XY-4巖心鉆機升降機的設(shè)計 (2)帶CAD圖,XY-4巖心鉆機升降機的設(shè)計,(2)帶CAD圖,XY,巖心,鉆機,升降機,設(shè)計,CAD 機電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計 課程設(shè)計說明書 設(shè)計題目：電機啟動與速度控制 班 級：機械140306班 學(xué)生姓名：胡軍雄 指導(dǎo)老師：劉順安 設(shè)計時間：2007年3月22日 目 錄 第1章設(shè)計任務(wù) 1.1設(shè)計任務(wù)介紹及意義 1.2設(shè)計任務(wù)明細 第2章設(shè)計總體方案 2.1設(shè)計的基本依據(jù) 2.2總體方案的確定 第3章電氣原理設(shè)計 3.1概述 3.2電氣系統(tǒng)的參數(shù)計算 3.3電氣系統(tǒng)設(shè)計 第4章程序設(shè)計 4.1程序設(shè)計的任務(wù) 4.2具體程序 第5章課程設(shè)計總結(jié) 參考資料 第1章設(shè)計任務(wù) 1.1設(shè)計技術(shù)要求及意義 1.1.1技術(shù)要求 總體的要求是實現(xiàn)對中大功率的三相鼠籠式交流異步電動機起動和速度控制。在電氣控制系統(tǒng)中，要求起動平穩(wěn)，速度控制精確，并且對電機的速度進行數(shù)碼顯示。對電機的起動要求用PLC實現(xiàn)。要求有電氣原理圖和功能框圖，6000字的文字說明書。 1.1.2設(shè)計的意義 本次課程設(shè)計的目的在于要將過去所學(xué)的電工學(xué)，電子學(xué)，測試與傳感技術(shù)，微機原理，機電傳動控制等課程綜合運用，并在生產(chǎn)實際中運用這些知識。要求知道并了解三相鼠籠式異步電動機啟動的三種方法以及他們存在的利弊。知道電器元件的使用方法和怎樣選擇這些元件。要掌握PLC的內(nèi)鋪構(gòu)造，指令系統(tǒng)，還有編程的方法，并將其應(yīng)用實踐生產(chǎn)中。 1.2設(shè)計任務(wù)明細 1.2.1電機啟動的設(shè)計任務(wù) 設(shè)計出三相鼠籠式異步電動機Y---△降壓啟動的原理圖，電路圖以及接線圖。 1.2.2電機轉(zhuǎn)速控制的設(shè)計任務(wù) （1）實現(xiàn)啟動過程中轉(zhuǎn)速的檢測； （2）實現(xiàn)啟動過程中轉(zhuǎn)速的顯示。 第2章設(shè)計總體方案 2.1設(shè)計的基本依據(jù) 2.1.1Y---△降壓啟動的設(shè)計依據(jù) 采用電動機拖動生產(chǎn)機械。對電動機的主要要求如下： （1）有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，保證生產(chǎn)機械能正常啟動。一般場合下希望啟動的越快越好，以提高生產(chǎn)效率。電動機的啟動轉(zhuǎn)矩要大于負載轉(zhuǎn)矩，否則電動機不能啟動。 （2）在滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求的前提下，啟動電流越小越好。因為過大的啟動電流沖擊，對于電網(wǎng)和電動機本身都不利。 （3）要求啟動平滑，即要求啟動時平滑加速，以減小對生產(chǎn)機械的沖擊； （4）啟動安全可靠，力求簡單，操作方便； （5）啟動過程中的功耗越小越好; 其中，（1）（2）兩條是衡量電動機起動性能的主要技術(shù)指標。 然而，異步電動機在接入電網(wǎng)啟動的瞬時，由于轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，定子旋轉(zhuǎn)磁場以最快的相對速度切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出很大的轉(zhuǎn)子電勢和轉(zhuǎn)子電流，從而引起很大的定子電流，一般啟動電流可達到額定電流的5-7倍，但因啟動時轉(zhuǎn)差率S=1，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)φ很低，因而啟動轉(zhuǎn)矩卻不大，一般=0.8-1.5。 顯然，異步電動機的這種啟動特性和生產(chǎn)機械的要求是相矛盾的。