機(jī)電傳動控制 凌永成 第3版 習(xí)題及答案

機(jī)電傳動控制（第3版）習(xí)題解答第1章思考與實訓(xùn)1．選擇題1）c2）a2．問答題1）簡述機(jī)電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分和必要條件。機(jī)電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件可表述為：①電動機(jī)的機(jī)械特性曲線和生產(chǎn)機(jī)械的機(jī)械特性曲線有交點；②。2）機(jī)電傳動系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)的物理意義何在？機(jī)電傳動系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)是反映機(jī)電傳動系統(tǒng)機(jī)械慣性的物理量，是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)歷的時間。在式中，——機(jī)電時間常數(shù)（s）；——理想空載轉(zhuǎn)速（r/min）；——系統(tǒng)的起動轉(zhuǎn)矩（N·m）；——系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)矩（N·m2）。對于既定的機(jī)電傳動系統(tǒng)而言，其和值為常數(shù)。機(jī)電時間常數(shù)直接影響機(jī)電傳動系統(tǒng)過渡過程的快慢。大，則過渡過程進(jìn)行的緩慢，過渡過程歷時時間長；反之，小，則過渡過程進(jìn)行的快捷，過渡過程歷時時間短。所以，是機(jī)電傳動系統(tǒng)中一個非常重要的動態(tài)參數(shù)。3）加快機(jī)電傳動系統(tǒng)過渡過程的方法有哪些？由機(jī)電傳動系統(tǒng)的機(jī)電時間常數(shù)的定義可知，欲加快機(jī)電傳動系統(tǒng)過渡過程，就要想方設(shè)法使機(jī)電時間常數(shù)減小。換言之，要想有效地縮短機(jī)電傳動系統(tǒng)的過渡過程，應(yīng)設(shè)法降低值和提高動態(tài)轉(zhuǎn)矩值。3．實操題（略）第2章思考與實訓(xùn)1．選擇題1）d2）c3）b4）a2．問答題1）繪制三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性曲線，并對其進(jìn)行理性分析。異步電動機(jī)在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式進(jìn)行接線，并且在定子電路和轉(zhuǎn)子電路中不串聯(lián)任何電阻或電抗時的機(jī)械特性稱為固有（自然）機(jī)械特性。（1）固有機(jī)械特性曲線的特殊工作點在固有機(jī)械特性曲線（圖2-29）上，有A、B、C、D四個具有典型意義的特殊工作點。圖2-29三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性曲線1）理想空載工作點A。當(dāng)電動機(jī)工作在A點時，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率。注意，由于A點事實上并不存在，因此，在固有機(jī)械特性曲線上，A點附近為虛線，而非實線。2）額定工作點B。當(dāng)異步電動機(jī)工作在額定工作點B時，，，。三相異步電動機(jī)驅(qū)動額定負(fù)載時，轉(zhuǎn)子軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，稱為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，用表示。3）臨界工作點C。當(dāng)電動機(jī)工作在C點時，，，。從機(jī)械特性曲線中可以看出，曲線的形狀以C點為界，ABC段與CD段的變化趨勢是完全不同的，C點就是一個臨界點（亦稱拐點），并且C點對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩即為電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，C點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速，C點對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率。4）起動工作點D。