电气控制系统设计试题

电气控制系统设计

[填空题]

1试设计两台笼型电动机M1和M2的顺序启动、停止的控制电路。具体要求如下：（1）M1、M2能顺序启动，并能同时或分别停止。（2）M1启动后M2启动，M1可点动，M2可单独停止。（3）M1先启动，经10s后M2自行启动。（4）M1启动后M2才能启动，停止时，M2停止后M1才能停止。

参考答案：1、主回路及控制电路原理图

图中：

QF为低压断路器，起开关，以及短路、过载或欠电压保护功能。

KM1为M1电机接触器

KM2为M2电机接触器。

FR1、FR2为热继电器，起电机过载保护。

FU1、FU2为保险丝，起短路保护作用。

SB1为总停止按钮，按下后M1、M2同时停止。

SB2：M1启动按钮

SB3：M1停止按钮

SB4：M1点动按钮

SB5：M2启动按钮

SB6：M2停止按钮

KT1：通电延时继电器

2、工作原理分析

（1）启动

合上QF断路器，按下SB2电机M1启动，此时，若再按下SB5，电机M2启动。

要想启动M2电机，必须先启动M1电机。

M1电机启动后，KT1通电延时继电器线圈得电，经10s延时，KT1延时闭合常开触点闭合，M2电机自动启动。

（2）停止

若停止M2电机，可按下SB6按钮，KM2线圈失电，M2接触器主触点断开，常开触点断开，为停止M1电机做准备。

若停止M1电机，必须先按下SB6停止M2电机，KM2常开触点断开，此时按下SB3，可停止M1电动机。

[填空题]

2设计工作台前进－退回控制路。工作台由电动机M驱动，行程开关SQ1、SQ2分别装在工作台的原位和终点。要求：（1）实现工作台的往复运动（2）有终端保护

参考答案：1、电路图原理图

工作台电路原理图如图3-5所示。

图中：

QF://低压断路器

FU1、FU2保险丝

KM1：电机正转接触器（前进）

KM2：电机正转接触器（后退）

SQ1、SQ2、SQ3、SQ4：行程开关，其中SQ1、SQ2起点和终点。SQ3、SQ4起终端保护作用。

将这两个位置开关SQ1、SQ3的常闭触头分别串接在正转控制电路中，将另两个位置开关SQ2、SQ4的常闭触头分别串接在反转控制电路中，将SQ2常开与按钮SB2的常开触头及接触器KM1的常开自锁触头并联接在正转电路中，将SQ1常开与按钮SB3的常开触头及接触器KM2的常开自锁触头并联接在反转电路中。当位置开关动作后，常闭触头先分断，工作台停止运动；常开触头后闭合，工作台反向运动。

2、工作原理

该线路的工作原理简述如下：

[填空题]

3说明机床电气原理图分析的基本方法？

参考答案：对生产设备电气控制系统进行分析时，首先需要对设备整体有所了解，在此基础上，才能有效地针对设备的控制要求，分析电气控制系统的组成与功能。

设备整体分析包括如下三个方面：

（1）机械设备概况调查。通过阅读生产机械设备的有关技术资料，了解设备的基本结构及工作原理、设备的传动系统类型及驱动方式、主要技术性能和规格、运动要求等。

（2）电气控制系统及电气元件的状况分析。明确电动机的用途、型号规格以及控制要求，了解各种电器的工作原理、控制作用及功能。

（3）机械系统与电气控制系统的关系分析。明确机械系统与电气系统之间的联接关系，即信息采集传递和运动输出的形式和方法。

[填空题]

4分析机床电气原理图电气控制系统的步骤？

参考答案：（1）设备运动分析。

分析生产工艺要求的各种运动及其实现方法，对有液压驱动的设备要进行液压系统工作状态分析。

（2）主电路分析。

确定动力电路中用电设备的数目、接线状况及控制要求，控制执行件的设置及动作要求，包括交流接触器主触点的位置，各组主触点分、合的动作要求，限流电阻的接入和短接等。

（3）辅助电路分析。

分析各种控制功能实现的方法及其电路工作原理和特点。经过“化整为零”，分析每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须“集零为整”，统观整个电路的保护环节以及电气原理图中其他辅助电路（如检测、信号指示、照明等电路）。检查整个控制线路，看是否有遗漏，特别要从整体角度，进一步检查和理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元件所起的作用。

[填空题]

5试述车床主轴正反转控制与铣床主轴正反转控制有何不同？

参考答案：（1）车床主轴正反转控制

车床主轴的正反转是通过主电动机的正反转来实现的，即通过控制正转接触器KM1、反转接触器KM2实现。主电动机M1的额定功率为30kW，但只是车削加工时消耗功率较大，而启动时负载很小，因此启动电流并不很大，在非频繁点动的情况下，仍可采用全压直接起动。

（2）铣床主轴正反转控制

由于大多数情况下一批或多批工件只用一种铣削方式，并不需要经常改变电动机转向，即铣床是以顺铣方式加工还是逆铣方式加工，开始工作前已选定，在加工过程中是不改变的，因此可用电源相序转换开关实现主轴电动机的正反转控制，简化了电路。对于卧式万能升降台铣床，其主电动机M1的正反转通过组合开关手动切换，交流接触器KM1的主触点只控制电源的接入与切除。

[填空题]

6试述C650车床主电动机的制动过程。

参考答案：图4-1为主电动机反接制动的局部控制电路。

C650车床停车时采用反接制动方式，用速度继电器BS进行检测和控制，下面以正转状态下的反接制动为例说明电路的工作过程。

当主电动机M1正转运行时，由速度继电器工作原理可知，此时BS的动合触点BS-2闭合。当按下总停止按钮SB1后，原来通电的KM1、KM3、KT和KA线圈全部断电，它们的所有触点均被释放而复位。当松开SB1后，由于主电动机的惯性转速仍很大，BS-2的动合触点继续保持闭合状态，使反转接触器KM2线圈立即通电，其电流通路是：SB1→BTE1→KA动断触点→BS-2→KM1动断触点→KM2线圈。这样主电动机M1开始反接制动，反向电磁转矩将平衡正向惯性转动转矩，电动机正向转速很快降下来。当转速接近于零时，BS-2动合触点复位断开，从而切断了KM2线圈通路，至此正向反接制动结束。反转时的反接制动过程与上述过程类似，只是在此过程中起作用的为速度继电器的BS-1动合触点。

反接制动过程中由于KM3线圈未得电，因此限流电阻R被接入主电动机主电路，以限制反接制动电流。

通过对主电动机控制电路的分析，我们看到中间继电器KA在电路中起着扩展接触器KM3触点的作用。

[填空题]

7在C650车床电气控制线路中，可以用KM3的辅助触点替代KA的触点吗？为什么？

参考答案：在C650车床电气控制线路中，可以用KM3的辅助触点替代KA的触点。

通过对主电动机控制电路的分析，我们看到中间继电器KA在电路中起着扩展接触器KM3触点的作用。只要KM3的辅助触点数量满足要求，可以代替KA的触点。

[填空题]

