《电气与可编程控制技术》课后习题答案.docx
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《电气与可编程控制技术》课后习题答案
习题1
1.简述交流接触器的主要技术参数及其含义。
解：
极数：
按接触器主触头的数量不同可分为两极、三极和四极接触器；
额定工作电压：
主触头之间的正常工作电压值；
额定工作电流：
主触头正常工作时的电流值；
约定发热电流：
在规定条件下试验时，电流在8H工作制下，各部分温升不超过极限时接触器所承载的最大电流；
额定通断能力：
在规定条件下能可靠地接通和分断的电流值；
线圈额定工作电压：
接触器电磁线圈正常工作电压值；
允许操作频率：
接触器在每小时内可实现的最高操作次数。
2.如何选用接触器？
解：
选用原则：
（1）根据主触头接通或分断电流的性质确定选择直流接触器或交流接触器。
（2）根据接触器所控制负载的工作任务来选择相应使用类别的接触器。
（3）根据负载功率和操作情况确定接触器主触头的电流等级。
（4）根据接触器主触头接通与分断主电路电压等级确定接触器的额定电压。
（5）接触器线圈的额定电压应由所连接的控制电路电压决定。
（6）接触器触头的数目和种类应满足主电路和控制电路的需求。
3.电磁式接触器与电磁式继电器的区别有哪些?
解：
电磁式继电器是输入电压或电流，利用电磁原理使衔铁吸合动作带动动触头动作的控制电器。
虽然继电器与接触器都是用来自动接通与分断电路，但是它们有着不同的用处：
继电器的触头是用来接通与分断控制电路，而接触器的主触头一般用来接通与分断大电流的主电路；继电器的输入量可以是各种电量或非电量，而接触器只能对电压的变化做出反应。
因而，继电器主触头额定电流较小，一般为5A以下。
4.电磁式继电器结构上主要有哪些部分组成？
解：
电磁机构：
直流继电器的电磁机构均为U形拍合式；交流电磁机构有U形拍合式、E形直动式、螺管式等结构形式；触头系统：
一般采用桥式触头，有常开与常闭两种形式，没有灭弧装置；调节装置：
继电器可以通过改变其释放弹簧松紧程度的调节装置和改变释放时初始状态磁路气隙大小的调节装置来改变继电器的动作参数，如调节螺母和非磁性垫片等。
5.如何选用电磁式继电器？
解：
选用原则：
（1）使用类别选用根据继电器的用途来选择相应继电器类别，如AC-11控制交流电磁铁负载，DC-11控制直流电磁铁负载。
（2）额定工作电流与额定工作电压的选择在对应使用类别下，继电器最高工作电压为继电器的绝缘电压，继电器最高工作电流应小于继电器额定发热电流。
（3）工作制的选用继电器工作制应与使用场合工作制一致，且实际操作频率应低于继电器额定操作频率。
（4）返回系数的调节根据控制要求来调节电压和电流继电器的返回系数，一般采用增加衔铁吸合后的气隙、减小衔铁打开后的气隙和适当放松释放弹簧等措施来调整。
6.电磁式继电器的主要参数有哪些？
解：
继电器的主要参数：
（1）额定参数继电器线圈和触头在正常工作时允许的电压值或电流值称为继电器额定电压或者额定电流。
（2）动作参数包括继电器的吸合值与释放值。
对于电压继电器有吸合电压
与释放电压
；对于电流继电器有吸合电流
与释放电流
。
（3）返回系数是指继电器释放值与吸合值的比值，用
来表示。
（4）整定值继电器动作参数的实际整定数值。
可人为调整。
（5）动作时间分吸合时间和释放时间两种。
（6）灵敏度是指继电器在整定值下动作时所需最小功率或安匝数。
7.简述热继电器的主要作用。
解：
热继电器在电路中不能用于瞬时过载保护，也不能用于短路保护，只能用于电动机等设备的长期过载保护。
8.热继电器能否作电路的短路保护，为什么？
解：
不能用作短路保护。
因为热继电器是通过双金属片发热来实现动作保护的，对于短路时瞬间的电流过大不能及时做出反应。
双金属片式热继电器一般用于轻载、不频繁起动的电动机的过载保护。
