弱磁运行下异步电动机调速系统的转矩及功率特性
电力拖动自动控制系统复习题及答案
电力拖动自动控制系统复习题及答案一、基础题1、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。
2、带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统，采用比例积分（PI）调节器的闭环调速系统是无静差的调速系统。
3、实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用准IP调节器。
4、对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
5、调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以动态跟随性能为主。
6、超调量的表达式为：δ＝(Cmax－C∞)/C∞×100％。
7、在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于恒转矩调速性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，属于恒功率调速。
8、当电动机由三相平衡正弦电压供电时，磁链幅值一定时，u S 的大小与电压角频率δ1 成正比，其方向则与磁链矢量正交。
9、调速系统的动态性能就是抵抗扰动的能力。
10、抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。
11、转速反馈闭环调速系统的精度信赖于给定和反馈检测精度。
12、比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。
13、在起动过程中转速调节器ASR经历了快速进入饱和、饱和、退饱和、三种情况。
14、自动控制系统的动态性能指标包括：跟随性能指标和扰动性能指标。
15、动态降落的表达式为：(△Cmax/Cb) ×100％。
16、基频以上变频调速属于恒功率调速。
17、异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。
18、两种最基本的直流调速方式为：调压调速方式和弱磁调速方式。
19、在典型II型系统性能指标和参数的关系分析中，引入了h，h 是斜率为–20dB/dec的中频段的宽度，称作中频宽。
20、Ws*＋W =W1* 是转差频率控制系统突出的特点或优点。
21、异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。
《交流调速系统》课后习题答案
《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 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，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。
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，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。
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，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。
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为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试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。
变频器中的频率、电压、转速、电流、功率,转矩的关系
变频器中的频率、电压、转速、电流、功率,转矩的关系异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。
因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。
这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。
V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。
频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。
因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。
可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。
一、引言随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。
由于通用变频器一般采用V/f控制，即变压变频（VVVF）方式调速，因此，变频器在使用前正确地设定其压频比，对保证变频器的正常工作至关重要。
变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定，即基准电压/基准频率=压频比。
基准电压与基准频率参数的设定，不仅与电动机的额定电压与额定频率有关（电机的压频比为电机的额定电压与额定频率之比），而且还必须考虑负载的机械特性。
对于普通异步电机在一般调速应用时，其基准电压与基准频率按出厂值设定（基准电压380V，基准频率50Hz），即满足使用要求。
但对于某些行业使用的较特殊的电机，就必须根据实际情况重新设定基准电压与基准频率的参数。
由于变频器使用说明书以及有关书籍中没有对这两个参数作详细介绍，因此正确的设定该参数对于不少使用者来说，并非很容易的事。
(完整word版)《交流调速系统》课后习题答案
《交流调速系统》课后习题答案第 5 章 闭环控制的异步电动机变压调速系统5-1 异步电动机从定子传入转子的电磁功率m P 中，有一部分是与转差成正比的转差功率s P ，根据对s P 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，降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速都属于这一类。
