《电气传动和调速系统》课程思考题和习题解答四

《电气传动和调速系统》课程思考题和习题解答四

第四章 交流调速系统

1．为什么改变异步电动机定子供电频率，可以调节异步电动机的转速？ 由n160f1/p可知，当极对数p不变时，同步转速n1和电源频率f1成正比。而异步电动机的转速n(1sn1(1s)60f1/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，仅改变人是否可行？为什么？在实际应用中，同时还要调节U1，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：U1E144.4f1KN1N1m

式中，定于绕组匝数N1，定于绕组系数KNI为常数。在电源频率f1一定时，定于绕组感应电压势U1与E1与产生它的气隙合成磁通电成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电压U；与E；近似相等。由式（4-1）看出，若U1不变，f1与成反成反比。如果人下降，则入增加，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f1上升，则m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m不变，在调节人的同时还要协调地调节U1，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U1/f1=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几。不变，即电动机的过载能力不变。由电机学可知，最大转矩Tmax为

4f1[r1r1(x1x2)]若忽略定子电阻r1rl，并考虑到x1x2xk2f1(L1L2),则Tmax(U1/f1)2所以在从

Tmax3pU222

额定频率（称为基频）向下调节f1时，协制U1，使f1与U1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r1马相对于短路电抗xkf1xkx。来说，可以忽略（因为，在调节f1同时，调节U1，并保持U1/f1常数，即可使Tmax不变。但是在频率xkf1）

较低时，r1相对xk来说，不可忽略。此时既使仍保持压频比恒定，由m也要减小，从而使最大转矩Tmax减小。电动机低速运行时，过载能力随转速n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E1/f1=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m不变，可以采用

E1/f1=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E1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f1的降低，适当提高U1，以补偿r1上的压降，等效地满足E1/f1=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m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，定子频率将大于额定频率，如按以上控制方式，定子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U1/f1=常数的条件，即可恒功率调速。实际在基频上以上调速时，是保

持U1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U1/f1=常数或E1/f1=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n160f1p知，改变电源频率f1人，就有不同的n1，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f1从基频向下调，而数值较高时，r1可忽略TmaxU1/f1，按压频比

恒定的控制方式调速，最大转矩基本保持不变。当f1人数值较低时，r1不可忽略，由式（4－2）可见，最大转矩将减小。这是因为在r1上产生的压降使得定子电动势E1进一步降低，气隙磁通m减小，所以，既使保持U1/f1=常数，也不能保持m不变，致使最大转矩Tmax减小。f1下降越多，r1的影响越大，Tmax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U1，采用E1/f1=常数的控制方式。当从基频向上调时，U1保持额定值不变，f1增加，m减小，Tmax随之减小。

r1r2忽略r1并用x1x22f1(L1L2)代人式中，得sm又因为转速

2f1(L1L2)r2=常数可见nm与频率f1无关。nn1(1s)则对应最大转矩时nmsmn12f1(L1L2)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f1很低时，r1不可以忽略，nm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．请画出交一直一交变频器和交一交变频器的示意图，并指出各自的特点。

交一交变频系统的示意图。

（b）运行段的斜率由电机学知，临界转差率Sm为：Smr22(x1x2)2在f1较高时

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。交一变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，因而了它的应用

场合。一般是用于低速、大功率的调速系统中。

交一直一交变频器向异步电动机供电的主回路原理图。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Udzzz U。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，称为交玉红交电压型变频器。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Id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—直一交电流型变频器。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Id方向不变，而电压Ud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人回馈制动状态。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，如下表所示。

变频器类型 直流回路虑波环节 输出电流波形 输出电压波形 回馈制动 变器 过滤及短路保护 动态特性 对开关元件要求 困难 较慢，采用PWM方式则快 关断时间短，而压可较低 容易 较快 耐压同 电 压 型 电容器 接近正弦 矩形波 需在电源侧附加反并联逆方便，不需附加设备 电 流 型 电抗器 矩形波 接近正弦 6．180°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VT1到VT6，每个触发脉冲相隔60°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．交一直一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Ud分别为多少伏？

180导通型逆变器中UAB＝0.8l7U，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U1与频率f1的关系，实现各种控制方式。对于要求端电压U1与频率f1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E1/f1=常数的控制方式时，可采用加人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fmax时，要求它输出的最高频率为6fmax。

（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、负极性的输人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人信号，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＞Sm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f1突增至f3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TA变为TB，而TB＜TA，从而使电动机加速度下降，甚至如果TB小于负载转矩，电动机不但不能加速，反而减速，最终堵转。如果使逆变器输出频率从f1变到f2，则在改变频率瞬间，电动机的电磁转矩从TA＞TA,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。

