电机与电器毕业设计.docx
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电机与电器毕业设计
2013届毕业设计
课题名称：
电机与电气控制试验装置的改造与设计
专
业系
机电工程系
班
级
机电一体化1302
学生姓名
庄建
指导老师
完成日期
安徽矿业职业技术学院毕业设计1
摘要
安徽矿业职业技术学院毕业设计2
第一章引言
近年来,随着电子计算机和自动控制技术的发展,电机与电力电子装置构成的控制设备相结合逐步发展成机电一体化产品。
将传统电机与现代电力电子技
术、计算机科学及自动控制技术相结合已成为电气工程及自动化学科发展的必然趋势。
电力电子技术、电机控制类课程是电气工程及自动化专业重要的专业基础课和专业课,而实验环节则是这些课程不可分的重要组成部分。
因此,有必要加强电力电子技术和电机控制类课程的实验教学。
鉴于电力、电子技术和电机控制技术发展相当迅速,对电机控制类课程的实验教学也提出了新的要求,迫切需要一种符合教学要求的实验装置。
鉴于近期实验所需求的要求越来越高,实验的难度也越来越大的加大，不论是实验设备的更新换代或是搬到新校区的新建实验室,都不可能花费较多资金，但也希望实验建设周期短、见效快,才能适应教学改革的要求,为此考虑将电机控制系统实验装置设计成配置完整、功能齐全、结构紧凑、使用方便,体积既小而适用面广,且有扩展能力的综合性实验装置。
《电机拖动实训》、《电气控制实训》是轨道交通系，电气工程系重要的实践课程。
由于班级多，实训实验的同学多，现有实训设备相对紧张。
学校搬入职教城后，势必建设新的实训室，根据这个实际需要，结合学校现有的实训设备，对现有设备的缺陷进行了改进，设计使用更加安全、方便、经济的电机与电气控制实验装置。
电机与电气控制实验装置设计主要包括实验实训台位外形及结构设
计，实验电源设计，实验台操作面板的设计，插接接口设计及增加或精简设备的功能。
设计时要考虑到该设备需要进行的实验实训项目，根据实验实训项目的特点进行设计实验装置。
由于是实验装置，学生操作时可能进行误操作，误接线等，设计考虑到设备和人身的安全保护措施。
实验设备的使用率很高，并且考虑设备的耐用性。
同时本文也介绍了对电机与电气控制实验室的总体设计，包括实验室场地的总体布置，实验台位的设计，实验台电源系统的设计。
以经济、实用、方便为主导思想，同时通过查阅学习此方面的资料，设计出了各方面符合标准的实验室。
安徽矿业职业技术学院毕业设计3
第二章现有实验实训装置的分析
2.1现有实验的分析
1、对现有电机拖动实验的设备分析
随着科学文化的发展进步，教学仪器的日新月异，电工实验台的使用已很普及，由于学生对实验台认识和理解不够，往往学生在做实验时会对实验仪器造成损
坏。
而且实验过程中，经常会因为学生一时的大意或者疏忽，而引起一些人们所不愿意看到的事故发生，甚至导致整个实验台报废，给学校造成不必要的损失，
特别是人体触电是实验中最常见的事故，而且也是对学生人身安全的威胁，而我们知道，如果流经身体的电流过大，就会使人有生命危险，根据实验分析得到，
交流在15mA到20mA以下，直流在30mA以下，对人已有一定的伤害，只是较轻而已，当超过了这个数值，对人体就会造成较为严重的危害。
为了更好的保护学生在实验中的安全和更好的保护实验仪器不被损坏，我们设计了一套较为全面的保护体系，该保护体系采取浮地设计，使其控制部分的地与大地隔离，并且在回路中加入了大量的保护电路，比如我们设计的有漏电保护电路，过流保护电路，过压保护以及各种仪表的超量程报警保护电路，使其在每一个环节都有一个保护电路在监控，力求达到一个较好的保护效果。
本保护体系可以有效的对电路漏电，
电路短路、过流，电压过大以及仪表超量程进行监控和保护，能够更有效的保护学生的人身安全和保证实验仪器不被损坏
1、并励直流电动机起动调速反转控制实验的分析
该实验必须按照电机实验基本要求和安全操作规则，要根据铭牌数据正确选择仪
表量程，正确按图接线，并且能够学习直流电动机的起动，调速和改变转向。
实
验中需要准备直流电动机、起动器、滑线变阻器、电流表、电压表、转速表、电
工工具。
必须按照下图所给的电路图接线。
利用调节变阻器起动、调速线路图
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按图接线必须了解清楚图中直流并励电动机出线盒端头标号及如何接线。
在接线时，应注意防止发生下列错误：
励磁电路错接或不通，使励磁电路两端同接于一根导线，如在此情况下起动，将发生转速过高或电流过大。
励磁回路与起动电阻串联。
在此情况下起动时不能保证全压励磁，绝大部分电压经起动电阻降落，因而起动时电枢电流很大，但电机不转。
