(2025年)電力拖動(dòng)試卷電力拖動(dòng)試卷大題附答案一、簡答題（每題10分，共40分）1.簡述直流電動(dòng)機(jī)的三種調(diào)速方法及其特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)械特性曲線說明各方法的調(diào)速范圍和適用場景。答案：直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法包括電樞串電阻調(diào)速、降低電樞電壓調(diào)速和減弱勵(lì)磁磁通調(diào)速。（1）電樞串電阻調(diào)速：在電樞回路串入附加電阻Rc，機(jī)械特性斜率β=(Ra+Rc)/(CeCmΦ2)增大，特性變軟。調(diào)速范圍較?。ㄒ话鉊=2~3），屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于低速短時(shí)間運(yùn)行的場合（如起重機(jī)輔助機(jī)構(gòu)）。（2）降低電樞電壓調(diào)速：保持勵(lì)磁不變，降低電樞電壓U，機(jī)械特性平行下移，斜率β=Ra/(CeCmΦ2)不變，特性硬度高。調(diào)速范圍大（D=10~20），屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于要求平滑、寬范圍調(diào)速的場合（如龍門刨床）。（3）減弱勵(lì)磁磁通調(diào)速：減小勵(lì)磁電流If使磁通Φ降低，機(jī)械特性斜率β=Ra/(CeCmΦ2)增大，理想空載轉(zhuǎn)速n0=U/(CeΦ)升高。調(diào)速范圍較小（D=2~3），屬恒功率調(diào)速，適用于高速運(yùn)行且負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而減小的場合（如機(jī)床主軸）。2.對比籠型異步電動(dòng)機(jī)定子串電抗啟動(dòng)與自耦變壓器降壓啟動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，說明兩者的適用場景。答案：定子串電抗啟動(dòng)通過在定子回路串入電抗器降低啟動(dòng)電壓，啟動(dòng)電流Is=U1/(Zst+Xk)（Xk為電抗值），啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst∝(U1/(Zst+Xk))2。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡單、成本低；缺點(diǎn)：電抗消耗有功功率，啟動(dòng)時(shí)電壓損失大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降明顯（約為直接啟動(dòng)的1/3~1/2），適用于輕載或空載啟動(dòng)的小容量電機(jī)（≤20kW）。自耦變壓器降壓啟動(dòng)利用自耦變壓器將電源電壓U1降至kU1（k為變比），啟動(dòng)電流Is=k2IstN（IstN為直接啟動(dòng)電流），啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst=k2TstN。優(yōu)點(diǎn)：可通過不同抽頭選擇啟動(dòng)電壓（如65%、80%），啟動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)靈活，能量損耗?。蝗秉c(diǎn)：設(shè)備體積大、成本高，適用于中大容量電機(jī)（≥20kW）或需要較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的場合（如水泵、空壓機(jī)）。3.畫出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖，標(biāo)注各環(huán)節(jié)名稱并說明轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）和電流調(diào)節(jié)器（ACR）的作用。答案：原理框圖包含：給定環(huán)節(jié)（Un）→轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）→電流給定環(huán)節(jié)（Ui）→電流調(diào)節(jié)器（ACR）→觸發(fā)裝置（GT）→晶閘管整流器（VT）→直流電動(dòng)機(jī)（M）→轉(zhuǎn)速檢測（TG）→轉(zhuǎn)速反饋（Un）；電流檢測（TA）→電流反饋（Ui）。ASR的作用：（1）主導(dǎo)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)時(shí)消除轉(zhuǎn)速偏差（比例積分作用）；（2）輸出限幅決定最大允許電流（即堵轉(zhuǎn)電流）；（3）動(dòng)態(tài)中對負(fù)載擾動(dòng)起抗擾作用。ACR的作用：（1）快速跟隨電流給定，抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響；（2）限制最大電流，保護(hù)電機(jī)和晶閘管；（3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流保持最大值（恒流升速），縮短啟動(dòng)時(shí)間。4.簡述異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本原理，說明基頻以下和基頻以上調(diào)速時(shí)的控制策略及機(jī)械特性特點(diǎn)。答案：變頻調(diào)速基于公式n=(1-s)60f/p，通過改變電源頻率f調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速?；l（fN）以下調(diào)速時(shí)，采用恒壓頻比（U/f=常數(shù)）控制，保持氣隙磁通Φm≈U/(4.44fNkwN)不變，避免磁路過飽和或欠勵(lì)磁。此時(shí)機(jī)械特性硬度高，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，調(diào)速范圍寬（D=10~100）。基頻以上調(diào)速時(shí)，保持電壓U=UN不變，頻率f>fN，Φm≈UN/(4.44fkwN)隨f升高而降低，屬于恒功率調(diào)速。機(jī)械特性上，理想空載轉(zhuǎn)速n0=60f/p升高，但最大轉(zhuǎn)矩Tmax∝f2降低，特性變軟，調(diào)速范圍較小（D=2~3）。二、計(jì)算題（每題15分，共45分）1.一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)：PN=22kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，Ra=0.15Ω，勵(lì)磁繞組電阻Rf=110Ω，勵(lì)磁電壓Uf=220V。