【正文】 第一章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1） 主電路線路簡(jiǎn)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(jī)損耗及發(fā)熱都較小。（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)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(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)損耗也不大，因而裝置效率較高。（6） 直流電源采用不控整流時(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)通路的不可逆 PWM 變換器進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，兩個(gè) VT 是如何工作的。答：在制動(dòng)狀態(tài)中， 為負(fù)值，i VT 就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中需要降d2速的時(shí)候。這時(shí)，先減小控制電壓，使Ug1 的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)還來(lái)不及變化，因而造成 E Ud，很快使電流 id反向，VD2截止，在 ton≤ t ＜Ｔ時(shí)，Ug2 變正，于是 VT2導(dǎo)通，反向電流沿回路3 流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)作用。在 T t≤ ＜Ｔ+ t 時(shí)，VT 關(guān)斷，?id沿回路 4 經(jīng)VD 續(xù)流，向on21電源回饋制動(dòng)，與此同時(shí)，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VT1輪流導(dǎo)通，而VT 始終是關(guān)斷的。1在輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以致在VT1關(guān)斷后 id經(jīng)VD2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)VD2兩端電壓也降為零，VT2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(shuō)“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(jī)械要求電動(dòng)機(jī)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D=nmax其中，n 和 n 一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)nminmax min載很輕的機(jī)械，可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率 s，即 s = ΔnNn0或用百分比表示 s =ΔnN100%n0在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 nN作為最高轉(zhuǎn)速則 s =ΔnN =n0ΔnNnmin+ ΔnN∴nmin=ΔnNs? ΔnN=n(1 ? s)ΔnNsn SD =max = ΔNnminnN(1 ? S )由上式可看出調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差速降和最小靜差率之間的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，ΔnN值一定，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。１－４ 某一調(diào)速系統(tǒng)，測(cè)得的最高轉(zhuǎn)速特性為 nOmax=1500 / min ，最低轉(zhuǎn)速特性為nOmin=150 / min ，帶額定負(fù)載時(shí)的速度降落ΔnN= 15 / min ，且在不同轉(zhuǎn)速下額定速降ΔnN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 系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍為D ==nmax =nminD n1500=11150 15 =11 15系統(tǒng)允許的靜差率 sNnN+ ΔD nN100%1500 11 15100% 10%１－５ 某閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是 1500~150r/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?yàn)?s =ΔnN =n0ΔnNnmin+ ΔnN 所以 ΔnN=n smin= 150 = / min1? s 1 Δn因?yàn)?Δncl=1+opKK =Δnop ? =1100? =1 所以 Δncl1－6 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，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(kuò)大多少倍？解 （1） 因?yàn)?Δncl=RIdC（1+K）eRId= Δn所以（1+K）=8 （1+15）=128則CeΔn =clRId=128= / minclC（1+K） 1 30（2） 由=D Δnn SNe，可知在 s 和 nN不變的情況下，D 只與 ΔnN有關(guān)N(1 ? S)調(diào)速范圍擴(kuò)大 倍。1 － 7 某 調(diào) 速 系 統(tǒng) 的 調(diào) 速 范 圍 D=20 ， 額 定 轉(zhuǎn) 速nN= 1500 / min ， 開 環(huán) 轉(zhuǎn) 速 降 落ΔnNop= 240 / 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？Δn =n s=1500 =解； 當(dāng) s=10%時(shí)，NN（1s）DΔn20240（） / min此時(shí)K =op ? =1Δncln s? =1 當(dāng) s=5%時(shí)，ΔnN=N=1500 = / minΔn（1s）D24020（）此時(shí)K =op ? =1Δncl? =1 則若要求系統(tǒng)的靜差率由 10%減少到 5%，則系統(tǒng)的開環(huán)增益將變大。1—8 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有那些特點(diǎn)？改變給定電壓能否改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速？為什么？如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測(cè)速反饋電壓的分壓比是否能夠改變轉(zhuǎn)速？為什么？如果測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變化，系統(tǒng)有無(wú)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(gè)基本特征①只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被被調(diào)量仍是有靜差的。②反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng)，服從給定。擾動(dòng)性能是反饋控制系統(tǒng)最突出的特征之一。③系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度。（2）改變給定電壓會(huì)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因?yàn)榉答伩刂葡到y(tǒng)完全服從給定作用。（3）如果給定電壓不變，調(diào)節(jié)測(cè)速反饋電壓的分壓比或測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變化，它不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會(huì)增大被調(diào)量的誤差。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(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)生變化時(shí)，都會(huì)引起轉(zhuǎn)速的變化，問系統(tǒng)對(duì)上述各量有無(wú)調(diào)節(jié)能力？為什么？答：當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)其有調(diào)節(jié)能力。因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓是系統(tǒng)的給定反饋控制系統(tǒng)完全服從給定。負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流、電樞電阻變化時(shí)系統(tǒng)對(duì)其有調(diào)節(jié)能力。因?yàn)樗麄兊淖兓罱K會(huì)影響到轉(zhuǎn)速，都會(huì)被測(cè)速裝置檢測(cè)出來(lái)。再通過(guò)反饋控制作用，減小它們對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁各量發(fā)生變化時(shí)，它不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會(huì)增大被調(diào)量的誤差。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(dòng)。1—10 有一 V—M 調(diào)速系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)參數(shù)為： PN= UN= 220V，IN= A，nN= 1500 / minr ， 電樞電阻Ra= ，整流裝置內(nèi)阻Rrec= ，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(jì)算開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降Δnop和調(diào)速要求所允許的閉環(huán)靜態(tài)速降Δncl。（2）采用轉(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)Un?=15V 時(shí)，Id= IN，n=nN，則轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系數(shù)α 應(yīng)該是多少？（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)Ce=UN ? I RNan= 220 = ? min/1500rN則開環(huán)系數(shù)額定速降為I R（+）Δnop=NCe== / min額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為Δncl=n sN≤1500 = / min（1s）D20（）（2） 系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下所示U*n+ ?UnUnKpUcKsαUd0+  IdRE1/Cen轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的原理圖+ U*n+ + + nU?UnAUcGTUPEUdUdId MUn+ +  UtgTGn+ （ 3 ） 當(dāng) Un?=15V 時(shí) ， Id= IN，n=nN， 則 轉(zhuǎn) 速 負(fù) 反 饋 系 數(shù) α 應(yīng) 該 是?αU ?U= n =n =15=n nN（4）閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為Δn 1500K =op ? =1Δncl? =1 運(yùn)算放大器所需的放大倍數(shù)KP=Kα K C/S e= 35 / =1—11 在題 110 的轉(zhuǎn)速負(fù)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≥ ，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(guò)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(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？解：因?yàn)?Idbl=U ?+Un RSU≤2 INIdcr= ≥ RSN且 Un? =15V，計(jì)算可得U ?+URs= ，U= IIdbldcr==Un ≤ 2 IRS ≥ NKRS1—12 某調(diào)速系統(tǒng)原理圖如