電機與拖動課程設計

1、電機與拖動課程設計前言電機與拖動是一門理論性和實踐性都較強的課程，是自動化專業(yè)必修的核心課程， 電機與拖動課程理論講授完后，結合專業(yè)特點和現(xiàn)有設備條件開展該課程的課程設計， 增強學生對課程理論知識的理解和實踐運用，加強學生電機與拖動課程綜合性工程訓練。異步電動機的起制動和調(diào)速設計關于異步電動機的起制動和調(diào)速設計，其主要根據(jù)電機與拖動實驗中的繼電器(接 觸器，時間繼電器)控制知識，完成電路圖的繪制，實現(xiàn)對異步電動機起動、調(diào)速、制 動、停止等功能。異步電動機控制動作流程：低速啟動f高速正轉(zhuǎn)運行f運行一段時間f減速運行f 運行一段時間f反轉(zhuǎn)低速運行f運行一段時間f反轉(zhuǎn)高速運行f運行一段時間f能耗制

2、動f停止。此設計題目要求對異步電機的起動、調(diào)速、制動方法的設計，以確定異步電機的最 佳起、制動和調(diào)速方案，且達到最優(yōu)配合。2.1異步電動機的起動電機起動方法的介紹電機在起動時應使啟動轉(zhuǎn)矩足夠大，確保生產(chǎn)機械正常起動；起動電流足夠小，避 免因起動對電網(wǎng)造成的沖擊；起動時間你盡量短；啟動設備簡單，操作方便；起動過程 中能耗消耗少，經(jīng)濟適用。通過綜合考慮，一般選擇起動電流Ist=(47)IN，而起動轉(zhuǎn)矩 七=“本次課程設計中電機為鼠籠式異步電機，其主要起動方法有直接起動，定子串電阻 或電抗的降壓起動，自耦變壓器的降壓起動，星-三角降壓起動，軟起動以及特殊鼠籠式 異步電機的起動。起動方法的比較在上述這

3、幾種起動方法中，每一種方法都有各自的優(yōu)點與缺點以及各自的適用范圍。對于直接起動方案：需要電機滿足自身容量不大或者輕載情況，亦或者滿足特殊要求的情況；對于定子串電阻或電抗的降壓起動這種方法：.U1st =J(X1+X 2)2 + (Rl + R 2)2mlrUl2Tst =J(R1 + R +(xi + x 2)2這種方法相當于降低定子繞組的外加電壓，而由上面公式可知，起動電流正比于定 子繞組上的電壓，因而在一定程度上，這種定子串電阻或電抗的降壓起動方法可以到達 降低起動電流的目的，但因為起動轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩將會降 低更多，因此這種方法僅適合輕載起動；對于自耦變壓器的降壓

4、起動方法：與直接起動方法相比較，采用自耦變壓器的降壓起動時，電壓降低(N2/N1)倍，但 電網(wǎng)所承擔的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩均降低【(N2/N1)*(N2/N1)】倍，可以拖動較大的負 載，但同時設備體積龐大、價格高；對于星-三角降壓起動方法：電機采用星-三角降壓起動時，電網(wǎng)所承擔的起動電流只有三角起動時的1/3,而起動轉(zhuǎn)矩也將為三角起動的1/3,相當于自耦變壓器的降壓起動抽頭為(1/.三)的情況，而與自耦變壓器的降壓起動相比，星-三角降壓起動方法簡單，只需要星-三角轉(zhuǎn)換開關， 價格便宜、重量輕；對于軟起動以及特殊鼠籠式異步電機的起動都具有一定的特殊性，更適合與一些特 殊場合，因而在本次課程中不適

