机电传动控制-定子串电阻启动正反转控制..doc

精品文档. 辽宁工程技术大学课程设计（论文）说明书课程名称：交流电动机定子串电阻启动正反转控制设计院（系）： 班 级： 姓 名： 学 号： 起止时间： 指导教师： 课程设计成绩评定表学期姓名专业班级课题名称三相异步电动机定子绕组串电阻启动正反转控制论文题目三相异步电动机定子绕组串电阻启动正反转控制设计评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15综合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语任课老师时间2013年5月20日备注2欢迎下载。精品文档课程设计任务书一、设计题目三相异步电动机的定子串电阻启动正反转控制设计二、设计任务一台三相交流异步电动机, =3kW，UN=220/380V，IN=12.8/7.2A，nN =960r/min，,。采用定子串接电阻来启动电机，再实现正反转控制，并绘制电路图。三、设计计划电机与拖动课程设计共计2周内完成：1、熟悉题目；2、具体按步骤进行设计及整理设计说明书；3、提交设计说明书；四、设计要求1、设计工作量为完成设计说明书一份；2、设计必须根据进度计划按期完成；3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。指 导 教师：田力勇时 间：2013年 5 月6日1 .三相异步电动机的基本结构61.1三相异步电动机的基本结构61.2三相异步电动机的工作原理71.3三相异步电动机的额定参数122 三相异步电动机的机械特性152.1三相异步电动机的机械特性152.2三相异步电动机的固有机械特性162.3三相异步电动机人为机械特性172.5三相异步电动机的制动方法193 三相异步电动机参数计算234 接触器及主要器件的选型244.1交流接触器的选型244.2中间继电器选型254.3热继电器的选型264.4 JS20晶体管时间继电器274.5 RL1螺旋式熔断器285 三相异步电动机的PLC控制295.1:PLC的硬件设计295.2三相异步电动机PLC软件设计316 总 结33致 谢34参 考 文 献35引言三相异步电动机是目前工农业中使用最广泛的电动机，有着结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便等优点。但是启动电流大是所有电动机的共同缺点，启动电流大有很多危害，而电动机启动的两个指标就是要求启动电流不能过大、启动转矩不能太小。本设计研究了绕线型三相异步电动机的电枢串电阻启动方案，通过理论分析和计算，并以实际例子给出了各级启动电阻，使电动机能以较大启动转矩启动而且启动电流在允许范围内。最后对电枢串电阻启动的优缺点做了详细分析。.1 .三相异步电动机的基本结构.11三相异步电动机的构造三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。图 5-1 三相电动机的结构示意图1）定子三相异步电动机的定子由三部分组成：定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。定子绕组三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组2）转子三相异步电动机的转子由三部分组成：转子转子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组转子绕组有两种形式： 鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。 绕线式 - 绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.21.0mm之间。.1.2三相异步电动机的转动原理1）基本原理为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。图 5-2 三相异步电动机工作原理(1)演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。(2)现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。(3)结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2）旋转磁场（1）产生图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。 图 5-3 三相异步电动机定子接线当wt=00时，AX绕组中无电流；为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。当wt=1200时，BY绕组中无电流；为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。当wt=2400时，CZ绕组中无电流；为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。（2）旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。 图 5-4 旋转磁场的形成3）三相异步电动机的极数与转速（1）极数（磁极对数p）三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角q的关系为：（2）转速n三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是： （5-1）由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表5-1表5-1p123456n0300015001000750600500（3）转差率s电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即： (5-2)转差率是异步电动机的一个重要的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.0150.06之间。