2021年電力拖動自動控制系統(tǒng)

1、*歐陽光明*創(chuàng)編2021.03.07第一章：閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)00000歐陽光明（2021.03.07）1-1為什么PWM-電動機系統(tǒng)比晶閘管-電動機系統(tǒng)能夠獲得更好的動態(tài)性能？答：PWM系統(tǒng)與V-M系統(tǒng)相比，在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都 較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達 1： 10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng) 快，動態(tài)抗擾能力強；（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也大，因而裝置效率較高；（6）直流電源

2、采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高；1-2試分析有制動通路的不可逆PWM變換器進行制動時，兩個VT是如何工作的。答：如圖P13, 1-17，制動狀態(tài)時，先減小控制電壓，使Ug 1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機 電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢還來不及變化，因而造成EUd,很快使 電流id反向，VD2截止，在tont T時，Ug2變正，于是VT2導通，反 向電流沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。在Tt T+ton（即下一周 期的0tT丿時，VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD續(xù)流，向電源回饋制 動，與此同時，VD兩端壓降鉗住VT使它不能導通。在制動狀態(tài) 中，VT2和V

3、D】輪流導通，而VT】始終是關(guān)斷的。有一種特殊狀態(tài)，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在V片關(guān)斷后id經(jīng)VD2續(xù)流時，還沒有達到周期T,電流已經(jīng)衰減到 向，產(chǎn)生局部時間的制動作用。零，這時VD2兩端電壓也降為零,vt2便提前導通了，使電流反1-3 調(diào)速范圍和靜差率的定義是什么？調(diào)速范圍、靜差速降和最小 靜差率之間有什么關(guān)系?為什么說“脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的 靜差率也就容易得多了”?答：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速 范圍，用字母D表示，即：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時 所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落AnN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s,即An

4、S = Nn0 。調(diào)速范圍、靜態(tài)速降和最小靜差率之間的關(guān)系是：按上述關(guān)系可得出：D越小，s越小，D越大，s越大；D與s相互制約，所以說“脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了”。1-4某一調(diào)速系統(tǒng)，測得的最高轉(zhuǎn)速特性為n0max二1500r/min，最低轉(zhuǎn) 速特性為n0min二150r/min，帶額定負載時的速度降落心N二15r/min , 且在不同轉(zhuǎn)速下額定速降A(chǔ)nN不變，試問系統(tǒng)能夠達到的調(diào)速范圍 有多大？系統(tǒng)允許的靜差率是多少？解：思路一：系統(tǒng)能夠達到的調(diào)速范圍為：系統(tǒng)允許的靜差率：思路二：系統(tǒng)允許的靜差率：系統(tǒng)能夠達到的調(diào)速范圍為：1-5某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是150015

5、0r/min,要求系統(tǒng)的靜差 率s 2%，那么系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降是多少？如果開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài) 速降是100r/min,則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)有多大？ 解：因為： TOC o 1-5 h z n1500D = max = = 10n150min所以系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降：AnAn =op_c 1 + K，又：An = AnAn = 100 r / mincl N , op故閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)： 1-6 某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為 15時,額定負載下電動機的 速降為8r/min,如果將開環(huán)放大倍數(shù)提高到30,它的速降為多少？ 在同樣靜差率要求下，調(diào)速范圍可以擴大多少倍？解：因為：所以：K=3

6、0 時，電動機在額定負載下的速降為：又因為：所以在同樣靜差率要求下，且nN不變，D的變化只與心N有關(guān)，即調(diào)速范圍D擴大了8/4.13=1.49倍。1-7某調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=20,額定轉(zhuǎn)速nN二1500r/min，開環(huán)轉(zhuǎn) 速降落 f 二240r/min，若要求系統(tǒng)的靜差率由10%減少到5%,則 系統(tǒng)的開環(huán)增益將如何變化？解：當靜差率s=10%時，當靜差率 s=5% 時,因此,若要求系統(tǒng)的靜差率由 10%減少到5%,則系統(tǒng)的開環(huán)增益將從27.8變化到59.8。1-8轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有那些特點？改變給定電壓能否改變電動 機的轉(zhuǎn)速？為什么？如果給定電壓不變,調(diào)節(jié)測速反饋電壓的分壓 比是否能夠改變

7、轉(zhuǎn)速？為什么？如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變 化,系統(tǒng)有無克服這種干擾的能力？答：（1）轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有以下三個基本特征：只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng),其被調(diào)量仍是有靜差的。抵抗擾動,服從給定。系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。（2）改變給定電壓會改變電動機的轉(zhuǎn)速，因為反饋控制系統(tǒng) 完全服從給定作用。（3）如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測速反饋電壓的分壓比會改變 轉(zhuǎn)速，因為反饋信號與給定信號的比較值發(fā)生了變化，破壞了原先 的平衡，調(diào)速系統(tǒng)就要繼續(xù)動作，使反饋信號與給定信號達到新的 平衡為止。（4）如果測速發(fā)電機的勵磁發(fā)生了變化，系統(tǒng)沒有克服這種干 擾的能力。因為反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)