因此所采用的啟動方法必須限制啟動電流和提高啟動轉(zhuǎn)矩，降壓啟動便是一種在生產(chǎn)實際中經(jīng)常使用的一中啟動方法。 電動機降壓啟動的方法很多，如用電阻或電抗器降壓啟動，Y---△降壓啟動，自藕變壓器降壓啟動和延邊三角形啟動等，經(jīng)過具體的分析，并結(jié)合生產(chǎn)的實際應(yīng)用，本方案中，采用Y---△降壓啟動，具體的原理如下： Y---△降壓啟動的接線圖如上圖所示，啟動時，接觸器的觸點KM和1KM同時閉合，2KM斷開，定子繞組接成星形；待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后（本次設(shè)計的是額定轉(zhuǎn)速），再將1KM斷開，2KM閉合，將定子繞組結(jié)成三角形，電動機起動過程完成，并進入正常運行。 設(shè)U1為電源電壓，及為定子繞組分別接成星形及三角形的啟動電流，Z為電動機在啟動時每相繞組的等效阻抗。則有 所以，=/3，即定子接成星形時的啟動電流等于接成三角形啟動時電流的1/3，而接成星形時的啟動轉(zhuǎn)矩所以及Y連接降壓啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩只有星形連接啟動時的1/3。 這種啟動方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單、經(jīng)濟、啟動電流小；由于這種方法應(yīng)用廣泛，我國規(guī)定4kM及以上的三相異步電動機，其定子額定電壓為380V，連接方法為三角形。當電源線電壓為380V時，就可以采用這種方法進行啟動。 用PLC實現(xiàn)電動機的Y---△降壓啟動。PLC的可靠性高，邏輯功能高，體積小，可在線修改控制程序，具有遠程通信聯(lián)網(wǎng)的功能，易于與計算機接口，能對模擬量進行控制，具備高速計數(shù)器和位控等高性能模塊等，已經(jīng)日益取代由大量中間繼電器，時間繼電器，計數(shù)繼電器等傳統(tǒng)繼電—接觸控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)實際中已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用，因此，在本方案中，利用PLC來進行Y---△降壓啟動。 2.1.2轉(zhuǎn)速監(jiān)測和顯示的設(shè)計依據(jù) 本方案中，轉(zhuǎn)速的監(jiān)測和顯示用集成化數(shù)字轉(zhuǎn)速儀，利用霍爾傳感器對電機輸出軸的轉(zhuǎn)速信號進行采集，信號放大，調(diào)整，最終用數(shù)碼管進行顯示。 2.2總體方案的確定 本課程設(shè)計大致分為兩個部分，即啟動控制和轉(zhuǎn)速顯示，相應(yīng)得我設(shè)計的方案也由兩大部分成，其結(jié)構(gòu)框圖如示： 電動機轉(zhuǎn)速顯示 霍兒傳感器 三相異步電動機 PLC控制的電動機的啟動 第3章電氣原理設(shè)計 3.1概述 本方案的電氣系統(tǒng)由三相鼠籠式異步電動機的主電路，Y---△降壓啟動控制電路，轉(zhuǎn)速測量和顯示電路三部分組成，其中，主電路由電動機，熔斷器，熱繼電器，交流接觸器等組成； Y---△降壓啟動控制電路由PLC，控制按鈕等組成；集成化數(shù)字轉(zhuǎn)速儀組成轉(zhuǎn)速測量回路，具體見電氣原理圖。 3.2電氣系統(tǒng)的參數(shù)計算 3.2.1電動機的選擇 由題目要求電動機為中大功率，選用Y系列電動機，其具體的技術(shù)指標如下： 型號 額定功率/kM 滿載時 堵轉(zhuǎn)電流/額定電流 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 外形尺寸（長*寬*高）/mm*mm*mm 電流/A 轉(zhuǎn)速/rpm 效率/% 功率因數(shù) Y225M---4 45 84.7 1480 91.5 0.87 6.5 1.8 2.2 815*356*225 3.2.2啟動電流的計算： 由于交流異步電動機的起動電流可以達到額定電流的5-7倍，而采用Y---△降壓啟動的方法啟動時，異步電動機的起動電流時正常啟動電流的1/3，因此采用Y---△降壓啟動可以使鼠籠式交流電機的起動電流達到額定電流的( 5-7）/3倍，大大降低了啟動電流的大小，Y225M--4電機的滿載電流是I=84.7，所以采用Y---△降壓啟動時的起動電流為I（141.1---197.6)A。 