电力拖动自动控制系统(第三版)-陈伯时-习题答案(全部)

第一章：闭环限制的直流调速系统00000

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系统与V-M系统相比，在许多方面有较大的优越性：

（1）主电路途路简洁，需用的功率器件少；

（2）开关频率高，电流简洁连续，谐波少，电机损耗与发热都

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协作，则系统频带宽，动态响应快,

动态抗扰实力强；

（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，开关损耗也大，

因而装置效率较高；

（6）直流电源采纳不控整流时，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行逆PMI变换器进行制动时，两个VT是如

何工作的。

答：如图P13,1-17,制动状态时，先减小限制电压，使小的正脉冲

变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压必降低。但是，由于机电惯

性，转速和反电动势还来不与变更，因而造成E>Ud,很快使电流id

反向，\他截止，在t°n/tVT时，Ug2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TWtVT+ton（即下一周期的OWt

VTcn）时，VT2关断，-id沿回路4经沿I续流,向电源回馈制动，与此同

时，\口两端压降钳住使它不能导通。在制动状态中，\工和\口轮番

导通，而V3始终是关断的。

有一种特殊状态，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在

V7关断后id经续流时，还没有达到周期T,电流已经衰减到零，

这时VDz两端电压也降为零，VT?便提前导通了，使电流反向，产生局

部时间的制动作用。

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，要满意给定的

静差率也就简洁得多了”？

答：生产机械要求电动机供应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：

当系统在某一转速下运行时，负载由志向空载增加到额定值时所

对应的转速着陆△口与志向空载转速n。之比，称作静差率s,即

5=2

〃。o

调速范围、静态速降和最小静差率之间的关系是：

D—"—Smin

汕）

按上述关系可得出：D越小，S越小，D越大，s越大；D与S相互制

约，所以说“脱离了调速范围，要满意给定的静差率也就简洁得多

了“。

1-4某一调速系统，测得的最高转速特性为〃。M=150()"min,最低转

速特性为〃。扁"150"min,带额定负载时的速度着陆△〃N=15r/min,且

在不同转速下额定速降△小不变，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？

解：思路一：

系统能够达到的调速范围为：

D_-max_"Omux__]]

册iin^Oniin-^nN150-15

系统允许的静差率：

s=DAZ2jV—xlOO%=一一xlOO%=10%

%V+OA〃N1500+11X15

思路二：

系统允许的静差率：

5=^xl00%=^^xl00%=—xl00%=10%

〃o〃0dn150

系统能够达到的调速范围为：

口二2二传二〉二1X10x0.1二]]

A/??v(l-s)A/?,V(1-5)15x(l-0.1)

1-5某闭环调速系统的调速范围是150(T150r/min,要求系统的静差

率s<2%,那么系统允许的静态速降是多少？假如开环系统的静态速

降是100r/min,则闭环系统的开环放大倍数应有多大？

解：因为:

77.

所以系统允许的静态速降:

1500x0.02.

人加="NS_"max=TQ6r/nn

£)(1-5)O(l-s)10x(1-0.02)

又:

A%

X+K,,A%p=100r/min

故闭环系统的开环放大倍数:

lOQ

1=31.68

A〃”3.06

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,假如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：因为：

所以：

畋=+K)=8x(1+15)=128

K=30时，电动机在额定负载下的速降为：

人RI128(I、「

=-----d-——=-----=4.13r/min

clC/l+K)1+3()

又因为:

\nN(\-s)

所以在同样静差率要求下，且心不变，D的变更只与△电有关，即调

速范围D扩大了8/4.13=1.49倍。

1-7某调速系统的调速范围D=20,额定转速班二1500"min,开环转速

着陆△〃瓯=240r/*「，若要求系统的静差率由10%削减到5队则系统

的开环增益将如何变更？

解：当静差率s=10%时，

7)(1-5)20x(l-0.1)

A：=^--l=--1=27.8

Mi8.33

当静差率s=5%时,

2J500X0.05=3.95〃*“

A/2

0(1-s)20x(1-0.05)

