機電傳動控制第二版凌永成課后習題答案

機電傳動控制（第2版）習題解答

第1章思考與實訓

i.選擇題

1）c2）a

2.問答題

1）簡述機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分和必要條件。

機電傳動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件可表述為：

①電動機的機械特性曲線〃=/QM）和生產(chǎn)機械的機械特性曲線”=/（5）有交點；

dndn

2）機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)的物理意義何在？

機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)丐“是反映機電傳動系統(tǒng)機械慣性的物理量，"”是系統(tǒng)轉速達到穩(wěn)態(tài)值

的63.2%所經(jīng)歷的時間。

GD2%

T—-------

375Tsl

在式中，Tm——機電時間常數(shù)（s）；

n0---理想空載轉速（r/min）；

北---系統(tǒng)的起動轉矩；

GD2——系統(tǒng)的飛輪轉矩（NW?）。

對于既定的機電傳動系統(tǒng)而言，其7；和GO?值為常數(shù)。

機電時間常數(shù)7,"直接影響機電傳動系統(tǒng)過渡過程的快慢。大，則過渡過程進行的緩慢，過渡過程

歷時時間長；反之，現(xiàn)小，則過渡過程進行的快捷，過渡過程歷時時間短。所以，總是機電傳動系統(tǒng)中

一個非常重要的動態(tài)參數(shù)。

3）加快機電傳動系統(tǒng)過渡過程的方法有哪些？

由機電傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)%的定義匕％可知，欲加快機電傳動系統(tǒng)過渡過程，就要

375Tsl

想方設法使機電時間常數(shù)%減小。換言之，要想有效地縮短機電傳動系統(tǒng)的過渡過程，應設法降低GO?值

和提高動態(tài)轉矩7；值。

3.實操題（略）

第2章思考與實訓

1.選擇題

1）d2）c3）b4）a

2.問答題

1）繪制三相異步電動機的固有機械特性曲線，并對其進行理性分析。

異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式進行接線，并且在定子電路和轉子電路中不

串聯(lián)任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有（自然）機械特性。

（1）固有機械特性曲線的特殊工作點

在固有機械特性曲線（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的固有機械特性曲線

1）理想空載工作點A。當電動機工作在A點時，電動機的輸出轉矩7=0,轉子轉速〃=〃°，轉差

率S=0。注意，由于A點事實上并不存在，因此，在固有機械特性曲線上，A點附近為虛線，而非實線。

2）額定工作點B。當異步電動機工作在額定工作點B時，T="，〃=〃N，S=SN。三相異步電

動機驅(qū)動額定負載時，轉子軸上輸出的轉矩，稱為電動機的額定轉矩，用TN表示。

3）臨界工作點C。當電動機工作在C點時，T=Tmax）n=nm,S=Sm,從機械特性曲線中可以

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點對應的電磁轉矩即為電機的最大轉矩Tmax，C點對應的轉速為臨界轉速〃m，C點對應的轉

差率為臨界轉差率5m。

4）起動工作點D。當電動機工作在D點時，T=K<,〃電動機輸出起動轉矩，處于起動狀態(tài)。

因此，D點稱為電動機的起動工作點。

電動機在起動狀態(tài)（轉子軸轉速〃=0,轉差率S=l）下，轉子軸上輸出的轉矩，稱為起動轉矩，用

心表示。

（2）穩(wěn)定工作區(qū)

在設計機電傳動系統(tǒng)時，應確保電動機工作在ABC段。否則，機電傳動系統(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點左側為宜），以確保機電傳動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地工作。

