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电机与拖动自动控制系统考试复习总结 陈伯时直流电动机有调速方法：调节电枢供电电压U、减弱励磁磁通F、改变电枢回路电阻R。 自动控制系统的直流调速系统往往以变压调速为主。 可控直流电源 有两类：相控整流器、直流脉宽变换器。 脉动的电流波形V-M系统主电路可能出现电流连续和断续2种情况。 抑制电流脉动的措施：1、增加整流电路相数，或采用多重化技术。2、设置电感量足够大的平波电抗器。 V-M机械特性：在电流连续区，特性比较硬；在电流断续区，机械特性很软，呈显著的非线性，使理想空载转速翘得很高。晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。 与V-M系统相比，直流PWM调速系统的优越性：1、主电路简单，需要的电力电子器件少。2、开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动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、若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5、电力电子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。 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。 PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。 不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向，续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道。 当开关频率为10kHz时，T=01ms，可以近似看成一个一阶惯性环节。事实上PWM是具有继电特性的非线性环节。 泵升电压：对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加，要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。 稳态调速性能指标： 1、调速在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；2、稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；3、加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。调速系统的稳态性能指标：调速范围、静差率 转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型：一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可以用线性微分方程描述，微分方程的解即系统的动态过程，它包括两部分：动态响应和稳态解。在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态值以前，是系统的动态响应；系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态特性。直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压Ud0，是控制输入量。另一个是负载电流IdL，扰动输入量。 1、闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 2、闭环系统的静差率要比开环系统小得多。 3、如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围 综上：比例控制的之流体阿偶系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此，需要设置放大器和转速检测装置。 比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地变化，以补偿电枢回路电阻压降的变化。 比例控制的的闭环直流调速系统是一种基本的反馈控制系统，他的三个基本特征： 比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统。比例控制反馈控制系统的开环放大系数值越大，系统的稳态性能越好 反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定。 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。 积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。 积分控制规律和比例控制规律的根本区别： 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时Un =0，只要历史上有过Un，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。PI控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 根据系统开环传递函数中积分环节的数目划分控制系统的类型，比例控制的调速系统是0型系统，积分控制、比例积分控制的调速系统是型系统 在系统稳定的情况下，0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称作有差调速系统；型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无差调速系统。 由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，故存在扰动引起的稳态误差，称作有静差调速系统；积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以由阶跃扰动引起的稳态误差为0，称作无静差调速系统。 旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。 数字测速方法的精度指标：分辨率、测速误差率 采用旋转编码器的数字测速方法有三种：M法、T法、M/T法 M法：记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲数来算出转速的方法，又称频率法测速。 T法：测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速 在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法。 M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。 2-10 简述比例反馈控制的规律。 答：比例控制的反馈控制系统是的控制系统； 反馈控制系统的作用是 ； 反馈系统的精度依赖于 2-13 简述比例积分控制规律。 答：比例部分能 ，积分部分则 。 第二章的转速反馈控制直流调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击。 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成：在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，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。