第一篇：電氣傳動與調(diào)速系統(tǒng)作業(yè)2

電氣傳動與調(diào)速系統(tǒng)作業(yè)2 1． 2． 什么是低壓電器? 常用的低壓電器有哪些? 交流電動機的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理如何？其調(diào)速方法和調(diào)速特性怎樣？ 3． 4． 什么叫步進電動機的環(huán)性分配器? 常用的方式有哪兩種? 什么是調(diào)速？它包含哪兩方面的涵意？衡量直流調(diào)速系統(tǒng)好壞的性能指標有哪些？各表示什么意義？ 5． 6． 7． 什么叫變頻調(diào)速? 常用的變頻調(diào)速方式有哪幾種? 伺服系統(tǒng)中常用的測速及測角（位移）器件有哪些? 晶閘管觸發(fā)電路的基本組成部分有哪些? 一臺步進電動機的步矩角為1.5°和3°，這說明什么涵意？

第二篇：最新國家開放大學電大《電氣傳動與調(diào)速系統(tǒng)》網(wǎng)絡(luò)課綜合題答案

最新國家開放大學電大《電氣傳動與調(diào)速系統(tǒng)》網(wǎng)絡(luò)課綜合題答案

綜合題

一、某刨床電氣傳動系統(tǒng)如圖1-6所示。

題目1

切削時折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為（）

選擇一項：

A.40Nm

B.50Nm

C.41.2Nm

D.30Nm

題目2

取，估算系統(tǒng)的總飛輪矩為（）

選擇一項：

A.120Nm2

B.110Nm2

C.130Nm2

D.100Nm2

一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：PN

=

kW，UN=

220

V，IN=156.9

A，nN=1500

r/min，Ra=

0.082Ω。

題目3

電動機的理想空載轉(zhuǎn)速為（）。

選擇一項：

A.1494r/min

B.1594r/min

C.1394r/min

D.1694r/min

題目4

電動機的額定電磁轉(zhuǎn)矩為（）。

選擇一項：

A.406.8Nm

B.306.8Nm

C.206.8Nm

D.106.8Nm二、一臺六極三相鼠籠式異步電動機，定子繞組為Y接，額定電壓UN＝380V，額定轉(zhuǎn)速nN＝965r/min，電源頻率f1＝50Hz。

題目1

電動機的同步轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)差率分別為（）。

選擇一項：

A.750r/min，0.045

B.1000r/min，0.035

C.500r/min，0.02

D.1500r/min，0.025

題目2

電動機定子繞組的額定相電壓與轉(zhuǎn)子電流的頻率分別為（）。

選擇一項：

A.150V，3.75Hz

B.110V，2.75Hz

C.380V，1.75Hz

D.220V，1.75Hz

一臺六極三相鼠籠式異步電動機，定子繞組為Y接，額定電壓UN＝380V，額定轉(zhuǎn)速nN＝965r/min，電源頻率f1＝50Hz，定子電阻r1＝2.1Ω，定子漏抗χ1＝3.08Ω，轉(zhuǎn)子電阻的折算值r＇2＝1.48Ω，轉(zhuǎn)子漏抗的折算值χ＇2＝4.2Ω。已知電磁轉(zhuǎn)矩計算公式為

題目3

電動機的額定轉(zhuǎn)差率和定子繞組的額定相電壓分別為（）。

選擇一項：

A.0.035，220V

B.0.035，380V

C.0.045，220V

D.0.02，220V

題目4

電動機的額定電磁轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩分別為（）。

選擇一項：

A.45Nm，51.2Nm

B.25Nm，21.2Nm

C.15Nm，41.2Nm

D.35Nm，31.2Nm三、一臺三相六極反應(yīng)式步進電動機，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Z=12。

題目1

電機作三相單三拍運行時，電機的齒距角與步距角分別為（）。

選擇一項：

A.72o，5o

B.30o，10o

C.72o，20o

D.36o，10o

題目2

電機作三相雙六拍運行時，電機的齒距角與步距角分別為（）。

選擇一項：

A.30o，5o

B.30o，6o

C.36o，5o

D.36o，6o

一臺反應(yīng)式步進電動機，已知電機運行時的拍數(shù)N=6，脈沖頻率f=800。

題目3

當電機的步距角為1.2°時，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)Z為（）。

選擇一項：

A.20

B.60

C.30

D.50

題目4

電機轉(zhuǎn)子每分鐘的轉(zhuǎn)速為（）。

選擇一項：

A.150r/min

B.160r/min

C.200r/min

D.250r/min

五、為了加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)通過采用轉(zhuǎn)速外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式來實現(xiàn)理想起動過程。

