交流调速系统与变频器应用 教学配套课件 作者 田效伍 34430《电气控制与PLC应用技术》.docx

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交流调速系统与变频器应用教学配套课件作者田效伍34430《电气控制与PLC应用技术》

第1章常用低压电器

1-1什么是低压电器?

常用的低压电器有哪些？

答：

低压电器是指使用在交流额定电压1200V、直流额定电压1500V及以下的的电路中，根据外界施加的信号和要求，通过手动或自动方式，断续或连续地改变电路参数，以实现对电路或非电对象的切换、控制、检测、保护、变换和调节的电器。

常用的低压电器有刀开关、低压断路器、转换开关、熔断器、接触器、继电器、按钮、行程开关等。

1-2电磁式低压电器有哪几部分组成?

说明各部分的作用。

答：

电磁式低压电器一般由电磁机构和触头系统组成。

电磁机构是电磁式低压电器的检测部分，接受外界输入的信号，通过转换、放大与判断做出一定的反应；触头系统是执行机构，受电磁机构控制，用于输出相应的指令，实现控制的目的。

1-3灭弧的基本原理是什么？

低压电器常用的灭弧方法有哪几种？

答：

灭弧时可通过增大电弧长度、冷却弧柱、把电弧分成若干短弧等使电弧熄灭，灭弧装置就是根据这些原理设计的。

常用的灭弧方法有电动力吹弧、磁吹灭弧、栅片灭弧等。

1-4熔断器有哪些用途？

一般应如何选用？

在电路中应如何连接？

答：

熔断器是一种广泛应用的简单有效的保护电器，在电路中主要用于短路保护，特殊情况下用于过载保护。

熔断器的主体是低熔点金属丝或金属薄片制成的熔体，串联在被保护的电路中。

熔断器的类型很多，按结构形式可分为瓷插式熔断器、螺旋式熔断器、封闭管式熔断器、快速熔断器和自复式熔断器等。

在选用熔断器时，应根据被保护电路的需要，首先确定熔断器的型式，然后选择熔体的规格，再根据熔体确定熔断器的规格。

1-5交流接触器主要由哪些部分组成？

在运行中有时产生很大的噪音，试分析产生该故障的原因。

答：

交流接触器主要由电磁机构、主触点和熄弧系统、辅助触点、反力装置、支架和底座等部分组成。

交流接触器在运行中噪音突然急剧增大时，往往是由于交流电磁机构中铁芯端面镶嵌的短路环断路或脱落所致。

交流电磁铁由于通入的是交流电，其电磁吸力在0（最小值）～Fm（最大值）之间变化。

在一个周期内，当电磁吸力的瞬时值大于反力时，铁芯吸合；当电磁吸力的瞬时值小于反力时，铁芯释放。

所以电源电压变化一个周期，电磁铁吸合两次、释放两次，使电磁机构产生剧烈的振动和噪音，因而不能正常工作。

为了消除交流电磁铁产生的振动和噪音，在铁芯的端面开一小槽，在槽内嵌入铜制短路环。

加上短路环后，磁通被分成大小相近、相位相差约90°电角度的两相磁通φ1和φ2，因此两相磁通不会同时为零。

由于电磁吸力与磁通的平方成正比，所以由两相磁通产生的合成电磁吸力较为平坦，在电磁铁通电期间电磁吸力始终大于反力，使铁芯牢牢吸合，这样就消除了振动和噪音。

但当短路环断路或脱落后，电磁机构的噪音则会明显增大。

1-6交流电磁线圈误接入直流电源或直流电磁线圈误接入交流电源，会出现什么情况？

为什么？

答：

交流电磁线圈误接入同等电压级别的直流电源往往会烧毁线圈，因为交流电磁线圈的直流阻抗往往比较小。

直流电磁线圈误接入同等电压级别的交流电源则会因吸力不足而不能正常工作，因为直流电磁线圈的直流阻抗本身较大，接入交流电源后交流阻抗会更大，从而导致电流较小，吸力不足。

