機電傳動與控制課程設計.doc

《機電傳動與控制課程設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《機電傳動與控制課程設計.doc（18頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

指導教師評定成績 機電傳動與控制 課程設計 設計題目 直流電機調速控制系統(tǒng)設計 院 部 機械工程學院 學生姓名 劉鵬 學 號 1310740131 班 級 機電 1301 班 指導教師 王雪芳 設計時間 2016 年 6 月 目 錄 1 設計任務書與設計要求 1 2 異步電動機工作原理 1 2 1 旋轉磁場 3 2 2 異步電動機結構 3 2 3 定子和轉子 3 3 電動機的起動指標 4 3 1 起動轉矩 4 3 2 起動電流 4 4 起動過程 4 4 1 串聯(lián)起動電阻 st1R和 2st起動 5 4 2 切除起動電阻 R 5 4 3 切除起動電阻 1st 6 5 起動級數(shù)未定時起動電阻所計算 7 5 1 選擇起動轉矩 stT和切換轉矩 2sT 7 5 2 求出起動轉矩比 和動級數(shù) M 7 5 3 重新計算 校驗 2 是否在規(guī)定范圍內 9 5 4 求出轉子每相繞組的電阻 2R 9 5 5 計算各級總電阻和各級啟動電阻 9 6 線路保護環(huán)節(jié) 7 6 1 短路保護 7 6 2 過載保護 7 6 3 欠壓和失壓保護 9 7 繞線式異步電動機串電阻起動的優(yōu)點 11 8 結論 11 參考文獻 12 1 機電傳動與控制課程設計任務書 課程 機電傳動與控制 題目 三相繞線式異步電動機串電阻起動設計 主要內容 通常 為了使整個起動盡量保持較大的起動轉矩 在轉子回路接入可以逐級切除 的起動變阻器 起動變阻器切換使起動轉矩保持在所設定的起動轉矩最大和最小之間 起動轉矩一般取 0 85T 左右 Y 161 L 4 三項繞線轉自異步電動機 用其拖動技術數(shù)據(jù)參數(shù)如下 PN 15kW nN 1460r min MT 2 5 U2N 380V I2N 55A 基本要求 繞線式異步電動機轉子回路串接電阻 一方面可以減小起動電流 另一方面可以 增加最初起動轉矩 當串入某一合適電阻時 還能使電動機以它的最大轉矩 T 起動 當然 所串聯(lián)的電阻超過一定數(shù)值之后 最初起動轉矩反而會減小 由于繞線異步電 動機的轉子串連合適的電阻 不但可以減少起動電流 而且可以增大起動轉矩 因而 要求起動的轉矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常用繞線型異步電動機 參考資料 1 彭鴻才 電機原理及拖動 M 北京 機械工業(yè)出版社 1994 2 李嵐等 電力拖動與控制 M 北京 機械工業(yè)出版社 2003 3 唐介 控制微電機 M 北京 高等教育出版社 1987 4 楊長能 電力拖動基礎 M 重慶 重慶大學出版社 1989 5 李發(fā)海 電機學 M 北京 科學出版社 1991 完成期限 2016 6 2 至 2016 6 12 指導教師 王雪芳 2016 年 6 月 設計要求 三相繞線式異步電動機的啟動空機系統(tǒng)設計 學習和掌握三相異步電動機的氣動 特性 起動是指電動機從靜止狀態(tài)開始轉動起來 直至最后達到穩(wěn)定運行 對于任何 一臺電動機 在起動時 都有下列兩個基本的指標要求 1 起動轉矩要足夠大 堵轉狀態(tài)時電動機剛接通電源 轉自尚未轉動時的工作狀態(tài) 工作點在特性曲 