題目1

在起動過程中，如果速度調(diào)節(jié)器處于飽和限幅狀態(tài)，此時系統(tǒng)表現(xiàn)為（）調(diào)節(jié)特性。

選擇一項：

A.恒反電勢

B.恒電流

C.恒轉(zhuǎn)速

D.恒電壓

題目2

起動過程結(jié)束后，電動機的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速的關(guān)系為（）。

選擇一項：

A.電動機的轉(zhuǎn)速等于設(shè)定轉(zhuǎn)速

B.電動機的轉(zhuǎn)速大于設(shè)定轉(zhuǎn)速

C.電動機的轉(zhuǎn)速小于設(shè)定轉(zhuǎn)速

D.二者轉(zhuǎn)速關(guān)系無法確定

采用交-直-交無換向器電動機調(diào)速系統(tǒng)可以平滑實現(xiàn)四象限運行。

題目3

無換向器電動機的速度調(diào)節(jié)主要通過控制（）實現(xiàn)。

選擇一項：

A.整流側(cè)觸發(fā)角α

B.零電流檢測單元

C.轉(zhuǎn)子位置檢測器

D.換流超前角γ0

題目4

無換向器電動機高速運行在第三象限電動狀態(tài)時，對應(yīng)的整流側(cè)觸發(fā)角和換流超前角分別是（）。

選擇一項：

A.α>90°,γ0=180°

B.α<90°,γ0=120°

C.α>90°,γ0=120°

D.α<90°,γ0=180°

第三篇：電氣傳動與可編程控制器(PLC)總結(jié)

電氣傳動與可編程控制器（PLC）總結(jié)

一．填空題

1.2.用接觸器本身的觸點來使其線圈保持通電的環(huán)節(jié)稱為環(huán)節(jié)。

3.機床電氣控制線路一般使用提供的控制電源。

4.根據(jù)工作原理而繪制的電器控制線路圖是電氣原理圖。

5.PLC中的繼電器輸出模塊可以驅(qū)動2安培的電阻性負載。

6.在順序功能圖中，用雙線方框表示的是

7.PLC的輸入/

8.與微機的匯編語言相似的PLC編程語言是。

9.OUT指令不能用于輸入繼電器。

10.電動機3個端子短接，3個上端子接電源，此時是

11.Y/△起動的電動機，12.機床控制線路中使用表示設(shè)備處于運轉(zhuǎn)或停止狀態(tài)。

13.機械調(diào)速系統(tǒng)只能進行

14.可編程序控制器的兩種圖形化編程語言是梯形圖和功能圖。

15.PLC的輸出元件采用雙向可控硅時，驅(qū)動的負載類型為負載。

16.IEC公布的可編程序控制器的編程語言標準號。

17.FX系列可編程序控制器的單個定時器最長定時間為。

18.名牌額定電壓220V/380V 的三相異步電動機可以按方式運行。

19.當電源功率較小，不能直接起動電動機時，可以考慮降壓起動。

20.若工件移動越位時需要停機，可選用

21.由總設(shè)計中對機械傳動功率要求選擇拖動電機的方法稱。

22.熱繼電器的動斷觸點通常

23.可編程序控制器的用戶程序存儲器容量一般以為單位。

24.可編程序控制器存儲器分為和

25.26.可編程序控制器的27.生產(chǎn)機械一般是由三個基本部分組成的，即

28.電力拖動系統(tǒng)主要分為和兩大類。

29.直流電動機的特點：具有良好的啟動、制動特性和調(diào)速性能，能在很寬的范圍內(nèi)進行平滑調(diào)速。

30.交流電動機的特點：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、造價低及容易維護。

31.籠型異步電動機有和兩種方式。

32.較大容量的籠型異步電動機一般都采用

33.機床中也常用

34.接觸器輔助觸點互相制約關(guān)系稱為“聯(lián)鎖”或“互鎖”。

35.制動停車的方式有兩大類，即和。

36.機床中經(jīng)常應(yīng)用的電氣制動是和。

37.制動作用的強弱與通入和

38.能耗制動與反接制動相比較，具有制動準確、平穩(wěn)、能量消耗小等優(yōu)點，但制動力較弱，特別是在低速時尤為突出。另外它還需要直流電源。故適用于要求制動準備，平穩(wěn)的場合。

