机电传动控制 凌永成 第3版 习题及答案

机电传动控制（第3版）习题解答第1章思考与实训1．选择题1）c2）a2．问答题1）简述机电传动系统稳定运行的充分和必要条件。机电传动系统稳定运行的充分必要条件可表述为：①电动机的机械特性曲线和生产机械的机械特性曲线有交点；②。2）机电传动系统的机电时间常数的物理意义何在？机电传动系统的机电时间常数是反映机电传动系统机械惯性的物理量，是系统转速达到稳态值的63.2%所经历的时间。在式中，——机电时间常数（s）；——理想空载转速（r/min）；——系统的起动转矩（N·m）；——系统的飞轮转矩（N·m2）。对于既定的机电传动系统而言，其和值为常数。机电时间常数直接影响机电传动系统过渡过程的快慢。大，则过渡过程进行的缓慢，过渡过程历时时间长；反之，小，则过渡过程进行的快捷，过渡过程历时时间短。所以，是机电传动系统中一个非常重要的动态参数。3）加快机电传动系统过渡过程的方法有哪些？由机电传动系统的机电时间常数的定义可知，欲加快机电传动系统过渡过程，就要想方设法使机电时间常数减小。换言之，要想有效地缩短机电传动系统的过渡过程，应设法降低值和提高动态转矩值。3．实操题（略）第2章思考与实训1．选择题1）d2）c3）b4）a2．问答题1）绘制三相异步电动机的固有机械特性曲线，并对其进行理性分析。异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式进行接线，并且在定子电路和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。（1）固有机械特性曲线的特殊工作点在固有机械特性曲线（图2-29）上，有A、B、C、D四个具有典型意义的特殊工作点。图2-29三相异步电动机的固有机械特性曲线1）理想空载工作点A。当电动机工作在A点时，电动机的输出转矩，转子转速，转差率。注意，由于A点事实上并不存在，因此，在固有机械特性曲线上，A点附近为虚线，而非实线。2）额定工作点B。当异步电动机工作在额定工作点B时，，，。三相异步电动机驱动额定负载时，转子轴上输出的转矩，称为电动机的额定转矩，用表示。3）临界工作点C。当电动机工作在C点时，，，。从机械特性曲线中可以看出，曲线的形状以C点为界，ABC段与CD段的变化趋势是完全不同的，C点就是一个临界点（亦称拐点），并且C点对应的电磁转矩即为电机的最大转矩，C点对应的转速为临界转速，C点对应的转差率为临界转差率。4）起动工作点D。当电动机工作在D点时，，，。电动机输出起动转矩，处于起动状态。因此，D点称为电动机的起动工作点。电动机在起动状态（转子轴转速，转差率）下，转子轴上输出的转矩，称为起动转矩，用表示。（2）稳定工作区在设计机电传动系统时，应确保电动机工作在ABC段。否则，机电传动系统将无法稳定工作。为了留有一定的安全裕度，在工程实践中，一般都会躲开临界工作点，而将电动机的工作区域选在图3-30中画短竖线的区域（以不越过B点左侧为宜），以确保机电传动系统能够稳定、可靠地工作。图2-30稳定工作区与非稳定工作区2）绘制三相异步电动机的人为机械特性曲线，并对其进行理性分析。由式2-5可知，异步电动机的机械特性既与电动机本身的结构参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关。将式2-5中的某些参数人为地加以改变而获得的机械特性，称为电动机的人为机械特性。(1)电源电压的变化对机械特性的影响电源电压的变化对机械特性的影响如图2-31所示。图2-31电源电压的变化对机械特性的影响电源电压的变化对理想空载转速和临界转差率没有影响，但对最大转矩和起动转矩均有显著影响。