电力拖动自动控制直流调速系统的课后习题

1、1设控制对象的传递函数为 Wobj (s)i s 1W(s) K pi iisK1K piK1(T1s 1)(Ts 1)i s (Ts 1)(T1s 1)(T2s 1)(1T3s 1)(T4s 1)，式中 K1=2；T1=0.4s ；T2=0.08s ；T3=0.015s；T4=0.005s。要求阶跃输入时系统超调量 %5%。 用 PI 调节器将系统设计成典型 I 型系统，试设计调节器参数并计算调节时间 t解：用 PI 调节器校正时，调节器传递函数为 WPI (s) Kpi i 1 is取 i T1 0.4s，并将 T2 、 T3 、 T4看成小时间常数，令T T2 T3 T4 0.08s 0

2、.015s 0.005s 0.1s则按典型 I 型系统校正时系统开环传递函数为取 K Kpi K1 1 ，则2TK pi0.4 12K1T 2 2 0.1调节时间ts 6T 6 0.1s 0.6s所以 PI 调节器的参数 i 0.4s， Kpi 1；调节时间 ts 0.6s。2画出直流电动机理想启动时的转速、电流与时间的关系曲线。采用理想启动的目的是什么？如何实现？转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间。 工程上常采用转速电流双闭环负反馈调速系统。 启动时，让转速外环饱和不起作 用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达 到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作

3、用。3在单闭环转速负反馈调速系统中引入 “电流截止负反馈环节” 的作用是什么？ 其中“截止” 的含义是什么？转速、 电流双闭环调速系统是否也需要引入电流截 止负反馈？为什么？答：单闭环转速负反馈调速系统不能限制过电流， 引入电流截止负反馈可以对电 机过载起到保护作用。 ；“截止”指的是电流不过载时，去掉电流负反馈。 ；转速、 电流双闭环调速系统不需要引入电流截止负反馈。 ；因为转速调节器的输出限幅 值限制了最大电流给定值，再通过电流环的电流调节作用，即可实现限流。4分别画出单闭环转速负反馈调速系统和单闭环电压负反馈调速系统的静 态结构图；标出静态结构图中各个环节的信号；再分别说明两种系统在电

4、网电压降低后如何进行恒压调节？从而说明哪种系统对电网电压的扰动具有更强的抗扰能力？ 答：(1)单闭环转速负反馈调速 静态结构图和信号标注图 1-11 转速负反馈单环调速系统稳态* 结构图 nUnUn (Un* U n)恒压调节过程： 电网电压 Ud0I d单闭环电压负反馈调速U ctUd02)静态结构图和信号标注恒压调节过程：KPUctUn+IdRnRa-+Ks(a)电网电压 U d0U u UnUd0Ud+1nCeEU1C(b)(Un* Uu )UctU d01-20电 压负反馈调速系统稳态结3) 单闭环电压负反馈调速系统对电网电压的扰动具有更强的抗扰能力 5写出直流电动机的转速表达式， 说

5、明它有哪 3 种调速方式？每种调速方 式的优、缺点是什么？答：转速表达式 nEKeUd0 I d RKe有三种调速的方法，即调节电枢电压 U d0；减弱励磁磁通 ；改变电枢回路 电阻 R 。（1）调Ud0 可平滑地调节转速 n，机械特性将上下平移。 但电压只能向小于额定 电压的方向变化。（ 2）弱磁调速是在额定转速以上调速， 其调速范围不可能太大。 但所需功率小。 （3）改变电枢电阻调速简单，但是损耗较大，只能进行有级调速。6有一 V-M系统，已知： Pnom=2.8kW，Unom=220V，I nom=15.6A ，nnom=1500r/min ，Ra=1.5 ， Rn=1 ， Ks=37。

6、1）当 D=30、 s=10%时，计算系统允许的稳态速降。2）如为转速负反馈有静差系统，要求D=30， s =10%，在 Un* 10V 时，使电机在额定点工作，计算放大器放大系数答：（1）Kp 和转速反馈系数 。CeUd IdRa220 15.6 1.5 0.131(v.min/ r)1500nopnclIdR 15.6 2.5 297.71(r /min)Ce0.131n s 1500 0.1 5.56(r /min)D(1 s) 30 0.92）Kp 27.8； 0.0067 V.min/r7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？答：1）转

