电力拖动自动控制系统-运动控制系统（ - 阮毅 - 陈伯时）课后思考题习题答案2-7章完整版

第二章

思考题：

2-1直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？ 1. 电枢回路串电阻调速

特点：电枢回路的电阻增加时，理想空载转速不变，机械特性的硬度变软。反之机械特性的硬度变硬。 2. 调节电源电压调速

特点：电动机的转速随着外加电源电压的降低而下降，从而达到降速的目的。不同电源电压下的机械特性相互平行，在调速过程中机械特性的硬度不变，比电枢回路串电阻的降压调速具有更宽的调速范围。 3. 弱磁调速

特点：电动机的转速随着励磁电流的减小而升高，从而达到弱磁降速的目的。调速是在功率较小的励磁回路进行，控制方便，能耗小，调速的平滑性也较高。

2-2简述直流 PWM 变换器电路的基本结构。 IGBT，电容，续流二极管，电动机。

2-3直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？ 直流电压

2-4为什么直流PWM变换器-电动机系统比V-M系统能够获得更好的动态性能？

直流PWM变换器-电动机系统比V-M系统开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；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；电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

2-5在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时， 电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？

电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流。 电路中无电流，因为电动机处已断开，构不成通路。

2-6直流PWM变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？ 反并联二极管是续流作用。若没有反并联二极管，则IGBT的门极控制电压为负时，无法完成续流，导致电动机电枢电压不近似为零。

2-7直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？

不是越高越好，因为太高的话可能出现电容还没充完电就IGBT关断了，达不到需要的输出电压。

2-8泵升电压是怎样产生的？对系统有何影响？如何抑制？ 对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升高。

过高的泵升电压将超过电力电子器件的耐压限制值。

选取电容量较大且合适的电容。

2-9在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负载增加而降低？

负载增加，负载转矩增大，电动机转速下降直到电磁转矩等于负载转矩时速度就不变了，达到稳态。T-TL=J*dn/dt

2-10静差率和调速范围有何关系？静差率和机械特性硬度是一回事吗？举个例子。 不是一回事。静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。

机械特性硬度是用来衡量调速系统在负载变化下转速的降落的。是机械特性的斜率。如：变压调速系统在不同转速下的机械特性是相互平行的，机械特性硬度是一样的，但是静差率却不同，空载转速高的静差率小。

2-11调速范围与静态速降和最小静差率之间有何关系？为什么必须同时提才有意义？ 若只考虑一个量，其余两个量在一个量一定的情况下另一个量就会不满足要求。

2-12 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，调节转速反馈系数是否能够改变转速？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？

特点：减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。 改变给定电压能改变电动机转速，因为改变给定电业会改变电压变化值，进而改变控制电压，然后改变输出电压，最后改变转速。 如果给定电压不变，调节转速反馈系数是能够改变转速，因为调节转速反馈系数会改变反馈电压，进而改变电压变化值，控制电压，输出电压，最终改变转速。 如果测速发电机的励磁发生了变化，会造成Ce的变化，会影响转速，被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小对稳态转速的影响。系统有克服这种干扰的能力。

2-13 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，调节器的输出电压是多少？它决定于哪些因素？ 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。虽然到稳态时，只要历史上有过，其积分就有一定的数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压UC。

2-14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？为什么？ 受影响。因为无静差转速单闭环调速系统若给定电源发生偏移或者测速发电机精度受到影响会导致转速改变，进而反馈电压改变，使电压偏差为零，所以转速的稳态精度会受影响。

2-15在转速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）放大器的放大系数 Kp。 （2）供电电网电压 Ud。 （3）电枢电阻 Ra。

