电力拖动自动控制系统-运动控制系统(2)-期末试卷B卷答案

第1页(共4页)注：教师应使用计算机处理试题的文字、公式、图表等；学生应使用水笔或圆珠笔答题。20～20学年冬季学期试卷B课程名：运动控制系统(2)课程号：09365149学分：3应试人声明：我保证遵守《学生手册》中的《考场规则》，如有考试违纪、作弊行为，愿意接受《学生考试违纪、作弊行为界定及处分规定》的纪律处分。应试人应试人学号应试人所在院系题号一二三四五六七八九得分一、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）1．从能量转换效率上看，可以依据转差功率的变化和流向将异步电动机调速系统分为哪三类？降压调速、恒压频比控制和矢量控制分别属于哪一类调速系统？（6分）答：依据转差功率将异步电动机调速系统分为转差功率消耗型、转差功率不变型和转差功率馈送型。（3分）降压调速属于功率消耗型，恒压频比控制和矢量控制属于转差功率不变型。（3分）2．说明异步电动机转差频率控制的基本思想，并简述转差频率控制的基本规律。（6分）答：基本思想是在保持气隙磁通m恒定不变的前提下，可以通过控制转差角频率s来控制转矩。（2分）转差频率控制的基本规律如下：（1）在转差角频率小于临界转差率即ssm范围内，异步电动机的转矩基本上与转差角频率成正比，条件是保持气隙磁通不变。（2分）（2）在不同的定子电流时，按照一定的函数关系如1,SSUfI来控制定子电压和频率，能保持在保持气隙磁通恒定。（2分）3．异步电动机原始数学模型具有高阶、非线性、强耦合的特点。请从电感矩阵方面说明其非线性强耦合的根本原因。为了简化数学模型，常采用坐标变换，坐标变换的原则是什么？约束条件是什么？（6分）答：定转子间的相对位置在变化，导致定转子间的互感是转子位置的函数。（2分）常用坐标变化包括3/2变换（1分）、静止/旋转变换（1分）；变换的原则是产生的磁动势相等（1分）；约束条件是变换前后总功率不变（1分）。4．写出恒功率约束条件下合成电压矢量表达式，在图中画出某一时刻0AOu、0BOu、0COu时各相电压矢量和合成矢量。（3分）0()jAe()jBe2()jCeAOuBOuCOusuBOuCOu5．异步电动机变压变频调速时希望保持气隙磁通恒定，为此需要采用合适的控制方法，请说明在额定频率以上和以下定子电压与频率的控制规律和特点。（6分）答：（1）基频以下调速原则：Φm恒定，U与f1同时增大或同时减小。即：/ΦgmNEfk由于电机绕组中的电动势难以直接测量和控制，当Eg较高时，忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为定子相电压U≈Eg,，则有1/sUf常值。为恒转矩调速。低频时适当提高定子电压，补偿定子阻抗压降。（3分）；（2）基频以上调速原则：频率从f1N向上升高，因为定子电压U≤UsN，最多只能保持U=UsN，所以，当频率f1升高，减少气隙磁通Φm，使定子电压U=UsN保持不变，电机转速升高，为恒功率调速。（3分）成绩答：（1）合成矢量表达式：22()3jjAOBOCOuueuesu（2分）（2）画图如右图共4分，其中AOu、BOu、COu、Su各1分。第2页(共4页)二、综合题（共15分）异步电动机基于稳态模型调速时可采用降压调速和恒压频比调速，试分析在恒定转矩负载下，分别采用上述两种调速方式从额定转速向下调速时，异步电动机的电磁功率mP、输出机械功率mechP和转差功率sP的变化，并简要说明原因。（15分）答：电磁功率：11emmepTPTn，输出机械功率：1(1)(1)=eemechmppTTPsPsnn，转差功率：1=esesmppTTPsPsnn，转差角频率11=ss（1）降压调速：采用降压调速向下调速时，电磁功率不变，输出机械功率减小，转差功率增加。（3分）降压调速向下调速时，电压下降，但频率1f不变，因此角频率1不变，由于带恒定负载，所以eLTT不变，电磁功率11emmepTPTn不变（1分）；随着速度的下降转差率s增大，输出机械功率(1)mechmPsP减小（1分）；转差功率smPsP随着转差率s的增大而增大（1分）。（2）恒压频比调速：采用恒压频比控制方式向下调速时，转差功率不变，电磁功率变小，输出机械功率减小。（3分）带恒转矩负载采用恒压频比向下调速时，eLTT不变，频率1f下降，角频率1下降，电磁功率11emmepTPTn变小（2分）；向下调速过程中，机械特性基本平行下移，转速降落基本不变，即11602pnsnsn，即1ss基本不变，因此转差功率1esmpTPsPsn基本不变（2分）；输出机械功率(1)=mechmmsPsPPP随着mP变小而变小或输出机械功率在负载转矩不变时随输出转速下降而减小（2分）。