1-7交流接触器的主触头、辅助触头和线圈各接在什么电路中，应如何连接？

答：

交流接触器的主触头应接在交流主电路中，用于自动接通和断开大电流电路，主触头的两端根据需要连接开关电器和热继电器等。

辅助触头和线圈接在控制电路中，线圈用于控制主触头的接通和断开，辅助触头在控制电路中起联动作用，用于和接触器相关的逻辑控制，辅助触点不装设灭弧装置，所以不能用它来分合主电路。

1-8什么是继电器？

它与接触器的主要区别是什么？

在什么情况下可用中间继电器代替接触器起动电动机？

答：

继电器是根据一定的信号（如电流、电压、时间和速度等物理量）的变化来接通或分断小电流电路和电器的自动控制电器。

继电器实质上是一种传递信号的电器，它根据特定形式的输入信号而动作，从而达到控制目的。

它一般不用来直接控制主电路，而是通过接触器或其它电器来对主电路进行控制，因此同接触器相比较，继电器的触头通常接在控制电路中，触头断流容量较小，一般不需要灭弧装置，但对继电器动作的准确性则要求较高。

中间继电器实质上是一种电压继电器，中间继电器在控制电路中主要起信号的传递、放大和逻辑控制等作用。

当接触器要控制的电动机功率较小，其额定工作电流小于中间继电器的触头额定电流，且电动机的额定电压也小于中间继电器触头的额定电压时，可用中间继电器代替接触器起动电动机。

1-9空气阻尼式时间继电器是利用什么原理达到延时目的的？

如何调整延时时间的长短？

答：

空气阻尼式时间继电器利用空气通过小孔时产生阻尼的原理获得延时。

其结构由电磁系统、延时机构和触头三部分组成。

通过调节螺杆调节进气口的大小，就可以调节延时时间。

1-10热继电器有何作用？

如何选用热继电器？

在实际使用中应注意哪些问题？

答：

热继电器主要用于电动机的过载保护、断相保护和三相电流不平衡运行的保护。

热继电器按热元件数分为两相和三相结构。

三相结构中又分为带断相保护和不带断相保护装置两种。

选用热继电器时，必须了解被保护对象的工作环境、起动情况、负载性质、工作制及电动机允许的过载能力，原则是热继电器的安秒特性位于电动机过载特性之下，并尽可能接近。

但对于过载能力较差的电动机，通常按电动机额定电流的60％-80％来选取热继电器的额定电流。

1-11低压断路器具有哪些脱扣装置？

试分别叙述其功能。

答：

低压断路器主要有断路器过电流脱扣器、过载脱扣器、失压脱扣器和分励脱扣器等脱扣装置。

过电流脱扣器的线圈和过载脱扣器的线圈与主电路串联，失压脱扣器的线圈与主电路并联。

当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁被吸合，使自动脱扣机构动作；当电路过载时，过载脱扣器的热元件产生的热量增加，使双金属片向上弯曲，推动自动脱扣机构动作；当电路失压时，失压脱扣器的衔铁释放，也使自动脱扣机构动作。

