电力自动控制系统zhai.doc

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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作1直流电机调速的方法P1（1）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通 F；（3）改变电枢回路电阻 R。2解释泵升电压P17对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。 3稳态性能指标 P191) 调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示2）静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落 DnN ，与理想空载转

2、速 n0 之比，称作静差率 s 4转速反馈控制规律：P25 转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。1）只用比例放器的反馈控制系统，其被调量是有静差的；2）反馈系统的作用：抵抗挠动，服从给定；3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。5双闭环直流调速系统的起动过程三个阶段P561) 电流上升阶段 2）恒流升速阶段 3）转速调节阶段6电力电子变压变频器的主要类型P1651）交-直-交和交-交变压变频器2）电压源型和电流源型逆变器 3）180导通型和120导通型逆变器7变压变频调速的基本

3、控制方式P158-1591）基频以下调速：采用恒值电动势频率比的控制方式或恒压频比的控制方式属于“恒转矩调速”2）基速以上调速：属于“恒功率调速”8正弦波脉宽调制（SPWM）技术P170以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。9转差频率控制规律：P1891）在，转矩Te基本上与成正比，条件是气隙磁通不变2）在不同的定子电流

4、值时，按函数关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通恒定。10矢量控制系统P206既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System），11转子磁链定向控制P207现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为

5、M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。12直接转矩控制系统P214直接转矩控制系统简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。6三、问答题1为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机（V-M）系统能够获得更好的动态性能？P111）主电路线路简单，需用的功率器件少；2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；4）系统频带宽，动态响应快，动

6、态抗扰能力强；5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。2调速系统的扰动源有哪些P25（1）负载变化的扰动（使Id变化）；（2）交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；（3）电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）；（4）放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；（5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；（6）检测误差的扰动（使a变化） 3在双闭环直流调速系统中两个调节器作用是什么？P591）转速调节器作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变

7、化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2）电流调节器作用：（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。4比较单闭环调速和双闭环调速P581）在单闭环调速系统中，电网电压扰动的

8、作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。2） 双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。*5可逆V-M系统中的环流定义、危害、利用和种类P124-1251）环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流，2）危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗

9、功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。3）利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响。4）环流种类：在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：（1）静态环流两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：n 直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。n 瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。（2）动态环流仅在可

10、逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。6简述交流变压调速系统的优缺点和适用场合P145应用领域：1)一般性能的节能调速 2)高性能的交流调速系统和伺服系统 3)特大容量、极高转速的交流调速 直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效

11、益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。7异步电动机调速方法有哪几种？其中哪些是转差功率消耗型的，哪些是转差功率馈送型的，哪些是转差功率不变型的？P146降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变压变频调速等等。 其中1，2和3是是转差功率消耗型的，4是转差功率馈送型的，5和6是转差功率不变型的。8在转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统中，静动态性能为什么还不能达到直流双闭环系统的水平？P190（1）在分析转差频率控制规律时，是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发的，所谓的“保持磁通

12、 Fm恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中 Fm如何变化还没有深入研究，但肯定不会恒定，这不得不影响系统的实际动态性能。（2）Us = f (w1 , Is) 函数关系中只抓住了定子电流的幅值，没有控制到电流的相位，而在动态中电流的相位也是影响转矩变化的因素。（3）在频率控制环节中，取 w1 = ws + w ，使频率得以与转速同步升降，这本是转差频率控制的优点。然而，如果转速检测信号不准确或存在干扰，也就会直接给频率造成误差，因为所有这些偏差和干扰都以正反馈的形式毫无衰减地传递到频率控制信号上来了。9直接转矩控制（DTC）系统与矢量控制（VC）系统不同的特点是什么？1）转矩和磁链的

13、控制采用双位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。 3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的

14、转矩响应的快速性也是有限的。从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)系统和矢量控制(VC)系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。二、分析题1试分析有制动通路的不可逆PWM变换器工作过程P12-131）一般电动在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。在 ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。2）制动状态在 0 t ton 期间，VT2 关断，id 沿回

15、路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。在 ton t T期间， Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。3）轻载电动状态第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1 流通；第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通；第4阶段，VT2导通，电流 id 沿回路3流通。2分析桥式可逆PWM变换器工作过程。P14-15（1）正向运行：第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3为负，VT2

16、 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；第2阶段，在ton t T期间， Ug1 、 Ug4为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us （2）反向运行：第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ,第2阶段，在ton t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3

17、导通， Ug1 、 Ug4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us 。3泵升限压电路工作原理P17-18在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。直流电压一般由二极管整流器整流得到，不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵

18、升限制电路使开关器件VTb导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。4下图是双闭环直流调速系统电路原理图，叙述其工作原理。 P54-55图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。起动过程，

19、只有电流负反馈，没有转速负反馈；实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。电流环起跟随作用。5下图是变压变频异步电机A相的滞环方式电流跟踪控制原理图，变压变频器的电流波形与PWM电压波；图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流 i*a 与输出电流 ia 进行比较，电流偏差 Dia 超过时 h，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与此相同。如果，ia i*a ， 且i*a - ia h，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变

20、频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然ia=0，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大，直到达到ia = i*a + h ， Dia = h ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1 ，并经延时后驱动V4，但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管VD4续流，使VT4受到反向钳位而不能导通。此后，ia逐渐减小，直到t=t2时， ia = ia *-h，到达滞环偏差的下限值，使 HBC 再翻转，又重复使VT1导通。这样，VT1与VD4交替工作，使输出电流ia 与给定值ia *之间的偏差保持在h范围内，在正弦波ia *上下作锯齿状变化。从图中可以看到，

21、输出电流ia 是十分接近正弦波的。6下图是转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图，说明它的控制原理。P1891) 频率控制转速调节器ASR的输出信号是转差频率给定 ws* ，与实测转速信号w 相加，即得定子频率给定信号 w1* ，即 2) 电压控制由 w1和定子电流反馈信号 Is 从微机存储的 Us = f (w1 , Is) 函数中查得定子电压给定信号 Us* ，用 Us* 和 w1* 控制PWM电压型逆变器，即得异步电机调速所需的变压变频电源。四、计算题1某一调速系统，测得最高转速特性为nomax1500r/min，最低转速特性为nomin=150r/min，带额定负载时的转速降

22、落nN =15r/min，且在不同转速下额定速降nN不变，试问系统能达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？2某闭环调速系统的调速范围是1500r/min150r/min，要求系统的静差率S2%，那么系统允许的静差速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数是多大？1，2，3某闭环调速系统的开环放大倍数是15时，额定负载下电动机的速降是8r/min，如果将开环放大倍数提高到30，它的速降为多少？在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？同样静差率的条件下调速范围与开环放大倍数加1成正比4有一V-M调速系统，电动机参数为：PN=2.2KW，UN=220V

23、，IN=12.5A，nN=1500r/min，电枢电阻Ra=1.2欧，整流装置内阻Rrec=1.5欧，触发整流环节的放大倍数Ks=35。要求系统满足调速范围D=20，静差率S10%。（1）计算开环系统的静态速降nop和调速要求所允许的闭环静态速降ncl；（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构图；（3）调节该系统参数，使当Un*=15V时，Id=IN，n=nN，则转速负反馈系数应该是多少？（4）计算放大器所需的放大倍数。解：（）电动机的电动势系数开环系统静态速降闭环静态速降闭环系统开环放大倍数（2） （3）因为 所以=407.4288 =0.00961（4）运算放大器的放大倍数