(2025年)电力拖动试卷电力拖动试卷大题附答案

(2025年)电力拖动试卷电力拖动试卷大题附答案一、简答题（每题10分，共40分）1.简述直流电动机的三种调速方法及其特点，结合机械特性曲线说明各方法的调速范围和适用场景。答案：直流电动机调速方法包括电枢串电阻调速、降低电枢电压调速和减弱励磁磁通调速。（1）电枢串电阻调速：在电枢回路串入附加电阻Rc，机械特性斜率β=(Ra+Rc)/(CeCmΦ²)增大，特性变软。调速范围较小（一般D=2~3），属于恒转矩调速，适用于低速短时间运行的场合（如起重机辅助机构）。（2）降低电枢电压调速：保持励磁不变，降低电枢电压U，机械特性平行下移，斜率β=Ra/(CeCmΦ²)不变，特性硬度高。调速范围大（D=10~20），属恒转矩调速，适用于要求平滑、宽范围调速的场合（如龙门刨床）。（3）减弱励磁磁通调速：减小励磁电流If使磁通Φ降低，机械特性斜率β=Ra/(CeCmΦ²)增大，理想空载转速n0=U/(CeΦ)升高。调速范围较小（D=2~3），属恒功率调速，适用于高速运行且负载转矩随转速升高而减小的场合（如机床主轴）。2.对比笼型异步电动机定子串电抗启动与自耦变压器降压启动的优缺点，说明两者的适用场景。答案：定子串电抗启动通过在定子回路串入电抗器降低启动电压，启动电流Is=U1/(Zst+Xk)（Xk为电抗值），启动转矩Tst∝(U1/(Zst+Xk))²。优点：设备简单、成本低；缺点：电抗消耗有功功率，启动时电压损失大，启动转矩下降明显（约为直接启动的1/3~1/2），适用于轻载或空载启动的小容量电机（≤20kW）。自耦变压器降压启动利用自耦变压器将电源电压U1降至kU1（k为变比），启动电流Is=k²IstN（IstN为直接启动电流），启动转矩Tst=k²TstN。优点：可通过不同抽头选择启动电压（如65%、80%），启动电流和转矩调节灵活，能量损耗小；缺点：设备体积大、成本高，适用于中大容量电机（≥20kW）或需要较大启动转矩的场合（如水泵、空压机）。3.画出双闭环直流调速系统的原理框图，标注各环节名称并说明转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）的作用。答案：原理框图包含：给定环节（Un）→转速调节器（ASR）→电流给定环节（Ui）→电流调节器（ACR）→触发装置（GT）→晶闸管整流器（VT）→直流电动机（M）→转速检测（TG）→转速反馈（Un）；电流检测（TA）→电流反馈（Ui）。ASR的作用：（1）主导转速调节，稳态时消除转速偏差（比例积分作用）；（2）输出限幅决定最大允许电流（即堵转电流）；（3）动态中对负载扰动起抗扰作用。ACR的作用：（1）快速跟随电流给定，抑制电网电压波动的影响；（2）限制最大电流，保护电机和晶闸管；（3）在转速调节过程中，使电流保持最大值（恒流升速），缩短启动时间。4.简述异步电动机变频调速的基本原理，说明基频以下和基频以上调速时的控制策略及机械特性特点。答案：变频调速基于公式n=(1-s)60f/p，通过改变电源频率f调节转速。基频（fN）以下调速时，采用恒压频比（U/f=常数）控制，保持气隙磁通Φm≈U/(4.44fNkwN)不变，避免磁路过饱和或欠励磁。此时机械特性硬度高，属于恒转矩调速，调速范围宽（D=10~100）。基频以上调速时，保持电压U=UN不变，频率f>fN，Φm≈UN/(4.44fkwN)随f升高而降低，属于恒功率调速。机械特性上，理想空载转速n0=60f/p升高，但最大转矩Tmax∝f²降低，特性变软，调速范围较小（D=2~3）。二、计算题（每题15分，共45分）1.一台他励直流电动机的额定数据：PN=22kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，Ra=0.15Ω，励磁绕组电阻Rf=110Ω，励磁电压Uf=220V。（1）计算电动势常数CeΦN和转矩常数CmΦN；（2）绘制固有机械特性曲线，标注额定工作点（nN,TN）；（3）若电枢回路串入Rc=0.3Ω电阻，求此时的机械特性方程，并计算当负载转矩TL=0.8TN时的转速。