三速电动机变极调速控制设备的设计

贵州工业职业技术学院

毕业设计（论文）

题专班学学

目 三速电动机变极调速控制设备的设计 业 级 生 号

机电设备维修与管理

机电1508班

指导老师

贵州工业职业技术学院

2017年10月

前 言

随着现代技术的发展和工业生产过程的智能化，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓的自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动按照预定的规律运行[1]。其中，本次毕业设计涉及的系统就是一个典型的自动控制系统。

自动控制技术在社会生产过程中起着举足轻重的作用，无论是在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域，亦或是在生物、医学、环境、经济管理和其他许多社会生活领域中，都有自动控制技术的应用。特别是在一些基础性的工业过程控制领域，自动控制技术更是凸显了自身的优势。首先，自动控制技术为企业安全的生产过程创造了良好的条件；其次，自动控制技术使得企业的生产过程更加高效、经济和环保。

一个良好的生产环境对于企业而言是至关重要的，其原因主要有以下两点：第一，就生产过程而言，安全是第一要素，其包括参与生产人员的人身安全和设备安全。而良好健康的生产环境正是安全的重要保证；第二，就企业而言，如何获得更高的利润是企业能否正常运转的重要保证，一个良好健康的生产环境不仅能够降低企业设备的维护费用和原料损耗，而且还能提升生产效率，进而大幅提升企业利润。因此，如何保证企业生产运行在一个良好健康的环境下，显得十分重要。

我们知道，纺织工业是一项重要的国民经济基础行业，其产品涉及到人们生活的诸多方面。然而，目前我国的纺织工业还存在着生产技术落后、技术标准低、人才资源匮乏、信息化程度不高、缺乏品牌经营管理等诸多问题。当然，解决以上问题并非短时期能够完成。企业自身在经营和发展的过程中，能够全方位考虑企业的良性发展，循序渐进地提升自身的技术水平和管理水平，显得十分必要。

对于纺织厂的生产车间而言，如何控制温度和相对湿度是车间良性运行的重要保证。车间温湿度的控制涉及自然环境的状态和人为地对温湿度进行补偿两个问题。因此，可以将其定义为一个基于环境状态实时变化的车间温湿度自动补偿问题。温湿度的补偿主要采用控制轴流风机的方法实现。

目 录

中文摘要 ........................................................................... I 英文摘要 .......................................................................... II 第1章 绪 论 ...................................................................... 1

1.1 选题背景及意义 ............................................................. 1 1.2 电机调速控制系统发展现状 ................................................... 1

1.2.1 直流电动机调速技术 ................................................... 2 1.2.2 交流电动机调速技术 ................................................... 3 1.3 电机调速中的控制技术 ....................................................... 4 1.4 论文内容及章节安排 ......................................................... 4 第2章 电机拖动方案的确定 .......................................................... 5

2.1 电机拖动原理 ............................................................... 5

2.1.1 直流电机拖动原理及特性 ............................................... 6 2.1.2 交流电机拖动原理及特性 ............................................... 8 2.2 电机拖动方案论述 .......................................................... 11 2.3 本章小结 .................................................................. 12 第3章 电动机的选型方案论述 ....................................................... 13

3.1 电动机选型 ................................................................ 13 3.2 本章小结 .................................................................. 14 第4章 电气控制原理图的设计 ....................................................... 16

4.1 电气控制原理图设计方法论证 ................................................ 16

4.1.1 经验设计法 .......................................................... 16 4.1.2 逻辑设计法设计 ...................................................... 21 4.2 本章小结 .................................................................. 28 第5章 电器元件的选择明细 ......................................................... 29

5.1 电器元件的选择 ............................................................ 29

5.1.1 刀开关 .............................................................. 29 5.1.2 熔断器 .............................................................. 29 5.1.3 热继电器 ............................................................ 30 5.1.4 接触器 .............................................................. 30 5.1.5 电流互感器与电流表 .................................................. 31 5.1.6 中间继电器 .......................................................... 31 5.1.7 时间继电路 .......................................................... 31 5.1.7 按钮 ................................................................ 32 5.1.8 指示灯 .............................................................. 32 5.1.9 指示灯 .............................................................. 32 5.1.10 接线端子 ........................................................... 33 5.2 电路元件明细表 ............................................................ 33 5.3 本章小结 .................................................................. 34 第6章 电器布置图的设计 ........................................................... 35

6.1 电气布置图的设计原则 ...................................................... 35

6.1.1低压电器电控设备的布置原则 ........................................... 35 6.1.2 三速电动机电气控制柜的布置 .......................................... 38 6.3 本章小结 .................................................................. 40 第7章 电器接线图的设计 ........................................................... 41

7.1 接线图的设计 .............................................................. 41 7.2 本章小结 .................................................................. 48 第8章 总结与展望 ................................................................. 49

8.1 系统设计总结 .............................................................. 49 8.2 三速电动机变极调速的未来展望 .............................................. 49 致 谢 ............................................................................ 50 参考文献 .......................................................................... 51 附 录 ............................................................................ 52

附录A：国家电气标准的若干规定 ................................................. 52

一、 电控设备导线的颜色 ................................................... 52 表A—1 依导线颜色标志电路的规定 ........................................... 53 表A—2 依电路选择导线颜色的规定 ........................................... 54

