电力拖动总复习15-16-2

第一章复习思考题1.直流电机在稳态时的机械特性表达式，从中可以得到直流电动机的有哪几种调速方法，直流调速系统以哪种调速方法为主根据直流电机转速方程

nUIR

Ke式中

—

转速（r/min）；

—电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电枢回路总电阻（

）；

—励磁磁通（Wb）；

—

由电机结构决定的电动势常数。〔1-1〕由式〔1-1〕可以看出，有三种方法调节电动机的转速：〔1〕调节电枢供电电压U；〔2〕减弱励磁磁通；〔3〕改变电枢回路电阻R。自动控制的直流调速系统以调压调速为主。2.直流调速系统用的可控直流电源有哪几种？其控制对象分别是什么旋转变流机组——发电机的励磁电流静止式可控整流器——可控硅的控制角直流斩波器或脉宽调制变换器——开关元件的导通比开环调速系统原理图控制指令及给点量触发装置及整流平波电抗器直流电动机负载〔生产机械〕开环调速系统及其存在的问题重点理解：(1)D和S是相互联系的,并不彼此孤立,因此必须同时提出要求才有实际意义。(2)设计时必须按最低转速的静差率进行设计(3)

nN

值一定，要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。(4)要求s一定，要增加调速范围D时，必须设法减小静态速降

nN

例题1-1

某直流调速系统电动机额定转速为1430r/min，额定速降

nN

=115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？要求30%时，调速范围为

系统组成图1-24

采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg闭环调速系统的组成及其静特性KpKs

1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++-IdR-UnKs

闭环系统的稳态结构框图图1-25转速负反响闭环直流调速系统稳态结构图开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系如果断开反响回路，那么上述系统的开环机械特性为(1-36)

而闭环时的静特性可写成

(1-37)

〔1〕闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为和它们的关系是

(1-38)

系统特性比较系统特性比较〔续〕〔2〕如果比较同一n0的开环和闭环系统，那么闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为

和当n0op=n0cl时，〔1-39〕〔3〕当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时， 闭环时， 再考虑式〔1-38〕，得(1-40)

系统特性比较〔续〕系统特性比较〔续〕〔4〕要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。

上述三项优点假设要有效，都取决于一点，即K要足够大，因此必须设置放大器。反响控制规律

1.被调量有静差因为闭环系统的稳态速降为

只有K=

，才能使

ncl

=0，而这是不可能的。2.抵抗扰动,服从给定反响控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反响环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化那么唯命是从。扰动——除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用〞。

扰动作用与影响图1-27闭环调速系统的给定作用和扰动作用

励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs

1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++--

R

抗扰能力反响控制系统对被反响环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：电网电压下降波动的调节过程UsUd0nUnUn

nUd0Uc

抗扰能力反响控制系统对被反响环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：负载增加的调节过程IdnUnUn

nUd0Uc抗扰能力〔续〕但是，如果在反响通道上的测速反响系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反响控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。例如：UnUnUcUd0n

因此，反响控制系统所能抑制的只是被反响环包围的前向通道上的扰动。在电机起制动过程和堵转状态必须参加图1-31带电流截止负反响的闭环直流调速稳态结构图nKpKs

1/CeU*nUc∆UnIdEUd0Un++--RRs-UcomId

Rs

-

Ucom-限流保护——电流截止负反响3.静特性方程与特性曲线由图1-31可写出该系统两段静特性的方程式。当Id≤Idcr时，电流负反响被截止，静特性和只有转速负反响调速系统的静特性式〔1-35〕相同，现重写于下 〔1-35〕当IdIdcr时，引入了电流负反响，静特性变成

〔1-41〕中，令n=0，得 〔1-43〕一般KpKsRs>>R，因此〔1-44〕4.电流截止负反响环节参数设计Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取Idbl=〔1.5~2〕IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr≥〔1.1~1.2〕IN返回目录在临界截流点的稳压管稳压值Uw=IdcrRs反响控制闭环直流调速系统的稳定条件〔1-59〕式〔1-59〕右边称作系统的临界放大系数Kcr,当K≥Kcr时，系统将不稳定。对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。说明比例控制〔P〕和积分控制〔I〕的根本区别是什么？P调节器的对应输入输出成比例比例关系，输出只取决于输入偏差量的现状，所以P调节器具有快速跟随性，但有静差；积分调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，为输入全过程的积分，只要输入历史上有过偏差量，输出就会发生变化，所以I调节器能消除稳态误差，且有一定的滞后。

