2025年电机与控制试题及答案

2025年电机与控制试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列电机中，属于交流同步电机的是（）。A.罩极式电机B.永磁同步电机C.单相异步电机D.直流串励电机2.三相异步电机正常运行时，转子电流的频率与电源频率的关系为（）。A.转子频率=电源频率B.转子频率=转差率×电源频率C.转子频率=（1-转差率）×电源频率D.转子频率=2×电源频率3.变压器空载运行时，一次侧电流主要用于（）。A.产生主磁通B.传递有功功率C.补偿铁损耗D.建立漏磁场4.直流电机电枢反应的主要影响是（）。A.增大电磁转矩B.使气隙磁场畸变并去磁C.提高效率D.降低电枢电阻5.采用SPWM调制的逆变器中，载波信号通常为（）。A.正弦波B.三角波C.方波D.锯齿波6.步进电机的步距角主要由（）决定。A.电源频率B.转子齿数和通电方式C.绕组电流大小D.负载转矩7.异步电机矢量控制的核心是（）。A.将定子电流分解为励磁分量和转矩分量B.直接控制电机转速C.优化逆变器开关频率D.减小定子电阻损耗8.他励直流电机调速时，若保持电枢电压不变，仅减小励磁电流，电机转速将（）。A.降低B.升高C.不变D.先降后升9.同步电机功角特性中的“功角”指的是（）。A.定子电压与电流的相位差B.转子磁极轴线与气隙合成磁场轴线的夹角C.电枢反应磁场与主磁场的夹角D.定子绕组感应电动势与端电压的夹角10.下列电机控制方法中，动态响应最快的是（）。A.V/F控制B.直接转矩控制C.开环调速D.PID转速单闭环控制二、填空题（每空1分，共15分）1.变压器的主要功能包括电压变换、（）和（）。2.直流电机的电磁转矩公式为（），其中Φ为每极磁通，Ia为电枢电流，CT为转矩常数。3.异步电机的同步转速n0=（）（f为电源频率，p为极对数）。4.步进电机的驱动方式通常有（）、（）和细分驱动三种。5.永磁同步电机按反电动势波形可分为（）和（）两类。6.PID控制器的三个参数分别是（）、（）和（）。7.三相异步电机的调速方法包括变极调速、（）和（）。8.同步电机的励磁方式可分为（）和（）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述直流电机电枢绕组的作用及换向器的功能。2.比较三相异步电机直接启动与软启动的优缺点。3.说明永磁同步电机（PMSM）与电励磁同步电机的主要区别。4.解释异步电机转差率的定义及其在电机运行状态判断中的作用。5.简述SPWM调制技术的基本原理及在电机控制中的应用意义。四、计算题（每题10分，共30分）1.一台三相变压器的额定容量为500kVA，额定电压为10kV/0.4kV，联结组为Yyn0。求：（1）一次侧、二次侧的额定电流；（2）若二次侧带功率因数为0.8（滞后）的额定负载，求变压器的输出有功功率。2.一台四极三相异步电机，额定频率为50Hz，额定转速为1440r/min。求：（1）同步转速n0；（2）额定转差率sN；（3）若电机运行时转速为1480r/min，判断此时电机的运行状态（电动、发电或制动）。3.一台他励直流电机的额定数据为：PN=15kW，UN=220V，ηN=85%，Ra=0.2Ω，励磁电压Uf=220V，励磁功率Pf=150W。求：（1）额定输入功率P1；（2）额定电枢电流IaN；（3）额定运行时的电枢电动势EaN。五、综合分析题（15分）设计一个基于PID控制的直流电机转速闭环系统，要求：（1）画出系统结构图（标注各环节名称）；（2）说明转速给定环节、速度传感器、PID控制器、功率放大器和电机本体的作用；（3）分析PID参数（Kp、Ki、Kd）对系统动态性能（超调量、调节时间、稳态误差）的影响。答案一、单项选择题1.B2.B3.A4.B5.B6.B7.A8.B9.B10.B二、填空题1.