浙江大學電器原理與應用課程設計

1、 電器原理與應用課程設計報告 課程設計報告課程名稱：電器原理與應用姓 名：學 號：學 院：電氣工程學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化指導教師：楊家強提交日期：目錄一、背景材料 31.1 主要結構和運動情況 31.2 C650車床對電氣控制的要求 4二、課程設計主體內(nèi)容 52.1分析車床的電氣控制電路的工作原理 52.2 器件選型 102.3 變頻器設計 22三、心得體會 25課程設計：普通機床電氣電路的設計與分析一背景材料普通臥式車床是一種應用極為廣泛的金屬切削機床，主要用來車削外圓、內(nèi)圓、端面、螺紋和定型表面，并可以通過尾架進行鉆孔、鉸孔、攻螺紋等加工。1.1 主要結構和運動情況普通臥式車床結構

2、主要有床身、主軸變速箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、絲桿和光桿等部分組成，如圖1。圖11進給箱 2掛輪箱 3主軸變速箱 4溜板與刀架5溜板箱 6尾架 7絲桿 8光桿 9床身車床的主運動為工件的旋轉運動，它是由主軸通過卡盤帶動工件旋轉，其為車削加工時的主要切削功率。車削加工時，應根據(jù)加工工件，刀具種類、工件尺寸、工藝要求等來選擇。不同的切削速度，普通車床一般采用機械變速，車削加工時，一般不要求反轉，但在加工螺紋時，為避免亂扣，要反轉退刀，再以正向進刀繼續(xù)進行加工，所以要求主軸能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉。車床的進給運動是溜板帶動刀架的橫向或縱向的直線運動。其運動方式有手動和機動兩種。主運動與進給運動由一臺電動

3、機驅(qū)動并通過各自的變速箱來調(diào)節(jié)主軸旋轉或進給速度。此外，為提高效率、減輕勞動強度， 車床的溜板箱還能快速移動，稱為輔助運動。1.2 C650車床對電氣控制的要求普通臥式車床由三臺三相籠型異步電動機拖動，即主軸電動機M1、冷卻泵電動機M2和刀架快速移動電動機M3。從車削加工工藝要求出發(fā)，對各電動機的控制要求是：1) 主軸電動機M1, 7.5kW，采用全電壓下的空載直接起動，能實現(xiàn)正、反向旋轉的連續(xù)運行。為便于對工件作調(diào)整運動，即對刀操作，要求主軸電動機能實現(xiàn)單方向的點動控制，同時定子串入電阻獲得低速點動。2) 主軸電動機停車時，由于加工工件轉動慣量較大，采用反接制動。加工過程中為顯示電動機工作電

4、流設有電流監(jiān)視環(huán)節(jié)。3) 冷卻泵電動機M2，300W，用以車削加工時提供冷卻液，采用直接起動，單向旋轉，連續(xù)工作。4) 快速移動電動機M3，2.2kW，單向點動、短時運轉。5) 電路應有必要的保護和聯(lián)鎖，有安全可靠的照明電路。 圖2 普通車床電氣原理圖。二、課程設計主體內(nèi)容：2.1 分析車床的電氣控制電路的工作原理（圖2）1. 主電路分析答：l 主電路分別由M1電動機及其定子串聯(lián)回路，M2電動機及其定子串聯(lián)回路，M3電動機及其定子串聯(lián)回路組成。M1電機回路由電網(wǎng)電源、空氣開關、熔斷器、控制電機正轉的KM1接觸開關、控制電機反轉的KM2接觸開關、斷開使電機電樞回路串入串聯(lián)電阻的KM3接觸開關、熱

