电机与拖动课程设计

电机与拖动课程设计

1.前言

电机与拖动是一门理论性和实践性都较强的课程，是自动化专业必修的核心课程，电机与拖动课程理论讲授完后，结合专业特点和现有设备条件开展该课程的课程设计，增强学生对课程理论知识的理解和实践运用，加强学生电机与拖动课程综合性工程训练。

2. 异步电动机的起制动和调速设计

关于异步电动机的起制动和调速设计，其主要根据电机与拖动实验中的继电器（接触器，时间继电器）控制知识，完成电路图的绘制，实现对异步电动机起动、调速、制动、停止等功能。

异步电动机控制动作流程：低速启动→高速正转运行→运行一段时间→减速运行→运行一段时间→反转低速运行→运行一段时间→反转高速运行→运行一段时间→能耗制动→停止。

此设计题目要求对异步电机的起动、调速、制动方法的设计，以确定异步电机的最佳起、制动和调速方案，且达到最优配合。

2.1 异步电动机的起动

2.1.1 电机起动方法的介绍

电机在起动时应使启动转矩足够大，确保生产机械正常起动；起动电流足够小，避免因起动对电网造成的冲击；起动时间你尽量短；启动设备简单，操作方便；起动过程中能耗消耗少，经济适用。通过综合考虑，一般选择起动电流I st=(4~7)I N，而起动转矩T st=T N。

本次课程设计中电机为鼠笼式异步电机，其主要起动方法有直接起动，定子串电阻或电抗的降压起动，自耦变压器的降压起动，星-三角降压起动，软起动以及特殊鼠笼式异步电机的起动。

2.1.2 起动方法的比较

在上述这几种起动方法中，每一种方法都有各自的优点与缺点以及各自的适用范围。

对于直接起动方案：

需要电机满足自身容量不大或者轻载情况，亦或者满足特殊要求的情况；

对于定子串电阻或电抗的降压起动这种方法：

这种方法相当于降低定子绕组的外加电压，而由上面公式可知，起动电流正比于定子绕组上的电压，因而在一定程度上，这种定子串电阻或电抗的降压起动方法可以到达降低起动电流的目的，但因为起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩将会降低更多，因此这种方法仅适合轻载起动；

对于自耦变压器的降压起动方法：

与直接起动方法相比较，采用自耦变压器的降压起动时，电压降低（N2/N1）倍，但电网所承担的起动电流和起动转矩均降低【（N2/N1）*（N2/N1）】倍，可以拖动较大的负载，但同时设备体积庞大、价格高；

对于星-三角降压起动方法：

电机采用星-三角降压起动时，电网所承担的起动电流只有三角起动时的1/3,而起动转矩也将为三角起动的1/3，相当于自耦变压器的降压起动抽头为（1/）的情况，而

与自耦变压器的降压起动相比，星-三角降压起动方法简单，只需要星-三角转换开关，价格便宜、重量轻；

对于软起动以及特殊鼠笼式异步电机的起动都具有一定的特殊性，更适合与一些特殊场合，因而在本次课程中不适用。

因此通过严格比较，在此次课程设计中选用星-三角降压起动方法，使用时间继电器控制星-三角降压起动，其连线图如图1。

2.2 异步电动机的调速

2.2.1 电机调速方法的介绍

三相异步电机的调速方法主要有变极调速，变频调速以及改变转差率调速。而变极调速又包括Y/YY接变极调速和△/YY接变极调速；变频调速也分为基频以下的变频调速

和基频以上的变频调速；改变转差率的调速也包括改变定子电压调速和电磁滑差离合器调速。

图1 星-三角降压起动连线图

2.2.2 调速方法的比较

在上述这几种调速方法中，每一种方法都有各自的优点与缺点以及各自的适用范围。

对于Y/YY接变极调速：

Y/YY接变极调速属于恒转矩调速方式，多用于起重机或传送带等负载；

对于△/YY接变极调速：

△/YY接变极调速属于近似恒功率调速方式，多适用各种机床类负载的粗加工和精加工等；

对于基频以下的变频调速：

保持U1/f1=常数，基频以下的变频调速的机械特性的硬度保持不变，属于恒转矩调速，且频率连续可调，可以实现无极调速；

对于基频以上的变频调速：

保持U1/f1=常数，基频以上的变频调速的机械特性的硬度保持不变，属于恒功率调速，且频率连续可调，可以实现无极调速；

对于改变定子电压调速：

改变定子电压，可以改变转差率，调节转子转速，但最大电磁转矩与定子外加电压的平方成正比，随着定子电压的降低，过载能力将明显降低，因此调压调速仅适合与轻载调速场合，改变定子电压调速既不属于恒转矩调速也不属于恒功率调速；

