料车提升系统课程设计.docx
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料车提升系统课程设计
电机拖动与运动控制综合课程设计
院系：
自动化学院
所选题目：
设计类题目一
专业班别：
自动化（工业自动化）143
**********
学号：
4327
提交日期：
2017年9月6日
《电机拖动与运动控制》课程设计说明书
一、目的与要求
（一）、总体要求和目的
1．通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；
2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；
3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；
4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用任务的要求，进行方案的总体设计和分析评估；
5.报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。
设计题目及要求。
（二）、具体要求
1.熟悉电动机的运行特性并确定电机及其拖动系统的总体结构；
2.了解控制电路中常用的基本控制电器及其原理及选型；
3.理解控制电路的基本单元；
4.掌握根据要求分析并自行设计控制电路原理图的方法；
5.要求对控制电路进行具体分析说明；
6.要求设计的电路正确并能实现功能。
二、主要任务和内容
（一）、主要任务和内容
1.依据要求进行主回路的设计，且拖动电机选择、比较，计算并选定电机；
2.完成控制回路电路原理分析、过程设计、选择合适的控制器件，特别是对短路、过载、零压保护等的额定值；
3.控制方式选择及相关计算，转子回路电阻级数确定计算，转子控制回路设计与计算；
4.依据计算结果，进行硬件回路设计；并验证设计方案，验证方法可采用仿真或测试。
5.按任务要求完成设计任务，编写出完整设计说明书，总结设计心得等；说明书中应包含（主电路原理图、控制电路、保护电路原理图，印刷电路板图）。
（二）、具体设计步骤
1.根据要求拟定设计任务。
2.根据拖动系统分析设计主电路。
在绘制主电路时，可考虑以下几个方面：
①电动机的控制方式，应根据其容量及拖动负载性质考虑其启动要求，选择适当的启动线路。
对于容量小（以下）、起动负载不大的电动机，可采用直接起动；对于大容量电动机应采用降压起动。
②设计转向控制。
③根据电动机的工作制，决定是否需要设置过载保护或过电流控制措施。
④根据拖动负载及工艺要求决定停车时是否需要制动控制，并决定采用何种控制方式。
⑤设置短路保护及其他必要的电气保护。
⑥考虑其他特殊要求：
调速要求、主电路参数测量、信号检测等。
3.根据主电路的控制要求设计控制回路，其设计方法是：
①正确选择控制电路电压种类及大小。
②根据每台电动机的起动、运行、调速、制动及保护要求依次绘制各控制环节（基本单元控制线路）。
③如有必要，设置必要的联锁。
④设置短路保护以及设计任务书中要求的位置保护（如极限位、越位、相对位置保护）、电压保护、电流保护和各种物理量保护（温度、压力、流量等）。
⑤根据拖动要求，设计特殊要求控制环节，如自动抬刀、变速与自动循环、工艺参数测量等控制。
⑥按需要设置应急操作。
4.根据照明、指示、报警等要求没计辅助电路。
5.总体检查、修改、补充及完善。
主要内容包括如下：
①校核各种动作控制是否满足要求，是否有矛盾或遗漏。
②检查接触器、继电器、主令电器的触点使用是否合理。
③检查联锁要求能否实现。
④检查各种保护能否实现。
⑤检查发生误操作所引起的后果与防范措施。
6.进行主电路与控制回路参数计算。
7.正确、合理地选择各电器元件，按规定格式编制元件清单。
8.根据完善后的设计草图，按GB/T6988电气制图标准绘制电气原理线路图，并按GB/T5094-1985《电气技术中的项目代号》要求标注器件的项目代号，按GB4884-1985《绝缘导线的标记》的要求对线路进行统一编号。
三、设计题目与要求
1.设计题目：
料车提升电机拖动系统设计
拖动对象为一料车提升系统。
下图所示，料车在轨道下部装料，装完料后提升至上部料仓卸载。
