基于PLC控制橋式起重機變頻系統(tǒng)的設(shè)計論文

1、. . . . 基于PLC控制橋式起重機變頻系統(tǒng)的設(shè)計摘要：橋式起重機作為物料搬運系統(tǒng)中一種典型設(shè)備，在企業(yè)生產(chǎn)活動中應(yīng)用廣泛作用顯著，因此對于提高橋式起重機的運行效率，確保運行的安全可靠性，降低物料搬運成本是十分重要。傳統(tǒng)的橋式起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進行控制，采用交流繞線串電阻的方法進行啟動和調(diào)速，這種控制系統(tǒng)存在可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高。電能浪費大，效率低等缺點。針對橋式起重機控制系統(tǒng)中存在的上述問題，把可編程序控制器和變頻器應(yīng)用于橋式起重機控制系統(tǒng)上，并進行了較詳細的設(shè)計。1.根據(jù)橋式起重機的運行特點，橋式起重機控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)等組成。2.PLC系統(tǒng)

2、采用三菱公司產(chǎn)品，能控制起重機大車、小車的運行方向和速度;吊鉤的升、降方向與速度，同時能檢測各個電機故障現(xiàn)象，減小了傳統(tǒng)繼電接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)。減少了硬件和控制線，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。3. 實驗表明，采用PLC該控制系統(tǒng)，使橋式起重機工作可靠，使用方便，同時具有動態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果好明顯。關(guān)鍵詞: 可編程序控制器；變頻調(diào)速；橋式起重機；電氣控制系統(tǒng)Frequency of Bridge Crane Based on PLC Control System DesignAbstract：The b

3、ridge crane carries a kind of typical equipment in the supplies system，so it have extensive function in the activity of Producing enterprise，so it important improve the bridge crane operational efficiency，guarantee the safe reliability to be operated，reduce the cost of the supplies carrying. But the

4、 traditional bridge crane control system mainly adopts relay and contactor to control bridge crane，adopt the methods of Wire winding bunch of resistance to start and adjust speed of motor，the control system have many disadvantages， for example: dependability is bad，it is complicated to operate，fault

5、 rate is high .the electric energy is wasted greatly，efficiency is low. To the question that exist in the bridge crane control system，the Paper apply Programmable Controller and frequency converter on control system of bridge crane，have candied on deeper research . Irrelevant respects.1. According t

6、o the operation characteristic of bridge crane，bridge crane control system adopt PLC control system and frequency conversion system. 2. PLC system adopts the Mitsubishi Company Products，can control the crane cart，ear operation direction and change speed ;To rise，lower liver direction and change spee

7、d，can measure each motor trouble Phenomenon，have reduced traditional electricity-Contact-type control system of intermediate link . it reduce the hardware and control line，has improved systematic stability ，dependability greatly .3. The experimental result indicates ，adopt PLC control system ，it is

8、reliable to make the bridge crane work，easy to use，have dynamical shown function，energy-conservation is effectual. Key words: PLC; frequency conversion; bridge crane; electrical control system目錄1 緒論.11.1橋式起重機的概述.11.2 橋式起重機的發(fā)展趨勢.21.3 課題研究的目的和意義與基本參數(shù).32 變頻調(diào)速控制技術(shù)的基本原理.52.1變頻調(diào)速原理簡介.52.2 變頻器簡介.82.2.1變頻器的

9、主電路.82.2.2變頻器的控制電路.92.2.3現(xiàn)在變頻調(diào)速的控制方法.102.3 凸輪控制器簡介.112.3.1凸輪控制器的結(jié)構(gòu).112.3.2凸輪控制器控制電路.122.4 主令控制器簡介.143 橋式起重機系統(tǒng)總體方案設(shè)計和部件選用.153.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計.153.2電機的選用.153.2.1變頻調(diào)速對電機的要求.163.2.2變頻起重機系統(tǒng)中電機的選型.163.2.3電機冷卻.163.2.4計算與電機的選取.173.3 變頻器的選用.203.3.1變頻器選型.203.3.2變頻器選擇與電流驗證.203.4 常用輔助件的選擇.224 PLC在橋式起重機變頻控制系統(tǒng)的應(yīng)用.254.

10、1本系統(tǒng)中可編程控制器的選擇與其特點.254.1.1 PLC概述.254.1.2 PLC 系統(tǒng)選擇型三菱FX2N48ER.254.1.3三菱FX2N系列PLC特點與主要硬件介紹.254.2變頻調(diào)速起重機控制系統(tǒng)設(shè)計.274.2.1系統(tǒng)控制的功能和要求.274.2.2控制系統(tǒng)的I/O點與地址分配.275橋式起重機變頻控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.295.1系統(tǒng)的控制程序設(shè)計.295.1.1主鉤和副鉤起升機構(gòu)的控制程序與梯形圖.295.1.2大車和小車運行機構(gòu)的控制程序與梯形圖.325.1.3系統(tǒng)抗干擾措施.345.2 PLC與變頻器的通信接線圖.35附錄.36總結(jié).37致 .38參考文獻.3938 / 42

