運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點(diǎn)考試題目考題

1、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)習(xí)要點(diǎn)一期末考試的題型與交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)比較，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)是重點(diǎn)；考試內(nèi)容各占 50%左右。而直流的要求則是掌握，是以計(jì)算，分析，證明題方式出 現(xiàn)；交流的要求是了解和一般掌握，交流則以選擇、判斷、填空、簡(jiǎn) 述的方式出現(xiàn)。二考試內(nèi)容主要依據(jù)教材中的作業(yè)和例題和復(fù)習(xí)題?？荚囶}型及分?jǐn)?shù)分配1判斷題（20分，1020小題）范圍廣，2選擇題（20分，1020小題）內(nèi)容深，細(xì)節(jié)區(qū)分 3填空題（10分，10小題）4設(shè)計(jì)題（10分，2小題） 5簡(jiǎn)述題（10分，2小題） 6無傳感器算法：磁鏈、轉(zhuǎn)矩的計(jì)算算法（10分）異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的估算、轉(zhuǎn)矩的估算 7分析計(jì)算題（20分，

2、3小題）三課程內(nèi)容復(fù)習(xí)綱要直流拖動(dòng)系統(tǒng)（掌握）控制系統(tǒng)課程貫穿著一個(gè)基本方法：理論聯(lián)系實(shí)際來分析問題解決問題。具體來說就是系統(tǒng)思想和模型化、工程化方法。本書的基本結(jié)構(gòu)是以學(xué)科歷史發(fā)展過程或者說實(shí)際問題為邏輯 起點(diǎn)，而一般的理論課程如物理、數(shù)學(xué)實(shí)際上是與科研實(shí)際過程相反 的，以學(xué)習(xí)者的知識(shí)結(jié)構(gòu)為邏輯起點(diǎn)， 從定義、概念、定律再到定理。 這是因?yàn)槔碚摰陌l(fā)展意味著概念的創(chuàng)新。而控制系統(tǒng)是一門技術(shù)理論課程，它是從技術(shù)角度來總結(jié)的。正因?yàn)?是技術(shù)角度出發(fā)的，具有綜合性和實(shí)踐性的特點(diǎn)。所以對(duì)學(xué)習(xí)者來說， 必須具備一定的實(shí)踐基礎(chǔ)和專業(yè)理論基礎(chǔ)。 而對(duì)初學(xué)者來說，表現(xiàn)出 有一定的難度是不奇怪的，而且，每一部分

3、內(nèi)容都僅是打下基礎(chǔ)，深 入的細(xì)節(jié)方面的知識(shí)，需要更進(jìn)一步地查閱其它書籍和資料， 從另一 方面來看，這也給大家留下了自學(xué)和實(shí)踐的空間。從電壓平衡方程式，導(dǎo)出調(diào)速方法，從反饋控制原理和靜態(tài)參數(shù)的要 求導(dǎo)出閉環(huán)控制系統(tǒng)；從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的矛盾分析了P調(diào)節(jié)器和I調(diào)節(jié)器，發(fā)展到PI調(diào)節(jié)器；從單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)無法控制起、制動(dòng) 動(dòng)態(tài)電流，導(dǎo)出了帶飽和非線性的PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成雙閉環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 而雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)可以說交直流電動(dòng)機(jī)控制的基本結(jié)構(gòu)；從單向開關(guān)的晶閘管不能實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)和回饋制動(dòng)導(dǎo)出了可逆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又從可逆系統(tǒng)引起的環(huán)流問題導(dǎo)出有環(huán)流和無環(huán)流控制策略； 再從調(diào)壓調(diào)速的限制 和寬調(diào)速范圍的要求引出帶弱磁控制的非

4、獨(dú)立弱磁控制系統(tǒng)。問題一步一步深化。但思考問題的出發(fā)點(diǎn)是電壓平衡方程式， 磁 鏈平衡方程式，轉(zhuǎn)矩平衡方程式，再加半導(dǎo)體開關(guān)的特性導(dǎo)致的電力 電子電路中的特殊問題（也就是電力電子技術(shù)），同時(shí)分析時(shí)用到了 電路和電機(jī)中的基本概念如輸入功率、輸出功率、轉(zhuǎn)差功率、功率因數(shù)、效率、損耗等等。1閉環(huán)控制靜差率與調(diào)速范圍重點(diǎn)掌握可控直流電源 VM系統(tǒng)的主要問題 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 單閉環(huán) 穩(wěn)態(tài)分析PI調(diào)節(jié)器2雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)性能分析非典型系統(tǒng)的典型化弱磁控制實(shí)驗(yàn)電路 模擬式PI調(diào)節(jié)器，過電流保護(hù)電路3數(shù)字控制（了解）數(shù)字測(cè)速數(shù)字PI調(diào)節(jié)器及其設(shè)計(jì)方法4可逆系統(tǒng)（掌握）5變壓調(diào)速及其軟起動(dòng)器（