对于电磁滑差离合器调速：

电磁滑差离合器调速是在鼠笼式异步电机的转子机械轴上装上一电磁滑差离合器，通过调节离合器的励磁电流调节离合器的输出转速，最终实现调速。电磁滑差离合器电机具有设备简单、控制方便、可以实现平滑调速等优点，但机械特性脚软，调速范围较窄、运行效率较低。

通过上面的各方面比较，如实现的难以成等，在本次课程设计中，我们选择在定子侧串入电阻，以改变定子侧的电压，如图串入R1、R2、R3三个电阻，最后实现调速功能，其机械特性如图3。

图2 定子串电阻

图3 改变定子电压调速的机械特性

2.3 异步电动机的能耗制动

三相异步电机与他励直流电机不同，他励直流电机采用双边励磁，而异步电机则采用单边励磁，即仅定子绕组通电。因此异步电机无法像直流电机那样将定子绕组从电网上切除，然后串入外加电阻实现能耗制动。因此能耗制动时，对异步电机需要提供额外的励磁电源。

本次课程即采用能耗制动，其电路图如图4，对异步电机需要提供额外的励磁电源，其机械特性如图5。

图4 能耗制动电路图

图5 机械特性

2.4 整体方案

在本次课程设计中，异步电动的起动方案采用时间继电器控制星-三角降压起动，而调速方案为定子侧串电阻改变定子电压调速，最后外接励磁电源能耗制动，其整体电路图如图6。

图6 整体电路图

各种功能的实现，其操作为：

第一步按下S总开关，按下SB1，KM1通电，对应电动机的由Y接法变为三角形接法启动；第二步按下SB3，KM3通电，R1、R2、R3串入电路中，电动机实现减速运行；

第三步按下SB2，KM2通电，电动机反转低速运行；

第四步按下SB4，电动机反转高速；

第五步按下SB5，KM5通电，电机实现能耗制动。

3. 变频器的应用

变频调速是通过改变定子绕组供电频率来改变转子转速的调速方式，可实现转子转速的平滑调节，且可以获得较宽的调速范围和足够硬的机械特性，因此变频调速是一种高性能的调速方式。在本次课程设计中，我们将运用变频器改变定子绕组供电频率已达到改变转子转速的目的。

3.1 变频器的接线

3.1.1 变频器的接线图

主电路接线图：

图7 主电路接线图

控制电路接线图：

图8 控制电路接线图

3.1.2 接线注意事项

在对变频器主电路连线时，有以下几点注意事项：

将电源连接到输入端子（L,N）上，电动机连接到输出端子（U,V,W）上；

电源和电动机的端子使用带套装的圆形压紧式端子；

主电路图接线后，一定要确定链接是否牢固，否则一旦控制电路连接后会因电线的进出受到限制而不能重新拧紧主电路；

以最短方式连接到大容量电源变压器（500KVA以上），在变频器的输入端一定要设置改善功率因数的扼流圈（可选用）；

有关连接设备和电线尺寸应满足要求；

为了适应CE标记的要求，变频器的电源输入端，必须设置过电流、短路以及漏电的保护设备。

在对变频器控制电路连线时，也有以下几点注意事项：

控制信号使用屏蔽线，并与动力线和强电电路分离布线（20cm以上）；

控制信号的接线长度应在30cm以下；

控制电路的输入信号为微小信号，为防止接点输入时接触不良，需将两个微小信号接点并列，使用双接点；

在控制端子No.5~9处连接无电压接点信号或开路式集电极信号（否则施加电压时会导致

故障）；

使用开路式集电极输出驱动感应负荷时，一定要连接旁路二极管；

在频率设定中使用4~20ma信号时，一定要连接200Ω、1/4w的电阻（如不连接电阻，变频器可能损坏）。

3.2 变频器的运行

3.2.1 设定频率

频率的设定包括两个部分，一是电位器的设定，二是数字设定。

关于电位器的设定，旋转操作板上的频率设定钮的角度进行设定。Min的位置是停止，Max的位置是最大设定频率。

关于数字设定，按下操作板上的MODE键，选择频率设定模式（Fr），按下SET键后，显示出用▲上升键或▼下降键所设定的频率，按下SET键进行确定。另外，在运行过程中可以通过持续按着上升键或下降键而改变频率（但参数P08为“1”时，不能使用）。