分励脱扣器则作为远距离分断电路使用。

1-12什么是速度继电器？

其作用是什么？

速度继电器内部的转子有什么特点？

若其触头过早动作，应如何调整？

答：

速度继电器是利用转轴的转速来切换电路的自动电器。

它主要用作鼠笼式异步电动机的反接制动控制中，故称为反接制动继电器。

调节速度继电器外壳上的一个调节螺钉即可调节转速动作点。

1-13常用电子电器有哪些特点？

主要由哪几部分组成？

主要参数有哪些？

答：

常用电子式电器具有体积小、精度高、使用方便、功能强大、寿命长等特点。

电子式电器由检测部分、电子式信号转换与放大部分、执行机构等组成。

1-14某生产设备采用三角形联结的异步电动机，其PN=5.5kW，UN=380V，IN=12.5A，IS=6.5IN。

现用按钮进行启动、停止控制，应有短路、过载保护。

试选用接触器、按钮、熔断器、热继电器和组合开关。

答：

略。

第2章继电-接触器控制电路基本环节

2-1电路图中QS、FU、KM、KT、SQ、SB分别是什么电器元件的文字符号？

答：

略。

2-2如何决定笼型异步电动机是否可采用直接起动法？

答：

电源容量是否允许电动机在额定电压下直接起动，可根据下面的经验公式来判断：

≤

+

（2—1）

式中IST——电动机全压起动电流，单位为A；

IN——电动机额定电流，单位为A；

一般容量小于10kW的电动机常采用直接起动。

有时为了减小和限制起动时对机械设备的冲击，即使满足式（2-1）条件允许直接起动的电动机，也往往采用减压起动。

2-3笼型异步电动机减压起动方法有哪几种？

答：

笼型异步电动机减压起动的方法有：

定子绕组电路串电阻或电抗器起动；Y－△（星形—三角形）降压起动；自耦变压器降压起动和延边三角形降压起动等。

2-4笼型异步电动机如何改变转动方向？

答：

可通过接入笼型异步电动机三相电源中任意两相的换相，来改变电动机的转动方向。

2-5什么叫能耗制动？

什么叫反接制动？

它们各有什么特点及适用什么样的场合？

答：

能耗制动是指电动机脱离电源后，向定子绕组通入直流电源，从而在空间产生静止的磁场，此时电动机转子因惯性而继续运转，切割磁感应线，产生感应电动势和转子电流，转子电流与静止磁场相互作用，产生制动力矩，使电动机迅速减速停车。

能耗制动具有制动准确、平稳、能量消耗小等优点，故适用于要求制动准确、平稳的设备。

反接制动是通过改变电动机三相电源的相序，利用定子绕组的旋转磁场与转子惯性旋转方向相反，产生反方向的转矩，从而达到制动效果。

反接制动效果显著，制动时间短。

但反接制动对被制动部件的冲击力较大且能量消耗较大，故适用于不太经常制动、电动机容量不大的设备，如铣床、镗床、中型车床的主轴制动。

2-6什么是互锁（联锁）？

什么是自锁，试举例说明各自的作用。

答：

自锁是指在接触器线圈得电后，依靠接触器自身辅助触头而保持接触器线圈持续通电的现象称为自锁。

用于异步电动机长动控制电路中的起动环节就是一个典型的自锁控制电路。

互锁是指在控制电路中将两个接触器的常闭辅助触头分别串接在对方线圈电路中，形成相互制约的控制，这种相互制约的控制关系称为互锁。

在异步电动机的正反转控制电路中，为了避免正反转接触器同时接通常采用互锁控制。

2-7长动与点动的区别是什么？

答：

长动也称为连续运转。

按下起动按钮并松开后电动机能够连续运转的为长动。

长动与点动的区别主要在于接触器的控制电路是否为自锁电路。

2-8什么是多地点控制？

什么是多条件控制？

答：

在一些大型生产机械和设备上，要求操作人员能在不同方位进行操作与控制，即实现多地点控制。

在某些机械设备上，为保证操作安全，需要多个条件满足，设备才能开始工作，这样的控制称为多条件控制。

2-9图2-24中的一些电路是否有错误？

工作时现象是怎样的？

如有错误，应如何改正？

答：

略。

2-10动合触点串联或并联，在电路中起什么样的控制作用？

动断触点串联或并联起什么控制作用？

答：

动合触点串联在电路中往往起多条件控制作用，动合触点并联在电路中往往起多地点控制作用；动断触点串联在电路中往往起多地点控制作用，动断触点并联在电路中往往起多条件控制作用。

2-11设计一个控制电路，要求第一台电动机起动10秒以后，第二台电动机自动起动，运行5秒以后，第一台电动机停止转动，同时第三台电动机起动，在运转15秒以后，电动机全部停止。