装料时间为3分钟，卸载时间不计，提升及下放速度最大值不超过米/秒，料仓距轨道底部15米，料车自重40公斤，每次装料100公斤，企业每天分三班工作，每班提升25次，提升为接班后即开始至提升25次结束。
系统提升使用钢丝绳，钢丝绳轮的直径为米。
工作现场只有三相四线制380v交流电源，电网最大电压波动5%，通风良好，环境干燥，现场无防爆要求。
2.设计任务及要求
①要求电机拖动系统能够可靠工作，电机温升在允许范围内。
②设三个手动操作按钮控制电机运转，即提升、下放、停止。
③系统应能实现在提升到轨道顶部和下放到底部时自动停止。
3.设计指导
为简化设计，提升系统钢丝绳重量及摩擦阻力均可不计。
设计时要先算出负载转矩，可根据提升速度、电机速度选择减速机。
选择电机时要先确定电机类型，确定电机容量，然后还要考虑是否需要校验起动转矩、电机温升等。
电气控制系统要设计为能够实现自锁功能。
对料车提升到轨道顶部和下放到底部时自动停止问题，建议选择行程开关，通过行程开关的常开或常闭触点来设计控制电路。
四、系统结构及工作原理分析
1.系统结构组成分析
此系统的主要是由电动机、减速器、钢丝绳轮、两组定滑轮等组成。
2.系统工作原理概述
该系统由电动机提供原动力，经减速器减速拖动钢丝绳来提升或下放料车。
料车到达最高点和最低点触碰行程开关自动关断。
当提升料车时，按下提升按钮，电动机开始运转，带动传动装置运转，通过减速器将电动机的高转速降为低转速，再通过皮带传递给钢丝绳轮，然后钢丝绳轮开始转动，再通过定滑轮将料车提升，当料车到达顶部时，触碰到行程开关，电动机停止运转，料车停止上升。
当卸料完成后，按下放按钮，电动机反转，原理跟上升时相同，到达地面时，触碰到行程开关，电动机停止转动，料车停止下放。
五、电动机的选择
1.类型的选择
选择哪种类型的电动机，一方面要根据生产机械对电动机的机械特性、起动性能、调速性能、制动方法和过载能力等方面的要求，对各种类型的电动机进行分析比较；另一方面在满足上述要求的前提下，还要从节省初期投资，减少运行费用等经济方面进行综合分析，最后将电动机的类型确定下来。
在对起动、调速等性能没有特殊要求的情况下，优先选用三相笼型异步电动机。
根据工作要求选用Y系列封闭扇冷式三相异步电动机，电源电压380V。
三相异步电动机具有结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，启动性能好等优点。
2.提升系统的负载功率
由于此提升系统是双向周期运动，而且两次运动的负载是不同的，所以得求周期变动负载：
（假设重力加速度g=10
）
上升时的负载功率：
下降时的负载功率：
则平均功率：
预选电动机额定功率：
上式中系数（~）是考虑在负载变动引起的瞬态过程中，电流对发热的影响。
因为电机的铜损耗与电流的平方成正比，其影响应予以考虑。
负载变动大，该系数要选大些。
所以电机的额定功率应为：
3.确定电动机转速
计算钢丝绳轮工作转速：
由推荐的传动比合理范围，V带轮的传动比范围：
2～4，二级圆柱齿轮减速器的传动比的一般范围：
8～40，则总传动比的范围为:
，故电机的可选转速为：
4.确定电动机型号
根据以上计算在这个范围内电动机的同步转速有500r/min，600r/min，750r/min，1000r/min，1500r/min，3000r/min。
综合考虑电动机和传动装置的情况，同时也要降低电动机的重量和成本，最终可确定同步转速为1500r/min，根据所需的额定功率及同步转速确定电动机的型号为Y80M2-4，满载转速1390r/min。
其主要参数：
额定功率：
；
额定电流：
2A；
满载转速：
1390r/min；
效率：
%；
功率因数COSψ：
；
堵转转矩/额定转矩：
；
堵转电流/额定电流：
；
最大转矩/额定转矩：
；
振动速度：
s；
重量：
17kg
六、电动机的校验
1.发热校验
首先是进行发热校验，检查电动机温升是否会超过其额定温升。
由于本系统所用的电动机
和
不变，
，而且转速n基本不变，故可以选用等效功率法。
由于n不变，负载功率与负载转矩成正比，这时的等效负载功率为：
又因为
所以
，发热校验合格。
2.检验过载能力
由于此系统的负载是变化的，所以得求出最大负载时的负载转矩，由题目可知，当上升时负载最大，所以所要求的负载转矩为：
由于刚上升时不可能达到满载转速，取n=800r/min
又
而
因为
，所以过载能力校验合格。
3.校验启动能力
校验启动能力就是要求所选电动机的起动转矩
