三速电动机变极调速控制设备设计

贵州工业职业技术学院毕业设计（论文）题目 三速电动机变极调速控制设备的设计专业 机电设备维修与管理班级 机电 1508 班学生学号指导老师贵州工业职业技术学院2017 年 10 月前 言随着现代技术的发展和工业生产过程的智能化，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓的自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动按照预定的规律运行 1。其中，本次毕业设计涉及的系统就是一个典型的自动控制系统。自动控制技术在社会生产过程中起着举足轻重的作用，无论是在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域，亦或是在生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域中，都有自动控制技术的应用。特别是在一些基础性的工业过程控制领域，自动控制技术更是凸显了自身的优势。首先，自动控制技术为企业安全的生产过程创造了良好的条件；其次，自动控制技术使得企业的生产过程更加高效、经济和环保。一个良好的生产环境对于企业而言是至关重要的，其原因主要有以下两点：第一，就生产过程而言，安全是第一要素，其包括参与生产人员的人身安全和设备安全。而良好健康的生产环境正是安全的重要保证；第二，就企业而言，如何获得更高的利润是企业能否正常运转的重要保证，一个良好健康的生产环境不仅能够降低企业设备的维护费用和原料损耗，而且还能提升生产效率，进而大幅提升企业利润。因此，如何保证企业生产运行在一个良好健康的环境下，显得十分重要。我们知道，纺织工业是一项重要的国民经济基础行业，其产品涉及到人们生活的诸多方面。然而，目前我国的纺织工业还存在着生产技术落后、技术标准低、人才资源匮乏、信息化程度不高、缺乏品牌经营管理等诸多问题。当然，解决以上问题并非短时期能够完成。企业自身在经营和发展的过程中，能够全方位考虑企业的良性发展，循序渐进地提升自身的技术水平和管理水平，显得十分必要。对于纺织厂的生产车间而言，如何控制温度和相对湿度是车间良性运行的重要保证。车间温湿度的控制涉及自然环境的状态和人为地对温湿度进行补偿两个问题。因此，可以将其定义为一个基于环境状态实时变化的车间温湿度自动补偿问题。温湿度的补偿主要采用控制轴流风机的方法实现。目 录中文摘要 .I英文摘要 .II第 1 章 绪 论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 电机调速控制系统发展现状 .11.2.1 直流电动机调速技术 .21.2.2 交流电动机调速技术 .31.3 电机调速中的控制技术 .41.4 论文内容及章节安排 .4第 2 章 电机拖动方案的确定 .52.1 电机拖动原理 .52.1.1 直流电机拖动原理及特性 .62.1.2 交流电机拖动原理及特性 .82.2 电机拖动方案论述 .122.3 本章小结 .13第 3 章 电动机的选型方案论述 .143.1 电动机选型 .143.2 本章小结 .16第 4 章 电气控制原理图的设计 .174.1 电气控制原理图设计方法论证 .174.1.1 经验设计法 .174.1.2 逻辑设计法设计 .224.2 本章小结 .29第 5 章 电器元件的选择明细 .305.1 电器元件的选择 .305.1.1 刀开关 .305.1.2 熔断器 .305.1.3 热继电器 .315.1.4 接触器 .315.1.5 电流互感器与电流表 .325.1.6 中间继电器 .325.1.7 时间继电路 .325.1.7 按钮 .335.1.8 指示灯 .335.1.9 指示灯 .335.1.10 接线端子 .345.2 电路元件明细表 .345.3 本章小结 .35第 6 章 电器布置图的设计 .366.1 电气布置图的设计原则 .366.1.1 低压电器电控设备的布置原则 .366.1.2 三速电动机电气控制柜的布置 .396.3 本章小结 .41第 7 章 电器接线图的设计 .427.1 接线图的设计 .427.2 本章小结 .49第 8 章 总结与展望 .508.1 系统设计总结 .508.2 三速电动机变极调速的未来展望 .50致 谢 .51参考文献 .52附 录 .53附录 A：国家电气标准的若干规定 .53一、 电控设备导线的颜色 .53表 A1 依导线颜色标志电路的规定 .54表 A2 依电路选择导线颜色的规定 .55周红卫：三速电动机变极调速控制设备的设计中文摘要针对某纺织车间温湿度的保持问题，采用控制轴流风机的方法实现对温湿度的控制。通过建立风机转速、风量以及轴功率之间关系的数学模型，确定了电机的拖动方案。其中，电机选型为 YD 序列变极三速电动机。根据控制系统的功能和设计要求，论述了系统的元件选型方案。最后据温湿度控制要求和电机拖动方案，设计了电气控制设备电气控制原理图。系统最终实现了对轴流风机的控制，从而实现了对车间温湿度的控制。本文对系统结构和工作原理进行了详述，包括系统的硬件设计和软件设计，并对系统是否满足设计要求进行了分析。关键字：纺织工业，三速电动机，变极调速，温湿度控制2018 届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）I英文摘要In order to maintain the temperature and humidity of a textile workshop, the control of the axial fan is used to control the temperature and humidity. Just through the establishment of the fan speed, air volume and shaft power relationship between the mathematical model to determine the motor drag program. Among them, the motor selection for the YD sequence variable pole three-speed motor. According to the function and design requirements of the control system, the component selection scheme of the system is discussed. Finally, according to the temperature and humidity control requirements and motor drag program, designed electrical control equipment, electrical control schematic. The system finally achieved the control of the axial fan, in order to achieve the control of the plant temperature and humidity. In this paper, the system structure and working principle are described in detail, including the system hardware design and software design, and the system to meet the design requirements were analyzed.Key words:Textile industry, Three-speed motor, Variable pole speed, Temperature and humidity control三速电动机变极调速控制设备的设计0第 1 章 绪 论1.1 选题背景及意义目前我国纺织工业存在以下问题，首先，技术装备落后，新产品开发不足。