《电力拖动自动控制系统》习题答案1Word下载.docx
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或用百分比表示
0100%NnsnΔ=×
在直流电动机变压调速系统中,一般以电动机的额定转速作为最高转速Nn
则
0minNNNnnsnnnΔΔ==
+Δ
min
(1)NNNnsnnssΔ.
∴=.Δ=
maxmin
(1)
NNnnSDnn==
Δ.
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,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。
NnΔ
1-4某一调速系统,测得的最高转速特性为max1500/minOnr=,最低转速特性为
,带额定负载时的速度降落min150/minOnr=15/minNnrΔ=,且在不同转速下额定速降
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?
NnΔ
解系统能够达到的调速范围为
maxmin15001115015nDn===
.
系统允许的静差率1115100%100%10%
15001115NNNDnsnDnΔ×
=×
=
+Δ+×
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,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?
2%s≤
解因为
所以
min1500.023.06/min110.02Nnsnrs×
Δ===
..
因为
1opclnnKΔΔ=
+
1001131.73.06opclnKnΔ=.=.=
Δ
1-6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clenCΔ=dRI(1+K)
所以clenC=Δ×
dRI(1+K)=8(1+15)=128
1284.13/min130clenrCΔ===
+
dRI(1+K)
(2)由
(1)
NNnSDnS=
Δ.
,可知在s和不变的情况下,D只与NnNnΔ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1500/minNnr=,开环转速降落
,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?
240/minNopnrΔ=
解;
当s=10%时,8.33/min20NNnsnrD×
×
15000.1(1-s)(1-0.1)
此时
2401127.88.33opclnKnΔ=.=.=
当s=5%时,3.95/min20NNnsnrD×
15000.05(1-s)(1-0.05)
2401159.83.95opclnKnΔ=.=.=
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?
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?
(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?
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:
2.2220NNPkWUV12.5NIA=,
,电枢电阻1500/minNnr=1.2aR=Ω,整流装置内阻1.5recR=Ω,触发整流环节的放
大倍数。
要求系统满足调速范围D=20,静差率35sK=10%s≤。
(1)计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降。
opnΔclnΔ
(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,使当时,15nUV.=dNII=N,n=n,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
22012.51.20.1367min/
150012.5246.9/minNNaeNNeUIRCVnIRrC..×
===.
Δ===op
则开环系数额定速降为
(1.2+1.5)
n0.1367
额定负载时的稳态速降应为
8.33/min20NnsrD×
Δ=≤=
cl15000.1n(1-s)(1-0.1)
(2)系统的静态结构框图如下所示
转速负反馈系统的原理图
(3)当时,15nU.=dNII=N,n=n,则转速负反馈系数α应该是
150.011500nnNUUnnα..
====
(4)闭环系统的开环放大系数应为
246.91128.648.33opclnKnΔ=.=.=
运算放大器所需的放大倍数
28.6411.19/0.0135/0.1367PSeKKKCα===
1—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2dblNII≤,临界
截止电流1.2dcrNII≥,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?
文本框:
UBn
KpKs
α
1/CeU*
nUcΔUnEnUd0
Un+
-IdR-
UnKs
IBd
-
AGTMTG+
Utg
UdId
n+
+Un
ΔUn
U*
n
UcUPE+
MTIdUn
UdUcUntg
因为
21.2ncomdblNScomdcrNSUUIIRUIIR.+
=≤
=≥
且=15V,计算可得.
nU1.522.5sRV=Ω=com,U
21.2ncomdblNScomdcrNSUUIIRUIIKR.+
1—12某调速系统原理图如图1-58所示,已知数据如下:
电动机;
18NPkW=,220NUV=,
,941000/minNIAr==N,n0.15aR=Ω,整流装置内阻0.3recR=Ω,触发整流环节
的放大倍数。
最大给定电压,当主电路电流达到最大值时,整定电流
反馈电压
40sK=15nmU.=
10imUV=
设计指标:
要求系统满足调速范围D=20,静差率10%s≤,1.5dblNII=,。
1.1dcrNII=。
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。
pK
(3)电阻1R的数值。
(放大器输入电阻020Rk=Ω)
(4)电阻2R的数值和稳压管VS的击穿电压值。
(1)转速负反馈系数α应该是
150.0151000nnNUUnnα..
(2)先计算电动机的电动势系数
220940.150.2059min/
100094205.4/minNNaeNNeUIRCVnIRrC..×
(0.15+0.3)
n0.2059
5.56/min20NnsrD×
cl10000.1n(1-s)(1-0.1)
闭环系统的开环放大系数应为
205.41135.95.56opclnKnΔ=.=.=
35.912.3/0.01540/0.2059PSeKKKCα===
1—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;
(2)供电电网电压;
(3)电枢电阻aR;
(4)电动机励磁电流;
(5)电压反馈系数γ。
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。
pK
电动机励磁电流、电枢电阻aR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。
1-13有一个V—M系统,已知:
电动机:
2.822015.6NNNPkWUVI===,,
,,整流装置内阻1500/minr=Nn1.5aR=Ω1recR=Ω,触发整流环节的放大倍数
。
35sK=
(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=30,10%s=,在时,10nUV.=
dNII=N,n=n,计算转速负反馈系数α和放大器放大系数。
(4)如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统,仍要求时,
并保持系统原来的开环放大系数K不变,试求在D=30时静
10nUV.=
dNII=N,n=n
差率。
(1)系统开环工作时,
22015.61.50.1311min/
1500NNaeNUIRCVn..×
===.
