《电力拖动自动控制系统》试题及答案

《电力拖动自动控制系统》试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.直流调速系统中，采用比例积分调节器控制时，系统的稳态误差（）A.为零B.不为零C.随时间变化D.与输入信号有关答案：A。比例积分调节器中，积分环节的作用是消除稳态误差，因此采用比例积分调节器控制时，系统的稳态误差为零。2.转速负反馈单闭环调速系统中，若要使开环和闭环系统的理想空载转速相同，则闭环系统的给定电压要比开环系统的给定电压（）A.小B.大C.一样D.不确定答案：B。在转速负反馈单闭环调速系统中，由于闭环系统存在反馈作用，为了使开环和闭环系统的理想空载转速相同，闭环系统的给定电压要比开环系统的给定电压大。3.双闭环调速系统中，电流调节器的作用不包括（）A.对电网电压的波动起及时抗扰作用B.在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化C.起动时保证获得允许的最大电流D.消除转速偏差答案：D。电流调节器的主要作用是对电网电压的波动起及时抗扰作用、在转速调节过程中使电流跟随其给定电压变化、起动时保证获得允许的最大电流。而消除转速偏差是转速调节器的作用。4.异步电动机变频调速时，基频以下调速属于（）调速方式。A.恒转矩B.恒功率C.恒磁通D.恒电压答案：A。异步电动机变频调速时，基频以下调速通常采用恒压频比控制，此时属于恒转矩调速方式。5.矢量控制系统中，通过坐标变换将定子电流分解为（）A.励磁电流分量和转矩电流分量B.有功电流分量和无功电流分量C.直接轴电流分量和交轴电流分量D.定子电流分量和转子电流分量答案：A。矢量控制系统中，通过坐标变换将定子电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，从而可以分别对磁场和转矩进行独立控制。6.三相异步电动机的调压调速适用于（）负载。A.恒转矩B.恒功率C.通风机类D.以上都可以答案：C。三相异步电动机的调压调速适用于通风机类负载，因为通风机类负载的转矩与转速的平方成正比，调压调速可以较好地满足其调速要求。对于恒转矩负载和恒功率负载，调压调速的效果不佳。7.无刷直流电动机与有刷直流电动机相比，其优点不包括（）A.无机械换向器B.调速性能好C.维护方便D.效率高答案：B。无刷直流电动机无机械换向器，维护方便，效率高。但有刷直流电动机的调速性能比无刷直流电动机更好，有刷直流电动机可以通过改变电枢电压或励磁电流方便地实现调速。8.步进电动机的步距角与（）有关。A.定子绕组的通电方式B.电源电压C.负载大小D.电机温度答案：A。步进电动机的步距角与定子绕组的通电方式、转子齿数等有关，与电源电压、负载大小和电机温度无关。9.在晶闸管电动机调速系统中，当晶闸管触发角增大时，电动机的转速（）A.升高B.降低C.不变D.不确定答案：B。在晶闸管电动机调速系统中，晶闸管触发角增大，整流输出电压降低，电动机的转速也随之降低。10.交流伺服电动机的控制方式不包括（）A.幅值控制B.相位控制C.频率控制D.幅相控制答案：C。交流伺服电动机的控制方式主要有幅值控制、相位控制和幅相控制，不包括频率控制。二、多项选择题（每题3分，共15分）1.直流调速系统的调速方法有（）A.改变电枢电压调速B.改变励磁磁通调速C.改变电枢回路电阻调速D.改变电源频率调速答案：ABC。直流调速系统的调速方法主要有改变电枢电压调速、改变励磁磁通调速和改变电枢回路电阻调速。改变电源频率调速主要用于交流调速系统。2.双闭环调速系统中，转速调节器的输出限幅决定了（）A.电动机的最大转速B.电流调节器的最大给定值C.电动机的最大电流D.晶闸管的最大触发角答案：BC。双闭环调速系统中，转速调节器的输出限幅决定了电流调节器的最大给定值，进而决定了电动机的最大电流。3.异步电动机的调速方法有（）A.变极调速B.变频调速C.调压调速D.串级调速答案：ABCD。异步电动机的调速方法有变极调速、变频调速、调压调速和串级调速等。4.矢量控制系统的特点有（）A.实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦控制B.可以获得与直流调速系统相媲美的动态性能C.控制算法简单D.对电机参数的依赖性小答案：AB。矢量控制系统实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦控制，可以获得与直流调速系统相媲美的动态性能。但其控制算法复杂，对电机参数的依赖性较大。5.步进电动机的驱动电源由（）组成。A.脉冲发生器B.环形分配器C.功率放大器D.速度调节器答案：ABC。步进电动机的驱动电源由脉冲发生器、环形分配器和功率放大器组成。