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

中文摘要

针对某纺织车间温湿度的保持问题，采用控制轴流风机的方法实现对温湿度的控制。通过建立风机转速、风量以及轴功率之间关系的数学模型，确定了电机的拖动方案。其中，电机选型为YD序列变极三速电动机。根据控制系统的功能和设计要求，论述了系统的元件选型方案。最后据温湿度控制要求和电机拖动方案，设计了电气控制设备电气控制原理图。系统最终实现了对轴流风机的控制，从而实现了对车间温湿度的控制。本文对系统结构和工作原理进行了详述，包括系统的硬件设计和软件设计，并对系统是否满足设计要求进行了分析。

关键字：纺织工业，三速电动机，变极调速，温湿度控制

I

周红卫：三速电动机变极调速控制设备的设计

英文摘要

In order to maintain the temperature and humidity of a textile workshop, the control of the axial fan is used to control the temperature and humidity. Just through the establishment of the fan speed, air volume and shaft power relationship between the mathematical model to determine the motor drag program. Among them, the motor selection for the YD sequence variable pole three-speed motor. According to the function and design requirements of the control system, the component selection scheme of the system is discussed. Finally, according to the temperature and humidity control requirements and motor drag program, designed electrical control equipment, electrical control schematic. The system finally achieved the control of the axial fan, in order to achieve the control of the plant temperature and humidity. In this paper, the system structure and working principle are described in detail, including the system hardware design and software design, and the system to meet the design requirements were analyzed.

Key words:Textile industry, Three-speed motor, Variable pole speed, Temperature and humidity control

II

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

目前我国纺织工业存在以下问题，首先，技术装备落后，新产品开发不足。据统计，中国纺织品三大行业（纺织业、服装业、化学纤维制造业）产值占比约分别为61%、28%、11%。除化学纤维生产技术和服装骨干企业的缝纫设备接近国际先进水平以外，纺纱、织造、染整等传统工艺与世界先进水平有较大差距。其次，目前中国的纺织企业还处于低端生产阶段。大约有80%的企业生产中低档产品、6%的企业生产中低档产品，4%的企业生产品质低价格低产品，仅有10%的企业生产高品质产品。再次，高素质人力资源缺乏。行业缺乏品牌运作、资本运筹、国际交往的人才，缺乏国际化经营经验和适应国际竞争的复合型人才。再者，企业信息化程度不高。行业性软件开发力量薄弱，软件产品少，企业管理软件应用比例低，信息化普及率低，电子商务起步慢，多数企业管理方式落后，难以真正建立起小批量、多品种、高品质、快交货的市场快速反应机制。最后，缺乏品牌经营理念。传统家纺多，规模小，产品单一，加工贸易比重仍然很大，应对国际竞争手段不足，处在整合阶段[2]。

因此，如何将现代化的设备技术和经营管理经验引入纺织工业的生产过程和管理方案显得十分必要。再者，就纺织工业的生产车间而言，如何保证一个安全、稳定的生产环境更是提升企业综合实力和保证可观利润的关键。面对复杂多边的外部环境，车间的温湿度也会随着环境的改变而发生变化，车间温湿度的变化不仅影响生产原料的质量，还影响到工人的精神状态以及机器设备的运行状态。这就是说，维持车间合理的温湿度变化对车间的生产有巨大的影响。

通过这次设计，不仅解决了纺织车间的温湿度控制问题，为企业的安全、高效生产提出了可行的解决方案，而且培养了学生综合运用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力。使学生建立正确的设计思路，掌握低压电器组成的电气传动控制设备工程设计的一般程序和方法。

1.2 电机调速控制系统发展现状

调速电机是利用改变电机的级数、电压、电流、频率等方法改变电机的转速，以使电机达到较高的使用性能的一种电机。由于其优异性能，调速电动机已广泛用于钢

1

三速电动机变极调速控制设备的设计

铁、电站、电缆、化工、石油、水泥、纺织、印染、造纸、机械等工业部门作恒转矩或递减转矩的负载机械无级调速之用，尤其适宜作流量变化较大的泵和风机类负载托动之用，能够获得良好的节能效果[3]。

能源在我们日常生活中的应用是一个不争的事实，要使能源为我们人类所利用，目前大部分要靠电动机和发电机所实现。而我们在生产过程中，大部分要靠电动机把电能转换为机械能供人类使用。对一些精确控制，调速技术的发展至关重要。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，以前在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。目前交流拖动控制系统的应用领域主要有以下三个方面：

（1）一般性能调速和节能调速。在过去大量的所谓“不变速交流拖动”中，如果换成交流调速系统，每台风机、水泵平均都可以节约20%~30%以上的电能。但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。

（2）高性能的交流调速系统和伺服系统。由于交流电机原理上的原因，其电磁转20世纪70年代初发明了矢矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。

量控制技术，或称磁场定向控制技术,从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法。常应用在电梯的交流调速系统中。

（3）特大容量、极高转速的交流调速。直流电机的换向能力限制了它的容量转速r/min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有积不超过106kW·

换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜[4]。 1.2.1 直流电动机调速技术

直流电动机电力拖动在19世纪中叶诞生，在20世纪前半叶，只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。1960年以来，晶闸管整流器的应用，使得直流调速技术得到了飞速对的发展。采用可控晶闸管组成整流器的晶闸管整流器-电动机系统，它们在20世纪60年代起得到了广泛的应用。用全控型电力电子器件可组成直流PWM变换器-电动机系统，现在越来越多地取代了晶闸管-电动机系统[5]。主要有以下3个方面：（1）转速反馈控制的直流调速系统；（2）转速、电流反馈控制的直流调速系统；（3）可逆控制和弱磁控制的直流调

