电力拖动自动控制系统课后习题答案全内含两份阮毅陈伯时.docx

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电力拖动自动控制系统课后习题答案全内含两份阮毅陈伯时

电力拖动自动控制系统课后习题答案

运动控制系统

第四版

｛上海大学阮毅陈伯时｝

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开关频率高，响应速度快，电流容易连续，系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。

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V是如何工作的？

答：

制动时，由于Ug!

的脉冲变窄而导致id反向时，Ug2变正，于是V2导通,VT2导通，VT关断。

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之间有什

么

关系？

为什么脱离了调速范围，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nmax和最低转速nmin之比叫做调速范

围，

用字母D表示，即：

Dnmax

nmin

负载由理想空载增加到额定值时，所对应的转速降落nN与理想空载转速nomin之

nN

n0min

调速范围，静差速降和最小静差之间的关系为：

S变大。

所以，如果不考

由于在一定的nN下，D越大，nmin越小nN又一定，则虑D,则S的调节也就会容易，

1-4.某一调速系统，测得的最高转速特性为n0max1500r/min，最低转速特性为

nomin150r/min，带额定负载的速度降落n”15r/min，且不同转速下额定速降n”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大？

解

1-5闭环调速系统的调速范围是1500----150r/min，要求系统的静差S<=2%那

末系统允许的静态速降是多少？

如果幵环系统的静态速降是100r/min则闭环系统的

幵环放大倍数应有多大？

1,d2maxI50010则n°nS15002%3.06r/min

nmin150D（1S）10（12%）

2,K1则K100131.7

ncl3.06

1-6某闭环调速系统的幵环放大倍数为15时，额定负载下电动机的速降为8

r/min，如果将幵环放大倍数他提高到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？

同样静差率的条件下调速范围与幵环放大倍数加1成正比

1-7某调速系统的调速范围D=20,额定转速n1500r/min，幵环转速降落

nNop240r/min，若要求静差率由10%咸少到5%则系统的幵环增益将如何变化？

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）闭环调速系统可以比幵环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围。

为此，所需付出的代价是需增设电压放大器以及检测与反馈装置。

2）能。

因为n出丛RI^,由公式可以看出，当其它量均不变化时，n随

Ce（1k）Ce（1k）

着un的变化而变化

3）能。

因为转速和反馈电压比有关。

4）不，因为反馈控制系统只对反馈环所包围的前向通道上的扰动起抑制作用，而测速机励磁不是。

1-9在转速负反馈调节系统中，当电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、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，问系统对于上述各量有无调节能力？

为什么？

答：

系统对于上述各量中电网电压、负载转矩，电动机励磁电流，电枢电流、电枢电阻、有调节能力。

因为它们在闭环系统的前向通道中，对于测速发电机励磁各量发生变化，没有调节能力。

因为它不在闭环系统的前向通道中。

1-10有一V-M调速系统，电动机参数为：

电枢电阻Ra1.2，整流装置内阻Rrec1.5，触发整流环节的放大倍数Ks35。

要求系统满足调速范围。

=20,静差率SV10%。

（1）计算幵环系统的静态速降nop和调速要求所允许的闭环静态速降ncl。

（2）调整该系统能参数，使当Un15V,IdIn,nnN,则转速负反馈系数

应该是多少？

（3）计算放大器所需的放大倍数。

CeU

解：

（1）电动机的电动势系数

幵环系统静态速降

nop

RIdN~C

闭环静态速降

nd

nNS

D（1S）

闭环系统幵环放大倍数K

NINRa

nN

12.5（1.21.5）

0.1367

15000.1

8.33r/min

20（10.1）

nop

ncl

kpksUn

RId

（2）因为n

Ce（1k）Ce（1k）所以kpks=407.4288

K

==0.00961Vmin/r

kpKS/Ce

（3）

运算放大器的放大倍数Kp

22012.51.20.1367Vmin/r

1500

246.9r/min

需12864

28.64

11.64

0.0096135/0.1367

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Gl2I

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阻的1/3，如果做不到，需要加电流反馈放大器，试画出系统的原理图和静态结构图，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？

解:

（1）

KsG

Idbl

2IN212.525A

则Ucom

Idcr

Rs15RsIdbl

KpKs（UnUcom）

ps-com（142）0

RKpKsRs

1515Rs

RS

ncom

（U

Ucom）（143）;25

Rs

系统的原理图和静态结构图（给它画出图）

（2）显然采样电阻大于主电路2.7*1/3倍，所以增加电流反馈放大器后:

得：

Idbl

新的采样电阻：

Rs

1r

1

丄（1.2

1.5）0.9

可选0.5欧姆

3

3

电流反馈放大系数：

心

Rs

1

1.53

Rs

0.5

新的比较电压：

Ucom

Idcr

Rs'

15Rs15

0.58.5V

所以加上的电流反馈放大器的放大倍数为3

1—12某调速系统原理图如图所示，已知数据如下：

电动机

PN18KW;Un220V;IN94A;nn1000r/min;Ra0.15Pn=18KW，Un=220V，In=94A，整流装置内阻Rrec0.3,触发整流环节的放大倍数Ks40。

最大给定电压Unm15V，当主电路电达到最大值时，整定电流反馈电压Ujm10V。

设计指标：

要求系统满足调速范围D=20，静差率S<10%，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3。

（2）调节器放大系数Kp。

（3）电阻Ri的数值。

（放大器的输入电阻R。

20K）

（4）电阻R2的数值和稳压管VS的击穿电压值。

解：

（1）ncl10000.1100/185.56r/min

D（1S）2009

同1-10可得a=0.0145

12.8（取13）

0.014540/0.2059

（3）&KpR01320260k

（4）Idbl1.51n1.594141A；£1.1IN1.194103.4A;

当主电路电流最大即为Idbl时，Um10V

而当主电路电流为Ider时，Ui为：

UimUiUUim1dcr10103.4733V

1dbl1dcr1dbl

Uvs7.4V

当主电路的电流增大到Idbl时，为起到保护作用应使流过R2的电流Ir2等于流过R0的电流，以使电机转速迅速降落。

此时：

*

如150.75mA；R2匕匹107.43.47kQ（取3.5kQ）R020IR20.75

系统的静态结构框图

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）放大器的放大倍数Kp

（2）供电电网电压（3）电枢电阻Ra

（4）电动机励磁电流（5）电压反馈系数a

答：

3）电枢电阻，4）电动机励磁电流，（5）电压反馈系数a

无调节作用。

因为反馈控制系统所能抑制的只是被反馈包围的前向通道上的扰动。

1-14有一个V-M系统，已知:

电动机:

（15分）

PN2.8KW;UN220V;IN15A;nN1500r/min;Ra0.15,Ra=1.5,整流装置内阻

Rrec1,触发整流环节的放大倍数Ks35。

（15分）

（1）系统幵环工作时，试计算调速范围D=30时的静差率s值；

（2）当D=30,S10%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,S10%,在，

U；10V,IdIN,nnN,计算转速负反馈系数a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

U；10V,IdIn,nnN,并保持系统原来的幵环放大系数K不变，试求在。

=30

时的静差率。

nN1500

（2）当。

=30,S=10%时计算系统允许的稳态速降

（3）K上12977152.54

nci5.56

求取的方法同1-10

可得=0.00652V?

min/r

（4）改为电压负反馈有静差调速系统

闭环转速降落为：

INRrec

nd

IN（Ra）

15.6115.61.52.224178.6180.825rmin当调速D范围

Ce（1K）

Ce

0.131（152.54）0.132

不变时静差率为：

显然比速度反馈系统在调速范围不变的情况下静差率大的多，但比无反馈系统静差率小了

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GD21.6Nm2,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，允许的最大幵怀放大系数K是多少？