5、了解）6.1 VVVF控制方式 （掌握）機(jī)械特性比較三段式控制6.2 PWM 模式 spwm chbpwm svpwm （了解）6.3變頻器的主要類型（了解）6.4標(biāo)量控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速開環(huán) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制（一般掌握）6.5矢量控制原理 坐標(biāo)變換 轉(zhuǎn)子磁鏈定向（一般掌握）6.6矢量控制系統(tǒng) 直接矢量控制 間接矢量控制 轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)和觀 測(cè)（理解）6.7直接轉(zhuǎn)矩控制 定子磁鏈的估計(jì)和觀測(cè)（理解）7串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)（高效率低功率因數(shù)）（掌握）雙饋調(diào)速的5種工況 串級(jí)調(diào)速的工作原理 起動(dòng)停車順序 轉(zhuǎn)子整流 電路的特點(diǎn)及對(duì)機(jī)械特性的影響 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)及其改進(jìn) 方案雙饋調(diào)速系統(tǒng)（了解）8同步電動(dòng)

6、機(jī)變頻調(diào)速 （了解）特點(diǎn)及其類型 他控變頻（轉(zhuǎn)速開環(huán)，交交變頻，氣隙磁場(chǎng)定向）自 控變頻（無刷直流，永磁同步電動(dòng)機(jī)）四復(fù)習(xí)要點(diǎn)1直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓可獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。調(diào)勵(lì)磁可獲得恒功率調(diào)速。用 不同調(diào)速方法的直流調(diào)速系統(tǒng)有不同的調(diào)速特性。 生產(chǎn)機(jī)機(jī)械有不同 的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，采用可調(diào)速傳動(dòng)裝置時(shí)需考慮使裝置的 調(diào)速特性與 負(fù)載的要求相匹配，以獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。負(fù)載特性與電機(jī)電 磁轉(zhuǎn)矩特性的配合（負(fù)載特性：1恒定阻轉(zhuǎn)矩負(fù)載2位能性負(fù)載3 轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的負(fù)載（通風(fēng)機(jī)型，恒功率，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成比例）4轉(zhuǎn)矩隨位置變化的負(fù)載）調(diào)速特性與負(fù)載調(diào)速要求的不匹配問題采用保種調(diào)速方式要考慮負(fù)載調(diào)速要求。當(dāng)兩者不匹

7、配時(shí)，電動(dòng)機(jī)的容 量就得放大。電磁轉(zhuǎn)矩在弱磁時(shí)具有恒功率性質(zhì)，但仍能帶動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩 負(fù)載。2供變壓調(diào)速使用的可控直流電源有： 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流 器與直流斬波器。直流斬波器不同于相位控制調(diào)壓的可控整流器，它 是通過改變主開關(guān)元件的通斷時(shí)間比例即 占空比來調(diào)壓的，有一系列 優(yōu)點(diǎn)。3 V-M系統(tǒng)的幾個(gè)特殊問題可歸結(jié)為：整流電壓的相位控制、整流電 流的平波與波形的連續(xù)、調(diào)速機(jī)械特性及其分區(qū)。V-M系統(tǒng)的完整調(diào) 速機(jī)械特性包含整流狀態(tài)下與逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)與斷續(xù)區(qū)。4調(diào)速范圍與靜差率是調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。閉環(huán)控制相對(duì)于開環(huán)控制來講，可使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)得到改善。 正確 理解調(diào)速范圍

