通m C (恒定)，即 Et / t C(恒定)。而外部控制量为 U1，必须全频范围内恰如其分地补偿定子电阻压降。12.答:低频时如将电压作进一步补偿，除补偿掉定子漏阻抗压降外，再补偿掉转子漏阻抗压 降，最后保持转子电势 Er线性变化，实现 Er/f1 = C控制.这

9、样，在确定频率 1下，机械特性 T f (S)为一直线；不同频率1下，为一族平行线并激直流电机特性13.答：这主要是变流器（变频器）非正弦电源中含有丰富的谐波电压（电流），引起转子参数变化之故。 即对谐波而言，谐波滑差Sk = 1 ，转子频率f2 = Sk f1 = f1变成了高频，转子集 肤效应严重，致转子电阻R2k增大；转子电流挤向槽口，分布不均，槽漏抗减小；槽漏抗原 是限制转子电流的主要因素，它的減小致使转子中谐波电流l2k剧增，结果是转子谐波铜耗P2k = （i2k）2R2k远大于基波铜耗，转子发热剧烈，成为变频调速电机主要问题之一。必须注意与调压调速时异步电机转子发热是由基波损耗（滑

10、差功率）引起，而变流器（变频器）非正弦供电电机转子容易发热是谐波效应所致，不是基波造成的结果。14. 答：变频器非正弦供电时，谐波电流增加了损耗、降低了效率。但变化趋势与变频器型有关电压源型逆变器供电时：谐波电压大小取决于变频器输出电压波形， 确定；谐波含量 固定，与电机负载大小无关。故谐波电流大小及产生的谐波损耗Ap不随负载P2变化而恒定。这样：轻载时，P2小，大小固定的 Ap影响大，n多。满载时，P2大，大小固定的 Ap影响小，耳少（2%）电流源型逆变器供电时：电流波形确定，即电流中各次谐波含量比例确定，而其大小 随负载变。这样：满载时，电机电流谐波增大，损耗增大，n cos 侈；轻载时，

11、电机电流谐波量小，损耗较小，n cos15. 答：有两种形态的谐波转矩，它们的成因及性质（特点）是：（1）恒定谐波转矩，其成因是：气隙磁通中谐波磁通（激励）t转子中感应出同次谐波电流（响应） 相互作用产生的谐波转矩 丫其性质是：异步转矩，转矩恒定（大小、方向确定），其值很小（1% tn ） t影响可忽略。（2）脉动转矩，其成因是：不同次数谐波磁场（主要是幅值最大的5、7次）与基波磁场的相互作用产生 其性质是：脉振转矩，平均值为零，但低频运行时单方向幅值很大 ，六倍基波频谐波转矩。16. 答：电流源型逆变器釆用大电感滤波，直流母线电压ud极性允许改变，而两桥开关元件单桥I桥(<90)(a,

12、<90)(b)发电制动向导电性决定直流电流 Id流向不能变，功率流向改变全靠改变直流母线电压极性，这是通 过调节两桥变流器触发角大小来实现，如图所示。(a, <90)<90>(a)电动运行这样可得如表所示的两桥控制规律直流母线极性.桥【触发閒丄林I】触发箱二功率流向电杠狀态丄上I下c k勺- WF逆变桥I T祈山；电动狀态Q上下Eh桥H T析:祁甜运行17.答：(1) 电压源型逆变器(VSI)因电源内阻小，拖动多台电机工作时小值电源内阻压降不会 影响端电压，适合多机群控；但因无制动功能，不能实用要求快速加、减速的场合。(2) 电流源型逆变器(CSI)因电源内阻大，多机运

13、行将通过大内阻压降相互影响，只适 合单机运行；但有四象限运行能力，适合于有动态快速性要求的场合。18.答:(1)异步调制：调制波频率变化时，保持载波频率恒定不变的协调控制方式。 特点：控制方便；变频运行时调制波频率变，不能确保载波比载波频率fT 应 调制波频率fR 3k致使半周期脉冲数变，甚至正、负半周中的脉冲数也不相同，分解出的基波相位也变, 将造成电机运行不稳定。 高频运行时N小，半周期脉少，谐波多，输出特性差。(2)同步调制：载波频率与调制波频率正比变化的协调控制方式。 特点： 任何频率下，半周内脉冲数相同，输出电压波形稳定 低频时由于必须低压，造成脉冲稀疏，谐波成分大，输出特性差。(3

14、) 分段同步调制：将运行频率范围分段，每段段内N不变(同步调制)的协调控制方式。特点： 低频段N大，以增加脉冲数，减少谐波。 基频以上为方波（不再作PWM调制），以充分利用直流母线电压。19.答：异步电机运行（恒速或变频）时 ，均希望其运行性能（力能指标cos、n）保持在设计点上，其中关键是保证电机磁路工作点不变或按要求变。磁路工作点以每极磁通或磁密Bm描述，为保持良好运行性能，要求维持磁路工作点不变恒磁通。否则 磁路过饱和：PFe m（Bm）2nJBmcos ©J 磁路欠饱和t出力不够从电机内、外部电量关系上：Ei 4.44 fkwi m因此电机确定后，结构参数确定（不变），则有 m 弓 ，要维持m = C ,要求 E|/f|U1改变，故变频时必须fi=C,即E|随fl线性变化，