7、速调节器的作用：a. 使转速 n 跟随给事实上电压 Un变化，实现转速无静差调节；b. 对负载变化起抗扰作用；c. 其饱和输出限幅值用为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控 制，以实现系统在最大电流约束下起动过程。2）其输出限幅值应按最大电流值 Idm和值整定，即 UimI dm。8在转速、电流双闭环调速系统中，电流调节器有哪些作用？其限幅值应 如何整定？答：1）电流调节器的作用：a. 起动时，实现最大允许电流条件下的恒流升速调节准时间最 优；b. 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 Un 变化；c. 对电网电压波动及时起抗扰作用；d. 当电动机过载甚至于堵转时， 限制电枢电流的最大值，

8、 从而起到快 速的安全保护作用。如果故障消失，系统能自动恢复正常。2）电流调节器输出限幅值应按下式整定： Uctm Cennom IdmR ，并保证Ks 最小控制角的限制。9闭环系统的静特性优于开环系统的机械特性，表现在哪些方面。 答：如下四方面：（ 1）在相同的负载下，闭环系统的转速降落仅为开环系统转速降落的1/（1K）；（2）在相同的理想空载转速时，闭环系统的静差率是开环系统静差率的1/ （1K）；（ 3）在静差率相同时，闭环系统的调速范围是开环系统调速范围的（1K）倍；（4）闭环系统设置放大器后，才能获得以上各方面好的性能。 10什么是调速范围 D？什么是静差率 S，两者的关系如何？ 用

9、什么方法可以使 调速系统满足 D大 S 小的控制要求 ？ 调速范围 D=nmax/n min=nnom/n min 静差率 S=nnom/n 0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（ D大 S 小 ）时，只能用闭环调速系统 。11. G-M 系统：交流电动机拖动直流发电机 G实现变流，由直流发电机给需 要调速的直流电动机 M供电，调节 G的励磁电流及改变其输出电压，从而调节 M 的转速。优点：在允许转矩范围内四象限运行。 缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，有噪音，维护不方便。 V-M 系统： 晶闸管，工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器 V 给需 要调速直流电动机 M供电，调节触

10、发装置 GT的控制电压来移动触发脉冲的相位， 即可改变整流器 V 的输出电压，从而调节直流电动机 M的转速。 优点：经济性和可靠性提高，无需另加功率放大装置。快速性好，动 态性能提高 。缺点： 只允许单向运行；元件对过电压、过电流、过高的 du/dt 和 di/dt 十分敏感；低速时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。 PWM：脉冲宽度调制 （PWM，） 晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通 时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样通过 改变晶闸管的导通时间 （即调占空比 t on）就可以调节电机电压， 从而进行调速。PWM调速系统优点： 系统低速运行平稳，

11、调速范围较宽；电动机损耗和发热 较小；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；器件工作早开关状态，主电路损 耗小，装置效率较高。 PWM调速系统应用： 中、小功率系统12 常用的可控直流电源主要有哪些？ 答：常用的可控直流电源有以下三种： （1）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直 流电压。（2）静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电， 利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。13下图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理图，各部件的名称和作用答： 1）比较器： 给定值与

12、测速发电机的负反馈电压比较，得到转速偏差电压。 Un2）比例放大器 A：将转速偏差电压放大，产生电力电子变换器 UPE所需的控制电 压 。 U nUc3）电力电子变换器 UPE：将输入的三相交流电源转换为可控的直流电压。 Ud4）M 电机：驱动电机。5）TG 发电机：测速发电机检测驱动电机的转速。6）电位器：将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值。Un* 14 闭环系统静特性的定义？与开环系统比较有何特点？ 答（ 1）定义：表示闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系（2）特点：1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多，2）如果比较同一 N0 的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小

