三速电动机变极调速控制系统设计2009级秋课程设计doc

1 课课 程程 设设 计计 三速三速电动电动机机变变极极调调速控制系速控制系统设计统设计 学生姓名 学号 电大分校 四 四厂电大分校 工作站 教学点 四 四厂电大分校 学生所在单位 四 四厂 2 三速三速电动电动机机变变极极调调速控制系速控制系统设计统设计 3 前言 一 总体方案确定 根据该车间的实际情况 全年送风量划分为三个时间段 即夏季 春秋季和 冬季 由风机特性可知 当风机转速从 n 变到 n 时 风量 Q 和轴功率 P 的变化 关系式如下 Q Q n n P P n n 3 根据已知技术数据 春秋季的风量为夏季的 66 冬季的风量为夏季风量的 50 所以需对拖动风机的电动机进行调速控制 达到夏季风量所需电动机功率 为 11 6KW 转速为 1457r min 所以我们所选电动的最大功率和转速只要满足大于 等于 11 6LW 和 1457r min 控制设备能实现对该电动机调速即可满足设计的技术 要求 异步电机调速可采用 调压调速 电磁调速电动机调速 串级调速 变频调 速和变极调速等 前几种调速方案都可实现对电动机的无极调速 但实现调速的 控制设备和设备方案都比较复杂 经济投入较大 只有变极调速为有级调速 控 制设备相对较简单 经济投入较少 根据设计技术数据 该车间全年要求的风量 变化是分段的 所以不需要采用无级调速即可达到设计要求 变极调速的控制一种情况可用电器控制设备实现拖动控制要求 另一种方法 是采用先进的 PLC 控制技术 大幅度降低安装工程量 节省空间及今后打的检修 工作量 综合考虑选用 PLC 实现调速控制 二 电动机的选择 根据风量分段的要求 我们选用变极三速电动机实现对风机的控制 该车间对湿度要求比较严格 为防止电机由于潮湿造成损坏 我们选择电机 外壳防护等级为 IP44 设风机在夏季 春秋季和冬季的风量分别为 Q1 Q2 Q3 转速分别为 n1 n2 n3 轴功率分别为 P1 P2 P3 由已知条件即得 Q2 Q1 0 66 Q3 Q1 0 50 4 P1 11 6KW n1 1457r min Q Q n n n2 n1 Q2 Q1 1457 0 66 962r min n3 n1 Q3 Q1 1457 0 50 729r min P2 P1 Q2 Q3 3 11 6 0 663 3 3KW P3 P1 Q3 Q1 3 11 6 0 53 1 5KW 由此可知 风机夏季 春秋季 冬季三个调速点要求的转速分别为 1457r min 962r min 729r min 要求的功率分别为 11 6KW 3 3KW 1 5KW 根据上述情况的车间所具有的电源 我们选用 YD 系列变速三速异步电动机 来拖动风机 该电动机的有关参数如下 型号为 YD180L 8 6 4 电动机有三种极对数变化 分别为 8 极 6 极 4 极 对应于三种极对数 8 6 4 的额定功率为 7KW 9KW 12KW 满载电流为 20 2A 20 6A 24 1A 满载转速为 740r min 980 r min 1470 r min 绕组接法为 Y YY 电动机绕组接线图所示 5 图一 系列变极三速电动机绕组接线图 2极 YY U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3 U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3 U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3 4极 6极或8极 Y 2极 YY 6极 8极 U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3 U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3 U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3 图一 YD 系列变极三速电动机绕组接线图 要满足对风机的控制要求 