电力拖动自动控制系统复习参考.docx

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电力拖动自动控制系统复习参考

1.功率放大与变换装置有：

电机型，电磁型，电力电子型等;

2.电力电子型功率放大与变换装置发展：

半控型————全控型;低频————高频开关；分立的器件————具有复合功能的功率模块

3.忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式

4.转矩控制是运动控制的根本问题。

控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化

5.生产机械的负载转矩特性：

恒转矩负载；恒功率负载；风机、泵类负载

6.负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载

a）位能性恒转矩负载：

由重力产生，具固定大小和方向

b）反抗性恒转矩负载：

大小不变，方向始终与转速反向

7.直流电动机的稳态转速

电动机调速方法:

1）改变电枢供电电压U

2）减弱励磁磁通φ

3）改变电枢回路电阻R

在一定范围内无机平滑调速的系统，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；

减弱磁通为无级调速，平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压。

8．可控直流电源两大类：

a相控整流器对应晶闸管整流器-电动机系统（V-M）

b直流脉宽变换器对应直流PWM变换器-电动机系统（PWM）

9．在V-M系统中，工作原理：

调节控制电压Uc——移动触发装置GT输出脉冲的相位——改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值

10.晶闸管整流管的特点：

用触发脉冲的触发延迟角a控制整流电压的平均值u

11.有源逆变状态下，控制触发脉冲延迟角a为π时，发生逆变颠覆！

12.抑制电流脉动的措施：

a.增加整流电路相数，或采用多重化技术；b.设置电感量足够大的平波电抗器

电流脉动的影响：

增加电动机的发热;产生脉动转矩，对生产机械不利

13.晶闸管整流器-电动机系统的机械特性：

a小于0.5π处于整流，a大于0.5π处于逆变；

电流连续区，机械特性硬；电流断续区，机械特性软；理想空载转速翘得很高；

分界线

14.晶闸管触发和整流装置看成是一个纯滞后环节，滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。

失控时间是个随机值。

最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。

15..晶闸管整流器运行中存在的问题：

（1）晶闸管是单向导电的。

（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。

（3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。

16.

简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图

左边脉冲电压;右边直流电由整流得到，VD为续流二极管

简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波形

Ø

当时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。

Ø当时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。

17稳态，指电动机的平均电磁转矩和负载转矩相平衡的状态

机械特性，指平均转速与平均转矩（电流）的关系;

18.PWM控制器与变换器的失控时间与其开关频率有关，为其倒数分之一，pwm变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性的非线性环节。

19.调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，有级或无极调速；

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；

加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；有些机械设备不宜经受剧烈速度变化，则要求起、制动尽量平稳

“调速范围”“静差率”称为调速系统的稳态性能指标。

（1）生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即

注：

a.nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速；

b.对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速

（2）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所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比，称为静差率s，即

静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的，与机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定性就越高！

硬度是机械特性的斜率！

机械硬度相同时，n0越低，S越高，稳定性越低。

调速系统的静差率指标应以最低速时的值为准。

20.调速范围、静差率和额定速降之间的关系

对于同一个调速系统，ΔnN值是定值。

若系统对静差率要求越严，即是s越小，系统能够允许的调速范围D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

题

（1）某直流调速系统电动机额定转速为nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min，当要求静差率s≤30%时，允许多大的调速范围？

如果要求静差率s≤20%，则调速范围是多少？

如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？

解：

在要求s≤30%时，允许的调速范围为

若要求s≤20%，则允许的调速范围只有

若调速范围达到10，则静差率只能是

21.开环调速系统的机械特性为

Uc可以实现线性平滑调节，故Ud0速也可以实现直流电动机的平滑调速，能实现直流电动机的平滑调速！

转速降落是由负载引起的

它制约了开环调速系统中调速范围D和转差率S

题

（2）某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：

60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。

如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采用开环调速能否满足？

若要满足这个要求，系统的额定速降ΔnN最多能有多少？

解:

当电流连续时，V-M系统的额定速降为

开环系统在额定转速时的静差率为

如要求

无法满足要求！

22.采用反馈的原因：

调速范围和静差率是一对相互制约的性能指标，如果既要提高静差率又要降低转速，唯一的办法就是降低；开环额定速降太大，而且由电动机参数决定无法改变

转速闭环控制可减少转速降落，降低静差率，扩大调速范围！

采用反馈的作用：

将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变

23.在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统

24.闭环控制系统与开环控制系统的主要区别在于转速N经过测量元件反馈到输入端参与控制！

25.闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系是运动方程的稳态解。

闭环静特性形式上与开环机械特性形似，但本质上有很大不同

26.动态响应和稳态解。

在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态值以前，是系统的动态响应；系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态特性。

27.比例控制的直流调速系统开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系

（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多

（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多

（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围

结论：

比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速系统更好的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此，需设置电压放大器和转速检测装置。

28.比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化.

