黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训
电气工程专业2013年作业
说明：
初级职称学员“专业课作业一”为填空题1-6题；“专业课作业二”为问答题1-3题。
中、高级职称学员“专业课作业”为问答题全部；同时提交3000字左右“学习心得”一篇。
所有学员均需按要求提交“公需课作业”。
作业提交时间：以网站通知为准。
一．填空：
1、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）（绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速）（变极对数调速）（变压变频调速 ）。
2、按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是（拖动负载的有效功率），称作（机械功率）；另一部分是（传输给转子电路的转差功率）。
3、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，可以把异步电机的调速系统分成三类 ：（转差功率消耗型调速系统）；（转差功率馈送型调速系统）；（转差功率不变型调速系统）。
4、转差功率消耗型调速系统的全部转差功率都转换成（热能消耗在转子回路中）。在恒转矩负载时，该调速系统是以增加（转差功率）的消耗来换取（转速）降低的。属于这一类的三种调速方法有：（降电压调速）（转差离合器调速）（转子串电阻调速）。
5、在转差功率馈送型调速系统中，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）；属于这一类的调速方法是（绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速）。
6、在转差功率不变型调速系统中，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(高);属于此类的调速方法有（变极对数调速）（变压变频调速）这两种。
二、问题答
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：带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为0〈s〈sm,sm本来就不大，因此调速范围也不大。降压调速时，机械特性变软，但sm不变，故调速范围不变。
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，而在基频以上保持电
压恒定？
答：因为定子电压频率变化时，将导致气隙磁通变化，影响电动机工作。在整个调速范围内，若保持电压恒定，则在基频以上时，气隙磁通将减少，电动机将出力不足；而在基频以下时，气隙磁通将增加，由于磁路饱和励磁电流将过大，电动机将遭到破坏。因此保持电压恒定不可行。在基频以下时，若保持电压不变，则气隙磁通增加，由于磁路饱和，将使励磁电流过大，破坏电动机，故应保持气隙磁通不变，即保持压频比不变，即采用恒压频比控制；而在基频以上时，受绕组绝缘耐压和磁路饱和的限制，电压不能随之升高，故保持电压恒定。
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：在基频以下调速，采用恒压频比控制，则磁通保持恒定，又额定电流不变，故允许输出转矩恒定，因此属于恒转矩调速方式。在基频以下调速，采用恒电压控制，则在基频以上随转速的升高，磁通将减少，又额定电流不变，故允许输出转矩减少，因此允许输出功率基本保持不变，属于恒功率调速方式。恒功率或恒转矩调速方式并不是指输出功率或输出转矩恒定，而是额定电流下允许输出的功率或允许输出的转矩恒定。 若不是，那么恒功率或恒转矩调速究竟是指什么？
4、分析电流滞环跟踪PWM控制中，环宽h对电流波动与开关频率的影响。
电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。
5、按基频以下和基频以上分析电压频率协调的控制方式，画出：
（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） 基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性。
（4） 电压频率特性曲线U=ff
图1 恒压恒频时异步电机的机械特性
图2 恒压频比控制时变频调速的机械特性
图3 基频以上恒压变频调速的机械特性
电压频率特性曲线U=ff
图4 异步电机变压变频调速的控制特性
6、在转速开环变压变频调速系统中需要给定积分环节，论述给定积分环节的原理和作用。
答：转速开环变压变频调速是依据交流电动机稳态数学模型，按照电压频率协调控制方式来保持气隙磁通恒定，需要电动机运行满足稳态条件要求，不能快速变化，所以要用给定积分器限制起动和制动的速率。
7、结合异步电动机三相原始动态模型，讨论异步电动机非线性、强耦合和多变量的性质，并说明具体体现在哪些方面？
答：异步电动机具有非线性、强耦合和多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能 异步电动机的调速方案。矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统。矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后按照直流电动机模型设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。
8、旋转变换的等效原则是什么？当磁动势矢量幅值恒定、匀速旋转时，在静止绕组中通入正弦对称的交流电流，而在同步旋转坐标系中的电流为什么是直流电流？如果坐标系的旋转速度大于或小于磁动势矢量的旋转速度时，绕组中的电流是交流量还是直流量？
答：两相同步旋转坐标系的突出特点是，当三相ABC坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到dq坐标系上就成为直流。
9、坐标变换（3/2变换和旋转变换）的优点何在？能否改变或减弱异步电动机非线性、强耦合和多变量的性质？
答：在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换，变换前后总功率不变。通过坐标变换，可以使之降阶并化简，不能改变其非线性、多变量的本质。
10、论述矢量控制系统的基本工作原理，矢量变换和按转子磁链定向的作用，等效的直流机模型，矢量控制系统的转矩与磁链控制规律。