13、的多3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。15. 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，调节器的输出电压是多少？它取决于那些因素？ 答：在动态过程中， 当 U n 变化时，只要其极性不变， 积分调节器的输出 U c 便 一直增长； 只有达到 U n U n * ， U n0 时，U c 才停止上升；不到 U n 变负，U c 不会下降。当U n0 时， U c 并不是零，而是一个终值；如果 n U 不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化， 这是积分控制的特点。

14、 因此， 积分控制可以使系 统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状， 而积分调节器的输出则包含了输 入偏差量的 全部历史。虽然现在 Un 0 ，但历史上有过 U n ，其积分就有一定数 值，足以产生 稳态运行时需要的控制电压 U c 。答：转速调节器和电流调节器的作用：（1） 转速调节器 ASR 的作用：1)转速 n 跟随转速给定电压变化，稳态无静差。 Un*2) 突加负载时转速调节器 ASR和电流调节器 ACR均参与调节作用，但转速调节器 ASR处于主导作用，对负载变化起抗扰作用。3) 其输出电压限幅值决定允许最大电流值。(2) 电流调节器

15、 ACR 的作用1) 起动过程中保证获得允许最大电流。2) 在转速调节过程中，使电流跟随其电流给定电压变化。 Un*3) 电源电压波动时及时抗扰作用， 使电动机转速几乎不受电源电压波动的影响。4) 当电动机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到安全保护作用。17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？ 答：当两个调节器都不饱和时，它们的输入偏差电压为零，转速调节器 ASR 的 输出限幅电压 Uim 决定了电流给定电压的最大值； 电流调节器 ACR 的输出限幅 电压限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm.各变量的稳态工作点和稳态参数

16、计算在稳态工作点上 , n 由给定电压 U*n 决定； ASR的输出量 U*i 由负载电流 IdL 决定ci13 Ts1Toi ，Toi 0.002,Ts 0.0017 )18已知电流环的动态结构图如下图所示， 将该系统校正为典型型系统， 确定 电流调节器参数。(提示：取工程最佳 =0.707 时， KI T i =0.5 ；注意小惯 性环节降阶处理的条件解：(1)对动态结构图进行等效变换如下图：2)进行小惯性时间常数的近似处理：T i Toi Ts 0.002 0.0017 0.0037(S) ；则动态结构图化简为如下图：3）选择 PI 调节器：WACR （S） Kii S 1K I iR

17、Ks确定 ACR的超前时间常数为： i Tl 0.03S取工程最佳，有11K I135.14 （1/S ）I 2T i 2 0.0037又因为K K iK sKIiR所以有 ACR的比例系数为：0.03 0.5 135.141.01340 0.054）校验近似条件：ci K I 135.14S 1而 3 1 3 1 180.8S 1 ci ，满足近似TsToi0.0017 0.002 ci条件11 力仆 么P5VM -电动机系统比iV.W电动机系统舵够获得!E好的念怜能？谷，pwu电动机疚统在很多方備】冇较大的优建ft,主电路线路向单 需用的功车需件少。 开犬皴$局 电诚容易建纹ift波少.

18、电机ISUt及发热祁 小.低速性能好 為連柚金局. 週逸也网竜 可达 1OOOO &.右若与快锂旳內的电动机HdC 刚系统姣带宽 功右响応快 幼态坑彳尤能力强. 功率幵关魅件T作在幵关状 廿適抓耗小.当开关切率适当旳.幵X+Rtfc也 不大.因而液査效率较局。他濾咱海采HJ不拧# 漩旳 电网功率CM数比相拧幣滤料岚.12 试分析冇 倒幼通昂的4、町逆 PXVM 变検S8XL行制功 时. 两个 VT 足 気何I作的拧，A 制动状念中 匚 为负值込就发押作用：r这种悄况发生金电动运厅逗出屮需鹤降 逸郃J4ME. 运时 先垃小拎尙电作 使7口 的心脉冲空金fft林冲仝盘. 从创便平均电积电 斥“埒低