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，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。
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，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。
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为6.32kW ，定子铜损耗为341W ，转子铜损耗为237.5W ，铁心损耗为167.5W ，机械损耗为45W ，附加损耗为29W ，试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。
5.调速的指标和负载配合
结论
一个调速系统的调速范围，是指在最 低速时还能满足所需静差率的转速可调范 围。
例题 某直流调速系统电动机额定转速为 1430rpm，额定速降 nN = 115r/min，当 要求静差率s≤30%时，允许多大的调速 范围？如果要求静差率s≤ 20%，则调速 范围是多少？如果希望调速范围达到10， 所能满足的静差率是多少？
调速方式
恒转矩调速
保持直流电动机的电枢电流 I a I N 保持交流电动机的定子电流 I1 I N 电动机的电磁转矩恒定不变 他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降压调速 就属于恒转矩调速方式 – 异步电动机变频调速中，当电动机的频率低于电 动机的额定频率时 – 这种调速方式中，电动机容许输出的功率与转速 成正比 P n – – – –
电机控制技术
第5章 电动机调速的性能指标和负载配合
第5.1节 直流电动机调速的要求及 指标
电动机调速的动态指标 电动机调速的静态指标
电动机调速的指标
稳态调速指标
– 要求电气传动系统能在最高速和最低转速 范围内调节转速，并要求在各转速下都能 稳定工作
动态调速指标
– 要求系统起动、制动以及调速动态过程快 而平稳，并具有良好的抗干扰能力
调速方式调速方式?恒转矩调速保持直流电动机的电枢电流保持交流电动机的定子电流电动机的电磁转矩恒定不变他励直流电动机电枢回路串电阻调速和降压调速就属于恒转矩调速方式异步电动机变频调速中当电动机的频率低于电动机的额定频率时这种调速方式中电动机容许输出的功率与转速成正比np?naii?i?1ni调速方式调速方式?恒功率调速调速过程中当电动机的转速变化时电动机的电磁功率恒定不变他励直流电动机调速中保持电枢电压而降低励磁磁通的调速方式就属于恒功率调速方式异步电动机变频调速方式中当定子绕组电源频率而定子电压方式也属于恒功率调速方式这种调速方式下电动机容许输出的转矩与转速近似称反比即的调速nauu?nff?nuu?nt1?直流电动机的调速方式直流电动机的调速方式tpptnnn恒转矩调速恒功率调速他励直流电动机调速时容许输出的转矩和功率交流电动机的调速方式交流电动机的调速方式ptptnff调速方式与负载性质的配合调速方式与负载性质的配合?调速方式与负载性质匹配的情况电动机采用恒转矩调速方式时如果拖动恒转矩负载运行并且使电动机的额定转矩与负载转矩相等则只要运行在不高于额定转速的情况下电动机的电枢电流始终等于额定电流电动机得到了充分利用即恒转矩调速方式与恒转矩负载性质匹配
自动控制系统复习题(1)
自动控制系统复习问题1-1：无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是（D）A、消除稳态误差；B、不能消除稳态误差也不能加快动态响应C、既消除稳态误差又加快动态响应；D、加快动态响应问题1-2：转速电流双闭环调速系统中的两个调速器通常采用的控制方式是（B）A．PID B．PI C．P D．PD问题1-3：静差率和机械特性的硬度有关，当理想空载转速一定时，特性越硬，则静差率（A）A．越小B．越大C．不变D．不确定问题1-4：可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速的是（B）A．比例控制 B．积分控制C．微分控制 D．比例微分控制问题1-5：控制系统能够正常运行的首要条件是A．抗扰性B．稳定性C．快速性D．准确性问题1-6：转速电流双闭环调速系统中电流调节器的英文缩写是（A）A．ACR B．AVR C．ASR D．ATR问题1-7：双闭环直流调速系统的起动过程中不包括（D）A．转速调节阶段B．电流上升阶段C．恒流升速阶段D．电流下降阶段问题1-8：下列不属于双闭环直流调速系统启动过程特点的是（D）A．饱和非线性控制B．转速超调C．准时间最优控制D．饱和线性控制问题1-9：SPWM技术中，载波是频率比期望波高得多的（A）A．正弦波B．方波C．等腰三角波D．锯齿波问题1-10：比例微分的英文缩写是（B）A．PI B．PD C．VR D．PID问题1-11：调速系统的静差率指标应以何时所能达到的数值为准（C）A．平均速度 B．最高速C．最低速D．任意速度问题1-12：采用旋转编码器的数字测速方法不包括A．M法B．T法C．M/T法D．F法问题1-13：转速电流双闭环调速系统中转速调节器的英文缩写是（C）A．ACR B．AVR C．ASR D．ATR问题1-14：下列关于转速反馈闭环调速系统反馈控制基本规律的叙述中，错误的是（B）A．只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的B．反馈控制系统可以抑制不被反馈环节包围的前向通道上的扰动C．反馈控制系统的作用是：抵抗扰动、服从给定D．系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度问题1-15：笼型异步电动机变压变频调速系统中基频以下调速，下列哪种方式控制性能最好（）A．恒控制B．恒控制C．恒控制D．恒控制问题1-16：正弦波脉宽调制的英文缩写是（C ）A ．PIDB ．PWMC ．SPWMD ．PD问题1-17：采用比例积分调节器的闭环调速系统一定属于A ．无静差调速系统B ．有静差调速系统C ．双闭环调速系统D ．交流调速系统问题1-18：在桥式可逆直流脉宽调速系统当中，镇流电阻的作用是（ ）。
电机为什么要进行弱磁
