1、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11 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。12
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，id 为负值，VT2 就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降 速的时候。这时，先减小控制电压，使U g1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电 压U d 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 E U d ，很 快使电流 id 反向，VD2 截止，在 ton t 时，U g 2 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T t + ton 时，VT2 关断，id 沿回路 4 经VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1 两端压降钳
3、住VT1 使它不能导通。在制动状态中，VT2 和VT1轮流导通，而VT1 始终是关断的。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，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。 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，用字母表示，即D nmaxnmin其中，nmax和 nmin一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，
4、对于少数负载很轻的机械，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 或用百分比表示s nNn0s nN 100%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 nNn0 nNnmin nN nmin nNs nN (1 s)nNsD nmaxnmin nN SnN (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， nN 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
5、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。 某一调速系统，测得的最高转速特性为 nO max 1500r / min ，最低转速特性为nO min 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nN 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 nmaxnmin 1500150 15 11系统允许的静差率s DnNnN DnN100% 11151500 1115100% 10% 某闭环调速系统的调速范围是 1500150r/min，要求系统的静差率 s 2% ，那么系统允许
6、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 nNn0 nNnmin nNn nmin s 150 0.02 3.06r / min所以 N1 s1 0.02因为 ncl nop1 Kn 100K op 1 1 31.7所以 ncl3.0616 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n RIdecl C（1+K）Ccl所以 RId n（e1+K）=8（1+15）=128RI 12
7、8cl则 n d 4.13r / minC（e 1+K）1 30（2） 由D nN SnN (1 S )，可知在 s 和 nN不变的情况下，D 只与 nN 有关调速范围扩大 1.94 倍。1 7 某 调速系统的 调速范围 D=20 ，额定 转速 nN 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； 当 s=10%时， n nN s 1500 0.1 8.33r / minN D（1-s）nop20 （1-0.1）240此时 K 1 1 27.8当 s=5%时，ncln 8.33nN s 15
8、00 0.05 3.95r / minNnopD（1-s）24020 （1-0.05）此时 K 1 1 59.8ncl3.95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。18 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
9、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。19 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
10、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。110 有一 VM 调速系统。电动机参数为： PN 2.2kW，U N 220V，I N 12.5 A，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 K s 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
11、 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。n d N N（3）调整该系统参数，使当U 15V 时，I I ，n=n ，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。解：（1）先计算电动机的电动势系数eC U N I N RanN 220 12.5 1.2 0.1367V min/ r1500则开环系数额定速降为（1.2+1.5）nop I N R 12.5 246.9r / minCe 0.1367额定负载时的稳态速降应为n nN s 1500 0.1 8.33r / mincl D（1-s）20 （1-0
12、.1）（2） 系统的静态结构框图如下所示U*n +Un UnKsUcKp KsUd0+- IdRE n1/Ce- Un转速负反馈系统的原理图U+ *+ n nUn U- -UcA Uc GT+IddUdIUPE Ud M+-Un- Un + -+tgU- tgn+TTG-n（ 3 ） 当 U 15V时， Id I N，n=nN ，则转速负 反馈系数 应该是 U n U n 15 0.01n nN（4）闭环系统的开环放大系数应为1500n 246.9K op 1 1 28.64ncl8.33运算放大器所需的放大倍数K P K KS / Ce 28.640.01 35 / 0.1367 11.19
13、111 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 2I N ，临界截止电流 Idcr 1.2I N ，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？U RI nU com 2 I解：因为dbl NSI U com 1.2 IRdcr NS且 U =15V，计算可得 R 1.5，U 22.5Vn s comU I nU com 2 IRdbl NSI U com 1.2 ISdcr
14、KR N112 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，U N 220V，I N 94 A，nN 1000r / min ， Ra 0.15 ，整流装置内阻 Rrec 0.3 ，触发整流环节s nm的放大倍数 K 40 。最大给定电压U 15V ，当主电路电流达到最大值时，整定电流 反馈电压Uim 10V设计指标：要求系统满足调速范围 D=20，静差率 s 10% ，Idbl 1.5I N，。Idcr 1.1I N 。试画出系统的静态结构框图，并计算：（1） 转速反馈系数 。（2） 调节器放大系数 K p 。（3） 电阻 R1 的数值。（放大器输入电阻 R0
15、 20k ）（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 应该是 U n U n 15 0.015n nN1000（2）先计算电动机的电动势系数eC U N I N RanN 220 94 0.15 0.2059V min/ r1000则开环系数额定速降为（0.15+0.3）nop I N R 94 Ce0.2059 205.4r / minn nN s 1000 0.1 5.56r / mincl D（1-s）20 （1-0.1）闭环系统的开环放大系数应为n 205.4K op 1 1 35.9ncl运算放大器所需的放大倍数5.56K P K KS / C
