电机设计论文范文第1篇
摘 要：本文介绍一种电力推进多用途海工供应船（PSV）的动力定位（DP）系统，并通过对其故障模式与影响分析（FMEA）的实船海上试验及检验过程的分析，阐述了电力推进船二级定位系统的相应规范要点和设计要求，验证了所设计建造的二级动力定位系统的合理性。
关键词：多用途海工供应船；动力定位；故障模式与影响分析
Key words： PSV； Dynamic Positioning； FMEA
1 引言
國际海事组织（IMO）根据动力定位船舶发生单点故障所引起的后果的严重程度不同，将动力定位（DP）系统分为不同的等级[1，2]。各国船级社通常在IMO的基础上，针对不同等级所要求的定位能力和系统冗余度将DP分为三级，并有不同等级的相应入级符号。
电力推进与传统的柴油机驱动推进相比，具有生命力强、经济性好、操纵灵活及方便智能化自动控制等优点。同时，电力推进船舶因其良好的环保节能性能符合当今“ 绿色船舶”的理念。对于大部分的动力定位船舶，采用电力推进的综合技术经济性能要更为优越，因此目前大部分的动力定位船舶均采用电力推进型式。
本文基于一种双电机带双全回转推进器的电力推进多用途海洋工程供应船，通过对该船所配置的二级动力定位系统的设计和实船FMEA海上试验过程的研究分析，阐述了动力定位系统在电力推进船舶中的应用以及二级动力定位系统的相应规范和设计要点，验证了该船DP系统的设计、建造符合相关规范规则的要求[3]。
2 DP系统简介
该船是一艘航行于无限航区、支持ROV和DSV操作、具有海洋工程建设作业、海上平台供应、散料运输、溢油回收和对外一级消防等功能的近海多用途海洋工程供应船。该船采用电力推进系统，入ABS船级社，取得DPS-2动力定位等级符号[4，5]。
该船主要参数：总长90.2 m；型宽18.8 m；型深7.4 m；设计吃水5.9 m；航速14 .3 kn。
本船在机舱配置四台2 250 kW柴油发电机组为全船供电提供动力；一台350 kW应急兼停泊柴油发电机组作为应急电源；主电网采用690 V、60 Hz电制，三相三线绝缘系统。
全船的推进系统由5台电力推进器组成：尾部安装两台带导管的2 000 kW变频驱动全回转舵桨推进器；首部安装3台1 100 kW可调螺距桨式侧推器。
动力定位控制系统由KONGSBERG公司提供，主要包括：2套DP操作台；1套双冗余的控制单元和1套联合操纵杆控制台。
传感器测量系统包括：3个风速风向传感器；3个MRU；3个电罗经和一个磁罗经。
位置参照系统包括：2套差分全球定位仪；1套激光定位系统；1套水下声纳位置参照系统；1套轻质张紧索系统。
3 DP系统设计冗余性分析
本船的动力定位相关系统按照IMO和ABS船级社对二级动力定位船舶的要求进行冗余性配置和设计[3，5，6]。
3.1 推进器和电力布置的冗余性
本船配置的5台推进器和4台主发电机机组的布置图，如图1所示。1号首侧推器和1号全回转主推进器的动力和控制电源，来自1号和2号柴油发电机的配电系统；2号首侧推器和2号全回转主推进器的动力和控制电源，来自于3号和4号柴油发电机的配电系统；3号首侧推的动力和控制电源则有两路，可以由不同断路器组合，分别由1号和2号柴油发电机的配电系统或3号和4号柴油发电机的配电系统供电。
本船的电力系统单线图，如图2所示：
主汇流排分为2段：当进行动力定位模式时，汇流排断路器打开，1号首侧推器和左舷全回转主推进器处于主配电板的A段汇流排上，属于冗余配置中的左舷集合；2号首侧推器和右舷全回转主推进器处于主配电板的B段汇流排上， 属于冗余配置中的右舷集合；而3号首侧推器则可以通过断路器的选择，分别处于A段或B段汇流排上。
230 V电力系统也分为两段：C段230 V汇流排从1号变压器馈电；D段230 V汇流排从2号变压器馈电。
应急发电机通过690 V应急配电板和两个应急变压器向230 V应急配电板馈电。每台发电机均有一个控制、监测、报警等功能高度集成的控制单元模块。每一个控制模块都有一路来自UPS1的24 V主电源和一路来自UPS2的备用电源，而且每一个备用电源都配置有DC/DC的转换模块以防止失效故障传递到其它的冗余集合。系统中的任何单点故障都不会使以上各项中相互冗余的两者同时失效[3]。
从以上分析可知，本船最严重的单点故障为母排短路，从而导致丢掉汇流排一侧的两台发电机组，同时该侧全回转主推进器和两台首侧推进器（假设短路点发生在3号首侧推的供电侧汇流排）及其辅助设备停止运转且失效，使本船DP定位能力降低。在这种情况下，船的推进只能依靠另一边全回转主推进器和另一台首侧推器，而3号首侧推则可以通过断路器开关的切换重新补充推进动力。该情况下，船舶的侧向定位能力将大幅降低，剩余有效的推进器各自的输出功率将大幅度增大，但仍不超过其最大功率，故船舶仍能保持动力定位，符合设计要求。
