《电气控制与PLC应用(第四版)》课后习题解答

《电气控制与PLC应用》习题解答第一章常用低压电器1-1从外部结构特征上如何区分直流电磁机构与交流电磁机构？怎么区分电压线圈与电流线圈？答：从外部结构特征上，直流电磁机构铁心与衔铁由整块钢或钢片叠制而成，铁心端面无短路环，直流电磁线圈为无骨架、高而薄的瘦高型。交流电磁机构铁心与衔铁用硅钢片叠制而成，铁心端面上必有短路环，交流电磁线圈设有骨架，做成短而厚的矮胖型。电压线圈匝数多，线径较细，电流线圈导线粗，匝数少。1-2三相交流电磁铁有无短路环，为什么？答：三相交流电磁铁无短路环。三相交流电磁铁电磁线圈加的是三相对称电压，流过三相对称电流，磁路中通过的是三相对称磁通，由于其相位互差120º，所产生的电磁吸力零值错开，其合成电磁吸力大于反力，故衔铁被吸牢而不会产生抖动和撞击，故无需再设短路环。1-3交流电磁线圈误接入对应直流电源，直流电磁线圈误接入对应交流电源，将发生什么问题，为什么？答：交流电磁线圈误接入对应直流电源，此时线圈不存在感抗，只存在电阻，相当于短路状态，产生大的短路电流，立即将线圈烧毁。直流电磁线圈误接入对应交流电源，由于阻抗存在，使线圈电流过小，电磁吸力过小；衔铁吸合不上，时间一长，铁心因磁滞、涡流损耗而发热，致使线圈烧毁。1-4交流、直流接触器是以什么定义的？交流接触器的额定参数中为何要规定操作频率？答：接触器是按主触头控制的电流性质来定义为是交流还是直流接触器。对于交流接触器，其衔铁尚未动作时的电流为吸合后的额定电流的5~6倍，甚至高达10~15倍，如果交流接触器频繁工作，将因线圈电流过大而烧坏线圈，故要规定操作频率，并作为其额定参数之一。1-6交流接触器与直流接触器有哪些不同？答：1）直流接触器额定电压有：110、220、440、660V，交流接触器额定电压有：127、220、380、500、660V。2）直流接触器额定电流有40、80、100、150、250、400及600A；交流接触器额定电流有10、20、40、60、100、150、250、400及600A。3）常用接触器线圈额定电压等级为：交流线圈有127、220、380V；直流线圈有110、220、440V。4）直流接触器起动功率和吸持功率相等。交流接触器起动视在功率一般为吸持视在功率的5～8倍。1-18三角形接法的三相异步电动机为何必须采用三相带断相保护的热继电器来作断相与过载保护？答：对于三角形联接的三相异步电动机在正常运转时，线电流是相电流的倍，串接在电动机电源进线中的热元件是按电动机的额定电流即线电流来整定的。当发生一相电源断路时，流过跨接全电压下的一相绕组电流等于1.15倍额定相电流，而流过另两相绕组串联的电流仅为0.58倍的额定相电流。这时流过未断相的那两相电源线中的线电流正好为倍额定相电流即为额定线电流，接在电动机进线中的热元件流过的是额定线电流，热继电器不动作，但流过全压下的一相绕组已流过1.15倍额定相电流，时间一长有过热烧毁危险。所以，三角形接法的三相异步电动机必须采用带断相保护的三相热继电器来作为断相和过载保护。第二章电气控制电路基本环节2-6电动机点动控制与连续运转控制的关键控制环节是什么？其主电路又有何区别（从电动机保护环节设置上分析）？答：电动机点动控制与连续运转控制的关键控制环节在于有无自锁电路，该电路是用电动机起动接触器的常开辅助触头并接在起动按钮常开触头两端构成。有自锁电路为连续运转，无自锁电路为点动控制。对于点动控制的电动机主电路中不用接热继电器，即无需长期过载保护。2-7何为电动机的欠电压与失电压保护？接触器与按钮控制电路是如何实现欠电压与失电压保护的？答：电动机的欠电压保护是指当电动机电源电压降到0.6~0.8倍额定电压时，将电动机电源切除而停止工作的保护。电动机的失电压保护是指当电动机电源电压消失而停转，但一旦电源电压恢复时电动机不会自行起动的保护。对于采用接触器和按钮控制的起动、停止电路，当电动机电源电压消失或下降过多时，接触器自行释放，主触头断开电动机主电路而停止转动，接触器自锁常开触头断开自锁电路，电源恢复时，电动机不会自行起动，而需再次按下按钮后电动机方可起动旋转，实现欠电压、失电压保护。2-8何为互锁控制？实现电动机正反转互锁控制的方法有哪两种？它们有何不同？答：在控制电路中相互制约的控制关系称为互锁，其中电动机正反转控制中正转控制与反转控制的互锁最为典型。实现电动机正反转互锁控制的方法其一是将正反转接触器的常闭辅助触头串接在对方接触器线圈的前面，此法常称为电气互锁；其二是将正、反转起动按钮的常闭触头串接在对方接触器线圈的前面，此法常称为机械互锁。