电力拖动自动控制系统作业

1、电力拖动习题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特性？解：省掉了平波电抗器，电磁时间常数小；开关频率高，时间响应滞后时间短，动态响应加快，抗干扰能力增强，提高了系统动态性能。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。解：制动时：当ug1为正时，由于vd1的续流作用，vt1不能导通，ug2为负，vt2截止；当ug1为负时，vt1截止，此时ug2为正，vt2导通。1-3调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静态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？解：调速范围：生产机械对电动机

2、所提出的最高转速nmax与最低转速nmin之比叫做调速范围，用字母d来表示。nmax与nmin通常指额定负载下的转速。静差率：负载由理想空载增加到额定负载所产生的转速降落nn，与理想空载转速n0的比值，称作静差率，用字母s表示，一般用百分数表示调速范围、静态速降和最小静差率之间的关系如下式：最低转速越高，对应s值越小，当要求的s值一定时，如果没有调速范围限制，可以容易的通过提高最低转速来满足对s的要求。1-4某一调速系统，测得的最高转速特性为n0max=1500r/min, 最低转速特性为n0min=150r/min，带额定负载时的转速降落nn=15r/min，且在不同转速下nn不变，试问系统

3、能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？解： 1-5某闭环调速系统的调速范围是1500150r/min，要求系统的静差率s2%，那么系统容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？解： 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： 扩大的倍数为： 1-7某调速系统的调速范围d=20，额定转速nn=1500r/min，开环转速降落nnop=240r/min，若要求系统的静差率由10%降到5%，则系统的开

4、环增益将如何变化？解： 1-8转速单闭环调速系统有哪些特点？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，调节测速反馈电位器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？解：闭环调速系统可以得到比开环调速系统硬的多的稳态特性，从而在保证一定静差率要求的情况下，能够提高调速范围，代价是增设放大器以及检测和反馈装置。改变给定电压可以改变电机的转速，给定改变时，偏差改变，变流器输出改变，电机转速改变；给定不变，调反馈分压比可以改变电机转速，理由同上；测速机励磁变化对转速的影响，无法克服，效果相当于改变反馈电位器分压比，转速变化是必然的。

5、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、测速发电机的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？解：其中电网电压变化、电动机励磁电流变化、电枢电阻变化等反馈闭环都能调节，因为它们都作用在闭环所包围的前向通道上；而测速发电机励磁变化对转速的影响闭环无法调节，因为它作用在反馈环之外。1-10有一v-m调速系统，电动机参数为：pn=2.2kw，un=220v，in=12.5a，nn=1500r/min,电枢电阻ra=1.2,整流装置内阻rrec=1.5，触发整流环节的放大倍数ks=35。要求系统满足调速范围d=20，静差率s10

6、%。（1）计算开环系统的静态速降nop和调速要求所允许的闭环静态速降ncl。（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un*=15v时，id=in，n=nn，则转速反馈系数应该是多少？（4）计算放大器所需的放大倍数。解：（1） （2）3）可近似计算为： 4）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idbl2in，临界截止电流idcr1.2in，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土图，并计算电流反馈

7、放大系数。这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多少？解： 1-12某调速系统原理图如图1-58，已知数据如下：电动机：pn=18kw，un=220v，in=94a，nn=1000r/min,电枢电阻ra=0.15,整流装置内阻rrec=0.3，触发整流环节的放大倍数ks=40。最大给定电压unm*=15v，当主电路电流达到最大值时，整定电流反馈电压uin=10v。 设计指标：要求系统满足调速范围d=20，静差率s10%，idbl1.5in，idcr1.1in。试画出系统的静态结构框图，并计算： (1) 转速反馈系数。 (2) 调节器放大系数kp。 (3) 电阻r1的数值。（放大器输入电阻r0=2

8、0k） (4)电阻r2的数值和稳压管vs的击穿电压值。 解：（1） 近似计算为： （2）（3） （4） 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？放大器的放大系数kp；供电电网电压；电枢电阻ra；电动机励磁电流；电压反馈系数。解：放大器放大系数、供电电网电压波动能够调节，因为作用在反馈环的前向通道上； 电枢电阻变化、电动机励磁电流变化及电压反馈系数变化无法调节，作用在反馈环外。1-14有一v-m调速系统，已知：电动机：pn=2.8kw，un=220v，in=15.6a，nn=1500r/min,电枢电阻ra=1.5,整流装置内阻rrec=1，触

9、发整流环节的放大倍数ks=35。（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%时，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，s=10%，在un*=10v时id=in,n=nn，计算转速反馈系数和放大器放大系数kp。（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求在un*=10v时id=in,n=nn，并保持系统原来的开环放大系数k不变，试求在d=30时的静差率。解：（1） （2）（3） （4） 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gd2=1.6n·m2，整流