39.40.液壓傳動系統(tǒng)易獲得很大的力矩，運動傳遞平穩(wěn)，均勻，準確可靠，控制方便易實現(xiàn)自動化。

41.23D-10B型二位三通電磁換向閥：型號中23表示二位三通，D表示直流電源，10表示流量為10L/min,B表示板式連接。符號中方格表示滑閥的位。

42.43.電氣控制系統(tǒng)中常采用的保護環(huán)節(jié)有過載保護、短路電流保護、零電壓和欠電壓保護以及弱磁保護等。

44.45.46.過電流保護廣泛用于直流電動機或繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，對于三相籠型電動機，由于其短時過電流不會產(chǎn)生嚴重后果，故不采用過電流保護而采用短路保護。

47.為了防止電壓恢復時電動機自行起動的保護叫零壓保護。

48.短路保護：熔斷器 FU ；過載保護（熱保護）：熱繼電器KR；過流保護：過流繼電器KA；零壓保護：電壓繼電器KZ ；低壓保護：欠電壓繼電器KV ；聯(lián)鎖保護：通過正向接觸器KM1與反向接觸器KM2的動斷觸點實現(xiàn)。

49.弱磁保護是通過電動機勵磁回路串入弱磁繼電器（電流繼電器）來實現(xiàn)的，在電動機運行中，如果勵磁電流消失或降低很多，弱磁繼電器就釋放，其觸點切斷主回路接觸器線圈的電源，使電動機斷電停車

50.機床電動機的調(diào)速性質(zhì)應(yīng)與機床的負載特性相適應(yīng)。調(diào)速性質(zhì)是指轉(zhuǎn)矩、功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

51.機床的切削運動（主運動）需要恒功率傳動，而進給運動則需要恒轉(zhuǎn)矩傳動。

52.他勵直流電動機改變電壓的調(diào)速方法則屬于法是屬于功率調(diào)速。

53.機床進給運動的功率也是由和兩部分組成。

54.異步電動機的電壓等級為380V。但要求寬范圍而平滑的無極調(diào)速時，可采用交流變頻調(diào)速或直流調(diào)速。

55.直流控制線路多用220V或110V。對于直流電磁鐵、電磁離合器，常用24V直流電源供電。

56.自動開關(guān)又稱自動空氣斷路器。自動開關(guān)既能接通或分斷正常工作電流，也能自動分斷過載或斷路電流，分斷能力大，有欠壓和過載短路保護作用。

57.選擇自動開關(guān)應(yīng)考慮其主要參數(shù)：流等。

58.額定電壓是根據(jù)所保護電路的電壓來選擇的，的核心。

59.熱繼電器的選擇主要是根據(jù)電動機的60.接觸器用于帶有負載主電路的自動接通或切斷。

61.中間繼電器主要在電路中起信號傳遞與轉(zhuǎn)換作用。

62.在機床中應(yīng)用最多的是。

63.PLC主要由模塊）、編程設(shè)備和電源。

64.根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)的不同，可以將PLC分為。

65.繼電器在控制系統(tǒng)中的作用：和。

66.整體式PLC的體積小、價格低，小型PLC一般采用。

67.模塊式PLC的價格較高，大、中型PLC一般采用。

68.CPU的工作：輸入處理，將現(xiàn)場的開關(guān)量輸入信號讀入輸出映像寄存器。程序執(zhí)行，逐條執(zhí)行用戶程序，完成數(shù)據(jù)的存取、傳送和處理工作，并根據(jù)運算結(jié)果更新各有關(guān)映像寄存器的內(nèi)容。輸出處理，將輸出映像寄存器的內(nèi)容送給輸出模塊，去控制外部負載。

69.FX1n-60MT D 屬于FX1n系列，是有60個I/O點的基本單元，晶體管輸出型，DC電源。M為基本單元，R為繼電器輸出，T為晶體管輸出，S為雙向晶閘管輸出。

70.FX系列的模擬量模塊的PLC內(nèi)部的數(shù)字電路之間有光電隔離，模塊各通道之間沒有隔離。光電隔離可以提高系統(tǒng)的安全性和抗干擾能力。