犬=也

费』59.8

因此，若要求系统的静差率由10%削减到5%,则系统的开环增益将

从27.8变更到59.80

1-8转速单闭环调速系统有那些特点？变更给定电压能否变更电动

机的转速？为什么？假如给定电压不变，调整测速反馈电压的分压比

是否能够变更转速？为什么？假如测速发电机的励磁发生了变更，系

统有无克服这种干扰的实力？

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限制系统，其被调量仍是有静差的。

②反抗扰动，听从给定。

③系统的精度依靠于给定和反馈检测的精度。

（2）变更给定电压会变更电动机的转速，因为反馈限制系统完

全听从给定作用。

（3）假如给定电压不变，调整测速反馈电压的分压比会变更转

速，因为反馈信号与给定信号的比较值发生了变更，破坏了原先的平

衡，调速系统就要接着动作，使反馈信号与给定信号达到新的平衡为

止。

（4）假如测速发电机的励磁发生了变更，系统没有克服这种干

扰的实力。因为反馈限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更时，都会引起转速的

变更，问系统对上述各量有无调整实力？为什么？

答：当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻变更时，系

统对其均有调整实力。当测速发电机励磁各量发生变更时，系统没有

调整实力。因为反馈限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。

1-10V-M系统，电动机参数为：PN-2.2kW,

^=220V,;^=12.5A,^=1500r/min,电枢电阻&=L2Q,整流装置内

阻R,;L5Q,触发整流环节的放大倍数K=35。要求系统满意调速范

围D=20,静差率」10差

(1)计算开环系统的静态速降△〃沙和调速要求所允许的闭环静态速

降△〃八

(2)采纳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U；=15V时，Ikh,n=则转速负反馈系

数a应当是多少？

(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：

UNTR220—12.5X1.2

C°==1500=0.137〃•min/r

故开环系统的静态速降

R【N(1.2+1.5)X12.5

△〃在二G=-0J37—=246.35r/min

调速要求所允许的闭环静态速降

21500x10%

二巩1-s)<20x(1-10%)=g33r/min

(2)系统的原理图如下:

+

系统静态结构框图如下:

(3)当U；=15V时，L=Un=nN,则转速负反馈系数:

15

a公=nN=1500=0.01V-min/r

印叩]246.35]

(4)闭环系统的开环放大系数=8.33-=28.57

K28.57

放大器所需放大倍数1(/水£仁二().()以35/().137=11.18,取

Kp=12

1-11在题1-10的转速负反馈系统中增设阻流截止环节，要求堵转电

流/的临界截止电流鼠々1.2〃，应当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,假如做不到，须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？

5力W21N

解：7&

所以Uw“=22.5V,R,=1.5Q

因为主电路总电阻R=L2+L5=2.7V,要求电流反馈采样电阻不超

过主电路总电阻的1/3,即要求电流反馈采样电阻不超过。9。，而求

得的&=1.50,须要增加电流反馈放大器。

系统原理图如下:

系统静态结构框图如下：？

因为此不能超过09。，令R—0.9Q,故有U；a“=0.9xl.2/N=13.5卜

所以电流反馈放大系数为

U3-225

p=«=1.67

Ucom13.5

这时的电流反馈采样电阻风=090,比较电压U⑼n=13.5V

1-12某调速系统原理图见教材P51,1-58,已知数据如下：电动机;

7%=18AW,UN=220VIN=94AnN=1C00"min此=0.15Q,整流

装置内阻R“二03Q,触发整流环节的放大倍数（-40。最大给定电

压U*=15V,当主电路电流达到最大值时，整定电流反馈电压

=10V

O

设计指标：要求系统满意调速范围1）=20,静差率sWIO%,

I叔=15鼠，限产1・1h。试画出系统的静态结构框图，并计算:

（1）转速反馈系数a。

（2）调整器放大系数3。

（3）电阻总的数值。（放大器输入电阻用=202）

（4）电阻&的数值和稳压管VS的击穿电压值。

解：（1）因为U；〃产UNm\x=nNa

a=-^-=-^-=0.015Vmin/r

所以>000

系统静态结构框图如下：？

(2)电动机的电动势系数为

Ce=UNTNR。=220-94x0.15=02059v^n/r

e

nN1000

开环系统的静态速降为

△=1/Ra+Rrec)=汨X(0.15+0.3)=447Vmi0

叩Ce0.2059

闭环系统的静态速降为

_a<1000x0.1

=5.56r/min

△%~D(]-s)~20x0.9

闭环系统的开环放大系数为

205.44

K=-1>-1=35.9

5.56

调整器放大系数为

“K35.9s°

K=--------=------------------=3

p

aKsICe0.015x40/0.2059',取K°=13

(3)取/二202则R]=KpRQ=20xl3=260AC

(4)求解火2的核心应放在运放上，利用虚地点求解电流:

U；u,U「Ub-Uc

R。R()R?%

1510-7.3_^c

n20R2~260.....①

对特殊点：当电机堵转时，〃=。，故%二°,;

且此时，电枢回路中'=/皿=3/

U=%=//至

又/加=1.5〃，'K'揄K、

将上式带入①式即可得到：

R2=3.58AQ

当VS被击穿时，

又U加=K）V,&B=U*1阳=151,,/叱=1.1"

所以，7.34V

1-13在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生变更

时系统是否有调整作用，为什么？①放大器的放大系数Kp；②供

电电网电压；③电枢电阻R,；④电动机励磁电流；⑤电压反馈

系数Y。

答：当放大器的放大系数、供电电网电压、电枢电阻、电动机励

磁电流发生变更时，系统有调整作用，当电压反馈系数Y发生变更

时，它不能得到反馈限制系统的抑制，反而会增大被调量的误差,因

为反馈限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。

1T4有一个V-M系统，已知：电动机：名=2.8kW,以=220匕

IN=15.6A

电=1500r/min,R—I.5Q,整流装置内阻心二9,触发整流环节的放

大倍数9二35。

（1）系统开环工作时，试计算调速范围。=30时的静差率s值。

（2）当。=30,$=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。=30,s=10%,在

U：=10V时〃=八，…N，计算转速负反馈系数a和放大器放大系数

3。

（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

U：=10V时，〃=/匕〃=〃％并保持系统原来的开环放大系数K不变,

试求在。=30时的静差率。

解：（1）先计算电动机的电动势系数：

_220-15.6x1.5

=0.1311Vmin/

G二

~n!：_―1500

则开环系统的额定速降:

〃(凡+凡,)=15.6X(1.5+1)

△〃在

-=297.48"min

Cc0.1311

所以系统开环工作时，调速范围。=30时的静差率:

加%30x297.48

nN+D\nop1500+30x297.48

(2)当。=30,s=10%时，系统允许的稳态速降

1500x0,1=556r/niin

0(1-s)30x(1—0.1)

（3）在U〃=10V时〃=〃N,转速负反馈系数a为

"幺=-^-=0.007

〃N1500

闭环系统的开环放大系数为

K4一由一…

调整器放大系数S为

K52.5

=28.09

aKs!Ce0.007x35/0.1311，取3=29

(4)在电压负反馈有静差调速系统中,

1x15.61.5x15.6iccrc/.

+蟹---------=180.73r/nun

Ce0.1311x(l+52.2)0.1311

故当U；=10V时〃=〃N,并保持原开环放大系数K不

变,在。=30nmin=50r/min,静差率：

1-15在题1T0的系统中，主电路电感乙=5。〃田，系统运动部分飞轮惯

量GQ2=I.6N.〃/，整流装置采纳三相零式电路，试推断按题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：计算系统中各环节的时间常数:

L_0.05//

=0.01855

电磁时间常数/-%一(1.2+1.5)C

丁GD2R1.6X(L2+1.5).

=----------=------------------------s=0N.064s

n,C30

°CJM375X().137X—xO.137

机电时间常数7t

对于三相零式电路(即三相半波整流电路)，晶闸管装置的滞后

时间常数为