《电机与控制》作业四含习题解答doc.docx
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《电机与控制》作业四(含习题解答)
1为什么改变异步电动机定了供电频率,可以调节异步电动机的转速?
illni=60/!
/p可知,当极对数p不变时,同步转速珥和电源频率£成正比。
而异步电动机的转速n=(1-S)n1=(1-S)60/\/p,所以连续地改变供电电源频率,就可以平滑地调节电动机的转速。
2异步电动机变频调速时,如果只从调速角度出发,仅改变是否可行?
为什么?
在实际应用中,同时还要调节否则会出现什么问题?
由电机学可知,异步电动机有如下关系式:
l/严耳=4.44办心①,”
式中,定子绕组匝数N],定子绕组系数为常数。
在电源频率人一定时,定子绕组感应电动势呂与产生它的气隙合成磁通①”,成正比。
忽略定子阻抗压降时,定子电压(A与呂近似相等。
由式(4-1)看出,若S不变,办与①”成反比。
如果久下降,则①巾增加,使磁路过饱和,励磁电流迅速上升,铁损增加,电动机效率降低,也使功率因数减小。
如果办上升,则①巾减小,电磁转矩减小,电动机的过载能力下降。
可见调速时为维持恒磁通①不变,在调节人的同时还要协调地调节才可以使异步电动机具有较好的性能。
3异步电动机变频调速时,常用的控制方式有哪几种?
它们的基本思想是什么?
这几种控制方式得到的机械特性如何?
常用的控制方式有三种:
(1)保持Ujf,=常数的控制方式
一般生产机械的负载多为恒转矩负载。
对恒转矩负载,希望在调速过程中保持最大转矩Rax不变,即电动机的过载能力不变。
由电机学可知,最大转矩几琢为
T_3严
maX4吋1[rt++(“+花)2]
若忽略定子电阻『1,并考虑到小+*2=Xk=2硏(厶+厶2),则TmaxocC^/Zi)2-所以在从额定频率(称为基频)向下调节久时,协调控制使久与6的比值保持不变,即可保证在调速过程中,电动机的最大转矩不变。
称为压频比恒定的控制方式。
在频率较高时,定子电阻耳相对于短路电抗g来说,可以忽略(因为xK*/;),瀰节办同时,调节匕,并保持Ujfx=常数,即可使不变。
但是在频率较低时,耳相对Xk来说,不可忽略。
此时既使仍保持压频比恒定,①巾也要减小,从而使最大转矩几込减小。
电动机低速运行时,过载能力随转速“的降低而降低。
因此这种控制方式的变频调速只适用于风机类负载,或是能轻载起动,而又要求调速范围较小的场合。
(2)保持&/办=常数的控制方式
对于要求调速范围大的恒转矩负载,希望在整个调速范围内,保持最大转矩不变,即①,”不变,可以采用Ejf,=常数的控制方式,也称为恒磁通控制方式。
由于异步电动机的感应电动势Ei不好测量和控制,所以在实际应用中,是采取补偿的办法。
随着办的降低,适当提高S,以补偿心上的压降,等效地满足E=常数,以达到维持最大转矩不变的目的。
考虑到低频空载时,由于电阻压降减小,应减少补偿量,否则将使电动机磁通①m增大,导致磁路过饱和而带来的问题,具体如何做需根据生产工艺要求而定。
(3)恒功率控制方式
电动机在额定转速以上运行时,定了频率将大于额定频率,如按以上控制方式,定了电压则要相应地高于额定电压,这是不允许的。
因此在基频以上应采取恒功率控制方式。
这与直流电动机在额定转速以上,采用恒压弱磁调速相似。
此时,由于定子电压限制在允许范围内,而频率升高,致使气隙磁通减小,转矩减小,但因为转速上升了,所以属恒功率性质。
只要满足Ui/J亓=常数的条件,即可恒功率调速。
