电力拖动自动控制系统习题答案

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：在制动状态中，为负值，iVT就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降d2速的时候。这时，先减小控制电压，使Ug1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成EUd，很快使电流id反向，VD2截止，在ton≤t＜Ｔ时，Ug2变正，于是VT2导通，反向电流沿回路3流通，产生能耗制动作用。在Tt≤＜Ｔ+t时，VT关断，−id沿回路4经VD续流，向on21电源回馈制动，与此同时，VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。在制动状态中，VT2和VT1轮流导通，而VT始终是关断的。1在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT1关断后id经VD2续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD2两端电压也降为零，VT2便提前导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。１－３调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差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”？答：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母Ｄ表示，即D=nmax其中，n和n一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负nminmaxmin载很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即s=ΔnNn0或用百分比表示s=×ΔnN100%n0在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速nN作为最高转速则s=ΔnN=n0ΔnNnmin+ΔnN∴nmin=ΔnNs−ΔnN=n(1−s)ΔnNsnSD=max=ΔNnminnN(1−S)由上式可看出调速系统的调速范围、静差速降和最小静差率之间的关系。对于同一个调速系统，ΔnN值一定，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。１－４某一调速系统，测得的最高转速特性为nOmax=1500/min，最低转速特性为nOmin=150/min，带额定负载时的速度降落ΔnN=15/min，且在不同转速下额定速降ΔnN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？解系统能够达到的调速范围为D==nmax=nminDn1500=1115015×=1115×系统允许的静差率sNnN+ΔDnN100%15001115100%10%１－５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？解因为s=ΔnN=n0ΔnNnmin+ΔnN所以ΔnN=nsmin=1500.02=3.06/min1−s10.02Δn因为Δncl=1+opKK=Δnop−=1100−=131.7所以Δncl3.061－6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（1）因为Δncl=RIdC（1+K）eRId=Δn×所以（1+K）=8（1+15）=128则CeΔn=clRId=128=4.13/minclC（1+K）130（2）由=DΔnnSNe，可知在s和nN不变的情况下，D只与ΔnN有关N(1−S)调速范围扩大1.94倍。1－7某调速系统的调速范围D=20，额定转速nN=1500/min，开环转速降落ΔnNop=240/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？Δn=ns=×15000.1=解；当s=10%时，NN（1-s）DΔn20240×（1-0.1）8.33/min此时K=op−=1Δncl8.33ns−=127.8×当s=5%时，ΔnN=N=15000.05×=3.95/minΔn（1-s）D24020（1-0.05）此时K=op−=1Δncl3.95−=159.8则若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将变大。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？答：（1）转速单闭环调速系统有以下三个基本特征①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。②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。③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。（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。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=1500/minr，电枢电阻Ra=1.2Ω，整流装置内阻Rrec=1.5Ω，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Δnop和调速要求所允许的闭环静态速降Δncl。（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，则转速负反馈系数α应该是多少？（4）计算放大器所需的放大倍数。解：（1）先计算电动机的电动势系数Ce=UN−IRNan=22012.51.2=0.1367V⋅min/1500rN则开环系数额定速降为IR12.5×（1.2+1.5）Δnop=NCe=0.1367=246.9/min额定负载时的稳态速降应为Δncl=nsN≤×15000.1×=8.33/min（1-s）D20（1-0.1）（2）系统的静态结构框图如下所示U*n+-∆UnUnKpUcKsαUd0+-IdRE1/Cen转速负反馈系统的原理图+U*n++-+n-U∆UnAUcGTUPEUdUdIdM--Un++--UtgTGn+-（3）当Un∗=15V时，Id=IN，n=nN，则转速负反馈系数α应该是∗αU∗U=n=n=15=0.01nnN（4）闭环系统的开环放大系数应为Δn246.91500K=op−=1Δncl8.33−=128.64运算放大器所需的放大倍数KP=KαKC/Se=28.640.0135/0.1367=11.191—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Idbl≤2IN，临界截止电流Idcr≥1.2IN，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框图，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：因为Idbl=U∗+UncomRSU≤2INIdcr=com≥1.2IRSN且Un∗=15V，计算可得U∗+URs=1.5Ω，Ucom=22.5VIIdbldcr==Uncom≤2IRScom≥1.2INNKRS1—12某调速系统原理图如图1-58所示，已知数据如下：电动机；PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000/minKs=40，Ra=0.15Ω，整流装置内阻∗=VRrec=0.3Ω，触发整流环节的放大倍数反馈电压Uim=10V。最大给定电压Unm15，当主电路电流达到最大值时，整定电流设计指标：要求系统满足调速范围D=20，静差率s≤10%，Idbl=1.5IN，。Idcr=1.1IN。试画出系统的静态结构框图，并计算：（1）转速反馈系数α。（2）调节器放大系数Kp。（3）电阻R1的数值。（放大器输入电阻R0=20kΩ）（4）电阻R2的数值和稳压管VS的击穿电压值。解：（1）转速负反馈系数α应该是∗αU∗U=n=n=15=0.015nnN1000（2）先计算电动机的电动势系数Ce=UN−IRNan=220940.15=0.2059V⋅min/1000rN则开环系数额定速降为IR94×（0.15+0.3）Δnop=NCe=0.2059=205.4/minΔncl=DnsN≤×10000.120×=5.56/min（1-s）（1-0.1）闭环系统的开环放大系数应为Δn205.4K=op−=1Δncl5.56−=135.9运算放大器所需的放大倍数KP=KαKC/Se=35.90.01540/0.2059=12.31—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？（1）放大器的放大系数Kp；（2）供电电网电压；（3）电枢电阻Ra；（4）电动机励磁电流；（5）电压反馈系数γ。答：在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当放大器的放大系数K发生变化时系统有调p节作用再通过反馈控制作用，因为他们的变化最终会影响到转速，减小它们对稳态转速的影响。电动机励磁电流、电枢电阻Ra发生变化时仍然和开环系统一样，因为电枢电阻处于反馈环外。当供电电网电压发生变化时系统有调节作用。因为电网电压是系统的给定反馈控制系统完全服从给定。当电压反馈系数γ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。1-13有一个V—M系统，已知：电动机：PN=2.8kWUN=220VIN=15.6A，nN=1500/min，Ks=35。Ra=1.5Ω，整流装置内阻Rrec=Ω1，触发整流环节的放大倍数（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%，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，计算转速负反馈系数α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时静差率。解：（1）系统开环工作时，Ce=UN−IRNan=22015.61.5=0.1311min/r1500N则开环系数额定速降为IR15.6×（1.5+1）Δnop=NCe=Dn0.1311=297.5/min30297.5则s=NnN+ΔDnN×1