（4）电动机励磁电流 If。 （5）转速反馈系数 α。

（1） 放大器的放大系数Kp发生变化时系统有调节作用，因为Kp发生变化时，控制电压

Uc就会改变，然后输出电压Ud0就会改变，转速改变，反馈电压随之改变，改变电压偏差进一步调节输出电压和转速达到调节作用。

（2） 供电电网电压 Ud发生变化时系统有调节作用，因为Ud发生变化时，会使Ks变化，

进而改变输出电压和转速，反馈电压随之改变，改变电压偏差进一步调节输出电压和转速达到调节作用。

（3） 电枢电阻Ra发生变化时系统有调节作用，因为Ra发生变化时，会使电枢电路总电

阻变化，使得转速改变，反馈电压随之改变，改变电压偏差进一步调节输出电压和转速达到调节作用。

（4） 电动机励磁电流 If发生变化时系统有调节作用，因为If发生变化时，使得Ce变化，

转速改变，反馈电压随之改变，改变电压偏差进一步调节输出电压和转速达到调节作用。

（5） 转速反馈系数α发生变化时系统有调节作用，因为α发生变化时，使反馈电压改变，

改变电压偏差进一步调节输出电压和转速达到调节作用。

2-16（1）在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时晶闸管整流装置的输出电压Ud较之负载变化前是增加、减少还是不变？

（2）在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速n和整流装置的输出电压 Ud 是增加、减少还是不变？

在转速负反馈单闭环有静差调速系统中，突减负载后又进入稳定运行状态，此时转速有所增大，反馈电压增大，电压偏差减小，控制电压减小，晶闸管整流装置的输出电压Ud较之负载变化前减小。

在无静差调速系统中，突加负载后引起动态速降时，产生电压偏差，控制电压Uc从Uc1不断上升，使电枢电压也由Ud1不断上升，从而使转速n在下降到一定程度后又回升。达到新的稳态时，电压偏差又恢复为零，但Uc已从Uc1上升到Uc2，使电枢电压由Ud1上升到Ud2，以克服负载电流增加的压降。所以转速是不变的，输出电压Ud是增加的。

2-17 闭环调速系统有哪些基本特征？它能减少或消除转速稳态误差的实质是什么？ 基本特征：闭环，有反馈调节作用，减小速降，降低静差率，扩大调速范围。

实质：闭环调速系统中参数变化时会影响到转速，都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制的作用，减小它们对稳态转速的影响从而减小或消除转速稳态误差。

习题 2-1

有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统进行制动时，VT1始终不导通。VT2导通时，电动机处于能耗制动状态；VT2不导通时，VD1续流，电动机处于回馈制动状态。

2.2 系统的调速范围是1000~100rmin，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是

多少？ 解：?n?nnsD(1?s)?1000?0.02(10?0.98)?2.04rpm

系统允许的静态速降为2.04rpm。

2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为n0max?1500rmin，最低转速特性为

n0min?150rmin，带额定负载时的速度降落?nN?15rmin，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？

解：1）调速范围 D?nmaxnmin(均指额定负载情况下）

nmax?n0max??nN?1500?15?1485 nmin?n0min??nN?150?15?135 D?nmaxnmin?1485135?11

2) 静差率 s??nNn0?15150?10%

2.4 直流电动机为PN=74kW,UN=220V，IN=378A，nN=1430r/min，Ra=0.023Ω。相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。采用降压调速。当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？

解：Ce?(UN?INRa)nN?(220?378?0.023)1430?0.1478Vrpm

?378?(0.02?3 ?n?INRCe(1?s)]?143?0 D?nNS[?n(1?s)]?143?0 D?nNS[?n0.022)0.?147rp 8m1150.2[?11?5(1? 0. 2)]0.3[?11?5(1?0. 3)]3.15.33

2.5 某龙门刨床工作台采用

V-M

调速系统。已知直流电动机

PN?60kW,UN?220V,IN?305A,nN?1000rmin，主电路总电阻R=0.18Ω,Ce=0.2V?

min/r,求：

（1）当电流连续时，在额定负载下的转速降落?nN为多少？ （2）开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率SN多少？

（3）若要满足D=20,s≤5%的要求，额定负载下的转速降落?nN又为多少? 解：(1)?nN?IN?RCe?305?0.180.2?274.5r/min (2) SN??nNn0?274.5(1000?274.5)?21.5%

