机电传动与控制.docx

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机电传动与控制

机械传动控制

考试题型

客观题（填空10*3、选择10*2’）

主观题（简答3*5、控制电路分析3*5、电路设计2*10）

一、概念填空、选择判断、简答

1生产机械的负载特性大致可分为哪几种类型？

掌握其特性曲线的特点。

（1）恒转矩型负载特性：

特点是负载转矩为常量，依照负载转矩与运动方向的

关系，可以将恒转矩型的负载转矩分为反抗性恒转矩负载（方向恒与运动

方向相反）和位能性恒转矩负载（方向恒定，与运动方向无关）。

属于这

一类的生产机械有提升机构、提升机的行走机构、皮带运输机以及金属切

削机床等。

（2）离心式通风机型负载特性：

这一类型的负载时按离心力原理工作的，如离

心式鼓风机、水泵等的负载转矩TL与n的二次方成正比TL=Cn2，C为常数。

如图2.5所示

（3）直线型负载特性：

直线型负载的负载转矩TL随n的增加而成正比地增大，

即TL=C*n，C为常数。

如图2.6所示。

1

（4）恒功率型负载特性：

恒功率型负载的负载转矩TL与转速n成反比，即TL=K/n，

或K=TLn∝P（P为常量）。

例如车床加工、在粗加工时，切削量大，负载

阻力大，开低速；在精加工时，切削量小，负载阻力小，开高速。

当选择

这样的加工方式时，不同的转速下，切削功率其余不变。

2

2直流他励电动机直接启动特点是？

直流发电机通常按励磁方法分类。

特点：

直流他励电动机

直接启动，会有很大的

电枢电流，产生很大的

冲击转矩。

对电源和负

载都会产生不良的影

响。

因此，除非是很小

功率的电机，一般不应

直接启动。

（1）

（2）直流发电机通常按励磁方法来分类，分为他励、并励、串励和复励发电机。

①他励直流发电机：

励磁回路的

电流由外电源供给，与电枢回路

没有电的联系。

②并励直流发电机：

励磁回路与

电枢回路是并联的，励磁回路两

端的电压相等。

③串励直流发电机：

励磁电流与

电枢回路是串联的，励磁回路与

电枢回路的电流相等。

④复励直流发电机：

主极有两个励磁绕组，其一与电枢绕组并联，另一个和电枢

绕组串联。

3异步交流电动机直接启动特点是？

交流发电机分类、转速、转动方向等问

题

（1）a、定子电流大，Ist=（5~7）In。

异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于

转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导

体，在转子绕组中感应到很大的转子电动势和转子电流，从而引起很大的定子电

3

流。

b、启动转矩较小，Tst=（0.8~1.5）TN。

启动时s=1，转子功率因素cosφ2很

低，因而启动转矩Tst=KtΦI2stcosφ2st却不大。

（2）交流发电机从原理上分为同步发电机、异步发电机、单相发电机、三相发

电机。

转速问题

n0＝60f/p

S＝n0－n/n0

异步电动机在额定负载时，n接近于n0，转差率S很小，一般为0.015~0.060

4一般直流电动机采用什么方式启动？

启动要注意的点

直流电动机不允许直接启动，即在启动时必须设法限制电枢电流。

限制直流电动机的启动电流，一般有以下两种方法：

（1）降压启动，在启动瞬间，降低供电电压。

随着转速n的升高，反电动势E

增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压UN时，电动机达到所要

求的转速。

（2）在电枢回路内串接外加电阻启动，此时启动电流将受到外加启

动电阻Rst的限制。

随着电动机转速n的升高，反电动势E增大，再逐步

切除外加电阻一直到全部切除，电动机达到所要求的转速。

5一般交流电动机会采用什么方式启动？

启动要注意的点

<1>笼型异步电动机

4

交流电动机的启动电流大（一般约为额定电流的5~7倍），启动转矩小。

大的启动电流（由于启动时间短）对电机本身来说，尚不至于引起电机温度

的显著提髙（频繁启动除外），但却会引起电网电压的显著降低，因而影响

接在同一母线上的其他用电设备的正常运行。

所以对交流电动机的启动，必

须根据电容的容量、电动机的启动电流的大小及负载大小等情况做综合考虑

后选择合适的启动方法。

交流电动机的常用启动方式：

直接启动，星形-三角形启动，自耦变压

器降压启动，软启动，变频器启动。

1.1、全压直接启动。

全压启动是最常用的启动方式，也称为直接启动。

它是将电动机的定子绕组直接接入电源，在额定电压下启动，具有启动转矩

大、启动时间短的特点，也是最简单、最经济和最可靠的启动方式.

