中南大学《动车组传动与控制》纸质作业答案(第4章)

《动车组传动与控制》作业参考答案

作业二(4章)答案

一、名词解释：

1.标量控制：只对变量的幅值进行控制。

2.矢量控制：对变量的幅值和相位都进行控制。

3.（异步牵引电动机）恒磁通调速：根据交流电动机定子绕组感应电势公式

当电源电压一定时，如果降低频率，则主磁通要增大，基频（额定频率）以下主磁通增加势必使主磁路过饱和，励磁电流增加，铁心损耗也相应增加，这是不允许的。为此调频时一定要调节电势，保持感应电势与频率的比值不变，即可保持主磁通不变。

4.（异步牵引电动机）恒功率调速：在恒磁通控制中，随着频率和转速的上升，电压U1也相应提高，牵

引电动机的输出功率增大，但电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制。通常调节频率大于基准频率f1>f1N时，即当电压提高到一定数值后维持不变或将不再正比于f1上升，此后电动机磁通开始减小，将进入恒功率控制方式。由于

由此可见，电动机按恒功率运行，电压与频率的调节可采用两种不同的方式，即U1=C，s=C的调节方式和f2=C，U12/f 1=C的调节方式。

二、简答题：

1.简述异步电动机变压变频调速控制发展的三个阶段。

答：异步电动机变压变频调速控制发展的三个阶段如下：

（1）普通功能型U f控制方式的通用变频器。其转速开环控制，不具有转矩控制功能。

（2）高功能型的转差频率控制。其转速需要闭环检测，具有转矩控制功能，能使电机在恒磁通或恒功率下运行，能充分发挥电机的运行效率，其输出静态特性较U f控制方式有较大改进。

（3）高性能矢量控制或直接力矩控制。可以实现直流电动机的控制特性，具有较高的动态性能。

前两种方法都是基于异步电动机稳态数学模型建立的。而矢量控制是基于异步电动机动态数

学模型的基础上建立的。

2.简述异步电动机变压变频调速的基本控制方式。

答：异步电动机变压变频调速的控制特性如下图所示：

（1）基频以下调速：保持m Φ不变，使：/1E f C g =，即采用恒值电动势频率比的控制方式。但绕组

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U s ≈E g ，则得：/1U f C S =。属于“恒转矩调速”。

（2）基频以上调速：在基频以上调速时，定子电压U s 不能超过额定电压U sN ，最多只能保持

U s =U sN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。属于“恒功率调速”

3.异步电动机转差频率控制的规律是什么？

答：（1）在s ω≤sm ω的范围内，如图1所示，转矩e T 基本上与s ω成正比，条件是气隙磁通m Φ不变。

（2）在不同的定子电流值时，按图2的函数关系()1,s s U f I ω=控制定子电压和频率，就能保持

气隙磁通m Φ恒定。

图1 按恒m Φ值控制的()e s T f ω=特性

图2 不同定子电流时，恒1g E ω控制所需的电压-频率特性

4.简述异步电动机矢量控制的基本思想。

答：将三相异步电动机经3/2变换、2s/2r 变换，变换到以转子磁场定向的M 、T 同步坐标系，并使M

轴定向在转子磁链ψ2方向，就可实现励磁电流i M 和电流i T 的独立控制，使非线性耦合系统解耦，将其等效成直流电动机模型。然后仿照直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，再经过相应的反变换，即可以控制异步电动机。这就是矢量定向控制的基本思想。

5.简述直接转矩控制的基本思想。

答：将逆变器控制模式和电机运行性能作为一个整体考虑。它有两层含义：一是保持定子总磁通链不

变，二是对电机转矩进行直接控制。通过对逆变器的开关控制，既可以实现磁链的幅值控制，又能实现电机转矩的控制，两者都可以通过闭环控制实现。

6.直接转矩控制（DTC ）与矢量控制（VC ）控制在控制方法上有何异同？

答：相同点：DTC 系统与VC 系统，数学模型本质相同，都是转速（转矩）和磁链闭环控制，都能获得

较高的静、动态性能。

不同点：DTC 系统采用定子磁链控制，受电机参数变化的影响小；转矩采用Band-Band 控制，但有

转矩脉动；采用静止坐标变换，较简单。

磁链闭环控制的VC 系统采用转子磁链控制，受电机转子参数变化的影响；转矩连续控制，比较平滑；采用旋转坐标变换，较复杂。

矢量控制和直接转矩控制都采用对输出转速、磁链分别控制，都需要解耦。矢量控制采用两相旋转坐标按转子磁链定向，使定子电流的转矩分量与励磁分量解耦；直接转矩控制为双闭环控制系统，其转矩控制环作为内环，转速控制环作为外环，这可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。

三、综合分析题：

试分析下图所示异步电动机转差频率控制系统的控制过程。

图1 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理图

图1为典型的实现转差频率控制规律的转速闭环变压变频调速系统的结构原理图。转差频率控制系统的控制过程主要包括：

（1）频率控制。由于在恒定磁链下的转差频率与输出转矩成正比，可认为该速度内环内存在一个转

矩开环控制。

转速调节器ASR 的输出信号是转差频率给定s ω*

，与实测转速信号r ω相加，即得定子频率给

定信号1ω*，即1s r ωωω**

+=，它表明在调速过程中，实际频率1ω随着实际转速r ω同步地上升或下降，有如水涨船高。因此，加、减速平滑而且稳定，这一关系是转差频率控制系统突出的特点。同时，在动态过程中转速调节器ASR 饱和，系统能用对应于sm ω的限幅转矩em T 进行控制，保证了在允许条件下的快速性。在阶跃速度给定下，电机在转差率限幅值下自由地加速，该转差率限幅值对应于定子电流或转矩的限幅值。最终电机进入稳态运行，此时的转差率由稳态时负载的转矩决定。

（2）电压控制。由1ω和定子电流反馈信号s I 从微机存储的()1,s s U f I ω=函数中查得定子电压给定

信号s U *，在低速时为克服定子电阻s R 的影响，维持磁通恒定，需要对s U *进行电压补偿。用s U *和1ω*控制PWM 电压型逆变器，即得异步电动机调速所需的变压变频电源。

（3）系统特性。转差频率控制的转速闭环调速系统具有很好的抗负载转矩和电网电压波动的能力。

①当负载转矩变化时，如图2（a ）所示，如果初始工作点在点1，且负载转矩从L T 变为L T '，速度将会相应地降到点2。但由于速度控制环作用，频率将会上升，直到在点3处恢复到原来的速度。

②当电网电压变化时，如图2（b ）所示，由于没有磁链闭环控制，输入电压的变化将导致磁链改变。初始工作点为曲线上的点1，输入电压的下降将会减小磁链，从而工作点移动到点2处，导致的速度降落将会作用在速度环上且使频率上升，最终恢复到曲线c 上的点1。该系统在弱磁情况下也能良好地工作。

图2 转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统的动态调节过程

(a)负载转矩变化的影响；(b)电源电压变化的影响

可见，转速闭环转差频率控制VVVF 调速系统能够像直流电机双闭环控制系统那样具有较

好的静、动态性能，是一个比较优越的控制策略，结构也不算复杂。