根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式 (5-3)（4）三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。 13三相异步电动机技术数据每台电动机的机座上都装有一块铭牌。铭牌上标注有该电动机的主要性能和技术数据。三相异步电动机型 号 Y132M-4功 率 7.5kW频 率 50Hz电 压 380V电 流 15.4A接 法 D转 速 1440r/min绝缘等级 E工作方式 连续温 升 80防护等级 IP44重 量 55Kg 年 月 编号 电机厂1）型号为不同用途和不同工作环境的需要，电机制造厂把电动机制成各种系列，每个系列的不同电动机用不同的型号表示。如Y315S6三相异步电动机机座中心高mm机座长度代号S：短铁心M：中铁心L：长铁心磁极数2）接法接法指电动机三相定子绕组的联接方式。一般鼠笼式电动机的接线盒中有六根引出线，标有U1、V1、W1、U2、V2、W2，其中：U1、V1、 W1是每一相绕组的始端U2、V2、 W2是每一相绕组的末端三相异步电动机的联接方法有两种：星形（Y）联接和三角形（D）联接。通常三相异步电动机功率在4kW以下者接成星形；在4kW（不含）以上者，接成三角形。3）电压铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。必须注意：在低于额定电压下运行时，最大转矩Tmax和启动转矩Tst会显著地降低，这对电动机的运行是不利的。三相异步电动机的额定电压有380V、3000V及6000V等多种。4）电流铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的最大线电流允许值。当电动机空载时，转子转速接近于旋转磁场的转速，两者之间相对转速很小，所以转子电流近似为零，这时定子电流几乎全为建立旋转磁场的励磁电流。当输出功率增大时，转子电流和定子电流都随着相应增大。5）功率与效率铭牌上所标的功率值是指电动机在规定的环境温度下，在额定运行时电极轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。所谓效率h就是输出功率与输入功率的比值。一般鼠笼式电动机在额定运行时的效率约为72%93%。6）功率因数因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个j角，cosj就是电动机的功率因数。 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.70.9，而在轻载和空载时更低，空载时只有0.20.3。选择电动机时应注意其容量，防止“大马拉小车”，并力求缩短空载时间。7）转速电动机额定运行时的转子转速，单位为转/分。不同的磁极数对应有不同的转速等级。最常用的是四个级的（n0=1500r/min）。8）绝缘等级绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。绝缘等级环境温度40时的容许温升极限允许温度A65105E80120B901302.三相异步电动机的机械特性2.1三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=(T)或s=(T)。机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。1）物理表达式电磁转矩为：物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与主磁通m以及转子电流有功分量I2cos2之间的关系，此表达式一般用来定性分析在不同运行状态下的转矩大小和性质。2）参数表达式异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造成很大影响。机械特性曲线在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。异步电动机机械特性3）实用表达式实用表达式：2.2固有机械特性曲线异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N， 1=1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性n =（T）或T=（s）曲线。对于同一台异步电动机有正转（曲线1）和反转（曲线2）两条固有机械特性。三相异步电动机的固有机械特性曲线说明特性曲线上的特殊点(1)同步转速点A 同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=1，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。(2)额定运行点B 在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。(3)临界点C 在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tm是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略r1的影响时，有T m=Tm。(4)起动点D 在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。2.3人为机械特性异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2和电抗x2，都可得到不同的人为机械特性。（1）降低定子电压的人为机械特性在参数表达式中，保持其它参数不变，只改变定子电压U1的大小，可得改变定子电压的人为机械特性。TmU12；TstU12；n1和sm与电压无关TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性（2）定子回路串入对称电阻的人为机械特性当定子电阻r1增大时，同步转速n1不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst都变小定子回路串入对称电阻的接线图和人为机械特性定子回路串入对称电抗的人为机械特性如果定子回路串入对称的电抗，同步转速n1仍不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst也都变小。