8请简述X62W万能铣床电气控制线路中主轴变速时瞬时点动控制的工作原理？

参考答案：

主轴变速时瞬时点动控制过程如下：

实现瞬时点动是由复位手柄与行程开关SQ7共同控制的。当变速手柄复位时，在推进的过程中会压动瞬时点动行程开关SQ7，使其动断触点先断开，切断KM1线圈电路的自锁；SQ7的动合触点闭合，使接触器KM1线圈得电，主轴电动机M1转动。变速手柄复位后，行程开关SQ7被释放，因此电动机M1断电。此时并未采取制动措施，电动机M1产生一个冲动齿轮系统的力，使齿轮系统微动，保证了齿轮的顺利啮合。

在变速操作时要注意，手柄复位要求迅速、连续，一次不到位应立即拉出，以免行程开关SQ7没能及时松开，使电动机转速上升，在齿轮未啮合好的情况下打坏齿轮。一次瞬时点动不能实现齿轮良好的啮合时，应立即拉出复位手柄，重新进行复位瞬时点动的操作，直至完全复位，齿轮正常啮合工作。

[填空题]

9X62W万能铣床电气控制线路中设置主轴及进给瞬时点动控制环节的作用是什么？

参考答案：铣床主轴的变速由机械系统完成，在变速过程中，当选定啮合的齿轮没能进入正常啮合时，要求电动机能点动至合适的位置，保证齿轮正常啮合。

与主轴变速类似，水平工作台变速同样由机械系统完成。为了使变速时齿轮易于啮合，进给电动机M3控制电路中也设置了点动控制环节。

[填空题]

10X62W万能铣床是如何实现水平工作台各方向进给联锁控制的？

参考答案：X62W万能铣床是如何实现水平工作台的操作手柄如图4-3所示。

工作台控制电路图如图4-4所示。

水平工作台横向和垂直进给运动的选择和联锁通过十字复合手柄和行程开关SQ3、SQ4联合控制，该十字复合手柄有上、下、前、后四个工作位置和一个中间不工作位置。当操作手柄向下或向前扳动时，通过联动机构将控制垂直或横向运动方向的机械离合器合上，即可接通该运动方向的机械传动链。同时压动行程开关SQ3，使SQ3动合触点SQ3－1闭合，动断触点SQ3－2断开，于是接通进给电动机M3正转接触器KM2线圈电路，其主触点闭合，M3正转，驱动工作台向下或向前移动进给。KM2线圈通电的电流通路仍从KM1辅助动合触点开始，电流经SA1－3→SQ2－2→SQ1－2→SA1－1→SQ3－1→KM3辅助动断触点到KM2线圈。上述电流通路中的动断触点SQ2－2和SQ1－2用于工作台前后及上下移动同左右移动之间的联锁控制。

当十字复合操作手柄向上或向后扳动时，将压动行程开关SQ4，使得控制进给电动机M3反转的接触器KM3线圈得电，M3反转，驱动工作台向上或向后移动进给。其联锁控制原理与向下或向前移动控制类似。

十字复合操作手柄扳在中间位置时，横向或垂直方向的机械离合器脱开，行程开关SQ3与SQ4均不受压，因此进给电动机停转，工作台停止移动。在床身上同样也设置了上、下和前、后限位保护用的终端撞块，当工作台移动到极限位置时，挡块撞击十字手柄，使其回到中间置，切断电路，使工作台在进给终点停车。

在同一时间内，工作台只允许向一个方向移动，为防止机床运动干涉造成设备事故，各运动方向之间必须进行联锁。而操作手柄在工作时，只存在一种运动选择，因此铣床进给运动之间的联锁由两操作手柄之间的联锁来实现。

联锁控制电路由两条电路并联组成，纵向操作手柄控制的行程开关SQ1、SQ2的动断触点串联在一条支路上，十字复合操作手柄控制的行程开关SQ3、SQ4的动断触点串联在另一条支路上。进行某一方向的进给运动时，需扳动一个操作手柄，这样只能切断其中一条支路，另一条支路仍能正常通电，使接触器KM2或KM3的线圈得电。若进给运动时由于误操作扳动另一个操作手柄，则两条支路均被切断，接触器KM2或KM3立即断电，使工作台停止移动，从而对设备进行了保护。

[填空题]

11组合机床常用在什么场合？通常由哪些部件组成？其控制线路有什么特点？

参考答案：1、组合机床的应用场合

组合机床是根据给定工件的加工工艺而设计制造的一种高效率自动化专用加工设备。可实现多刀（多轴）、多面、多工位同时进行钻、扩、铰、镗、铣等加工，并具有自动循环功能，在成批或大量生产中得到广泛的应用。

2、组合机床的组成部件

组合机床由具有一定功能的通用部件（如动力部件、支撑部件、输送部件、控制部件等）和加工专用部件（如夹具、多轴箱等）组成，其中动力部件是组合机床通用部件中最主要的一类部件。动力部件常采用电动机驱动或液压系统驱动，由电气控制系统实现自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动化加工设备。

3、组合机床控制线路的特点

各标准通用动力部件的控制电路是独立完整的，当一台组合机床由多个动力部件组合构成时，该机床的控制电路即由各动力部件各自的控制电路通过一定的联接电路组合而成。对于此类由多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：

（1）动力部件的点动及复位控制。

（2）动力部件的单机自动循环控制（也称半自动循环控制）。

（3）整机全自动工作循环控制。

[填空题]

12说明凸轮控制器控制的起重电动机转向控制与调速控制过程。

参考答案：主钩升降机构由主令控制器与PQR10控制盘组成的磁力控制器控制，其控制路线如图4-5所示。

主钩升降电动机的机械特性如图4-6所示。

主钩升降主令控制器SA1触点状态表如表4-1所示。

1、电动机起动前的准备

当电源隔离开关QS2、QS3合上后，将主令控制器SA1手柄置于“0”位，此时SA1-1接通，零电压继电器BV线圈得电并自锁，控制电路便处于准备工作状态。当SA1控制手柄处于工作位置时，虽然SA1-1断开，但不影响BV的吸合状态。但当电源断电后，却必须使控制手柄回到零位后才能再次起动。这就是零压和零位保护作用。

2、提升时电路工作情况

当主令控制器SA1手柄扳到“上升1”挡时，SA1-3、SA1-4、SA1-6、SA1-7触点闭合，使得接触器KM1、KM3、KM4线圈得电。电动机接通正转电源，制动电磁铁通电，松开制动闸YB1、YB2，同时切除转子串接的第一段电阻R1，电动机M1正向启动，运行在图4-6所示的特性曲线1上。此时对应的电磁转矩较小，一般吊不起重物，只作张紧钢丝绳和消除齿轮间隙的预备起动级。

当SA1手柄扳到“上升2”挡时，除上述“1”挡已闭合的部分外，SA1-8闭合，接触器KM5线圈通电，触点吸合，转子电路短接电阻R2，此时电动机M1加速，运行在图4-6特性曲线2上。

当SA1手柄扳到“上升3”挡时，除上述两挡已闭合的部分外，SA1-9闭合，接触器KM6线圈通电，触点吸合，转子电路切除电阻R3，此时电动机运行在图4-6特性曲线3上。

当SA1手柄依次扳到“上升4”、“上升5”、“上升6”挡时，除上述3挡已闭合的部分外，SA1-10、SA1-11、SA1-12相继闭合，依次使接触器KM7、KM8、KM9线圈通电，触点吸合，对应的转子电路逐渐短接电阻R4、R5、R6，使电动机的工作点从第3条特性向第4、第5条并最终向第6条特性过渡，提升速度逐渐增加。

