課程設(shè)計(jì)——某型起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　2010/2011 學(xué)年第 一 學(xué)期</p><p>　　學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化

2、 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目： 某型起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　下達(dá)任務(wù)書(shū)日期: 2010 年 12 月 29 日</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)</p><p>　　課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)</p>&

3、lt;p>　　某型起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告</p><p><b>　　一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?lt;/b></p><p>　　電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)是工業(yè)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。它主要是研究電機(jī)與電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本原理，以及它與科學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)際之間的聯(lián)系。通過(guò)學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握常用交、直流電機(jī)、變壓器及控制電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能、分析計(jì)算，

4、電動(dòng)機(jī)選擇及實(shí)驗(yàn)方法等。</p><p><b>　　二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　?。ㄒ唬┢鹬貦C(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖1 起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　（二）交流電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)拖動(dòng)系統(tǒng)采用的是繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)：PN=

5、60kw，nN=960r/min，UN=380V，I2N=71A，E2N=179V，Y接，λm=2.26，提升重物速度v2=0.5m/s，下放重物速度v3=0.5m/s。重物最大質(zhì)量m=5000kg，吊鉤質(zhì)量m0=200kg，卷筒直徑d=0.6m，提升重物時(shí)，提升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率ηc=0.85，總數(shù)比j=30，GDR2=125N· m2，GD2=1.25 GDR2，拖動(dòng)額定負(fù)載。</p><p>　?。ㄈ?/p>

6、速度圖如圖2所示</p><p><b>　　圖 2</b></p><p>　　加速階段為t1；t2為等速階段：以v1速度勻速運(yùn)行。t3為調(diào)速階段：以v2速度勻速運(yùn)行，v2=0.6v1。t4為減加速階段：以最大減加速度減速，速度由v2變換到v3；t5為等速階段：以v3勻速運(yùn)行；t6為減速階段：由v3減速到0。</p><p>　　設(shè)計(jì)方案以及

7、相關(guān)原理敘述</p><p>　　1.起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行方案</p><p>　?。?）.加速階段t1:該階段是起動(dòng)階段，采用了轉(zhuǎn)子串電阻的分級(jí)起動(dòng)。</p><p>　?。?）.等速階段t2：以v1速度勻速運(yùn)行</p><p>　　（3）.調(diào)速階段t3：以v2速度勻速運(yùn)行，v2=0.6v1,該階段采用了改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。&

8、lt;/p><p>　?。?）.減加速階段t4：以最大減加速度減速，速度由v2變換到v3，該階段采用了定子兩相反接的反接制動(dòng)。</p><p>　?。?）.為等速階段t5：以v3勻速運(yùn)行</p><p>　　(6）.減速階段t6：由v3減速到0，該階段采用了定子兩相反接的反接制動(dòng)</p><p>　　起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)方案</p>

9、<p>　　繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有：轉(zhuǎn)子串電阻的分級(jí)起動(dòng)；轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器的起動(dòng)。為了使起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化盡可能平穩(wěn)，經(jīng)分析在設(shè)計(jì)中選用了轉(zhuǎn)子串電阻的分級(jí)起動(dòng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)子串電阻的分級(jí)起動(dòng)的原理</p><p>　　起動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子電路串接起動(dòng)電阻器，借以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)因轉(zhuǎn)子電阻增大也限制了起動(dòng)電流；起動(dòng)結(jié)束，切除轉(zhuǎn)子所串電阻。為了在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程

10、中得到比較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，需分幾級(jí)切除起動(dòng)電阻。起動(dòng)接線圖和特性曲線如圖3所示。</p><p>　　圖3 繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)接線圖和特性曲線 </p><p>　　(1) 接觸器觸點(diǎn)KM1、KM2、KM3全斷開(kāi)(接觸器的控制由第五篇電器控制技術(shù)討論)，電動(dòng)機(jī)定子接額定電壓，轉(zhuǎn)子每相串入全部電阻。如正確選取電阻的阻值，使轉(zhuǎn)子回路的總電阻值=X1+X2’(注意r2’是轉(zhuǎn)子一相繞組本身的電

11、阻與串加電阻總和的折算值)，則由式</p><p>　　Sm =r2’/(X1+X2’) 可知，此時(shí)Sm=1,最大Temax=3pU12/4πf1(X1+X2’) 就產(chǎn)生在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間，如圖8.8中曲線0中a點(diǎn)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts1。1</p><p>　　(2) 由于Ts1>TL (負(fù)載轉(zhuǎn)矩)電動(dòng)機(jī)

12、加速到b點(diǎn)時(shí)，T=Ts2，為了加速起動(dòng)過(guò)程，接觸器KM1閉合，切除起動(dòng)電阻R’，特性變?yōu)榍€1，因機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速瞬時(shí)不變，工作點(diǎn)水平過(guò)渡到c點(diǎn)，使該點(diǎn)T=Ts1。 </p><p>　　(3) 因Ts1>TL，轉(zhuǎn)速沿曲線1繼續(xù)上升，到d點(diǎn)時(shí)KM2閉合，R’’被切除，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)從d轉(zhuǎn)變到特性曲線2上的e點(diǎn)……。依次類(lèi)推，直到切除全部電阻，電動(dòng)機(jī)便沿著固有特性曲線3加速，經(jīng)h點(diǎn)，最后運(yùn)行于i點(diǎn)(T=TL)。