11、1 緒論1.1橋式起重機的概述起重機是一種用來起重與空中搬運重物的起重運輸機械，廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、車站、港口、倉庫、建筑工地等部門。它對減輕工人勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、促進生產(chǎn)過程機械化起著重要作用，是現(xiàn)代化生產(chǎn)中不可缺少的工具。根據(jù)其運動形式不同，分為橋式類起重機與臂架式旋轉(zhuǎn)起重機。橋式類起重機又分為通用橋式起重機、冶金專用起重機、龍門起重機與纜索起重機等。通用橋式起重機是機械制造工業(yè)和冶金工業(yè)中最廣泛使用的起重機械，又稱“天車”或“行車”，它是一種橫架在固定的跨間上空用來吊運各種物件的設(shè)備。橋式起重機按起吊裝置不同，可分為吊鉤橋式起重機、電磁盤橋式起重機和抓斗橋式起重機等等。其中以吊鉤

12、橋式起重機應(yīng)用最廣。本章以吊鉤橋式起重機的電氣設(shè)備進行討論與分析。1、橋式起重機的結(jié)構(gòu)橋式起重機一般由橋架(又稱大車)、裝有提升機構(gòu)的小車、大車移行機構(gòu)、操縱室、小車導(dǎo)電裝置(輔助滑線)、起重機總電源導(dǎo)電裝置(主滑線)等部分組成。圖1-1為橋式起重機總體示意圖。 圖1-1橋式起重機整體示意圖1-駕駛室2-輔助滑線3-磁力控制器4-起重小車5-大車拖動電動機6-端梁7-主滑線8-主梁9-電阻箱1.2 橋式起重機的發(fā)展趨勢起重機作為一種古老的機械，時至今日，在其承載結(jié)構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、取物裝置、控制系統(tǒng)與安全裝置各方面都有了很大的發(fā)展，其設(shè)計理論、制造工藝。檢測手段等都逐漸提出新的使用要求，起重機的種

13、類、形式也需要相應(yīng)地發(fā)展和創(chuàng)新，性能參數(shù)也需要不斷變化與提高。由于現(xiàn)代設(shè)計方法的建立和計算機輔助設(shè)計手段的應(yīng)用，使起重機設(shè)計思維觀念和方法有了進一步的更新。因此，起重機將向現(xiàn)代化、智能化、更安全可靠的方向發(fā)展。當(dāng)今，起重機發(fā)展的主要趨勢有以下幾點：1.向大型化、高效率化發(fā)展。目前，世界上最大的浮式起重機起重重量達6500t，最大的履帶起重機起重重量為3000t，最大橋式起重機起重重量為1200t。帶式輸送機最大帶寬達3.2m，輸送能力最大為3.7t/h，單機最大輸送距離超過30km。自動化立體庫堆垛機最大運行能力為240m/min。2.向自動化、智能化、集成化和信息化發(fā)展。機械技術(shù)和電子技術(shù)相

14、結(jié)合，將先進的微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、模糊控制技術(shù)應(yīng)用到機械的驅(qū)動和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化和智能化，以適應(yīng)多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式。目前已經(jīng)出現(xiàn)了能自動裝卸物料、有精確位置檢測和自動化過程控制的橋式起重機。起重機上還裝有微機自診斷監(jiān)控系統(tǒng)，對于自身的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和維護。3.向成套化，系統(tǒng)化和規(guī)模化發(fā)展。將各種起重運輸機械的單元組合為成套系統(tǒng)，加強生產(chǎn)設(shè)備與物料搬運機械的有機結(jié)合，提高自動化程度，改善人機系統(tǒng)。重點發(fā)展的有港口散料和集裝箱裝卸系統(tǒng)、工廠生產(chǎn)搬運自動化系統(tǒng)、自動化立體倉庫系統(tǒng)、商業(yè)貨物配送集散系統(tǒng)、交通運輸部門和郵政部門的自動分揀與搬運系統(tǒng)等。4向模塊化、組合化、系列化和通用

15、化發(fā)展。許多通用起重運輸機械是成系列成批量的產(chǎn)品。為了降低制造成本，提高通用化程度，可采用模塊組合的方式，用較少規(guī)格的零部件和各種模塊組成多品種、多規(guī)格和多用途的系列產(chǎn)品，充分滿足各類用戶的需要。也可使單件小批量生產(chǎn)起重運輸機械的方式改換成具有相當(dāng)批量和規(guī)模的模塊生產(chǎn)，實現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產(chǎn)。5向小型化、輕型化發(fā)展。有相當(dāng)數(shù)量的起重運輸機械作業(yè)并不十分頻繁。為了考慮綜合效益，要求這部分起重運輸機械盡量減少外形尺寸，簡化結(jié)構(gòu)，降低造價和使用維護費用，按最新設(shè)計理論開發(fā)出來的這類設(shè)備比我國用傳統(tǒng)理論設(shè)計的同類產(chǎn)品自重輕20。由于自重輕、輪壓小、外形尺寸小，使結(jié)構(gòu)的建造費用和起重機運行費用也大大減少

