电力拖动自动控制系统运动控制系统答案.docx
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电力拖动自动控制系统运动控制系统答案
电力拖动自动控制系统—运动控制系统
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,id为负值,VT2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Ug1的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使平均电枢电
压Ud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E>Ud,很快使电流id反向,VD2截止,在ton≤t<T时,Ug2变正,于是VT2导通,反向电流沿回路
3流通,产生能耗制动作用。
在T≤t<T+ton时,VT2关断,−id沿回路4经VD1续流,向
电源回馈制动,与此同时,VD1两端压降钳住VT1使它不能导通。
在制动状态中,VT2和VT1
轮流导通,而VT1始终是关断的。
在轻载电动状态,这时平均电流较小,以致在VT1关断后id经VD2续流时,还没有达到
周期T,电流已经衰减到零,这时VD2两端电压也降为零,VT2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
D=nmax
nmin
其中,nmax
和nmin
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。
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,即或用百分比表示
s=ΔnN
n0
s=ΔnN×100%
n0
在直流电动机变压调速系统中,一般以电动机的额定转速nN作为最高转速
则s=ΔnN
n0
=ΔnN
nmin+ΔnN
∴nmin
=ΔnN
s
−ΔnN
=(1−s)ΔnN
s
D=nmax
nmin
=nNS
ΔnN(1−S)
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,ΔnN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。
1-4某一调速系统,测得的最高转速特性为nOmax=1500r/min,最低转速特性为
nOmin=150r/min,带额定负载时的速度降落ΔnN=15r/min,且在不同转速下额定速降
ΔnN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?
解系统能够达到的调速范围为
D=nmax
nmin
=1500
150−15
=11
系统允许的静差率
s=DΔnN
nN+DΔnN
×100%=
11×15
1500+11×15
×100%=10%
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s≤2%,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?
解因为
s=ΔnN
n0
=ΔnN
nmin+ΔnN
Δn=nmins=150×0.02=3.06r/min
所以N
1−s
1−0.02
因为Δncl
=Δnop
1+K
Δn100
K=op−1=−1=31.7
所以Δncl
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,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
Δn=RId
clC(1+K)
所以RId=Δn(
C
cl
e
1+K)=8×(1+15)=128
RI128
cl
则Δn
=d==4.13r/min
C(e1+K)
1+30
(2)由
D=nNS
ΔnN(1−S)
,可知在s和nN
不变的情况下,D只与ΔnN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nN=1500r/min,开环转速降落
ΔnNop=240r/min,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?
解;当s=10%时,Δn=
nNs
=1500×0.1
=8.33r/min
ND(1-s)
Δnop
20×(1-0.1)
240
此时K=−1=−1=27.8
当s=5%时,
Δncl
Δn=
8.33
nNs=
1500×0.05
=3.95r/min
N
Δnop
D(1-s)
240
20×(1-0.05)
此时K=−1=−1=59.8
Δncl
3.95
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:
PN=2.2kW,UN=220V,IN=12.5A,
nN=1500r/min,电枢电阻Ra=1.2Ω,整流装置内阻Rrec=1.5Ω,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s≤10%。
(1)计算开环系统的静态速降Δnop和调速要求所允许的闭环静态速降Δncl。
(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。
ndNN
(3)调整该系统参数,使当U∗=15V时,I=I,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
e
C=UN−INRa
nN
=220−12.5×1.2=0.1367V⋅min/r
1500
则开环系数额定速降为
(1.2+1.5)
Δnop
=INR=12.5×
=246.9r/min
Ce0.1367
额定负载时的稳态速降应为
Δn=
nNs
≤1500×0.1
=8.33r/min
clD(1-s)
20×(1-0.1)
(2)系统的静态结构框图如下所示
U*n+
∆Un
Uc
KpKs
Ud0
+
-IdR
En
1/Ce
-Un
α
转速负反馈系统的原理图
Id
Un
Ud
Uc
Un
U
tg
I
+
+*
+nn
∆U
--
AUcGT
+
d
UPEUdM
-
-Un+-
+
U
-tg
n
+
TTG
-
n
(3)当U∗=15V
时,Id=IN,n=nN,则转速负反馈系数α应该是
∗∗
α=Un
=Un=15
=0.01
nnN
(4)闭环系统的开环放大系数应为
1500
Δn246.9
K=op−1=−1=28.64
Δncl
8.33
运算放大器所需的放大倍数
KP=
K
αKS/Ce
=28.64
0.01×35/0.1367
=11.19
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Idbl≤2IN,临界
截止电流Idcr≥1.2IN,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?
R
U∗+
I=n
Ucom
≤2I
解:
因为
dblN
S
I=Ucom
≥1.2I
R
dcrN
S
且U∗=15V,计算可得R
=1.5Ω,U
=22.5V
nscom
U∗+
I=n
Ucom
≤2I
R
db
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