重载、频繁起动的电动机，则可用过电流继电器作它的过载和短路保护。
9.如何选用热继电器为电动机作过载保护？
解：
热继电器主要用于电动机的过载保护，选择热继电器时应考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素：
（1）热继电器结构型式的选择星形联结的电动机可选用两相或三相结构热继电器；三角形联结的电动机应选用带断相保护装置的三相结构热继电器。
（2）根据被保护电动机的实际起动时间选取6倍额定电流下具有相应可返回时间的热继电器。
一般热继电器的可返回时间大约为6倍额定电流下动作时间的50%~70%。
（3）热元件额定电流的选取一般可按下式选取：
。
10.低压断路器有哪些脱扣器，各起哪些保护功能？
解：
脱扣器包括过流脱扣器，失压（欠电压）脱扣器、热脱扣器和分励脱扣器。
过流脱扣器起短路或过电流保护作用，失压（欠电压）脱扣器起失压或欠电压保护作用，热脱扣器起到过载保护的作用，分励脱扣器用于远距离使低压断路器断开电路。
11.如何选用熔断器为电动机作短路保护？
解：
（1）熔断器类型的选择根据线路的要求、使用场合和安装条件选择。
（2）熔断器额定电压的选择其额定电压应大于或等于线路的工作电压。
（3）熔断器额定电流的选择其额定电流必须大于或等于所装熔体的额定电流。
（4）熔体额定电流的选择与负载大小、负载性质有关。
对于负载平稳无冲击电流的照明电路、电热电路可按负载电流大小来确定熔体的额定电流；对于有冲击电流的电动机负载电路，为起到短路保护作用，又保证电动机正常启动，其熔断器熔体额定电流按以下三种情况选择：
a）对于单台电机长期工作的情况，则：
=（1.5～2.5）
b）对于单台频繁起动电动机的情况，则：
=（3～3.5）
c）对于多台电动机公用一个熔断器保护时，则：
=（1.5～2.5）
+
。
12.时间继电器如何分类？
解：
时间继电器的种类很多，按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电子式等。
按触点延时方式可分为通电延时型和断电延时型。
13.什么是主令电器？
解：
主令电器是一种在电气自动控制系统中用于发送或转换控制指令的电器。
它一般用于控制接触器、继电器或其他电器线路，使电路接通或分断，从而实现对电力传输系统或生产过程的自动控制。
14.如何选用行程开关？
解：
行程开关的选用原则：
（1）根据应用场合及控制对象选择种类。
（2）根据安装使用环境选择防护型式。
（3）根据控制回路的电压和电流等级选择行程开关系列。
（4）根据运动机械与行程开关的传力和位移关系选择行程开关的头部形式。
15.如何选用低压断路器？
解：
低压断路器常用来作电动机的过载与短路保护，其选用原则是：
（1）低压断路器额定电压等于或大于电路额定电压。
（2）低压断路器额定电流等于或大于电路或设备额定电流。
（3）低压断路器通断能力等于或大于电路中可能出现的最大短路电流。
（4）欠电压脱扣器额定电压等于电路额定电压。
（5）长延时电流整定值等于电动机额定电流。
（6）瞬时整定电流：
对于保护笼型异步电动机的断路器，整定电流为8~15倍的电动机额定电流；对于保护绕线转子异步电动机的断路器，整定电流为3~6倍的电动机额定电流。
（7）6倍长延时电流整定值的可返回时间等于或大于电动机实际启动时间。
16.简述速度继电器的工作原理。
解：
速度继电器工作原理：
当继电器使用时，其转子的轴与电动机转子的轴相连，定子套装在转子外围。
当电动机转动时，其转子带动速度继电器转子旋转，定子内的绕组因切割磁场而产生感应电动势，形成感应电流，并在磁场的作用下产生电磁转矩，使定子朝着转子旋转方向转动，当定子转到一定角度时，压下相应方向的常闭触头使常闭触头断开、常开触头闭合。
推动触头的同时也压缩相应的反力弹簧，阻止定子转子继续偏转。
当电动机转速下降并降到一定值时，电磁转矩小于反力弹簧的拉力，定子返回原位，继电器触头也恢复到初始状态。