大于启动时的负载转矩的（~）倍，即
。
而且还要考虑起动电流
是否会超过要求，但如果采用直接起动（容量小时可采用），起动电流的影响可不考虑。
由题：
起动转矩：
起动转矩即上升时的转矩：
由于
因为此系统所用的电动机额定功率为，远小于，所以可以采用直接起动，因此不用考虑起动电流的影响。
所以起动能力校验合格。
七、减速器的选择
1.总传动比的计算
已知电动机的满载转速为1390r/min，钢丝绳轮的工作转速min。
所以总传动比为
=1390/=。
2.分配各级传动比
根据机械设计指导书，取V带的传动比
=3，则减速器的传动比i为:
取两级圆柱齿轮减速器高速级的传动比:
则低速级的传动比为:
八、系统原理电路图及运行分析
1.系统原理电路图
此料车提升系统的原理图与电动机正反转原理图相似，如图所示
2.相关元件说明：
QS--刀开关
KM1--正转用接触器
KM2--反转用接触器
FU--主电路熔断器
FR--热继电器
M--三相异步电动机
SB1--正转按钮
SB2--反转按钮
SB3--停止按钮
SQ1-1--上升行程开关
SQ2-1--下降行程开关
①刀开关是带有动触头（闸刀），并通过它与底座上的静触头（刀夹座）相楔合（或分离），以接通（或分断）电路的一种开关。
刀开关又称闸刀开关或隔离开关，它是手控电器中最简单而使用又较广泛的一种低压电器。
刀开关通常由绝缘底板、动触刀、静触座、灭弧装置和操作机构组成。
刀开关按照极数可以分为单极刀开关、双极刀开关和三极刀开关；按照转换方式可以分为单投式刀开关、双投式刀开关；按操作方式可分为手柄直接操作式和杠杆式刀开关。
②接触器（Contactor）是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制负载的电器，由电磁系统、触头系统和灭弧装置组成。
可用作控制工厂设备﹑电热器﹑工作母机和各样电力机组等电力负载，接触器不仅能接通和切断电路，而且还具有低电压释放保护作用。
其原理是当接触器的电磁线圈通电后，会产生很强的磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触头动作：
常闭触头断开；常开触头闭合，两者是联动的。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原：
常闭触头闭合；常开触头断开。
③利用金属导体作为熔体串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，因其自身发热而熔断，从而分断电路的一种电器。
熔断器结构简单，使用方便，广泛用于电力系统、各种电工设备和家用电器中作为保护器件。
熔断器（fuse）是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。
熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开；运用这种原理制成的一种电流保护器。
熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。
④热继电器的工作原理是电流入热元件的电流产生热量，使有不同膨胀系数的双金属片发生形变，当形变达到一定距离时，就推动连杆动作，使控制电路断开，从而使接触器失电，主电路断开，实现电动机的过载保护。
继电器作为电动机的过载保护元件，以其体积小，结构简单、成本低等优点在生产中得到了广泛应用。
电动机在实际运行中，如拖动生产机械进行工作过程中，若机械出现不正常的情况或电路异常使电动机遇到过载，则电动机转速下降、绕组中的电流将增大，使电动机的绕组温度升高。
若过载电流不大且过载的时间较短，电动机绕组不超过允许温升，这种过载是允许的。
但若过载时间长，过载电流大，电动机绕组的温升就会超过允许值，使电动机绕组老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会使电动机绕组烧毁。
所以，这种过载是电动机不能承受的。
热继电器就是利用电流的热效应原理，在出现电动机不能承受的过载时切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。
⑤作电动机运行的三相异步电机。
电动机工作原理为：
