机电运动控制系统离线作业(必)

浙江大学远程教育学院《机电运动控制系统》课程作业（必做）姓名：学号：年级：2014秋学习中心：玉环学习中心—————————————————————————————1.直流电机有哪些调速方法?根据其速度公式说明之,并说明如何釆用电力电子手段实现。答：根据直流电动机转速公式n=(Ua-RaIa)/Ce,电机调速方法有（1）调压调速——调节电枢电压Ua，使电机转速在宽广的范围内平滑变化；采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电和自关断器件H型桥脉宽调(PWM)供电等方式,其损耗小，控制性能好。（2）弱磁调速——改变励磁磁通大小使转速变化，但基于电机铁磁饱和考虑只能在额定速度以上通过弱磁作升速运行，限制了调速范围；采用电力电子手段时，有晶闸管可控整流器供电励磁控制。（3）串电阻调速——通过增大电枢电阻aR实现调速，但伴随有巨大的功率损耗、发热和运行下降，很少采用。2.画出双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图（非方块图），须清楚表达两个闭环的关键元件，写出各部分名称，标注有关信号量；指出两闭环连接上的特点及相互关系。答：双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统电原理图如下：两闭环连接上的关系是速度调节器的输出作为电流调节器的输入，这就使得该系统具有由速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流的特点。3.分析双闭环晶闸管—直流电动机不可逆调速系统：(1)如果要改变转速，应调节什么参数？为什么？(2)如要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节什么参数？为什么？答:(1)改变转速时只能改变速度调节器的输入ug，因为它是速度环的指令信号。改变速度调节器的参数对稳态速度无调节作用，仅会影响动态响应速度快慢。(2)要控制系统的起动电流、确保系统运行安全，应调节速度调节器的输出限幅值。因为速度调节器的输出限幅值确定了电流环的给定值，进而确定了系统的最大电流。Ufn=04.填空:双闭环晶闸管━直流电动机调速系统中，内环为＿电流控制＿环，外环为＿＿速度控制＿＿环，其连接关系是：＿速度调节器＿的输出作为＿电流调节器＿的输入，因此外环调节器的输出限幅值应按＿调速系统允许最大电流＿来整定；内环调节器的输出限幅值应按＿可控整流器晶闸管最大、最小移相触发角＿来整定。两调节器均为＿PI＿型调节器，调速系统能够做到静态无差是由于调节器具有＿积分记忆＿功能；能实现快速动态调节是由于调节器具有＿饱和限幅＿功能。5.在转速、电流双闭环系统中，速度调节器有哪些作用？其输出限幅值应按什么要求来调整？电流调节器有哪些作用？其输出限幅值应如何调整？答：速度调节器用于对电机转速进行控制，以保障：①调速精度，做到静态无差；②机械特性硬，满足负载要求。速度调节器输出限幅值应按调速系统允许最大电流来调整，以确保系统运行安全(过电流保护)电流调节器实现对电流的控制，以保障：①精确满足负载转矩大小要求(通过电流控制)；②调速的快速动态特性(转矩的快速响应)。电流调节器的输出限幅作为可控整流器晶闸管的移相触发电压，其限幅值决定了触发角的移相范围，故应按αmin-αmax来调整。6.双闭环调速系统正常工作时，调节什么参数可以改变电动机转速？如果速度闭环的转速反馈线突然断掉，会发生什么现象？电动机还能否调速？答：(1)双闭环调速系统正常工作时，只有调节速度给定信号gu才可以改变电动机转速。而改变速度调节器的参数(如比例系数、积分时间常数)均无作用，改变负载大小也不能影响转速，因为是速度闭环系统，不论负载大小均速度无差。(2)转速反馈线突然断掉时，ufn=0，使△un=ug-ufn=ug很大，速度调节器饱和限幅输出，调速系统以最大电流、最大转矩加速，直至电磁转矩与负载转矩、阻尼转矩相平衡，达到最高转速而恒定，故电动机不可调速。