2022年电力拖动课后习题答案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 1.沟通调速系统按转差功率的处理方式可分为三种类型（1）转差功率消耗型（2）转差功率不变型（3）转差功率馈送型2.双馈调速的概念 所谓 “双馈 ” ,就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与沟通电网连接,转子绕组与其他含电动势的电路相连接,使它们可以进行电功率的相互传递；定子功率和转差功率可以分别向定子和转子馈入,也可以从定子或转子输出（视电机的工况而定）,故称作双馈电机；可认为是在转子绕组回路中附加一个沟通电动势；基本原理 ：（T eI ）Er0ErsE r0或异步电机运行时其转子相电动势为式中s 异步电机的转差率； 绕线转子异步电机在转子不动时

2、的相电动势,称转子开路电动势,也就是转子额定相电压值转子相电流的表达式为IrR2sEr02 sX r0 Xr0 s = 1 时的转子绕组每相漏抗；式中Rr 转子绕组每相电阻；r附加电动势与转子电动势有相同的频率,可同相或反相串接；IrsEr0Eadd2当 Eadd E r0rIs Er0E addrITens2 R r sXr01）Eadd 与 Er 同相s 1Er0Eadds 2Er0 E adds 1s 2转速上升2）当 Eadd s Er0E addTenss 1s 2s 1Er0Eadds 2E转速下降add同理,反相时如减小串入的反相附加电动势,就可使电动机的转速上升,反之转速降低；

3、.异步电机双馈调速的五种工况（sn11n）（Power n由于转子电动势与电流的频率随转速变化,即 f2 = s f1 ,因此必需通过功率变换单元Converter Unit CU ）对不同频率的电功率进行电能变换；名师归纳总结 P msP m 1s P mPm 从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率；第 1 页,共 11 页sPm 输入或输出转子电路的功率,即转差功率； 1-sPm 电机轴上输出或输入的功率；1电机在次同步转速下作电动运行条件 : 转子侧每相加上与Er0 同相或反向的附加电动势 Eadd,并把转子三相回路连通电动运行定子侧输入功率,轴上输出机械功率0 s 1P m

4、0sP 01sP 03电机在超同步转速下作回馈制动运行条件： 是有位能性机械（起重机、小车下坡）外力作用在电机轴上,并使电机能在超过其同步转速 n1 的情形下运行；假如处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与 sEr0 反相的附加电动势 +Eadd ,电机将在比未串入 +Eadd时的转速更高的状态下作回馈制动运行；电机处在发电状态工作,电机功率由负载通过电机轴输入,经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网；s0 P 0 1 sP 04电机在超同步转速下作电动运行 原已在 0 s 1 作电动运行,转子侧串入了同相的附加电动势 +Eadd,轴上拖动恒转矩的抵抗性负载（只能由电机驱动转轴

5、上的机械负载）；当接近同步转速时, 如连续加大 +Eadd 电机将加速到的新的稳态下工作,即电机在超过其同步转速下稳固运行；电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成,电机处于定、转子双输入状态,其输出功率超过额定功率 s0 P m 0 sP 0 1 sP m 05电机在次同步转速下作回馈制动运行 期望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间,因此必需使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作；设电机原在低于同步转速下作电动运行,其转子侧已加入肯定的- Eadd ； -Eadd sEr0,rI 0 制动定子侧输出功率给电网,电机成为发电机处于制动状态工作,并产生制动转矩以加快减

6、速名师归纳总结 停车过程 0 s 1 P 0sP 01sP 0第 2 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 电气串级调速系统的基本概念（恒转矩调速 转差功率馈送型）次同步电动状态, 将转子电压先整流成直流电压,然后再引入一个附加的直流电动势,掌握此直流附加电动势的幅值,就可以调剂异步电动机的转速；K sE r 0 U dK U T 2 cos U iU d U i I R电压整流系数 逆变变压器的二次相电压 工作在逆变状态的 UI 的逆变角转子直流回路总电阻M 三相绕线转子异步电动机其转子电动势 E r 0 经 UR 三相不行控整流装置,输