只需夏季采用 4 极运转 春秋季采用 6 极运转 冬季采用 8 极运转 我们将其分别定义为高速 中速 低速运转状态 这样功率 和转速均能满足风机的工作要求 三 电气控制原理图的设计 1 设计思路设计思路 电气控制原理图的设计方法很多 主要有经验设计法和逻辑设计法等 经验设计方法根据生产工艺要求 利用各种典型的线路环节 直接设计控制 线路 这种设计方法比较简单 但要求设计人员必须熟悉大量的控制线路 掌握 多种典型线路的设计资料 同时具有丰富的设计经验 经验设计方法由于靠经验 进行设计 因而灵活性大 初步设计出来的控制线路符合设计要求 确定比较合 理的设计方案 即使这样 设计出来的线路可能还不是最简 所用的电器及触 点不一定最少 所得的方案不一定是最佳方案 逻辑设计方法是根据生产工艺的要求 利用逻辑代数来分析 化简设计电路 这种设计方法能够确定实现一个开关量自动控制线路的逻辑功能所必需的 最少 的中间记忆元件的数目 然后有选择地添置中间记忆元件 用这种方法设计的线 路比较合理 特别适合较复杂的生产工艺所要求的控制线路 但是相对而言逻辑 6 设计方法难度较大 不易掌握 对于一个较大的 功能较为复杂的控制系统 如 能分成若干个相互联系的控制单元 用逻辑设计方法完成各单元的设计 然后再 用经验设计法把这些单元组合成一个整体 是切实可行的一种简洁的设计方法 在本设计过程中 用逻辑设计方法设计的电路只能严格按程序顺序一步步进 行 不能逆向或越级 使其控制功能反而变得不方便 不灵活 故我们选用经验 设计法完成整个设计 2 经验设计法经验设计法 因风机起动属于轻载起动 可对电动机采用全压起动控制电路 由于风机和 电动机有三种运行速度 故需有三只控制按钮分别发出指令来控制电动机三种速 度运行 考虑到控制柜要有短路 过载等保护 早原理图的主回路中设置三只热 继电器和三只熔断器 结合三速电动机绕组接线图设计出图二所示电路 图二 速电动机电气控制原理图草图之一 该控制图能实现电动机低 中 高三种速度的控制 不管原来电动机的运行 状态如何 只要按动 SB2 SN3 SB4 按钮中的任意一只 电动机将工作在某种 7 转速上 例如电动机原为停止状态 我们按动按钮 SB4 接触器 KM4 KM3 先 后吸合 使电动机工作在高速状态 再按按钮 SB2 接触器 KM4 KM3 同时释 放 接着接触器 KM1 吸合 电动机由高速直接进入低速运行 这样 使电动机 在转换状态时的转速变化较大 不利于电动机的使用 同时风机的风量变化也将 不符合设计技术要求 设计技术要求中风量控制要求在三种速度之间转换能逐渐 进行 即起动时先进入低速运行 再进入中速 最后进入高速运行 不允许中速 或高速直接起动 在高速运行转入低速运行时 先由高速变化到中速 在转入低 速运行 从低速切换到告诉也一样 即要求在三种速度之间转换 不能越级直接 切换 满足对风机风量控制的技术要求 根据此前提 重新设计出的三速电动机 电气控制原理图如图三所示 见图三 在此图中接触器 KM1 吸合 三相电源进入电动机的 U1 V1 W1 端子 电动 机工作在低速状态 接触器 KM2 吸合 三相电源进入电动机的 U2 V2 W2 端子 电动机工作在高速状态 低中高三种工作状态分别由按钮 SB2 SB3 SB4 来控制 为避免电源同时接入 U1 V1 W1 U2 V2 W2 及 U3 V3 W3 三者之中的任意二处 在接触器 KM1 KM2 及 KM4 线圈回路中接入了机械互锁和电气互锁 为实现在 电动机起动时只能低速起动 不允许中速霍高速起动 在线路中设置了中间继电 器 KA1 并将 KA1 的二对常开触点分别串入接触器 KM2 和 KM4 的线圈回路 使得起动时若不按 SB2 按钮 接触器 KM1 没有吸合过 则中间继电器 KA1 不可 能吸合 其二对常开触点均处于断开状态 即使按下 SB3 或 SB4 按钮 接触器 KM2 或 KM4 均不会吸合 亦即电动机不会直接起动到中速或高速状态 而一旦 从低速起动后 中间继电器 KA1 通过其自锁触点长期吸合 将不影响低 中 高三种速度间的转换 图中电动机一旦起动后 