电机为何要实施弱磁保护1.防止电机失磁,造成失步运行;2.防止深度进相运行,造成铁芯和定子线圈端部过热;弱磁情况下,如果负载不变,速度会上升,同时电流变大,电机特性变软,一般情况下,弱磁升速是不能使用的,因为如果磁通减弱的太多,速度会大幅度上升,而电流也相应地增大,会造成电机发热严重甚至烧毁.根据n=U/CeФ-RaT/CeCmФ2可以知道,速度n和磁通Ф是反比的关系,当磁通减小后,速度n反而会上升,又由T=CmФIa可以知道,当T不变的情况下,Ф的减弱,又会使Ia的值变大,电枢会加大发热.所以弱磁升速一般在负载比较轻的情况下使用.怎样判断直流电机是弱磁调速看转速是否比额定转速高;在直流电机中,主要是防止弱磁飞车;电机弱磁调速原理是什么电机可否在带额定负载转矩时运行在额定转速以上通过弱磁调速可以实现吗可以实现;电机弱磁调速的原理是通过对交流电机的Id和Iq进行调节,控制Id<0,使q 轴上的感生电势变小,使电机转速达到额定转速以上运行,一般适用于基频以上的恒功率调速;如果弱磁时带额定转矩,此时电流会非常大,比额定电流大得多,对电机很不利的,甚至会烧毁电机;如果要了解更多信息可以加电机控制群,我们进行细节交流;直流电机为何弱磁升速电枢与定子之间的作用力：F=BIL,励磁增强,B增加,但是电枢反电动势Ea 也增加了,导致电枢电流大大减小：Ia=U-Ea/Ra,因为电枢电阻Ra很多情况很小,所以电流大大减小;举个例子,如果Ra=1,U=220V ,Ea原来是200V,现在Ea增加为210V,增加了5%,但电流却又20A变为10A,减小了50%所以B增大了10%,但I却减小50%,总的效果还是作用力F减小了,所以转速也跟着降低;短路环短路环工作原理及作用交流接触器的铁心由硅钢片叠压而成.这样可以减少交变磁通在铁心中的涡流和磁滞损耗.在有交变电流通过电磁线圈时.线圈对衔铁的吸引力也是交变的.当交流电流通过零值时,线圈磁通变为零.对衔铁的吸引力也为零.衔铁在复位弹簧作用下将产生释放趋势.这使动静铁心之间的吸引力随着交流电的变化而变化.从而产生变化和噪声'加速动静铁心接触产生的磨损.引起给合不良.严重时还会使触点烧蚀.为了消除此弊端.在铁心柱端面的一部分嵌入一只铜环.名为/短路环/该短路环相当于变压器的副边绕组.在线圈通入交流电时不仅线圈产生磁通.短路环中的感应电流也产生磁通.此时短路环相当于纯电感电路.从纯电感电路的相位可知.线圈电流磁通与短路环感应电流磁通不同时为零.即电源输入的交变电流通过零值时短路环感应电流不为零.此时它的磁通对衔铁对将起着吸咐作用.从而克服了衔铁被释放的趋势.使衔铁在通电过程总是处于吸合状态.明显减少了振动噪声.所以短路环又名消振环材料通常由康铜或镍铬合金制成异步电机的发电原理感应电机,定子通入电流以后,产生感应电流;短路环中的电流阻碍磁通的变化,致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差,从而形成旋转磁场;转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流;同步发电机为了实现能量的转换,需要有一个直流磁场而产生这个磁场的直流电流,称为发电机的励磁电流;根据励磁电流的供给方式,凡是从其它电源获得励磁电流的发电机,称为他励发电机,从发电机本身获得励磁电源的,则称为自励发电机;一、发电机获得励磁电流的几种方式1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机,这种专用的直流发电机称为直流励磁机,励磁机一般与发电机同轴,发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流;这种励磁方式具有励磁电流独立,工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点,是过去几十年间发电机主要励磁方式,具有较成熟的运行经验;缺点是励磁调节速度较慢,维护工作量大,故在10MW以上的机组中很少采用;2、交流励磁机供电的励磁方式,现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流;交流励磁机也装在发电机大轴上,它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁,此时,发电机的励磁方式属他励磁方式,又由于采用静止的整流装置,故又称为他励静止励磁,交流副励磁机提供励磁电流;交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机;为了提高励磁调节速度,交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机,而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机;这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内,转子只有齿与槽而没有绕组,像个齿轮,因此,它没有电刷,滑环等转动接触部件,具有工作可靠,结构简单,制造工艺方便等优点;缺点是噪音较大,交流电势的谐波分量也较大; 3、无励磁机的励磁方式：在励磁方式中不设置专门的励磁机,而从发电机本身取得励磁电源,经整流后再供给发电机本身励磁,称自励式静止励磁;自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式;自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流,经整流后供给发电机励磁,这种励磁方式具有结简单,设备少,投资省和维护工作量少等优点;自复励磁方式除没有整流变压外,还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器;这种互感器的作用是在发生短路时,给发电机提供较大的励磁电流,以弥补整流变压器输出的不足;这种励磁方式具有两种励磁电源,通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源;二、发电机与励磁电流的有关特性1、电压的调节自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统;无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因,当励磁电流不变时,发电机的端电压将随无功电流的增大而降低;