9f-运动控制系统(陈伯时第三版)课后答案

第一章 闭环控制的直流调速系统 11 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 110000 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。 12 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。 答在制动状态中为负值就发挥作用了。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 d i 2 VT 1g U的正脉冲变窄负脉冲变宽从而使平均电枢电 压降低。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很 快使电流反向截止在 d U d EU d i 2 VD on tt时 2g U变正于是导通反向电流沿回路 3 流通产生能耗制动作用。在+时关断 2 VT Tt on t 2 VT d i沿回路 4 经续流向 电源回馈制动与此同时两端压降钳住使它不能导通。在制动状态中和 轮流导通而始终是关断的。 1 VD 1 VD 1 VT 2 VT 1 VT 1 VT 在轻载电动状态这时平均电流较小以致在关断后经续流时还没有达到 周期 电流已经衰减到零 这时两端电压也降为零便提前导通了 使电流反向 产生局部时间的制动作用。 1 VT d i 2 VD 2 VD 2 VT 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表示即 max min n D n = 其中和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。 max n min n 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 与理 想空载转速之比称作静差率 s即 0 N n s n = 或用百分比表示 0 100% N n s n =× 在直流电动机变压调速系统中一般以电动机的额定转速作为最高转速 N n 则 0min NN N nn s nnn = + min (1) NN N ns nn ss n = max min (1) N N nn S D nn = S 由上式可看出调速系统的调速范围、 静差速降和最小静差率之间的关系。 对于同一个调 速系统值一定如果对静差率要求越严即要求 s 值越小时系统能够允许的调速 范围也越小。 一个调速系统的调速范围 是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范 围。 N n 某一调速系统测得的最高转速特性为 max 1500 /min O nr=最低转速特性为 带额定负载时的速度降落 min 150 /min O nr=15 /min N nr=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 N n 解 系统能够达到的调速范围为 max min 1500 11 150 15 n D n = 系统允许的静差率 11 15 100%100%10% 1500 11 15 N NN D n s nD n × =×=×= +× 某闭环调速系统的调速范围是 1500150r/min 要求系统的静差率 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 2%s 解 因为 0min NN N nn s nnn = + 所以 min 150 0.02 3.06 /min 11 0.02 N ns nr s × = 因为 1 op cl n n K = + 所以 100 1131.7 3.06 op cl n K n = = = 16 某闭环调速系统的开环放大倍数为 15 时额定负载下电动机的速降为 8r/min如果 将开环放大倍数提高到 30它的速降为多少在同样静差率要求下调速范围可以扩大多 少倍 解 1 因为 cl e n C = d RI 1+K 所以 cl e n C = × d RI 1+K=8 1+15=128 则 128 4.13 /min 1 30 cl e nr C = + d RI 1+K 2 由 (1) N N n S D nS = 可知在 s 和不变的情况下D 只与 N n N n有关 调速范围扩大 1.94 倍。 17 某调速系统的调速范围 D=20额定转速1500 /min N nr=开环转速降落 若要求系统的静差率由 10%减少到 5%则系统的开环增益将如何变 化 240 /min Nop nr= 解 当 s=10%时8.33 /min 20 N N n s nr D × = × 1500 0.1 1-s1-0.1 此时 240 1127.8 8.33 op cl n K n = = = 当 s=5%时 3.95 /min 20 N N n s nr D × = × 1500 0.05 1-s1-0.05 此时 240 1159.8 3.95 op cl n K n = = = 则若要求系统的静差率由 10%减少到 5%则系统的开环增益将变大。 18 转速单闭环调速系统有那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测速反馈电压的分压比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 答 1转速单闭环调速系统有以下三个基本特征 只用比例放大器的反馈控制系统其被被调量仍是有静差的。 