《电力拖动自动控制系统》(第四版)--阮毅、陈伯时--课后答案

第一章闭环控制的直流调速系统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性能 答 PWM 电动机系统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 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 答 见教材 某一调速系统 测得的最高转速特性为nomax 1500r min 最低转速特性为nomin 150r min 带额定负载时的速度降落 nN 15r min 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 系统允许的静差率 解系统能够达到的调速范围为 某闭环调速系统的调速范围是1500 150r min 要求系统的静差率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100r min 则闭环系统的开环放大倍数应有多大 解 思路 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 因 故 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 减少到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 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 3 如果给定电压不变 调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化 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 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 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 其被被调量仍是有静差的 反馈控制系统的作用是 抵抗扰动 服从给定 扰动性能是反馈控制系统最突出的特征之一 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 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 当电网电压发生变化时 系统对其有调节能力 因为电网电压是系统的给定反馈控制系统完全服从给定 负载转矩 电动机励磁电流 电枢电阻变化时系统对其有调节能力 因为他们的变化最终会影响到转速 都会被测速装置检测出来 再通过反馈控制作用 减小它们对稳态转速的影响 测速发电机励磁各量发生变化时 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 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 10有一V M调速系统 电动机参数为 PN 2 2KWUN 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 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U n 15V时 Id IN n nN 则转速负反馈系数 应该是多少 4 计算放大器所需的放大倍数 如取样电阻RS Ra Rrec 3 1 2 1 5 3 0 9欧则Ucom 1 2INRS 1 2 12 5 0 9 13 5V电流反馈放大器的放大系数Kfi 22 5 13 5 1 67 n Uc Ui Id E Ud0 Un Ucom IdRs Ucom Kf 静态结构图 Un 原理图 思考题 1 若Vs发生故障而开路或短路 对系统有何影响 2 若要使系统无静差 应对系统做何修改 n Uc Ui Id E Ud0 Un Ucom IdRs Ucom Un 系统的静态结构图 3 R1 KP R0 12 3 20 246K 4 VBr 7 33V 当n 0时 R2 3 59K 精确求KP 代入参数得Kp 12 75 35 93 0 0145Vmin r 4 电压负反馈 r min 从1 10可知 K 28 64 42 5系统可以稳定运行 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 改变转速调节器的放大倍数行不行 改变电力电子变换器的放大倍数行不行 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 改变电机的转速需要调节转速给定信号Un 改变转速调节器的放大倍数不行 改变电力电子变换器的放大倍数不行 改变转速反馈系数会改变转速 若要改变电机的堵转电流需要改变ASR的限幅值 2 2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 答 转速调节器的作用是 1 使转速n很快的跟随给定电压Un 变化 稳态时可减小转速误差 如果采用PI调节器 则可以实现无静差 2 对负载变化起抗扰作用 转速调节器的限幅值应按电枢回路允许的最大电流来进行整定 电流调节器作用 1 使电流紧紧跟随给定电压Ui 变化 2 对电网电压的波动起及时抗扰的作用 3 在转速动态过程中 保证获得电动机允许的最大电流 从而加快动态过程 4 当电机过载甚至堵转时 限制电枢电流的最大值 起快速的自动保护作用 电流调节器的最大值应该按变换电路允许的最大控制电压来整定 2 3转速 电流双闭环调速系统稳态运行时 两个PI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 答 若都是PI调节器 则两个调节器的输入偏差为0 即Ui Ui Un Un 输出电压为 Ui Id Ui Uc Ud0 Ks RId Cen Ks RUi CeUn Ks 2 4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 答 若采用比例调节器可利用提高放大系数的办法使稳态误差减小即提高稳态精度 但还是有静差的系统 但放大倍数太大很有可能使系统不稳定 2 5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 答 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 Ui max Uc Id 至Idm Te Tl n 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Ui max Idmax 电流反馈信号Un In 偏差 Ui不为0 2 6在转速 电流双闭环系统中 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是增加还是减少还是不变 为什么 答 Un不变 因为PI调节器在稳态时无静差 即 Un Un Un 未改变 