答：

略。

2-12设计一控制电路，控制一台电动机要求：

（1）可正反转；

（2）可正向点动，两处起停控制；（3）可反接制动；（4）有短路和过载保护。

答：

略。

2-13本章中图2-11行程开关控制的正反转电路，若在现场调试试车时，将电动机的接线相序接错，将会造成什么样的后果？

为什么？

答：

若在现场调试试车时，将电动机的接线相序接错，可能会造成工作台冲出行程范围而发生事故。

第3章典型生产机械电气控制系统

3-1电气原理图常用什么分析方法？

简述机床电气原理图的分析步骤。

答：

电气原理图常用的分析方法有查线读图法和逻辑代数法。

分析机床电气原理图时，首先要了解生产工艺与执行电器的关系，接着分析主电路，最后分析控制电路。

3-2机床设备控制电路常用哪些的保护措施？

答：

机床设备控制电路常用的保护措施主要有短路保护、过载保护、过流保护、互锁、顺序控制、限位保护、机械联锁等。

3-3叙述C650车床反向起动过程和反转停车过程。

答：

略。

3-4分析Z3040摇臂转床摇臂升降的控制过程。

答：

略。

3-5叙述T68卧式镗床调速的方法和电路的控制过程。

答：

略。

3-6结合图3.6.6组合机床的液压动力滑台自动循环控制线路，分析各个行程开关的控制作用。

答：

略。

第4章可编程控制器概述

4-1什么是可编程序控制器?

它有哪些主要特点?

其发展方向如何?

答：

可编程控制器是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通信技术于一体的一种新型工业控制装置。

它是一种面向生产过程控制的数字电子装置，不仅可以取代传统的继电器控制系统，还可构成复杂的工业过程控制网络。

可编程控制器具有可靠性高、控制功能强、组成灵活、操作方便等特点。

可编程控制器的发展方向有小型化和大型化两个趋势。

小型化指的是可编程控制器的体积越来越小；大型化指的是大中型可编程控制器向着大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。

4-2PLC具有可靠性高、抗干扰能力强的主要原因是什么?

答：

可编程控制器在设计、制作、元器件的选取上，采用了精选、高度集成化和冗余量大等一系列措施，通过延长元器件的使用寿命，来提高系统的可靠性。

在抗干扰性上，采取了软、硬件多重抗干扰措施，使其能安全工作在恶劣的工业环境中。

国际大公司制造工艺的先进性，也进一步提高了可编程控制器的可靠性。

4-3PLC按结构可分为哪几类？

答：

根据结构形式不同，可编程控制器可分为整体式结构和模块式结构两大类。

第5章可编程控制器的基本组成及工作原理

5-1PLC由哪几部分组成？

答：

PLC的主机由微处理器（CPU）、存储器（EPROM、RAM）、输入模块、输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。

5-2PLC的输入/输出接口电路分别有哪几种形式？

答：

PLC的数字量输入接口电路分为直流输入和交流输入两种类型，常用的输入电路有干接点式、直流输入式和交流输入式三种。

PLC的数字量输出接口电路分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种形式。

5-3PLC执行程序时的一个扫描周期分为哪几个阶段？

答：

PLC执行程序是以循环扫描方式进行的。

每一扫描过程主要分为三个阶段：

输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。

5-4PLC程序常用的表达方式有那几种？

答：

PLC程序常用的表达方式有：

梯形图、语句表和功能块图等。

第6章S7-200系列PLC

6-1S7系列PLC有哪些子系列？

答：

SIMATICS7系列PLC分为S7-400、S7-300和S7-200共3个子系列，分别为S7系列的大、中、小（微）型PLC系统。

6-2S7-22X系列PLC有哪些型号的CPU？

答：

S7-22X系列PLC有CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226五种基本型号，每个品种里又分出两种类型：

