變頻器技術(shù)及應(yīng)用期末考試試題及答案三一、單項選擇題（每題2分，共20分）1.在V/f控制方式下，當(dāng)變頻器輸出頻率從50Hz降至5Hz時，若保持V/f比恒定，則輸出電壓應(yīng)變?yōu)樵瓉淼腁.1/2??B.1/5??C.1/10??D.1/25答案：C解析：V/f恒定即電壓與頻率成線性比例，50Hz→5Hz為10倍降頻，故電壓亦降為1/10。2.采用空間矢量PWM（SVPWM）相比傳統(tǒng)SPWM，直流母線電壓利用率可提高約A.5%??B.10%??C.15%??D.30%答案：C解析：SVPWM將正六邊形電壓空間矢量邊界用盡，理論利用率提升15.5%，工程取15%。3.某變頻器制動單元采用回饋制動，其能量流動方向為A.電機→變頻器→電網(wǎng)??B.電網(wǎng)→變頻器→電機C.電機→制動電阻→環(huán)境??D.變頻器→制動電阻→電機答案：A解析：回饋制動將電機再生能量經(jīng)逆變橋反向整流后升壓回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)能量回收。4.在矢量控制中，d軸電流給定值Id*主要決定A.電磁轉(zhuǎn)矩??B.磁鏈幅值??C.功率因數(shù)??D.轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差答案：B解析：磁場定向后，d軸電流用于建立轉(zhuǎn)子磁鏈，q軸電流才對應(yīng)轉(zhuǎn)矩。5.下列對載波頻率描述正確的是A.越高則電機噪聲越大??B.越高則IGBT開關(guān)損耗越小C.越高則電纜泄漏電流增大??D.越高則低速轉(zhuǎn)矩脈動加劇答案：C解析：載波頻率升高，dv/dt增大，電纜分布電容充放電電流顯著增加，泄漏電流增大。6.變頻器“轉(zhuǎn)差補償”功能的實質(zhì)是A.提高低速載波頻率??B.根據(jù)負(fù)載自動微調(diào)輸出頻率C.加入PID速度閉環(huán)??D.改變V/f曲線斜率答案：B解析：轉(zhuǎn)差補償檢測負(fù)載電流，按轉(zhuǎn)差公式Δf=K·Iq實時抬升輸出頻率，使機械轉(zhuǎn)速恒定。7.在風(fēng)機泵類負(fù)載中，若將電機極對數(shù)由2變?yōu)?，變頻器容量可A.降低約25%??B.降低約50%??C.不變??D.提高約25%答案：B解析：極對數(shù)加倍，同步轉(zhuǎn)速減半，風(fēng)機功率與轉(zhuǎn)速三次方成正比，故軸功率降至1/8，變頻器容量可減半。8.關(guān)于EMC措施，下列做法錯誤的是A.輸入端加鐵氧體磁環(huán)??B.電機側(cè)電纜采用屏蔽層雙端接地C.控制線與功率線平行走線??D.屏蔽層在變頻器側(cè)360°接地答案：C解析：控制線與功率線平行走線會引入差模干擾，應(yīng)垂直交叉或分槽布線。9.變頻器“自動調(diào)諧”步驟中，靜止調(diào)諧可獲得的參數(shù)是A.定子電阻、漏感??B.轉(zhuǎn)子時間常數(shù)??C.空載電流??D.編碼器零點偏移答案：A解析：靜止調(diào)諧給直流脈沖，利用電壓電流采樣計算Rs、σLs，無需旋轉(zhuǎn)。10.當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至70%時，帶能量回饋單元的變頻器最可能觸發(fā)A.過壓跳閘??B.欠壓跳閘??C.瞬間速斷??D.模塊過熱答案：B解析：回饋單元需將直流母線泵升至高于電網(wǎng)峰值才能回饋，母線電壓跌落導(dǎo)致無法升壓，系統(tǒng)報欠壓。二、多項選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.下列屬于同步電機開環(huán)矢量控制必要條件的為A.電機反電動勢常數(shù)已知??B.轉(zhuǎn)子位置檢測器C.定子電阻在線辨識??D.負(fù)載慣量實測答案：A、C解析：開環(huán)矢量無需位置傳感器，但需反電動勢常數(shù)建立磁鏈觀測器，同時Rs在線修正可提高精度。