機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)離線作業(yè)必

1、浙江大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程作業(yè)（必做）姓名：嚴(yán)超學(xué) 號(hào)：716081202003年級(jí)：16秋電氣學(xué)習(xí)中心：武義1. 直流電機(jī)有哪些調(diào)速方法? 根據(jù)其速度公式說(shuō)明之, 并說(shuō)明如何釆用電力電子手段實(shí)現(xiàn)。答：根據(jù)直流電機(jī)速度公式 ，有（1）電樞電壓Ua控制-調(diào)壓調(diào)速（向下調(diào)速）：采用電力電子手段時(shí)，有晶閘管可控整流器供電和自關(guān)斷器件H型橋脈寬調(diào)制（PWM）供電等方式，其損耗小，控制性能好。（2）磁場(chǎng)控制-弱磁（向上調(diào)速），采用電力電子手段時(shí)，有晶閘管可控整流器供電勵(lì)磁控制。（3）由于運(yùn)行損耗大、效率低，一般不再采用串Ra調(diào)速。2. 畫(huà)出雙閉環(huán)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)電原理圖（非方

2、塊圖），須清楚表達(dá)兩個(gè)閉環(huán)的關(guān)鍵元件，寫(xiě)出各部分名稱(chēng)，標(biāo)注有關(guān)信號(hào)量；指出兩閉環(huán)連接上的特點(diǎn)及相互關(guān)系。答：雙閉環(huán)晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如下：兩閉環(huán)連接上的關(guān)系是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，這就使得該系統(tǒng)具有由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值確定了電流環(huán)的給定值，進(jìn)面確定了系統(tǒng)的最大電流的特點(diǎn)。3. 分析雙閉環(huán)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)不可逆調(diào)速系統(tǒng)： (1) 如果要改變轉(zhuǎn)速，應(yīng)調(diào)節(jié)什么參數(shù)？為什么？ (2) 如要控制系統(tǒng)的起動(dòng)電流、確保系統(tǒng)運(yùn)行安全，應(yīng)調(diào)節(jié)什么參數(shù)？為什么？答：（1）改變轉(zhuǎn)速時(shí)只能改變速度調(diào)節(jié)器的輸入ug，因?yàn)樗撬俣拳h(huán)的指令信號(hào)。改變速度調(diào)節(jié)哭的參數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)速度無(wú)調(diào)

3、節(jié)作用，僅會(huì)影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快慢。(2)要控制系統(tǒng)的起動(dòng)電流、確保系統(tǒng)運(yùn)行安全，應(yīng)調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值。因?yàn)樗俣日{(diào)節(jié)器的輸出限幅值確定了電流環(huán)的給定值，進(jìn)而確定了系統(tǒng)的最大電流。4. 填空 : 雙閉環(huán)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，其連接關(guān)系是：速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器 的輸入，因此外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出限幅值應(yīng)按調(diào)速系統(tǒng)允許最大電流 來(lái)整定；內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出限幅值應(yīng)按可控整流器晶閘管最大、最小移相觸發(fā)角來(lái)整定。兩調(diào)節(jié)器均為PI型調(diào)節(jié)器，調(diào)速系統(tǒng)能夠做到靜態(tài)無(wú)差是由于調(diào)節(jié)器具有積分（記憶）功能；能實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)是由于節(jié)器具有飽和限幅功能。5. 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)

4、系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器有哪些作用？其輸出限幅值應(yīng)按什么要求來(lái)調(diào)整？電流調(diào)節(jié)器有哪些作用？其輸出限幅值應(yīng)如何調(diào)整？答：速度調(diào)節(jié)器用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以保障：調(diào)速精度，做至靜態(tài)無(wú)差；機(jī)械特性硬，滿足負(fù)載要求。 速度調(diào)節(jié)器輸出限幅值應(yīng)按速系統(tǒng)允許最大電流來(lái)調(diào)整，以確保系統(tǒng)運(yùn)行安全（過(guò)電流保護(hù)）電流調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，以保障：精確滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小要求（通過(guò)電流控制）；調(diào)速的快速動(dòng)態(tài)特性（轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)）。 電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅作為可控整流器晶閘管的移相觸發(fā)電壓，其限幅值決定了觸發(fā)角的移相范圍，故應(yīng)按min-max來(lái)調(diào)整。6. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)什么參數(shù)可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速？如果速度閉環(huán)的

