(2025年)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)試卷及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列關(guān)于電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)靜差率的描述中，正確的是（）。A.靜差率與額定轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)B.靜差率是負(fù)載由理想空載到額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速降落與額定轉(zhuǎn)速的比值C.靜差率越小，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性越差D.靜差率僅取決于閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電流環(huán)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸出電壓主要由（）決定。A.轉(zhuǎn)速給定電壓B.轉(zhuǎn)速反饋電壓C.電樞電流反饋電壓D.電網(wǎng)電壓波動(dòng)3.采用SPWM調(diào)制的電壓型逆變器中，載波比N的定義是（）。A.載波頻率與調(diào)制波頻率之比B.調(diào)制波頻率與載波頻率之比C.載波幅值與調(diào)制波幅值之比D.調(diào)制波幅值與載波幅值之比4.異步電機(jī)矢量控制的核心是（）。A.將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量B.直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩C.采用滯環(huán)比較器控制電壓空間矢量D.忽略電機(jī)的磁飽和效應(yīng)5.無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）與永磁同步電機(jī)（PMSM）的主要區(qū)別在于（）。A.前者采用方波驅(qū)動(dòng)，后者采用正弦波驅(qū)動(dòng)B.前者需要位置傳感器，后者不需要C.前者的氣隙磁場(chǎng)為正弦分布，后者為梯形波分布D.前者的調(diào)速范圍更窄6.在PWM整流器中，為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，需要控制（）。A.直流側(cè)電壓穩(wěn)定B.交流側(cè)電流與電壓同相位C.交流側(cè)電流諧波含量最小D.開(kāi)關(guān)器件的通斷頻率7.直流調(diào)速系統(tǒng)中，若僅采用比例（P）調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)（）。A.存在靜差，且無(wú)法消除B.無(wú)靜差C.靜差隨比例系數(shù)增大而增大D.靜差與負(fù)載無(wú)關(guān)8.異步電機(jī)弱磁調(diào)速時(shí)，為保持輸出功率基本不變，需（）。A.降低定子電壓B.增大轉(zhuǎn)差率C.減小勵(lì)磁電流D.提高轉(zhuǎn)子頻率9.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)中，超調(diào)量σ的定義是（）。A.動(dòng)態(tài)過(guò)程中最大偏差與穩(wěn)態(tài)值的百分比B.動(dòng)態(tài)過(guò)程中調(diào)節(jié)時(shí)間與上升時(shí)間的比值C.穩(wěn)態(tài)值與初始值的差值D.動(dòng)態(tài)過(guò)程中振蕩次數(shù)與時(shí)間的比值10.2023年新型IGBT模塊在高速電力拖動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，其開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到（）。A.1kHz以下B.10kHz～50kHzC.100kHz～500kHzD.1MHz以上二、填空題（每空1分，共15分）1.直流電機(jī)的調(diào)速方法包括改變電樞電壓、改變勵(lì)磁磁通和______。2.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速環(huán)的主要作用是______，電流環(huán)的主要作用是______。3.SPWM調(diào)制的關(guān)鍵是使逆變器輸出電壓的______與正弦波等效。4.異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中，通過(guò)______坐標(biāo)變換可將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq軸）。5.無(wú)傳感器控制技術(shù)中，基于反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)的方法適用于______轉(zhuǎn)速范圍，基于高頻注入的方法適用于______轉(zhuǎn)速范圍。6.電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性是指______與______的關(guān)系曲線。7.PWM變換器的開(kāi)關(guān)頻率越高，輸出電壓的諧波含量越______，但開(kāi)關(guān)損耗越______。8.直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）通過(guò)控制______和______的空間矢量來(lái)直接調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。9.永磁同步電機(jī)的控制策略主要包括i_d=0控制、______和最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。10.給定積分器的作用是______，避免系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的超調(diào)。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.