機電運動控制系統(tǒng)離線作業(yè)(選)-

浙江大學(xué)遠程教育學(xué)院《機電運動控制系統(tǒng)》課程作業(yè)〔選做〕晶閘管可控整流器供電直流電機調(diào)壓調(diào)速的機械特性有何特點?畫出三相半波可控整流器供電直流電機機械特性并說明之。答:與直流發(fā)電機-電動機組機械特性相比,不同之處是:(1)分電流連續(xù)與電流斷續(xù)二個區(qū)域;(2)電流連續(xù)區(qū)因可控整流器內(nèi)阻大(特別有換流重迭壓降引入的等效電阻)而使機械特性軟；電流斷續(xù)區(qū)那么因電流不連續(xù)致使機械特性更軟而無法負載工作。三相半波可控整流器供電直流電機機械特性如下圖:時，整流器工作在整流狀態(tài)，電機工作在電動狀態(tài)；時，整流器工作在逆變狀態(tài)，電機工作在制動狀態(tài)。可控整流器供電直流電機調(diào)速系統(tǒng)主回路中為何要釆用平波電抗器?其電感量應(yīng)按什么要求來設(shè)計?答:由于可控整流器供電直流電機調(diào)速系統(tǒng)負載輕時電流斷續(xù),機械特性軟,調(diào)速特性差，無靜差度可言。解決方法：串接平波電抗器L，增大晶閘管導(dǎo)通角以使電流連續(xù)。平波電抗器電感量計算原那么是:能確保輕載下最小電流時電流仍連續(xù)。一般規(guī)律是Idmin越小，要求平波電抗器電感量越大。在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動與負載擾動時，各是哪個調(diào)節(jié)器在起主要調(diào)節(jié)作用？答：(1)電網(wǎng)電壓波動：影響整流電壓Ud，整流電流Id，反映到控制信號即ufi，它從電流環(huán)介入，故電流調(diào)節(jié)器起主要作用。(2)負載擾動：負載TL的變化將影響轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，繼而影響轉(zhuǎn)速ωr，n，反映到控制信號即ufn，它從速度環(huán)介入，故速度調(diào)節(jié)器起主要作用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，兩個PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差(給定與反應(yīng)之差)是多少？它們的輸出電壓應(yīng)對應(yīng)于何種狀態(tài)的值？為什么？答：(1)根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的特性，穩(wěn)態(tài)時能實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，使反應(yīng)等于給定，即：△un＝0或△ui＝0，兩個PI調(diào)節(jié)器的輸入偏差為零。(2)它們的輸出電壓應(yīng)對應(yīng)于第一次進入△un＝0或△ui＝0時的輸出狀態(tài)值(如un，ui，α，Ud，Id，T)。這是由于PI調(diào)節(jié)器有積分、記憶功能，對過去出現(xiàn)過的誤差信號有記憶作用。當(dāng)時，，調(diào)節(jié)器輸入為零，但由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，對過去出現(xiàn)過的誤差有記憶，那么積分輸出不為零，維持第一次出現(xiàn)時的輸出值，進而維持〔無差〕反并聯(lián)時為何會出現(xiàn)環(huán)流？限制環(huán)流有哪些有效方法？各有什么特點？答：兩橋反并聯(lián)且同時整流時,產(chǎn)生的整流電壓會不經(jīng)直流電機而順串短路，因無電阻限流，會形成巨大環(huán)流。限制環(huán)流的有效方法(對策)是:(1)要求直流電壓：極性互頂：一橋整流、一橋逆變。