电力拖动自动控制系统陈伯时.doc

第一章习题1-1为什么PWM-电动机系统比晶闸管-电动机系统能够获得更好的动态特性？解：省掉了平波电抗器，电磁时间常数小；开关频率高，时间响应滞后时间短，动态响应加快，抗干扰能力增强，提高了系统动态性能。1-2试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。解：制动时：当Ug1为正时，由于VD1的续流作用，VT1不能导通，Ug2为负，VT2截止；当Ug1为负时，VT1截止，此时Ug2为正，VT2导通。1-3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率之间有什么关系？为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了？” 解：调速范围：生产机械对电动机所提出的最高转速nmax与最低转速nmin之比叫做调速范围，用字母D来表示。nmax与nmin通常指额定负载下的转速。静差率：负载由理想空载增加到额定负载所产生的转速降落nN，与理想空载转速n0的比值，称作静差率，用字母s表示，一般用百分数表示。调速范围、静态速降和最小静差率之间的关系如下式：最低转速越高，对应s值越小，当要求的s值一定时，如果没有调速范围限制，可以容易的通过提高最低转速来满足对s的要求。1-4某一调速系统，测得的最高转速特性为n0max=1500r/min, 最低转速特性为n0min=150r/min，带额定负载时的转速降落nN=15r/min，且在不同转速下nN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： 1-5 某闭环调速系统的调速范围是1500150r/min，要求系统的静差率s2%，那么系统容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： 1-6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： 扩大的倍数为：1-7某调速系统的调速范围D=20，额定转速nN=1500r/min，开环转速降落nNop=240r/min，若要求系统的静差率由10%降到5%，则系统的开环增益将如何变化？解： 1-8转速单闭环调速系统有哪些特点？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，调节测速反馈电位器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？解： 闭环调速系统可以得到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要求的情况下，能够提高调速范围，代价是增设放大器以及检测和反馈装置。改变给定电压可以改变电机的转速，给定改变时，偏差改变，变流器输出改变，电机转速改变； 给定不变，调反馈分压比可以改变电机转速，理由同上；测速机励磁变化对转速的影响，无法克服，效果相当于改变反馈电位器分压比，转速变化是必然的。 1-9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、测速发电机的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？解：其中电网电压变化、电动机励磁电流变化、电枢电阻变化等反馈闭环都能调节，因为它们都作用在闭环所包围的前向通道上；而测速发电机励磁变化对转速的影响闭环无法调节，因为它作用在反馈环之外。1-10有一V-M调速系统，电动机参数为：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s10%。（1）计算开环系统的静态速降nop和调速要求所允许的闭环静态速降ncl。（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。（3）调整该系统参数，使当Un*=15V时，Id=IN，n=nN，则转速反馈系数应该是多少？（4）计算放大器所需的放大倍数。解：（1） （2）R1+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcLIdUnUd-+MTG（3）可近似计算为： （4） 1-11在题1-10的转速负反馈系统中增设电流截止环节，要求堵转电流Idbl2IN，临界截止电流Idcr1.2IN，应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻？要求电流反馈采样电阻不超过主电路总电阻的1/3，如果做不到，需要增加电流反馈放大器，试画出系统的原理图和静态结构土图，并计算电流反馈放大系数。这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？解：1-12某调速系统原理图如图1-58，已知数据如下：电动机：PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000r/min,电枢电阻Ra=0.15,整流装置内阻Rrec=0.3，触发整流环节的放大倍数Ks=40。最大给定电压Unm*=15V，当主电路电流达到最大值时，整定电流反馈电压Uin=10V。 设计指标：要求系统满足调速范围D=20，静差率s10%，Idbl1.5IN，Idcr1.1IN。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Kp。 (3) 电阻R1的数值。（放大器输入电阻R0=20k） (4)电阻R2的数值和稳压管VS的击穿电压值。 解：（1）近似计算为：（2） （3）（4）1-13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？放大器的放大系数Kp；供电电网电压；电枢电阻Ra；电动机励磁电流；电压反馈系数。解：放大器放大系数、供电电网电压波动能够调节，因为作用在反馈环的前向通道上；电枢电阻变化、电动机励磁电流变化及电压反馈系数变化无法调节，作用在反馈环外。