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机电控制系统分析与设计课程设计说明书设计题目：电机启动与速度控制班 级：机械 140306 班学生姓名：胡军雄指导老师：刘顺安设计时间：2007 年 3 月 22 日目 录第 1 章设计任务1.1 设计任务介绍及意义1.2 设计任务明细第 2 章设计总体方案2.1 设计的基本依据2.2 总体方案的确定第 3 章电气原理设计3.1 概述3.2 电气系统的参数计算3.3 电气系统设计第 4 章程序设计4.1 程序设计的任务4.2 具体程序第 5 章课程设计总结参考资料第 1 章设计任务1.1 设计技术要求及意义1.1.1 技术要求总体的要求是实现对中大功率的三相鼠笼式交流异步电动机起动和速度控制。在电气控制系统中，要求起动平稳，速度控制精确，并且对电机的速度进行数码显示。对电机的起动要求用 PLC 实现。要求有电气原理图和功能框图，6000 字的文字说明书。1.1.2 设计的意义本次课程设计的目的在于要将过去所学的电工学，电子学，测试与传感技术，微机原理，机电传动控制等课程综合运用，并在生产实际中运用这些知识。要求知道并了解三相鼠笼式异步电动机启动的三种方法以及他们存在的利弊。知道电器元件的使用方法和怎样选择这些元件。要掌握 PLC 的内铺构造，指令系统，还有编程的方法，并将其应用实践生产中。1.2 设计任务明细1.2.1 电机启动的设计任务设计出三相鼠笼式异步电动机 Y-降压启动的原理图，电路图以及接线图。1.2.2 电机转速控制的设计任务（1）实现启动过程中转速的检测；（2）实现启动过程中转速的显示。第 2 章设计总体方案2.1 设计的基本依据2.1.1Y-降压启动的设计依据采用电动机拖动生产机械。对电动机的主要要求如下：（1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望启动的越快越好，以提高生产效率。电动机的启动转矩要大于负载转矩，否则电动机不能启动。（2）在满足启动转矩要求的前提下，启动电流越小越好。因为过大的启动电流冲击，对于电网和电动机本身都不利。（3）要求启动平滑，即要求启动时平滑加速，以减小对生产机械的冲击；（4）启动安全可靠，力求简单，操作方便；（5）启动过程中的功耗越小越好;其中， （1） （2）两条是衡量电动机起动性能的主要技术指标。然而，异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流，一般启动电流 可达到额定电流的 5-7 倍，但因启动时转差率 S=1，转子功率因数 stI cos很低，因而启动转矩 却不大，一般 =0.8-1.5 。2 ststtstIKT2costTN显然，异步电动机的这种启动特性和生产机械的要求是相矛盾的。因此所采用的启动方法必须限制启动电流和提高启动转矩，降压启动便是一种在生产实际中经常使用的一中启动方法。电动机降压启动的方法很多，如用电阻或电抗器降压启动，Y-降压启动，自藕变压器降压启动和延边三角形启动等，经过具体的分析，并结合生产的实际应用，本方案中，采用 Y-降压启动，具体的原理如下：Y-降压启动的接线图如上图所示，启动时，接触器的触点 KM 和 1KM 同时闭合，2KM 断开，定子绕组接成星形；待转速上升到一定程度后（本次设计的是额定转速） ，再将1KM 断开，2KM 闭合，将定子绕组结成三角形，电动机起动过程完成，并进入正常运行。设 U1 为电源电压， 及 为定子绕组分别接成星形及三角形的启动电流， Z 为电动机stYIst在启动时每相绕组的等效阻抗。则有ZUIZUIststY /13),/(1所以， = /3，即定子接成星形时的启动电流等于接成三角形启动时电流的 1/3，而接stYIt成星形时的启动转矩 所以 及 Y 连接降压启动时,/)3/( 22TTststY ,3/ststYT的启动转矩只有星形连接启动时的 1/3。这种启动方法的优点是设备简单、经济、启动电流小；由于这种方法应用广泛，我国规定4kM 及以上的三相异步电动机，其定子额定电压为 380V，连接方法为三角形。