电工学课程设计设计报告.docx
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电工学课程设计设计报告
电工学课程设计报告
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设计日期：
三相异步电动机的顺序启动、统一停止的
电路设计与计算设计报告
一、设计目的作用
通过对机床电气回路的设计，掌握简单控制电机电路的设计方法。
能够理解并掌握控制电机正反转的原理，并使用CAD绘图软件绘制相应的电气原理图，在电气回路设计中，通过对整个系统的分析，加深对电机控制电路的逻辑控制相关知识的理解及应用。
二、设计要求
设计一个三相异步电动机的顺序启动、统一停止的电路，性能要求如下：
（1）．设计该机床的电气原理图并标注接线号。
（2）．绘制电气元件目录表，写明序号、名称、型号、文字符号、用途、数量。
（3）．计算主电机的三项阻抗。
三、设计的具体实现
1、系统概述
设计思路
根据控制要求，要实现三台电动机的顺序控制，每台电动机还可以独自启动和停止，其中主轴电动机是直接启动，自由停车，它能正、反转，并且正反转都可以点动。
并且主轴电机要求能耗制动，这里可以通过继电器机器辅助节电来实现主轴电机的正反转，并搭配时间继电器来实现主轴电机的能耗制动，为了能能实现点动，主轴电机的正反转回路均设置有四个按键以此来实现电机的正反转点动，主轴电机的过载保护通过一组热继电器来实现。
进给电机也同样为直接启动，自由停车，它可以正反转，但不需要点动，并且进给电机是只有主轴电机启动之后才能运行，否则主轴电动机没工作，而进给电机单独工作就会导致主轴上安装的刀具因为没有切削力而被损毁。
进给电机的正反转的设计和主轴电机采用的同样的方法，但是这里存在一个顺序控制的问题，要求主轴电机启动后，进给电机才能工作，因此，这里有解决方案可以在主电路中加入顺序控制，也可以在控制电路中加入顺序控制，本设计采用的方案是在主电路和控制电路中均加入了一个闭锁的辅助节点，只有当主轴电机工作是，按下进给电机的相应的启动按钮，进给电机才能运行。
冷却泵的电气设计相对简单一些，冷却泵电动机启动采用直接启动，能自由停车。
但同时也必须在主轴电动机启动后方可启动，因为主轴不工作时冷却没有任何意义的，这里同样通过在主电路和控制电路中加入了一个继电器辅助节点来实现冷却泵的顺序启停。
信号回路和控制回路电源取自主电源其中的两项，通过一个降压变压器将380V的交流电转化为220V的交流电来供给电机信号回路，信号回路设置了三个信号灯分别来显示三个电机的运行情况，照明回路采用的36V的行灯电压，电源同样是通过一个降压变压器将电压降至36V，而控制回路是直接采用的交流380V的电源参与控制，取自主电路三相交流中的两相，控制回路中的短路保护通过电路中的熔断器来实现。
2、 单元电路设计与分析
电气控制线路的工作原理图
该机床共用3台异步电动机拖动，它们分别是主轴电动机M3、进给电动机M2和冷却泵电动机M1。
机床的电路如图1.1所示，该电气原理图包括主电路、控制电路和照明电路三部分。
其电气控制线路的工作原理图如下：
图1.1机床总电气控制原理图
主动电路分析
三相交流电源由开关QS引入，电压等级为交流380V，熔断器FU作主电路的短路保护。
电机主电路的控制原理图如下图1.２所示。
图1.２电机主回路原理图
主轴电动机M１的正反转由接触器KM1和KM2的动合主触点控制，制动时，采用能耗制动，由KM7控制，热继电器FR3作M3的长期保护。
该机床主轴电机有一下性能特点：
1、启动方式为直接启动，由于主轴电机起动时因是空载起动，时间较短，故采用直接起动。
2、制动方式采用的能耗制动，通过接触器KM7和时间继电器KT一起达到能耗制动的目的。