此过程可获得五种提升速度。在“上升6”挡时，电动机转子各相电路中仅保留一段为软化特性而固定接入的电阻R7，这时电动机可获得最大转速。

3、下降时电路工作情况

由图4-5可知，主钩下降也分为6挡，根据重物重量和控制要求，可使电动机工作在不同状态。

（1）当主令控制器SA1手柄置于“下降C”挡时，SA1-1断开，BV通过自锁电路保持吸合。同时SA1-3触点接通电源，SA1-6触点闭合使接触器KM1线圈得电，于是电动机按正转提升方向产生转矩。由于SA1-4断开，接触器KM3线圈不得电，因此电磁抱闸抱住制动轮，电动机只能向提升方向产生转矩而不能运转。此时吊钩上重物力矩与电磁抱闸制动力矩及提升转矩相平衡，使重物能安全停留在空中。

这一挡是为下降做准备，防止所吊重物突然快速运动，使机械受到损伤。该挡实际上是齿轮等传动件啮合的准备挡，由于受制动器的限制，操作时停留时间不应过长。

“下降C”挡的另一个作用是在下放重物时，手柄由下降挡的任何一位置扳回零位时，都要经过此挡，这时既有电动机的倒拉反接制动，又有电磁抱闸的机械制动，在两者共同作用下，可以防止重物的溜钩，以实现准确停车。

在“下降C”挡，SA1-7、SA1-8触点也闭合，使接触器KM4、KM5通电吸合，此时电动机转子电路电阻短接情况与“上升2”挡时相同，因此机械特性应为“上升2”机械特性向第四象限的延伸，如图4-6中的7段。

（2）当SA1手柄扳至“下降1”挡时，SA1-3触点仍接通电源。SA1-4触点闭合，接触器KM3线圈通电，触点吸合，此时电磁抱闸松开，电动机可以自由运转。SA1-6触点闭合使接触器KM1通电，电动机的电源接法和上升时相同。SA1-7触点闭合使接触器KM4线圈通电，电动机转子电路中电阻R1被短接，转子电阻串入情况与“上升1”挡时相同。由于转子串入电阻比“下降C”挡时增加了，因此电动机电磁转矩减小。如果重物的重力转矩大于电动机的电磁转矩，将使电动机处于倒拉反接制动状态，此时电动机运行在图4-6“上升1”机械特性向第四象限延伸的曲线8上，从而获得较为低速的下放。若重力转矩小于电

动机的电磁转矩，则重物不但不下降反而被提起，电动机则运行到图4-6“上升1”特性上。

这时必须迅速将控制器手柄推到下一挡。

（3）当SA1手柄扳至“下降2”挡时，SA1-3、SA1-4、SA1-6触点继续闭合，SA1-7触点断开，使得转子外接电阻全部接入，电动机电磁转矩进一步减小。若此时重力转矩大于电磁转矩，则获得低速下降，电动机在图4-6特性曲线9上运行。若重物过轻或空钩，重力转矩小于电磁转矩，电动机将运行在图4-6特性曲线9向第一象限的延伸段上，这样重物不但不下降反而被提起。这时应立即将手柄推到“下降3”挡。

（4）当SA1手柄置于“下降3”挡时，SA1-6触点断开，接触器KM1线圈断电，触点释放。同时SA1-5触点闭合，使接触器KM2线圈通电，触点吸合。SA1-3触点断开，SA1-2触点闭合，电动机则由下降“C”、“1”、“2”挡时上升方向的运转变为下降方向的运转。触点SA1-7、SA1-8的闭合，使接触器KM4、KM5线圈通电，触点吸合，转子电阻R1、R2被短接，转子电路电阻接入情况与“上升2”挡时相同。由于电动机工作在反转下降电动状态，故电动机运行在图4.5.6第三象限特性曲线10上。控制器手柄在此位置是强迫下放，所以下放速度与重力负载有关。若重物较轻，电动机处于反转电动状态；若重物较重，则下降速度将超过电动机同步转速，而进入再生发电制动状态，电动机运行在图4-6特性曲线10向第四象限延伸的曲线上，成为高速下放，且重物越重下放速度越快。此时应立即将手柄推向“下降4”挡。

（5）当SA1手柄依次置于“下降4”、“下降5”挡时，除上述已闭合的触点外，SA1-9、SA1-10、SA1-11、SA1-12触点也相继闭合，使得接触器KM6、KM7、KM8、KM9线圈通电，触点吸合，转子电路电阻R3、R4、R5、R6分别被短接切除。此时电动机转子电路中只剩一段电阻R7，电动机则分别运行在图4-6特性曲线11、12上。若重物较轻或空钩，电

动机处于反转电动状态，可分别获得两种低速下降；若为重载，电动机运行在再生发电制动状态，以高于电动机同步转速下降，但下降速度比手柄置于前挡时小多了。

由上述分析可知：主令控制器SA1置于下降前三挡（C、1、2）时，电动机相序接法与上升时相同，其中C挡实现重物安全停留空中或作平移运动；当重载下降时，主令控制器SA1手柄应置于下降“1”、“2”挡，其中下“2”挡下降速度比下“1”挡速度高；当负载较重，若SA1手柄置于下降“3”、“4”、“5”挡时，可获得超过电动机同步转速的高速下降，且下“3”挡速度最快，下“4”挡次之，下“5”挡最小。下“3”、下“4”两挡下降速度太快，很不安全，因而只能选在下“5”挡工作；若是轻载或空钩下降，SA1手柄应置于后三挡，即下降“3”、“4”、“5”挡，其中下“5”挡下降速度最高，下“3”挡下降速度最低。

[填空题]

13CNC装置各部分有何作用？其工作过程是什么？

参考答案：（1）CNC装置的硬件结构

图4-7为CNC装置硬件的基本组成框图，主要包括一般微型计算机的基本硬件结构，如微处理器（CPU）、总线、存储器、I／O接口等；以及完成数控机床特有功能所需的功能模块和接口单元，如手动数据输入（MDI）接口、PLC接口等。

（2）CNC装置的软件

CNC装置在上述硬件的基础上，还必须配合相应的系统软件来指挥和协调硬件的工作，二者缺一不可。

数控装置的软件是实现部分或全部数控功能的专用系统软件，图4-8是数控系统软件组成框图，主要由管理软件和控制软件两部分组成。其中管理软件主要为某个系统建立一个软件环境，协调各软件模块之间的关系，并处理一些实时性不太强的软件功能，如数控加工程序的输入／输出及其管理、人机对话显示及诊断等；控制软件的作用是根据用户编制的加工程序，控制机床运行，主要完成系统中一些实时性要求较高的关键控制功能，如译码、刀具补偿、插补运算、位置控制等。

2、CNC装置的工作过程

在进行零件加工时，CNC装置首先接收数字化的零件图样和工艺要求等信息，再进行译码和预处理，然后按照一定的数学模型进行插补运算，用运算结果实时地对机床的各运动坐标进行速度和位置控制。