当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。
⑥按钮，是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开控制电路（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。
也称为按键，是一种电闸（或称开关），用来控制机械或程式的某些功能。
一般而言，红色按钮是用来使某一功能停止，而绿色按钮，则通可开始某一项功能。
⑦行程开关又称限位开关，是一种常用的小电流主令电器，是位置开关的一种，由操作头、触点系统和外壳组成。
按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。
行程开关是利用生产机械运动部件的碰撞使其触头动作来实现接通或分断控制电路，达到一定的控制目的。
通常这类开关被用来限制机械运动的位置或行程，使运动机械按一定位置或行程自动停止、反向运动、变速运动或自动往返运动等。
3.运行分析
首先闭合QS，由于在左支路中SB2为常闭开关，所以刚开始时左支路SB2闭合，右支路SB2断开，闭合SB1，左支路导通，KM1带电，线圈闭合，此时的SB1已经断开，可是KM1已经闭合，启动了自保功能，左支路依然导通，电动机正转，料车上升，上升到顶部时，触碰到行程开关SQ1-1，导致左支路断开，KM1不带电，线圈断开，电动机停止运转。
再闭合SB2，右支路导通，KM2带电，线圈闭合，同理电路启动自保功能，电动机反转，料车下放。
如果想系统停止工作，按下停止按钮SB3。
由于此电路图的设计是正反转互锁，所以不会存在正转的同时也要反转，即左右支路不会同时导通。
同时正转按钮SB1和反转按钮SB2实现了自锁功能。
九、总结
《电机拖动与运动控制》课程设计是本次课程学习的一个重要环节，通过大四上学期这一周的课程设计使我从各个方面都得到了锻炼和提高，对电机拖动和运动控制系统的各个相关零部件有机的结合在一起有了更深刻的认识，并且可以通过查找相应的电工手册找到自己需要的工具和此工具的性能特点。
由于时间的紧迫，实际操作动手能力的低弱，再加上自己的理论知识不够牢固，遇到很多问题都需要查找书籍与借助网络，虽然自己很努力的做到最好，但这次的课程设计还是存在许多问题。
例如大部分公式都需要查找和借鉴才能写上去，有时候模模糊糊知道在哪本书上有这公式，但一翻发现错了，是在另外一本书上。
所以我觉得学会制作属于自己的知识目录很重要，这样学过的东西即使忘了也不重要，只需要用时能通过目录查找到并最终使用得当即可，因为人的脑容量是有限的，应该用来做更有意义的思考。
对于大学学过的许多专业知识，如果是需要考试或者考取证件，那就要背上以应付过关，虽然这样的做法有利有弊，但中国社会即如此，入门首先看证件。
所以我们若需要变的更好，就需要在两者之间找到自己处理得过来的平衡。
然而有很多苦恼的是：
有些知识点自己没有系统的整理和消化，很多需要重新看书才能理解得过来，虽然最终达到了目的，但这样还是严重的影响了自己的设计速度和降低了自己课程设计的质量，在边计算边画图边改正的过程中发现自己走了很多的弯路。
所以团队学习很重要，在分工合作中共同进步，共同分享资源与发现可能存在的错误。
一个好的团队能有益于团队中的每一个人的发展，个人英雄主义在团队中是不可取的，团队最终会弱化个人的作用，在队员间取长补短，团队是实现每个队员的大同化。
古人云：
勤能补拙，所以在设计的过程中，不但需要多动脑，还需要勤奋的计算与思考。
这不但能让我熟能生巧，说不定会有意想不到的灵感诞生！
最后，此次课程设计培养了我综合应用电机拖动与运动控制这门课程及其他课程的理论知识和生产实际知识解决工程实际问题的能力。
通过这次设计，我想会对我以后独立设计打下一个良好的基础，知道自己的短处，才能去弥补。
为了能更好更快的达成目标，在以后的设计中避免很多不必要的工作，为了有能力设计出结构更紧凑、传动更稳定、更精确的设备，就需要各种各样的设计经验。
十、参考文献
[1]陈伯时著，《电力拖动自动控制系统》第四版，北京：
机械工业出版社，2011
[2]陈建明等，《电气控制与PLC应用》第三版，北京：
电子工业出版社，2014
[3]杨天明著，电机与拖动，中国林业出版社出版社，2008
[4]何此昴著，变压器与电感器设计方法及应用实例，人民邮电出版社，2011
[5]赵敏、刘丽主著，电气控制与自动控制系统，西南交通大学出版社，2006