起动时检查起动电阻和滑线变阻器的位置，合上电源开关，然后移动起动电阻器手柄，逐步减少起动电阻Rm使电机起动。
起动电动机前应检查：
电枢串接电阻Ｒm必须在最大位置，励磁回路调节电阻Ｒmf放在最小值位置。
实验过程中重新起动电动机必须遵守这两点。
反转时切断电源，将电枢两端反接，然后重新起动电动机，观察电动机的旋转方向。
切断电源，将励磁绕组反接，然后重新起动电动机，观察电动机的旋转方向。
切断电源，同时反接电枢和励磁绕组，然后重新起动电动机,观察电动机的旋转方向。
在该实验中必须注意到以下的几点：
1、接线可从一极出发，经过主要线路和各仪表、设备，最后回到另一极；而后
再接并联支路。
2、通电前要仔细检查线路联接是否正确和牢靠，仪表的量程及极性和设备的手
柄位置是否正确，确保无误方可通电。
3、合上电源开关起动电动机前，起动变阻器，一定放在最大值，励磁变阻器放
在最小值位置。
4、正确起动直流电动机，如发现不转，要立即切断电源检查线路；电机转向应
与机座上标志一致，不然要改变其转向。
5、实验过程中，应时刻注意仪表读数，如遇异常怪声音，立即果断地拉下电源
开关。
2、三相异步电动机的空载、短路测试分析
该实验必须掌握三相异步电动机空载和堵转实验方法，并且通过空载实验分
析出铁耗和机械磨擦损耗。
在实验时须记录电机铭牌，用电桥测出定子绕组在室
温下的电阻。
测取空载特性曲线和堵转特性曲线。
实验所需要的实验器材有异步电动机、功率表、调压器、电流表、电压表、
电工工具
实验的步骤和方法是定子绕组首末端，其中任意两组绕组串联，施以单相电
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压U=80～100V,任意电流不应超过额定值，如图2-1所示，测量第三相绕组的电压。
如电压表有读数，表示两相绕组的首末端相联；如电压表无读数（U＝0），则表示两相绕组首首端相联。
用同样方法可测出第三相绕组的首末端。
异步电动机首末端的判定
在做空载实验时按图接线后，仔细检查。
先将自耦调压器调零，然后合Q1。
缓慢旋转调压器手轮，升压起动电机。
电流快达到电压表满刻度时，将电流表及瓦特表的电流线圈短接，以免电流冲击损坏仪表。
起动完毕后，撤除短接导线，让电机
空转一段时间。
用调压器调节电压，读取U0=UN时的电压，空载电流及空载功率P0，并作出记录。
测量空载特性数据时，所施电压U0应从1.1UN值开始，逐步降低（不允许反复变化）到最低值（即电流开始回升时）为止，测取U0/I0/P0值7-9组。
空载实验接线短路实验接线
在做短路实验（亦称堵转实验）时按图所示接线，并要仔细检查。
先通电试转观
察电机转向，然后切断电源停机，用夹板堵住转子。
自耦变压器调零，然后接通
电源；调节调压器，逐步达到额定电流（IK=IN），读取数据记入。
如果限于设备，实验可在IN范围内进行。
实验时必须注意事项合电源开关之前，必须确定调压器的手柄处于“零”位。
做短路实验时，要力争速度快，以防电机过热损坏绕组绝缘。
3、小结
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在上述实验中我们不难发现，在测速环节中，操作者需要手持转速测试仪到实验台后部的电机处进行策速操作，将测速仪器的感应部位靠近转轴进行测量，这
样
经过多方面的观看调查发现学校对于电机的安全保护不够重视。
很容易造成安全隐患，特别是是女同学在留长发没有扎辫子的情况下做电机相关的实现是很危险的，还有戴手套也是一件很危险的事情。
当做实验的时候电机开始运转的时候由于电机转子前端无保护，可能女同学在观测数据的时候长头发很容易飘到转子处容易把头发搅进去，还有戴手套的同学也可能不小心把收放上去从而导致手搅进去的情况发生。
现在现有的实验接线端子和接线头多为裸露模式。
这样极容易造成危险事故。
当通电情况下裸露的端子容易造成触电危险。
所以应当采用不外露的插头来作为实验用的插头。
2.2实验室场地布置和布局分析
2.1.1实验室场地布置分析
现有的506实验室已经不能满足学生对于上课或者实验的需要了，实验已经成为现代社会教学很重要的方式，然而实验室是又是一种重要上课场所。
现代的实验室有了质的飞跃，不光加入了诸多起辅助作用的电子设备还有更加安全的保护措施和更加方便的教学系统。
实验室的场地要经过多方面的考虑，而且存在着许许多多的安全隐患，而且在教学区和实验区的布置上也存在着诸多的问题。
实验的场地布置需要从多方面来进行考虑。
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1、目前506的布置分析
由上图可以看出首先一个教室通用一个总电源开关，并且开关在教学区，这样当