（1）計(jì)算電動(dòng)勢常數(shù)CeΦN和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CmΦN；（2）繪制固有機(jī)械特性曲線，標(biāo)注額定工作點(diǎn)（nN,TN）；（3）若電樞回路串入Rc=0.3Ω電阻，求此時(shí)的機(jī)械特性方程，并計(jì)算當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0.8TN時(shí)的轉(zhuǎn)速。答案：（1）額定電樞電動(dòng)勢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）固有機(jī)械特性方程：n=(UN/(CeΦN))-(Ra/(CeΦNCmΦN))T=220/0.1352-(0.15/(0.1352×1.291))T≈1627-0.866T額定轉(zhuǎn)矩TN=9.55PN/nN=9.55×22000/1500≈140.1N·m額定工作點(diǎn)坐標(biāo)：nN=1500r/min，TN=140.1N·m（代入方程驗(yàn)證：1627-0.866×140.1≈1500，正確）。（3）串入Rc后的機(jī)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當(dāng)TL=0.8TN=0.8×140.1≈112.1N·m時(shí)，轉(zhuǎn)速n=1627-2.598×112.1≈1627-291.3≈1335.7r/min2.一臺(tái)三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)：PN=30kW，UN=380V，IN=57.5A，nN=1470r/min，p=2，Ist/IN=7，Tst/TN=1.8，Tmax/TN=2.2，定子繞組Δ接法。（1）計(jì)算額定轉(zhuǎn)差率sN、額定轉(zhuǎn)矩TN；（2）若采用Y-Δ降壓啟動(dòng)，求啟動(dòng)電流IstY和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TstY；（3）若要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不低于1.2TN，能否采用Y-Δ啟動(dòng)？說明理由。答案：（1）同步轉(zhuǎn)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啟動(dòng)時(shí)，定子繞組由Δ改接為Y，相電壓由UN降至UN/√3，線電流IstY=(1/3)IstΔ（Δ接法直接啟動(dòng)時(shí)IstΔ=7IN=7×57.5=402.5A）故IstY=402.5/3≈134.2A啟動(dòng)轉(zhuǎn)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啟動(dòng)的TstY=0.6TN=116.9N·m<233.8N·m，因此不能采用Y-Δ啟動(dòng)，需選用自耦變壓器降壓啟動(dòng)（如選擇80%抽頭，Tst=0.82×1.8TN=1.152TN≈224.4N·m，仍略低；需選擇85%抽頭，Tst=0.852×1.8TN≈1.301TN≥1.2TN）。3.某雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用三相橋式晶閘管整流電路供電，已知：電動(dòng)機(jī)PN=15kW，UN=220V，IN=79A，nN=1000r/min，Ra=0.2Ω；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40；電流反饋系數(shù)β=0.05V/A（Ui=βId）；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.02V·min/r（Un=αn）；電樞回路總電感L=15mH，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=L/R=0.015/(0.2+0.1)=0.05s（R為電樞回路總電阻）；機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=GD2R/(375CeCmΦ)=0.15s（已給定）；電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)TΣi=0.005s（包括晶閘管滯后時(shí)間和濾波時(shí)間）。（1）設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器（ACR），選擇調(diào)節(jié)器類型并計(jì)算參數(shù)（KI、τi）；（2）若轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)TΣn=0.015s，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR），選擇調(diào)節(jié)器類型并計(jì)算參數(shù)（Kn、τn）。（注：電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中頻寬h=5）答案：（1）電流環(huán)設(shè)計(jì)：電流環(huán)控制對象為雙慣性環(huán)節(jié)（晶閘管裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=0.0017s，電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s，TΣi=Ts+Toi=0.0037s，題目給定TΣi=0.05s可能為筆誤，按題目給定0.05s計(jì)算）。典型I型系統(tǒng)要求開環(huán)傳遞函數(shù)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）。參數(shù)匹配：τi=Tl=0.05s（PI調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)）KI=1/(2TΣi)=1/(2×0.005)=100s?1（I型系統(tǒng)最佳整定）ACR的比例系數(shù)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（此處可能需核對公式，正確公式應(yīng)為Ki=KIτiR/(βKs)，因電流環(huán)傳遞函數(shù)中，控制對象的放大系數(shù)為Ks/(R)，故正確計(jì)算：電流環(huán)開環(huán)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）轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速環(huán)控制對象包括電流環(huán)等效傳遞函數(shù)（典型I型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)≈1/(TΣis+1)，近似為慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)TΣi=0.005s）和電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.15s，總小時(shí)間常數(shù)TΣn=TΣi+Ton（Ton為轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間，題目給定TΣn=0.015s）。