机电传动与控制考试样题
一．选择题（从下列各题备选答案中选出一个正确答案，再将其代号写在题后的括号内，每小题2分，共10分）
1．机电传动系统处于动态时，系统中必然存在一个动态转矩Td，当Td>0时，表示系统处于 （ B ）
A匀速运行状态;B加速运行状态;C减速运行状态;D.静止状态
2. 下列启动方法中，不能用于鼠笼式异步电动机的是 （ D ）
A电阻或电抗器降压启动； B直接启动；
C星形－三角形降压启动； D转子电路逐级切除启动电阻
3．为了实现生产设备的多点控制，接线的组成原则是 （ A ）
A各启动按钮的常开触点并联，各停止按钮的常闭触点串联 B各启动按钮的常开触点并联，各停止按钮的常闭触点并联 C各启动按钮的常开触点串联，各停止按钮的常闭触点并联 D各启动按钮的常开触点串联，各停止按钮的常闭触点串联
4．下列对他励电动机机械特性的描述，不属于人为特性的是 （ A ）
A在额定电压和额定磁通下，电枢电路内不接任何电阻时的机械特性； B电枢电路串接电阻时的机械特性； C降低电源电压时的机械特性； D改变磁通时的机械特性
5．可工作于交流电源的晶闸管形式是 （ B ）
A可关断晶闸管 B双向晶闸管 C大功率晶闸管 D功率晶闸管 二．填空题（每空1分，共10分）
1．尽管电动机种类繁多、特性各异，生产机械的负载性质也可以各种各样，但从动力学的角度来分析，都应服从动力学的一般规律，即在同一传动轴上电动机的转距TM、负载转距TL、转轴角速度w三者之间符合关系式（1）TM?TL?Jd?。 dt2．在诸如电车下坡这样的过程中，当电动机在负载的拖动下使得电动机的实际转速n大于其理想空载转速n0（即n>n0），电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变为制动转矩而产生的制动称为（2）反馈制动或再生制动或发电制动；在要求生产机械迅速减速、停车或反向的场合，将电枢电压U改变方向而产生的制动称为（3）电源反接制动。
3．为了衡量机械特性的平直程度，引进了一个机械特性硬度的概念，记作β，其定义为转距变化dT与所引起的转速变化dn的比值。根据β值的不同，可将电动机机械特性分为三类，其中若β??时称为（4）绝对硬特性。
4．异步电动机依据电磁感应和电磁力的原理使定子以低于同步转速n0的转速n旋转，其转差率S用n0和n表示的关系式为（5）S?n0?n，转差率是异步电动机的一个重要参数。 n05．为适应不同的负载，PLC可以有多种输出方式，其中双向晶闸管输出方式可用于交流负载，晶体管输出方式用于直流负载；既可用于交流负载，又可用于直流负载的输出方式是（6）
继电器输出方式；PLC的内部等效继电器中，只能由外部信号驱动，而不能用内部程序指令控制的继电器类型是（7）输入继电器。
6．短路保护用于防止突然流过短路电流而引起电动机绕组、导线绝缘及机械上的严重损坏，或防止电源损坏。常用的短路电流保护元件有（8）熔断器、（9）过电流继电器、 （10）自动开关等。
三．简答题（每题10分，共30分）
1．图1为异步电动机拖动直流他励发电机工作的特性曲线，其中n=f(TM)为电动机的机械特性，n=f(TL)为生产机械的机械特性。试判断图中b点是否为稳定平衡点，并阐述机电传动系统稳定运行的充分必要条件？（10分）
答：b点是稳定平衡点。几点传动系统稳定运行的充分必要条件是：（1）电动机的机械特性曲线n=f(TM)和生产机械的机械特性曲线n=f(TL)有交点（即拖动系统的平衡点）；（2）当转速大于平衡点所对应的转速时，TM 对应的转速时，TM>TL，即若干扰使转速小将，当干扰消除后应有TM-TL>0。 2．步进电动机步距角的含义是什么？步进电机使用中的常说的单三拍、单双六拍和双三拍分别指的是什么？（10分） 答：步进电动机是一种将电脉冲信号变换为响应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当通电状态变换一次时，转子就走一步，转过一个固定的角度，这个角度称为步距角。