71.IEC 61131-3 詳細地說明了句法、語義和下述五種PLC編程語言的表達方式： 順序功能圖 SFC；梯形圖LD；功能塊圖FBD；指令表IL；結(jié)構(gòu)文本ST

標準中有兩種圖形語言-----梯形圖（LD）和功能塊圖（FBD），還有兩種文字語言-----指令表（IL）和結(jié)構(gòu)文本（ST）是一種結(jié)構(gòu)塊控制程序流程圖。

72.為主要元件的圖形化編程語言的。

73.是使用得最多的PLC圖形編程語言。

74.由若干條指令組成的程序稱為指令表程序。

75.MPS（point store）,MRD(read),MPP(pop),指令分別是進棧、讀棧和出棧指令，它們用于多重輸出電路。

76.每一條MPS指令必須有一條對應(yīng)的MPP指令。處理最后一條支路時，必須使用MPP指令，而不是MRD指令。

77.MC（master control）:主控指令，或公共觸點串聯(lián)連接指令。

78.MPS指令用于儲存電路中有分支處的邏輯運算結(jié)果，以便以后處理有線圈或輸出存取方式。

79.MRD指令讀取存儲在堆棧最上層的電路中分支處的運算結(jié)果，將下一個觸點強制性地連接在該點。讀數(shù)后堆棧內(nèi)的數(shù)據(jù)不會上移或下移。

80.MPP指令彈出（調(diào)用并去掉）存儲的電路中分支點運算結(jié)果。

81.MCR(master control reset):主控復位指令，MC指令的復位指令。MC指令只能用于輸出繼電器Y和輔助繼電器M。

82.順序控制設(shè)計法最基本的思想是將系統(tǒng)的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步。

83.順序功能圖（SFC）是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是設(shè)計PLC的順序控制程序的有力工具。順序功能圖（sequential function chat）被確定為PLC位居首位的編程語言。

84.當系統(tǒng)正處于某一步所在的階段時，稱該步處于活動狀態(tài)，該步為“活動步”。

85.使用得最多的轉(zhuǎn)換條件表示方法是

86.轉(zhuǎn)換用有向連線上與有向連線垂直的短劃線來表示，轉(zhuǎn)換將相鄰兩步分隔開。步的活動狀態(tài)的進展是由轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)來完成的，并與控制過程的發(fā)展相對應(yīng)。

87.設(shè)計起保停電路的關(guān)鍵是找出它的起動條件和停止條件。

88.起保停電路編程方法

89.為防止電壓恢復時電動機自行起動的保護叫。

90.交流無極調(diào)速的主要方法是繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。

91.92.可實現(xiàn)電動機正反向轉(zhuǎn)換的電器元件是交流接觸器。

93.橫幅脈寬調(diào)制型變頻器（PWM)

94.選擇電氣元件時，熱繼電器的整定電流按電動機的額定電流來調(diào)整。

95.直流調(diào)速中，保持電樞供電電壓不變，改變勵磁磁通為恒方式調(diào)速。

二．簡答題

1.寫出IEC61131-3制定的五種PLC的編程語言名稱。

答：順序功能圖、梯形圖、功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本五種PLC的編程語言名稱。

2.試說明FX2n-64MR型號名稱的含義。

答：FX2n系列、具有64個I/O點的基本單元、繼電器輸出型、AC電源。

3.寫出順序功能圖的基本組成。

答：順序功能圖主要由步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動作（或命令）組成。

4.簡述“反接制動”工作原理。

答：反接制動實質(zhì)上是改變異步電動機定子繞組中的三相電源序，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩。

反接制動過程：當想要停車時，首先將三相電源切換，然后當電動機轉(zhuǎn)速接近零時，再將三相電源切除?？刂凭€路就是要實現(xiàn)這一過程。

5.簡述“電流截止負反饋”原理。

答：在啟動和堵轉(zhuǎn)時引入電流負反饋以保證電樞電流不超允許值，而正常工作時電流負反饋被取消以保持較好的靜特性。這種當電流大到一定程度才出現(xiàn)的電流負反饋，稱為電流截止負反饋。

