卷扬机电动机无触点开关设计

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页卷扬机电动机无触点开关设计摘 要无触点开关是近几十年发展起来的一种高科技电子元器件，它的特点是开关速度快、无电弧产生、理论寿命长等，并且由于电力电子技术 和元器件制造技术的提高，其成本不断降低，因此无触点开关已被广泛应用于电力拖动控制系统中。另外，由于 无触点开关采用了处理器和通讯技术，再配合 BCQ 操作显示模块使用，在控制卷扬机的正转、反转、以及零位能耗制动的同 时对卷扬机传递电机的过载、断相、三相不平衡、接地/漏电、欠电流等起到保护作用，实现 了对电动机的保护功能。本次毕业设计，我研制的是卷 扬机电动机无触点开关控制系统，整个系统由三相异步电动机主回路，无触点开关控制电路，和检测电路组成。针对卷扬机电动机的实际工作状况，再根据所需实现的功能，完成了主回路的设计。然后通过对输入电路、 输出电路、 CPU 周边的参数计算完成了对无触点开关控制电路的设计。最后通过电路故障分析和性能分析完成检测电路 的设计。从而完成了整个无触点开关控制系统的设计。关键词：卷扬机；无触点开关；主回路；控制电路；检测电路；控制系统辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页The Dedign of the Non-contact Switchfor Hoist MotorAbstractNon-contact suitch developed in recent years is a high-tech electronic components, its characteristic is switching speed, no arc and long service life etc, and the theory of power electronic technology and components due to improve manufacturing technology, the lower costs, thus non-contact switch has been widely used in electric drive control system. In addition, because non-contact suitch adopted processor and communication technology, combined with BCQ with operation in control, display module USES the hoist is zero, inversion, and at the same time to hoist braking energy transfer overload, motor, phase unbalanced three-phase, grounding/leakage, current protection, the protection of motor function. The graduation design, I developed is hoist motor control system, and non-contact suitch whole system from the main circuit, three-phase asynchronous electric circuit, and non-contact switch control circuit testing. According to the actual working condition hoist motor, according to the needs, complete the functions of the circuit design. Then based on input circuit, the output circuit, the CPU surrounding parameters are calculated to non-contact switch control circuit design. Through the analysis on fault circuit performance analysis and design of complete detection circuit. To complete the whole non-contact switch control system design.Keywords: Hoist；Non-contact switch；The main circuit；Control circuit；Detection circuit；The control system辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页目 录1 绪论 .11.1 卷扬机简介.11.1.1 卷扬机的发展及其概念.11.1.2 卷扬机安全操作规程.21.1.3 卷扬机主要技术参数.31.2 无触点开关的简介.41.2.1 无触点开关的发展及应用.41.2.2 无触点开关控制系统的特点.41.3 卷扬机使用无触点开关的原因.52 无触点开关的组成及其原理 .72.1 无触点开关的工作原理.72.2 无触点开关的组成.83 无触点开关主回路设计 .93.1 主回路的工作原理及过零点触发.93.1.1 主回路的工作原理.93.1.2 过零点触发.103.2 元件选择及参数计算.103.3 晶闸管的保护.123.3.1 过电压保护.123.3.2 过电流保护.134 控制电路的设计 .144.1 输入电路设计.144.1.1 X1 输入端子设计 .144.1.2 电源抗干扰设计.144.1.3 光隔输入部分设计.174.2 继电器输出电路设计.214.2.1 继电器输出电路原理.21辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页4.2.2 继电器输出电路的组成及分析.214.3 驱动输出回路设计.244.3.1 驱动输出回路原理.244.3.2 驱动输出回路的组成及分析.255 检测电路的设计 .325.1 电压同步信号检测电路设计.325.2 电流信号检测回路设计.345.2.1 电流信号检测回路的原理.345.2.2 电流信号检测回路的组成.355.2.3 相关参数计算.396 无触点开关控制器介绍 .416.1 控制电路概述.416.2 单片机概述.416.2.1 单片机硬件概述.416.2.2 单片机软件概述.436.3 控制器芯片图.437 无触点开关控制系统软件设计 .447.1 软件设计思想.447.2 系统主程序设计.457.3 系统主程序特点.45结 论 .46致 谢 .47参考文献 .48辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1 绪论1.1 卷扬机简介1.1.1 卷扬机的发展及其概念随着社会的发展，机械将会越来越取代人力，这也是机械行业飞速发展的后果，在机械的发展历史中，新的机械发明有着举足轻重的作用。但是，那些很久以前就被利用生产并一直延续到今天的机械，更是起着不可替代的作用，卷扬机就是一例。卷扬机的发展就像其他机械一样，从开始的简单到现在的复杂，从以前的机械动力到现在的电力动力，从以前的人工操作到现在的电脑操作甚至是智能操作。本文就是通过利用无触点开关技术对卷扬机电动机进行控制，从而实现卷扬机的智能操作。卷扬机就是一种利用外力（例如电动机）来驱动它运转，然后通过电磁制动器和抱死制动器控制其在无动力下不自由运转，同时经过电动机的带动减速后，驱动一个轮盘运转，轮盘上可以卷钢索或者其他东西，这就是卷扬机。卷扬机又称绞车，是起重垂直运输机械的重要组成部分，配合井（门）架、桅杆、滑轮组等辅助设备，用来提升或拖动物料、安装设备等作业，同时还能远距离操作。由于它结构紧凑、操作方便、维护保养简单、成本低、使用安全可靠等优点，广泛应用于冶金、桥梁建筑、仓库、码头、提升设备等场所。提升重物是卷扬机的一种主要功能，所以各类卷扬机的设计都是根据这一要求为依据的。虽然目前塔吊、汽车吊等取代了卷扬机的部分工作，但由于塔吊成本高，一般在大型工程中使用，而灵活性较差，故一般中小型工程仍然广泛应用卷扬机；汽车吊虽然灵活方便，但也因为成本太高，而不能在工程中广泛应用，故大多设备的安装仍然是由卷扬机承担的。此外，根据实现功能的不同，卷扬机系列大致可以分为电控卷扬机、船用卷扬机、快速卷扬机等等。本次设计的主要是电控卷扬机，如图 1.1 所示，其他类别的卷扬机在这里均不作介绍。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页图 1.1 卷扬机1.1.2 卷扬机安全操作规程（1）作业前准备1.安装时，基座必须平稳牢固，设置可靠的地锚并应搭设工作棚。操作人员的位置应该能看清楚指挥人员和拖动或起吊的物体；2.作业前检查卷扬机与地面固定情况，防护措施、电气线路、接地线、制动装置和钢丝绳等全部合格后方可使用；3.使用皮带和开式齿轮传动的部分，均须设防护罩，导向滑轮不得用开口拉板式滑轮；4.