19、.O1足. 由j机电怕(性. 转連和反电动站还来不&变化 因向造、&EaU 很 快便电谁乙反向VD,雄止&SFVTtHCZ“圭iE 于足込 Wifi.反佝Hiifc沿冋路 3济適 产生能耗制动作用.左7三FVT+匚时.VT XWr一/“沿冋路d经比2 纹流.向 电源回预制动与此冋时.“p 两竣压降审住临 使它彳、能寸通在剧动秋态中.rw 和 轮沅冷通曲7；殆终足犬断郃J在轻疲电功伏态这时平均电诚较小 以致在F7；X断心初 经纹漁时.还没冇达別 冏wo t 电讹己经佥隊列存.这时0空两绻电币也降为字irr2使电流反向.产生冃那时何的制幼作用.1-S 调速1K国和於羞率的定义是什么？调速范IH.f

20、fP；連降和贰小静釜車Z何仃什么关 系？为什么说“脱离了诡速范圉嬰满足给运的於公半也就容易衍篡了” ？答：生产机械耍求电动机提供的最島转速和虽低转速Z比叫做调速范I悅用孑母D表示.WIDn 其中.”和人一股都指电动机额定负我时的竝高和竝低转速.对F少敌负J我很轻的机械町以用实际负我时的加為和加低转速X系统金某一仪速卜运行时.负较由理想空敦堆加到额定值时所对血的权速降落 9理想空我转速2比称作於疋率“ UI1或用仃分比衣示,=1x100%任N流电动机变斥调速系统中一般以电动机的额定转速,作为垠爲转速一仇,.d*nA_=艺J. WS)由匕式可石出调速系统的调速范附、协差速降和垠小游准率Z何的关系.

21、时于同一个调 速系统.值一定如果时衿癡率萎求越严.即耍求$值越小时.系统能够允许的调速 范閑也越小.一个调速系统的调速范閑.是折在加低速时还能満足所需协差率的转速可调范1-4 某一诡速系统.测得的加拓转速待性为-1500r/min址低转速待性为.=50r/min帯皴疋负钱时的速度降落An” = 15min R金不同转速卜飆定速降A/仏不变.试何系统能够达到的调速范鬧右形大？系统允许的静幷串是多少？M条统能纱达到的调速范IU为1500j 150-15系统允许的祚左率一念00册牯。1-5某闭环调速系统的调速范IHJi 1500-150r/min. 求系统的s128RI. _ 128Cr(PK)*l

22、 + 304.13r/min可知在，和不变的情况F. D只与y/j关调速范他扩大1.94倍.1-7 某说速航统的调速范附120.额定转速 fl500”min 开环转趣降器Aw-240r/min.杆耍求系统的静綁由10%少到5。-則系统的开环增益将如何变当时.ZXl-s)1500x0. 120x( 1-0. 1)& 33r/min此时 A： = 2L-l = -1 = 27.88.33AwvZ1500x0.05, 、95 nunZXl-s) 20x( 1-0. 05)Aw此时K 一%740-1-59.83.95则儿耍求系统的妙：由10%JJc少刘5%.則果统的开环堆益将变大.I 转速m闭坏调速系

23、统仃那些待点？改变给定电爪能古改变电动机的转速？为什么？ 如果给定电爪不变.凋渕速反馈电爪的分压比是弁能够改变转速？为什么？如果 测速发电机的励笑发生了变化系统仃无克腦这种I扰的能j-命（1）转速帕引外诡速系统有以下三个 uw 只用比例放大JB的反馈控制系统.其被被调虽仍览仃静墨的 反馈控制系统的作用楚：瓜抗扰动.册从给定.扰动件能是反馈控制系统址冥出的特 征Z-. 系统的需度依赖给定和反馈检测的轴度.（2）改变给定电爪会改变电动机的转速.冈为反馈控制系统完全麻从给定作川.（?）如果给定电用不变.调审测邃反!#电压的分斥比成测建发电机的励磁发生了变化. 它不能紂到反馈控制系统的抑制反向会增大被