最大转矩和起动转矩与电源电压的平方成正比，当电源电压降低时，最大转矩和起动转矩会急剧减小，使电动机的人为机械特性急剧向左移动（收缩）。由此可见，电源电压的变化对电动机的机械特性影响极大。由于异步电动机的人为机械特性对电网电压的波动极为敏感，在工作过程中，若电网电压降低过多，将使电动机的过载能力和起动转矩大大降低，甚至会出现电动机带不动负载或电动机根本无法起动的现象。(2)转子电阻的变化对机械特性的影响转子电阻的变化对机械特性的影响如图2-32所示。图2-32转子电阻的变化对机械特性的影响由式2-8可知，转子电阻的变化，对异步电动机的理想空载转速和最大转矩没有影响，但对临界转差率和起动转矩均有影响。随着转子电阻的增大，电动机的起动转矩逐渐增大，并最终增大到最大值——电动机的最大转矩。在驱动同样的负载转矩时，随着转子电阻的增大，电动机的转速将逐渐下降，临界转差率也随之增大。由图2-32不难看出，随着转子电阻的增大，电动机的人为机械特性越来越软。3）何谓高效率电动机？提高电动机效率的技术措施主要有哪些？高效率电动机出现于20世纪70年代第一次能源危机时期。与一般电动机相比，高效率电动机的损耗下降约20%左右。由于能源供应的持续紧张，近年来又出现了所谓超高效率电动机，其损耗又比高效率电动机下降15%～20%。提高电动机效率的技术措施主要有：1）“以冷代热”，即以冷轧电工硅钢板制造定子、转子铁心冲片，取代热轧电工硅钢板，以降低铁耗。2）定子绕组采用低谐波绕组，以降低铜耗和杂散损耗。3）采用先进合理的通风结构，以降低机械损耗。4）采用先进的工艺措施，以降低电动机的杂散损耗。3．实操题（略）第3章思考与实训1．选择题1）d2）a2．问答题1）简述低压断路器的作用与工作原理。低压断路器主要由检测电路、脱扣机构和主触点构成。当检测电路检测到主电路出现短路、过载、欠电压、过电压等故障时，脱扣机构会依据设计理念瞬时或延时脱扣、分断主触点，对电路实施保护。装有远程分断机构的低压断路器，还具有远程遥控分断功能。2）微型低压断路器的过电流脱扣特性分为哪几种，其适用范畴如何？常用的微型低压断路器的过电流脱扣特性分为B、C、D、K、Z型等多种。其中，具有B型脱扣特性的微型断路器适用于为阻性负载或无冲击电流的负载提供保护；具有C型脱扣特性的微型断路器适用于为阻性负载和较低冲击电流的感性负载提供保护（在民用建筑物中应用量最大）；具有D型脱扣特性的微型断路器适用于对线路接通时有较高冲击电流的负载进行保护；具有K型脱扣特性（K型脱扣特性是ABB公司的专利技术）的微型断路器适用于为电动机系统或变压器系统提供保护；具有Z型脱扣特性的微型断路器适用于敏感型负载的保护。3）简述热继电器的工作原理。热继电器主要由热元件（检测电路）、杠杆机构和触点系统构成。当热元件检测到主电路出现过载情况，且热元件（具有不同线膨胀系数的双金属片）的变形达到一定程度时，就推动杠杆机构动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，从而实现对电动机的过载保护。同时，还可以通过信号电路发出主电路过载的报警信号。4）简述具有断相保护功能的热继电器的工作原理。在普通热继电器的基础上，增加一套能够检测三相电流变化，并可加快常闭触点断开的差动机构，便可构成具有断相保护功能的热继电器。差动式断相保护装置主要由内导板、外导板及杠杆组成，它们之间都用铰链（转轴）连接。当发生电动机定子绕组断相故障时，由于三个热元件（具有不同线膨胀系数的双金属片）的温度变化趋势不同，变形方向也不同，三者施加到内外导板上的作用力也不同，从而形成力偶矩，促使热继电器加速动作，能够及时为电动机提供断电保护。5）简述选用热继电器的基本原则。