3.2 辅助设备的供电冗余性
机舱辅机仍根据冗余性要求进行配置和设计，按其所服务的对象分属左右舷冗余集合：1号与2号主发电机组、l号首侧推器和左舷全回转主推进器服务的辅助和控制设备，其动力和控制的配电按隶属于左舷冗余集合原则进行设计；为3号与4号主发电机、2号首侧推器和右舷全回转主推进器服务的辅助和控制设备，其按隶属于右舷冗余集合原则进行设计。所有辅助设备分割清楚，任何单点故障都不会导致两侧的柴油发电机或推进器同时故障停机。
3.3 DP控制系统的冗余性
本船的DP控制系統采用Kongsberg公司的K-POS 21型DP控制系统，该系统配置两台DP控制器，每台配置相同的软硬件及接口系统并具有相同的任务执行能力。
两台DP操作站分别通过同时工作的双通道网络连接到DP控制器，即使其中之一失效了仍能通过另一通道实现操作站和控制器之间的连接通讯。
DP控制系统中还包括一套三轴的独立操纵杆控制系统，该系统的控制器由220 V应急配电板供电，独立于其它DP系统设备电源，同时与推进器之间的信号传输也通过独立的硬线连接单独传输，系统中的任何故障都不会影响正常的DP操作。图3为控制系统结构示意图。
除此之外，本船的电站管理系统、UPS系统等以及管系布置（如通风系统、燃油系统，滑油系统、冷却水系统和压缩空气系统）和必要的风机、泵浦、油舱、水舱、水箱等的布置，同样按照相应的冗余性要求进行配置和设计，在此不逐一进行详细论述。
4 DPS-2系统FMEA海上试验分析
本船于 2017年 1 月在中国南海海域进行海上试验，其中FMEA验证性试验按照不同的系统分阶段进行[7]，大约耗时5天。
4.1 推进器及其辅助系统单点故障试验
推进器及其辅助系统单点故障试验项目主要包括：推进器应急停止试验；推进器丢失试验；推进器辅助设备故障试验；推进器失电试验；推进器控制信号丢失试验等。
（1）推进器应急停止试验
本船的每个推进器均设有独立的应急停止回路，采用单独的控制电缆并设有断开或者短路的故障报警。进行推进器应急停止试验时，分别按下相应推进器的应急停止按钮或断开应急停止控制回路，相应的推进器停止运转并在DP系统、中央集控系统 IAS和相应的控制面板上发出报警信号，不影响其余4台推进器工作，DP系统状态依靠剩余推进器自动保持。
（2）推进器丢失试验
模拟推进器丢失试验时，分别模拟所有推进器都在线和停掉正在运行的5个推进器之一时船舶对DP系统不同的前进、回转等命令的执行情况，验证各情况下船舶的动力定位能力。当停掉其中一个推进器时，船舶的DP系统能够重新进行推力分配，DP系统因此失掉的部分推力由其它仍然在线的推进器进行补充，船舶的整体定位能力不受影响，DP系统的控制命令仍能得到充分精准地实现。
（3）推进器辅助设备故障试验
模拟推进器辅助设备单点故障时，分别模拟液压泵失效、重力油柜液位报警、液压油/滑油温度高、液压油/滑油滤器堵塞等故障。此时系统会自动启动备用设备并在中央集控系统 IAS和相应的控制面板上发出报警信号，对船舶的DP状态没有影响。
（4）推进器失电试验
模拟推进器失电试验时，将各推进器设置为自动模式，同时要保证手动模式随时可用，以便于当动力定位模式出现故障时可立即转换为手动模式。当分别断开3台首侧推的液压油柜供电电源时，中央集控系统 IAS发出报警信号，对DP状态无影响；当断开电机的690 V供电电源时，DP系统发出相应推进器不可用的报警信号，相应推进器掉出DP状态，电机停止，船舶的位置和首向仍保持；当断开推进器控制系统中220 V和24 V双路控制电源中任一路时，发出报警信号，推进器仍能正常工作，对DP状态无影响；而当同时断开双路控制电源时，DP系统发出推进器不可用的报警信号，相应推进器掉出DP状态，电机停止。
主推进器的失电试验与此类似，由于主推进器是变频控制，当出现变频器的原动机或调速单元失电等单点故障时，DP系统发出推进器不可用的报警信号，推进命令自动归零，相应推进器掉出DP状态，电机停止，其它未受影响的推进器仍处于操纵控制下。
（5）推进器控制信号丢失试验
模拟推进器控制信号丢失试验时，当断开相应信号线，模拟推进器丢失启动请求信号、动力定位系统命令、PMS启动信号或螺距反馈信号等时，中央集控系统 IAS和相应的控制面板上发出报警信号，DP系统发出推进器不可用的报警信号，相应推进器掉出DP状态，受影响的推进器螺距归零。
4.2 主发电机及电站单点故障试验
本船的主发电机及电站单点故障试验是按照左舷和右舷两个不同的冗余组分别进行的。该项试验中分别模拟某一主发电机停机、低速、超速、控制电源失电、电子调速器、电子调压器或其它某部件故障，以及缸套水温度高、滑油压力低等安全保护系统单点故障的情况。此时该故障机组断路器开关断开，故障机组被迫下线，主配电板的汇流排触发功率限制功能或进行非重要负载的卸载，验证船舶在该种情况下保持位置和首向的能力。