当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速系统的转速n、偏差电压

Un

和控制电压Uc

的变化过程示于右图。

图1-44有静差调速系统突加负载过程

突加负载时的动态过程

无静差调速系统图1-46积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程

虽然现在

Un=0，只要历史上有过

Un

，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。

TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构转速、电流双闭环直流调速系统的组成ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器内环外环1.系统稳态结构图图2-4双闭环直流调速系统的稳态结构图

—转速反馈系数;

—电流反馈系数Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-R

ACR-UiUPE各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系(2-3)(2-5)

(2-4)

在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的；控制电压Uc的大小那么同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和IdL。反响系数计算转速反响系数电流反响系数(2-6)(2-7)

系统静特性在正常运行时，电流调节器是不会到达饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性如下图，图2-5双闭环直流调速系统的静特性

n0IdIdmIdnomOnABC双闭环的系统动态结构图2-6双闭环直流调速系统的动态结构图

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E

起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。起动过程分析1.第I阶段〔0～t1〕电流上升阶段

1.突参加Un*后，两个调节器作用，使Uct、Ud0、Id都上升。2.Id>IdL时，电机开始起动。3.因为电机的机电惯性的作用，转速变化不大。所以△Un数值较大，ASR很快到达限幅值，强迫电流以最大给定值跟随。ASR饱和、ACR不饱和。2.第II阶段〔t1～t2〕是恒流升速阶段转速调节器饱和，转速环相当于开环开始：电流升到最大值结束：转速到达额定值由于反电势的影响，Uct、Ud0必须按比例增长。Uim*-Ui必须维持恒值⊿Ui≠0，ACR及时进行调节

N EIdmUi⊿UiUctUd0Id直到Id恢复Idm为止，在n不断上升至n*过程中，这种调节过程也不断进行。ASR饱和、ACR不饱和3.第Ⅲ阶段〔t2以后〕是转速调节阶段转速调节器退饱和，转速环闭环开始：转速到达额定值结束：转速到达额定值要经过假设干阶段的调节。ASR不饱和、ACR不饱和。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗负载扰动±∆IdL直流调速系统的动态抗负载扰作用双闭环动态抗扰性能的分析

抗扰能力例如：负载增加的调节过程Id〔T-Tl<0〕nUnUnUi

nIaUd0Uc抗电网电压扰动〔续〕-IdL±∆Udb)双闭环系统△Ud—电网电压波动在整流电压上的反映

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/RTls+1RTmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E

抗扰能力双闭环系统中，由于增设了电流环，电压波动可以通过电流得到比较及时的调节。例如：电网电压突增波动的调节过程UsUd0IaUiUi

IaUd0Uc转速调节器的作用(1)

转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，那么可实现无静差。(2)对负载变化起抗扰作用。(3)

其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作用(1)

作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压〔即外环调节器的输出量〕变化。(2)

对电网电压的波动起及时抗扰的作用。(3)

在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。(4)

当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。设计分为以下几个步骤：1.电流环结构图的简化2.电流调节器结构的选择3.电流调节器的参数计算4.电流环近似条件的校验5.电流调节器的实现2.4.1电流调节器的设计1.典型I型系统式中T—系统的惯性时间常数；

K—系统的开环增益。〔2-9〕电流调节器选择图2-23c说明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成〔2-57〕式中Ki

—电流调节器的比例系数；

i—电流调节器的超前时间常数。KIs(Tis+1)Id

(s)+-校正后电流环的结构和特性

i

<5%KI

T

i=0.5校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件为：忽略反电动势变换对电流环动态影响的条件为：小时间常数近似处理条件为2.典型Ⅱ型系统结构图和传递函数

〔2-10〕设计分为以下几个步骤：1.电流环的等效闭环传递函数2.转速调节器结构的选择3.转速调节器参数的选择4.转速近似条件的校验

5.转速调节器的实现2.4.2转速调节器的设计转速环结构n

(s)+-U*n(s)

