交流调速复习答疑指导

《现代交流调速系统》复习答疑指导

第一章、概述

（1）交流调速系统的分类；常用的调速方法有哪些？

常见的交流调速方法有： ①降电压调速 ②转差离合器调速 ③转子串电阻调速

④绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速 ⑤变极对数调速 ⑥变压变频调速等

（2）按电动机的能量转换不同，可以将交流调速系统分成哪几大类，常用的调速方法，又分别属于哪类？

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①、②、③三种调速方法都属于这一类；

2）转差功率馈送型调速系统: 在这类系统中，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④种调速方法属于这一类;

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⑤、⑥两种调速方法属于此类。

（3）同步电机的调速方法有几种？从频率控制方式看，它可分为哪几类？

同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）;在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。

第二章、异步电动机变压调速系统

（1）掌握异步电动机调压调速的工作原理、人为调节定子电压时的机械特性、电磁转矩与定子电压之间关系。

根据异步电动机的机械特性方程式

3pUR/sTe?'?1[(R1?R2/s)??12(Ll1?L'l2)2]1

212'2（2）分析交流调压调速更适合风机泵类负载

当转差率S一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，这说明不同的定子电压，可以得到不同的人为机械特性，如图

答：带恒转矩负载时，调速范围有限。而对于风机泵类负载属于平方转矩负载，调速范围较宽；转差功率的损耗系数小。

（3）画出异步电动机晶闸管交流调压调速三相“Y型”接法的主电路，并分析其工作原理，晶闸管调压有哪几种控制方式。

s

sm B C A D 风机泵类负载特性 0.5U1norm 0.7U1norm F U1norm 1 0 TL

TMax Te

ia VT1 a Ua0 VTR ua VTb VTR 0

uVTc VTR 负uc 2

晶闸管调压有哪几种控制方式：1）相位控制 2）整周波控制（开关控制）

第三章 笼型异步电机变压变频调速系统

本章是整个现代交流调速系统课程的重点部分，主要分为变压变频控制技术发展状况概述；变压变频调速的基本控制方式；异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性；电力电子变压变频器的主要类型；变压变频调速系统中的脉宽调制（PWM）技术几个部分展开：

（1）掌握变频调速系统工作的基本原理；充分理解和把握基频（额定频率）以下和基频以上两种情况下调频与调压协调控制特性；掌握恒压频比控制的基本原理和低频补偿的本质。

（2）学会绘制恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性并定性分析其特点。在采用恒压频比控制条件下改变定子角频率?1时，机械特性基本上是平行下移，要求能够在同一坐标下定性绘制不同工作频率时的特性曲线以及定子电压补偿后的特性曲线。掌握恒磁通控制（恒Eg/?1控制）的机械特性，掌握恒Er/?1 控制的机械特性;能够正确对基频以下三种电压－频率协调控制方式进行特性比较。

3

s

0 a c b 恒 Er/?1 控制 恒 Eg/?1 控制 恒 Us /?1 控制 1 0 Te

图不同电压－频率协调控制方式时的机械特性

在基频以上进一步提高角频率，同步转速随之提高，由于定子电压不同升高，机械特性上移，而形状基本不变，但最大转矩减小，应注意轻载使用。 （3）电力电子变压变频器从整体结构上看，可分为交-直-交和交-交两大类，其控制方式根据变压与变频是否同时进行可分为脉冲幅值调制(PAM)和脉冲宽度调制。

掌握PWM变压变频器与SCR相幅控制变频器相比具有的一系列优点；

答：1) 在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。

2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。

4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。

掌握串联二极管式三相逆变器的主电路结构及其工作原理，掌握各个部件的作用。

PT1C1RfVT ~ VT16T3C3T5D'1~D'6UdD1D3C5D5+C0+1ABCD4D6C2D23~oRfNC4T4图 6. 交-直-交串联二极管式变频器的主要功能结构图T6C6T2

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根据逆变器主电路直流滤波环节的不同，可分为电压源和电流源型两类在掌握它们在性能上的差异。在三相桥式逆变器中，有180°导通型和120°导通型两种换流方式。

（4）掌握PWM调制原理，搞懂什么是载波，什么是调制波，什么是正弦波脉宽调制；掌握规则采样法的工作原理。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制，掌握它们各自的优点、缺点，而分段同步调制综合了二者的优点。掌握消除指定次数谐波PWM控制技术、电流滞环跟踪PWM控制技术的工作原理。

（5）掌握磁链跟踪控制、空间矢量的定义，搞清电压空间矢量的相互关系、电压与磁链空间矢量的关系、磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系；

电压空间矢量控制SVPWM：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：

合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。

如果，图中的逆变器采用180°导通型，功率开关器件共有8种工作状态（见附表），其中--6 种有效开关状态对应的开关状态为010；001，011；100；101；110；和---2 种无效空间电压矢量（因为逆变器这时并没有输出电压）：对应的开关状态为：000；111；

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掌握六拍逆变器开关状态切换供电时电动机电压空间矢量与磁链矢量的关系；

对于六拍阶梯波的逆变器，在其输出的每个周期中6 种有效的工作状态各出现一次。逆变器每隔 ?/3 时刻就切换一次工作状态(即换相)，而在这 ?/3 时刻内则保持不变。

掌握磁链矢量增量与电压矢量、时间增量的关系；

u1?t??Ψ 1掌握电压空间矢量的线性组合法SVPWM控制工作原理。

在实际系统中，应该尽量减少开关状态变化时引起的开关损耗，因此不同开关状态的顺序必须遵守下述原则：每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小开关损耗。 掌握SVPWM控制模式的特点。