步进电动机的转速既取决于控制绕组通电的频率，也取决于绕组通电方式，三相异步电动机的“单”的意思是每次切换前后只有一相绕组通电，“双”指的是每次有两相绕组通电，“拍”是指从一种通电状态转换到另一种通电状态。所以“单三拍”就是指定子绕组有三相，每次只有一相绕组通电，而每一个循环只有三次通电，如A-B-C-A的通电方式；“双三拍”指每次有两相绕组通电，每个循环有三次通电，如AB-BC-CA-AB的通电方式；“单双六拍”是指单相通电和双相通电交替出现，每一个循环有六次通电，如A-AB-B-BC-C-CA-A的通电方式。 3．图2为PLC直流开关量的输入电路，试以0输入点为例说明输入电路的工作原理，并指出光电耦合器件的作用。（10分） 答：当开关K0合上时，24V电源经R、LED0、V0、K0形成回路，LED0发光，指示该路接通，同时光电耦合器的V0发光，VT0受光照饱和导通，X0输出高电平。K0未合上时，电路不通，LED0不亮， 图2 光电耦合器不导通，X0＝0，无信号输入到CPU。光电耦合器的作用有三：（a）实现现场信号与plc主机的电气隔离；（b）避免外电路出故障时，外部强电侵入主机而损坏主机，抗干扰；（c）电平转换。 四．计算题（共10分） 一台他励直流电动机的技术参数如下：PN?6.5kW，UN?220V，IN?34.4A， nN?1500r/min，Ra?0.242?，试计算出电枢中附件电阻为5?时此电动机的人为机 械特性，并绘制出机械特性曲线。 解：（1） 固有机械特性： 求Ke?N， 额定运行条件下的反电势En?Ke?NnN?UN?INRa，故 Ke?N?(UN?INRa)/nN?(220?34.4?0.24) 2/150?00.141 1求理想空载转速：n0?UN/(Ke?N)?220/0.1411?1559.2（转/分） ） 求额定转矩： TN?PNP?9.55?N?9.55?6.5?1000?1500?41.38(N?m) wnN所以(0,n0)和(TN,nN)两点的数据分别为（0，1559.2）和（41.38，1500），从而得到固有特性曲线为n=1559.2-1.43T。画出曲线图。 （2）当附加电阻为5?时，由 n?RaKeKt?N为 2UNR?Ra?adT?n0??n知道，理想空载转速不变，由于2Ke?NKeKt?N?1.43，而Ra=0.242，所以 1KeKt?N2?5.909，于是人为机械特性曲线的斜率 Rad?RaKeKt?N2?5.242*5.909?30.97， 从而，人为特性曲线为n＝1559.2-30.97T。作出曲线图。 五．分析题 图3用于实现两台电动机联合控制和分别控制的线路，其中1KM和2KM分别控制一个电动机，请说明组合开关1QB和2QB的在不同状态时该线路的工作原理。（10分） （1）1QB和2QB都在I位置时，联合 控制1KM和2KM所控制的电动机；1QB在I位置，2QB在II位置时，控制1KM控制的电动机；1QB在II位置，2QB在I位置时，控制2KM控制的电动机；1QB和2QB都在II位置时，1KM和2KM所控制的电动机均不动作。 （2）晶闸管VS上的电压波形如图1所示。 2．如图4所示单相半波可控整流电路，u2为电源电压，ug为控制极电压，试根(a)、(b)和(c)图在(d)图上画出与(b)图中等长时间的在晶闸管VS上的电压波形(b) （10分） (a) （2）晶闸管VS上的电压波形如图1所示。 (c) uVS 0 图1 六．设计题（每题10分，共20分） 1．设计一台异步电动机的控制线路（10分）。 要求： （1）能实现启、停的两地控制； （2）能实现点动调整； （3）能实现单方向的行程保护； （4）要有短路和长期过载保护。 (d) wt 图4 （1）可参考下图，图中，FU实现短路保护，FR实现过载保护,QG为开关，SB1，SB2为停止按钮，实现两地控制，SB3，SB4为两地控制连续动作控制，SB5，SB6两地控制，点动，ST和STL实现单方向的行程控制。 2．图4为用PLC实现三相异步电动机的Y-Δ启动控制，其中（a）图为主电路，（b）图为PLC外接线路，（c）图为梯形图。写出对应的指令程序（10分）。 （2）指令程序如下： LD 400 OR 430 ANI 401 OUT 430 ANI 432 OUT 450 K 10 LD 430 OUT 100 MC 100 LDI 450 ANI 432 OUT 431 LDI 431 ANI 432 OUT 451 K 2 LD 451 OR 432 OUT 432 MCR 100 END 参考 2.4 本章练习题 1．尽管电动机种类繁多、特性各异，生产机械的负载性质也可以各种各样，但从动力学的角度来分析，都应服从动力学的一般规律，即在同一传动轴上电动机的转距TM、负载转距TL、转轴角速度w三者之间符合关系式TM?TL?Jd? dt2．在分析生产实际中的多轴拖动系统时，为了列出系统的运动方程，需先将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量折算到电动机轴 上，对于静态负载转矩的折算，可以根据静态时 功率守恒 原则进行折算，对于转动惯量和飞轮转矩的折算，可根据 动能守恒 原则进行折算。 3．请列举四种典型的生产机械的机械特性。 图2-1 答：恒转矩型机械特性、离心式通风机型机械特性、直线型 机械特性和恒功率型机械特性 4．图2-1所示的各图中，TM、TL、n均为实际方向，请回答： （1）根据图示TM、TL、n的方向，列出各机电传动系统的运行方程式； （2）说明各图中TM、TL是拖动转矩，还是制动转矩； （3）说明各系统的运行状态是加速、减速还是匀速。 答：1）因按正方向的约定：TM与n同向为正；TM与n反 向，TM为负。TL与n反向，TL为正；TL与n通向，TL为负。故 图2-2 a图中 b图中 c图中 2）因T与n同向时，T为拖动转矩；T与n反向时，T为制动转矩，故 a图中TM为拖动转矩，TL为制动转矩； b图中TM、TL均为制动转矩 c图中TL为拖动转矩，TM为制动转矩 3）因动态转矩Td=TM-TL>0时加速，Td<0时为减速，Td=0时为匀速。故 a图为加速运行状态；b图为减速运行状态；c图为减速运行状态。 5．图2-2为异步电动机拖动直流他励发电机工作的特性曲线，其中n=f(TM)为电动机的机械特性，n=f(TL)为生产机械的机械特性。试判断图中b点是否为稳定平衡点，并阐述机电传动系统稳定运行的充分必要条件？ 答：b点是稳定平衡点。几点传动系统稳定运行的充分必要条件是：（1）电动机的机械特 性曲线n=f(TM)和生产机械的机械特性曲线n=f(TL)有交点（即拖动系统的平衡点）；（2）当转速大于平衡点所对应的转速时，TM 3.4 本章练习题 1．一台他励直流电动机所拖动的负载转矩TL=常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统中哪些量必然发生变化？ 答：不能改变Ia的大小；而电动势E和转速n要发生变化。（提示：注意负载TL＝常数这 个已知条件，根据机电传动系统动力学规律、转矩方程式、电势方程式等确定。 2．一台他励直流电动机，其额定数据为：PN=17kW，UN=220V，IN=91A， nN=1500r/min, Ra=0.22Ω。试求： （1）TN=？ （2）直接启动时的Ist=？ （3）如果要使启动电流不超过额定电流的两倍，求启动电阻为多少？此时启动转矩为多少？ （4）如果采用降压启动，启动电流不超过额定电流的两倍，电源电压应为多少？ 答：（1）TN=？ （2）直接启动时的Ist=？ Ist?UN220??1000ARa0.22（3）串入启动电阻Rad 'Ist?UN?2INRa?RadUN?Ra?0.99?2INUN?INRa'IstnN?Rad?启动转矩： ''Tst'?Kt?Ist?9.55Ke?NIst?9.55?9.55220?91?0.222?IN?231N?m1500（4）降压启动时的电源电压： 'U?IstRa?2INRa?2?91?0.22?40V 3．什么是机械特性硬度？根据机械特性硬度的不同，可以将电动机机械特性分为哪几类？ 答：为了衡量机械特性的平直程度，引进了一个机械特性硬度的概念，记作β ，其定义为 转距变化dT与所引起的转速变化dn的比值。根据β值的不同，可将电动机机械特性分为三类：分别为β??