8、的靜差率中的理想空載轉(zhuǎn)速指的是穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的最低轉(zhuǎn) 速對(duì)應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速，這就將調(diào)速范圍和靜差率聯(lián)系起來了。 閉環(huán) 后，由于反饋?zhàn)饔媒档土遂o差率，提高了調(diào)速范圍。這部分內(nèi)容要求 會(huì)計(jì)算，會(huì)分析，會(huì)證明。加轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和比例調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)， 可使穩(wěn)態(tài)速降減小，但總是有靜 差，不可能使速降為零。該系統(tǒng)中，被反饋環(huán)所包圍的加于控制系統(tǒng) 前向通道上的各種擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響， 都受到反饋控制的抑制。但反 饋控制無力克服給定電源和檢測(cè)反饋元件的誤差。 按照反饋控制的原 理，即要控制什么物理量，就必須檢測(cè)或間接檢測(cè)這個(gè)物理量并變成 電信號(hào)，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。5單閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖應(yīng)會(huì)推導(dǎo)。在作閉環(huán)調(diào)速系

9、統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、電動(dòng)機(jī)及其它控制部件 的已知參數(shù)來計(jì)算反饋檢測(cè)元件與放大器的參數(shù)， 這首先需找出系統(tǒng) 的輸入輸出關(guān)系。然后根據(jù)各環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系的算式來推導(dǎo)。也可根據(jù)結(jié)構(gòu)圖通過運(yùn)算求出。6在有靜差單轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)中，可以用電流截止負(fù)反饋來抑制突加給 定電壓的電流沖擊，以保證系統(tǒng)有較大的比例系數(shù)來滿足穩(wěn)態(tài)性能指 標(biāo)。7 P調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快但靜態(tài)有誤差，且為保證較小的靜差需要較大 的放大系數(shù)，這就可能使得系統(tǒng)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。I調(diào)節(jié)器靜態(tài)無差但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢也會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。PI調(diào)節(jié)器綜合了 P和I調(diào)節(jié)器的優(yōu) 點(diǎn)，可使得系統(tǒng)響應(yīng)較快且無靜差。8根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的電壓平衡方程式， 轉(zhuǎn)矩

10、平衡方程式，可以得到電 機(jī)的動(dòng)態(tài)模型。根據(jù)整流器的輸出與輸入關(guān)系，可將其視為一個(gè)慣性 環(huán)節(jié)。8在帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，省去了測(cè)速裝置。但必 須采用電流正反饋補(bǔ)償電樞電阻引起的穩(wěn)態(tài)速降。 全補(bǔ)償可做到無靜 差，但系統(tǒng)已處于穩(wěn)定邊緣，故不能指望用這類系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（重點(diǎn)）1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)克服了單閉環(huán)調(diào)速動(dòng)態(tài)電流無法控制的 缺點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)原理圖畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)而得出靜特性方程式。對(duì) 于PI調(diào)節(jié)器組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算比較簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)速反 饋系數(shù)和電流反饋系數(shù)可按照最高電壓和最大電流及調(diào)節(jié)器的線性 工作電壓（或在數(shù)字系統(tǒng)中按位長(zhǎng)）來選擇。帶飽和非

11、線性的PI調(diào)節(jié)器組成的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是本次課程的重點(diǎn)內(nèi)容。利用飽和來實(shí)現(xiàn) 準(zhǔn)最優(yōu)時(shí)間控制。要調(diào)節(jié)起動(dòng)、制動(dòng)電流的大小，只能是在正確調(diào)節(jié) 電流反饋系數(shù)的基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié) ASR的限幅值。也就是調(diào)節(jié)ASR中的 限幅電路中的電位器。注意起動(dòng)、制動(dòng)電流需調(diào)節(jié)不同的電位器。對(duì) 于正向電壓給定，起動(dòng)時(shí)，由于 ASR反向，輸出負(fù)的電壓，所以應(yīng) 調(diào)節(jié)負(fù)電壓限幅值。而對(duì)于制動(dòng)，調(diào)節(jié)正電壓限幅值。對(duì)于雙閉環(huán)系 統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，見 P55式(3-3)、(3-4)、(3-5)。是重點(diǎn)掌握的。PI 調(diào)節(jié)器的輸出與輸入無關(guān)，是由后面環(huán)節(jié)的需要決定的。這一原理， 在控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到。2根據(jù)雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖，可得到動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙

12、閉環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是 利用飽和非線性實(shí)現(xiàn)了 “準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)”控制，但帶來了轉(zhuǎn)速超調(diào)?？?以用附加微分控制器或采用智能控制器和內(nèi)?？刂破鱽砀纳苿?dòng)態(tài)性 能。雙閉環(huán)系統(tǒng)的另一特點(diǎn)就是穩(wěn)中求快。先設(shè)計(jì)和調(diào)試內(nèi)環(huán)，使其 穩(wěn)定并滿足動(dòng)態(tài)性能后，再設(shè)計(jì)和調(diào)試外環(huán)。這個(gè)前提是內(nèi)環(huán)控制量 比外環(huán)控制量變化慢得多(10倍以上)。3系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能或調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)基本思想是非典型系統(tǒng)的典型化，具體來講就是零極點(diǎn)抵消方法再加上工程近似法。注意一般都是 抵消大的慣性環(huán)節(jié)。一般電流環(huán)設(shè)計(jì)為典型I型系統(tǒng)，因?yàn)殡娏鳝h(huán)強(qiáng) 調(diào)跟隨性能；而轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)為典型 II型系統(tǒng)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)強(qiáng)調(diào)抗干 擾性能。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，將閉環(huán)控制視為運(yùn)算，采用

13、定時(shí)運(yùn)算的 方法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。也就是說閉環(huán)控制可視為定時(shí)中斷服務(wù)程序中間 的運(yùn)算，也就是說包括采樣實(shí)際反饋值并加以濾波、計(jì)算給定與反饋的誤差，對(duì)誤差進(jìn)行PI運(yùn)算，輸出PI運(yùn)算結(jié)果。由于電流比轉(zhuǎn)速變 化快得多，電流定時(shí)器設(shè)置要比速度環(huán)定時(shí)器短得多。 定時(shí)器設(shè)置的 時(shí)間就是采樣周期。采樣周期一般按控制對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)來設(shè) 定，最低要滿足香農(nóng)采樣定理，以減小采樣失真。實(shí)際的采樣周期遠(yuǎn) 小于香農(nóng)采樣定理計(jì)算值，并在實(shí)際調(diào)試中予以調(diào)整。采樣周期越短， 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)就可按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)再離散化。 也可采用直接離散化的 方法來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中， PI調(diào)節(jié)器必須離散化。而 PI 調(diào)節(jié)器的離散化形式有

14、很多種，如積分分離算法，增量式算法等。4在需要寬調(diào)速范圍的直流調(diào)速系統(tǒng)中，常采用電樞電壓與弱磁的配 合控制。即基速以下調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)屬于恒轉(zhuǎn)矩。而基速 以上，由于電機(jī)電壓的限制，只能弱磁調(diào)速，這時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩的性 質(zhì)屬于恒功率。這就是說，控制規(guī)律要按照控制對(duì)象的物理約束來合 理進(jìn)行?？赡嬲{(diào)速系統(tǒng)1從電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式可得出改變轉(zhuǎn)矩方向的兩種基本方法：改變電樞電流或改變勵(lì)磁磁通的方向。采用接觸器切換、晶閘管開關(guān)切換、反 并聯(lián)線路都能實(shí)現(xiàn)。前兩者都只適用于動(dòng)態(tài)性能要求不高的情況。 由 于勵(lì)磁繞組電感量大，改變勵(lì)磁磁通方向的方法只適用于對(duì)快速性要 求不高、正反轉(zhuǎn)不頻繁的可逆系統(tǒng)。2即使不需要正

15、、反轉(zhuǎn)，但只要它需要快速回饋制動(dòng)，就必須采用正 反兩組晶閘管裝置供電。因?yàn)榛仞佒苿?dòng)需使反組晶閘管工作在有源逆 變狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)。有源逆變需要一定的條件。而且有源逆變須防止逆 變顛覆造成過電流的故障發(fā)生。但是，在位能式負(fù)載的情況下可以在 只有一組晶閘管的情況下實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)（它可在二象限即I, IV象限運(yùn)行）。3環(huán)流是采用正、反兩組晶閘管供電后帶來的新問題。 可分為有環(huán)流 系統(tǒng)和無環(huán)流系統(tǒng)。有環(huán)流系統(tǒng)中必須加環(huán)流電抗器， 而無環(huán)流可省 出環(huán)流電抗器，在控制策略上必須加上無環(huán)流邏輯來控制選觸開關(guān)。4仔細(xì)分析配合控制有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)的正向制動(dòng)過程，可以看到，過渡過程包含本組逆變、它組制動(dòng)兩個(gè)階段，而它