3、主轴电机可以通过接触器KM1、KM2来改变接入三相电源的相序，从而达到电机的正反转功能。
进给电动机M2的正、反转由KM3和KM4控制，用热继电器FR2作长期过载保护，通过接触器KM6实现顺序控制，当主轴电机M1启动后，KM6相应的继电器带点，KM6节点闭合，进给电机启动。
冷却泵电动机M3单方向旋转，起动和停止由接触器KM5控制，同样是通过接触器KM6实现冷泵电机的顺序启动，即只有当主轴电机Ｍ１启动后，按下按键SB9冷却泵电机才能启动。
并通过独立按键SB10热继电器FR3作长期过载保护。
控制电路分析
控制电路电源由两部分组成，分别是交流２２０Ｖ和３６Ｖ，其中交流２２０Ｖ的电源主要用于信号回路和电机控制回路供电，图３６Ｖ的交流电主要用于机床的照明，其控制回路的原理图如下图1.３所示：
图1.３ 电机控制回路原理图
１．主轴电机Ｍ１的控制
主轴电机的启停控制电路如图1.４所示，控制电路１０区所在线路为主轴电机的正转，按下SB1键，继电器KM1带点，主轴电机正转，同时KM1的辅助接触器闭合，电机正转自保持，直到按下SB2，该回路断线，主轴电机停止转动，同样的按下SB3键，主轴电机反转，并通过KM２的辅助接触器自保持，直到按下SB4键，电机停止运行。
图1.４主轴电机正反转和能耗制动原理图
通常交流异步电动机的定子绕组在脱离电源后，由于机械惯性的作用，转子需要一段时间才能完全停止，而生产中一般都要求机床能迅速停车和准确定位，因此，当按下停止按键SB3和SB4，主轴电机可能无法迅速停车，因此在制动回路中采用能耗制动控制线路进行电气制动。
其工作原理是电动机切断交流电源后，立即在电动机定子绕组的任意两相中通入直流电，使定子中产生一个恒定的静止磁场，惯性运转的电动机转子切割磁力线，在转子绕组中产生感生电流，可用右手定则判断其方向。
该感生电流又受到静止磁场的作用，从而产生电磁转矩，可用左手定则判断其方向正好与电动机原转向相反，使电动机受制动而迅速停转。
具有制动准确、平稳，且能量消耗较小等优点。
缺点是需附加直流电源装置、制动力较弱，低速时制动力矩小。
本次设计所取的直流电装置如上图中７区所示，是通过变压器TC1降压后通过一个整流桥VC，将交流电转化为直流电，然后加在主轴电机的其中两相上，只有当主轴电机M1停止运行后，KM6常闭节点接通，此时，时间继电器KT通电，KM7继电器通电，然后KM7接触器节点闭合，电机进入能耗制动状态，当时间继电器KT整定的时间到达后，KT辅助常开节点断开，KM7继电器失电，此时能耗制动回路失电，电机停机完成。
2．进给电机M2、和冷却泵M3的控制
进给运动和冷却的动作均要求在主轴启动后方可进行。
其控制的原理图如下图1.5所示：
图1.5进给电机和冷却泵控制原理图
如图1.5所示，13区和14是控制进给电机正反转的区域，通过继电器KM4、KM4及其辅助接触器实现，当按下SB5（SB7）后KM3（KM4）继电器得电，KM3（KM4）的辅助常开节点闭合，进给电机正（反）转，并且自保持，FU9和FU10用于控制电路的短路保护。
对于电机的正反转控制主要是通过换相来实现，其中有两种解决方案，一种是同过转向开关开控制，一种是通过接触器来控制，本次设计采用的是第二种方案，因为考虑到进给电动机M2的正反转频繁，用接触器KM3和KM4进行换向。
主要元件的选型
该设计中涉及的交流接触器采用CJ10系列的接触器，这里涉及到常用接触器的命名规则，以常用的交流接触器为例说明：
CJ10-20
C-表示接触器
J-表示交流
10-表示设计序号
20-表示主触头额定工作电流
交流接触器的选择，最重要的是主触点额定电流的选择，它采用经验计算公式为：
式中：
K为经验常数，一般取1~1.4；轻载启动时为1，重载启动时为1.4。