(3) ?n?nNS[D(1?s)]?1000?0.05[20?0.95]?2.63r/min

*2.6 有一晶闸管稳压电源，其稳态结构图如图所示，已知给定电压Uu?8.8V、比例调节器

放大系数KP?2、晶闸管装置放大系数KS?15、反馈系数γ=0.7。求：（1）输出电压Ud；（2）若把反馈线断开，Ud为何值？开环时的输出电压是闭环是的多少倍？（3）若把反馈

*系数减至γ=0.35，当保持同样的输出电压时，给定电压Uu 应为多少？

解：（1）Ud?KpKsUu(1?KpKs?)?2?15?8.8(1?2?15?0.7)?12V (2) Ud?8.8?2?15?264V,开环输出电压是闭环的22倍

(3) Uu?Ud(1?KpKs?)KpKs?12?(1?2?15?0.35)(2?15)?4.6V

2.7 某闭环调速系统的调速范围是1500r/min~150r/min，要求系统的静差率s?5%，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： 1）D?nNs/?nN?1?s?

**10?1500?2%/?nN?98%

?nN?1500?2%/98%?10?3.06r/min

2）K??nop/?ncl?1?100/3.06?1?31.7

??

id?cos?i??sin?i???3Icos(wt??)2m3Icos(wt)cos??2m3Isin(wt)sin?2miq??sin?i??cos?i????3Imsin(wt??)23Icos(wt)sin??2m3Isin(wt)cos?2m

当?1=?时，?=?1t??t??0,则id?3Imcos(wt??)?23Imcos?0 2iq?33Imsin(wt??)??Imsin?022is?id2?iq2?3I 2m 6-3

按转子磁链定向同步旋转坐标系中状态方程为：

2npd?npLm?ist?r?TLdtJLrJLd?r1???r?mismdtTrTrdismLmRL?RrLusm??r?i??i?sm1stdt?LsLrTr?LsL2?Lsr2distLmRsL2?RLustrrm????r?i??i?st1smdt?LsLr?LsL2?Lsr2sr2m

坐标系旋转角速度：?1???Lmist Tr?r假定电流闭环控制性能足够好，电流闭环控制的等效传递函数为惯性环节：

稳定性：

转子磁链环节为稳定的惯性环节，可以采用闭环控制，也可以采用开环控制方式；而转速通道存在积分环节，必须加转速外环使之稳定。 6-4

sN?n1?nN1500?14001?? n1150015?sN?sN?1?sN2?fN?100?rad/s 15ism?isq?3Imcos(wt??)23Imsin(wt??)2

22is?ism?ist?3Im?3?6.9?11.95A 2Ld?r1???r?mismdtTrTr?1???LmistTr?r

Ldyr1=-yr+mismdtTrTrws=w1-w=LmistTrYr

Tr?Lr0.2898??0.109 Rr2.658L20.28382m??1??1??0.7317

LsLr0.294?0.2898

6-5

ASR调节器：

WASR?Kn(?ns?1)

?nsnpKnnp2Lm?r(?ns?1)Kn(?ns?1)Lm1 W???np??r??2?nsTis?1LrJsJ?nLrs(Tis?1)Knnp2Lm?r K?J?nLr取h=5,Ti?0.001s?n?hTi?0.005sK?h?1?120000222hTi

Kn?

KJ?nLr120000?0.1284?0.005?0.2898?

np2Lm?r32?0.2838?AΨR调节器：

WA?R?K?(??s?1)

??sW?K?(??s?1)Lm ???s(Tis?1)(Trs?1)Tr?Lr0.2898??0.109 Rr2.658取???Tr?0.109

W?K?LmK???s(Tis?1)s(Tis?1)K?LmK???Ti?0.001s

取KTi?0.5,??5%0.5K==5000.001

K??K??500?0.109??192.04 Lm0.2838W?