选用热继电器的基本原则是：确保热继电器的保护特性（亦称安—秒特性）曲线位于电动机的过载特性曲线的下方（图3-52），并使两者尽可能地接近，甚至重合，以充分发挥电动机的过载能力，同时使电动机在短时过载和起动（起动电流可达额定电流的5～7倍）时，热继电器不致产生误动作。一般情况下，常按电动机的额定电流选取，使热继电器的整定值为0.95～1.05（为电动机的额定工作电流）。使用时，热继电器的调节旋钮应调到该额定值，否则将不能起到保护作用。图3-52电动机的过载特性和热继电器的保护特性及其匹配1—电动机的过载特性；2—热继电器的保护特性6）简述直流电磁铁的特点。直流电磁铁一般使用DC110V、DC36V、DC24V直流电源。直流电磁铁体积小，工作可靠，允许切换频率一般为120次/min，换向冲击小，使用寿命较长。直流电磁铁励磁电流的大小仅取决于励磁线圈两端的电压及励磁线圈本身的电阻，而与衔铁的位置无关。直流电磁铁不怕被卡在起动位置，不易烧坏。直流电磁铁的电磁吸力在衔铁起动时最小，而在吸合时最大。因此，电磁吸力与衔铁的位置有关，在起动时吸力较小，吸合后电磁铁容易因励磁电流过大而发热。起动时间长，冲击小，属于温柔、慢热型。7）简述交流电磁铁的特点。交流电磁铁的工作电压一般为AC220V，电路配置简单。交流电磁铁可靠性较差，切换频率一般不超过30次/min，寿命较短。交流电磁铁励磁电流的大小与衔铁的位置有关，当衔铁处于起动位置时，励磁电流最大；当衔铁吸合后，电流就降到额定值不变。因此，一旦机械装置被卡住而衔铁无法被吸合时，励磁电流将大大超过额定电流，容易使线圈烧毁。交流电磁铁怕被卡在起动位置，容易烧坏。交流电磁铁的电磁吸力与衔铁的位置无关，衔铁处于起始位置与处于吸合位置时吸力基本相同。因此，交流电磁铁具有较大的初始吸力，起动时间短，冲击大，属于冲动、热情型。3．实操题（略）第4章思考与实训1．选择题1）d2）d2．问答题1）电气控制系统中常用的保护环节有哪些？电气控制系统中常用的保护环节有短路保护、过载保护、过电流保护、零电压保护、欠电压保护和弱磁保护等。2）在电动机的主电路中既然装有熔断器，为什么还要安装热继电器？两者的保护作用有何区别？熔断器是低压配电网络和机电传动系统中主要用作短路保护的电器。当电路发生短路故障时，熔体能迅速熔断分断电路，起到保护线路和电气设备的作用。热继电器（亦称热过载继电器）是利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的自动保护电器，多用作三相异步电动机的过载保护、断相（缺相）保护和电流不平衡保护，以防止电动机因上述故障导致过热而损坏。短路故障的特点是瞬时电流数值大，但存在的时间短；过载故障的特点是实际电流大于额定电流、远小于短路电流，但持续存在的时间长。短路故障和过载故障的特点不同，因此，所采取的保护措施也不同。3）在电动机正、反转控制电路中，正、反转接触器为什么要进行互锁控制？互锁控制的方法有哪几种？为避免引起电源短路事故，在电动机正、反转控制电路中，正、反转接触器必须进行互锁控制。在机电传动控制电路中，彼此之间互相压制、互相制约的控制关系称为互锁（亦称联锁）关系，能够实现互锁关系的触点称为互锁触点。通过设置互锁触点来构建互锁关系，以确保在控制逻辑上彼此对立的电路能够正常工作，而不致出现故障隐患，这一设计思想，在机电传动控制系统中的应用极为普遍。在实际的工程应用上，还可以采用具有机械互锁装置的可逆式接触器，通过机械互锁机构确保两个接触器的电磁线圈不可能同时得电，以进一步提高控制电路的可靠性。此外，还可以通过复合按钮来实现正、反转接触器的互锁控制。4）三相笼型异步电动机减压起动的方法有哪几种？其各自的适用范畴如何？三相笼型异步电动机常用的减压起动方法有：定子串电阻（或电抗器）减压起动、星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动、自耦变压器减压起动、延边三角形减压起动、软起动器减压起动和变频器减压起动等。