16、。6采用新理論、新方法、新技術(shù)提高設(shè)計質(zhì)量。通過計算機模擬與仿真，開展對起重運輸機械載荷變化規(guī)律、動態(tài)特性和疲勞特性的研究，尋求參數(shù)與機種的最佳匹配與組合；開展對可靠性的試驗研究，全面采用極限狀態(tài)設(shè)計法、概率設(shè)計法和可靠性設(shè)計等，利用CAD提高設(shè)計效率與質(zhì)量，與計算機輔助制造系統(tǒng)相銜接，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造一體化。7用新結(jié)構(gòu)、新部件、新材料和新工藝提高產(chǎn)品性能。結(jié)構(gòu)方面采用薄壁型材和異型鋼，減少結(jié)構(gòu)的拼接焊縫，采用各種高強度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和美化外形。在機構(gòu)方面進一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構(gòu)，以焊代鑄，采用機電液一體化技術(shù)，提高使用性能和可靠性。開發(fā)性能好

17、、成本低、可靠性高的調(diào)速系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。今后還會更加注重起重運輸機械的安全性，重視司機的工作條件。橋式起重機是橋架式起重機的一種，它依靠升降機構(gòu)和水平運動機構(gòu)在兩個互相垂直的方向運動，能在矩形場地與上空完成操作，是各種生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用的一種起重運輸設(shè)備。它具有承載能力大、可靠性高、結(jié)構(gòu)相對簡單等優(yōu)點，隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，用戶對起重機的性能要求越來越高，而早期的起重機已無法滿足要求，因此需要對起重機的控制方式進行改進，滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。1.3課題研究的目的和意義近年來，隨著計算技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時也帶動電氣傳動和自動化控制領(lǐng)域的發(fā)展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制

18、器獲得了廣泛的應(yīng)用，為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機應(yīng)用提供了有利條件。變頻技術(shù)的運用使得起重機的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)存在的爭奪問題，變頻調(diào)速以其可靠性好、高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重機運輸機械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。變頻調(diào)速裝置的先進性能特別適用于起重機的惡劣工況，對改善起重機的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因素，減小起制動沖擊以與增加起重機使用的安全可靠是非常有益的。相對發(fā)達國家而言，我國的相關(guān)技術(shù)水平差距較大，主要技術(shù)難度體現(xiàn)在：起重機對電控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性要求越來越高，起重機的起重量與運行速度等技術(shù)參數(shù)越來越大，起重機的自動化

19、程度越來越高，起重機對管理和通訊的性能要求越來越嚴格。為此，有必要對橋式起重機電控系統(tǒng)進行開發(fā)應(yīng)用。由變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)可取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是隨著計算機技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷發(fā)展的必然結(jié)果，符合起重機的發(fā)展趨勢，適合發(fā)展大起重量得起重機；提高工作速度、擴大調(diào)速圍；提高金屬結(jié)構(gòu)、機構(gòu)和電氣設(shè)備的可靠性和使用壽命；改善司機操作條件，保證作業(yè)安全，提高自動化控制程度和擴大遠距離控制系統(tǒng)的使用圍。本課題橋式起重機基本參數(shù)：該機的起重量為20/5噸，其跨度(L)為19.5m主鉤起升速度為7.5m/min，副鉤起升速度為15m/min。大車運行速度為75m/min，小車運行速度為45m

20、/min。2 變頻調(diào)速控制技術(shù)的基本原理2.1變頻調(diào)速原理簡介異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為:n=(1-s) (2.1)其中： n-異步電機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； f-定子的電源頻率，單位為Hz； s-電動機的轉(zhuǎn)速滑差率； p-電動機的極對數(shù)。由上式（2.1）可知，如果改變輸入電動機的電源頻率f，則可相應(yīng)改變電動機的輸出轉(zhuǎn)速。在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電動機的鐵心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電動機。對于直流電動機來說，勵磁是獨立的，所以只要對電樞反應(yīng)的補償合適，保持不變是很

21、容易做到的。在交流異步電動機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電動機每相電動勢的有效值是：=4.44 （2.2）式中： -氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢有效值，單位為V；-定子頻率，單位為Hz；-定子每現(xiàn)繞組串聯(lián)匝數(shù)；-與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的繞組系數(shù)；-每極氣隙磁通量，單位為wb； 由公式可知，只要控制好和便可以控制磁通不變，需要考慮基頻（額定頻率）基頻以下和基頻以上兩種情況：1、 基頻以下調(diào)速即采用恒定的電動勢。有上式（2.2）可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低，使/=常數(shù)，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以控制的，當(dāng)電動勢較高時，可以

