浙江大学电器原理与应用课程设计

1、 电器原理与应用课程设计报告 课程设计报告课程名称：电器原理与应用姓 名：学 号：学 院：电气工程学院专 业：电气工程及其自动化指导教师：杨家强提交日期：目录一、背景材料 31.1 主要结构和运动情况 31.2 C650车床对电气控制的要求 4二、课程设计主体内容 52.1分析车床的电气控制电路的工作原理 52.2 器件选型 102.3 变频器设计 22三、心得体会 25课程设计：普通机床电气电路的设计与分析一背景材料普通卧式车床是一种应用极为广泛的金属切削机床，主要用来车削外圆、内圆、端面、螺纹和定型表面，并可以通过尾架进行钻孔、铰孔、攻螺纹等加工。1.1 主要结构和运动情况普通卧式车床结构

2、主要有床身、主轴变速箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、丝杆和光杆等部分组成，如图1。图11进给箱 2挂轮箱 3主轴变速箱 4溜板与刀架5溜板箱 6尾架 7丝杆 8光杆 9床身车床的主运动为工件的旋转运动，它是由主轴通过卡盘带动工件旋转，其为车削加工时的主要切削功率。车削加工时，应根据加工工件，刀具种类、工件尺寸、工艺要求等来选择。不同的切削速度，普通车床一般采用机械变速，车削加工时，一般不要求反转，但在加工螺纹时，为避免乱扣，要反转退刀，再以正向进刀继续进行加工，所以要求主轴能够实现正反转。车床的进给运动是溜板带动刀架的横向或纵向的直线运动。其运动方式有手动和机动两种。主运动与进给运动由一台电动

3、机驱动并通过各自的变速箱来调节主轴旋转或进给速度。此外，为提高效率、减轻劳动强度， 车床的溜板箱还能快速移动，称为辅助运动。1.2 C650车床对电气控制的要求普通卧式车床由三台三相笼型异步电动机拖动，即主轴电动机M1、冷却泵电动机M2和刀架快速移动电动机M3。从车削加工工艺要求出发，对各电动机的控制要求是：1) 主轴电动机M1, 7.5kW，采用全电压下的空载直接起动，能实现正、反向旋转的连续运行。为便于对工件作调整运动，即对刀操作，要求主轴电动机能实现单方向的点动控制，同时定子串入电阻获得低速点动。2) 主轴电动机停车时，由于加工工件转动惯量较大，采用反接制动。加工过程中为显示电动机工作电

4、流设有电流监视环节。3) 冷却泵电动机M2，300W，用以车削加工时提供冷却液，采用直接起动，单向旋转，连续工作。4) 快速移动电动机M3，2.2kW，单向点动、短时运转。5) 电路应有必要的保护和联锁，有安全可靠的照明电路。 图2 普通车床电气原理图。二、课程设计主体内容：2.1 分析车床的电气控制电路的工作原理（图2）1. 主电路分析答：l 主电路分别由M1电动机及其定子串联回路，M2电动机及其定子串联回路，M3电动机及其定子串联回路组成。M1电机回路由电网电源、空气开关、熔断器、控制电机正转的KM1接触开关、控制电机反转的KM2接触开关、断开使电机电枢回路串入串联电阻的KM3接触开关、热

5、继电器、串联电阻等组成。M2电机回路由熔断器、KM4接触开关和热继电器组成。KM4将决定M2电机是否运转。M3电机回路仅仅由熔断器和KM5接触开关组成，没有使用热继电器。KM5决定M3电机是否旋转。l 在M1电机定子串联支路上接有一个电流互感器线圈，接有一个电流表监视定子电流，且与电流表并联有一个KT断电型时间继电器常闭触点开关。主轴电动机旁安装了一个速度继电器，它将依据转速的快慢来判断触点是否应该动作，通常用于异步机的反接制动控制。并且L1相和L2相经另一个熔断器引出后，经一个三绕组变压器进行了降压，其中副边电压为36V的回路，通过手动开关SA串接了一个照明灯，实现照明功能。实现了“有安全可