通过调节螺钉的松紧，可以调节反力弹簧的拉力的大小，即调整了触头动作所需的转子转速。
当电动机转动方向不同时，其定子摆杆推动的触头也不同。
习题2
1.常用的电气控制系统图有哪几种？
解：
常用的电气系统图包括3种：
电气原理图、电器布置图和安装接线图。
2.简述绘制电气原理图的原则。
解：
应注意遵循以下原则：
（1）电气原理图中各电器元件的图形符号和文字符号必须按相应国家标准绘制和标注，同一功能的电气元件应画在一起，但同一电器的各部件不一定画在一起。
各电器元件布局上按功能分开画出，如主电路、控制电路、照明电路、信号电路和保护电路等，按照“从左到右、从上到下”的顺序布置，并且尽可能按动作顺序排列。
（2）电气原理图中的电气元器件、电源线、触头等均按标准规定的图形符号统一绘制，并用国家标准规定的文字符号标注。
三相交流电源集中水平画在图面上方，相序从上到下依次为L1、L2、L3，中性线（N）和保护接地线（PE）排在L的下方。
各元件的触头状态均按电磁线圈未通电或没有外力作用时的状态画出。
触头的图形符号垂直放置时，按“左开右闭”的原则绘制，即常开触头的方向向左、常闭触头的方向向右；水平放置时按“上闭下开”的原则绘制，即常开触头的方向向上，常闭触头的方向向下。
（3）电路中，对于需要测试和能够拆接的连接点采用“空心圆”表示；有导电关系的导线连接点，用“实心圆”表示；无导电关系的导线交叉点不画实心圆，电路绘制中应尽量避免线条交叉。
（4）电气原理图绘制要求层次分明，各电器元件及触头安排合理，既要保证用最少的元件、最少的导线、最少的触头，又要保证电路运行可靠，安装、维修和调试方便。
3.电气原理图中，QS、FU、KM、KT、KA、SB、KS分别表示哪些电器元件？
解：
QS：
刀开关；FU：
熔断器；KM：
接触器；KT时间继电器；KA：
中间继电器；SB：
按钮；KS：
速度继电器。
4.什么是自锁和互锁？
举例说明各自的作用。
解：
依靠接触器本身的辅助触头使接触器线圈保持带电的现象称为自锁；两个接触器本身的常闭触头，分别串接在两个接触器的控制电路中，KM1常闭触头串接在KM2控制支路，KM2常闭触头串接在KM1控制支路，构成了一种相互制约的关系，这种关系称为互锁。
5.什么是电气互锁，什么是机械互锁？
解：
利用接触器本身的常闭触头进行互锁，称为电气互锁；利用正、反转的控制按钮的常闭辅助触头分别串接在反转控制电路和正转控制电路中，从而实现对对方接触器的制约，这种互锁称为机械互锁或按钮互锁。
6.试画出用按钮选择电动机点动和连续运转切换的控制电路。
解：
如下图：
7.设计一个控制电路，要求第一台电动机M1起动10s后，第二台电动机M2自行起动，运行5s后第一台电动机停止，再运行10s后第二台也停止运行。
解：
请选用两个接触器KM1、KM2和两个时间继电器KT1、KT2分别控制两台电动机的起停。
其中KT1的常开延时闭合触点串接在KM2的控制电路中，KT2的常闭延时开按钮串接在KM1电路中。
图略。
8.试分析图2-7电路的工作原理，并说明电路中各电器触头的作用。
解：
如图2-7所示，图中电动机M1、M2分别由接触器KM1、KM2控制，两者在主电路中是并列关系，其顺序起动过程主要在控制电路完成。
控制电路中，当SB2按钮按下，接触器KM1线圈通电，其常闭辅助触头闭合，M1电动机起动；同时，接在接触器KM2支路的接触器KM1的常开辅助触头闭合，使得KM2支路具备了起动条件，此时，按下SB3，则接触器KM2线圈通电，其常闭辅助触头闭合，M2电动机起动。
由此可见，M1、M2两台电动机在控制电路上具有顺序起动的逻辑，M1电动机必须先于M2电动机起动，否则M2电动机无法起动。
两台电动机起动之后，KM1、KM2的常开辅助触头均闭合，此时，若按下M1停止按钮SB1，由于KM2常开辅助触头的存在，无法停止M1电动机。