13、</p><p>　　上述起動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻平衡，另外三級(jí)平衡切除，故稱(chēng)為三級(jí)起動(dòng)。在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩都是比較大的，適合于容量較大的設(shè)備，重載起動(dòng)的情況，廣泛用于橋式起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、龍門(mén)吊車(chē)等重載設(shè)備；對(duì)于一些容量較小的設(shè)備，轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻也可以不平衡，同樣，在切除時(shí)，也要進(jìn)行非平衡切換。轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)的缺點(diǎn)是所需起動(dòng)設(shè)備較多，起動(dòng)時(shí)有一部分能量消耗在起動(dòng)電阻上，起動(dòng)級(jí)數(shù)也較少。<

14、;/p><p>　　注意：轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻并非越大越好，若出現(xiàn)r2’>X1+X2’的情況，即起動(dòng)于圖中特性曲線4上面，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T3,T3<Tmax=Ts1。所以，轉(zhuǎn)子三相繞組所接電阻要適當(dāng)。</p><p>　　3．起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速方案</p><p>　　繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：變級(jí)調(diào)速；變頻調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。變級(jí)調(diào)速有：從星形改成雙

15、星形，三角形改成雙星形；變頻調(diào)速有：從基頻向下調(diào)變頻調(diào)速 ，從基頻向上調(diào)變頻調(diào) ；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速有：改變定子電壓調(diào)速 ，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 ，串級(jí)調(diào)速 。通過(guò)分析，由于調(diào)速時(shí)間短，設(shè)計(jì)中選用了改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。</p><p>　　轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的原理</p><p>　　繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的機(jī)械特性如圖4所示。轉(zhuǎn)子串電阻時(shí)最大轉(zhuǎn)矩不變，臨界轉(zhuǎn)差率加大。所串電阻越大，

16、運(yùn)行段特性斜率越大。若帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，原來(lái)運(yùn)行在固有特性曲線1的a點(diǎn)上，在轉(zhuǎn)子串電阻R1后，就運(yùn)行的b點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速由na變?yōu)閚b，依此類(lèi)推。 </p><p>　　圖4轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的機(jī)械特性 </p><p>　　根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式，當(dāng)T為常數(shù)且電壓不變時(shí)，則有r2/Sa=(r2+R1)/Sb= 常數(shù) </p><p>　　因而繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時(shí)

17、調(diào)速電阻的計(jì)算公式為</p><p>　　R1=(Sb/Sa -1)/ r2 </p><p>　　式中 Sa——轉(zhuǎn)子串電阻前電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率；</p><p>　　Sb——轉(zhuǎn)子串入電阻R1后新穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；</p><p>　　r2——轉(zhuǎn)子每相繞組電阻 </p><p>　　盡管繞線式異步電動(dòng)機(jī)

18、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方案在低速時(shí)運(yùn)行效率較低，但由于這種調(diào)速方式具有起動(dòng)平滑、可以額定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)、起動(dòng)電流小、調(diào)速范圍寬和投資小等優(yōu)點(diǎn)，因而對(duì)于起動(dòng)負(fù)載能在一定范圍內(nèi)得到應(yīng)用。</p><p>　　4.起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)方案</p><p>　　制動(dòng)指的是電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向相反的一種運(yùn)行狀態(tài)。繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法有：能耗制動(dòng)，反接制動(dòng)，回饋制動(dòng)。反接制動(dòng)有：轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)；定子

19、兩相反接的反接制動(dòng)。通過(guò)分析在設(shè)計(jì)中，t4、t6都采用了轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)的原理</p><p>　　轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)與直流電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)反接制動(dòng)相似。異步電動(dòng)機(jī)帶位能性負(fù)載，按正轉(zhuǎn)接線，轉(zhuǎn)子回路串入較大電阻Rf，機(jī)械特性的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)到了第IV象限。當(dāng)接通電源，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向與重物G產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相反，而且Tst<Tz，在重物G的作用

20、下，迫使電動(dòng)機(jī)反Tst的方向旋轉(zhuǎn)，并在重物下降的方向加速。此時(shí)轉(zhuǎn)差率，隨著的增加，、及均增大，直到轉(zhuǎn)矩增至T=Tz，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為-n2，此時(shí)重物以等速下降，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)在第IV象限的點(diǎn)，如圖6-b所示，圖中機(jī)械特性在第IV象限的部分（用實(shí)線表示）即為異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)。</p><p>　　(a) 電路圖   (b) 機(jī)械特性</p><