7、出直流电压Ud ；工作在有源逆变状态的 UI 三相可控整流装置：可供应可调的直流电压 U i,作为电机调速所需的附加直流电动势；可将UR 整流输出的转差功率逆变,回馈到沟通电网；（1）起动 I d U d U iR起动条件 对串级调速系统而言,起动应有足够大的转子电流 I r 或足够大的整流后直流电流 Id ,为此,转子整流电压 Ud 与逆变电压 Ui 间应有较大的差值；掌握逆变角,使在起动开头的瞬时,Ud 与 Ui 的差值能产生足够大的 Id ,以满意所需的电磁转矩,但又不超过答应的电流值,这样电动机就可在肯定的动态转矩下加速起动；随着转速的增高,相应地增大角以减小值Ui ,从而维护加速过程

8、中动态转矩基本恒定 ；当达到所需转速是为止（2）调速 转变 角的大小（3）停车 与转子相连的是不行控的整流装置 ,它只能从电动机转子侧输出功率没有制动停车功能；只能靠减小 角逐步减速,并依靠负载阻转矩的作用自由停车；6 异步电动机串级调速机械特性的特点及其缘由1在串级调速时,抱负空载转速与同步转速是不同的抱负空载状态下运行时（Id = 0）,K 1 s 0 E r 0 K 2 U 2 T在串级调速时对应于某一 角的抱负空载转差率,并取相应的抱负空载转速 n0 n 0 n sy n 1 s 0 n sy n 1式中 nsyn 异步电动机的同步转速；2比其固有特性要软得多；cos 其中, s0 异

9、步电动机K1 = K2,就 s 0 U 2 T cosU 2 T cos E r 0E r 0串级调速时,转子回路中接入了串级调速装置（包括两套整流装置、平波电抗器、逆变变 压器等）,实际上相当于在电动机转子回路中接入了肯定数量的等效电阻和电抗,它们的影名师归纳总结 响在任何转速下都存在；电阻越大越软第 3 页,共 11 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低；电抗整流电路换相重叠角将加大,并产生强迫推迟导通现象7 n1UIdR 电动势系数CE 是负载电流的函数,它是使转速特性成为非线性的重要 ,异

10、步电动机串级调速系统与直流它励电动机的转速特性在形CE式上完全相同,转变电压即可得到一族平行移动的调速特性；T eP mP s012.34Er0cosp3XD0IdIdUd03XD0IdIdCMId0s 00 抱负空载机械角转速0rad/s ；CM 串级调速系统的转矩系数8 Te1m 第一工作区的运算最大转矩和Te2m 其次工作区真正的最大转矩（Te2m 对应于p= 15 ）；Te1-2 第一、二工作区交界的转矩值,称作交接转矩T e1m0 . 955（7-25）式（ 7-26）说明, 异步电动机串级调速时所能产生的最大转矩比正常接线时削减了17.3%T emT e2m0 . 827由式（ 7

11、-27）可知, Te1-2 = 0.716 Tem,而异步电（7-26）动机的转矩过载才能一般大于2 ,即Tem T em2TeN,所以 当电动机在额定负载下工作时,仍是0 .716（7-27）处于第一工作区；T e12Tems29 串级调速系统的效率高的缘由1在串级调速时, Ps 未被全部消耗掉,而是扣除了转子铜损 pCur、杂散损耗 ps 和附加的串级调速装置损耗 ptan 后通过转子整流器与逆变器返回电网2在串级调速系统中,当电动机的转速降低时,假如负载转矩不变 ,p 和 ptan 都基本不变,效率公式分子和分母中的 Pm（1-s）项随着 s 的增大而同时削减 ,对效率的影响并不太大；1

12、0 串级调速系统的功率因数低的缘由1异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降；推迟导通等作用都会通过电机从电网吸取换相无功功率；2转子整流器的换相重迭和强迫 3逆变器的相控作用使其电流与电名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 压不同相,也要消耗无功功率11 逆变变压器的二次侧相电压UT 2容量WT11D例: D23 S50kw.x 1 11 2 1 350kwx450kwx3转速反馈信号取自异步电动机轴上联12 双闭环掌握的串级调速系统接的测速发电机, 电流反馈信号取自逆 变器沟通侧的电流互感器,也可通过霍 尔