因此，必须先按M2停止按钮SB3，使M2电动机先停止，KM2断电后，才能够按下按钮SB1停止M1电动机。
所以，此电路不但具有顺序起动控制，还具有按顺序停止的控制作用。
9.试分析图2-10电路的工作原理，并说明电路中各电器触头的作用。
解：
电路工作原理：
合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，KM1、KT、KM3线圈同时通电并自锁，电动机三相绕组按星形接法接入三相交流电源开始减压起动。
由于时间继电器KT线圈带电，经一段时间延时后电动机达到额定转速，其延时断开常闭触头KT断开，使KM3失电，而延时闭合常开触头闭合，使接触器KM2线圈得电，从而使电动机定子绕组由星形接法切换到三角形接法，实现全压运行。
该控制电路由三个接触器KM1、KM2、KM3和一个通电延时型时间继电器KT，热继电器FR，按钮SB1、SB2等元件组成，具有短路保护、过载保护和失压保护等功能。
10.试分析图2-12电路的工作原理，并说明电路中各电器触头的作用。
解：
电路工作原理：
合上电源开关QS，按下起动按钮SB2，KM1、KT线圈同时带电并自锁，将自耦变压器接入，电动机由自耦变压器TA二次供电减压起动。
当电动机转速接近额定转速时，时间继电器KT常开延时闭合触头闭合，使KA线圈通电并自锁，KA常开辅助触头接通KM2，常闭触头断开KM1，KM1断电释放，将自耦变压器从电路中切除。
同时，KM2的常闭辅助触头断开自耦变压器的二次侧，电动机进入全压运行状态。
图中接触器KM1为减压起动接触器，接触器KM2为全压运行接触器，KA为中间继电器，KT为时间继电器，TA为自耦变压器。
11.什么是减压起动？
减压起动的方法主要有哪些？
解：
三相异步电动机采用全压直接起动时，虽然控制线路简单、维护方便，但起动电流较大，约为正常工作电流的4~7倍。
因此，三相异步电动机当容量大于10KW时，必须采用减压起动方式起动。
常见的减压起动电路有：
星形—三角形减压起动电路、定子串电阻减压起动电路、自耦变压器减压起动电路等。
12.什么是反接制动？
解：
所谓反接制动是利用改变电动机电源相序，使电动机定子绕组产生的旋转磁场方向与转子旋转方向相反，从而产生制动力，使电动机转速迅速下降。
13.什么是能耗制动？
解：
所谓能耗制动是在三相异步电动机脱离三相交流电源后，在定子绕组中通入一个直流电源，建立恒定的静止磁场，惯性旋转的转子绕组切割定子恒定磁场，产生与惯性运动方向相反的电磁转矩，从而达到制动的目的。
14.简述反接制动的优缺点。
解：
反接制动的优点是制动力矩大，制动迅速，缺点是制动精度较差，制动过程冲击大，容易损坏传动部件，能量消耗较大。
因此反接制动适用于系统惯性较大，制动要求迅速，操作不频繁的场合。
15.简述能耗制动的优缺点。
解：
能耗制动的优点是制动平稳且能量消耗小，缺点是制动力较弱，另外需要额外的交直流转换装置。
能耗制动一般用于制动要求平稳、准确的场合。
16.试设计一种按时间顺序起动3台电动机的控制电路，并说明其工作原理。
解：
需要3个接触器KM1、KM2、KM3分别控制3台电动机，并选用2个时间继电器控制顺序起动。
当KM1起动时，KT1线圈带电，其常开延时闭合触头延时闭合则KM2带电起动；KM2起动时，KT2线圈带电，其常开延时闭合触头延时闭合则KM3带电起动。
图略。
习题3
3-1电气设计主要包括哪些内容？
解：
电气控制系统的设计一般包括确定拖动方案，选择电动机的功率和设计电气控制电路。
电气控制电路的设计又分为主电路设计和控制电路设计，一般情况下电气控制电路的设计指的是控制电路的设计。
3-2试选用按钮、接触器等控制三相感应电机启停，并需要过载和短路保护。
其中三相感应电机额定功率为5.5kW，额定电压380V，起动电流为额定电流的7倍。
试选择接触器、熔断器、热继电器及电源开关。
解：
（1）接触器额定电压380，额定电流14.5A，线圈额定电压380V，可选用CJ20-40交流接触器。