时的绝对硬特性，β>10时的硬特性和β<10的软特性。 4．一台直流他励电动机的铭牌数据为：PN?5.5kW，UN?220V，IN?31A， nN?1500r/min，Ra?0.71?，试绘出它的固有特性曲线。 答：解：求固有机械特性： 求Ke?N， 额定运行条件下的反电势En?Ke?NnN?UN?INRa，故 Ke?N?(UN?INRa)/nN?(220?31?0.71 )/150?00.132求理想空载转速：n0?UN/(Ke?N)?220/0.132?1667（转/分） 求额定转矩： TN?PNP?9.55?N?9.55?5.5?1000?1500?35(N?m) wnN所以(0,n0)和(TN,nN)两点的数据分别为（0，1667）和（35，1500），从而得到固有特性曲线为n=1667-4.77T。画出曲线图。 5．直流他励电动机常用的调速方法主要有哪几种？ 答：调速方法主要有（1）改变电枢供电电压U；（2）改变电枢电阻Rad；（3）改变磁通Φ 三种。 5.4 本章练习题 1．名词解释 （1）转差率 答：异步电动机转速差（n0－n）与同步转速n0的比值，称为异步电动机的转差率，即 S=（n0－n）/n0； （2）启动能力系数 答：异步电动机固有机械同特性上启动转矩与额定转矩的比值作为衡量电动机启动能力的 一个重要数据，称为启动能力系数 （3）过载能力系数 答：异步电动机固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩的比值称为电动机的过载能力系 数，它表征电动机能够承受冲击负载的能力大小。 2．三相异步电动机有哪几种调速方法？各种调速方法有何优缺点？ 答：异步电动机的调速主要有变极对数调速、变转差率调速和变频调速三大类：（一）变 极对数调速。主要针对鼠笼式异步电动机，通过改变其极对数进行调速，该种调速方式主要有 和 ? ? YY 两种方式，前者属于恒转矩调速，后者属于恒功率调速。变极对数调速时，为保证改变极对数后转向不变，要注意同时改变相序，设计控制线路时要特别注意。一般先低速，后高速，这样才有大的启动转矩。（二）改变转差率调速。改变转差率调速又有调压调速、转子电路串电阻调速、串级调速和电磁转差离合器调速等几种形式。调压调速方法能够实现无级调速，但当电压降低时，转矩按电压的平方比例减少，所以调速范围不大，对于风机设备的调速范围稍宽一点；转子电路串电阻调速适应于绕线式电动机，是有级调速，随转速降低，特性变软，启动电阻兼作调速电阻用，要考虑发热和低速损耗，多用在重复短期运转的生产机械中，如起重运输设备；串级调速运行效率高，但设备体积随调速范围的扩大而增大，故造价较高；电磁转差离合器调速结构简单，运行可靠，维护较方便，能平滑调速，但低速时损耗大，效率低。（三）变频调速。这种调速方式可实现平滑调速，多用于鼠笼式异步电动机，可采用SCR和PWM调速，调速性能较好。 3．三相异步电动机的制动形式有几种？分别是什么？ 答：三相异步电动机的制动主要有三种形式：反馈制动、反接制动和能耗制动。其中反接 制动又进一步分为电源反接和倒拉反接。 4．鼠笼式异步电动机是否可以直接启动？鼠笼式异步电动机的启动方法主要有哪些？ 答：鼠笼式异步电动机可以直接启动（全压启动）。鼠笼式异步电动机的启动方法有 a.直 接启动；b.电阻或电抗器降压启动；c. Y-?降压启动；d.自耦变压器降压启动；e.延边三角形启动；线绕式异步电动机的启动方法有：a. 逐级切除启动电阻法；b. 频敏变阻器启动法。 8.4 本章练习题 1．过电流继电器与热继电器有和区别？各有什么用途？ 答：电流继电器是根据电流信号而动作的。如在直流并激电动机的励磁线圈里串联一电流 继电器，当励磁电流过大时，它的触头便打开，从而控制接触器以切除电动机的电源，防止因电动机短路或过大的电枢电流（如严重过载）而损坏电动机。电动机带有比额定负载稍高一点的负载长期运行，会因发热而导致温度升高，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损坏，常用热继电器进行保护。 2．常用的短路保护元件主要有哪些？ 