1、1、 試述交流異步電動機調速的方法，分類及其特點。常見的交流調速方法有：降電壓調速；轉差離合器調速；轉子串電阻調速；繞線電機串級調速或雙饋電機調速；變極對數調速；變壓變頻調速等等。分類及其特點：從能量轉換的角度上看，轉差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調速系統效率高低的標志。從這點出發，可以把異步電機的調速系統分成三類 : 1. 轉差功率消耗型調速系統, 這種類型的全部轉差功率都轉換成熱能消耗在轉子回路中，上述的第、三種調速方法都屬于這一類。這類系統的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低的。可是結構簡單，設備成本最低2.轉差功率饋送型調速系統,

2、這類系統中，除轉子銅損外，大部分轉差功率在轉子側通過變流裝置饋出或饋入，轉速越低，能饋送的功率越多，上述第種調速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉化成有用的功率，因此這類系統的效率較高，但要增加一些設備。3. 轉差功率不變型調速系統, 在這類系統中，轉差功率只有轉子銅損，而且無論轉速高低，轉差功率基本不變，因此效率更高，上述的第、兩種調速方法屬于此類。其中變極對數調速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調速應用最廣，可以構成高動態性能的交流調速系統，取代直流調速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當的變壓變頻器，相比之下，設備成本最高。2、 請敘述

3、交流異步電動機電壓頻率協調控制的方式及其各自的特點1. 恒壓頻比控制（ Us /w1 ），由氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值 ， 只要控制好 Eg 和 f1 ，便可達到控制磁通Fm 的目的，當頻率 f1 從額定值 f1N 向下調節時，必須同時降低 Eg ，使 常值，然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 Us Eg， 則得 ， 即恒壓頻比的控制方式。 2. 恒 Eg /w1 控制，如果在電壓頻率協調控制中，恰當地提高電壓 Us 的數值，使它在克服定子漏阻抗壓降以后，能維持 Eg /w1 為恒值（基頻以下），無論頻率高低

4、，每極磁通 Fm 均為常值, 即恒 Eg /w1 控制；3 恒 Er /w1 控制 ，如果把電壓頻率協調控制中的電壓再進一步提高，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉，得到恒 Er /w1 控制 （可加上機械特性的分析等使更完整）各控制的方式及其各自的特點：（1）恒壓頻比（ Us /w1 = Constant ）控制最容易實現，它的變頻機械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調速要求，但低速帶載能力有些差強人意，須對定子壓降實行補償 （2）恒Eg /w1 控制是通常對恒壓頻比控制實行電壓補償的標準，可以在穩態時達到Frm = Constant，從而改善了低速性能。但機械特性還是非線性的，產生

5、轉矩的能力仍受到限制。3）恒 Er /w1 控制可以得到和直流他勵電機一樣的線性機械特性，按照轉子全磁通 Frm 恒定進行控制，即得Er /w1 = Constant， 而且，在動態中也盡可能保持 Frm 恒定是矢量控制系統的目標，當然實現起來是比較復雜的。 3、 請論述電機的恒轉矩運行和恒功率運行含義。如果電機在不同轉速時所帶的負載都能使電流達到額定值，即都能在允許溫升下長期運行，則轉矩基本上隨磁通變化，按照電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”性質，而在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。4、 試述按照中間直流環節的不同，交直交變頻器的分類，

6、并分析它們的特點。在交-直-交變壓變頻器中，按照中間直流環節直流電源性質的不同，逆變器可以分成電壓源型和電流源型兩類，種類型的實際區別在于直流環節采用怎樣的濾波器電壓源型逆變器，直流環節采用大電容濾波，因而直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，有時簡稱電壓型逆變器。電流源型逆變器，直流環節采用大電感濾波，直流電流波形比較平直，相當于一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，或簡稱電流型逆變器。 兩類逆變器在性能上的差異主要表現在（1）無功能量的緩沖 （2）能量的回饋 （3）動態響應 （4）輸出波形 （5）應用場合 （未詳，詳見p168）5、 請

