第二篇 交流调速系统
习
题
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五 闭环控制的异步电动机变压调速系统
--- 一种转差功率消耗型调速系统
5-1按照交流异步电从定子传入转子的电磁功率Pm可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率P2，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率PS, 根据对PS的处理方式的不同，可把交流调速系统分成哪几类？并举例说明。
答：从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是
评价
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调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类 。
① 转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，上述的第降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速这三种调速
方法
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都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
②.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，上述第绕线电机串级调速或双馈电机调速方法属于这一类。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。
③ 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，上述的变极对数调速和变压变频调速等调速方法属于此类。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。
5-2 有一台三相四极异步电动机，其额定容量为5.5KW, 频率为50HZ，在某一情况下运行，自定子方面输入的功率P1为6.32 KW，定子铜损耗Pcu1为341W，转子铜损耗Pcu2为237.5 W，铁心损耗PFe为167.5 W，机械损耗Ps为45 W，附加损耗P’f为29 W，是绘出该电动机的功率流程图，注明各项功率或损耗的值，并计算在这一运行情况下该电动机的效率、转差率和转速。
答：根据异步电动机的功率流图，可以求出该电动机的效率：
η=
=
=87%
Pm = P1-Pcu1-Pfe=6320-341-167.5=5811.5
Ps=S Pm =45 W
S=0.0077
三相四极异步电动机n0=
=1500r/min
n= n0(1-s)=1384 r/min
5-3 简述交流变压调速系统的优缺点和适用场合.
答: 变压调速是异步电机调速方法中比较简便的一种。
由电力拖动原理可知，当异步电机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电机在一定负载转矩下的转速。
当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。
由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。
为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。
为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。
调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源。
目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。其中以晶闸管调压方式为最佳。
调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制。调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。
5-4 何谓软起动器? 交流异步电动机采用起启动器有什么好处?
答：现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来，起动时间也短于一级降压起动。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作.
视起动时所带负载的大小，起动电流可在 (0.5~4) IsN 之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。
软起动的功能同样也可以用于制动，用以实现软停车。
常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%~15%），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机，问题就不这么简单了
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。
但是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快，降压起动时又会出现起动转矩够不够的问题。为了避免这个麻烦，降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。
5-5、用三个晶闸管接成星点三角形的三相交流调压电路，给电阻性负载供电。
(1) 试画出当(＝150时的A相输出电压波形。
(2) 说明对触发脉冲的宽度有何要求。
(3) 求控制角最大移相范围。
见参考文献[1]的P117例题6-1
5-6、衡量调速系统的性能指标是调速范围D、静差率S、和负载匹配情况。
① 调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin
② 静差率S=△nnom/n0*100%
对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能用闭环调速系统。
和负载匹配情况：
一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。
5-7：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点,并说明今后电力传动系统的发展的趋势.
答：* 直流电机调速系统
优点：调速范围广,易于实现平滑调速,起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。
缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。
* 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）
优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。
缺点：调速性能比直流电机差。
发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能;或采用同步电机调速系统.
5-8、从定子传入转子的电磁功率Pm = 轴上输出功率 + 转差功率 ，
其中转差功率消耗型的调速系统有 降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速；转差功率不变型的调速系统有 变压变频调速、变极对数调速；转差功回馈型的调速系统有 绕线式电动机串级调速、双馈电动机调速。
5-9、异步电动机在变压调速工作时，其最大转矩随电机电压的降低而_减小_。
5-10、对普通的笼型异步电动机，当它带恒转矩负载作变压调速工作时，其调速范围在_0到额定转速_之间。
5-11、从对转差功率的处理方式来看，交流调速系统可分为：__差功率消耗型__、_转差功率不变型__和___转差功回馈型__三大类。
5-12、变频调速系统的控制方式为：基频以下采用__恒转矩____控制方式；基频以上采用___恒功率___控制方式。
5-13、绕线式异步电动机转子串电阻调速属于（ A ）。
A、转差功率消耗型调速系统 B、转差功率不变型调速系统
C、转差功回馈型调速系统； D、不能确定
5-15 VSC (矢量变换控制)：
Vector Control System，将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换的控制系统。
5-17 DTC (直接转矩控制)：
直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，它采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band- Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机的数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理结构明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内。且无超调，是一种具有高性能的交流调速方法。
5-15三相异步电动机软起动：
常用的三相异步电动机结构简单，价格便宜，而且性能良好，运行可靠。对于小容量电动机，只要供电网络和变压器的容量足够大（一般要求比电机容量大4倍以上），而供电线路并不太长（起动电流造成的瞬时电压降落低于10%~15%），可以直接通电起动，操作也很简便。对于容量大一些的电动机，由于异步电动机起动电流为正常工作电流的5~7倍，大功率电动机的频繁起动可能回造成输电线路压降增大，损耗增加，影响其他设备的正常运行。
如果采用当电压降低时，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。但是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快，降压起动时又会出现起动转矩够不够的问题。为了避免这个麻烦，降压起动只适用于中、大容量电动机空载（或轻载）起动的场合。
现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来，起动时间也短于一级降压起动。主电路采用晶闸管交流调压器，用连续地改变其输出电压来保证恒流起动，稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路，以免晶闸管不必要地长期工作.