CNC装置的工作是在硬件环境的支持下执行软件控制功能的全过程，对于一个通用数控系统来讲，一般要完成以下工作：

（1）零件程序的输入。

数控机床自动加工零件时，首先将反映零件加工轨迹、尺寸、工艺参数及辅助功能等各种信息的零件程序、控制参数和补偿量等指令和数据输入数控系统。在输入过程中CNC装置还需完成代码校检、代码转换和无效码删除等工作。

（2）译码处理。

输入到CNC装置内部的信息接下来由译码程序进行译码处理。它是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的零件轮廓信息（如起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度信息（F代码）以及辅助功能信息（M、S、T代码等），按照一定的语法规则翻译成计算机能够识别的数据，存放在指定的内存专用区间。CNC装置在译码过程中，还要对程序段的语法进行检查，若发现语法错误，立即报警。

（3）数据处理。

数据处理即进行预计算，就是将经过译码处理后存放在指定存储空间的数据进行处理。主要包括刀具补偿（刀具长度补偿、刀具半径补偿）、进给速度处理、反向间隙补偿、丝杠螺距补偿、机床辅助功能处理等等。

（4）插补运算。

插补是数控系统中最重要的计算工作之一，是在已知起点、终点、曲线类型和走向的运动轨迹上实现“数据点密化”，即计算出运动轨迹所要经过的中间点坐标。

插补计算结果传送到伺服驱动系统，以控制机床坐标轴做相应的移动，使刀具按指定的路线加工出所需要的零件。

（5）位置控制。

位置控制的主要作用是在每个采样周期内，将插补计算的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机，进而控制机床工作台或刀具的位移。在位置控制中，通常还应完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高数控机床的定位精度。

（6）I／O处理。

I/O处理主要是对CNC装置与机床之间来往信息进行输入、输出和控制的处理。它可实现辅助功能控制信号的传递与转换，如实现主轴变速、换刀、冷却液的开停等强电控制，也可接受机床上的行程开关、按钮等各种输入信号，经接口电路变换电平后送到CPU处理。

（7）显示。

CNC装置的显示主要是为操作者了解机床的状态提供方便，通常有零件加工程序显示、各种参数显示、刀具位置显示、动态加工轨迹显示、机床状态显示、报警显示等。

（8）诊断。

CNC装置利用内部自诊断程序对机床各部件的运行状态进行故障诊断，并对故障加以提示。诊断不仅可防止故障的发生或扩大，而一旦出现故障，又可帮用户迅速查明故障的类型与部位，减少故障停机时间。

[填空题]

14CNC装置有哪些部分组成？

参考答案：计算机数控（CNC）系统是数控机床的核心部分，其主要任务是控制机床的运动，完成各种零件的自动加工。计算机数控（CNC）系统由硬件和软件组成，是一种采用存储程序的专用计算机，计算机通过运行存储器内的程序，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工，实现对机床的数字控制功能。

[填空题]

15简述组合机床控制线路的特点是什么？

参考答案：各标准通用动力部件的控制电路是独立完整的，当一台组合机床由多个动力部件组合构成时，该机床的控制电路即由各动力部件各自的控制电路通过一定的联接电路组合而成。对于此类由多动力部件构成的组合机床，其控制通常有三方面的工作要求：

（1）动力部件的点动及复位控制。

（2）动力部件的单机自动循环控制（也称半自动循环控制）。

（3）整机全自动工作循环控制。

[填空题]

16闭环伺服系统有哪几部分组成？试述其工作原理。

参考答案：1、闭环伺服系统的组成

闭环伺服系统如图4-8所示。主包含驱动电路、执行元件（伺服电机）、传动机构、检测元件及反馈电路等部分。

2、工作原理

闭环伺服系统是在机床工作台（或刀架）上安装一个位置检测装置，该装置可检测出机床工作台（或刀架）实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与CNC装置发出的指令位移信号进行比较，求得偏差。伺服放大器将差值放大后用来控制伺服电动机，使系统向着减小偏差的方向运行，直到偏差为零，系统停止工作。因此闭环伺服系统是一个误差控制随动系统。

[填空题]

17数控机床的开环、半闭环、闭环伺服系统有何特点？分别适用于什么场合？

参考答案：1、开环伺服系统

开环伺服系统结构简单，易于控制，但精度较低，低速时不稳定，高速时扭矩小，一般用于中、低档数控机床或普通机床的数控改造上。

2、闭环伺服系统

闭环伺服系统的反馈信号取自机床工作台（或刀架）的实际位置，所以系统传动链的误差、环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，使得跟随精度和定位精度大大提高。但由于受机械变形、温度变化、振动等因素的影响，系统的稳定性难以调整，且机床运行一段时间后，在机械传动部件的磨损、变形等因素的影响下，系统的稳定性易改变，使精度发生变化。因此只有在那些传动部件精密度高、性能稳定，使用过程温差变化不大的大型、精密数控机床上才使用闭环伺服系统。

3、半闭环伺服系统

半闭环和闭环系统的控制结构是一致的，不同点在于闭环系统环内包括较多的机械传动部件，传动误差均可被补偿，理论上精度可以达到很高。而半闭环伺服系统由于坐标运动的传动链有一都分在位置闭环以外，因此环外的传动误差得不到系统的补偿，这种伺服系统的精度低于闭环系统。但半闭环系统比闭环系统结构简单，造价低且安装、调试方便，故这种系统被广泛用于中小型数控机床上。

[填空题]

18生产设备的电气控制系统设计包括哪些内容，遵循哪些原则？

参考答案：1、继电器－接触器控制系统设计的内容

继电器－接触器控制系统设计的内容可以分为电气原理图设计和工艺设计两大部分。

（1）电气原理图设计的主要内容

电气原理图设计是继电器－接触器控制系统设计的核心，是工艺设计和制定其他技术资料的依据。主要包括以下设计内容：

①制定电气设计技术条件，即任务书；

②选择电气传动方案与控制方式；

③确定或核对电动机的类型及技术参数；

④绘制电气控制系统原理图，确定各部分之间的关系，计算主要技术参数；

⑤选择电气元件，制定元器件目录清单；

⑥编写电气控制系统设计说明书。

（2）工艺设计的主要内容

工艺设计的主要目的是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的功能和各项技术指标，为设备的制造、调试、维护和使用提供必要的图纸资料。主要包括以下

设计内容：

①根据电气原理图及选定的电器元件，设计、绘制电气控制系统的总装配图及接线图；

②按照电气原理图或划分的组件进行统一编号，编写各部分元件目录表，并根据总图编号统计出各组件的进出线号；

③根据组件电气原理及选定的元件目录表，设计组件装配图（元件安装方式）、接线图，以便组件装配和生产管理；

④根据组件装配要求，绘制电气安装板和非标准的电器安装零件图，标明技术要求，以便制造、加工；

⑤根据组件尺寸及安装要求，确定电气控制柜结构与外形尺寸、安装支架、安装尺寸、面板安装方式、各组件的连接方式、通风散热以及维修操作位置、方式等；

⑥汇总电气控制系统原理图、总装配图及各组件原理图等资料，列出需购买的元器件清单；

⑦编制调试、实验、使用、维护技术说明书。

2、继电器－接触器控制系统设计的原则

由于继电器－接触器控制系统是整个生产设备的一部分，所以在设计前要收集相关资料，进行必要的调查研究。

应遵循的基本原则是：

①最大限度地满足生产需求，实现生产机械和加工工艺对电气控制系统的要求。

②在满足控制要求前提下，电气控制电路应力求安全、可靠、经济、实用、使用维护方便，不要盲目追求自动化和高指标。尽量选用标准的、常用的或经过实际考验的电路和环节。

③正确、合理地选用电气元件，确保控制系统安全可靠地工作。

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。

⑤谨慎积极地采用新技术、新工艺。

⑥设计中贯彻最新的国家标准。电路图中的图形符号及文字符号一律按国家标准绘制。

[填空题]

