《电力拖动自动控制系统》知识点及习题.pdf

第 1 页 共 44 页 电力拖动自动控制系统知识点、习题解电力拖动自动控制系统知识点、习题解 问题问题 1：电机的分类？ 发电机（其他能电能）直流发电机 交流发电机 电动机（电能其他能） 直流电动机： 有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励） 无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机） 交流电动机：同步电动机 异步电动机：鼠笼式 绕线式 ： 伺服电机 旋转变压器 控制电机 自整角机 力矩电机 测速电机 步进电机（反应式、永磁式、混合式） 问题问题 2：根据直流电机转速方程 = e K IRU n n-转速（r/min） ；U-电枢电压（V） ；I-电枢电流（A） ； R 电枢回路总电阻（ ） ； 励磁磁通（Wb） ；Ke 由电机结构决定的电动势常数。 三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压U U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路 电阻 ； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路 电阻R R。 调压调速 。 调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：UUnom，基频以下，在一定范围内无级 平滑调速。 弱磁调速弱磁调速：无级，适用于 nom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即电动机额 定转速以上)作小范围的升速。 变电阻调速变电阻调速：有级调速。 问题问题 3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势。 * 直流电机调速系统直流电机调速系统 优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性 能良好。 缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂， 容量、转速、电压受限。 * 交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反） 优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于 制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。 缺点：缺点：调速性能比直流电机差。 * 发展趋势：发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用 同步电机调速系统. 第第 2 章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 1、常用的可控直流电源可控直流电源有以下三种 ? 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 第 2 页 共 44 页 ? 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 ? 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电， 利用电力电子开关 器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。 2、由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速 的直流电动机 M 供电，调节 G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转 速 n。这样的调速系统简称 G-M 系统系统，国际上通称 Ward-Leonard 系统。 3、晶闸管-电动机调速系统（简称 V-M 系统系统，又称静止的 Ward-Leonard 系统） ， 4、采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路， 脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation） 。 PWM 系统的优点系统的优点 （1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000 左右； （4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； （5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装 置效率较高； （6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 问题：问题：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M 系统） 、静止可控整流器（V-M 系 统） 、 直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM） 。 名词解释：名词解释： G-M 系统 V-M 系统 PWM PFM G-M 系统：交流电动机拖动直流发电机 G 实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动 机 M 供电，调节 G 的励磁电流及改变其输出电压，从而调节 M 的转速。优点：在允许转矩范围内 四象限运行。缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不方便。 V-M 系统：晶闸管，工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器 V 给需要调速直流电动机 M 供电，调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流器 V 的输出电压，从 而调节直流电动机 M 的转速。优点：经济性和可靠性提高，无需另加功率放大装置。快速性好， 动态性能提高。缺点：只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的 du/dt 和 di/dt 十分敏感； 低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。 PWM：脉冲宽度调制(PWM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加 到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过改变晶闸管的导通时间（即调占空 比 ton）就可以调节电机电压，从而进行调速。