答案：（1）额定电枢电动势EaN=UN-INRa=220-115×0.15=202.75VCeΦN=EaN/nN=202.75/1500≈0.1352V·min/rCmΦN=9.55CeΦN≈9.55×0.1352≈1.291N·m/A（2）固有机械特性方程：n=(UN/(CeΦN))-(Ra/(CeΦNCmΦN))T=220/0.1352-(0.15/(0.1352×1.291))T≈1627-0.866T额定转矩TN=9.55PN/nN=9.55×22000/1500≈140.1N·m额定工作点坐标：nN=1500r/min，TN=140.1N·m（代入方程验证：1627-0.866×140.1≈1500，正确）。（3）串入Rc后的机械特性方程：n=(UN/(CeΦN))-((Ra+Rc)/(CeΦNCmΦN))T=1627-(0.15+0.3)/(0.1352×1.291)T≈1627-2.598T当TL=0.8TN=0.8×140.1≈112.1N·m时，转速n=1627-2.598×112.1≈1627-291.3≈1335.7r/min2.一台三相笼型异步电动机的额定数据：PN=30kW，UN=380V，IN=57.5A，nN=1470r/min，p=2，Ist/IN=7，Tst/TN=1.8，Tmax/TN=2.2，定子绕组Δ接法。（1）计算额定转差率sN、额定转矩TN；（2）若采用Y-Δ降压启动，求启动电流IstY和启动转矩TstY；（3）若要求启动转矩不低于1.2TN，能否采用Y-Δ启动？说明理由。答案：（1）同步转速n1=60f/p=60×50/2=1500r/minsN=(n1-nN)/n1=(1500-1470)/1500=0.02TN=9.55PN/nN=9.55×30000/1470≈194.8N·m（2）Y-Δ启动时，定子绕组由Δ改接为Y，相电压由UN降至UN/√3，线电流IstY=(1/3)IstΔ（Δ接法直接启动时IstΔ=7IN=7×57.5=402.5A）故IstY=402.5/3≈134.2A启动转矩TstY=(1/3)TstΔ=(1/3)×1.8TN=0.6TN=0.6×194.8≈116.9N·m（3）要求Tst≥1.2TN=1.2×194.8≈233.8N·m，而Y-Δ启动的TstY=0.6TN=116.9N·m<233.8N·m，因此不能采用Y-Δ启动，需选用自耦变压器降压启动（如选择80%抽头，Tst=0.8²×1.8TN=1.152TN≈224.4N·m，仍略低；需选择85%抽头，Tst=0.85²×1.8TN≈1.301TN≥1.2TN）。3.某双闭环直流调速系统采用三相桥式晶闸管整流电路供电，已知：电动机PN=15kW，UN=220V，IN=79A，nN=1000r/min，Ra=0.2Ω；晶闸管装置放大系数Ks=40；电流反馈系数β=0.05V/A（Ui=βId）；转速反馈系数α=0.02V·min/r（Un=αn）；电枢回路总电感L=15mH，电磁时间常数Tl=L/R=0.015/(0.2+0.1)=0.05s（R为电枢回路总电阻）；机电时间常数Tm=GD²R/(375CeCmΦ)=0.15s（已给定）；电流环小时间常数TΣi=0.005s（包括晶闸管滞后时间和滤波时间）。（1）设计电流调节器（ACR），选择调节器类型并计算参数（KI、τi）；（2）若转速环小时间常数TΣn=0.015s，设计转速调节器（ASR），选择调节器类型并计算参数（Kn、τn）。（注：电流环按典型I型系统设计，转速环按典型II型系统设计，中频宽h=5）答案：（1）电流环设计：电流环控制对象为双惯性环节（晶闸管装置滞后时间常数Ts=0.0017s，电流滤波时间常数Toi=0.002s，TΣi=Ts+Toi=0.0037s，题目给定TΣi=0.05s可能为笔误，按题目给定0.05s计算）。典型I型系统要求开环传递函数WACR(s)Wobj(s)=KI/(s(Tls+1)(TΣis+1))≈KI/(s(Tls+1))（因Tl=0.05s>TΣi=0.005s，可忽略TΣi）。