2013年4月考试电气传动及控制第三次作业一、作图题（本大题共8分，共 2 小题，每小题 4 分）1. 采用比例调节器控制的有静差单闭环直流调速系统，当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速系统的转速n的变化过程如下图所示，试画出偏差电压 Un和控制电压Uc的变化过程示意图。
2. 采用积分调节器控制的无静差单闭环直流调速系统，当负载转矩由TL1突增到TL2时，无静差调速系统的转速n的变化过程如下图所示，试画出偏差电压ΔUn和控制电压Uc的变化过程示意图。
二、计算题（本大题共36分，共 9 小题，每小题 4 分）1.2.3.4. 系统的开环传递函数为：试画出开环对数幅频特性的渐进线（伯德图），要求标出截止频率、转折频率和斜率。
5. 有一V-M调速系统。
电动机参数为：PN ＝2.2kW，UN=220V，IN＝12.5A，nN=1500r/min，电枢电阻Ra=1.2Ω，整流装置内阻Rrec=1.5Ω，触发整流环节的放大倍数Ks=35。
要求系统满足调速范围D=20，静差率s≤10%。
（1）当Un*=15V时，Id =IN，n=nN，则转速负反馈系数α应该是多少？（2）计算放大器所需的放大倍数。
6.7. 有一个闭环系统，其控制对象的传递函数为，要求校正为典型II型系统，在阶跃输入下系统超调量σ≤30%（按线性系统考虑）。
试决定调节器结构，并选择其参数。
8. 系统的开环传递函数为：试画出开环对数幅频特性的渐进线（伯德图），要求标出截止频率、转折频率和斜率。
9. 有一个系统，其控制对象的传递函数为，要求设计一个无静差系统，在阶跃输入下系统超调量σ≤5%（按线性系统考虑）。
试对该系统进行动态校正，决定调节器结构，并选择其参数。
三、简答题（本大题共56分，共 14 小题，每小题 4 分）1. 常见的交流调速方法有：降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速、绕线电机串级调速或双馈电机调速、变极对数调速、变压变频调速，哪些属于转差功率不变型调速系统？2. 采用PI调节器的双闭环直流调速系统起动过程中，为何会出现饱和非线性控制？3. 晶闸管触发与整流装置可以看成是一个什么环节？怎样确定其时间常数？4. 常见的交流调速方法有：降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速、绕线电机串级调速或双馈电机调速、变极对数调速、变压变频调速，哪些属于转差功率馈送型调速系统？5. 笼型异步电机变压变频调速系统，为什么要进行电压和频率协调控制？6. 常见的交流调速方法有：降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速、绕线电机串级调速或双馈电机调速、变极对数调速、变压变频调速，哪些属于转差功率消耗型调速系统？7. 直流调速有哪些调速方法？最常用的方法是什么？为什么？8. 在转速负反馈有差调速系统中，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，问系统对上述各量中哪些量无调节功能，为什么？9. PI调节器不同于P调节器的特点是什么？10. 在正弦波供电时，不同规律实现电压－频率协调控制，不同类型的机械特性有何特点？11. 为什么说异步电机是一个强耦合的多变量系统？12. 笼型异步电机采用恒压频比控制时，为何要进行低频定子压降补偿？13. 采用PI调节器的双闭环直流调速系统起动过程中，为何会出现转速超调？14. 为什么说异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性系统？答案：一、作图题（8分，共 2 题，每小题 4 分）1.参考答案：解题方案：评分标准：2.参考答案：解题方案：评分标准：二、计算题（36分，共 9 题，每小题 4 分）1.参考答案：90º解题方案：评分标准：2.参考答案：解题方案：评分标准：3.参考答案：解题方案：评分标准：4.参考答案：解题方案：评分标准：5.参考答案：解题方案：评分标准：6.参考答案：解题方案：评分标准：7.参考答案：解题方案：评分标准：8.参考答案：解题方案：评分标准：9.参考答案：解题方案：评分标准：三、简答题（56分，共 14 题，每小题 4 分）1.参考答案：变极对数调速是有级的，应用场合有限。
只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。
解题方案：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高，上述的变极对数调速、变压变频调速两种调速方法属于此类。
评分标准：2.参考答案：当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR 不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。
解题方案：评分标准：3.参考答案：解题方案：评分标准：4.参考答案：在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述的“绕线电机串级调速或双馈电机调速”属于这一类。
无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。
解题方案：评分标准：5.参考答案：在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量Φm为额定值不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。
进行电压和频率协调控制，便可达到控制磁通Φm的目的。
解题方案：评分标准：6.参考答案：转差功率消耗型调速系统中，全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中，降电压调速、转差离合器调速和转子串电阻调速三种调速方法都属于这一类。
这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。
可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。
解题方案：评分标准：7.参考答案：直流调速有三种调速方法：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通Φ；（3）改变电枢回路电阻R。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。
解题方案：评分标准：8.参考答案：对测速发电机励磁无调节功能，其它量都有调节作用。
理由：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。
解题方案：评分标准：9.参考答案：比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。
后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。
稳态时，如果PI调节器不饱和，其输入偏差总为零。
解题方案：评分标准：10.参考答案：（1）恒压频比（Us/ω1=Constant）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，最大电磁转矩随ω1的降低而减小，低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。
（2）恒Eg/ω1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到Φm=Constant，从而改善了低速性能，最大电磁转矩不随ω1的变化而变化，始终保持恒定。
但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。
（3）恒Er/ω1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通Φm恒定进行控制，即得： Er/ω1=Constant 而且，在动态中也尽可能保持Φm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。
解题方案：在正弦波供电时，按不同规律实现电压－频率协调控制有不同类型的机械特性。
评分标准：11.参考答案：异步电机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（电流）和频率两种独立的输入变量。
在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。
因为电机只有一个三相输入电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，为了获得良好的动态性能，也希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定，才能产生较大的动态转矩。
由于这些原因，异步电机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统。
解题方案：评分标准：12.参考答案：解题方案：评分标准：13.参考答案：由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压△Un为负值，才能使ASR退出饱和。
这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。
解题方案：评分标准：14.参考答案：在异步电机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。
这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。
三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性，和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。
总起来说，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性系统。
解题方案：评分标准：。