22、忽略定子電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓，則得/=常數(shù)。 （2.3）這是恒頻率比的控制方式。在恒頻率比條件下改變頻率時，我們能夠證明：機械特性基本上是平行下移的，如圖2-1所示。圖2-1 基頻以下調(diào)速時的機械特性這和他勵直流變壓調(diào)速的特性相似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，特性曲線就折回來了。如果電動機在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電都能在溫升允許條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化，所以轉(zhuǎn)矩也恒定。根據(jù)電機與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。在低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的分量都比較顯著，不能再忽略。這時，可以人為的把電壓抬高一些，以便近似的補償定子壓

23、降。帶定子壓降補償?shù)暮愎β时瓤刂铺匦詾?線，無補償?shù)臑?線。如圖2-2所示：圖2-2 恒壓頻比控制特性2、 基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從往上增高，但電壓不能超過額定電壓，最多只能保持=。由式2.2可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當(dāng)于直流電機弱磁升速的情況。在基頻以上變頻調(diào)速時，由于電壓=不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，如圖2-3所示。圖2-3 基頻以上調(diào)速時的機械特性由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩減小。由于轉(zhuǎn)速升高了，可認為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。把基頻以下和基頻以上兩種情

24、況結(jié)合起來，可得圖1-4所示的異步電動機變頻調(diào)速控制特性。圖2-4 異步電動機變頻調(diào)速控制特性應(yīng)該注意，以上分析的機械特性都是在正弦電壓供電下的情況。如果電源含有諧波，將使機械特性受到扭曲變形，并增加電機只能中的損耗。因此在選購變頻器時，變頻器輸出的諧波越小越好。2.2 變頻器簡介2.2.1變頻器的主電路這里主要介紹電壓源型交-直-交變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5變頻器主電路（1）電力電子開關(guān)器件電力半導(dǎo)體器件己經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管(GTO)，巨型晶體管(GTR)，功率MOSFET、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為代表的功率集成器件(PID),以智能化功

25、率集成電路(SPIC)，高壓功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)等三個發(fā)展時期。從晶閘管發(fā)展到PID, PIC通過門極或柵極控制脈沖可實現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式與發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門極(柵極)的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。（2）整流電路一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并

26、給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。（3）逆變電路逆變電路是利用六個半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調(diào)速控制。2.2.2變頻器的控制電路變頻器控制電路包括主控電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以與保護電路等幾個部分，是變頻器的核心部分?？刂齐娐返膬?yōu)劣決定了變頻器的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔?/p>

27、是完成對逆變器開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以與完成各種保護功能。現(xiàn)代通用變頻器都是數(shù)字式控制的，微處理器（CPU）是控制電路的核心器件，它通過輸入接口和通信接口取得外部控制信號，通過檢測電路取得輸出電壓、電流、溫度等運行參數(shù)，根據(jù)設(shè)置的運行方式，進行U/f控制或者矢量控制，將控制命令傳送給SPWM（以逼近正弦波形為特征的交流脈寬調(diào)制也稱正弦脈寬調(diào)制）控制集成電路，去觸發(fā)逆變器。微處理器的控制程序存儲在存儲器中，用戶通過參數(shù)設(shè)置可以改變程序的計算參數(shù)和機構(gòu)。 變頻器的控制接口（包括模擬量輸入輸出接口和開關(guān)量輸入輸出接口）用于變頻器與外部交換信息。開關(guān)輸入接口接收外部的邏輯控制命令，開關(guān)輸出接口向

28、外部發(fā)出變頻器運行、故障等狀態(tài)信號；模擬量輸出接口向外部提供變頻器的頻率、電流等運行參數(shù)。變頻器的通信接口提供以通信方式與外部其他設(shè)備交換信息的功能，它的作用與控制接口類似，但允許數(shù)量更多的信息交換。有的變頻器把通信口作為標(biāo)準(zhǔn)配置，有的則提供模塊形式的可選件，通信模塊插在總線接口槽，與數(shù)據(jù)總線連接。2.2.3現(xiàn)在變頻調(diào)速的控制方法交流電機的控制遠比直流電機復(fù)雜的多。在傳動控制領(lǐng)域，電機轉(zhuǎn)矩的控制精度、動態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制等都會對運動的穩(wěn)定性和系統(tǒng)跟蹤誤差產(chǎn)生較大的影響。目前實用的交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法有以下幾種：（1）恒壓頻比控制（V/F控制） V/F控制是交流電機最簡單的一種控制方法，通過控制過程

29、中始終保持V/F為常數(shù)，保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。然而V/F種子是一種開環(huán)控制方式，速度動態(tài)特性差，電機轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)（如加/減速度等）還需要根據(jù)負載的不同來進行相應(yīng)的調(diào)整，特別是低速時由于定子電阻和逆變器等的開關(guān)延時的存在，系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。（2）轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制引入可速度閉環(huán)，使轉(zhuǎn)速變化頻率與實際轉(zhuǎn)速同步上升或降落，與V/F控制相比，更容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。但是轉(zhuǎn)差頻率控制并未能實施對電機瞬間時轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，而且動態(tài)電流相位的延時會影響系統(tǒng)的實際動態(tài)響應(yīng)。（3）矢量控制 矢量控制通過坐標(biāo)變換將交流異步電機模型等效為直流電機，實現(xiàn)了電機轉(zhuǎn)矩和電機磁通量的解耦，達到對瞬時轉(zhuǎn)矩的

