電力傳動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)習題解答.pdf

“電力拖動控制系統(tǒng)”習題解答 1 第 1 章 電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成 1. 根據(jù)電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)簡述電力傳動控制系統(tǒng)的基本原理 和共性問題。 答電力傳動是以電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械運動的一種傳動方式由于電 力傳輸和變換的便利使電力傳動成為現(xiàn)代生產(chǎn)機械的主要動力裝置。電力傳動 控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示一般由電源、變流器、電動機、控制器、傳 感器和生產(chǎn)機械負載組成。 圖1-1 電力傳動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 電源 變流器電動機負載控制器 傳感器 控制指令 電力傳動控制系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)輸入的控制指令比如速度或 位置指令 與傳感器采集的系統(tǒng)檢測信號速度、位置、電流和電壓等 經(jīng)過 一定的處理給出相應(yīng)的反饋控制信號 控制器按一定的控制算法或策略輸出相應(yīng) 的控制信號控制變流器改變輸入到電動機的電源電壓、頻率等使電動機改變 轉(zhuǎn)速或位置再由電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械按照相應(yīng)的控制要求運動故又稱為運動 控制系統(tǒng)。 雖然電力傳動控制系統(tǒng)種類繁多但根據(jù)圖 1-1 所示的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可以 歸納出研發(fā)或應(yīng)用電力傳動控制系統(tǒng)所需解決的共性問題 1電動機的選擇。電力傳動系統(tǒng)能否經(jīng)濟可靠地運行正確選擇驅(qū)動生產(chǎn) 機械運動的電動機至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝和設(shè)備對驅(qū)動的要求選擇合適的 電動機的種類及額定參數(shù)、絕緣等級等然后通過分析電動機的發(fā)熱和冷卻、工 作制、過載能力等進行電動機容量的校驗。 2變流技術(shù)研究。電動機的控制是通過改變其供電電源來實現(xiàn)的如直流 電動機的正反轉(zhuǎn)控制需要改變其電樞電壓或勵磁電壓的方向 而調(diào)速需要改變電 樞電壓或勵磁電流的大小交流電動機的調(diào)速需要改變其電源的電壓和頻率等 因此變流技術(shù)是實現(xiàn)電力傳動系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 3系統(tǒng)的狀態(tài)檢測方法。狀態(tài)檢測是構(gòu)成系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵根據(jù)反饋控制 “電力拖動控制系統(tǒng)”習題解答 2 原理需要實時檢測電力傳動控制系統(tǒng)的各種狀態(tài)如電壓、電流、頻率、相位、 磁鏈、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或位置等。因此研究系統(tǒng)狀態(tài)檢測和觀測方法是提高其控制 性能的重要課題。 4控制策略和控制器的設(shè)計。任何自動控制系統(tǒng)的核心都是對控制方法的 研究和控制策略的選擇電力傳動控制系統(tǒng)也不例外。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求研發(fā) 或選擇適當?shù)目刂品椒ɑ虿呗允菍崿F(xiàn)電力傳動自動控制系統(tǒng)的主要問題。 2直流電動機有幾種調(diào)速方法其機械特性有何差別 答直流電動機轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系為 aa e URI n C 考慮到他勵直流電動機電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩 e T的關(guān)系 eTa TCI可以將其機械 特性寫成如下形式 0e nnT 式中 0ae /nUC稱作理想空載轉(zhuǎn)速 2 eT /R C C為機械特性的斜率。 由上式可知有以下三種調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法 1改變電樞回路電阻R圖 1-2 。 R1 s1 s2 s1 s2 n01 n02 圖4-17 恒壓頻比控制變頻調(diào)速的機械特性 2恒定子電動勢頻比控制模式 再次分析圖 4-15 的等效電路可以發(fā)現(xiàn)假如能夠提高定子電壓以完全補償 定子阻抗的壓降就能實現(xiàn)恒定子電動勢頻比的控制模式即有 gs /=E常值 其機械特性如圖 4-18 所示。可見最大電磁轉(zhuǎn)矩因 gs /E保持恒值而不變而 特性曲線從額定曲線平行下移 這說明采用恒 gs /E控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu) 于恒 ss /U控制模式。 n O Te n01 Tem s1 sN s1 s2 s3 s2 s3 sN n02 n03 n0N s 圖4-18 恒Eg /s控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性 3恒轉(zhuǎn)子電動勢頻比控制模式 進一步研究圖 4-15 的等效電路可以設(shè)想如果能夠通過某種方式直接控制 轉(zhuǎn)子電動勢使其按照恒轉(zhuǎn)子電動勢頻比進行控制即有 rs /=E常值。當采用 這種控制模式時異步電動機的機械特性將是一條下斜的直線如圖 4-19 可 獲得與直流電動機相同的穩(wěn)態(tài)性能。 這也正是高性能交流調(diào)速系統(tǒng)想要達到的目 “電力拖動控制系統(tǒng)”習題解答 37 標。 