但是为了满足用户对电能质量的要求,发电机的端电压应基本保持不变,实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流;2、无功功率的调节：发电机与系统并联运行时,可以认为是与无限大容量电源的母线运行,要改变发电机励磁电流,感应电势和定子电流也跟着变化,此时发电机的无功电流也跟着变化;当发电机与无限大容量系统并联运行时,为了改变发电机的无功功率,必须调节发电机的励磁电流;此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”,而是只是改变了送入系统的无功功率;3、无功负荷的分配：并联运行的发电机根据各自的额定容量,按比例进行无功电流的分配;大容量发电机应负担较多无功负荷,而容量较小的则负提供较少的无功负荷;为了实现无功负荷能自动分配,可以通过自动高压调节的励磁装置,改变发电机励磁电流维持其端电压不变,还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整,以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配;三、自动调节励磁电流的方法在改变发电机的励磁电流中,一般不直接在其转子回路中进行,因为该回路中电流很大,不便于进行直接调节,通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流,以达到调节发电机转子电流的目的;常用的方法有改变励磁机励磁回路的电阻,改变励磁机的附加励磁电流,改变可控硅的导通角等;这里主要讲改变可控硅导通角的方法,它是根据发电机电压、电流或功率因数的变化,相应地改变可控硅整流器的导通角,于是发电机的励磁电流便跟着改变;这套装置一般由晶体管,可控硅电子元件构成,具有灵敏、快速、无失灵区、输出功率大、体积小和重量轻等优点;在事故情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速灭磁;自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成;被测量信号如电压、电流等,经测量单元变换后与给定值相比较,然后将比较结果偏差经前置放大单元和功率放大单元放大,并用于控制可控硅的导通角,以达到调节发电机励磁电流的目的;同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步,以保证控硅的正确触发;调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷;稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元;励磁系统稳定单元用于改善励磁系统的稳定性;限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的;必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元,一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关;四、自动调节励磁的组成部件及辅助设备自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流,厂用AC380v、厂用DC220v控制电源.厂用DC220v 合闸电源；需要提供以下空接点,自动开机.自动停机.并网一常开,一常闭增,减；需要提供以下模拟信号,发电机机端电压100V,发电机机端电流5A,母线电压100V,励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流,失磁,励磁装置异常等; 励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关,助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成;在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外,还必须灭磁,把转子磁场尽快地减弱到最小程度,保证转子不过的情况下,使灭磁时间尽可能缩短,是灭磁装置的主要功能;根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁;近十多年来,由于新技术,新工艺和新器件的涌现和使用,使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善;在自动调节励磁装置方面,也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置;由于采用微机计算机用软件实现的自动调节励磁装置有显著优点,目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置,这种调节装置将能实现自适应最佳调节;获得励磁电流的方法称为励磁方式;目前采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统;现说明如下：1 直流励磁机励磁直流励磁机通常与同步发电机同轴,采用并励或者他励接法;采用他励接法时,励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给;如图所示;2 静止整流器励磁同一轴上有三台交流发电机,即主发电机、交流主励磁机和交流副励磁机;副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供,待电压建立起来后再转为自励有时采用永磁发电机;副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流器整流后供给主励磁机,而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流后供给主发电机的励磁绕组;见图3 旋转整流器励磁静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组,对于大容量的同步发电机,其励磁电流达到数千安培,使得集电环严重过热;因此,在大容量的同步发电机中,常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统,如图所示;主励磁机是旋转电枢式三相同步发电机,旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后,直接送到主发电机的转子励磁绕组;交流主励磁机的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静止的晶闸管整流器整流后供给;由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置,故又称为无刷励磁系统;。