5、用。因此通過嚴格比較，在此次課程設計中選用星-三角降壓起動方法，使用時間繼電器 控制星-三角降壓起動，其連線圖如圖1。2.2異步電動機的調(diào)速電機調(diào)速方法的介紹三相異步電機的調(diào)速方法主要有變極調(diào)速，變頻調(diào)速以及改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。而變極 調(diào)速又包括Y/YY接變極調(diào)速和A/YY接變極調(diào)速；變頻調(diào)速也分為基頻以下的變頻調(diào)速 和基頻以上的變頻調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速也包括改變定子電壓調(diào)速和電磁滑差離合器 調(diào)速。圖1星-三角降壓起動連線圖2.2.2 調(diào)速方法的比較在上述這幾種調(diào)速方法中，每一種方法都有各自的優(yōu)點與缺點以及各自的適用范圍。對于Y/YY接變極調(diào)速：Y/YY接變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，多用于起重機

6、或傳送帶等負載；對于 /YY接變極調(diào)速：/YY接變極調(diào)速屬于近似恒功率調(diào)速方式，多適用各種機床類負載的粗加工和精加 工等；對于基頻以下的變頻調(diào)速：保持U1/f1=常數(shù)，基頻以下的變頻調(diào)速的機械特性的硬度保持不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào) 速，且頻率連續(xù)可調(diào)，可以實現(xiàn)無極調(diào)速；對于基頻以上的變頻調(diào)速：保持U1/f1=常數(shù)，基頻以上的變頻調(diào)速的機械特性的硬度保持不變，屬于恒功率調(diào) 速，且頻率連續(xù)可調(diào)，可以實現(xiàn)無極調(diào)速；對于改變定子電壓調(diào)速：改變定子電壓，可以改變轉(zhuǎn)差率，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，但最大電磁轉(zhuǎn)矩與定子外加電壓 的平方成正比，隨著定子電壓的降低，過載能力將明顯降低，因此調(diào)壓調(diào)速僅適合與輕 載調(diào)速場合，改變定子

7、電壓調(diào)速既不屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速也不屬于恒功率調(diào)速；對于電磁滑差離合器調(diào)速：電磁滑差離合器調(diào)速是在鼠籠式異步電機的轉(zhuǎn)子機械軸上裝上一電磁滑差離合器， 通過調(diào)節(jié)離合器的勵磁電流調(diào)節(jié)離合器的輸出轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)調(diào)速。電磁滑差離合器電 機具有設備簡單、控制方便、可以實現(xiàn)平滑調(diào)速等優(yōu)點，但機械特性腳軟，調(diào)速范圍較 窄、運行效率較低。通過上面的各方面比較，如實現(xiàn)的難以成等，在本次課程設計中，我們選擇在定子 側串入電阻，以改變定子側的電壓，如圖串入R1、R2、R3三個電阻，最后實現(xiàn)調(diào)速功能， 其機械特性如圖3。圖2定子串電阻圖3改變定子電壓調(diào)速的機械特性2.3異步電動機的能耗制動三相異步電機與他勵直流電機不同，他

8、勵直流電機采用雙邊勵磁，而異步電機則采 用單邊勵磁，即僅定子繞組通電。因此異步電機無法像直流電機那樣將定子繞組從電網(wǎng) 上切除，然后串入外加電阻實現(xiàn)能耗制動。因此能耗制動時，對異步電機需要提供額外 的勵磁電源。本次課程即采用能耗制動，其電路圖如圖4,對異步電機需要提供額外的勵磁電源， 其機械特性如圖5。圖4能耗制動電路圖圖5機械特性2.4整體方案在本次課程設計中，異步電動的起動方案采用時間繼電器控制星-三角降壓起動，而 調(diào)速方案為定子側串電阻改變定子電壓調(diào)速，最后外接勵磁電源能耗制動，其整體電路 圖如圖6。圖6整體電路圖各種功能的實現(xiàn)，其操作為: 第一步按下S總開關，按下SB1, KM1通電，對

9、應電動機的由Y接法變?yōu)槿切谓臃▎?第二步按下SB3，KM3通電，R1、R2、R3串入電路中，電動機實現(xiàn)減速運行；第三步按下SB2，KM2通電，電動機反轉(zhuǎn)低速運行；第四步按下SB4，電動機反轉(zhuǎn)高速；第五步按下SB5，KM5通電，電機實現(xiàn)能耗制動。變頻器的應用變頻調(diào)速是通過改變定子繞組供電頻率來改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速的平滑調(diào)節(jié)，且可以獲得較寬的調(diào)速范圍和足夠硬的機械特性，因此變頻調(diào)速是一種 高性能的調(diào)速方式。在本次課程設計中，我們將運用變頻器改變定子繞組供電頻率已達 到改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的目的。3.1變頻器的接線 變頻器的接線圖主電路接線圖:接線制動電阻器鑲篷尺寸交頻器VFO變頻器