1-14有一V-M调速系统，已知：电动机：PN=2.8kW，UN=220V，IN=15.6A，nN=1500r/min,电枢电阻Ra=1.5,整流装置内阻Rrec=1，触发整流环节的放大倍数Ks=35。（1）系统开环工作时，试计算调速范围D=30时的静差率s值。（2）当D=30，s=10%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D=30，s=10%，在Un*=10V时Id=IN,n=nN，计算转速反馈系数和放大器放大系数Kp。（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求在Un*=10V时Id=IN,n=nN，并保持系统原来的开环放大系数K不变，试求在D=30时的静差率。解：（1）（2）（3）（4）1-15在题1-10的系统中，若主电路电感L=50mH，系统运动部分的飞轮惯量GD2=1.6Nm2，整流装置采用三相零式电路，试判断按题1-10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K是多少？解：在题1-10中，为满足静态指标要求，求出，但系统不稳定；时系统才稳定。1-16为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当积分调节器的输入偏差电压U=0时，调解器的输出电压是多少？它取决于哪些因素？解：积分的保持作用，决定了在稳态时调节器的输入偏差一定为零，即静差为零；零或任一常数，取决于对历史上对非零偏差电压的积累。1-17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。解：受影响；这两种干扰作用在反馈所包围的前向通道之外，对转速造成的影响无力调节。1-18采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是否有静差？为什么？试说明理由。解：有静差；电枢电阻造成的转速下降无力调节，它作用在电压负反馈环之外。第二章习题2-1在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？改变速度调节器的放大倍数Kn行不行？改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行？改变速度反馈系数行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？解：调节给定电压或速度反馈电位器的分压比； 而改变 、 均不行，调可以； 改变速度调节器的输出限幅值或电流反馈系数可以改变堵转电流。 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电压和输出电压各是多少？为什么？解：ASR、ACR采用PI调节器，稳态运行时其输入偏差电压一定为零， 而输出电压分别是：若输入偏差不为零，系统不是稳态；速度调节器的输出由负载电流决定，电流调节器的输出由速度给定与负载电流决定。2-3如果转速、电流双闭环调速系统中的转速调节器不是PI调节器，而改为P调节器，对系统的静、动态性能会产生什么影响？答：稳态：由无静差变为有静差；动态：响应加快、稳定性变差。 2-4试从下述五个方面来比较转速、电流双闭环调速系统和带电流截止环节的转速单闭环调速系统：（1）调速系统的静特性；（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。答：（1）前者优于后者；（2）前者优于后者；（3）前者优于后者；（4）相差不多；（5）前者优于后者。2-5在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器均采用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是否为零？为什么？答：Ui不为零，速度调节器输出限幅值，整流电路饱和输出，电机达最高转速，电流反馈对应负载电流，电流调节器给定大于反馈，故差值非零。2-6在转速、电流双闭环调速系统中，转速给定信号Un*未改变，若增大转速反馈系数，系统稳定后转速反馈电压Un是增加还是减少？为什么？答：速度减少，稳态时 ，故增大，n成比例减少。2-7在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器。已知参数：电动机：PN=3.7kW，UN=220V，IN=20A，nN=1000r/min,电枢回路总电阻R=1.5,设Unm*=Uim*=Ucm=8V，电枢回路最大电流Idm=40A，电力电子变换器的放大系数Ks=40。试求：（1）电流反馈系数和转速反馈系数；（2）当电动机在最高转速发生堵转时的Ud0、Ui*、Ui、Uc值。解：（1） （2） 2-8在转速、电流双闭环调速系统中，调节器ASR、ACR均采用PI调节器。当ASR输出达到Uim*=8V时，主电路电流达到最大电流80A。当负载电流由40A增加到70A时，试问：（1）Ui*应如何变化？（2）Uc应如何变化？（3）Uc值由哪些条件决定？答：（1）由4V增加到7V；（2）增大；（3）2-9在转速、电流双闭环调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因使电动机励磁电源电压突然下降一半，系统工作情况将会如何变化？写出Ui*、Uc、Ud0、Id及n在系统重新进入稳定后的表达式。解：速度提调节器不饱和：速度不变，电枢电流增大一倍；速度调节器饱和：速度为零，电流为堵转电流；2-10某反馈控制系统已校正成典型型系统。已知时间常数T=0.1s，要求阶跃响应超调两10%。（1）求系统的开环增益；（2）计算过渡过程时间ts和上升时间tr；（3）绘出开环对数幅频特性。如果要求上升时间tr0.25s，则K=？，=？ 解： （1）取，则 ，满足要求，于是（2）（3），取10，则2-11有一个系统，其控制对象的传递函数为 ，要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量5%（按线性系统考虑）。