变频器技术及应用期末考试试题及答案三

变频器技术及应用期末考试试题及答案三一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在V/f控制方式下，当变频器输出频率从50Hz降至5Hz时，若保持V/f比恒定，则输出电压应变为原来的A.1/2  B.1/5  C.1/10  D.1/25答案：C解析：V/f恒定即电压与频率成线性比例，50Hz→5Hz为10倍降频，故电压亦降为1/10。2.采用空间矢量PWM（SVPWM）相比传统SPWM，直流母线电压利用率可提高约A.5%  B.10%  C.15%  D.30%答案：C解析：SVPWM将正六边形电压空间矢量边界用尽，理论利用率提升15.5%，工程取15%。3.某变频器制动单元采用回馈制动，其能量流动方向为A.电机→变频器→电网  B.电网→变频器→电机C.电机→制动电阻→环境  D.变频器→制动电阻→电机答案：A解析：回馈制动将电机再生能量经逆变桥反向整流后升压回馈电网，实现能量回收。4.在矢量控制中，d轴电流给定值Id*主要决定A.电磁转矩  B.磁链幅值  C.功率因数  D.转速稳态误差答案：B解析：磁场定向后，d轴电流用于建立转子磁链，q轴电流才对应转矩。5.下列对载波频率描述正确的是A.越高则电机噪声越大  B.越高则IGBT开关损耗越小C.越高则电缆泄漏电流增大  D.越高则低速转矩脉动加剧答案：C解析：载波频率升高，dv/dt增大，电缆分布电容充放电电流显著增加，泄漏电流增大。6.变频器“转差补偿”功能的实质是A.提高低速载波频率  B.根据负载自动微调输出频率C.加入PID速度闭环  D.改变V/f曲线斜率答案：B解析：转差补偿检测负载电流，按转差公式Δf=K·Iq实时抬升输出频率，使机械转速恒定。7.在风机泵类负载中，若将电机极对数由2变为4，变频器容量可A.降低约25%  B.降低约50%  C.不变  D.提高约25%答案：B解析：极对数加倍，同步转速减半，风机功率与转速三次方成正比，故轴功率降至1/8，变频器容量可减半。8.关于EMC措施，下列做法错误的是A.输入端加铁氧体磁环  B.电机侧电缆采用屏蔽层双端接地C.控制线与功率线平行走线  D.屏蔽层在变频器侧360°接地答案：C解析：控制线与功率线平行走线会引入差模干扰，应垂直交叉或分槽布线。9.变频器“自动调谐”步骤中，静止调谐可获得的参数是A.定子电阻、漏感  B.转子时间常数  C.空载电流  D.编码器零点偏移答案：A解析：静止调谐给直流脉冲，利用电压电流采样计算Rs、σLs，无需旋转。10.当电网电压跌落至70%时，带能量回馈单元的变频器最可能触发A.过压跳闸  B.欠压跳闸  C.瞬间速断  D.模块过热答案：B解析：回馈单元需将直流母线泵升至高于电网峰值才能回馈，母线电压跌落导致无法升压，系统报欠压。二、多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）11.下列属于同步电机开环矢量控制必要条件的为A.电机反电动势常数已知  B.转子位置检测器C.定子电阻在线辨识  D.负载惯量实测答案：A、C解析：开环矢量无需位置传感器，但需反电动势常数建立磁链观测器，同时Rs在线修正可提高精度。12.关于死区补偿技术，正确的有A.通过检测三相电流极性决定补偿方向  B.可减小零电流钳位现象C.会增加IGBT开关次数  D.对低速轻载波形改善明显答案：A、B、D解析：死区补偿不增加开关次数，仅调整占空比，零电流钳位因极性误判产生，补偿后可削弱。13.下列负载中，属于恒转矩特性的有A.皮带输送机  B.卷纸机收卷段  C.离心风机  D.龙门刨床答案：A、B、D解析：离心风机为平方转矩负载，其余三者转矩基本恒定，与转速无关。14.变频器直流母线电容容量减小将导致A.母线电压纹波增大  B.低速转矩脉动加剧C.制动时过压更易跳闸  D.功率因数下降答案：A、C解析：电容减小，电压支撑能力弱，纹波与泵升电压均上升，低速脉动与调制策略相关，与电容容量无直接因果。15.采用“同步调制”相对“异步调制”的优点有A.降低开关损耗  B.减少边带谐波簇  C.简化软件算法  D.