5、繼電器、串聯(lián)電阻等組成。M2電機回路由熔斷器、KM4接觸開關和熱繼電器組成。KM4將決定M2電機是否運轉。M3電機回路僅僅由熔斷器和KM5接觸開關組成，沒有使用熱繼電器。KM5決定M3電機是否旋轉。l 在M1電機定子串聯(lián)支路上接有一個電流互感器線圈，接有一個電流表監(jiān)視定子電流，且與電流表并聯(lián)有一個KT斷電型時間繼電器常閉觸點開關。主軸電動機旁安裝了一個速度繼電器，它將依據(jù)轉速的快慢來判斷觸點是否應該動作，通常用于異步機的反接制動控制。并且L1相和L2相經(jīng)另一個熔斷器引出后，經(jīng)一個三繞組變壓器進行了降壓，其中副邊電壓為36V的回路，通過手動開關SA串接了一個照明燈，實現(xiàn)照明功能。實現(xiàn)了“有安全可

6、靠的照明功能”要求。l 這也符合控制要求中的第二條，主軸電動機（M1）停車時，因工件轉動慣量較大，需要采用反接制動，且需要監(jiān)視電動機的工作電流。這些要求都得到了滿足。再看要求要求中的第一條，當需要讓主軸電動機正轉的時候，可閉合KM1、KM3觸點；要求反轉時，則斷開KM1觸點，閉合KM2、KM3觸點；要求低速點動時，閉合KM1或者KM2觸點，同時一定要斷開KM3觸點保證串聯(lián)電阻的接入，這樣就可以進行低速點動控制了?？吹娇刂埔蟮牡谌龡l，要求冷卻泵電動機（M2）直接起動、單向旋轉，M2電機并沒有反接回路，所以只能正轉，因此是單向的。并且也沒有設置起動串聯(lián)電阻，選擇了閉合KM4直接接入電網(wǎng)的直接起動

7、形式（具體是否實現(xiàn)連續(xù)運轉見控制電路分析部分）。再來看控制要求的第四條，快速移動電動機（M3）需要單向點動，短時運轉。M3電機同樣只接了一種相序的回路因此也只能單向旋轉（具體是否是單向點動見控制電路分析部分），并且由于是短時運轉，一般不太會存在過載的問題，因此干脆也就不設置熱繼電器了。流程示意圖：QS閉合主電機低速旋轉KM3斷開主電機正轉KM1閉合主電機高速旋轉KM3閉合主電機反轉KM2閉合KM1或KM2斷開主電機停冷卻泵電機停KM4斷開冷卻泵電機旋轉KM4閉合快速移動電機轉快速移動電機停KM5斷開KM5閉合最后斷開QS2. 控制電路分析答： 1)主電動機的點動調(diào)整控制與主電動機相關的線圈為K

8、M1、KM2、KM3按下按鈕SB2，KM1線圈得電，其主觸點和輔助常開觸點閉合。如果不再按其他按鈕開關的話，由于并沒有其他的線圈得電，也沒有構成其他的自鎖通路，所以就進入了點動控制狀態(tài)，電機經(jīng)過一個串聯(lián)的電阻R進行低速正向旋轉。松開SB2按鈕，那么KM1線圈失電，電機也就停轉了。是為“低速點動過程”。流程圖：KM3線圈未得電KM1線圈得電主電機低速點動運行按下SB2主電機停KM1線圈失電松開SB22)主電動機的正反轉控制如果在按下SB2的同時再按下SB3按鈕，KM1線圈和KM3線圈同時得電，其主觸點閉合，輔助常開觸點閉合，常閉觸點打開，KM2線圈肯定不能得電，防止相間短路。由于KM3的輔助常開

9、觸點閉合了，所以KA這個中間繼電器的線圈得電，KA的常閉觸點彈開，常開觸點閉合。兩個KA常開觸點和一個KM1輔助常開觸點構成了一條串聯(lián)自鎖通路，此時就算是松開SB2按鈕和SB3按鈕，電機都將穩(wěn)定高速正轉，這是由于KM3主觸點閉合所以此時短路了串聯(lián)電阻R。如果需要進入反轉狀態(tài)，那么可以先按下SB1按鈕，所有的線圈都失電，KM1和KM3主觸點彈開，主電動機停轉，緊接著，按下SB4按鈕和SB3按鈕，KM3線圈得電，相應觸點動作，KA線圈得電，相應觸點動作，KM2線圈得電，相應觸點動作。并且兩個KA常開觸點和一個KM2輔助常開觸點構成了自鎖通路，就算松開了這兩個按鈕，電機都將穩(wěn)定反轉。 流程圖：KM1