常用电气互锁时，电路是正转起动-停止-反转起动的控制，而采用机械互锁时，电路是可以实现由正转直接变反转的正转起动-反转-正转-…-停止的控制。2-15试分析图2-31中各电路中的错误，工作时会出现什么现象？应如何改进？答：图2-31中a）按下SB点动按钮，KM线圈无法通电吸合，即无法工作。见题2-15改进图a）。b）按下起动按钮SB2，KM线圈通电后，按下停止按钮SB1，KM线圈无法断电释放。见题2-15改进图b）。c）按下SB2，KM线圈通电吸合后，按下SB1，KM线圈不能断电释放。见题2-15改进图c）。d）按下SB2，KM线圈通电吸合，松开SB2，KM线圈断电释放成为点动控制。见题2-15改进图d）。e）KM1线圈吸合时与KM2线圈通电吸合时，相序不变，电动机无法实现正、反转。见题2-15改进图e）。f）按下正转起动按钮SB2、KM1线圈无法通电吸合。见题2-15改进图f）。g）控制电源一合闸，不用按下SB2，KM2线圈立即通电吸合。见题2-15改进图g）。2-16两台三相笼型异步电动机M1、M2，要求M1先起动，在M1起动后才可进行M2的起动，停止时M1、M2同时停止。试画出其电气电路图。答：见图2-102-17两台三相笼型异步电动机M1、M2，要求既可实现M1、M2的分别起动和停止，又可实现两台电动机同时停止。试画出其电气电路图。第四章电气控制系统设计4-1电气控制设计中应遵循的原则是什么？设计内容包括哪些主要方面？答：在电气控制系统的设计中，应遵循以下几个原则：1）最大限度地满足生产机械和生产工艺对电气控制的要求，这些生产工艺要求是电气控制设计的依据。因此在设计前，应深入现场进行调查，搜集资料，并与生产过程有关人员、机械部分设计人员、实际操作者密切配合，明确控制要求，共同拟定电气控制方案，协同解决设计中的各种问题，使设计成果满足生产工艺要求。2）在满足控制要求前提下，设计方案力求简单、经济、合理，不要盲目追求自动化和高指标。力求控制系统操作简单、使用与维修方便。3）正确、合理地选用电器元件，确保控制系统安全可靠地工作。同时考虑技术进步、造型美观。4）为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能力留有适当裕量。电气控制系统设计内容主要包括电气原理图设计和电气工艺设计两部分。以电力拖动控制设备为例，分别叙述如下：（一）、电气原理图设计内容1）拟定电气设计任务书。2）选择电气拖动方案和控制方式。3）确定电动机类型、型号、容量、转速。4）设计电气控制原理框图，确定各部分之间的关系，拟定各部分技术指标与要求。5）设计并绘制电气控制原理图，计算主要技术参数。6）选择电器元件，制定元器件目录清单。7）编写设计说明书。电气原理图是整个设计的中心环节，是工艺设计和制定其它技术资料的依据。（二）、电气工艺设计内容电气工艺设计是为了便于组织电气控制装置的制造与施工，实现电气原理图设计功能和各项技术指标，为设备的制造、调试、维护、使用提供必要的技术资料。电气工艺设计的主要内容有：1）根据设计出的电气原理图及选定的电器元件，设计电气设备的总体配置，绘制电气控制系统的总装配图及总接线图。总图应反映出电动机、执行电器、电器箱各组件、操作台布置、电源以及检测元件的分布情况和各部分之间的接线关系及连接方式，以供总装、调试及日常维护使用。2）按照原理框图或划分的组件，对总原理图进行编号，绘制各组件原理电路图，列出各部件的元件目录表，并根据总图编号列出各组件的进出线号。3）根据组件原理电路图及选定的元件目录表，设计组件电器装配图（电器元件布置与安装图）、接线图、图中应反映出各电器元件的安装方式和接线方式。这些资料是组件装配和生产管理的依据。4）根据组件装配要求，绘制电器安装板和非标准的电器安装零件图纸。这些图纸是机械加工的技术资料。5）设计电气箱，根据组件尺寸及安装要求确定电气柜结构与外形尺寸，设置安装支架，标明安装方式，各组件的连接方式，通风散热方式及开门方式等。6）汇总总原理图、总装配图及各组件原理图等资料，列出外构件清单，标准件清单，主要材料消耗定额等。这些是生产管理和成本核算必备的技术资料。7）编写使用维护说明书。4-2如何确定生产机械电气拖动方案？答：首先根据生产机械结构和工艺要求来选用电动机的种类、数量，然后根据各运动部件的调速范围来选择调速方案。在选择电动机调速方案时，应使电动机的调速特性与负载特性相适应，以获得电动机的充分合理利用。（一）、拖动方式的选择电力拖动方式有单独拖动与集中拖动两种。电力拖动发展的趋向是电动机逐步接近工作机构，形成多电动机的拖动方式，这样，不仅能缩短机械传动链，提高传动效率，便于自动化，而且也能使总体结构得到简化。