16、組制動(dòng)又可分解為 建流，逆變和減流三個(gè)子階段。但最主要的是它組逆變電動(dòng)機(jī)回饋制 動(dòng)階段。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是正反轉(zhuǎn)時(shí)起動(dòng)與制動(dòng)過程完全銜接而適 合快速正反轉(zhuǎn)，但需要增設(shè)環(huán)流電抗器而增加負(fù)擔(dān)，因此只適用于中、 小容量系統(tǒng)。而采用邏輯無環(huán)流控制實(shí)現(xiàn)選觸，可節(jié)省一套電流調(diào)節(jié) 器與觸發(fā)裝置。5除了晶閘管直流電動(dòng)機(jī)外，采用直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn) 單、功耗低、效率高和功率因數(shù)高、動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán) PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)分析與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)基本上一樣，所以 重點(diǎn)在對(duì)主回路、PWM控制電路及其它特殊問題進(jìn)行討論。主回路 分為不可逆、可逆；可逆又分為雙極式，單極式和受限單極式。PWM 全控

17、型雙極性橋式變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)分析見書中P14-15。其中的一個(gè)特殊問題是電能回饋與泵升電壓的問題。這個(gè)問題同樣出現(xiàn)在 交直交變頻器的主回路上。交流調(diào)速的基本類型和交流變壓調(diào)速系統(tǒng)1交流調(diào)速系統(tǒng)按對(duì)轉(zhuǎn)差功率的處理方式分為三類：轉(zhuǎn)差功率消耗型、回饋型、不變型。2相比較而言，變壓調(diào)速適合于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載。而對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， 變壓調(diào)速的電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)差功率損耗與轉(zhuǎn)差率 s成正比，所以不宜 長(zhǎng)期在低速下工作。3對(duì)于大容量的異步電動(dòng)機(jī)，不能直接通電起動(dòng)。必須采用降壓起動(dòng),而雖然降壓導(dǎo)致起動(dòng)電流下降，但由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正 比，又會(huì)出現(xiàn)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不夠的問題。因此，降壓起動(dòng)只適用于空載起 動(dòng)。異步電

18、動(dòng)機(jī)在額定工況下運(yùn)行時(shí)效率較高，異步電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期輕載時(shí)，由于輸出功率很小，使得其它功率所占成分較大，使得效率很低。 因此，有限地降低定子電壓，可以降低氣隙磁通，同時(shí)降低鐵損和勵(lì) 磁電流，達(dá)到節(jié)能的目的。另外，VVVF變頻也可用來作軟起動(dòng)和空 載節(jié)能，而且比調(diào)壓方式更理想。由于調(diào)壓調(diào)速能耗大，諧波嚴(yán)重，正在被變頻調(diào)速所取代。只是在大容量的簡(jiǎn)單的軟起動(dòng)中發(fā)揮一定作 用。第6章異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1變頻調(diào)速的控制方式：根據(jù)變壓器繞組電動(dòng)勢(shì)公式，可以得出穩(wěn)態(tài) 時(shí)保持定子磁通恒定時(shí)必須進(jìn)行 VVVF變壓變頻協(xié)調(diào)控制；根據(jù)異 步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路，可以分析出恒壓頻比，怛定子磁通頻比， 恒氣隙磁通頻比，恒轉(zhuǎn)子

19、磁通頻比的機(jī)械特性如圖6-6。相關(guān)分析見式 6-10，6-15，6-18。1.從異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖6-5可以看出，如果抬高定子電 壓，能維持Eg / 1 =c，會(huì)使線性段范圍比Us/r丸更寬，但仍具非線性 特征，也就是具有最大轉(zhuǎn)矩；而進(jìn)一步抬高定子電壓，維持 Er /1二C, 則轉(zhuǎn)矩僅與轉(zhuǎn)差頻率成正比，變成線性的而不再是非線性的。其條件 是保持轉(zhuǎn)子全磁通恒定不變而不是保持定子磁通或氣隙磁通不變。 而 動(dòng)態(tài)保持轉(zhuǎn)子磁通恒定正是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的控制規(guī)律。圖 6-6的比較與分析是重點(diǎn)。其實(shí)質(zhì)是漏抗壓降導(dǎo)致了機(jī)械特性的非線性。而恒轉(zhuǎn)子磁通頻比控制，抵消了轉(zhuǎn)子漏抗的壓降，所以將機(jī)械特性變成了

