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1、机电运动控制系统( 习题集 2) 必做作业1. 交直交变频调速系统：（1）六阶梯波逆变器中， 改变 Ul 依靠调节可控整流器的移相触发角来实现， 改变 f1 依靠调节逆变器晶闸管换流快慢(频率) 来实现，改变电机转向依靠改变 逆变器晶闸管触发脉冲的分配规律来实现。（2）在正弦脉宽调制型 SPWM 逆变器中， 改变 Ul 依靠调节正弦调制波幅值来实现，改变 f1 依靠调节 正弦调制波频率 来实现，改变电机转向依靠改变逆变器开关元件驱动脉冲的分配规律 来实现。2. 异步电机非正弦供电下，存在两种谐波转矩：(1) 恒定谐波转矩， 性质 ：(a)异步转矩性质， (b)恒定转矩，但数值很小，其影响可忽略
2、； 产生机理是气隙磁通中谐波磁通（激励）转子中感应出同次谐波电流（响应）相互作用产生的谐波转矩 。(2) 交变谐波转矩， 性质：(a)脉振转矩(基波的六倍频，(b)非恒定转矩(不同极对数磁场作用产生)，平均值为零 ，(c) 但低速（低频）时脉动幅值大，会造成噪声、振动，影响大；产生机理是不同次数谐波磁场与基波磁场的相互作用结果。幅值最大低次(5、7 次)谐波电流建立 5、7 次谐波磁场转子中感应出 5、7 次转子谐波电流。其中 5 次谐波转子电流（磁势）以 51 反转，基波旋转磁场以 1 正转，两者相对速度为 61。 7 次谐波转子电流（磁势）以 71 正转，基波旋转磁场以1 正转，两者相对速
3、度为 61。均产生出六倍频谐波转矩。3. 变流器非正弦供电对电机运行性能有何影响？答：变流器非正弦供电对电机运行性能的影响有:(1) 磁路工作点: 使六阶梯波电压源供电电机气隙磁密比正弦波供电时大 10%, 磁路将饱和，使力能指标 ，cos 设计非正弦电压源供电电机时，其磁路设计和空载试验须提高电压 10%，以计及谐波磁场的饱和效应(2)电流中的谐波将使槽电流增大（1.1 倍） ，槽磁势增大，漏磁路饱和，使定子漏抗减小（1520）%(3)转子参数:谐波滑差 Sk = 1 ，转子频率 f2 = Sk f1 = f1 为高频，转子集肤效应严重。转子电阻增大；转子电流挤向槽口，分布不均，槽漏抗减小。
4、(4)功率因数: 电流谐波增大电流有效值提高磁路饱和程度 增加励磁电流cos 降低(5)损耗与效率: 变频器非正弦供电时，谐波电流增加了损耗、降低了效率。但变化趋势与变频器型有关:电压源型逆变器供电时, 谐波电流大小及产生的谐波损耗 p 不随负载 2 变化而恒定, 造成: 轻载时，多；满载时， 少（2%）电流源型逆变器供电时, 电流中各次谐波含量比例确定，大小随负载变,造成: 满载时，损耗增大，、cos 多；轻载时，损耗较小，、cos少。(6) 谐波转矩恒定谐波转矩气隙磁通中谐波磁通与在转子中感应出同次谐波电流相互作用产生的异步性质谐波转矩,其值恒定但很小（1%T N）,影响可忽略。脉动转矩不
5、同次数谐波磁场(主要是幅值最大的 5、7 次) 与基波磁场的相互作用产生出六倍频谐波转矩.其性质为脉振转矩,平均值为零。(7) 电应力非正弦电压波形上电压变化梯度大,绕组进线第一匝电容小、容抗大，将承受 40%的过电压（电位梯度） ，使绝缘因电晕而老化、击穿。(8) 轴电流:零序电压 U0 作用在零序回路上, 形成流过轴、轴承的轴电流.变频器供电时，其中谐波电压频率高，容性零序阻抗小，轴电流大。流过轴承，破坏油膜稳定生成，形成干磨擦，烧毁电机，成为变频电机常烧轴承的原因.4. 在设计及选用变流器非正弦供电电机时, 应作如何考虑？答:在设计及选用变流器非正弦供电电机时, 应考虑的对策是： 电压源
6、型变流器供电时, 因变频器输出电压谐波含量确定，要设计或选用漏抗大电机来限制谐波电流的产生恶果。 电流源型变流器供电时, 因变频器输出电流谐波含量确定，要设计或选用漏抗小电机来限制谐波电压的产生及恶果。5. 变频调速系统中，逆变器有电压源逆变器（VSI）及电流源逆变器（ CSI）之分，试从以下三方面对比说明其差异，并详细说明其理由： 直流环节所用滤波元件及造成的电源内阻特性上； 功率开关元件导通型式及造成的输出电压、电流特性上； 拖动多机及四象限运行能力上。答: (1) 直流环节所用滤波元件及造成的电源内阻特性上： 电压源型逆变器: 采用大电容滤波，逆变器电源内阻呈现低内阻特性，使输出电压不随
7、负载电流改变而稳定。 电流源型逆变器: 釆用大电感滤波，逆变器电源内阻呈现高内阻特性，使输出电流稳定，输出电压随负载电流变。 功率开关元件导通型式及造成的输出电压、电流特性上： 电压源型：180 度导通型（每管导通半周期）,换流在同相上、下桥臂元件间进行，任何时刻均有三管导通，使三相电压确定。 电流源型：120 度导通型（每管导通 1/3 周期）,换流在同组（共阳或共阴组）的三相元件间进行，任何时候只有两管导通，使三相电流确定。 拖动多机及四象限运行能力上： 电压源型：大电容滤波，直流母线电压极性不能改变，两桥开关元件单向导电性决定了直流电流流向不能变，功率只能从电网流向电机，电机只能作电动运