24、凋蛍的误总.反馈捋制系统所能抑制的只足 帔反很环包IH的询向通逍I:的扰动110-20.（1）计灯开环条统的态逑障和调速耍求所允许的闭环和态速降s（2）采用转速负反馈组成闭环系统.试皿出系统的脈理阳和於右结构框图（3）ifltS谀条统耋数使芳U：=15P时.1 厂 心 n=n.則转速负反锻系故a总该是參少？4）计算放人器所需的放大倍敌.（1）先计灯电动机的电动势鼠数5_1凤220-12.5x1.2c“， 枷1500则开环系数额足速降为246.9r/min8.33r/min/#/?.125x(l25C. 0. 1367濮疋负较时的瞪态逵降炖为 _ 1500 x 0.1Xl-s) 20x( 10

25、1)（2） 航扯的协态給构柿1*1如卜所不转速负反馈系统的原理图3） W： 15r tt f I Q n=n% 则转越负反Wt礙敌a W浚記n” 1500= 0.0130时0 aM： (1)系统开环工作时.小220-15.6x1.5 c” .G =0.1311F min/rnx1500则开环系数额定速降为IpR 15.6x(1.5+l) Sn “ = = 297.5/7 minC. 0. 1311厠 $ = _Q%：_ xl00% = S297._xlooo = 85.6%nv + Dns1500+30 x 297.5(2)I?0.尸10*5系统允许的总态速降.21500x0.1. “ z.n

26、. =：= 5.56r/min Xl-s 30x( 1-0. 1)(3 ) LT =10K时./=人，n=n則转速吳反诩系数a应该是nT=0007闭环系统的开环放大系数应为运簣放人益所而的欣大倍敌a心 /Ce52.510.007x35/0.131130.6（4） 4电压负反馈仃协怎调ifc系统中幵环巧闭环的速降址一样的所以、乙 2% 297.5r/min1500+30x297.5空x 00。 N E2Ex 100oo 5.6%1- 16为什么用枳分拎制的调速系统是无静签的?住转速敢闭环调速系统中.为枳分凋賞器 的输入僞圮电压AU0时.调器的输出电压是參少？它取决 初噬因素?$：任动念过程中，当

27、变化时.5 iR极性不变.供分调誥的输出乞便一fOWK： 只“达到/丄/0时耳才停止上升：不到M/变负.-不会卜降.卩山/0 时，4并不是零.rfuM-个终值:taAUw不再变化,这个终值便保持他定向不再变化. 这是税分挖制的待点.因此.枳分控制“J以便系统在无於X的怙况卜保持忸速运行.实现无静雄调理比例週n器的输出只取决I输入僞总就的现状.而枳分调“器的输出則包茂了输入偏 益蛍的个部历史.址然现在0但“J史1山过JL枳分就仃一定数ffi定以产 生总态运行时需耍的拎曲电压q2- 1 在转速、电潦取闭环调速系统中.若要改费电动机的转速.应调节什么参数？改变转速调节器的放大倍数瓦行不行？改变电力电

28、子变换器的放大倍数乞行不行？改变 转速反馈系数a行不行？若亞改变电动机的坏转电流应调节系统中的什么tt?答：戏闭环调連系统在稳态I作中.当两个调节器都不饱和时.各变量2间冇下列爻系U；=U,= an = anQ因此玮速n是由给定电压/：决定的：改变转速反馈系数也可以改变电动机转速改变转 速调十器的放大倍数用电力电子变换器的枚大倍数K,不可以.2 2转速、电流双闭环调速系统稳态运f亍时.两个调节器的输入僞差电乐和输出电斥孑足 多少？为什么？答：当两个调节器都不饱和时，它们的输入偏菱电压都足專转速调节器ASR的输出限福电乐匕：决定了电潦给定电压的報大值：电漁调节器ACR 的输出限紹电乐U.限制了电力电了变换器的最大输出电压：-3如星转速.电流女闭环调速系统屮的转速调节器不足PI调节器而改为P调节器对 系统的静.动态性能将会产生什么越响？答，攻为P调节鶴时其首出量总是正比于输*加.PI调节器的输出量在动态过程中决定于 输入量的枳分到达稳态时.输入为寥.输出的稳态值与输入无关而足由它后曲环节的需翌 决