两种接线可实际应用于鼠笼式异步电动机的起动，以限制起动电流。定子回路串入对称电抗的接线图和人为机械特性（3）转子回路串入对称电阻的人为特性曲线绕线式异步电动机转子回路串入三相对称电阻的接线图和人为机械特性当转子电阻r2增大时，同步转速n1和临界转矩Tm不变，但临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻r2增大而增大，直至Tst=Tm当转子电阻r2再增大时，起动转矩Tst反而减小。转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线式异步电动机的起动和调速。2.4三相异步电动机的制动方法一、再生回馈制动 再生回馈制动是在外加转矩的作用下，转子转速超过同步转速，电磁转矩改变方向成为制动转矩的运行状态。再生回馈制动与反接制动和能耗制动不同，再生回馈制动不能制动到停止状态。 以下是再生回馈制动存在： （1）当电网的频率突然下降或者电机的极数突然增高，电机可能工作在发电状态，此时的电机将机械能转变成电能回馈给电网。如图1，当电机在电动状态下运行时工作于P1点，在突然变极或者变频时，电机的工作特性会突然在a线段部分（蓝线部分），电机的转矩突然变负，其制动作用，直到最后重新稳定工作于P2点为止，电机又回到电动状态。 图1 （2）当电机在位能负载（如吊车、提升机）的作用下，使其转速n高于同步转速n0，此时，电机的输出转矩变负，电机由轴上吸收机械能，当电机的转矩（制动转矩）与负载的位能转矩相平衡时，电机既稳定运行（如图2中P3点），此时电机以高于同步转速的速度运行。在转子电路中串入不同的电阻，可得到不同的人为机械特性，并可得到不同的稳定速度，串入的电阻越大，稳定速度越高，一般在回馈制动时不串入电阻，以免转速过高。 图2 二、反接制动 反接制动是在电机定子三根电源线中的任意两根对调而使电机输出转矩反向产生制动，或者在转子电路上串接较大附加电阻使转速反向，而产生制动。 （1）电源两相反接的反接制动： 如图3所示，电机原在P1点稳定运行，为使电机停转，将定子三根电源线中的任意两根对调，使旋转磁场反向，电机的转矩反向，起制动作用，电机运行在a线段。当电机制动停止时，应及时将电机与电网分离，否则电机会反转。 电源两相反接反接制动的优点是制动效果强，缺点是能量损耗大，制动准确度差。 图3 （2）转速反向的反接制动 当电机在位能负载（如吊车、提升机）的作用下，在电机的转子电路中串入较大电阻时，此时负载拉着电机在与转矩相反的方向旋转，电机起制动作用，电机能稳定运行在P2点。如图4 在转子电路中串入不同的电阻，能得到不同的制动转速。 图4 三、能耗制动 电机在正常运行中（如图5中P点，KM1闭合，KM2断开），为了迅速停车，KM1断开，KM2闭合，在电机定子线圈中接入直流电源，在定子线圈中通入直流电流，形成磁场，转子由于惯性继续旋转切割磁场，而在转子中形成感应电势和电流，产生的转矩方向与电机的转速方向相反，产生制动作用，最终使电机停止。如图5。 在电机的转子中串入不同的电阻和在电机的定子中接入不同的直流电流，可以产生不同的制动转矩。 从机械特性图中可以看出，当电机的转速下降为零时，制动转矩也将为零，所以能耗制动能使电机准确停车。 图5 3 三相异步电动机参数计算一台三相交流异步电动机, =3kW，UN=380V，IN=7.2A，nN =1430r/min，,。电动机的额定转矩: T=9.55 P/ n=20.03n.m 最大转矩: T=2* T=40.06n.m 线电压：U= K* U=0.8*380=304 v 全电压启动电流：I=6.5* I=46.8 A 实际启动电流：I= K* I=37.44 A 启动转矩：T=1.5* T=30.5 n.m 实际启动转矩：T= K* T=19.83 n.m 空载转速n=60*f/P=60*50/2=1500 r/min 负载转矩T=0.95 T=19.03n.m TTst 故电机能启动由电机知P=3KW, U=380V, I=7.2A,起动时功率因素。因条件得，II。所以允许起动电流倍数K，=I/ I=2，而电机直接起动的电流倍数K1=6.5。定子串电阻降压满足起动电流条件时，对应的为=K1/K，=6.5/2=3.25短路阻抗 z=U/I=U/KI=*380/6.5*5.79=14.063短路电阻 r=zcoss=14.063*0.82=11.311短路电阻 xk= z=14.063*=6.130每相串入电阻为 R=2r2k+(2-1)x2k-r=34.6814 接触器及主要器件的选型4.1交流接触器的选型额定电压：380（V）电寿命：50（万次）（万次）型号：LC1-D1810额定电流：18（A）品牌：龙耀机械寿命：500（万次）（万次）加工定制：否4.2中间继电器选型额定电压：380 AC DC产品系列：3TH线圈电源：、额定电流：10线圈功率：/触点切换电流：10触点切换电压：600防护特征：封闭式触点负载：10应用范围：中间型号：3TH42620XQ0品牌：Siemens/西门子触点形式：转换型4.3热继电器的选型应用范围：热/热过载品牌：LG产品系列：其他型号：GTH-85触点形式：一开一闭吸合电流：8.5,11,15,19,22,30,34,42,55,65,74（A）4.4 JS20晶体管时间继电器 应用范围：时间品牌：CHINT/正泰型号：JS20系列晶体管时间继电器产品系列：JS20触点形式：转换型额定电压：AC/DC200-240（V）电流性质：交流功率负载：大功率吸合电流：10（A）释放电流：10（A）额定工作频率：50（Hz）4.5 RL1螺旋式熔断器额定电压：380（V）型号：RL1-60 带座品牌：DELIXI/德力西加工定制：是技术参数产品描述适用于交流50Hz（或60Hz），额定电压为380V，额定电流为200A及以下的工业电气装置的配电设备中，作为线路过载或短路保护之用。符合证书CCC认证证书符合标准IEC 60269/GB 13539产品特点由纯铜带(或丝)制成的变截面熔体封装于由耐高温低压陶瓷熔管内，熔管中充满经化学处理过的高纯度石英砂作为灭弧介质。熔体端帽上有熔断指示器，当熔体熔断时，指示立即弹出，显示熔