2

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

速系统。目前由于交流调速技术的迅速发展，直流调速技术逐渐被淘汰。 1.2.2 交流电动机调速技术

1880年前只有直流电力拖动，1895年左右，发明了交流电，就有了交流电力拖动，1960年前，高性能可调速拖动都采用直流电机（20%），不变速拖动系统则采用交流电机（80%），1930年开始，交流调速系统的多种方案出现，并获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌[6]。直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现；大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生。一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。

同步电机没有转差，也就没有转差功率，所以同步电机调速系统只能是转差功率不变型（恒等于0）的，而同步电机转子极对数又是固定的，因此只能靠变压变频调速，没有像异步电机那样的多种调速方法。在同步电机的变压变频调速方法中，从频率控制的方式来看，可分为他控变频调速和自控变频调速两类。（1）自控变频调速利用转子磁极位置的检测信号来控制变压变频装置换相，类似于直流电机中电刷和换向器的作用，因此有时又称作无换向器电机调速，或无刷直流电机调速。(2)开关磁阻电机是一种特殊形式的同步电机，有其独特的比较简单的调速方法，在小容量交流电机调速系统中很有发展前途[7]。交流调速技术已经发展了好多年，有以下几种发展趋势：

（1）新的控制策略

异步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩的控制困难，使它的动态性能很长时间内不如直流电机。矢量控制技术开创了交流电机高性能控制的新时代，但矢量控制对电机参数的依赖很大，使之也有不尽人意之处，磁链跟踪型 PWM控制逆变器及与之相关的转矩直接控制正受到广泛关注。

基于现代控制理论的滑模结构控制、自适应控制等均已引入电机控制，又如把模糊控制、人工神经网络控制、专家系统等无需精确数学模型的智能控制技术应用于变频调速中也得到了广泛的研究。

（2）新型变流装置和变流技术

随着电力电子元器件的不断发展，调速系统用的变流装置正朝向高电压、大容量、小型化、高频化的方向发展，中高电压(10kV)、大容量(10MW)的变频器已得到了应用，变流主元件的开发频率越来越高，装置的体积越来越小，为提高开关频率、降低开关损耗，软开关技术已经开始得到实际应用。变流装置对电网的谐波问题已引起高度的

3

三速电动机变极调速控制设备的设计

重视，把不控整流桥改成PWM双向整流桥已成为当前的热门课题。

（3）全数字化控制

随着微机运算速度的提高和存储器的大容量化，全数字化控制已成为调速系统的主流方向，各类单片机和数字信号处理器(DSP)在调速系统得到了较为普遍的应用。全数字化控制技术及集成化技术还在飞速发展，年年都有新的芯片诞生，这不仅提高了系统的性能和可靠性，降低了成本，还使控制器向着小型化、智能化的方向发展[8]。

（4）模拟与计算机辅助设计技术

电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。

1.3 电机调速中的控制技术

交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象，随着交流电动机调速理论的突破和调速装置性能的完善，电动机的调速从直流发电机-电动机组调速、晶闸管可控整流器直流调压调速逐步发展到交流电动机变频调速，变频调速又由VVVF控制的PWM变频调速发展到矢量控制、直接转矩控制变频调速。现代控制理论中的控制方法，实现方法简便，在电机调速领域中，具有更广阔的应用前景。由目前国内外的研究成果可以看出，电机传动的控制逐步向多元化、智能化和多种方法综合应用的方向发展[9]。

1.4 论文内容及章节安排

本文的研究重点是如何将变极调速技术应用到三速电动机，从而控制电动机的转速，最终实现纺织车间的温湿度控制。文章首先系统地论述了电机调速控制系统的原理以及方法，从数学层面分析了系统的可行性和实用性。另外，本文还对目前可行的点击调速方法进行了综述。

本文章节安排为：第一章绪论介绍了电机调速控制系统的原理以及方法，并对相关的技术进行了简要的介绍；第二章论述了电机拖动方案；第三章主要对系统的核心器件电动机的选型进行了详细的介绍。第四章为电气控制原理图的设计；第五章主要内容是电器元件的选择，并给出了详细的电气元器件明细；第六章是电器布置图的设计；第七章是电器接线图的设计。

4

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

第2章 电机拖动方案的确定

2.1 电机拖动原理

在诸如石油化工、轻工、纺织等工业部门，广泛使用者电力拖动系统。所谓电力拖动系统是一种电气传动系统，即以电动机为动力驱动控制对象（工作机构）作机械运动的整套装置。如果对象时生产机械，有一定的功率转换（电能变为机械能）要求，习惯上称之为电力拖动系统[10]。该系统通常包括三个主要环节：电动机、控制设备和机械传动机构。一个典型的拖动系统结构图如图2.1所示。

图2.1 典型的拖动系统结构图

电机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。无论是何种类型的电机，其基本原理都可表述为电磁效应产生的力的作用。其内部结构可简单描述为图2.2所示。

5

三速电动机变极调速控制设备的设计

图2.2 电机内部结构简图

2.1.1 直流电机拖动原理及特性 （1）电力拖动系统的运动方程式

①运动方程式

电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。

根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：

Tem-TL?Jd?dt 其中Jd?为系统的惯性转矩。

dt

图2.3 直流电机运动系统图

运动方程的实用形式：

T?TGD2dnemL?375?dt

系统旋转运动的三种状态：

1）当Tem?TdnL或

dt?0时，系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2）当Tem?TL或T时，系统处于加速运行状态，即处于动态。