实际在基频以上调速时,是保持[A为额定值不变,而只升高频率,所以为近似恒功率调速。
一般在基频以下采用Ujf,=常数或Ejf,=常数的控制方式;基频以上采用恒功率控制方式。
(4)机械特性
由知,改变电源频率久,就有不同的®,从而得到不同的机械特性。
再得知最大转矩的变化规律和机械特性运行段的斜率,即可大致画出变频调速的机械特性。
(a)最大转矩当/;从基频向下调,而数值较高时,耳可忽略,几;5£,按压频比恒定的控制方式调速,最大转矩基本保持不变。
当人数值较低时,人不可忽略,由式(4-2)可见,最大转矩将减小。
这是因为在耳上产生的压降使得定子电动势呂进一步降低,气隙磁通①”减小,所以,既使保持Ujf,=常数,也不能保持①”不变,致使最大转矩臨x减小。
办下降越多,厶的影响越大,7;址减小越多。
为了提高低速时电动机的过载
能力,必须适当地提高采用耳/£=常数的控制方式。
当从基频向上调时,匕保持额
r2
定值不变,办增加,①,”减小,7;*随之减小。
660£
2硏(厶+厶2)P
(b)运彳丁段的斜率由电机学知,临界转差率s,”为:
s,”
在久较高时忽略耳并用X]+*2=2吋1(厶1+厶2)代入式中,得:
s,
r2
2劝(厶+厶2)
又因为转速"=©(1-5)则对应最大转矩时=S,”"i
可见与频率办无关。
因此,无论在基频以下还是基频以上调速时,机械特性都是平行上下移动的。
到频率£很低时,耳不可以忽略,△”,”减小,机械特性更硬些。
根据以上分析,可以定性画出机械特性。
4请画出交-直-交变频器和交-交变频器的不意图,并指出各自的特点。
交-交变频系统的示意图参照教材图4-4。
如果使左右两组晶闸管轮流向交流电动机供电,交流电动机的定子上即可得到交流电压,两组晶闸管切换得快,则电压频率高,反之则频率低。
这就是交-交变频器的工作原理。
交-交变频器的主要优点是只进行一次能量变换,所以效率较高,而且晶闸管靠电源电压自然换流,不需要设置强迫换流装置。
其缺点是所用开关元件多。
另外,这种变频器输出电压的频率调节范围在电源频率的1/3以下,最高不超过1/2,因而限制了它的应用场合。
一般是用于低速、大功率的调速系统中。
交-直-交变频器向异步电动机供电的主回路原理图参照教材图4-5。
图中,UR表示整流器;UI表示逆变器。
CVCF表示恒压恒频电源;VVVF表示变压变频电源。
图a的中间环节是大电容器滤波,使直流侧电压17"接近恒定,变频器的输出电压随之恒定,相当于理想的电压源,称为交-直-交电压型变频器。
由于采用大电容滤波,直流侧电压恒定,输出电压为矩形波,输出电流由矩形波电压和电动机正弦波电动势之差产生,所以其波形接近正弦波。
又因为逆变器的直流侧电压极性固定,不能实现回馈制动,若需要回馈制动时,必须在整流侧反并联一组晶闸管,供逆变时用。
这时逆变器通过反馈二极管工作在整流状态;附加的一组晶闸管工作在逆变状态,向电网回馈电能。
图b的中间环节是电感很大的电抗器滤波,电源阻抗大,直流环节中的电流仃可近似恒定,逆变器输出电流随之恒定,相当于理想的电流源,称为交-直-交电流型变频器。
它的逆变器输出电流波形为矩形波,输出电压波形由电动机正弦波电动势决定,所以近似为正弦波。
这种变频器可以实现回馈制动,回馈制动时,主回路电流仃方向不变,而电压极性改变,整流器工作于逆变状态,逆变器工作在整流状态,从而使主回路在不增加任何元件的条件下,电动机就能自动地从电动状态进入回馈制动状态。
这是这种变频器的突出优点。
5电压型变频器和电流型变频器的主要区别在哪?
它们各有什么特点?