电力拖动自动控制系统-运动控制系统课后参考答案第五六七章
第五章思考题5-1 对于恒转矩负载，为什么调压调速的调速范围不大电动机机械特性越软，调速范围越大吗答：对于恒转矩负载，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为0<S<S m 所以调速范围不大。
电动机机械特性越软，调速范围不变，因为S m 不变。
5-2 异步电动机变频调速时，为何要电压协调控制在整个调速范围内，保持电压恒定是否可行为何在基频以下时，采用恒压频比控制，而在基频以上保存电压恒定答：当异步电动机在基频以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费；如果磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电动机。
由此可见，最好是保持每极磁通量为额定值不变。
当频率从额定值向下调节时，必须同时降低E g 使14.44常值SgS N mN E N K f ϕ=⨯⨯=，即在基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。
然而，异步电动机绕组中的电动势是难以直接检测与控制的。
当电动势值较高时，可忽略定子电阻和漏感压降，而认为定子相电压s g U E ≈。
在整个调速范围内，保持电压恒定是不可行的。
在基频以上调速时，频率从额定值向上升高，受到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之升高，最多只能保持额定电压不变，这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。
5-3 异步电动机变频调速时，基频以下和基频以上分别属于恒功率还是恒转矩调速方式为什么所谓恒功率或恒转矩调速方式，是否指输出功率或转矩恒定若不是，那么恒功率或恒转矩调速究竟是指什么答：在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式；在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，输出功率基本不变，属于“近似的恒功率调速”方式。
5-4基频以下调速可以是恒压频比控制、恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通的控制方式，从机械特性和系统实现两个方面分析与比较四种控制方法的优缺点。
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ISSN1000-0054CN11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2011年第51卷第7期2011,Vol.51,No.71/26873-878
弱磁运行下异步电动机调速系统的转矩及功率特性杨 耕1, 郑 伟1, 陆 城2, 陈伯时3(1.清华大学自动化系,北京100084;2.台达能源技术(上海)有限公司,上海201209;3.上海大学机电学院,上海200072)
收稿日期:2010-06-04基金项目:国家自然科学基金项目(60674096)作者简介:杨耕(1957)),男(汉),四川,教授。E-mail:yanggeng@mail.tsinghua.edu.cn
摘 要:在弱磁调速下,异步电动机变频系统电磁转矩控制的非线性特性、以及系统最大输出电压和电流的限制,使得转矩和功率控制比较复杂。该文分析了弱磁调速区间内最大电磁转矩与电动机参数、系统电压电流约束之间的关系,给出了改善控制性能所需的系统最大电磁转矩和最大功率随定子同步频率以及最大电流约束变化的定量关系。实物实验验证了这些特性。
关键词:感应电动机;弱磁控制;转矩特性;弱磁区域中图分类号:TM301;TM346文献标志码:A文章编号:1000-0054(2011)07-0873-06
Torqueandpowercharacteristicsofinductionmotordriveinfluxweakeningregion
YANGGeng1,ZHENGWei1,LUCheng2,CHENBoshi3
(1.DepartmentofAutomation,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.DeltaElectronics(Shanghai)Co.,Ltd.Shanghai201209,China;3.SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)
Abstract:Intheflux-weakeningoperationregionofaninverter-inductionmotordrive,thecontrolofelectromagnetictorque(EMT)andpowerbecomescomplicated,duetothenonlinearcharacteristicoftheEMTandoutputvoltage/currentconstraintsofthedrive.Forthecontrolperformanceimprovement,thispaperdescribesthefunctionofthemaximumEMTaboutthemotorparametersandthevoltage/currentconstraints,andpresentsthealgorithmsofthemaximumEMTandtheelectromotivepoweralongwiththevariationofstatorfrequencyaswellasthecurrentlimitations.Testresultsverifythealgorithms.