12.關(guān)于死區(qū)補償技術(shù)，正確的有A.通過檢測三相電流極性決定補償方向??B.可減小零電流鉗位現(xiàn)象C.會增加IGBT開關(guān)次數(shù)??D.對低速輕載波形改善明顯答案：A、B、D解析：死區(qū)補償不增加開關(guān)次數(shù)，僅調(diào)整占空比，零電流鉗位因極性誤判產(chǎn)生，補償后可削弱。13.下列負(fù)載中，屬于恒轉(zhuǎn)矩特性的有A.皮帶輸送機??B.卷紙機收卷段??C.離心風(fēng)機??D.龍門刨床答案：A、B、D解析：離心風(fēng)機為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其余三者轉(zhuǎn)矩基本恒定，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。14.變頻器直流母線電容容量減小將導(dǎo)致A.母線電壓紋波增大??B.低速轉(zhuǎn)矩脈動加劇C.制動時過壓更易跳閘??D.功率因數(shù)下降答案：A、C解析：電容減小，電壓支撐能力弱，紋波與泵升電壓均上升，低速脈動與調(diào)制策略相關(guān)，與電容容量無直接因果。15.采用“同步調(diào)制”相對“異步調(diào)制”的優(yōu)點有A.降低開關(guān)損耗??B.減少邊帶諧波簇??C.簡化軟件算法??D.降低電機軸電壓答案：A、B解析：同步調(diào)制保持載波比恒定，可避免分?jǐn)?shù)次邊帶諧波，降低損耗與諧波，但算法更復(fù)雜，對軸電壓無顯著影響。三、判斷題（每題1分，共10分；正確打“√”，錯誤打“×”）16.變頻器輸出側(cè)加裝正弦波濾波器后，電纜長度可無限延長。答案：×解析：濾波器只能抑制反射電壓與dv/dt，電纜過長仍會因分布參數(shù)產(chǎn)生壓降與諧振，不可無限延長。17.在矢量控制中，速度環(huán)輸出直接作為q軸電流給定。答案：√解析：速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出即電磁轉(zhuǎn)矩給定，除以磁鏈后得Iq*。18.永磁同步電機弱磁區(qū)轉(zhuǎn)速升高，功率因數(shù)一定下降。答案：×解析：若采用最大轉(zhuǎn)矩電壓比（MTPV）策略，弱磁區(qū)功率因數(shù)可維持較高水平，不一定下降。19.變頻器“節(jié)能模式”通過降低磁通實現(xiàn)輕載高效，但會犧牲動態(tài)響應(yīng)。答案：√解析：節(jié)能模式減小勵磁電流，磁通降低，鐵耗下降，但磁鏈降低導(dǎo)致電流環(huán)響應(yīng)變慢。20.當(dāng)制動電阻阻值過大時，制動單元IGBT可能因過流損壞。答案：×解析：阻值過大導(dǎo)致制動電流小，IGBT不會過流，但制動功率不足，易報過壓。21.采用“飛車啟動”功能時，變頻器先檢測電機轉(zhuǎn)速再輸出對應(yīng)頻率，可避免過流。答案：√解析：飛車啟動通過捕捉反電動勢或短時直流脈沖估算轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑再啟動。22.變頻器輸入電抗器主要作用是抑制高頻差模干擾。答案：×解析：輸入電抗器抑制低頻諧波（5、7次）與浪涌電流，高頻差模靠EMI濾波器。23.對于大慣量負(fù)載，縮短減速時間應(yīng)優(yōu)先增大制動電阻功率而非減小阻值。答案：√解析：減小阻值雖可提高制動電流，但需同步提高功率裕量，否則電阻燒毀。24.變頻器“下垂控制”可實現(xiàn)多電機剛性連接時的自然均功。答案：√解析：下垂特性使轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增加略降，功率大的電機自動降速，實現(xiàn)均功。25.采用“虛擬電阻”算法可替代實體制動電阻，實現(xiàn)零損耗制動。答案：×解析：虛擬電阻將能量回饋直流側(cè)電容，僅適用于小慣量短時制動，大能量仍需實體電阻或回饋電網(wǎng)。四、填空題（每空2分，共20分）26.