1) 逆变器的一个工作周期分成6个扇区，每个扇区相当于常规六拍逆变器的一拍。为了使电动机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区间T0 ，T0 越短，旋转磁场越接近圆形，但 T0 的缩短受到功率开关器件允许开关频率的制约。

2) 在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一个功率开关器件，因而开关损耗较小。

3) 每个小区间均以零电压矢量开始，又以零矢量结束。 4) 利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便。

5) 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%

（6）掌握通用变频器的主电路结构及各组成部分的功能特点；

6

JR0+C1RST+C2R2FuseR1T1D'1DCRUVWD4T4'DCR图 9. 交—直—交电压型IGBT通用变频器的主回路结构图

u o Ud

i uo O

? t -Ud

通用变频器功能参数的含义及调试原则。

通用变频器在运行之前，一般需要整定的参数及其整定原则

a) 基本频率。原则：①工艺要求②电机参数要求。 b) 加速时间。原则：①工艺要求②重载加长。

c) 减速时间。原则：①工艺要求②重载加长。

d) 最高频率。原则：①工艺要求②注意轻载使用原则和电动机允许的最高速度限制。

e) 最低频率。原则：①工艺要求②注意电机低频散热问题。 f) 转矩补偿。原则：重载加强补偿

g) 开关频率。原则：①在噪声或振动大时，加大

h) ②在满足电机噪音要求的条件下尽量低，以免干扰等问题。

i) 电子热继电器。原则：整定值＝电动机实际容量/变频器适配容量×100％ 掌握转差频率控制的定义，工作原理及基于异步电机稳态模型的转差频率控制规律 。

Te?KmΦm2?sRr'在s 值很小的稳态运行范围内， 如果能够保持气隙磁通?m不变，异步电机的转矩就近似与转差角频率?s 成正比，控制转差频率就代表控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。

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转速闭环的转差频率控制的两个基本规律：

1）在?s??sm的范围内，转矩Te基本上与?s成正比，条件是气隙磁通不变。 2）在不同的定子电流值时，按照Us?f(?1Is)函数关系控制定子电压和频率，就能保持气隙磁通?m恒定。

（7）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，因此控制比较复杂，为此建立了三相异步电动机的物理模型，掌握组成异步电机的数学模型的四大方程：电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程，要求对各方程参数的含义、组成部分及其特点

如：异步电动机在dq坐标系上的电压u方程由电阻压降、旋转电动势、脉动电动势部分组成：

（8）异步电机数学模型非常复杂，为简化数学模型，采用坐标变换，掌握坐标变换的思路；

如：异步电机矢量控制的基本思路：

答：以产生同样的旋转磁动势为准则，将三相ABC坐标系的数学模型先进行3相/2相变换，再进行同步旋转变换，三相异步电动机可以等效成为直流电动机，因此，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就可以控制异步电动机。 注意不同电机模型彼此等效的原则是：

在不同坐标下所产生的磁动势完全一致；

掌握三相--两相变换（3/2变换）的公式推导。

（10）掌握什么是直接矢量控制系统、什么是间接矢量控制系统，它们之间的区别与联系。

转速、磁链闭环控制的矢量控制系统—直接矢量控制系统 磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统 掌握直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较。

性能与特点

??直接转矩控制系统 8

矢量控制系统 磁链控制 转矩控制 坐标变换 转子参数变化影响 调速范围

定子磁链 砰-砰控制，有转矩脉动 转子磁链 连续控制，比较平滑 静止坐标变换，较简单 旋转坐标变换，较复杂 无 不够宽 有 比较宽 第四章 绕线转子异步电机双馈调速系统

（1）掌握双馈调速的基本概念、基本结构与工作原理；掌握异步电机转子附加电动势的作用；

所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。

M TI

电网

K1

K2

3 ~ 功率变换

单元

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2）掌握双闭环控制串级调速系统的组成、

第五章 同步电动机变压变频调速系统

（1）重点掌握同步电动机变压变频调速系统的特点，

（a）交流电机旋转磁场的同步转速?1与定子电源频率 f1 有确定的关系

异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差 ?s ；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差 ?s = 0

（b）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生，而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。

（c） 同步电动机和异步电动机的定子都有同样的交流绕组，一般都是三相

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?1?2πf1np的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。

（d）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。

（e）异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。当cos? =1.0 时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。

（f）由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。

（g）异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。

掌握两种基本类型：他控变频调速系统和自控变频调速系统各自的特点及工作原理；理解转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统、由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统、由交-交变压变频器供电的大型低速同电动机调速系统三种不同系统的构成、工作原理与特点

（2） 熟悉和了解同步电动机变压变频调速的基本类型和特点；掌握无刷直流电动机自控变频调速系统和三相同步电动机自控变频调速系统基本原理和控制方法。

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的，而转子绕组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组（或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻尼绕组。

（d）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步电动机称作磁阻式同步电动机。

（e）异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。当cos? =1.0 时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。

（f）由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。

（g）异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。

掌握两种基本类型：他控变频调速系统和自控变频调速系统各自的特点及工作原理；理解转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统、由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统、由交-交变压变频器供电的大型低速同电动机调速系统三种不同系统的构成、工作原理与特点

（2） 熟悉和了解同步电动机变压变频调速的基本类型和特点；掌握无刷直流电动机自控变频调速系统和三相同步电动机自控变频调速系统基本原理和控制方法。

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