电气控制系统设计课后答案要点.docx
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电气控制系统设计课后答案要点
第1章绪论
习题与思考题
1－1什么是低压电器?
低压电器按用途分哪几类?
低压电器的主要技术参数有哪些?
选用低压电器时应注意什么问题?
【参考答案】
1、什么是低压电器?
低压电器通常是指工作在交流1200V或直流1500V以下的电器。
2、低压电器按用途分哪几类?
按用途分为低压配电电器和低压控制电器。
低压配电电器主要用于低压配电系统中，实现电能的输送和分配，以及系统保护。
低压控制电器主要用于电气控制系统。
3、低压电器的主要技术参数有哪些?
（1）额定电压。
一般指额定工作电压。
指在规定条件下，保证电器正常工作的工作电压值。
（2）额定电流
一般指额定工作电流。
指在规定条件下，保证开关电器正常工作的电流值。
（3）操作频率与通电持续率
开关电器每小时内可能实现的最高操作循环次数称为操作频率。
通电持续率是电器工作于断续周期工作制时有载时间与工作周期之比，通常以百分数表示。
（4）机械寿命和电寿命
机械开关电器在需要修理或更换机械零件前所能承受的无载操作次数，称为机械寿命。
在正常工作条件下，机械开关电器无需修理或更换零件的负载操作次数称为电寿命。
4、选用低压电器时应注意什么问题?
（1）安全原则。
安全可靠是对任何电器的基本要求，保证电路和用电设备的可靠运行是正常生活与生产的前提。
（2）经济原则。
经济性包括电器本身的经济价值和使用该种电器产生的价值。
前者要求合理适用，后者必须保证运行可靠，不能因故障而引起各类经济损失。
（3）选用低压电器的注意事项。
在选用低压电器时，必须明确被控制对象的类型和使用环境；明确有关的技术数据，如被控制对象的额定电压、额定功率、操作要求和工作制等；电器的工作环境，如周围温度、湿度、海拔高度、震动和有害气体等方面的情况；电器的技术性能，如用途、种类、控制能力、通断能力和使用寿命等。
1－2电磁机构有哪些组成部分?
铁心和衔铁的结构形式分哪几种?
【参考答案】
1、电磁机构有哪些组成部分?
电磁系统是各种自动化电磁式电器的感测部分，其作用是产生电磁吸力（动力），将电磁能转换成机械能，带动触点实现闭合或断开。
一般由电磁线圈（吸力线圈）、动铁芯（衔铁）和静铁芯等组成。
2、铁心和衔铁的结构形式分哪几种?
铁心和衔铁的结构形式分拍合式电磁铁和直动式电磁铁。
1－3触头的形式有哪几种?
常见灭弧方法有哪些?
【参考答案】
1、触头的形式有哪几种?
触头（触点）是用来接通或断开电路的，其结构形式很多。
按其接触形式分为点接触、线接触和面接触3种。
2、常见灭弧方法有哪些?