7、簡述變頻調速系統中SPWM方法及其實現依據。按照波形面積相等的原則，每一個矩形波的面積與相應位置的正弦波面積相等，因而這個序列的矩形波與期望的正弦波等效。這種調制方法稱作正弦波脈寬調制，這種序列的矩形波稱作SPWM波。 參考正弦波振蕩器供給調頻、調幅的正弦信號，其頻率決定逆變器輸出電壓的基波頻率；幅值決定輸出電壓的大小。SPWM控制方式又分為單極性控制方式和雙極性控制方式。6、 請論述SPWM方法中的規則采樣法，其有何優點。上圖中三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc ，在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過 D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻 tA和B點時刻 tB控制

8、開關器件的通斷，正弦調制信號波 式中，M 稱為調制度，0 a <1；wr為信號波角頻率。從圖中可得，則有 ， 三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度 ，根據上述采樣原理和計算公式，可以用計算機實時控制產生SPWM波形。Ø 自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合，規則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化，且得到的脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。 7、 寫出六拍階梯波逆變器8種工作狀態與對應的開關代碼，其中，ABC三相上、下橋臂的開關管排列分別為135、462。逆變器采用180°導通型，功率開關器件共有8

9、種工作狀態，其中6種有效開關狀態；2 種無效狀態（因為逆變器這時并沒有輸出電壓）： 上橋臂開關 VT1、VT3、VT5 全部導通，下橋臂開關 VT2、VT4、VT6 全部導通 ，開關狀態和代碼表表如下：8、變頻調速的異步電動機，帶額定負載起動，應選用下面哪一個圖中的特性，說明理由。 （a） (b)（b）圖，從壓降補償和不同斜率的補償特性，未詳。9、什么是電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制技術？相對于SPWM和電流滯環控制有什么優點？交流電動機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。如果對準這一目標，把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉

10、磁場來控制逆變器的工作，其效果應該更好。這種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制”。 （定義簡單,具體講就很多了，p176-181）SPWM控制主要著眼于使變壓變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未顧及輸出電流的波形，電流滯環跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，而電壓空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制技術按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作，最終目的是在電動機空間形成圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩，其效果應該更好； 它利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，計算簡便,； 采用SVPWM控制時

11、，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側電壓，這比一般的SPWM逆變器輸出電壓提高了15% （不一定完整）10、什么是SPWM逆變器的同步調制和異步調制？為什么要采用分段同步調制？同步調制N 等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步。異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式。由于同步調制時fr 很低時，fc 也很低，由調制帶來的諧波不易濾除；fr 很高時，fc 會過高，使開關器件難以承受，而 異步調制時當 fr 增高時，N 減小，一周期內的脈沖數減少，PWM 脈沖不對稱的影響就變大，為克服上述缺點，把 fr 范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段N不同，即分段同步調制，這樣在 f

12、r 高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在 fr 低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。11、 試采用線性組合法由空間矢量組成新的電壓矢量，按最小開關損耗原則生成區間的三相對稱電壓，并畫出對應電壓波形。（為，參考p179-182頁， 類似）12、結合下圖解釋異步電機的動態數學模型，及其為什么是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。(R+Lp)-1LF1( × )F2( × )ww1eruiTeTLwY npJpq(I ) 上圖反映了三相異步電機的多變量非線性數學模型：該圖表明了異步電機數學模型的下列具體性質：（1） 異步電機可以看作一個雙輸入雙輸出的系統，輸入量是

13、電壓向量和定子輸入角頻率，輸出量是磁鏈向量和轉子角速度。電流向量可以看作是狀態變量，它和磁鏈矢量之間有由式（5-76）確定的關系。 （2） 非線性因素存在于1（）和2（） 中，即存在于產生旋轉電動勢 er 和電磁轉矩 Te 兩個環節上，還包含在電感矩陣 L 中，旋轉電動勢和電磁轉矩的非線性關系和直流電機弱磁控制的情況相似，只是關系更復雜一些。 （3） 多變量之間的耦合關系主要也體現在 1（）和2（） 兩個環節上，特別是產生旋轉電動勢的1對系統內部的影響最大(II) 1)異步電機變壓變頻調速時需要進行電壓（或電流）和頻率的協調控制，有電壓（電流）和頻率兩種獨立的輸入變量。在輸出變量中，除轉速外，