L3）当Tdnem?TL或

dt?0时，系统处于减速运行状态，即处于动态。 常把

GD2375?dndt或(Tem?T)称为动负载转矩，把TL称为静负载转矩。 6

2-1

2-2

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

②运动方程式中转矩正、负号的规定

首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定： 1）电磁转矩Tem与转速n的正方向相同时为正，相反时为负。 2）负载转矩TL与转速n的正方向相同时为负，相反时为正。

GD2dn3）惯性转矩?的大小和正负号由Tem和Tem的代数和决定。

375dt（2）负载的转矩特性

负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 ①恒转矩负载特性

恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩TL与转速n无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。

1）反抗性恒转矩负载

图2.4 反抗性恒转矩负载

2）反抗性恒转矩负载

图2.5 位能性恒转矩负载

②恒功率负载特性

7

三速电动机变极调速控制设备的设计

恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即TL与n成反比，特性曲线为一条双曲线。

图2.6 恒功率负载负载

③泵与风机类负载特性

负载的转矩基本上与转速的平方成正比。负载特性为一条抛物线。

图2.7 泵与风机类负载负载

2.1.2 交流电机拖动原理及特性

直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。

8

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

直到20世纪60~70年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。

这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。

三相异步电动机的机械特性 （1）机械特性方程

三相异步电动机的机械特性是指在一定条件下，电动机的转速与转矩之间的关系，即：

2-3

2-4

（2）临界转差率和最大转距

机械特性方程为一个二次方程，当s为某一数值时，电磁转矩有一最大值Tm。由数学知识可知，令dT/ds=0，即可求得此时的转差率，用sm表示，即：

2-5

求得对应时的电磁转矩，即最大电磁转矩值：

2-6

9

三速电动机变极调速控制设备的设计

临界转差率和最大转距的特点：

1当电源的频率及电机的参数不变时，○最大电磁转矩Tm与定子绕组电压U1的平方成正比。

2最大电磁转矩Tm和临界转差率sm都与定子电阻及定、转子漏抗有关。 ○

3最大电磁转矩Tm和转子回路中的电阻无关，而临界转差sm率则与成正比。 ○

（3）固有机械特性方程 1固有机械特性方程 ○

异步电动机的固有机械特性是指在额定电压和额定频率下，按规定方式接线，定、转子外接电阻为零时，电磁转矩T与转差率s的关系，即T=f(s)曲线。

2固有机械特性曲线 ○

图2-8 固有机械特性曲线

3固有机械特性曲线的特点。 ○

曲线形状分析：

1）AB段。因s较大，且异步电动机中，近似为双曲线。随着s的减小，T反而增大。

2）BO段。因s很小，近似为直线。随着s的减小，T亦减小。 曲线的几个特殊点的分析： 1）起动点A 2）同步点O

10

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

3）临界点B 4）额定点C

（4）人为机械特性方程

人为机械特性就是人为地改变电源参数或电机参数而得到的机械特性。三相异步电动机的人为机械特性主要有以下两种：

1降低定子电压的人为机械特性； ○

图2-9 降低定子电压的人为机械特性

2转子串电阻的人为机械特性。 ○

图2-10 转子串电阻的人为机械特性

2.2 电机拖动方案论述

从设计任务书中内容可知，要求我们设计的控制设备的控制对象为—纺织车间的轴流风机，其全年的送风量是不均匀的，可划分为三个时间段，即夏季、春秋季和冬季。由风机的特性可知，当风机转速从n变到n'时，风量Q和轴功率P的变化关系式

11

三速电动机变极调速控制设备的设计

如下：

?n'?Q'?Q??

?n?3?n'?

P'?P???n?2-7

2-8

从已知技术数据，春秋季的风景为夏季的66％，冬季的风量为夏季风量的50％，我们知道拖动风机的电动机需要调速控制。由于经设计达到夏季风量所需电动机功率为11.6kw，转速为1457r／min，亦即我们所选电动机的最大功率和转速只要满足大于等11．6kw和1457r／min，控制设备能实现对该电动机实行调速即可满足设计的技术要求。

对电动机实行调速控制的方案比较多：有调压调速、电磁调速电动机调速、串级调速、变频调速和变极对数调速等。前几种调速方案都可实现对电动机的无级调速，但实现调速的控制设备和控制方案都比较复杂，经济投入较大。只有变极对数调速为有级调速，控制设备相对较简单，经济投入较少。而根据设计的技术数据，纺织车间全年要求的风量变化并不要求连续，只分为三段，在每一段内的风量我们可视作不变(因风量略有变化引起的温、湿度变化是不会超出允许的温、湿度要求范围的)，这样由式

?n'?Q'?Q??