PWM 调速系统优点：系统低速运行平稳，调速范围 较宽；电动机损耗和发热较小；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；器件工作早开关状态，主 电路损耗小，装置效率较高。PWM 调速系统应用：中、小功率系统 PFM 脉冲频率调制(PFM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到 电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率 f 或 开关周期 T（即调节晶闸管的关断时间 t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。 5、晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数：晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数：在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看 成是一个纯滞后环节纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的，其传递函数近似成一阶惯性环节传递函数近似成一阶惯性环节 sT K sW s s s 1 )( + 。 第 3 页 共 44 页 6、采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统， 简称直流脉宽调速系统，即直流直流 PWM 调速系统调速系统。 7、PWM 控制与变换器的数学模型：控制与变换器的数学模型：PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞 后环节 滞 后环节，其传递函数可以写成 sT K sU sU sW s e )( )( )( s c d s =，Ks -PWM装置的放大系数；Ts -PWM装置的 延迟时间，Ts T0 。 8、当开关频率为10kHz时，T = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞 后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节一阶惯性环节，因此， 1 )( s s s + sT K sW 与晶闸管装置传递函数完全一致。 9、调速系统的转速控制要求调速系统的转速控制要求 （1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速； （2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确 保产品质量； （3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变 化的机械则要求起，制动尽量平稳。 10、调速范围：调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表 示，即 min max n n D = 静差率：静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 N n，与理想空载转速n0之比，称作静差率s ，即 0 N n n s = ， N n = n0 - nN 11、调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指 标应以最低速时所能达到的数值为准。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静 差率的转速可调范围。 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静 差率的转速可调范围。 )1 ( N N sn sn D =。 问题：问题：衡量调速系统的性能指标是哪些？ 调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin 静差率S=nnom/n0*100%，对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能 用闭环调速系统。 和负载匹配情况：一般要求，恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。 12、系统特性比较系统特性比较 （1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多 K n n l + = 1 op c 。 第 4 页 共 44 页 （2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 K s s l + = 1 op c （3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 opc )1 (DKD l += （4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下， 能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下， 能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 13、反馈控制规律反馈控制规律 （1）被调量有静差：被调量有静差：只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。 【闭环系统的开环 放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而Kp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。 】 )( e d c KIC RI n l + = （2）反馈控制系统的作用是反馈控制系统的作用是： 抵抗扰动， 服从给定。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包 围的前向通道上的扰动。抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征之一。 （3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。 反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另 一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。 