6、靠的照明功能”要求。l 这也符合控制要求中的第二条，主轴电动机（M1）停车时，因工件转动惯量较大，需要采用反接制动，且需要监视电动机的工作电流。这些要求都得到了满足。再看要求要求中的第一条，当需要让主轴电动机正转的时候，可闭合KM1、KM3触点；要求反转时，则断开KM1触点，闭合KM2、KM3触点；要求低速点动时，闭合KM1或者KM2触点，同时一定要断开KM3触点保证串联电阻的接入，这样就可以进行低速点动控制了。看到控制要求的第三条，要求冷却泵电动机（M2）直接起动、单向旋转，M2电机并没有反接回路，所以只能正转，因此是单向的。并且也没有设置起动串联电阻，选择了闭合KM4直接接入电网的直接起动

7、形式（具体是否实现连续运转见控制电路分析部分）。再来看控制要求的第四条，快速移动电动机（M3）需要单向点动，短时运转。M3电机同样只接了一种相序的回路因此也只能单向旋转（具体是否是单向点动见控制电路分析部分），并且由于是短时运转，一般不太会存在过载的问题，因此干脆也就不设置热继电器了。流程示意图：QS闭合主电机低速旋转KM3断开主电机正转KM1闭合主电机高速旋转KM3闭合主电机反转KM2闭合KM1或KM2断开主电机停冷却泵电机停KM4断开冷却泵电机旋转KM4闭合快速移动电机转快速移动电机停KM5断开KM5闭合最后断开QS2. 控制电路分析答： 1)主电动机的点动调整控制与主电动机相关的线圈为K

8、M1、KM2、KM3按下按钮SB2，KM1线圈得电，其主触点和辅助常开触点闭合。如果不再按其他按钮开关的话，由于并没有其他的线圈得电，也没有构成其他的自锁通路，所以就进入了点动控制状态，电机经过一个串联的电阻R进行低速正向旋转。松开SB2按钮，那么KM1线圈失电，电机也就停转了。是为“低速点动过程”。流程图：KM3线圈未得电KM1线圈得电主电机低速点动运行按下SB2主电机停KM1线圈失电松开SB22)主电动机的正反转控制如果在按下SB2的同时再按下SB3按钮，KM1线圈和KM3线圈同时得电，其主触点闭合，辅助常开触点闭合，常闭触点打开，KM2线圈肯定不能得电，防止相间短路。由于KM3的辅助常开

9、触点闭合了，所以KA这个中间继电器的线圈得电，KA的常闭触点弹开，常开触点闭合。两个KA常开触点和一个KM1辅助常开触点构成了一条串联自锁通路，此时就算是松开SB2按钮和SB3按钮，电机都将稳定高速正转，这是由于KM3主触点闭合所以此时短路了串联电阻R。如果需要进入反转状态，那么可以先按下SB1按钮，所有的线圈都失电，KM1和KM3主触点弹开，主电动机停转，紧接着，按下SB4按钮和SB3按钮，KM3线圈得电，相应触点动作，KA线圈得电，相应触点动作，KM2线圈得电，相应触点动作。并且两个KA常开触点和一个KM2辅助常开触点构成了自锁通路，就算松开了这两个按钮，电机都将稳定反转。 流程图：KM1

10、和KM3线圈同时得电按下SB3按下SB2主电机高速正转KA常闭触点弹开KA常开触点闭合KA线圈得电KM3辅助常开触点闭合松开SB2、SB3主电机仍正转主电机稳定高速正转正转自锁主电机停转所有线圈失电按下SB1KA线圈得电KM3线圈得电按下SB4、SB3 电机高速反转KM2线圈得电 主电机稳定高速反转反转自锁上述三继电器辅助触点动作3)主电动机的反接制动控制当KA线圈得电后，KT线圈其实也同时得电了。在此应当使用断电延时型时间继电器，得电时KT常闭触点立即跳开，开始监视定子电流。断电时由于电机还有一定的停车过程，在这个过程中需要保持一定的监视时间，经过给定的延时后，KT才重新闭合，结束电流监控。