随着机电控制技术的进步，定子串电阻减压起动（能耗过大）、自耦变压器减压起动（设备成本高）、延边三角形减压起动（电动机结构复杂）等减压起动方法已经被逐步淘汰。目前，应用较多的只有星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动、软起动器减压起动和变频器减压起动等几种方式。星形—三角形（Y/Δ）转换减压起动只适合电动机的空载或轻载起动，对于重载起动，则有可能造成电动机“闷车”，需审慎处理。软起动器减压起动适合于风机、泵类负载的减压起动，设备成本较低，亦能获得较好的节能效果，但总体控制精度不高。变频器减压起动适用于所有应用场合的使用，控制精度高，但设备成本较高。5）三相笼型异步电动机的制动方法有哪几种？其各自的适用范畴如何？三相笼型异步电动机常用的制动方法有机械制动和电气制动两大类。机械制动可分为通电制动型电磁抱闸制动器和断电制动型电磁抱闸制动器两种。通电制动型电磁抱闸制动器在机床等需要经常调整加工件位置的设备上应用广泛，而断电制动型电磁抱闸制动器在电梯，吊车、起重机、卷扬机等设备中应用广泛。电气制动又可分为反接制动、能耗制动、发电回馈制动等几种。其中，反接制动和能耗制动在工业生产领域应用非常广泛，而发电回馈制动多用于电动汽车的驱动用电动机。反接制动合于电动机容量较小（10kW以下）和不频繁起动、制动的场合。能耗制动适用于电动机容量较大，起动、制动频繁的场合，或者要求制动平稳，要求精准停车的场合。6）三相笼型异步电动机的变速方法有哪几种？其各自的适用范畴如何？三相笼型异步电动机可通过以下三种方法进行调速，即改变转差率的变转差率调速、改变极对数的变极调速和改变电动机电源频率的变频调速。变转差率调速方法的调速范围较小，局限性大，应用较少。变极调速方法是通过改变电动机定子绕组的磁极对数进行调速。变极调速属于有级调速，调速平滑度差，一般多用于金属切削机床，如铣床、镗床、磨床等。变频调速方法是利用变频器，改变施加在电动机上的电源频率进行调速。变频调速的调速范围大，调速的稳定性、平滑性均属优良，机械特性较硬。变频调速属于无级调速，适用于绝大部分三相笼型异步电动机。3．实操题（略）第5章思考与实训1．选择题1）a，b，c2）a，b2．问答题1）PLC的特点有哪些？=1\*GB3①通用性强。=2\*GB3②接线简单。=3\*GB3③编程容易。=4\*GB3④抗干扰能力强、可靠性高。=5\*GB3⑤容量大，体积小，重量轻，功耗少，成本低，维修方便。2）在PLC编程过程中，故意设置中间软元件有哪些优点？在PLC编程过程中，若多个线圈共同受某一触点串、并联电路的控制，为了简化电路，可在梯形图程序中设置中间软元件。利用中间软元件（即该存储器的位）可以简化程序结构。同时，控制程序也会变得简洁清晰，易于分析和理解。不难看出，中间软元件类似于继电器接触器电路中的中间继电器。因此，在PLC程序中，这类中间元件亦称软继电器，简称软元件。3）在PLC控制系统的设计过程中，可采用哪些方法来节省输入/输出点？（1）减少所需输入点数的方法：①分时分组输入。②输入触点合并。③将信号设置在PLC之外。（2）减少所需输出点数的方法：在PLC的输出功率允许的条件下，通/断状态完全相同的多个负载并联后，可以共用一个输出点，通过外部的或PLC控制的转换开关切换，一个输出点可以控制两个或多个不同时工作的负载。与外部元件的触点配合，可以用一个输出点控制两个或多个有不同要求的负载。如用一个输出点控制指示灯常亮或闪烁，可以显示两种不同的信息。系统中某些相对独立或比较简单的部分则可以不用PLC，直接用继电器电路来控制