線上的 S 點 這是的轉差 s 1 轉速 n 0 對應的電磁轉矩 稱為起動轉矩 stT 堵轉狀態(tài)說明了電動機的直接起動能了 以為只有在 一般要求 電動機才能起動起來 大 電動機才能重載啟動 小 電tstT 2 1 stTst 動機只能輕載 甚至空載起動 所以只有 是 電動機才能改變原來的靜止狀 態(tài) 拖動生產(chǎn)機械運轉 一般要求 越大于 起動過程所需tst 2 1 stLT 要的時間就越短 2 設計必須根據(jù)進度計劃按期完成 2 異步電動機工作原理 當三相異步電機接入三相交流電源時 三相定子繞組流過三相對稱電流產(chǎn)生的 三相磁動勢 定子旋轉磁動勢 并產(chǎn)生旋轉磁場 該旋轉磁場與轉子導體有相對切 割運動 根據(jù)電磁感應原理 轉子導體產(chǎn)生感應電動勢并產(chǎn)生感應電流 根據(jù)電磁力 定律 載流的轉子導體在磁場中受到電磁力作用 形成電磁轉矩 驅動轉子旋轉 當電動機軸上帶機械負載時 便向外輸出機械能 轉子和旋轉磁場之間轉速差的存 在是異步電動機轉動的必要條件 轉速差以轉差率 s 衡量的 在交流001 nS 電機中 當定子繞組通過交流電流時 建立了電樞磁動勢 它對電機能量轉換和運 行性能都有很大影響 所以單相交流繞組通入單相交流產(chǎn)生脈振磁動勢 該磁動勢 可分解為兩個幅值相等 轉速相反的旋轉磁動勢和 從而在氣隙中建立正轉和反轉 磁場和 這兩個旋轉磁場切割轉子導體 并分別在轉子導體中產(chǎn)生感應電動勢和感 應電流 該電流與磁場相互作用產(chǎn)生正 反電磁轉矩 正向電磁轉矩企圖使轉子正轉 反向電磁轉矩企圖使轉子反轉 這兩個轉矩疊加起來就是推動電動機轉動的合成轉 矩 不論是正轉磁場還是反轉磁場 他們的大小與轉差率的關系和三相異步電動機 的情況是一樣的 電容分相式起動工作原理 起動是開關 K 閉合 使兩繞組電流 L1 L2 相位差約 為 從而產(chǎn)生旋轉磁場 電機轉起來 轉動正常以后離心開關被甩開 起動繞 90 組被切斷 定子鐵心槽型分為三種 半閉口型槽 電動機的效率和功率因數(shù)較高 但繞組嵌線和絕緣都較困難 一 般用于小型低壓電機中 半開口型槽 可嵌放成型繞組 一般用于大型 中型低壓電機 所謂成型繞組 即繞組可事先經(jīng)過絕緣處理后再放入槽內 開口型槽 用以嵌放成型繞組 絕緣方法方便 主要用在高壓電機中 定子繞組的作用是電動機的電路部分 通入三相交流電 產(chǎn)生旋轉磁場 它的 構造是由三個在空間互隔 120 電角度 隊稱排列的結構完全相同繞組連接而成 這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內 定子繞組的主要絕緣項目有以下三種 保證繞組的各導電部分與鐵心間的可 靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣 1 對地絕緣 定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣 2 相間絕緣 各相定子繞組間的絕緣 3 匝間絕緣 每相定子繞組各線匝間的絕緣 電動機接線盒內的接線 電動機接線盒內都有一塊接線板 三相繞組的六個線 頭排成上下兩排 并規(guī)定上排三個接線樁自左至右排列的編號為 1 U 1 2 V 1 3 W 1 下排三個接線樁自左至右排列的編號為 6 W 2 4 U 2 5 V 2 將 三相繞組接成星形接法或三角形接法 凡制造和維修時均應按這個序號排列 對稱三相繞組 通入對稱三相電流 轉子旋轉起來 轉子繞組在磁場中三相 交流 電能 轉子繞組中產(chǎn)生 e 