试对该系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。解：校正成典型型系统，且选，选积分调节器，传函为：闭环系统的开环传递函数：于是，有2-12有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为 ，要求校正为典型型系统，在阶跃输入下系统超调量30%（按线性系统考虑）。试决定调节器的结构，并选择其参数。解：选PI调节器： ，开环传递函数为： 选 ，查表， ，满足要求；2-13调节对象的传递函数为，要求用调节器分别将其校正为典型型和典型系统，求调节器的结构与参数。解：校正成典型型：取PI调节器，且 ，即有;取KT=0.5，则校正成典型型：大惯性近似处理为积分环节，再取PI调节器； 取中频宽，则，而2-14在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：PN=60kW，UN=220V，IN=308A，nN=1000r/min,电动势系数Ce=0.196Vmin/r，主回路总电阻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。额定转速时的给定电压（Un*）N=10V，调解器ASR、ACR饱和输出电压Uim*=8V，Ucm=6.5V。系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量 ，空载起动到额定转速时的转速超调量试求：（1）确定电流反馈系数（假设起动电流限制在339A以内）和转速反馈系数；（2）试设计电流调节器ACR，计算其参数Ri、Ci、C0i。画出其电路图，调节器输入回路电阻R0=40k；（3）设计转速调节器ASR，计算其参数Rn、Cn、Con,（R0=40k）；（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调（5）计算空载起动到额定转速的时间。解：（1）（2）电流调节器设计：按系统指标，校正成典型型，取被控制对象的传递函数：取PI调节器：取,系统校正后开环传递函数： （3）速度环设计：确定时间常数：取PI调节器，校正成典型型，按指标要求，取，（4）计算：40%负载启动到最低转速100r/min，超调量（5）计算：空载起动到额定转速超调量与启动时间2-15有一转速、电流双闭环调速系统，主电路采用三相桥式整流电路。已知电动机参数为：PN=555kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min,电动势系数Ce=1.82Vmin/r，电枢回路总电阻R=0.14,允许电流过载倍数，触发整流环节的放大倍数Ks=75，电磁时间常数Tl=0.031s，机电时间常数Tm=0.112s，电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*=Ucm=10V，调节器输入电阻R0=40k。 设计指标：稳态无静差，电流超调量空载起动到额定转速时的转速超调量电流调节器已按典型型系统设计，并取参数KT=0.5。（1）选择转速调节器的结构，并计算其参数；（2）计算电流环的截止频率 和转速环的截止频率 ，并考虑它们是否合理。解：确定时间常数：电流环的等效时间常数：按指标要求：速度环应校正成典型型系统，取PI调节器，选 ，取，取，取合理2-16在一个转速、电流双闭环V-M系统中，转速调节器ASR，电流调节器ACR均采用PI调节器。（1）在此系统中，当转速给定信号最大值Unm*=15V时，n=nN=1500r/min；电流给定信号最大值Uim*=10V时，允许最大电流Idm=30A，电枢回路总电阻R=2，晶闸管整流装置的放大倍数Ks=30，电动机的额定电流IN=20A，电动势系数Ce=0.128Vmin/r。现系统在Un*=5V，IdL=20A时稳定运行。求此时的稳态转速n=?ACR的输出电压Uc=?(2)当系统在上述情况下运行时，电动机突然失磁（=0），系统将会发生什么现象？试分析并说明。若系统能够稳定下来，则稳定后n=? Un=? Ui*=？Ui=？Id=? Uc=?（3）该系统转速环按典型型系统设计，且按Mmin最小准则选择参数，取中频宽h=5，已知转速环小时间常数，求转速环在跟随给定作用下的开环传递函数，并计算出放大系数及各时间常数。（4）该系统由空载（IdL=0）突加额定负载时，电流Id和转速n的动态过程波形是怎样的？已知机电时间常数Tm=0.05s，计算其最大动态速降 和恢复时间 。解：先求相关常数：（1）（2）因为电磁转矩为零，在负载的作用下转速下降到零；（3）（4）基准值：2-17有一转速、电流双闭环控制的H形双极式PWM直流调速，系统，已知电动机的参数为：PN=200W，UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min,电枢电阻Ra=6.5,电枢回路总电阻R=8,允许的电流过载倍数 ，PWM环节的放大倍数 ，电势系数Ce=0.12Vmin/r，电磁时间常数Tl=0.015s，机电时间常数Tm=0.2s，电流反馈滤波时间常数Toi=0.001s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.05s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*=Ucm=10V，调节器输入电阻R0=40k。已计算出电力晶体管D202的开关频率 试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量 ；过度过程时间 解：应用工程设计法：电流环设计：校正成典型型系统，取PI调节器：速度环设计：校正成典型型系统，取PI调节器：第四章习题4-1晶闸管-电动机系统需要快速回馈制动时，为什么必须采用可逆线路？解：快速回馈制动时，必需建立制动电磁转矩的电流的通路，该电流的流动方向必须与电动运行时的电流的方向相反，而