電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第三版)-陳伯時(shí)-習(xí)題答案(全部)

第一章：閉環(huán)限制的直流調(diào)速系統(tǒng)00000

1-1為什么PWM-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)比晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能夠獲得更好的動(dòng)

態(tài)性能？

答：PWM系統(tǒng)與V-M系統(tǒng)相比，在許多方面有較大的優(yōu)越性：

（1）主電路途路簡(jiǎn)潔，需用的功率器件少；

（2）開關(guān)頻率高，電流簡(jiǎn)潔連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗與發(fā)熱都

較?。?/p>

（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左

右；

（4）若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)協(xié)作，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,

動(dòng)態(tài)抗擾實(shí)力強(qiáng)；

（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率

適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也大，

因而裝置效率較高；

（6）直流電源采納不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高;

1-2試分析有制動(dòng)通路的不行逆PMI變換器進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)VT是如

何工作的。

答：如圖P13,1-17,制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，先減小限制電壓，使小的正脈沖

變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓必降低。但是，由于機(jī)電慣

性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)還來不與變更，因而造成E>Ud,很快使電流id

反向，\他截止，在t°n/tVT時(shí)，Ug2變正，于是導(dǎo)通，反向電流沿

回路3流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。在TWtVT+ton（即下一周期的OWt

VTcn）時(shí)，VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)沿I續(xù)流,向電源回饋制動(dòng)，與此同

時(shí)，\口兩端壓降鉗住使它不能導(dǎo)通。在制動(dòng)狀態(tài)中，\工和\口輪番

導(dǎo)通，而V3始終是關(guān)斷的。

有一種特殊狀態(tài)，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在

V7關(guān)斷后id經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒有達(dá)到周期T,電流已經(jīng)衰減到零，

這時(shí)VDz兩端電壓也降為零，VT?便提前導(dǎo)通了，使電流反向，產(chǎn)生局

部時(shí)間的制動(dòng)作用。

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，要滿意給定的

靜差率也就簡(jiǎn)潔得多了”？

答：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)供應(yīng)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(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由志向空載增加到額定值時(shí)所

對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速著陸△口與志向空載轉(zhuǎn)速n。之比，稱作靜差率s,即

5=2

〃。o

調(diào)速范圍、靜態(tài)速降和最小靜差率之間的關(guān)系是：

D—"—Smin

汕）

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，要滿意給定的靜差率也就簡(jiǎn)潔得多

了“。

1-4某一調(diào)速系統(tǒng)，測(cè)得的最高轉(zhuǎn)速特性為〃。M=150()"min,最低轉(zhuǎn)

速特性為〃。扁"150"min,帶額定負(fù)載時(shí)的速度著陸△〃N=15r/min,且

在不同轉(zhuǎn)速下額定速降△小不變，試問系統(tǒng)能夠達(dá)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(dá)到的調(diào)速范圍為：

D_-max_"Omux__]]

冊(cè)iin^Oniin-^nN150-15

系統(tǒng)允許的靜差率：

s=DAZ2jV—xlOO%=一一xlOO%=10%

%V+OA〃N1500+11X15

思路二：

系統(tǒng)允許的靜差率：

5=^xl00%=^^xl00%=—xl00%=10%

〃o〃0dn150

系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍為：

口二2二傳二〉二1X10x0.1二]]

A/??v(l-s)A/?,V(1-5)15x(l-0.1)

1-5某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是150(T150r/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？假如開環(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?yàn)?

77.

所以系統(tǒng)允許的靜態(tài)速降:

1500x0.02.

人加="NS_"max=TQ6r/nn

￡)(1-5)O(l-s)10x(1-0.02)

又:

A%

X+K,,A%p=100r/min

故閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù):

lOQ

1=31.68

A〃”3.06

1-6某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為15時(shí);額定負(fù)載下電動(dòng)機(jī)的速

降為8r/min,假如將開環(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(kuò)大多少倍？

解：因?yàn)椋?/p>

所以：

畋=+K)=8x(1+15)=128

K=30時(shí)，電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的速降為：

人RI128(I、「

=-----d-——=-----=4.13r/min

clC/l+K)1+3()

又因?yàn)?

\nN(\-s)

所以在同樣靜差率要求下，且心不變，D的變更只與△電有關(guān)，即調(diào)

速范圍D擴(kuò)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)速班二1500"min,開環(huán)轉(zhuǎn)速

著陸△〃甌=240r/*「，若要求系統(tǒng)的靜差率由10%削減到5隊(duì)則系統(tǒng)

的開環(huán)增益將如何變更？

解：當(dāng)靜差率s=10%時(shí)，

7)(1-5)20x(l-0.1)

A：=^--l=--1=27.8

Mi8.33

當(dāng)靜差率s=5%時(shí),

2J500X0.05=3.95〃*“

A/2

0(1-s)20x(1-0.05)

犬=也

費(fèi)』59.8

因此，若要求系統(tǒng)的靜差率由10%削減到5%,則系統(tǒng)的開環(huán)增益將

從27.8變更到59.80

1-8轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有那些特點(diǎn)？變更給定電壓能否變更電動(dòng)