（2）熔断器额定电流为50A，可选用RL1-60型熔断器，配用50A的熔体。
（3）热继电器的额定电流为14.5A，可选用JB16B20-3型热继电器，热元件电流等级为16A，它的电流调节范围为10—16A，可以将电流调整在14.5A。
（4）电源开关可选择HD型刀开关和空气开关。
5.5KW380V电机的额定电流是14.5A左右，电机是重型负载，星三角启动瞬间（启动3~5秒）电流是额定电流的3-6倍，达到90A左右，可选20-25A空气开关。
3-3对保护一般照明线路的熔体额定电流该如何选择？
对保护一台电动机和多台电动机的熔体额定电流该如何选择？
解：
（1）一般照明线路没有冲击电流的负载，应使熔体的额定电流等于或稍大于线路工作电流I，即
式中
—熔体额定电流
—工作电流
（2）对于一台电动机，熔体额定电流可按下列关系选择：
或
式中，
—异步电动机额定电流
—异步电动机的起动电流
（3）对于多台电动机，如果用一个熔断器保护，熔体按下列关系选择：
式中
—可能出现的最大电流。
如果几台电动机不同时起动，则
为容量最大一台电动机起动电流，加上其它台电动机的额定电流。
3-4简要说明在电气控制电路设计过程中应遵循的基本原则和注意事项。
解：
（1）同一组件中电器元件的布置应注意将体积大和较重的电器元件安装在电器板的下面，而发热元件应安装在电气箱（柜）的上部或后部，但热继电器宜放在其下部，因为热继电器的出线端直接与电动机相连便于出线，而其进线端与接触器直接相连接，便于接线并使走线最短，且宜于散热；
（2）强电弱电分开并注意屏蔽，防止外界干扰；
（3）需要经常维护、检修、调整的电器元件安装位置不宜过高或过低，人力操作开关及需经常监视的仪表的安装位置应符合人体工程学原理；
（4）电器元件的布置应考虑安全间隙，并做到整齐、美观、对称，外形尺寸与结构类似的电器可安放在一起，以利加工、安装和配线。
若采用行线槽配线方式，应适当加大各排电器间距，以利布线和维护；
（5）各电器元件的位置确定以后，便可绘制电器布置图。
电气布置图是根据电器元件的外形轮廓绘制的，即以其轴线为准，标出各元件的间距尺寸。
每个电器元件的安装尺寸及其公差范围，应按产品说明书的标准标注，以保证安装板的加工质量和各电器的顺利安装。
大型电气柜中的电器元件，宜安装在两个安装横梁之间，这样，可减轻柜体重量，节约材料，另外便于安装，所以设计时应计算纵向安装尺寸；
（6）在电器布置图设计中，还要根据本部件进出线的数量、采用导线规格及出线位置等，选择进出线方式及接线端子排、连接器或接插件，并按一定顺序标上进出线的接线号。
3-5某机床主轴电机由一台笼型电动机拖动，油泵由另一台笼型电机拖动，采用直接起动方式。
试设计控制电路，其工艺要求是：
（1）主轴电机要求可以正向，反向运转，并能够实现点动控制。
（2）主轴电动机必须在油泵电动机起动后才能起动，油泵电动机必须在主轴电动机停止后才能停止。
（3）具有必要的电气保护。
解：
控制电路设计原理图如下图所示：
其中KM1控制油泵电机，KM2，KM3控制主轴电机正反转，SA1，SA2主轴电机点动转换按钮。
习题4
1.什么是可编程控制器？
解：
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其有关的设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计。
2.可编程控制器主要有哪些特点？
解：
1、可靠性高，抗干扰能力强
2、通用性强，使用方便
3、程序设计简单，易学易懂
4、采用先进的模块化结构，系统组合灵活方便
5、系统设计周期短
6、安装简便，调试方便，维护工作量小
7、对生产工艺改变适皮性强，可进行柔性生产
3．举例说明可编程控制器目前的应用场合。
解：
开关逻辑控制、模拟量控制、顺序（步进）控制、定时控制、计数控制、闭环过程控制、数据处理、通信和联网