题（3）某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：

60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。

在题

（2）中，龙门刨床要求D=20，s≤5%，已知Ks=30,α=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？

解:

上例中求得开环系统额定速降为

为满足闭环系统额定速降须为

由式（2-48）可得

则的

即只要放大器的放大系数等于或大于46

29.比较控制的闭环直流调速系统三个基本特征（反馈控制的基本规律）：

（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统

只要比例放大系数Kp＝常数，开环放大系数K≠∞，反馈控制就只能减小稳态误差，而不能消除它，这样的控制系统叫做有静差控制系统，有偏差才有控制

（2）反馈控制系统的作用是：

抵抗扰动,服从给定

反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，对于给定作用的变化唯命是从。

（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度

反馈控制系统不能鉴别给定电压的波动是正常调节，或者是给定电压不应有的电源波动，反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。

30.在比例控制的反馈控制系统中，比例系数Kp越大，稳态误差越小，但是闭环调速系统能否正常运行，还要看系统的动态稳定性！

对于自动控制系统，稳定性是正常工作首要条件，必须保证。

题（4）在例题

（2）中，龙门刨床要求D=20，s≤5%，已知Ks=30,α=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？

在例题（3）中，系统采用的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻，电感量为3mH，系统运动部分的飞轮惯量试判别系统的稳定性！

电磁时间常数：

机电时间常数：

晶闸管装置的滞后时间常数为

为保证系统稳定，应满足的稳定条件：

闭环系统的动态稳定性和例题2-3中稳态性能要求K>103.5是矛盾的

题（5）在上题的闭环直流调速系统中，若改用全控型器件的PWM调速系统，电动机不变，电枢回路参数为：

，，，PWM开关频率为8。

按同样的稳态性能指标，，该系统能否稳定？

如果对静差率的要求不变，在保证稳定时，系统能够达到的最大调速范围有多少？

解：

Ø

按照稳态性能指标、要求

<339.4

PWM调速系统能够在满足稳态性能指标要求下稳定运行

若系统处于临界稳定状况，

31.比例积分控制的无静差直流调速系统：

积分控制可以使系统在无静差的情况下维持恒速运行，实现无静差调速！

32.积分控制规律和比例控制规律的根本区别：

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。

积分调节器到稳态时ΔUn=0，只要历史上有过ΔUn，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的Uc

33.从无静差角度，积分控制优于比例控制

从控制快速性上，比例控制优于积分控制

产生比例积分调节器（PI调节器）

比例部分能迅速响应控制作用，

积分部分则最终消除稳态偏差

34.转速调节器用ASR表示，电流调节器用ACR表示

35.根据系统开环传递函数中积分环节的数目划分控制系统的类型：

比例控制的调速系统是0型系统，

积分控制、比例积分控制的调速系统是Ⅰ型系统

36.稳态误差定义为输入量和反馈量的差值，即

衡量系统控制的准确度的是系统对给定输入Un*的跟随能力

衡量系统抑制干扰能力的是系统抑制负载电流IdL的抗扰能力

37.阶跃给定输入的稳态误差：

在系统稳定的情况下

0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称作有差调速系统；

Ⅰ型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无差调速系统

38.扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数。

比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，故存在扰动引起的稳态误差，称作有静差调速系统；

积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以由阶跃扰动引起的稳态误差为0，称作无静差调速系统

39.转速、电流反馈控制直流调速系统的组成

在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统

40.双闭环中，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况:

（1）转速调节器不饱和,

此时两个调节器都不饱和，稳态时,它们的输入偏差电压都是零（PI）

（2）转速调节器饱和

ASR输出达到限幅值，转速呈现开环，双闭环变为电流无静差的单电流闭环调速系统！

输入反向信号，输出小于限幅值，ASR退出饱和

41.

AB段是ASR,ACR都不饱和时的静特性，Id

BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,n

42.转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析：

⏹转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。

⏹起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，

⏹转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。

43.双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：

（1）饱和非线性控制

（2）转速超调

（3）准时间最优控制

44.动态抗扰性能分析：

调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能

（1）抗负载扰动

负载扰动作用在电流环之后，只能靠ASR来产生抗负载扰动的作用

（2）抗电网电压扰动

电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善

45.转速调节器的作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化,如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起抗扰作用。

（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流

46.电流调节器的作用

（1）在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。

（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常

47.交流拖动控制系统的应用领域

Ø一般性能调速和节能调速

Ø高性能的交流调速系统和伺服系统

Ø特大容量、极高转速的交流调速

48.按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类：

Ø转差功率消耗型调速系统，代表为转子串电阻和定子降压调速

Ø转差功率馈送型调速系统，代表为串级调速

Ø转差功率不变型调速系统，代表为变极对数调速和变压变频调速

49.交流电动机的转速表达式

推出交流电动机的3种调速方法：

Ø变极对数

Ø变电源频率

Ø变转差率

50.变级调速：

有级调速，转速不能连续调节；

变转差率调速：

不调同步转速，低速时，转差损耗大，效率低，是有级调速，转速不能连续调节；只有串级调速时（转子串附加电动势调速），转差损耗才得以应用

变频调速：

调的是同步转速，因此在调速过程中保持有限的转差率

51.常用的基于稳态模型的异步电动机调速方法有调压调速和变压变频调速两类

52.异步电动机调速（调速本质）

所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的

异步电动机的调速3方法：

电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）

53.保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调速方法称作调压调速

由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压只能降低，不能升高，故又称作降压调速

54.变压变频调速

Ø在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式。

Ø在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，由于转速上升，允许输出功率基本恒定，属于“近似的恒功率调速”方式。

55.异步电动机变频调速需要电压与频率均可调的交流电源，常用的交流可调电源是由电力电子器件构成的静止式功率变换器，一般称为变频器

Ø交-直-交变频器：

先将恒压恒频的交流电整成直流，再将直流电逆变成电压与频率均为可调的交流，称作间接变频。

Ø交-交变频器：

将恒压恒频的交流电直接变换为电压与频率均为可调的交流电，无需中间直流环节，称作直接变频。

56.用频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波，用频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波。

载波和调制波交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称作正弦波脉宽调制（spwm）