10、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？如要保证系统稳定运行，允许的最大开环放大系数k是多少？解： 在题1-10中，为满足静态指标要求，求出 ，但系统不稳定； 时系统才稳定。 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u=0时，调解器的输出电压是多少？它取决于哪些因素？解：积分的保持作用，决定了在稳态时调节器的输入偏差一定为零，即静差为零；零或任一常数，取决于对历史上对非零偏差电压的积累。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？试说明理由。解：受影响；

11、这两种干扰作用在反馈所包围的前向通道之外，对转速造成的影响无力调节。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。解：有静差；电枢电阻造成的转速下降无力调节，它作用在电压负反馈环之外。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？改变速度调节器的放大倍数kn行不行？改变电力电子变换器的放大倍数ks行不行？改变速度反馈系数行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？解：调节给定电压或速度反馈电位器的分压比； 而改变 、 均不行，调可以； 改变速度调节器的输出限幅值或电流反馈系数可以改变堵转电流。 2-

12、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？解：asr、acr采用pi调节器，稳态运行时其输入偏差电压一定为零，而输出电压分别是： 若输入偏差不为零，系统不是稳态；速度调节器的输出由负载电流决定，电流调节器的输出由速度给定与负载电流决定。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、动态性能会产生什么影响？答：稳态：由无静差变为有静差；动态：响应加快、稳定性变差。 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）调速系统的静特性；（2）动态限流性能；（3）

13、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）前者优于后者；（2）前者优于后者；（3）前者优于后者；（4）相差不多；（5）前者优于后者。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ui是否为零？为什么？答：ui不为零，速度调节器输出限幅值，整流电路饱和输出，电机达最高转速，电流反馈对应负载电流，电流调节器给定大于反馈，故差值非零。2-6在转速、电流双闭环调速系统中，转速给定信号un*未改变，若增大转速反馈系数，系统稳定后转速反馈电压un是增加还是减少？为什么

14、？答：速度减少，稳态时，故增大，n成比例减少。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：pn=3.7kw，un=220v，in=20a，nn=1000r/min,电枢回路总电阻r=1.5,设unm*=uim*=ucm=8v，电枢回路最大电流idm=40a，电力电子变换器的放大系数ks=40。试求：（1）电流反馈系数和转速反馈系数；（2）当电动机在最高转速发生堵转时的ud0、ui*、ui、uc值。解：（1） （2） 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uim*=8v时，主电路电流达到最大电

15、流80a。当负载电流由40a增加到70a时，试问：（1）ui*应如何变化？（2）uc应如何变化？（3）uc值由哪些条件决定？答：（1）由4v增加到7v；（2）增大；（3）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ui*、uc、ud0、id及n在系统重新进入稳定后的表达式。解：速度提调节器不饱和：速度不变，电枢电流增大一倍；速度调节器饱和：速度为零，电流为堵转电流；2-10某反馈控制系统已校正成典型型系统。已知时间常数t=0.1s，要求阶跃响应超调两10%。（1）求系统的开环增益；（2

16、）计算过渡过程时间ts和上升时间tr；（3）绘出开环对数幅频特性。如果要求上升时间tr<0.25s，则k=？，=？ 解：（1）取 则，满足要求，于是 （2） （3） ，取10，则 2-11有一个系统，其控制对象的传递函数为 ，要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量5%（按线性系统考虑）。试对该系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。 解：校正成典型型系统，且选 ，选积分调节器，传函为： 闭环系统的开环传递函数： 于是，有 2-12有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为 ，要求校正为典型型系统，在阶跃输入下系统超调量30%（按线性系统考虑）。试决定调节器的结构，并选择其参数

17、。 解：选pi调节器： ，开环传递函数为： 选 ，查表， ，满足要求； 2-13调节对象的传递函数为 ，要求用调节器分别将其校正为典型型和典型系统，求调节器的结构与参数。 解：校正成典型型：取pi调节器，且 ，即有; 取kt=0.5，则 校正成典型型：大惯性近似处理为积分环节，再取pi调节器； 取中频宽 ，则 ，而 2-14在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：pn=60kw，un=220v，in=308a，nn=1000r/min,电动势系数ce=0.196v·min/r，主回路总电阻r=0.18,触发整流环节的放大倍数ks=35。

18、电磁时间常数tl=0.012s，机电时间常数tm=0.12s，电流反馈滤波时间常数toi=0.0025s，转速反馈滤波时间常数ton=0.015s。额定转速时的给定电压（un*）n=10v，调解器asr、acr饱和输出电压uim*=8v，ucm=6.5v。 系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围d=10，电流超调量 ，空载起动到额定转速时的转速超调量 试求： （1）确定电流反馈系数（假设起动电流限制在339a以内）和转速反馈系数； （2）试设计电流调节器acr，计算其参数ri、ci、c0i。画出其电路图，调节器输入回路电阻r0=40k； （3）设计转速调节器asr，计算其参数rn、cn、c