變頻器PWM調(diào)制中，若載波頻率為4kHz，則三相逆變器每相上下橋臂的開關(guān)頻率為________kHz。答案：4解析：單極性調(diào)制下，每相橋臂以載波頻率開關(guān)，故為4kHz。27.某4極異步電機額定轉(zhuǎn)速1470r/min，電源50Hz，其額定轉(zhuǎn)差率為________%。答案：2解析：ns=60f/p=1500r/min，s=(1500-1470)/1500=0.02，即2%。28.矢量控制中，若轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr設(shè)置偏大，則實際磁鏈將________給定磁鏈。答案：小于解析：Tr偏大，觀測器積分增益偏小，磁鏈觀測值滯后，實際值低于給定。29.在風(fēng)機變頻節(jié)能改造中，若流量從100%降至80%，按相似定律，理論軸功率降至________%。答案：51.2解析：P∝Q3，0.83=0.512。30.變頻器直流母線電壓為540V，采用兩電平逆變器，則線電壓基波幅值為________V。答案：620解析：基波幅值=母線電壓×調(diào)制比×√3/2，最大調(diào)制比1，得540×√3/2≈467V；若采用SVPWM最大調(diào)制比1.15，則540×1.15×√3/2≈620V。31.永磁同步電機弱磁控制時，若定子電壓達(dá)到極限橢圓邊界，則繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速需________d軸電流。答案：負(fù)向增大解析：弱磁需注入負(fù)Id，抵消永磁磁鏈，維持電壓平衡。32.變頻器輸出側(cè)電纜長度超過________米時，建議加裝dv/dt濾波器。答案：50解析：經(jīng)驗值50m以上，反射電壓疊加顯著，需抑制。33.采用“電流模型”觀測磁鏈時，需實時測量________與________兩個電量。答案：定子電流、轉(zhuǎn)子速度解析：電流模型基于I-M方程，需電流與速度。34.變頻器“轉(zhuǎn)矩記憶”功能用于________負(fù)載，可防止重新啟動時________。答案：位能式、倒溜解析：如提升機，記憶停機轉(zhuǎn)矩，再次啟動時立即施加足夠轉(zhuǎn)矩防止倒轉(zhuǎn)。35.在能量回饋單元中，Boost電路升壓比由________與________占空比決定。答案：上管、下管解析：Boost拓?fù)渫ㄟ^下管占空比D控制升壓比Vdc/Vac=1/(1-D)。五、簡答題（每題8分，共24分）36.闡述變頻器驅(qū)動異步電機在5Hz低頻運行時轉(zhuǎn)矩脈動大的原因，并給出三種抑制措施。答案：原因：1.低頻時載波比減小，諧波電流相對基波比例增大，產(chǎn)生6倍頻脈動轉(zhuǎn)矩；2.死區(qū)效應(yīng)在低速時占開關(guān)周期比例升高，導(dǎo)致零電流鉗位，電壓失真加??；3.定子電阻壓降顯著，V/f曲線偏離理想值，磁鏈下降，瞬時轉(zhuǎn)矩降低。抑制措施：1.提高載波頻率至8kHz以上，增大橋臂等效開關(guān)次數(shù)，降低電流諧波；2.采用死區(qū)補償算法，實時檢測三相電流極性，動態(tài)調(diào)整占空比，消除零電流鉗位；3.引入轉(zhuǎn)矩閉環(huán)或滑差補償，通過PI調(diào)節(jié)器實時修正輸出頻率與電壓，維持磁鏈恒定，降低脈動。37.說明同步調(diào)制與異步調(diào)制的差異，并給出風(fēng)機類負(fù)載在20~50Hz范圍選擇同步調(diào)制的理由。答案：差異：1.同步調(diào)制保持載波比N=fc/f為整數(shù)且恒定，異步調(diào)制N隨頻率變化；2.同步調(diào)制輸出諧波簇集中在固定次數(shù)，異步調(diào)制出現(xiàn)非整數(shù)次邊帶，分布連續(xù)；3.同步調(diào)制軟件實現(xiàn)需查表或?qū)崟r計算角度，算法復(fù)雜；異步調(diào)制固定定時器即可，實現(xiàn)簡單。