3.3電氣系統(tǒng)設(shè)計 3.3.1主電路設(shè)計 3.3.1.1刀開關(guān)/斷路器型號的選擇 刀開關(guān)又名閘刀，一般用于不需要經(jīng)常切斷與閉合的交流低壓的電路，在額定電壓下，其工作電流不能超過額定電流，因此，我們選擇三級刀開關(guān)，其通過電流為200A的HS系列。 3.3.1.2熔斷器型號的選擇 熔斷器在電路中起保護作用，當線路發(fā)生短路故障時，能自動迅速熔斷，切斷電源回路，從而保護線路和電氣設(shè)備。熔斷器尚可用做過載保護，但用做過載保護的可靠性不高，熔斷器的保護特性必須與被保護設(shè)備的過載特性有良好的配合。熔斷器的選擇原則是保證設(shè)備正常工作是不熔斷，只有當出現(xiàn)過大電流和短路時才熔斷。降壓啟動的籠式異步電動機所用熔斷器的熔體額定電流，可選為電機額定電流的1. 5至2倍，故熔體的額定電流為127.05A。 故選用RT0系列有填料管式刀型熔斷器，次系列熔斷器有具刀型觸頭的熔斷體和楔形結(jié)構(gòu)組成。當熔斷體內(nèi)的熔體熔斷后，其端蓋上 的熔斷指示器即彈出，由于熔斷器型號與交流接觸器相配合，故所選型號為RT0-200，熔體熔斷電流為200A。 3.3.1.3熱繼電器型號的選擇 電動機在實際運行中若過載不大，時間較短，只要電動機繞組不超過容許溫升，這種過載是容許的。但當長時間過載，繞組超過容許的溫升時，將會加劇絕緣的 熔化，縮短電動機的使用年限 ，嚴重時將電動機燒毀。因此，應(yīng)采用熱繼電器進行電動機的過載保護和斷相保護，但本設(shè)計沒有斷相保護，則我們選擇（電動機的額定電流(A)）為84.7A,型號為JR 10 84.7/3。 3.3.1.4交流繼電器型號的選擇 接觸器是在外界信號下能夠自動的接通或斷開帶有負載的主電路的自動控制電器，它是利用電磁力來使開關(guān)打開火閉合的電器。適用于頻繁操作，遠距離控制強電流電路，并且有低壓釋放的性能。工作可靠，壽命長和體積小等優(yōu)點。他是繼電器——接觸器控制系統(tǒng)中最重要常用元件之一。它的工作原理是：當按下按鈕時，線圈通電，靜鐵心被磁化，并把驅(qū)動鐵心吸上帶動轉(zhuǎn)軸使觸頭閉合從而接通電路，當放開按鈕時，過程與上述相反。根據(jù)要求選擇：CJ10——100型號。線圈的選擇：電壓：AC：220V，50HZ；線圈消耗功率：（VA/W）；啟動：3578/790；吸持：250/118，滿足設(shè)計要求。 3.3.1.5主電路設(shè)計說明 電機選擇鼠籠式異步電動機，借380V的三相交流電。保護裝置為斷路器，熱繼電器，電動機采用Y---△降壓啟動，交流接觸器KM的主觸點用于實現(xiàn)主電路的接通和關(guān)斷；交流接觸器KM1的主觸點用于電動機星形連接的接通與關(guān)斷；交流接觸器KM2的主觸點用于控制電動機的三角形連接的接通與關(guān)斷。 3.3.2 Y---△降壓啟動控制電路設(shè)計 3.3.2.1PLC型號的選擇 PLC (可編程邏輯控制器)是一種以微處理為核心用作數(shù)字控制的專用計算機，由于PLC諸多功能上的優(yōu)點，本次課程設(shè)計選擇PLC為主要的控制環(huán)節(jié)控制電動機在啟動過程中進行Y---△換接，PLC型號選擇三菱公司的F-40M型，具有24點輸入，16點輸出，性價比較高。 PLC電源電壓選擇220V交流電源，輸入輸出端均選用220V交流電源。 3.3.2.2控制按鈕型號的選擇 控制按鈕簡稱按鈕，是一種結(jié)構(gòu)簡單，使用廣泛的手動安全電器。在控制電路中作遠距離手動控制電磁式電器用，也可以用來轉(zhuǎn)換各種信號電路和電氣連鎖電路等。其工作原理是：當按下按鈕時，先斷開常閉觸電，而后接通長開觸電，按鈕釋放后，在復(fù)位彈簧的作用下觸電復(fù)位。 控制按鈕用于輸入外界信號，LA10系列控制按鈕適用于交流50HZ，電壓380V，直流220V的電路中。次系列雖為老產(chǎn)品，但因結(jié)構(gòu)堅固，經(jīng)久耐用，故仍在普通使用。結(jié)合設(shè)計需要采用LA10——1H型號。 3.3.2.3電氣原理圖功能說明 Y---△降壓啟動是異步電動機常用的起動控制線路之一。其主電路、PLC外部接線和控制電路如電氣原理圖所示，圖中，SB1為啟動按鈕，SB2為停止按鈕，KM為電源接觸器，KM1為Y形連接接觸器，KM2為三角形連接接觸器。