比較晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）與PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（PWM系統(tǒng)）的優(yōu)缺點(diǎn)。2.簡(jiǎn)述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的三個(gè)階段及其特點(diǎn)。3.矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的主要區(qū)別有哪些？4.無(wú)刷直流電機(jī)換相邏輯的依據(jù)是什么？簡(jiǎn)述其六步換相的基本過(guò)程。5.電力電子器件的保護(hù)措施主要包括哪些方面？舉例說(shuō)明過(guò)流保護(hù)的常用方法。四、分析計(jì)算題（共35分）1.（8分）某直流調(diào)速系統(tǒng)，額定轉(zhuǎn)速n_N=1500r/min，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落Δn_cl=50r/min，要求靜差率s≤5%。試計(jì)算系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍D，并說(shuō)明若僅增大開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K，能否同時(shí)提高調(diào)速范圍和減小靜差率？2.（9分）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，已知電樞回路總電阻R=0.5Ω，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)C_e=0.16V·min/r，電流反饋系數(shù)β=0.05V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.008V·min/r。設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器（ACR）時(shí)，要求其超調(diào)量σ_i≤5%，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)T_Σi=0.002s，電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)T_l=0.01s。試確定ACR的結(jié)構(gòu)（PI或P），并計(jì)算其比例系數(shù)K_i和積分時(shí)間常數(shù)τ_i（提示：σ_i≤5%時(shí)，典型Ⅰ型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系為Kτ=T_l，K=1/(2T_Σi)）。3.（9分）一臺(tái)三相異步電機(jī)，定子頻率f_1=50Hz，極對(duì)數(shù)p=2，額定轉(zhuǎn)差率s_N=0.02。采用矢量控制時(shí)，若定子電流的勵(lì)磁分量i_d=2A，轉(zhuǎn)矩分量i_q=5A，電機(jī)的互感L_m=0.2H，轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r=0.8Wb。試計(jì)算：（1）電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n_s；（2）額定轉(zhuǎn)速n_N；（3）電磁轉(zhuǎn)矩T_e（電磁轉(zhuǎn)矩公式：T_e=(3p/2)(ψ_ri_q)）。4.（9分）某PWM整流器輸入為三相220V（線電壓），開(kāi)關(guān)頻率f_s=10kHz，直流側(cè)電壓U_dc=600V，負(fù)載電阻R=100Ω。假設(shè)整流器工作于單位功率因數(shù)狀態(tài)，忽略損耗。試計(jì)算：（1）直流側(cè)電流I_dc；（2）交流側(cè)相電流有效值I_1；（3）若開(kāi)關(guān)頻率提高至20kHz，對(duì)輸入電流諧波有何影響？五、綜合應(yīng)用題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)基于永磁同步電機(jī)（PMSM）的高精度調(diào)速系統(tǒng)，要求：（1）列出主要控制策略；（2）選擇所需的傳感器及其作用；（3）設(shè)計(jì)保護(hù)電路（至少3種）；（4）簡(jiǎn)述參數(shù)調(diào)試的基本步驟。答案一、選擇題1.B2.C3.A4.A5.A6.B7.A8.C9.A10.B二、填空題1.改變電樞回路電阻2.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、限制最大電流并快速跟隨3.脈沖面積4.派克（Park）5.中高、低速6.轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩7.小、大8.定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩9.弱磁控制10.將階躍給定轉(zhuǎn)換為斜坡給定三、簡(jiǎn)答題1.V-M系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、成本低；缺點(diǎn)：晶閘管單向?qū)щ?、電流脈動(dòng)大、功率因數(shù)低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。PWM系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)關(guān)頻率高、電流脈動(dòng)小、功率因數(shù)高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；缺點(diǎn)：需要全控型器件、對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求高、存在高頻電磁干擾。2.啟動(dòng)過(guò)程分三個(gè)階段：（1）電流上升階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）飽和，電流快速上升至最大值，轉(zhuǎn)速基本不變；（2）恒流升速階段：ASR仍飽和，電流保持最大值，轉(zhuǎn)速線性上升；（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：轉(zhuǎn)速超調(diào)后ASR退出飽和，電流下降，轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定在給定值，靜差消除。