《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。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在直流双闭环调速系统中，速度环采用PI调节器的主要目的是（）。A.提高系统阻尼比B.消除稳态速降C.抑制电流冲击D.降低截止频率答案：B2.三相异步电动机变频调速时，若保持U/f=常数，则低频时磁通将（）。A.饱和B.减弱C.不变D.先增强后减弱答案：C3.矢量控制系统中，将定子电流分解为id、iq两轴分量的坐标变换称为（）。A.3/2变换B.2s/2r变换C.2r/2s变换D.Park逆变换答案：B4.在PWM可逆直流调速系统中，若采用双极式H桥，电动机制动时电枢电流回路能量通过（）回馈电源。A.续流二极管B.开关管反并二极管C.制动电阻D.升压电感答案：B5.数字式速度检测中，M法测速的分辨率与（）成反比。A.采样周期B.码盘每转脉冲数C.电机极对数D.计数器位数答案：A6.异步电动机直接转矩控制（DTC）中，转矩滞环宽度减小，则（）。A.开关频率降低B.转矩脉动减小C.磁链幅值增大D.低速转矩提升答案：B7.在双闭环直流调速系统抗扰动性能分析中，负载扰动主要作用于（）。A.电流环给定端B.速度环输出端C.电流环输出端D.速度环输入端答案：C8.同步电动机自控式变频调速系统中，转子位置检测器输出信号用于（）。A.触发整流桥B.生成PWM载波C.确定换流时刻D.补偿电枢反应答案：C9.若直流调速系统开环放大倍数为K，闭环速降降为开环速降的1/(1+K)，则该结论成立的前提是（）。A.采用P调节器B.采用PI调节器C.负载为恒转矩D.电机励磁恒定答案：A10.在异步电动机转子磁场定向矢量控制中，若实际转子电阻大于控制器设定值，则系统将出现（）。A.磁链定向偏移B.转矩系数饱和C.功率因数降低D.电流环震荡答案：A二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，请将所有正确选项字母填入括号内，漏选、错选均不得分）11.下列措施能够抑制直流可逆调速系统“电流断续”现象的有（）。A.增加平波电抗器电感B.提高开关频率C.采用PWM整流器D.降低电枢回路电阻E.加入电流前馈答案：A、B、C12.关于异步电动机恒功率变频调速，下列说法正确的有（）。A.频率高于基频B.电压保持额定值不变C.气隙磁通与频率成反比D.最大转矩与频率平方成反比E.适用于机床主轴负载答案：A、B、C、D、E13.在双闭环直流调速系统中，电流环截止频率ωci与速度环截止频率ωcn需满足（）。A.ωci>ωcnB.ωci<ωcnC.ωci≈(5~10)ωcnD.两环截止频率越接近越好E.电流环小惯性群时间常数之和需小于1/ωci答案：A、C、E14.下列属于同步电动机弱磁调速特点的有（）。A.需降低励磁电流B.功率因数可超前C.最大电磁功率与励磁电流成反比D.电枢电流必须增大E.适用于恒转矩负载答案：A、B、D15.数字PID调节器采用增量式算法相对于位置式算法的优点有（）。A.无积分饱和B.切换冲击小C.易于实现手自动无扰切换D.计算精度要求低E.输出直接对应占空比答案：A、B、C三、填空题（每空2分，共20分）16.直流电动机反电动势系数Ce的单位是________，其物理意义为每________转速产生的反电动势。答案：V/(r·min⁻¹)，r·min⁻¹17.三相异步电动机在额定频率50Hz下同步转速为1500r/min，则其极对数为________。答案：218.在双闭环直流调速系统中，速度调节器输出限幅值决定了系统最大________。答案：电流给定值（或允许电流）19.矢量控制系统中，维持转子磁链恒定意味着id给定值与________成反比。答案：转子时间常数20.