?n?2-9

可知，拖动风机的电动机转速实际上全年中只要有三个变化点即可满足要求，只需有级调速控制。因此，我们可采用变极对数调速的控制方案。

2.3 本章小结

本章论述了电机拖动的基本原理，首先介绍了交直流电机的拖动原理和两者之间的差异，接着依据本系统的设计要求论述了电机的拖动方案。

12

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

第3章 电动机的选型方案论述

3.1 电动机选型

由2.2节确定的拖动方案可知，我们选用变极三速电动机可实现对风机的控制。 在纺织车间内空气中含有棉絮等杂物，这就要求电动机密封性要好，而车间内电动机—般在地面平装，因而我们可选用电动机的外壳防护等级为IP44，结构和安装型式为IMB3。

设风机在夏季、春秋季和冬季的风量分别为Ql、Q2、Q3，转速分别为n1、n2、n3，轴功串分别为P1、P2、P3。由已知条件即得：Q2：Ql＝0.66，Q3：Ql＝0.50，Pl＝11.6kw，P2＝1457r／min。

?n'?Q'?Q??

?n? 3-1

?Q?n2?n1?2??1457r/min?0.66?962r/min

?Q1??Q?n3?n1?3??1457r/min?0.50?729r/min

?Q1?3-2

3-3

?n'?Q'?Q??

?n?3-4

?n'?P'?P??

?n??Q'?P'?P??

?Q?333-5

3-6

?Q2?3P2?P?11.6KW?0.66?3.3KW ??1?Q1?13

33-7

三速电动机变极调速控制设备的设计

?Q3?3P3?P??11.6KW?0.5?1.5KW 1??Q1?33-8

从以上计算可知．风机夏季、春秋季、冬季二个调速点要求的转速分别为1457r／min、962r／min、729r／min，要求的功率分别为11.6kw、3.3kW、1.5kwi

根据上述情况和车间内有交流380V，50Hz的二相电源，我们选用YD系列变极三速异步电动机来拖动风机。该电动机的有关参数如下：

型号为YD180L—8∕6∕4

电动机有三种极对数变化，分别为8极、6极、4极。对应于三种极对数8／6／4的额定功率为7KW/9KW/12KW，满载电流为20.2A∕20.6A∕24.1A，满载转速为740r/min∕980r/min∕1470r/min。绕组接法为△∕Y∕YY。

电动机绕组接线图如图3.1所示。

图3.1 YD系列变极三速电动机绕组接线图

要满足对风机的控制要求，即夏季采用4极运转，春秋季采用6极运转，冬季采用8极运转，我们分别定义为高速、中速和低速运转状态。这样功率和转速均能满足风机的工作要求，并有裕量。

3.2 本章小结

本章主要在2.2节的基础上，针对具体的电机拖动方案，结合目前市场上常用的电

14

三速电动机变极调速控制设备的设计

入中速运行。串在KM2自保线路中的KA4常闭触点与常开触点KA4—1共同构成了接触器KM2的点动控制，以便实现从中速到高速的自动切换。KM2吸合后，其常闭触点KM2—4断开，使中间继电器KA3释放，KA3串在KM4线圈回路中的常闭触点复位，为KM4线圈的得电作好准备。在中间继电器KA4吸合其常开触点KA4—1使KM2吸合的同时，另一对常开触点KA4—2使时间继电器KT2线圈得电吸合自保并开始延时。注意在通电延时时间继电器KT2开始计时时，断电延时时间继电器KT1也同时在进行计时。因为按钮SB4的常开触点SB4—2是合一下马上断开的。当时间继电器KT2延时到后，其延时常开触点闭合，使接触器KM4线圈只要接触器KM2常闭触点KM2-2回复即可吸合。当KT1延时到后，其延时常开触点断开使KA4线圈失电，KA4释放，KA4的常开触点KA4-1和常闭触点保证KM2线圈失电释放，使KM2-2复位，这样KM4得电吸合，其常开触点又使接触器KM3吸合，KM3常闭触点KM3-3又使KT2失电释放，电动机白动进入高速状态稳定运行。从而实现低速运行经中速自动切换到高速的控制日的。

通过分析，值得注意的是时间继电器KT1的延时时间要比KT2略长。如相反，当KT1延时一到，其延时常开触点断开使KA4释放，从而使KM2释放。促此时KT2的延时常开触点仍未闭合，使KM4能吸合，电动机将失电停机。等到KT2延时到后才又使KM4吸合，进而KM3吸合，电动机转入高速运转。这样在中速自动切换到高速过程中会出现电动机的短暂失电，不利于控制。同理，时间继电器KT3的延时时间也要比KT4略长些。当电动机工作在高速状态，按动低速按钮SB2后的工作原理与上述 类似，只不过此时工作的电器换成了KA2、KA5、KT3、KT4而巳，读者可自行分析。

图4.2中，各按钮、接触器用到的触点数都较多，我们在选择元器件时要选有相应常开、常闭触点数的类型以满足要求，否则需用中间继电器来扩大触点数目。

图4.2已能按设计要求实现对电动机的调速控制，但还不完善。因设计技术要求中还要有低、中、高速运转状态的指示，发生故障时的指示，以及电动机定子电流的指示。为此我们设置HL1、HL2、HL3、HL8故障指示灯，HL4一HL7工作状态指示灯。其中HL4为工作电源指示灯，HL5一HL7分别为低、中、高速运转状态指示灯，以便能通过某一指示灯的发亮清楚知道电动机的工作情况。而HL1一HL3分别指示低、中、高速时电动机的过载故障，HL8指示主回路的短路故障现象、定子电流指示在主回路中设置一交流电流表和电流互感器来共同实现。标上各电器接线端子标志后，三速电动机的电气控制原理图已设计完毕，如图4.2所示。其中中间继电器KA6一KA8是为了扩大接触器KM1、KM3、KM2的辅助触点数而设置。因适合该功率电动机控制的各种类型接触器中辅助触点最多为2常开常闭。

