电力拖动控制系统第三章

“电力拖动控制系统”kewai 习题第一章习题1-1 某V-M 系统，电动机数据为：P nom =10kW ，U nom =220V ，I nom =55A ，n nom =1000r/min ，R a =0.1Ω。

若采用开环控制系统，且仅考虑电枢电阻引起的转速降。

1．要求s =10%，求系统调速范围。

2．要求调速范围D =2，则其允许的静差率s 为多少？3．若要求D =10，s =5%，则允许的转速降Δn nom 为多少？1-2 在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数变化时系统对其是否有抑制调节作用，为什么？1．放大器的放大系数K p 。

2．供电电网电压。

3．电枢电阻R a 。

4．电动机励磁电流。

5．电压反馈系数γ。

1-3 某调速系统的调速范围是150~1500r/min ，即D =10，要求静差率s =2%，此时系统允许的稳态速降是多少？如果开环系统的稳态速降是100r/min ，此时闭环系统的开环放大系数应有多大？1-4 在教材图1-23（P 19）所示的转速负反馈有静差系统中，当U n *不变时调整转速反馈电位计RP 2，使转速反馈系数α增大至原来的2倍。

试问电动机转速n 是升高还是下降？系统的稳态速降比原来增加还是减小？对系统稳定是有利还是不利？为什么？1-5 在带电流截止环节的转速负反馈系统中，如果截止比较电压发生变化，对系统的静特性有什么影响？如果电流反馈电阻R s 的大小发生变化，对静特性又有什么影响？1-6 某调速系统原理图如下：已知数据如下：电动机：P nom =30kW ，U nom =220V ，I nom =157.8A ，n nom =1000r/min ，R a =0.1Ω。

采用三相桥式整流电路，等效内阻R rec =0.3Ω，K s =40。

最大给定电压为U nm *=15V ，当主电路电流最大时，整定U im =10V 。

设计指标：D =50，s =10%，I dbl =1.5I nom ，I dcr =1.1I nom 。

《运动控制系统设计》课程设计报告设计题目：转速、电流双闭环直流调速系统设计与实践班级：04 级自动化一班学号:姓名：指导教师：设计时间：2007.11.20 —2007.12.14目录摘要第一章概述第二章设计任务及要求2.1设计任务：2.2设计要求：2.3理论设计3.1方案论证3.2系统设计3.2.1电流调节器设计3.2.1.1确定时间常数3.2.1.2 选择电流调节器结构3.2.1.3计算电流调节器参数3.2.1.4 校验近似条件3.2.1.5 计算调节器电阻和电容3.2.2速度调节器设计3.2.2.1 确定时间常数3.2.2.2 选择转速调节器结构3.2.2.3 计算转速调节器参数3.2.2.4 校验近似条件3.2.2.5 计算调节器电阻和电容3.2.2.6 校核转速超调量第三章系统建模及仿真实验4.1MATLAB 仿真软件介绍4.2仿真建模及实验4.2.1单闭环仿真实验4.2.2双闭环仿真实验4.2.3仿真波形分析第四章实际系统设计及实验5.1 系统组成及工作原理5.2 设备及仪器5.3 实验过程5.3.1 实验内容5.3.2 实验步骤第五章总结与体会参考文献摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。

双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。

由于其机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。

动静态性能好，抗扰性能佳。

速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。

电流环校正成典型I型系统。

为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。

根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。

电力拖动自动控制系统-运动控制系统(_阮毅_陈伯时)思考题答案第2章2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。

特点略。

2-2 简述直流 PWM 变换器电路的基本结构。

答：直流 PWM 变换器基本结构如图，包括 IGBT 和续流二极管。

三相交流电经过整流滤波后送往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流 PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。

2-3 直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？答：脉动直流电压。

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？答：直流 PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。

其中直流 PWM 变换器的时间常数 Ts 等于其 IGBT 控制脉冲周期（1/fc），而晶闸管整流装置的时间常数 Ts 通常取其最大失控时间的一半（1/（2mf）。