30、控制。磁場定向控制有兩種方法：磁通直接反饋型和磁通前反饋型。目前，實用中較多采用后者，又稱為轉(zhuǎn)差率矢量控制，由于其沒有實現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無需檢測出磁通，因而容易實現(xiàn)。但是控制器的設(shè)計在某種程度上依賴與電機的參數(shù)，為了減少控制上對電機參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)識別、參數(shù)補償和參數(shù)自適應(yīng)方案，有些收到了良好的效果。 橋式起重機中應(yīng)用的變頻器的型號見3.3章節(jié)。2.3 凸輪控制器簡介2.3.1凸輪控制器的結(jié)構(gòu)凸輪控制器從外部看，由機械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)、防護結(jié)構(gòu)等三部分組成。其中手柄、轉(zhuǎn)軸、凸輪、杠桿、彈簧、定位棘輪為機械結(jié)構(gòu)。觸頭、接線柱和聯(lián)板等為電氣結(jié)構(gòu)。而上下蓋板、外罩與滅弧罩等為防護

31、結(jié)構(gòu)。圖2-2為凸輪控制器的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)轉(zhuǎn)軸在手柄扳動下轉(zhuǎn)動時，固定在軸上的凸輪同軸一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)凸輪的凸起部位支住帶動動觸點杠桿上的滾子時，便將動觸點與靜觸點分開；當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動凸輪轉(zhuǎn)動到凸輪凹處與滾子相對時，動觸點在彈簧作用下，使動靜觸點緊密接觸，從而實現(xiàn)觸點接通或斷開的目的。圖2-6凸輪控制器的結(jié)構(gòu)原理圖 (a)整體結(jié)構(gòu)圖(b)某一層凸輪結(jié)構(gòu)圖(c)結(jié)構(gòu)原理圖1-靜觸點2-動觸點3-觸點彈簧4-復(fù)位彈簧5-滾輪6-絕緣方軸7-凸輪8-滅弧與滅弧罩9-聯(lián)板10-手輪2.3.2凸輪控制器控制電路圖2-3為KT10-25J/1、KT14-25J/1、KT10-60J/1、KT14-60J/1型凸輪

32、控制器原理圖，用來控制起重機平移機構(gòu)或提升機構(gòu)的電動機。圖2-7為KT型凸輪控制器原理圖1、控制電路分析由圖2-7可知，凸輪控制器SA在零位時有9對常開觸點，3對常閉觸點。其中4對主觸點用于電動機正反轉(zhuǎn)控制;另5對主觸點用于接入與切除電動機轉(zhuǎn)子不對稱電阻。控制器3對常閉觸點用來實現(xiàn)零位保護、并配合兩個運動方向的行程開關(guān)， SQl. SQ2來實現(xiàn)限位保護。控制電路設(shè)有過電流繼電器KAI-KA3實現(xiàn)電動機過電流保護，緊急事故開關(guān)QS3實現(xiàn)事故保護，操縱室頂端艙口開關(guān)SQ4實現(xiàn)大車頂上無人且艙口關(guān)好才可開車的安全保護等。凸輪控制器是橋式起重機的主要電氣控制設(shè)備，電動機的起停、調(diào)速、反向與正反轉(zhuǎn)的聯(lián)鎖

33、等功能都由凸輪控制器完成。目前應(yīng)用較多的是KT10、KT12與KT14型，額定電流有25A和60A兩種。一般20/5噸橋式起重機所用的凸輪控制器由三臺KT12-25J/1凸輪控制器分別控制大車、小車與吊鉤電動機。凸輪控制器有電動機工作電源供給部分、電阻器切換部分和安全保護部分。這三部分分別由凸輪控制的12對觸點進行控制，其中4對為電源控制用，5對為電阻切換用，2對起限位作用，還有1對為零位控制安全保護作用。輪控制器按重復(fù)短時工作制設(shè)計，其通電持續(xù)率為25%。如用于間斷長期工作制時，其發(fā)熱電流不應(yīng)大于額定電流。凸輪控制器技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。表1 KT14系列凸輪控制器主要技術(shù)數(shù)據(jù)型 號額定電壓/V額

34、定電流/A位置數(shù)最大功率/KW額定操作頻率/次/h最大工作周期/min左右KT14-25J/138025551160010KT14-25J/2552*5.5KT14-25J/3115.5KT14-60J/160553060010KT14-60J/2552*11KT14-60J/3552*11凸輪控制器的功能：l 控制電動機的啟動與停止。l 改變電動機的運動方向。l 控制電阻器來限制電動機的啟動電流并獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩。l 切換電阻器的電阻值調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。l 可以適應(yīng)起重機所要求的頻繁啟動與變速要求l 可以防止起重機運動機構(gòu)超過極限位置l 保證在零位啟動根據(jù)20/5T橋式起重機特點與電動機的

