電機與拖動課程設(shè)計 (2)

1、<p><b>　　電機與拖動課程設(shè)計</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　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(jié)合專業(yè)特點和現(xiàn)有設(shè)備條件開展該課程的課程設(shè)計，增強學(xué)生對課程理論知識的理解和實踐運用，加強學(xué)生電機與拖動課程綜合性工程訓(xùn)練。2

2、. 異步電動機的起制動和調(diào)速設(shè)計</p><p>　　關(guān)于異步電動機的起制動和調(diào)速設(shè)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。</p><p>　　異步電動機控制動作流程：低速啟動→高速正轉(zhuǎn)運行→運行一段時間→減速運行→ 運行一段時間→反轉(zhuǎn)低速運行→運行一段時間→反轉(zhuǎn)高速運行→運行一段時間→能耗制

3、動→停止。</p><p>　　此設(shè)計題目要求對異步電機的起動、調(diào)速、制動方法的設(shè)計，以確定異步電機的最佳起、制動和調(diào)速方案，且達(dá)到最優(yōu)配合。</p><p>　　2.1 異步電動機的起動</p><p>　　2.1.1 電機起動方法的介紹</p><p>　　電機在起動時應(yīng)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

4、動對電網(wǎng)造成的沖擊；起動時間你盡量短；啟動設(shè)備簡單，操作方便；起動過程中能耗消耗少，經(jīng)濟(jì)適用。通過綜合考慮，一般選擇起動電流Ist=(4~7)IN，而起動轉(zhuǎn)矩Tst=TN。</p><p>　　本次課程設(shè)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。</p><p>　　2.1.2

5、 起動方法的比較</p><p>　　在上述這幾種起動方法中，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：</p><p>　　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；</p><p>　　對于定子串電阻或電抗的降壓起動這種方法：</p><p>　　這種方法相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓，而由

6、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(dá)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；</p><p>　　對于自耦變壓器的降壓起動方法：</p><p>　　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(dān)的起動電流和

7、起動轉(zhuǎn)矩均降低【（N2/N1）*（N2/N1）】倍，可以拖動較大的負(fù)載，但同時設(shè)備體積龐大、價格高；</p><p>　　對于星-三角降壓起動方法：</p><p>　　電機采用星-三角降壓起動時，電網(wǎng)所承擔(dān)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(dāng)于自耦變壓器的降壓起動抽頭為（1/ ）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-

8、三角轉(zhuǎn)換開關(guān)，價格便宜、重量輕；</p><p>　　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用。</p><p>　　因此通過嚴(yán)格比較，在此次課程設(shè)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。</p><p>　　2.2 異步電動機的調(diào)速</p>&l

9、t;p>　　2.2.1 電機調(diào)速方法的介紹</p><p>　　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△/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。</p><p>　　圖 1 星-三角降壓起動連線圖</p><

10、;p>　　2.2.2 調(diào)速方法的比較</p><p>　　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。</p><p>　　對于Y/YY接變極調(diào)速：</p><p>　　Y/YY接變極調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，多用于起重機或傳送帶等負(fù)載；</p><p>　　對于△/YY接變極調(diào)速：</p>

11、<p>　　△/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(fù)載的粗加工和精加工等；</p><p>　　對于基頻以下的變頻調(diào)速：</p><p>　　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；</p><p>　　對于基頻以上的變頻調(diào)速：</p><p

12、>　　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；</p><p>　　對于改變定子電壓調(diào)速：</p><p>　　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，改變定子電壓調(diào)速既不屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速也不

13、屬于恒功率調(diào)速；</p><p>　　對于電磁滑差離合器調(diào)速：</p><p>　　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(shè)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。</p><p>　　通過上面的各方面比較

14、，如實現(xiàn)的難以成等，在本次課程設(shè)計中，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、R3三個電阻，最后實現(xiàn)調(diào)速功能，其機械特性如圖3。</p><p>　　圖 2 定子串電阻</p><p>　　圖 3 改變定子電壓調(diào)速的機械特性</p><p>　　2.3 異步電動機的能耗制動</p><p>　　三相異步電機與他

15、勵直流電機不同，他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。</p><p>　　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。</p><p>　　圖 4 能耗制動電路圖</p

16、><p><b>　　圖 5 機械特性</b></p><p><b>　　2.4 整體方案</b></p><p>　　在本次課程設(shè)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(cè)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。</p><p>

17、　　圖 6 整體電路圖</p><p>　　各種功能的實現(xiàn)，其操作為：</p><p>　　第一步按下S總開關(guān)，按下SB1，KM1通電，對應(yīng)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；</p><p>　　第三步按下SB2，KM2通電，電動機反轉(zhuǎn)低速運行；</p><p>

18、;　　第四步按下SB4，電動機反轉(zhuǎn)高速；</p><p>　　第五步按下SB5，KM5通電，電機實現(xiàn)能耗制動。</p><p>　　3. 變頻器的應(yīng)用 </p><p>　　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(shè)計中，我們將運