5、轉(zhuǎn)速反饋線突然斷掉，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？電動(dòng)機(jī)還能否調(diào)速？答：（1）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時(shí)，只有調(diào)節(jié)速度給定信號(hào)ug才可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。而改變速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)（如比例系數(shù)，積分時(shí)間常數(shù)）均無(wú)作用，改變負(fù)載大小也不能影響 轉(zhuǎn)速，因?yàn)槭撬俣乳]環(huán)系統(tǒng)，不論負(fù)載大小均速度無(wú)差。（2）轉(zhuǎn)速反饋線突然斷掉時(shí)，ufn=0，使un=ug-ufn=ug很大，速度調(diào)節(jié)器飽各限幅輸出，調(diào)速系統(tǒng)以最大電流、最大轉(zhuǎn)矩加速，直至電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩、阻尼轉(zhuǎn)矩相平衡，達(dá)到最高轉(zhuǎn)速而恒定，故電動(dòng)機(jī)不可調(diào)速。7. 以雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)閉環(huán)之間連接上的特點(diǎn)及各個(gè)閉環(huán)的功能為依據(jù)，詳細(xì)解釋下圖所示 從靜止起動(dòng)至給定轉(zhuǎn)速ng并帶負(fù)

6、載（以負(fù)載電流IL表示）的過(guò)程，即說(shuō)明(1)、(2)、(3) 階段轉(zhuǎn)速n、電樞電流id 的變化規(guī)律。答：（1）起動(dòng)特征：id由 （限幅值）ST、LT全部飽各限幅，蛻化為限幅器，系統(tǒng)實(shí)為速度、電流雙開(kāi)環(huán)過(guò)程：電機(jī)靜止，ufn=0電流給定un為限幅值，對(duì)應(yīng)電流指令I(lǐng)dmax；但電流未建立，ufi=0,LTl輸入ui=un，LT飽和，輸出uk限幅，推=min，至使因轉(zhuǎn)子慣性，nng過(guò)程：（3）PI調(diào)節(jié)至穩(wěn)定特征： 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至n=ng，電流穩(wěn)定至Id=IL(對(duì)應(yīng)TL)； ST、LT均作PI調(diào)節(jié)，真下速度、電流雙閉環(huán)工作。過(guò)程： 首先分析進(jìn)入本階段開(kāi)始點(diǎn)的初值情況8. 在直流可逆調(diào)速系統(tǒng)中，主回路為何需

7、要雙橋反并聯(lián)？答：在直流可逆系統(tǒng)中，要求電磁轉(zhuǎn)矩具有兩種方向，以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行9. 圖示為直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)速系統(tǒng)主電路(H型橋)，各功率開(kāi)關(guān)元件編號(hào)及電機(jī)反電勢(shì)Ea方向如圖。當(dāng)采用雙極性脈寬調(diào)制時(shí): 畫(huà)出VTl VT4 基極控制信號(hào)ubl ub4及電機(jī)端電壓Ua波形； 說(shuō)明為何叫雙極性？如何實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)？何時(shí)速度為零？答：正半周（0=t0(B A) 負(fù)半周（t1=tT）電機(jī)電壓UA0(B A) 即一個(gè)周期內(nèi)可獲得兩個(gè)方向電壓極性，稱(chēng)雙極性。正/反轉(zhuǎn)控制只需改變t1位置（占空比），方便：10. 圖示為直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制(斬波)調(diào)速系統(tǒng)H型橋主電路，各功率開(kāi)關(guān)元件編號(hào)及電機(jī)反電勢(shì)Ea

