《直流调速系统》辅导.doc

直流调速系统辅导 直流调速系统（电力拖动自动控制系统）是自动化专业的主要专业课之一。本课程教材采用阮毅、陈伯时主编的电力拖动自动控制系统（第4版）。本课程的教学内容是以直流电动机为控制对象的直流拖动控制系统，主要包括教材中第一、二、三、四章，介绍直流拖动自动控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法。为便于同学们复习，下面给出各章复习要求，并提供一份练习题及答案。 第一部分 学习要求第1章 结论 【本章重点】 1.运动控制系统及其组成1）电动机2）功率放大与变换装置3）控制器4）信号检测与处理2.电力拖动控制系统的基本类型： 1)直流电机拖动控制系统的基本类型； 2)交流电机拖动控制系统的基本类型。 2.负载转矩特性。 第2章 转速反馈控制的直流调速系统 【本章重点】 1. 转速控制的要求和调速指标： l）调速范围 D ； 2）静差率 S 用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。 3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系。 2闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图。 3开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较。 1） 开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统硬的多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此，需设置电压放大器和转速检测装置。 4闭环系统能够减少稳态速降的实质。 5反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）。 （1）被调量有静差；（2）抵抗扰动与服从给定；（3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度。 6反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算。 7电流截止负反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性。 8反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数、以及稳定条件。 9 PI 调节器的设计。 10无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构。积分调节器与比例调节器的区别。比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别。 11无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算。 第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统 【本章重点】 1转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括：双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图。 2双闭环直流调速系统 PI 调节器在稳态时的特征： l）饱和输出达到限幅值； 2）不饱和输出未达到限幅值。 3双闭环直流调速系统的静特性。 4双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系、稳态工作点和稳态参数的计算。 5双闭环直流调速系统起动过程中电流和转速的三个阶段： l）电流上升阶段； 2）恒流升速阶段； 3）转速调节阶段； 4）起动过程的三个特点，波形分析。 6双闭环直流调速系统的动态性能： 1）动态跟随性能； 2）动态抗扰性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动。 7转速、电流两个调节器的作用。 8调节器的工程设计方法的基本思路，以及典型 I 、 II 型系统的系统结构、参数和动态性能指标的关系。 9按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器： l）电流调节器的设计； 电流环的动态结构图； 电流调节器的结构选择； 电流调节器参数的选择。 2）转速调节器的设计： 转速环的动态结构图； 转速调节器的结构选择； 转速调节器多数的选择。 3）电流调节器和转速调节器的实现。 10双闭环直流调速系统中外环和内环的作用。 11带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点。 第4章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 【本章重点】 1脉宽调制（ PWM ） 变换器的作用、种类。 2简单不可逆 PWM 变换器电路的特点、工作原理（二极管的续流作用）。 3有制动作用的不可逆 PWM 变换器电路的特点、工作原理（制动情况）、电压和电流波形分析。 4双极式 H 型可逆 PWM 变换器的原理图、工作原理、特点。 5脉宽调速系统的稳态分析 6双闭环直流脉宽调速系统的主要结构组成及各环节的功能。常用的脉宽调制器的种类。 7.晶闸管电动机系统可逆线路的种类。 8.晶闸管电动机系统回馈制动。 9.环流的概念、种类。 10直流平均环流， = 工作制配合控制的结构、特点、实现和作用。 11产生脉动环流的原因，抑制的方法。 12有环流可逆调速系统的基本结构，工作状态，以及正向制动过程的三个主要阶段（本组逆变阶段、它组反接制动阶段和它组回馈制动阶段）的特点。 13逻辑控制的无环流可逆调速系统的组成、原理框图、工作状态特点，以及无环流逻辑控制器的功能、组成和工作状况。 14错位控制的无环流可逆调速系统的结构特点、工作状态，消除环流的原理，以及带电压内环的错位无环流系统结构，内环的作用。 第二部分 练习题及答案第一章 闭环控制的直流调速系统1.1 试概述闭环调速系统的主要特点。