（1）模拟配电板控制电源失效的情况：分别断开两侧配电板来自于UPS的24 V控制电源，模拟左舷和右舷两个690 V不同配电冗余组的控制电源失效情况，中央集控系统 IAS发出报警信号，对正在运行的推进器和发电机没有影响，也不影响船舶的位置保持。
（2）模拟电站失效的情况，将配电板上1号和2号主发电机的主开关断开，当执行完以上命令时：整个690 V主配电板A 段汇流排立即处于失电状态，继而 A 段汇流排内所有的下游配电装置和用电设备也将失电，包括1号、3号首推进器和左舷主推进器以及相关的辅助系统也将停止工作。在此过程中，需查看中央集控系统 IAS、电力管理系统 PMS 控制台、 DP控制台上实际报警和预期报警是否对应且正确，核验相应用电设备的运行状态是否正确。
试验结果显示不影响右舷电站B段汇流排及其配电系统下的所有设备和系统的正常运行，船舶仍能保持位置和首向，从而表明电站及DP控制系统冗余组分隔正确，无交叉影响。
（3）将上述测试涉及到的所有设备和系统恢复到正常运行状态，进行B段汇流排对应的右舷电站失效模拟试验。将配电板上3号和4号主发电机的主开关断开，采用与A段汇流排对应的左舷电站失效模拟试验相同的步骤，检查各设备和系统的报警信息和运行状态，验证此时船舶的动力定位保持能力。
（4）分别关闭左舷和右舷电站440 V负载屏变压器的原边开关，模拟440 V配电板失效试验，此时各配电板下相应的用电设备失电，DP系统状态保持，船舶的预设位置和首向不丢失。
（5）分别进行230 V配电板、应急配电板的失电故障模式模拟试验，其操作过程与相应的结果验证分析与上述类似。
船舶的电站管理系统负责对整船的电站功率进行管理，在对船舶进行FMEA分析试验时要对电站管理系统进行独立的FMEA。在对PMS进行FMEA试验时，首先对PMS系统界面进行测试，验证开关断路器的状态指示是否错误或状态指示信号回路在发生断路或者短路故障时能否产生相应报警，但对系统的正常工作没有影响；然后分别模拟PMS系统不同操作站和处理单元等模块电源失电、控制器、I/O 模块、通讯总线或网络发生故障，相应故障会在中央集控系统IAS中报警，但故障不会对发电机和推进器产生影响，也不会导致整个系统丧失功能。
4.3 不间断电源（UPS）失电及放电持久性试验
不间断电源（UPS）的失电及放电试验是随同各系统的FMEA试验分别进行的。分别将2个通用报警UPS、两个电源管理系统UPS、两个主推进器UPS、3个DP系统UPS和5个通用UPS的馈电开关断开进行失电操作，检查蓄电池的馈电状态和报警信号，测试单一UPS失电故障情况下船舶的动力定位能力以及UPS的耐久性是否满足30 min。试验过程中，相应配电系统下的相关用电设备，例如相应的主发电机的控制单元及对应的DP 控制系统等部件失去主电源，自动转换为由备用电源供电，并在中央集控系统 IAS和 DP控制台上发出报警，过程中DP系统始终正常运行，不影响船舶保持位置和首向的能力。
4.4 辅助系统失效试验
对于燃油系统、冷却系统、压缩空气系统等辅助系统的失效试验比较琐碎，主要是：模拟舱、柜液位低、空气压力低、相关阀门关闭、泵故障失效等，测试相应的舱柜液位报警和设备故障报警；检查快关阀箱对机舱各油柜气动隔离阀的独立控制；验证主系统自动停止、备用系统自动启动来接替主系统而不影响所服务的主要设备运行的情况等；对于通风和空调系统，还要分别模拟在用的风机、空调、防火风闸失效等情况，记录在各故障情况下30分钟内相关舱室的温度变化情况和对相关设备运行所产生的影响，验证单点故障对DP系统的影响。
5 结论
本文通过对一艘DP-2等级电力推进动力定位船舶的设计建造和海上试验的分析研究，讨论了动力定位船舶冗余性设计和FMEA试验的一些重要项目和关键点，具有一定的借鉴意义，也为未来类似工作的开展提供一定的经验。
参考文献
[1] A Guide to DP Electrical Power and Control Systems[S]， IMCA M206.
[2] Specification for DP Capability Plots， IMCA M104， 2000.
[3] Guidelines for Vessels with DP Systems IMO MSC Circular 645， IMO 113， 1994.
[4] Rules for Building and Classing Offshore Support Vessels[S]， ABS 2014.
[5] Guide for Dynamic Systems[S]， ABS 2014.
[6]邊信黔，付明玉，王元慧.船舶动力定位[M].科学出版社.
[7] Guidance on Failure Modes & Effects Analysis （FMEA）. IMCA M166.