6.簡述可編程序控制器主要發(fā)展趨勢。

答：1.微型、小型PLC功能方面明顯增強

2.集成化發(fā)展趨勢增強

3.向開放性轉(zhuǎn)變。

7.為什么PLC的內(nèi)部繼電器觸點可以無數(shù)次使用？

答：是因為PLC的內(nèi)部繼電器的觸點對應(yīng)的是芯片內(nèi)觸發(fā)器的狀態(tài)，觸發(fā)器的狀態(tài)只有兩種，高和低也就是1和0，當需要用時，就是把它的狀態(tài)調(diào)出來，然和把它放到某個寄存器，再進行運算，所以說它是可以無數(shù)次使用。

8.試寫出可編程序控制器的五個主要組成部分？

答：由CPU模塊、存儲器、I/O模塊、編程設(shè)備和電源組成。

9.簡述交流調(diào)速的優(yōu)點。

答：不受環(huán)境限制；異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、經(jīng)濟可靠和慣性小；維修量??；可以制造比直流電動機容量更大，轉(zhuǎn)速和電壓更高的交流電動機。

10.PLC可靠性好，抗干擾能力強是通過哪些措施來保證的？

答：硬件措施：隔離；濾波；采用密封、防塵、抗震的外殼封裝結(jié)構(gòu)；以集成電路為基本元件，內(nèi)部處理過程不依賴于機械觸點，以保障高可靠性。而采用循環(huán)掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。

軟件措施：利用系統(tǒng)軟件定期進行系統(tǒng)狀態(tài)、用戶程序、工作環(huán)境和故障檢測，并采取信息保護和恢復措施。

11.簡述PLC工作周期的組成部分。

答：自診斷、通訊處理、掃描輸入、執(zhí)行程序和刷新輸出。

第四篇：電力電子與電氣傳動綜合課程設(shè)計

電力電子與電氣傳動綜合課程設(shè)計任務(wù)書

一、目的及要求：

通過電力電子與電氣傳動的綜合課程設(shè)計教學環(huán)節(jié),使學生掌握以直流電動機為對象組成的運動控制，包括轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)，靜態(tài)、動態(tài)性能分析及工程設(shè)計方法，掌握以交流電動機為對象組成的運動控制,包括基于穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型的異步電動機調(diào)速系統(tǒng)以及同步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和性能特點。

通過該課程的學習，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的能力，掌握電氣傳動控制系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計方法，從實際出發(fā)，深入地進行理論分析，應(yīng)用理論解決電氣傳動系統(tǒng)中的實際問題，提高學生分析問題和解決問題的能力。檢驗同學們對所學知識的掌握程度和運用能力。

二、內(nèi)容及步驟： 內(nèi)容：

1.設(shè)計一個三相橋式全控整流電路，電源相電壓為220V，利用可調(diào)的直流電壓驅(qū)動直流電機進行調(diào)速，仿真觀察整流電路輸出電壓和電流波形，電機電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化曲線。

2.設(shè)計一個雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，電動機參數(shù)：UN=220V,IdN=136A,nN=1460r/min,Ce=0.132V.min/r, 過載倍數(shù)λ＝1.5，整流裝置放大系數(shù)Ks＝40，電樞回路總電阻R＝0.5歐，時間常數(shù)Tl=0.03s,Tm=0.18s,電流反饋系數(shù)β＝0.05V/A,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α＝0.007V.min/r，要求實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量σi％≤5％，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn％≤10％，取電流反饋濾波時間常數(shù)Toi＝0.0017s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton＝0.01s,取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速給定Un*＝10V。仿真觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。

3.完成基于IGBT逆變電路的異步電機恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真，電機參數(shù)如下：額定功率為2.2kW,額定線電壓為380V，額定頻率為50Hz,額定轉(zhuǎn)速為1423pm，定子電阻為3.478Ω，定子漏感為0.01254H，轉(zhuǎn)子電阻為2.546Ω，轉(zhuǎn)子漏感為0.01226H，勵磁電感為0.3329H，轉(zhuǎn)動慣量為0.0131，極對數(shù)為2。

4.采用三相SPWM技術(shù)設(shè)計一個轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)，觀察電動機的電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩曲線。

步驟如下：

1、查閱調(diào)速系統(tǒng)資料。

2、設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)原理圖和動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。

3、計算各控制參數(shù)。

4、熟悉MATLAB仿真工具。

5、對原理圖和結(jié)構(gòu)框圖進行仿真。

6、總結(jié)課程設(shè)計報告。

三、課程設(shè)計時間和進度安排：

1、時間安排第16-18周

2、據(jù)學生人數(shù)分組：班級-電氣：109741、109742共82人，每2-3人一組。課程設(shè)計進度：

1：聽課學習MATLAB仿真軟件（1天）（占10%）2：學習和熟悉軟件的應(yīng)用和基本操作（4天）（占20%）3：查閱調(diào)速系統(tǒng)資料。（2天）（占10%）