Keywords:inductionmotor;fluxweakeningcontrol;torquecharacteristic;fluxweakeningregion
一般认为,异步电动机在额定频率以上的弱磁运行具有恒功率调速的特性[1-3],但在交流变频器驱动电机运行时,由于变频器最大输出电压和最大输出电流的限制(以下简称为电压电流限制),此时的
调速特性远比一般所述的/恒功率特性0复杂。然而,从系统实现的角度出发,如果采用具有转矩控制内环的结构,由于弱磁运行时电磁转矩控制环和磁链控制环之间不再解耦,系统需要实时求取电压电流限制下随速度变化的电磁转矩指令以及励磁电流指令。此时的系统控制框图可用图1表示,励磁电流指令的求取如图中阴影部分所示,需要求解一个由多个变量构成的超越方程。由于算法十分复杂,基于现有的实时控制器难以实现。
图1 具有转矩闭环的典型弱磁控制方法示意迄今,韩国学者Kim和Sul提出的转矩最大化的弱磁调速方法[4-5]最具影响力。该方法的基本结构仍然同图1,其基本思想是:假定调速过程中弱磁变化缓慢,从而可以基于转子磁场定向条件下的电机模型分析问题;首先基于系统电压、电流限制给出弱磁调速范围内对应同步频率所能产生最大电磁转矩的励磁电流曲线;然后在实时系统中依此曲线给出励磁电流指令,同时根据最大电流限制和励磁电流对转矩电流指令进行限幅。该方法避免了超越方程的实时求解,也保证了在缓慢弱磁过程中系统对最大电流和最大母线电压最大程度地利用,因874 清华大学学报(自然科学版)2011,51(7)此得到了广泛的关注,也引发了许多改进工作,如减小该方法对电机参数的依赖[5-8]、增强抗母线电压波动的鲁棒性[6],以及探索弱磁调速动态性能的改进和效率的提高[8-12]。但是,上述工作多集中于控制算法的研究,对实时实现图1阴影部分所需的最大输出转矩和最大输出功率特性的分析不够清晰,也没有深入讨论整个弱磁范围内最大电磁转矩变化特性与电机参数的关系。改善弱磁控制的先决条件是首先获得上述特性的解析表达。为此,本文首先分析弱磁调速区间内最大电磁转矩与电动机参数、以及电压电流限制之间的关系;然后,为了实现/最大转矩/最大功率0控制策略,定量推导最大电磁转矩和最大电磁功率随定子同步角频率、最大电压电流约束的变化规律,以及这些规律与电机参数的关系。
1 电压、电流约束下的最大电磁转矩异步电动机调速要受到最大电压Us,max和最大电流Is,max的约束,其中Us,max由母线电压以及变频器输出电压的调制方式决定,而Is,max由电动机的最大过载电流以及变频器最大允许电流决定。因此需要满足如下关系:u2sd+u2sq[U2s,max,(1)i2sd+i2sq[I2s,max.(2)其中:下标d,q表示电机转子磁场定向下同步转速旋转坐标系,d轴为励磁轴;下标s,r分别表示定、转子侧的参数;usd,usq,isd和isq分别是该坐标系上的定子电压分量和定子电流分量。在额定频率XR以上运行时,相对于反电势、定子电阻Rs上的压降可以忽略,因此在dq坐标系上异步电动机稳态电压方程可以简化为usd=-X1RLsisq,usq=X1Lsisd.(3)
式中:R=1-L2m/(LsLr),Lm是气隙互感,Ls与Lr
分别是定子侧与转子侧的全电感。将式(3)代入式