如下圖大小相等，即這樣可以消除平均環(huán)流,因為①平均環(huán)流整流平均電壓，消除了平均環(huán)流但不能消除瞬吋環(huán)流,因為：②瞬時環(huán)流一橋整流、一橋逆變時整流平均電壓相等，但瞬時電壓波形不同，瞬時電壓差將引起瞬時環(huán)流，控制上要求必須同時控制平均及瞬時環(huán)流。因此環(huán)流控制策略有:〔1〕有環(huán)流系統(tǒng)原那么：無平均環(huán)流，限制瞬時環(huán)流做法：一橋整流、一橋逆變，；電抗器L、L，〔非平波電抗器L〕限制瞬時環(huán)流〔2〕無環(huán)流系統(tǒng)原那么：一橋工作〔整流或逆變〕，一橋封鎖〔不工作〕采用邏輯電路保證兩橋切換的平安——邏輯無環(huán)流晶閘管直流電機可逆調(diào)速系統(tǒng)為什么脈寬調(diào)制(PWM)型直流調(diào)速系統(tǒng)比晶閘管型直流調(diào)速系統(tǒng)能獲得更好的動態(tài)特性?答:可控整流器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)釆用開關(guān)速度慢(300Hz)的晶閘管作開關(guān)元件,使換流死區(qū)(晶閘管不立即響應(yīng)觸發(fā)信號的時間)平均為3.33–6.66mS.而脈寬調(diào)制(PWM)型直流調(diào)速系統(tǒng)釆用自關(guān)斷器件(GTR,IGBT,MOSFET等),其開關(guān)頻率在幾kHz–幾百kHz,換流死區(qū)時間降至幾十nS–幾百nS,快上了幾百、上千倍,致使電機電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度響應(yīng)時間大大縮短,即有了更好的動態(tài)特性。從電機學(xué)原理說明調(diào)壓調(diào)速機理,從電力電子技術(shù)說明調(diào)壓調(diào)速的實現(xiàn)手段。答:根據(jù)電機學(xué)原理,當(dāng)異步電機端電壓變化時,機械特性發(fā)生如圖改變,即:故隨端電壓Ｕ1下降時,最大轉(zhuǎn)矩Ｔm平方下降,但發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩的位置Sm不變,致使機械特性變軟,與負載特性的交點即運行點的滑差S增大,速度n降低,實現(xiàn)了調(diào)壓調(diào)速。實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的電力電子技術(shù)裝置是交流固態(tài)調(diào)壓器,是用雙向晶閘管或兩只反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成。畫出晶閘管恒轉(zhuǎn)矩亞同步串級調(diào)速系統(tǒng)主電路,從功率流向角度說清為什么是亞同步。答:由于電機轉(zhuǎn)子側(cè)釆用了不控整流器使轉(zhuǎn)子頻率滑差功率Ps變成直流功率,可以簡單釆用有源逆變器的直流電勢Uβ來吸收,但釆用不控整流器只能使滑差功率Ps從電機向電網(wǎng)方向傳送,即增大轉(zhuǎn)子Ps,增大S,實現(xiàn)從同步速向下降低n,故為亞同步串級調(diào)速系統(tǒng)。晶閘管恒轉(zhuǎn)矩亞同步串級調(diào)速系統(tǒng)如何實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)?其調(diào)節(jié)規(guī)律又如何?答:系統(tǒng)調(diào)速控制量為逆變超前角β,即β變化→變化變化→s變→n變。其調(diào)節(jié)規(guī)律是：(a)當(dāng)時,串級調(diào)速系統(tǒng)運行于轉(zhuǎn)子短接的自然特性上→達最高速;(b) 當(dāng)時,速度下降;(c)為防止逆變顛覆，限定，即到達了最低速.分析、討論恒電壓/頻率比(U1/f1=C)控制下異步電機變頻調(diào)速控制方式的特點.