视起动时所带负载的大小，起动电流可在 (0.5~4) IsN 之间调整，以获得最佳的起动效果，但无论如何调整都不宜于满载起动。负载略重或静摩擦转矩较大时，可在起动时突加短时的脉冲电流，以缩短起动时间。
习题六 笼型异步电动机变压变频调速系统(VVVF系统)
6-1 简述恒压频比控制方式
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Φm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。
对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，Φm保持不变是很容易做到的。
在交流异步电机中，磁通Φm由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要，要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通Φm的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。然而，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/ f1=C这是恒压频比的控制方式。但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，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。
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压USN ，最多只能保持Us = USN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。
6-2 简述异步电动机在下面四种不同的电压-频率协调控制时的机械特性，并进行比较：
① 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性；
② 基频以下电压-频率协调控制时异步电动机的机械特性；
③ 基频以上恒压频比控制（弱磁调速）时异步电动机的机械特性；
④ 恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性；
答：① 异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式 Te= f (s)。 当定子电压 Us 和电源角频率 (1 恒定时，可以改写成如下形式：
当s很小时，转矩近似与s成正比，
机械特性 Te = f（s）是一段直线；
s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，
Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。
② 基频以下电压-频率协调控制时异步电动机的机械特性；
当 Us /(1 为恒值时，对于同一转矩 Te ，s(1 是基本不变的，
因而 (n 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下
改变频率 (1 时，机械特性基本上是平行下移，。
它们和直流他励电机变压调速时的情况基本相似。
所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，
特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小
最
大转矩 Temax 是随着的 (1 降低而减小的。频率很低时，
Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，
适当地提高电压Us，可以增强带载能力。
③ 基频以上恒压频比控制时异步电动机的机械特性；
在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us= UsN 不变，
机械特性方程式可写成
当角频率提高时，同步转速随之提高，
最大转矩减小，
机械特性上移，而形状基本不变。
由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩
的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。
所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。
以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。
如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中
的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。
④ 恒流正弦波供电时异步电动机的机械特性；
在变频调速时，
保持异步电机定子电流的幅值恒定，叫作恒流
控制，电流幅值恒定是通过带PI调节器的电流闭环控制实现的，
这种系统不仅安全可靠而且具有良好的动静态性能。
恒流供电时的机械特性与上面分析的恒压机械特性不同，
恒流机械特性与恒压机械特性的形状相似，都有理想空载转速
点（s=0，Te= 0）和最大转矩点（ sm ，Temax ）。
两类特性的
特征有所不同，恒流机械特性的线性段比较平，
而最大转矩处形状很尖。
恒流机械特性的最大转矩值与频率无关，恒流变频时最大转
矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。
由于恒流控制限制了电流 Is，而恒压供电时随着转速的降低
Is会不断增大，所以在额定电流时 Temax|的要比额定电压时
的Temax|小得多，但这并不影响恒流控制的系统承担短时过
载的能力，因为过载时可以短时加大定子电流，以产生更大的转矩。
6-3 如何区别交-直-交变压变频器是电压源变频器还是电流源变频器，它们在性能上有什么差异？
答：交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，