20、線性的。氣隙磁鏈wa¥a是定子、轉(zhuǎn)子通過氣隙相互交鏈的那部分磁鏈a. sr屮二 LmiLmi2.定子磁鏈屮屮s是氣隙磁鏈 屮“與定子漏磁鏈 w t之和。屮 s 二wa w ：，LmiS Lmir LsJS二 Lsi S Lmi r3.轉(zhuǎn)子磁鏈Wwr是氣隙磁鏈 屮“與轉(zhuǎn)子漏磁磁鏈 W ；一之和w r =W a W： =Lmi s Lmi r LrJ rsr=Lm iLr Lwa、Ws、W r均以同步速3 S旋轉(zhuǎn)，三者的差距為漏磁鏈VVVF的控制規(guī)律為三段式：基頻以下小于 5HZ時(shí)，抬高電壓補(bǔ)償 定子壓降伏；基頻以下大于 5HZ時(shí)，恒壓頻比；基頻以上，則恒定 電壓，弱磁升速；2采用VVV

21、F可以實(shí)現(xiàn)同步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)但不能完全克服振蕩及失 步現(xiàn)象。為此，必須設(shè)計(jì)給定積分器使定子頻率不要變化過快。這也 就間接限制了起制電流。同樣，在異步電動(dòng)機(jī) VVVF系統(tǒng)中，由于 轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差成正比，限制了定子頻率變化率也就限制了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差也就 間接限制了轉(zhuǎn)矩即限制了起制動(dòng)電流。3變頻器分為交直交（間接變頻）和交交變頻（直接變頻）兩種。交直交變頻又分為電壓源型和電流源型。 交直交變頻器因調(diào)壓與調(diào)頻環(huán) 節(jié)有差別，又有多種分為：可控整流器調(diào)壓與六拍逆變器、不控整流 器加斬波調(diào)壓與六拍逆變器、不控整流加PWM同時(shí)變壓變頻的逆變 器。交直交變頻器分為電壓源型和電流源型。 直流輸出通過并聯(lián)電容 輸出的是電壓源

22、型變頻器，通過串聯(lián)電感輸出的是電流源型變頻器。 而采用二極管不控整流器加全控型PWM逆變器構(gòu)成的變頻器中，SPWM逆變器是同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓變頻的。但可控整流器加可控逆變器 構(gòu)成的晶閘管交直交變頻器，是通過整流器調(diào)壓，面逆變器變頻。即 變壓和變頻是分開的。交-交變頻所用元件多，輸出頻率受限，最高 頻率不超過電網(wǎng)頻率的 1/3 1/2。所以只適用于低速大功率拖動(dòng)系 統(tǒng)。4 SPWM控制模型 主要分為電壓正弦，電流正弦，磁通正弦三大類。還有消除指定次數(shù)諧波的控制技術(shù)。其中電流正弦也就是電流滯環(huán)跟 蹤PWM由于易于用模擬電路實(shí)現(xiàn)而較常用。而 SPWM適用于微機(jī) 控制，也有專用集成電路實(shí)現(xiàn)的。SVPWM由于

23、TI公司的DSP中具 有硬件產(chǎn)生電路，且比SPWM具有更高電壓利用率，諧波分量小， 正在推廣應(yīng)用。由于二極管輸出直流電壓幅值不變，所以SPWM逆變輸出的是一系列等幅不等寬的矩形脈沖，其面積等效于正弦波面積，即平均值等效于正弦波。而SVPWM輸出電壓比SPWM高出15%, 即直流電壓的利用率高。5 VVVF轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)中由于本身沒有自動(dòng)限制起制動(dòng)電流的作用，因此頻率設(shè)定必須通過給定積分算法（電路）產(chǎn)生平緩的升速或降速信號(hào)；由于滑差較小時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率與轉(zhuǎn)矩成正比，因此控制轉(zhuǎn)差頻率 也就間接控制了轉(zhuǎn)矩，但其前提條件是保證氣隙磁通不變， 這可以根 據(jù)圖6-41的函數(shù)關(guān)系控制定子電壓和頻率來保證。轉(zhuǎn)差頻率