5n

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的人為機械特性曲線，并對其進行理性分析。

由式2-5可知，異步電動機的機械特性既與電動機本身的結構參數(shù)有關，也與外加電源電壓、電源頻

率有關。將式2-5中的某些參數(shù)人為地加以改變而獲得的機械特性，稱為電動機的人為機械特性。

（1）電源電壓Q的變化對機械特性的影響

電源電壓q的變化對機械特性的影響如圖2-31所示。

=0.25/ax

圖2-31電源電壓的變化對機械特性的影響

電源電壓q的變化對理想空載轉速〃0和臨界轉差率Sm沒有影響，但對最大轉矩Tmax和起動轉矩7；,

均有顯著影響。

最大轉矩Tmax和起動轉矩，與電源電壓G的平方成正比，當電源電壓降低時，最大轉矩（皿和

起動轉矩1t會急劇減小，使電動機的人為機械特性急劇向左移動（收縮）.由此可見，電源電壓q的變化

對電動機的機械特性影響極大。

由于異步電動機的人為機械特性對電網(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，

將使電動機的過載能力和起動轉矩大大降低，甚至會出現(xiàn)電動機帶不動負載或電動機根本無法起動的現(xiàn)象。

(2)轉子電阻RA,的變化對機械特性的影響

轉子電阻加？的變化對機械特性的影響如圖2-32所示。

轉

速

降

低

增大

圖2-32轉子電阻RA2的變化對機械特性的影響

由式2-8可知，轉子電阻R4?的變化，對異步電動機的理想空載轉速〃。和最大轉矩(“ax沒有影響，但

對臨界轉差率5”,和起動轉矩心均有影響。隨著轉子電阻抬？的增大，電動機的起動轉矩心逐漸增大，

并最終增大到最大值——電動機的最大轉矩，海。在驅(qū)動同樣的負載轉矩與時，隨著轉子電阻抬2的增大，

電動機的轉速將逐漸下降，臨界轉差率Sn,也隨之增大。

由圖2-32不難看出，隨著轉子電阻氏外的增大，電動機的人為機械特性越來越軟。

3)何謂高效率電動機？提高電動機效率的技術措施主要有哪些？

高效率電動機出現(xiàn)于20世紀70年代第一次能源危機時期。與一般電動機相比，高效率電動機的損耗

下降約20%左右。由于能源供應的持續(xù)緊張，近年來又出現(xiàn)了所謂超高效率電動機，其損耗乂比高效率電

動機下降15%?20%。

提高電動機效率的技術措施主要有：

1)“以冷代熱”，即以冷軋電工硅鋼板制造定子、轉子鐵心沖片，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）采用先進合理的通風結構，以降低機械損耗。

4）采用先進的工藝措施，以降低電動機的雜散損耗。

3.實操題（略）

第3章思考與實訓

i.選擇題

1）d2）a

2.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、脫扣機構和主觸點構成。當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，脫扣機構會依據(jù)設計理念瞬時或延時脫扣、分斷主觸點，對電路實施保護。裝有

遠程分斷機構的低壓斷路器，還具有遠程遙控分斷功能。

2）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載或無沖擊電流的負載提供保護；具有C型脫

扣特性的微型斷路器適用于為阻性負載和較低沖擊電流的感性負載提供保護（在民用建筑物中應用量最

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載進行保護；具有K型

脫扣特性（K型脫扣特性是ABB公司的專利技術）的微型斷路器適用于為電動機系統(tǒng)或變壓器系統(tǒng)提供

保護；具有Z型脫扣特性的微型斷路器適用于敏感型負載的保護。

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）、杠桿機構和觸點系統(tǒng)構成。當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）的變形達到一定程度時，就推動杠桿機構動作，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)對電動機的過載保護。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）簡述具有斷相保護功能的熱繼電器的工作原理。

在普通熱繼電器的基礎上，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構，便

可構成具有斷相保護功能的熱繼電器。

差動式斷相保護裝置主要由內(nèi)導板、外導板及杠桿組成，它們之間都用錢鏈（轉軸）連接。當發(fā)生電

動機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

及時為電動機提供斷電保護。

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特性（亦稱安一秒特性）曲線位于電動機的過載特

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)揮電動機的過載能力，同時使電

動機在短時過載和起動（起動電流可達額定電流的5?7倍）時，熱繼電器不致產(chǎn)生誤動作。

一般情況下，常按電動機的額定電流選取，使熱繼電器的整定值為0.95~1.05/N（人為電動機的額

定工作電流）?使用時，熱繼電器的調(diào)節(jié)旋鈕應調(diào)到該額定值，否則將不能起到保護作用。

t/s

O

INLA

圖3-52電動機的過載特性和熱繼電器的保護特性及其匹配

1—電動機的過載特性；2—熱繼電器的保護特性

6）簡述直流電磁鐵的特點。

直流電磁鐵一般使用DCI10V、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。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，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，當銜鐵處于起動位置時，勵磁電流最大；當銜鐵吸合

后，電流就降到額定值不變。因此，一旦機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，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