直接转矩控制采用________表查询方式选择电压矢量，以实现________和磁链的分别控制。答案：开关（或电压矢量），转矩21.同步电动机交直轴电枢反应电抗分别记为Xd、Xq，则凸极机电磁功率公式中含有________项与________项。答案：励磁（或直轴磁链），磁阻（或凸极）22.在PWM整流器双闭环控制中，电压外环采用PI调节器可使直流侧电压________稳态误差，电流内环按________控制可实现单位功率因数。答案：消除，dq轴解耦23.数字测速T法适用于________速范围，其分辨率与________成正比。答案：低，测速脉冲周期四、简答题（共25分）24.（6分）写出直流电动机在额定励磁下的机械特性方程式，并说明电枢电压、电枢回路电阻、励磁磁通变化对特性斜率的影响。答案：n=(UIaRa)/(CeΦ)T=CtΦIa联立得：n=U/(CeΦ)Ra/(CeCtΦ²)·T斜率k=Ra/(CeCtΦ²)。1)U增大，斜率不变，特性平行上移；2)Ra增大，斜率绝对值增大，特性变软；3)Φ减弱，斜率绝对值显著增大，特性急剧变软，同时理想空载转速升高。25.（6分）说明异步电动机恒压频比控制低频时为何要采用电压补偿，并给出两种常用补偿方法。答案：低频时定子阻抗压降占比增大，实际气隙磁通减小，导致最大转矩降低。补偿方法：1)线性抬压补偿：U=U0+kr·f，其中U0为补偿电压；2)平方律补偿：根据负载电流自动提升电压，使磁通保持恒定。26.（6分）画出双闭环直流调速系统动态结构图，并标出速度环、电流环、被控对象及主要扰动输入端口。答案：图略（文字描述）：给定速度Ω与反馈速度Ω比较得ΔΩ，经ASR（速度PI）输出电流给定I，与电流反馈If比较得ΔI，经ACR（电流PI）输出控制电压Uc，再经PWM与功率变换器得到电枢电压Ua，驱动直流电机。电机输出转速Ω经测速装置反馈。负载转矩TL作为扰动在电流环输出端引入。27.（7分）简述直接转矩控制（DTC）与矢量控制（FOC）在控制变量、坐标变换、开关频率三方面的差异。答案：1)控制变量：DTC直接控制转矩与定子磁链幅值；FOC通过解耦控制转子磁链与转矩电流iq。2)坐标变换：DTC无需旋转坐标变换，仅需静止坐标磁链观测；FOC必须Park、Clarke变换。3)开关频率：DTC采用滞环比较，开关频率不固定，随负载变化；FOC采用固定载波PWM，开关频率恒定。五、计算题（共40分）28.（10分）一台他励直流电动机额定数据：PN=10kW，UN=220V，IN=52A，nN=1000r/min，Ra=0.3Ω，励磁恒定。系统采用双闭环调速，速度环空载给定Ω=120rad/s，负载转矩TL=40N·m。忽略空载损耗，求：（1）Ce、Ct；（2）稳态电枢电流Ia；（3）稳态转速n；（4）若速度环PI参数Kp=0.5V·s/rad，Ki=5V/rad，求稳态速度误差。答案：（1）Ce=(UNINRa)/nN=(22052×0.3)/1000=0.2044V·s/radCt=60Ce/(2π)=1.955N·m/A（2）Ia=TL/Ct=40/1.955=20.46A（3）Ea=UNIaRa=22020.46×0.3=213.86VΩ=Ea/Ce=213.86/0.2044=1046.3r/min=109.6rad/s（4）速度误差ΔΩ=TL/(KpKi)=40/(0.5×5)=16rad/s（注：实际系统为II型，稳态误差理论为零，但题目给定P参数，按题意计算静态误差系数。）29.（10分）一台三相四极异步电动机，PN=15kW，UN=380V，fN=50Hz，额定转速nN=1455r/min，参数：Rs=0.35Ω，Rr'=0.25Ω，Lsσ=1.8mH，Lrσ'=1.8mH，Lm=58mH。采用转子磁场定向矢量控制，给定转子磁链Ψr=1.0Wb，转矩给定Te=120N·m。