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11234()()(obj KWsTsTsK1=2；T 1=0.4s；T 2=0.08s；T 3=0.015s；T 4=0.005s。要求阶跃输入时系统超调量 %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 1()iPIpWsKs取 ，并将 、 、 看成小时间常数，令10.4iTs2T340.8.150.1ss则按典型 I 型系统校正时系统开环传递函数为 11()()()piip KsWKTsTs取 ，则12piKT10.412ipiKT调节时间 6.6sts所以 PI 调节器的参数 ， ；调节时间 。0.4ipi 0.st2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 ？ din，0din（ ）tLImI( a )( b )di， mI LIn（ ）0图 1 - 3 0 调速系统启动过程的电流和转速波形t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 nU+- nPKctUsd0e1CEn+-RI图 1 - 1 1 转速负反馈单环调速系统稳态结构图恒压调节过程： （2）0*0 )(dctnnndd UUIU电 网 电 压单闭环电压负反馈调速静态结构图和信号标注图 1 - 2 0 电压负反馈调速系统稳态结构图e1C( a )En+-nUPKctUnsd0nRa+-+-dI nUsKpe1CndU( b )+-e1CsKpdUn+- ndRI( c )e1Cn- adRI( d )Ud恒压调节过程： dctu*nnu0 )Ud电 网 电 压（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；KRIUEnede0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0d路电阻 。R（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0dUn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=1.5 ， Rn=1， 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 ，V10*nU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 。答：（1） 2015.60.13(min/)daeUIRCvrn.97.(/i)3150.56n().dopeclIrsnD（2） ； V.min/r8.7pK77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 值整定，即 。imdUI8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enomdctsCIRUK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/（1K） ；（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/（1K） ；（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（1K）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？ 调速范围 D=nmax/nmin=nnom/nmin 静差率 S=n nom/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. G-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。 V-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。 PWM：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 。 U n Uc3）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 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；只有达到 U n U n * ， U n 0 时， U c 才停止上升；不到 U n 变负， U c不会下降。当 U n0 时， U c 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 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 。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型系统，确定电流调节器参数。 （提示：取工程最佳 =0.707 时， =0.5；注意iTKI小惯性环节降阶处理的