19电气控制系统的设计方法有哪些，各有什么特点？

参考答案：电气控制系统原理图的设计方法有2种，即经验设计法（又称—般设计法）和逻辑设计法。

1、经验设计法

经验设计法是根据生产机械的工艺要求和加工过程，利用各种典型的基本控制环节，加以修改、补充、完善，最后得出最佳方案。若没有典型的控制环节可以采用，则按照生产机械的工艺要求逐步进行设计。

经验设计法的设计过程比较简单，但必须熟悉大量的基本控制电路，掌握多种典型电路的设计资料，同时具有丰富的实践经验。

采用经验设计法由于是靠经验进行设计，灵活性很大，设计出来的电路可能不是最简洁的，所用的电器及触点不一定最少，所得出的方案也不一定是最佳方案。

2、逻辑设计法

逻辑设计法即逻辑分析设计方法，是根据生产工艺要求，利用逻辑代数来分析、化简、设计控制电路的方法，这种设计方法能够确定实现一个开关量逻辑功能的自动控制电路所必须的、最少的中间继电器的数目，以达到使控制电路最简洁的目的。

总的来说，逻辑设计法较为科学，设计的自动控制电路比较简洁、合理，但是当自动控制电路比较复杂时，设计工作量比较大，过程繁琐，容易出错，因此用于简单的自动控制系统设计。

[填空题]

20试设计游泳池自动进水控制电路，要求池内水位低于最低水位时能自动进水，池内的水位高于最高水位时能自动停止进水。

参考答案：控制电路原理图如图5-2所示，图中：

M1：水泵电机

QF1：低压断路器

FU1、FU2保险丝

FR1：热继电器

KM1：水泵电机接触器

SQ1：浮球开关，最高水位检测，高于最高水位，SQ1断开

SQ2：浮球开关，最低水位检测，低于最低水位，SQ2闭合

SB1：停止按钮

SB2：起动按钮

工作原理：

按下启动按钮SB2，若水池水位低于最高水位，SQ1常闭触点闭合，KM1接触器线圈得电，水泵电机M1启动，直到水位高于最高水位，SQ1常闭触点断开，KM1接触器线圈失电，泵电机M1停止。

当水位低于最低水位时，SQ2常开触点闭合，KM1接触器线圈得电，水泵电机M1启动，直到水位高于最高水位。

[填空题]

21PLC主要由哪几部分组成，各有什么作用？

参考答案：P.LC的硬件结构与计算机相似，主要由CPU模块、存储器模块、专门设计的输入输出接口、电源模块、编程器、通信接口等组成。内部采用总线结构进行数据和指令的传输。

1、中央处理单元（CPU模块）

C.PU是PLC的核心部件，用来实现逻辑运算、算术运算并对整机进行协调控制。主要功能有：在编程时接受并存储从编程器输入或从计算送来的用户程序和数据。进入运行状态后，CPU以扫描方式接收用户现场输入装置的状态和数据并存入输入状态表和数据寄存器中；再从存储器逐条读取用户程序，经命令解释后，根据运算结果更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再根据输出状态表的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、数据通讯等功能。在每个工作循环中要对PLC进行自我诊断，若无故障继续进行工作，否则保持现场状态，关闭全部输出通道后停止运行，等待处理，避免故障扩散造成大的事故。

2、存储器模块

P.LC中的存储器有2种，即只读存储器ROM、PROM、EPROM或EEPROM和可读/写存储器RAM。PLC生产厂家编写的系统程序（主要包括自诊断程序和监控程序）固化在只读存储器中，用户不能更改。用户程序存放在随机存储器RAM中。用户程序是使用者根据PLC应用系统的控制要求编写的符合PLC语法规则的一组控制程序。

3、输入单元

P.LC的输入单元包括输入部件和输入接口电路。输入部件用于检测生产过程中的各种开关量、数字量或模拟量等，如限位开关、操作按钮以及其他传感器的输出信号。输入接口电路用于现场输入信号与CPU之间的连接和信号转换。—般是通过光电隔离和滤波把PLC和外部电路隔开，以提高PLC的抗干扰能力。输入信号包括数字量和模拟量2种类型。

4、输出单元

P.LC的输出单元包括输出部件和输出接口电路。输出部件用于控制或驱动负载，如继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、信号指示灯等。输出接口电路用于CPU与现场输出部件之间的连接和信号转换。输出信号包括开关量和模拟量2种，故输出接口电路也分为开关量和模拟量2种。

5、电源模块

PLC的电源是将交流电源经整流、滤波、稳压后变换成供CPU、存储器等工作所需的直流电压。

6、编程器

编程器是PLC的一个附件，通过接口与PLC的CPU联系，完成人机对话。用于向PLC的用户存储器写入或读出用户程序，也可以对用户程序进行修改或编辑。PLC运行时，可通过编程器测试、监控PLC的输入输出接点及其他内部资源的状态。编程器通常由PLC的生产厂家提供，不同厂家的编程器一般不兼容。编程器分简易型、智能型和计算机3类。

7、通信接口

通信接口电路是专门用于数据通信的一种智能模板。为了实现“人--机”或“机--机”之间的对话，PLC配有多种通信接口电路，可以与监视器、打印机、其他的PLC或上位计算机相连接。通信接口一般分为通用接口和专用接口2种。

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[填空题]

22请细说明PLC的扫描工作原理。在扫描工作过程中，输入映像寄存器和输出映像寄存器各起什么作用？

参考答案：1、PLC的扫描工作原理

在运行状态下，PLC的工作流程主要包括内部处理、通信处理、输入采样、程序执行、输出刷新5个阶段，其扫描过程如图6-1所示。

（1）内部处理阶段。内部处理包括PLC自检、对警戒时钟WDT（WatchDogTimer）清零等。CPU检测PLC各器件的状态，如出现异常再进行诊断，并给出故障信号，或自行处理，这样有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。

（2）通信处理阶段。在CPU对PLC自检、对警戒时钟WDT清零结束后，PLC检查是否有与编程器、智能模块或上位机等的通信请求，如果没有，则自动进入下一循环周期。

（3）输入采样阶段。在此阶段，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，而不论输入端子上是否接线。CPU将顺序读取的全部输入信号写入到输入映像寄存器中。只有在采样刷新时刻，输入映像寄存器中的内容才与输入信号一致，其他时间范围内无论输入接点状态作如何变化，输入映像寄存器的内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段，才读入输入接点的新状态。

（4）程序执行阶段。在执行阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描，扫描顺序总是从上到下，从左至右。并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器及其他寄存器中获得所需的数据并进行处理，再将程序执行结果写入有关的元件寄存器中保存。

（5）输出刷新阶段。当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中所有输出映像继电器的状态同时送到输出锁存器中，再通过信号隔离电路驱动功率放大电路，由输出端子向外部输出控制信号，驱动负载。输出刷新阶段也是集中批处理过程。