7.以双闭环直流调速系统两个闭环之间连接上的特点及各个闭环的功能为依据，详细解释下图所示从静止起动至给定转速ng并带负载（以负载电流IL表示）的过程，即说明(1)、(2)、(3)阶段转速n、电枢电流id的变化规律。答：(1)起动特征：①id由0Idmax（限幅值）②ST、LT全部饱和限幅，蜕化为限幅器，系统实为速度、电流双开环过程电机静止，Ufn=0,给定ug突加，△un=ug很大，ST饱和，un输出限幅，无PI调节作用；②流给定nu为限幅值→对应电流指令Idmax；但电流未建立，ufi=0，LT输入△un=un，LT饱和，输出uk限幅，推α=αmin，至使Udmax→Idmax→Tmax加速n。③因转子惯性，nng(2)加速特征①Id=Idmax恒定（电流调节结果，非限幅）②ST饱和限幅，LT作PI调节，实为电流单闭环系统。过程①ngn→fnugu→fngnuuu很大→ST仍饱和限幅，无调节作用。②ST输出nu为限幅值→使LT以maxdI为指令值→电流闭环不断调节整流触发角α→动态地保持maxddII，维持与给定无差——“动态平衡”③动态平衡过程：随n↑→nCEe→dddREUI→原定α（dU）下dI将↓→反馈fiu↓→finiuuu↑→经LTPI调节后，ku↑→α↓→maxddII并维持不变④电机以恒定maxdI、maxT加速，n↑。(3)PI调节至稳定特征①转速稳定至gnn，电流稳定至LdII（对应）；②ST、LT均作PI调节，真正速度、电流双闭环工作。过程①首先分析进入本阶段开始点的初值情况A．速度：上阶段末加速至gnn→gfnuu→ST输入0nu；但PI型ST的积分（记忆）作用使ST输出0nu→仍暂作饱和输出→电流指令为maxddII。B．电流：上阶段末maxddII，与指令相同→nfiuu→0iu→PI型LT的积分（记忆）作用使LT输出0ku→迫使移至能产生maxddII的位置。LT②故以Id=Idmax进入(3)，会用T=Tmax驱动而加速过头，出现n＞ng——转速超调③超调时调节器反向积分→ST退出饱和，进入PI调节命令输出其中LdII时，n（超调）最大，以后n。④由于电磁惯性，可能达电机进入制动→n→E↓→REUIdd回升，重新回到gnn（平衡）⑤经几次振荡，PI调节达平衡→虽0nu,0iu，但PI调节器积分记忆功能使0ku→推至适当位置→产生合适Ud、Id、T→保证系统静态无差运行。8.在直流可逆调速系统中，主回路为何需要双桥反并联？答：在直流可逆系统中，要求电磁转矩具有两种方向，以实现四象限运行单桥只能提供单一方向电枢电流→产生单一方向电磁转矩；转矩为正0T0T转矩为负正转电动0T0n0n0T正转制动反转电动反转制动taTCIC电流为正0aI0aI电流为负0PIgngfnnnuuunudmaxdIILTkdduUITdIdLLIITTMdUdIEM'dUdIE双桥反并联才能提供两个方向电枢电流，产生两个方向电磁转矩，构成可逆系统主电路。9.图示为直流电动机脉宽调制(PWM)调速系统主电路(H型桥)，各功率开关元件编号及电机反电势Ea方向如图。当采用双极性脉宽调制时:⑴画出VTl～VT4基极控制信号ubl～ub4及电机端电压Ua波形；⑵说明为何叫双极性？如何实现正、反转？何时速度为零？答：正半周（）电机电压UA0（B→A）负半周（）电机电压UA0（A→B）即一个周期内可获得两个方向电压极性，称双极性。正/反转控制只需改变t1位置（占空比γ），方便:11/2,0/2,0AAtTUtTU平均值电机正转平均值电机反转10tt1ttTVTl～VT4基极信号ubl～ub4及电机端电压Ua波形10.图示为直流电动机脉宽调制(斩波)调速系统主电路(H型桥)，各功率开关元件编号及电机反电势Ea方向如图。当采用双极性脉宽调制时,分析:①不同时刻的导通元件及导通原因;②画出各阶段的电流路径及维持电流的源泉(电源电压、电枢反电势、自感电势等)③电机运行状态(电动、能耗制动、再生制动、反接制动等)及其原因。