电机设计论文范文第2篇
1. 电机的分类与介绍
1.1 电机的分类
(1)同步型电机：交流同步电机;永磁同步电机;无刷直流电机;步进电动机;开关磁阻电动机;
(2)异步型(感应型)电机：三相笼型转子异步电动机;单相异步电动机;三相绕线转子异步电动机; (3)排斥型电机。
下面具体介绍三相笼型转子异步电动机和单相异步电动机两种电机。
1.2 三相笼型转子异步电动机
结构组成图
1.2.1定子
电动机的静止部分称为定子，主要包括定子铁心、定子绕组和机座等。
(1)定子铁心
作用：磁路一部分;放置定子绕组。
材料：0.35~0.5mm硅钢片叠装
槽的类型：半闭口型(小 型)
半开口型(中大型)
开口型 (高压型) (2)定子绕组
作用：产生旋转磁场
材料：高强度漆包线(小型) 绝缘处理的铜条(大中型)
接法：星形或三角形(六个出线端)
(3)机座
作用：固定定子铁心，保护整台电机
材料：铸铁(中小型) 钢板(大型)
1.2.2 转子
电动机的旋转部分为转子，由转子铁心、转子绕组、转轴及风叶等组成。
(1)转子铁心
作用：电动机磁路一部分
材料：0.5mm相互绝缘硅钢片 (2)转子绕组
作用：产生感应电流和电动势，在旋转 磁场作用下产生电磁转矩
分类：a、笼型转子
结构：单笼型、双笼型、深槽式，其中单笼型又分铸铝和铜条转子。
1.2.3其他附件：
1、端盖
2、轴承和轴承盖
3、风扇和风罩
1.3 单相异步电动机
1.3.1 基本结构
(1)定子：电动机的定子由定子铁心和定子绕组构成，如图2-2所示。
(2)转子：转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成，如图2-3所示。转子绕组一般有笼形转子和绕线式转子绕组两种。
(3)其他部件：单相异步电动机的其他部件还有机壳、前后端盖、风叶等。
1.3.2 工作原理
设磁极按逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，置于旋转磁场中的转子导条切割磁感应线，产生感应电动势，由于笼型转子绕组是闭合结构，所以转子绕组中产生感应电流。根据右手定则，可以判断出位于N极下的导条感应电流方向为进入纸面;而位于 S 极下的导条感应电流方向为穿出纸面。又因为载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，根据左手定则可判断出位于 N 极下的导条受力方向向左;位于 S 极下的导条受力方向向右。这样，在笼型转子上就形成一个逆时针方向的电磁转矩，从而驱动转子跟随旋转磁场按顺时针方向转动起来。
若磁极按顺时针方向旋转，同理，转子也会改变方向朝顺时针方向转动。另外，磁场若加快旋转切割转子速度，转子上感应电流及电磁转矩将增大，则转子转速加快。
“异步”解释：异步电动机的转子转向与旋转磁场转向一致，如果转子与旋转磁场转速相等，则转子与旋转磁场之间没有相对运动，转子导条不再切割磁感应线，没有电磁感应，感应电流和电磁转矩为零，转子失去旋转动力，在固有阻力矩的作用下，转子转速必然低于旋转磁场转速，所以称其为异步电动机。
如果电动机转子与旋转磁场以相同的转速旋转，这种电动机称为同步电动机。 异步电动机旋转磁场转速(也称同步转速 n0 )与转子转速 n 之差称为转差，转差与同步转速 n0 的比值用“转差率” s 表示：
0
0
nnsn1.3.3 基本分类
(1) 电阻起动式异步电动机 (2) 电容起动式异步电动机
(3) 电容运转式异步电动机
(4) 电容起动运转式异步电动机 (5) 罩极式电动机
2. 异步电动机的起动方法
2.1 直接起动
直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点也是显而易见的。在这种起动方式下，起动电流约为标称电流的4-7倍;起动转矩约为标称转矩的1.02.0倍。其特点是:电机端子少(一般为三端子电机)，可带载起动、高电流峰值和大压降起动，设备简易。
直接起动是最简单的起动方式，起动时通过空开或接触器将电机直接接到电网上。具有起动设备简单，起动速度快的优点, 而且起动转矩比采用降压起动时大。在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜.因为操纵控制方便，而且比较经济。
其危害很大电网冲击大。过大的起动电流，会造成电网压降，影响其他用电设备的正常进行。还可能使欠压保护动作，造成用电设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命;机械冲击严重，过大的冲击力矩容量造成电机转子笼条、端环断裂和定于端部绕组绝缘磨损，导致绝缘击穿烧毁电机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。
因此尽管直接起动方法简单.起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。
图2.1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。三相交流电源经由组合开关K，熔断器F
1、F
2、F3，交流接触器KM的主触点到电动机定子绕组，构成了主电路。
2.2 降压起动
降压起动通过降低起动时加在定子绕组上的电压来减小起动电流，起动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。降压起动虽然能减小起动电流，但是起动转矩也大大减小了，所以降压起动一般适用于中、大容量的异步电动机轻载货空载起动。