和 i 旋轉磁場 磁場能量 電磁轉矩 機械負荷 旋轉起來 磁感線切割 轉子繞組 圖 1 異步電動機工作原理 2 1 旋轉磁場 設將定子三相繞組聯(lián)成星形接法 三相繞組的首端 u1 v1 w1 分別與三相交流 電的相線 a b c 相連接 為了討論方便 選定交流電在正半周時 電流從繞組的 首端流入 從末端流出 反之 在負半周時 電流流向相反 定子繞組在三相交流 電不同相位時合成旋轉磁場 定子三相對稱繞組中通以頻率為 f 的三相對稱電流便1 會產(chǎn)生旋轉磁場 旋轉磁場的轉速 由下式確定 n 0pf16 式中 P 為電機的極對數(shù) n 又稱為同步轉速旋轉磁場的轉向由三相電流通入三相0 繞組的相序決定 改變電流相序 旋轉磁場的轉向隨之改變 2 2 異步電動機結構 Y 形的電阻 或直接通過短路端環(huán)短三相異步電動機主要由靜止的和轉動的兩 部分構成 其靜止部分稱為定子 定子是用硅鋼片疊成的圓筒形鐵心 其內圓周有 槽用來安放三相對稱繞組 三相對稱繞組每相在空間互差 120 可聯(lián)接成 Y 形或 形 三相異步電動機轉動的部分稱為轉子 是用硅鋼片疊成的圓柱形鐵心 與定 子鐵心共同形成磁路 轉子外圓周有槽用以安放轉子繞組 轉子繞組有鼠籠式和線 繞式兩種 鼠籠式 將銅條扦入槽內 兩端用銅環(huán)短接 或直接用熔鋁澆鑄成短路 繞組 線繞式 安放三相對稱繞組 其一端接在一起形成 Y 形 另一端引出連接三 個已被接成路 2 3 定子和轉子 定子鐵芯 導磁和嵌放定子三相繞組 0 5mm 硅鋼片沖制涂漆疊壓而成 內 圓均勻開槽 槽形有半閉口 半開口和開口槽三種 適用于不同的電機 定子繞組 電路 絕緣導線繞制線圈 由若干線圈按一定規(guī)律連接成三相對 稱繞組交流電機的定子繞組稱為電樞繞組 機座 支撐和固定作用 鑄鐵或鋼板焊接 轉子鐵芯 導磁和嵌放轉子繞組 0 5mm 硅鋼片 外圓開槽 轉子繞組 分為籠型和繞線型兩種 籠型繞組 電路 鑄鋁或銅條優(yōu)缺點 繞線型繞組 對稱三相繞組 星接 集電環(huán)優(yōu)缺點 氣隙 氣隙大小的影響 中小型電機的氣隙為 0 2mm 2mm 3 電動機的起動指標 起動是指電動機從靜止狀態(tài)開始轉動起來 直至最后達到穩(wěn)定運行 對于任何 一臺電動機 在起動時 都有下列兩個基本的要求 3 1 起動轉矩 起動轉矩要足夠大 堵轉狀態(tài)時電動機剛接通電源 轉子尚未轉動時的工作狀 態(tài) 工作點在特性曲線上的 S 點 這時的轉差 s 1 轉速 n 0 對應的電磁轉矩 T 稱st 為起動轉矩 堵轉狀態(tài)說明了電動機的直接起動能力 一般要求 T 1 1 1 2 T 電stLL 動機才能起動起來 大 電動機才能重載起動 小 電動機只能輕載 甚至stT 空載起動 所以只有 時 電動機才能改變原來的靜止狀態(tài) 拖動生產(chǎn)機械L 運轉 一般要求 1 1 1 2 越大于 起動過程所需要的時間就越短 st stTL 3 2 起動電流 對三相異步電動機來說 由于起動瞬間 s 1 旋轉磁場于轉子之間的相對運動 速度很大 轉子電路的感應電動勢及電流都很大 所以起動電流遠大于額定電流 在電源容量與電動機的額定功率相比不是足夠大時 會引起輸電線路上電壓的增加 造成供電電壓的明顯下降 不僅影響了同一供電系統(tǒng)中其他負載的工作 而且會延 長電動機本身的起動時間 此外在起動過于頻繁時 還會引起電動機過熱 在這兩 種情況下 就必須設法減小起動電流 4 起動過程 三相繞線型異步電動機的轉子串聯(lián)合適的電阻不但可以減小起動電流 而且還 可以增大起動轉矩 因而 