24、系統(tǒng)可以構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)，但還達(dá)不到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其原因是只在穩(wěn)態(tài) 下保證氣隙磁通不變，沒有控制定子電流的相位，而且存在正反饋環(huán) 節(jié)也就影響控制的性能。6異步電動(dòng)機(jī)是多變量、高階、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。坐標(biāo)變換是 交流電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)。根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)或旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相等的原則， 三相 交流繞組可用二相交流繞組等效；3/2是三相靜止坐標(biāo)變成二相靜止 坐標(biāo)，其目的是減少變量，即降階。還可以用二相相互垂直的直流繞 組旋轉(zhuǎn)等效；矢量旋轉(zhuǎn)變換VR是將兩相靜止坐標(biāo)變換到二相旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系，將交流量變換到直流量，擴(kuò)展了頻帶，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中很有用的一種是兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系DQ系，其旋轉(zhuǎn)速度等于同步角速

25、度。所以 DQ系對(duì)于轉(zhuǎn)子來講按轉(zhuǎn)差頻率旋轉(zhuǎn)。將DQ系定向到轉(zhuǎn)子磁鏈方向，稱之為 MT系。也就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向 的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。這樣的好處，如果保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定并使之全在M軸，可將定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦，從而可以將之變成單變量系統(tǒng)，可單獨(dú)閉環(huán)控制。而按照矢量控制方程6-135,6-136,6-137 可以保證這一點(diǎn)。再加除法器可以將電流控制型的異步電動(dòng)機(jī)分解成 轉(zhuǎn)速和磁通兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)。其條件是式6-128,結(jié)果是6-129, 式6-135，6-136構(gòu)成的矢量控制方程式。反過來，根據(jù)矢量控制方 程式，就可以像直流電機(jī)一樣分別控制磁通和轉(zhuǎn)速、電流分量來構(gòu)建單閉環(huán)控制系統(tǒng)了，也就保證

26、了轉(zhuǎn)子磁通動(dòng)態(tài)恒定并使分解到M軸上。7帶磁鏈閉環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)的稱為直接矢量控制，其中轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算是 關(guān)鍵，計(jì)算模型中分為電流模型和電壓模型兩種。電流模型可分為兩 相靜止坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 兩種，（如式6-142, 143）;電壓模型（式144，145）更適合于中、高速范圍，電流模型適合于低速。8磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)也稱為間接矢量控制系統(tǒng)。因?yàn)榇沛?閉環(huán)的系統(tǒng)中，磁鏈計(jì)算不準(zhǔn)確，反而不如采用磁鏈開環(huán)控制，這時(shí) 米用轉(zhuǎn)差頻率式的矢量控制方程，可以構(gòu)成系統(tǒng)。轉(zhuǎn)差頻率式的矢量 控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)差頻率式的標(biāo)量控制系統(tǒng)不同的是控制了定子電流的 幅值和相位。9直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)其特點(diǎn)是構(gòu)成轉(zhuǎn)矩和磁通閉環(huán)，

27、采用非線性控 制器構(gòu)成砰砰控制器，利用轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制器輸出的誤差信號(hào)共同直 接產(chǎn)生電壓的SVPWM波形。直接轉(zhuǎn)矩控制體現(xiàn)了人工智能的思想， 又是一種查表控制。這樣控制了定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，可以得到較快的轉(zhuǎn) 矩響應(yīng)。由于是在定子坐標(biāo)系，所用的轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型和磁鏈計(jì)算模型 都是在兩相靜止坐標(biāo)系上進(jìn)行的，這就避開了旋轉(zhuǎn)變換，簡(jiǎn)化了系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)。直接轉(zhuǎn)矩控制低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁鏈計(jì)算誤差仍是待解決的 問題。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制系統(tǒng)的初步比較見表6-1。異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)1雙饋就是除了電機(jī)與交流電網(wǎng)直接連接外， 轉(zhuǎn)子側(cè)也要與交流電網(wǎng) 或外接電動(dòng)勢(shì)相連。從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看，可認(rèn)為是在轉(zhuǎn)子繞組回路中 附加一個(gè)交