脉冲发生器产生控制脉冲，环形分配器将脉冲按一定规律分配给各相绕组，功率放大器将脉冲信号放大以驱动步进电动机。速度调节器不是驱动电源的组成部分。三、判断题（每题2分，共10分）1.调速系统的调速范围和静差率是相互独立的两个指标。（）答案：错误。调速系统的调速范围和静差率是相互关联的两个指标，在一定的静差率要求下，调速范围越大，系统的调速性能越难保证。2.双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器都采用比例积分调节器时，系统可以实现无静差调速。（）答案：正确。比例积分调节器可以消除稳态误差，双闭环调速系统中转速调节器和电流调节器都采用比例积分调节器时，系统可以实现无静差调速。3.异步电动机变频调速时，基频以上调速属于恒功率调速方式。（）答案：正确。异步电动机变频调速时，基频以上调速，由于电压不能超过额定电压，只能保持电压不变，此时属于恒功率调速方式。4.矢量控制系统中，不需要对电机的参数进行准确测量。（）答案：错误。矢量控制系统对电机参数的依赖性较大，需要对电机的参数进行准确测量，否则会影响系统的控制性能。5.步进电动机的转速与脉冲频率成正比。（）答案：正确。步进电动机的转速与脉冲频率成正比，脉冲频率越高，步进电动机的转速越快。四、简答题（每题10分，共30分）1.简述转速负反馈单闭环调速系统的工作原理。答：转速负反馈单闭环调速系统主要由转速给定环节、转速调节器、电力电子变换器、电动机和转速检测装置等组成。其工作原理如下：转速给定环节给出期望的转速值\(U_{n}^{}\)。转速检测装置将电动机的实际转速\(n\)检测出来，并转换为对应的电压信号\(U_{n}\)。转速给定信号\(U_{n}^{}\)和转速反馈信号\(U_{n}\)相减得到转速偏差信号\(\DeltaU_{n}=U_{n}^{}U_{n}\)。转速调节器对转速偏差信号\(\DeltaU_{n}\)进行处理，输出控制信号\(U_{c}\)。电力电子变换器根据控制信号\(U_{c}\)改变输出电压\(U_{d}\)，从而调节电动机的转速\(n\)。当电动机的负载等因素发生变化导致转速\(n\)变化时，转速反馈信号\(U_{n}\)也随之变化，转速偏差信号\(\DeltaU_{n}\)改变，通过转速调节器和电力电子变换器的作用，使电动机的转速\(n\)趋向于给定转速\(U_{n}^{}\)对应的转速值，从而实现转速的稳定控制。2.说明双闭环调速系统中转速调节器和电流调节器的作用。答：转速调节器（ASR）的作用：转速跟随作用：使转速\(n\)快速跟随给定电压\(U_{n}^{}\)变化，稳态时可减小转速误差，如果采用比例积分调节器，则可实现无静差。抗扰作用：对负载变化起抗扰作用，因为负载变化会引起转速变化，转速调节器通过调节作用使转速恢复到给定值附近。限幅作用：其输出限幅决定了允许的最大电流给定值\(U_{im}^{}\)，限制了电动机的最大电流，保证系统在安全范围内运行。电流调节器（ACR）的作用：电流跟随作用：使电流\(i_{d}\)快速跟随其给定电压\(U_{i}^{}\)变化，在转速调节过程中，保证电流按要求变化。抗扰作用：对电网电压的波动起及时抗扰作用，因为电网电压波动会直接影响整流输出电压和电流，电流调节器可以快速调节使电流恢复稳定。限制最大电流：在电动机起动、堵转等情况下，保证获得允许的最大电流\(I_{dm}\)，加快动态过程。对电枢回路电阻变化的补偿作用：可以补偿电枢回路电阻变化引起的电流变化，提高系统的动态性能。3.简述异步电动机变频调速的基本原理。答：异步电动机的转速公式为\(n=n_{0}(1s)=\frac{60f_{1}}{p}(1s)\)，其中\(n\)为电动机的转速，\(n_{0}\)为同步转速，\(f_{1}\)为定子电源频率，\(p\)为电动机的极对数，\(s\)为转差率。异步电动机变频调速的基本原理是通过改变定子电源频率\(f_{1}\)来改变同步转速\(n_{0}\)，从而实现电动机转速\(n\)的调节。在变频调速过程中，为了保持电动机的气隙磁通\(\varPhi_{m}\)基本不变，通常采用恒压频比控制（\(\frac{U_{1}}{f_{1}}=\text{常数}\)），其中\(U_{1}\)为定子相电压。当频率\(f_{1}\)降低时，电压\(U_{1}\)也相应降低，以避免磁路过饱和；当频率\(f_{1}\)升高时，电压\(U_{1}\)也相应升高，但不能超过额定电压。通过改变频率\(f_{1}\)，可以在不同的负载下实现电动机转速的平滑调节，且调速范围宽、调速精度高、动态性能好，是一种应用广泛的异步电动机调速方法。五、计算题（每题12.5分，共25分）1.