答：常用的短路保护元件有熔断器、过电流继电器、自动开关等。 3．为什么热继电器不能做短路保护而只能做长期过载保护？而熔断器则相反，为什么？ 答：长期过载是电动机带有比额 定负载稍高一点的负载长期运行，这样会因发热而导致温度升高，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损坏，常用的保护器件有热继电器等，由于短路或瞬时流过大电流时，并没有 图1 明显发热现象，所以热继电器不能用于短路保护。短路保护的作用在于防止电动机突然流过短路电流而引起电动机绕组、导线绝缘及机械上的严重损坏，或防止电源损坏。此时，保护装置应立刻可靠地使电动机与电源断开，常用器件有熔断器等，长期过载时，电流并没有大到足以使熔断器断开，所以熔断器也不能用于长期过载保护。 4．图8-1为鼠笼式异步电动机定子串电阻启动的自动控制线路。KT为时间继电器，实现了启动过程的按时间控制。分析该自动控制线路的工作原理。 答：按下启动按钮1SB，接触器1KM立即动作，于是在电动机M的定子中传入电阻RST， 降压启动，与此同时，1KM的一个动合辅助触点自锁工作，另一个接通时间继电器KT的线圈，开始延时，待电动机启动完了，延时结束，KT的延时闭合触点闭合使接触器2KM得电，2KM的动合主触点将启动电阻RST短接，电动机全电压工作，这时2KM的动断辅助触点断开1KM线圈的回路，另一个动合触点使其自锁。 5．设计一台异步电动机的控制线路，要求： （1）能实现启、停的两地控制； （2）能实现点动调整； （3）能实现单方向的行程保护； （4）要有短路和长期过载保护。 答：可参考下图，图中，FU实现短路保护，FR实现过载保护,QG为开关，SB1，SB2为 停止按钮，实现两地控制，SB3，SB4为两地控制连续动作控制，SB5，SB6两地控制，点动，ST和STL实现单方向的行程控制。 9.4 本章练习题 1．图9-1为PLC直流开关量的输入电路，试以0输入点为例说明输入电路的工作原理，并指出光电耦合器件的作用。 图9-1 答：当开关K0合上时，24V电源经R、 LED0、V0、K0形成回路，LED0发光，指示该路接通，同时光电耦合器的V0发光，VT0受光照饱和导通，X0输出高电平。K0未合上时，电路不通，LED0不亮，光电耦合器不导通，X0＝0，无信号输入到CPU。光电耦合器的作用有三：（a）实现现场信号与plc主机的电气隔离；（b）避免外电路出故障时，外部强电侵入主机而损坏主机，抗干扰；（c）电平转换。 2．PLC的输出接口有哪几种形式，各用于哪些场合？ 答：为适应不同的负载，PLC的输出接口有多种方式。常用的有晶体管输出方式、晶闸管 输出方式和继电器输出方式。晶体管输出方式用于直流负载；双向晶闸管输出方式用于交流负载，继电器输出方式可用于直流负载，也可用于交流负载。 3．什么是PLC的扫描周期？简述PLC的工作过程？ 答：PLC 的基本工作过程有〔1〕输入现场信息；〔2〕执行程序；〔3〕输出控制信号等； 上述过程执行完后，又重新开始，反复地执行。每执行一遍所需的时间称为扫描周期。 4．在PLC的程序末了，使用或不使用END指令是否有区别？为什么？ 答：程序终了加上END语句，表示程序结束，可以缩短扫描运算周期；将END指令插入 各程序段之后，可以方便地调试检查各段程序的动作，各段动作确认无误后，再依次清楚END语句。使用END语句时，PLC扫描到END指令，便自动返回，如果无END指令，则程序在000到PLC允许的用户程序长度（如F-40型PLC为890步）之间反复执行。所以，如果加入END指令，则缩短了扫描周期，加快了PLC的扫描速度；反之，如无END指令，既增加运算速度，也易引起系统出错。 5．图9-2为用PLC实现三相异步电动机的Y-Δ启动控制，其中 图9-2 （a）图为主电路，（b）图为PLC外接线路，（c）图为梯形图。写出对应的指令程序 答：LD 400 OR 430 ANI 401 OUT 430 ANI 432 OUT 450 K 10 LD 430 OUT 100 MC 100 LDI 450 ANI 432 OUT 431 LDI 431 ANI 432 OUT 451 K 2 LD 451 OR 432 OUT 432 MCR 100 END 10.4 本章练习题 1．