中国地质大学长城学院2013届毕业设计
2电机概述
2.1我国电机制造工业发展近况与发展趋势
电动机制造业是我国机械工业中较大的行业之一，它不仅关系到工农业自动化的重要基础产品，而且与人类生活必需品戚戚相关。电动机是把电能转变为机械能的主要执行部件，国内60％左右的发电量被电机所消耗。因此，电机的种类、数量和质量及其各种性能的提高直接影响工农业成套设备的发展水平。
20世纪40年代以前，我国电机制造工业处于世界落后阶段。50年代以仿制国外产品为主，60年代起开始自主研发设计。在此之前只能生产一般中小型电机，而且批量小，品种单一。
我国所生产的电动机其技术水平、产品质量、结构工艺、制造能力、自动化程度等均偏低，仍有不小的差距。
解放60多年来，国内的电机制造业通过众多工程技术人员的不懈努力研发，在艰苦的环境下逐步建立起较为完整的电机制造工业体系， 无论在产品品种、产品质量方面，还是在数量方面，都取得了世人瞩目的成绩，为工农业的迅速发展、人民生活水平质量的提高方面都做出了巨大的贡献。如今我国已能自主研发和生产各种中小型电机，国内产品已经发展到100 多个系列，500多个品种，年生产能力达到5500万kW以上 ，基本上满足了社会各个方面对电机产品的需求。
随着研制开发技术的不断创新、迅速发展和完善，定能设计出“更快、更精、更净”的产品。
2.2三相异步电动机的分类及优点
1、电机是电能与机械能相互转换的设备。
（1）按结构及工作原理分类：根据电动机结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。
（2）按工作电源分类：根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。
（3）按用途分类：可分为驱动电动机和控制电动机。
（4）按转子的结构分类：根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型电动机和绕线转子电动机。
2、电机具有的优点
（1）电机中能量的转换主要以电磁场为媒介，其运行效率高。
（2）电机可以通过不同设计，使其具有不同性能，满足不同类型生产机械要求的多品种、多规格型号，产品易与系列化。
第 2 页 共 22 页
中国地质大学长城学院2013届毕业设计
(3) 电机的起动、制动、反向、调速等控制简单、反应迅速，可实现完善的保护。 (4) 电机的运行状态易与检测，并可将检测信号输入反馈系统，利于实现生产过程的自动控制和集中管理的分类[1]。
2.3三相异步电动机的基本工作原理和运行特性
2.3.1基本工作原理
三相异步电动机要带负载运行，同直流电动机一样，必须提供一定大小和确定旋转方向的电磁转矩，即需要磁场和电流的共同作用产生电磁转矩。异步电动机的磁场是旋转磁场，转子电流是感应电流，气隙中的旋转磁场与转子导体的感应电流相互作用产生电磁转矩，如图1所示。异步电动机的工作原理用箭头式子可以简单的表示如下：
定子绕组通入三相交流电流产生旋转磁场 切割转子绕组，转子绕组产生感应电势，转子中产生感应电流，转子电流与磁场作用产生电磁转矩运行[2]。
图1 三相异步电动机工作原理示意图
2.3.2三相异步电动机的工作特性
异步电动机的工作特性是指定子电源电压为额定电压和频率为额定频率时，电动机的转速、定子相电流、功率因数、电磁转矩、效率与输出机械功率之间的关系曲线。
①转差率特性
通常把同步转速和电动机转子转速n二者之差与同步转速的比值叫做转差率，用s表示。
S的大小反映电动机转速的快慢。负载功率与转子电流成正比，故转差率随输出功率增大而增大。
②电流特性
空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。 ③功率因数特性
空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大，从而引起功率因数下降。
第 3 页 共 22 页
中国地质大学长城学院2013届毕业设计
④转矩特性
异步电动机的输出转矩：转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线（近似直线）。
⑤效率特性
其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。异步电动机额定效率载74-94%之间；最大效率发生在(0.7-1.0倍)额定效率处[3]。
2.4 三相异步电动机的起动
1、直接起动
直接起动也称为全压起动是最常用的起动方式，它是将电动机的定子绕组直接接入电源，在额定电压下起动，具有起动转矩大、起动时间短的特点，也是最简单、最经济和最可靠的起动方式。
（1）优点：无需附加起动设备，操作方便；
（2）缺点：起动电流大，起动转矩小，须足够大的电源； （3）适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。 2、降压起动
电机的起动电流近似与定子的电压成正比，因此要采用降低定子电压的办法来限制起动电流，即为降压起动又称减压起动。对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合，通常采用减压起动，此时，起动转矩下降，起动电流也下降，只适合必须减小起动电流，又对起动转矩要求不高的场合。
（1）Y-Δ降压起动
（2）自耦变压器降压起动 （3）电阻降压或电抗降压起动 （4）延边三角形降压起动
第 4 页 共 22 页
中国地质大学长城学院2013届毕业设计
3系统硬件的选择与设计
3.1 PLC的工作方式
PLC采用循环扫描的工作方式如图2。在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作[5]。
电源ON 内部处理 上电处理 输入处理（输入传送、远程I/O） 扫描过程 PLC正常？ 执行自诊断 扫描过程
通信服务（外设、CPU、总线服务） 更新时钟、特殊寄存器 Y 存放自诊断错误结果 出错处理
STOP CPU运行方式？ RUN 执行程序 致命错误？ 处理程序 CPU强制STOP 图2 PLC循环扫描的工作方式
3.2 PLC的应用范围分类
目前，在国内外PLC已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、
第 5 页 共 22 页
中国地质大学长城学院2013届毕业设计
轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着国民经济的不断发展，人们对自动化的不断追求，PLC技术的应用领域在不断扩大。
从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面： （1）开关量逻辑控制
利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等。 （2）运动控制
大多数PLC都有拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。 （3）过程控制
大中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。
（4）.数据处理
现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。
（5）通信联网
PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其它智能设备之间的通信，PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化系统发展的需要[6]。
3.3 PLC的结构
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机其硬件结构上与微型计算机从结构上分，PLC分为固定式和组合式两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
（1） CPU 中央处理器 ：CPU的功能是完成PLC内所有的控制和监视操作。中央处理器是由运算器、控制器和寄存器组成的。
（2）存储器：PLC中使用的存储器有两种随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM。输入输出接口。
（3）可编程控制器的输入和输出信号是模拟量或数字量。I/O是PLC内部弱电信号和工业现场强点信号连接的桥梁。
第 6 页 共 22 页