答：在三相坐标系上的定子交流电流 iA、 iB 、iC ，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 i、i ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 im 和 it 。控制使交流电机的转子总磁通 r 就是等效直流电机的磁通，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于与转矩成正比的电枢电流。模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90°，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。 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。 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。
11、转子磁链计算模型有电压模型和电流模型两种，分析两种模型的基本原理，比较各自的优缺点。
答：根据定子电流和定子电压的检测值来估算转子磁链，所得出的模型是电压模型。采用电压模型法，由于存在电压积分问题，结果在低速运行时，模型运算困难。根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型是电流模型，采用电流模型法时，由于存在一阶滞后环节，在动态过程中难以保证控制精度。
12、讨论直接定向与间接定向矢量控制系统的特征，比较各自的优缺点，磁链定
向的精度受哪些参数的影响？
答：直接转矩控制系统：简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩， 矢量控制系统（Vector Control System），进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，通过坐标变换实现的控制系统。
13、分析与比较按转子磁链定向和按定子磁链定向异步电动机动态数学模型的特征，指出它们的相同点与不同点。
答：按转子磁链定向同步旋转坐标系mt中的数学模型与直流电动机的数学模型完全一致。通过坐标系旋转角速度的选取，简化了数学模型，通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量smi和转矩分量sti，使转子磁链rψ仅由定子电流励磁分量smi产生，而电磁转矩eT正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积striψ，实现了定子电流两个分量的解耦。 而按定子磁链定向将定子电压分解为两个分量sdu和squ，sdu控制定子磁链幅值的变化率，squ控制定子磁量矢量旋转角速度，再通过转差频率控制定子电流的转矩分量sqi，最后控制转矩。但两者均受到定子电流两个分量sdi和sqi的影响，使受电流扰动的电压控制型。
14、分析定子电压矢量对定子磁链与转矩的控制作用，如何根据定子磁链和转矩偏差的符号以及当前定子磁链的位置选择电压空间矢量？转矩脉动的原因是什么？抑制转矩脉动有哪些方法。
答：以正转（T*e > 0）的情况为例 当实际转矩低于T*e 的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升。 当实际转矩达到 T*e 允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降。 稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内。
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电气工程专业2013年作业
说明：
初级职称学员“专业课作业一”为填空题1-6题；“专业课作业二”为问答题1-3题。
中、高级职称学员“专业课作业”为问答题全部；同时提交3000字左右“学习心得”一篇。
所有学员均需按要求提交“公需课作业”。
作业提交时间：以网站通知为准。
一．填空：
1、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）（绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速）（变极对数调速）（变压变频调速 ）。
2、按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是（拖动负载的有效功率），称作（机械功率）；另一部分是（传输给转子电路的转差功率）。
3、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，可以把异步电机的调速系统分成三类 ：（转差功率消耗型调速系统）；（转差功率馈送型调速系统）；（转差功率不变型调速系统）。
4、转差功率消耗型调速系统的全部转差功率都转换成（热能消耗在转子回路中）。在恒转矩负载时，该调速系统是以增加（转差功率）的消耗来换取（转速）降低的。属于这一类的三种调速方法有：（降电压调速）（转差离合器调速）（转子串电阻调速）。
5、在转差功率馈送型调速系统中，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）；属于这一类的调速方法是（绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速）。
6、在转差功率不变型调速系统中，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(高);属于此类的调速方法有（变极对数调速）（变压变频调速）这两种。
二、问题答
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：带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为0〈s〈sm,sm本来就不大，因此调速范围也不大。降压调速时，机械特性变软，但sm不变，故调速范围不变。
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，而在基频以上保持电
压恒定？
答：因为定子电压频率变化时，将导致气隙磁通变化，影响电动机工作。在整个调速范围内，若保持电压恒定，则在基频以上时，气隙磁通将减少，电动机将出力不足；而在基频以下时，气隙磁通将增加，由于磁路饱和励磁电流将过大，电动机将遭到破坏。因此保持电压恒定不可行。在基频以下时，若保持电压不变，则气隙磁通增加，由于磁路饱和，将使励磁电流过大，破坏电动机，故应保持气隙磁通不变，即保持压频比不变，即采用恒压频比控制；而在基频以上时，受绕组绝缘耐压和磁路饱和的限制，电压不能随之升高，故保持电压恒定。