再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流。
在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。
电压源型逆变器（Voltage Source Inverter--VSI ），直流环节采用大电容滤波，因而直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，有时简称电压型逆变器。
电流源型逆变器（Current Source Inverter-- CSI），直流环节采用大电感滤波，直流电流波形比较平直，相当于一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，或简称电流型逆变器。
两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：
① 无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。
② 能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。
6-4 电压源型逆变器输出电压是方波，输出电流近似正弦波；电流源型逆变器输出电流是方波，输出电压近似正弦波；能否据此得出电压源型逆变器输出电流的谐波成分比电流源型逆变器输出电流的谐波成分小的结论？在变频调速系统中，负载电动机希望达到的是正弦波电压还是正弦波电流？
电压源型逆变器输出电压是方波，输出电流近似正弦波；电流源型逆变器输出电流是方波，输出电压近似正弦波。在逆变器输出电流总有效值相等的情况下，电压源型逆变器输出电流的谐波成分比电流源型逆变器输出电流的谐波成分小。
在变频调速系统中，电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。
6-5 采用二极管不控整流器和功率开关器件脉宽调制（PWM）逆变器组成的交-直-交变压变频器有什么优点？
答：交-直-交变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：① 在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。② 输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。③ 逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。④ 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。 PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。
6-6 如何改变由晶闸管组成的交-交变压变频器的输出电压和频率？这种变频器适合于什么场合？为什么？
答：交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。
常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路。要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角(由/2（对应于平均电压u0 = 0）逐渐减小到0（对应于u0 最大），然后再逐渐增加到/2（u0再变为0），当(角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。
6-7 交流PWM变换器和直流PWM变换器有什么异同？
答：交流PWM变换器是以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation wave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波。按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidal pulse width modulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。① 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。② 如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。
直流PWM变换器作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆（直流降压斩波器）与可逆（桥式H形电路）其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。
6-8 请你外出时到一个变频器厂家或变频器专卖店索取一份任意型号的通用变频器资料，用它与异步电动机组成一个转速开环恒压频比控制的调速系统，然后说明该系统的工作原理。（学生自己完成）
6-9 转速闭环转差频率控制的变压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？
由此可见，转速闭环转差频率控制的交流变压变频调速系统能够象直流电机双闭环控制系统那样具有较好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。
然而，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m恒定”的结论也只在稳态情况下才能成立。在动态中m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 ((1 , 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 (1 = (s + ( ，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。
6-10 在转差频率控制的变频调速系统中，当转差频率的测量值大于或小于实际值时，将给系统工作造成怎样的影响？