有一转速负反馈单闭环调速系统，已知电动机参数：\(P_{N}=2.2\mathrm{kW}\)，\(U_{N}=220\mathrm{V}\)，\(I_{N}=12.5\mathrm{A}\)，\(n_{N}=1500\mathrm{r/min}\)，电枢电阻\(R_{a}=1.2\Omega\)，晶闸管装置放大倍数\(K_{s}=30\)，转速反馈系数\(\alpha=0.015\mathrm{V}\cdot\mathrm{min}/\mathrm{r}\)。要求调速范围\(D=10\)，静差率\(s\leqslant5\%\)。（1）计算开环系统的稳态速降\(\Deltan_{op}\)和闭环系统的稳态速降\(\Deltan_{cl}\)。（2）计算闭环系统的开环放大倍数\(K\)。（3）计算转速调节器的输出电压\(U_{c}\)。解：（1）首先计算电动机的电动势常数\(C_{e}\)：\(C_{e}=\frac{U_{N}I_{N}R_{a}}{n_{N}}=\frac{22012.5\times1.2}{1500}=\frac{22015}{1500}=\frac{205}{1500}\approx0.137\mathrm{V}\cdot\mathrm{min}/\mathrm{r}\)开环系统的稳态速降\(\Deltan_{op}=\frac{I_{N}R_{a}}{C_{e}}=\frac{12.5\times1.2}{0.137}=\frac{15}{0.137}\approx109.5\mathrm{r/min}\)根据调速范围\(D\)和静差率\(s\)的关系\(D=\frac{n_{N}s}{\Deltan_{cl}(1s)}\)，可得闭环系统的稳态速降\(\Deltan_{cl}=\frac{n_{N}s}{D(1s)}=\frac{1500\times0.05}{10\times(10.05)}=\frac{75}{9.5}\approx7.89\mathrm{r/min}\)（2）根据闭环系统稳态速降和开环系统稳态速降的关系\(\Deltan_{cl}=\frac{\Deltan_{op}}{1+K}\)，可得闭环系统的开环放大倍数\(K=\frac{\Deltan_{op}}{\Deltan_{cl}}1=\frac{109.5}{7.89}1\approx13.881=12.88\)（3）在闭环系统中，当电动机在额定转速\(n_{N}\)运行时，转速反馈电压\(U_{n}=\alphan_{N}=0.015\times1500=22.5\mathrm{V}\)因为系统稳态时，转速偏差\(\DeltaU_{n}=0\)，所以给定电压\(U_{n}^{}=U_{n}=22.5\mathrm{V}\)又因为\(U_{c}=\frac{U_{n}^{}}{K_{s}/(1+K)}=\frac{U_{n}^{}(1+K)}{K_{s}}\)，将\(U_{n}^{}=22.5\mathrm{V}\)，\(K=12.88\)，\(K_{s}=30\)代入可得：\(U_{c}=\frac{22.5\times(1+12.88)}{30}=\frac{22.5\times13.88}{30}=\frac{312.3}{30}=10.41\mathrm{V}\)2.一台三相异步电动机，额定功率\(P_{N}=11\mathrm{kW}\)，额定电压\(U_{N}=380\mathrm{V}\)，额定频率\(f_{N}=50\mathrm{Hz}\)，额定转速\(n_{N}=1460\mathrm{r/min}\)，极对数\(p=2\)。（1）计算电动机的同步转速\(n_{0}\)和额定转差率\(s_{N}\)。（2）若采用变频调速，当频率\(f=30\mathrm{Hz}\)时，保持\(U/f=\text{常数}\)，求此时电动机的同步转速\(n_{0}'\)和最大转矩\(T_{m}'\)与额定频率时最大转矩\(T_{m}\)的关系。解：（1）同步转速公式\(n_{0}=\frac{60f_{N}}{p}\)，将\(f_{N}=50\mathrm{Hz}\)，\(p=2\)代入可得：\(n_{0}=\frac{60\times50}{2}=1500\mathrm{r/min}\)额定转差率\(s_{N}=\frac{n_{0}n_{N}}{n_{0}}=\frac{15001460}{1500}=\frac{40}{1500}\approx0.027\)（2）当频率\(f=30\mathrm{Hz}\)时，同步转速\(n_{0}'=\frac{60f}{p}=\frac{60\times30}{2}=900\mathrm{r/min}\)异步电动机的最大转矩公式\(T_{m}=\frac{3U_{1}^{2}}{4\pif_{1}\left[R_{1}+\sqrt{R_{1}^{2}+(