电力拖动自动控制系统习题课

习题课习题课 电气自动控制系统 电力拖动系统运动方程式的实用形式为 他励直流电动机机械特性方程式为 其 中 为理想空载转速 为特性 曲线的斜率 电机实际空载转速为 基速以下调速又称为 调速 基速以上 调速又称为 调速 图中 Te为电机机械特性曲线 TL为负载的机械特 性曲线 试判断各运行点是否为稳定运行点 在机械特性T n平面上 T 0 n 0 电机运行于何 种状态 T0 电机运行于何种状态 直流电动机有几种调速方法 各有哪些特点 调速方法 ee meee d TnT kk R k U k RIU n 0 2 电枢回路串电阻调速 改变电枢端电压调速 弱磁调速 电机机械特性 电枢回路串电阻调速 ee mee TnT kk R k U n 0 2 此时 N U UN 调节过程 增加电阻 Ra R n n0不变 调速特性 a 转速只能向下调 b 转速不能平滑调节 c 调速范围随负载转矩而变 化 d 调速后效率降低 弱磁调速 ee mee TnT kk R k U n 0 2 此时 U UN R Ra 调节过程 减小励磁 N n 斜率变大 调速特性 a 一般情况下 使转速上升 b 效率并不降低 c 用于基速以上的升速小范 围调速 调压调速 ee mee TnT kk R k U n 0 2 此时 N R Ra 调节过程 UN U U n n0 调速特性 a 用于基速以下的降速调速 b 是一族与固有机械特性曲 线相平行的直线 特性较 硬 c 效率基本不变 使晶闸管导通的条件是什么 晶闸管承受正向阳极电压 并在门极施加触发 电流 脉冲 或 uAK 0且uGK 0 维持晶闸管导通的条件是什么 怎样才能使晶闸 管从导通变为关断 使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小 电流 即维持电流 要使晶闸管由导通变为关断 可利用外加电压 和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近 于零的某一数值以下 即降到维持电流以下 便可使导通的晶闸管关断 单相桥式全控整流电路 带电阻负载时 晶闸管 触发角的移相范围为 导通角为 带 阻感负载时 设电感足够大 晶闸管触发角的 移相范围为 导通角为 带电阻 和反电动势负载时 晶闸管的移相范围为 导通角为 带阻感和反电动势负载时 晶闸管的移相范围为 导通角为 整流电路负载为直流电动机时 如果出现电流断 续 则直流电动机的机械特性变 解决方 法是在主电路中直流输出侧串联一个 单相半波可控整流电路对电感负载供电 L 20mH U2 100V 求当 0 和 60 时的负载电流Id 并画出ud和id波形 在电源电压0 2 周期内 晶闸管始终在导通状态 tU t i L uud sin2 d d 2 d 2 A L U tt L U I t L U i 1 522 2 d cos1 2 2 1 cos1 2 2 2 0 2 d 2 d t 0时 id 0 0 60 在电源电压 3 5 3周期内 晶闸管导通 tU t i L uud sin2 d d 2 d 2 A L U tt L U I t L U i 5 211 2 2 d cos 2 1 2 2 1 cos 2 1 2 2 3 5 3 2 d 2 d t 3时 id 0 晶闸管导通后 门极改加适当大小的反向电压 会发生什么情况 单相桥式全控整流有反电势负载时 在无电感和 有大电感的情况下 画出输出电压波形和电流波 形 降压斩波电路中 已知E 200V R 10 L值极大 EM 30V T 50 s ton 20 s 计算输出电压平均值 Uo 输出电流平均值Io VE T t U on o 80200 50 20 L大 负载电流连续 输出电压平均值为 A R EU I o o 5 10 03 08 M 输出电流平均值为 分析有制动通路的不可逆PWM变换器进行制动时 两个VT是如何工作的 静差率和调速范围有什么关系 静差率和机械特 性硬度是一回事么 特性越硬 静差率越小 转 速稳定度越高 对于同样硬度的特性 理想 空载转速越低时 静差率越 大 转速的相对稳定度也就 越差 S与D关系 1 sn sn D N N 某一调速系统 在额定负载下 最高转速为 n0max 1500r min 最低转速为n0min 150r min 带 额定负载时的转速降落 nN 15r min 且在不同转 速下额定速降 nN不变 试问系统调速范围有多大 系统静差率是多少 解 10 150 15 11 15150 151500 min0 min0 max0 min max n n S nn nn n n D N N N 调速系统的调速范围是1000 100r min 要求静差 率s 2 那么系统允许的稳态速降是多大 解 min 04 2 1098 0 100002 0 1 10 100 1000 max min max r DS nS n n n D N 如果开环系统的稳态速降是100r min 则闭环系 统的开环放大倍数应有多大 481 4 02 100 1 cl op n n K 晶闸管触发与整流装置准确的传递函数为 