其具體的起動過程如下： 按下啟動按鈕SB1，動合觸點400閉合，輸出繼電器430接通并自保，電源接觸器KM閉合給電動機供電，定時器450開始計時，同時中間繼電器100接通，主控條件得到滿足，且觸點450，432閉合，輸出繼電器431接通，Y型連接接觸器KM1閉合，電動機被接成Y形開始啟動。當定時器450延時10s時間到后，其動斷觸點打開，使431斷開，切斷Y型連接接觸器KM1，電動機斷電（此時電動機已啟動到某一轉(zhuǎn)速并由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動）。同時，動斷觸點431閉合，定時器451開始計時，經(jīng)2s延時后，動合觸點451閉合，接通輸出繼電器432，使三角形連接接觸器KM2閉合，電動機接成三角形后繼續(xù)繼續(xù)起動到額定轉(zhuǎn)速后進入正常運行。動斷觸點432使定時器450和451復(fù)位，定時器450和451只在啟動過程中提供Y-△變換所需的延時時間，正常工作后不起作用。按下停止按鈕SB2，動斷觸點401打開，使輸出繼電器430斷開，切斷電源接觸器KM，電動機斷電停止，同時只能中間繼電器100斷開，主控條件不滿足，切斷三角形連接接觸器KM2，恢復(fù)斷電常態(tài)。 3.3.3電機轉(zhuǎn)速測量及顯示電路的設(shè)計 3.3.3.1概述 此部分的設(shè)計任務(wù)由集成化數(shù)字轉(zhuǎn)速儀來實現(xiàn)，其具體的內(nèi)部元件連接情況見原理圖。轉(zhuǎn)速儀包括霍爾器件傳感電路，時基電路和計數(shù)，譯碼，顯示電路等。其中集成傳感器采用型號為SH13的集成傳感器，時基電路采用555集成時基電路。下面進行分別敘述。 3.3.3.2霍爾集成傳感器 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達－55℃～150℃。 按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。 磁敏傳感器，顧名思義就是感知磁性物體的存在或者磁性強度(在有效范圍內(nèi))。這些磁性材料除永磁體外，還包括順磁材料(鐵、鈷、 鎳及其它們的合金)當然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場。集成磁敏傳感器又稱霍爾集成電路，它具有將磁信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將其放大或整形的功能。磁敏集成電路分為兩大類，即開關(guān)型磁敏集成電路和線性磁敏集成電路。轉(zhuǎn)速儀中采用的是開關(guān)型磁敏集成電路。其基本結(jié)構(gòu)有霍爾元件、差分放大器，施密特觸發(fā)器，基準電源和輸出電路著稱。其中霍爾元件是用MOSFET構(gòu)成的。磁場垂直于溝道面，在垂直源漏電流方向獲取霍爾電壓。主要性能參數(shù)為磁場工作點，靈敏度，輸出電壓等。 3.3.3.3 555時基電路 555集成定時器是模擬功能和數(shù)字邏輯功能相結(jié)合的一種雙極型中規(guī)模集成器件。外加電阻、電容可以組成性能穩(wěn)定而精確的多諧振蕩器、單穩(wěn)電路、施密特觸發(fā)器等，應(yīng)用十分廣泛。 555定時器的外引線排列圖和內(nèi)部原理框圖如圖1-1、1-2所示，功能見表1-1。它是由上、下兩個電壓比較器、三個5kΩ電阻、一個RS觸發(fā)器、一個放電三極管 T以及功率輸出級組成。比較器 C1的反相輸入端⑤接到由三個5 kΩ電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)的2/3Vcc處（⑤也稱控制電壓端），同相輸入端⑥為閥值電壓輸入端。比較器C2的同相輸入端接到分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的1/3Vcc處，反相輸入端②為觸發(fā)電壓輸入端，用來啟動電路。兩個比較器的輸出端控制RS觸發(fā)器。RS觸發(fā)器設(shè)置有復(fù)位端④，當復(fù)位端處干低電平時，輸出③為低電平?？刂齐妷憾刷菔潜容^器C1的基準電壓端，通過外接元件或電壓源可改變控制端的電壓值，即可改變比較器C1、C2的參考電壓。不用時可將它與地之間接一個O．01μF的電容，以防止干擾電壓引入。