10、和KM3線圈同時得電按下SB3按下SB2主電機高速正轉KA常閉觸點彈開KA常開觸點閉合KA線圈得電KM3輔助常開觸點閉合松開SB2、SB3主電機仍正轉主電機穩(wěn)定高速正轉正轉自鎖主電機停轉所有線圈失電按下SB1KA線圈得電KM3線圈得電按下SB4、SB3 電機高速反轉KM2線圈得電 主電機穩(wěn)定高速反轉反轉自鎖上述三繼電器輔助觸點動作3)主電動機的反接制動控制當KA線圈得電后，KT線圈其實也同時得電了。在此應當使用斷電延時型時間繼電器，得電時KT常閉觸點立即跳開，開始監(jiān)視定子電流。斷電時由于電機還有一定的停車過程，在這個過程中需要保持一定的監(jiān)視時間，經(jīng)過給定的延時后，KT才重新閉合，結束電流監(jiān)控。

11、為了實現(xiàn)反接快速制動，可以先按下停止按鈕SB1，此時由于電機轉速較大，速度繼電器動作，KS-1觸點處于閉合狀態(tài)，KM2線圈得電，主電動機的定子相序更換，實現(xiàn)了反接制動。 流程圖：KT常閉觸點跳開，主電機定子電流表工作KT線圈得電，立即動作前期起動步驟KA線圈得電，常開觸點閉合KT線圈失電，開始計時延時到，常閉觸點閉合，電流表退出運行KM1失電，輔助常閉觸點閉合按下SB1速度較高，KS繼電器動作主電機高速正轉KM2線圈失電速度低于一定值，KS不動作主電機進入反接制動狀態(tài)KM2線圈得電主電機慢慢停轉。4)刀架的快速移動和冷卻泵控制刀架的快速移動由M3快速移動電動機來實現(xiàn)，冷卻泵由M2冷卻泵電動機來

12、實現(xiàn)。要起動M2電機，按下SB6按鈕，KM4線圈得電，M2電機旋轉，且KM4輔助常開觸點閉合，實現(xiàn)自鎖，松開SB6，M2電機穩(wěn)定連續(xù)旋轉。按下SB5按鈕，KM4線圈失電，M2電機停轉。實現(xiàn)了冷卻泵控制。并且是直接起動，單向旋轉。要起動M3電機，壓下行程開關SQ，KM5得電，M3電機旋轉，松開這個行程開關那么M3電機就停止旋轉，實現(xiàn)對M3電機的點動控制。并且只能向一個方向旋轉。 流程圖：KM4輔助常開觸點閉合M2冷卻泵電機旋轉KM4線圈得電按下SB6KM4線圈失電松開SB6，M2電機穩(wěn)定運行M2電機運行自鎖按下SB5M2電機停壓下SQ松開SQM3電機旋轉KM5線圈得電M3電機停KM5線圈失電5)

13、輔助電路通過36V變壓器側給一盞燈EL供電，確保照明環(huán)境。通過手動開關SA來控制其亮滅。流程圖：EL滅SA斷開EL亮SA閉合3 分析電路的保護環(huán)節(jié)，聯(lián)鎖環(huán)節(jié)電路的保護環(huán)節(jié)包括：各處的熔斷器FU和熱繼電器FR。熔斷器是為了防止電機短路造成的過電流事故，起到短路保護的作用。而熱繼電器是為了防止電機過載而造成的定子繞組過熱的問題，起到過載保護的作用。 電路的聯(lián)鎖環(huán)節(jié)包括：KM1和KA的常開觸點對SB2，對KM1線圈形成自鎖，使KM1線圈得以持續(xù)得電，且KM1、KA、KM3兩兩之間都實現(xiàn)了互鎖，使三線圈得以穩(wěn)定同時持續(xù)得電；KM2、KA、KM3兩兩之間也實現(xiàn)了互鎖，在反轉時確保三線圈同時持續(xù)得電；KM