[6]杨文焕著，电机与拖动基础，西安电子科技大学出版社，2008
[7]姚舜才著，电机学与电力拖动技术[M]，国防工业出版社，2006
[8]许志军著，电气自动化控制技术实训教程[M]，电子科技大学出版社，2008
[9]刘行川著，简明电工手册[M]，福建科学技术出版社，2003
十一、附录
附录1Y系列电动机型号大全
Y系列电动机是一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型三相异步电动机。
安装尺寸和功率等级符合IEC标准，外壳防护等级为IP44，冷却方法为IC411，连续工作制（S1）。
适用于驱动无特殊要求的机械设备，如机床、泵、风机、压缩机、搅拌机、运输机械、农业机械、食品机械等。
Y系列电动机效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。
Y80~315电动机符合Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件JB/T9616-1999。
Y355电动机符合Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件JB5274-91。
Y80~315电动机采用B级绝缘。
Y355电动机采用F级绝缘。
额定电压为380V，额定频率为50Hz。
功率3kW及以下为Y接法；其它功率均为△接法。
电动机运行地点的海拔不超过1000m；环境空气温度随季节变化，但不超过40℃；最低环境空气温度为-15℃；最湿月月平均最高相对湿度为90%；同时该月月平均最低温度不高于25℃。
电动机有一个轴伸，按用户需要，可制成双轴伸，第二轴伸亦能传递额定功率，但只能用联轴器传动。
按用户需要，还可供应其他功率、电压、频率、湿热带型（TH）、防护等级等电动机。
附录2电机详细参数
型号
额定功率kW
额定电流A
转速r/min
效率%
功率因数cos
堵转转矩/额定转矩
（倍）
堵转电流/额定电流（倍）
最大转矩/额定转矩（倍）
振动速度mm/s
重量kg
同步转速3000r/min2级
Y80M1-2
2830
17
Y80M2-2
2830
18
Y90S-2
2840
22
Y90L-2
2840
25
Y100L-2
3
2880
34
Y112M-2
4
2890
45
Y132S1-2
2900
67
Y132S2-2
15
2900
72
Y160M1-2
11
2930
115
Y160M2-2
15
2930
125
Y160L-2
2930
145
Y180M-2
22
2940
173
Y200L1-2
30
2950
232
Y200L2-2
37
2950
250
Y225M-2
45
84
2970
312
Y250M-2
55
103
2970
387
Y280S-2
75
139
2970
515
Y280M-2
90
166
2970
566
Y315S-2
110
203
2980
922
Y315M-2
132
242
2980
1010
Y315L1-2
160
292
2980
1085
Y355L2-2
200
365
2980
1220
Y355M1-2
220
399
2980
1710
Y355M2-2
250
447
2985
1750
Y355L1-2
280
499
2985
1900
Y355L2-2
315
560
2985
2105
同步转速1500r/min4级
Y80M1-4
1390
17
Y80M2-4
2
1390
17
Y90S-4
1400
25
Y90L-4
1400
26
Y100L1-4
5
1430
34
Y100L2-4
3
1430
35
Y112M-4
4
1440
47
Y132S-4
1440
68
同步转速1000r/min6级
Y90S-6
910
21
Y90L-6
910
24
Y100L-6
4
940
35
Y112M-6
940
45
Y132S-6
3
960
66
Y132M1-6
4
960
75
Y132M2-6
960
85
Y160M-6
17
970
116
同步转速750r/min8级
Y132S-8
710
66
Y132M-8
3
710
76
Y160M1-8
4
720
105
Y160
升级会员 