当由给定电位器给出一个电压值时（对应一个输出频率f1），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E1/f1=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U1。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f1触发脉冲。使电动机运行于与f1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，使系统仍基本保持某种控制规律，在此系统中是为保持E1/f1=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U1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E1/f1=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，而加人瞬态校正调节器，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。它的输人信号有两种取法：一是取电流调节器的输出信号；二是取电压调节器输人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CMmI2cos2

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2（或转差频率f2）成正比。因此，在磁通m恒定的条件下，控制转差角频率也（或f2），也就控制了转矩，这就是转差频率控制的基本思想。

（l）起动过程（理想空载情况）在给定一个转速给定信号瞬间，由于电动机的机

械惯性，电动机转速为零，0，转速调节器ASR的输人偏差信号很大，其输出迅速

达到限幅值。使转差角频率ssmax，此时系统具有最大转矩Tamx。一方面，经函数发

生器给出对应外。的定子电流I1人的给定值I1，维持电动机的磁通m=常数；另一方面，压频变换器的输人端，从绝对值运算器的输出端得到给定信号，转换成6f1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。随着电动机转速的上升，其旋转角频率上升，但只要，转速调节器就一直饱和，转速环处于开环状态。ASR的输出始终为限幅值，即电动机的转矩始终为最大值Tmax。而且通过电流环，使电动I1子电流入始终跟随给定值，确保转速过渡过程中电恒定，于是电动机在恒最大转矩下加速。同时随着的上升，1smax也不断上升，对应压频变换器输出的频率增高，电动机旋转磁场的转速加快，电动机转速上升，但是因为s始终为最大值，所以TTmax，电动机沿着Tmax的特性曲线起动，转速上升很快。当上升到且略有超调时，ASR退饱和，s从smax下降到s0，对应I1I0，经过转速环的调节，使电动机稳定运行于=

（2）回馈制动

如果给定信号突然减小到零，由于转速不能突变，转速调节器的输人变号，使其反向积分，一直到负限幅值一smax，电动机有一Tmax，旋转磁场的角频率从队变为smax，由于＞1，s＜0电动机运行于回馈制动状态，而且只要＞0＝，转速调节器输出就一直为负限幅值，电动机就在一Tmax作用下很快减速，直至smax后，ASR退饱和，经过转速调节，使系统停车。

11．转差频率控制变频调速系统中，当转速检测误差较大时，会发生什么情况？ 转速的检测误差使系统特性偏离理想情况系统的控制作用由转差角频率队决定，而队难于直接测量，一般是检测。如果用测速发电机检测，误差一般为额定转速的1％～3％，由于s比小得多，不大的误差就会引起很大的误差。由于函数发生器是根据ASR的给定，输出对应于s的定子电流I1的给定值，因此使实际的s与I1并不满足理论上所得的关系，致使m不为设定值。在动态中，就不能保持Tamx不变，系统的快速性受到影响。反之，则使I。增大，铁损增加，电动机发热严重。由此可见，在转差频率

控制的变频调速系统中，对测速精度的要求更高。

为了解决这一问题，可以采用数字检测。还可以采用电子线路，通过其他电量来间接求出电动机实际转差角频率。

12．什么叫脉宽调制型逆变器？它有什么特点？

所谓脉宽调制型逆变器就是利用半导体器件的导通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲列，实现变频、变压及控制和消除谐波。它采用多个脉冲宽度可调的方波，取代普通逆变器输出电压、电流的120°180°达到降低高次谐波成份、减少转矩脉动、拓宽调速范围的目的。这种脉宽调制型逆变器主回路简单，而且由于逆变器输出电压的大小和频率直接由逆变器决定，所以调节速度快，系统的动态性能好，而且电源侧输人功率因数高，又可以将多个逆变桥接在同一个公共直流母线上，便于实现多台电动机调速拖动。

13.宽调制型逆变器有哪些控制方式？SPWM控制方式有什么特点？

脉宽调制方式很多，有简单的多脉冲调制法、正弦波脉宽调制法、准正弦波脉宽调制法、电流跟踪控制PWM等方法。

SPWM调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距，脉冲等幅、调宽，各脉冲面积之和与正弦波下的面积成比例，因此，其调制波形更接近于正弦波，谐波分量大大减小。在实际应用中，对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角波载波信号相比较，而产生三相脉冲调制波。一般在脉冲数相同时，异步调制比同步调制谐波分量大，但只要半个周期内脉冲信号较多，这种影响是可以忽略的，而且在低频时，脉冲数随着输出电压频率的下降，而自动增加，这对克服转矩脉动有很大好处。