14、磁通也得算一個獨立的輸出變量。因為電機只有一個三相輸入電源，磁通的建立和轉速的變化是同時進行的，為了獲得良好的動態性能，也希望對磁通施加某種控制，使它在動態過程中盡量保持恒定，才能產生較大的動態轉矩。由于這些原因，異步電機是一個多變量（多輸入多輸出）系統，而電壓（電流）、頻率、磁通、轉速之間又互相都有影響，所以是強耦合的多變量系統2）在異步電機中，電流乘磁通產生轉矩，轉速乘磁通得到感應電動勢，由于它們都是同時變化的，在數學模型中就含有兩個變量的乘積項。這樣一來，即使不考慮磁飽和等因素，數學模型也是非線性的。3）三相異步電機定子有三個繞組，轉子也可等效為三個繞組，每個繞組產生磁通時都有自己的電磁

15、慣性，再算上運動系統的機電慣性，和轉速與轉角的積分關系，即使不考慮變頻裝置的滯后因素，也是一個八階系統。總起來說，異步電機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統.13、 請推導出2s/2r變換的變換陣。從兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系 M、T 變換稱作兩相兩相旋轉變換，簡稱 2s/2r變換，兩個坐標系畫在一起，即得下圖，兩相交流電流 ia、ib 和兩個直流電流 im、it 產生同樣的以同步轉速w1旋轉的合成磁動勢 Fs 。由于各繞組匝數都相等，可以消去磁動勢中的匝數，直接用電流表示 M，T 軸和矢量 Fs（ is ）都以轉速 w1 旋轉，分量 im、it 的長短不變，相當于M，T

16、繞組的直流磁動勢。但 a、b 軸是靜止的，a 軸與 M 軸的夾角 j 隨時間而變化，因此 is 在 a、b 軸上的分量的長短也隨時間變化，相當于繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見， ia、 ib 和 im、it 之間存在下列關系 ： 和 ，寫成矩陣形式，得 ，式中對式兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，即得 即得兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系的變換陣：14、根據下圖分析異步電機在任意旋轉速度dq坐標系下的電壓方程。wdqsysqisdusdRsirdLlsLlrLmurdpysdpyrdwdqryrqRrwdqsysdisqusqRsirqLlsLlrLmurqpysqpyrqwdqryrdRr根據

17、上圖得到異步電機在任意旋轉速度dq坐標系下的電壓方程，略去零軸分量后，可寫成 其中dq坐標系下磁鏈方程式中 dq坐標系定子與轉子同軸等效繞組間的互感 dq坐標系定子等效兩相繞組的自感 dq坐標系轉子等效兩相繞組的自感。 15、 請敘述異步電機矢量控制的基本原理。以產生同樣的旋轉磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電流 iA、 iB 、iC ，通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流 ia、ib ，再通過同步旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系上的直流電流 im 和 it，如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉，他所看到的便是一臺直流電機，通過控制，可以使交流電機的轉子總磁通 F r

18、 就是等效直流電機的磁通，則M繞組相當于直流電機的勵磁繞組，im 相當于勵磁電流，T 繞組相當于偽靜止的電樞繞組，it 相當于與轉矩成正比的電樞電流。把上述等效關系用結構圖的形式畫出來，便得到異步電動機的坐標變換結構圖，從整體上看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出為轉速 w ，是一臺異步電機。從內部看，經過3/2變換和同步旋轉變換，變成一臺由 im 和 it 輸入，由 w 輸出的直流電機。模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經過相應的坐標反變換，就能夠控制異步電機了。由于進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現的控制系統就叫作矢量控制系統，控制系統的原理結

19、構如下圖所示：可以認為，在控制器后面引入的反旋轉變換器VR-1與電機內部的旋轉變換環節VR抵消，2/3變換器與電機內部的3/2變換環節抵消，如果再忽略變頻器中可能產生的滯后，則圖5-53中虛線框內的部分可以完全刪去，剩下的就是直流調速系統了。16、 請分析在異步電機矢量控制系統中常用的兩種轉子磁鏈模型。根據描述磁鏈與電流關系的磁鏈方程計算轉子磁鏈，得出的模型為電流模型：在兩相靜止坐標系上的轉子磁鏈電流模型,整理得：在兩相旋轉坐標系上的轉子磁鏈電流模型（詳p210，此未列出），和在兩相靜止坐標系上的轉子磁鏈模型相比，這種模型更適合于微機實時計算，容易收斂，也比較準確；電流模型特點：轉子磁鏈電流模