當(dāng)電動機(jī)工作在D點時，，，。電動機(jī)輸出起動轉(zhuǎn)矩，處于起動狀態(tài)。因此，D點稱為電動機(jī)的起動工作點。電動機(jī)在起動狀態(tài)（轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率）下，轉(zhuǎn)子軸上輸出的轉(zhuǎn)矩，稱為起動轉(zhuǎn)矩，用表示。（2）穩(wěn)定工作區(qū)在設(shè)計機(jī)電傳動系統(tǒng)時，應(yīng)確保電動機(jī)工作在ABC段。否則，機(jī)電傳動系統(tǒng)將無法穩(wěn)定工作。為了留有一定的安全裕度，在工程實踐中，一般都會躲開臨界工作點，而將電動機(jī)的工作區(qū)域選在圖3-30中畫短豎線的區(qū)域（以不越過B點左側(cè)為宜），以確保機(jī)電傳動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作。圖2-30穩(wěn)定工作區(qū)與非穩(wěn)定工作區(qū)2）繪制三相異步電動機(jī)的人為機(jī)械特性曲線，并對其進(jìn)行理性分析。由式2-5可知，異步電動機(jī)的機(jī)械特性既與電動機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，也與外加電源電壓、電源頻率有關(guān)。將式2-5中的某些參數(shù)人為地加以改變而獲得的機(jī)械特性，稱為電動機(jī)的人為機(jī)械特性。(1)電源電壓的變化對機(jī)械特性的影響電源電壓的變化對機(jī)械特性的影響如圖2-31所示。圖2-31電源電壓的變化對機(jī)械特性的影響電源電壓的變化對理想空載轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)差率沒有影響，但對最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩均有顯著影響。最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，當(dāng)電源電壓降低時，最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩會急劇減小，使電動機(jī)的人為機(jī)械特性急劇向左移動（收縮）。由此可見，電源電壓的變化對電動機(jī)的機(jī)械特性影響極大。由于異步電動機(jī)的人為機(jī)械特性對電網(wǎng)電壓的波動極為敏感，在工作過程中，若電網(wǎng)電壓降低過多，將使電動機(jī)的過載能力和起動轉(zhuǎn)矩大大降低，甚至?xí)霈F(xiàn)電動機(jī)帶不動負(fù)載或電動機(jī)根本無法起動的現(xiàn)象。(2)轉(zhuǎn)子電阻的變化對機(jī)械特性的影響轉(zhuǎn)子電阻的變化對機(jī)械特性的影響如圖2-32所示。圖2-32轉(zhuǎn)子電阻的變化對機(jī)械特性的影響由式2-8可知，轉(zhuǎn)子電阻的變化，對異步電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩沒有影響，但對臨界轉(zhuǎn)差率和起動轉(zhuǎn)矩均有影響。隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大，電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩逐漸增大，并最終增大到最大值——電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。在驅(qū)動同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將逐漸下降，臨界轉(zhuǎn)差率也隨之增大。由圖2-32不難看出，隨著轉(zhuǎn)子電阻的增大，電動機(jī)的人為機(jī)械特性越來越軟。3）何謂高效率電動機(jī)？提高電動機(jī)效率的技術(shù)措施主要有哪些？高效率電動機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代第一次能源危機(jī)時期。與一般電動機(jī)相比，高效率電動機(jī)的損耗下降約20%左右。由于能源供應(yīng)的持續(xù)緊張，近年來又出現(xiàn)了所謂超高效率電動機(jī)，其損耗又比高效率電動機(jī)下降15%～20%。提高電動機(jī)效率的技術(shù)措施主要有：1）“以冷代熱”，即以冷軋電工硅鋼板制造定子、轉(zhuǎn)子鐵心沖片，取代熱軋電工硅鋼板，以降低鐵耗。