发生事故的时候会来不及关电源。
因为当学生要去关电源的时候就会被教学区的
凳子栏住。
导致合闸或者断电非常的不方便。
实验区和教学区布置不合理。
在
实验区去总电源开关的路上有障碍物挡住造成不能及时或快速的完成断电或合
闸。
还有教室不存在水源。
这样当教学结束后不能方便的打扫卫生和拖地。
会影
响实验室卫生状况。
2.3实验实训台位分析
1、目前实验台面布局
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上图从左至右有按钮开关四个电流表组成，二个MA、二个A。
是用来实验室中用来测量电流用的。
其旁边是一个电源插座。
下排为三相自动开关用来短路保护，旁边有一个三相四线制的电源端子接头在其上面有三个指示灯其作用可以用来
指示三相电源的得电情况。
旁边还有一个单相自动开关，是用来保护单相自动开关的，其也有二个接口。
可以从上面看出现有的实验台面板结构简单已不能满足现有比较复杂的教学要求。
并且采用的是裸露的端子接线头，这样很容易造成触电的危险。
并且可用的测量工具少。
并且使用的还是三相四线制电源存在着安全隐患。
2、目前实验室台位
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电机综合实验台主要由实验桌、电源及功能模块组成，其整体结构如上图所示。
图中1为模块托架，由铝型材制成，用于固定和支撑功能模块；2为功能模块，
功能模块与不同电机、电源组合构成电机实验系统；3为支架，由钢型材制成，
起支撑作用；4为不同种类电源，其中包括总电源、单相交直流两用可调电源、
三相交流可调电源及直流可调电源，由此提供电机实验所用全部交、直流电源和
控制保护电路，四种电源的摆放顺序可根据需要自由安排；5为实验桌，桌面为
宝丽板并铺有绝缘橡皮垫，支撑部分由型钢制成，台面外形尺寸为1700×850×
760mm（长×宽×高）。
从上图可以看出现有的实验台过于简单对于电线和一些实验设备的摆放没有地
方存放，当可能要进行实验测量的时候可能连台面放置测量仪器都很成问题。
2.3实验室电源系统分析
目前现在学校还在使用的是三相四线制在三相四线制供电中由于三相负载不平
衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压
电网，由于环境恶化，导线老化、受潮等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭
合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利。
在零干线断线的特
殊情况下,断线以后的单相设备和所有保护接零的设备产生危险的电压。
如采用
三相五线制供电方式，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔离了三相四线制供电方式所造成的危险电压,使用电设备外壳上电位始终处在“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。
第三章、电机与电气控制实验装置的改造与设计
3.1实验室场地布置设计
实验室场地分析
现在学校的场地506布置不合理首先一个教室通用一个总电源开关，并且开
关在教学区，这样当发生事故的时候会来不及关电源。
因为当学生要去关电源的
时候就会被教学区的凳子栏住。
导致合闸或者断电非常的不方便。
所以应分开
使用电源开关以方便合闸。
实训室功能介绍
本实训室面积144㎡，44个工位，配置有三相交流双速电机10台、三相交
流△接法电机20台、三相交流Y接法电机3台、三相线绕式电机11台，三相
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交流电机30台、单相整流装置25台、线槽配线板48块，可进行三相异步电动
机的点动、长动和点长控制；三相异步电动机可逆控制，行程控制和星三角降压
起动控制；三相双速异步电动机的控制；三相异步电动机的能耗制动控制；桥式
起重机三相饶线式电动机控制等电气线路的安装、调试及通电试车。
也可对维修
电工中高级工职业资格鉴定进行培训。
实训室布置图
1．实验室布置及特点说明
（1）实训室分学习教学区、实训（实验）操作区、器件存放区、展示区、电源区等五个功能区，各区用划线标识。
（2）在学习研讨区放置50个听课凳。
（3）实训室功能及制度制作上墙。
（4）实训室将配备电路接线图将制作成面板挂在墙上具体见（附录1）
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（5）采用此种布局，教学区与实验区分离，避免教学与实验的相互干扰
