电力拖动自动控制系统第4版复习要点(3)

转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，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，绕线电机串级调速或双馈电机调速属于这一类。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。

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，变极对数调速、变压变频调速属于此类。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相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 2异步交流电机变频器上电压和频率为什么要协调控制？

答：在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 ?m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。在交流异步电机中，磁通 ?m 由定子和转子磁势合成产生，因为有Eg?4.44f1NskNSΦm，此式可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通?m 的目的。 3 在电动机调速时，为什么要保持每极磁通量为额定值不变?对直流电机和交流异步电机，分别采用什么方法使电机每极的磁通恒定?

答：异步电动机的气隙磁链在每相定子中的感应电动势Eg?4.44f1NskNs?m

如果使

Egf1?c气隙磁链保持不变，要保持直流电机的磁通恒定，因为其励磁系统是独立的，只要对

电枢反应的补偿合适，容易做到保持磁通恒定。要保持交流异步电机的磁通恒定，必须采用恒压频比控制。 4简述恒压频比控制方式。

答：绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us?Eg ，则得

Us?C。这是恒压频比的控制方式。但是，在低频时 Us和Eg 都较f1小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。

5 下图为异步电动机在不同控制方式下的机械特性，交流异步电动机的恒压频比控制有哪三种方式?试就其实现难易程度、机械特性等方面进行比较。

a）恒压频比控制 b）恒定子磁通控制 c）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制

答：

Egf1?c，气隙磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，机械特性非线性，难实现，加定子

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电压补偿的目标，改善低速性能。Tmax，nm与频率无关，机械特性平行，硬度相同，类似于直流电动机的降压调速，属于恒转矩调速。

U1?c，定子相电压/输入频率为恒值，U1定子相电压，机械特性非线性，易实现。f1接近额定频率f1时，Tmax变化不大，f1的降低，Tmax变化较大，在低速时甚至拖不动负载。实际上时定子电阻损耗相对较大， 不可忽略，故必须进行定子电压补偿。

U1?c，由于频率很低f1Er?c，转子磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，Er转子磁链在每相定子中的感应电f1动势(忽略转子电阻损耗)转子磁链恒值，机械特性线性，稳态性能和动态性能好，最难实现。这是矢量控制追求的目标。

6 交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控制方法，磁通、转矩、功率呈现怎样的变化规律?

答：恒磁通调速(基频以下)

U1?c，并补偿定子电阻损耗。恒功率调速(基频以上)升高电源电压时不允许。 f1在频率上调时，只能保持电压不变。

频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。 7 交流异步电动机变频调速系统的控制方式主要有哪两种？

答：交流异步电动机变频调速系统的控制方式主要有两种：有恒磁通控制和恒功率控制两种，其中恒磁通控制又称恒转矩控制。

8 什么是脉冲宽度调制（PWM）?

答：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。

9什么是SPWM控制方式?

答：SPWM即以正弦波作为调制信号对载波信号进行调制后，产生一组等幅而脉冲宽度正比干正弦波的矩形脉冲。将该组脉冲作为逆变器开关元件的控制信号，从而在逆变器负载上(多为异步电动机)得到与控制信号波形相同，等效于正弦波的驱动电压。

10什么是电压型逆变器8个电压状态形成的电压空间矢量图？并说明定子磁链的运动轨迹。 答：电压型逆变器，为三组六个开关同一桥臂的两个开关互为反向：一个接通“1”，另一个断开“0”。 1) 逆变器8个电压状态：

V1(100)，V2(010)，V3(010) ，V4(011) ，V5(001) ，V6(101)构成正六边形的项点，V7(111) ，V0(000)位于正六边形的中心。

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由相电压波形图可直接得到逆变器的各开关状态，

图 基本电压空间矢量图 图 正六边形定子磁链轨迹

图 电压空间矢量的6个扇区

两者的开关状态顺序一致6个状态一个周期(状态1? 状态6)，相电压波形幅值一致：?2Ud/3 和

?4Ud/3。

2) 忽略定子电阻和漏感的影响，定子回路的电压平衡方程式为：

us?es?d?s/dt 或?s?ust??s0 ?s0一定子磁链的初始值。

3) 从电压型逆变器8个电压状态形成的电压、空间矢量图可见：

定子磁链矢量?s的增长方向，即?s矢头的运动方向决定于电压矢量us的方向；

定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向。只要定子电阻压降比起定子电压足够小，这种平衡就能得到很好地近似)，在适当地时候依次给出定子电压空间矢量，则得到的定子磁链的运动轨迹依次按V1?V6运动， 形成正六边形磁链。正六边形的六条边代表磁链空间矢量一个周期的运动轨迹，称区段(扇区)S1-区段(扇区)S6。

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?s矢头的运动速率与us的幅值Us成正比； 若us?0则?s停止运动(V0、V7)

若有效电压矢量依照矢量图V1?V2?V3?V4?V5?V6的次序交替作用，且作用时间相等，

?s矢头的运动轨迹为一正六边形。

11 什么是转差频率控制系统调速?

答：在转差率s很小的范围内，只要能够维持气隙磁通?m不变异步电机的转矩就近似与转差角频率?s 成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。

12 转速闭环转差频率控制的变频调速系统能够仿照直流电动机双闭环系统进行控制，但是其动静态性能却不能完全达到直流双闭环系统的水平，这是为什么？

答：它的静、动态性能还不能完全达到直流双闭环系统的水平，存在差距的原因有以下几个方面：

（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 Φm恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中 Φm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(ω1 , 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 ω1 = ωs + ω ，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。

(5-8)两电平PWM逆变器主回路，采用双极性调制时，用“1”表示上桥臂开通，“0”表示上桥臂关断，共有几种开关状态，写出其开关函数。根据开关状态写出其电压空间矢量表达式，画出空间电压矢量图。 解：两电平PWM逆变器主回路：

交-直-交变频器主回路结构图

采用双极性调制时，忽略死区时问影响，用“1”表示上桥臂开通，“0”表示下桥臂开通，逆变器输出端电压：

?Ud??2ux????Ud??2Sx?1 ux?Sx?0Ud(2Sx?1) 2us?(uA?uBej??uCej2?)以直流电源中点O?为参考点

(5-9)当三相电压分别为uAO ，uBO，uCO，如何定义三相定子电压空间矢量uAO，uBO，uCO和合成矢量

us，写出他们的表达式。

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解：A，B ，C为定子三相绕组的轴线，定义三相电压空间矢量:

uAO?uAO uBO?uBOej? uCO?uCOej2?

us?uAO?uBO?uCO?uAO?uBOej??uCOej2?

电压空间矢量

(5-10)忽略定子电阻的影响,讨论定子电压空间矢量us与定子磁链?s的关系。当三相电压uAO、uBO、uCO为正弦对称时，写出电压空间矢量us与定子磁链?s的表达式，画出各自的运动轨迹。 解：用合成空间矢量表示的定子电压方程式：

us?Rsis?d?s dtd?s或??s??usdt dt忽略定子电阻的影响，us?即电压空间矢最的积分为定子磁链的增量。当三相电压为正弦对称时，定子磁链旋转矢量

?s??sej(?t??)

1电压空间矢量us??1?sej(?1t???)2

?

图 旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹 图 电压矢量圆轨迹

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