低速与中速间的相互切换只要按动 SB2 或 SB3 按 钮即可实现 中速与高速之间的切换同样只要按动 SB3 或 SB4 按钮便能实现 但电动机如工作在低速状态 若按动高速 SB4 按钮 电动机将不能直接进入高速 状态 二是先进入中速运行 然后才自动转入高速状态稳定运行 电动机原工作 在高速状态 按低速运行按钮 SB2 情况也相同 要经过中速运行状态才能最后进 入低速运行 保证三级速度的切换能逐级进行 为保证实现这样的切换程序 设 置了中间继电器 KA2 KA5 和时间继电器 KT1 KT4 其中中间继电器 KA3 KA4 8 和时间继电器 KT1 KT2 保证电动机在低速运行状态时转入高速运行状态的平稳 过渡 而 KA2 KA5 KT3 KT4 的控制功能正好相反 现以电动机在低速运行时要 切换到高速运行为例来说明线路的设计思路与工作原理 电动机运行在低速状态 接触器 KM1 吸合 其常开触点 KM1 3 闭合使中间 继电器 KA3 吸合 KA3 一对常闭触点串在接触器 KM4 线圈回路中 保证使得按 下高速按钮 SB4 时 虽其常开触点 SB4 1 闭合 但接触器 KM4 线圈因 KA3 的常 闭触点断开而不能得电吸合 只有等接触器 KM2 吸合 其常闭触点 KM2 4 使中 间继电器 KA3 失电释放 KA3 串在 KM4 线圈回路中的常闭触点回复后 KM4 才能吸合 进而使 KM3 吸合而使电动机转入高速运行 即实现了低速运行时必 须经过中速状态才能最后进入高速运行的目的 注意接触器 KM2 吸合即使电动 机工作在中速状态 具体工作原理如下所述 电动机在低速运行时 接触器 KM1 吸合 中间继电器 KA3 吸合 当按动高速按钮 SB4 后 其常闭触点 SN4 1 使 KM1 线圈失电释放 同时其常开触点 SB4 2 使时间继电器 KT1 线圈得电吸合 由于 KT1 为一断电延时继电器 其延时常开触点马上闭合使中间继电器 KA4 线 圈得电吸合 KA4 的常开触点 KA4 1 使接触器 KM2 的点动控制 以便实现从中 速到高速的自动切换 KM2 吸合后 其常闭触点 KM2 4 断开 使中间继电器 KA3 释放 KA3 串在 KM4 线圈回路中的常闭触点复位 为 KM4 线圈的得电作 好准备 在中间继电器 KA4 吸合其常开触点 KA4 1 使 KM2 吸合的同时 另一对 常开触点 KA4 2 使时间继电器 KT2 线圈得电吸合自保并开始延时 注意在通电 延时时间继电器 KT2 开始计时时 断电延时时间继电器 KT1 也同时在进行计时 因为按钮 SB4 的常开 SB4 2 是合一下马上断开的 当时间继电器 KT2 延时到后 其延时常开触点闭合 使接触器 KM4 线圈只要接触器 KM2 常闭触点 KM2 2 回 复即可吸合 当 KT1 延时到后 其延时常开触点断开使 KA4 线圈失电 KA4 释 放 KA4 的常开触点 KA4 1 和常闭触点保证 KM2 线圈失电释放 使 KM2 2 复 位 这样 KM4 得电吸合 其常开触点又使接触器 KM3 吸合 KM3 常闭触点 KM3 3 又使 KT2 失电释放 电动机自动进入高速状态稳定运行 从而实现低速 运行经中速自动切换到高速的控制目的 所以时间继电器 KT1 的延时时间要比 KT2 略长 如相反 当 KT1 延时一到 其延时常开触点断开使 KA4 释放 从而使 KM2 释放 但这时 KT2 的延时常开 9 触点仍未闭合 使 KM4 不能吸合 电动机将失电停机 等到 KT2 延时时间到后 才又使 KM4 吸合 进而 KM3 吸合 电动机转入高速运转 这样在中速自动切换 到告诉过程中会出现电动机的短暂失电 不利于控制 同理 时间继电器 KT3 的 延时时间也要比 KT4 略长些 当电动机工作在高速状态 按动低速按钮 SB2 后 的工作原理与上述类似 只不过此时工作的电器换成了 KA2 KA5 KT3 KT4 而已 在图三中 各按钮 接触器用到的触点数都较多 我们在选择元器件时要选 有相应常开 常闭触点数的类型以满足要求 否则需用中间继电器来扩大触点数 目 图三已能按设计要求实现对电动机的调速控制 但还不完善 