反馈控制系统的作用是抵抗扰动服从给定。扰动性能是反馈控制系统最突出的特 征之一。 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。 2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如果给定电压不变调节测速反馈电压的分压比或测速发电机的励磁发生了变化 它不能得到反馈控制系统的抑制 反而会增大被调量的误差。 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。 19 在转速负反馈调速系统中当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测 速发电机励磁各量发生变化时 都会引起转速的变化 问系统对上述各量有无调节能力为 什么 答当电网电压发生变化时系统对其有调节能力。因为电网电压是系统的给定反馈控制系 统完全服从给定。 负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻变化时系统对其有调节能力。因为他们的变化最 终会影响到转速都会被测速装置检测出来。再通过反馈控制作用减小它们对稳态转速的 影响。 测速发电机励磁各量发生变化时 它不能得到反馈控制系统的抑制 反而会增大被调量 的误差。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。 110 有一 VM 调速系统。电动机参数为2.2220 NN PkWUV=12.5 N IA= 电枢电阻1500 /min N nr=1.2 a R =整流装置内阻1.5 rec R=触发整流环节的放 大倍数。要求系统满足调速范围 D=20静差率35 s K =10%s 。 1计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降。 op n cl n 2采用转速负反馈组成闭环系统试画出系统的原理图和静态结构框图。 3调整该系统参数使当时15 n UV = dN II= N n=n则转速负反馈系数应该是 多少 4计算放大器所需的放大倍数。 解 1先计算电动机的电动势系数 220 12.5 1.2 0.1367min/ 1500 12.5 246.9 /min NNa e N N e UI R CV n I R r C × = × = op 则开环系数额定速降为 1.2+1.5 n 0.1367 r 额定负载时的稳态速降应为 8.33 /min 20 N n s r D × = × cl 1500 0.1 n 1-s1-0.1 2 系统的静态结构框图如下所示 Kp Ks 1/Ce U*nUc Un E n Ud0 Un + + - IdR - Un Ks 转速负反馈系统的原理图 + - A GT M TG + - + - + - Utg Ud Id n + - - + Un Un U*n UcUPE + - M T Id Un Ud Uc U n tg 3 当时 15 n U =V dN II= N n=n 则 转 速 负 反 馈 系 数应 该 是 15 0.01 1500 nn N UU nn = 4闭环系统的开环放大系数应为 246.9 1128.64 8.33 op cl n K n = = = 运算放大器所需的放大倍数 28.64 11.19 /0.01 35/0.1367 P Se K K KC = × 111 在题 1-10 的转速负反馈系统中增设电流截止环节要求堵转电流2 dblN II临界 截止电流1.2 dcrN II应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电阻要求电流反馈采样 电阻不超过主电路总电阻的 1/3如果做不到需要增加电流反馈放大器试画出系统的原 理图和静态结构框图 并计算电流反馈放大系数。 这时电流反馈采样电阻和比较电压各为多 少 解因为 2 1.2 ncom dblN S com dcrN S UU II R U II R + = = 且=15V计算可得 n U1.522.5 s RV= com U 2 1.2 ncom dblN S com dcrN S UU II R U II KR + = = 112 某调速系统原理图如图1-58所示 已知数据如下 电动机18 N PkW=220 N UV= 941000 /min N IAr= N n0.15 a R =整流装置内阻0.3 rec R=触发整流环节 的放大倍数。最大给定电压当主电路电流达到最大值时整定电流 反馈电压 40 s K =15 nm U =V 10 im UV= 设计指标 要求系统满足调速范围 D=20 静差率10%s 1.5 dblN II=。1.1 dcrN II=。 试画出系统的静态结构框图并计算 1 转速反馈系数。 2 调节器放大系数。 p K 3 电阻 1 R的数值。 放大器输入电阻 0 20Rk= 4 电阻 2 R的数值和稳压管 VS 的击穿电压值。 解 1转速负反馈系数应该是 15 0.015 1000 nn N UU nn = 2先计算电动机的电动势系数 22094 0.15 0.2059min/ 1000 94 205.4 /min NNa e N N e UI R CV n I R r C × = × = op 则开环系数额定速降为 0