电压型变频器和电流型变频器的主要区别在于对无功能量的处理方法不同,致使形成各自不同的技术特点,如下表所不。
变频器类型
电压型
电流型
直流回路虑波环节
电容器
电抗器
输出电流波形
接近正弦波
矩形波
输出电压波形
矩形波
接近正弦波
回馈制动
需在电源侧附加反并联逆变器
方便,不需附加设备
过流及短路保护
困难
容易
动态特性
较慢,采用PWM方式则快
较快
对开关元件要求
关断时间短,耐压可较低
耐压高
6180。
导通型逆变器和120。
导通型逆变器各有什么特点?
(1)180。
导通型逆变器
在逆变器中晶闸管的导通顺序是从VT]到VT6,每个触发脉冲相隔60。
电角度,每个晶闸管持续导通时间为180。
电角度。
在逆变器中,任何瞬间都有三只晶闸管同时导通。
晶闸管之间的换流是在同一桥臂上的上、下两个晶闸管间进行的。
相电压波形为阶梯波。
线电压为矩形波,各相之间互差120。
,三相是对称的。
(2)120。
导通型逆变器
逆变器中晶闸管的导通顺序仍是从VT1到VT6,各触发脉冲相隔60。
电角度,只是每个晶闸管持续导通时间为120。
电角度,因此任何瞬间有两个晶闸管同时导通,它们的换流在相邻桥臂间进行。
这样,同一桥臂上两个晶闸管的导通有60。
间隔,不易造成短路,比180。
导通型逆变器换流安全。
相电压是幅值为U/2的矩形波;线电压是幅值为U的梯形波。
两种导通方式对比可知:
120°导通型和180°导通型逆变器中,开关元件的导通顺序和触发脉冲间隔都是一样的,之所以有不同的导通时间,完全是因为换相的机理不同所致。
前者是在相邻桥臂间进行,后者是在一个桥臂的上、下元件间进行。
由于导通时间不同,前者的电压有效值低于后者。
7交-直-交电压型变频调速系统,要求逆变器输出线电压基波有效值为380V,对180。
导通型和120。
导通型逆变器,其直流侧电压U"分别为多少伏?
1803导通型逆变器中Uab=0.817U,线电压基波有效值为380V时U=465V
120°导通型逆变器中Uab=0.707U,线电压基波有效值为380V时U=537V
8在变频调速系统中,函数发生器、压频变换器、环形分配器、脉冲输出级、绝对值运算器、给定积分器等各单元的作用如何?
(1)函数发生器
在控制系统中设置函数发生器,是为了协调电压与频率£的关系,实现各种控制方式。
对于要求端电压U]与频率办比值不变的控制方式,采用比例调节器即可。
若考虑到电阻压降的影响,而用Ejfx=常数的控制方式时,可采用加入补偿环节的函数发生器。
(2)压频变换器
压频变换器是把电压信号转换为相应频率的脉冲信号。
系统对压频变换器的要求是:
在频率控制范围内,有良好的线性度;有较好的频率稳定性;能方便地通过调节电路的某些参数来改变频率范围。
另外,更重要的是,当逆变器输出的最高频率为/max时,要求它输出的最高频率为6fmaxo
(3)环形分配器
环形分配器的作用是将压频变换器输出的时钟脉冲6个一组依次分配给逆变器的6个开关元件,简称六分频。
而环形分配器就是个六分频环形计数器。
(4)脉冲输出级
脉冲输出级是将来自环形分配器的信号功率,放大到足以可靠触发逆变器元件的程度。
由于脉冲较宽,工作频率较低,为了保持较陡的脉冲前沿和平坦的脉冲波顶,一般采用调制式,既使在逆变器频率很低的情况下,仍可保证脉冲具有平坦的波顶。
同时还可以减小脉冲输出变压器的体积。
(5)绝对值运算器
绝对值运算器是将正、负极性的输入信号变为单一极性的输出信号,但大小一般不变。
在系统中,电流反馈和电压反馈都是反映反馈量的大小而不反映它的极性,而给定信号在正、反转时,有正、负极性变化。
为使两个信号在正、反转时均为相减的关系,而必须设置绝对值运算器。
压频变换器需要极性不变的输入信号,所以也取自绝对值运算器的输出端。
(6)给定积分器