14、4輔助常開觸點和KM4線圈也實現(xiàn)了自鎖。2.2 器件選型要求：已知電動機M1，M2，M3功率分別為7.5KW，300W，2.2KW，電壓等級都是380V。請仔細分析計算各主要元器件的工作參數(shù)和要求，并在此基礎上，查閱產(chǎn)品樣本，選擇合適的型號，生產(chǎn)廠家，并說明選用的原則。主要器件包括：KM1KM5FU1 FU6FR1FR2KS, KT, KAKC (變壓器可以定制，只需說明電壓,電流和容量就可以) 注意：三相電機的額定電流計算答：1）KM1KM5的選型接觸器的主要技術參數(shù)：額定電壓、額定電流、勵磁線圈額定電壓、額定操作頻率、電壽命和機械壽命。首先注意到，控制回路的供電電壓為線電壓經(jīng)過變壓器從11

15、0V側引出。所以KM1KM5勵磁線圈的額定電壓為110V，而主觸點的額定電壓則為380V。三相電機的額定功率計算公式為P=3 UIcos*。由于已知條件只給出了三個電機的額定功率、額定電壓，并沒有給出額定功率因數(shù)與效率。所以根據(jù)網(wǎng)上查來的資料，這兩個系數(shù)的乘積大概為0.6-0.7左右。取0.65計算。以此計算三相電機的額定電流。將各電機的額定電壓380V和額定功率代入上面的算式。計算額定電流。得到：主電機M1的額定電流為17.53A，冷卻泵電機M2的額定電流為0.7A，快速移動電機M3額定電流為5.1A。額定操作頻率的等級為300次/h或600次/h。由于這些接觸器會被經(jīng)常使用，因此設為600

16、次/h。電壽命為50100萬次，機械壽命5001000萬次。交流接觸器的型號格式如下：選用的原則：1接觸器的使用類別應同負載的性質(zhì)相同2接觸器的額定電流應該大于或等于負載額定電流3在規(guī)定條件下，接觸器的額定電壓應該大于或等于負載額定電壓4接觸器的勵磁線圈額定電壓種類與大小應同控制回路額定電壓種類與大小相等。5接觸器主、輔觸點數(shù)應能滿足被控電路的需要。6 接觸器的主觸點額定電流可以按照這個公式進行整定：，其中k取11.4KM1KM3的額定電流為：KM4的額定電流為：KM5的額定電流為：根據(jù)上述原則的基礎上，還應在提供的額定電流等級中選擇。因此結合相關產(chǎn)品表格，KM1、KM2、KM3的主觸點額定電

17、流定為18A，KM4、KM5主觸點的額定電流為9A。輔助觸點的額定電流一般都取為5A。在選型時，本人光顧了天貓網(wǎng)上的“德力西”接觸器專賣店，德力西是我國溫州著名企業(yè)，其產(chǎn)品想必值得信賴：F根據(jù)其中提供的數(shù)據(jù)表格，對于主電動機，由于額定功率為7.5kW，所以KM1-KM3接觸器額定電流選為18A，KM1和KM2需要1個輔助常開觸點和1個輔助常閉觸點，KM3需要1個輔助常開觸點和0個輔助常閉觸點。線圈由110V交流電供電，代碼為M（選擇線圈額定電壓為220V），包裝代號選為EP。KM1的型號：CJX21811MEP，網(wǎng)店價格37元KM2的型號：CJX21811MEP，網(wǎng)店價格37元KM3的型號：C

18、JX21810MEP，網(wǎng)店價格37元 生產(chǎn)商：德力西對于冷卻泵電機M2，額定功率300W。由于該廠商的最低額定電流就是9A，所以KM4和KM5接觸器統(tǒng)一選用9A型號的接觸器。KM4和KM5的型號：CJX2-0910MEP，網(wǎng)店價格25元生產(chǎn)商：德力西。上述接觸器的機械壽命均為1000萬次。操作頻率1200次/小時，電壽命100萬次。商品的實物圖片如下，可供參考：2）FU1FU6的選型熔斷器的主要參數(shù)有：額定電壓、熔體額定電流、尺寸類型選用的原則： 首先選定熔體規(guī)格，再根據(jù)熔體的規(guī)格選擇熔斷器的規(guī)格。 上一級熔體的額定電流比下一級熔體的額定電流大23倍。額定分斷能力應該大于電路可能出現(xiàn)的最大短路