当电源线电压为 380V 时，就可以采用这种方法进行启动。用 PLC 实现电动机的 Y-降压启动。PLC 的可靠性高，逻辑功能高，体积小，可在线修改控制程序，具有远程通信联网的功能，易于与计算机接口，能对模拟量进行控制，具备高速计数器和位控等高性能模块等，已经日益取代由大量中间继电器，时间继电器，计数继电器等传统继电接触控制系统，在生产实际中已经得到越来越广泛的应用，因此，在本方案中，利用 PLC 来进行 Y-降压启动。2.1.2 转速监测和显示的设计依据本方案中，转速的监测和显示用集成化数字转速仪，利用霍尔传感器对电机输出轴的转速信号进行采集，信号放大，调整，最终用数码管进行显示。2.2 总体方案的确定本课程设计大致分为两个部分，即启动控制和转速显示，相应得我设计的方案也由两大部分成，其结构框图如示：电动机转速显示霍儿传感器 三相异步电动机PLC 控制的电动机的启动第 3 章电气原理设计3.1 概述本方案的电气系统由三相鼠笼式异步电动机的主电路，Y-降压启动控制电路，转速测量和显示电路三部分组成，其中，主电路由电动机，熔断器，热继电器，交流接触器等组成；Y-降压启动控制电路由 PLC，控制按钮等组成；集成化数字转速仪组成转速测量回路，具体见电气原理图。3.2 电气系统的参数计算3.2.1 电动机的选择由题目要求电动机为中大功率，选用 Y 系列电动机，其具体的技术指标如下：满载时型号额定功率/kM 电流/A 转速/rpm效率/%功率因数堵转电流/额定电流堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩外形尺寸（长*宽*高）/mm*mm*mmY225M-4 45 84.7 1480 91.5 0.87 6.5 1.8 2.2 815*356*2253.2.2 启动电流的计算：由于交流异步电动机的起动电流可以达到额定电流的 5-7 倍，而采用 Y-降压启动的方法启动时，异步电动机的起动电流时正常启动电流的 1/3，因此采用 Y-降压启动可以使鼠笼式交流电机的起动电流达到额定电流的( 5-7）/3 倍，大大降低了启动电流的大小，Y225M-4 电机的满载电流是 I=84.7，所以采用 Y-降压启动时的起动电流为 I （141.1-197.6)A。st3.3 电气系统设计3.3.1 主电路设计3.3.1.1 刀开关/断路器型号的选择刀开关又名闸刀，一般用于不需要经常切断与闭合的交流低压的电路，在额定电压下，其工作电流不能超过额定电流，因此，我们选择三级刀开关，其通过电流为 200A 的 HS 系列。3.3.1.2 熔断器型号的选择熔断器在电路中起保护作用，当线路发生短路故障时，能自动迅速熔断，切断电源回路，从而保护线路和电气设备。熔断器尚可用做过载保护，但用做过载保护的可靠性不高，熔断器的保护特性必须与被保护设备的过载特性有良好的配合。熔断器的选择原则是保证设备正常工作是不熔断，只有当出现过大电流和短路时才熔断。降压启动的笼式异步电动机所用熔断器的熔体额定电流，可选为电机额定电流的 1. 5 至 2 倍，故熔体的额定电流为 127.05A。 故选用RT0 系列有填料管式刀型熔断器，次系列熔断器有具刀型触头的熔断体和楔形结构组成。当熔断体内的熔体熔断后，其端盖上 的熔断指示器即弹出，由于熔断器型号与交流接触器相配合，故所选型号为 RT0-200，熔体熔断电流为 200A。3.3.1.3 热继电器型号的选择电动机在实际运行中若过载不大，时间较短，只要电动机绕组不超过容许温升，这种过载是容许的。但当长时间过载，绕组超过容许的温升时，将会加剧绝缘的 熔化，缩短电动机的使用年限 ，严重时将电动机烧毁。因此，应采用热继电器进行电动机的过载保护和断相保护，但本设计没有断相保护，则我们选择 （电动机的额定电流(A)）为 84.7A,型号为 JR 10 edI84.7/3。3.3.1.4 交流继电器型号的选择接触器是在外界信号下能够自动的接通或断开带有负载的主电路的自动控制电器，它是利用电磁力来使开关打开火闭合的电器。