因 fc 通常为 kHz 级，而 f 通常为工频（50 或 60Hz）为一周内），m 整流电压的脉波数，通常也不会超过 20，故直流 PWM 变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。

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？答：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 PWM 变换器的输出。

电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。

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？答：为电动机提供续流通道。

若二极管断路则会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电压。

2-7 直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？答：不是。

因为若开关频率非常高，当给直流电动机供电时，有可能导致电枢电流还未上升至负载电流时，就已经开始下降了，从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运转。

电力拖动自动控制系统虽然主要介绍电机的控制，并且以转速控制为主要对象，但其应用并不局限于此。

在数控机床等伺服控制范畴的应用更为广泛，这类控制与调速控制上的控制学原理是一致的，因此老师增加了位置控制、张力控制等章节，扩大了传动控制的范围，增加了知识点。

电机的控制与温度、流量、压力等控制也有共性，老师在教学过程中适当的引导，有利于拓展我们的思路，有利于我们应用知识能力的培养。

突破自动化就是调速的局限，而把自动化的主要专业课电力拖动自动控制系统作为控制理论和计算机应用的典型示例来讲并扩大其复盖范围，对促进自动化专业的建设和改造有重要意义。

实验在电力拖动自动控制系统课中始终占重要的地位，也是系统课程教改的重点。

目前，学校已经开发了大型综合性的实验，并和课程设计相结合单独设课，对我们实践能力的培养起了重要的作用。

理论教学、实验教学以及课程设计的结合为我们自动化学生工程能力培养创造了良好的机制，也已经发挥了积极作用。

但是在运行中目前的教学形式和手段在激发学生的创造性方面尚显不足。

实验的条件是有限的，一组多人且受时间限制，训练往往不充分，我们要充分利用现有的实验设备，完成任务，达到学习的目标。

主要内容及学习要点：第一章绪论1、电力拖动控制系统的基本类型（1) 直流电机拖动控制系统的基本类型（2）交流电机拖动控制系统的基本类型2、现代电力拖动控制系统的物质基础第二章闭环控制得直流调速系统1、转速控制得要求和调速指标（1）调速范围D（2）静差率S（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系2、闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图3、开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较4、闭环系统能够减少稳态速降得实质5、反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）6、反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算7、截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性8、反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数以及稳定条件9、PI调节器的设计10、无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构，积分调节器与比例调节器的区别，比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别11、无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算第三章多环控制的直流调速系统与调节器的工程设计方法1、转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图2、双闭环直流调速系统PI调节器在稳态时的特性：（1）饱和——输出达到限幅值（2）不饱和——输出未达到限幅值3、双闭环直流调速系统的静特性4、双闭环直流调速系统在稳态工作时各变量间的关系、稳态工作点和稳态参数的计算5、双闭环直流调速系统启动过程中电流和转速的三个阶段：（1）电流上升阶段（2）恒流升速阶段（3）转速调节阶段6、双闭环直流调速系统的动态性能（1）动态跟随性能（2）动态抗绕性能：抗负载扰动和抗电网电压扰动7、转速、电流两个调节器的作用8、调节器的工程设计方法的基本思路，以及典型Ⅰ、Ⅱ型系统的系统结构、参数和动态性能指标的关系9、按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器（1）电流调节器的设计①电流环的动态结构图②电流调节器的结构选择③电流调节器参数的选择（2）转速调节器的设计①转速环的动态结构图②转速调节器的结构选择③转速调节器参数的选择（3）电流调节器和转速调节器的实现10、双闭环直流调速系统中外环和内环的作用11、带电流变化率内环的三环直流调速系统的主要作用、特点第四章可逆控制和弱磁控制得直流调速系统1、晶闸管——电动机系统可逆线路的种类2、晶闸管——电动机系统回馈制动3、环流的概念、种类4、直流平均环流，α=β工作制配合控制得结构、特点、实现和作用5、产生脉动环流的原因，抑制的方法6、有环流可逆调速系统的基本结构，工作状态，以及正向制动过程的三个主要阶段（本组逆变阶段、它组反节制动阶段和它组回馈制动阶段）的特点7、逻辑控制得无环流可逆调速系统的组成、原理框图、工作状态特点，以及无环流逻辑控制器的功能、组成和工作状况8、错位控制得无环流可逆调速系统的结构特点、工作状态，消除环流的原理，以及带电压内环的错位无环流系统的结构，内环的作用第五章基于稳态模型的异步电动机调速系统1、脉宽调制（PWM）变换器的作用、种类2、简单不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（二级管的虚流作用）3、有制动作用的不可逆PWM变换器电路的特点、工作原理（制动情况）、电压和电流波形分析4、双极式H型可逆PWM变换器的原理图、工作原理、特点5、脉宽调速系统的稳态分析6、双闭环直流脉宽调速系统的主要结构组成及各环节的功能，常用的脉宽调节器的种类第六章基于动态模型的异步电机调速系统1、交流异步电机变压调速系统（1）异步电机在不同电压下的机械特性（2）闭环控制得变压调速系统及其静特性2、电磁转差离合器调速系统的特点第七章绕线转子异步电机双馈调速系统1、异步电机串级调速原理及其基本类型2、串级调速时异步电机的机械特性3、转速、电流双闭环串级调速系统的组成、动态数学模型等4、串级调速系统的功率流程第八章同步电动机变压变频调速系统1、同步电动机的稳态模型与调速方法2、他控变频同步电动机调速系统3、自控变频同步电动机调速系统4、同步电动机矢量控制系统5、同步电动机直接转距控制系统。