答:特點：〔1〕同步速ns隨運行頻率變化〔2〕不同頻率下，特性曲線硬度相同〔平行線〕——恒轉(zhuǎn)矩特性①控制下，其機械特性適合調(diào)速范圍不寬、轉(zhuǎn)速不太低的恒轉(zhuǎn)矩負載〔Tm不夠〕；特別適合負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的負載，如風(fēng)機/水泵。②低頻時〔〕適當(dāng)提高端電壓U1，以補償定子電阻壓降，可增大Tm，以適當(dāng)提高帶負載能力分析、討論恒氣隙電勢/頻率比(E1/f1=C)下異步電機變頻調(diào)速控制方式的特點。答:特點是:①恒最大轉(zhuǎn)矩運行——最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，與ω1無關(guān)。②仍為恒轉(zhuǎn)矩特性〔不同ω1下Δn相同〕，但線性段范圍更寬。③低頻時起動轉(zhuǎn)矩TQ比額定頻率起動轉(zhuǎn)矩TQN大。低頻起動時，小→小→轉(zhuǎn)子電流有功分量〔〕大→產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩大；額定頻率起動時，大→大→轉(zhuǎn)子電流有功分量〔〕小→產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩小。要實現(xiàn)恒最大轉(zhuǎn)矩運行，必須確保氣隙磁通〔恒定〕，即〔恒定〕。而外部控制量為，必須全頻范圍內(nèi)恰如其分地補償定子電阻壓降。分析、討論恒轉(zhuǎn)子電勢/頻率比〔Er/f1=C〕控制下異步電機變頻調(diào)速控制方式的特點及優(yōu)點答:低頻時如將電壓作進一步補償，除補償?shù)舳ㄗ勇┳杩箟航低?，再補償?shù)艮D(zhuǎn)子漏阻抗壓降，最后保持轉(zhuǎn)子電勢Er線性變化，實現(xiàn)Er/f1=C控制.這樣,在確定頻率下，機械特性為一直線；不同頻率下，為一族平行線——并激直流電機特性為何變頻器供電電機轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱甚至燒毀?詳細分析轉(zhuǎn)子損耗的變化來說明。答:這主要是變流器(變頻器)非正弦電源中含有豐富的諧波電壓(電流),引起轉(zhuǎn)子參數(shù)變化之故。即對諧波而言,諧波滑差Sk=1，轉(zhuǎn)子頻率f2=Skf1=f1變成了高頻，轉(zhuǎn)子集膚效應(yīng)嚴(yán)重,致轉(zhuǎn)子電阻R2k增大；轉(zhuǎn)子電流擠向槽口，分布不均，槽漏抗減小；槽漏抗原是限制轉(zhuǎn)子電流的主要因素,它的減小致使轉(zhuǎn)子中諧波電流I2k劇增,結(jié)果是轉(zhuǎn)子諧波銅耗P2k=(I2k)2R2k遠大于基波銅耗,轉(zhuǎn)子發(fā)熱劇烈,成為變頻調(diào)速電機主要問題之一。必須注意與調(diào)壓調(diào)速時異步電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱是由基波損耗(滑差功率)引起,而變流器(變頻器)非正弦供電電機轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱是諧波效應(yīng)所致,不是基波造成的結(jié)果。14．變流器(變頻器)非正弦供電時,異步電機的效率如何變化?與變流器(變頻器)類型有關(guān)系否?答:變頻器非正弦供電時，諧波電流增加了損耗、降低了效率。但變化趨勢與變頻器型有關(guān):①電壓源型逆變器供電時:諧波電壓大小取決于變頻器輸出電壓波形，確定；諧波含量固定，與電機負載大小無關(guān)。故諧波電流大小及產(chǎn)生的諧波損耗Δp不隨負載Ρ2變化而恒定。這樣:●輕載時，Р2小，大小固定的Δp影響大，η↓多?！駶M載時，Ρ2大，大小固定的Δp影響小，η↓少〔2%〕②電流源型逆變器供電時:電流波形確定，即電流中各次諧波含量比例確定，而其大小隨負載變。這樣:●滿載時，電機電流諧波增大，損耗增大，η、cosФ↓多；●輕載時，電機電流諧波量小，損耗較小，η、cosФ↓少。