《电力拖动自动控制系统》习题答案1

《电力拖动自动控制系统》习题答案1.txt32因为爱心，流浪的人们才能重返家园；因为爱心，疲惫的灵魂才能活力如初。渴望爱心，如同星光渴望彼此辉映；渴望爱心，如同世纪之歌渴望永远被唱下去。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，为负值，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

di2VT1gU的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电

压降低。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，很 快使电流反向，截止，在 dUdEU>

di2VDont≤＜Ｔ时，2gU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＜Ｔ+时，关断， 2VTTt≤ont2VTdi.沿回路4经续流，向

电源回馈制动，与此同时，两端压降钳住使它不能导通。在制动状态中，和 轮流导通，而始终是关断的。 1VD1VD1VT2VT1VT1VT

在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有达到

周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时两端电压也降为零，便提前导通了，使电流反向， 产生局部时间的制动作用。 1VTdi2VD2VD2VT

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

maxminnDn= 其中，和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。 maxnminn

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 0NnsnΔ=

或用百分比表示 0100%NnsnΔ=×

在直流电动机变压调速系统

中，一般以电动机的额定转速作为最高转速 Nn 则

0minNNNnnsnnnΔΔ== +Δ

min(1)NNNnsnnssΔ. ∴=.Δ=

maxmin(1) NNnnSDnn== Δ.

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，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。 NnΔ

１－４ 某一调速系统，测得的最高转速特性为max1500/minOnr=，最低转速特性为 ，带额定负载时的速度降落min150/minOnr=15/minNnrΔ=，且在不同转速下额定速降 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？ NnΔ

解 系统能够达到的调速范围为

maxmin15001115015nDn=== .

系统允许的静差率 11151000% 15001115NNNDnsnDnΔ×=×=×= +Δ+×

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，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？ 2%s≤

解 因为

0minNNNnnsnnnΔΔ== +Δ

所以

min1500.023.06/min110.02Nnsnrs×Δ=== ..

因为

1opclnnKΔΔ= +

所以

1001131.73.06opclnKnΔ=.=.= Δ

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 clenCΔ=dRI（1+K）

所以 clenC=Δ×dRI（1+K）=8（1+15）=128 则

1284.13/min130clenrCΔ=== +

dRI（1+K）

（2） 由 (1)

NNnSDnS= Δ.

，可知在s和不变的情况下，D只与NnNnΔ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1500/minNnr=，开环转速降落 ，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？

240/minNopnrΔ=

解； 当s=10%时，8.33/min20NNnsnrD×Δ=== ×15000.1（1-s）（1-0.1）

此时

2401127.88.33opclnKnΔ=.=.= Δ

当s=5%时， 3.95/min20NNnsnrD×Δ=== ×15000.05（1-s）（1-0.05）

此时

2401159.83.95opclnKnΔ=.=.= Δ

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：2.2220NNPkWUV12.5NIA=，

， 电枢电阻1500/minNnr=1.2aR=Ω，整流装置内阻1.5recR=Ω，触发整流环节的放 大倍数。要求系统满足调速范围D=20，静差率35sK=10%s≤。

（1）计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降。 opnΔclnΔ

（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，使当时，15nUV.=dNII=N，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

22012.51.20.1367min/

150012.5246.9/minNNaeNNeUIRCVnIRrC..×===.

×Δ===op

则开环系数额定速降为 （1.2+1.5） n0.1367

额定负载时的稳态速降应为

8.33/min20NnsrD×Δ=≤= ×cl15000.1n（1-s）（1-0.1）

（2） 系统的静态结构框图如下所示

转速负反馈系统的原理图

（3） 当时，15nU.=dNII=N，n=n，则转速负反馈系数α应该是 150.011500nnNUUnnα.. ====

（4）闭环系统的开环放大系数应为

246.91128.648.33opclnKnΔ=.=.= Δ

运算放大器所需的放大倍数

28.6411.19/0.0135/0.1367PSeKKKCα=== ×

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2dblNII≤，临界 截止电流1.2dcrNII≥，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？

文本框: UBn Kp Ks α 1/CeU*

nUc ΔUn E n Ud0 Un+ +

- IdR-

UnKs

文本框: IBd + -

A GT MTG+ - + - + - Utg UdId n+ - - + Un ΔUn U* n

UcUPE+ -

MTIdUn UdUcUntg

52.5130.6/0.00735/0.1311PSeKKKCα=== ×

（4）在电压负反馈有静差调速系统中，开环与闭环的速降是一样的，

所以 297.5/minclopnnrΔ=Δ=

30297.51000?.6%

150030297.5NNNDnsnDnΔ×=×=×= +Δ+×

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 ，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，允许的最大开环放大系数K是多 少？

21.6GDNm=.

解：计算系统中各环节的时间常数：

电磁时间常数

0.050.01851.21.5lLTsR=== +

机电时间常数

21.6(1.21.5)0.065303753750.13670.1367memGDRTsCCπ×+ === ×××

三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 0.00167sTs=

为保证系统稳定，开环放大系数应满足的稳定条件：

22()0.065(0.01850.00167)0.0016742.50.01850.00167mlsslsTTTTKTT++×++ <= ×

因为 23.1>28.75,所以该系统不可以稳定运行,

如果保证系统稳定运行，允许的最大开环放大系数K最大为23.1.

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 的输入偏差电压时，调节器的输出电压是多少？它取决于那些因素？ 0UΔ=

答；在动态过程中，当变化时，只要其极性不变，积分调节器的输出便一直增长； 只有达到时，才停止上升；不到

nUΔcU,0nnnUUU.=Δ=cUnUΔ变负，不会下降。当 时，并不是零，而是一个终值；如果 cU0nUΔ= cUn

UΔ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，但历史上有过0nUΔ=nUΔ，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。 cU

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？并说明理由。

答：系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。

因此转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响。

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。

答：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无静差的。

电压负反馈实际是一个自动调压系统，只有被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被 减小到1/（1+K），它的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差。但基本控制原 理与转速负反馈类似。它与转速负反馈一样可以实现无静差调节。

第二章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

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？改变转 速调节器的放大倍数行不行？改变电力电子变换器的放大倍数nKsK行不行？改变

转速反馈系数α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：双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系

因此 转速 n 是由给定电压决定的；改变转速反馈系数也可以改变电动机转速。改变转 速调节器的放大倍数和电力电子变换器的放大倍数 nU.

nKsK 不可以。

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：当两个调节器都不饱和时，它们的输入偏差电压都是零

转速调节器ASR的输出限幅电压imU.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。 cmUdmU

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、动态性能将会产生什么影响？

答：改为P调节器时其输出量总是正比于输入量，PI调节器的输出量在动态过程中决定于 输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关而是由它后面环节的需

要 决定的。

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）转速、电流双闭环调速系统在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压决定的。 ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的。控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id， 或者说，同时取决于和 IdL。双闭环调速系统的稳态参数计算是和无静差系统的稳态计 算相似。 nU. nU.

带电流截止环节的转速单闭环调速系统静态特性特点：电流负反馈的作用相当于在主电 路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂；比较电压 Ucom 与 给定电压 Un* 的作用一致，好象把理想空载转速提高了。这样的两段式静特性常称作下垂 特性或挖土机特性。

（2）

（3）双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制、转速超调、准 时间最优控制。

（4）由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器 ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 0n*

nnnUUαα===

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