4：設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)原理圖和動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（3天）（占20%）5：對原理圖和結(jié)構(gòu)框圖進行仿真（4天）（占30%）

6：總結(jié)報告：書寫設(shè)計說明書、設(shè)計步驟、報告。（1天）（占10%）

四、答辯及成績評定：

每個課程設(shè)計的最后一周的周五進行答辯，其中每一部分所占總成績的比例請參考第三項。教師組織考核，對每個學生做出評語，成績可按：優(yōu)、良、中、及格、不及格分為五等。教師通過設(shè)計答辯或經(jīng)驗交流形式，了解學生設(shè)計水平。根據(jù)學生運動控制基本知識掌握的程度，調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計和利用仿真軟件綜合設(shè)計與調(diào)試能力，獨立分析解決問題的能力和創(chuàng)新精神，課程設(shè)計總結(jié)報告的書寫評定成績。五：教學參考書目：

《運動控制系統(tǒng)》 清華大學出版社 阮毅，陳維鈞

《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》

機械工業(yè)出版社 洪乃剛 《電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真》

中國電力出版社

林飛 杜欣

撰槁人 教研室主任 系主任

盧

崢

簽名

日期

2011.5.27

電子與電氣工程系（電氣教研室）2011/5/27

第五篇：變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望

清華大學電機系冬雷李永東

[摘要］了解近十年來國外通用變頻器的技術(shù)發(fā)展對于深入了解交流傳動與控制技術(shù)的發(fā)展走向以及如何站在高起點上結(jié)合我國國情開發(fā)我國自己的產(chǎn)品都具有十分積極的意義。

[關(guān)鍵詞] 通用變頻 電力電子 IGBT IPM PWM DTC

1.前言

交流傳動與控制技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，這是和冉力電子器件制造技術(shù)、變流技術(shù)控制技術(shù)以及微型計算機和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展密切相關(guān)。

通用變頻器作為早個商品開始在國內(nèi)上市，是近十年的事，銷售額逐年增加，于今全年有超過數(shù)十億元（RMB）的市場。其中．各種進口品牌居多，功率小至百瓦大至數(shù)千千瓦；功能簡易或復雜；精度低或高；響應(yīng)慢或快：有PG（測速機）或無PG;有噪音或無噪音等等。

對于許多用戶來說,這十年中經(jīng)歷了多次更新，現(xiàn)所使用的變頻器大都屬于目前最為先進的機型如果從應(yīng)用的角度來說，我們的水準與發(fā)達國家沒有什么兩樣。作為國內(nèi)制造商,通過這十年來對國外的先進技術(shù)進行銷化，也正在積極地進行國產(chǎn)變頻器的自主開發(fā)．努力追趕世界發(fā)達國家的水平。

回顧近十年來國外通用變頻器技術(shù)的發(fā)展對于深入了解交流傳動與控制技術(shù)的走向，以及如何站在高起點上結(jié)合我國國情開發(fā)我國自己的產(chǎn)品應(yīng)該說具有十分積極的意義.2.關(guān)于功率器件

變頻技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應(yīng)用最多的功率器件有GTO、GTR、IGBT以及智能模塊IPM(Intelligent Power Module），后面二種集GTR的低飽和電壓特性和MOSFET的高頻開關(guān)特性于一體是目前通用變頻器中最廣泛使用的主流功率器件。IGBT集射電壓Vce可＜3V,頻率可達到20KHZ,內(nèi)含的集射極間超高速二極管Trr可達150ns,1992年前后開始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用。其發(fā)展的方向是損耗更低,開關(guān)速度更快、電壓更高,容量更大(3.3KV、1200A), 目前，采用溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)等方法大幅度降低了集電極一發(fā)射極之間的飽和電壓[VCE（sat)]的第四代IGBT也已問世。

第四代IGBT的應(yīng)用使變頻器的性能有了很大的提高。其一是ICBT開關(guān)器件發(fā)熱減少，將曾占主回路發(fā)熱50－70％的器件發(fā)熱降低了30％。其二是高載波控制，使輸出電流波形有明顯改善；其三是開關(guān)頻率提高，使之超過人耳的感受范圍，即實現(xiàn)了電機運行的靜青化；其四是驅(qū)動功率減少，體積趨于更小。