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。 稳态结构图和静特性：转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析：起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制转速超调准时间最优控制 2动态抗扰性能分析: 双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能，闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。 抗负载扰动 抗电网电压扰动 转速调节器的作用 1、转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 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动机允许的最大电流 电流调节器的作用 1、在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压变化。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。4、当电动机过载甚至堵转时，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。 控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。 控制系统的开环传递函数分母中的sr项表示该系统在s= 0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统，至少是型系统；当给定是斜坡输入时，则要求是型系统才能实现稳态无差 一、可以作为填空题或简答题的 3-1 为了实现 ，希望电流调节器进入饱和状态，因此， 对于静特性来说，只有 。 3-2 当两个调节器都不饱和且稳态时，它们的输入偏差电压分别为 。 3-3 当 ASR 输出 ，转速外环呈 ，转速变化对转速环产 生影响，双闭环系统变成一个 。稳态时，IdIdm。 3-4 电流限幅值 Idm 取决于 。 3-5 简述采用两个 PI 调节器分别形成内外闭环的效果。 答： 双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于 Idm 时表现为转速无静差， 此时转速负反 馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 时，对应于转速调节器为饱和输出 Uim*，此时电流调 节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。 3-6 简述 ASR 的退饱和条件。 答：当 ASR 处于饱和状态时，若实际转速大于给定转速，则反馈电压大于给定电压，使偏差 电压小于零，则 ASR 反向积分，从而退饱和，返回线性调节状态。 3-8 简述双闭环直流调速系统起动过程的特点。 3-9 双闭环直流调速系统的抗扰性能主要包括 。 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： 电流一定连续；可使电动机在四象限运行；电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围大；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 泵升电压：由于二极管整流器导电的单向性，电能不可能通过整流器送回交流电网，只能向滤波电容充电，使电容两端电压升高。环流：两组晶闸管整流装置同时工作时，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。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。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。 转速反向的过渡过程分析：系统制动过程的三个阶段： (1) 本组逆变阶段：从a点到b点，电动机正向电流衰减阶段，VF组工作； (2) 它组整流阶段：从b点到c点，电动机反向电流建立阶段，VR组工作； (3) 它组逆变阶段：从c点到d点，电动机恒值电流制动阶段，VR组工作。 如果是反向起动，则从d点开始又一次地进入起动过程。 第4章 4-1 直流 PWM 可逆调速系统中当电动机停止时，电枢电压瞬时值零，是 ，故 ，称为 ，其平均值为 ，不能产生 。 4-2 高频微振电流对电机有何影响？ 答：消除电机正反向时的静摩擦死区，起动力润滑作用。同时也增大了电机的损耗。 交流拖动控制系统的应用三个方面：1、一般性能调速和节能调速。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。 异步电机的调速系统有三类：1、转差功率消耗型调速系统。2、转差功率馈送型调速系统。3、转差功率不变型调速系统。 异步电动机稳态数学模型包括异步电动机稳态等值电路和机械特性，两者既有联系，又有区别。稳态等值电路描述了在一定的转差率下电动机的稳态电气特性。机械特性则表征了转矩与转差率的稳态关系。 异步电动机的机械特性能够改变的参数可分为3类：电动机参数、电源电压和电源频率。 保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速。 软起动：当电压降低时，起动电流将随电压成正比地降低，从而可以避开起动电流冲击的高峰。起动转矩与电压的平方成正比，起动转矩的减小将比起动电流的降低更多，降压起动时又会出现起动转矩不够的问题。降压起动只适用于中、大容量电动机空载起动的场合。 传统的降压起动方法有：1、星-三角起动2、定子串电阻或电抗起动3、自耦变压器降压起动 基频以下调速： 当异步电动机在基频以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。 基频以上调速： 在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变。这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。 基频以下调速，由于刺痛恒定，允许输出转矩也恒定，属于恒转矩调速，基频以上调速，输出功率不变，属于近似的恒功率调速。 定子电压补偿：在基频以下运行时，采用恒压频比的控制方法具有控制简便的优点。但负载的变化时定子压降不同，将导致磁通改变，须采用定子电压补偿控制。 恒定子磁通控制：恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频比控制方式。恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频比控制方式。 恒气隙磁通控制：与恒定子磁通控制方式相比较，恒气隙磁通控制方式的临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。 恒转子磁通控制：机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性，这正是高性能交流变频调速所要求的稳态性能。 不同控制方式的比较：恒压频比控制最容易实现，它的变频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、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式均需要定子电压补偿，控制要复杂一些。