20

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

一般电器接线端子的标志规定见表4.1

表4.1 一般低压电器接线端子的标志

在图4.3中还标记上了电器的项目代号，项目代号的具体含义与有关内容可参阅国家标形GB5094—85《电气技术中的项目代号)。由于该控制设备不很复杂，所以我们没有设置高层代号与位置代号，而只设种类代号，种类代号的前缀符号为“一”。 4.1.2 逻辑设计法设计

前述实例我们在设计三速电动机电气控制原理图时采用的是经验设计法，下面我们再用逻辑设计法来设计三速电动机电气控制原理图。

由前面的分析可知电动机在正常情况下共有四种状态，即停止、低速、中速、高速运转状态，并且由SB1、SB2、SB3、SB4四只按钮来分别控制。其中KM1吸合，电动机工作在低速运转状态，KM2吸合为中速运转。KM3、KM4吸合为高速运转。KM1~ KM4来共同完成对电动机四种工作状态的控现在，我们计划仍然由SB1~SB4、制(主回路如图4.2)，则逻辑设计法设计的过程如下所述：

21

三速电动机变极调速控制设备的设计

22

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

图4.3 三速电动机电气控制原理图

1、工作循环图

根据前述，为满足对纺织车间全年的温、湿度控制要求，对电动机的控制我们可

23

三速电动机变极调速控制设备的设计

确定如下工作程序：

图4.4 系统功能框图

2、作执行几件动作节拍表及主令元件状态表

根据执行元件对应的电动机工作状态和电动机工作程序，我们作出如表2的工作状态表(表中执行元件我们没有标上KM4，是因为KM4、KM3的动作状态相同,可把他们理解成—只双线圈接触器KM3)。

3、设置中间记忆元件

① 程序特征码。表2—4中各程序的特征码如下： “0”程序特征码：0000 “1”程序特征码：1000；0000 “2”程序特征码：0100；0000 “3”程序特征码：0010；0000 “4”程序特征码：0100；0000 “5”程序特征码：1000；0000

② 确定待相区分组。表2的待相区分组有以下15组： A组：0、1程序重复特征码0000 E组：0、2程序重复特征码0000 C组：0、3程序重复特征码0000 D组：0、4程序重复特征码0000 E组：0、5程序重复特征码0000 F组：1、2程序重复特征码0000 G组：1、3程序重复特征码0000 H组：1、4程序重复特征码0000 I组：1、5程序重复特征码1000；0000 J组：2、3程序重复特征码0000 K组：2、4程序重复特征码0100；0000

24

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

L组：2、5程序重复特征码0000 M组：3、4程序重复特征码0000 N组：3、5程序重复特征码0000 O组：4、5程序重复特征码0000 将这些待相区分组填入表2。

③ 中间记忆元件的设置。为将各待相区分组分开，我们设置了KAl、KA2、KA3三个中间继电器，见表2。

4、列写元件逻辑函数式，画出控制电路图

① 列写元件逻辑函数式。由表2我们将中间记忆元件和执行元件的逻辑式列写如下：

FKA1?SB2?KA2?(SB3?KA3)?KA1

4-1

FKA2?SB3?KA1?KA3?[SB1?(KA1?KA3)]?KA2

4-2

FKA3?SB4?KA1?KA2?(SB2?KA1?KA2)?KA3

4-3

FKM1?KA1?KA2?KA2?KA1?KA3

4-4

FKM2?KA1?KA2?KA3?KA2?KA3?KA1

4-5

FKM3?KA1?KA3

4-6

⑨ 绘制电气控制图。根据列写的逻辑式我们绘制出如图4.4所示三速电动机电气控制原理草图。

25

三速电动机变极调速控制设备的设计

图4.4 三速电动机电气控制原理草图

在图中，若电动机原处于停止状态，则起动只能进入低速运转，不能直接进入中、高速运转；因若SB2没按动过，则KA1将不会吸合，其所有常开触点断开。即使按下SB3或SB4，KA2或KA3也不会吸合，则KM2、KM3不会吸合。按SB2后，KA1、KM1得电吸合，电动机进入低速运转。按SB3后，KA2吸合，此时KA1继续保持吸合，然后KM1释放，KM2吸合，电动机进入中速运转。若在按SB3前先按SB4，因此时KA2没吸合，KA3将不能吸合，工作状态将不变。说明从低速状态不可能直接切换到高速状态。现将各程序执行时中间继电器、接触器吸合情况列写如下：

“1”程序被执行：按SB2，KA1、KM1吸合 “2”程序被执行：按SB3，KA1、KA2、KM2吸合 “3”程序被执行：按SB4，KA1、KA2、KA3、KM3吸合 “4”程序被执行：按SB3，KA2、KA3、KM2吸合 “5”程序杖执行：按SB2，KA2、KM1吸合 ”6”程序被执行：按SB1，所有电器均失电 具体工作原理请读者自行分析。