風(fēng)機負(fù)載20~50Hz選同步調(diào)制理由：1.風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速范圍窄，固定N可避開機械系統(tǒng)固有頻率，防止共振；2.諧波簇集中，便于設(shè)計LCL濾波器，降低高頻損耗與噪聲；3.開關(guān)損耗固定，熱設(shè)計可優(yōu)化，提高變頻器壽命；4.低速區(qū)（<20Hz）退出同步調(diào)制，進(jìn)入異步分段，兼顧全范圍性能。38.某卷染機系統(tǒng)采用“速度-張力雙閉環(huán)”控制，變頻器工作于轉(zhuǎn)矩限幅模式。請畫出控制框圖，并說明張力環(huán)輸出為何直接限幅速度環(huán)輸出。答案：框圖描述：1.速度給定n與編碼器反饋n比較，經(jīng)速度PI輸出轉(zhuǎn)矩給定T；2.張力給定F*與張力傳感器反饋F比較，經(jīng)張力PI輸出限幅值Tlim；3.T經(jīng)Tlim限幅后得到最終轉(zhuǎn)矩給定T*，送入變頻器轉(zhuǎn)矩電流環(huán)；4.變頻器輸出電流驅(qū)動電機，帶動卷布輥，形成張力。原因：卷染機要求張力恒定，當(dāng)布匹直徑增大，張力傳感器檢測到F上升，張力PI迅速減小Tlim，即使速度環(huán)因線速度匹配要求仍輸出較大T*，也會被Tlim鉗位，從而優(yōu)先保證張力恒定，防止斷布。該結(jié)構(gòu)使張力環(huán)具有最高優(yōu)先級，速度環(huán)退化為線速度匹配外環(huán)。六、計算題（共31分）39.（11分）一臺30kW、380V、50Hz、4極異步電機，額定電流58A，額定轉(zhuǎn)速1475r/min，cosφ=0.87。現(xiàn)采用變頻器V/f控制驅(qū)動風(fēng)機，要求風(fēng)量降至60%，若風(fēng)機及電機效率均視為額定不變，計算：（1）新軸功率；（2）新定子電流；（3）若變頻器設(shè)置轉(zhuǎn)差補償系數(shù)K=1.2，求補償后輸出頻率。解：（1）P∝Q3，P2=30×0.63=6.48kW（2）視在功率S=P/(η·cosφ)，設(shè)η=0.94，則S=6.48/(0.94×0.87)=7.93kVAI=S/(√3U)=7930/(√3×380)=12.0A（3）額定轉(zhuǎn)差s=(1500-1475)/1500=0.0167新同步轉(zhuǎn)速n1'=n2/(1-s)=0.6×1475/(1-0.0167)=898r/min對應(yīng)頻率f'=n1'·p/60=898×2/60=29.9Hz轉(zhuǎn)差補償Δf=K·s·f'=1.2×0.0167×29.9=0.6Hz補償后fout=29.9+0.6=30.5Hz40.（10分）某變頻器直流母線電容C=2200μF，驅(qū)動大慣量負(fù)載，減速時間從30s減至5s，負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量J=2.5kg·m2，電機額定轉(zhuǎn)速1500r/min，求：（1）減速能量E；（2）若采用制動電阻消耗，電阻平均功率Pavg；（3）若制動電阻允許峰值功率為10kW，求最小占空比Dmin。解：（1）E=?J(ω12-ω22)=?×2.5×(2π×1500/60)2=?×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）永磁同步電機參數(shù)：Ld=5mH，Lq=8mH，ψf=0.175Wb，極對數(shù)p=4，直流母線310V，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）控制，求當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩Te=20N·m時：（1）Id、Iq電流；（2）定子電壓幅值Us；（3）此時最高不弱磁轉(zhuǎn)速nmax。解：（1）MTPA條件：Id=-(Ld-Lq)Iq2/(2ψf)Te=1.5p[ψfIq+(Ld-Lq)IdIq]聯(lián)