（1）电动力吹弧。
（2）窄缝灭弧。
（3）栅片灭弧。
（4）磁吹灭弧。
1－4电气控制系统的电路图中的SB、KM、KT、QS、SQ、FU、BTE分别是什么电器的文字符号？
【参考答案】
SB：
按钮开关
KM：
接触器
KT：
时间继电器
QS：
手动三极开关
SQ：
行程开关
FU：
保险丝
BTE：
热继电器
1－5请画出3种电气元件的图形符号。
【参考答案】
接触器动合触点笼型三相异步电动机按钮动合触点
1－6请写出阅读电气控制系统电路图的一般步骤。
【参考答案】
阅读和分析电气控制电路图的方法主要有两种，即查线看图法（直接看图法）和逻辑代数法（间接读图法）。
以查线看图法为例说明阅读电气控制系统电路图的一般步骤。
1、看主电路的步骤
（1）看清主电路中的用电设备。
（2）要弄清楚用电设备是用什么电气元件控制的。
（3）了解主电路中所用的控制电器及保护电器。
（4）看电源。
要了解电源电压等级，是380V还是220V，是配电屏供电还是从发电机组接出来的。
2、看辅助电路的步骤
（1）看电源。
首先看清电源的种类，是交流的还是直流的。
其次，要看清辅助电路的电源是从什么地方接来的，及其电压等级。
（2）了解控制电路中所采用的各种继电器、接触器的用途。
（3）根据控制电路来研究主电路的动作情况。
（4）研究电气元件之间的相互关系。
（5）研究其他电气设备和电气元件。
第2章常用低压电器
习题与思考题
2－1交流接触器在衔铁吸合前的瞬间，为什么在线圈中产生很大的电流冲击？
直流接触器会不会出现这种现象？
为什么？
【参考答案】
1、交流接触器在衔铁吸合前的瞬间，为什么在线圈中产生很大的电流冲击？
交流接触器的线圈是一个电感，是用交流电工作的，吸合前线圈内部没有铁心，电感很小，阻抗也就很小，所以电流大；吸合后铁心进入线圈内部，电感量增大，阻抗增大，所以电流就降下来了。
2、直流接触器会不会出现这种现象？
为什么？
直流接触器线圈通的是直流电，受频率变化的影响小，直流接触器工作电流主要取决于其内部电阻，所以不会产生冲击电流。
2－2交流接触器和直流接触器能否互换使用?
为什么？
【参考答案】
按照接触器的主触点控制的主回路电流是交流还是直流分为交流或直流接触器，与接触器线圈中电流的形式无关。
交流接触器与直流接触器结构大体相同，都由电磁动作机构、触点系统和灭弧装置三大部分构成，其工作原理完全相同，控制方式完全相同，但具体结构和用途存在差异。
（1）电磁机构不同。
交流接触器的电磁铁由E型铁芯和线圈构成，铁芯中通过交变磁通；直流接触器电磁部分的采用转动式动铁芯,铁芯中磁通恒定。
（2）灭弧措施不同。
（3）自身耗能不同。
（4）选用方法不同。
交流接触器和直流接触器一般情况下是不能混用的，在特殊场合，交流接触器与直流接触器可以相互代用，但代用时需增设辅助电路。
2－3闸刀开关在安装时，为什么不得倒装？
如果将电源线接在闸刀下端，有什么问题？
【参考答案】
1、闸刀开关在安装时，为什么不得倒装？
使用刀开关时的应注意，刀开关在安装时，手柄要向上，不得倒装或平装，以避免由于重力自动下落而引起误动合闸；接线时，应将电源线接在上端，负载线接在下端，这样拉闸后刀开关的刀片与电源隔离，既便于更换熔丝，又可防止可能发生的意外事故。
2、如果将电源线接在闸刀下端，有什么问题？
如果将电源线接在闸刀下端，可能会由于重力自动下落而引起误动合闸。
2－4哪些低压电器可以保护线路的短路？
【参考答案】
（1）熔断器
熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。
熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护。
（2）低压断路器
低压断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁通断的控制。
在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。
（3）隔离开关熔断器组和熔断器式隔离开关
隔离开关在电路中主要起到接通和分断电源的作用，广泛应用于开关柜或与终端电器配套的配电装置中。
其中隔离开关熔断器组和熔断器式隔离开关不但具有隔离电源的作用，还具有短路保护的功能，所以在低压配电系统中较为常用。
2－5两个线圈为AC110V的交流接触器同时动作时，能否将两个接触器的线圈串联到AC220V的控制回路中?