11、为了实现反接快速制动，可以先按下停止按钮SB1，此时由于电机转速较大，速度继电器动作，KS-1触点处于闭合状态，KM2线圈得电，主电动机的定子相序更换，实现了反接制动。 流程图：KT常闭触点跳开，主电机定子电流表工作KT线圈得电，立即动作前期起动步骤KA线圈得电，常开触点闭合KT线圈失电，开始计时延时到，常闭触点闭合，电流表退出运行KM1失电，辅助常闭触点闭合按下SB1速度较高，KS继电器动作主电机高速正转KM2线圈失电速度低于一定值，KS不动作主电机进入反接制动状态KM2线圈得电主电机慢慢停转。4)刀架的快速移动和冷却泵控制刀架的快速移动由M3快速移动电动机来实现，冷却泵由M2冷却泵电动机来

12、实现。要起动M2电机，按下SB6按钮，KM4线圈得电，M2电机旋转，且KM4辅助常开触点闭合，实现自锁，松开SB6，M2电机稳定连续旋转。按下SB5按钮，KM4线圈失电，M2电机停转。实现了冷却泵控制。并且是直接起动，单向旋转。要起动M3电机，压下行程开关SQ，KM5得电，M3电机旋转，松开这个行程开关那么M3电机就停止旋转，实现对M3电机的点动控制。并且只能向一个方向旋转。 流程图：KM4辅助常开触点闭合M2冷却泵电机旋转KM4线圈得电按下SB6KM4线圈失电松开SB6，M2电机稳定运行M2电机运行自锁按下SB5M2电机停压下SQ松开SQM3电机旋转KM5线圈得电M3电机停KM5线圈失电5)

13、辅助电路通过36V变压器侧给一盏灯EL供电，确保照明环境。通过手动开关SA来控制其亮灭。流程图：EL灭SA断开EL亮SA闭合3 分析电路的保护环节，联锁环节电路的保护环节包括：各处的熔断器FU和热继电器FR。熔断器是为了防止电机短路造成的过电流事故，起到短路保护的作用。而热继电器是为了防止电机过载而造成的定子绕组过热的问题，起到过载保护的作用。 电路的联锁环节包括：KM1和KA的常开触点对SB2，对KM1线圈形成自锁，使KM1线圈得以持续得电，且KM1、KA、KM3两两之间都实现了互锁，使三线圈得以稳定同时持续得电；KM2、KA、KM3两两之间也实现了互锁，在反转时确保三线圈同时持续得电；KM

14、4辅助常开触点和KM4线圈也实现了自锁。2.2 器件选型要求：已知电动机M1，M2，M3功率分别为7.5KW，300W，2.2KW，电压等级都是380V。请仔细分析计算各主要元器件的工作参数和要求，并在此基础上，查阅产品样本，选择合适的型号，生产厂家，并说明选用的原则。主要器件包括：KM1KM5FU1 FU6FR1FR2KS, KT, KAKC (变压器可以定制，只需说明电压,电流和容量就可以) 注意：三相电机的额定电流计算答：1）KM1KM5的选型接触器的主要技术参数：额定电压、额定电流、励磁线圈额定电压、额定操作频率、电寿命和机械寿命。首先注意到，控制回路的供电电压为线电压经过变压器从11

15、0V侧引出。所以KM1KM5励磁线圈的额定电压为110V，而主触点的额定电压则为380V。三相电机的额定功率计算公式为P=3 UIcos*。由于已知条件只给出了三个电机的额定功率、额定电压，并没有给出额定功率因数与效率。所以根据网上查来的资料，这两个系数的乘积大概为0.6-0.7左右。取0.65计算。以此计算三相电机的额定电流。将各电机的额定电压380V和额定功率代入上面的算式。计算额定电流。得到：主电机M1的额定电流为17.53A，冷却泵电机M2的额定电流为0.7A，快速移动电机M3额定电流为5.1A。额定操作频率的等级为300次/h或600次/h。由于这些接触器会被经常使用，因此设为600