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：在基频以下调速，采用恒压频比控制，则磁通保持恒定，又额定电流不变，故允许输出转矩恒定，因此属于恒转矩调速方式。在基频以下调速，采用恒电压控制，则在基频以上随转速的升高，磁通将减少，又额定电流不变，故允许输出转矩减少，因此允许输出功率基本保持不变，属于恒功率调速方式。恒功率或恒转矩调速方式并不是指输出功率或输出转矩恒定，而是额定电流下允许输出的功率或允许输出的转矩恒定。 若不是，那么恒功率或恒转矩调速究竟是指什么？
4、分析电流滞环跟踪PWM控制中，环宽h对电流波动与开关频率的影响。
电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。
5、按基频以下和基频以上分析电压频率协调的控制方式，画出：
（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） 基频以上恒压变频控制时异步电动机的机械特性。
（4） 电压频率特性曲线U=ff
图1 恒压恒频时异步电机的机械特性
图2 恒压频比控制时变频调速的机械特性
图3 基频以上恒压变频调速的机械特性
电压频率特性曲线U=ff
图4 异步电机变压变频调速的控制特性
6、在转速开环变压变频调速系统中需要给定积分环节，论述给定积分环节的原理和作用。
答：转速开环变压变频调速是依据交流电动机稳态数学模型，按照电压频率协调控制方式来保持气隙磁通恒定，需要电动机运行满足稳态条件要求，不能快速变化，所以要用给定积分器限制起动和制动的速率。
7、结合异步电动机三相原始动态模型，讨论异步电动机非线性、强耦合和多变量的性质，并说明具体体现在哪些方面？
答：异步电动机具有非线性、强耦合和多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能 异步电动机的调速方案。矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能交流电动机调速系统。矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后按照直流电动机模型设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。
8、旋转变换的等效原则是什么？当磁动势矢量幅值恒定、匀速旋转时，在静止绕组中通入正弦对称的交流电流，而在同步旋转坐标系中的电流为什么是直流电流？如果坐标系的旋转速度大于或小于磁动势矢量的旋转速度时，绕组中的电流是交流量还是直流量？
答：两相同步旋转坐标系的突出特点是，当三相ABC坐标系中的电压和电流是交流正弦波时，变换到dq坐标系上就成为直流。
9、坐标变换（3/2变换和旋转变换）的优点何在？能否改变或减弱异步电动机非线性、强耦合和多变量的性质？
答：在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换，变换前后总功率不变。通过坐标变换，可以使之降阶并化简，不能改变其非线性、多变量的本质。
10、论述矢量控制系统的基本工作原理，矢量变换和按转子磁链定向的作用，等效的直流机模型，矢量控制系统的转矩与磁链控制规律。
答：在三相坐标系上的定子交流电流 iA、 iB 、iC ，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 i、i ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流 im 和 it 。控制使交流电机的转子总磁通 r 就是等效直流电机的磁通，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于与转矩成正比的电枢电流。模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴再逆时针转90°，即垂直于转子总磁链矢量，称之为 T（Torque）轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。 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。 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。
11、转子磁链计算模型有电压模型和电流模型两种，分析两种模型的基本原理，比较各自的优缺点。
答：根据定子电流和定子电压的检测值来估算转子磁链，所得出的模型是电压模型。采用电压模型法，由于存在电压积分问题，结果在低速运行时，模型运算困难。根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型是电流模型，采用电流模型法时，由于存在一阶滞后环节，在动态过程中难以保证控制精度。
12、讨论直接定向与间接定向矢量控制系统的特征，比较各自的优缺点，磁链定
向的精度受哪些参数的影响？
答：直接转矩控制系统：简称 DTC ( Direct Torque Control) 系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩， 矢量控制系统（Vector Control System），进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，通过坐标变换实现的控制系统。
13、分析与比较按转子磁链定向和按定子磁链定向异步电动机动态数学模型的特征，指出它们的相同点与不同点。
答：按转子磁链定向同步旋转坐标系mt中的数学模型与直流电动机的数学模型完全一致。通过坐标系旋转角速度的选取，简化了数学模型，通过按转子磁链定向，将定子电流分解为励磁分量smi和转矩分量sti，使转子磁链rψ仅由定子电流励磁分量smi产生，而电磁转矩eT正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积striψ，实现了定子电流两个分量的解耦。 而按定子磁链定向将定子电压分解为两个分量sdu和squ，sdu控制定子磁链幅值的变化率，squ控制定子磁量矢量旋转角速度，再通过转差频率控制定子电流的转矩分量sqi，最后控制转矩。但两者均受到定子电流两个分量sdi和sqi的影响，使受电流扰动的电压控制型。
14、分析定子电压矢量对定子磁链与转矩的控制作用，如何根据定子磁链和转矩偏差的符号以及当前定子磁链的位置选择电压空间矢量？转矩脉动的原因是什么？抑制转矩脉动有哪些方法。
答：以正转（T*e > 0）的情况为例 当实际转矩低于T*e 的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升。 当实际转矩达到 T*e 允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降。 稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内。