据统计，中国纺织品三大行业（纺织业、服装业、化学纤维制造业）产值占比约分别为61%、 28%、 11%。除化学纤维生产技术和服装骨干企业的缝纫设备接近国际先进水平以外，纺纱、织造、染整等传统工艺与世界先进水平有较大差距。其次，目前中国的纺织企业还处于低端生产阶段。大约有 80%的企业生产中低档产品、6%的企业生产中低档产品，4%的企业生产品质低价格低产品，仅有 10%的企业生产高品质产品。再次，高素质人力资源缺乏。行业缺乏品牌运作、资本运筹、国际交往的人才，缺乏国际化经营经验和适应国际竞争的复合型人才。再者，企业信息化程度不高。行业性软件开发力量薄弱，软件产品少，企业管理软件应用比例低，信息化普及率低，电子商务起步慢，多数企业管理方式落后，难以真正建立起小批量、多品种、高品质、快交货的市场快速反应机制。最后，缺乏品牌经营理念。传统家纺多，规模小，产品单一，加工贸易比重仍然很大，应对国际竞争手段不足，处在整合阶段 2。因此，如何将现代化的设备技术和经营管理经验引入纺织工业的生产过程和管理方案显得十分必要。再者，就纺织工业的生产车间而言，如何保证一个安全、稳定的生产环境更是提升企业综合实力和保证可观利润的关键。面对复杂多边的外部环境，车间的温湿度也会随着环境的改变而发生变化，车间温湿度的变化不仅影响生产原料的质量，还影响到工人的精神状态以及机器设备的运行状态。这就是说，维持车间合理的温湿度变化对车间的生产有巨大的影响。通过这次设计，不仅解决了纺织车间的温湿度控制问题，为企业的安全、高效生产提出了可行的解决方案，而且培养了学生综合运用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力。使学生建立正确的设计思路，掌握低压电器组成的电气传动控制设备工程设计的一般程序和方法。1.2 电机调速控制系统发展现状调速电机是利用改变电机的级数、电压、电流、频率等方法改变电机的转速，以使电机达到较高的使用性能的一种电机。由于其优异性能，调速电动机已广泛用于钢2018 届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）1铁、电站、电缆、化工、石油、水泥、纺织、印染、造纸、机械等工业部门作恒转矩或递减转矩的负载机械无级调速之用，尤其适宜作流量变化较大的泵和风机类负载托动之用，能够获得良好的节能效果 3。能源在我们日常生活中的应用是一个不争的事实，要使能源为我们人类所利用，目前大部分要靠电动机和发电机所实现。而我们在生产过程中，大部分要靠电动机把电能转换为机械能供人类使用。对一些精确控制，调速技术的发展至关重要。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，以前在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。目前交流拖动控制系统的应用领域主要有以下三个方面：（1）一般性能调速和节能调速。在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，如果换成交流调速系统，每台风机、水泵平均都可以节约 20%30%以上的电能。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。（2）高性能的交流调速系统和伺服系统。由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20 世纪 70 年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法。常应用在电梯的交流调速系统中。（3）特大容量、极高转速的交流调速。直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过 106kWr/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜 4。1.2.1 直流电动机调速技术直流电动机电力拖动在 19 世纪中叶诞生，在 20 世纪前半叶，只有 20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。1960年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流调速技术得到了飞速对的发展。采用可控晶闸管组成整流器的晶闸管整流器-电动机系统，它们在 20 世纪 60 年代起得到了广泛的应用。用全控型电力电子器件可组成直流 PWM 变换器- 电动机系统，现在越来越多地取代了晶闸管- 电动机系统 5。主要有以下 3 个方面：（1）转速反馈控制的直流调速系统；（2）转速、电流反馈控制的直流调速系统；（3）可逆控制和弱磁控制的直三速电动机变极调速控制设备的设计2流调速系统。目前由于交流调速技术的迅速发展，直流调速技术逐渐被淘汰。1.2.2 交流电动机调速技术1880 年前只有直流电力拖动，1895 年左右，发明了交流电，就有了交流电力拖动，1960 年前，高性能可调速拖动都采用直流电机（20%），不变速拖动系统则采用交流电机（80%），1930 年开始，交流调速系统的多种方案出现，并获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌 6。直到 20 世纪 6070 年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现；大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生。一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于 0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。（1）自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。(2)开关磁阻电机是一种特殊形式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途 7。交流调速技术已经发展了好多年，有以下几种发展趋势：（1）新的控制策略异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间内不如直流电机。矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，但矢量控制对电机参数的依赖很大，使之也有不尽人意之处，磁链跟踪型 PWM 控制逆变器及与之相关的转矩直接控制正受到广泛关注。基于现代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于变频调速中也得到了广泛的研究。（2）新型变流装置和变流技术随着电力电子元器件的不断发展，调速系统用的变流装置正朝向高电压、大容量、小型化、高频化的方向发展，中高电压(10kV)、大容量 (10MW)的变频器已得到了应用，变流主元件的开发频率越来越高，装置的体积越来越小，为提高开关频率、降低2018 届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）3开关损耗，软开关技术已经开始得到实际应用。变流装置对电网的谐波问题已引起高度的重视，把不控整流桥改成 PWM 双向整流桥已成为当前的热门课题。（3）全数字化控制随着微机运算速度的提高和存储器的大容量化，全数字化控制已成为调速系统的主流方向，各类单片机和数字信号处理器(