【参考答案】
不能将两个线圈为AC110V接触器的线圈串联到AC220V的控制回路中。
如果两个接触器的线圈串联，通电后，两个线圈可视作同时得电。
但由于静铁心磁化后产生的吸力不可能完全相等，所以两个动铁心吸合必定有快有慢。
铁心先吸合的接触器在铁心吸合后线圈电感增大，其端电压也大，这就可能导致另一个接触器线圈压降过低，铁心一直吸合不上。
这就相当于单独的一个110V接触器接在220V电路中了，当然导致控制电路回路中电流过大，时间一长可能会烧毁线圈。
2－6时间继电器和中间继电器在电路中各起什么作用？
【参考答案】
（1）中间继电器本质上是电压继电器，在控制电路中起逻辑变换和状态记忆的功能，当其它继电器的触点数或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触点容量，从而起到中间转换的作用。
（2）时间继电器是一种利用电磁原理、机械原理或电子原理实现延时控制的控制电器。
时间继电器的特点是：
当得到控制信号后（如继电器线圈接通或断开电源），其触点状态并不立即改变，而是经过一段时间的延迟之后，触点才闭合或断开，因此这种继电器又称为延时继电器。
时间继电器的种类很多，按延时方式分为通电延时型和断电延时型两种。
2－7热继电器在电路中起什么作用？
其工作原理是什么？
热继电器触点动作后，能否自动复位？
【参考答案】
1、热继电器在电路中起什么作用？
其工作原理是什么？
热继电器是一种电气保护元件，是利用电流的热效应来推动动作机构使触点闭合或断开的保护电器，主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡保护以及其他电气设备发热状态时的控制。
2、热继电器触点动作后，能否自动复位？
热继电器动作后一般不能自动复位，要等双金属片冷却后才能复位。
分为手动和自动两种形式，通过调整复位螺钉可自行选择。
手动复位时间一般不大于5min，自动复位时间不大于2min。
2－9带断相保护和不带断相保护的三相式热继电器各用在什么场合？
【参考答案】
热继电器有两相结构和三相结构之分，其中三相热继电器又有带断相保护装置和不带断相保护装置之分。
若用热继电器作电动机缺相保护，应考虑电动机的接线方式。
（1）对于Y形接法的电动机，当某一相断线时，其余未断相绕组的电流与流过热继电器电流的增加比例相同。
一般的三相式热继电器，只要整定电流调节合理，均可实现对Y形接法的电动机的断相保护。
（2）对于Δ形接法的电动机，其某一相断线时，流过未断相绕组的电流与流过热继电器的电流增加比例不同。
也就是说，流过热继电器的电流不能反映断相后绕组的过载电流，因此，一般的热继电器，即使是三相结构的热继电器，也不能为Δ形接法的三相异步电动机的提供断相保护。
此时应选用JR20型或T系列这类带有差动断相保护机构的热继电器。
2－10熔断器在电路中的作用是什么?
【参考答案】
熔断器是根据电流超过规定值一定时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。
熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，是应用最普遍的保护器件之一。
2－11比较熔断器与热继电器作用的不同？
两者可以相互替代吗？
【参考答案】
熔断器和热继电器的作用各不相同，两者不可以替换。
（1）熔断器用于过载、短路保护。
在电动机为负载的电路中，熔断器是一种广泛应用的最简单有效的短路保护电器，它串联在电路中，当通过的电流大于规定值时，使熔体熔化而自动分断电路，要求它作用的时间短，以保护负载。
（2）热继电器主要用于过载保护。
热继电器是一种利用流过继电器的电流所产生的热效应而反时限动作的过载保护电器，在电动机为负载的电路中，热继电器用来对连续运行的电动机进行过载保护，以防止电动机过热而造成绝缘破坏或烧毁电动机。
据此，使熔断器作用的电流很大，过载电流不足以使其作用，所以它不能代替热继电器实施过载保护。
而由于热惯性，热继电器内金属片加热需要几秒钟，虽然短路电流很大，但也不能使热继电器瞬间动作，因此它不能代替熔断器用作短路保护。
在电动机主电路中既要装熔断器，实现短路保护，也要装热继电器，实现过载保护。
2－12低压断路器在电路中可以起到哪些保护作用?