经工程金丝处理后 传递函数可近似为 其中Ts为 大小为 与 和 有关 直流电动机的动态数学模型包含两个环节 一个 是 环节 时间常数为 一个是 环节 时间常数为 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 min 1281 K rnn NclNop min 13 4 31 128 1 r K n n Nop Ncl K 30时 闭环速降为 94 1 13 4 8 1 2 1 1 2 Ncl Ncl N Ncl n n D D S nS Dn S和额定转速不变时 闭环速降与D的乘积不变 在同样静差率要求下 K由15变为30时 调速范 围增大1 94倍 比例控制转速单闭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 1三个特征 被调量有静差 抵制扰动服从 给定 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 2能 系统服从给定 3能 偏差量会随之改变 打破原有平衡 系统 调节后进入新的平衡 转速发生改变 4不能克服 只能克服反馈环前向通道上的扰动 在转速负反馈调速系统中 当电网电压 负载转矩 电动机励磁电流 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 有一个晶闸管 电动机调速系统 已知 电动机 PN 2 2kW UN 220V IN 12 5A nN 1500r min 电 枢电阻 Ra 1 2 整流装置内阻Rrec 1 5 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 10 解 rV n RIU C N aNN e min 137 0 1500 2 15 12220 1 计算开环系统的静态速降和满足稳态性能指 标的闭环速降 min 33 8 10120 101500 1 min 35 246 137 0 5 125 12 1 r sD sn n r C RI n N e N cl op 2 画出系统静态结构框图 3 调整系统参数 使当给定电压等于15V时 Id IN n nN 则转速反馈系数 应该是多少 1 00 1500 15 N n n U 4 计算放大器所需放大倍数Kp 18 11 137 0 3501 0 57 28 7 5281 33 8 5 3246 1 es p cl op CK K K n n K M法测速的原理是什么 说明其适用条件 记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个 数来算出转速的方法称为M法测速 适用于高速测速 比例积分控制直流调速系统动态结构图 在单闭环转速调速系统中 引入电流截止负 反馈的目的是什么 带电流截止负反馈的比例控制直流调速系统 的稳态结构图和静特性方程 典型I型系统和典型 型系统在稳态误差上有区别 典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小 但抗扰 性能稍差 典型 型系统的超调量相对较大 抗扰性能却比较 好 典型 型系统和 型系统各有何特点 在转速 电流双闭环系统中 采用PI调节器 当 系统带额定负载运行时 转速反馈线突然断线 系统重新进入稳态后 电流调节器的输入偏差电 压 Ui是否为0 为什么 反馈线未断之前 Id IN 令n n1 当转速反馈断线 ASR迅速进入饱和 Ui Uim Id 至Idm Te Tl n E Id Ui出现 Id 至Idm n Id 此过程重复进行直到ACR饱和 n Id 当Id IN 系统重新进入稳态 此时的速度n2 n1 电流给定 为Uim Idm 电流反馈信号Ui IN 偏差 Ui不为0 在转速 电流双闭环直流调速系统中 若要改变电 动机的转速 应调节什么参数 改变转速调节器的 放大倍数Kn行不行 改变转速反馈系数 行不行 若 要改变电动机的堵转电流 应调节系统中的什么参 数 答 答 改变电动机的转速 可以调节给定输入电压或转速的反馈改变电动机的转速 可以调节给定输入电压或转速的反馈 系数 系数 改变电动机的堵转电流 可以调节改变电动机的堵转电流 可以调节ASR的限幅值或电流的反的限幅值或电流的反 馈系数馈系数 im dm n U I U n 试从下述五个方面来比较双闭环控制直流调速系统 和带电流截止负反馈的环节的转速单闭环直流调速 系统 1 静特性 带电流截止环节的比例控制单闭环直流调速系统 1 1 KC RI KC UKK n e d e nsp 1 1 KC IRKKR KC UUKK n e dssp e comnsp CA段 AB段 带电流截止环节的单闭环无静差直流调速系统 IdIdcr时 Id 0 双闭环控制直流调速系统静特性 AB段是两个调节器都 不饱和时的静特性 Id Idm n n0 BC段是ASR调节器饱 和时的静特性 Id Idm n n0 2 动态限流性能 带电流截止环节的单闭环直流调速系统 当IdIdm时 在 ASR的输入端加入电流负反馈 起到限流作用 