15.6297.5/minNeIRrC×
(1.5+1)
n0.1311
则
30297.5100%100%85.6%
150030297.5NNNDnsnDnΔ×
(2)当D=30,s=10%,系统允许的稳态速降
15000.15.56/min30NNnsnrD×
(1-s)(1-0.1)
(3)当时,10nU.=dNII=N,n=n,则转速负反馈系数α应该是
100.0071500nnNUUnnα..
297.51152.515.56opclnKnΔ=.=.=
52.5130.6/0.00735/0.1311PSeKKKCα===
(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297.5/minclopnnrΔ=Δ=
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
,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
21.6GDNm=.
计算系统中各环节的时间常数:
电磁时间常数
0.050.01851.21.5lLTsR===
机电时间常数
21.6(1.21.5)0.065303753750.13670.1367memGDRTsCCπ×
===
三相桥式整流电路,晶闸管装置的滞后时间常数为0.00167sTs=
为保证系统稳定,开环放大系数应满足的稳定条件:
22()0.065(0.01850.00167)0.0016742.50.01850.00167mlsslsTTTTKTT++×
++
<
因为23.1>
28.75,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
的输入偏差电压时,调节器的输出电压是多少?
它取决于那些因素?
0UΔ=
答;
在动态过程中,当变化时,只要其极性不变,积分调节器的输出便一直增长;
只有达到时,才停止上升;
不到
nUΔcU,0nnnUUU.=Δ=cUnUΔ变负,不会下降。
当
时,并不是零,而是一个终值;
cU0nUΔ=
cUnUΔ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,但历史上有过0nUΔ=nUΔ,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。
cU
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。
系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
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?
试说明理由。
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,应调节什么参数?
改变转
速调节器的放大倍数行不行?
改变电力电子变换器的放大倍数nKsK行不行?
改变
转速反馈系数α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?
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
因此转速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。
速调节器的放大倍数和电力电子变换器的放大倍数
nU.
nKsK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
当两个调节器都不饱和时,它们的输入偏差电压都是零
转速调节器ASR的输出限幅电压imU.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。
cmUdmU
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?
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;
(4)抗负载扰动的性能;
(5)抗电源电压波动的性能。
(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KpKsRs,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。
0n*
nnnUUαα===
(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
反馈回来,抗扰性能大有改善。
2-5在转速、电流双闭环调速系统中,两个调节器均采用PI调节器。
当系统带额定负载运
行时,转速反馈线突然断线,系统重新进入稳态后,电流调节器的输入偏差电压是否
为零?
iUΔ
2-6在转速、电流双闭环调速系统中,转速给定信号nU.未改变,若增大转速反馈系数α,
系统稳定后转速反馈电压是增加还是减少?
nU
2-7在转速、电流双闭环调速系统中,两个调节器ASR、ACR均采用PI调节器。
已知参
数:
3.7,220,20,1000/minNNNNPkWUVIAnr====,电枢回路总电阻
,设,电枢回路最大电流1.5R=Ω8nmimomUUU..===40dmIA=,电力电子变换器的
放大系数。
试求:
40sK=
(1)电流反馈系数β和转速反馈系数α;
(2)当电动机在最高速发生堵转时的、0dUiU.、、值。
iUcU
(1)稳态时
80.2/
40imdmimdmUIUVAIββ.
.
因为
所以
max80.008min/
1000nmUVrnα.
(2)电动机在最高速发生堵转时n=0
0401.560dedUCnIR=+=×
=
8iidUUIβ.=.==
8iUV=
0601.540dcsUUVK===
2-8在转速、电流双闭环调速系统中,调节器ASR、ACR均采用PI调节器。
当ASR输出
达到时,主电路电流达到最大电流80A。
当负载电流由40A增加到70A时,试问:
8imU.=
(1)应如何变化?
iU.
(2)应如何变化?
(3)值由哪些条件决定?
2-9在转速、电流双闭环调速系统中,电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行,现
因某种原因使电动机励磁电源电压突然下降一半,系统工作情况将会如何变化?
写出、
、、
iU.
cU0dUdI及n在系统重新进入稳定后的表达式。
2-10某反馈控制系统已校正成典型I型系统。
已知时间常数T=0.1s,要求阶跃响应超调量
10%σ≤。
(1)求系统的开环增益;
(2)计算过度过程时间st和上升时间tτ;
(3)绘出开环对数幅频特性。
如果要求上升时间0.25tτ<
,则K=?
,?
σ=
2-11有一个系