28、流電動(dòng)勢(shì)。在恒定負(fù)載下，轉(zhuǎn)子串附加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng) 勢(shì)的同相時(shí)，電機(jī)可工作在超同步狀態(tài)電動(dòng)或回饋制動(dòng)；而反相時(shí)， 電機(jī)工作在次同步狀態(tài)電動(dòng)或回饋制動(dòng)。而在位能負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)子串附 加電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)反相時(shí)，還可工作在反轉(zhuǎn)倒拉制動(dòng)狀態(tài)。 要實(shí) 現(xiàn)回饋制動(dòng)，轉(zhuǎn)子變頻器必須能夠進(jìn)行雙向功率流動(dòng)， 轉(zhuǎn)子變頻器只 能輸出轉(zhuǎn)差功率時(shí)，則只須單向變頻器。2次同步電動(dòng)狀態(tài)下的雙饋系統(tǒng)稱之為串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，可用交直交變 頻器來實(shí)現(xiàn)交交變頻，也就轉(zhuǎn)子側(cè)為不控整流器，經(jīng)過有源逆變回饋 電網(wǎng)?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)逆變角實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速。由于定子側(cè)輸入有功功率，而轉(zhuǎn)子側(cè)輸出有功功率，所以串調(diào)效率高。 由于轉(zhuǎn)差功率與轉(zhuǎn)差功率成正比，使

29、得轉(zhuǎn)子變頻器的容量、電壓等級(jí) 與調(diào)速范圍成正比，因此，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，串級(jí)調(diào)速和雙饋調(diào)速常 用于有限范圍調(diào)速，而很少用于全范圍調(diào)速。由于轉(zhuǎn)子整流器不可控， 所以不能實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)，只能靠負(fù)載自由停車。3雖然回饋轉(zhuǎn)差功率效率高，但同時(shí)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)都要吸收無功功 率，所以功率因數(shù)低。普通串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是一種高效率低功率因數(shù)的 系統(tǒng)。而且隨著轉(zhuǎn)差率的增大，也就是轉(zhuǎn)速的降低，功率因數(shù)也降低， 逆變器相控是功率因數(shù)低的主要原因。 為提高功率因數(shù)，可采取斬波 器的方法來固定逆變角；還可用 PWM變流器取代晶閘管逆變器；內(nèi) 饋就是將轉(zhuǎn)差功率不是回饋電網(wǎng)而是直接回饋定子，這必須在定子上增設(shè)一個(gè)小功率的調(diào)節(jié)繞組，

30、通過這個(gè)調(diào)節(jié)繞組的設(shè)計(jì)還可以抵消晶閘管逆變器電流諧波中3次和5次分量。4由于異步電動(dòng)機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的漏抗值比一般整流變壓器的等效 漏抗大，所以轉(zhuǎn)子整流電路的換相重疊現(xiàn)象導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子等效電阻加 大，使得串級(jí)調(diào)速機(jī)械特性變軟，最大轉(zhuǎn)矩減小。串級(jí)調(diào)速如同直流 電動(dòng)機(jī)一樣可采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。但其等效電動(dòng)勢(shì)參數(shù)不是常數(shù)，從而 使得轉(zhuǎn)子直流回路的時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)都是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，而異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常也是轉(zhuǎn)速和電流的函數(shù)。 這使得調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì) 困難，必須采用變參數(shù)或自適應(yīng)設(shè)計(jì)，才能保證在整個(gè)調(diào)速范圍動(dòng)態(tài) 性能一致。5由于變頻器是按有限調(diào)速范圍設(shè)計(jì)的，所以變頻器只能承受串調(diào)運(yùn) 行時(shí)的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)。而起動(dòng)到串

31、調(diào)前的低轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)差大，轉(zhuǎn)子電壓 高，所以一般串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)不能直接起動(dòng)，只能依靠頻敏電阻起動(dòng)到 串調(diào)運(yùn)行允許的最低轉(zhuǎn)速才能加入串調(diào)裝置 。由于是有源逆變，所以 逆變器應(yīng)該先投入工作，而最后切離系統(tǒng)。對(duì)于有源逆變來說，最嚴(yán) 重的故障是逆變失敗導(dǎo)致的過電流，逆變失敗的物理原因是機(jī)械能無 法回饋?zhàn)兂呻娔?，這其中有可能是電網(wǎng)瞬間停電，逆變時(shí)丟脈沖。對(duì) 此，應(yīng)加設(shè)瞬間停電保護(hù)措施。因此，串級(jí)調(diào)速起動(dòng)和停車時(shí)開關(guān)的 分合閘有嚴(yán)格的順序。當(dāng)轉(zhuǎn)子變頻器故障時(shí)，還可以切換到無調(diào)速狀 態(tài)即最高轉(zhuǎn)速下短期運(yùn)行。同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)*1同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率不變型。 同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性 使得它不具備自起動(dòng)能力，而在轉(zhuǎn)子上加籠式繞組可以利用異步電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差