8、方向如圖。當(dāng)采用雙極性脈寬調(diào)制時(shí),分析: 不同時(shí)刻的導(dǎo)通元件及導(dǎo)通原因； 畫(huà)出各階段的電流路徑及維持電流的源泉(電源電壓、電樞反電勢(shì)、自感電勢(shì)等)； 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)(電動(dòng)、能耗制動(dòng)、再生制動(dòng)、反接制動(dòng)等)及其原因。11. 異步電機(jī)有哪些調(diào)速方法？ 從轉(zhuǎn)速公式上進(jìn)行分類(lèi)說(shuō)明。這些調(diào)速方法又各采用什么樣的電力電子手段來(lái)實(shí)現(xiàn)？答：異步電機(jī)調(diào)速方法可按其速度公式n=(1-s)ns來(lái)分類(lèi)：（1）變同步速調(diào)速 ns=60f1/p，具體有：變頻調(diào)速?？刹捎弥?交變換的逆變器或交-交變頻器改變電機(jī)供電頻率f1。變極調(diào)速：需同時(shí)改變定、轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，故只適合鼠籠式異步電機(jī)。（2）變滑差S調(diào)速。這是一種改變轉(zhuǎn)子滑差功

9、率消耗的調(diào)速方式。具體有：交流調(diào)壓調(diào)速。采用雙向晶閘管構(gòu)成的交流固態(tài)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，僅適合繞線式異步電機(jī)。串級(jí)調(diào)速，繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子中串入與轉(zhuǎn)子同頻的電勢(shì)吸收或補(bǔ)充滑差功率來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，采用不控整流器-有源逆變器裝置。雙饋調(diào)速，繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子中采用功率可雙向流動(dòng)變頻裝置，實(shí)現(xiàn)同步速上下的調(diào)速和四限象運(yùn)行。 12. 鼠籠式異步電機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速時(shí)，適合拖動(dòng)什么樣的負(fù)載？為什么？答：鼠籠式異步電機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速時(shí)，適合于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載，這類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比。調(diào)壓調(diào)速的特性與這類(lèi)負(fù)載特性很匹配，主要從轉(zhuǎn)子發(fā)熱能通過(guò)來(lái)考慮。用于調(diào)壓調(diào)速的異步電

10、機(jī)應(yīng)是高轉(zhuǎn)子電阻電機(jī)（高滑差電機(jī)，轉(zhuǎn)子串電阻繞線式異步電機(jī)），這是基于以下考慮：（1）限制轉(zhuǎn)子發(fā)熱（滑差功率消耗型調(diào)速）：轉(zhuǎn)子發(fā)熱與滑差消耗有關(guān)，而PS=S PM與S,即調(diào)速范圍有關(guān)。而風(fēng)機(jī)/水泵調(diào)速范圍不寬（100-70%），兩者特性相配。（2）高轉(zhuǎn)子電阻能軟化異步電機(jī)的T-S曲線，擴(kuò)大調(diào)速范圍。13. 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)：（1）六階梯波逆變器中， 改變Ul 依靠調(diào)節(jié)可控整流器的移相觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)， 改變f1依靠調(diào)節(jié)逆變器晶閘管換流快慢（頻率） 來(lái)實(shí)現(xiàn)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)向依靠改變 逆變器晶閘管觸發(fā)脈沖的分配規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）在正弦脈寬調(diào)制型SPWM逆變器中， 改變Ul 依靠調(diào)節(jié) 正弦調(diào)制波幅值 來(lái)實(shí)

11、現(xiàn)，改變f1依靠調(diào)節(jié)逆變器晶閘管換流快慢（頻率） 來(lái)實(shí)現(xiàn)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)向依靠改變逆變器開(kāi)關(guān)元件驅(qū)動(dòng)脈沖的分配規(guī)律 來(lái)實(shí)現(xiàn)。14. 異步電機(jī)非正弦供電下，存在兩種諧波轉(zhuǎn)矩： 1) 恒定諧波轉(zhuǎn)矩， 性質(zhì) ：(a)異步轉(zhuǎn)矩性質(zhì) (b)恒定轉(zhuǎn)矩，但數(shù)值很小，其影響可忽略； 產(chǎn)生機(jī)理是氣隙磁通中諧波磁通（激勵(lì)） 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 。 (2) 交變諧波轉(zhuǎn)矩， 性質(zhì)：(a)脈振轉(zhuǎn)矩（基波的六倍頻）， (b)非恒定轉(zhuǎn)矩（不同極對(duì)數(shù)磁場(chǎng)作用產(chǎn)生），平均值為零，（c）但低速（低頻）時(shí)脈動(dòng)幅值大，會(huì)造成口聲、振動(dòng)、影響大；產(chǎn)生機(jī)理是不同次數(shù)諧波磁場(chǎng)與基波磁場(chǎng)的相互作用結(jié)果。幅值最