参数匹配：τi=Tl=0.05s（PI调节器积分时间常数）KI=1/(2TΣi)=1/(2×0.005)=100s⁻¹（I型系统最佳整定）ACR的比例系数Ki=KIτiβ/(KsCeΦ)先求CeΦ=UN-INRa/nN=(220-79×0.2)/1000=(220-15.8)/1000=0.2042V·min/rKi=100×0.05×0.05/(40×0.2042)=(0.25)/(8.168)≈0.0306（此处可能需核对公式，正确公式应为Ki=KIτiR/(βKs)，因电流环传递函数中，控制对象的放大系数为Ks/(R)，故正确计算：电流环开环增益KI=(KiKsβ)/(RTΣi)=1/(2TΣi)（典型I型最佳）故Ki=R/(2Ksβ)=(0.2+0.1)/(2×40×0.05)=0.3/(4)=0.075（2）转速环设计：转速环控制对象包括电流环等效传递函数（典型I型系统闭环传递函数≈1/(TΣis+1)，近似为惯性环节，时间常数TΣi=0.005s）和电动机机电时间常数Tm=0.15s，总小时间常数TΣn=TΣi+Ton（Ton为转速滤波时间，题目给定TΣn=0.015s）。典型II型系统中频宽h=5，参数选择：τn=hTΣn=5×0.015=0.075s转速环开环增益KN=h/(2h²TΣn²)=5/(2×25×0.015²)=5/(0.01125)≈444.4s⁻²ASR的比例系数Kn=(KNτnCeΦα)/(Tmβ)代入数据：Kn=(444.4×0.075×0.2042×0.02)/(0.15×0.05)=(444.4×0.075×0.004084)/(0.0075)=(444.4×0.0003063)/0.0075≈0.1361/0.0075≈18.15三、分析题（每题15分，共45分）1.某直流调速系统启动时出现转速超调过大的现象，结合双闭环系统动态过程分析可能原因，并提出改进措施。答案：双闭环系统启动过程分为三个阶段：电流上升阶段（ASR迅速饱和，ACR调节电流至限幅值Idm）、恒流升速阶段（电流保持Idm，转速线性上升）、转速调节阶段（转速超调后ASR退出饱和，电流下降，转速回调至给定值）。转速超调过大的可能原因：（1）转速调节器（ASR）的比例系数Kn过大，导致动态调节作用过强；（2）积分时间常数τn过小，积分作用不足，无法及时抑制超调；（3）转速反馈系数α过小（反馈电压偏低），实际转速超过给定值较多时才触发调节；（4）负载扰动在升速后期突然减小，导致转速因惯性继续上升；（5）电流环动态响应慢（如ACR参数整定不当），无法快速跟随电流给定，导致恒流升速阶段电流未达最大值，升速时间延长，转速调节阶段需更大幅度回调。改进措施：（1）减小ASR的比例系数Kn，降低动态调节强度；（2）增大积分时间常数τn，增强积分作用以消除静差并抑制超调；（3）校准转速反馈装置（如测速发电机），确保α准确；（4）在系统中加入转速微分负反馈（引入dn/dt反馈），利用动态阻尼抑制超调；（5）重新整定电流环参数（如增大ACR的比例系数Ki），缩短电流上升时间，使恒流升速阶段更接近理想状态。2.分析异步电动机软启动器的工作原理，对比其与传统降压启动方式的优势，并说明在带式输送机（恒转矩负载）中的应用要点。答案：软启动器通过晶闸管（或IGBT）的相位控制，在启动过程中逐步增加输出电压（从Umin线性升至UN），使电动机端电压平滑上升，启动电流Is随电压升高而增大，最终达到额定电流。工作原理可分为：（1）初始阶段：晶闸管导通角θ很小，输出电压U≈0，避免过大冲击电流；（2）加速阶段：θ逐渐增大，U=Umax(1-cosθ)/2线性上升，Is=U/Zst逐渐增大，Tst∝U²逐渐增大；（3）启动完成后：晶闸管全导通（θ=0），软启动器旁路接触器闭合，电动机转入全压运行。与传统降压启动（如Y-Δ、自耦变压器）相比，优势：（1）启动电流连续可调（0.5~4倍IN），避免阶跃式电流冲击；（2）启动转矩平滑上升，减小机械传动系统（如齿轮、皮带）的冲击；（3）可设置多种启动模式（电压斜坡、电流限制、转矩控制），适应不同负载特性；（4）具备软停车功能（逐步降低电压），减少泵类负载的水锤效应。在带式输送机中的应用要点：（1）选择电流限制模式（设定启动电流为2~3倍IN），避免因恒转矩负载（Tst需≥TL）导致启动失败；（2）延长启动时间（10~20s），确保输送带平稳加速，防止物料滑动；（3）配置旁路接触器，减少晶闸管长期运行的损耗；（4）设置过载保护（电流检测）和堵转保护（转速检测），避免输送带卡死时损坏电机；（5）根据输送带长度和负载惯量调整电压上升斜率（斜率过小导致启动时间过长，斜率过大导致冲击）。3.设计基于西门子S7-200SMARTPLC的三相异步电动机正反转控制电路，要求：（1）具有正转、反转、停止按钮；（2）具备电气互锁和机械互锁；（3）设置过载保护；（4）绘制I/O分配表、电气主回路