機(jī)的轉(zhuǎn)速？為什么？假如給定電壓不變，調(diào)整測(cè)速反饋電壓的分壓比

是否能夠變更轉(zhuǎn)速？為什么？假如測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變更，系

統(tǒng)有無克服這種干擾的實(shí)力？

答：（1）轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有以下三個(gè)基本特征:

①只用比例放大器的反饋限制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。

②反抗擾動(dòng)，聽從給定。

③系統(tǒng)的精度依靠于給定和反饋檢測(cè)的精度。

（2）變更給定電壓會(huì)變更電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)榉答佅拗葡到y(tǒng)完

全聽從給定作用。

（3）假如給定電壓不變，調(diào)整測(cè)速反饋電壓的分壓比會(huì)變更轉(zhuǎn)

速，因?yàn)榉答佇盘?hào)與給定信號(hào)的比較值發(fā)生了變更，破壞了原先的平

衡，調(diào)速系統(tǒng)就要接著動(dòng)作，使反饋信號(hào)與給定信號(hào)達(dá)到新的平衡為

止。

（4）假如測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變更，系統(tǒng)沒有克服這種干

擾的實(shí)力。因?yàn)榉答佅拗葡到y(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通

道上的擾動(dòng)。

1-9在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁

電流、電樞電阻、測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁各量發(fā)生變更時(shí)，都會(huì)引起轉(zhuǎn)速的

變更，問系統(tǒng)對(duì)上述各量有無調(diào)整實(shí)力？為什么？

答：當(dāng)電網(wǎng)電壓、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流、電樞電阻變更時(shí)，系

統(tǒng)對(duì)其均有調(diào)整實(shí)力。當(dāng)測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁各量發(fā)生變更時(shí)，系統(tǒng)沒有

調(diào)整實(shí)力。因?yàn)榉答佅拗葡到y(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通

道上的擾動(dòng)。

1-10V-M系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：PN-2.2kW,

^=220V,;^=12.5A,^=1500r/min,電樞電阻&=L2Q,整流裝置內(nèi)

阻R,;L5Q,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)K=35。要求系統(tǒng)滿意調(diào)速范

圍D=20,靜差率」10差

(1)計(jì)算開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降△〃沙和調(diào)速要求所允許的閉環(huán)靜態(tài)速

降△〃八

(2)采納轉(zhuǎn)速負(fù)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(dāng)U；=15V時(shí)，Ikh,n=則轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系

數(shù)a應(yīng)當(dāng)是多少？

(4)計(jì)算放大器所需的放大倍數(shù)。

解：(1)先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：

UNTR220—12.5X1.2

C°==1500=0.137〃?min/r

故開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降

R【N(1.2+1.5)X12.5

△〃在二G=-0J37—=246.35r/min

調(diào)速要求所允許的閉環(huán)靜態(tài)速降

21500x10%

二鞏1-s)<20x(1-10%)=g33r/min

(2)系統(tǒng)的原理圖如下:

+

系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下:

(3)當(dāng)U；=15V時(shí)，L=Un=nN,則轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù):

15

a公=nN=1500=0.01V-min/r

印叩]246.35]

(4)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)=8.33-=28.57

K28.57

放大器所需放大倍數(shù)1(/水￡仁二().()以35/().137=11.18,取

Kp=12

1-11在題1-10的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)中增設(shè)阻流截止環(huán)節(jié)，要求堵轉(zhuǎn)電

流/的臨界截止電流鼠々1.2〃，應(yīng)當(dāng)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,假如做不到，須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(jì)算電流反饋放大系數(shù)。這時(shí)電流反饋采樣電阻

和比較電壓各為多少？

5力W21N

解：7&

所以Uw“=22.5V,R,=1.5Q

因?yàn)橹麟娐房傠娮鑂=L2+L5=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。9。，而求

得的&=1.50,須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?yàn)榇瞬荒艹^09。，令R—0.9Q,故有U；a“=0.9xl.2/N=13.5卜

所以電流反饋放大系數(shù)為

U3-225

p=?=1.67

Ucom13.5

這時(shí)的電流反饋采樣電阻風(fēng)=090,比較電壓U⑼n=13.5V

1-12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(dòng)機(jī);

7%=18AW,UN=220VIN=94AnN=1C00"min此=0.15Q,整流

裝置內(nèi)阻R“二03Q,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)（-40。最大給定電

壓U*=15V,當(dāng)主電路電流達(dá)到最大值時(shí)，整定電流反饋電壓

=10V

O

設(shè)計(jì)指標(biāo)：要求系統(tǒng)滿意調(diào)速范圍1）=20,靜差率sWIO%,

I叔=15鼠，限產(chǎn)1?1h。試畫出系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，并計(jì)算:

（1）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a。

（2）調(diào)整器放大系數(shù)3。

（3）電阻總的數(shù)值。（放大器輸入電阻用=202）

（4）電阻&的數(shù)值和穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓值。

解：（1）因?yàn)閁；〃產(chǎn)UNm\x=nNa

a=-^-=-^-=0.015Vmin/r

所以>000

系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：？

(2)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為

Ce=UNTNR。=220-94x0.15=02059v^n/r

e

nN1000

開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降為

△=1/Ra+Rrec)=汨X(0.15+0.3)=447Vmi0

叩Ce0.2059

閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降為

_a<1000x0.1

=5.56r/min

△%~D(]-s)~20x0.9

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為

205.44

K=-1>-1=35.9

5.56

調(diào)整器放大系數(shù)為

“K35.9s°

K=--------=------------------=3

p

aKsICe0.015x40/0.2059',取K°=13

(3)取/二202則R]=KpRQ=20xl3=260AC

(4)求解火2的核心應(yīng)放在運(yùn)放上，利用虛地點(diǎn)求解電流:

U；u,U「Ub-Uc

R。R()R?%

1510-7.3_^c

n20R2~260.....①

對(duì)特殊點(diǎn)：當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，〃=。，故%二°,;

且此時(shí)，電樞回路中'=/皿=3/

U=%=//至

又/加=1.5〃，'K'揄K、

將上式帶入①式即可得到：

R2=3.58AQ

當(dāng)VS被擊穿時(shí)，

又U加=K）V,&B=U*1陽=151,,/叱=1.1"

所以，7.34V

1-13在電壓負(fù)反饋單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)下列參數(shù)發(fā)生變更

時(shí)系統(tǒng)是否有調(diào)整作用，為什么？①放大器的放大系數(shù)Kp；②供

電電網(wǎng)電壓；③電樞電阻R,；④電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流；⑤電壓反饋

系數(shù)Y。

答：當(dāng)放大器的放大系數(shù)、供電電網(wǎng)電壓、電樞電阻、電動(dòng)機(jī)勵(lì)

磁電流發(fā)生變更時(shí)，系統(tǒng)有調(diào)整作用，當(dāng)電壓反饋系數(shù)Y發(fā)生變更

時(shí)，它不能得到反饋限制系統(tǒng)的抑制，反而會(huì)增大被調(diào)量的誤差,因

為反饋限制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)。

1T4有一個(gè)V-M系統(tǒng)，已知：電動(dòng)機(jī)：名=2.8kW,以=220匕

IN=15.6A

電=1500r/min,R—I.5Q,整流裝置內(nèi)阻心二9,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放

大倍數(shù)9二35。

（1）系統(tǒng)開環(huán)工作時(shí)，試計(jì)算調(diào)速范圍。=30時(shí)的靜差率s值。

（2）當(dāng)。=30,$=10%時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)允許的穩(wěn)態(tài)速降。

（3）如組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差調(diào)速系統(tǒng)，要求。=30,s=10%,在

U：=10V時(shí)〃=八，…N，計(jì)算轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)a和放大器放大系數(shù)

3。

（4）如將上述調(diào)速系統(tǒng)改為電壓負(fù)反饋有靜差調(diào)速系統(tǒng)，仍要求在

U：=10V時(shí)，〃=/匕〃=〃％并保持系統(tǒng)原來的開環(huán)放大系數(shù)K不變,

試求在。=30時(shí)的靜差率。

解：（1）先計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：

_220-15.6x1.5

=0.1311Vmin/

G二

~n!：_―1500

則開環(huán)系統(tǒng)的額定速降:

〃(凡+凡,)=15.6X(1.5+1)

△〃在

-=297.48"min

Cc0.1311

所以系統(tǒng)開環(huán)工作時(shí)，調(diào)速范圍。=30時(shí)的靜差率:

加%30x297.48

nN+D\nop1500+30x297.48

(2)當(dāng)。=30,s=10%時(shí)，系統(tǒng)允許的穩(wěn)態(tài)速降

1500x0,1=556r/niin

0(1-s)30x(1—0.1)

（3）在U〃=10V時(shí)〃=〃N,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)a為

"幺=-^-=0.007

〃N1500

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為

K4一由一…

調(diào)整器放大系數(shù)S為

K52.5

=28.09

aKs!Ce0.007x35/0.1311，取3=29

(4)在電壓負(fù)反饋有靜差調(diào)速系統(tǒng)中,

1x15.61.5x15.6iccrc/.

+蟹---------=180.73r/nun

Ce0.1311x(l+52.2)0.1311

故當(dāng)U；=10V時(shí)〃=〃N,并保持原開環(huán)放大系數(shù)K不

變,在。=30nmin=50r/min,靜差率：

1-15在題1T0的系統(tǒng)中，主電路電感乙=5。〃田，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪慣

量GQ2=I.6N.〃/，整流裝置采納三相零式電路，試推斷按題1-10要求

設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行？如要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，允許

的最大開環(huán)放大系數(shù)K是多少?

解：計(jì)算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù):

L_0.05//

=0.01855

電磁時(shí)間常數(shù)/-%一(1.2+1.5)C

丁GD2R1.6X(L2+1.5).

=----------=------------------------s=0N.064s

n,C30

°CJM375X().137X—xO.137

機(jī)電時(shí)間常數(shù)7t

對(duì)于三相零式電路(即三相半波整流電路)，晶閘管裝置的滯后

時(shí)間常數(shù)為