2、输入映像寄存器和输出映像继电器的作用

在输入采样阶段，CPU将顺序读取的全部输入信号写入到输入映像寄存器中。在程序图6-1PLC的扫描过程执行阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器及其他寄存器中获得所需的数据并进行处理，再将程序执行结果写入有关的元件寄存器中保存。在输出刷新阶段，当CPU对全部用户程序扫描结束后，将元件映像寄存器中所有输出映像继电器的状态同时送到输出锁存器中，再通过信号隔离电路驱动功率放大电路，由输出端子向外部输出控制信号，驱动负载。

[填空题]

23在特殊功能模块中经常要用到PLC的功能指令FROM和TO指令，解释这两条指令的含义？

参考答案：1、FROM和TO指令格式

读/写特殊功能模块指令格式如图6-2。

2、读特殊功能模块指令FROM（FNC78）

读特殊功能模块指令FROM的目标操作数为KnY，KnM，KnS，T，C，D，V和Z。

图6-2中的X003为ON时，将编号为[m1]（0～7）的特殊功能模块内编号为[m2]（0～32767）开始的n个缓冲寄存器的数据读入PLC，并存入[D]开始的n个数据寄存器中。

接在FX系列PLC基本单元右边扩展总线上的功能模块，从最靠基本单元的那个开始，其编号依次为0～7。n是待传送数据的字数，n＝1～32（16位操作）或l～16（32位操作）。

3、写特殊功能模块指令TO（FNC79）

写特殊功能模块指令TO的源操作数可取所有的数据类型，[m1]、[m2]、[n]取值范围与读特殊功能模块指令相同。

图6-2中的X000为ON时，将PLC基本单元中从[S]指定的元件开始的n个字的数据写到编号为[m1]的特殊功能模块中编号[m2]开始的n个缓冲寄存器中。

M.8028为ON时，在FROM和TO指令执行过程中，禁止中断；在此期间发生的中断在FROM和TO指令执行完后执行。M8028为OFF时，在FROM和TO指令执行过程中则允许中断。

[填空题]

24FX2N－4AD和FX2N－4DA各自的识别码为多少？

参考答案：FX2N－4AD的识别码是：K2010

FX2N－4DA的识别码是：K3020

[填空题]

25试比较PLC控制系统与继电器－接触器控制系统的特点？

参考答案：PLC在长期应用中不断得到完善，已形成以下显著特点。

（1）可靠性高，抗干扰能力强。

在恶劣工作环境中能够保持高可靠性是PLC主要的特点，因为在软件和硬件两方面都进行了完善的可靠性设计。软件方面除了采用数字滤波技术和数字校验等技术外，还设置了自检和故障诊断程序。硬件方面采用电磁屏蔽、光电隔离、硬件滤波和接地等技术，选用优质器件，简化安装，对印刷电路板的设计、加工和焊接工艺严格要求。对模板和机箱进行完善的电磁兼容性设计等

（2）功能强大，扩展灵活方便。

PLC不仅具有基本的逻辑运算、定时、计数和顺序控制功能，还有网络通信、故障诊断与自检、数值处理、A/D转换和D/A转换等能力。由于采用模块化设计，可以方便的扩展多种特殊功能模块，如触摸屏、高速计数、位置控制、运动控制等，可根据不同的需求方便地进行组合，构成满足各种控制要求的自动化系统。

（3）编程简单，修改方便。

PLC大多采用梯形图进行编程，因梯形图符号及其含义与传统的电器控制线路相似，形象直观，易学易懂。

（4）体积小，质量小，功耗低。

[填空题]

26什么是功能指令？功能指令共有几大类？

参考答案：F.X系列PLC除了基本指令和步进指令外，还有许多功能指令。功能指令实际上就是许多功能不同的子程序。

F.X系列的功能指令可分为程序控制、传送与比较、算术与逻辑运算、移位与循环、数据处理、高速处理、方便指令、外部输入输出处理、FX系列外部设备指令等几类。

[填空题]

27有一台电动机，要求当按下启动按钮时，电动机运转10s，停止5s，重复执行6次操作，电动机自动停机。试画出梯形图，并写出指令表。

参考答案：1、软元件定义

2、梯形图

3、指令表

[填空题]

28用PLC实现两台三相异步电动机的控制。控制要求为，两台电动机互不影响地独立操作；能同时控制两台电动机的启动与停止；当一台过载时，两台电动机均停机。试画出主电路和PLC外部接线图，并用经验设计法设计出梯形图程序。

参考答案：1、电气原理图

两台三相异步电动机正反转的主回路原理图如图6-5所示。

PLC控制电路原理图如图6-6所示。

2、梯形图

3、指令表

[填空题]

29PLC的X000～X004接有输入信号，Y000接有输出信号，当X000～X003中任何两个输入端同时有信号时Y000都有输出，X004有信号时Y000封锁输出。根据上述要求用经验设计法设计控制程序。

参考答案：控制程序的梯形图如下:

[填空题]

30试设计一个PLC控制系统，要求第一台电动机启动10s后，第二台电动机自行启动，运行5s后，第一台电动机停止并同时使第二台电动机自行启动，再运行15s后，电动机全部停止。设计梯形图并写出指令表。

参考答案：1、梯形图

2、指令表

[填空题]

31试设计一梯形图程序，计算数据寄存器D10和D20中储存数据的差的绝对值？

参考答案：数据寄存器D30中存放D10和D20中储存数据的差的绝对值。

梯形图程序如下：

[填空题]

32变频调速的基本原理是什么？

参考答案：电机转速的公式：n=n11（1-s）中：n1为电机的同步速n1=120f/p

从以上公式看，调节转速的最佳方法是调节供电电源的频率。调节供电电源频率的装置就称为变频器。用变频器调速的优势是控制简单，稳定性好，效率高。

变频器的英文标识为VSD，VFD，Converter，Inverter，SpeedDrive等

实际也称为VVVF://即VariableVoltageVariableFrequency，原因是在改变电源频率的同时，必须保证供电电压同时改变。

[填空题]

33基频以下调速与基频以上调速有什么不同？

参考答案：在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量Φm为额定值不变。定子每相电动势：

由上式可知，只要控制好Es和f1，便可达到控制磁通Φm的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

1、基频以下的变频调速控制方式

由上式可知，要保持Φm不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Es：Es/f1常值，即采用恒电动势频率比的控制方式。

如果是V/F控制，基频以下是恒转矩控制，电压V和频率f是成正比关系

2、基频以上的变频调速控制方式

基频以上的变频调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us=UsN，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机若磁升速的情况。

事实上，电压不变，升高频率的调速方式是近似恒功率调速方式。

[填空题]

34矢量控制的基本思想是什么？

参考答案：矢量控制也称磁场定向控制，矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。

但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，给许多应用场合带来不便。后来又提出了无速度传感器矢量控制。

矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型分别控制电机的转矩电流和励磁电流，具有与直流电动机相类似的控制性能。

[填空题]

35变频器的主电路由哪几部分组成？各部分都有什么作用？

参考答案：变频器的结构原理图如图7-1所示。

1、进线端子

变频器的进线电源可以是三相380-500V，或三相200－240V，也可以是单相200－240V；也可以是690V。电源电压在690V以下称为低压变频器，1000V以上称为中压或高压变频器。进线电源的相序不影响电机的转向。