在频率控制环节中，取 (1 = (s + ( ，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。
当转差频率的测量值大于实际值时，在频率控制环节中，取(1* = (s*+(，转差频率给定(s*，与实测转速信号( 相加，即得定子频率给定信号(1*，由于正反馈，系统的实际值越来越小，系统工作性能变差。
6-11 分别简述直接矢量控制系统和间接矢量控制系统的工作原理，磁链定向的精度受哪些参数的影响？
带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统。 转速正、反向和弱磁升速；磁链给定信号由函数发生程序获得；转速调节器ASR的输出作为转矩给定信号，弱磁时它还受到磁链给定信号的控制；在转矩内环中，磁链对控制对象的影响相当于一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。在磁链闭环控制的矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，其幅值和相位都受到电机参数 Tr 和 Lm 变化的影响，造成控制的不准确性。
有鉴于此，很多人认为，与其采用磁链闭环控制而反馈不准，不如采用磁链开环控制，系统反而会简单一些。在这种情况下，常利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统。它继承了基于稳态模型转差频率控制系统的优点，同时用基于动态模型的矢量控制规律克服了它的大部分不足之处。转差型矢量控制系统的主电路采用了交-直-交电流源型变频器，适用于数千kW的大容量装置，在中、小容量装置中多采用带电流控制的电压源型PWM变压变频器，磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信号确定，靠矢量控制方程保证，并没有实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量控制。
6-12 试比较转子磁链的电压模型和电流模型的运算方法及优缺点。
答：要实现按转子磁链定向的矢量控制系统，很关键的因素是要获得转子磁链信号，以供磁链反馈和除法环节的需要。开始提出矢量控制系统时，曾尝试直接检测磁链的方法，一种是在电机槽内埋设探测线圈，另一种是利用贴在定子内表面的霍尔元件或其它磁敏元件。
从理论上说，直接检测应该比较准确，但实际上这样做都会遇到不少工艺和技术问题，而且由于齿槽影响，使检测信号中含有较大的脉动分量，越到低速时影响越严重。因此，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，利用转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与相位。
利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型：
转子磁链的电压模型适合于以中、高速运行的系统（当电机转速大于额定转速的10％时，若忽略定子电阻影响，在低速时误差较大，甚至无法应用，必要时，只好在低速时切换到电流模型，以达到提高鲁棒性的优点。
当电机转速小于额定转速的10％时，定子电阻压降不可忽略，切换到电流模型。即根据测得的定子电流和电机转速来计算转子磁链。
6-13 坐标变换是矢量控制的基础，试分析交流电机矢量变换的基本概念和方法。
答：将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统VCS（Vector Control System）矢量变换控制系统TCS(Trans-vector Control System)。
坐标变换有：
① 静止的三相坐标（A-B-C）→旋转的两相坐标（d-q-0）， P246
cosλ sinλ
C3S/2R= cos(λ-120℃) sin(λ-120℃)
Cos(λ+120℃) sin(λ+120℃)
② 旋转的两相坐标（d-q）→静止的三相坐标（A-B-C），C2R /3S= C3S/2R-1
③ 静止的三相坐标（A-B-C）→静止的两相坐标（α-β-0），零轴电流
1 -
-
C3S/2s= 0
-
K K K
④ 静止的两相坐标（α-β-0）→静止的三相坐标（A-B-C），C2s /3S= C3S/2s-1
⑤ 静止的两相坐标（α-β）→旋转的两相坐标（d-q）,
C2s /2R= cosλ sinλ
-sinλ cosλ
⑥ 旋转的两相坐标（d-q）→静止的两相坐标（α-β）C2s /2R= C2R/2s-1
⑦ 直角坐标与极坐标 I=
θ=artg(
) 或 I=
θ=artg(
)
因为θ在0～90℃变化时, tgθ的变化范围是0～∝,这个变化范围太大,常改用下式求θ值:
θ=2artg(
)
坐标变换原则有功率不变原则和空间矢量不变原则两种。
功率不变原则是保持坐标变换前后的电动机功率不变，在电力拖动系统中应用较多。
空间矢量不变原则是保持坐标变换前后的电流、电压、电动势等空间矢量的相位、幅值不变。
6-14 按定子磁链控制的直接转矩控制（DTC）系统与磁链闭环控制的矢量控制的基本概念和方法。
答：直接转矩控制：通过改变电机磁场对转子的瞬时转差速率，以直接控制异步机的转矩和转矩增加率，获得电机的快速响应。
按定子磁链控制的直接转矩控制（DTC）系统的结构特点：
转速双闭环：
ASR的输出作为电磁转矩的给定信号；
设置转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。
转矩和磁链的控制器：用滞环控制器取代通常的PI调节器。
DTC
控制特点：与VC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，
但在具体控制方法上，DTC系统与VC按定子磁链控制的直接转矩控制（DTC）系统的系统不同的特点是：
1）转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。
2）选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。