“电力拖动控制系统”习题第一章习题1-1 某V-M 系统，电动机数据为：P nom =10kW ，U nom =220V ，I nom =55A ，n nom =1000r/min ，R a =0.1Ω。

若采用开环控制系统，且仅考虑电枢电阻引起的转速降。

1．要求s =10%，求系统调速范围。

2．要求调速范围D =2，则其允许的静差率s 为多少？ 3．若要求D =10，s =5%，则允许的转速降Δn nom 为多少？1-2 在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数变化时系统对其是否有抑制调节作用，为什么？1．放大器的放大系数K p 。

2．供电电网电压。

3．电枢电阻R a 。

4．电动机励磁电流。

5．电压反馈系数γ。

1-3 某调速系统的调速范围是150~1500r/min ，即D =10，要求静差率s =2%，此时系统允许的稳态速降是多少？如果开环系统的稳态速降是100r/min ，此时闭环系统的开环放大系数应有多大？1-4 在教材图1-23（P 19）所示的转速负反馈有静差系统中，当U n *不变时调整转速反馈电位计RP 2，使转速反馈系数α增大至原来的2倍。

试问电动机转速n 是升高还是下降？系统的稳态速降比原来增加还是减小？对系统稳定是有利还是不利？为什么？1-5 在带电流截止环节的转速负反馈系统中，如果截止比较电压发生变化，对系统的静特性有什么影响？如果电流反馈电阻R s 的大小发生变化，对静特性又有什么影响？ 1-6 某调速系统原理图如下：已知数据如下：电动机：P nom =30kW ，U nom =220V ，I nom =157.8A ，n nom =1000r/min ，R a =0.1Ω。

采用三相桥式整流电路，等效内阻R rec =0.3Ω，K s =40。

最大给定电压为U nm *=15V ，当主电路电流最大时，整定U im =10V 。

设计指标：D =50，s =10%，I dbl =1.5I nom ，I dcr =1.1I nom 。

3-1 在恒流起动过程中，电枢电流能否达到最大值 I dm为什么答：不能达到最大值，因为在恒流升速阶段，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它正是一个线性渐增的斜坡扰动量，所以系统做不到无静差，而是I d 略低于I dm 。

3-2 由于机械原因，造成转轴堵死，分析双闭环直流调速系统的工作状态。

答：转轴堵死，则n=0,比较大,导致比较大,也比较大,然后输出电压较大，最终可能导致电机烧坏。

3-3 双闭环直流调速系统中，给定电压 Un*不变，增加转速负反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压 Un 和实际转速 n 是增加、减小还是不变答：反馈系数增加使得增大，减小，减小，减小，输出电压减小，转速n减小，然后会有所减小，但是由于α增大了，总体还是增大的。