555的電源電壓范圍是+4.5～+18V，輸出電流可達100～200mA，能直接驅(qū)動小型電機、繼電器和低阻抗揚聲器。 圖 1-1 555集成電路引腳排列圖 圖1-2 時基電路555電路結(jié)構(gòu)圖 表1-1 555芯片功能表 觸發(fā) 閾值 復(fù)位 IS 放電端 輸出 H 導(dǎo)通 L H 原狀態(tài) H 截止 H L 導(dǎo)通 L 3.3.3.4轉(zhuǎn)速儀工作過程 如原理圖所示，轉(zhuǎn)速儀奧擴霍爾器件傳感電路，時基電路和計數(shù)、譯碼、顯示電路等。 圖中的轉(zhuǎn)盤即待測旋轉(zhuǎn)輪，監(jiān)測用的傳感器采用SH13型霍爾集成電路。當安裝的小磁缸轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，霍爾器件將感知磁信號并記錄下來，經(jīng)放大，F(xiàn)1非門倒相，加至與非門F5。555和R3，RP1，C2等組成一個典型的無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，振蕩周期 T=0.693（R3+RP1）C2 振蕩周期可通過電位器RP1來調(diào)節(jié)，圖示參數(shù)的振蕩頻率約在0.05Hz---7Hz。IC3輸出的方波脈沖經(jīng)F2反相后，一路加至計數(shù)、譯碼、顯示組合集成電路CL102的LE端，呈寄存狀態(tài)；另一路經(jīng)F3、F4及R4、R6、R7、C6等微分電路，作為復(fù)位脈沖加至CL102，進行清零。門5在555輸出高電平狀態(tài)時開啟，使組合電路CL102進行計數(shù)。當555輸出呈低電平，選通門5關(guān)閉，但仍使CL102呈送數(shù)狀態(tài)（LE端），計數(shù)內(nèi)容送至寄存器并顯示數(shù)字。當?shù)诙€時基信號來時，進行清零，并再次計數(shù)，寄存，譯碼，顯示。 CL102是一種Led-CMOS型組合器件，集計數(shù)，寄存，譯碼，驅(qū)動，顯示于一體，集成化程度高，顯示亮度大。它可直接顯示出轉(zhuǎn)/秒或轉(zhuǎn)/分的數(shù)據(jù)。 第4章程序設(shè)計 4.1程序設(shè)計的任務(wù) 本次設(shè)計采用可編程邏輯控制器即PLC來實現(xiàn)對三相鼠籠式交流異步電動機的Y---△降壓啟動，故軟件設(shè)計的主要內(nèi)容即為PLC接線圖設(shè)計和梯形圖的設(shè)計。該PLC要完成對對電動機的起動，停止控制及啟動中的Y---△換接起動等功能。 4.2具體程序 程序內(nèi)容如下： LD 400 OR 430 ANI 401 OUT 430 ANI 432 OUT 450 K 10 LD 430 OUT 100 MC 100 LDI 450 ANI 432 OUT 431 LDI 431 ANI 432 OUT 451 K 2 LD 451 OR 432 OUT 432 MCR 100 END 第5章課程設(shè)計總結(jié) 此次課程設(shè)計是用測速傳感器，555時基電路，CL102集成電路等將電動機的轉(zhuǎn)速測出并顯示出來。當顯示的數(shù)值達到一定值時，用PLC控制三相鼠籠式異步電動機的換接啟動。這種控制，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制電動機的換接啟動，并且在啟動過程中，啟動平穩(wěn)，誤差小等優(yōu)點。但是，在信號的傳遞過程中一定存在誤差。因而，會使傳遞的信號丟失的現(xiàn)象出現(xiàn)。這啟動的影響很小。 在這次設(shè)計中，綜合運用了電工，機電，測試與傳感，單片機等方面的知識，可以說是對大學(xué)四年所知識的一次小綜合，對以后的畢業(yè)設(shè)計作一個鋪墊。 參考資料： [1]《機電傳動控制》，鄧星鐘主編，華中科技出版社，2003年1月 [2]《機電控制系統(tǒng)設(shè)計》，高春蒲主編，吉林大學(xué)出版社，2003年8月 [3]《實用電動機控制電路350例》，任致程主編，人民郵電出版社，2002年11月[4] [4]《新編555集成電路應(yīng)用800例》，陳永甫主編，電子工業(yè)出版社，2000年1月 [5]《集成電路工業(yè)全書》，王陽元主編，電子工業(yè)出版社，1993年6月