16、e 35.90.015 40 / 0.2059 12.3113 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 K p ；（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 。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 p 发生变化时系统有调 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
17、的给定反馈控制系统完全服从给定。当电压反馈系数 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 2.8kW，U N 220V，I N 15.6 A，nN 1500r / min ，Ra 1.5 ，整流装置内阻 Rrec 1 ，触发整流环节的放大倍数Ks 35 。（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。n（3） 如组成转速负反馈有静差调速系统，要求 D=30，s 10% ，在U 1
18、0V 时，Id I N，n=nN ，计算转速负反馈系数 和放大器放大系数 K p 。n（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U 10V 时，Id I N，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，eC U N I N RanN 220 15.6 1.5 0.1311V min/ r1500则开环系数额定速降为（1.5+1）nop I N R 15.6 297.5r / minCe 0.1311Dn30 297.5则 s N 100% 100% 85.6%nN DnN1500 30 297.5（2）当 D=30，
19、s=10%，系统允许的稳态速降n nN s 1500 0.1 5.56r / minN D（1-s）30 （1-0.1）n（ 3 ）当 U 10V时， Id I N，n=nN，则 转速负反 馈系数 应该 是 U n U n 10 0.007n nN1500闭环系统的开环放大系数应为n 297.5K op 1 1 52.51ncl5.56运算放大器所需的放大倍数K P K KS / Ce 52.510.007 35 / 0.1311 30.6（4）在电压负反馈有静差调速系统中，开环与闭环的速降是一样的，所以 ncl nop 297.5r / mins DnNnN DnN100% 30 297.5
20、1500 30 297.5100% 85.6%1-15 在题 1-10 的系统中，若主电路电感 L=50mH ，系统 运动部分的飞轮惯量 GD2 1.6N m2 ，整流装置采用三相零式电路，试判断按题 1-10 要求设计的转速负 反馈系统能否稳定运行？如果保证系统稳定运行，允许的最大开环放大系数 K 是多少？解：计算系统中各环节的时间常数：L 0.05电磁时间常数T 0.0185sl R 1.2 1.5机电时间常数e mGD2 R Tm 375C C 1.6 (1.2 1.5)375 0.1367 30 0.1367 0.065s三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts 0.00167
21、s为保证系统稳定，开环放大系数应满足的稳定条件：T (T T ) T 20.065 (0.0185 0.00167) 0.001672K m l s s TlTs0.0185 0.00167 42.5因为 23.128.75,所以该系统不可以稳定运行,如果保证系统稳定运行，允许的最大开环放大系数 K 最大为 23.1.1-16 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；n n n c n c n只有达到
22、U U , U 0 时，U 才停止上升；不到 U 变负，U 不会下降。当 U 0时，U c 并不是零，而是一个终值；如果 U n 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。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 U n 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 。1-17 在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？并说明理由。 答：系统的精度依赖于给定和反
23、馈检测的精度。因此转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响。1-18 采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是否有静差？为 什么？试说明理由。答：采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统，稳态运行时的速度是无静差的。 电压负反馈实际是一个自动调压系统，只有被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被 减小到 1/（1+K），它的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差。但基本控制原 理与转速负反馈类似。它与转速负反馈一样可以实现无静差调节。第二章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法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
24、么参数？改变转 速调节器的放大倍数 Kn 行不行？改变电力电子变换器的放大倍数 Ks 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：双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系n n 0U * U n nn因此 转速 n 是由给定电压U 决定的；改变转速反馈系数也可以改变电动机转速。改变转速调节器的放大倍数 Kn 和电力电子变换器的放大倍数 Ks不可以。2-2 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都是零im转速调节器 ASR
25、 的输出限幅电压U 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U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压U dm 。2-3 如果转速、电流双闭环调速系统中的转速调节器不是 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影响？答：改为 P 调节器时其输出量总是正比于输入量，PI 调节器的输出量在动态过程中决定于 输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关而是由它后面环节的需要 决定的。2-4 试从下述五个方面来比较转速、电流双闭环调速系统和带电流截止环节的转速单闭环 调速系统：（1）调速系统的静态特性；（2）动态限流性能；（3）起动的快速性
26、；（4）抗负载扰动的性能；（5）抗电源电压波动的性能。n答：（1）转速、电流双闭环调速系统在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压U 决定的。 ASR 的输出量 U*i 是由负载电流 IdL 决定的。控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id， 或者说，同时取决于U n 和 IdL。双闭环调速系统的稳态参数计算是和无静差系统的稳态计算相似。 带电流截止环节的转速单闭环调速系统静态特性特点：电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂；比较电压 Ucom 与 给定电压 Un* 的作用一致，好象把理想空载转速提高了。这样的两段式静特性常称作下垂 特性或挖土机特性。（2）（3）双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制、转速超调、准 时间最优控制。（4）由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR 来产生抗负载扰动的作用。在设计 ASR 时，应要求有较好的抗扰性能指标。（5）在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环 节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了 电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能
