浙大远程2012机电运动控制系统作业（必做）答案(3)

机电运动控制系统作业（必做）

16. 异步电机非正弦供电下，存在两种谐波转矩：

(1) 恒定谐波转矩，① 性质 ： (a)＿异步转矩性质＿， (b)＿恒定转矩，但数值很小，其影响可忽略＿；

② 产生机理是＿气隙磁通中谐波磁通（激励）→转子中感应出同次谐波电流（响应）相互作用产生的谐波转矩＿ 。

(2) 交变谐波转矩，① 性质： (a)＿脉振转矩(基波的六倍频)＿，

(b)＿非恒定转矩(不同极对数磁场作用产生)，平均值为零 ，(c) 但低速（低频）时脉动幅值大，会造成噪声、振动，影响大＿；

②产生机理是＿不同次数谐波磁场与基波磁场的相互作用结果。幅值最大低次(5、7次)谐波电流→建立5、7次谐波磁场→转子中感应出5、7次转子谐波电流。其中 5次谐波转子电流（磁势）以5ω1反转，基波旋转磁场以ω1正转，两者相对速度为 6ω1。 7次谐波转子电流（磁势）以7ω1正转，基波旋转磁场以ω1正转，两者相对速度为6ω1。均产生出六倍频谐波转矩＿。

17.变频调速系统中，逆变器有电压源逆变器（VSI）及电流源逆变器（CSI）之分，试从以下三方面对比说明其差异，并详细说明其理由：

答:

(1) 直流环节所用滤波元件及造成的电源内阻特性上：

① 电压源型逆变器: 采用大电容滤波，逆变器电源内阻呈现低内阻特性，使输出电压

不随负载电流改变而稳定。

② 电流源型逆变器: 釆用大电感滤波，逆变器电源内阻呈现高内阻特性，使输出电流

稳定，输出电压随负载电流变。

⑵ 功率开关元件导通型式及造成的输出电压、电流特性上：

① 电压源型：180度导通型（每管导通半周期）,换流在同相上、下桥臂元件间进行，

任何时刻均有三管导通，使三相电压确定。

② 电流源型：120度导通型（每管导通1/3周期）,换流在同组（共阳或共阴组）的三

相元件间进行，任何时候只有两管导通，使三相电流确定。

⑶ 拖动多机及四象限运行能力上：

① 电压源型：大电容滤波，直流母线电压极性不能改变，两桥开关元件单向导电性决

定了直流电流流向不能变，功率只能从电网流向电机，电机只能作电动运行，故无四象限运行能力

② 电流源型：虽两桥开关元件单向导电性决定直流电流流向不能改 变，但大电感滤

波下直流母线电压极性允许改变，故有四象限运行能力。

18.在 采用六阶梯波 ( 方波 ) 逆变器构成的交一直一交变频调速系统中，分别阐述： ① 改变电机端电压依靠调节什么来实现？ ② 改变电机运行频率依靠调节什么来实现？ ③ 改变电机转向又是依靠什么来实现？

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答：

① 改变电机端电压依靠调节可控整流器的输出直流电压来实现； ② 改变电机运行频率依靠调节逆变器晶闸管换流快慢(频率)来实现； ③ 改变电机转向又是依靠逆变器晶闸管触发脉冲的分配来实现。

19. 按电压与频率协调控制的实现方式区分,交—直—交变频器有几种结构形式? 图示说明。 答:

（1）可控整流器调压 + 逆变器变频 形式:

釆用可控整流器相控调压, 改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频。

（2）不控整流器整流 + 斩波器调压 + 逆变器变频 形式:

釆用不控整流改善输入特性, 但输出直流电压Ud恒定，故采用斩波器脉宽调制调压; 仍

釆用六脉波逆变器, 改变逆变器换流快慢（脉冲频率）实现变频, 但输出特性差。 （3）不控整流器整流 + PWM逆变器调压/变频 形式:

逆变器采用高频自关断器件, 提高逆变器开关频率，使最低次谐波频率提高, 削弱了谐

波负面影响; 同时釆用正弦脉宽调制（PWM）控制，使输出电压以正弦基波为主, 大大改善了输出特性。

20.在采用SPWM（正弦脉宽调制）逆变器构成的交一直一交变频调速系统中，分别阐述： ① 改变电机端电压依靠调节什么来实现？ ② 改变电机运行频率依靠调节什么来实现？ ③ 改变电机转向又是依靠什么来实现？