适用于频繁操作，远距离控制强电流电路，并且有低压释放的性能。工作可靠，寿命长和体积小等优点。他是继电器接触器控制系统中最重要常用元件之一。它的工作原理是：当按下按钮时，线圈通电，静铁心被磁化，并把驱动铁心吸上带动转轴使触头闭合从而接通电路，当放开按钮时，过程与上述相反。根据要求选择：CJ10100 型号。线圈的选择：电压：AC：220V，50HZ；线圈消耗功率：（VA/W） ；启动：3578/790；吸持：250/118，满足设计要求。3.3.1.5 主电路设计说明电机选择鼠笼式异步电动机，借 380V 的三相交流电。保护装置为断路器，热继电器，电动机采用 Y-降压启动，交流接触器 KM 的主触点用于实现主电路的接通和关断；交流接触器 KM1 的主触点用于电动机星形连接的接通与关断；交流接触器 KM2 的主触点用于控制电动机的三角形连接的接通与关断。3.3.2 Y-降压启动控制电路设计3.3.2.1PLC 型号的选择PLC (可编程逻辑控制器)是一种以微处理为核心用作数字控制的专用计算机，由于 PLC 诸多功能上的优点，本次课程设计选择 PLC 为主要的控制环节控制电动机在启动过程中进行 Y-换接，PLC 型号选择三菱公司的 F-40M 型，具有 24 点输入，16 点输出，性价比较高。PLC 电源电压选择 220V 交流电源，输入输出端均选用 220V 交流电源。3.3.2.2 控制按钮型号的选择控制按钮简称按钮，是一种结构简单，使用广泛的手动安全电器。在控制电路中作远距离手动控制电磁式电器用，也可以用来转换各种信号电路和电气连锁电路等。其工作原理是：当按下按钮时，先断开常闭触电，而后接通长开触电，按钮释放后，在复位弹簧的作用下触电复位。控制按钮用于输入外界信号，LA10 系列控制按钮适用于交流 50HZ，电压 380V，直流220V 的电路中。次系列虽为老产品，但因结构坚固，经久耐用，故仍在普通使用。结合设计需要采用 LA101H 型号。3.3.2.3 电气原理图功能说明Y-降压启动是异步电动机常用的起动控制线路之一。其主电路、PLC 外部接线和控制电路如电气原理图所示，图中，SB1 为启动按钮， SB2 为停止按钮，KM 为电源接触器，KM1为 Y 形连接接触器，KM2 为三角形连接接触器。其具体的起动过程如下：按下启动按钮 SB1，动合触点 400 闭合，输出继电器 430 接通并自保，电源接触器 KM 闭合给电动机供电，定时器 450 开始计时，同时中间继电器 100 接通，主控条件得到满足，且触点450，432 闭合，输出继电器 431 接通，Y 型连接接触器 KM1 闭合，电动机被接成 Y 形开始启动。当定时器 450 延时 10s 时间到后，其动断触点打开，使 431 断开，切断 Y 型连接接触器KM1，电动机断电（此时电动机已启动到某一转速并由于惯性继续转动） 。同时，动断触点431 闭合，定时器 451 开始计时，经 2s 延时后，动合触点 451 闭合，接通输出继电器 432，使三角形连接接触器 KM2 闭合，电动机接成三角形后继续继续起动到额定转速后进入正常运行。动断触点 432 使定时器 450 和 451 复位，定时器 450 和 451 只在启动过程中提供 Y-变换所需的延时时间，正常工作后不起作用。按下停止按钮 SB2，动断触点 401 打开，使输出继电器430 断开，切断电源接触器 KM，电动机断电停止，同时只能中间继电器 100 断开，主控条件不满足，切断三角形连接接触器 KM2，恢复断电常态。3.3.3 电机转速测量及显示电路的设计3.3.3.1 概述此部分的设计任务由集成化数字转速仪来实现，其具体的内部元件连接情况见原理图。转速仪包括霍尔器件传感电路，时基电路和计数，译码，显示电路等。其中集成传感器采用型号为 SH13 的集成传感器，时基电路采用 555 集成时基电路。下面进行分别叙述。3.3.3.2 霍尔集成传感器霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达 1MHZ） ，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达 m 级） 。