13、变换器或直流互感器取自转子直流 回路；为了防止逆变器逆变颠覆,在电 流调剂器 ACR 输出电压为零时,应整 定触发脉冲输出相位角为 = min ；（ 大部分串级调速的设备是不需要从 零速到额定转速作全范畴调速的其调 速范畴原来就不大串级调速装置的容 量可以挑选比电动机校的多,为了使串 级调速装置不受过电压损坏,须采纳间接起动方式 缘由 ）n n（稳固时）ASR 给定ASR 输出 ACR 给定ACR 输出 U io I d n如系统 1000-1500 现在 1300 稳固运行此时断开反馈线 就不行调 1500 oASR 输入由 0 n 就其达饱和输出限幅值 ACR 饱和达最大 max 90 U

14、 io 0逆变器不起作用即调速系统不再起作用 PI 稳固时不饱和无静差输入为 0 饱和时有限幅 13 串级调速系统的起动方式 间接起动和直接起动两种总的原就是在起动时必需使逆变器先电机而接上电网,停车时就比电机后脱离电网,以防止逆变器沟通侧断电,使晶闸管无法关断,造成逆变器的短路事故间接起动 即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动,待转速上升到串级调速系统的设计最低转速时,才把串级调速 装置投入运行；串级调速系统间接起动掌握原理图（1）先合上装置电源总开关S,使逆变器在min 下等待工作；2）然后依次接通接触器K1 ,接入起动电阻R,再接通 K0,把电机定子回路与电网接通,电动机便以转子串电

15、阻的方式起动 3）待起动到所设计的nmin（smax）时接通 K2,使电动机转子接到串级调速装置,同时断开 K1,切断起动电阻,此后电动机就可以串级调速的方式连续加速到所需的转速运行；停车 1）由于没有制动作用,应先断开K2,使电动机转子回路与串级调速装置脱离；（ 2）再断开 K0,以防止当 K0 断开时在转子侧感生断闸高电压而损坏整流器与逆变器；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 直接起动 又称串级调速方式起动；在起动掌握时让逆变器先于电动机接通沟通电网,然后使电动机的定子与沟通电网接通,此时转子呈开路状态,可防止

16、因电动机起动时的合闸过电压通过转子回路损坏整流装置,最终再使转子回路与整流器接通；（1）接触器的工作次序为SK0 K2,此时不需要起动电阻；当转子回路接通时,由于转子整流电压小于逆变电压,直流回路无电流,电动机尚不能起动；（2）待发出给定信号后,随着的增大,逆变电压降低,产生直流电流,电动机才逐步加速,直至达到给定转速14 异步电机双馈调速系统（转差功率馈送型）双馈就是从定子侧与转子侧都馈入电能的工作状态他控式双馈调速系统自控式双馈调速系统d矢量掌握将三相异步电动机的数学模型变换到以同步转速旋转的dq 两相坐标系q u sdRi s sdpsd1sqqs usq1 u sqRi s sqpsq

17、1sdu rdRi r rdprdsrqisq1同步u rqRi r rqprqsrdqr urqdr 转差角速度Sds d sdL s isdL m irdsqL s isqL m irqirq1L m isdL rirdrdL m isqL rirqrqirdurdisdT eT LJ n pdusdd t电压方程磁链方程转矩和运动方程Lm（=3/2 Lms）-dq 坐标系定转子同轴等效绕组间的互感,对应的磁链就是气隙磁链的轴重量md 和 q 轴重量mq ,流过 Lm 的电流可称为励磁电流imd 和 imq ,且有：imdisdirdLmimdmdim qisqirqLmimqm q气隙磁

18、链定向,现取按气隙磁链m 定向,即把d 轴取在m 方向上,就mdmm q0isdLmirdisqirqmT enpLmisqirdisd irqnpm rq i15 传统电励磁同步电机（同步电机只能变压变频调速转差功率不变型）优点 1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0,甚至超前存在的问题1）起动困难； 2）重载时有振荡,甚至存在失步危急；问题的根源：供电电源频率固定不变；解决方法：采纳电压-频率和谐掌握类型 （1）他控变频调速系统（2）自控变频调速系统16 他控变频同步电动机调速系统多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的电压源型PWM变压变频器上,由统一的频率给定信号f * 同

