《电力拖动自动控制系统》习题答案1.docx
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《电力拖动自动控制系统》习题答案1
第一章闭环控制的直流调速系统
1－1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。
1－2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，为负值，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
di2VT1gU的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电
压降低。
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，很
快使电流反向，截止，在
dUdEU>
di2VDont≤＜Ｔ时，2gU变正，于是导通，反向电流沿回路
3流通，产生能耗制动作用。
在＜Ｔ+时，关断，
2VTTt≤ont2VTdi.沿回路4经续流，向
电源回馈制动，与此同时，两端压降钳住使它不能导通。
在制动状态中，和
轮流导通，而始终是关断的。
1VD1VD1VT2VT1VT1VT
在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有达到
周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时两端电压也降为零，便提前导通了，使电流反向，
产生局部时间的制动作用。
1VTdi2VD2VD2VT
１－３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Ｄ表示，即
maxminnDn=其中，和一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，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。
maxnminn
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
0NnsnΔ=
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
0minNNNnnsnnnΔΔ==
+Δ
所以
min1500.023.06/min110.02Nnsnrs×Δ===
..
因为
1opclnnKΔΔ=
+
所以
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
则
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×Δ===
×15000.1（1-s）（1-0.1）
此时
2401127.88.33opclnKnΔ=.=.=
Δ
当s=5%时，3.95/min20NNnsnrD×Δ===
×15000.05（1-s）（1-0.05）
此时
2401159.83.95opclnKnΔ=.=.=
Δ
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？
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
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？
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=.=.=
Δ
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
文本框:
IBd
+
-
AGTMTG+
-
+
-
+
-
Utg
UdId
n+
-
-
+Un
ΔUn
U*
n
UcUPE+
-
MTIdUn
UdUcUntg
解：
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。
解：
（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..×===.
×Δ===op
则开环系数额定速降为
（0.15+0.3）
n0.2059
5.56/min20NnsrD×Δ=≤=
×cl10000.1n（1-s）（1-0.1）
闭环系统的开环放大系数应为
205.41135.95.56opclnKnΔ=.=.=
Δ
运算放大器所需的放大倍数
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；pK
（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。
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。
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：
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。
pK
（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。
解：
（1）系统开环工作时，
22015.61.50.1311min/
1500NNaeNUIRCVn..×===.
15.6297.5/minNeIRrC×Δ===op
则开环系数额定速降为
（1.5+1）
n0.1311
则
30297.5100%100%85.6%
150030297.5NNNDnsnDnΔ×=×=×=
+Δ+×
（2）当D=30，s=10%，系统允许的稳态速降
15000.15.56/min30NNnsnrD×Δ===
×（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..
====
闭环系统的开环放大系数应为
297.51152.515.56opclnKnΔ=.=.=
Δ
运算放大器所需的放大倍数
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=
30297.5100%100%85.6%
150030297.5NNNDnsnDnΔ×=×=×=
+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
少？
21.6GDNm=.
解：
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；如果
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。
答：
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？
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？
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
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。
改变转
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
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
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？
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；
（4）抗负载扰动的性能；
（5）抗电源电压波动的性能。
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。
nU.
nU.
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？
为什么？
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？
为什么？
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：
电动机：
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
解：
（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？
cU
（3）值由哪些条件决定？
cU
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
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