恒定子磁通和恒气隙磁通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 脉冲宽度调制技术：PWM(单极性、双极性) 脉冲宽度调制基本思想是控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。 正弦波脉宽调制技术：SPWM以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制 电流跟踪PWM控制技术:电流跟踪的控制方法是：在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值。在稳态时，尽可能使实际电流接近正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。 电压空间矢量PWM控制技术:把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的 零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。 泵升电压:采用不可控整流的交-直-交变频器，能量不能从直流侧回馈至电网，交流电动机工作在发电制动状态时，能量从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压上升，称为泵升电压。 转速开环变压变频调速系统:对于风机、水泵等调速性能要求不高的负载，可以根据电动机的稳态模型，采用转速开环电压频率协调控制的方案。通用变频器控制系统可以和通用的笼型异步电动机配套使用。具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统:转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能不够理想。采用转速闭环控制可提高静、动态性能，实现稳态无静差。需增加转速传感器、相应的检测电路和测速软件等。转速闭环转差频率控制的变压变频调速是基于异步电动机稳态模型的转速闭环控制系统。 转差频率控制的基本思想:保持气隙磁通不变，在s值较小的稳态运行范围内，异步电动机的转矩就近似与转差角频率成正比。在保持气隙磁通不变的前提下，可以通过控制转差角频率来控制转矩，这就是转差频率控制的基本思想。 电磁耦合是机电能量转换的必要条件，电流与磁通的乘积产生转矩，转速与磁通的乘积得到感应电动势。异步电动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。异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。磁链方程和转矩方程为代数方程电压方程和运动方程为微分方程 不同坐标系中电动机模型等效的原则是：在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。 三相绕组可以用相互独立的两相正交对称绕组等效代替，等效的原则是产生的磁动势相等。 3/2变换：两相绕组，通以两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势。当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为两相绕组与三相绕组等效。三相绕组A、B、C和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐标系间的变换，简称3/2变换。 2s/2r变换：从静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系dq的变换，称作静止两相-旋转正交变换。 异步电动机定子绕组是静止的，只要进行3/2变换就行了。转子绕组是旋转的，必须通过3/2变换和旋转到静止的变换，才能变换到静止两相正交坐标系。 3/2变换将按三相绕组等效为互相垂直的两相绕组，消除了定子三相绕组、转子三相绕组间的相互耦合。定子绕组与转子绕组间仍存在相对运动，因而定、转子绕组互感阵仍是非线性的变参数阵。输出转矩仍是定、转子电流及其定、转子夹角的函数。 静止两相正交坐标系： 旋转变换改变了定、转子绕组间的耦合关系，将相对运动的定、转子绕组用相对静止的等效绕组来代替，消除了定、转子绕组间夹角对磁链和转矩的影响。旋转变换的优点在于将非线性变参数的磁链方程转化为线性定常的方程，但却加剧了电压方程中的非线性耦合程度，将矛盾从磁链方程转移到电压方程中来了，并没有改变对象的非线性耦合性质。 转子磁链定向矢量控制的基本思想：通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型。仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。 通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，电磁转矩正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流两个分量的解耦。 电流闭环控制： 将定子电流励磁分量和转矩分量给定值施行2/3变换，得到三相电流给定值，采用电流滞环控制型PWM变频器，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制。 将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中的电流反馈值，采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为mt坐标系中定子电压给定值。反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值，再经SVPWM控制逆变器输出三相电压。 当转子磁链发生波动时，将影响电磁转矩，进而影响电动机转速。转子磁链调节器力图使转子磁链恒定，而转速调节器则调节电流的转矩分量，以抵消转子磁链变化对电磁转矩的影响，最后达到平衡。转速闭环控制能够通过调节电流转矩分量来抑制转子磁链波动所引起的电磁转矩变化，但这种调节只有当转速发生变化后才起作用。为了改善动态性能，可以采用转矩控制方式。常用的转矩控制方式有两种：转矩闭环控制和在转速调节器的输出增加除法环节。 常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类。 6-1 异步电动机的动态数学模型是一个的系统。 6-2 异步电动机的动态数学模型由组成。 6-3 异步电动机每个绕组的磁链是和之和。 6-4 绕组间的互感分为哪几类？ 答：定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的互感，因其位置固定，故为常值。 定子任一相与转子任一相之间的互感，因其相对位置变化，故为的函数。 6-5 为什么说异步电动机的三相原始数学模型不是物理对象最简洁的描述？ 答：由异步电动机三相数学模型的约束条件可知，对于无中性线 Y/Y 联结绕组的电 动机，三相变量中只有两相是独立的。 6-6 不同坐标系中电动机模型等效的原则是： 6-7 三相绕组可以用等效代替，等效的原则是 。 6-8 坐标变换有和 。 6-9 异步电动机通过坐标变换简化其数学模型时， 若以静止正交坐标为变换方向， 定转子绕组的 变换方式有何不同？ 答：异步电动机定子绕组是静止的，因此只要进行3/2 变换即可，而转子绕组是旋转的， 因此必须通过及 ，才能变换到 。 6-10将等效为 ，消除了以及的相互耦合，减小了状态变量的维数，简化了定转子 的自感矩阵。 6-11将等效为 ，消除了 。 6-12将非线性耦合矛盾从磁链方程转移到电压方程，没有改变对象的 6-13是用代替 ，并使等效的转子绕组与等 效的定子绕组 ，且保持 ，等效后定转子绕组间相对运动。 6-14>转速为 。 6-15 旋转正交坐标系的优点在于 。