对于转速开环的交流调速系统,起动时,如果逆变器输出电压与频率变化太快时,将会使电动机的转差率S加大。
加大到S>S„,后,电磁转矩反而减小,使起动时间增加,甚至使电动机堵转。
在图4-22中,以加速为例,起动时,如果使逆变器的频率从久突增至人,对应电压也相应协调上升,在改变频率瞬间,电动机的电磁转矩将从7;变为7;,而Tb 如果使逆变器输出频率从久变到/;,则在改变频率瞬间,电动机的电磁转矩从7;变到兀,由于Tc>Ta,电动机的加速度增大。 从此看出,在实际工作中,应根据负载转矩大小和系统转动惯量大小等实际情况,确定最佳加减速时间。 主要是调节给定积分器的时间常数。 当山给定电位器给出一个电压值时(对应一个输出频率办),经函数发生器补偿,输出一个与给定频率对应的电压给定值。 由于通过函数发生器实行Ei/办=常数的控制方式,所以能保证磁通恒定。 电压给定值经电压调节器和电压闭环,使主回路得到与给定电压大小相符的电压同时,频率给定信号经压频变换器得到6倍于给定频率的脉冲信号,再经过环形分配器分配给脉冲输出级,最后送给逆变器的晶闸管发出对应频率久触发脉冲。 使电动机运行于与人对应的转速上。 9在转速开环变频调速系统中,为什么要设置瞬态校正环节? 设置瞬态校正环节是为了在瞬态(动态)过程中,使系统仍基木保持某种控制规律,在此系统中是为保持Ejf,=常数。 由于电压控制回路为闭环,而频率控制回路为开环,在有负载扰动、电网电压波动等因素时,容易使系统工作不稳定。 例如,在负载扰动下,电流内环响应较快,引起电压波动,由电压闭环进行自动调节。 但是,只要给定电压不变,频率就始终不变。 虽然在负载扰动下,输出电压将反复变化,而输出频率并不随着电压变化,使得在动态时不能保持Ejf,=常数,磁场将产生过励和欠励不断交替的情况,使得电动机转矩波动,以至电动机转速产生波动,造成系统工作不稳定。 为了避免上述情况的产生,而加入瞬态校正调节器,进行瞬态的补偿调节。 瞬态校正器采用微分校正电路,以获得超前校正作用。 它的输入信号有两种取法: 一是取电流调节器的输出信号;二是取电压调节器输入的电压给定与电压反馈的差值。 这两种方法均可得到近似的补偿。 系统进入稳态后,该环节就不起作用了。 10转差频率控制方式的基本思想是什么? 试分析转差频率控制变频调速系统的起动和回馈制动过程。 直流双闭环系统具有优良的静动态性能,是因为直流电动机转矩容易控制,只要调节电枢电流,就可以控制电动机的转矩。 也就是说,控制系统对转矩的控制能力,可以决定系统静动态性能的好坏。 异步电动机的电磁转矩T可表示为 T=COS02 即电磁转矩与气隙磁通、转子电流及转子回路的功率因数有关,而这些量都不是独立变量,又难于直接检测与控制,这也就是异步电动机转矩难于控制的原因。 因此,如果不解决异步电动机转矩的控制问题,既使采用转速闭环,动态特性仍无法改善。 转差频率控制就是一种解决异步电动机转矩控制问题的方法。 采用这种方法,可以大大改善异步电动机的静动态性能。 异步电动机转矩和转差角频率0,(或转差频率/'2)成正比。 因此,在磁通①”恒定的条件下,控制转差角频率0,(或/^),也就控制了转矩,这就是转差频率控制的基本思想。 ⑴起动过程(理想空载情况)在给定一个转速给定信号0*瞬间,由于电动机的机械惯性,电动机转速为零,0=0,转速调节器ASR的输入偏差信号很大,其输出迅速达到限幅值。 使转差角频率0;=0山朋,此时系统具有最大转矩几琢。 一方面,经函数发生器给出对应的定子电流人的给定值X,维持电动机的磁通①”二常数;另一方面,压频变换器的输入端,从绝对值运算器的输出端得到给定信号,转换成6久的脉冲列,经环形分配器输出后,产生此时异步电动机的同步旋转磁场,电动机开始转动。
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