20、型的應用較普遍，但也都受電機參數變化的影響，例如電機溫升和頻率變化都會影響轉子電阻 Rr，從而改變時間常數 Tr ，磁飽和程度將影響電感Lm 和 Lr，從而 Tr 也改變。這些影響都將導致磁鏈幅值與相位信號失真，而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環控制系統的性能降低。根據電壓方程中感應電動勢等于磁鏈變化率的關系，取電動勢的積分就可以得到磁鏈，這樣的模型叫電壓模型 （詳見p211 ,式6-144,145，未列出）電壓模型特點：電壓模型只需要實測的電流和電壓信號，不需要轉速信號，且算法與轉子電阻無關，只與定子電阻有關，它是容易測得的。 與電流模型相比，電壓模型受電動機參數變化的影響較小，而且算法簡單，便

21、于應用。但由于電壓模型包含純積分項，積分的初始值和累積誤差都影響計算結果，低速時，定子電阻壓降變化的影響也較大。電壓模型適合中、高速范圍，而電流模型能適應低速。17、 請分析直接轉矩控制系統的優缺點。優點：1）轉矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產生電壓的SVPWM 波形，從而避開了將定子電流分解成轉矩和磁鏈分量，省去了旋轉變換和電流控制，簡化了控制器的結構。2）選擇定子磁鏈作為被控量，而不象VC系統中那樣選擇轉子磁鏈，這樣一來，計算磁鏈的模型可以不受轉子參數變化的影響，提高了控制系統的魯棒性。如果從數學模型推導按定子磁鏈控制的規律，顯然要比按轉子

22、磁鏈定向時復雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復雜性對控制器并沒有影響。 3）由于采用了直接轉矩控制，在加減速或負載變化的動態過程中，可以獲得快速的轉矩響應。缺點：1）由于采用砰-砰控制，實際轉矩必然在上下限內脈動，而不是完全恒定的。2）由于磁鏈計算采用了帶積分環節的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計算的準確度。 這兩個問題的影響在低速時都比較顯著，因而使DTC系統的調速范圍受到限制。18、根據下式分析同步電機轉矩的組成。第一項 np Lmd If iq 是轉子勵磁磁動勢和定子電樞反應磁動勢轉矩分量相互作用所產生的轉矩，是同步電動機主要的電磁轉矩。第二項 np (Ls

23、d - Lsq) id iq 是由凸極效應造成的磁阻變化在電樞反應磁動勢作用下產生的轉矩，稱作反應轉矩或磁阻轉矩，這是凸極電機特有的轉矩，在隱極電機中，Lsd = Lsq ，該項為0。 第三項 np(Lmd iD iq Lmq iQ id )是電樞反應磁動勢與阻尼繞組磁動勢相互作用的轉矩，如果沒有阻尼繞組，或者在穩態運行時阻尼繞組中沒有感應電流，該項都是零，只有在動態中，產生阻尼電流，才有阻尼轉矩，幫助同步電動機盡快達到新的穩態。 19、請給出永磁同步電機矢量控制的數學模型，并解釋各方程的含義。動態電壓方程式：式中前三個方程是定子A、B、C三相的電壓方程，第四個方程是勵磁繞組直流電壓方程，永磁

24、同步電動機無此方程，最后兩個方程是阻尼繞組的等效電壓方程。磁鏈方程：在兩相同步旋轉（d-q）坐標系上的磁鏈方程為式中 Lsd 等效兩相定子繞組d軸自感， Lsd= Lls+Lmd ； Lsq 等效兩相定子繞組q軸自感， Lsq= Lls+Lmq ； Lls 等效兩相定子繞組漏感； Lmd d軸定子與轉子繞組間的互感，相當于同步 電動機原理中的d軸電樞反應電感； Lmq q軸定子與轉子繞組間的互感，相當于q軸 電樞反應電感； Lrf 勵磁繞組自感， Lrf = Llf + Lmd ； LrD d軸阻尼繞組自感，LrD = LlD + Lmd ； LrQ q軸阻尼繞組自感，LrQ = LlQ + Lmq ； 轉矩和運動方程：整理后得其中第一項 np Lmd If iq 是轉子