反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另 一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。 14、为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流自动限制电枢电流 的环节。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时 仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。电流截止负反馈，简称截流反馈。 15、带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作是一个三阶线性系统。、带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作是一个三阶线性系统。 16、闭环系统伯德图特征：、闭环系统伯德图特征： （1）中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定 性好。 （2）截止频率（或称剪切频率）Wc越高，则系统的快速性越好。 （3）低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。 （4）高频段衰减越快，及高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。 17、 采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统。积分控制可以使系统在无静差的情况 下保持恒速运行，实现无静差调速。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器 的输出则包含了输入偏差量的全部历史。 采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统。积分控制可以使系统在无静差的情况 下保持恒速运行，实现无静差调速。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器 的输出则包含了输入偏差量的全部历史。 PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成； 比例积分控制综合了比例控制和积分控制 两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积 分部分则最终消除稳态偏差。 问题：问题： 带有比例调节器单闭环直流调速系统， 如果转速反馈值与给定值相等， 则调节器的输出为 （A） A、零 B、大于零的定值 C、小于零的定值 D、保持原先的值不变 18、无静差调速系统的稳态参数计算无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时 Un = 0，因而 Un = Un* ， 可以按式（1-67） * n maxmax Un=直接计算转速反馈系数。 第 5 页 共 44 页 19、电流正反馈的作用又称作电流补偿控制。 无静差的条件是： 根据电流反馈系数的大小，可以决定补偿的强弱分为全补偿、欠补偿和过 补偿。由于补偿控制是一种参数配合控制，因此一般采用欠补偿。 由被调量负反馈构成的反馈控制和由扰动量正反馈构成的补偿控制， 是性质不同的两种控制规 律。在实际调速系统中，很少单独使用电流正反馈补偿控制，只是在电压（或转速）负反馈系统的 基础上，加上电流正反馈补偿，作为减少静差的补充措施。只有电流正反馈的调速系统的临界稳定 条件正是其静特性的全部偿条件。过补偿系统是不稳定的。 电流正反馈可以用来补偿一部分静差，电流正反馈可以用来补偿一部分静差，以提高调速系统的稳态性能。但是，不能指望电流正反 馈来实现无静差 不能指望电流正反 馈来实现无静差，因为这时系统已经达到了稳定的边缘。 20、微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化： ? 离散化：离散化：为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样， 形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。 ? 数字化：数字化：采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码） 来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。 21、故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。 22、由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。 脉冲数字（P/D）转换方法： （1）M 法脉冲直接计数方法；M 法测速只适用于高速段。 （2）T 法脉冲时间计数方法；T 法测速适用于低速段。 （3）M/T 法脉冲时间混合计数方法。M/T 法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。 23、PI 调节器的传递函数 s s K sE sU sW 1 )( )( )( pipi + = 数字数字 PI 调节器算法调节器算法，有位置式和增量式两种算法： ? 位置式算法位置式算法即为式(3-15)表述的差分方程，算法特点是：比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分 则是系统过去所有偏差的累积。 比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分 则是系统过去所有偏差的累积。 ) 1()()( )()()()()( IsamIP IP 1 samIP += +=+= = kukeTKkeK kukeKieTKkeKku k i 位置式 PI 调节器的结构清晰，P 和 I 两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。 ? 增量式增量式 PI 调节器算法 )() 1()() 1()()( samIP keTKkekeKkukuku+= 不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅则两者略有差异。增量式 PI 调节器算法只需 输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。 24、数字控制器数字控制器不仅能够实现模拟控制器的数字化，而且可以突破模拟控制器只能完成线性控制规律的局限，完 成各类非线性控制各类非线性控制、自适应控制自适应控制乃至智能控制智能控制等等，大大拓宽了控制规律的实现范畴。 