35、因數(shù)，故選用型號為KT14-25J/1的凸輪控制器。2.4 主令控制器簡介主令控制器是按照預(yù)定程序用以頻繁切換復(fù)雜的多回路控制電路的主令電器。主要用作起重機、軋鋼機與其它生產(chǎn)機械磁力控制盤的主令控制。主令控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理基本上與凸輪控制器一樣，也是利用凸輪來控制觸點的斷合。主令控制器由觸點、凸輪、定位機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、面板與支承件等部分組成。橋式起重機中常用的主令控制器有LK16、LK18系列。其技術(shù)數(shù)據(jù)為：交流50HZ，額定工作電壓380V與直流220V一下；額定發(fā)熱電流10A；額定操作頻率1200次/h；LK18在380V電壓，接通電流26A，=0.7,分斷電流2.6A，=0.4時，電壽命

36、為100萬次。圖2-4所示為LK18系列主令控制器的外形圖。圖2-4主令控制器示意圖根據(jù)20/5T橋式起重機特點與電動機的因數(shù)，故選用型號為LK18-10/1102的主令控制器。3 橋式起重機系統(tǒng)總體方案設(shè)計和部件選用3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計控制系統(tǒng)由繼電器控制改為PLC控制，各機構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速。由于各機構(gòu)的特點不同，對調(diào)速要求也不一樣。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖下面分別對各機構(gòu)調(diào)速控制進行說明。1、起升機構(gòu)起升機構(gòu)屬位能負載機構(gòu)。不但要求高的轉(zhuǎn)速與起制動的控制精度。而且對轉(zhuǎn)矩控制要求嚴格。主起升和副起升兩臺電動機各自使用一個變頻器。變頻器的選擇，應(yīng)以選擇變頻器的額定

37、電流為基準(zhǔn)，一般以電動機的額定電流，負載率。變頻器運行的效率為依據(jù)。通過計算，變頻器的額定電流為電動機額定電流的1.2倍以上。 2、運行機構(gòu)大車運行機構(gòu)二臺電動機用一個變頻器；考慮到運行機構(gòu)的工作頻率較少，為節(jié)省成本，在調(diào)速中運行機構(gòu)共用一臺變頻器。變頻器的選擇，一般以電動機的額定功率作為選擇的依據(jù)。通常選額定功率大一級的變頻器。運行機構(gòu)的起動時間應(yīng)盡量符合實際需要，起動迅速而平穩(wěn);機構(gòu)的電氣制動方式必須著重考慮。對不同的工況，可選擇自由制動方式與強制制動方式。在運行機構(gòu)正常停止時，可選用自由停止方式，其停止時間可按實際生產(chǎn)中的運行情況設(shè)定，以盡量滿足司機操作橋式起重機的需要為主。為保證起升機

38、構(gòu)起動時具有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，可以通過設(shè)定機械制動器的打開時間、變頻器的最低運行頻率、運行電流之間的關(guān)系，以滿足機構(gòu)負載特性的要求。3.2 電動機的選用3.2.1變頻調(diào)速對電動機的要求采用變頻調(diào)速時，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以與電動機轉(zhuǎn)速圍的擴大產(chǎn)生了一些與在工頻電源下傳動時不同的特征。主要反映在功率因數(shù)、效率、輸出力矩、電機溫升、噪音與振動等方面。隨著高開關(guān)頻率的工GBT等電力電子器件的使用、PWM調(diào)制、矢量控制、增強型V/f控制方法的應(yīng)用、使變頻器輸出波形、諧波成份、功率因數(shù)與使用效率得到了很大的改善，有效地提高了變頻控制電機的低速區(qū)轉(zhuǎn)矩。同時由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電動機

39、可以避開共振點，解決了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間可能發(fā)生的共振問題。目前，變頻器己經(jīng)發(fā)展到除非有超同步調(diào)速的要求或呈1:20以上的大速比，一般無須選用變頻專用電機作變頻系統(tǒng)的電動機?，F(xiàn)在國推出的變頻專用電動機由普通電機加獨立風(fēng)扇組成，以解決電動機在低速運轉(zhuǎn)過程中自冷風(fēng)扇風(fēng)量不足而引起的電動機過熱問題。3.2.2 變頻起重機系統(tǒng)中電動機的選型起重機起升和運行機構(gòu)的調(diào)速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)率在60%以下，負載多為大慣量系統(tǒng)。嚴格意義上的變頻電機轉(zhuǎn)動慣量較小，響應(yīng)較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基

40、本一致;在連續(xù)工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機僅在連續(xù)工作時的變頻驅(qū)動特性比變頻電機稍差。3.2.3 電動機的冷卻一般變頻器在調(diào)速比為1:20的圍能確保起重機上普通電機有150%的過載力矩值。此外，起重機電機多用于大慣量短時工作制，通常不工作時間大于或略小于工作時間。電機在起動過程中可承受2.5倍額定電流值，遠大于變頻起動要求的1.5倍值，運行機構(gòu)的電機在以額定速度運行時電機通常工作在額定功率以下，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機要求在整個工作周期在大于1:4的速比下持續(xù)運行則必須采用他冷式電機。3.2.4 計算與電機的選取根據(jù)書上與網(wǎng)上所查得的有關(guān)本課題