降压起动适用于容量大于或等于20Kw并带轻载的工况。由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低起动电流。
在研究起动时，可以用短路阻抗Rk+jRk来等效异步电动机。电机的起动电流(即流过Rk+jRk上的电流)与端电压成正比，而起动转矩与电机端电压的平方成正比，这就是说起动转矩比起动电流降得更快。降压之后在起动电流满足要求的情况下，还要校核起动转矩是否满足要求。
3. 变频器
3.1 通用变频器 3.1.1 基本结构
主要包括三个部分：一是主电路接线端，包括接工频电网的输入端(R、S、T)，接电动机的频率、电压连续可调的输出端(U、V、W);二是控制端子，包括外部信号控制端子、变频器工作状态指示端子、变频器与微机或其他变频器的通信借口;三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。结构原理示意图如下：
通用变频器由主电路和控制电路组成，其基本构成如下图所示。其中，给异步电动机提供调压调频的店里变换部分称为主电路，主电路包括整流器、中间直流环节(又称平波电路)和逆变器等。
(1) 整流器。电网侧的变流器为整流器，它的作用是把工频电源变成直流电源。三相交流电源一般需经过压敏电阻网络引入到整流桥的输入端。压敏电阻网络的作用是吸收交流电网浪通过电压，从而避免浪涌侵入，导致步电压而损坏变频器。整流电路按其控制方式可以是直流电压源，也可以是直流电流源。电压型变频器的整流电路属于不可控整流桥直流电压源，当电源线电压为380V时，整流器件的最大反向电压一般为1000V，最大整流电流为通用变频器额定电流的2倍。
(2) 逆变器。负载侧的变流器为逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所需求频率的交流功率。逆变器最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和管断，可以得到任意频率的三相交流输出波形。
(3)中间直流环节。中间直流环节实际上是中间直流储能环节，另一个作用是承担对整流电路输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。此外，由于异步电动机制动的需要，在直流中间电路中还设有制动电阻及其他辅助电路，这就是直流中间电路的作用。电压型变频器的直流中间电路的主要元器件是大容量电解电容，而电流型变频器则主要由大容量电感器组成。
控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等组成。其主要任务是完成对逆变器的开完控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能等。
通用变频器中的制动电路是为了满足异步电动机制动的需要而设置的，对于大、小容量的通用变频器来说，为了阶跃能源，一般采用电源再生单元讲上述能量回馈给供电电源。而对于小容量通用变频器来说，则通常采用只懂电路，讲异步电动机反馈回来的能量在制动电路上消耗掉。
3.1.2 基本分类
通用变频器按其主电路结构形式可分为交-交变频器和交-直-交变频器，如果主电路中没有主流中间环节的称为交-交变频器。按其工作方式有电压型变频器和直流型变频器。按其工作方式有电压型变频器和之流行变频器;按其逆变器开关方式有PAM控制方式、PWM控制方式和高频载波SPWM控制方式三种;按其逆变器控制方式有U/f控制方式。转差频率控制方式、矢量控制方式、矢量转矩控制方式和直接转矩控制等。
3.2 西门子变频器(以440为例)
3.2.1 主要特性
(1)易于安装，参数设置和调试 (2)易于调试
(3)牢固的 EMC 设计
(4)可由 IT (中性点不接地)电源供电 (5)对控制信号的响应是快速和可重复的
(6)参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置 (7)电缆连接简便
(8)具有多个继电器输出
(9)具有多个模拟量输出 (0 - 20 mA) (10)6个带隔离的数字输入，并可切换为 NPN/PNP 接线 (11)2个模拟输入：
♦ AIN1：0 - 10 V，0 - 20 mA 和 -10 至 +10 V ♦ AIN2：0 - 10 V，0 - 20 mA (12)2 个模拟输入可以作为第 7 和第 8 个数字输入
(13)BiCo (二进制互联连接)技术
(14)模块化设计，配置非常灵活
(15)脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低 (16)详细的变频器状态信息和全面的信息功能
(17)有多种可选件供用户选用：用于与 PC 通讯的通讯模块，基本操作面板 (BOP)，高级操作面板(AOP)，用于进行现场总线通讯的PROFIBUS 通讯模块
3.2.2 基本结构
4. 电机的选型
4.1 步进电机的选型
4.1.1 选择步进电机的几个原则
对步进电机的初步选型，主要考虑三方面的问题：第一，步进电机的步距角要满足进给传动系统脉冲当量的要求;第二，步进电机的最大静力矩要满足进给传动系统的空载快速启动力矩要求;第三，步进电机的启动矩频特性和工作矩频特性必须满足进给传动系统对启动力矩与启动频率、工作运行力矩与运行频率的要求。总之，应遵循以下原则：
(1)应使步距角和机械系统相匹配，以得到机床所需的脉冲当量。有时为了在机械传动过程中得到更小的脉冲当量，一是改变丝杠的导程，二是通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不能改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定的。