智能控制特点智能控制特点： 控制算法不依赖或不完全依赖于对象模型，因而系统具有较强的鲁棒性鲁棒性和对环境的适应性对环境的适应性。 25、按模拟系统的设计方法，或称间接设计法、按模拟系统的设计方法，或称间接设计法。 26、采用计算机控制电力传动系统的优越性在于： （1）可显著提高系统性能。采用数字给定、数字控制和数字检 测，系统精度大大提高；可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，以提高系统抗干扰能力。 （2）可采用各种控制策略。可变参数 PID 和 PI 控制；自适应控制；模糊控制；滑模控制；复合控制。 （3）可实现系统监控功能。状态检测；数据处理、存储与显示；越限报警；打印报表等。 第 6 页 共 44 页 思考题思考题 2-4 为什么为什么 PWM-电动机系统比晶闸管电动机系统比晶闸管-电动机系统能够获得更好的动态性能？电动机系统能够获得更好的动态性能？ 答：PWM系统与V-M系统相比，在很多方面有较大的优越性： （1） 主电路线路简单，需用的功率器件少； （2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； （3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右； （4） 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； （5） 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也大，因而 装置效率较高； （6） 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高； 即：PWM开关频率高，响应速度快，电流容易连续，系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 2-11 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围， 静态速降和最小静差之间有什么关系？为什么脱 离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了？ 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围， 静态速降和最小静差之间有什么关系？为什么脱 离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了？ 答： 生产机械要求电动机提供的最高转速 max n和最低转速 min n之比叫做调速范围， 即： min max n n D =。 负载由理想空载增加到额定值时，所对应的转速降落 N n与理想空载转速 min0 n之比，称为系统 的静差率S，即： min0 n n s N =。调速范围、静态速降和最小静差率之间的关系为： )1 (sn sn D N N = 由于在一定的 N n下，D越大， min n越小 N n又一定，则S变大。所以，如果不考虑D，则S的 调节也就会容易。 2-12 转速单环调速系统有那些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电 压不变， 调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变 化，系统有无克服这种干扰的能力？ 转速单环调速系统有那些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果给定电 压不变， 调节测速反馈电压的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励磁发生了变 化，系统有无克服这种干扰的能力？ 答：（1）转速单闭环调速系统有以下三个基本特征： 只用比例放大器的反馈控制系统，其被调 量仍是有静差的； 抵抗扰动，服从给定； 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。闭环 调速系统可以比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速 范围。为此，所需付出的代价是需增设电压放大器以及检测与反馈装置。 （2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用， )1 ()1 ( * kC RI kC Ukk n e d e nsp + + =，由公式可以看出，当其它量均不变化时，n随着 * n U的变化而变化 （3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比会改变转速，因为反馈信号与给定信号 的比较值发生了变化，破坏了原先的平衡，调速系统就要继续动作，使反馈信号与给定信号达到新 的平衡为止。 （4）如果测速发电机的励磁发生了变化，系统没有克服这种干扰的能力。因为反馈控制系统 所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。而测速机励磁不是。 2-13 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速负反馈调速系统中， 当积分调节器的输入偏 差电压 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速负反馈调速系统中， 当积分调节器的输入偏 差电压0=U时，调节器的输出电压是多少时，调节器的输出电压是多少?它取决于那些因素它取决于那些因素? 第 7 页 共 44 页 答：在动态过程中，当 n U变化时，只要其极性不变，即只要仍是 * nn UU，积分调节器的输 出 C U便一直增长；只有达到 * nn UU=，0= n U时， C U才停止上升；不到 n U变负， C U不会下降。 特别要注意的是，当0= n U时， C U并不是零，而是一个终值 cf U；如果 n U不再变化，这个终值 便保持恒定而不再变化，这是积分控制的特点。因此，积分控制可以使系统在无静差的情况下保持 恒速运行，实现无静差调速。 当积分调节器的输入偏差电压0= n U时调节器的输出为电压 C U不是零， 是对之前时刻的输入 偏差的积累，是一个终值 cf U，它取决于输入偏差量 n U的过去全部历史，当 n U为正 C U增加，当 n U为负 C U下降，当 n U为零时 C U不变。 2-14 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影 响 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影 响?试说明理由试说明理由。 