以动力正反转的卷扬机，卷筒旋转方向应和操纵开关上指示的方向一致；5.从卷筒中心线到第一个导向滑轮的距离，带槽卷筒应大于卷筒宽度的 15 倍，无槽卷筒应大于 20 倍，当钢丝绳在卷筒中间位置时，滑轮的位置应与卷筒轴心垂直；6.卷扬机自动操纵杆的行程范围内不得有障碍物。（2）作业中注意事项1.卷筒上的钢丝绳应排列整齐，如发现重叠和斜绕时，应停机重新排列。严禁在转动中用手、脚拉踩钢丝绳。钢丝绳不许放完，最少应保留三圈；2.钢丝绳不许打结、扭绕，在一个节距内断线超过 10%时，应予更换；辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页3.作业中，任何人不得跨越钢丝绳，物件提升后，操作人员不得离开卷扬机。休息时物件或吊笼应降至地面；4.作业中，司机、信号要同吊起物件保持良好的能见度，司机与信号员应密切配合，服从信号的统一指挥；5.作业中如遇停电，应切断电源，将提升物件降至地面。（3）作业完后注意事项1.作业完毕，应断开电源，锁好开关箱；2.提升吊笼或物件应降至地面，清整场地障碍物。1.1.3 卷扬机主要技术参数1.钢丝绳额定拉力：50KN2.动比 i：74.233.钢丝绳规格直径：21.5mm钢丝绳额定速度：20m/min4.卷筒直径：300mm卷筒宽度：630mm卷筒转速：13.07r/min卷筒容绳量：150m5.减速器齿轮参数：第一级模数：3 齿数比：69/28第二级模数：4 齿数比：82/14第三级模数：6 齿数比：72/146.电动机型号：YZR200L电动机功率：22kw电动机转速：970r/min7.液压推杆制动器：YWZ-300/458.外型尺寸：1355 1083 707辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页1.2 无触点开关的简介1.2.1 无触点开关的发展及应用在六十年代迅速发展起来的硅可控整流元件即可控硅，是电子技术中的一种新型大功率半导体器件，它被广泛的应用在电气化、自动化技术当中，成为技术改造不可缺少的重要元件。它可作可控整流、无触点开关、变频等用途，具有体积小、重量轻、效率高、无噪声、操作维护方便等许多优点。随着科技的进步和现代化制动设备的普及，大型机械设备的电动机控制越来越受到注重，而无触点接触器（固体接触器）正是控制中必不可少的一环。无触点开关是以半导体器件为基础，全封装式的固态继电器(Solid State Relays) 。它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可无触点无火花地接通和断开电路，并且动作快，因此通常又称为“无触点开关” 。 1无触点开关具有高稳定，高可靠，无触点及寿命长等优点。它被广泛应用，如交流调功方面的有电阻型，电压型调压器，过零型单相、三相固体调压器、交一直流调压模块、容性负载固体继电器、延时固体继电器、三相断相保护固体继电器，电动机频繁启动，换向等。广泛用在电动机调速，正反转控制，调光，家用电器，烘箱烘烤加温控温，送变电电网的建设与改造电力拖动、印染、塑料加工，煤矿，钢铁，化工和军用等方面。众所周知，电力拖动控制系统的核心问题就是要对拖动工作机械的电动机进行控制。因此，本文就是利用两只反向并联的晶闸管组成无触点开关，来实现对卷扬机电动机正、反转及能耗制动等功能的控制。1.2.2 无触点开关控制系统的特点优点：1.无触点开关控制系统不存在电器磨损、机械磨损、碰撞和冲击，所以元件运行可靠、动作快、寿命长、结构紧凑、体积小；2.操作安全，维修方便。缺点：1.温度稳定性差；2.抗干扰性差；辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页3.过载能力差，由于半导体元件的过电压、过电流能力差，所以容易过载击穿或烧毁。1.3 卷扬机使用无触点开关的原因在电力系统配电网中,为减少线路压降和提高功率因数,以降低网损、节约电能和改善供电电压质量,大都安装无功功率自动补偿装置。而电力负载一直进行难以预期的动态变化,因此电容器到电网间有一个频繁投切的过程。传统的投切用电气开关通常有两种:一种是普通的开关，其优点是稳态导通时无压降,能耗少,但是缺点却非常明显触点投入瞬间,触头处往往会产生火花,并且浪涌电流非常大;切断触点时,触头又容易拉出电弧,造成咬死现象,尽管采用带预投电阻的专用接触器一定程度上可以降低浪涌,但是综合效果并非理想。另一种开关就是电力电子开关器件,常用的是晶闸管,通过过零投切可以大大减少浪涌电流、火花等现象。目前，很多工厂用的电动机功率都比较大，并且需要频繁起动，如果仍然用这种机械式接触器开关的控制系统，事故率就会极高，所造成的维修量也极大，存在的