(2).要正确计算机械系统的负载转矩，使电机的矩频特性能满足机械负载要求并有一定的余量，保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般来说，最大静力矩大的电机，其承受的负载力矩也大。
(3)应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 (4)合理确定脉冲当量和传动链的传动比。
4.1.2 计算折算到电机轴上的空载启动力矩和切削时的负载力矩 (1)计算负载力矩
电机轴上的负载力矩一般由三部分组成，其一是由切削分力产生的切削负载力矩;其二是由导轨摩擦力产生的摩擦负载力矩;其三是由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。每种负载力矩的计算方法不同。
①切削负载力矩 Tc(N·m)的计算
TcFL 2i式中：F 为在切削状态下，滚珠丝杠的轴向负载力，N;L为电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离m;为进给传动系统的总效率，取0.90。
②摩擦负载力矩 Tu(N·m)的计算 TuFL 2i式中：F 为在不切削状态下，滚珠丝杠的轴向负载力(即为空载时的导轨摩擦力)。
③ 由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf(N·m)的计算
TfFL(102)
2i式中：F 为滚珠丝杠螺母副的预紧力;L为滚珠丝杠螺母副的基本导程;为滚珠丝杠螺母副的效率，取=0.98。
④折算到电机轴上的负载力矩 (N·m)的计算 空载(快进)时 T=Tu+Tf 切削(工进)时 T=Tc+Tf (2) 计算电机轴上的加速力矩Top(N·m) 29.8n(JmJd)
Top60980t式中：n 为运动部件以最快速度运动时电机的最高转速;Jm为电机的转动惯量。;Jd 为机械系统折算到电机轴上的负载惯量;t为加速时间。
(3) 计算折算到电机轴上的加速力矩
该加速力矩Tq 就是电机轴上所需的加速力矩。一般有二种情况，一是机床移动部件空载快速启动时，系统所需要的空载启动加速力矩Tq。二是在机床切削状态下，进给速度突然变化时，系统所需要的切削时的加速力矩Tq 。
①空载启动加速力矩 TQ(N·m)的计算 Tq=Taq+cjT=Taq+Tu+Tf ②切削时的加速力矩 Tt(N·m)的计算 Tt=Tat+Tcj =Tat+Tc+Tf 4.2 直流力矩电机的选型
4.2.1 基本介绍
4.2.2 选用实例
在计算力矩电机各参数时个参数之间的关系如下：
电压与转速成正比，电流与转矩成正比，同一电压下转速与转矩成反比; 在不同电压下计算转速时计算方法如下：
按上表参数计算10V时空载转速： 计算方法如下：n运行电压最大空载转速=518r/min
峰值堵转电压运行电压峰值堵转转矩=0.01163N.m
峰值电压计算10V时堵转转矩：M27V转速100转时的转矩和电流：
M(1—)峰值堵转转矩=0.2915N.m 最大空载转速运行转速I(1—最大转速)峰值堵转电流=1.66A 最大空载转速已知转矩或电流计算转速：
(1—计算方法如下：n
已知电流/转矩)最大空载转速
电机设计论文范文第3篇
1.1LED和键盘设计
为了能够实现人与机器的对话，单片机的步进电机控制系统设计了3*4键盘以及4*8LED数码管，人们可以直接对其进行控制。该系统通电后，通过键盘输入控制步进机的运转、启动以及转动方向等，由LED管动态清晰显示步进机的转向以及转速。器件8279能够控制系统键盘的输入以及LED的输出，进而减少单片机工作的承载，8279在控制系统工作的过程中，将键盘输入的信息进行扫描，利用其抖功能，避免事故的发生。(下图为LED和键盘模块)
1.2放大和驱动设计
逻辑转换器是步进机控制过程中的脉冲分配器，其是CMOS集成电路，其输出的源电流为20毫安，能够应用于三相以及四相步进机，其工作可以选择以下6种激进方式进行控制;其中，对于三相步进电机有1、2、1-2相;对于四相步进电机有1、2、1-2相，其输入的方式有单、双时钟选择方式，其具有正向控制、方向控制、监视原点、初始化原位等功能。PMM8713器件主要由激励方式判断、控制以及时钟设置等部分组成，所有的输入端都设置有秘制的电路，进而提高抗外界干扰的能力。PMM8713输出能够接受功率驱动电路，其通过驱图1LED和键盘模块动器，输出最大的工作电流，以满足电机工作的需求。单片机通过调节相关端口的脉冲信号，控制步进机的运行状态、运转方向以及运转速度等。
2单片机的步进电机控制系统软件设计
2.1单片机程序设计
通过中断脉冲信号，计算步进电机的运转步数以及圈数，并对其进行记录;实现对步进电机运转速速的控制;采用端口的中断程序关闭其相关程序，将电机控制在停机状态;通过中断电机的开启部位，将其转换到运行状态，实现电机的运行;PMM8713的U和D端口通过输出高电平，达到控制步进电机运转方向的目的;8279将其接口与自身的8个数据连接口进行连接，当单片机运行到键盘部位时，采用相关端口中断其工作状态，进而达到控制步进机的启动、停止、速度以及方向等，并将其反馈给8279，利用LED将其显示，明确其运转的速度以及方向。
2.2PC上位机设计
设计PC上位机的主要目的就是控制步进电机，利用单片机中相关部位，实现人与机的对话，其利用单片机发出执行命令，实现对步进电机的有效控制。其中，单片机接受的执行命令会存储在相关软件中，其与储存在片内的Flash的相关地址进行比较，不冲突的信息就储存在其中，如与其中储存的信息发生冲突，就会自动中断，有效的保护电机的正常运行。同时，此软件在运行的过程中，应该对晶振中的USART模块进行设置，其相关的控制软件由VB6.0对其进行编写，采用MSComm软件实现实时通讯。