3）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。
6-15 试分析并解释矢量控制系统与直接转矩控制（DTC）系统的优缺点。
答：① 直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和控制交流电动机的转矩，它采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band- Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换与电动机的数学模型的简化处理，没有通常的PWM信号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理结构明确。该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内。且无超调，是一种具有高性能的交流调速方法。
② 直接转矩控制与矢量控制的相同点是：两者都要对转矩和磁链进行控制。
③ 直接转矩控制与矢量控制的相同异点如下：
直接转矩控制只利用定子侧参数，而矢量变换控制是利用转子侧参数，这些参数容易受转子转速变化的影响；直接转矩控制在静止的坐标系中进行，控制运算比矢量变换控制简单；直接转矩控制对转矩进行闭环控制，准确性高，动态性好，而矢量控制则过分要求圆磁磁链和正弦波电流；直接转矩控制和直接磁链控制采用滞环，参数选择适当可弥补由直接转矩控制引起的速度下降。直接转矩控制利用相电压矢量的概念，对逆变器的功率开关进行综合控制，开关次数少，开关损耗少。
6-16 名词解释： DTC DSC SPWM 原型电动机
DTC(Direct Torque Control)或DSC（Direct Self Control）：直接转矩控制，通过改变电机磁场对转子的瞬时转差速率，以直接控制异步机的转矩和转矩增加率，获得电机的快速响应。
SPWM：正弦波脉宽调制，将正弦半波N等分，把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来替代。三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参考电压信号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda 、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调节正弦波参考信号的幅值和频率就可以调节SPWM逆变器输出电压的幅值和频率。
原型电动机：（两相电动机），它具有两个集中绕组，即d轴绕组（直轴绕组）和q轴绕组（交轴绕组），两个绕组互相垂直，可以对转矩和磁通进行独立控制其转子结构与直流电动机一样，有枢和换向器等。
6-17、三相异步电动机的数学模型包括： 电压 方程、 磁链 方程、 转矩 方程和 运动 方程
6-18、将三相交流电机变换成两极直流电机的物理模型要经过的坐标变换有哪些？
先将静止的三相坐标A-B-C转换成静止的两相坐标α-β，再将静止的两相坐标α-β换成旋转的两相坐标d-q或极坐标(M-T)。
6-19、什么是矢量控制系统VCS或TCS矢量变换控制系统？请画出矢量控制系统的构思框图，并简述其工作原理。
将异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，就能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统VCS（Vector Control System）矢量变换控制系统TCS(Trans-vector Control System)。
6-20、三相异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统
6-21、请写出下图交-直-交电压源变频调速系统的工作原理。
答：① 主回路：对称工频三相电源供电给交-直-交电流源间接变频器，变频器输出
可调压调频的交流电给三相异步电动机。变频器的整流部分是由晶闸管组成的半控三相桥式整流器，通过电流调节器的输出产生触发脉冲控制六个晶闸管的导通，进行调压。变频器的逆变部分是由晶闸管组成的半控三相桥式逆变器CSI，通过压频变换器的输出触发脉冲控制相应晶闸管的导通，进行调频。
② 电流内环：由电流互感器检测变频器输入交流电流，经整流变成直流，作为反馈电流（Ui），给定电流（U*i）相比较，其偏差作为电流调节器的输入，电流调节器的输出产生触发脉冲，这些触发脉冲经驱动电路进行功率放大并隔离，控制整流器六个晶闸管的导通。
③ 转速外环：由电压互感器检测变频器输出交流电压，经整流变成直流，作为反馈电压（UV）送入速度调节器；给定转速（U*g）通过绝对值发生器和函数发生器后一路送入速度调节器，两者的偏差作为速度调节器的输入，速度调节器的输出作为电流调节器的给定（U*i）。
④给定电流（U*g）通过绝对值发生器和函数发生器后另一路送入压频变换器进行频率控制，以保证电压频率协调控制。压频变换器输出一系列脉冲，这些触发脉冲经环形分配器进行脉冲分配，再由脉冲放大器进行功率放大并隔离，控制逆变器六个晶闸管的导通。
⑤ 给定转速Ug经极性鉴别器进行极性鉴别，在环形分配器控制脉冲的相序，以便使电机按给定要求正转或反转。
6-22请写出下图交-直-交电流源变频调速系统的工作原理。
答：① 主回路：对称工频三相电源供电给交-直-交电压源间接变频器，变频器输出
可调压调频的交流电给三相异步电动机。变频器的整流部分是由晶闸管组成的半控
三相桥式整流器，通过电流调节器的输出产生触发脉冲控制六个晶闸管的导通，进行
调压。变频器的逆变部分是由晶闸管组成的半控三相桥式逆变器，通过压频变换器的输出触发脉冲控制相应晶闸管的导通，进行调频。(3分)
② 电流内环：由电流互感器检测变频器输入交流电流，经整流变成直流，作为反馈电流（Ui），给定电流（U*i）相比较，其偏差作为电流调节器的输入，电流调节器的输出产生触发脉冲，这些触发脉冲经驱动电路进行功率放大并隔离，控制整流器六个晶闸管的导通。(2分)
