課程設計——某型起重機拖動系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　2010/2011 學年第 一 學期</p><p>　　學 院： 信息與通信工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化

2、 </p><p>　　課程設計題目： 某型起重機拖動系統(tǒng)的設計 </p><p>　　下達任務書日期: 2010 年 12 月 29 日</p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p><p>　　課 程 設 計 任 務 書</p>&

3、lt;p>　　某型起重機拖動系統(tǒng)分析實驗報告</p><p><b>　　一、實驗目的</b></p><p>　　電機與電力拖動基礎是工業(yè)自動化專業(yè)的一門主要專業(yè)基礎課。它主要是研究電機與電力拖動系統(tǒng)的基本原理，以及它與科學實驗、生產實際之間的聯(lián)系。通過學習使學生掌握常用交、直流電機、變壓器及控制電機的基本結構和工作原理；掌握電力拖動系統(tǒng)的運行性能、分析計算，

4、電動機選擇及實驗方法等。</p><p><b>　　二、實驗內容</b></p><p>　?。ㄒ唬┢鹬貦C拖動系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖1 起重機拖動系統(tǒng)原理圖</p><p>　　（二）交流電動機的主要技術參數(shù)</p><p>　　本次設計拖動系統(tǒng)采用的是繞線式三相異步電動機：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。重物最大質量m=5000kg，吊鉤質量m0=200kg，卷筒直徑d=0.6m，提升重物時，提升機構傳動效率ηc=0.85，總數(shù)比j=30，GDR2=125N· m2，GD2=1.25 GDR2，拖動額定負載。</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速度勻速運行。t3為調速階段：以v2速度勻速運行，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勻速運行；t6為減速階段：由v3減速到0。</p><p>　　設計方案以及

7、相關原理敘述</p><p>　　1.起重機拖動系統(tǒng)的運行方案</p><p>　　（1）.加速階段t1:該階段是起動階段，采用了轉子串電阻的分級起動。</p><p>　?。?）.等速階段t2：以v1速度勻速運行</p><p>　　（3）.調速階段t3：以v2速度勻速運行，v2=0.6v1,該階段采用了改變轉差率調速中的轉子串電阻調速。&

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。</p><p>　?。?）.為等速階段t5：以v3勻速運行</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</p><p>　　起重機拖動系統(tǒng)的起動方案</p>

9、<p>　　繞線式三相異步電動機的起動方法有：轉子串電阻的分級起動；轉子串頻敏變阻器的起動。為了使起動過程中轉子轉速的變化盡可能平穩(wěn)，經分析在設計中選用了轉子串電阻的分級起動。</p><p>　　轉子串電阻的分級起動的原理</p><p>　　起動時，在轉子電路串接起動電阻器，借以提高起動轉矩，同時因轉子電阻增大也限制了起動電流；起動結束，切除轉子所串電阻。為了在整個起動過程

10、中得到比較大的起動轉矩，需分幾級切除起動電阻。起動接線圖和特性曲線如圖3所示。</p><p>　　圖3 繞線式異步電動機起動接線圖和特性曲線 </p><p>　　(1) 接觸器觸點KM1、KM2、KM3全斷開(接觸器的控制由第五篇電器控制技術討論)，電動機定子接額定電壓，轉子每相串入全部電阻。如正確選取電阻的阻值，使轉子回路的總電阻值=X1+X2’(注意r2’是轉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Sm=1,最大Temax=3pU12/4πf1(X1+X2’) 就產生在電動機起動的瞬間，如圖8.8中曲線0中a點，起動轉矩Ts1。1</p><p>　　(2) 由于Ts1>TL (負載轉矩)電動機

12、加速到b點時，T=Ts2，為了加速起動過程，接觸器KM1閉合，切除起動電阻R’，特性變?yōu)榍€1，因機械慣性，轉速瞬時不變，工作點水平過渡到c點，使該點T=Ts1。 </p><p>　　(3) 因Ts1>TL，轉速沿曲線1繼續(xù)上升，到d點時KM2閉合，R’’被切除，電動機運行點從d轉變到特性曲線2上的e點……。依次類推，直到切除全部電阻，電動機便沿著固有特性曲線3加速，經h點，最后運行于i點(T=TL)。

13、</p><p>　　上述起動過程中，轉子三相繞組所接電阻平衡，另外三級平衡切除，故稱為三級起動。在整個起動過程中產生的轉矩都是比較大的，適合于容量較大的設備，重載起動的情況，廣泛用于橋式起重機、卷揚機、龍門吊車等重載設備；對于一些容量較小的設備，轉子三相繞組所接電阻也可以不平衡，同樣，在切除時，也要進行非平衡切換。轉子串電阻起動的缺點是所需起動設備較多，起動時有一部分能量消耗在起動電阻上，起動級數(shù)也較少。<