如果要设计出完整的二速电动机电气控制原理图．我们可以考虑各种保护、状态指示等技术要求，如的述经验设计法一眼来完成，在此不冉复述。

表4.2 工作状态表

26

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

值得指出的是，由经验设计法所得的图4.3与由逻辑设计法而得的图6.2虽都能满足对电动机的控制要求，但对电动机的控制功能有所差别：二图中电动机在起动时都只能先起动到低速运转状态，不能直接进入中速或高速运转状态。低、中、高速三种工作状态不能越级切换，即从低速到高速或从高速到低速都必须经过中速过渡，这是相同的。但图4中电动机一旦起动转入运转后，不管原处于伺种工作状态，只要按动SB2~SB4中的任一只，即可转入相应的另一种工作状态。如在中速运转时，可以按SB2转入低速运转，也可按SB4转入高速运转。在高速运转时，只要按SB2按钮，电动机先自动进入中速运转，然后切换成低速运转。而图4.4则不能这样执行。由于严格按程

27

三速电动机变极调速控制设备的设计

序一步步执行，在图6.2中我们通过分折可知，如果电动机一旦进入第2程序的中速运转状态(参阅表5)，就不能再进入第1程序的低速运转，而只能进入第3程序的高速运转。电动机如已工作在第3程序的高速运转状态，要进入低速运转，按SB2是无用的，因此时以KA1、KA3仍吸台，按SB2不可能使KA3线圈失电，从而使KM3失电。而必须先按SB3按钮使KA1失电，电动机先进入中速运转，然后再按SB2使KA失电释放，才能使KM1吸合进入低速运转。即电动机只能从0程序开始，严格按照从0→1→2→3→4→5→6程序的顺序一步步进行，不能逆向或越级，这就是逻辑设计法的特点。对本实例而言，这样的控制功能反而不方便、不灵活，故我们选用经验设计法来完成整个设计。但这并不说明逻辑设计法比经验设计法差，只不过在本实例中从控制功能和操作方面相比较而言不方便、不灵活。对于控制要求而言，二者并无差异，均 能严格满足设计要求，到底采用何种设计方法，可根据具体控制对象、控制要求而定。

4.2 本章小结

本章主要内容是依据相关标准，指定电气控制原理图，并按照规范对其进行绘制成册。首先，我们分析了两种控制原理图设计方法，并简述了两种方法之间的差异。其次，针对不同的设计方法给出了相应的原理图。最后，对两种设计方法得出的结果进行了对比和分析。

28

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

第5章 电器元件的选择明细

5.1 电器元件的选择

5.1.1 刀开关

因电路电压为交流380V，三速电功机最大工作电流为24.1A，再考虑控制回路中各电器线圈的工作电流(一般为几十毫安至几百毫安)，可选额定电压为交流380V，额定电沉为30A的HK系列胶盖闸刀开关，极数为3极，型号为；HK2—30/3。 5.1.2 熔断器

图4.3中有两类熔断器FU1、FU2。

FU2作为控制回路的短路保护作用，熔体额定电压、额定电流均只要大于等于控制回路的实际负载电压、电流即可。控制回路负载电流为各线圈吸合时的工作电流，且同时工作的线圈最多为8只，故可选熔体额定电流为4A，考虑用螺旋式熔断器。最后选定FU2为：型号RL—25/4，额定电压为交流380V，支持件额定电流为25A，熔体额定电流为4A。

FU1主要作为电动机主回路的短路保护，故溶体电流INF应按下式计算

INF?(1.5~2.5)INM

式中INF——电动机的额定电流(A)。

5-1

又因三速电动机控制对象为风机，属轻载起动，上式系数取1.5，最后熔体电流INF

为：

INF?1.5INM?1.5?24.1?36.2A

5-2

根据原理图，FU1熔断器应在熔体熔断时使指示灯HL8发光，放应选带有微动开关的熔断器系列。最后选定FU1为：额定电压为交流380V，支持件额定电流为60A，熔体额定电流为40A，型号为RL1B—60／40。

29

三速电动机变极调速控制设备的设计

5.1.3 热继电器

因电动机低速运行时,定子绕组为三角形联结，为统—起见，FRl、FR2、yH3均选用带断相保护装置的三相热继电器。

热继电器热元件额定电流IN电动机起动个频繁．，可按下式选取

IN?(0.95~1.05)INM

式中，INM—电动机额定电流，单位为A。

5-3

20.6A、24.1A，三速电动机低、中、高三种工作状态对应的满载电流分别为20.2A、取上式系数为1.0，则FR1、FR2、FR3对应的热元件电流分别为：

IN1?1.0?20.2A?20.2A

IN2?1.0?20.6A?20.6A IN3?1.0?24.1A?24.1A5-4

据此热继电器FR1、PR2、FR3均选型号为JR0—40／3D的热继电器，其中热元件额定电流为25A，整定电流分别定为20.2A、20.6A和24.1A，额定电压为500V满足线路电压380V的要求。 5.1.4 接触器

图4.3中共有KM1一KM4四只交流接触器，因控制的是三相笼型异步电动机的起动与停止，故均选用使用类别为AC—3，又因控制回路的控制电压为交流380V，故四只接触器的线圈额定电压均选为交流380V。

接触器额定电压因线路电压为380V，故选大于等于380V即可。接触器主触点额定电流，因电动机低、中、高速三种工作状态的输出功率不一样，可计算出各自的实际定子工作电流后选取。这里为统一计，均按三种工作状态时的满载电流来选取。即按20.2A、20.6A和24.1A选取。选用原则为接触器额定电流比实际电流略大，切忌按实际电流大小选。

再考虑辅助触点的数量，最后选定各接触器型号如下： KM1、KM2为CJ20—25 (额定电流为25A) KM3、KM4为CJ20—40 (额定电流为40A)

