交直流调速

1．试述交流异步电动机调速的方法，分类及其特点。常见的交流调速方法有：①降压调速；②电磁转差离合器调速；③绕线型异步电动机转子回路串电阻调速；④绕线型异步电动机串级调速；⑤变极调速；⑥变压变频调速等等。分类及其特点：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类:1)转差功率消耗型调速系统。这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第①、②、③三种调速方法都属于这一类。这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的。可是结构简单，设备成本最低2)转差功率馈送型调速系统。这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第④种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。3)转差功率不变型调速系统。在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量。2．请叙述交流异步电动机电压频率协调控制的方式及其各自的特点。1)恒压频比（恒值1ωUs）控制。由mNssgskNf.EU1444可知，只要控制好gE和1f，便可达到控制气隙磁通m的目的。当频率1f从Nf1向下调节时，必须同时降低gE，使常值mNNssgkN.fE4441。然而，异步电动机绕组中的电动势是难以直接检测与控制的。当电动势值较高时，可以忽略定子电组和漏感压降，而认为定子相电压gsEU，则得常值1fUs，即恒压频比的控制方式。2)恒定子磁通ms控制。由msNssskNf.E1444可知，只要使常值1fEs，即可保持定子磁通ms恒定。但定子电动势不好直接控制，能够直接控制的只有定子电压sU，其向量差为定子电阻压降，只要恰当地提高定子电压sU，按式ssssEIRU补偿定子电阻压降，以保持常值1fEs，就能够得到恒定子磁通。3)恒气隙磁通m控制。由mNssgkNf.E1444可知，只要维持1ωEg为恒值，即可保持气隙磁通m恒定。由定子电压gslssEILjRU)(1s可知，要维持1ωEg为恒值，除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定子漏抗压降。4)恒转子磁通mr控制。由式mrNss'rkNfE144.4可知，只要维持1ωEr恒定，即可保持转子磁通mr恒定。各自的特点：恒压频比（恒值1ωUs）控制最容易实现，它的机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压，以近似补偿定子阻抗压降。恒定子磁通ms、恒气隙磁通m和恒转子磁通mr的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通ms和恒气隙磁通m的控制方式虽然改善了低速性能，但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制。恒转子磁通mr控制方式可以获得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳。3．请论述电机的恒转矩运行和恒功率运行含义。一般认为，异步电动机在不同转速下允许长期运行的电流为额定电流，即能在允许温升下长期运行的电流，额定电流不变时，电动机允许输出的转矩将随磁通变化。在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式；在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，输出功率基本不变，属于“近似的恒功率调速”方式。4．试述按照中间直流环节的不同，交直交变频器的分类，并分析它们的特点。在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，它们的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。电压源型逆变器，直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。电流源型逆变器，直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。两类逆变器在性能上的差异主要表现：1)无功能量的缓冲。在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。2)能量的回馈用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统实现回馈制动和四象限运行比采用电流源困难。3)动态响应正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。4)输出波形电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。5)应用场合电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。5．请简述变频调速系统中SPWM方法及其实现依据。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制，这种序列的矩形波称作SPWM波。参考正弦波振荡器供给调频、调幅的正弦信号，其频率决定逆变器输出电压的基波频率；幅值决定输出电压的大小。SPWM控制方式又分为单极性控制方式和双极性控制方式。6．写出180六拍阶梯波逆变器8种工作状态与对应的开关代码，其中，ABC三相上、下桥臂的开关管排列分别为135、462。逆变器采用180°导通型，功率开关器件共有8种工作状态，其中6种有效开关状态；2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：上桥臂开关VT1、VT3、VT5全部导通，下桥臂开关VT2、VT4、VT6全部导通，开关状态和代码表表如下：7．变频调速的异步电动机，带额定负载起动，应选用下面哪一个图中的U-f特性，说明理由。0UNUfNf0UNUfNf(a)(b)（b）图因为基频以下调速时，低速时sU和gE都较小，定子电阻和漏感压降所占份量比较显著，不能忽略，gslssEILjRU)(s，mss1gskf44.4NNEU不成立，可以人为将定子电压sU提高一些，以近似补偿定子阻抗压降，称为低频补偿。8．什么是电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术？相对于SPWM和电流滞环控制有什么优点？交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM）控制”。SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形，电流滞环跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，而电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，其效果应该更好；它利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15%9．什么是SPWM逆变器的同步调制和异步调制？为什么要采用分段同步调制？同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。由于同步调制时rf很低时，cf也很低，由调制带来的谐波不易滤除；rf很高时，cf会过高，使开关器件难以承受，而异步调制时当rf增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，为克服上述缺点，把rf范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同，即分段同步调制，这样在rf高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在rf低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。10．试采用线性组合法由空间矢量8732uuuu，，，组成新的电压矢量u，按最小开关损耗原则生成0T区间的三相对称电压，并画出对应电压波形。P14111．结合下图解释异步电机的动态数学模型，及其为什么是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。①见P157的6.2.1异步电动机动态模型数学表达式非线性耦合在电压方程、磁链方程、转矩方程都有体现。既存在定子与转子间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合；而旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间的乘积，这是非线性的基本因素，由于定转子间相对运动，导致其夹角θ不断变化，使得互感矩阵Lsr和Lrs均为非线性变参数矩阵。②该图表明了异步电机数学模型的下列具体性质：异步电机可以看作一个双输入双输出的系统，输入量是电压向量和定子输入角频率，输出量是磁链向量和转子角速度。电流向量可以看作是状态变量，它和磁链矢量之间有由式（5-76）确定的关系。(1)异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统；(2)而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统(3)在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。(4)三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统.u12．请推导出2s/2r变换的变换阵。从两相静止坐标系到两相旋转坐标系M、T变换称作两相—两相旋转变换，简称2s/2r变换，两个坐标系画在一起，即得下图【见P166】两相交流电流i、i和两个直流电流im、it产生同样的以同步转速1旋转的合成磁动势Fs。由于各绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示M，T轴和矢量Fs（is）都以转速1旋转，分量im、it的长短不变，相当于M，T绕组的直流磁动势。但、轴是静止的，轴与M轴的夹角随时间而变化，因此is在、轴上的分量的长短也随时间变化，相当于绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见，i、i和im、it之间存在下列关系：cossintmβiiisincostmαiii写成矩阵形式，得cossinsincoss2/r2Ctms2/r2tmβαcossinsincosiiCiiii对式两边都左乘以变换阵的逆矩阵，即得βαβα1tmcossinsincoscossinsincosiiiiii即得两相静