要求起動轉矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常采用繞線型異 步電動機拖動 容量較小的三相繞線型異步電動機可采用轉子電路串聯(lián)起動變阻器的方法起動 起動變阻器通過手柄接成星形 起動先把起動變阻器調到最大值 再合上電源開關 S 電動機開始起動 隨著轉速的升高 逐漸減小起動變阻器的電阻 直到全部切除 使轉子繞組短接 容量較大的繞線型異步電動機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中都有 較大的起動的轉矩和較小的起動電流 現(xiàn)以兩級起動為例介紹其起動步驟和起動過 原理電路和機械特性如圖 1 所示 圖中機械特性只畫出了每條特性的 n M 段 并近1 似用直線代替 4 1 串聯(lián)起動電阻 和 起動st1R2st 起動前開關 S 和 S 斷開 使得轉子每相串入電阻 R 和 R 加上轉子每相繞組2 自身的電阻 R 轉子電路每相總電阻為2 R 2 然后合上電源開關 S 這時電動機的機械特性為圖中的特性 由于轉動轉矩 T 遠大于負載轉矩 T 電動機拖動生產(chǎn)機械開始起動 工作點沿特性 a 由 b 點向 cst L 點移動 N1 2I F G 1 C TW A TS1Ts2TL0 S M R1 R 2 S1 S2 3 T D P 圖 2 電動機特性圖 圖 3 電動機特性圖 4 2 切除起動電阻 R 當工作點到達 c 點 即電磁轉矩 T 等于切換轉矩 T 時 合上開關 S 切除起動2s 1 電阻 R 轉子每相電路的總電阻變?yōu)?2st 121stR 這時電動機的機械特性變?yōu)樘匦?d 由于切除 R 的瞬間 轉速來不及改變 2st 故工作點由特性 a 上的 c 點平移到特性 d 上 e 點 使這時的電磁轉矩仍等于 T 電1s 動機繼續(xù)加速 工作點沿特性由 e 點向 f 點移動 4 3 切除起動電阻 1stR 當工作點到達 f 點 即電磁轉矩 T 等于切換轉矩 T 時 合上開關 S 切除起動2s 1 電阻 R 電動機轉子電路短接 轉子每相電路的總電阻變?yōu)?R R 機械特性1st 20 變?yōu)楣逃刑匦?g 工作點由 f 點評至 h 點 使得這時的電磁轉矩 T 仍正好等于 T 1S 電動機繼續(xù)加速 工作點沿特性 g 由 h 向 i 移動 經(jīng)過 i 點 最后穩(wěn)定運行在 P 點 整個起動過程結束 5 起動級數(shù)未定時起動電阻所計算 5 1 選擇起動轉矩 和切換轉矩stT2sT 一般選擇 5 1 MS9 081 5 2 L22 5 2 求出起動轉矩比 5 3 21sT 5 2 求出起動級數(shù) m 利用圖所示起動過程中的機械特性 根據(jù)集合關系推導起動級數(shù) m 所計算公式 如下 由特性 2 與水平虛線構成的直三角形求得 5 4 SnnThMghs 111 5 5 giM1 2 式中 和 是工作在 h 點和 i 點時的轉速 是 與特性 g 交點在的轉速 即臨hni MnT 界轉速 和 是與之對應的轉差率 同理可以求得 Sig 5 6 MghkMabs SSeT 1 5 7 MgigfMaCS SST 2 由于 對應兩式相除 可得ce 5 8 212122 RXRdasi 由于 fhS 5 9 2012202121 TMgd 5 10 2R 5 11 01 所以 2 210 若是 m 級起動 則 5 12 220202 RRm 式中 ststtm 212 因此 5 13 2R 由前面的分析還可以得到 5 14 MabghSS 5 15 a cc1 若是 m 級起動 則 5 