答：在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度同样受给定电源和测速发电机精度的影 响，因为系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度， * nn UUn=。无静差转速单闭环调速系统只 是消除了误差，使输出的转速基本稳定于给定的转速。但是，这种系统依然属于反馈控制系统，只 能抑制被反馈环包围的前向通道上的扰动，对于其他环节上的精度影响无可奈何。例如，假设给定 应为15V/1500转；当给定发生错误为13V时，转速n不为1500转。当反馈检测环节的精度不准时，即 有误差时，转速n也不为1500转。 2-15 在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时，系统是否有调节作用，为 什么？ 在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变化时，系统是否有调节作用，为 什么？（）放大器的放大倍数（）供电电网电压 （）电枢电阻 （）电动机励 磁电流 （）电压反馈系数a 答：当放大器的放大系数、供电电网电压、电枢电阻、电动机励磁电流发生变化时，系统有调 节作用， 当电压反馈系数a发生变化时，它不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误 差。因为反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。 1-9 在转速负反馈调节系统中，当电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、电枢电阻、 测速发电机励磁各量发生变化时， 都会引起转速的变化， 问系统对于上述各量有无调节能力？为什 么？ 在转速负反馈调节系统中，当电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、电枢电阻、 测速发电机励磁各量发生变化时， 都会引起转速的变化， 问系统对于上述各量有无调节能力？为什 么？ 答：当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻变化时，系统对其均有调节能力。当 测速发电机励磁各量发生变化时，系统没有调节能力。因为反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环 包围的前向通道上的扰动。测速发电机励磁各量不在闭环系统的前向通道中。 1-18 采用比例调节器控制的电压负反馈系统采用比例调节器控制的电压负反馈系统,稳态运行时的速度是否有静差稳态运行时的速度是否有静差?为什么为什么?试说明理由。试说明理由。 答：有静差。电压负反馈系统中是在转速较高时， 0daae URInC=忽略了转速的降落，认为电 枢电压正比于转速，而实际上是电枢电压无静差，从公式中可以看出速度的降落是不能消除的。因 为调节器的输出是电力电子变换器的控制电压 nPC UKU=。所以只要电动机在运行，就必须有控 制电压, C U因而也必须有转速偏差电压 n U。 答：稳态运行时的速度有静差。因为电压负反馈系统实际上是一个自动调压系统，所以只有被 反馈环包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到 1 1K+ ，而电枢电阻速降 ad e R I C 处于反馈环 外，电压反馈无法消除，其大小仍和开环系统一样。 第 8 页 共 44 页 习题习题 2： 2.1 试分析有制动通路的不可逆试分析有制动通路的不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系统进行制动时， 两个直流电动机系统进行制动时， 两个VT是如何工作的？是如何工作的？ 答：如下图，制动状态时，先减小控制电压，使Ug1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均 电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成EUd，很快使 电流id反向，VD2截止，在tontT时，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗 制动作用。在TtT+ton(即下一周期的0tTon)时，VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈 制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1 始终是关断的。 有一种特殊状态，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT1关断后id经VD2续流时，还 没有达到周期，电流已经衰减到零，这时VD2两端电压也降为零，VT2便提前导通了，使电流反 向，产生局部时间的制动作用。 答：制动时，由于 1g U脉冲变窄而导致 d i反向时，Ug2变正，于是VT2导通，VT2导通，VT1关断。 Ug1= -Ug2Ug1= -Ug2 2.2 系统的调速范围是1000100minr，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？ 解：1000 0.02 (10 0.98)2.04 (1) n n s nrpm Ds = ，系统允许的静态速降为2.04rpm。 2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为 0max 1500minnr=，最低转速特性为 0min 150minnr=，带额定负载时的速度降落15min N nr=，且在不同转速下额定速降不变，试问 系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？ 解：1）调速范围 maxmin Dnn=(均指额定负载情况下） max0max 1500 151485 N nnn=， min0min 150 15135 N nnn= maxmin 1485 13511Dnn= 2) 静差率 0 15 15010% N snn= = 第 9 页 共 44 页 思路二： 系统允许的静差率： 00min 15 100%100%100%10% 150 NN nn s nn = 系统能够达到的调速范围为： 0max 1500 0.1 11 (1)(1)15 (1 0.1) N NN n sns D nsns = 2.4 直流电动机为PN=74kW，UN=220V，IN=378A，nN=1430r/min，Ra=0.023。相控整流器内阻 Rrec=0.022。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则 系统的调速范围又为多少？ 