降低电机轴电压答案：A、B解析：同步调制保持载波比恒定，可避免分数次边带谐波，降低损耗与谐波，但算法更复杂，对轴电压无显著影响。三、判断题（每题1分，共10分；正确打“√”，错误打“×”）16.变频器输出侧加装正弦波滤波器后，电缆长度可无限延长。答案：×解析：滤波器只能抑制反射电压与dv/dt，电缆过长仍会因分布参数产生压降与谐振，不可无限延长。17.在矢量控制中，速度环输出直接作为q轴电流给定。答案：√解析：速度环PI调节器输出即电磁转矩给定，除以磁链后得Iq*。18.永磁同步电机弱磁区转速升高，功率因数一定下降。答案：×解析：若采用最大转矩电压比（MTPV）策略，弱磁区功率因数可维持较高水平，不一定下降。19.变频器“节能模式”通过降低磁通实现轻载高效，但会牺牲动态响应。答案：√解析：节能模式减小励磁电流，磁通降低，铁耗下降，但磁链降低导致电流环响应变慢。20.当制动电阻阻值过大时，制动单元IGBT可能因过流损坏。答案：×解析：阻值过大导致制动电流小，IGBT不会过流，但制动功率不足，易报过压。21.采用“飞车启动”功能时，变频器先检测电机转速再输出对应频率，可避免过流。答案：√解析：飞车启动通过捕捉反电动势或短时直流脉冲估算转速，实现平滑再启动。22.变频器输入电抗器主要作用是抑制高频差模干扰。答案：×解析：输入电抗器抑制低频谐波（5、7次）与浪涌电流，高频差模靠EMI滤波器。23.对于大惯量负载，缩短减速时间应优先增大制动电阻功率而非减小阻值。答案：√解析：减小阻值虽可提高制动电流，但需同步提高功率裕量，否则电阻烧毁。24.变频器“下垂控制”可实现多电机刚性连接时的自然均功。答案：√解析：下垂特性使转速随负载增加略降，功率大的电机自动降速，实现均功。25.采用“虚拟电阻”算法可替代实体制动电阻，实现零损耗制动。答案：×解析：虚拟电阻将能量回馈直流侧电容，仅适用于小惯量短时制动，大能量仍需实体电阻或回馈电网。四、填空题（每空2分，共20分）26.变频器PWM调制中，若载波频率为4kHz，则三相逆变器每相上下桥臂的开关频率为________kHz。答案：4解析：单极性调制下，每相桥臂以载波频率开关，故为4kHz。27.某4极异步电机额定转速1470r/min，电源50Hz，其额定转差率为________%。答案：2解析：ns=60f/p=1500r/min，s=(1500-1470)/1500=0.02，即2%。28.矢量控制中，若转子时间常数Tr设置偏大，则实际磁链将________给定磁链。答案：小于解析：Tr偏大，观测器积分增益偏小，磁链观测值滞后，实际值低于给定。29.在风机变频节能改造中，若流量从100%降至80%，按相似定律，理论轴功率降至________%。答案：51.2解析：P∝Q³，0.8³=0.512。30.变频器直流母线电压为540V，采用两电平逆变器，则线电压基波幅值为________V。答案：620解析：基波幅值=母线电压×调制比×√3/2，最大调制比1，得540×√3/2≈467V；若采用SVPWM最大调制比1.15，则540×1.15×√3/2≈620V。31.永磁同步电机弱磁控制时，若定子电压达到极限椭圆边界，则继续增大转速需________d轴电流。答案：负向增大解析：弱磁需注入负Id，抵消永磁磁链，维持电压平衡。32.变频器输出侧电缆长度超过________米时，建议加装dv/dt滤波器。答案：50解析：经验值50m以上，反射电压叠加显著，需抑制。33.采用“电流模型”观测磁链时，需实时测量________与________两个电量。答案：定子电流、转子速度解析：电流模型基于I-M方程，需电流与速度。34.变频器“转矩记忆”功能用于________负载，可防止重新启动时________。答案：位能式、倒溜解析：如提升机，记忆停机转矩，再次启动时立即施加足够转矩防止倒转。35.在能量回馈单元中，Boost电路升压比由________与________占空比决定。答案：上管、下管解析：Boost拓扑通过下管占空比D控制升压比Vdc/Vac=1/(1-D)。五、简答题（每题8分，共24分）36.阐述变频器驱动异步电机在5Hz低频运行时转矩脉动大的原因，并给出三种抑制措施。