在具体选择时，应根据工艺要求及结构具体情况决定电动机的数量。（二）、调速方案的选择对于生产机械设备从生产工艺出发往往要求能够调速，不同的设备有不同的调速范围、调速精度等，为了满足一定的调速性能，应选用不同的调速方案，如采用机械变速，多速电动机变速，变频调速等方法来实现。随着交流调速技术的发展，其经济技术指标不断提高，采用各种形式的变频调速技术，将是机械设备调速的主流。（三）、电动机调速性质应与负载特性相适应机械设备的各个工作机构，具有各自不同的负载特性，如机床的主运动为恒功率负载，而进给运动为恒转矩负载。在选择电动机调速方案时，要使电动机的调速性质与生产机械的负载特性相适应，以使电动机获得充分合理的使用。如双速笼型异步电动机，当定子绕组由三角形联接改成双星形联接时，转速增加一倍，功率却增加很少，适用于恒功率传动；对于低速为星形联接的双速电动机改成双星形联接后，转速和功率都增加一倍，而电动机输出的转矩保持不变，适用于恒转矩传动。4-3电气控制原理图设计方法有几种？常用什么方法？电气控制原理图的要求有哪些？答：电气控制原理图的设计方法有分析设计法和逻辑设计法两种。分别介绍如下：（一）分析设计法分析设计法是根据生产工艺的要求选择适当的基本控制环节或将比较成熟的电路按各部分的联锁条件组合起来，并经补充和修改，将其综合成满足控制要求的完整电路，当没有现成典型环节可运用时，可根据控制要求边分析边设计。由于这种设计方法是以熟练掌握各种电气控制电路的基本环节和具备一定的阅读分析电气控制电路的经验为基础，故又称经验设计法。（二）、逻辑设计法逻辑设计法是利用逻辑代数这一数学工具来进行电路设计。它是从工艺资料（工作循环图、液压系统图等）出发，将控制电路中的接触器、继电器线圈的通电与断电，触头的闭合与断开，以及主令元件的接通与断开等看成逻辑变量，并根据控制要求，将这些逻辑变量关系表示为逻辑函数关系式，再运用逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数式进行化简，然后按化简后的逻辑函数式画出相应的电路结构图，最后再作进一步的检查和完善，以期获得最佳设计方案，使设计出的控制电路既符合工艺要求，又达到线路简单、工作可靠、经济合理的要求。常用方法为分析设计方法。电气控制原理图设计应满足以下要求：1）电气控制电路满足生产工艺要求。2）尽量减少控制电路中电流、电压的种类，控制电压选择标准电压等级。3）确保电气控制电路工作的可靠性和安全性。4）应具有必要的保护。5）应简洁方便电路设计要考虑操作、使用、调试与维修的方便，力求简单经济。第五章可编程序控制器及其工作原理5-3PLC控制与继电器控制比较，有何相同之处？有何不同之处？答：PLC控制与继电器控制的比较见下表：比较项目继电接触器控制PLC控制控制功能的实现由继电器和接触器采用接各种控制功能是通过编制线方式来完成控制功能的程序来实现的对生产工艺过程变更的适适应性差，需重新设计，适应性强，只需对程序进应性控制速度改变电器元件及接线低，靠机械动作实现行修改极快，靠微处理器进行处理计数及其他特殊功能安装、施工可靠性一般没有连线多，施工繁琐差，触点多，故障多有安装容易，施工方便高，元件经过筛选和老化等可靠性措施寿命短长可扩展性维护困难工作量大，故障点不易查具有自诊断能力，维护工容易5-7PLC的工作方式是什么？何为PLC的扫描周期？答：PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式，每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。5-8简述PLC的工作过程。答：PLC的工作过程为“输入采样”、“程序执行”、“输出刷新”三个阶段。1）输入采样阶段：PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序执行阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。2）程序执行阶段：根据PLC梯形图程序扫描原则，PLC按先左后右、先上后下的步序逐点扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”上一阶段采入的对应输入端子的状态，从输入映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。然后进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映