3.區(qū)別：矢量控制通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩解耦，需要精確的電機(jī)參數(shù)；直接轉(zhuǎn)矩控制直接控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，無(wú)需解耦，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大；矢量控制適用于高精度場(chǎng)合，DTC適用于快速響應(yīng)場(chǎng)合。4.換相依據(jù)是轉(zhuǎn)子位置信號(hào)（通過(guò)霍爾傳感器或無(wú)位置傳感器算法獲?。?。六步換相過(guò)程：轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，逆變器6個(gè)開(kāi)關(guān)管按順序?qū)ǎㄈ鏥T1+VT2→VT1+VT3→VT3+VT4→VT4+VT5→VT5+VT6→VT6+VT2），每次導(dǎo)通兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，形成三相繞組的兩兩通電，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩。5.保護(hù)措施包括過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)頻保護(hù)等。過(guò)流保護(hù)常用方法：（1）快速熔斷器串聯(lián)在主電路中，故障時(shí)熔斷；（2）電子保護(hù)電路檢測(cè)電流，超過(guò)閾值時(shí)關(guān)斷器件門(mén)極；（3）電流截止負(fù)反饋，當(dāng)電流超過(guò)臨界值時(shí)引入負(fù)反饋限制電流。四、分析計(jì)算題1.靜差率s=Δn_cl/(n_0)≤5%，n_0=n_N+Δn_cl=1500+50=1550r/min，故s=50/1550≈3.23%≤5%，滿足要求。調(diào)速范圍D=n_max/n_min，n_min=Δn_cl/(s)=50/0.05=1000r/min（錯(cuò)誤，正確應(yīng)為n_min=Δn_cl/(s(1-s))？不，靜差率定義s=Δn/(n_0)，n_0=n+Δn，故n_min=Δn_cl/s-Δn_cl=50/0.05-50=1000-50=950r/min？需修正：靜差率s=Δn/(n_0)，n_0=n+Δn，故n_min=Δn/(s)-Δn=50/0.05-50=1000-50=950r/min，D=n_N/n_min=1500/950≈1.58。增大K可減小Δn_cl（Δn_cl=Δn_op/(1+K)），從而減小s并增大D（D=n_N/(Δn_cl/s)），因此可以同時(shí)提高。（注：正確計(jì)算應(yīng)為：D=(n_Ns)/(Δn_cl(1-s))，當(dāng)s≤5%，Δn_cl=50r/min，n_N=1500r/min，則D=(1500×0.05)/(50×0.95)=75/47.5≈1.58。增大K使Δn_cl減小，D增大，s減小，故可以同時(shí)提高。）2.電流環(huán)需典型Ⅰ型系統(tǒng)（σ_i≤5%），ACR選PI調(diào)節(jié)器。參數(shù)關(guān)系：K_iβR/(C_eT_l)×(τ_i/(T_ls+1))→開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)W(s)=K_iβ/(C_eT_l)×(τ_is+1)/(s(T_ls+1))。取τ_i=T_l=0.01s，K=K_iβ/(C_eT_l)=1/(2T_Σi)，故K_i=(C_eT_l)/(2T_Σiβ)=(0.16×0.01)/(2×0.002×0.05)=0.0016/(0.0002)=8。3.（1）n_s=60f_1/p=60×50/2=1500r/min；（2）n_N=n_s(1-s_N)=1500×0.98=1470r/min；（3）T_e=(3×2/2)(0.8×5)=3×4=12N·m。4.（1）I_dc=U_dc/R=600/100=6A；（2）交流側(cè)功率P=U_dcI_dc=600×6=3600W，三相功率P=√3U_lI_1cosφ（cosφ=1），故I_1=P/(√3U_l)=3600/(√3×220)≈9.45A；（3）開(kāi)關(guān)頻率提高，載波頻率增加，輸入電流諧波的主要頻率向高頻移動(dòng)，諧波幅值降低，總諧波畸變率（THD）減小。五、綜合應(yīng)用題（1）控制策略：采用i_d=0矢量控制（或最大轉(zhuǎn)矩電流比控制），結(jié)合PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)控制（轉(zhuǎn)速環(huán)+電流環(huán)），加入前饋補(bǔ)償提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，無(wú)位置傳感器技術(shù)（如滑模觀測(cè)器）用于高精度場(chǎng)合。（2）傳感器：①旋轉(zhuǎn)變壓器（或光電編碼器）：檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，精度高；②霍爾電流傳感器：檢測(cè)三相定子電流，用于電流環(huán)反饋；③溫度傳感器（如PT100）：監(jiān)測(cè)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器溫度，防止過(guò)熱。（3）保護(hù)電路：①過(guò)流保護(hù)：在三相輸入側(cè)串聯(lián)快速熔斷器，同時(shí)通過(guò)電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，超過(guò)閾值時(shí)關(guān)斷IGBT門(mén)極；②過(guò)壓保護(hù)：直流側(cè)并聯(lián)壓敏電阻，電壓過(guò)高時(shí)鉗位；③過(guò)熱保護(hù)：溫度傳感器信號(hào)輸入控制器，超溫時(shí)降載或停機(jī)；④欠壓保護(hù)：檢測(cè)直流母