【参考答案】
低压断路器俗称自动开关或空气开关，用于低压配电电路中不频繁通断的控制。
在电路发生短路、过载或欠电压等故障时能自动分断故障电路，是一种控制兼保护电器。
2－13画出下列电器元件的图形符号，并标出其文字符号。
（1）熔断器，
（2）热继电器，（3）按钮，（4）时间继电器，（5）中间继电器，（6）过电流继电器，（7）限位开关，（8）速度继电器，（9）断路器，（10）接触器。
【参考答案】
名称
图形符号
文字符号
熔断器
FU
热继电器
热元件
BTE
动断触点
按钮
动合触点
SB
动断触点
时间继电器
断电延时线圈
KT
通电延时线圈
延时断开的动合触点
延时闭合的动断触点
延时闭合的动合触点
延时断开的动断触点
接触器
接触器线圈
KM
接触器主触点
接触器动断辅助触点
接触器动合辅助触点
中间继电器
继电器线圈
KA
继电器动断触点
继电器动合触点
过电流继电器
BC
限位开关
动断触点
SQ
动合触点
速度继电器
转子
常开触点
常闭触点
断路器
QF
2－14一台长期工作的三相交流异步电动机的额定功率13KW，额定电压380V，额定电流25.5A，试按电动机需要选择接触器和热继电器的型号、规格。
【参考答案】
交流接触器按负荷种类一般分为一类、二类、三类和四类，控制鼠笼型异步电动机的运转可选用三类交流接触器。
根据被控对象和工作参数如电压、电流、功率、频率及工作制等确定接触器的额定参数。
（1）接触器的线圈电压：
AC220V
（2）主触点的额定电压：
AC380V
（3）主触点的额定电流：
25.5A
（4）对于长时工作制和重任务型电机，接触器额定电流大于电动机的额定电流。
接触器可选择CJ20-40，可控制的三相鼠笼型电动机的最大功率33KW，额定发热电流55A。
主触点和辅助触点的数量应能满足控制系统的需要。
热继电器的保护对象是电动机，故选用时应了解电动机的技术性能、启动情况、负载性质以及电动机允许过载能力等。
长期稳定工作的电动机，可按电动机的额定电流选用热继电器。
取热继电器整定电流的0.95～1.05倍或中间值等于电动机额定电流。
使用时要将热继电器的整定电流调至电动机的额定电流值。
热继电器可选择JR16-60，额定电压AC380V，额定电流20A，热元件最小规格14～22A，最大规格10～63，档数4档。
2－16试说出交流接触器与中间继电器的相同及不同之处。
【参考答案】
接触器是一种根据外来输入信号利用电磁铁操作，频繁地接通或断开交、直流主电路及大容量控制电路的自动切换电器，主要用于控制电动机、电焊机、电热设备、电容器组等。
接触器主接点一般只有常开接点，而辅助接点常有两对具有常开和常闭功能的接点，小型的接触器也经常作为中间继电器配合主电路使用。
中间继电器：
用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。
它用于在控制电路中传递中间信号。
（1）相同点
中间继电器的结构和原理与交流接触器基本相同，都是通过控制线圈来控制触点的断开和闭合，它们都有常开、常闭点。
（2）不同点
接触器的主触头可以通过大电流，交流接触器是广泛用作电力的开断和控制电路。
它利用主接点来开闭电路，用辅助接点来执行控制指令。
中间继电器没有主触点，触头只能通过小电流。
所以，辅助触头数量比较多，中间继电器它只能用于控制电路中。
另外，中间继电器一般是直流电源供电，少数使用交流供电。
第3章基本控制电路
习题与思考题
3－1三相笼型异步电动机启动方式有哪两种?
各有什么特点?
分别适用于什么场合?