而IPM的投入應(yīng)用比IGBT約晚二年，由于IPM包含了1GBT芯片及外圍的驅(qū)動和保護電路.甚至還有的把光耦也集成于一體，因此是種更為好用的集成型功率器件，目前，在模塊額定由流10－600A范圍內(nèi)，通用變頻器均有采用IPM的趨問，其優(yōu)點是：

（l）開關(guān)速度快，驅(qū)動電流小，控制驅(qū)動更為簡單。

〔2)內(nèi)含電流傳感器，可以高效迅速地檢測出過電流和短路電流，能對功率芯片給予足夠的保護，故障率大大降低。

（3)由于在器件內(nèi)部電源電路和驅(qū)動電路的配線設(shè)計上做到優(yōu)化，所以浪涌電壓，門極振蕩，噪聲引起的干擾等問題能有效得到控制。

（4）保護功能較為豐富，如電流保護、電壓保護、溫度保護一應(yīng)俱全，隨著技術(shù)的進步，保護功能將進一步日臻完善。

（5｝IPM的售價已逐漸接近IGBT．而計人采用IPM后的開關(guān)電源容量、驅(qū)動功率容量的減小和器件的節(jié)省以及綜合性能提高等因素后在許多場合其性價比已高過IGBT，有很好的經(jīng)濟性。為此IPM除了在工業(yè)變頻器中被大量采用之后，經(jīng)濟型的IPM在近年內(nèi)也開始在一些民用品如家用空調(diào)變頻器，冰箱變頻器、洗衣機變頻器中得到應(yīng)用。IPM也在向更高的水平發(fā)展，日本三菱電機最近開發(fā)的專用智能模塊ASIPM將不需要外接光耦，通過內(nèi)部自舉電路可單電源供電并采用了低電感的封裝技術(shù)，在實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，專用化，高性能，低成本方面又推進了一步。

3.關(guān)于控制方式

早期通用變頻器如東芝TOSVERT－130系列、FUJI FVRG5／P5系列，SANKEN SVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比（V／F=常數(shù)）的控制方式．其優(yōu)點是控制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高，比較適合應(yīng)用在風機、水泵調(diào)這場合。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電視轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降穩(wěn)定性變差等。對變頻器U／F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了三個階段；

第一階段：

1.八十年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三

相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。

②引人頻率補償控制，以消除速度控制的穩(wěn)態(tài)誤差

③基于電機的穩(wěn)態(tài)模型，用直流電流信號重建相電流，如西門子MicroMaster系列,由此估算出磁鏈幅值，并通過反饋控制來消除低速時定子電阻對性能的影響。

④將輸出電壓、電流進行閉環(huán)控制，以提高動態(tài)負載下的電壓控制精度和穩(wěn)定度，同時也一定程度上求得電流波形的改善。這種控制方法的另一個好處是對再生引起的過電壓、過電流抑制較為明顯，從而可以實現(xiàn)快速的加減速。

之后，1991年由富士電機推出大家熟知的FVR與 FRNG7／P7系列的設(shè)計中，不同程度融入了②3．④項技術(shù)，因此很具有代表性。三菱日立，東芝也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善.第二階段：

矢量控制。也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場獨立控制的內(nèi)在本質(zhì)。

矢量控制的基本點是控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)過坐標變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足。此外．它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配留轉(zhuǎn)子位置或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便。僅管如此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴展至315KW以上。目前，6SE70系列除了200KW以下價格較高，在200KW以上有很高的性價比。

第三階段：

1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論（Direct Torque

Control簡稱DTC）。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。

轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；所引入的定子磁鍵觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機數(shù)學模型和對電機參數(shù)的自動識別（Identification向你ID),通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗互感、飽和因素、電動機慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機模型估算出電動機的實際轉(zhuǎn)矩、定子碰鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band－Band控制產(chǎn)生PWM信號對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度。