2、EMC滤波器

把电网中及变频器等干扰源产生的电磁干扰加以抑制，从而达到EMC（电磁兼容）。

3、整流桥

大多数变频器采取三相全波整流，整流器件为功率二极管。三相全波整流获得的直流输出电压为进线电压有效值的1.35倍，例如电网电压为400V，则这时直流母线电压为540V左右。但随着负载的波动，直流母线电压也会波动。

4、预充电回路

上电瞬间，整流桥输出端将产生峰值1.414U的电压，对储能电容快速充电。为了保护储能电容，需要在直流母线中串联一个电阻。在变频器上电时，整流桥通过该电阻向整流桥充电，充电结束后，用接触器将该电阻旁路掉。该电阻称为预充电电阻，该接触器称为预充电接触器或预充电继电器。

5、储能电容

变频器运行过程中需要相对稳定的直流母线电压，用储能电容保证。该电容的形式为电解电容，对于中大功率变频器，需要将多个电容并联。当变频器处于过载的过程中，瞬间会把直流母线电压拉低；处于发电（制动）过程中，瞬间会升高直流母线电压，若太高变频器则停止输出。有些应用中，为了提高变频器的动态能力，或者在断电瞬间保持变频器斜坡停车，需要外加蓄电池或电容，需要考虑回路其它部件的承受能力。

6、制动电阻及其保护

7、制动晶体管

制动电阻及其保护、制动晶体管组成制动单元，接在直流母线上。

当直流母线电压超过某规定电压时，制动晶体管导通，直流母线电容和电机向制动电阻释放能量，使直流母线电压降低，降低到另一规定电压后，制动晶体管截止。所以制动电阻的作用是能耗制动。

图中Tfr为制动晶体管，PA-PB连接制动电阻。

8、逆变桥

逆变桥是变频器的核心部分，其作用是将直流电压通过6个桥臂可控硅的反复轮流通断形成所需要的幅值和频率变化的三相交流输出电压。逆变桥的桥臂的可控硅的类型主要是IGBT—绝缘珊双极型晶体管。

9、电流互感器

检测变频器电流，起显示及保护作用。

10、出线端子

[填空题]

36三菱FR－A540系列变频器有哪几种操作模式，各操作模式有什么不同？

参考答案：1、面板（PU）操作模式

变频器的操作可以直接在变频器面板（PU）上进行，也可以将操作面板摘下来，通过专用标准接口（RS－232或RS－485）用电缆连接进行不同距离的操作。

2、外部操作模式

外部操作模式通常在出厂时已经设定。也可通过功能与参数设定Pr79＝2来实现。这种模式用外接启动开关和频率设定电位器来控制变频器的运行。

3、组合操作模式

外部操作模式与控制面板（PU）组合操作时，可按下列两种方法中的任意一种操作来控制变频器。

（1）启动信号用外部信号设定。启动信号用外部信号设定，采用按钮、继电器、PLC指令等控制STF和STR。频率信号由PU操作设定。这种模式的功能与参数设定通过Pr79＝3来实现。

（2）启动信号用控制面板（PU）设定。启动信号用控制面板（PU）设定，采用外部频率设定电位器设定频率。这种模式的功能与参数设定通过Pr79＝4来实现。

4、计算机通信模式

通过RS－232或RS－485接口电路和通信电缆可将变频器的PU接口与PLC、数字化仪表和计算机（称为上位机）相连接，实现数字化控制。当上位机的通信接口为RS－232接口时，应加接一个RS－232与RS－485的转换器。计算机通信模式可通过功能与参数设定Pr79＝6来实现

[填空题]

37变频器所带负载的主要类型有哪些？

参考答案：在电力拖动中，存在两个主要转矩：一个是生产机械的负载转矩TL；一个是电动机的电磁转矩Te，这两个转矩与转速之间的关系称为负载的机械特性n=f（TL）和电动机的机械特性n=f（Te），电力拖动系统的稳态工作情况取决于电动机和负载的机械特性，因此选择变频器的类型，合理地配置一个电力拖动系统，必须要了解负载的机械特性。

负载可以分为三大类：

1、恒转矩负载

在整个运行的速度范围内，需要相同大小的负载；当转速变化时，负载转矩保持不变；

所需功率与转速成正比；通常转速限制在基本频率以内。恒转矩负载及其特性如图7-2所示。例如：带式输送机、提升机、钻床、挤出机等

2、变转矩负载（风机水泵类负载）

变转矩负载，也称为风机水泵类负载，或二次方律负载。负载转矩是转速的函数，在低速下需要较小的转矩，而在高速下需要较大的转矩。变转矩负载及其特性如图7-3所示。

额定转速以下：

（1）设备产生的流量与泵或风机的转速成正比

（2）设备产生的压力与泵或风机转速的平方成正比

（3）设备消耗的功率与泵或风机转速的立方成正比

只有两类典型的负载：离心泵和离心风机。

对于变转矩的离心风机和泵，所需功率与流量成正比是节能的原理所在。当所需的流量为额定流量的一半时，意味着所需要的功率仅仅为额定功率的八分之一。成年累月地积累下来，形成巨大的节能潜力。

3、恒功率负载

通常恒功率段是指在电机的基本频率之上；对于一个恒功率负载，实际上负载转矩是负载物理尺寸的函数；在转速较低时需要的转矩较高，在转速较高时，需要的转矩较低。负载转矩与转速成反比，其乘积，亦即功率为恒定值，称为恒功率负载。

恒功率负载及其特性如图7-3所示。

例如：磨床、高速车床、绕线筒等

变频器的选用应根据不同的负载类型，以及其它功能和性能的要求，选择对应系列的变频器。

[填空题]

38变频器的安装环境应该满足什么条件？

参考答案：为保证变频器可靠工作，必须注意环境温度、湿度和冷却通风等对变频器的影响。

（1）环境温度和湿度

变频器一般适宜在－10～40℃环境中工作，对于单元型变频器装入控制柜内使用时，考虑到柜内10℃的预测温升，则上限温度定为50℃，环境温度的下限是－10℃，以不冻结为前提。在环境温度高于40℃时，每升高1℃，变频器应降额5％使用。变频器安装环境的相对湿度不允许越过90％，要注意防止水或水蒸气的直接侵入，以免引起漏电、打火、击穿。

周围环境湿度越高，电气绝缘程度越低，金属部分越容易腐蚀。因此，要尽量安装在相对湿度适宜的场合。

（2）安装现场的要求

一是无腐蚀、无易燃和易爆气体、液体。

二是无灰尘、无漂浮性的纤维及金属微型颗粒。

三是安装场所的基础和墙壁应坚固无损伤、无震动。四是避免阳光直射。五是无强电磁干扰。

（3）变频器的安装空间与通风

变频器具有很好的外壳，一般情况下可以直接靠墙安装，称为壁挂式安装。因为变频器在运行过程中会发热，所以变频器内部都装有冷却风扇进行强制冷却。为了使冷却循环效果良好，通常要求将变频器垂直安装。其四周与相邻物体间必须留有足够的空间。上下留空大于150mm，左右留空大于100mm。多台变频器安装在同一装置或控制柜里时，为减少相互散热影响，应尽量横向并列安装。必须上下安装时，为了使下面的变频器散发的热量不至影响上面的变频器，应设置横隔板。在控制柜顶部安装有排风机的，排风量必须大于各变频器排风量的总和。