19、電流。 用于保護電機時，熔斷器額定電流大小應為電機額定電流的1.52.5倍對于控制回路和輔助照明回路，熔斷器額定電流為負載額定電流的11.15倍。FU1-FU4的額定電壓設置為380V，F(xiàn)U5的額定電壓設置為220V，F(xiàn)U6額定電壓設置為36V。根據(jù)上述原則：FU1的額定電流設置范圍為26A43A，選用32A；FU2的額定電流設置范圍為1.05A1.75A ，選用2A；FU3的額定電流設置為7.65A12.75A 左右，選用10A；。 FU4額定電流設置為10A左右，具體選用20A的熔斷器。FU5的額定值選為16A，F(xiàn)U6的額定值與燈泡的額定電流相配合，一般白熾燈泡額定功率40W 左右，在36

20、V供電下需要電流1A左右，因此FU6額定電流設為2A。FU1：型號：RT18-32生產(chǎn)商：上海滬工FU2：型號：RT18-02生產(chǎn)商：上海滬工FU3：型號：RT18-10生產(chǎn)商：上海滬工FU4：型號：RT18-10生產(chǎn)商：上海滬工FU5：型號：RT18-16生產(chǎn)商：上海滬工FU6：型號：RT18-02生產(chǎn)商：上海滬工費用均為0.60元一根。產(chǎn)品的其他參數(shù)列表如下：產(chǎn)品規(guī)格10.3*38mm產(chǎn)品長度38mm產(chǎn)品直徑10.3mm3）FR1-FR2的選型選用的原則：整定電流一般為電動機額定電流的1.051.1倍熱繼電器FR1的額定電壓為380V，F(xiàn)R1的額定電流為20A左右。熱繼電器FR2的額定電壓

21、為380V，額定電流為1A左右熱繼電器型號規(guī)則：FR1和主電機配合，主電機額定電流為14.24A，因此可選用脫扣電流為18A的繼電器。型號：JRS1D2518. 網(wǎng)店價格28元左右，下同。生產(chǎn)商家：德力西。FR2和冷卻泵電機配合，其額定電流為0.57A，可選用脫扣電流0.63A的繼電器。型號：JRS1D25P63生產(chǎn)商家：德力西。4）KS，KT，KA的選型選型的主要依據(jù)為： 是否符合被監(jiān)控對象的工作特性 觸點的類別 控制變量 負載類型KS為速度繼電器。額定電壓500V，額定電流2A型號：JY1，網(wǎng)店價格99元。生產(chǎn)商家：安州觸頭壽命：不小于10萬次KT為時間繼電器。額定電壓220V。選用斷電延

22、時型時間繼電器生產(chǎn)廠家：德力西型號：JSZ3F。電壓220V，額定工作電流1.5A。網(wǎng)店價格46元。KA是中間繼電器，用于傳遞和擴增信號。各觸點的電流容量相等，額定值一般為510A。在本例中，KA需要三個常開觸點和一個常閉觸點。中間繼電器的型號規(guī)格是這樣的：我們需要三個常開觸點和一個常閉觸點，且是在交流狀態(tài)下工作所以我們需要的型號是：JZC （設計序號）-31決定選用這樣的一款：生產(chǎn)廠家：CHNT正泰企業(yè)型號：JZC4-31，網(wǎng)店價格19元。拍下時選用線圈電壓為AC220V的，因為控制回路為220V交流電源供電。5）KC的選型：需要一個三繞組變壓器。原邊額定電壓：380V中壓側額定電壓：220