③ 转速外环：由电压互感器检测变频器输出交流电压，经整流变成直流，作为反馈电压（UV）送入速度调节器；给定转速（U*g）通过绝对值发生器和函数发生器后一路送入速度调节器，两者的偏差作为速度调节器的输入，速度调节器的输出作为电流调节器的给定（U*i）。(2分)
④给定电流（U*g）通过绝对值发生器和函数发生器后另一路送入压频变换器进行频率控制，以保证电压频率协调控制。压频变换器输出一系列脉冲，这些触发脉冲经环形分配器进行脉冲分配，再由脉冲放大器进行功率放大并隔离，控制逆变器六个晶闸管的导通。(2分)
⑤ 给定转速Ug经极性鉴别器进行极性鉴别，在环形分配器控制脉冲的相序，以便使电机按给定要求正转或反转。1分)
6-23、交流电动机变压调速方法属转差功率（ C ）调速。
A、消耗型; B、回馈型
C、不变型; D、不存在型
6-24、交流电动机带恒转矩负载作调压调速时，其转差功率与转差率（B ）？
A、无关系; B、成比例关系;
C、成平方关系; D、成反比关
6-25、请写出下图转差频率控制变频调速系统的工作原理，并指出其优缺点。
6-26、ＳPWM逆变器是利用正弦波信号与三角波信号相比较后，而获得一系列（A）的脉冲波形。
A、等幅不等宽; B、等宽不等幅;
C、等幅等宽; D、不等宽不等幅;
6-27、异步电动机变压变频调速时，采用（D）控制方式，可获得一线性机械特性。
A、U1／f1=常值; B、Eg/f1=常值;
C、Es/f1=常值; D、Er/f1=常值
6-28、一般的间接变频器中，逆变器起（B）作用。
A、调压; B、调频;
C、调压与逆变; D、调频与逆变
6-29、转差频率控制变频调速系统的基本思想是控制（B）。
A、电机的调速精度; B、电机的动态转矩;
C、电机的气隙磁通; D、电机的定子电流
6-30、按转子磁场定向和矢量控制变频调速成系统中，在（C）条件下，有电动机转矩与
定子电流转矩分量成正比的关系。
A、气隙磁通恒定; B、转子电流恒定;
C、转子磁链恒定; D、定子电流恒定
6-31、在变压变频调速系统中，若采用 U1/f1=常数控制，而不加补偿措施，则电动机的最大转达矩会随转速而下降.
6-32、异步电动机A、B、C、坐标系的数学模型经_三相静止/两相静止坐标转换和两相静止/两相旋转坐标变换，可得到dqo坐标系的数学模型。
6-33、SPWM的三种调制方式为:同步调制、异步调制和混合调制。
6-34 消除指定次数谐波的脉冲宽度调制(SHEPWM)
（Selected Harmonics Elimination Pulse Wide Modulation） 采用直接计算的下图中各脉冲起始与终了相位(1， (2，… (2m的方法，以消除指定次数的谐波，构成近似正弦的PWM波形。 例如，取 m=5，可消除 4 个不同次数的谐波。常常希望消除影响最大的 5、7、11、13 次谐波，就让这些谐波电压的幅值为零，并令基波幅为需要值，可得一组三角函数的联立方程。解出开关时刻相位角， 然后再利用 1/4 周期对称性，计算出各值。一般用计算机离线求出开关角的数值，放入微机内存，以备控制时调用。
6-35 电流滞环跟踪控制的脉冲宽度调制CHBPWM
Current Hysteresis Band Pulse Wide Modulation，将给定电流与输出电流进行比较，电流偏差超过时 (h，经滞环控制器控制逆变器 A相上（或下）桥臂的功率器件动作。
如果， ia < i*a ， 且i*a - ia ≥ h，滞环控制器输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但滞环控制器仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大，直到达到ia = i*a + h ， (ia = –h ，使滞环翻转，滞环控制器输出负电平，关断V1 ，并经延时后驱动V4。但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到时，到达滞环偏差的下限值，使滞环控制器再翻转，又重复使导通。这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化，输出电流是十分接近正弦波的。
6-36、变频器从结构上看，可分为直接变频器、间接变频器两类，从变频电源性质看，可分为电压源变频器、电流源变频器两类。
6-37、通过调节SPWM逆变器控制电路中晶闸管的触发控制角，就可以调节SPWM逆变器输出交流电压的幅值和频率。
6-38梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）：
从电动机本身看，它是一台同步电动机，但是如果把它和逆变器 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本来就是交变的，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。这里，则采用电力电子逆变器和转子位置检测器替代机械式换向器和电刷。获得梯形波的气隙磁场，定子采用集中整距绕组，因而感应的电动势也是梯形波的。
习题七 绕线转子异步电动机串级调速系统
----转差功率回馈型的调速系统
7-1简述异步电动机双馈调速的基本原理和异步电动机双馈调速的五种工况。
答：双馈调速是将定、转子三相绕组分别接入两个相对独立的三相对称电源：电子绕组接入工频电源，转子绕组接入频率、幅值、相位都可以按要求进行调节的交流电源，即采用交-交变频器和交-直-交变频器给转子绕组供电。其中必须保证在任何情况下，转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致。当改变转子外加电压的幅值和相位时就可以调节异步电动机的转速，也可以调节定子侧的功率因数。这种双馈调速的异步电机不但可以在亚同步转速区运行，而且可以在超同步转速区运转，因此，双馈调速也叫超同步调速。
串级调速是对转子绕组中的电流进行整流，并以直流形式在转子绕组中串入外加电动势，也叫低同步串级调速系统，这是由于转差功率只能单方向由整流器送出的缘故。串级调速是双馈调速的一种特殊情况。
异步电动机双馈调速的五种情况的功率流动情况：
① 转子运行于次同步电动状态（1＞S`＞0）
电磁功率＞0，从电源流向负载；机械功率＞0，从电机输给机械负载；