答：工作过程（设）（1）在作用下，形成电流路径Ⅰ→反向→电机作电动运行（2）21ttt→VT1、VT4断，切断电源；→应VT2、VT3通，→但电枢电感自感电势作用维持电流方向不能突变→VD2、VD3通→续流→VT2、VT3反偏，断→形成电流saUE10tt1,4142,3230,0,bbuVTVTuVTVT通断()0saUE,aaIEMVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4ABSUIaEaIIIMVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4ABSUIaEaIII1,40bu2,30bu/aLdidtsUaI路径Ⅱ→与反向→电机仍作电动运行→使很快衰减为零，为换向创造条件（设在时刻断流）。（3）时刻路径Ⅱ断流→VD2、VD3断→VT2、VT3反偏消失，通→在（）作用下产生大值冲击电流形成电流路径III→同向→电机作反接制动至下周期（）时刻（4）→但在续流及反电势共同作用下电流方向不变→VD1、VD4通→形成电流路径Ⅳ→同向→再生制动（能量回馈电源）→直至（），路径Ⅳ断流→VT1、VT4得以导通，进入下一周期输出电压一周期内瞬时电压为双极性方波，平均值负载电压系数11.异步电机有哪些调速方法？从转速公式上进行分类说明。这些调速方法又各采用什么样的电力电子手段来实现？答：异步电机调速方法可按其速度公式来分类：(1)变同步速度调速pfns160,具体有:①变频调速。可采用直-交变换的逆变器戓交-交变频器改变电机供电频率fl。aIaE/aLdidtaI12ttTaIMVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4ABSUIVaEIII2ttT2tsaUEsaaUEIR,aaIE1Tt1TtTt2,3231,41400bbuVTVTuVTVT断应通、、/aLdidtaEaaIE、sU/aaELdidtsUaIMVT1VT2VT3VT4VD1VD2VD3VD4ABSUIVaEIIIUAsUUA1tTts-U111()(21)AsssstTttUUUUUTTT121=-1~0~+1AsUtUT(1)sn-sn②变极调速。需同时改变定、转子极对数，故只适合鼠笼式异步电机。(2)变转差率S调速。这是一种改变转子滑差功率消耗的调速方式。具体有：①交流调压调速采用双向晶闸管构成的交流固态调压器实现。②转子串电阻调速，仅适合绕线式异步电机。③串级调速，绕线式异步电机转子中串入与转子同频的电势吸收或补充滑差功率来实现速度的调节，采用不控整流器一有源逆变器装置。④双馈调速，绕线式异步电机转子中采用功率可双向流动变频装置，实现同步速上、下的调速和四限象运行。12.鼠笼式异步电机采用调压调速时，适合拖动什么样的负载？为什么？答：鼠笼式异步电机采用调压调速时，适合于拖动风机、水泵类负载，这类负载的转矩与转速平方成正比，功率与转速三次方成正比。调压调速的特性与这类负载特性很匹配，主要从转子发热能通过来考虑。用于调压调速的异步电机应是高转子电阻电机（高滑差电机，转子串电阻绕线式异步电机）,这是基于以下考虑:(1)限制转子发热（滑差功率消耗型调速）：转子发热与滑差消耗有关，而Ps=sPM,与s即调速范围有关。而风机/水泵调速范围不宽（100～70%），两者特性相配(2)高转子电阻能软化异步电机的T-S曲线，扩大调速范围13.交－直－交变频调速系统：（1）六阶梯波逆变器中，①改变Ul依靠调节＿可控整流器＿的移动相触发角＿＿来实现，②改变f1依靠调节＿＿逆变器晶闸管换流快慢（频率）＿来实现，③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，①改变Ul依靠调节＿＿正弦调制波幅值来实现，②改变f1依靠调节＿＿正弦调制波频率＿来实现，③改变电机转向依靠改变＿逆变器开关元件驱动脉冲的分