19、on,（r0=40k）；（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调（5）计算空载起动到额定转速的时间。解：（1） （2）电流调节器设计：按系统指标，校正成典型型，取 被控制对象的传递函数： 取pi调节器： 取 ,系统校正后开环传递函数： （3）速度环设计：确定时间常数： 取pi调节器，校正成典型型，按指标要求，取 （4）计算：40%负载启动到最低转速100r/min，超调量 （5）计算：空载起动到额定转速超调量与启动时间 2-15有一转速、电流双闭环调速系统，主电路采用三相桥式整流电路。已知电动机参数为：pn=555kw，un=750v，in=760a，nn=375r/min,

20、电动势系数ce=1.82v·min/r，电枢回路总电阻r=0.14,允许电流过载倍数 ，触发整流环节的放大倍数ks=75，电磁时间常数tl=0.031s，机电时间常数tm=0.112s，电流反馈滤波时间常数toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数ton=0.02s。设调节器输入输出电压unm*=uim*=ucm=10v，调节器输入电阻r0=40k。 设计指标：稳态无静差，电流超调量 空载起动到额定转速时的转速超调量 按指标要求：速度环应校正成典型型系统，取pi调节器，选 ，取 ，取 ，取 2-16在一个转速、电流双闭环v-m系统中，转速调节器asr，电流调节器acr均采用pi调节器

21、。 （1）在此系统中，当转速给定信号最大值unm*=15v时，n=nn=1500r/min；电流给定信号最大值uim*=10v时，允许最大电流idm=30a，电枢回路总电阻r=2，晶闸管整流装置的放大倍数ks=30，电动机的额定电流in=20a，电动势系数ce=0.128v·min/r。现系统在un*=5v，idl=20a时稳定运行。求此时的稳态转速n=?acr的输出电压uc=? (2)当系统在上述情况下运行时，电动机突然失磁（=0），系统将会发生什么现象？试分析并说明。若系统能够稳定下来，则稳定后n=? un=? ui*=？ui=？id=? uc=? （3）该系统转速环按典型型系统

22、设计，且按mmin最小准则选择参数，取中频宽h=5，已知转速环小时间常数 ，求转速环在跟随给定作用下的开环传递函数，并计算出放大系数及各时间常数。（4）该系统由空载（idl=0）突加额定负载时，电流id和转速n的动态过程波形是怎样的？已知机电时间常数tm=0.05s，计算其最大动态速降和恢复时间 解：先求相关常数： （1） （2）因为电磁转矩为零，在负载的作用下转速下降到零； （3） （4）基准值： 2-17有一转速、电流双闭环控制的h形双极式pwm直流调速，系统，已知电动机的参数为：pn=200w，un=48v，in=3.7a，nn=200r/min,电枢电阻ra=6.5,电枢回路总电阻r=

23、8,允许的电流过载倍数 ，pwm环节的放大倍数 ，电势系数ce=0.12v·min/r，电磁时间常数tl=0.015s，机电时间常数tm=0.2s，电流反馈滤波时间常数toi=0.001s，转速反馈滤波时间常数ton=0.05s。设调节器输入输出电压unm*=uim*=ucm=10v，调节器输入电阻r0=40k。已计算出电力晶体管d202的开关频率 试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差，电流超调量 空载起动到额定转速时的转速超调量 ；过度过程时间 解：应用工程设计法： 电流环设计：校正成典型型系统，取pi调节器： 3-1直流电动机额定转速nn=375r/min，电枢电流额

24、定值idl=760a，允许过流倍数=1.5，计算机内部定点数占一个字的位置（16位），试确定数字控制系统的转速反馈存储系数和电流反馈存储系数，适当考虑余量。解：最高位为符号位，最大存储值： 则电流存储系数，考虑动态过程中电流可能有冲击，按 计算：转速存储系数：取最高转速 最后取整： 3-2旋转编码器光栅数为1024，倍频系数为4，高频时钟脉冲频 率 ，旋转编码器输出的脉冲个数和高频时钟脉冲个数均采用16位计数器，m法和t法测速时间均为0.01s，求转速n=1500r/min和n=150r/min时的测速分辨率和误差率最大值。解：m法测速：时 测速分辨率： 测速误差： 时测速分辨率：不变，与转速

25、无关；测速误差： t法测速： 时测速分辨率： 测速误差： 时测速分辨率： 测速误差：3-3将习题2-14设计的模拟电流调节器进行数字化，采样周期， 调节器输出限幅及积分限幅均为，写出位置式和增量式数字pi调节器的表达式，并用已掌握的汇编语言设计实时控制程序。解：（略）3-4根据习题2-15电流调节器的设计结果（电流调节器按典型型系统设计，kt=0.5），按离散系统设计方法设计转速调节器，要求转速无静差。已知电动机额定功率pn=555kw，额定电压un=750v，额定电枢电流in=760a，额定转速nn=375r/min, 电动势系数ce=1.82v·min/r，电枢回路总电阻r=0.14,允许过载倍数，机电时间常数tm=0.112s，转速反馈滤波时间常数 ton=0.02s，电流反馈存储系数，转速反馈存储系数，转速调节器采样时间，电流环小惯性时间常数4-1晶闸管-电动机系统需要快速回馈制动时，为什么必须采用