21、;p>　　圖6  三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)圖</p><p>　　這種制動(dòng)與回饋制動(dòng)一樣，可用于起重機(jī)的重物下放，這也屬于一種穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)在反接制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它由軸上輸入機(jī)械功率（s>1,P2為負(fù)），同時(shí)，定子又通過(guò)氣隙向轉(zhuǎn)子輸送電功率，這兩部分合起來(lái)消耗在轉(zhuǎn)子電路的總電阻R2+Rf中。</p><p>

22、;　　四、相關(guān)參數(shù)公式推導(dǎo)</p><p><b>　　1．啟動(dòng)參數(shù)計(jì)算</b></p><p><b>　　機(jī)械特性的實(shí)用公式</b></p><p>　　T=2λmTN/(Sm/S+S/Sm) </p><p><b>　　機(jī)械特性曲線</b></p><

23、;p>　　S=Sm[λm*TN/T-√((λm*TN/T)2-1)]=Smσ</p><p>　　轉(zhuǎn)矩函數(shù)：σ=λm*TN/T-√((λm*TN/T)2-1)</p><p>　　最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TS1的轉(zhuǎn)矩函數(shù)：σ1=λm*TN/Ts1-√((λm*TN/ Ts1)2-1)</p><p>　　切換轉(zhuǎn)矩TS2的轉(zhuǎn)矩函數(shù)：σ2=λm*TN/Ts2-√((λm*TN

24、/ Ts2)2-1)</p><p>　　額定轉(zhuǎn)矩TN的轉(zhuǎn)矩函數(shù)：</p><p>　　σn=λm -√(λm2-1)</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　σn=0.2333</b></p><p>　　取TS1=0.84λm TN,

25、</p><p>　　取TS2>1.1 TN,</p><p>　　SN=(n1-nN)/n1=0.04</p><p>　　回路的總電阻之間的公比q=σ1/σ2=1.67</p><p>　　級(jí)數(shù)m=ln(σn/(σ1*sN))/lnq=5</p><p>　　取m=5,重新計(jì)算q=4√(σn/(σ1* SN)

26、)=1.67</p><p>　　σ2=σ1/q=0.2929 Ts2=2λm*σ2/(1+σ22)=1.2193 TN?1.1 TN滿足條件，</p><p>　　所以m=5，q=1.67</p><p>　　r2= SN E2N/√3I2N=0.0582?</p><p>　　各級(jí)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子回路總電阻: </p><

27、;p>　　R1=q1 r2=0.0972 ? R2=q2 r2=0.1623 ?</p><p>　　R3=q3r2=0.2711 ? R4=q4 r2=0.4527 ?</p><p>　　R5=q5 r2=0.7560 ?</p><p>　　各級(jí)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子回路外串起動(dòng)電阻：</p><p>　　Rz1=R1-r2=0

28、.0138 ? Rz2=R2- Rz1=0.0651 ?</p><p>　　Rz3=R3-Rz2=0.1087 ? Rz4=R4-Rz3=0.1815 ? </p><p>　　Rz5=R5-Rz4=0.3033 ?</p><p><b>　　2．調(diào)速參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　n1=60

29、*f1/p=1000r/min</p><p>　　SN=(n1-nN)/n1=(1000-960)/1000=0.04</p><p>　　v2=0.5m/s nB=j*v2*60/πd=478r/min</p><p>　　v3=-0.5m/s nC=j*v3*60/πd= -478r/min</p><p>　　v1=v2/0

30、.6 nA=nB/0.6=796r/min</p><p>　　sA=(n1-nA)/N1=0.204</p><p>　　sB=(n1-nB)/n1=0.522</p><p>　　sB/sA=(r2+R ?1)/r2 </p><p>　　解得 R ?1=(sB/sA-1)*r2=0.09Ω</p><

31、p><b>　　3．制動(dòng)參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　（1）t4階段用的是轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)：</p><p>　　?=83.333rad/s</p><p>　　nB= ?*60/2π=796r/min</p><p>　　nC=0.6*nB=-478r/min</p><p>　

32、　sA=(1000-796)/1000=0.204</p><p>　　sB=(1000-476)/1000=0.522</p><p>　　sB/sC=（r2+ R?1）/（r2+ R?1+R?2）</p><p>　　得 R?2=0.2714 ?</p><p>　　(2) t6階段用的是轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)</p>&l

33、t;p>　　SD=(n1-0)/n1=1</p><p>　　SC/SD=（r2+ R?1+R?2）/( r2+ R?1+R?2+ R?3)</p><p>　　R?3=0.20 ?</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)心得：</b></p><p>　　兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的

34、知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。</p><p>　　課程設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程．”千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義．我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．</p><p>　　通

35、過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，本人在多方面都有所提高。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專(zhuān)業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)進(jìn)行一次電機(jī)拖動(dòng)設(shè)計(jì)工作的實(shí)際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了電機(jī)拖動(dòng)等設(shè)計(jì)等課程所學(xué)的內(nèi)容，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。</p><p>　　在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，體現(xiàn)出自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己