则 Un也不变 2 7在转速 电流双闭环系统中 两个调节器ASR ACR均采用PI调节器 已知参数 电动机 Pnom 3 7kW Unom 220V Inom 20A nnom 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 Uc值 解 1 Uim Idm 8 40 0 2 Unm nnom 8 1000 0 008 2 Ud0 IdmR 40 1 5 60VUi Uim 8V 极性相反 Uc Ud0 Ks 60 40 1 5A 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 解 1 Uim Idm 8 80 0 1电流为40A时 Ui Id 40 0 1 4V电流为70A时 Ui Id 70 0 1 7V 2 Uc增加 2 9在双闭环直流调速系统中 电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行 现因某种原因电动机励磁下降一半 系统工作情况将会如何变化 1 5 答 设突发状况之前的磁通为 1 令此时的磁通为 2 之前的电磁力矩为Te1 此刻的电磁力矩为Te2 负载转矩恒为Tl 电机励磁下降一半 则 2 0 5 1 Te2 Cm 2 Id 0 5Te1 Tl n Id 甚至到Idm Te2 Cm 2 Idm 0 75Te1 Tl n会一直下降到0 2 10有一个系统 其控制对象的传递函数为Wobj s 10 0 01s 1 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 可选择积分调节器 设其传递函数为 W s ki s 则校正成新系统的传递函数为 W新 s 10Ki s 0 01s 1 将原系统校正成 型系统W s K s Ts 1 以实现无静差 按 5 要求查表取 KT 0 5即 10Ki 0 01 0 5 得 Ki 5 2 11调节对象的传递函数为Wobj s 18 0 25s 1 0 005s 1 要求用调节器将其校正成典型 型和 系统 确定调节器的结构和参数 解 1 校正成典型 型系统 选择调节器为PI调节器 Wpi s Kpi s 1 s 令 0 25 则校正之后的新系统的传递函数为W s 18Kpi s 0 005s 1 W s K s Ts 1 令KT 0 5 则 18Kpi 0 005 0 5 代入 0 25 得 Kpi 1 4 2 校正成典型 I型系统 传递函数近似处理 Wobj s 18 0 25s 1 0 005s 1 18 0 25s 0 005s 1 选择调节器为PI调节器 Wpi s Kpi s 1 s 校正之后的新系统的传递函数为W s 18Kpi s 1 0 25 s2 0 005s 1 W s K s 1 s2 Ts 1 令h 5 h T 0 005 5 则 0 025 K h 1 2h2T2 18Kpi 0 25 代入 T h 得 Kpi 1 67 解 要校正为II型系统 调节器结构可为PI 其 其中 因系统超调量 30 查表h 7可满足要求 hT 7 0 02 0 14 s 解 要校正为I型系统 调节器结构可为PI 其 其中 按 4 3 取KT 0 5 则K 0 5 0 005 100 Ki 100 72 1 39 解 要校正为II型系统 调节器结构可为PI 其 其中 h 5 查表 37 6 ts 9 55T 9 55 0 005 0 047 s 解 1 转速环的调节器结构可为PI 其 因 10 取h 5 有 而 故 故 其中 2 电流环为I型系统 其Wci kI 136 24s 1 校验近似条件 1 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件 2 忽略反电动势变化对电流环动态影响的近似条件 满足近似条件 3 电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件 解 U n 5V时的转速 故 2 系统突然失磁时 故 n 0 Un 0 U i U im 10v Ui U im 10V Id Idm 30A 1 3 转速环的开环传递函数为 其中 h 5 4 当h 5时 查表2 7可得 查表可得 解 ACR调节器校正成I型系统 采用PI调节器 校正后的开环传递函数 电流超调量 取 ASR选用PI调节器 取h 5 则 查表2 6得 4 适合像提升机这样的恒转矩负载 答 待逆变指逆变器的控制角大于90 但逆变器除环流外 没有流过负载的电流 也就没有电能回馈电网 答 在正向制动过程中 各变量的动态波形如下 I本桥逆变阶段 Idl下降为0 ASR和ACR均饱和 Ui Uim Uc Ucm VF处于逆变状态 VR处于待整流状态 电流和转速同向 属电动状态 II1反向建流阶段 ASR和ACR仍饱和限幅输出 VF处于待逆变状态 VR处于整流状态 电动机反电动势E与Ud0r共同作用 迫使Idl反向电流快速上升 电流和转速反向 属它组反接制动状态 II2 它组逆变子阶段 ASR仍饱和限幅输出 Ui Uim ACR退出饱和参与电流调节 VF处于待整流状态 VR处于逆变状态 电机属它组回馈制动 把动能 电能 回馈电网 II3 反向减流子阶段 这过程状态跟II2相同 只是由于电机不能维持电流恒值 电流不断减少 最后电机速度减到0 交流变压调速优点就是结构简单 只要配置一套调压器就行 缺点带恒转矩负载调速范围有限 只适合于风机 水泵类负载 如果需要带恒转矩负载 需要配置高电枢电阻的交流力矩电动机 再增加调节器和测速装置 构成一个闭环系统 就可以扩大调速范围 答 不能 电流源变频器的谐波要小于电压源变频器 希望得到正弦波电流 才能使电机产生圆形的旋转磁场 转矩就不会脉动 答 直流PWM用直流调制等腰三角波 交流PWM用正弦波调试等腰三角波 主电路 由二极管整流器UR PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成 一般都是电压源型的 采用大电容C滤波 同时兼有无功功率交换的作用 控制电路 现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路 其功能主要是接受各种设定信息和指令 再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号 再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号 微机芯片主要采用8位或16位的单片机 或用32位的DSP 现在已有应用RISC的产品出现 PWM信号产生 可以由微机本身的软件产生 由PWM端口输出 也可采用专用的PWM生成电路芯片 检测与保护电路 各种故障的保护由电压 电流 温度等检测信号经信号处理电路进行分压 光电隔离 滤波 放大等综合处理 再进入A D转换器 输入给CPU作为控制算法的依据 或者作为开关电平产生保护信号和显示信号 信号设定 需要设定的控制信息主要有 U f特性 工作频率 频率升高时间 频率下降时间等 还可以有一系列特殊功能的设定 由于通用变频器 异步电动机系统是转速或频率开环 恒压频比控制系统 低频时 或负载的性质和大小不同时 都