【参考答案】
电动机启动是指电动机的转子由静止状态变为正常运转状态的过程。
笼型异步电动机有两种启动方式：
（1）直接启动（或全压启动）
（2）降压启动。
直接启动是一种简单、可靠、经济的启动方法，在小型（容量一般在10kW以下）电动机中广泛使用。
电动机直接起动时，起动电流为额定电流的4~7倍，过大的启动电流一方面将会造成电网电压显著下降，影响在同一电路上的其他用电设备的正常运行，另一方面电动机频繁启动会严重发热，加速线圈老化，缩短电动机的寿命。
因而对容量较大的电动机，采用降压启动，以减小启动电流。
3－2试叙述“自锁”、“互锁”的含义，并举例说明各自的作用。
【参考答案】
1、自锁
在通常的电路中，按下开关，电路通电；松开开关，电路又断开了。
一旦按下开关，就能够自动保持持续通电，直到按下其它开关使之断路为止；这样的电路，称为自锁电路。
图3-1接触器互锁正反转控制电路
2、互锁
互锁实际上是一种连锁关系，两个不同的节点各自串联在对应在电路中互相制约。
例如，常常有这种要求，两台接触器KM1和KM2只能有一台工作，不允许同时工作。
当KM1线圈通电时，KM2线圈不能通电。
如图3-1电机正反转电路。
合上电源开关QF。
当需要电动机正转时，按下正转启动按钮SB2，接触器KM1线圈得电吸合，其主触点闭合接通电动机M的正转电源，电动机M启动正转。
同时，接触器KM1的辅助常开触点闭合自锁，使得松开按钮SB2时，接触器KM1线圈仍然能够保持通电吸合。
而串接在接触器KM2线圈回路的接触器KM1辅助常闭触点断开，切断接触器KM2线圈回路的电源，使得在接触器KM1得电吸合，电动机M正转时，接触器KM2不能得电，电动机M不能接通反转电源。
这种利用接触器常闭触点互相控制的方法叫接触器互锁，实现互锁作用的辅助常闭触点叫做互锁触点。
当电动机M需要停车时，按下停车按钮SB1，接触器KM1线圈失电释放，所有常开、常闭触点复位，电动机M停车。
3－3试画出某机床主电动机控制电路图。
要求：
①可正反转；
②可点动、两处起停；
③可反接制动；
④有短路和过载保护；
⑤有安全工作照明及电源信号灯。
【参考答案】
1、主回路及控制电路原理图
图3-2所示为交流异步电动机可逆运行反接制动主回路，图3-3为其控制回路。
图中：
QF1为低压断路器，起开关，以及短路、过载或欠电压保护功能。
KM1、KM2为正、反转接触器，KM3为短接电阻接触器，R为启动与制动电阻。
FR为热继电器，起过载保护。
FU1、FU2、FU3为保险丝，起短路保护作用。
KA1~KA3为中间继电器
KS为速度继电器，其中，KS1为正转闭合触点，KS2为反转闭合触点
SB1为就地停止，SB11为远程停止。
SB2为就地正转，SB13为远程正转，SB12为点动正转。
SB3为就地反转，SB15为远程反转，SB14为点动反转。
TC为控制变压器，HL为电源指示灯，EL为照明指示灯。
图3-2电机主回路
图3-3电机控制回路
2、控制线路工作原理分析
（1）正向就地启动
（2）正向远程启动
正向远程启动与正向就地启动过程一样，只需要相应的按下远程启动按钮SB13.
（3）正向就地点动
（4）就地反接制动
（4）远程反接制动
远程反接制动过程与该过程一样，只需要相应的按下远程反接制动按钮SB11。
（5）电动机反向启动和停车反接制动过程
电动机反向启动和停车反接制动过程与正向启动和停车反接制动过程相同，请读者自己分析。
3－4试设计两台笼型电动机M1和M2的顺序启动、停止的控制电路。
具体要求如下：
（1）M1、M2能顺序启动，并能同时或分别停止。
（2）M1启动后M2启动，M1可点动，M2可单独停止。
（3）M1先启动，经10s后M2自行启动。
（4）M1启动后M2才能启动，停止时，M2停止后M1才能停止。
【参考答案】
1、主回路及控制电路原理图
图3-4三相异步电动机的顺序控制原理图
图中：
QF为低压断路器，起开关，以及短路、过载或欠电压保护功能。
KM1为M1电机接触器
KM2为M2电机接触器。
FR1、FR2为热继电器，起电机过载保护。
FU1、FU2为保险丝，起短路保护作用。
SB1为总停止按钮，按下后M1、M2同时停止。
SB2：