晶闸管的导通条件是什么？导通后流过晶闸管的电流决定于什么？晶闸管由导通转变为 阻断的条件是什么？阻断后它所承受的电压大小决定于什么？（10分） 答：晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通；晶闸管导通后，通过晶闸 管的电流由电源电压和负载的大小决定；晶闸管由导通恢复到阻断状态时，必须把阳极正向电压降低到一定值（断开或反向）；阻断后所能承受的电压取决于反向不重复峰值电压和断态不重复峰值电压中较小的一个。 2．如图10-1所示，若在t1时刻合上开关S，t2时刻断开S，试画出负载电阻R上的电压波形和晶闸管上的电压波形。 答：画出负载电阻R上的电压波形和晶闸管上的电压波形分别如图中所示。 3.名词解释：（1）逆变器 答：对应于整流的逆向过程，利用晶闸管电路把直流电变成交流电，称之为逆变，把直流 电变成交流电的装置，叫做逆变器 （2）变流器 答：同一套晶闸管电路既可实现整流，又可实现逆变，这种装置称为变流器 （3）有源逆变 答：变流器工作在逆变状态时，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为 同频率的交流电反馈到电网去，叫有源逆变 （4）无源逆变 答：如果变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载， 则称为无源逆变。 4．单相电源逆变器的电压控制方法主要有哪些？ 答：控制方法有：（1）控制逆变器的输入直流电压。a.如果电源为交流，可以通过可控整 流电路，把交流电变成可调的直流输入到逆变器，从而控制逆变器的输出交流电压；b.若为直流电源，则可利用直流变成交流，控制逆变器或斩波器来改变直流输入电压的大小。（2）在逆变器内部的电压控制。a.脉宽控制；b.脉冲宽度调制。 13.4 本章练习题 1．三相步进电动机一般有单三拍、单双六拍及双三拍等通电方式，其中的“单”、“双”、“拍”分别指的是什么？ 答：“单”、“双”、“拍”的意思是：“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电；“双”就是 指每次有亮相绕组通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。 2．一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲源频率为600Hz，求： （1）写出一个循环的通电过程； （2）求步进电动机的步距角?； （3）求步进电动机转速n。 答：（1）脉冲分配方式有两种： A-AB-B-BC-C-CA-A和A-AC-C-CB-B-BA-A （2）根据??360?，其中，K=2 m=3 Z=40得到?＝360?/（40×2×3）＝1.5? ZKm （3）根据转速n?得n?60,其中f＝600Hz KmZ60?600r/min?150r/min 2?3?403．若一台BF系列四相反应式步进电动机，其步距角为1.8?/0.9?。试问： （1）1.8?/0.9?表示什么意思？ （2）转子齿数是多少？ （3）写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。 （4）在A相测得电源频率为400Hz时，其每分钟的转速为多少？ 答：1）根据步进电动机结构的概念可知，1.8?/0.9?分表表示单四拍运行的步距角和单双 八拍运行的步距角，即单四拍??1.8?，单双八拍??0.9?。 （2）根据??360?360??50 ，以单四拍为例计算得Z?ZKm1.8??4?1（3）四相八拍运行的通电顺序可以为 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A （4）根据n?60f60f60?400?r/min?60r/min ，当四相八拍运行时，n?KmZKmZ4?2?50