转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。
② 转子运行于次同步速的定子回馈制动状态（1＞S`＞0）
电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；
转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。
③ 转子运行于超同步电动状态（S`＜0
电磁功率＞0，从定子电源输向电机；机械功率＞0，从电机输给机械负载；
转差功率＞0，转子外接电源输给电机，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。
④ 转子运行于超同步速的定子回馈制动状态（S`＜0
电磁功率＜0，从电机回馈给定子电源；机械功率＜0，从原动机输给电机；
转差功率＜0，回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为制动性转矩。
⑤ 转子运行于倒拉反转的电动状态（S`＞1）
电磁功率＞0，从定子电源输给电机；机械功率＜0，从原动机输给电机；
转差功率＜0，由电动机回馈给转子外接电源，属于电动运行状态，电磁转矩为拖动性转矩。
7-2 串级调速系统的组成原理是什么？在起动、调速、停车的过程中，逆变角(是如何控制的？
在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是在转子侧串入一个可变频、可变幅的电压。对于只用于次同步电动状态的情况来说，比较方便的办法是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，控制此直流附加电动势的幅值，就可以调节异步电动机的转速。
① 起动 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Ir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。
控制逆变角(，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一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，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。
② 调速：调速原理：通过改变(角的大小调节电动机的转速。
调速过程：
③ 停车：串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小(角逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。
串级调速系统能够靠调节逆变角( 实现平滑无级调速。系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置损耗后的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效率。
7-3 串级调速系统的机械特性有什么特征？
在串级调速时，理想空载转速与同步转速是不同的。当改变逆变角( 时，理想空载转差率和理想空载转速都相应改变。在不同的( 角下，异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。
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一定数量的等效电阻和电抗，它们的影响在任何转速下都存在。由于转子回路电阻的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。
当电机在最高速的特性上 （( = 90°）带额定负载，也难以达到其额定转速。
整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的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。
7-4 串级调速系统的效率比转子串电阻的效率要高的原因是什么？
绕线式交流异步电动机转子回路串电阻调速系统是转差功率消耗型，转差功率消耗在转子电阻，效率低，而且效率随调速范围的增大而降低；
串级调速系统可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网，因而效率高。
7-5 某双闭环串级调速系统，电机额定数据为PN＝630KW，定子额定电压USN＝6000V，定子额定电流ISN=84A, nN=370r／min，转子开路线电压
Ero=943V，转子额定电流IrN=413ARa＝1. 2(，允许电流过载倍数λ=1.5，XD0=0. 23(，RD=0. 025(；逆变变压器XT=0.18(，RT=0. 01(；平波电抗器L=5mH，RL=0. 004(系统运动部分的总飞轮惯量GD2=7848Nm2，转子回路整流器和逆变器均采用三相桥式电路，给定电压U*n、转速调节器的输出限幅值U*im电流调节器的输出限幅值U*cm均为8V，电流滤波时间常数Toi=0. 003S 转速滤波时间常数Ton=0. 01S. 请按转差率S=0. 7计算转子直流回路等效电阻。
7-6串级调速系统在起动、停车要注意什么?分别说明直接起动和间接起动的过程及工作原理。
①串级调速系统是依靠逆变器提供附加电动势而工作的，为了使系统工作正常，对系统的起动与停车控制必须有合理的措施予以保证。总的原则是在起动时必须使逆变器先电机而接上电网，停车时则比电机后脱离电网，以防止逆变器交流侧断电，使晶闸管无法关断，造成逆变器的短路事故。
串级调速系统的起动方式通常有间接起动和直接起动两种。
②为了使串级调速装置不受过电压损坏，须采用间接起动方式，即将电动机转子先接入电阻或频敏变阻器起动，待转速升高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。
间接起动操作顺序：先合上装置电源总开关S，使逆变器在 (min 下等待工作；然后依次接通接触器K1，
浙公网安备 33021202002483