改变给定电压是否能够改变电动机的转速？为什么？如果给定电压不变，调整反馈电压的分压比，是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机励磁发生变化，系统有没有克服这种扰动的能力？1.2 某调速系统的调速范围是 1500150 r/min（即 D10），要求静差率 s=2，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 100 r/min，则闭环系统的开环放大倍数应为多大？1.3 如果把调速系统反馈电压的极性接成给定电压极性相同，将产生什么后果？试说明反馈极性对组成闭环自动控制系统的重要性。1.4 有一 V-M 调速系统， 电动机参数为： Pnom=2.5kW ， Unom=220V ， Inom=15A ，nnom=1500r/min，Ra=2，整流装置内阻 Rrec=1,触发整流环节的放大倍数为Ks=30，要求调速范围 D20，静差率 s=10%。 1) 计算开环系统的稳态速降和调速要求所允许的静态速降； 2) 采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的稳态结构图； 3) 调整该系统，使Un* =20V时转速 n=1000r/min，此时转速反馈系数应为多少？可认为 UnUn* ） 4) 计算所需的放大器放大倍数； 5) 如果改用电压负反馈，能否达到所提出的调速要求？若放大器的放大系数不变，最大给定电压为 30V，在静差率为s=30%时，采用电压负反馈，最多能够得到多大的调速范围？1.5 上题中，若主电路电感 L60mH，系统运动部分的飞轮惯量 GD21.8牛顿米2，整流电路为三相半波，则按上题要求设计的转速负反馈系统能否稳定运行？为了保证稳定，允许最大的开环放大倍数是多少？1.6 在带电流截止环节的转速负反馈系统中，如果截止比较电压发生变化，对系统的静特性有什么影响？如果电流反馈电阻 Rs 的大小发生变化，对静特性有什么影响？1.7 在电压负反馈、电流正反馈调速系统中，当电网电压、负载转矩、励磁电流、电枢电阻各量变化时都会产生扰动作用，对于这些扰动，系统有没有调节能力?为什么？1.8 题1.4中的调速系统，采用电压负反馈和电流正反馈，能否满足所给的调速要求？参数应任何选择？试画出系统的静态结构图，并在各方框中注明传递系数的具体数值。1.9 在调速系统中，应用集成电路运算放大器有些什么优越性？运算放大器的输入电阻应如何选择？反馈电阻应如何选择？如果需要放大倍数为 1，输出与输入反相的比例调节器（通常称作“反相器”），应如何接线？试画出其原理图。1.10 为什么用积分控制的调速系统是无静差的？积分调节器的输入偏差电压U0时出电压是多少？决定于哪些因素？1.11 无静差调速系统的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？为什么？第二章 多环控制的直流调速系统2.1 在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器有哪些作用？其输出限幅值应按什么要求来整定？电流调节器有哪些作用？其输出限幅值应如何整定？ 2.2 转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差（给定与反馈之差）是多少？它们的输出电压是多少？为什么？ 2.3 如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器，而是比例调节器，对系统的静、动态性能会有什么影响？ 2.4 试从下述各方面来比较转速、电流双闭环调速系统和带电流截止负反馈的单闭环调速系统的优缺点： 1) 静特性； 2) 动态限流性能； 3) 起动的快速性； 4) 抗负载扰动的性能； 5) 抗电源电压波动的性能； 6) 其它方面。 2.5 某反馈控制系统已校正成典型型系统。已知时间常数 T0.1秒，要求阶跃响应超调量10，试求系统的开环放大倍数；计算过渡过程时间ts和上升时间tr;并绘出开环对数幅频特性。如果要求上升时间tr小于0.25秒，则开环放大倍数K应为多少？超调量等于多少？ 2.6 某系统采用典型型系统的结构，要求频域动态指标为：c=30（s-1），Mr 1.5,求该系统的预期开环对数幅频特性、开环传递函数、以及阶跃响应的超调量和过渡过程时间。如果时间常数T2不变，改取中频宽h=9,则开环对数幅频特性将如何变化？试求系统能够达到的频域和时域指标。与上面的指标相比，在快速性和稳定性方面各有什么变化？ 2.7 一个由三相半控晶闸管装置供电的转速、电流双闭环调速系统，其基本数据如下：直流电动机：Pnom=60kW，Unom=220V，Inom=305A，nnom=1000r/min，Ce=0.2Vmin/r;主回路总电阻：R0.18，晶闸管装置放大倍数：Ks=30 ，电磁时间常数：Tl=0.012s，机电时间常数：Tm=0.12s，反馈滤波时间常数： Toi=0.0025s,Ton=0.0141s,额定转速时的给定电压： *n U 15V，调节器的饱和输出电压：12V，系统的调速范围： D10。 1) 确定电流反馈系数和转速反馈系数，假设起动电流限制在300A以内； 2) 要求系统的静、动态指标为：转速无静差，电流超调量 i5，起动到额定转速时 的转速超调量n10。试设计电流调节器，画出其电路图，并计算R、C参数。调节器输入电阻R040k； 3) 设计转速调节器并选择参数； 4) 计算最低速起动时的超调量； 5) 计算空载起动到额定转速的时间。第三章 可逆调速系统 3.1 试分析晶闸管-电动机可逆调速系统的四种工作状态。3.2 VM系统需要快速回馈制动时，为什么必须采用可逆线路？3.3 两组晶闸管的可逆线路中有哪几种环流？它们是怎样产生的？各有哪些害处和益处？分析配合控制的有环流可逆系统反向的起动和制动过程。画出各参变量的动态波形，并说明在每个阶段中ASR和ACR各起什么作用？VR和VF各处于什么状态？第三部分 调速系统思考题1.通过调速系统这门课，你学会了哪些系统分析与设计方法？2.举例说明调速系统的应用场合，谈谈调速系统发展趋势。3.调速系统稳态、动态性能指标有哪些？D、S之间的关系。4.画出单闭环系统原理图、静态结构