8、行，故无四象限运行能力 电流源型：虽两桥开关元件单向导电性决定直流电流流向不能改变，但大电感滤波下直流母线电压极性允许改变，故有四象限运行能力。6. 在 采用六阶梯波 ( 方波 ) 逆变器构成的交一直一交变频调速系统中，分别阐述： 改变电机端电压依靠调节什么来实现？ 改变电机运行频率依靠调节什么来实现？ 改变电机转向又是依靠什么来实现？答： 改变电机端电压依靠调节可控整流器的输出直流电压来实现； 改变电机运行频率依靠调节逆变器晶闸管换流快慢(频率)来实现； 改变电机转向又是依靠逆变器晶闸管触发脉冲的分配来实现。7. 按电压与频率协调控制的实现方式区分,交直交变频器有几种结构形式? 图示说明。答
9、: （1）可控整流器调压 + 逆变器变频 形式:釆用可控整流器相控调压, 改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频。（2）不控整流器整流 + 斩波器调压 + 逆变器变频 形式:釆用不控整流改善输入特性, 但输出直流电压 Ud 恒定，故采用斩波器脉宽调制调压; 仍釆用六脉波逆变器, 改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频, 但输出特性差。（3）不控整流器整流 + PWM 逆变器调压/变频 形式:逆变器采用高频自关断器件, 提高逆变器开关频率，使最低次谐波频率提高, 削弱了谐波负面影响; 同时釆用正弦脉宽调制（ PWM）控制，使输出电压以正弦基波为主, 大大改善了输出特性。答：采用 SPWM（正弦脉
10、宽调制）逆变器构成的交一直一交变频调速系统中： 改变电机端电压依靠调节正弦调制波幅值来实现； 改变电机运行频率依靠调节正弦调制波频率来实现； 改变电机转向又是依靠改变三相正弦调制波的相序来实现，也可认为是通过变化逆变器功率开关元件的分配次序来实现。8. 在采用 SPWM（正弦脉宽调制）逆变器构成的交一直一交变频调速系统中，分别阐述： 改变电机端电压依靠调节什么来实现？ 改变电机运行频率依靠调节什么来实现？ 改变电机转向又是依靠什么来实现？9. PWM 型变频器输出电压的幅值和频率是如何调节的？分别就正弦脉宽调制(SPWM) 和磁链追踪控制(SVPWM)两种不同方式作出说明。(1) SPWM：
11、改变正弦调制波的频率，调节 PWM 波脉宽变化周期，即频率； 改变正弦调制波的幅值，调节 PWM 波脉冲宽度，即电压大小(2) SVPWM设基频为 1N12f基频以下 ：采用零矢量控制 磁链圆大小恒定-恒磁通控制基频 ：不用零矢量，有效矢量作用时间额定基频以上 ：不用零矢量，减少有效矢量作用时间磁链圆变小（弱磁控制） ，转速变快10.脉宽调制(PWM) 变频器与方波 (六阶梯波) 变频器相比有何优点？正弦脉宽调制 (SPWM)变频器如何获得正弦脉宽的输出电压？又如何实现输出频率和输出电压大小的调节。答:脉宽调制(PWM)变频器与方波 (六阶梯波)变频器相比优点是输出特性好，即输出基波成分大、谐
12、波成分小，特别是谐波高频化，无低次谐波，因而易于滤波。正弦脉宽调制(SPWM)变频器要获得正弦脉宽的输出电压可采用自然采样法的调制技术，即采用正弦调制波与等腰三角形载波相交、交点决定逆变器功率器件开关时刻的方式得到正弦脉宽的输出电压。调节正弦调制波的频率可实现逆变器输出频率的调节，调节正弦调制波的幅值可实现逆变器输出电压大小的调节。11. 异步电机变频调速时，电机端电压应如何变化? 图示说明之。答: Ul 随频率 f1 的变化规律是:(1) 基频以下 ( f1 f1N): 保持 Ul= C, 则隨 f1 上升, U 1N/ f1 下降, 电机作弱磁控制, 实现恒功率运行。12. 画出频率开环、
13、电压源(SPWM) 逆变器异步电机变频调速系统原理图 (包括详细的主电路、控制电路)，说明 主功率开关器件旁为何必须反并联续流二极管？1N1N答: 频率开环、电压源(SPWM)逆变器异步电机变频调速系统原理如右图所示。由于异步电机是一种需要感性无功功率的交流电机，电机电流落后于电压。为给落后的感性无功电流提供通路，必须在逆变器主功率开关器件旁反并联续流二极管。 13. 频率开环、电压源(SPWM)逆变器异步电机变频调速系统中：(1) 两个控制通道各自如何工作的？相互间如何协调的？靠什么单元协调？画出该单元的输入、输出关系曲线，并作合理说明；(2) 如何形成 SPWM 调制控制(如何变频、调压)？答:(1) 控制系统分为频率控制通道和电压控制通道，其总信号为速度给定。速度给定的正、负分别表示正、反转，速度给定绝对值代表速度高低。为避免给定突变引起电流、转矩的冲击，采用给定积分器将阶跃给定变为斜坡给定。为简化频率通道及电压通道的运
