電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)

1、電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)前言電機(jī)與拖動(dòng)是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，是自動(dòng)化專業(yè)必修的核心課程， 電機(jī)與拖動(dòng)課程理論講授完后，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和現(xiàn)有設(shè)備條件開展該課程的課程設(shè)計(jì)， 增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解和實(shí)踐運(yùn)用，加強(qiáng)學(xué)生電機(jī)與拖動(dòng)課程綜合性工程訓(xùn)練。異步電動(dòng)機(jī)的起制動(dòng)和調(diào)速設(shè)計(jì)關(guān)于異步電動(dòng)機(jī)的起制動(dòng)和調(diào)速設(shè)計(jì)，其主要根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的繼電器(接 觸器，時(shí)間繼電器)控制知識(shí)，完成電路圖的繪制，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速、制 動(dòng)、停止等功能。異步電動(dòng)機(jī)控制動(dòng)作流程：低速啟動(dòng)f高速正轉(zhuǎn)運(yùn)行f運(yùn)行一段時(shí)間f減速運(yùn)行f 運(yùn)行一段時(shí)間f反轉(zhuǎn)低速運(yùn)行f運(yùn)行一段時(shí)間f反轉(zhuǎn)高速運(yùn)行f運(yùn)行一段時(shí)間f能耗制

2、動(dòng)f停止。此設(shè)計(jì)題目要求對(duì)異步電機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)方法的設(shè)計(jì)，以確定異步電機(jī)的最 佳起、制動(dòng)和調(diào)速方案，且達(dá)到最優(yōu)配合。2.1異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電機(jī)起動(dòng)方法的介紹電機(jī)在起動(dòng)時(shí)應(yīng)使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，確保生產(chǎn)機(jī)械正常起動(dòng)；起動(dòng)電流足夠小，避 免因起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊；起動(dòng)時(shí)間你盡量短；啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便；起動(dòng)過程 中能耗消耗少，經(jīng)濟(jì)適用。通過綜合考慮，一般選擇起動(dòng)電流Ist=(47)IN，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 七=“本次課程設(shè)計(jì)中電機(jī)為鼠籠式異步電機(jī)，其主要起動(dòng)方法有直接起動(dòng)，定子串電阻 或電抗的降壓起動(dòng)，自耦變壓器的降壓起動(dòng)，星-三角降壓起動(dòng)，軟起動(dòng)以及特殊鼠籠式 異步電機(jī)的起動(dòng)。起動(dòng)方法的比較在上述這

3、幾種起動(dòng)方法中，每一種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)以及各自的適用范圍。對(duì)于直接起動(dòng)方案：需要電機(jī)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(duì)于定子串電阻或電抗的降壓起動(dòng)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(dāng)于降低定子繞組的外加電壓，而由上面公式可知，起動(dòng)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(dòng)方法可以到達(dá) 降低起動(dòng)電流的目的，但因?yàn)槠饎?dòng)轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將會(huì)降 低更多，因此這種方法僅適合輕載起動(dòng)；對(duì)于自耦變壓器的降壓

4、起動(dòng)方法：與直接起動(dòng)方法相比較，采用自耦變壓器的降壓起動(dòng)時(shí)，電壓降低(N2/N1)倍，但 電網(wǎng)所承擔(dān)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均降低【(N2/N1)*(N2/N1)】倍，可以拖動(dòng)較大的負(fù) 載，但同時(shí)設(shè)備體積龐大、價(jià)格高；對(duì)于星-三角降壓起動(dòng)方法：電機(jī)采用星-三角降壓起動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)所承擔(dān)的起動(dòng)電流只有三角起動(dòng)時(shí)的1/3,而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也將為三角起動(dòng)的1/3,相當(dāng)于自耦變壓器的降壓起動(dòng)抽頭為(1/.三)的情況，而與自耦變壓器的降壓起動(dòng)相比，星-三角降壓起動(dòng)方法簡(jiǎn)單，只需要星-三角轉(zhuǎn)換開關(guān)， 價(jià)格便宜、重量輕；對(duì)于軟起動(dòng)以及特殊鼠籠式異步電機(jī)的起動(dòng)都具有一定的特殊性，更適合與一些特 殊場(chǎng)合，因而在本次課程中不適

5、用。因此通過嚴(yán)格比較，在此次課程設(shè)計(jì)中選用星-三角降壓起動(dòng)方法，使用時(shí)間繼電器 控制星-三角降壓起動(dòng)，其連線圖如圖1。2.2異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速電機(jī)調(diào)速方法的介紹三相異步電機(jī)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(dòng)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(diǎn)與缺點(diǎn)以及各自的適用范圍。對(duì)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(jī)