41、所需數(shù)據(jù)如下：小車車輪直徑：315mm 大車車輪直徑：630mm起重機總重：28.6T 小車自重：7.6T吊鉤自重：500kg 小車運行摩擦阻力系數(shù)=0.0085大車運行摩擦阻力系數(shù)=0.007計算如下：1、主起升機構(gòu)：（1）初選電動機根據(jù)電動機樣本，選用YZR225M-8電動機，當(dāng)S3，時，電動機允許功率為26KW。 （2）電動機的過載校驗按電動機轉(zhuǎn)矩允許的過載系數(shù)2.8，對繞線式轉(zhuǎn)子電動機，H=2.1 所以， 根據(jù)規(guī)定,，CZ=150,此時24.096KW，即22.18KW<24.096KW所以電動機校驗通過。2、副起升機構(gòu)：（1）初選電動機根據(jù)電動機樣本，選用YZR180L-8電機

42、，當(dāng)S3，時，電動機允許功率為13KW。（2）電動機的過載校驗根據(jù)規(guī)定,，CZ=150,此時12.160KW，即11.33KW<12.160KW所以電動機校驗通過。3、大車運行機構(gòu)：（1）運行靜阻力，大車運行部分總質(zhì)量：因為室運行，風(fēng)阻力，坡度阻力，運行摩擦阻力系數(shù)=0.007則 (2)運行靜功率：75m/min=1.25m/s大車運行機構(gòu)總效率(3)運行加速功率 ?。?）初選電動機根據(jù)電動機樣本，選用兩臺YZR160M1-6電動機，當(dāng)，6.3KW(5)電動機發(fā)熱校驗 根據(jù)起重機設(shè)計規(guī)，該大車運行機構(gòu)的接電持續(xù)率，CZ=600，穩(wěn)態(tài)負載平均系數(shù)G=0.9，所以，根據(jù)橋式起重機設(shè)計手冊知，

43、當(dāng)，CZ=600時，4.629KW，即4.36KW<4.629KW,所以電動機發(fā)熱校驗通過。4、小車運行機構(gòu)：（1）運行靜阻力，小車運行部分總質(zhì)量：因為室運行，風(fēng)阻力，坡度阻力，運行摩擦阻力系數(shù)=0.0085則 (2)運行靜功率：45m/min=0.75m/s小車運行機構(gòu)總效率(3)運行加速功率 ?。?）初選電動機根據(jù)電動機樣本，選用兩臺YZR132M2-6電動機，當(dāng)，4KW(5)電動機發(fā)熱校驗 根據(jù)起重機設(shè)計規(guī)，該小車運行機構(gòu)的接電持續(xù)率，CZ=300，穩(wěn)態(tài)負載平均系數(shù)G=0.8，所以，根據(jù)橋式起重機設(shè)計手冊知，當(dāng)，CZ=300時，3.598KW，即1.92KW<3.598KW,

44、所以電動機發(fā)熱校驗通過。通過利用上述公式的計算，選用改造后的橋式起重機各執(zhí)行機構(gòu)的電機參數(shù)如表3-2所示:表3-2 各執(zhí)行機構(gòu)電機參數(shù)電機型號電機功率/電流主起升機構(gòu)YZR225M-826KW/55A副起升機構(gòu)YZR180L-813KW/29.1A大車運行機構(gòu)YZR160M1-62*6.3KW/16.4A小車運行機構(gòu)YZR132M2-64KW/9.7A3.3 變頻器的選用3.3.1變頻器選型起重機各機構(gòu)負載為恒轉(zhuǎn)矩負載，普遍選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器，如日本的安川，三菱，富士，德國的西門子與丹麥的丹佛斯等。其中本系統(tǒng)選用三菱變頻器，三菱變頻器具有較合理的價格，完整的理論計算書與輔件推

45、薦值，有利于用戶合理選用。這里選用適用于起重機使用的三菱公司的FR-F540系列變頻器。該系列變頻器是最常用也是功能較強的一種變頻器，主要應(yīng)用于各種工業(yè)、冶金、建筑、水利、紡織、交通等領(lǐng)域，性能良好，價格實惠，是一種性價比高的變頻器。該變頻器是一種通用變頻器，能適用于一切傳動系統(tǒng)，使得當(dāng)負載突然增加時仍然能保持控制的穩(wěn)定性。3.3.2 變頻器選擇與電流驗證（1）起升機構(gòu)起升機構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)距一般來說可為額定力矩值的1.3-1.6倍?？紤]到電源電壓波動因素與需通過125%超載試驗要求等因素，其最大轉(zhuǎn)距必須有1.8-2倍的負載力矩值，以確保其安全使用的要求。等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值，