一种是DC24V供电/晶体管输出，一种是AC220V供电/继电器输出，一共有10种CPU模块。

6-3S7-200PLC有哪些输出方式？

各适应于什么类型的负载？

答：

S7-200PLC的输出电路有继电器输出和晶体管输出两种输出方式，继电器输出可用于交流或直流负载，晶体管输出仅用于直流负载。

6-4S7-22X系列PLC的用户程序下载后存放在什么存储器中，掉电后是否会丢失？

答：

S7-22X系列PLC的用户程序下载后存放在EEPROM区，永久保存。

系统掉电后用户程序也不会丢失。

6-5S7-200有哪两种寻址方式？

答：

S7-200数据寻址方式有直接寻址方式和间接寻址方式两大类。

6-6S7-200PLC有哪些内部元器件？

各元件地址分配和操作数范围怎么确定？

答：

CPU22X系列PLC内部的元器件有很多，它们在功能是相互独立的。

主要有：

输入映像寄存器（又称输入继电器）I、输出映像寄存器（输出继电器）Q、内部标志位存储器M、特殊标志位存储器SM、顺序控制存储器S、变量存储器V、局部存储器L、定时器T、计数器C、模拟量输入映像寄存器AI、模拟量输出映像寄存器AQ、累加器AC、高速计数器HC等。

各元件地址分配和操作数范围参见教材表6-3。

6-7S7-200有哪几类扩展模块？

最大可扩展的I/O地址范围是多大？

答：

S7-200系列PLC有多种扩展模块，包括数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、测温模块、定位模块、通讯模块等。