23、V低壓側額定電壓：36V原邊額定電流：9A中壓側額定電流：15A低壓側額定電流：1A容量可選為30003500VA。2.3 變頻器設計要求：如果M1主軸電機控制改為由變頻器驅(qū)動，請設計變頻器供電電路，設計變頻器的接口電路，實現(xiàn)圖2中，主軸電機的所有控制功能。同時，請說明有哪些變頻器參數(shù)必須設置。注：變頻器選用西門子MICROMASTER 420 系列變頻器，并假設其數(shù)字端口有三個以上。答：變頻器控制異步機的基本控制電路（供電電路與接口電路，使用了3個數(shù)字接口）：其中DIN1數(shù)字口接按鈕開關SB3，DIN2和DIN3兩個數(shù)字口接普通開關。主軸電機需要實現(xiàn)的功能（重列于下）：采用全電壓下的空載直接

24、起動，能實現(xiàn)正、反向旋轉的連續(xù)運行。為便于對工件作調(diào)整運動，即對刀操作，要求主軸電動機能實現(xiàn)單方向的點動控制，同時定子串入電阻獲得低速點動。主軸電動機停車時，由于加工工件轉動慣量較大，采用反接制動。加工過程中為顯示電動機工作電流設有電流監(jiān)視環(huán)節(jié)?；緟?shù)設置：序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P0304230380電動機的額定電壓(380V )2P03051.318電動機的額定電流( 18A )3P03070.187.50電動機的額定功率( 7.5kW )4P031050.0050.00電動機的額定頻率( 50Hz )5P031101420電動機的額定轉速( 1420 r/min )6P10

25、8000電動機的最小頻率( 0Hz )7P10825050.00電動機的最大頻率( 50Hz )8P11201010斜坡上升時間( 10S )9P11211010斜坡下降時間( 10S )10P000322允許訪問擴展參數(shù)11P00052使能作用實現(xiàn)低速單向點動時的參數(shù)設置：序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P100022模擬輸入2P070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）3P070111ON/OFF（接通正轉/停車命令1）利用變頻器模擬口，通過改變電位器的位置，來改變輸出頻率從而改變轉速，可以將轉速調(diào)得低一些實現(xiàn)低速控制。按下按鈕SB3使其閉合來讓電機旋轉，松開SB3使電機停轉?；蛘咭部?/p>

26、以這樣設置：序號變頻器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P100021用操作面板（BOP）控制頻率的升降2P070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）3P0701110正向點動4P10585.0025正向點動頻率（25Hz）5P106010.0010點動斜坡上升時間（10S）6P106110.005點動斜坡下降時間（5S）利用變頻器數(shù)字口，設置正向點動輸出頻率為25Hz（或其他合適的值），按下SB3按鈕，電機正向低速點動旋轉，松開SB3則電機停止旋轉。正反轉連續(xù)運行：對變頻器參數(shù)進行適當?shù)男薷模盒蛱栕冾l器參數(shù)出廠值設定值功能說明1P100021用操作面板（BOP）控制頻率的升降2P108000電動機的

27、最小頻率( 0Hz )3P10825050.00電動機的最大頻率( 50Hz )4P11201010斜坡上升時間( 10S )5P11211010斜坡下降時間( 10S )6P070021BOP（鍵盤）設置修改后，需要調(diào)節(jié)轉速，可以通過 鍵來實現(xiàn) ，需要改變轉向的時候，按下 鍵即可。這樣就實現(xiàn)了正反轉連續(xù)運行。且不需要通過數(shù)字輸出口，直接通過面板按鈕就可以控制輸出頻率和正反轉切換了，十分方便，因此首推。或者也可以這樣設置：1P070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）2P0702121僅接通S2正轉3P070392僅接通S3反轉4P070401ON/OFF1（接通正轉 / 停車命令1）5P10025.0050僅接通S2正轉6P100410.0050僅接通S3反轉再或者：7P070022選擇命令源（ 由端子排輸入 ）8P07021217固定頻率設值（二進制編碼選擇+ON命令）9P0703917固定頻率設值（二進制編碼選擇+ON命令）10P070401ON/OFF1（接通正轉 / 停車命令1）11P10025.0050僅接通S2正轉12P100410.00-50僅接通S3反轉反接