46、為此可通過提高變頻器容量(Yz型電機)或同時提高變頻器和電機容量(Y型電機)來獲得200%力矩值。式中電機的功率因數(shù)，= 0.75起升額定負載所需功率，kw電機效率， =0. 85變頻器容量，KVA系數(shù)，K=2起升機構(gòu)變頻器容量依據(jù)負載功率計算，并考慮2倍的安全力矩。若用在電機額定功率選定的基礎(chǔ)上提高一擋的方法選擇變頻器的容量，則可能會造成不必要的放容損失。在變頻器功率選定的基礎(chǔ)上再作電流驗證，公式如下: 式中 一變頻器額定電流，A電機額定電流，A（2）運行機構(gòu)采用變頻器驅(qū)動異步電動機調(diào)速，運行機構(gòu)根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器

47、，通常令變頻器的額定電流（1.051.10）電動機的額定電流或電動機實際運行中的最大電流。 I1nv（1.051.10）In或（1.051.10）Imax式中 I1nv-變頻器額定輸出電流（A）； In-電動機的額定電流（A）； Imax-電動機實際最大電流（A）。 對于起重機運行電動機，考慮到功能性負載，工作時總是重載起動、制動。而且要求盡可能地快速起動、制動。變頻器的容量是按上式計算得到的。根據(jù)實際情況，經(jīng)過與同類變頻器的性能與價格與售后服務(wù)等方面的綜合考慮，變頻器選用三菱公司矢量控制變頻器。通過利用上述公式的計算，選用改造后的橋式起重機各執(zhí)行機構(gòu)的電機參數(shù)如表3.3所示:表3-3 各執(zhí)行

48、機構(gòu)變頻器參數(shù)變頻器型號額定功率/電流主起升機構(gòu)FR-F540-37K-CH37KW/70A副起升機構(gòu)FR-F540-22K-CH22KW/43A大車運行機構(gòu)FR-F540-18.5K-CH18.5KW/35A小車運行機構(gòu)FR-F540-7.5K-CH7.5KW/16A3.4 常用輔助件的選擇變頻器系統(tǒng)器件由斷路器、接觸器、電抗器、變頻器、制動電阻與制動單元組成。1、斷路器為避開變頻器投入時直流回路電容器的充電電流峰值，為此變頻器配置的斷路器容量應(yīng)為電動機額定電流的1.31.4倍，整定值為斷路器額定值的34倍。2、接觸器接觸器在變頻器主回路中僅在變頻器輔助器件或控制回路故障時起斷開主回路的作用

49、，一般不作回路開斷器件用，故可按電機額定電流選用接觸器容量，無須按開斷次數(shù)考核其壽命。3、交流電抗器當(dāng)變頻器直接連接于一個大容量的電源變壓器(600kVA以上或離電源變壓器很近安裝)時，或電網(wǎng)回路中接有移相電容器，可能會在電網(wǎng)中產(chǎn)生過峰值電容，致使變頻器損壞。為此，在變頻器的輸入端加接交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流，或電容器開斷造成的峰值電流對變頻器的危害。交流電抗器容量按電機容量配置，可參見變頻器生產(chǎn)廠推薦的配置表或按下列公式計算:L=式中: L電抗器容量（H）； U額定電壓（V）； I電機額定電流（A）（電抗電流值為電機額定電流的1.11.2倍）；F最大周波數(shù)（Hz）。(2%5

50、%)U的選擇根據(jù)速比要求定，速比愈大百分比愈大。在變頻器與變壓器單臺獨配的系統(tǒng)中無須配置電抗器。4、制動單元為減小大慣性系統(tǒng)的減速時間，解決變頻器直流電路上的過電壓問題。常在其直流電路中加接檢測直流電壓的晶體管。一旦直流回路電壓超過一定的界限，該晶體管導(dǎo)通，并將過剩的電能通過與之相接的制動電阻器轉(zhuǎn)化為熱能耗。在能量消耗的同時加速了轉(zhuǎn)速的減小，該能量消耗得愈多，制動時間愈小，此裝置即為變頻器的制動單元。5、制動電阻器（1） 制動值的計算=式中：直流回路電壓（V）；制動轉(zhuǎn)矩（N·m）；電機額定轉(zhuǎn)矩(在附加電阻制動的情況下，電機自損耗約為電機額定功率的 20%左右)（N·m）；N電機額定轉(zhuǎn)矩(在附加電阻制動的情況下，電機額定轉(zhuǎn)速)（r/min）。在制動晶體管和制動電阻構(gòu)成的能耗回路中最大電流受晶體管許用電流的限制，因此在選擇制動電阻值時不可小于其最小制動電阻值，即=/ （）式中：直流回路電壓（v）；制動晶體管允許的最大電流（A）。因此，制動電阻應(yīng)按>>的關(guān)系選用。（2）制動轉(zhuǎn)矩的計算=- 式中 電機轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩之和（N·m