最大可扩展的I/O地址范围参见教材表6-3，但S7-200系列PLC单个CPU最大可扩展7个模块。

第7章S7-200系列PLC基本指令

7-1写出下面梯形图程序对应的语句表指令。

解：

LDI0.1

LDI0.2

OI0.3

AI0.4

OLD

AI0.5

=Q0.1

LDI1.0

LPS

AI1.1

=Q0.2

LPP

AI1.2

=Q0.3

7-2根据下列语句表程序，写出梯形图程序。

LDI0.0AI0.6

ANI0.1=Q0.1

LDI0.2LPP

AI0.3AI0.7

OI0.4=Q0.2

AI0.5AI1.1

OLD=Q0.3

LPS

解：

7-3使用置位、复位指令，编写两套电动机（两台）的控制程序，两套程序控制要

求如下：

（1）启动时，电动机M1先启动，才能启动电动机M2，停止时，电动机M1、M2同时停止。

（2）启动时，电动机M1、M2同时启动，停止时，只有在电动机M2停止时，电动机M1才能停止。

解：

略。

7-4设计周期为5S，占空比为20％的方波输出信号程序（输出点可以使用Q0.0）。

解：

略。

7-5编写断电延时5S后，M0.0置位的程序。

解：

略。

7-6运用算术运算指令完成下列算式的运算。

（1）［（100＋200）×10］/3。

（2）6的78次方。

（3）求SIN65o的函数值。

解：

略。

7-7用逻辑操作指令编写一段数据处理程序，将累加器AC0与VW100存储单元数据实现逻辑与操作，并将运算结果存入累加器AC0。

解：

略。

7-8编写一段程序，将VB100开始的50个字的数据传送到VB1000开始的存储区。

解：

略。

7-9分析寄存器移位指令和左、右移位指令的区别。

答：

使用寄存器移位指令时，参与移位的寄存器位数可以是1~64位。

使用左、右移位指令时，参与移位的寄存器位数须是8位、16位或32位。

7-10编写一段程序，将VB0开始的256个字节存储单元清零。

解：

略。

7-11编写出将IB0字节高4位和第4位数据交换，然后，送入定时器T37作为定时器预置值的程序段。

解：

略。

7-12写出能循环执行5次程序段的循环体梯形图。

解：

略。

7-13使用顺序控制程序结构，编写出实现红、黄、绿三种颜色信号灯循环显示程序（要求循环间隔时间为一秒），并划出该程序设计的功能流程图。

解：

略。

第8章S7-200系列PLC功能指令

8-1用数据类型转换指令实现25英寸转换成厘米。

解：

8-2编程输出字符D的七段显示码。

解：

8-3编程实现将VD100中存储的ASCⅡ码字符串37，40，44，32转换成16进制数，并存储到VW20.0中。

解：

8-4编程实现定时中断，当连接在输入端I0.1的开关接通时，闪烁频率减半；当连接在输入端I0.0的开关接通时，又恢复成原有的闪烁频率。

解：

MAIN：

INT0：

8-5编写一个输入输出中断程序，实现从0到255的计数。

当输入端I0.0为上跳沿时，程序采用加计数；输入端I0.0为下跳沿时，程序采用减计数。

解：

分配I0.0为计数方向控制信号输入端，分配I0.1为计数信号输入端。

MAIN：

INT0：

INT1：

8-6用高速计数器HSC1实现20KHz的加计数。

当计数值等于100时，将当前值清零。

解：

MAIN：

HSC_INIT

INT0：

8-7编程实现脉冲宽度调制PWM的程序。

要求：

周期固定为5s，脉宽初始值为0.5s，脉宽每周期递增0.5s。

当脉宽达到设定的最大值4.5s时，脉宽改为每周期递减0.5s，直到脉宽为0为止。

以上过程周而复始。

解：

略

第9章S7-300/400系列PLC

9-1简述西门子SIMATICS7-300系列PLC的特点和构成。

答：

S7-300是模块化的中小型PLC，适用于中等性能的控制要求，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通讯模块、电源模块和编程设备组成，各种模块安装在机架上。

通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。

9-2S7-300系列PLC的CPU模块可分为哪几类？

答：

S7-300的CPU模块大致可以分为以下几类：

（1）6种紧凑型CPU，带有集成的功能和I/O：

CPU312C，313C，313C-PtP，313C-2DP，314C-PtP和314C-2DP。

（2）3种重新定义的CPU：

CPU312，314和315-2DP。

（3）5种标准的CPU：

CPU313，314，315，315-2DP和316-2DP。

（4）4种户外型CPU：

CPU312IFM，314IFM，314户外型和315-2DP。

（5）高端CPU：

317-2DP和CPU318-2DP。

（6）故障安全型CPU：

CPU315F。

9-3S7-300系列PLC的数字量模块有哪几种？

答：

S7-300系列PLC有多种数字量模块，主要有数字量输入模块SM321、数字量输出模块SM322、数字量输入/输出模块SM323等。

9-4S7-300系列PLC的模拟量模块有哪几种？

答：

S7-300系列PLC有多种模拟量模块，主要有模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM331和模拟量输入/输出模块SM334、SM335等.

9-5简述西门子SIMATICS7-400系列PLC的特点。

答：

S7-400是具有中高档性能的PLC，采用模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。

S7-400PLC分为标准型和容错型（可配置成故障安全型）两种。

S7-400采用大模块结构，具有扩展功能强，运行速度高，存储器容量大，可多CPU并行计算，支持集中式和分布式信号模板的热插拔，通信能力极强等特点。

9-5STEP7编程语言有哪几种基本型式？

各有什么特点？

答：

梯形图、语句表（即指令表）和功能块图是标准的STEP7软件包配备的3种基本编程语言，这3种语言可以在STEP7中相互转换。

除此以外，STEP7还提供以下工程工具用于复杂或大型程序的编制：

（1）S7-SCL（结构控制语言）基于PASCAL的高级语言，用于S7/C7可编程控制器的编程。

（2）S7-GRAPH实现顺序控制系统的图形化组态，用于S7/C7可编程控制器的编程。

。

（3）S7-Higraph用于带有状态图的顺序或异步过程的图形描述，用于S7/C7可编程控制器的编程。

（4）CFC（连续功能图）面向技术的图形，使复杂功能的图形互连能够实现，用于S7系列可编程控制器的编程。