6-6

192.04

s(Tis?1)第七章

思考题

7-1

因为异步电动机的定子与转子速度不同步，有转差率产生，因为产生转差功率。

7-2

K1sEr0?K2UT2cos??IdR

可以看出，Ud中包含了电动机的转差率s，而Id与电动机转子交流电流Ir之间有固定的比例关系，因此它近似地反映了电动机电磁转矩的大小，而β角是控制变量。所以该式可以看作是在串级调速系统中异步电动机机械特性的间接表达式：s?f(Id,?) 控制逆变角?可以控制转差率s进而改变转速。

7-3

在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，转子电流会在外接电阻上产生一个交流电压，这一交流电压与转子电流有着相同的频率和相位，调速时产生的转差功率被消耗在外接电阻上。 串级调速是串的电动势，如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势来代替外接电阻，附加电动势的幅值和频率与交流电压相同，相位与转子电动势相反则它对转子电流的作用与外接电阻是相同的，附加电动势将会吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。 7-4

为了使串级调速装置不受过电压损坏。 7-5

图7-5所示的电气串级调速系统能够在次同步转速下作电动运行和电动机在超同步转速下作电动运行，因为图7-5所示的系统不可逆，所以不能制动运行。

习题

7-1

异步电动机双馈调速的基本原理：异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行。 在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。 异步电动机双馈调速的五种工况： 1. 电动机在次同步转速下作电动运行 2. 电动机在反转时作倒拉制动运行

3. 电动机在超同步转速下作回馈制动运行 4. 电动机在超同步转速下作电动运行 5. 电动机在次同步转速下作回馈制动运行 7-2 1．起动

异步电动机在静止不动时，其转子电动势为Er0；控制逆变角β，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可在一定的动态转矩下加速起动。随着异步电动机转速的增高，其转子电动势减少，为了维持加速过程中动态转矩基本恒定，必须相应地增大β角以减小Ud值，维持(Ud?Ui)基本恒定。当电动机加速到所需转速时，不再调整β角，电动机即在此转速下稳定运行。 2．调速 当增大β角使β=β2>β1时，逆变电压减小，但电动机的转速不能立即改变，所以Id将增

大，电磁转矩增大，使电动机加速。随着电动机转速的增高，K1sEr0减少，Id回落，直到新的平衡状态，电动机在增高了的转速下稳定运行。 3．停车

对于处于低同步转速下运行的双馈调速系统，必须在异步电动机转子侧输入电功率时才能实现制动。在串级调速系统中与转子连接的是不可控整流装置，它只能从电动机转子侧输出电功率，而不可能向转子输入电功率。因此串级调速系统没有制动停车功能。只能靠减小β角减小Id，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。

7-3

在不同的?角下异步电动机串级调速时的机械特性是近似平行的，其工作段类似于直流电动机变压调速的机械特性。由于转子回路阻抗的影响，异步电动机串级调速时的机械特性比其固有特性要软得多。受转子回路电阻增加的影响：当电机在最高转速的特性上（? = 90°）带额定负载，也难以达到其额定转速。受转子回路漏抗增加的影响：整流电路换相重叠角将加大，并产生强迫延迟导通现象，使串级调速时的最大电磁转矩比电动机在正常接线时的最大转矩有明显的降低。 7-4

串级调速系统的总效率是比较高的，且当电动机转速降低时,总效率的减少并不多。因为串级调速串的是电动势，有功率回馈回去。

而绕线转子异步电动机转子回路串电阻调速时的效率几乎随转速的降低而成比例地减少。因为串电阻调速的损耗都用来发热了。 7-5

对于宽调速的串级调速系统，随着转差率的增大，系统的功率因数还要下降，这是串级调速系统能否被推广应用的关键问题之一。

常用的方法是增加静止无功补偿装置－电力电容器，采用无功就地补偿来解决。 7-6

D?n1730??1.95 nmin375nmin?n1(1?smax) smax?1?n1?1?min?0.486 Dn1UT2?smaxEr0

cos?min一般取?min?30度

UT2?smaxEr0?1.15smaxEr0?1.15?0.486?244?136.3716V

cos30?IT2? 不会求

WT?3UT2IT2?3.45Er0I2Tsmax?3.45?244?I2T?0.486

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