10、容國主回路揩子接地端子0 2 OJkW，M3.5M4o.7S. 1 SkW制動電阻主回爵/子警零接電端子 1設備地線弟3種接地）圖7主電路接線圖控制電路接線圖：接線，為造應歐洲規(guī)格指令的要求清參照笛頁的注魅事項。|畫|刨妙COM NC NO繼電器輸出0沙0-10V42DmA209 QT T0模擬輸出(05V)ii行/停止正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)開路式集電極輸出圖8控制電路接線圖接線注意事項在對變頻器主電路連線時，有以下幾點注意事項：將電源連接到輸入端子（L,N）上，電動機連接到輸出端子（U,V,W）上；電源和電動機的端子使用帶套裝的圓形壓緊式端子；主電路圖接線后，一定要確定鏈接是否牢固，否則一旦控制電路連接

11、后會因電線的進出受到限制而不能重新擰緊主電路；以最短方式連接到大容量電源變壓器（500KVA以上），在變頻器的輸入端一定要設置改善功率因數(shù)的扼流圈（可選用）；有關連接設備和電線尺寸應滿足要求；為了適應CE標記的要求，變頻器的電源輸入端，必須設置過電流、短路以及漏電的保護 設備。在對變頻器控制電路連線時，也有以下幾點注意事項：控制信號使用屏蔽線，并與動力線和強電電路分離布線（20cm以上）；控制信號的接線長度應在30cm以下；控制電路的輸入信號為微小信號，為防止接點輸入時接觸不良，需將兩個微小信號接點 并列，使用雙接點；在控制端子No.59處連接無電壓接點信號或開路式集電極信號（否則施加電壓時會

12、導致故障）；使用開路式集電極輸出驅(qū)動感應負荷時，一定要連接旁路二極管；在頻率設定中使用420ma信號時，一定要連接200Q、1/4w的電阻（如不連接電阻，變 頻器可能損壞）。3.2變頻器的運行設定頻率頻率的設定包括兩個部分，一是電位器的設定，二是數(shù)字設定。關于電位器的設定，旋轉(zhuǎn)操作板上的頻率設定鈕的角度進行設定Min的位置是停止， Max的位置是最大設定頻率。關于數(shù)字設定，按下操作板上的MODE鍵，選擇頻率設定模式（Fr），按下SET鍵后， 顯示出用上升鍵或下降鍵所設定的頻率，按下SET鍵進行確定。另外，在運行過程 中可以通過持續(xù)按著上升鍵或下降鍵而改變頻率（但參數(shù)P08為“1”時，不能使用）

13、。正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)功能按下操作板上的鍵（正轉(zhuǎn)）或鍵（反轉(zhuǎn)）來選擇旋轉(zhuǎn)方向，按下RUN鍵則開始 運行，按下STOP鍵時停止運行。但注意，僅按下RUN鍵時不會運行。直流電動機的四象限運行4.1.直流電動機的四象限運行的總體分析電力拖動系統(tǒng)能夠提供正、反向運行并能實現(xiàn)正反方向上的快速制動，其對應的電 機機械特性分別位于四象限，故稱為具有四象限運行的電力拖動系統(tǒng)。其機械特性如圖9。電壓反向的反接制動本次課程設計要求假設直流電動機驅(qū)動一個帶一定負載的小車運行，小車在A、B 兩地間運行。其動作流程：小車從A地出發(fā)，低速起動一至額定轉(zhuǎn)速運行一升速至更高 轉(zhuǎn)速下運行一運行一段時間一小車減速至額定轉(zhuǎn)速一接近B點時，小