16、次/h。电寿命为50100万次，机械寿命5001000万次。交流接触器的型号格式如下：选用的原则：1接触器的使用类别应同负载的性质相同2接触器的额定电流应该大于或等于负载额定电流3在规定条件下，接触器的额定电压应该大于或等于负载额定电压4接触器的励磁线圈额定电压种类与大小应同控制回路额定电压种类与大小相等。5接触器主、辅触点数应能满足被控电路的需要。6 接触器的主触点额定电流可以按照这个公式进行整定：，其中k取11.4KM1KM3的额定电流为：KM4的额定电流为：KM5的额定电流为：根据上述原则的基础上，还应在提供的额定电流等级中选择。因此结合相关产品表格，KM1、KM2、KM3的主触点额定电

17、流定为18A，KM4、KM5主触点的额定电流为9A。辅助触点的额定电流一般都取为5A。在选型时，本人光顾了天猫网上的“德力西”接触器专卖店，德力西是我国温州著名企业，其产品想必值得信赖：F根据其中提供的数据表格，对于主电动机，由于额定功率为7.5kW，所以KM1-KM3接触器额定电流选为18A，KM1和KM2需要1个辅助常开触点和1个辅助常闭触点，KM3需要1个辅助常开触点和0个辅助常闭触点。线圈由110V交流电供电，代码为M（选择线圈额定电压为220V），包装代号选为EP。KM1的型号：CJX21811MEP，网店价格37元KM2的型号：CJX21811MEP，网店价格37元KM3的型号：C

18、JX21810MEP，网店价格37元 生产商：德力西对于冷却泵电机M2，额定功率300W。由于该厂商的最低额定电流就是9A，所以KM4和KM5接触器统一选用9A型号的接触器。KM4和KM5的型号：CJX2-0910MEP，网店价格25元生产商：德力西。上述接触器的机械寿命均为1000万次。操作频率1200次/小时，电寿命100万次。商品的实物图片如下，可供参考：2）FU1FU6的选型熔断器的主要参数有：额定电压、熔体额定电流、尺寸类型选用的原则： 首先选定熔体规格，再根据熔体的规格选择熔断器的规格。 上一级熔体的额定电流比下一级熔体的额定电流大23倍。额定分断能力应该大于电路可能出现的最大短路

19、电流。 用于保护电机时，熔断器额定电流大小应为电机额定电流的1.52.5倍对于控制回路和辅助照明回路，熔断器额定电流为负载额定电流的11.15倍。FU1-FU4的额定电压设置为380V，FU5的额定电压设置为220V，FU6额定电压设置为36V。根据上述原则：FU1的额定电流设置范围为26A43A，选用32A；FU2的额定电流设置范围为1.05A1.75A ，选用2A；FU3的额定电流设置为7.65A12.75A 左右，选用10A；。 FU4额定电流设置为10A左右，具体选用20A的熔断器。FU5的额定值选为16A，FU6的额定值与灯泡的额定电流相配合，一般白炽灯泡额定功率40W 左右，在36

20、V供电下需要电流1A左右，因此FU6额定电流设为2A。FU1：型号：RT18-32生产商：上海沪工FU2：型号：RT18-02生产商：上海沪工FU3：型号：RT18-10生产商：上海沪工FU4：型号：RT18-10生产商：上海沪工FU5：型号：RT18-16生产商：上海沪工FU6：型号：RT18-02生产商：上海沪工费用均为0.60元一根。产品的其他参数列表如下：产品规格10.3*38mm产品长度38mm产品直径10.3mm3）FR1-FR2的选型选用的原则：整定电流一般为电动机额定电流的1.051.1倍热继电器FR1的额定电压为380V，FR1的额定电流为20A左右。热继电器FR2的额定电压

21、为380V，额定电流为1A左右热继电器型号规则：FR1和主电机配合，主电机额定电流为14.24A，因此可选用脱扣电流为18A的继电器。型号：JRS1D2518. 网店价格28元左右，下同。生产商家：德力西。FR2和冷却泵电机配合，其额定电流为0.57A，可选用脱扣电流0.63A的继电器。型号：JRS1D25P63生产商家：德力西。4）KS，KT，KA的选型选型的主要依据为： 是否符合被监控对象的工作特性 触点的类别 控制变量 负载类型KS为速度继电器。额定电压500V，额定电流2A型号：JY1，网店价格99元。生产商家：安州触头寿命：不小于10万次KT为时间继电器。额定电压220V。选用断电延