答：

采用SPWM（正弦脉宽调制）逆变器构成的交一直一交变频调速系统中： ① 改变电机端电压依靠调节正弦调制波幅值来实现；

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② 改变电机运行频率依靠调节正弦调制波频率来实现；

③ 改变电机转向又是依靠改变三相正弦调制波的相序来实现，也可认为是通过变化逆变器功率开关元件的分配次序来实现。

21. PWM型变频器输出电压的幅值和频率是如何调节的？分别就正弦脉宽调制(SPWM)和磁链追踪控制(SVPWM)两种不同方式作出说明。

答：

(1) SPWM： ① 改变正弦调制波的频率，调节PWM波脉宽变化周期，即频率； ② 改变正弦调制波的幅值，调节PWM波脉冲宽度，即电压大小

(2) SVPWM

设基频为 ?1N?2?f1N

①基频以下 ? 1 ? ? 1N ：采用零矢量控制

磁链圆大小恒定

---恒磁通控制

②基频 ? ：不用零矢量，有效矢量作用时间额定 1??1N

③基频以上 ? 1 ：不用零矢量，减少有效矢量作用时间——磁链圆变小（弱磁控制），? ?1N转速变快

22.脉宽调制(PWM)变频器与方波(六阶梯波) 变频器相比有何优点？正弦脉宽调制(SPWM)变频器如何获得正弦脉宽的输出电压？又如何实现输出频率和输出电压大小的调节。 答：

脉宽调制(PWM)变频器与方波(六阶梯波)变频器相比优点是输出特性好，即输出基波成分大、谐波成分小，特别是谐波高频化，无低次谐波，因而易于滤波。

正弦脉宽调制(SPWM)变频器要获得正弦脉宽的输出电压可采用自然采样法的调制技术，

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即采用正弦调制波与等腰三角形载波相交、交点决定逆变器功率器件开关时刻的方式得到正弦脉宽的输出电压。

调节正弦调制波的频率可实现逆变器输出频率的调节，调节正弦调制波的幅值可实现逆变器输出电压大小的调节。

23. 异步电机变频调速时，电机端电压应如何变化? 图示说明之。

Ul随频率f1的变化规律是:

(1) 基频以下 ( f1 < f1N): 釆用Ul/fl = C 控制, 确保恒磁通控制, 实现恒转矩运行。

但在f1 < 5 Hz下要对定子电阻压降作补偿, 确保El/fl = C的恒磁通条件。

(2)基频以上 ( f1 > f1N): 保持Ul= C, 则隨 f1上升, Φ∝U1N/ f1下降, 电机作弱磁控制,

实现恒功率运行。

24. 画出频率开环、电压源(SPWM)逆变器—异步电机变频调速系统原理图(包括详细的主电路、控制电路)，说明 主功率开关器件旁为何必须反并联续流二极管？ 答:

频率开环、电压源(SPWM)逆变器—异步电机变频调速系统原理如右图所示。

由于异步电机是一种需要感性无功功率的交流电机，电机电流落后于电压。为给落后的感性无功电流提供通路，必须在逆变器主功率开关器件旁反并联续流二极管。

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25. 频率开环、电压源(SPWM)逆变器—异步电机变频调速系统中：

(1) 两个控制通道各自如何工作的？相互间如何协调的？靠什么单元协调？画出该单元的输入、输出关系曲线，并作合理说明；

(2) 如何形成SPWM调制控制(如何变频、调压)？ 答:

(1) 控制系统分为频率控制通道和电压控制通道，其总信号为速度给定。速度给定的正、负分别表示正、反转，速度给定绝对值代表速度高低。为避免给定突变引起电流、转矩的冲击，采用给定积分器将阶跃给定变为斜坡给定。为简化频率通道及电压通道的运算，可将速度给定的大小和极性分离，采用绝对值电路提取速度给定的大小来进行控制运算，用转向判别器提取转向标志来干预转向控制。

进入频率通道的转速绝对值经V/f变换器变成运行频率信号，作为正弦调制波的频率

给定值，与三角形载波相交生成SPWM波调制信号。而正弦调制波的幅值大小则由电压通道产生和给定。但三角载波频率决定于调制控制方式(异步调制、同步调制、混合同步调制)，故需从调制方式控制决定载波频率，通过三角波发生器产生三角载波，与正弦调制波一起送进PWM调制生成PWM驱动信号，送入脉冲分配器再根据转向信号决定逆变

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器各功率开关信号分配，控制电机按给定转向和转速运行。

为确保变频运行时电机磁路工作点不变或按要求变化，进入电压控制通道的转速绝对值必须通过一称之为函数发生器的电路，按基频以下恒U1/fl = C (恒磁通)控制、基频以上U1=UlN (弱磁)控制。这是一个协调两通通控制的单元，其输入f1、输出U1 关系如下图所示。

函数发生器的输出电压U1 须经电压闭环控制以确保电压U1严格按要求控制，然后

再送至正弦波发生器控制正弦调制波幅值。因而电压通道还包括电压检测及电压调节器两个部件。

(2) SPWM调制控制是通过在正弦波发生器中正弦波的频率设定(V/f变换器)和函数发生器生成的正弦调制波电压大小的分别控制实现变频和调压的。

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