16 gRS2 此外 在固有特性 c 上工作時 5 17 NgsST 1 5 18 gS 1 將這些關系帶入 公式 可得 5 19 mnNTs1 兩邊取對數(shù) 便得到了起動級數(shù) m 的計算公式 5 20 lg1TsMN 若 m 不是整數(shù)可取相近整數(shù) 5 3 重新計算 校驗 是否在規(guī)定范圍內2 若 m 是取相似整數(shù) 則需要重新計算 并求出 校驗 T 是否在式所規(guī)定 2s2s 的范圍之內 若不在規(guī)定范圍內 需加大啟動級數(shù) m 重新計算 和 直到 滿足要求為2s2s 止 5 4 求出轉子每相繞組的電阻 2R 轉子每相繞組的電阻可以通過實測或者通過名牌上提供的轉子繞組額定線電壓 和轉子繞組的額定線電流 I 進行計算 NU2 N2 由于轉子繞組為星形連接 相電流等于線電流 因此 在額定狀態(tài)下運行時 由于 S 很小 S X 可以忽略不計 則N2 5 21 32RsIN 因此求得 R2的計算公式為 5 22 NIUs2 5 5 計算各級總電阻 由前面的分析知道 20R 1 22 5 23 22Rm 5 5 求出各級起動的電阻 R21st 212Rst 5 24 1 2 mstm 具體設計如下 選擇起動轉矩 T1 切換轉矩 T2 5 25 NPTN 954602360 5 26 mamt 5 27 4038908 1 5 28 102 212 T 取 5 29 mN 301 N 2 求出起切轉矩比 5 821 T 1mNS 求出起動級數(shù) m 014 4600 n 1 6 0 36 4 32 lg1TsN 3 2l8 5 取 m 4 重新計算 檢驗 是否在規(guī)定范圍內2 mNTs15 803 4 122 基本在規(guī)定范圍之內 由于 所以所選 m 和 合適 LT 2 求出轉子每相繞組電阻 2R 2RNIUs30461 3801 計算各級總電阻 5 521 28014R 79 3 23 554 求出各級起動電阻 0679 41 0 21Rst 8382t 5 7 6 2343st 6 線路保護環(huán)節(jié) 6 1 短路保護 短路時通過熔斷器 FU 的熔體熔斷切開主電路 6 2 過載保護 通過熱繼電器 FR 實現(xiàn) 由于熱繼電器的熱慣性比較大 即使熱元件上流過幾 倍額定電流的電流 熱繼電器也不會立即動作 因此在電動機起動時間不太長的情 況下 熱繼電器經(jīng)得起電動機起動電流的沖擊而不會動作 只有在電動機長期過載 下 FR 才動作 斷開控制電路 接觸器 KM 失電 切斷電動機主電路 電動機停轉 實現(xiàn)過載保護 6 3 欠壓和失壓保護 當電動機正在運行時 如果電源電壓由于某種原因消失 那么在電源電壓恢復 時 電動機就將自行起動 這就可能造成生產(chǎn)設備的損壞 甚至造成人身事故 對 電網(wǎng)來說 同時有許多電動機及其他用電設備自行起動也會引起不允許的過電流及 瞬間網(wǎng)絡電壓下降 為了防止電壓恢復時電動機自行起動的保護叫失壓保護或零壓 保護 當電動機正常運轉時 電源電壓過分地降低將引起一些電器釋放 造成控制線 路不正常工作 可能產(chǎn)生事故 電源電壓過分地降低也會引起電動機轉速下降甚至 停轉 因此需要在電源電壓降到一定允許值以下時將電源切斷 這就是欠電壓保護 欠壓和失壓保護是通過接觸器 KM 的自鎖觸點來實現(xiàn)的 在電動機正常運行中 由于 某種原因使電網(wǎng)電壓消失或降低 當電壓低于接觸器線圈的釋放電壓時 接觸器釋 放 自鎖觸點斷開 同時主觸點斷開 切斷電動機電源 電動機停轉 如果電源電 壓恢復正常 