典型II型系統(tǒng)中頻寬h=5，參數(shù)選擇：τn=hTΣn=5×0.015=0.075s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN=h/(2h2TΣn2)=5/(2×25×0.0152)=5/(0.01125)≈444.4s?2ASR的比例系數(shù)Kn=(KNτnCeΦα)/(Tmβ)代入數(shù)據(jù)：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、分析題（每題15分，共45分）1.某直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)過大的現(xiàn)象，結(jié)合雙閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程分析可能原因，并提出改進(jìn)措施。答案：雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)過程分為三個(gè)階段：電流上升階段（ASR迅速飽和，ACR調(diào)節(jié)電流至限幅值Idm）、恒流升速階段（電流保持Idm，轉(zhuǎn)速線性上升）、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)速回調(diào)至給定值）。轉(zhuǎn)速超調(diào)過大的可能原因：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的比例系數(shù)Kn過大，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用過強(qiáng)；（2）積分時(shí)間常數(shù)τn過小，積分作用不足，無法及時(shí)抑制超調(diào)；（3）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α過?。ǚ答侂妷浩停?，實(shí)際轉(zhuǎn)速超過給定值較多時(shí)才觸發(fā)調(diào)節(jié)；（4）負(fù)載擾動(dòng)在升速后期突然減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速因慣性繼續(xù)上升；（5）電流環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢（如ACR參數(shù)整定不當(dāng)），無法快速跟隨電流給定，導(dǎo)致恒流升速階段電流未達(dá)最大值，升速時(shí)間延長，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段需更大幅度回調(diào)。改進(jìn)措施：（1）減小ASR的比例系數(shù)Kn，降低動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)強(qiáng)度；（2）增大積分時(shí)間常數(shù)τn，增強(qiáng)積分作用以消除靜差并抑制超調(diào)；（3）校準(zhǔn)轉(zhuǎn)速反饋裝置（如測速發(fā)電機(jī)），確保α準(zhǔn)確；（4）在系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋（引入dn/dt反饋），利用動(dòng)態(tài)阻尼抑制超調(diào)；（5）重新整定電流環(huán)參數(shù)（如增大ACR的比例系數(shù)Ki），縮短電流上升時(shí)間，使恒流升速階段更接近理想狀態(tài)。2.分析異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的工作原理，對比其與傳統(tǒng)降壓啟動(dòng)方式的優(yōu)勢，并說明在帶式輸送機(jī)（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載）中的應(yīng)用要點(diǎn)。答案：軟啟動(dòng)器通過晶閘管（或IGBT）的相位控制，在啟動(dòng)過程中逐步增加輸出電壓（從Umin線性升至UN），使電動(dòng)機(jī)端電壓平滑上升，啟動(dòng)電流Is隨電壓升高而增大，最終達(dá)到額定電流。工作原理可分為：（1）初始階段：晶閘管導(dǎo)通角θ很小，輸出電壓U≈0，避免過大沖擊電流；（2）加速階段：θ逐漸增大，U=Umax(1-cosθ)/2線性上升，Is=U/Zst逐漸增大，Tst∝U2逐漸增大；（3）啟動(dòng)完成后：晶閘管全導(dǎo)通（θ=0），軟啟動(dòng)器旁路接觸器閉合，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)入全壓運(yùn)行。與傳統(tǒng)降壓啟動(dòng)（如Y-Δ、自耦變壓器）相比，優(yōu)勢：（1）啟動(dòng)電流連續(xù)可調(diào)（0.5~4倍IN），避免階躍式電流沖擊；（2）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑上升，減小機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)（如齒輪、皮帶）的沖擊；（3）可設(shè)置多種啟動(dòng)模式（電壓斜坡、電流限制、轉(zhuǎn)矩控制），適應(yīng)不同負(fù)載特性；（4）具備軟停車功能（逐步降低電壓），減少泵類負(fù)載的水錘效應(yīng)。在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用要點(diǎn)：（1）選擇電流限制模式（設(shè)定啟動(dòng)電流為2~3倍IN），避免因恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（Tst需≥TL）導(dǎo)致啟動(dòng)失?。唬?）延長啟動(dòng)時(shí)間（10~20s），確保輸送帶平穩(wěn)加速，防止物料滑動(dòng)；（3）配置旁路接觸器，減少晶閘管長期運(yùn)行的損耗；（4）設(shè)置過載保護(hù)（電流檢測）和堵轉(zhuǎn)保護(hù)（轉(zhuǎn)速檢測），避免輸送帶卡死時(shí)損壞電機(jī)；（5）根據(jù)輸送帶長度和負(fù)載慣量調(diào)整電壓上升斜率（斜率過小導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間過長，斜率過大導(dǎo)致沖擊）。3.設(shè)計(jì)基于西門子S7-200SMARTPLC的三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路，要求：（1）具有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止按鈕；（2）具備電氣互鎖和機(jī)械互鎖；（3）設(shè)置過載保護(hù)；（4）繪制I/O分配表、電氣主回路