sN s1 s2 s3 n0N n01 n02 n03 n sN s1 s2 s3 Te O s 圖4-19 恒Er /s控制模式的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性 比較以上三種控制模式顯然恒 ss /U控制模式最容易實現(xiàn)但系統(tǒng)性能一 般調(diào)速范圍有限適用于對調(diào)速要求不太高的場合如風機、水泵的節(jié)能控制 等恒 gs /E控制模式因其定子壓降得到完全補償在調(diào)速過程中最大電磁轉(zhuǎn)矩 保持不變系統(tǒng)性能優(yōu)于前者但其機械特性還是非線性的輸出轉(zhuǎn)矩的能力仍 受一定限制恒 rs /E控制模式能獲得與直流電動機一樣的線性機械特性其動 靜態(tài)性能優(yōu)越適用于各種高性能要求的電力傳動場合但其控制相對復(fù)雜。 2基頻以上的恒壓變頻調(diào)速 在基頻 sN f以上變頻調(diào)速時由于定子電壓不宜超過其額定電壓因此一般 需采取 ssN UU不變的控制策略。當角頻率 s 提高時同步轉(zhuǎn)速隨之提高最大 轉(zhuǎn)矩減小機械特性上移而形狀基本不變?nèi)鐖D 4-20 所示。由于頻率提高而 電壓不變氣隙磁通勢必減弱導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的減小但轉(zhuǎn)速卻升高了可以認為輸 出功率基本不變。所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速圖 4-21 。 “電力拖動控制系統(tǒng)”習題解答 38 n O Te nsN sN s1 s2 s3 ns1 ns2 ns3 s3 s2 s1 sN 圖4-20 基頻以上恒壓變頻調(diào)速的機械特性 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 Us UsNUsN mN m 恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速 m Us O m Us O s sN 圖4-21 異步電動機變頻調(diào)速控制特性 5. 交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想是什么為何采用矢量控制可以使 交流調(diào)速系統(tǒng)達到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當?shù)男阅?答由圖 4-25 所示的異步電動機電流解耦模型可見通過坐標變換、主磁 鏈按轉(zhuǎn)子磁鏈定向等計算處理一個異步電動機在模型上被等效為直流電動機 而且該等效直流電動機的磁通和轉(zhuǎn)矩是分離的可以分別進行單獨控制。這樣 就可以按直流電動機的控制思路來控制交流電動機并實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速 的解耦控制。這就是交流調(diào)速矢量控制系統(tǒng)的基本思想。 “電力拖動控制系統(tǒng)”習題解答 39 C3/2 C2s/2r m r 1 L T p m p r L n L iA iB iC is is isd isq r r Te TL p n Jp + 直流電動機等效模型 圖4-25 異步電動機的矢量變換與電流解耦模型 如果能保持轉(zhuǎn)子磁鏈 r 恒定則電磁轉(zhuǎn)矩就由定子電流轉(zhuǎn)矩分量 sq i控制 這與直流電動機的轉(zhuǎn)矩由電樞電流控制相仿。 這就是為何采用矢量控制可以使交 流調(diào)速系統(tǒng)達到與直流調(diào)速系統(tǒng)相當性能的根本原因。 6. 交流調(diào)速直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是什么試分析比較矢量控制 系統(tǒng)與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)各有何特點。 答 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是在靜止兩相坐標系上控制定子磁鏈和轉(zhuǎn) 矩 這樣省略了旋轉(zhuǎn)坐標變換 并采用 Bang-Bang 控制器取代轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器 以加速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)。 兩者都采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和磁鏈分別控制但兩者在控制性能上各有千秋 矢量控制VC系統(tǒng)強調(diào) e T與 r 的解耦有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器 實行連續(xù)控制可以獲得較寬的調(diào)速范圍但按 r 定向受電動機轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 的影響降低了系統(tǒng)的魯棒性。直接轉(zhuǎn)矩控制DTC系統(tǒng)則實行 e T與 r 砰-砰 控制避開了旋轉(zhuǎn)坐標變換簡化了控制結(jié)構(gòu)控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈 不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動低速性能較差調(diào)速范 圍受到限制。 7. 如何實現(xiàn)異步電動機的雙饋控制分析低同步速與超同步速運行時的 轉(zhuǎn)差功率流向和控制模式。 “電力拖動控制系統(tǒng)”習題解答 40 8. 同步電動機有哪兩種基本控制方式其主要區(qū)別在何處 答同步電動機的基本控制方式有他控式和自控式兩種其主要區(qū)別為 他控變頻調(diào)速同步電動機采用獨立的變壓變頻器給定子供電 并由專門的晶 閘管整流器提供直流給轉(zhuǎn)子勵磁。 自控變頻同步電動機調(diào)速有 PWM 變頻器供電 用電動機軸上的所帶的轉(zhuǎn)子位 置檢測器提供的信號來控制 PWM 變頻器的換相時刻。 由于其換相類似與直流電動 機中電刷和換向器的作用一般稱為無換向器電機調(diào)速或無刷直流電動機調(diào)速。 9. 梯形波永磁同步電動機自控變頻調(diào)速系統(tǒng)和正弦波永磁同步電動機自 控變頻調(diào)速系統(tǒng)在組成原