双闭环控制的直流调速系统 当IdIdm时 ASR此时处于饱和状态 系统为一个电流负 反馈单闭环系统 ACR起到主要的调节作用 使得 Id Idm 3 起动的快速性 带电流截止环节的单闭环直流调速系统 起动时 因 为限流作用 当Id Idm时 电流负反馈发挥作用使得电 流降下来 因此起动时间较长 双闭环控制的直流调速系统 起动时 在恒流升速阶 段 ACR起主要调节作用 此时电流Id Idm时 转速以 允许的最大加速度上升 因此起动实现准时间最优 3 抗负载扰动的性能 两种无静差直流调速系统抗负载扰动性能相同 4 抗电源电压扰动的性能 带电流截止环节的单闭环直流调速系统 能够通过转 速环抑制电网电压的扰动 转速因电网电压扰动变化 较大 双闭环直流调速系统 能够通过电流环抑制电网电压 的扰动 转速因电网电压扰动变化很小 图示为转速电流双闭环V M系统的不完善的动态结 构图 其中WA s WB s 变 量a b c d B框传递函数WB s 相对应的原始微分 方程式为 在转速 电流双闭环调速系统中 ASR ACR都采用 PI调节器 试回答下述问题 两个调节器ASR和ACR各起什么作用 它们的输出限幅值应 如何整定 如果要速度给定不变时 改变系统的转速 可调节什么参 数 若要改变系统启动电流应调节什么参数 改变堵转电 流应调节什么参数 在系统中出现电源电压波动和负载转矩变化时 哪个调节 器起主要调节作用 系统拖动恒转矩负载在额定情况下运行 如调解转速反馈 系数使其逐渐减小时 系统各环节的输出量如何变化 如 果使 逐渐增大呢 说明原因 在一个由三相零式零式晶闸管整流装置供电的转速 电 流双闭环直流调速系统中 已知电动机的额定数据 为 电动势系数Ce 0 196Vmin r 主电路总电阻R 0 18 触 发整流环节的放大倍数Ks 35 电磁时间常数Tl 0 012s 机电时间常数Tm 0 12s 电流反馈滤波时间常数 Toi 0 0025s 转速反馈滤波时间常数Ton 0 015s 额定转 速给定电压为10V 调节器ASR饱和输出电压为8V ACR 饱和输出电压为6 5V 系统静动态指标为 稳态无静差 调速范围D 10 电流超调量 i 5 空载起动到额定转 速时的转速超调量 n 15 min 1000 308 220 60rnAIVUkWP NNNN 求1 确定电流反馈系数 假设起动电流限制在1 5IN以 内 和转速反馈系数 0173 0 308 51 8 51 01 0 1000 10 N im dm im N nm I U I U n U 求2 设计电流调节器ACR 计算其参数Ri Ci Coi 画 出电路图 调节器输入回路电阻Ri 40k 解 1 确定时间常数 整流装置滞后时间常数 Ts 0 0033s 电流滤波时间常数 Toi 0 0025s 电流环小时间常数之和 T i Ts Toi 0 0058s 2 选择电流调节器结构和参数 要求 i 5 按典型I型系统设计电流调节器 用PI型 电流调节器 s sK sW i ii ACR 1 电流调节器超前时间常数 i Tl 0 012s 电流环开环增益 要求 取KIT i 0 5 ACR的比例系数为 286 0058 0 5 05 0 i I T K 13 30 017 035 18 0012 0 286 s iI i K RK K 5 i 3 校验近似条件 电流环截止频率 ci KI 86 2s 1 1 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 2 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 3 校验电流环小时间常数近似处理条件 101 0033 03 1 3 1 ci 1 s Ts 79 012 012 0 1 3 1 3 ci 1 s TT lm 116 0025 00033 0 1 3 11 3 1 ci 1 s TT ois 0 R R K i i iii CR oioi CRT 0 4 1 5 计算调节器电阻和电容 kR40 0 kRKR ii 5 124013 30 0 F R C i i i 96 0 10 512 012 0 3 F R T C i oi 25 0 1040 0025 044 3 0 0 求3 设计转速调节器 计算其参数Rn Cn Con Ri 40k 解 1 确定时间常数 电流环等效时间常数 转速滤波时间常数 Ton 0 015s 转速环小时间常数 sT K i I 012 00058 022 1 sT K T on I n 027 0015 0012 0 1 2 选择转速调节器结构和参数 要求无静差 按典型 型系统设计转速调节器 用PI调节器 s sK sW n nn ASR 1 空载起动到额定转速时 n 15 取h 5 则有 15 515 2 10 27 00 1000 283 0 51 2 812 2 max m nN b n T T n n z C C min 283 196 0 18 0308 r C RI n e N N 取h 4 ASR超前时间常数 n hT n 0 108s 转速环开环增益 ASR