解：()(220378 0.023) 14300.1478 NNaN CeUI RnV rpm= 378 (0.0230.022) 0.1478115 N nI R Cerpm =+= s=20%时：(1)1430 0.2 115 (1 0.2)3.1 N Dn Sns= s=30%时：(1)1430 0.3 115 (1 0.3)5.33 N Dn Sns= 2.5某龙门刨床工作台采用V-M调速系统。已知直流电动机60,220 ,305 NNN PkW UV IA= ,1000min N nr=，主电路总电阻R=0.18，Ce=0.2Vmin/r，求： （1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落 N n为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 N S多少？ （3）若要满足D=20，s5%的要求，额定负载下的转速降落 N n又为多少? 解：(1)305 0.18 0.2274.5 /min NN nIR Cer= (2) 0 274.5 (1000274.5)21.5% NN Snn= =+= (3) (1)1000 0.05 20 0.952.63 /min N nn SDsr = 2.6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压 * 8.8 u UV=、比例调节器放大系数 2 P K=、晶闸管装置放大系数15 S K =、反馈系数=0.7。求： （1）输出电压 d U； （2）若把反馈线 断开， d U为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？（3）若把反馈系数减至=0.35，当保持 同样的输出电压时，给定电压 * u U 应为多少？ 第 10 页 共 44 页 解： （1） * (1)2 15 8.8 (12 15 0.7)12 dpsups UK K UK KV=+=+ = (2) 8.8 2 15264 d UV= =，开环输出电压是闭环的22倍 (3) * (1)12 (12 15 0.35) (2 15)4.6 udpsps UUK KK KV=+=+ = 2.7 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min150r/min，要求系统的静差率2%s ，那么系统允许 的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？ 解：1）因为 max min 1500 10 150 n D n =，由()snsnD NN =1/，1015002% /98% N n=，可得： 15002% / 98% 103.06 / min N nr= 2）又： 1 op cl n n K = + ， clN nn= ，100 / min op nr=，故闭环系统的开环放大倍数： ()7 .31106. 3/1001/= clop nnK 1-7 某调速系统的调速范围D=20，额定转速1500 /min N nr=，开环转速降落240 / min Nop nr=，若 要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将如何变化？ 解：当静差率s=10%时， min/33. 8 ) 1 . 01 (20 1 . 01500 )1 ( r sD sn n N N = = = 8 .271 33. 8 240 1= = cl op n n K 当静差率s=5%时， min/95. 3 )05. 01 (20 05. 01500 )1 ( r sD sn n N N = = = 8 .591 95. 3 240 1= = cl op n n K 因此，若要求系统静差率由10%减少到5%，则系统开环增益将从27.8变化到59.8。 2.8 某闭环调速系统的开环放大倍数为15时，额定负载下电动机的速降为8r/min，如果将开环放大 倍数提高到30，它的速降为多少？在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？ 解一：因为： (1) d cl e RI n CK = + ， 所以：(1)8 (1 15)128 d opcl e RI nnK C = += += K=30时，电动机在额定负载下的速降为： 128 4.13 / min (1)1 30 d cl e RI nr CK = + 又因为： (1) N N n s D ns = ，所以在同样静差率要求下，且 N n不变，D的变化只与 N n有关，即调速范 围D扩大了8/4.13=1.49倍。 解二： 第 11 页 共 44 页 121122 1 122121 2 15;30; 1 1151 1 /1/,84 / min 1301 clcl clclclcl KKKnKn n K KKnnnnr K = + += = + 同样负载扰动的条件下与开环放大倍数加 成反比，则 （） （） 同样静差率的条件下调速范围与开环放大倍数加 1 成正比 22 1212 11 1301 1 /1/ 1.94 1151 cl clcl cl DK KKDD DK + += + （） （） 2.9 有一V-M调速系统：电动机参数PN=2.2kW， UN=220V， IN=12.5A， nN=1500 r/min，电枢 电阻Ra=1.5，电枢回路电抗器电阻RL=0.8，整流装置内阻Rrec=1.0，触发整流环节的放大倍数 Ks=35。要求系统满足调速范围D=20，静差率S =不符合要求，取需加电流反馈放大器 由于需要的检测电阻值大，说明要求的电流信号值也大。要同时满足检测电阻小和电流信号大 的要求，则必须采用放大器，对电流信号进行放大。为此，取 1.1 s R =，则 15 1.116.5 comdcrs UIRV= 第 13 页 共 44 页 （3） 当 dcrd II时，有 ()()()() ()()()()()()KCIRKKKRKCUKUKK KCRIKCUIRKKKKCUKKn edsispecominsp edecomdsispensp += += 1/1/ 1/1/1/ * * 当n=0时， ()()() * / dblpsnicompsisnicomis IK K UKURK K K RUKUK R=+ ()()251516.5/1.115/ 22.513.51.36 iii KKK=+= 2.11在题2.9的系统中，若主电路电感L=50mH，系统运动部分的飞轮惯量 22 GD =1.6Nm，整流装 置采用三相零式电路，试判断按题2-9要求设计的转速负反馈系统能否稳定运行？如要保证系统稳 定运行，允许的最大开环放大系数是多少？ 解： mHL50=， 22 6 . 1NmGD=， 3.3R=，0.134/ e CVrpm= ()() 2 /0.05/ 3.30.015 / 3751.63.3/ 3750.1340.13430 / 3.145.28/ 64.330.082 0.00333 l mem s TL Rs TGD RC Cs Ts = = = ()() 22 2 /0.0820.0150.003330.00333/ 0.0151*0.00333 0.00150.00333/ 0.0000498330.52 l mlsss KTTTTTT35.955相矛盾，故系统不稳定。