22、时型时间继电器生产厂家：德力西型号：JSZ3F。电压220V，额定工作电流1.5A。网店价格46元。KA是中间继电器，用于传递和扩增信号。各触点的电流容量相等，额定值一般为510A。在本例中，KA需要三个常开触点和一个常闭触点。中间继电器的型号规格是这样的：我们需要三个常开触点和一个常闭触点，且是在交流状态下工作所以我们需要的型号是：JZC （设计序号）-31决定选用这样的一款：生产厂家：CHNT正泰企业型号：JZC4-31，网店价格19元。拍下时选用线圈电压为AC220V的，因为控制回路为220V交流电源供电。5）KC的选型：需要一个三绕组变压器。原边额定电压：380V中压侧额定电压：220

23、V低压侧额定电压：36V原边额定电流：9A中压侧额定电流：15A低压侧额定电流：1A容量可选为30003500VA。2.3 变频器设计要求：如果M1主轴电机控制改为由变频器驱动，请设计变频器供电电路，设计变频器的接口电路，实现图2中，主轴电机的所有控制功能。同时，请说明有哪些变频器参数必须设置。注：变频器选用西门子MICROMASTER 420 系列变频器，并假设其数字端口有三个以上。答：变频器控制异步机的基本控制电路（供电电路与接口电路，使用了3个数字接口）：其中DIN1数字口接按钮开关SB3，DIN2和DIN3两个数字口接普通开关。主轴电机需要实现的功能（重列于下）：采用全电压下的空载直接

24、起动，能实现正、反向旋转的连续运行。为便于对工件作调整运动，即对刀操作，要求主轴电动机能实现单方向的点动控制，同时定子串入电阻获得低速点动。主轴电动机停车时，由于加工工件转动惯量较大，采用反接制动。加工过程中为显示电动机工作电流设有电流监视环节。基本参数设置：序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P0304230380电动机的额定电压(380V )2P03051.318电动机的额定电流( 18A )3P03070.187.50电动机的额定功率( 7.5kW )4P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )5P031101420电动机的额定转速( 1420 r/min )6P10

25、8000电动机的最小频率( 0Hz )7P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )8P11201010斜坡上升时间( 10S )9P11211010斜坡下降时间( 10S )10P000322允许访问扩展参数11P00052使能作用实现低速单向点动时的参数设置：序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P100022模拟输入2P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）3P070111ON/OFF（接通正转/停车命令1）利用变频器模拟口，通过改变电位器的位置，来改变输出频率从而改变转速，可以将转速调得低一些实现低速控制。按下按钮SB3使其闭合来让电机旋转，松开SB3使电机停转。或者也可

26、以这样设置：序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P100021用操作面板（BOP）控制频率的升降2P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）3P0701110正向点动4P10585.0025正向点动频率（25Hz）5P106010.0010点动斜坡上升时间（10S）6P106110.005点动斜坡下降时间（5S）利用变频器数字口，设置正向点动输出频率为25Hz（或其他合适的值），按下SB3按钮，电机正向低速点动旋转，松开SB3则电机停止旋转。正反转连续运行：对变频器参数进行适当的修改：序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P100021用操作面板（BOP）控制频率的升降2P108000电动机的

27、最小频率( 0Hz )3P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )4P11201010斜坡上升时间( 10S )5P11211010斜坡下降时间( 10S )6P070021BOP（键盘）设置修改后，需要调节转速，可以通过 键来实现 ，需要改变转向的时候，按下 键即可。这样就实现了正反转连续运行。且不需要通过数字输出口，直接通过面板按钮就可以控制输出频率和正反转切换了，十分方便，因此首推。或者也可以这样设置：1P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）2P0702121仅接通S2正转3P070392仅接通S3反转4P070401ON/OFF1（接通正转 / 停车命令1）5P10025.0050仅接通S2正转6P100410.0050仅接通S3反转再或者：7P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）8P07021217固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）9P0703917固定频率设值（二进制编码选择+ON命令）10P070401ON/OFF1（接通正转 / 停车命令1）11P10025.0050仅接通S2正转12P100410.00-50仅接通S3反转反接