3.转速调节器的参数计算

〔2-74〕再由式〔2-39〕〔2-75〕〔2-76〕因此

校验近似条件转速环截止频率：电流闭环传递函数简化条件为：小时间常数近似处理条件为斩波电路的有几种控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，斩波电路有三种控制方式：T不变，变ton—脉冲宽度调制〔PWM〕；ton不变，变T—脉冲频率调制〔PFM〕；ton和T都可调，改变占空比—混合型。泵升电压的产生，对系统的影响及其抑制相应电路

在脉宽调速变换器中，当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制动阶段不可能通过它送回电网，只能向滤波电容充电，从而造成瞬间的电压升高，叫做泵升电压。如果回馈能量大，泵升电压太高，将危及电力晶闸管和整流二极管，必须采取措施加以限制。可以采用由分流电阻和开关管组成的泵升电压限制电路。当滤波电容的端电压超过规定的泵升电压允许值时，开关管导通，接入分流电阻，把回馈能量的一局部分流电阻中。第四章什么是环流？根据产生原因的不同，静态环流又分为哪两类环流？配合制的可逆调速系统为什么又称为有环流可逆调速系统?抑制两类环流分别采取什么措施？

〔1〕所谓环流是指，在采用两组晶闸管的可逆调速系统中存在的，不流过电动机或其他负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。〔2〕静态环流又可分为直流平均环流和瞬时脉动环流；〔3〕在配合制的可逆调速系统，其整流电压和逆变平均电压始终是相等的，因而没有直流流平均环流，但晶闸管的输出电压是脉动的，即，整流电压和逆变电压的瞬时值并不相等，因此存在瞬时电压差产生的瞬时环流。〔1〕由于晶闸管的单向导电性，不允许电流反向〔2〕晶闸管对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感〔3〕当系统处于深调速状态时，晶闸管的导通角很小，使系统的功率因素低，并产生较大的谐波电流，形成“电力公害〞〔必须设置无功功率补偿和滤波装置〕请指出使用晶闸管整流器中的本卷须知逻辑控制无环流可逆调速系统中的无环流逻辑控制器DLC发出切换指令需要具备的两个条件是什么？转矩极性鉴别信号Ui*改变极性；零电流检测信号Ui0只有这两个条件都具备了，再经过必要的逻辑判断后，才可以让DLC发出切换命令正向制动过程分成了三个主要阶段:本组逆变，它组整流和它组逆变制动过程的主要阶段是什么?在此阶段两组可控硅的工作状态如何？电机工作在什么状态？制动过程的主要阶段:它组逆变阶段它组逆变，正组待整流。电机工作在回馈制动表4-1V-M系统反并联可逆线路的工作状态

V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电压极性++－－电枢电流极性+－－+电机旋转方向++－－电机运行状态电动回馈发电电动回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流反组逆变反组整流正组逆变机械特性所在象限一二三四V-M系统的四象限运行按电动机的能量转换类型分类交流电动机可分为几类？每类的典型是什么？

转差功率消耗型调速：调压调速﹑绕线式转子串电阻调速﹑电磁转差离合器调速转差功率馈送型调速：串级调速转差功率不变型调速：变频调速﹑变极调速异步电动机变压调速----转差功率消耗型调速

特点：异步电动机调压调速带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机调速范围较小。如果带风机类负载运行，调速范围可以大一些。为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这种电机又称作交流力矩电机或高转差电机

异步电动机机械特性TeOnn0TemaxsmTLUsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性恒转矩负载特性图5-4异步电动机不同电压下的机械特性电机转速控制实质是对电机转矩的控制必要条件：电动机的机械特性与负责特性必须有交点，即：Te=Tl充分条件：在交点的转速以上存在Te<Tl,而在交点的转速以以下存在Te>Tl电力拖动系统稳定运行的条件是什么指出变频调速的根本控制方式并定性地画出带定子电压补偿的电压频率配合控制的变频调速系统中定子电压U1、主磁通Φ、频率f1的关系曲线笼型异步电机变压变频调速系统〔VVVF系统〕——转差功率不变型调速系统在基频以下，为了维持磁通不变，须按比例地同时控制电压和频率，低频时还应抬高电压以补偿定子压降。在在基频以上，由于电压无法再升高，只好仅提高频率而迫使磁通减弱。在异步电动机变压变频调速系统中基频以下有几种电压、频率协调控制方式及其特点？