12、大低次（5、7次）諧波電流 建立5、7次諧波磁場(chǎng) 轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出5、7次轉(zhuǎn)子諧波電流。其中5次諧波轉(zhuǎn)子電流（磁勢(shì)）以51反轉(zhuǎn)，基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以1正轉(zhuǎn)，兩者相對(duì)速度為61 。7次諧波轉(zhuǎn)子電流（磁勢(shì)）以71 正轉(zhuǎn)，基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以1 正轉(zhuǎn)，兩者相對(duì)速度為61 。均產(chǎn)生六位頻諧波轉(zhuǎn)矩。15. 變流器非正弦供電對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能有何影響？16. 在設(shè)計(jì)及選用變流器非正弦供電電機(jī)時(shí), 應(yīng)作如何考慮？17. 變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器有電壓源逆變器（VSI）及電流源逆變器（CSI）之分，試從以下三方面對(duì)比說(shuō)明其差異，并詳細(xì)說(shuō)明其理由： 直流環(huán)節(jié)所用濾波元件及造成的電源內(nèi)阻特性上； 功率開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通型式及造成的輸出電壓、

13、電流特性上； 拖動(dòng)多機(jī)及四象限運(yùn)行能力上。答：18. 在 采用六階梯波 ( 方波 ) 逆變器構(gòu)成的交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，分別闡述： 改變電機(jī)端電壓依靠調(diào)節(jié)什么來(lái)實(shí)現(xiàn)？ 改變電機(jī)運(yùn)行頻率依靠調(diào)節(jié)什么來(lái)實(shí)現(xiàn)？ 改變電機(jī)轉(zhuǎn)向又是依靠什么來(lái)實(shí)現(xiàn)？答：19. 按電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)方式區(qū)分,交直交變頻器有幾種結(jié)構(gòu)形式? 圖示說(shuō)明。答：20. 在采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制）逆變器構(gòu)成的交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)中，分別闡述： 改變電機(jī)端電壓依靠調(diào)節(jié)什么來(lái)實(shí)現(xiàn)？ 改變電機(jī)運(yùn)行頻率依靠調(diào)節(jié)什么來(lái)實(shí)現(xiàn)？ 改變電機(jī)轉(zhuǎn)向又是依靠什么來(lái)實(shí)現(xiàn)？答21. PWM型變頻器輸出電壓的幅值和頻率是如何調(diào)節(jié)的？分別就正弦脈寬

14、調(diào)制(SPWM)和磁鏈追蹤控制(SVPWM)兩種不同方式作出說(shuō)明。答：22. 脈寬調(diào)制(PWM)變頻器與方波(六階梯波) 變頻器相比有何優(yōu)點(diǎn)？正弦脈寬調(diào)制(SPWM)變頻器如何獲得正弦脈寬的輸出電壓？又如何實(shí)現(xiàn)輸出頻率和輸出電壓大小的調(diào)節(jié)。答：脈寬調(diào)制（PWM）變頻器與方波（六階梯波）變頻器相比優(yōu)點(diǎn)是輸出特性好，即輸出基波成分大、諧波成分小，特別是高頻化，無(wú)低次諧波，因而易于濾波。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變頻器要獲得正弦脈寬的輸出電壓可采用自然樣法的調(diào)制技術(shù)，即采用正弦調(diào)制波與等腰三解形載波相交、交點(diǎn)決定逆變器功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)刻的方式得到正弦脈寬的輸出電壓。調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波的頻率可實(shí)現(xiàn)逆變器輸出頻率的調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)正弦調(diào)制波的幅值可實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓大小的調(diào)節(jié)。23. 異步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，電機(jī)端電壓應(yīng)如何變化? 圖示說(shuō)明之。答：24. 畫(huà)出頻率開(kāi)環(huán)、電壓源(SPWM)逆變器異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖(包括詳細(xì)的主電路、控制電路)，說(shuō)明 主功率開(kāi)關(guān)器件旁為何必須反并聯(lián)續(xù)流二極管？答