因设计技术要 求中还要有低 中 高速运转状态的指示 发生故障时的指示 以及电动机定子 电流的指示 为此我们设置 HL1 HL2 HL3 HL8 故障指示灯 HL4 HL7 工作状态 指示灯 其中 HL4 为工作电源指示灯 KL5 HL7 分别为低 中 高速运转状态 指示灯 以便能通过某一指示灯的发亮清楚知道电动机的工作情况 而 HL1 HL3 分别指示低 中 高速时电动机的过载故障 HL8 指示主回路的短路 故障现象 定子电流指示在主回路中设置一交流电流表和电流互感器来共同实现 标上各电器接线端子标志 三速电动机的电气控制原理图 如图所示 其中中间 继电器 KA6 KA8 是为了扩大接触器 KM1 KM3 KM2 的辅助触点数而设置 因适 合该功率电动机控制的各种类型接触器中辅助触点最多为 2 常开 2 常闭 因 SS1 SS3 是熔断器的微动开关 可通过带微动开关的熔断器实现 KL8 由 SS1 SS3 控制其显示情况 所以接入 PLC 的输入输出元件中不考虑 SS1 SS3 和 HL8 即输入元件为 7 个 输出元件 11 个 共计 18 个 四 PLC 控制系统设计 1 PLC 控制系统设计的基本原则 PLC 控制系统设计应遵循以下基本原则 1 控制系统应安全 可靠 实用 且易于维修 2 在满足控制要求的前提下 系统应力求简单 经济 性价比高 3 考虑到今后的发展和工艺的改进 在硬件配置上应留有一定的余量 2 PLC 控制系统硬件电路设计 10 1 PLC 选型 在有了电气控制原理图之后 PLC 控制系统设计就可以采用经验设计法进行 设计 而 PLC 是实现控制功能的基本元件 所以我们的图二所示主电路为基础 保持主电路不变 将控制回路和辅助电路用 PLC 进行控制 由原有电气原理图可获得输入输出元件有 SB1 SB4 KM1 KM4 FR1 FR3 SS1 SS3 HL1 HL8 其中输入元件 10 个 输 出元件 12 个 因 SS1 SS3 是熔断器的微动开关 可通过带微动开关的熔断器实 现 HL8 由 SS1 SS3 控制其显示情况 所以接入 PLC 的输入输出元件中不考虑 SS1 SS3 和 HL8 即输入元件为 7 个 输出元件 11 个 共计 18 点 所以综合 考虑应选择 CPH2A 的 30 点的可编程序控制器 该 PLC 具有 12 个输入点 18 个 输出点 可以满足设计要求 且满足设计原则 留有一定余量 2 选择输入元件 输出执行元件 输入元件 按钮 SB1 SB2 SB3 SB4 热继电器 FR1 FR2 FR3 输出元件 接触器 KM1 KM2 KM3 KM4 指示灯 HL1 HL2 HL3 HL4 HL5 HL6 HL7 HL8 3 进行 I O 点的分配 画出 I O 分配表 如表二所示 表二 I O 元件分配表 输入元件输出元件 SB100001KM101001 SB200002KM 201002 SB300003KM 3 01003 SB400004KM 401004 FR100005HL101005 FR200006HL 201006 FR300007HL 301007 HL 401100 HL 501101 11 HL 601102 HL 701103 4 设计 PLC 控制线路 PLC 输入端所需直流驱动电源 使用自身配置的 DC24V 电源 其 I O 接线 图如图四所示 图四 I O 接线图 3 PLC 软件程序设计 1 梯形图设计 由于在设计初期 我们设计了电气控制原理图 所以其梯形图可直接通过已 设计出的电气控制原理图进行转换 梯形图如图纸二所示 2 梯形图程序 梯形图程序如下 LD 00005 OUT 01005 LDNOT 00005 12 AND 00006 OUT 01006 LDNOT 00005 ANDNOT 00006 AND 00007 OUT 01007 LDNOT 00005 ANDNOT 00006 ANDNOT 00007 IL LD 01003 OUT 20008 LD 01001 OUT 20007 LD 01002 OUT 20006 LD T002 OR