8、包圍的前向 通道上的擾動。1-9在轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)中，當電網(wǎng)電壓、負載轉(zhuǎn)矩、電動機勵 磁電流、電樞電阻、測速發(fā)電機勵磁各量發(fā)生變化時，都會引起轉(zhuǎn) 速的變化，問系統(tǒng)對上述各量有無調(diào)節(jié)能力？為什么？ 答：當電網(wǎng)電壓、負載轉(zhuǎn)矩、電動機勵磁電流、電樞電阻變化時， 系統(tǒng)對其均有調(diào)節(jié)能力。當測速發(fā)電機勵磁各量發(fā)生變化時，系統(tǒng) 沒有調(diào)節(jié)能力。因為反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的 前向通道上的擾動。1-10 V-M 系 統(tǒng) ， 電 動 機 參 數(shù) 為 ： PN =2.2kW ，Un =220V, In =12.5A, nN =1500r/min,電樞電阻竹=1.2Q，整流裝置內(nèi) 阻Rec =1.5Q

9、,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks =35。要求系統(tǒng)滿足調(diào)速 范圍D=20,靜差率s 10%。（1）計算開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降山op和調(diào)速要求所允許的閉環(huán)靜態(tài)速 降先。（ 2 ）采用轉(zhuǎn)速負反饋組成閉環(huán)系統(tǒng)，試畫出系統(tǒng)的原理圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。(3)調(diào)整該系統(tǒng)參數(shù)，使當Un*=15V時，Id=IN, n=nN,則轉(zhuǎn)速負反 饋系數(shù)a應(yīng)該是多少？( 4)計算放大器所需的放大倍數(shù)。 解：(1)先計算電動機的電動勢系數(shù)：叮 220 -12.5 x 1.2C =nN=1500=0.137 V - min/ reN故開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降RIN 6.2+衛(wèi)空心op= Ce =0.137=246.35r/min調(diào)速要求所允許

10、的閉環(huán)靜態(tài)速降n j、1500 x 10%Ancl = DQs) 20 x(l一10%) =8.33r/min系統(tǒng)的原理圖如下： 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：當 Un*=15V 時， Id=IN， n=nN, 則轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)： Un! JLa nN = 1500 =0.01 V - min/ rAnop 一1246.35 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K= And=飛:莎=28.57K28.57放大器所需放大倍數(shù) Kp= aKs/Ce =0.01x35/0.137 =11.18， 取 Kp=121-11在題 1-10 的轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)中增設(shè)電流截止環(huán)節(jié)，要求堵轉(zhuǎn)電流Idbl 2IN，臨界截止電流Idcr、

11、叫，應(yīng)該選用多大的比較電壓和電流反饋采樣電阻？要求電流反饋采樣電阻不超過主電路總電阻的1/3，如果做不到，需要增加電流反饋放大器，試畫出系統(tǒng)的原理圖 和靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并計算電流反饋放大系數(shù)。這時電流反饋采樣電 阻和比較電壓各為多少？解：dblU * + UncomRs2IN所以U = 22.5VcomR = 1.50 s因為主電路總電阻R二1.2 +1.5 = 2.7V，要求電流反饋采樣電阻不超過主電路總電阻的 1/3，即要求電流反饋采樣電阻不超過 0.90 ，而 求得的Rs二出。，需要增加電流反饋放大器。系統(tǒng)原理圖如下：系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：？因為 Rs 不能超過 0.9。，令 Rs 二 0

12、.90，故有 UCom = 0.9 .2In= 13.5V 所以電流反饋放大系數(shù)為這時的電流反饋采樣電阻Rs二90，比較電壓UCom = 13.5V1-12 某調(diào)速系統(tǒng)原理圖見教材 P51， 1-58，已知數(shù)據(jù)如下：電動 機；PN 二 18kW，UN 二 220V Jn = 94A，N 二 1000r/min，Ra - 150， 整流裝置內(nèi)阻Rrec = 30，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks二40。最大給 定電壓Um = 15V，當主電路電流達到最大值時，整定電流反饋電壓U 二 10Vim設(shè)計指標：要求系統(tǒng)滿足調(diào)速范圍D=20，靜差率s22.86 因此，此轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。1-16 為什

13、么用積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是無靜差的？在轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速 系統(tǒng)中，當積分調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓AU二0時，調(diào)節(jié)器的輸出電 壓是多少？它取決于那些因素？答：在動態(tài)過程中，當AJ變化時，只要其極性不變，即只要仍是 UU，積分調(diào)節(jié)器的輸出 U便一直增長；只有達到 u=U， AUn二0時，U才停止上升；不到AUn變負，U不會下降。特別要注 意的是，當AUn二0時，U并不是零，而是一個終值Uf ；如果AJ不 再變化，這個終值便保持恒定而不再變化，這是積分控制的特點。因此，積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn) 無靜差調(diào)速。當積分調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓AU二0時，調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc不 是零，而是一個終值Ucf，它取決于輸入偏差量的全部歷史。1-17 在無靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度是否還受給 定電源和測速發(fā)電機精度的影響？并說明理由。答：轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)精度還受給定電源和測速發(fā)電機精度的影響，因為 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度，叮 U n。例如，若 給定應(yīng)為15V1500轉(zhuǎn)；當給定發(fā)生錯誤為13