各接触器额定电压均为380V，极数为3极，线圈额定电压为380V，辅助触点数

30

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

量为2常开2常闭。 5.1.5 电流互感器与电流表

电动机最大满裁电流为24.1A，故电流互感器一次侧的额定电流值要大于等于24.1A，而二次侧为标准的5A。所以选用LQK—0.38—30／5互感器，该互感器额定电压为380V，一次侧额定电流为30A，二次侧额定电流为5A。

电流表只要选与电流互感器的额定一次电流值配套即可，选定为44L1—30A电流表。

这里我们选电流互感器和电流表时没有考虑电动机的起动电流冲击。实际应用时若起动电流远大于电流表量程且起动过程较长，我们可采用在起动时用电器触点将电流互感器二次侧短接的办法来保证电流表在起动时不受起动电流的冲击。待起动完毕再去掉短接在互感器二次侧的电器触点，将电流表串入电流互感器二次侧回路中。 5.1.6 中间继电器

图4.3中共用了8只小间继电器，对它们选择的主要技术参数为线圈额定电压，常开常闭触点数量，以及中间继电器的额定电压。因主回路、控制回路电压均为交流380V，常开常闭触点用的最多的中间继电器数目是2常开2常闭，故KA1一KA8中间继电器选用化J7Z—44型，其中其额定电压为380V，线圈额定电压也为380V，触点数为4常开4常闭。触点额定电流为5A肯定满足要求。 5.1.7 时间继电路

KT3为断电延时型，图4.3中共有4只时间继电器，其中KT1、只需延时触点KT2、KT4为通电延时型且既需延时触点又要瞬动触点，吸引线圈额定电压必须适合控制回路电压交流380V。选择结果如下：

KT1、KT3为JR23—61 KT2、KT4为JS23—31

吸引线圈额定电压均为交流380V常闭，延时触点为1常开1常闭，瞬动触点均为2常开2常闭。

31

三速电动机变极调速控制设备的设计

5.1.8 按钮

图4.3中共用了4只按钮。选择按钮的主要技术数据为型号、型式、触点数量、额定电压与颜色。大部分按钮额定电流为5A能满足控制回路的电流要求。工厂中所用按钮一般型式可选开启式。根据控制回路电压为交流380V，按钮触点数及各按钮的用途，选定各按钮型号为LAl8—22K(即有2常开2常闭触点，型式为一般式)，额定电压为交流380V，SB1颜色为红色，SB2一SB4为绿色。

按钮颜色含义可参阅相关有关部分内容。 5.1.9 指示灯

图4.3中共用了8只指示灯，指示灯的主要技术参数为额定电压与颜色。因控制回路电压为交流380V，故所选指示灯额定电压力交流380V，型号为AD11—22／41—5G(具体含义可参阅本书附录B有关内容)，各指示灯颜色为HL4白色，HL1一HL3、HL8红色，HL5~HL7绿色。

指示灯颜色含义及选用可参阅本书附录A有关内容c 5.1.10 导线

图4.3中导线分为两个部分，即连接主回路用导线和连接控制回路用导线。 电控装置中控制电路导线截面，应按规定的载流量选择，但考虑到机械强度的需要。对于低压电控设备的控制线路，所采用导线截面不宜小于0.75mm2的单芯铜绝缘线，或不宜小于0.5mm2的多芯铜绝缘线。导线的额定绝缘电压应与电路的额定工作电压相适应。我们设计的控制回路中负载电流均为各电器线圈工作电流，控制电压为380V，故选用绝缘电压力交流380V的BVR—7/0.43型铜芯塑料绝缘软线作为控制线路连接线。该线标称截面为1mm2，环境温度为40℃时允许载流量为14A。考虑导线成捆或在行线槽中布线时按1/2允许裁流量作为实际载流量计算，也达7A，远超出实际负载电流。

主回路中导线一般截面较大，不用考虑机械强度而只按允许载流量选择。在这里主回路中电流按电动机达最大功率时满载电流为24.1A选择。选用绝缘电压为380V的BVR—49／0.52型铜心塑料绝缘软线。该线标称截面为10mm2，环境温度为40℃时允 许载流量为57A，按其1/2允许载流量作为实际载流量为28.5A大于24.1A满足要求。

32

2018届机电设备维修与管理专业毕业设计（论文）

5.1.11 接线端子

由于我们在设计控制柜时往往将整个控制系统分成几部分安装，各部分之间的连接线必须要通过接线端子连接，所以还需选择接线端子。接线端于也分为主回路接线端子与控制回路路接线端了。主回路接线端子与控制回路接线端子的选择以满足电路的电压、电流值为基本原则，结构类型等可根据各自需要而定。这里主回路接线端子选用TZ1—40型，该类接线端广额定电压为交流380V，额定电流为40A，显然满足要求。控制回路则选用TZ1—10型，其额定电压为交流380V，额定电流为10A。

与这两种接线端子配套的还需标记座和端盖，分别选用TZ1—40B、TZ1—10B和TZ1—40G、TZ1—10G。

5.2 电路元件明细表

依据以上选择结果，控制设备电器元件明细表见表5.1。

表5.1 电器元件明细表

33

三速电动机变极调速控制设备的设计

5.3 本章小结

本章主要叙述了系统各模块涉及的电器元件选型和数量确定。在基于第四章的电气控制原理图的基础上，详细给出了各电器元件的名称、型号规格和数量，并将其具体内容汇总成电路元件明细表。

34

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cys7.html