2）定子繞組采用低諧波繞組，以降低銅耗和雜散損耗。3）采用先進(jìn)合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，以降低機(jī)械損耗。4）采用先進(jìn)的工藝措施，以降低電動機(jī)的雜散損耗。3．實操題（略）第3章思考與實訓(xùn)1．選擇題1）d2）a2．問答題1）簡述低壓斷路器的作用與工作原理。低壓斷路器主要由檢測電路、脫扣機(jī)構(gòu)和主觸點構(gòu)成。當(dāng)檢測電路檢測到主電路出現(xiàn)短路、過載、欠電壓、過電壓等故障時，脫扣機(jī)構(gòu)會依據(jù)設(shè)計理念瞬時或延時脫扣、分?jǐn)嘀饔|點，對電路實施保護(hù)。裝有遠(yuǎn)程分?jǐn)鄼C(jī)構(gòu)的低壓斷路器，還具有遠(yuǎn)程遙控分?jǐn)喙δ堋?）微型低壓斷路器的過電流脫扣特性分為哪幾種，其適用范疇如何？常用的微型低壓斷路器的過電流脫扣特性分為B、C、D、K、Z型等多種。其中，具有B型脫扣特性的微型斷路器適用于為阻性負(fù)載或無沖擊電流的負(fù)載提供保護(hù)；具有C型脫扣特性的微型斷路器適用于為阻性負(fù)載和較低沖擊電流的感性負(fù)載提供保護(hù)（在民用建筑物中應(yīng)用量最大）；具有D型脫扣特性的微型斷路器適用于對線路接通時有較高沖擊電流的負(fù)載進(jìn)行保護(hù)；具有K型脫扣特性（K型脫扣特性是ABB公司的專利技術(shù)）的微型斷路器適用于為電動機(jī)系統(tǒng)或變壓器系統(tǒng)提供保護(hù)；具有Z型脫扣特性的微型斷路器適用于敏感型負(fù)載的保護(hù)。3）簡述熱繼電器的工作原理。熱繼電器主要由熱元件（檢測電路）、杠桿機(jī)構(gòu)和觸點系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)熱元件檢測到主電路出現(xiàn)過載情況，且熱元件（具有不同線膨脹系數(shù)的雙金屬片）的變形達(dá)到一定程度時，就推動杠桿機(jī)構(gòu)動作，使控制電路斷開，從而使接觸器失電，主電路斷開，從而實現(xiàn)對電動機(jī)的過載保護(hù)。同時，還可以通過信號電路發(fā)出主電路過載的報警信號。4）簡述具有斷相保護(hù)功能的熱繼電器的工作原理。在普通熱繼電器的基礎(chǔ)上，增加一套能夠檢測三相電流變化，并可加快常閉觸點斷開的差動機(jī)構(gòu)，便可構(gòu)成具有斷相保護(hù)功能的熱繼電器。差動式斷相保護(hù)裝置主要由內(nèi)導(dǎo)板、外導(dǎo)板及杠桿組成，它們之間都用鉸鏈（轉(zhuǎn)軸）連接。當(dāng)發(fā)生電動機(jī)定子繞組斷相故障時，由于三個熱元件（具有不同線膨脹系數(shù)的雙金屬片）的溫度變化趨勢不同，變形方向也不同，三者施加到內(nèi)外導(dǎo)板上的作用力也不同，從而形成力偶矩，促使熱繼電器加速動作，能夠及時為電動機(jī)提供斷電保護(hù)。5）簡述選用熱繼電器的基本原則。選用熱繼電器的基本原則是：確保熱繼電器的保護(hù)特性（亦稱安—秒特性）曲線位于電動機(jī)的過載特性曲線的下方（圖3-52），并使兩者盡可能地接近，甚至重合，以充分發(fā)揮電動機(jī)的過載能力，同時使電動機(jī)在短時過載和起動（起動電流可達(dá)額定電流的5～7倍）時，熱繼電器不致產(chǎn)生誤動作。一般情況下，常按電動機(jī)的額定電流選取，使熱繼電器的整定值為0.95～1.05（為電動機(jī)的額定工作電流）。使用時，熱繼電器的調(diào)節(jié)旋鈕應(yīng)調(diào)到該額定值，否則將不能起到保護(hù)作用。圖3-52電動機(jī)的過載特性和熱繼電器的保護(hù)特性及其匹配1—電動機(jī)的過載特性；2—熱繼電器的保護(hù)特性6）簡述直流電磁鐵的特點。直流電磁鐵一般使用DC110V、DC36V、DC24V直流電源。直流電磁鐵體積小，工作可靠，允許切換頻率一般為120次/min，換向沖擊小，使用壽命較長。直流電磁鐵勵磁電流的大小僅取決于勵磁線圈兩端的電壓及勵磁線圈本身的電阻，而與銜鐵的位置無關(guān)。直流電磁鐵不怕被卡在起動位置，不易燒壞。直流電磁鐵的電磁吸力在銜鐵起動時最小，而在吸合時最大。因此，電磁吸力與銜鐵的位置有關(guān)，在起動時吸力較小，吸合后電磁鐵容易因勵磁電流過大而發(fā)熱。起動時間長，沖擊小，屬于溫柔、慢熱型。7）簡述交流電磁鐵的特點。交流電磁鐵的工作電壓一般為AC220V，電路配置簡單。交流電磁鐵可靠性較差，切換頻率一般不超過30次/min，壽命較短。