电磁时间常数Ti-0050.0185S

R2.7

机电时间数

TmGDR1.62.70.0645TS0.00333S（查表全波

375*CeCT3750.01367或9.55）0.01367

3.14为0.00167）

在1-10题中K28.64如要系统稳定须保证K23.1则系统不稳定。

如要系统稳定，允许的最大的幵环放大系数为K23.1但调速范围不满足了

16.为什么用积分控制的调速系统是无静差的？

在转速负反馈调速系统中，当积分

调节器的输入偏差电压U0时，调节器的输出电压是多少？

它取决于那些因素？

答：

使用积分控制时可以借助积分作用，使反馈电压Un与给定电压U；相等，即使Un为

零Uc—样有输出，不再需要Un来维持Uc，由此即可使输出稳定于给定值使调速系统无静

差。

当Un0时调节器的输出为电压Uc,是对之前时刻的输入偏差的积累。

它取决于Un的过去变化，当Un为正Uc增加，当Un为负Uc下降，当U.为零时Uc不变。

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；

答：

在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度同样受给定电源和测速发

电机精度的影响。

无静差转速单闭环调速系统只是消除了误差，使输出的转速基本稳

定于给定的转速。

但是，这种系统依然属于反馈控制系统，只能抑制被反馈环包围的前向通道上的扰动，对于其他环节上的精度影响无可奈何。

18.采用比例调节器控制的电压负反馈系统，稳态运行时的速度是否有静差？

为什

么？

试说明理由；

答：

有静差。

电压负反馈系统中是在转速较咼时，

CenlaRaUd0忽略了转速的降落认为电枢电压正比于转速，而实际上是电枢电

压无静差，从公式中可以看出速度的降落是不能消除的。

因为调节器的输出是电力电子变换器的控制电压UcKpUn。

所以只要电动机在运行，就必须有控制电压Uc，因而也必须有转速偏差电压Un。

第二章习题答案

2-1在转速、电流双闭环调速系统中，若改变电动机的转速，应调节什么参数？

改变转速调节的放大倍数Kn行不行？

改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行？

改变转速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？

答：

改变转速，调节给定电压U；，改变转速调节器放大倍数Kn不行，改变Ks也不行，改变改变堵转电流调节电流反馈系数•

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：

两个调节器的输入偏差电压均为0，如果不为0则Uc和u*继续变化，就不是稳态。

转速调节器的输出电压为：

u*Id电流调节器的输出电压为：

UcUdoCeUn/RId

KsKs

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

的静、动态性能将会产生什么影响？

答：

稳态精度变差，但跟随性和抗干扰能力都不会得到改善，使系统成为不稳定系统。

答：

静特性1）闭环系统的静特性变软2）存在静差率相对较大。

动特性：

跟随性和抗干扰能力不会得到改善，动态稳定性降低，而快速性却提高了。

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

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）单闭环：

在系统稳定时实现转速无静差。

双闭环：

可实现转速无静差和电流无静差。

（2）单闭环：

只能在超过临界电流ldcr后，限制电流冲击双闭环：

电流调节器通过电流反馈系数随时调节控制电流

（3）单闭环：

快、不平稳

双闭环：

起动快、平稳

（4）单闭环：

差

双闭环：

强、靠ASR

单闭环：

差

双闭环：

由电流内环ACR及时调节

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。

当系统带额定负载运行时

转速线突然断线，系统重新进入后，电流调节器的输入偏差电压5是否为零？

为什么？

答：

转速和电流调节器的输出达到饱和为止，电流调节器的输入偏差电压Ui不为零，因为;

后电流反馈依然为UiId只能增加电动机的转速达到新的平衡UdomCenmaxRId

2-6在转速、电流双闭环调速系统中，转速给定信号U；未改变，若增大转速反馈系数

稳定后转速反馈电压Un是增加、减少还是不变？

为什么？

答：

Un不变。

因为增大，在达到新的稳定运行时，依然要是无静差系统，系统的转速下降在达到同样的Un时稳定运行。

2-7在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASRACR匀采用PI调节器。

已知参数：

电机：

Pn3.7KW;Un220V,“n1000r/min电枢回路总电阻R=1.5，设U；mU；Ucm8V，电枢路最大电流Idm40A，电力电子变换器的放大系数Ks40。

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Ud。

、U*、Uc值。

（2）U*Idm0.2408V

UiUm8V（负反馈）

由于堵转电流0

2-8在转速、电流比闭环调速系统中，调节器ASR,ACR均采用PI调节器。

当ASR输出达到U

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:

（1）U*应如何变化？

（2）Uc应如何变化？

（3）Uc值由哪些条件决定？

解：

（1）U*应增加。

因为当负载电流由40A增加到70A时5增加，U*是确定的。

Id由40A增加到70A时，U：

由4V增加到7V

（2）Uc略有增加。

因为UcKsUd0CenRId；Id的增加使Ud。

增加，使得Uc增加

（3）Uc由n和Id决定。

UcUd°/Ks他弘

Ks

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U*、Uc、Ud0、Id在系统重新进入稳定后的表达式。

答：

当磁通下降一半时’-

2

但电动机拖动恒转矩负载运行所以ld2Id

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

10%

（1）求系统的幵环增益；

（2）计算过渡过程时间ts和上升时间tr；

（3）绘出幵环对数幅频特性。

如果上升时间tr0.25s，则K二?

，?

解：

（1）系统幵环增益10%KT0.69K広96.9（参见表2-2）

0.1

2-13调节对象的传递函数为Wobj（s）史，要求用调节器分别将其校正为典型

（0.25s1）（0.005s1）

和型系统，求调节器的结构与参数。

解：

校正成典型型系统选择PI调节器：

Wpi（s）Kpi（1s°校正后的幵环传递函数为:

1S

（2）校正成典型系统，选择PI调节器:

h=51hT250.0050.025ts/T9.55ts9.550.0050.047

2-14在一个三相零式晶闸管整流装置供电的转速

（1）电流反馈系数

Uim

Idm

8

339

0.0263V/A

Un10

0.01Vmin/r

转速反馈系数nmax1000

（2）设计电流调节器ACR

1.确定时间常数

整流装置滞后时间常数Ts0.00333sToi0.0025s

电流环小时间常数之和TiTsToi0.00583s

2.选择电流调节器结构

5%按典型型设计，电流环控制对象是双惯性型的可用PI型电流调节器。

WacrKi（s1）检查对电源电压的抗扰性能：

iS

3.计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数iTl

电流幵环增益：

要求

4.校验近似条件

电流截止频率WeiKi

（1）

1

3Ts

（2）

31

+益去2.°6各项指标可以接受。

0.012s

85.76S1

晶闸管装置传递函数的近似条件

1100.1S1Wei满足近似条件

30.00333

忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3

TmT

（4）

1

.120.01279.06叽满足近似条件

电流环小时间常数近似处理条件

1

3\TsT°i3,0.00170.0025

（5）计算调节器电阻和电容

动态性能跟随指标为

⑶

3.ASR1.确定时间常数

161.7S1

R0

Ri

Ci

Coi

4.3%

电流环等效时间常数/KT

Wei满足近似条件

40K

KiR。

0.22440

0.012

31.33

Ri910

4Toi40.0025

40103

Ro

5%满足近似条件

8.96K（9K）

0.25F

—2Ti20.005830.01166S

0.5KI

转速滤波时间常数Ton0.015S

转速环小时间常数Tn—Ton0.011660.0150.02666S

Ki

2.选择转速调节器结构：

按典型U型系统设计，选择PI

调节器

Wars（S）

Kn（nS1）

3.计算转速调节器参数取h=3ASR的超前时常数

hTn30.0266

0.0798S

Kn

转速幵环增益

h1

2h2T2

4

290.02662

314.07S

Kn

（h1）CeTm

2hRTn

40.02360.1960.12773

7.73

60.010.180.0266

ASR例系数

4.校验近似条件

（1）电流环传递函数简化条件

（2）转速环小时间常数1Ki

3”J

5.计算调节器电阻电容

2-15

（1）选

*

1

185.76

3i0.015

25.2Wcn满足近似条件

Ki

用

Un

h=5100.00877V/A

Idm7601.5nmax

（2）KiTi0.5

（1）电流环传递函数简化条件

1135.1

一64S1

30.0037

1Ki

3[Ti

1

Ki

3[Ton

135.1

1135.1

3\0.02

27S1

2-16

（1）

Un

Un

0.01

3虚34°43Wen满足近似条件

PI

10

0.0267Vmin/r

375

Wen满足近似条件

Wcn满足近似条件

500r/min