(2)可知,在用电压分量usd,usq表示的坐标系上,式(2)的电流约束表现为一个半径随同步角频率X1增大而增大的椭圆。因此在异步电动机的控制中,必须保证电压矢量处于该椭圆与式(1)电压约束所描述的正圆的公共部分之中,如图2中的阴影部分所示。在X1>XR的调速范围,由于输出电压幅值一定,励磁电流必然减少。而在动态过程中为了使电动机能够输出最大转矩,需要选取合适的励磁电流。图2 电压、电流约束下电磁转矩极值及对应的电压矢量位置(全部图的1/2)换言之,需要在图2阴影部分内寻找最大电磁转矩随同步角频率X1变化的轨迹。由异步电动机稳态模型可得稳态电磁转矩的大小为[3]Te=npL2mRLrL2s|usdusq|X21.(4)其中np为极对数。根据文[5],依据式(1))(4)可得到以X1为自变量的最大电磁转矩轨迹,以及对应的输出电压矢量usd+jusq的位置。略去推导,结论是整个弱磁调速范围可以分为两个区间。第I区间(XR[X122R2.(5)
椭圆与圆则相交于点B,由式(4)知,此时有|usd|=usq=Us,max/2.(6) 可见,随着X1的增大,定子电流必然小于
Is,max,使得在X1\XB时只有电压约束对最大转矩起作用。杨 耕,等: 弱磁运行下异步电动机调速系统的转矩及功率特性875 第II区间(X1\XB)如图2b所示。此时只有电压约束在起作用,并且最大转矩Te,max只在B处取值。由上述分析可得最大电压和电流约束条件下两段弱磁区间内能够达到的最大电磁转矩Te,max如下:1)第I区间(XR[X10,X1XT.(9)式中XT=Us,maxLsIs,max21+R2。此时,由稳态电压方程可知,在椭圆与圆的交点T处有|usd|/usq=R.(10)然而电动机在恒转矩运行区(X1R.(11)由此可知XT磁电流和转矩电流只能一起减小,因此Te,max迅速减小。另外,可由Te,max的表达式(7)和(8)得到两个区间的最大电磁功率PM,max分别为:1)第I区间(XR[X1
PM,max=k1np1X1[U2s,max-(X1RLsIs,max)2]1/2#[(X1LsIs,max)2-U2s,max]1/2.(12) 2)第II区间(X1\XB)。
PM,max=12npL2mU2s,maxX1RLrL2s.(13) 可以看到,在第II区间内,最大电磁功率PM,max
与X1成反比,随X1的增大而单调递减。而对于第I
区间,虽然可以证明
ddX1
PM,max>0,X1XP.(14)
式中XP=Us,maxLsIs,max1R,但当同步角频率等于XP
时,在椭圆与圆的交点处有|usd|/usq=R>R.(15)因而不能简单得到XP与XR的相对大小关系。即在第I区间内最大电磁功率随X1的变化情况与电机参数有关:若R<[Us,max/(XRLsIs,max)]2,则XP>XR,最大电磁功率随着X1的增大先增大再减小;
若R\[Us,max/(XRLsIs,max)]2,则XP[XR,最大电磁功率随X1的增大单调递减。2.2 随最大电流约束的变化规律由异步电动机的稳态电压方程可知,最大电流约束值越小,图2中电流约束椭圆的半径也就越小。因此如图3所示,若在控制器作用下将最大电流值由最大过载电流Is,max减小为电机额定电流Is,Rated
时,椭圆与圆的交点将由点M移动到点N。同时由
式(5)可知,第II区间的起始频率会相应由XB增大为(Is,max/Is,Rated)XB。在这种情况下,由前文分析可知,当X1点M处的电磁转矩大于点N处,因而最大电磁转矩会因为最大电流约束值的减小而减小;当XB[X1<(Is,max/Is,Rated)XB时,最大电磁转矩同样会因为
点N处的电磁转矩小于点B处而减小;只有当X1
\(Is,max/Is,Rated)XB时,最大电磁转矩才会因为在两
个电流约束值下的最大值均产生于点B而不会发