要使系统能够稳定运行，K最大为30.52。 2.12 有一个晶闸-电动机调速系统， 已知： 电动机：kWPN8 . 2=，VUN220=， AIN6 .15= ，1500= N nr/min， a R=1.5， 整流装置内阻 rec R=1， 电枢回路电抗器电阻 L R =0.8， 触发整流环节的放大倍数35= s K。 (1)系统开环工作时，试计算调速范围30=D时的静差率s值。 (2)当30=D，%10=s时，计算系统允许的稳态速降。 (3)如组成转速负反馈有静差调速系统，要求30=D，%10=s，在VUn10 * =时 Nd II=， N nn =，计算转 速负反馈系数和放大器放大系数 p K。 解：()rVCemin/1311. 01500/5 . 16 .15220= （1） () min 0min /15.63.3/ 0.1311392.68 / min,1500 / 3050 /392.68/ 392.685088.7% opNe op nIRCrn snn = = =+= 第 14 页 共 44 页 （2）()0.1/50 5/0.95.56 / minnnnr= + = （3） ()() = += esp edensp CKKK KCIRKCUKKn / 1/1/ * () ()() ()() = += 5 .52156. 5/48.2971/ 1/6 .151/1500 * clop eensp nnK KCRKCUKK 解：（1）先计算电动机的电动势系数： 220 15.6 1.5 0.1311min/ 1500 NNa N e UI R CVr n = 则开环系统的额定速降： ()15.6 (1.5 1) 297.48 / min 0.1311 Narec op e IRR nr C + = 所以系统开环工作时，调速范围30D =时的静差率： 30 297.48 0.856 150030 297.48 op Nop D n s nD n = + （2）当 30=D ， %10=s 时，系统允许的稳态速降 1500 0.1 5.56 / min (1)30 (1 0.1) N N n s nr Ds = （3）在 VUn10 * = 时 Nd II= ， N nn = ，转速负反馈系数为 * 10 0.007 1500 n N U n = 闭环系统的开环放大系数为 297.48 1152.5 5.56 op cl n K n = = = 调节器放大系数 p K为 ： 52.5 28.09 /0.007 35/0.1311 p se K K KC = ，取29 p K = （4）在电压负反馈有静差调速系统中 min/73.180 1311. 0 6 .155 . 1 )2 .521 (1311. 0 6 .151 )1 ( r Ce IR KCe IR n dadrce cl = + + =+ + = 故当 VUn10 * = 时 Nd II= ， N nn = ，并保持原开环放大系数K不变，在 30=D 时nmin=50r/min，静 差率： 783. 0 5073.180 73.180 min = + = + = nn n s N N 1-12某调速系统如图所示：电动机18;220 ;94 ; NNN PKW UV IA=1000 / min;0.15 na nrR=， 18， 220，In94， 整流装置内阻=3 . 0 rec R,触发整流环节的放大倍数40= S K。 最大给定电压VUnm15=，当主电路电达到最大值时，整定电流反馈电压VUim10=。 设计指标：要求系统满足调速范围20，静差率S10， Ndbl II5 . 1=， Ndcr II1 . 1。试画出系统 的静态结构框图，并计算： （1） 转速反馈系数；（2） 调节器放大系数 P K；（3） 电阻 1 R的数值。（放大器的输入电阻=KR20 0 ） ； （4）电阻 2 R的数值和稳压管的击穿电压值。 第 15 页 共 44 页 解：(1) min/56. 518/100 0920 1 . 01000 )1 ( r SD Sn n N cl = = = rV n RIU C N aNN e min/20597. 0 1000 15. 094220 = = = min/44.205 2059. 0 45. 094 r C RI n e N op = = ）取36(95.351 56. 5 4 .205 1= = cl op n n K 同1-10可得a=0.0145 (2) ）取13(8 .12 2059. 0/400145. 0 95.35 / = = eS p CK K K (3)=kRKR p 2602013 01 （4）141945 . 15 . 1= Ndbl IIA；4 .103941 . 11 . 1= Ndcr IIA； 当主电路电流最大即为 dbl I时，VUim10= 而当主电路电流为 dcr I时， i U为： dcr i dbl im I U I U = ， 33. 7 141 4 .10310 = = = dbl dcrim i I IU UV 此时电流反馈起作用，稳压管的击穿电压 vs U可根据 i U确定取稍大值：VUvs4 . 7= 当主电路的电流增大到 dbl I时，为起到保护作用应使流过 2 R的电流 2R I等于流过 0 R的电流，以使电 机转速迅速降落。此时： 75. 0 20 15 0 * 2 = R U I nm R mA ； 47. 3 75. 0 4 . 710 2 2 = = = R vsim I UU Rk(取3.5k) 系统的静态结构框图 2.13旋转编码器光栅数1024，倍频系数4，高频时钟脉冲频率MHz1f0=，旋转编码器输出的脉冲 第 16 页 共 44 页 个数和高频时钟脉冲个数均采用16位计数器，M法测速时间为0.01s，求转速min/ r1500n =和 min/ r150n =时的测速分辨率和误差率最大值。 解： （1）M法：分辨率min/465. 1 01. 041024 6060 r ZT Q c = =，最大误差率：= c ZT M n 1 60 min/1500rn =时，1024 60 01 . 0 102441500 60 1 = = c nZT M min/150rn =时， 4 . 102 60 01 . 0 10244150 60 1 = = c nZT M min/1500r时，%098. 0%100 1024 1 %100 1 % 1 max = M min/150r时，%98. 0%100 4 .102 1 %100 1 % 1 max = M 可见M法适合高速。 （2）T法：分辨率：min/1500rn =时，min/171 15004102510160 150041024 60 6 2 0 2 r Znf Zn Q= = = min/150rn =时，