（6）教学区与实验区采取独立的电源系统，确保实验区与教学区的供电不会产
生相互干扰
（7）电源开关分开安置方便对各个区供电控制，并且能够快速的合分开关，开
关均采用自动空气开关，可实现电路的过载，短路，漏电等多种保护，确保安全。
（8）实验所用的材料器件均安置在实验区，方便拿取。
（9）在教学区还安置了水龙头，和清扫工具，在实验结束后，方便对实验室的打扫和所需的清洁用水的提供。
3.2实验实训台位设计
实验台面板分析
实验台结构是以模块化思想设计的。
模块间结构清晰、功能独立，可完成对电气实验的操作。
同时该实验装置可为学生的课程设计和毕业设计等实践提供电压源、电流源及各种仪表。
1、实验台面板整体结构框图：
2、实验台面板简介
此实验台面板总共包括了可调恒流源、双路恒压源、直流电流表、直流电压表、
交流电压表、交流电流表、电机转速显示表、还有三相自动开关、总电源开关、
各项电源指示灯、三相五线制五个插入式插孔。
3、各模块的详细说明
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1、恒流源的输出调节范围为0－200mA，连续可调，分为三档：
0－2mA、2mA－20mA、20mA－200mA。
最大开路电压为30V，带开路保护功能。
2、将恒流源的输出接线柱（红色为+，黑色为－）接入工作电路中，根据所需电
流的大小选择适当的档位，并且将调节旋钮调至最小，然后打开电源，调节调节
旋钮至表头中显示所需要的电流。
1、双路恒压源的调节范围为0－30V连续可调，最大输出电流为1A；调节精度为
1%。
每一路分三个档位：
0－10V，10－20V，20－30V；带三位半数字显示，具有
短路保护和自动恢复功能。
2、用“显示切换按键”选择显示通道I或通道II（“按下”表示表头当前显示为
输出通道I的电压值，“弹起”则表示表头当前显示为输出通道II的电压值）。
然后选择通道同一侧的档位，调节相应通道的电压调节旋钮至表头中显示所需要的电压，最后把输出通道接到工作电路中。
3、双路恒压源是分开控制的，用切换按键用于区分。
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1、直流电流表的测量范围为0－2A，量程为20mA、200mA、2A三档，可用琴键开
关切换，测量精度为0.5级。
其中20mA、200mA档内阻为1Ω，2A档内阻为0.1Ω。
2、先估计测量电流，选择好量程，然后将需要测量的网络支路串入到输入接线
柱中，表头显示即为当前网络支路的电流值，单位为A，表头会自动切换小数点。
3、若测量超量程，则红色告警灯会亮起，这时应断开与工作电路的连接，并按
下复位按钮。
1、数字式直流电压表的测量范围为0-200V，量程分2V、20V，200V四档，需要
用琴键开关切换，测量精度为0.5级。
其中2V档内阻为500KΩ，20V、200V档
内阻为5MΩ。
2、先估计测量电压，选择好量程，然后将需要测量的网络端口并入到输入接线
柱中，表头显示即为当前网络端口的电压值，单位为V，表头会自动切换小数点。
3、若测量超量程，则红色告警灯会亮起，这时应断开与工作电路的连接，然后
按下复位按钮。
1、测量精度为0.5级，测量范围为0-500V，可自动切换量程。
内阻为450KΩ。
2、将输入端接线柱与被测电路并联。
表头显示即为交流电压的有效值。
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3、当测量电压超过量程时，仪表显示“FFFL”。
4、当误用该交流电压表去测量直流电压时，显示屏将显示“000”，或低位上的
数字出现跳动。
5、测量36V以上电压时，须注意测量安全。
1、测量精度为0.5级，测量范围为0-3A，可自动切换量程。
内阻为0.2Ω。
采用
16位单片机和高精度的传感器组成，线路简洁，可靠性高。
2、将输入端接线柱与被测电路串联，表头显示即为交流电流的有效值。
表头的
小数点会自动切换，单位为A。
3、当测量电流超过量程时，仪表显示“FFFL”。
4、当误用该交流电流表去测量直流电流时，显示屏将显示“000”，或低位上的
数字出现跳动
1、用来表示电机转速的仪表
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4、实验台面板整体的特点
该实验台面相比较于506的实验台位面板功能更多，并且使用的是模块话的设计，使用的实验范围也更加的广保护电路也更加的完善。
综合性强包括了各种实验所需的电源和测量仪器。
适应性强实验的深度与广度可根据需要作灵活调整，
普及与提高可根据教学的进程作有机地结合。