[填空题]

39变频器安装时周围的空间最少应为多少？为什么？

参考答案：变频器的四周与相邻物体间必须留有足够的空间。上下留空大于150mm，左右留空大于100mm。

因为变频器在运行过程中会发热，所以变频器内部都装有冷却风扇进行强制冷却。为了使冷却循环效果良好，通常要求将变频器垂直安装。其多台变频器安装在同一装置或控制柜里时，为减少相互散热影响，应尽量横向并列安装。必须上下安装时，为了使下面的变频器散发的热量不至影响上面的变频器，应设置横隔板。在控制柜顶部安装有排风机的，排风量必须大于各变频器排风量的总和。

[填空题]

40变频调速系统主回路电缆与控制回路电缆在安装时有什么要求？

参考答案：（1）主回路电缆

为使电压下降在2%以内，应用适当型号的电线接线。变频器和电机间的接线距离较长时，特别是低频率输出情况下，会由于主电路电缆的电压下降而导致电机的转矩下降。布线距离最长为500m。对于长距离布线，由于布线寄生电容所产生的冲击电流会引起过电流保护可能误动作，输出侧连接的设备可能运行异常或发生故障。因此，最大布线距离长度必须按变频器的规定进行。当变频器连接两台以上电机，总布线距离必需在要求范围以内。

（2）控制回路接线的注意事项。

一是控制回路与主回路的接线及其它动力线、电力线应分开走线，并保持一定距离。二是变频器控制回路中的继电器触点端子引线，与其它控制回路端子的连线要分开走线，以免触点闭合或断开时产生干扰信号。三是为了防止噪声等信号引起的干扰，使变频器产生误动作，控制回路应该采用屏蔽线或双绞线。

[填空题]

41试画出某机床主电动机控制电路图。要求：①可正反转； ②可点动、两处起停；③可反接制动；④有短路和过载保护；⑤有安全工作照明及电源信号灯。

参考答案：1、主回路及控制电路原理图

图3-2所示为交流异步电动机可逆运行反接制动主回路，图3-3为其控制回路。图中：

QF1为低压断路器，起开关，以及短路、过载或欠电压保护功能。

KM1、KM2为正、反转接触器，KM3为短接电阻接触器，R为启动与制动电阻。

FR为热继电器，起过载保护。

FU1、FU2、FU3为保险丝，起短路保护作用。

KA1~KA3为中间继电器

KS为速度继电器，其中，KS1为正转闭合触点，KS2为反转闭合触点

SB1为就地停止，SB11为远程停止。

SB2为就地正转，SB13为远程正转，SB12为点动正转。

SB3为就地反转，SB15为远程反转，SB14为点动反转。

TC为控制变压器，HL为电源指示灯，EL为照明指示灯。

2、控制线路工作原理分析

（1）正向就地启动

（4）远程反接制动 

远程反接制动过程与该过程一样，只需要相应的按下远程反接制动按钮SB11。 

（5）电动机反向启动和停车反接制动过程 

电动机反向启动和停车反接制动过程与正向启动和停车反接制动过程相同，请读者自己分析。

[填空题]

42试叙述“自锁”、“互锁”的含义？

参考答案：1、自锁

在通常的电路中，按下开关，电路通电；松开开关，电路又断开了。一旦按下开关，就能够自动保持持续通电，直到按下其它开关使之断路为止；这样的电路，称为自锁电路。

2、互锁

互锁实际上是一种连锁关系，两个不同的节点各自串联在对应在电路中互相制约。

[填空题]

43三相笼型异步电动机启动方式有哪两种？各有什么特点？分别适用于什么场合？

参考答案：电动机启动是指电动机的转子由静止状态变为正常运转状态的过程。笼型异步电动机有两种启动方式：

（1）直接启动（或全压启动）

（2）降压启动。

直接启动是一种简单、可靠、经济的启动方法，在小型（容量一般在10kW以下）电动机中广泛使用。电动机直接起动时，起动电流为额定电流的4~7倍，过大的启动电流一方面将会造成电网电压显著下降，影响在同一电路上的其他用电设备的正常运行，另一方面电动机频繁启动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命。

因而对容量较大的电动机，采用降压启动，以减小启动电流。

[填空题]

44试说出交流接触器与中间继电器的相同及不同之处？

参考答案：接触器是一种根据外来输入信号利用电磁铁操作，频繁地接通或断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器，主要用于控制电动机、电焊机、电热设备、电容器组等。接触器主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。

中间继电器：用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。它用于在控制电路中传递中间信号。

（1）相同点

中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，都是通过控制线圈来控制触点的断开和闭合，它们都有常开、常闭点。

（2）不同点

接触器的主触头可以通过大电流，交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。

中间继电器没有主触点，触头只能通过小电流。所以，辅助触头数量比较多，中间继电器它只能用于控制电路中。另外，中间继电器一般是直流电源供电，少数使用交流供电。

[填空题]

45一台长期工作的三相交流异步电动机的额定功率13KW，额定电压380V，额定电流25.5A，按电动机需要选择接触器和热继电器的型号、规格分别是什么？

参考答案：交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，控制鼠笼型异步电动机的运转可选用三类交流接触器。

根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。

（1）接触器的线圈电压：AC220V

（2）主触点的额定电压：AC380V

（3）主触点的额定电流：25.5A

（4）对于长时工作制和重任务型电机，接触器额定电流大于电动机的额定电流。接触器可选择CJ20-40，可控制的三相鼠笼型电动机的最大功率33KW，额定发热电流55A。主触点和辅助触点的数量应能满足控制系统的需要。

热继电器的保护对象是电动机，故选用时应了解电动机的技术性能、启动情况、负载性质以及电动机允许过载能力等。

长期稳定工作的电动机，可按电动机的额定电流选用热继电器。取热继电器整定电流的0.95～1.05倍或中间值等于电动机额定电流。使用时要将热继电器的整定电流调至电动机的额定电流值。

热继电器可选择JR16-60，额定电压AC 380V，额定电流20A，热元件最小规格14～22A，最大规格10～63，档数4档。

[填空题]

46画出下列电器元件的图形符号，并标出其文字符号，请填入表格中。（1）熔断器（2）热继电器（3）按钮（4）时间继电器（5）中间继电器（6）过电流继电器（7）限位开关（8）速度继电器（9）断路器（10）接触器

参考答案：

[填空题]

47低压断路器在电路中可以起到哪些保护作用？

参考答案：低压断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁通断的控制。在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。

[填空题]

48比较熔断器与热继电器作用的不同？两者可以相互替代吗？

参考答案：熔断器和热继电器的作用各不相同，两者不可以替换。

（1）熔断器用于过载、短路保护。

在电动机为负载的电路中，熔断器是一种广泛应用的最简单有效的短路保护电器，它串联在电路中，当通过的电流大于规定值时，使熔体熔化而自动分断电路，要求它作用的时间短，以保护负载。

（2）热继电器主要用于过载保护。

热继电器是一种利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的过载保护电器，在电动机为负载的电路中，热继电