1995年ABB公司首先推出的ACS600直接轉(zhuǎn)矩控制系列，已達到<2ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度在帶PG時的靜態(tài)速度精度達土O.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，向樣可以達到正負0.1％的速度控制精度。其他公司也以直接轉(zhuǎn)矩控制為努力目標，如安川VS－676H5高性能無速度傳感器矢量控制系列，雖與直接轉(zhuǎn)矩控制還有差別，但它也已做到了100ms的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)和正負0.2%（無PG）,正負0.01％（帶 PG）的速度控制精度，轉(zhuǎn)矩控制精度在正負3％左右。其他公司如日本富士電機推出的FRN 5000G9／P9以及最新的FRN5000Gll／P11系列出采取了類似無速度傳感器控制的設(shè)計，性能有了進一步提高，然而變頻器的價格并不比以前的機型昂貴多少。

控制技術(shù)的發(fā)展完全得益于微處理機技術(shù)的發(fā)展，自從1991年INTEL公司推出8X196MC系列以來，專門用于電動機控制的芯片在品種、速度、功能、性價比等方面都有很大的發(fā)展。如日本三菱電機開發(fā)用于電動機控制的M37705、M7906單片機和美國德州儀器的TMS320C240DSP等都是頗具代表性的產(chǎn)品。

4.關(guān)于PWM技術(shù)

PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在<>評論上提出把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。

從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考止弦波比較，產(chǎn)生止弦脈寬調(diào)制SPWM信號以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的PWM信號輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場合仍占主導地位,并一直是人們研究的熱點。

由于PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系

統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM（包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類），優(yōu)化PWM及隨機PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形，降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如 ABB ACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等）；而優(yōu)化PWM所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。

在70年代開始至80年代初，由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHZ，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機PwM方法應(yīng)運而生。其原理是隨機改變開關(guān)頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲（在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強度大大削弱。正因為如此，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機PWM仍然有其特殊的價值（DTC控制即為一例）；另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，因為隨機PWM技術(shù)提供了一個分析、解決問題的全新思路。

5.展望

通用變頻器的發(fā)展是世界高速經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物。其發(fā)展的趨勢大致為：

5.l主控一體化

日本三菱公司將功率芯片和控制電路集成在一快芯片上的DIPIPM（即雙列直插式封裝）的研制已經(jīng)完成并推向市場。一種使逆變功率和控制電路達到一體化，智能化和高性能化的HVIC（高耐壓IC）SOC（System on Chip）的概念已被用戶接受，首先滿足了家電市場低成本、小型化、高可靠性和易使用等的要求。因此葉以展望，隨著功率做大，此產(chǎn)品在市場上極具競爭力。

5.2 小型化

用日本富士（FUJI）電機的三添勝先生的話說，變頻器的小型化就是向發(fā)熱挑戰(zhàn)。這就是說變頻器的小型化除了出自支撐部件的實裝技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計的大規(guī)模集成化，功率器件發(fā)熱的改善和冷卻技術(shù)的發(fā)展已成為小型化的重要原因。ABB公司將小型變頻器定型為Comp－ACTM他向全球發(fā)布的全新概念是，小功率變頻器應(yīng)當象接觸器、軟起動器等電器元件一樣使用簡單，安裝方便，安全可靠。

5.3低電磁噪音化

今后的變頻器都要求在抗干擾和抑制高次諧波方面符合EMC國際標準，主要做法足在變頻器輸入側(cè)加交流電抗器或有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction． APFC）電路，改善輸入電流波形降低電網(wǎng)諧波以及逆變橋采取電流過零的開關(guān)技術(shù)。而控制電源用的開關(guān)電源將推崇半諧振方式，這種開關(guān)控制方式在30－50MhZ時的噪聲可降低15－20dB。

5.4專用化

通用變頻器中出現(xiàn)專用型家族是近年來的事。其目的是更好發(fā)揮變頻器的獨特功能并盡可能地方便用戶。如用于起重稅負載的 ARB ACC系列，用廣交流電梯的 Siemens MICO340系列和FUJI FRN5000G11UD系列，其他還有用于恒壓供水、上作機械主軸傳動、電源再生、紡織、機車牽引等專用系列。

5.5系統(tǒng)化

作為發(fā)展趨勢，通用變頻器從模擬式、數(shù)字式、智能化、多功能向集中型發(fā)展。最近，日本安川由機提出了以變頻器，伺服裝置，控制器及通訊裝置為中心的”D&M&C”概念，并制定了相應(yīng)的標準。目的是為用戶提供最佳的系統(tǒng)。因此可以預(yù)見在今后．變頻器的高速響應(yīng)件和高性能什將是基本條件。