电力拖动自动控制直流调速系统的课后习题.docx

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电力拖动自动控制直流调速系统的课后习题

1．设控制对象的传递函数为

，式中K1=2；T1=0.4s；T2=0.08s；T3=0.015s；T4=0.005s。

要求阶跃输入时系统超调量σ%<5%。

用PI调节器将系统设计成典型I型系统，试设计调节器参数并计算调节时间ts。

解：

用PI调节器校正时，调节器传递函数为

取

，并将

、

、

看成小时间常数，令

则按典型I型系统校正时系统开环传递函数为

取

，则

调节时间

所以PI调节器的参数

，

；调节时间

。

2．画出直流电动机理想启动时的转速、电流与时间的关系曲线。

采用理想启动的目的是什么？

如何实现？

理想启动是使启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速以直线规律上升，以缩短启动时间。

工程上常采用转速电流双闭环负反馈调速系统。

启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用。

3．在单闭环转速负反馈调速系统中引入“电流截止负反馈环节”的作用是什么？

其中“截止”的含义是什么？

转速、电流双闭环调速系统是否也需要引入电流截止负反馈？

为什么？

答：

单闭环转速负反馈调速系统不能限制过电流，引入电流截止负反馈可以对电机过载起到保护作用。

；“截止”指的是电流不过载时，去掉电流负反馈。

；转速、电流双闭环调速系统不需要引入电流截止负反馈。

；因为转速调节器的输出限幅值限制了最大电流给定值，再通过电流环的电流调节作用，即可实现限流。

4．分别画出单闭环转速负反馈调速系统和单闭环电压负反馈调速系统的静态结构图；标出静态结构图中各个环节的信号；再分别说明两种系统在电网电压降低后如何进行恒压调节？

从而说明哪种系统对电网电压的扰动具有更强的抗扰能力？

答：

（1）单闭环转速负反馈调速

静态结构图和信号标注

恒压调节过程：

（2）单闭环电压负反馈调速

静态结构图和信号标注

恒压调节过程：

（3）单闭环电压负反馈调速系统对电网电压的扰动具有更强的抗扰能力

5．写出直流电动机的转速表达式，说明它有哪3种调速方式？

每种调速方式的优、缺点是什么？

答：

转速表达式

；

有三种调速的方法，即调节电枢电压

；减弱励磁磁通

；改变电枢回路电阻

。

（1）调

可平滑地调节转速

，机械特性将上下平移。

但电压只能向小于额定电压的方向变化。

（2）弱磁调速是在额定转速以上调速，其调速范围不可能太大。

但所需功率小。

（3）改变电枢电阻调速简单，但是损耗较大，只能进行有级调速。

6．有一V-M系统，已知：

Pnom=2.8kW，Unom=220V，Inom=15.6A，nnom=1500r/min，Ra=1.5Ω，Rn=1Ω，Ks=37。

（1）当D=30、s=10%时，计算系统允许的稳态速降。

（2）如为转速负反馈有静差系统，要求D=30，s=10%，在

时，使电机在额定点工作，计算放大器放大系数Kp和转速反馈系数α。

答：

（1）

（2）

；

V.min/r

7．在转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器有哪些作用？

其输出限幅值应按什么要求来整定？

答：

1）转速调节器的作用：

a.使转速n跟随给事实上电压Un变化，实现转速无静差调节；

b.对负载变化起抗扰作用；

c.其饱和输出限幅值用为系统允许最大电流的给定，起饱和非线性控制，以实现系统在最大电流约束下起动过程。

2）其输出限幅值应按最大电流值Idm和β值整定，即

。

8．在转速、电流双闭环调速系统中，电流调节器有哪些作用？

其限幅值应如何整定？

答：

1）电流调节器的作用：

a.起动时，实现最大允许电流条件下的恒流升速调节——准时间最优；

b.在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Un变化；

c.对电网电压波动及时起抗扰作用；

d.当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。

如果故障消失，系统能自动恢复正常。

2）电流调节器输出限幅值应按下式整定：

，并保证最小控制角的限制。

9．闭环系统的静特性优于开环系统的机械特性，表现在哪些方面。

答：

如下四方面：

（1）在相同的负载下，闭环系统的转速降落仅为开环系统转速降落的1/（1＋K）；

（2）在相同的理想空载转速时，闭环系统的静差率是开环系统静差率的1/（1＋K）；

（3）在静差率相同时，闭环系统的调速范围是开环系统调速范围的（1＋K）倍；

（4）闭环系统设置放大器后，才能获得以上各方面好的性能。

10．什么是调速范围D？

什么是静差率S，两者的关系如何？

用什么方法可以使调速系统满足D大S小的控制要求？

①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin

②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。

11.①G-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

12．常用的可控直流电源主要有哪些？

答：

常用的可控直流电源有以下三种：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

13．下图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理图，各部件的名称和作用。

答：

1）比较器：

给定值与测速发电机的负反馈电压比较，得到转速偏差电压。

Un

2）比例放大器A：

将转速偏差电压放大，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压。

UnUc

3）电力电子变换器UPE：

将输入的三相交流电源转换为可控的直流电压。

Ud

4）M电机：

驱动电机。

5）TG发电机：

测速发电机检测驱动电机的转速。

6）电位器：

将测速发电机输出电压降压，以适应给定电压幅值。

Un*

14．闭环系统静特性的定义？

与开环系统比较有何特点？

答

（1）定义：

表示闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系。

（2）特点：

1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬的多，

2）如果比较同一N0的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小的多。

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。

4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。

15.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∆Un变化时，只要其极性不变，积分调节器的输出Uc便一直增长；

只有达到Un=Un*，∆Un=0时，Uc才停止上升；不到∆Un变负，Uc不会下降。

当

∆Un=0时，Uc并不是零，而是一个终值；如果n∆U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∆Un=0，但历史上有过∆Un，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Uc。

16．转速电流双闭环系统中，转速调节器、电流调节器的作用?

答：

转速调节器和电流调节器的作用：

（1）转速调节器ASR的作用：

1）转速n跟随转速给定电压变化，稳态无静差。

Un*

2）突加负载时转速调节器ASR和电流调节器ACR均参与调节作用，但转速调节器ASR处于主导作用，对负载变化起抗扰作用。

3）其输出电压限幅值决定允许最大电流值。

（2）电流调节器ACR的作用

1）起动过程中保证获得允许最大电流。

2）在转速调节过程中，使电流跟随其电流给定电压变化。

Un*

3）电源电压波动时及时抗扰作用，使电动机转速几乎不受电源电压波动的影响。

4）当电动机过载、堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到安全保护作用。

17．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为零，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim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Udm.

各变量的稳态工作点和稳态参数计算

在稳态工作点上,n由给定电压U*n决定；ASR的输出量U*i由负载电流IdL决定

18．已知电流环的动态结构图如下图所示，将该系统校正为典型Ⅰ型系统，确定电流调节器参数。

（提示：

取工程最佳ξ=0.707时，

=0.5；注意小惯性环节降阶处理的条件

，

）

解：

（1）对动态结构图进行等效变换如下图：

（2）进行小惯性时间常数的近似处理：

；则动态结构图化简为如下图：

（3）选择PI调节器：

确定ACR的超前时间常数为：

取工程最佳，有

（1/S）

又因为

所以有ACR的比例系数为：

（4）校验近似条件：

而

，满足近似条件。