3结语
电机设计论文范文第4篇
二、设计内容：在工业控制系统中，尤其是机械加工行业，有很多设备需要实现空间位置控制，这些设备的控制核心就是实现对三个方向步进电机运动的步进电机控制器。基本功能要求：接受来自外部的输入信号，每个步进电机对应的一个旋转方向信号和一路控制脉冲，三台步进电机共有六路输入信号。根据外部的方向信号和脉冲信号经程序处理后发出对应步进电机的控制脉冲。控制器使用单片机，扩展必要的外部接口，如显示和键盘，同时选择合适的步进电机驱动电路。步进电机为三相。
三、设计要求：
1.方案比较和总体方案设计
2.控制系统硬件电路设计，包括信号输入电路、步进电机驱动电路、键盘显示接口电路以相关电路的设计或方案(电源等)
3. 软件流程图设计，汇编程序编写
4. 电气原理图的绘制(最好用protel绘制)
电机设计论文范文第5篇
一、电力机车交流电机速度控制系统构建
为实现电力机车交流电机速度控制系统的实现, 构建如图1所示电力机车交流电流速度调控系统框架结构图。硬件主要由PLC控制器、PWM驱动器、H桥和电力机车交流电机组成和速度传感器五部分组成。工作时通过速度传感器采集电力机车交流电机理论速度和实际运行速度, 计算出理论速度和实际速度的差值参数, 将参数输入PLC模糊逻辑模块模糊化处理, 以PWM占空比的信号形式输出, 控制电力机车交流电机三相H电桥的驱动电压, 实现电力机车交流电机转速的精确控制。
如图1是电力机车交流电机速度控制系统的整体框架结构图, 由模糊化模块、规则库模块和去模糊化模块三部分组成。其中模糊化处理过程由电力机车交流电机速度控制系统将输入、输出处理单元转换成模糊化的变量来进行处理, 并检测的速度误差。系统的速度误差变化量定义为系统模糊逻辑控制器的输入信号变量, 将系统模糊逻辑控制器输出信号u定义成PLC可编程控制器的输出变量来进行处理。在进行铁路电力机车电机调速控制的研究中, 为减少可编程控制器PLC系统计算和存储空间的限制对研究的影响选择S形隶属函数和Z形隶属函数。电力机车交流电机模糊逻辑控制器我们采用了模糊数学中模糊化规则进行处理, 没有采用数学方程进行决策的判断和处理。系统中对规则数量和模糊变量中的模糊子集划分相互一致, 但是对误差模糊集和误差变化量模糊集则采用7个语言术语进行处理, 共有7×7=49个模糊规则来对电力机车交流电机的速度控制系统进行控制变量的表示和处理。
系统中为精确控制电力机车交流电机转速, 系统中专门设计了去模糊化的模块。系统通过这个模块的处理最终可以实现系统输出变量转换为非常具体数值变量, 更具有量化处理的能力。对系统PLC控制器输出变量值的在模糊化逻辑控制器中分别进行模糊化处理、模糊规则化处理和去模糊化过程处理后将能得到的电力机车交流电机模糊控制系统的数值。
二、电力机车交流电机速度调控系统仿真研究
应用PLC进行编程, 其程序的主体如下所示。通过此程序可计算出模糊变量输出的隶属度。
采用加权平均算法进行去模糊化处理, 系统使用可编程控制器PLC进行编程, 主体为:
第三步, 系统的可编程PLC控制器采用模糊算法将计算出的输出信号变量输入到系统上端的PWM控制驱动器中, 再经过H桥电路来精确地控制铁路电力机车交流电机速度的输出, 实现铁路电力机车交流电机转速精控制的目的。
MATLAB软件进行仿真研究不仅能够实现动态系统的建模、仿真, 而且还能进行传真系统综合分析与评价, 本系统的电力机车交流电机控制系统的结构包括电力机车交流电机、PLC控制器、PWM驱动器等, 其中主要使用传真PLC控制器模糊规则, 并通过系统的输出信号调整电力机车交流电机调速驱动信号的占空比比例关系。
假设电力机车交流电机转速为1750 r/min, 分别在不同的负载下启动实验电机工作, 观测电力机车交流电机转动速度的变化曲线, 从而可以计算出电力机车交流电机转速上升时间、稳定时间和过冲性能等重要的参数。最终经过综合比较我们发现和多数交流电机的调速特性一致, 铁路电力机车交流电机表表现出在加载的负载大情况下, 电机调速的速度上升时间表现出比较长的特点, 同时速度的稳定时间和过冲率却很小;但当加载的负载比较小的时候, 铁路电力电机的电机启动时加速的加速度小, 速度提升较慢, 但稳定性好。
三、结束语
铁路电力机车交流电机转速控制可使用西门子公司生产的可编程控制器PLC上得到了实现, 并经过验证取得了良好的效果。系统中可编程控制器PLC控制器输出PWM电机驱动信号的占空比例, 并应用此信息来调节电力机车交流电机的桥型调速电路的电压值, 实现铁路电力机车交流电机的调速;最后为验证结果的可靠性, 应用计算机仿真系统对典型电力机车交流电机上的调速过程和结果进行分析和研究, 仿真的实验结果证实PLC可编程控制器在电力机车交流电机速度精确控制方面有一定的实用效果, 具有推广使用的实用价值。
摘要：针对电力机车交流电机转速精确控制问题, 构建以PLC模糊逻辑平台为基础的电力机车交流电机转速控制系统, 按电力机车交流电机的设定速度和实际反馈速度, 获取速度误差和误差变化量, 通过PLC实现变量模糊化和去模糊化处理, 根据输出的脉冲宽度调制信号实现电力机车交流电机速度的精确控制, 仿真实验验证系统能够实现电力机车交流电机在不同的负载下转速的精确控制。
关键词：电力机车,交流电机,PLC、精确控制
参考文献
[1] 梁永清.双闭环控制的移相全桥软开关变换器的研究[J].现代电子技术, 2014 (8) :156-158.