答案：原因：1.低频时载波比减小，谐波电流相对基波比例增大，产生6倍频脉动转矩；2.死区效应在低速时占开关周期比例升高，导致零电流钳位，电压失真加剧；3.定子电阻压降显著，V/f曲线偏离理想值，磁链下降，瞬时转矩降低。抑制措施：1.提高载波频率至8kHz以上，增大桥臂等效开关次数，降低电流谐波；2.采用死区补偿算法，实时检测三相电流极性，动态调整占空比，消除零电流钳位；3.引入转矩闭环或滑差补偿，通过PI调节器实时修正输出频率与电压，维持磁链恒定，降低脉动。37.说明同步调制与异步调制的差异，并给出风机类负载在20~50Hz范围选择同步调制的理由。答案：差异：1.同步调制保持载波比N=fc/f为整数且恒定，异步调制N随频率变化；2.同步调制输出谐波簇集中在固定次数，异步调制出现非整数次边带，分布连续；3.同步调制软件实现需查表或实时计算角度，算法复杂；异步调制固定定时器即可，实现简单。风机负载20~50Hz选同步调制理由：1.风机运行转速范围窄，固定N可避开机械系统固有频率，防止共振；2.谐波簇集中，便于设计LCL滤波器，降低高频损耗与噪声；3.开关损耗固定，热设计可优化，提高变频器寿命；4.低速区（<20Hz）退出同步调制，进入异步分段，兼顾全范围性能。38.某卷染机系统采用“速度-张力双闭环”控制，变频器工作于转矩限幅模式。请画出控制框图，并说明张力环输出为何直接限幅速度环输出。答案：框图描述：1.速度给定n与编码器反馈n比较，经速度PI输出转矩给定T；2.张力给定F*与张力传感器反馈F比较，经张力PI输出限幅值Tlim；3.T经Tlim限幅后得到最终转矩给定T*，送入变频器转矩电流环；4.变频器输出电流驱动电机，带动卷布辊，形成张力。原因：卷染机要求张力恒定，当布匹直径增大，张力传感器检测到F上升，张力PI迅速减小Tlim，即使速度环因线速度匹配要求仍输出较大T*，也会被Tlim钳位，从而优先保证张力恒定，防止断布。该结构使张力环具有最高优先级，速度环退化为线速度匹配外环。六、计算题（共31分）39.（11分）一台30kW、380V、50Hz、4极异步电机，额定电流58A，额定转速1475r/min，cosφ=0.87。现采用变频器V/f控制驱动风机，要求风量降至60%，若风机及电机效率均视为额定不变，计算：（1）新轴功率；（2）新定子电流；（3）若变频器设置转差补偿系数K=1.2，求补偿后输出频率。解：（1）P∝Q³，P2=30×0.6³=6.48kW（2）视在功率S=P/(η·cosφ)，设η=0.94，则S=6.48/(0.94×0.87)=7.93kVAI=S/(√3U)=7930/(√3×380)=12.0A（3）额定转差s=(1500-1475)/1500=0.0167新同步转速n1'=n2/(1-s)=0.6×1475/(1-0.0167)=898r/min对应频率f'=n1'·p/60=898×2/60=29.9Hz转差补偿Δf=K·s·f'=1.2×0.0167×29.9=0.6Hz补偿后fout=29.9+0.6=30.5Hz40.（10分）某变频器直流母线电容C=2200μF，驱动大惯量负载，减速时间从30s减至5s，负载转动惯量J=2.5kg·m²，电机额定转速1500r/min，求：（1）减速能量E；（2）若采用制动电阻消耗，电阻平均功率Pavg；（3）若制动电阻允许峰值功率为10kW，求最小占空比Dmin。解：（1）E=½J(ω1²-ω2²)=½×2.5×(2π×1500/60)²=½×2.5×(157.1)²=30.8kJ（2）Pavg=E/t=30.8/5=6.16kW（3）峰值Ppeak=10kW，Dmin=Pavg/Ppeak=6.16/10=0.616，即61.6%41.（10分）永磁同步电机参数：Ld=5mH，Lq=8mH，ψf=0.175Wb，极对数p=4，直流母线310V，采用最大转矩电流比（MTPA）控制，求当电磁转矩Te=20N·m时：（1）Id、Iq电流；（2）定子电压幅值Us；（3）此时最高不弱磁转速nmax。解：（1）MTPA条件：Id=-(Ld-Lq)Iq²/(2ψf)Te=1.5p[ψfIq+(Ld-Lq)IdIq]联