14、;/p><p>　　注意：轉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，即起動于圖中特性曲線4上面，起動轉矩T3,T3<Tmax=Ts1。所以，轉子三相繞組所接電阻要適當。</p><p>　　3．起重機拖動系統(tǒng)的調速方案</p><p>　　繞線式三相異步電動機的調速方法有：變級調速；變頻調速；改變轉差率調速。變級調速有：從星形改成雙

15、星形，三角形改成雙星形；變頻調速有：從基頻向下調變頻調速 ，從基頻向上調變頻調 ；改變轉差率調速有：改變定子電壓調速 ，轉子串電阻調速 ，串級調速 。通過分析，由于調速時間短，設計中選用了改變轉差率調速中的轉子串電阻調速。</p><p>　　轉子串電阻調速的原理</p><p>　　繞線轉子異步電動機轉子串電阻的機械特性如圖4所示。轉子串電阻時最大轉矩不變，臨界轉差率加大。所串電阻越大，

16、運行段特性斜率越大。若帶恒轉矩負載，原來運行在固有特性曲線1的a點上，在轉子串電阻R1后，就運行的b點上，轉速由na變?yōu)閚b，依此類推。 </p><p>　　圖4轉子串電阻調速的機械特性 </p><p>　　根據(jù)電磁轉矩參數(shù)表達式，當T為常數(shù)且電壓不變時，則有r2/Sa=(r2+R1)/Sb= 常數(shù) </p><p>　　因而繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速時

17、調速電阻的計算公式為</p><p>　　R1=(Sb/Sa -1)/ r2 </p><p>　　式中 Sa——轉子串電阻前電動機運行的轉差率；</p><p>　　Sb——轉子串入電阻R1后新穩(wěn)態(tài)運行時電動機的轉差率；</p><p>　　r2——轉子每相繞組電阻 </p><p>　　盡管繞線式異步電動機

18、轉子串電阻調速方案在低速時運行效率較低，但由于這種調速方式具有起動平滑、可以額定轉矩起動、起動電流小、調速范圍寬和投資小等優(yōu)點，因而對于起動負載能在一定范圍內得到應用。</p><p>　　4.起重機拖動系統(tǒng)的制動方案</p><p>　　制動指的是電磁轉矩與轉子轉速方向相反的一種運行狀態(tài)。繞線式三相異步電動機的制動方法有：能耗制動，反接制動，回饋制動。反接制動有：轉速反向的反接制動；定子

19、兩相反接的反接制動。通過分析在設計中，t4、t6都采用了轉速反向的反接制動。</p><p>　　轉速反向的反接制動的原理</p><p>　　轉速反向的反接制動與直流電動機的電勢反接制動相似。異步電動機帶位能性負載，按正轉接線，轉子回路串入較大電阻Rf，機械特性的最大轉矩點到了第IV象限。當接通電源，電動機的起動轉矩的方向與重物G產生的負載轉矩相反，而且Tst<Tz，在重物G的作用

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

21、;p>　　圖6  三相繞線式異步電動機轉速反向的反接制動圖</p><p>　　這種制動與回饋制動一樣，可用于起重機的重物下放，這也屬于一種穩(wěn)定運行狀態(tài)。</p><p>　　電動機在反接制動狀態(tài)時，它由軸上輸入機械功率（s>1,P2為負），同時，定子又通過氣隙向轉子輸送電功率，這兩部分合起來消耗在轉子電路的總電阻R2+Rf中。</p><p>

22、;　　四、相關參數(shù)公式推導</p><p><b>　　1．啟動參數(shù)計算</b></p><p><b>　　機械特性的實用公式</b></p><p>　　T=2λmTN/(Sm/S+S/Sm) </p><p><b>　　機械特性曲線</b></p><

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

24、/ Ts2)2-1)</p><p>　　額定轉矩TN的轉矩函數(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>　　級數(shù)m=ln(σn/(σ1*sN))/lnq=5</p><p>　　取m=5,重新計算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>　　各級起動時的轉子回路總電阻: </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>　　各級起動時轉子回路外串起動電阻：</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．調速參數(shù)計算</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．制動參數(shù)計算</b></p><p>　?。?）t4階段用的是轉速反向的反接制動：</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階段用的是轉速反向的反接制動</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>　　課程設計心得：</b></p><p>　　兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的

34、知識，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>　　課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎．</p><p>　　通

35、過這次課程設計，本人在多方面都有所提高。通過這次課程設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產實際知識進行一次電機拖動設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充了電機拖動等設計等課程所學的內容，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。</p><p>　　在這次設計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己