19、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。</p><p>　　3.1 變頻器的接線</p><p>　　3.1.1 變頻器的接線圖</p><p><b>　　主電路接線圖：</b></p><p>　　圖 7 主電路接線圖</p><p><b>　　控制電路接線圖

20、：</b></p><p>　　圖 8 控制電路接線圖</p><p>　　3.1.2 接線注意事項</p><p>　　在對變頻器主電路連線時，有以下幾點注意事項：</p><p>　　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；</p><p>　　電源和電動機的端子使用

21、帶套裝的圓形壓緊式端子；</p><p>　　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后會因電線的進(jìn)出受到限制而不能重新擰緊主電路；</p><p>　　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）；</p><p>　　有關(guān)連接設(shè)備和電線尺寸應(yīng)滿足要求；</p>&

22、lt;p>　　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。</p><p>　　在對變頻器控制電路連線時，也有以下幾點注意事項：</p><p>　　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）；</p><p>　　控制信號的接線長度應(yīng)在30cm以下；</p><p>　　控

23、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；</p><p>　　在控制端子No.5~9處連接無電壓接點信號或開路式集電極信號（否則施加電壓時會導(dǎo)致故障）；</p><p>　　使用開路式集電極輸出驅(qū)動感應(yīng)負(fù)荷時，一定要連接旁路二極管；</p><p>　　在頻率設(shè)定中使用4~20ma信號時，一定要連接200Ω、1/4

24、w的電阻（如不連接電阻，變頻器可能損壞）。</p><p>　　3.2 變頻器的運行</p><p>　　3.2.1 設(shè)定頻率</p><p>　　頻率的設(shè)定包括兩個部分，一是電位器的設(shè)定，二是數(shù)字設(shè)定。</p><p>　　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。<

25、/p><p>　　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）。</p><p>　　3.2.2 正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)功能</p><p>　　按下操作板上的▲鍵（正轉(zhuǎn)）或▼鍵（反轉(zhuǎn)）

26、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。</p><p>　　4. 直流電動機的四象限運行</p><p>　　4.1. 直流電動機的四象限運行的總體分析</p><p>　　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(yīng)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

27、系統(tǒng)。其機械特性如圖9。</p><p>　　圖 9 直流電機四象限機械特性</p><p>　　本次課程設(shè)計要求假設(shè)直流電動機驅(qū)動一個帶一定負(fù)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→至額定轉(zhuǎn)速運行→升速至更高轉(zhuǎn)速下運行→運行一段時間→小車減速至額定轉(zhuǎn)速→接近B點時，小車減速→制動并準(zhǔn)確停在B點。之后，小車從B點返回A點。</p><

28、;p>　　4.2 各流程的具體分析</p><p>　　4.2.1 原理分析</p><p>　　在本次課程設(shè)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。</p><p>　　4.2.2 起動階段</p><p>　　在連接好電路圖后，小車從A地出發(fā)，低速起

29、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。</p><p>　　4.2.3 調(diào)速階段</p><p>　　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；</p><p>　　使IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)為0010，此時電機帶動小車?yán)^

30、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一象限；</p><p>　　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</p><p>　　至制動前的速度，此時電機運行在第二象限。 </p><p><b>　　制動階段</b></p><p>　　為使小車

31、能夠準(zhǔn)確停在B點，電機的制動設(shè)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。</p><p>　　4.2.5 反向運行</p><p>　　電機準(zhǔn)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：</p>

32、<p>　　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限，這是與正向起動的最大差別；</p><p>　　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；</p><p>　　使IN1，IN2，IN3，IN4的狀態(tài)為1010，此時電機帶動小車?yán)^續(xù)加速至最高速時

33、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；</p><p>　　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</p><p>　　至制動前的速度，此時電機運行在第四象限；</p><p>　　最后使小車能夠準(zhǔn)確停在A點，電機的制動設(shè)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1

34、001，此時電機運行在第四象限。</p><p><b>　　注意事項</b></p><p>　　第一，L298N工作特性：IN1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；</p><p>　　第二，單片機的第40腳接+5V電源，第20腳接地；</p><p>　　圖 10 主電路圖

35、</p><p><b>　　圖11 分析圖</b></p><p><b>　　5.元器件表</b></p><p>　　表 1 異步電動機的起制動和調(diào)速設(shè)計元件表</p><p>　　表 2 直流電動機的四象限運行</p><p><b>　　6. 創(chuàng)新

36、點</b></p><p>　　在本次課程設(shè)計中，根據(jù)具體要求設(shè)計完實驗電路，在方案中有以下幾點創(chuàng)新：</p><p>　　在異步電動機的起制動和調(diào)速設(shè)計的方案中，使用較少的時間繼電器，節(jié)約成本，經(jīng)濟(jì)可行；</p><p>　　采用星-三角起動，起動方案更有效；</p><p>　　在直流電動機的四象限運行中，采用單片機控制電機的

37、運行，將進(jìn)一步增強電機自動化程度。</p><p><b>　　7. 收獲</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我們所學(xué)習(xí)的知識，同時也讓我們了解如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。<

38、;/p><p>　　課程設(shè)計是我們專業(yè)課程電機與拖動知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)．</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，我們有以下幾點體會： </p><