19、时调剂各台电动机的转速；PWM 变压变频器中,带定子压降补偿的恒压频比掌握保证了同步电动机气隙磁通恒定,缓名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - 慢地调剂频率给定f * 可以逐步地同时转变各台电机的转速；全控调速系统：多台同步电动机的恒压频比控制调速系统系统结构简洁,掌握便利,只需一台变频器供电, 成本低廉；由于采纳开环调速方式,系统存在一个明显的缺点,就是转子振荡和失步问题并未解决,因此各台同步电动机的负载不能太大；由交 -直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统17 按气隙磁场定向的同步电动机矢量掌握系

20、统定子三相绕组轴线 A、B、C 是静止的,三相电压 uA 、 uB、uC 和三相电流 i A、iB、iC 都是平稳的,转子以同步转速 1旋转,转子上的励磁绕组在励磁电压 Uf 供电下流过励磁电流If；沿励磁磁极的轴线为 d 轴,与 d 轴正交的是 q 轴, d-q 坐标在空间也以同步转速 1 旋转,d 轴与 A 轴之间的夹角 为变量；物理模型磁动势和磁通的空间矢量图令沿 FR 、 R 方向为 M 轴与之正1 交的是 T 轴Ff 、f 转子励磁磁动势和磁通,沿励磁方向为 d 轴；Fs 定子三相合成磁动势；名师归纳总结 关系式ismisi2 sm2 i stftiIfisi2 fmsi2FR 、R

21、 合成的气隙磁动势和第 7 页,共 11 页总磁通；s Fs 与 FR 间的夹角；f Ff 与 FR 间的夹角；将Fs 除以相应的匝数即为定子三相电流合成空间矢量is ,可将它沿 M、T 轴分解为励磁重量ism和转矩重量ist；同样, Ff与相当ft的励磁电流矢量If 也可分解成iRifmistismcosifm 和 ift ；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - i fm I f cos f17 自控变频同步电动机调速系统结构原理图结构特点 1）在电动机轴端装有一台转子位置检测器 BQ ,由它发出的信号掌握变压变频装置的逆变器 U I 换流,从而转变同步

22、电动机的供电频率,保证转子转速与供电频率同 步 ； 调 速 时 就 由 外 部 信 号 或 脉 宽 调 制（PWM ）掌握 UI 的输入直流电压；（2）从电动机本身看,它是一台同步电动机,但是假如把它和逆变器 UI 、转子位置检测器 BQ 合起来看,就象是一台直流电动机；直流电动机电枢里面的电流原来就是交变的,只是经过换向器和电刷才在外部电路表现为直流,这时, 换向器相当于机械式的逆变器,电刷相当于磁极位置检测器；器和电刷；这里,就采纳电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向分类 1）无换向器电动机2）三相永磁同步电动机（输入正弦波电流时）3）无刷直流电动机（采纳方波电流时）区分气隙磁密的

23、波形类型定子绕组转子结构2 分布短距绕组内置式矩形凸极式正弦波3 集中整距绕组瓦形磁钢表面式磁钢梯形波放在转子表面隐极式18 梯形波永磁同步电动机的等效电路及逆变器主电路原理图逆变器通常采纳 120 导通型的, 当两相导通时,另一相断开 uA、uB 、uC 三相输入对地电压 iA、iB 、iC 三相电流 eA、eB 、eC 三相电动势 Rs 定子每相电阻 Ls 定子每相绕组的自感 Lm 定子任意两相绕组间的互感名师归纳总结 uAR s00iAL sLmLmpiAe A由于三相定子绕组对称,故第 8 页,共 11 页uB0R s0iBL mLsLmiBe B有 iA + iB + iC = 0

24、uC00R siCL mLmLsiCe C就Lm iB + L m i C = - L m iA Lm i C + L m iA = - L m iB Lm iA + L m iB = - L m i C uAR s00iAL sLm00iAe AuB0R s0iB0L sLm0piBe BuC00R siC00L sLmiCe C方波电流的峰值为Ip ,梯形波电动势的峰值为Ep,在一般情形下,同时只有两相导通,从逆变器直流侧看进去,为两相绕组串联,就电磁功率为Pm = 2 E p Ip；忽视电流换相过程的影响,电磁转矩为T eP m2n pE pIp2 n ppIp1/n p1- - - -