不同控制方式下的机械特性

图5-13异步电动机在不同控制方式下的机械特性a〕恒压频比控制b〕恒定子磁通控制c〕恒气隙磁通控制d〕恒转子磁通控制不同控制方式的比较恒压频比控制最容易实现，它的变频机械特性根本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。不同控制方式下的比较恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通和恒气隙磁通的控制方式虽然改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最正确。脉宽调制SPWM方法以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制〔SinusoidalpulseWidthModulation，简称SPWM〕。SPWM控制变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，电流滞环跟踪控制那么直接控制输出电流在正弦波附近变化，电压空间矢量PWM控制〞在电动机空间形成圆形旋转磁场。转差频率控制的规律是：〔1〕在s≤sm的范围内，转矩Te根本上与s成正比，条件是气隙磁通不变。〔2〕在不同的定子电流值时，按函数关系Us=f(1,Is)控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通m恒定。不同电机模型彼此等效的原那么是：在不同坐标下所产生的磁动势完全一致。异步电动机矢量控制系统：按转子磁链定向异步电动机直接转矩控制系统：按定子磁链控制异步电动机矢量控制系统经过的坐标变换以产生同样的旋转磁动势为准那么，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i、i，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im和it。异步电动机矢量控制系统的根本思路从异步电动机的等效直流电机模型可看到，在M、T坐标系下，异步电动机的转子磁链只与M轴上的定子电流的激磁分量有关，电磁转矩那么与转子磁链及T轴的定子电流转矩分量有关。由于在M、T轴互相垂直，定子电流的激磁分量和定子电流的转矩分量已经解除了耦合关系而相互独立，因此就可以像直流电动机一样对两个电流实现独立的控制。在电机基频以下调速时，只要使定子电流激磁分量为一恰当的常数，转子磁链将保持额定值不变，即控制定子电流的励磁分量使转子磁链恒定，这时通过对定子电流转矩分量的控制就能控制电机的输出转矩，从而到达调速的目的。直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩〔转速〕和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。

矢量控制系统特点VC系统强调Te与Ψr的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按Ψr定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。表6-1直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无[注]有调速范围不够宽比较宽1.电机在次同步转速下作电动运行运行工况：电机在第一象限作电动运行，转差率为0<s<1

从定子侧输入功率，轴上输出机械功率,转差功率除转子损耗后馈送电网绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统

功率流程snTesPmsPmP1Pm(1-s)PmCU001n1a）次同步速电动状态

~

运行工况

电机工作第二象限作发电制动,0<S<1

电机定子侧输出到电网功率，由负载机械功率和转子从电网获取的功率合成5.电机在次同步转速下作回馈制动运行

功率流程e）次同步速回馈制动状态

Pm-TeCU电气串级调速系统方案

采用工作在有源逆变状态的晶闸管可控整流装置作为产生附加直流电动势的电源，这就形成了图7-4a中所示的功率变换单元CU2。

TICU2CU1sEr0~M3~串级调速的工作原理调速原理：通过改变

角的大小调节电动机的转速。调速过程：

UiId

K1sEr0n

Te

Te=TL

Id

其中，n0min是调速系统的最低转速，对应于最大理想空载转差率s0max，由式〔7-7〕可得〔7-31〕

调速范围越大时，s0max也越大，整流器和逆变器所承受的电压越高。

逆变变压器的容量

逆变变压器的二次侧相电压〔7-32〕〔7-33〕逆变变压器的容量计算

随着系统调速范围的增大，逆变变压器和整个串级调速装置的容量都增大。串级调速系统的主要缺点：功率因素较低串级装置的容量随着调速范围的增大而增大1、某直流调速，测得最高转速特性为最低转速特性为，带额定负载时的速度降落为且在不同转速下，不变。试问系统能到达的调速范围有多大？系统允许的静差率为多大？计算系统能到达的调速范围为

系统