1.選擇題

1）d2）d

2.問答題

1）電氣控制系統(tǒng)中常用的保護環(huán)節(jié)有哪些？

電氣控制系統(tǒng)中常用的保護環(huán)節(jié)有短路保護、過載保護、過電流保護、零電壓保護、欠電壓保護和弱

磁保護等。

2）在電動機的主電路中既然裝有熔斷器，為什么還要安裝熱繼電器？兩者的保護作用有何區(qū)別？

熔斷器是低壓配電網(wǎng)絡和機電傳動系統(tǒng)中主要用作短路保護的電器。當電路發(fā)生短路故障時，熔體能

迅速熔斷分斷電路，起到保護線路和電氣設備的作用。

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)生的熱效應而反時限動作的自動保護電

器，多用作三相異步電動機的過載保護、斷相（缺相）保護和電流不平衡保護，以防止電動機因上述故障

導致過熱而損壞。

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

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，所采取的保護措施也不同。

3）在電動機正、反轉控制電路中，正、反轉接觸器為什么要進行互鎖控制？互鎖控制的方法有哪幾

種？

為避免引起電源短路事故，在電動機正、反轉控制電路中，正、反轉接觸器必須進行互鎖控制。

在機電傳動控制電路中，彼此之間互相壓制、互相制約的控制關系稱為互鎖（亦稱聯(lián)鎖）關系，能夠

實現(xiàn)互鎖關系的觸點稱為互鎖觸點。

通過設置互鎖觸點來構建互鎖關系，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，這一設計思想，在機電傳動控制系統(tǒng)中的應用極為普遍。

在實際的工程應用上，還可以采用具有機械互鎖裝置的可逆式接觸器，通過機械互鎖機構確保兩個接

觸器的電磁線圈不可能同時得電，以進一步提高控制電路的可靠性。

此外，還可以通過復合按鈕來實現(xiàn)正、反轉接觸器的互鎖控制。

4）三相籠型異步電動機減壓起動的方法有哪兒種？其各自的適用范疇如何？

三相籠型異步電動機常用的減壓起動方法有：定子串電阻（或電抗器）減壓起動、星形一三角形（Y/A）

轉換減壓起動、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。

隨著機電控制技術的進步，定子串電阻減壓起動（能耗過大）、自耦變壓器減壓起動（設備成本高）、

延邊三角形減壓起動（電動機結構復雜）等減壓起動方法已經(jīng)被逐步淘汰。目前，應用較多的只有星形一

三角形（Y/A）轉換減壓起動、軟起動器減壓起動和變頻器減壓起動等幾種方式。

星形一三角形（Y/A）轉換減壓起動只適合電動機的空載或輕載起動，對于重載起動，則有可能造成

電動機“悶車”，需審慎處理。

軟起動器減壓起動適合于風機、泵類負載的減壓起動，設備成本較低，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用場合的使用，控制精度高，但設備成本較高。

5）三相籠型異步電動機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常用的制動方法有機械制動和電氣制動兩大類。

機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

制動器在機床等需要經(jīng)常調(diào)整加工件位置的設備上應用廣泛，而斷電制動型電磁抱閘制動器在電梯，吊車、

起重機、卷揚機等設備中應用廣泛。

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)領域應用非常廣泛，而發(fā)電回饋制動多用于電動汽車的驅(qū)動用電動機。

反接制動合于電動機容量較小（10kW以下）和不頻繁起動、制動的場合。能耗制動適用于電動機容

量較大，起動、制動頻繁的場合，或者要求制動平穩(wěn)，要求精準停車的場合。

6）三相籠型異步電動機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可通過以下三種方法進行調(diào)速，即改變轉差率的變轉差率調(diào)速、改變極對數(shù)的變

極調(diào)速和改變電動機電源頻率的變頻調(diào)速。

變轉差率調(diào)速方法的調(diào)速范圍較小，局限性大，應用較少。

變極調(diào)速方法是通過改變電動機定子繞組的磁極對數(shù)進行調(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床，如銃床、鑲床、磨床等。

變頻調(diào)速方法是利用變頻器，改變施加在電動機上的電源頻率進行調(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。

3.實操題（略）

第5章思考與實訓

1.選擇題

1)a,b,c2)a,b

2.問答題

1)PLC的特點有哪些？

①通用性強。②接線簡單。③編程容易。④抗干擾能力強、可靠性高。⑤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)可以簡化程序結構。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控制的轉換開關切換，一個輸出點可以控制兩個或多個不同時工