整套性强从仪器仪表、专用电源到实验连接专用导线等均配套齐全，仪器仪表的性能、精度、规格等均密切结合实验的需要进行配套。
一致性强实验器件选择合理、配套完整，使多组实验结果
有良好的同一性，便于教师组织和指导实验教学。
直观性强本装置采用LED显示形式，能够精确的读出测量数据，电源配置、仪表一目了然，操作、维护简便。
配置完整、功能齐全、结构紧凑、使用方便,体积既小而适用面广。
实验室台位
相比较与以前的台位现在的台位实验的设备大部分已经以模块化的形式集合在了台面上。
并且所能使用的空间也就更加的大了。
并设有专门放置电线、工具、和一些书本杂物存放的抽屉，在下方还安装了两个柜门，这些都可以存放电机、接线板等一些大件物品。
这样就不会显得实验室杂乱而拥挤了。
3.3实验室电源系统设计
3.3.1电源主回路图
三相五线制电源——→空气开关——→钥匙开关——→主继电器——→
10A保
险丝——→隔离变压器——→自耦变压器
3.3.2三相电源的总体介绍
1、三相电源是以三相发电机作为电源。
三相电是一组幅值相等、频率相等、相
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位互相差120°的三相交流电，由有三个绕组的三相发电机产生，是工业上常用的电源。
为保证发电机的稳定运行，发电机至少需要三个绕组，理论上发电的相数可以更高，但三相最经济，因此世界各国普遍使用三相发电、供电
在三相四线制制供电系统中,把零线的两个作用分开,即一根线做工作零线（N）,
另外用一根线专做保护零线（PE）,这样的供电结线方式称为三相五线制供电方式.三相五线制包括三根相线、一根工作零线、一根保护零线.三相五线制的接线方式如下图所示.
在三相四线制供电中由于三相负载不平衡时和低压电网的零线过长且阻抗过大时，零线将有零序电流通过，过长的低压电网，由于环境恶化，导线老化、受潮
等因素，导线的漏电电流通过零线形成闭合回路，致使零线也带一定的电位，这对安全运行十分不利。
在零干线断线的特殊情况下,断线以后的单相设备和所有保护接零的设备产生危险的电压，这是不允许的。
如采用三相五线制供电方式，用电设备上所连接的工作零线N和保护零线PE是分别敷设的，工作零线上的电位不能传递到用电设备的外壳上，这样就能有效隔
离了三相四线制供电方式所造成的危险电压,使用电设备外壳上电位始终处在
“地”电位，从而消除了设备产生危险电压的隐患。
从线路的性质上来说，火线（相线）是提供能源的线路，零线是单相电路中，给
提供能源的线路一条电流回路（和相线形成电流通道）的线路，地线是作为保护
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电器设备、防止漏电而发生事故的一条“非正常”电流通道。
这三条线，正常工作时，由相线（某一个单位时间内）提供电流，经过用电设备（负载）后由零线回到电源端；正常情况下，地线是没有任何电流通过的。
所以从性质上来看，这三条线路中的零线和地线，是不允许“并用”或合用的。
3.3.2变压器的简介
1.变压器的简介
变压器几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合不
同的用途变压器的绕制工艺会有所不同的要求。
变压器的功能主要有：
电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等，
变压器常用的铁心形状一般有E型和C型铁心。
2、变压器的基本原理
当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。
在次级线圈
中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。
为了保持磁
通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电
流”。
如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，
ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。
当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。
如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取
得的电功率。
变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。
3、变压器的损耗
当变压器的初级绕组
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