15．變流器(變頻器)非正弦供電時,異步電機是怎么產(chǎn)生出諧波轉(zhuǎn)矩的(成因)?有幾種形態(tài)的諧波轉(zhuǎn)矩?各有什么性質(zhì)(特點)?答:有兩種形態(tài)的諧波轉(zhuǎn)矩,它們的成因及性質(zhì)(特點)是:(1)恒定諧波轉(zhuǎn)矩,其成因是:氣隙磁通中諧波磁通〔鼓勵〕→轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出同次諧波電流〔響應(yīng)〕相互作用產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩其性質(zhì)是:①異步轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩恒定〔大小、方向確定〕,②其值很小〔1%TN〕→影響可忽略。(2)脈動轉(zhuǎn)矩,其成因是:不同次數(shù)諧波磁場(主要是幅值最大的5、7次)與基波磁場的相互作用產(chǎn)生.其性質(zhì)是:①脈振轉(zhuǎn)矩,平均值為零,但低頻運行時單方向幅值很大,②六倍基波頻諧波轉(zhuǎn)矩。16．為什么說交-直-交型電流源變頻器具有四象限運行能力?從變流器控制角度圖示說明答:電流源型逆變器釆用大電感濾波，直流母線電壓Ud極性允許改變,而兩橋開關(guān)元件單向?qū)щ娦詻Q定直流電流Id流向不能變,功率流向改變?nèi)扛淖冎绷髂妇€電壓極性，這是通過調(diào)節(jié)兩橋變流器觸發(fā)角大小來實現(xiàn),如下圖。這樣可得如表所示的兩橋控制規(guī)律:17．電壓源逆變器〔VSI〕及電流源逆變器〔CSI〕各自有何特殊應(yīng)用場合?基于什么考慮?答:〔1〕電壓源型逆變器〔VSI〕因電源內(nèi)阻小，拖動多臺電機工作時小值電源內(nèi)阻壓降不會影響端電壓，適合多機群控;但因無制動功能，不能實用要求快速加、減速的場合?！?〕電流源型逆變器〔CSI〕因電源內(nèi)阻大，多機運行將通過大內(nèi)阻壓降相互影響，只適合單機運行;但有四象限運行能力，適合于有動態(tài)快速性要求的場合。18.正弦脈寬調(diào)制中,什么是異步調(diào)制、同步調(diào)制、分段同步調(diào)制？它們各有什么特點？答:(1)異步調(diào)制：調(diào)制波頻率變化時，保持載波頻率恒定不變的協(xié)調(diào)控制方式。特點：①控制方便；②變頻運行時調(diào)制波頻率變，不能確保載波比致使半周期脈沖數(shù)變，甚至正、負半周中的脈沖數(shù)也不相同，分解出的基波相位也變，將造成電機運行不穩(wěn)定。③高頻運行時N小，半周期脈少，諧波多，輸出特性差。(2)同步調(diào)制：載波頻率與調(diào)制波頻率正比變化的協(xié)調(diào)控制方式。特點：①任何頻率下，半周內(nèi)脈沖數(shù)相同，輸出電壓波形穩(wěn)定②低頻時由于必須低壓，造成脈沖稀疏，諧波成分大，輸出特性差。(3)分段同步調(diào)制：將運行頻率范圍分段，每段段內(nèi)N不變〔同步調(diào)制〕的協(xié)調(diào)控制方式。特點：①低頻段N大，以增加脈沖數(shù)，減少諧波。②基頻以上為方波(不再作PWM調(diào)制)，以充分利用直流母線電壓。19．異步電機變頻調(diào)速時，如果只從調(diào)速角度單純改變頻率fl行否？為什么？還要同時改變什么量？答：異步電機運行〔恒速或變頻〕時,均希望其運行性能〔力能指標(biāo)cosФ、η〕保持在設(shè)計點上，其中關(guān)鍵是保證電機磁路工作點不變或按要求變。磁路工作點以每極磁通Ф或磁密Bm描述，為保持良好運行性能，要求維持磁路工作點不變——恒磁通。否那么①磁路過飽和：pFe∞(Bm)2↑→η↓Bm↓→cosφ↓②磁路欠飽和→出力不夠從電機內(nèi)、外部電量關(guān)系上：因此電機確定后，結(jié)構(gòu)參數(shù)確定〔不變〕，那么有，要維持Фm=C,要求El/fl=C,即El隨fl線性變化，但E1為電機內(nèi)