14、車減速一制動并準 確停在B點。之后，小車從B點返回A點。4.2各流程的具體分析原理分析在本次課程設計直流電機四象限運行，通過改變電路中IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)實現(xiàn) 電機的加速，穩(wěn)速運行，減速，正向能耗制動。起動階段在連接好電路圖后，小車從A地出發(fā)，低速起動，即啟動時IN1，IN2，IN3，IN4的狀 態(tài)為0000，同時直流電機運行在第一象限。調(diào)速階段在電機正常起動后，使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0100，電機及小車加速至額定 轉(zhuǎn)速運行，此時電機仍運行在第一象限；使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0010，此時電機帶動小車繼續(xù)加速至最高速時并保 持此時轉(zhuǎn)速運

15、行一段時間，此時電機也是運行在第一象限；再使INI, IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0100，則電機減速至額定速度運行，并繼續(xù)減速 至制動前的速度，此時電機運行在第二象限。制動階段為使小車能夠準確停在B點，電機的制動設計為能耗制動，在能耗制動時，必須促 使IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)為0001，此時電機運行在第二象限。反向運行電機準確停在B點后，在反向起動電機，使電機帶動小車開始從B點向A點反向運 行。在反向時IN1為0，其余IN2, IN3, IN4的狀態(tài)和上述的運行狀態(tài)一致，其具體分析 如下：反向啟動時IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為1000，同時直流電機運行在第三象

16、限，這 是與正向起動的最大差別；在電機正常反轉(zhuǎn)后，使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為1100，電機及小車加速至反向 額定轉(zhuǎn)速運行，此時電機仍運行在第三象限；使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為1010，此時電機帶動小車繼續(xù)加速至最高速時并保 持此時轉(zhuǎn)速運行一段時間，此時電機也是運行在第三象限；再使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0100，則電機減速至額定速度運行，并繼續(xù)減速 至制動前的速度，此時電機運行在第四象限；最后使小車能夠準確停在A點，電機的制動設計任為能耗制動，在能耗制動時，必 須促使IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)為1001，此時電機運行在第四象限。4

17、.3注意事項第一，L298N 工作特性：51輸入為1時，OUT1為1，其他3對同理，主要起到放大 功率以驅(qū)動繼電器的作用；第二，單片機的第40腳接+5V電源，第20腳接地；E-:- I- 表1異步電動機的起制動和調(diào)速設計元件表RTBlXtfOF- 圖11分析圖5.元器件表圖10主電路圖fE亦RJ LRLBRTBHD5BF 雁加-RTB14EF7EXr?-。卜氐蠕M胴髭猷 蛔楠下停普 赫疝廁 普由眺，解醐自掘,雌撮期K姬鼬地 mt蟬鮮郴且嶙計輔劇性益黃.醍酬毓-定財強!,通*疔癢步非SET姑 瞞.翌睇褫郵.匪都次罰就同M蜂w IF謎黯S-他螂 另盅理虹上功田舞麗酣， 蹈袖屜a用油融 上幡戴，早京

18、工肝正乳果腿RL& 花心I .- -RL1R12F9=rHrF$STpiaHW1Pl5F3TFM即瀏m叫Pl2E巧悠ER3W5HPI叩P2TU15P2W13eaF2*I2征P23W1P21lPH柚R!嶇用叩R5TFW叫伸RiWWfl2raw印此IrammireUJ1泅rCU2湖CUB如INI VCC VSM2ounIMS1訴ounEMAENBOUTlSEFJSAOUF4SEhEB GND型號名稱數(shù)量DJ24三相鼠籠式異步電動機1件D61繼電接觸控制掛箱（一）1件D62繼電接觸控制掛箱（二）1件D41三相可調(diào)電阻箱1件直流電源1件表2直流電動機的四象限運行元件參考型號備注數(shù)量六組總計單片機AT89S51教研室室已有16電阻1Q教研室室已有16電阻10Q教研室室已有212電阻10KQ教研室室已有16電容30pF212電容10uF16IC 插槽40腳3元12個，即一排。16L298N 芯片L298N買國產(chǎn)的，約56