6、或傳送帶等負(fù)載；對(duì)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(jī)床類負(fù)載的粗加工和精加 工等；對(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；對(duì)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(jī)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(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；對(duì)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(chǎng)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(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械軸上裝上一電磁滑差離合器， 通過調(diào)節(jié)離合器的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)離合器的輸出轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)速。電磁滑差離合器電 機(jī)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、控制方便、可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)械特性腳軟，調(diào)速范圍較 窄、運(yùn)行效率較低。通過上面的各方面比較，如實(shí)現(xiàn)的難以成等，在本次課程設(shè)計(jì)中，我們選擇在定子 側(cè)串入電阻，以改變定子側(cè)的電壓，如圖串入R1、R2、R3三個(gè)電阻，最后實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能， 其機(jī)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(jī)械特性2.3異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)三相異步電機(jī)與他勵(lì)直流電機(jī)不同，他

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

9、應(yīng)電動(dòng)機(jī)的由Y接法變?yōu)槿切谓臃▎?dòng);第二步按下SB3，KM3通電，R1、R2、R3串入電路中，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)減速運(yùn)行；第三步按下SB2，KM2通電，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)低速運(yùn)行；第四步按下SB4，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)高速；第五步按下SB5，KM5通電，電機(jī)實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。變頻器的應(yīng)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(shí)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(jī)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(shè)計(jì)中，我們將運(yùn)用變頻器改變定子繞組供電頻率已達(dá) 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(dòng)電阻器鑲篷尺寸交頻器VFO變頻器

10、容國(guó)主回路揩子接地端子0 2 OJkW，M3.5M4o.7S. 1 SkW制動(dòng)電阻主回爵/子警零接電端子 1設(shè)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(yīng)歐洲規(guī)格指令的要求清參照笛頁的注魅事項(xiàng)。|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(xiàng)在對(duì)變頻器主電路連線時(shí)，有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：將電源連接到輸入端子（L,N）上，電動(dòng)機(jī)連接到輸出端子（U,V,W）上；電源和電動(dòng)機(jī)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(huì)因電線的進(jìn)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(shè)置改善功率因數(shù)的扼流圈（可選用）；有關(guān)連接設(shè)備和電線尺寸應(yīng)滿足要求；為了適應(yīng)CE標(biāo)記的要求，變頻器的電源輸入端，必須設(shè)置過電流、短路以及漏電的保護(hù) 設(shè)備。在對(duì)變頻器控制電路連線時(shí)，也有以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：控制信號(hào)使用屏蔽線，并與動(dòng)力線和強(qiáng)電電路分離布線（20cm以上）；控制信號(hào)的接線長(zhǎng)度應(yīng)在30cm以下；控制電路的輸入信號(hào)為微小信號(hào)，為防止接點(diǎn)輸入時(shí)接觸不良，需將兩個(gè)微小信號(hào)接點(diǎn) 并列，使用雙接點(diǎn)；在控制端子No.59處連接無電壓接點(diǎn)信號(hào)或開路式集電極信號(hào)（否則施加電壓時(shí)會(huì)

12、導(dǎo)致故障）；使用開路式集電極輸出驅(qū)動(dòng)感應(yīng)負(fù)荷時(shí)，一定要連接旁路二極管；在頻率設(shè)定中使用420ma信號(hào)時(shí)，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(yùn)行設(shè)定頻率頻率的設(shè)定包括兩個(gè)部分，一是電位器的設(shè)定，二是數(shù)字設(shè)定。關(guān)于電位器的設(shè)定，旋轉(zhuǎn)操作板上的頻率設(shè)定鈕的角度進(jìn)行設(shè)定Min的位置是停止， Max的位置是最大設(shè)定頻率。關(guān)于數(shù)字設(shè)定，按下操作板上的MODE鍵，選擇頻率設(shè)定模式（Fr），按下SET鍵后， 顯示出用上升鍵或下降鍵所設(shè)定的頻率，按下SET鍵進(jìn)行確定。另外，在運(yùn)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(shí)，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(yùn)行，按下STOP鍵時(shí)停止運(yùn)行。但注意，僅按下RUN鍵時(shí)不會(huì)運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行4.1.直流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行的總體分析電力拖動(dòng)系統(tǒng)能夠提供正、反向運(yùn)行并能實(shí)現(xiàn)正反方向上的快速制動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的電 機(jī)機(jī)械特性分別位于四象限，故稱為具有四象限運(yùn)行的電力拖動(dòng)系統(tǒng)。其機(jī)械特性如圖9。電壓反向的反接制動(dòng)本次課程設(shè)計(jì)要求假設(shè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)帶一定負(fù)載的小車運(yùn)行，小車在A、B 兩地間運(yùn)行。其動(dòng)作流程：小車從A地出發(fā)，低速起動(dòng)一至額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行一升速至更高 轉(zhuǎn)速下運(yùn)行一運(yùn)行一段時(shí)間一小車減速至額定轉(zhuǎn)速一接近B點(diǎn)時(shí)，小