交流電磁鐵勵磁電流的大小與銜鐵的位置有關(guān)，當(dāng)銜鐵處于起動位置時，勵磁電流最大；當(dāng)銜鐵吸合后，電流就降到額定值不變。因此，一旦機(jī)械裝置被卡住而銜鐵無法被吸合時，勵磁電流將大大超過額定電流，容易使線圈燒毀。交流電磁鐵怕被卡在起動位置，容易燒壞。交流電磁鐵的電磁吸力與銜鐵的位置無關(guān)，銜鐵處于起始位置與處于吸合位置時吸力基本相同。因此，交流電磁鐵具有較大的初始吸力，起動時間短，沖擊大，屬于沖動、熱情型。3．實操題（略）第4章思考與實訓(xùn)1．選擇題1）d2）d2．問答題1）電氣控制系統(tǒng)中常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有哪些？電氣控制系統(tǒng)中常用的保護(hù)環(huán)節(jié)有短路保護(hù)、過載保護(hù)、過電流保護(hù)、零電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)和弱磁保護(hù)等。2）在電動機(jī)的主電路中既然裝有熔斷器，為什么還要安裝熱繼電器？兩者的保護(hù)作用有何區(qū)別？熔斷器是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和機(jī)電傳動系統(tǒng)中主要用作短路保護(hù)的電器。當(dāng)電路發(fā)生短路故障時，熔體能迅速熔斷分?jǐn)嚯娐罚鸬奖Ｗo(hù)線路和電氣設(shè)備的作用。熱繼電器（亦稱熱過載繼電器）是利用流過繼電器的電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)而反時限動作的自動保護(hù)電器，多用作三相異步電動機(jī)的過載保護(hù)、斷相（缺相）保護(hù)和電流不平衡保護(hù)，以防止電動機(jī)因上述故障導(dǎo)致過熱而損壞。短路故障的特點是瞬時電流數(shù)值大，但存在的時間短；過載故障的特點是實際電流大于額定電流、遠(yuǎn)小于短路電流，但持續(xù)存在的時間長。短路故障和過載故障的特點不同，因此，所采取的保護(hù)措施也不同。3）在電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路中，正、反轉(zhuǎn)接觸器為什么要進(jìn)行互鎖控制？互鎖控制的方法有哪幾種？為避免引起電源短路事故，在電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制電路中，正、反轉(zhuǎn)接觸器必須進(jìn)行互鎖控制。在機(jī)電傳動控制電路中，彼此之間互相壓制、互相制約的控制關(guān)系稱為互鎖（亦稱聯(lián)鎖）關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)互鎖關(guān)系的觸點稱為互鎖觸點。通過設(shè)置互鎖觸點來構(gòu)建互鎖關(guān)系，以確保在控制邏輯上彼此對立的電路能夠正常工作，而不致出現(xiàn)故障隱患，這一設(shè)計思想，在機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用極為普遍。在實際的工程應(yīng)用上，還可以采用具有機(jī)械互鎖裝置的可逆式接觸器，通過機(jī)械互鎖機(jī)構(gòu)確保兩個接觸器的電磁線圈不可能同時得電，以進(jìn)一步提高控制電路的可靠性。此外，還可以通過復(fù)合按鈕來實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)接觸器的互鎖控制。4）三相籠型異步電動機(jī)減壓起動的方法有哪幾種？其各自的適用范疇如何？三相籠型異步電動機(jī)常用的減壓起動方法有：定子串電阻（或電抗器）減壓起動、星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動、自耦變壓器減壓起動、延邊三角形減壓起動、軟起動器減壓起動和變頻器減壓起動等。隨著機(jī)電控制技術(shù)的進(jìn)步，定子串電阻減壓起動（能耗過大）、自耦變壓器減壓起動（設(shè)備成本高）、延邊三角形減壓起動（電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜）等減壓起動方法已經(jīng)被逐步淘汰。目前，應(yīng)用較多的只有星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動、軟起動器減壓起動和變頻器減壓起動等幾種方式。星形—三角形（Y/Δ）轉(zhuǎn)換減壓起動只適合電動機(jī)的空載或輕載起動，對于重載起動，則有可能造成電動機(jī)“悶車”，需審慎處理。