《电力拖动自动控制系统》辅导

    《电力拖动自动控制系统》是工业自动化专业的主要专业课之一。本课程教材采用陈伯时主编的《电力拖动自动控制系统》（修订版）。本课程的教学内容分为二大部分。第一部分是以直流电动机为控制对象的直流拖动控制系统，主要包括教材中第二章至第五章，介绍直流拖动自动控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法。第二部分是以交流电动机为控制对象的交流拖动系统，主要包括教材中第六章至第八章，主要对交流拖动系统中的一些基本理论、基本环节和控制规律进行了分析。

     为便于 同学们复习，下面给出各章复习要求，并提供一份模拟练习题。

第一部分：复习要求

第一章   结论

   【本章重点】

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  闭环控制的直流调速系统

【本章重点】

1. 转速控制的要求和调速指标：

   l）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的实质。

   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

   【本章重点】

   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征：

    l）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起动过程中电流和转速的三个阶段：

      l）电流上升阶段；

      2）恒流升速阶段；

      3）转速调节阶段；

      4）起动过程的三个特点，波形分析。

     6．双闭环直流调速系统的动态性能：

      1）动态跟随性能；

      2）动态抗扰性能：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：

      l）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转速调节器多数的选择。

      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   可逆直流调速系统

   【本章重点】

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 工作制配合控制的结构、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、它组反接制动阶段和它组回馈制动阶段）的特点。

   7．逻辑控制的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．错位控制的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结构，内环的作用。

第五章   直流脉宽调速系统

   【本章重点】

    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（二极管的续流作用）。

    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。常用的脉宽调制器的种类。

第六章   交流异步电机转差功率消耗型调速系统

    【本章重点】

    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) 闭环控制的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   交流异步电机转差功率回馈型调速系统——绕线转子异步电机串级调速系统

【本章重点】

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   交流异步电机转差功率不变型调速系统——变压变频调速系统

【本章重点】

1. 变压变频调速的基本控制方式。

2. 异步电机电压、频率协调控制时的机械特性。

     3．静止式电力电子变压型变频装置的组成，各元件的作用，导电方式，以及大致的工作原理。

     4．转速开环、恒压频比控制的调速系统，主要包括：系统的控制原理、结构框图的组成、工作原理、以及动态结构图。

     5．转速闭环、转差频率控制的变压变频调速系统，主要包括：

       l）转差频率控制的基本概念；

       2）转差频率控制的规律；

3) 转差频率控制系统的结构组成、特点、工作原理。

     6．异步电机的多变量数学模型和坐标变换。

     7．按转子磁场定向矢量控制的变压变频调速系统，主要包括：

       1）矢量控制系统的构想；

       2）矢量控制调速系统原理性框图、主要特点。

     第二部分：本次期末考试试题类型

     （－）填空题，占 40% ；

  （二）问答题，占 24% ；

     （三）计算、设计题，占 36 % 。

     第三部分：模拟练习题

一、填空题（本题 40 分，每空 2 分）

1. 在直流电机调压调速系统中，电动机的最高转速为 n N ，调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系是                   。

2. 闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定           的要求下，能够提高调速范围，为此所付出的代价是，须增设                   装置和电压放大器。

3.            综合了比例控制和积分控制两种规律的优点。比例部分能迅速响应           ，积分部分则最终消除              。

4.  转速、电流双闭环调速系统的静特性在                          时表现为转速无静差，这时，                      起主要调节作用。

5. 工程设计方法的基本思路是，把调节器的设计方法分作两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的                       ；第二步，再选择调节器的参数，以满足                      。

6. 有环流可逆直流调速系统的典型控制方式是                    ，即            工作制。

7.  当一组晶闸管整流工作时，让另一组晶闸管处在                         ，但两组触发脉冲的           错开得比较远，彻底杜绝了瞬时                    的产生，这就是错位控制的无环流可逆系统。

8. 脉宽调制器是一个                装置，由电流调节器 ACR 输出的控制电压进行控制。

9. 串级调速系统可以实现异步电机的                调速，而且具有高效率的调速性能，但所付出的代价是，增设                        。

10 在 s 值很小的范围内，只要能够保持                        不变，异步电动机的转矩就近似与                      成正比，这就是转差频率控制系统的基本概念。

二、问答题（本题 24 分，每小题 8 分）

1. 试述转速反馈闭环调速系统的三个基本特征。

2. 试述双闭环直流调速系统起动过程的三个阶段和三个特点，以及动态性能。

3. 试回答三相异步电机应如何通过坐标变换等效成直流电机？

三、计算题（本题 36 分）

  1 ．有一 V--M 系统，已知： ， ， ， ， ， ，触发器 。

(1)系统开环工作时，试计算调速范围 D=20 时的静差率 s 的值。

(2)当 D=20 ， s=10% 时，计算系统允许的稳差速降。

(3)如组成转速负反馈有静差调速系统，要求 D=20 ， s=10% ，在 时， ， ，计算放大器放大系数 K p 和 转速反馈系数 α。

2 ．有一转速、电流双闭环调速系统（ ASR 和 ACR 均采用 PI 调节器），在此系统中，已知数据： ；可控硅： K S =40 ，电枢回路最大电流 I dm =40A ，总电阻 R=1.5 Ω 。设 。试求：

(1)电流反馈系数 β 和电压反馈系数 α 。

(2)当电动机在最高转速发生堵转时的 和 U ct 值。

模拟练习题参考答案：

一、填空题（本题 40 分，每空 2 分）

1.     2. 静差率    检测与反馈    3. 比例积分控制    控制作用    稳态偏差       4. 负载电流小于 I dm    转速负反馈      5. 稳态精度     动态性能指标      6. 配吘控制           7. 待逆变状态       零位    脉动环流      8. 电压——脉冲变换    9. 平滑无级         串级调速装置   10. 气隙磁通      转差角频率   

二、问答题（本题 24 分，每小题 8 分）

1 ．（ 1 ）具有比例放大器的反馈控制系统其被调量总是有静差的。

  （ 2 ）抵抗扰动与服从给定。

  （ 3 ）系统的精度依赖于给定电源和反馈检测的精度。   

2 ． (1) 三个阶段：第 1 阶段为电流上升阶段，第 2 阶段为恒流升速阶段，第 3 阶段为转速调节阶段。

(1)三个特点：饱和非线性控制，准时间最优控制，转速超调。

(2)动态性能：动态跟随性能；动态抗扰性能。

3 ．三相电机的电流 ，通过三相——二相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流 ；再通过按转子磁场定向的旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系下的直流电流 。 相当于励磁电流， 相当于与转矩成正比的电枢电流，从而构成直流电机。

三、计算题（本题 36 分）

1 ．（ 1 ）计算电动机的 Ce ：

（ 2 分）

开环系统的静态速降为：

  （ 2 分）

                                                           （ 3 分）

（ 2 ）当 D=20 ， s=10% 时，系统所允许的稳差速降为：

    （ 2 分）

•  （ 2 分）

由 ，得

（ 3 分）

（ 2 分）

   2 ．

  （ 1 ） （ 2 分）

  （ 2 ） （ 3 分）

      （ 3 分）

  （ 3 ）电机在最高转速发生堵转时，转速为 n =0 ，则 U d0 =Ce n +I dm R a =60V ；（ 3 分）

       ASR 输出电压为 ，则 （ 6 分）

       ACR 输出电压为 （ 3 分）