3-4 双闭环直流调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象答：（1）转速一直上升，ASR不会饱和，转速调节有静差。

（2）转速上升时，电流不能维持恒值，有静差。

3-5某双闭环调速系统，ASR、均采用 PI 调节器，ACR 调试中怎样才能做到Uim*=6V时，Idm=20A；如欲使 Un*=10V 时，n=1000rpm，应调什么参数答：前者应调节，后者应调节。

3-6 在转速、电流双闭环直流调速系统中，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：转速n是由给定电压决定的，若要改变电动机转速，应调节给定电压。

改变Kn和Ks不行。

改变转速反馈系数α行。

若要改变电动机的堵转电流，应调节或者。

3-7 转速电流双闭环直流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：均为零。

因为双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，作用是使输入偏差电压在稳态时为零。

各变量之间关系如下：3-8 在双闭环系统中，若速度调节器改为比例调节器，或电流调节器改为比例调节器，对系统的稳态性能影响如何答：稳态运行时有静差，不能实现无静差。

第一章 闭环控制的直流调速系统1、三种调节电动机的转速的方法分别是：（1）调节电枢供电电压 U ；（调压调速）（2）改变电枢回路电阻 R 。

（调阻调速） （3）减弱励磁磁通 Φ；（调磁调速） 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

2、常用的可控直流电源有以下三种：旋转变流机组；静止式可控整流器；直流斩波器或脉宽调制变换器；3、G-M 系统工作原理：由交流电动机拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U ，从而调节电动机的转速 n 。

4、V-M 系统晶闸管可控整流器工作原理：通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。

5、V-M 系统的特点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt 与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。

由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。

6、斩波器的晶闸管工作在开关状态。

7、脉动电流影响和抑制措施：会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。

抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；8、对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：调速，稳速，加减速。

9、静差率：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 ∆nnom ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s.10、闭环系统的稳态结构框图 11、闭环调速系统的静特性 表示闭环系统电动机转速与 12、闭环调速系统可以获得比开环调速系统能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

13、转速反馈闭环调速系统具有以下三个基本特征或基本规律：被调量有静差；抵抗扰动，服从给定；系统的精度依赖于给定和反馈检测精度；14、当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

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，i d 为负值，VT 2 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U g 1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电 压U d 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 > U d ，很 快使电流 i d 反向，VD 2 截止，在 t on δ t ＜Ｔ时，U g 2 变正，于是VT 2 导通，反向电流沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。

在T δ t ＜Ｔ+ t on 时，VT 2 关断， i d 沿回路 4 经VD 1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD 1 两端压降钳住VT 1 使它不能导通。

在制动状态中，VT 2 和VT 1轮流导通，而VT 1 始终是关断的。

在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT 1 关断后 i d 经VD 2 续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD 2 两端电压也降为零，VT 2 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 =n max n min其中，n max 和 n min 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。

阮毅、陈伯时《电力拖动自动控制系统（第4版）》复习要点第一章绪论1、运动控制系统的组成2、运动控制系统的基本运动方程式me L d JT T dt ω=-mm d dtθω=3、转矩控制是运动控制的根本问题。

4、负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。

a ）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载。

5、负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。

6、负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。

直流调速系统第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速：e U IR n K -=Φ2、调节直流电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。

3、V-M系统原理图4、触发装置GT 的作用就是把控制电压U c 转换成触发脉冲的触发延迟角α。

改变触发延迟角α可得到不同的U d0，相应的机械特性为一族平行的直线。

5、脉宽调制变换器的作用：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。

6、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比。

7、静差率：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所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比。

8、调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)N N n s D n s =∆-N N ND n s n D n ∆=+∆(1)N N n s n D s ∆=-9、转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图10、直流电动机的动态结构11、开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多；（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。

12、当负载转矩增大，闭环调速系统转速自动调节的过程：TL ↑→I d ↑→n ↓→U n ↓→∆U n ↑→U c ↑→U d0↑→n ↑13、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。