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55 150 。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。磁敏传感器，顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)。这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、 镍及其它们的合金 )当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。集成磁敏传感器又称霍尔集成电路，它具有将磁信号转换为电压信号，并将其放大或整形的功能。磁敏集成电路分为两大类，即开关型磁敏集成电路和线性磁敏集成电路。转速仪中采用的是开关型磁敏集成电路。其基本结构有霍尔元件、差分放大器，施密特触发器，基准电源和输出电路著称。其中霍尔元件是用 MOSFET 构成的。磁场垂直于沟道面，在垂直源漏电流方向获取霍尔电压。主要性能参数为磁场工作点，灵敏度，输出电压等。3.3.3.3 555 时基电路555 集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等，应用十分广泛。555 定时器的外引线排列图和内部原理框图如图 1-1、1-2 所示，功能见表 1-1。它是由上、下两个电压比较器、三个 5k 电阻、一个 RS 触发器、一个放电三极管 T 以及功率输出级组成。比较器 C1的反相输入端接到由三个 5 k 电阻组成的分压网络的 2/3Vcc 处（也称控制电压端） ，同相输入端为阀值电压输入端。比较器 C2的同相输入端接到分压电阻网络的 1/3Vcc处，反相输入端为触发电压输入端，用来启动电路。两个比较器的输出端控制 RS 触发器。RS 触发器设置有复位端 ，当复位端处干低电平时，输出为低电平。控制电压端是比DR较器 C1的基准电压端，通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值，即可改变比较器 C1、C 2的参考电压。不用时可将它与地之间接一个 O01F 的电容，以防止干扰电压引入。555 的电源电压范围是+4.5+18V，输出电流可达 100200mA，能直接驱动小型电机、继电器和低阻抗扬声器。图 1-1 555 集成电路引脚排列图图 1-2 时基电路 555 电路结构图表 1-1 555 芯片功能表TR触发TH阈值 R复位IS D放电端OUT输出H 导通 LH 原状态H 截止 HL 导通 L3.3.3.4 转速仪工作过程如原理图所示，转速仪奥扩霍尔器件传感电路，时基电路和计数、译码、显示电路等。图中的转盘即待测旋转轮，监测用的传感器采用 SH13 型霍尔集成电路。当安装的小磁缸转盘转动时，霍尔器件将感知磁信号并记录下来，经放大，F1 非门倒相，加至与非门 F5。555 和R3，RP1，C2 等组成一个典型的无稳态多谐振荡器，振荡周期T=0.693（R3+RP1）C2振荡周期可通过电位器 RP1 来调节，图示参数的振荡频率约在 0.05Hz-7Hz。IC3 输出的方波脉冲经 F2 反相后，一路加至计数、译码、显示组合集成电路 CL102 的 LE 端，呈寄存状态；另一路经 F3、 F4 及 R4、 R6、R7、C6 等微分电路，作为复位脉冲加至 CL102，进行清零。门5 在 555 输出高电平状态时开启，使组合电路 CL102 进行计数。当 555 输出呈低电平，选通门5 关闭，但仍使 CL102 呈送数状态（LE 端） ，计数内容送至寄存器并显示数字。当第二个时基信号来时，进行清零，并再次计数，寄存，译码，显示。CL102 是一种 Led-CMOS 型组合器件，集计数，寄存，译码，驱动，显示于一体，集成化程度高，显示亮度大。
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