M1启动按钮
SB3：
M1停止按钮
SB4：
M1点动按钮
SB5：
M2启动按钮
SB6：
M2停止按钮
KT1：
通电延时继电器
2、工作原理分析
（1）启动
合上QF断路器，按下SB2电机M1启动，此时，若再按下SB5，电机M2启动。
要想启动M2电机，必须先启动M1电机。
M1电机启动后，KT1通电延时继电器线圈得电，经10s延时，KT1延时闭合常开触点闭合，M2电机自动启动。
（2）停止
若停止M2电机，可按下SB6按钮，KM2线圈失电，M2接触器主触点断开，常开触点断开，为停止M1电机做准备。
若停止M1电机，必须先按下SB6停止M2电机，KM2常开触点断开，此时按下SB3，可停止M1电动机。
3－6设计工作台前进－退回控制路。
工作台由电动机M驱动，行程开关SQ1、SQ2分别装在工作台的原位和终点。
要求：
（1）实现工作台的往复运动
（2）有终端保护
【参考答案】
1、电路图原理图
工作台电路原理图如图3-5所示。
图3-5工作台电路原理图
图中：
QF：
低压断路器
FU1、FU2保险丝
KM1：
电机正转接触器（前进）
KM2：
电机正转接触器（后退）
SQ1、SQ2、SQ3、SQ4：
行程开关，其中SQ1、SQ2起点和终点。
SQ3、SQ4起终端保护作用。
将这两个位置开关SQ1、SQ3的常闭触头分别串接在正转控制电路中，将另两个位置开关SQ2、SQ4的常闭触头分别串接在反转控制电路中，将SQ2常开与按钮SB2的常开触头及接触器KM1的常开自锁触头并联接在正转电路中，将SQ1常开与按钮SB3的常开触头及接触器KM2的常开自锁触头并联接在反转电路中。
当位置开关动作后，常闭触头先分断，工作台停止运动；常开触头后闭合，工作台反向运动。
2、工作原理
该线路的工作原理简述如下：
第4章典型电气控制系统分析
习题与思考题
4－1说明机床电气原理图分析的基本方法与步骤。
【参考答案】
1、电气控制系统分析的方法
对生产设备电气控制系统进行分析时，首先需要对设备整体有所了解，在此基础上，才能有效地针对设备的控制要求，分析电气控制系统的组成与功能。
设备整体分析包括如下三个方面：
（1）机械设备概况调查。
通过阅读生产机械设备的有关技术资料，了解设备的基本结构及工作原理、设备的传动系统类型及驱动方式、主要技术性能和规格、运动要求等。
（2）电气控制系统及电气元件的状况分析。
明确电动机的用途、型号规格以及控制要求，了解各种电器的工作原理、控制作用及功能。
（3）机械系统与电气控制系统的关系分析。
明确机械系统与电气系统之间的联接关系，即信息采集传递和运动输出的形式和方法。
2、分析电气控制系统的步骤
（1）设备运动分析。
分析生产工艺要求的各种运动及其实现方法，对有液压驱动的设备要进行液压系统工作状态分析。
（2）主电路分析。
确定动力电路中用电设备的数目、接线状况及控制要求，控制执行件的设置及动作要求，包括交流接触器主触点的位置，各组主触点分、合的动作要求，限流电阻的接入和短接等。
（3）辅助电路分析。
分析各种控制功能实现的方法及其电路工作原理和特点。
经过“化整为零”，分析每一个局部电路的工作原理以及各部分之间的控制关系之后，还必须“集零为整”，统观整个电路的保护环节以及电气原理图中其他辅助电路（如检测、信号指示、照明等电路）。
检查整个控制线路，看是否有遗漏，特别要从整体角度，进一步检查和理解各控制环节之间的联系，理解电路中每个元件所起的作用。
4－2试述车床主轴正反转控制与铣床主轴正反转控制有何不同。
【参考答案】
（1）车床主轴正反转控制
车床主轴的正反转是通过主电动机的正反转来实现的，即通过控制正转接触器KM1、反转接触器KM2实现。
主电动机M1的额定功率为30kW，但只是车削加工时消耗功率较大，而启动时负载很小，因此启动电流并不很大，在非频繁点动的情况下，仍可采用全压直接起动。
（2）铣床主轴正反转控制
由于大多数情况下一批或多批工件只用一种铣削方式，并不需要经常改变电动机转向，即铣床是以顺铣方式加工还是逆铣方式加工，开始工作前已选定，在加工过程中
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