《电力拖动自动控制系统》知识点及习题

第1页共44页《电力拖动自动控制系统》知识点、习题解问题1：电机的分类？①发电机（其他能→电能）直流发电机交流发电机②电动机（电能→其他能）直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）无换向器直流电动机（又属于一种特殊的同步电动机）交流电动机：同步电动机异步电动机：鼠笼式绕线式：伺服电机旋转变压器控制电机自整角机力矩电机测速电机步进电机（反应式、永磁式、混合式）问题2：根据直流电机转速方程Φ−=eKIRUnn-转速（r/min）；U-电枢电压（V）；I-电枢电流（A）；R—电枢回路总电阻（Ω）；Φ—励磁磁通（Wb）；Ke—由电机结构决定的电动势常数。三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通Φ；（3）改变电枢回路电阻R。调压调速：调节电压供电电压进行调速，适应于：U≤Unom，基频以下，在一定范围内无级平滑调速。弱磁调速：无级，适用于Φ≤Φnom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即电动机额定转速以上)作小范围的升速。变电阻调速：有级调速。问题3：请比较直流调速系统、交流调速系统的优缺点，并说明今后电力传动系统的发展的趋势。*直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动态性能良好。缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，维护困难；换向产生火花，使用环境受限；结构复杂，容量、转速、电压受限。*交流电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大量被用来拖动转速基本不变的生产机械。缺点：调速性能比直流电机差。*发展趋势：用直流调速方式控制交流调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.第2章转速反馈控制的直流调速系统1、常用的可控直流电源有以下三种„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。第2页共44页„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。„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。2、由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流if即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。3、晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），4、采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。PWM系统的优点（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。问题：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（G-M系统）、静止可控整流器（V-M系统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（PWM）。名词解释：G-M系统V-M系统PWMPFM①G-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。②V-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。③PWM：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ton）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，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④PFM脉冲频率调制(PFM)，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；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频率f或开关周期T（即调节晶闸管的关断时间t0ff）就可以调节电机电压，从而进行调速。5、晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数：在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的，其传递函数近似成一阶惯性环节sTKsWsss1)(+≈。第3页共44页6、采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。7、PWM控制与变换器的数学模型：PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成sTKsUsUsWse)()()(scds−==，Ks-PWM装置的放大系数；Ts-PWM装置的延迟时间，Ts≤T0。8、当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此，1)(sss+≈sTKsW与晶闸管装置传递函数完全一致。9、调速系统的转速控制要求（1）调速—在一定的昀高转速和昀低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速；（2）稳速—以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速—频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。10、调速范围：生产机械要求电动机提供的昀高转速和昀低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即minmaxnnD=静差率：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NnΔ，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即0NnnsΔ=，NnΔ=n0-nN11、调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以昀低速时所能达到的数值为准。一个调速系统的调速范围，是指在昀低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。)1(NNsnsnD−ΔΔ=。问题：衡量调速系统的性能指标是哪些？①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin②静差率S=△nnom/n0*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。③和负载匹配情况：一般要求，恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。12、系统特性比较（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多Knnl+Δ=Δ1opc。第4页共44页（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。Kssl+=1opc（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。opc)1(DKDl+=（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。13、反馈控制规律（1）被调量有静差：只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。【闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而Kp=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。】)(edcKICRInl+=Δ（2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。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。抗扰性能是反馈控制系统昀突出的特征之一。（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。14、为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。15、带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作是一个三阶线性系统。16、闭环系统伯德图特征：（1）中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。（2）截止频率（或称剪切频率）Wc越高，则系统的快速性越好。（3）低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高。（4）高频段衰减越快，及高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。17、采用比例积分调节器的闭环调速系统是无静差调速系统。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。PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成；比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则昀终消除稳态偏差。问题：带有比例调节器单闭环直流调速系统，如果转速反馈值与给定值相等，则调节器的输出为（A）A、零B、大于零的定值C、小于零的定值D、保持原先的值不变18、无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时ΔUn=0，因而Un=Un*，可以按式（1-67）*nmaxmaxUnα=直接计算转速反馈系数。第5页共44页19、电流正反馈的作用又称作电流补偿控制。无静差的条件是：根据电流反馈系数的大小，可以决定补偿的强弱分为全补偿、欠补偿和过补偿。由于补偿控制是一种参数配合控制，因此一般采用欠补偿。由被调量负反馈构成的反馈控制和由扰动量正反馈构成的补偿控制，是性质不同的两种控制规律。在实际调速系统中，很少单独使用电流正反馈补偿控制，只是在电压（或转速）负反馈系统的基础上，加上电流正反馈补偿，作为减少静差的补充措施。只有电流正反馈的调速系统的临界稳定条件正是其静特性的全部偿条件。过补偿系统是不稳定的。电流正反馈可以用来补偿一部分静差，以提高调速系统的稳态性能。但是，不能指望电流正反馈来实现无静差，因为这时系统已经达到了稳定的边缘。20、微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化：„离散化：为了把模拟的连续信号输入计算机，必须首先在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。„数字化：采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。21、故障保护中断优先级别昀高，电流调节中断次之，转速调节中断级别昀低。22、由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。脉冲数字（P/D）转换方法：（1）M法—脉冲直接计数方法；M法测速只适用于高速段。（2）T法—脉冲时间计数方法；T法测速适用于低速段。（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法。M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。23、PI调节器的传递函数ssKsEsUsWττ1)()()(pipi+==数字PI调节器算法，有位置式和增量式两