軟起動器減壓起動適合于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的減壓起動，設(shè)備成本較低，亦能獲得較好的節(jié)能效果，但總體控制精度不高。變頻器減壓起動適用于所有應(yīng)用場合的使用，控制精度高，但設(shè)備成本較高。5）三相籠型異步電動機(jī)的制動方法有哪幾種？其各自的適用范疇如何？三相籠型異步電動機(jī)常用的制動方法有機(jī)械制動和電氣制動兩大類。機(jī)械制動可分為通電制動型電磁抱閘制動器和斷電制動型電磁抱閘制動器兩種。通電制動型電磁抱閘制動器在機(jī)床等需要經(jīng)常調(diào)整加工件位置的設(shè)備上應(yīng)用廣泛，而斷電制動型電磁抱閘制動器在電梯，吊車、起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備中應(yīng)用廣泛。電氣制動又可分為反接制動、能耗制動、發(fā)電回饋制動等幾種。其中，反接制動和能耗制動在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，而發(fā)電回饋制動多用于電動汽車的驅(qū)動用電動機(jī)。反接制動合于電動機(jī)容量較?。?0kW以下）和不頻繁起動、制動的場合。能耗制動適用于電動機(jī)容量較大，起動、制動頻繁的場合，或者要求制動平穩(wěn)，要求精準(zhǔn)停車的場合。6）三相籠型異步電動機(jī)的變速方法有哪幾種？其各自的適用范疇如何？三相籠型異步電動機(jī)可通過以下三種方法進(jìn)行調(diào)速，即改變轉(zhuǎn)差率的變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、改變極對數(shù)的變極調(diào)速和改變電動機(jī)電源頻率的變頻調(diào)速。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法的調(diào)速范圍較小，局限性大，應(yīng)用較少。變極調(diào)速方法是通過改變電動機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)進(jìn)行調(diào)速。變極調(diào)速屬于有級調(diào)速，調(diào)速平滑度差，一般多用于金屬切削機(jī)床，如銑床、鏜床、磨床等。變頻調(diào)速方法是利用變頻器，改變施加在電動機(jī)上的電源頻率進(jìn)行調(diào)速。變頻調(diào)速的調(diào)速范圍大，調(diào)速的穩(wěn)定性、平滑性均屬優(yōu)良，機(jī)械特性較硬。變頻調(diào)速屬于無級調(diào)速，適用于絕大部分三相籠型異步電動機(jī)。3．實操題（略）第5章思考與實訓(xùn)1．選擇題1）a，b，c2）a，b2．問答題1）PLC的特點有哪些？=1\*GB3①通用性強(qiáng)。=2\*GB3②接線簡單。=3\*GB3③編程容易。=4\*GB3④抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。=5\*GB3⑤容量大，體積小，重量輕，功耗少，成本低，維修方便。2）在PLC編程過程中，故意設(shè)置中間軟元件有哪些優(yōu)點？在PLC編程過程中，若多個線圈共同受某一觸點串、并聯(lián)電路的控制，為了簡化電路，可在梯形圖程序中設(shè)置中間軟元件。利用中間軟元件（即該存儲器的位）可以簡化程序結(jié)構(gòu)。同時，控制程序也會變得簡潔清晰，易于分析和理解。不難看出，中間軟元件類似于繼電器接觸器電路中的中間繼電器。因此，在PLC程序中，這類中間元件亦稱軟繼電器，簡稱軟元件。3）在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，可采用哪些方法來節(jié)省輸入/輸出點？（1）減少所需輸入點數(shù)的方法：①分時分組輸入。②輸入觸點合并。③將信號設(shè)置在PLC之外。（2）減少所需輸出點數(shù)的方法：在PLC的輸出功率允許的條件下，通/斷狀態(tài)完全相同的多個負(fù)載并聯(lián)后，可以共用一個輸出點，通過外部的或PLC控制的轉(zhuǎn)換開關(guān)切換，一個輸出點可以控制兩個或多個不同時工作的負(fù)載。與外部元件的觸點配合，可以用一個輸出點控制兩個或多個有不同要求的負(fù)載。如用一個輸出點控制指示燈常亮或閃爍，可以顯示兩種不同的信息。系統(tǒng)中某些相對獨立或比較簡單的部分則可以不用PLC，直接用繼電器電路來控制