[2] 王秀丽.用PWM芯片实现全桥移相隔离变换器的研究[[J].现代电子技术, 2012, 35 (2) :188-190.
电机设计论文范文第6篇
关键词：PWM，模型，MATLAB仿真
发电机及整个电机系统是风力发电设备的核心，它决定着风力发电的效率和发电容量，发电系统的性能也决定着风力发电的成本和电能质量。根据发电机的性能和主要特征，风力发电机主要有恒速恒频和变速变频两种发电技术。受发电风扇和自然条件限制，市场上主要运用变速变频技术。
双馈电机可以简单认为是两台交流电机相连组成，。定子上有两套绕组，一套是功率绕组，接工频电源;另一套是控制绕组，接控制电源。两套绕组之间通过转子绕组间进行功率传递，没有电子耦合。
根据双馈电机原理，分析调速原理：绕组频率为f1，U1为固定的三项电源，控制绕组频率为f2，可调电源电压为U2。电机转速为n，可以算出电机同步转速：ns1=60f1/p。
转差率：
感应电流频率： ，
电机是一种将其他能量转换为电能的装置，所有电机中都有气隙磁场的存在。风力发电过程中，风能通过转子转换为机械能，在无刷双馈电机中，机械能克服气隙磁场中电磁力所做的功，通过磁生电的过程，不断的将所产生电能输出，实现机械能向电能的转换[7]。
Pe2为转子绕组传送的电功率，为转差率s和电磁功率Pm的乘积;对于投入使用的发电机来说，Pm是固定的，所以，s的正负决定着转子向变频电源输出功率或获取功率。
转子侧的PWM变换器连接主侧PWM变换器和双馈发电机。对转子侧的PWM变换器的控制，可以起到控制整个风力发电系统的目的。所以转子侧PWM变换器在整个发电系统中起着至关重要的作用。
转子侧的PWM变换器的主要作用是实现在转子侧对双馈电机的矢量控制，实现有用和无用两种功率的单独调节。为了实现PWM变换器对不同双馈发电机的有效控制，要对不同的发电系统制定不同的PWM变换器控制方案。双馈型发电系统是一种高阶、非线性系统，对其有效控制有一定的难度。如果要想达到对发电系统中有用功率和无用功率的控制，必须实现功率解耦，可以通过坐标变换简化双馈发电机的数学模型，实现转子中无功功率和有功功率的分别控制。使发电机能够捕获最大风能，运行在最大功率状态下。
对DFIG转子侧的控制主要是达到对风力发电机转速的控制，让电机转速随着风速大小实时调整，使定子侧输出恒定频率，实现变速恒频。从DFIG的矢量数学模型可以看出，三相坐标系下的DFIG特别复杂，很难实现对其控制系统的设计，而同步旋转坐标下的DFIG模型比较简单，在同步旋转坐标下电流、电压等都可以看作静止的直流量。
矢量控制技术是目前应用最多的一种电机控制技术，在保持功率不变的情况下，空间坐标矢量变换，可以将三相交流电机模型看成两相交流模型来研究，使研究过程变得简单，将原来的耦合项解耦，实现对目标的独立控制。就双馈风力发电系统来看，电机的定子、转子电流是一个强耦合系统，应利用矢量控制技术将其解耦成有功分量和无功分量，再对两个分量分别制。
对DFIG的数学模型的研究，同样需要对其进行解耦，因为三相静止条件下，DFIG的数学模型是一个高阶、非线性系统，对其分析设计有很大难度。通过坐标变换，实现使转子中的有功功率和无功功率解耦分离，实现对其分别控制。
本文的仿真软件选择MATLAB ，MATLAB在计算机辅助设计方面应用广泛，是国际上最常用的控制系统辅助设计的语言和软件工具。MATLAB具有简单的操作界面，有一定软件基础的人都可以在短期内掌握其应用技巧，在程序移植及可视化仿真方面，MATLAB更具优势。
根据电磁转矩方程式和电机运动方程式，我们可以得到无刷双馈电机在d-q坐标系上的数学模型。
我们将此模型变换成状态方程的形式，建立无刷双馈电机的动态仿真模型。
对设计的仿真结果如下：
本文还有许多不足之处。并且由于时间仓促和本人实践水平有限，基于MATLAB的双馈风电系统知识在理论支持阶段，而且只完成了部分工作并没有进行仿真与测试，电流的抗干扰性能及控制算法是否有效，还需在系统完成后才能得到检验。
参考文献
[1] 贺益康，刘其辉.变速恒频风力发电机并网控制策略研究[J].高技术通讯 2003， (12)：11-14
[2] Y.D.Song and B.Dhinakaran.Variable Speed Control of Wind Turbines[J].Proceedingof the 1999 IEEE International Conference on Control Applications， 1999： 814-819