求：（1）额定滑差角频率ωsN；（2）定子电流励磁分量id；（3）定子电流转矩分量iq；（4）定子频率f1。答案：（1）sN=(15001455)/1500=0.03ωsN=2πfN·sN=2π×50×0.03=9.425rad/s（2）id=Ψr/Lm=1.0/0.058=17.24A（3）iq=Te·Lr'/(1.5p·Lm·Ψr')Lr'=Lrσ'+Lm=59.8mHiq=120×0.0598/(1.5×2×0.058×1.0)=41.2A（4）ω1=ωr+ωs=2π×1455/60+9.425=152.5+9.425=161.9rad/sf1=ω1/(2π)=25.76Hz30.（10分）一台永磁同步电动机，极对数p=4，额定线电压UN=380V，额定转速nN=1800r/min，定子电阻Rs=0.6Ω，d轴电感Ld=2mH，q轴电感Lq=5mH，永磁磁链Ψf=0.175Wb。采用最大转矩电流比（MTPA）控制，求当定子电流幅值Is=30A、转速n=1200r/min时的：（1）电磁转矩Te；（2）d、q轴电流id、iq；（3）端电压幅值Us；（4）功率因数cosφ。答案：（1）MTPA角β满足：sinβ=(Ψf√(Ψf²+8(LqLd)²Is²))/(4(LqLd)Is)解得β=18.1°Te=1.5p[Ψf·Iq+(LdLq)IdIq]=1.5×4×[0.175×28.50.003×(9.3)×28.5]=31.4N·m（2）id=Is·sinβ=9.3A，iq=Is·cosβ=28.5A（3）ω=2π×1200/60×p=502.65rad/sUd=Rs·idωLq·iq=0.6×9.3502.65×0.005×28.5=80.2VUq=Rs·iq+ωLd·id+ωΨf=0.6×28.5+502.65×0.002×(9.3)+502.65×0.175=92.4VUs=√(Ud²+Uq²)=122.3V（4）cosφ=(Uq·iq+Ud·id)/(Us·Is)=0.9631.（10分）一套直流可逆调速系统采用双极式PWM，电源电压Ud=300V，电枢回路总电感La=5mH，电机额定电流IN=60A，开关频率fsw=5kHz。若要求电流脉动峰峰值ΔIpp≤5%IN，求：（1）所需最小平波电感；（2）若实际取La=5mH，计算此时电流脉动峰峰值；（3）提出两种进一步减小脉动的措施并给出定量对比。答案：（1）ΔIpp=(Ud·To)/(2La)，To=1/fsw=0.2msLa≥Ud/(8fsw·0.05IN)=300/(8×5000×3)=2.5mH（2）ΔIpp=300×0.2×10⁻³/(2×5×10⁻³)=6A，占额定10%（3）措施：a)提高开关频率至10kHz，ΔIpp降至3A（5%）；b)增加平波电感至10mH，ΔIpp降至3A；c)采用交错并联双H桥，等效频率加倍，ΔIpp降至3A。三者均可满足5%要求，但提高频率会增加开关损耗，增加电感增大体积，交错并联成本最高却最利于动态响应。六、综合分析题（共20分）32.（20分）某轧机主传动采用同步电动机交直交变频调速系统，电机额定功率2MW，额定电压3kV，额定转速60r/min，极对数p=50，最大过载倍数2.5，系统采用转子磁场定向矢量控制+弱磁扩速，最高转速120r/min。现场工艺要求0→60r/min在2s内完成，稳速精度±0.01%，负载呈周期性冲击，峰值转矩为额定转矩2倍，周期5s，占空比40%。请完成：（1）计算额定转矩、最大转矩及转动惯量（假设加速度恒定）；（2）设计速度环带宽，说明采样周期选取原则；（3）给出弱磁区控制器结构框图，说明id、iq限幅随转速变化规律；（4）分析冲击负载下速度环抗扰指标，提出两种前馈补偿方案并比较优缺点；（5）列出系统需设置的保护功能及动作阈值。答案：（1）TN=9550×2000/60=31