14、車減速一制動(dòng)并準(zhǔn) 確停在B點(diǎn)。之后，小車從B點(diǎn)返回A點(diǎn)。4.2各流程的具體分析原理分析在本次課程設(shè)計(jì)直流電機(jī)四象限運(yùn)行，通過改變電路中IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)實(shí)現(xiàn) 電機(jī)的加速，穩(wěn)速運(yùn)行，減速，正向能耗制動(dòng)。起動(dòng)階段在連接好電路圖后，小車從A地出發(fā)，低速起動(dòng)，即啟動(dòng)時(shí)IN1，IN2，IN3，IN4的狀 態(tài)為0000，同時(shí)直流電機(jī)運(yùn)行在第一象限。調(diào)速階段在電機(jī)正常起動(dòng)后，使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0100，電機(jī)及小車加速至額定 轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)仍運(yùn)行在第一象限；使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0010，此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)小車?yán)^續(xù)加速至最高速時(shí)并保 持此時(shí)轉(zhuǎn)速運(yùn)

15、行一段時(shí)間，此時(shí)電機(jī)也是運(yùn)行在第一象限；再使INI, IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0100，則電機(jī)減速至額定速度運(yùn)行，并繼續(xù)減速 至制動(dòng)前的速度，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在第二象限。制動(dòng)階段為使小車能夠準(zhǔn)確停在B點(diǎn)，電機(jī)的制動(dòng)設(shè)計(jì)為能耗制動(dòng)，在能耗制動(dòng)時(shí)，必須促 使IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)為0001，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在第二象限。反向運(yùn)行電機(jī)準(zhǔn)確停在B點(diǎn)后，在反向起動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)帶動(dòng)小車開始從B點(diǎn)向A點(diǎn)反向運(yùn) 行。在反向時(shí)IN1為0，其余IN2, IN3, IN4的狀態(tài)和上述的運(yùn)行狀態(tài)一致，其具體分析 如下：反向啟動(dòng)時(shí)IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為1000，同時(shí)直流電機(jī)運(yùn)行在第三象

16、限，這 是與正向起動(dòng)的最大差別；在電機(jī)正常反轉(zhuǎn)后，使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為1100，電機(jī)及小車加速至反向 額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)仍運(yùn)行在第三象限；使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為1010，此時(shí)電機(jī)帶動(dòng)小車?yán)^續(xù)加速至最高速時(shí)并保 持此時(shí)轉(zhuǎn)速運(yùn)行一段時(shí)間，此時(shí)電機(jī)也是運(yùn)行在第三象限；再使IN1，IN2, IN3, IN4的狀態(tài)為0100，則電機(jī)減速至額定速度運(yùn)行，并繼續(xù)減速 至制動(dòng)前的速度，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在第四象限；最后使小車能夠準(zhǔn)確停在A點(diǎn)，電機(jī)的制動(dòng)設(shè)計(jì)任為能耗制動(dòng)，在能耗制動(dòng)時(shí)，必 須促使IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)為1001，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在第四象限。4

17、.3注意事項(xiàng)第一，L298N 工作特性：51輸入為1時(shí)，OUT1為1，其他3對(duì)同理，主要起到放大 功率以驅(qū)動(dòng)繼電器的作用；第二，單片機(jī)的第40腳接+5V電源，第20腳接地；E-:- I- 表1異步電動(dòng)機(jī)的起制動(dòng)和調(diào)速設(shè)計(jì)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(jì)輔劇性益黃.醍酬毓-定財(cái)強(qiáng)!,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(hào)名稱數(shù)量DJ24三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行元件參考型號(hào)備注數(shù)量六組總計(jì)單片機(jī)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(gè)，即一排。16L298N 芯片L298N買國(guó)產(chǎn)的，約56