三、综合题（共11分）SVPWM控制采用相邻两个有效工作矢量（幅值为23dU）合成期望的输出矢量，以期望电压矢量位于第一扇区为例，电压矢量合成表达式为121200sttTTuuu：（1）请在下图中画出电压矢量合成图，求出各矢量作用时间t0、t1和t2。（6分）（2）采用零矢量集中的实现方法，当选取（111）零矢量时画出uA,uB,uC各相电压波形（开关状态）并标出作用时间。（5分）1u2usu202Ttu101Ttuθ3答：(1)上图三个矢量各1分，共3分s012sin()3duTtU，s022usindTtU，2100ttTt，（3分）(2)画出下图，共5分，其中uA,uB,uC每个波形各为1分，时间标识为2分。0T20t10011011111010021t21t22t22t2u1u1u2u7uAuBuCu0u0u00000040t40t第3页(共4页)四、综合题（共11分）异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转M/T坐标系下：（1）写出按转子磁链定向的转子磁链方程、转矩方程，分别说明控制规律。（6分）（2）根据上述方程在画出异步电动机矢量变换及等效直流电动模型结构图。（5分）答：（1）mrsmr1LiTp（1分），转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，并且受到转子电磁时间常数rT构成的惯性环节的影响（2分）。pmerstrnLTiL（1分），电磁转矩正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积。在转子磁链恒定条件下，电磁转矩正比于定子电流转矩分量（2分）。（2）按下图所示分块给分，共5分（1分）（1分）（3分）3/2变换旋转变换（VR）Cisismisti1pTLrmrmpLLnJpnpsiBiAir等效直流电动机模型eTLT五、综合题（共12分）按转子磁链定向矢量控制的电流闭环控制系统可采用电流跟踪PWM控制，其控制结构图如图所示：（1）写出图中环节A、B、C、D、E的功能模块名称（用文字表述），说明图中*smi，*sti，*si，*si各量物理含义。(9分)（2）分析该矢量控制系统可否采用转子磁链开环的控制模式，说明原因。（3分）BiAir电流跟踪PWM控制*M~FBSErABDC*si*si*smi*sti*Ai*Bi*CiCi*r答：（1）A：转子磁链调节器，B：转速调节器；C：反旋转变换或2r/2s；D:2/3变换；E：转子磁链计算。（各1分，共5分）*smi，*sti分别为定子电流励磁分量给定，定子电流转矩分量给定（各1分，共2分）；*si，*si定子电流轴、轴分量给定（各1分，共2分）。（2）可以采用转子磁链开环的控制方式（1分），这是因为转子磁链与定子电流励磁分量直接为一阶惯性环节，由转子磁链给定可以直接求出对应的定子电流励磁分量给定值。（2分）第4页(共4页)六、综合题（共21分）基于定子磁链控制的直接转矩控制系统原理框图如下图所示：（1）请根据系统结构图写出直接转矩控制的基本工作原理。（5分）（2）写出系统中A~H这八个环节的名称（用文字表述）。（8分）（3）定性画出B、D环节输入输出特性。（2分）（4）写出两相静止坐标系下电磁转矩和定子磁链的计算式。（6分）BiAisPWM控制)(sSign**sM~FBSAssisiAuBususus*eTeT)(eTSign)(*eTSignBssisissBDAFGEHCCs答：（1）直接转矩控制的基本原理：根据定子磁链幅值偏差（的正负符号）（1分）和电磁转矩偏差（的正负符号）（1分），再依据当前定子磁链矢量所在的位置以及转矩给定极性（的正负符号）（1分），直接选取合适的电压空间矢量（1分），来减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制（1分）。（2）（各1分，共8分）模块A：转速调节器，根据转速偏差产生电磁转矩给定信号。模块B：磁链调节器，根据定子磁链偏差产生定子磁链偏差符号。模块C：给定转矩极性鉴别器，根据转矩给定信号产生转矩给定极性。模块D：转矩调节器，根据转矩偏差产生转矩偏差符号。模块E：电磁转矩计算模块，根据静止二相磁链和电流计算出电磁转矩。模块F：电压矢量选择模块，根据定子磁链偏差符号、转矩偏差符号和给定转矩极性以及定子磁链位置选取电压矢量并输出。模块G：定子磁链计算模块，根据静止二相电压/电流计算出定子磁链幅值和相角。模块H：3/2变换模块，把三相电压/电流变换到静止二相电压/电流。（3）B、D环节为滞环控制器，输入输出特性：（2分）eTs10)(eTSign)(sSign（4）直接转矩控制系统需采用两相静止坐标（坐标）计算定子磁链，而避开旋转坐标变换。()()ssssssssuRidtuRidt（每式2分，共4分）在静止两相坐标系中电磁转矩表达式为：)i(inTsspss（2分）