14．什么叫同步调制和异步调制？各有什么特点？举例说明之。

每个周期输出的脉冲数不变的方法，称为同步调制方法。这种调制方法使得在不同频率下，正负半周波形始终保持完全对称，因此没有偶次谐波。当主回路输出频率改变时，输出电压一个周期内的脉冲个数发生变化，且正负半周的脉冲数和相位发生不对称，称为异步调制。一般在脉冲数相同时，异步调制比同步调制谐波分量大，但只要半个周期内脉冲信号较多，这种影响是可以忽略的，而且在低频时，脉冲数随着输出电压频率的下降，而自动增加，这对克服转矩脉动有很大好处。

15.么叫单极性调制和双极性调制？各有什么特点？

调制的载波和参考信号的极性不变，称为单极性调制。若三角形载波信号Uc和正弦波参考信号Ur均具有正负极性，称为双极性调制。两者都是通过改变正弦波参考信号的幅值和频率，来改变输出电压基波的幅值和频率。也同样既可采用同步调制，又可采用异步调制。从主回路看，对于双极性调制，由于同一桥臂上的两个开关元件始终轮流交替通断，而且一般开关元件的关断时间总是大于其开通时间，因此容易引起电源短路，造成环流。为防止环流，就必须增设延时触发环节。而单极性调制，在同一桥臂上两个开关元件中，一个按正弦脉宽规律，在半个周期内导通和关断时，另一个开关元件始终是关断的，因此不会产生环流，不用设延时环节。既简化了线路，又防止了延时引起的失真。

16．试定性分析异步电动机具有什么样的数学模型？

(1 )步电动机是强耦合的多变量系统异步电动机变频调速时，需要进行电压和频率或电流与频率的协制，有电压和频率两个的输人变量（若考虑电压是三相的，实际的输人变量还要多）。输出变量除转速外，还有磁通，因为三相异步电动机是定子接三相电源，产生磁通和转速，改变定子电压，其他条件不变时，磁通和转速同时改变，而且为了得到良好的动态性能，还应控制磁通在动态过程中保持恒定，所以异步电动机是多输人多输出的多变量系统。

(2 )数学模型是非线性的异步电动机定子通人三相交流电产生旋转磁场，切割转子导体产生感应电动势，即磁通与转速相乘产生感应电动势，同时转子作为带电导体在磁场中受力产生转矩，即磁通与转子电流有功分量相乘产生转矩，这些变化是同时产生的。所以，在数学模型中，含有两个变量的乘积项，既使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。

(3)动机为八阶系统三相定于绕组和三相转子绕组在产生磁通时，都有各自的惯性，再加上系统的机械惯性和变频装置的滞后因素，所以为八阶系统。

综上所述，异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。所以异步电动机的转矩难于控制。

17异步电动机矢量控制的基本思想是什么？

异步电动机的转矩难于控制，如果从电机的统一理论出发，能找到异步电动机和直流电动机电磁转矩之间的共同基础和内在关系，就可以模拟直流电动机来控制异步电动机了。

若以2久为M轴，和2垂直的为T轴，则可以组成＊了新坐标系。又由于转子漏电抗X2很小，2角很小，实际上为了方便，常以m为磁场定向的新坐标系的M轴。这样，定子电流就可以分解成磁场电流分I1M。和转矩电流分量I1T。二者互相垂直，又彼此，能分别进行调。和直流电动机对比，I1M相当于励磁电流，I1r相当于电枢电流，就相当于在直流电动机中控制励磁电流和电枢电流一样了。

从数学上讲，是把用A、B、C坐标系表示的电动机矢量变成按m定向的MT坐标系，也就是进行矢量变换。在MT坐标系中，异步电动机的数学模型和直流电动机就一样了，因此可以象直流电动机—样进行控制，并得到和直流电动机一样的特性。这种方法就叫作磁场定向的矢量变换控制，简称矢量变换控制。

18异步电动机矢量控制系统中，为什么要设置直角坐标l极坐标变换器、矢量旋转器和3相12相变换器？它们的作用是什么？

在矢量控制系统中，先将A、B、三相坐标变换成a、坐标系，再将a、坐标系变成磁场定向的M、T坐标系。另外，还需要检测出磁链（磁通）的大小和相位，由于这些矢量变换最后必须将直流量还原为交流量以控制交流电动机，因此，这些运算功能的变换必须是可逆的。

（1）3相12相变换器（3/2）

根据旋转磁场等效的原则，用一个对称的两相统组代替对称三相绕组，并且保持变换前后功率不变，这就是3／2变换的实质。

（2）矢量旋转变换器（VR）

a、绕组和直流M、T绕组均为两相绕组，后者是旋转的直角坐标系；前者是静止的直角坐标系，它们之间的变换属于矢量旋转变换，这种变换的运算功能由矢量旋转变换器（VR）来完成。

（3）直角坐标/极坐标变换器（K/P）

矢量变换控制系统中，有时需将直角坐标变换为极坐标，用极坐标的矢径和极角表示矢量。这个功能由直角坐标/极坐标变换器来完成。