由于自鎖解除 電動機不會自行起動 避免了意外事故發(fā)生 只有操 作人員再次按下 SB2 后 電動機才能起動 控制線路具備了欠壓和失壓的保護能力 以后 有如下三個方面優(yōu)點 防止電壓嚴重下降時電動機在重負載情況下的低壓運 行 避免電動機同時起動而造成電壓的嚴重下降 防止電源電壓恢復時 電動機突 然起動運轉 造成設備和人身事故 7 繞線式異步電動機串電阻起動的優(yōu)點 串聯(lián)電阻啟動是電動機硬啟動的一種 電機在啟動的那一刻 就是一個純電阻 電路 霎時電流會非常的大 這種大電流的沖擊對電機和電網(wǎng)都是具有破壞性的 所以在啟動時串入一個電阻 就降低了沖擊電流 正常運轉后 再將串入得電阻切 出去 以提高用電效率 另外還有幾種啟動方式 像星三角啟動 降壓啟動 軟啟 動等等的 目的都是相同的 串電阻起動是最簡單 最經(jīng)濟的一種方式 三相異步電動機具有結構簡單 運行可靠 堅固耐用 價格便宜 維修方便等 一系列優(yōu)點 與同容量的直流電動機相比 異步電動機還具有體積小 重量輕 轉 動慣量小的特點 因此 在工礦企業(yè)中異步電動機得到了廣泛的應用 三相異步電 動機的控制線路大多由接觸器 繼電器 閘刀開關 按鈕等有觸點電器組合而成 三相異步電動機分為鼠籠式異步電動機和繞線式異步電動機 二者的構造不同 啟 動方法也不同 其啟動控制線路差別很大 8 結論 三相繞線式異步電動機轉子回路串接電阻后 基本上可以減小起動電流 一方 面可以增加最初起動轉矩 當串聯(lián)接入一合適電阻時 電動機啟動時能使電動機以 的最大轉矩 T 起動 當然 所串聯(lián)的電阻超過一定數(shù)值后 最初起動轉矩反而會慢 慢減小 由于繞線異步電動機的轉子串聯(lián)合適的電阻 不但可以減少起動電流 而 且可以增大起動轉矩 要求起動的轉矩大或起動頻繁的生產(chǎn)機械常用三相繞線型異 步電動機用于生產(chǎn)中 在轉子回路串三相對稱可變電阻起動時 此方法既可限制起動時電流的大小 又可增大起動的轉矩 適當增大串接電阻的功率 可以使起動電阻兼作調速電阻 一物兩用甚至多用 這種適用于要求起動轉矩大的電動機 并有調速要求的負載 但同時有缺點 多級調速控制電路較比較復雜 如有損壞維修復雜費用高 而 且電阻耗能較大 存在產(chǎn)熱現(xiàn)象 心得及體會 通過這本周的學習 我感覺有很大的收獲 課程設計不僅是對所學知識的一種 檢驗 而且也是對自己能力的提高 首先 通過這次課程設計使自己對課本上的知 識可以應用于實際 使理論與實際相結合 加深自己對課本知識的更好理解 同時 也段練了我個人的動手能力 能夠充分利用圖書館去查閱資料 增加了許多課本以 外的知識 課程設計提高了我的個人思考能力 在設計過程中 我不僅學到了知識 也讓 我感到了生活的充實和學習的快樂 以及獲得知識的滿足 同時我也體驗到了工作 的艱辛 促使自己努力學習更多的知識 為自己今后的工作奠定良好的基礎 在設 計中培養(yǎng)了我獨立工作的能力 樹立了對自己工作能力的信心 讓我充分體會到在 創(chuàng)造過程中探索的艱辛和成功的喜悅 通過課程設計 讓我更加明白學習是一個長期的積累過程 經(jīng)后的工作 生活 中應該不段的學習 努力提高我們各項知識 參考文獻 1 彭鴻才 電機原理及拖動 北京 機械工業(yè)出版社 1994 年 2 李嵐等編 電力拖動與控制 北京 機械工業(yè)出版社 2003 年 3 唐介 控制微電機 北京 高等教育出版社 1987 年 4 楊長能主編 電力拖動基礎 重慶 重慶大學出版社 1989 年 5 李發(fā)海等編 電機學 北京 科學出版社 1991 年