3.2.2 正转/反转功能

按下操作板上的▲键（正转）或▼键（反转）来选择旋转方向，按下RUN键则开始运行，按下STOP键时停止运行。但注意，仅按下RUN键时不会运行。

4. 直流电动机的四象限运行

4.1. 直流电动机的四象限运行的总体分析

电力拖动系统能够提供正、反向运行并能实现正反方向上的快速制动，其对应的电机机械特性分别位于四象限，故称为具有四象限运行的电力拖动系统。其机械特性如图9。

图9 直流电机四象限机械特性

本次课程设计要求假设直流电动机驱动一个带一定负载的小车运行，小车在A、B 两地间运行。其动作流程：小车从A地出发，低速起动→至额定转速运行→升速至更高转速下运行→运行一段时间→小车减速至额定转速→接近B点时，小车减速→制动并准确停在B点。之后，小车从B点返回A点。

4.2 各流程的具体分析

4.2.1 原理分析

在本次课程设计直流电机四象限运行，通过改变电路中IN1，IN2，IN3，IN4的状态实现电机的加速，稳速运行，减速，正向能耗制动。

4.2.2 起动阶段

在连接好电路图后，小车从A地出发，低速起动，即启动时IN1，IN2，IN3，IN4的状态为0000，同时直流电机运行在第一象限。

4.2.3 调速阶段

在电机正常起动后，使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为0100，电机及小车加速至额定转速运行，此时电机仍运行在第一象限；

使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为0010，此时电机带动小车继续加速至最高速时并保

持此时转速运行一段时间，此时电机也是运行在第一象限；

再使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为0100，则电机减速至额定速度运行，并继续减速至制动前的速度，此时电机运行在第二象限。

4.2.4制动阶段

为使小车能够准确停在B点，电机的制动设计为能耗制动，在能耗制动时，必须促使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为0001，此时电机运行在第二象限。

4.2.5 反向运行

电机准确停在B点后，在反向起动电机，使电机带动小车开始从B点向A点反向运行。在反向时IN1为0，其余IN2，IN3，IN4的状态和上述的运行状态一致，其具体分析如下：

反向启动时IN1，IN2，IN3，IN4的状态为1000，同时直流电机运行在第三象限，这是与正向起动的最大差别；

在电机正常反转后，使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为1100，电机及小车加速至反向额定转速运行，此时电机仍运行在第三象限；

使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为1010，此时电机带动小车继续加速至最高速时并保持此时转速运行一段时间，此时电机也是运行在第三象限；

再使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为0100，则电机减速至额定速度运行，并继续减速至制动前的速度，此时电机运行在第四象限；

最后使小车能够准确停在A点，电机的制动设计任为能耗制动，在能耗制动时，必须促使IN1，IN2，IN3，IN4的状态为1001，此时电机运行在第四象限。

4.3注意事项

第一，L298N工作特性：IN1输入为1时，OUT1为1，其他3对同理，主要起到放大功率以驱动继电器的作用；

第二，单片机的第40脚接+5V电源，第20脚接地；

图10 主电路图

图11 分析图

5.元器件表

表 1 异步电动机的起制动和调速设计元件表

型号名称数量

DJ24 三相鼠笼式异步电动机1件

D61 继电接触控制挂箱（一）1件

D62 继电接触控制挂箱（二）1件

D41 三相可调电阻箱1件

直流电源1件

表2 直流电动机的四象限运行

计单片机AT89S51 教研室室已有 1 6 电阻1Ω教研室室已有 1 6 电阻10Ω教研室室已有 2 12 电阻10KΩ教研室室已有 1 6 电容30pF 2 12 电容10uF 1 6 IC插槽40脚3元12个，即一排。 1 6 L298N芯片L298N 买国产的，约5~6元/个 1 6 晶振12M 1元/个 1 6

单刀双切继电器RTB14050F或者

SRD-05VDC-SLC

DC5V（型号随便，便宜优先）

约1.5~2元/个

5 30

自锁开关就是数电实习时用的普通

开关

1 6

6. 创新点

在本次课程设计中，根据具体要求设计完实验电路，在方案中有以下几点创新：

第一，在异步电动机的起制动和调速设计的方案中，使用较少的时间继电器，节约成本，经济可行；

第二，采用星-三角起动，起动方案更有效；

第三，在直流电动机的四象限运行中，采用单片机控制电机的运行，将进一步增强电机

自动化程度。

7. 收获

这次的课程设计中不仅检验了我们所学习的知识，同时也让我们了解如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程电机与拖动知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次课程设计，我们有以下几点体会：

第一，综合运用所学的电机与拖动的知识，对课本的知识加深理解；

第二，提高我们学生动手能力，学以致用；

第三，小组合作，互相学习，取长补短。