1.2、星三角Y-△启动。

对于正常运行的定子绕组为三角形接法的鼠笼

式异步电动机来说，如果在启动时将定子绕组接成星形，待启动完毕后再接

成三角形，就可以降低启动电流，减轻它对电网的冲击。

这样的启动方式称

为星三角减压启动，或简称为星三角启动（Y—△启动）。

适用于无载或者轻

载启动的场合。

并且与其它减压启动器相比较，其结构最简单，价格也最便

宜。

除此之外，星三角启动方式还有一个优点，即当负载较轻时，可以让

电动机在星形接法下运行。

此时，额定转矩与负载可以匹配，这样能使电动

机的效率有所提髙，并使之节约了电力消耗。

1.3、自耦变压器降压启动。

自耦变压器降压启动是指电动机启动时利

用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。

待电动机启动后，

再使电动机与自耦变压器脱离，从而在全压下正常运行。

采用自耦变压器降

启动时，与直接启动相比较，启动电压降低得很多（为额定电压1/4~1/7）,

而启动转矩降低得更多；且自耦变压器不允许频繁启动，因而限制了它的广

泛使用。

1.4、软启动。

软启动器是一种集电机软起、软启动停车、轻载节能和

多种保护功能于一体的电机控制装罝。

利用软启动器串接于电源与被控电机

之间来启动电机时，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预

设函数关系逐渐上升，直至启动结朿，赋予电机全电压，即为软启动。

软启

5

动时电压由零慢慢提升到额定电压，这样在启动过程中的启动电流，就由过

去过载冲击电流不可控制变成为可控制。

可根据需要调节启动电流的大小。

电机启动的全过程都不存在冲击转矩，而是平滑的启动运行。

待电机达到额

定转速时，启动过程结朿，软启动器自动用旁路接触取代已完成任务的晶闸

管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动

器的使用寿命，提髙其工作效率，又使电网避免了谐波污染。

1.5、变频启动。

变频器亦叫电动机变频调速器.是一种静止的频率变换器.

它把电力配电网50Hz恒定频率的交流电变成可调频率的交流电.供普通的交

流异步电动机作电源用，其最主要的特点是具有髙效率的驱动性能和良好的

控制特性，应用变频器也可以节约大量电能。

<2>绕线异步电动机的启动方法、

a、逐级切除启动电阻法

b、频敏变阻器启动法

6一般规定电动机的外加电压不应高于或低于额定值的百分之几？

一般规定电动机的外加电压不应高于或低于额定值的±10％

7常用的三相异步电动机的调速方法、制动方式有哪些方式，各有何特点。

固有机械特性？

人为？

所以，调速有三种方法

6

制动方式有：

（1）反馈制动；由于某种原因异步电动机的运行速度高于它的同步速度，即

n>n0，S=（n0-n）/n0<0，异步电动机就进入发电状态。

反馈制动时，电机从

轴上吸取功率后，一部分转换为转子铜耗，大部分则通过空气隙进入定子，

并在供给定子铜耗和铁耗后，反馈给电网。

反馈制动的机械特性是电动状

态机械特性是第一象限向第二象限的延伸或第三象限向第四象限的延伸，

如图所示。

（1）负载转矩为位能性转矩的起重机械

在下放重物时的反馈制动运行状态。

（2）电动机在变极调速或变频调速过

程中，极对数突然增多或供电频率突

然降低，使同步转速n

0突然降低时的

反馈制动运行状态。

7

（2）反接制动

电源反接：

改变电枢电压U的方向所产生的反接制动成为电源反接制动。

串接电阻的原因：

防止过大的电流，另一方面，使制动转矩增大。

如果正常运行时异步电动机三相电源的相序突然改变，即电源反接，这就

改变了旋转磁场的方向，电动机状态下的机械特性曲线就由第一象限的曲

线1变成了第三象限的曲线2，如图所示

笼式电动机应在定子电路中串接电阻；线绕式电动机

则应在转子电路中串接电阻，这时的人为机械特性如

图4.38的曲线3所示，制动时工作点由a点转换到

d点，然后沿特性3减速，至n=0（e点），切断电

源。

倒拉反接制动:

改变电枢电动势E的方向而产生的反接制动成为倒拉反接

制动。

场能：

倒拉反接制动出现在位能负载转矩超过电磁转矩的时候。

制动缺点：

电阻上消耗的能量大、准确停车困难、若要下降重物，如果电

阻值选得不当，将仍保持以前的上升趋势。

（3）能耗制动；是在电动机定子绕组断电后，将直流电通入电动机定子绕组，

使之产生静止的磁场，用来克服运行转动惯性，达到停止的目的。

能耗制

动可与时间继电器配合，在电动机速度为零时，及时切断能耗制动电源。

8

异步电动机能耗制动的原

理线路图一般如图所示。

8PLC的分类、特点、组成。

（一）PLC的分类

按输入输出I/O点数分

小型PLC：

入出总点数256

中型PLC：

入出总点数256~2048

大型PLC：

入出总点数>2048

按结构类型分：

整体式和模块式（积木式）

按功能分：

低档机、中档机和高档机

（二）PLC的特点

1.6可靠性高、抗干扰能力强、适用于恶劣工作环境

1.7编程简单易学

1.8应用灵活方便

1.9通用性强

1.10具有完善的监视和诊断功能

1.11体积小、重量轻、功耗小、安装维护方便、性价比高

（三）PLC的组成、

（1）中央控制单元（cpu）

（2）存储器（系统程序存储器、用户程序存储器、变量（数据）存储器）

（3）输入/输出（I/O）电路（输入电路、输出电路）

（4）电源部件

9

（5）编程器

9接触器的功能特点、用途；选择时主要依据哪些参数？

（1）接触器用来接通或切断带有负载的主电路或大容量控制电路的自动切换电

器。

在电力机车上用于频繁地接通或切断正常工作情况的主电路和辅助电路。

它

的特点是:

（a）动作次数频繁，每小时开闭次数可达150～1500次；

（b）能通、断较大电流。

一般情况只开断正常额定电流，而不能开断短路或故

障电流；

（c）．可以实现一定距离的控制。

（2）额定电压、额定电流、常开主辅触头个数、额定操作频率等

（a）额定电压.接触器铭牌额定电压是指主触点上的额定电压

如某负载是380V的三相感应电动机，则应选380V的交流接触器。

（b）额定电流.接触器铭牌额定电流是指主触点的额定电流;辅助触头额定工作

电流是考虑到额定工作电压、额定操作频率、使用类别以及电寿命而规定的辅助

触头的电流值，一般不大于5A。

（c）额定操作频率.额定操作频率指每小时接通次数。

交流接触器最高为600次

/h；直流接触器可高达1200次/h。

10时间继电器的作用、热继电器的作用、断路器的作用。

（1）时间继电器的作用：

时间继电器在电路中起到延时闭合或断开的作用

（2）热继电器的作用：

利用电流的热效应动作，当电动机的工作电流过大，或

电动机长时间过载工作而出现超过额定的温升时，自动切断电动机电源，达到保

护电动机的作用。

（3）断路器的作用：

短路保护，长期过载保护，电流过大时，过电流脱扣器被

吸合顶开锁钩断开主触点；失压保护，当电路失压或电压过低时，失压脱扣器脱

扣，顶开锁钩，主触点断开。

11中间继电器与接触器的差异是？

10

中间继电器工作原理和交流接触器一样，都是由固定铁芯、动铁芯、弹簧、动触

点、静触点、线圈、接线端子和外壳组成。

线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动

作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开，常开触点闭合；线圈断电，动铁芯

在弹簧的作用下带动动触点复位。

主要区别在于：

接触器的主触头可以通过大电流，而中间继电器的触头只能通过

小电流。

所以，它只能用于控制电路中。

它一般是没有主触点的，因为过载能力比较小。

所以它用的全部都是辅助触头，

数量比较多。

12掌握短路保护、过载保护、零压（失压、欠压）保护、缺相保护等相关概

念。

（1）短路保护：

为防止用点设备（电动机、接触器等）短路而产生大电流冲击电

网，损坏电源设备或保护用电设备突然流过短路电流而引起用电设备、导线

和机械上的严重损坏，可用熔断器或自动断路器实现短路保护。

（2）长期过载保护：

长期过载是指电动机带有比额定负载稍高（1.15~1.25IN）的

负载长期运行。

这样会使电动机等电气设备因发热而温度升高，甚至会超过

设备所允许的温升而使电动机等电气设备的绝缘层损坏。

所以，对长期过载

必须给予保护，可采用热继电器或自动断路器实现保护。

采用热继电器实现过载保护，当电动机过载时，长时间的发热使热继电器的

触点动作，断开控制回路，使电动机脱离电网。

采用自动断路器实现过载保护时，自动断路器接入被保护的线路中，长期的

过电流使热脱钩器脱开，从而切断线路。

（2）零压（欠压）保护：

为防止因电源电压的消失或降低引起机械设备停止运

行，以及当故障消失后，在没有人工操作的情况下设备自动启动运行而可

能造成机械或人身事故，可采用零压（或欠压）保护。

（3）缺相保护：

缺相保护就是正常的三相电源其中某一相断路.原有的三相设

备会降低输出功率使其不能正常工作.或造成事故.因此对于一些重要的

设备需要加缺相保护装置。

线路电源缺相时，会产生负序电流分量，三相电流不均衡或过大，引起电

11

动机迅速烧毁。

为了保障电动机的安全运行，使其在发生缺相运行时能及

时停止电动机的运行，避免造成电动机烧毁事故，一般的电动机都装有缺

相保护装置。

简答题

13带额定负载运行的三相异步电动机，在运行中断了一相熔丝时，可能会出

现哪些现象？

三相异步电动机长期缺相运行的后果如何？

（1）运转时，如果断了一相熔丝，就会变成单相，单相会产生脉冲磁场，

又由于电动机的运动惯性，会继续切割磁力线产生磁感应现象，所以

电动机会继续运转下去

（2）因为断线后单相运转产生的磁感Φ比三相运转时产生的磁通Φ要小，

磁通Φ减小使电磁转矩T减小，所以如果负载转矩TL保持原状态不

变，当系统达到稳态运行状态时，电动机的转速不仅会下降，而且会

造成转子绕组电流相当大，造成烧坏电机。

14PLC输出继电器的类型及其特点。

PLC输出继电器由输出电路和输出寄存器组成。

为适应不同的负载，输出电

路一般有晶体管、晶闸管和继电器输出三种方式。

晶体管输出方式以晶体管电路作为输出电路，用于直流负载；

晶闸管输出方式以晶闸管作为输出电路，用于交流负载；

继电器输出方式以继电器作为输出电路，用于直流负载和交流负载。

15三相异步电动机反接制动的工作原理。

a.电源反接，旋转磁场反向，转子绕组切割磁场的方向与电动机状态相反，

起制动作用，当转速降至接近零时，立即切断电源，避免电动机反转。

b.倒拉反接，当位能负载转矩大于电磁转矩的时候，例如为了不使重物下

降太快，在提升重物时，在转子电路中串接较大的附加电阻，使电动机减

速至反向，电磁转矩增大，进入反接制动状态，直至T=TL，系统达到平衡。

16三相异步电动机采用Y-△换接启动，是否适用于重载启动？

为何？

不适用于重载启动，Y-△降压启动的启动转矩小，启动电压不能按实际需要

12

调节，只适用于空载或轻载启动的场合，并只适用于正常运行时定子绕组按

三角形连接的异步电动机。

17简述三相异步电动机直接启动的一般条件。

直接启动的条件取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值

1）一般有独立变压器供电时（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动

频繁，则电动机功率小于变压器容量的20％时允许直接启动；

2）若电动机不经常启动，则电动机功率小于变压器容量的30％时也允许直接启

动；

3）如果在没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动

比较频繁，则按经验公式来估算：

启动电流

I

st

3

电源总容量

额定电流I

N

44

电动机功率

二、控制电路分析：

根据题目要求，能用文字表述控制电路的过程，对基本控

制电路的一些错误能指出并进行改正，对基本的PLC电路，写出相应的编程语

句并分析该电路的功能。

1.12图为机床自动间歇润滑的控制线路图，其中接触器KM为润滑油泵电动机启停用接触

器（主电路为画出），控制线路可使润滑有规律地间歇工作。

试分析此线路的工作原理，并

SK

KM

SB

1KT

K1KT

3KT

K

2KT

说明开关S和按钮SB的作用。

SB按钮为人工的点动控制.S自动的间歇润滑,按下后KM得电,电动机工

作,1KT得电,经过一段时间后,动合触点闭合K得电,同时KM失电,电动机停止工

作,2KT得电一段时间后,动断触点断开,K闭合电动机重新工作.

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三、电路设计（主电路及控制电路）

1点动与长期运行控制

2两地控制电路

3多台电动机的顺序控制电路

4两台电动机的先后启动，第二台电动机先停，再可以停第一台电动机的控制

电路

5液位控制器自动控制水泵的主电路与控制电路。

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