电力拖动自动控制系统期末复习题

《电力拖动自动控制系统》复习题

一、概述

1、控制系统能正常运行的首要条件是稳定性。

2、直流电动机的调速方法有调压调速、弱磁调速以及串电阻调速等三种；在自控调速系统中最常用的是调压调速，基本不用串电阻调速。

电动机有两种状态：电动和发电状态。

电动状态的特点是：①T 电磁转矩和n 方向相同；②将电能转换为机械能； 发电状态的特点是：①T 和n 方向相反；②将机械能变为电能。

3、直流调速系统用的可控直流电源有：旋转交流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制交换器。

二、性能指标

1、《P21~P23》自动控制调速系统的性能指标分为稳态指标和动态指标两大类。

1）稳态性能指标主要是静差率和调速范围：

①静差率S ——额定负载下的额定转速N n 相对于其理想额定转速o n 的差值N n ?的与理想空载转速o n 的比值称为静差率。

调速系统的静差率指标应以最低转速所能达到的数值为准。

静差率除与机械特性的硬度有关外，还与其理想空载转速有关，当理想空载转速一定时，机械特性越硬，则静差率越小。

②调速范围D ——在最低转速时，能满足所需静差率的最大转速与最低转速之比。 闭环调速系统可获得比开环系统硬的多的机械特性，从而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须增设放大环节以及检测与反馈装置。

要求会计算调速范围和静差率。

例1、某直流调速系统电动机额定转速为1530r/min ，额定速降m in /120r n N =?，当要求静差率25%时，允许多大的调速范围？最低转速是多少？

解：要求25%时，调速范围为

25.4)

25.01(12025.01530)1(=-??=-?=s s n D N n N min /36025.41530max min r D n n N N ===

答：允许的调速范围D=4.25、最低转速min /360min r n N =。

2）动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能

指标。

自控系统通常可分为自动调速系统和自动跟随系统两大类，前者的主要动态性能指标是它的抗扰指标：后者的主要动态性能指标是它的跟随指标。

不论是跟随性能指标还是抗扰性能，各自又可分为快速性能指标和稳定性指标两种。

在闭环有差系统中，系统的开环放大系数越大，系统的稳态性能越好，但稳定性越差。

三、负反馈闭环调速系统

1、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动和服从给定。

在闭环有差系统中应采用P调节器，在稳定时调节器偏差输入不会为0，系统将产生稳态误差：在闭环无差系统中应采用PI调节器时，在稳态时调节器偏差输入为零，否则系统将不能进入稳态。

单闭环调速系统中，为限制全压起动和堵转时电流过大，通常采用电流截止负反馈。

2、转速单闭环调速系统的特点

①只用比例调节器的系统，其被调量有静差的：用比例积分调节器的系统，其被调量是无静差的。

②反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。

抗扰动性能是反馈控制系统最突出的特征之一。

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。例如在电机调速控制系统中，系统是无法抑制给定电源、电动机励磁电压变化引、测速发电机的励磁发生变化等所引起的扰动。它们不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。

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、系统的精度依赖于给定（电源)和反馈检测的精度。

3、有差调速系统与无差调速系统

两者的根本区别在于转速调节器中有无积分控制作用，为PI调节器时可消除阶跃输入和阶跃扰动作用下的静差，称为无静差系统；为P调节器时只能降低静差，却不能消除静差，故称有静差系统。

1)、有(静)差系统

采用P调节器作速度调节器的闭环调速系统是有差调速系统。有差系统的稳态误差(静差)随开环增益的增加而减小。

转速有差系统闭环后，转速降变为开环时的，1/（1+K)；闭环系统开环放大系数K越大，转速降越小，但K不能超过系统的临界放大系数，否则系统将不稳定。

系统闭环能改善系统稳态性能的根本原因是由于闭环后，当负载增加时理想空载电压(即电动机的端电压)可以随之增加。

2）、无(静)差调速系统。

带有比例积分调节器的单闭环直流调速系统，当转速的反馈值与给定值相等，则调节器的输出保持原先的值不变。

采用比例积分调节器作速度调节器的闭环调速系统必定是无静差调速系统，因此无静差单闭环调速系统，稳态时，转速的给定值与反馈值相同，此时调节器的输出保持恒定值不变。

无静差调速系统的PI调节器中P部份的作用是加快动态响应，而I部分的作用才是消

除稳态误差。

4、闭环系统的开环对数幅频特性的中频段决定了系统的动态性能；低频段决定了系统的稳态性能。

中频带越宽，系统的相对稳定裕量愈大，系统的稳定性愈高。

5、典型I 型系统对阶跃给定输入是无差的；典型II 型系统对阶跃和斜坡给定输入是无差的。

四、转速、电流双闭环调速系统

1、转速、电流双闭环调速系统当中，速度调节器(ASR)和电流调节器（ACR)这两个调节器采用串级联接，当转速给定信号极性为“正”时，转速反馈信号的极性为“负”负反馈、电流反馈信号的极性为“正”。

外环转速调节器的作用是:

①、它是调速系统的主调节器，能使转速n 快速地跟随给定的变化而变化，可减少静差；采用PI 调节器时可实现无静差；

②、对负载变化引起的干扰只能由速度环来抑制；

③、其输出限幅值决定着电动机允许的最大电流值。

内环电流调节器的作用是:

①、在转速外环的调节过程中，作为内环调节器它的作用是使电动机电流d I 紧跟电流给定电压的变化而变化；

②、电网电压波动和电流断续引起的干扰，主要由电流环来抑制；

③在起、制动过程中使dm d I I ，以实现准最佳时间控制；

④在过载或堵转时，限制电动机电流最大值，起着快速自动保护作用。-

2、为实现理想的快速起动，应在起动过程中使电枢电流保持最大值；在典型双环系统中，这一最大值取决于转速调节器的限幅值和电流反馈系数。

3、典型双环系统的起动过程按顺序可分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段；在第II 阶段中，ASR 处于饱和状态、ACR 处于未饱和状态。速度环开环、电流环闭环整个系统为一电流给定恒定的单闭环系统。可见：

①、转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是：饱和非线性控制、准时间最优控制和转速超调。

②、采用PI 调节器的转速、电流双闭环系统启动时，转速调节器经历不饱和、饱和、退饱和三种状态。

③、有反馈环节的的调速系统并非总是处于闭环状态的。

4、在双环调速系统中，转速调节器的输出限幅决定了电动机所允许的最大

电流；电流调节器的输出限幅决定了电动机所能得到的最大电压。

双闭环调速系统的两个调节器通常采用PI 调节器，系统在稳定运行时，转速n 取决于转速给定信号的极性与大小、电枢电流d I 等干负载电流DL I 、控制电压C U 从而整流电压d U 的大小取决于转速n 和负载电流dL I 。

5、在典型双环系统中，电网电压波动主要是由电流环抑制的；负载扰动只能由速度环来抑制。稳定运行的典型双环系统中，负载变化首先引起的是转速的变化。

6、典型双环系统中，电机处于动态加速状态时负载电流小于电枢电流。

五、系统设计

一)、静态设计

双环系统中，ASR.ACR 均采用PI 调节器已知参数：电动机：、kW P N 5.5= V U N 440=、

、A I N 140= min /1000r n N =、m in)//(416.0r V C e =，电枢回路总电阻R=0.25Ω，设

V U U im nm 10**==，电枢回路最大电流A I dm 252=，电力电子变换器的放大系数Ks=40。试求：

（1）电流反馈系数β和转速反馈系数α；（2）、cm U 值。

解：(1) β=A V I U dm im

04.025210*==;α=A V n U N nm 01.0100010*==

(2) V R I n C U dm N e d 47925.025********.00=?+?=+=;

V U U ks do C 1240479/===

二）、动态设计

I 、典型I 系统的设计

如图所示系统，按典型I 型系统进行设计，求出调节器Wc （s ）类型与参数。

解：校正成典型I 型系统时，其开环传递函数为)1()(11+=Ts s K s W 。采用PI 调节器校正，即,)

1()(s s K s W p c +=τ则开环传递函数为

)1001.0)(101.0(/)1(20)(+++??=s s s s Kp s W τ。

取001.0=τ，则有：)1001.0(/20)(+??=s s Kp s W 。

按二阶最佳原则有：,5.0001.020=??Kp 故可得：25=p K .

答：调节器,)

1()(s

s K s W p c +=τ为PI 调节器，Kp=25、01.0=τs 。 2、典型II 系统的设计

如图所示系统，按典型II 型系统进行设计，求出调节器)(s W C 类型与参数。

解：校正成典型II 型系统时，其开环传递函数为)

1()1()(2++=Ts s s K s W II II τ。采用PI 调节器校正，即s s K s W p c )

1()(+=τ。将大惯性环节)101.0(1+s 近似处理为积分环节

)01.0(1s ，则开环传递函数为)1001.0()

1(20002++??=s s s K W p KII τ

若取h=5，则T=0.001，005.0001.05=?==hT τ。系统开环传递函数为

)1001.0()

1005.0(20002++??=s s s K W p KII

按Mpmin 准则：

22212000T h h K K p II +==，60001.025********=???+==p p k K 答：调节器s s K s W p c )1()(+=

τ为PI 调节器，s 005.0=τ、Kp=60。

六、可逆调速系统

一）、与V —M 系统相比，PWM 系统的优越性是：

①、主电路线路简单，需要的功率器件少。

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。

二）、V —M 可逆系统

1、只在两组晶闸管之间流通的短路电流称为环流，它适用于中小容量系统，对快速性有较高要求的系统。环流分为直流平均环流和交流脉动环流两种，不允许存在直流环流，虽允许交流环流，但要限制它的大小。

根据有无环流，系统分为无环流系统（常用的有逻辑无环流系统和错位无环流系统)和有环流系统（常用的有自然环流系统和可控环流系统)。有环流系统需要配置笨重的环流电抗器，但快速性好。

2、在可逆相控整流供电的直流调速系统中在转速给定0*

>n U 时:

若0>C U 时，o f 90<α、正桥处于整流状态；o r 90>α、反桥处于逆变状态。

若0α、正桥处于逆变状态；o r 90<α、反桥处于整流状态。 3、在V —M 可逆系统中，消除直流平均环流的条件是r f βα=或r f βα≥；在βα=配合控制的直流可逆系统中，存在的是交流脉动环流，可用串接环流电抗器抑制。

4、在V —M 可逆系统中，理想空载整流电压do U 的极性改变时，电枢电流do I 的方向未必随之改变。