1、1.试述交流异步电动机调速的方法，分类及其特点。常见的交流调速方法有：降电压调速；转差离合器调速；转子串电阻调速；绕线电机串级调速或双馈电机调速；变极对数调速；变压变频调速等等。分类及其特点：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，上述的第、三种调速方法都属于这一类。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。可是结构简单，设备成本最低2.转差功率馈送型调速系统, 这
2、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，上述第种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，上述的第、两种调速方法属于此类。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。2.请叙述交流
3、异步电动机电压频率协调控制的方式及其各自的特点. 1. 恒压频比控制（ Us /1 ） ，由气隙磁通在常 值1fUs1gfEmNs14.Skf定子每相中感应电动势的有效值 ， 只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通 m 的目的，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 常值，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 ， 即恒压频比的控制方式。2. 恒 Eg /1 控制，如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克服定子漏阻抗压降以后，能维持 Eg /1
4、 为恒值（基频以下） ，无论频率高低，每极磁通 m 均为常值, 即恒 Eg /1 控制；3 恒 Er /1 控制 ，如果把电压频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er /1 控制 （可加上机械特性的分析等使更完整）各控制的方式及其各自的特点：（1）恒压频比（ Us /1 = Constant ）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿 （2）恒 Eg /1 控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到 rm = Constant，从而改善了低速性能。但
5、机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。3）恒 Er /1 控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通 rm 恒定进行控制，即得E r /1 = Constant， 而且，在动态中也尽可能保持 rm 恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。 3.请论述电机的恒转矩运行和恒功率运行含义。如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，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，基本上属于“恒功率调速” 。4.试述按照中间直流环节的不同，交
6、直交变频器的分类，并分析它们的特点。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，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，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，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。 两类逆变器在性能上的差异主要表现在（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
7、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。下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。当电动运行时，UCR的控制角 ，电动机以 转速运行，电功率的传送方
8、向如上图a所示。图 6-16-a 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 电动Te逆变UCRa）电动运行P如果降低变压变频器的输出频率 1 ，或从机械上抬高电机转速 ，使 1 90 ，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud 立即反向，而电流 Id 方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b） 。 与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制
9、动必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这样做，设备要复杂多了。 （3）动态响应 正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输出波形 电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表） 。 图 6-16-b 电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1 发电Te整流UCRb）逆变运行P（5）应用场合 电压源型逆变器属
10、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。（未详，详见p168）5.请简述变频调速系统中SPWM方法及其实现依据。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，这种序列的矩形波称作SPWM波。 参考正弦波振荡器供给调频、调幅的正弦信号，其频率决定逆变器输出电压的基波频率；幅值决定输出电压的大小。SPWM控制方式又分为单极性控
11、制方式和双极性控制方式。6.请论述SPWM方法中的规则采样法，其有何优点。上图中三角波两个正峰值之间为一个采样周期T c ， 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过 D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻 tA和B 点时刻 tB控制开关器件的通断，正弦调制信号波 式中，M 称为调制度，0 a 1；r 为信号波角频率。从图中可得 ，则有 ， 三角波一周)sin1(2DrctT期内，脉冲两边间隙宽度 ，根据上)sin1(421 Drcc tMT述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形。自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，规则采样法使两
12、者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化，且得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。 7.写出 六拍阶梯波逆变器 8种工作状态与对应的开关代码，其中， ABC三相上、下桥臂的开关管排列分别为135、462。逆变器采用180导通型，功率开关器件共有8种工作状态，其中6种有效开关状态；2 种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）： 上桥臂开关 VT1、VT 3、VT 5 全部导通，下桥臂开关 VT2、VT 4、VT 6 全部导通 ，开关状态和代码表表如下：8、变频调速的异步电动机，带额定负载起动，应选用下面哪一个图中的 特性，说明理由。(b)（b）图，从压降补
13、偿和不同斜率的补偿特性，未详。9、什么是电压空间矢量脉宽调制（SVPWM ）控制技术？相对于SPWM和电流滞环控制有什么优点？交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制” ，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM）控制” 。 （定义简单,具体讲就很多了，p176-181）SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形，电流滞环
14、跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，而电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制技术按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，其效果应该更好； 它利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便,； 采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比一般的SPWM逆变器输出电压提高了15% （不一定完整）10、什么是SPWM逆变器的同步调制和异步调制？为什么要采用分段同步调制？同步调制N 等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。由于同步调制时f r 很低时，f
15、c 也很低，由调制带来的谐波不易滤除；f r 很高时，f c 会过高，使开关器件难以承受，而 异步调制时当 fr 增高时，N 减小，一周期内的脉冲数减少，PWM 脉冲不对称的影响就变大，为克服上述缺点，把 fr 范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段 N不同，即分段同步调制，这样在 fr 高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在 fr 低的频段采用较高的N ，使载波频率不致过低。试采用线性组合法由空间矢量 组成新的电压矢量 ，按最小开关损耗原则生成 区间的三相对称电压，并画出对应电压波形。（为 ，参考p179-182页， 类似）12、结合下图解释异步电机的动态数学模型，及其为
16、什么是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。( ) 上图反映了三相异步电机的多变量非线性数学模型： rsrsrsiLiLiRiudd)(ttp)120sin()(i(bCaBcAbcbamspe iiinTtJTdpLe该图表明了异步电机数学模型的下列具体性质：异步电机可以看作一个双输入双输出的系统，输入量是电压向量和定子输入角频率，输出量是磁链向量和转子角速度。电流向量可以看作是状态变量，它和磁链矢量之间有由式（5-76）确定的关系。 非线性因素存在于? 1（）和? 2（） 中，即存在于产生旋转电动势 er 和电磁转矩 Te 两个环节上，还包含在电感矩阵 L 中，旋转电动势和电磁转矩的非线性
17、关系和直流电机弱磁控制的情况相似，只是关系更复杂一些。 多变量之间的耦合关系主要也体现在 ?1（）和? 2（） 两个环节上，特别是产生旋转电动势的? 1对系统内部的影响最大() 1)异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流） 、频率、磁通、转速之
18、间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统2）在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。3）三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。总起来说，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.请推导出2s/2r变换的变换阵。从两相静止坐标系到两相旋转坐标系 M、T 变换称作两相两相旋转变换，简称 2s/2
19、r变换，两个坐标系画在一起，即得下图，两相交流电流 i、i 和两个直流电流 im、i t 产生同样的以同步转速 1旋转的合成磁动势 Fs 。由于各绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示 M，T 轴和矢量 Fs（ is ）都以转速 1 旋转，分量 im、i t 的长短不变，相当于M，T绕组的直流磁动势。但 、 轴是静止的， 轴与 M 轴的夹角 随时间而变化，因此 is 在 、 轴上的分量的长短也随时间变化，相当于绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见， i、 i 和 im、i t 之间存在下列关系 ：和 cossntsincti，写成矩阵形式，得 cossini2/rC tms2/rtmcossiniiC，式中对式两边都左乘以变换阵的逆矩阵，即得 1tm cosinicossiniii 即得两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵： cosinir2/sC14、根据下图分析异步电机在任意旋转速度dq坐标系下的电压方程。根据上图得到异步电机在任意旋转速度dq坐标系下的电压方程，略去零轴分量后，可写成 rdqrrqrddssss qpiRui其中dq坐标系下磁链方程