25、 - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 式中 p 梯形波励磁磁链的峰值,是恒定值19 动态模型当图中的 VT1 和 VT6 导通时, A、B 两相导通而C 相关断,就可得无刷直流电动机的动态电压方程为uAuB2R s iA2 L sLmpiA2e A在上式中, uA uB 是 A 、B 两相之间输入的平均线电压,采纳PWM 掌握时 ,设占空比为,就uA uB = Ud ,于是,Ud2e A2R sT lp1 iATlLsLm为电枢漏磁时间常数R s依据电机和电力拖动系统基本理论,可知e Ae BkeT en pe AiAe BiB2n pkeiAT eT LJpn p无刷

26、直流电动机的动态结构框图20 正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统转子磁通由永久磁钢打算,是恒定不变的,可采用转子磁链定向掌握,即将两相旋转坐标系的 dq 轴 定 在 转 子 磁 链 r 方 向 上d L i sd d rq L i sq qd u d R i s d L sd pi d L i sq qu q R i s q L sq pi q L i sd d rT e n p d i q q d i n p r i q L sd L sq i i q 在基频以下的恒转矩工作区中,掌握定子电流矢量使之落在 q 轴上,即令 id = 0, iq = i s d r u d L i sq s

27、 qT e n p r i s 按转子磁链定向的正弦波永q L sq i s u q R i s s L sq pi s r 磁同步电动机矢量图 a）id=0,恒转矩调速 b） id0,弱磁恒功率调速名师归纳总结 iAiscos90issin第 9 页,共 11 页iBissin120 iCissin120 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优点 定子电流与转子永磁磁通相互独立,掌握系统简洁,转矩恒定性好,脉动小,可以获得很宽的调速范畴,适用于要求高性能的数控机床、机器人等场合；缺点 1）当负载增加时,定子电流增大,使气隙磁链和定子反电动势都加大,迫使

28、定子电压上升；为了保证足够的电源电压,电控装置须有足够的容量,而有效利用率却不大；（2）负载增加时,定子电压矢量和电流矢量的夹角也会增大,造胜利率因数降低；（3）在常规情形下,弱磁恒功率的长期运行范畴不大；21 永久磁钢的三个关键指标矫顽力 H C 使磁化至永磁体的 B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度退磁曲线与 H 轴的交点磁能积 退磁曲线的任意点上磁通密度 B 与 对应的磁场强度 H 的乘积 磁体所储磁能容量最大磁能积 BH c2剩磁密度 B 磁滞回线上 H0 时所对应得磁通密度22 自起动永磁同步电动机（永磁体内置于转子内 内置式）典型结构（转子不同定子相同）径向式 转轴无需隔磁

29、Lsd 等效两相定子绕组 d气向式 转轴需隔磁或者本身不导磁 轴自感 Lsd= Lls+L md Lsq 混合式 等效两相定子绕组 q 轴自感,物理模型 Lsq= Lls+L mq ；Lls 等效两相定子绕组漏感；Lmdd 轴定子与转子绕组间的互感,相当于同步电动机原理中的 d 轴电枢反应电感；Lmq q 轴定子与转子绕组间的互感,相当于 q 轴电枢反应电感；LrD d 轴阻尼绕 组 自 感 , LrD = LlD + Lmd ； LrQ q 轴阻尼绕组自感, LrQ = LlQ + Lmq ；f永久磁体供应的磁链 did 轴定子电流 转子转速 ,坐标系相对于定子的角速度电阻压降 ,电感压降

30、,旋转电动势名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 11 页精选学习资料 - - - - - - - - - q uqi qUQIQd i dudIDU DAu d Ri s d p d q d L sd i d L md i D fu q Ri s q p q dq L sq i q L mq i QD L md i d L rD i D f0 R i D D p DQ L mq i q L rQ i Q0 R i Q Q p QJ dT e n p d i q q i d T Ln p d tn p f n p L sd L sq i i q n p L md i D i q L mq i i d 第一项 是同步电动机主要的 电磁转矩其次项是由凸极效应造成的磁阻变化在电枢反应磁动势作用下产生的转矩,称作反应转矩或磁阻转矩 ,这是凸极电机特有的转矩,在隐极电机中,Lsd = Lsq ,该项为 0；永磁电机L sd L sq第三项 异步绕组 是电枢反应磁动势与阻尼绕组磁动势相互作用的转矩,假如没有阻尼绕组,或者在稳态运行时阻尼绕组中没有感应电流,该项都是零名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 11 页