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，T0，n0，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：uAK0且uGK0 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=50s，ton=20s，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1000100r/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s10%： 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， TeTl，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n2n1，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， IdIdm, n=n0。 BC段是ASR调节器饱 和时的静特性，Id=Idm, nIdm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i5%，空载起动到额定转 速时的转速超调量n15% 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 Ti=Ts+Toi=0.0058s。 2）选择电流调节器结构和参数 要求i5%，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KITi=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n15%，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=hTn=0.108s。 转速环开环增益： ASR的比例系数为 查表，取h=4，则有： %15%.814 2.10 27.00