电流变换；阻抗变换2.T=CTΦIa3.60f/p4.单电压驱动；高低压驱动5.正弦波永磁同步电机（PMSM）；梯形波永磁同步电机（BLDCM）6.比例系数；积分系数；微分系数7.变频调速；变转差率调速（或降压调速、转子串电阻调速）8.直流励磁机励磁；静止整流器励磁（或自励、他励）三、简答题1.电枢绕组的作用：通过切割气隙磁场产生感应电动势（发电状态）或通过电流与磁场作用产生电磁转矩（电动状态），实现机电能量转换。换向器的功能：将电枢绕组中的交流电（旋转时感应的交变电动势）转换为电刷端的直流电（发电机），或在电动机中使电枢电流方向随转子位置变化，保证电磁转矩方向恒定。2.直接启动优点：电路简单、成本低、启动迅速；缺点：启动电流大（约5-8倍额定电流），会引起电网电压波动，影响其他设备运行；电机绕组发热严重，缩短寿命。软启动优点：通过晶闸管调压逐步增加电机端电压，启动电流小（2-4倍额定电流），对电网和电机冲击小；可调节启动时间和转矩。缺点：需要额外的软启动装置，成本较高；存在谐波污染问题。3.主要区别：（1）励磁方式：PMSM利用永磁体产生主磁场，无需外部励磁电源；电励磁同步电机通过转子绕组通直流电流产生磁场，需励磁系统。（2）效率：PMSM无励磁损耗，效率更高；电励磁同步电机存在励磁铜损。（3）结构：PMSM转子结构简单（无绕组和滑环），可靠性高；电励磁同步电机转子有绕组和滑环，维护需求大。（4）功率密度：PMSM功率密度更高，适用于轻量化场景。4.转差率s=（n0-n）/n0，其中n0为同步转速，n为转子转速。作用：判断运行状态：当s∈(0,1)时为电动状态（n<n0）；s<0时为发电状态（n>n0）；s>1时为制动状态（n与n0反向）。5.SPWM（正弦脉宽调制）原理：以正弦波为调制波，三角波为载波，通过比较两者生成一系列宽度按正弦规律变化的脉冲波，其等效平均电压为正弦波。应用意义：通过改变调制波幅值和频率，可调节逆变器输出电压的幅值和频率，实现电机的变频调速；输出电压谐波含量低，电机运行更平稳，损耗更小。四、计算题1.（1）一次侧额定电流I1N=SN/(√3U1N)=500×10³/(√3×10×10³)≈28.87A二次侧额定电流I2N=SN/(√3U2N)=500×10³/(√3×0.4×10³)≈721.7A（2）输出有功功率P2=SN×cosφ=500×0.8=400kW2.（1）同步转速n0=60f/p=60×50/2=1500r/min（四极p=2）（2）额定转差率sN=(n0-nN)/n0=(1500-1440)/1500=0.04（3）当n=1480r/min时，s=(1500-1480)/1500≈0.013>0，且n<n0，故为电动状态。3.（1）额定输入功率P1=PN/ηN=15/0.85≈17.65kW（2）输入功率P1=电枢输入功率+励磁功率，即P1=UNIaN+UfIf励磁电流If=Pf/Uf=150/220≈0.68A，励磁功率较小可近似忽略，故IaN≈P1/UN=17650/220≈80.23A（精确计算：P1=UNIaN+Pf→17650=220IaN+150→IaN=(17650-150)/220≈79.55A）（3）电枢电动势EaN=UN-IaNRa=220-79.55×0.2≈220-15.91=204.09V五、综合分析题（1）系统结构图：转速给定→比较器（+）←速度传感器（-）→PID控制器→功率放大器→直流电机→转速输出（2）各环节作用：-转速给定：提供期望的转速参考值（输入量）。-速度传感器（如编码器）：检测电机实际转速，转换为电信号反馈至比较器。-PID控制器：根据转速偏差（给定值-实际值）输出控制信号，通过比例、积分、微分作用调节系统动态和稳态性能。-功率放大器：将PID输出的弱电信号放大为足够功率的电压/电流，驱动电机运行。-电机本体：将电能转换为机械能，输出转