#三速电动机变极调速控制设备电气说明书.docx
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三速电动机变极调速控制设备电气说明书
一、拖动方案的确定（）
二、电动机的选择（）
三、电气控制原理图的设计（）
四、电器元件的选择（）
五、电器元件明细表（）
六、电器布置图的设计（）
七、电器接线图的设计（）．
八、附录
课题：
《三速电动机变极调速控制设备设计》
一、拖动方案的确定
从设计任务1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
变到
时，风量Q和轴功率P的变化关系式如下：
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
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。
二、电动机的选择
出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。
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1所示。
图1YD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。
三、电气控制原理图的设计
电气控制原理图的设计方法较多，在此我们采用两种方法来设计。
（一）经验设计法
因风机起动属于轻载起动，可对电动机采用全压起动控制电路。
由于风机和电动机有三种运行速度，故需有三只控制按钮分别发出指令来控制电动机三种速度运行。
考虑到控制柜要有短路、过载等保护，在原理图的主回路中设置三只热继电器和三只熔断器，结合三速电动机绕组接线图设计出图2所示电路。
该控制图能实现电动机低、中、高三种速度的控制，不管原来电动机的运行状态如何、只耍按动按钮SB1、SB2、SB4按钮中的任意一只，电动机将工作在某种转速上。
例如电动机原为停止状态，我们按动按钮SB4，接触器KM4、KM3先后吸合，使电动机工作在高速状态。
再按按钮SB2，接触器KM4、KM3同时释放，接着接触器KM1吸合，电动机由高速直接进入低速运行。
这样，使电动机在转换状态时的转速变化较大，不利于电动机的使用。
同时风机的风量变化也将不符合设计技术要求，设计技术要求中风量控制要求在三种速度之间的转换能逐段进行。
即起动时先进入低速运行，再进入中速，最后进入高速运行，不允许中速或高速直接起动。
在高速远行转入低速运行时，先由高速变化到中速，再转入低速运行；从低速切换到高速也一样。
即要求在三种速度之间转换。
不能越级直接切换，满足风机风量控制的技术要求。
根据此前提，重新设计出的三速电动机电气控制原理图如图3所示。
图2三速电动机电气控制原理图草图之一
在此图中接触器KMl吸合，三相电源进入电动机的U1、V1、W1端子，电动机工作在低速状态。
接触器KM2吸合，三相电源进入电动机的U2、V2、W2端子，电动机工作在中速状态。
接触器KM4、KM3吸合，三相电源进入电动机U3、V3、W3端子，电动机工作在高速状态。
低中高三种工作状态分别由按钮SB2、SB3、SB4来控制。
为避免电源同时接入Ul、V1、W1、U2、V2、W2及U3、V3、W3三者之中的任意二处，在接触器KM1、KM2及KM4线圈回路中接入了机械互锁和电气互锁。
为实现在电动机起动时只能低速起动，不允许中速或高速直接起动，在线路中设置了中间继电器KA1，并将KA1的二对常开触点分别串入接触器KM3和KM4的线圈回路，使得起动时若不按SB2按钮，接触器KM1没有吸合过，则中间继电器KA1不可能吸合，其二对常开触点均处于断开状态，
图3三速电动机电气控制原理图草图之二
即使按下SB3或SB4按钮，接触器KM2或KM4均不会吸合。
亦即电动机不会直接起动到中速或高速状态。
而一旦从低速起动后，中间继电器KA1通过其自锁触点长期吸合，将不影响低、中、高三种速度间的转换。
图中电动机一旦起动后，低速与中速间的相互切换只要按动SB2或SB3按钮即可实现。
中速与高速之间的切换同样只要按动SB3或SB4按钮便能实现。
但电动机如工作在低速状态，若按动高速SB4按钮，电动机将不能直接进入高速状态，而是先进入中速运行，然后才自动转入高速状态稳定运行。
电动机原工作在高速状态，按低速运行按钮SB2情况也相同，要经过中速远行状态才能最后进入低速运行，保证三级速度的切换能逐级进行。
为保证实现这样的切换程序，设置了中间继电器KA2—KA5和时间继电器KT1—KT4。
其中中间继电器KA3、KA4和时间继电器KT1、KT2保证电动机在低速运行状态时转入高速运行状态的平稳过渡。
而KA2、KA5、KT3、KT4的控制功能正好相反。
现以电动机在低速远行时要切换到高速运行为例来说明线路的设计思路与工作原理。
电动机运行在低速状态，接触器KM1吸合，其常开触点KM1-3闭合使中间继电器KA3吸合，KA3一对常闭触点串在接触器KM4线圈回路中，保证使得按下高速按钮SB4时，虽其常开触点SB4-1闭合，但接触器KM4线圈因KA3的常闭触点断开而不能得电吸合。
只有等接触器KM2吸合，其常闭触点KM2-4使中间继电器KA3失电释放，KA3串在KM4线圈回路中的常闭触点回复后，KM4才能吸合，进而使KM3吸合而使电动机转入高速运行。
即实现了低速运行时必须经过中速状态才能最后进入高速运行的目的（注意接触器KM2吸合即使电动机工作在中速状态）。
具体工作原理如下所述。
电动机在低速运行时，接触器KM1吸合，中间继电器KA3吸台。
当按动高速按钮SB4后，其常闭触点SB4-1使KM2线圈失电释放，同时其常开触点SB4-2使时间继电器KT1线圈得电吸合。
由于KT1为一断电延时继电器，其延时常开触点马上闭合使中间继电器KA4线圈得电吸合，KA4的常开触点KA4—1使接触器KM2线圈得电吸合（此时因为按钮SB4按动一下已复位，其常闭触点SR4—2巳闭合），电动机进入中速运行。
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3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3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3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。
一般电器接线端子的标志规定见表1
表1一般低压电器接线端子的标志
在图4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”。
（二）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。
现在，我们计划仍然由SB1~SB4、KM1~KM4来共同完成对电动机四种工作状态的控制（主回路如图3），则逻辑设计法设计的过程如下述
图4三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确定如下工作程序：
图12．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
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：
⑨绘制电气控制图。
根据列写的逻辑式我们绘制出如图5所示三速电动机电气控制原理草图。
图5三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2工作状态表
值得指出的是，由经验设计法所得的图4与由逻辑设计法而得的图14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5则不能这样执行。
由于严格按程序一步步执行，在图14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。
四、电器元件的选择
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。
2．熔断器
图4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
式中
——电动机的额定电流（A）。
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
为：
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。
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
式中，
—电动机额定电流，单位为A。
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、20.6A、24.1A，取上式系数为1.0，则FR1、FR2、FR3对应的热元件电流分别为：
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。
4．接触器
图4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，辅助触点数量为2常开2常闭。
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。
6．中间继电器
图4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。
7．时间继电路
图4中共有4只时间继电器，其中KT1、KT3为断电延时型，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。
8．按钮
图4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。
9．指示灯
图4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
10．导线
图4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。
11．接线瑞于
由于我们在设计控制柜时往往
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