PN为电动机的额定功率；UN为电动机的额定电压；IKM为接触器主触点的额定电流。
根据上述公式，K取重载启动1.4，则接触器KM1的主触点额定电流为：
控制回路电源为380V，需要三对主触点，两对辅助常开触点，一对辅助常闭触点，所以选用CJ10-100型交流接触器，电磁线圈电压为380V。
同理可得KM2至KM8交流接触器。
本设计中采用了多组热继电器，热继电器的命名规则，以常用的热继电器为例说明：
JR10-10
J-继电器电器“继”的拼音
R-“热”的拼音
10-设计序号
10-额定电流
同时应注意被保护电动机的额定电流，设定热继电器保护电流在105％的电动机的额定电流，由此可计算出三台电机的过载保护的过载电流分别为：
88.4A、7.6A、2.64A。
通过对比计算该设计所选用的全部元件见附录所示：
四、总结（三号宋体）
（设计过程中遇到的问题及解决办法，课程设计过程体会，对课程设计内容、方式、要求等各方面的建议）
×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××（小四号宋体）
五、附录
代号
名称
型号、规格
数量
用途
M1
主轴电动机
Y225-4/45KW1480r/min
1
推动刀具主运动
M2
给进电动机
Y100L2-4/3KW1430r/min
1
拖动工作台给进
M3
冷却泵电动机
JY801-2/.125KW28300r/min
1
拖动冷却泵
KM1、KM2
交流接触器
CJ10-100线圈电压380V
2
M1正转及反转
KM3、KM4
交流接触器
CJ10-10线圈电压380V
2
M2正转及反转
KM5
交流接触器
CJ10-5线圈电压380V
1
M3的启停
KM6
交流接触器
CJ10-100线圈电压380V
1
M1启动信号
KM7
交流接触器
CJ10-20线圈电压220V
1
能耗制动
KM8
交流接触器
CJ10-10线圈电压380V
1
M2启动信号
FR1
热继电器
JR10-10088.4A
1
M1过载保护
FR2
热继电器
JR10-107.6A
1
M2过载保护
FR3
热继电器
JR10-102.64A
1
M3过载保护
T2
变压器
BK-150150VA380V/220V/36V
1
信号、照明电路电源
T1
制动变压器
BK-50150VA380V/220V
1
提供能耗制动电压
SB1、SB2
按钮
LA25A
2
主轴电机正转启停
SB3、SB4
按钮
LA25A
2
主轴电机反转启停
SB5、SB6
按钮
LA25A
2
进给电机正转启停
SB7、SB8
按钮
LA25A
2
进给电机反转启停
SB9、SB10
按钮
LA25A
2
冷却泵电机启停
SB11
按钮
LA25A
1
照明开关
R
电阻
ZB21.45W×215.4A
1
限制制动电流
FU
熔断器
RL1-60熔体100A
3
电源总短路保护
FU1…FU11
熔断器
１１
主回路控制、回路短路保护
EL
照明灯
36V40W
1
低压照明
电器元件一览表
六、参考文献
1．齐占庆等.电气控制技术.机械工业出版社.2002.5
2．陈远龄等.机床电气自动控制.重庆大学出版社.1998.8
3．王仁祥.常用低压电器原理及其控制技术.机械工业出版社.2006.1
4．赵明.工厂电气控制设备.机械工业出版社.1985
5．李敬梅.电力拖动控制线路与技能训练.北京：
中国劳动社会保障出版社，2001
6．王宗才.机电传动与控制.北京：
电子工业出版社，2011.6
7．邓星钟.机电传动控制.武汉：
华中科技大学出版社，2007
8．周宏甫.机电传动控制.北京：
化学工业出版社，2006
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