4．简述PLC的发展概况和发展趋势。
解：
PLC的发展过程
代次
器件
功能特点
应用范围
第一代
1969~1972
1位微处理器
逻辑运算、定时、计数
替代传统的继电控制
第二代
1973~1975
8位微处理器及存储器
数据的传送和比较、模拟量的运算，产品系列化
能同时完成逻辑控制、模拟量控制
第三代
1976~1983
高性能8位微处理器
处理速度提高，向多功能及联网通信发展
复杂控制系统及联网通信
第四代
1983～至今
16位、32位微处理器
逻辑、运动、数据处理、联网功能的名副其实的多功能
分级网络控制系统
发展趋势
1、高速、大存储容量方向发展
2、向多品种方向发展
（1）采用模块化结构
（2）开发更丰富的I/O模块
（3）PLC的规模向两端发展
（4）发展容错技术
（5）增强通信网络功能
（6）实现软、硬件标准化
5．可编程控制器按组成结构形式可分为？
解：
整体式、机架模块式、分散式
6．可编程控制器按输入/输出点数可分为？
解：
小型机、中型机、大型机
7．可编程控制器根据其不同的用途可分为？
解：
顺序逻辑控制、闭环过程控制、多级分步式和集散控制系统、数字控制和机器人控制
8．比较并说明PLC与继电接触器控制系统的区别和联系。
解：
组成器件不同、触点数量不同、实施控制的方法不同、工作方式不同
9．比较并说明PLC与微机（MC）的区别和联系。
解：
（1）PLC抗干扰性能比MC强；
（2）PLC编程比MC简单；
（3）PLC设计调试周期短；
（4）PLC的输入/输出响应速度慢，有较大的滞后现象（一般为毫秒级），而MC的响应速度快（为微秒级）；
（5）PLC易于操作，人员培训时间短，而MC则较难，人员培训时间长；
（6）PLC易于维修，MC则较困难
10．比较并说明PLC与集散型控制系统的区别和联系。
解：
发展基础不同、发展方向不同、由微型计算机为主构成的集散型控制系统将被PLC构成的集散型控制系统取代。
习题5
1.可编程控制器的结构形式主要有哪两种？
它们的区别是？
解：
PLC的结构分为整体式和模块式两类。
整体式结构在一个箱体内包括有CPU，RAM，ROM，I/O接口、与编程器或EPROM写入器相连的接口、与I/O扩展单元相连的扩展口、输入输出端子、电源、各种指示灯等。
它的特点是结构非常紧凑；
模块式结构的PLC采用搭积木的方式组成系统。
这种结构形式的特点是：
CPU为独立的模块，输入、输出、电源等也是独立的模块。
要组成一个系统，只需在一块基板上插上CPU，以及电源、输入、输出模块及其它诸如通讯、计数、定位等特殊功能模块。
模块式结构使得系统配置非常灵活。
2.可编程控制器中CPU的主要任务是什么？
解：
CPU由控制器和运算器组成，它是PLC的运算和控制中枢，对整个PLC构成的控制系统而言，它起着主导核心作用。
CPU的主要任务是：
（l）诊断功能：
诊断PLC电源、内部工作电路的工作状态和所存储的用户程序中的语法错误；
（2）控制从编程器键入的用户程序和数据的接收和存储；
（3）用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入状态表或数据存储器中；
（4）PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑运算或算术运算等；
（5）根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出寄存器表的内容，再经由输出接口实现输出控制、制表打印或数据通讯等功能。
4．可编程控制器与个人计算机工作方式有何不同？
解：
微型计算机采用等待命令和中断工作方式；PLC在工业中使用对逻辑运算及稳定性要求相应较高，是采用不断循环的顺序
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