起重機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文PAGEPAGE59摘要起重機(jī)的電氣設(shè)計(jì)在大規(guī)模生產(chǎn)中有明顯的優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：變幅機(jī)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；變頻器調(diào)速；塔式起重機(jī)

ABSTRACTThecraneintheadvantages.Keywords:Change;Rotation;ConverterGovernor;TowerCrane

目錄1緒論 11.1起重機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)介 11.2塔式起重機(jī)的現(xiàn)狀 21.3課題研究的意義 32塔式起重機(jī)的構(gòu)造與工作原理 42.1起升機(jī)構(gòu) 52.1.1起升機(jī)構(gòu)概述 52.1.2起升機(jī)構(gòu)的典型傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 52.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 62.2.1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)概述 62.2.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的典型傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 72.3變幅機(jī)構(gòu) 82.3.1變幅機(jī)構(gòu)概述 82.3.2運(yùn)行小車式變幅機(jī)構(gòu)的典型傳動(dòng)簡(jiǎn)圖 83變頻調(diào)速原理 103.1三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 103.2三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 133.2.1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式選擇 133.2.2電動(dòng)機(jī)的能量關(guān)系 133.2.3電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn) 153.4變頻器變頻原理 173.4.1變頻調(diào)速原理 173.4.2變頻器的類別 183.4.3變頻器的額定值和頻率指標(biāo) 183.4.4變頻器主電路 203.5SPWM（正弦脈寬調(diào)制） 233.6能耗電路計(jì)算 243.6.1制動(dòng)電流的近似估算 243.6.2制動(dòng)電阻的計(jì)算 244可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理 264.1PLC的基本結(jié)構(gòu) 264.1.1中央處理器（CPU） 264.1.2儲(chǔ)存器 264.1.3輸入/輸出單元 274.1.4電源部分 314.1.5編程器 314.2PLC的工作原理 324.2.1輸入采樣階段 324.2.2程序執(zhí)行階段 334.2.3輸出刷新階段 334.3PLC的主要性能指標(biāo) 334.3.1輸入/輸出點(diǎn)數(shù)（I/O點(diǎn)數(shù)） 334.3.2儲(chǔ)存容量 344.3.3掃描速度 344.3.4指令條數(shù) 344.3.5內(nèi)部寄存器 344.3.6功能模塊 344.4PLC的編程語(yǔ)言 354.4.1梯形圖編程語(yǔ)言 354.4.2指令語(yǔ)句編程語(yǔ)言 374.4.3功能塊圖編程語(yǔ)言 385回轉(zhuǎn)與變幅機(jī)構(gòu)電氣設(shè)計(jì) 395.1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電氣原理圖 395.2變幅機(jī)構(gòu)電氣原理圖 425.3變頻器型號(hào)選擇與內(nèi)部主要參數(shù)設(shè)定 425.4PLC的型號(hào)選擇 455.4.1PLC的I/O端子分配 465.4.2PLC程序設(shè)計(jì) 485.5起重機(jī)各重要器件的型號(hào)選擇 495.5.1電動(dòng)機(jī)型號(hào)選型 495.5.2減速箱型號(hào)選型 505.5.3行程開關(guān)型號(hào)選型 525.5.4其他輔助裝置選型 52結(jié)論 55致謝 56參考文獻(xiàn) 57附錄A 59附錄B 651緒論1.1起重機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)介塔式起重機(jī)簡(jiǎn)稱塔機(jī)，亦稱塔吊，塔機(jī)起源于歐洲，據(jù)記載，1900年歐洲頒發(fā)了第一項(xiàng)有關(guān)建筑用塔機(jī)的專利。1905年出現(xiàn)了塔身固定的裝有臂架的起重機(jī)，第一臺(tái)原始塔機(jī)出現(xiàn)于1912～1914年，1923年制成第一臺(tái)近代塔機(jī)的原型樣機(jī)，1930年德國(guó)開始批量生產(chǎn)塔機(jī)，并用于建筑施工。1941年，有關(guān)塔機(jī)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)－德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN8670公布。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以起重量(t)和起重幅度(m)乘積的起重力矩表示塔機(jī)的起重能力。從20世紀(jì)90年代開始，歐洲塔機(jī)行業(yè)緩慢復(fù)蘇，目前歐洲生產(chǎn)塔機(jī)的國(guó)家有德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、意大利、俄羅斯、西班牙、瑞典、丹麥等，主要廠家有法國(guó)Potain，德國(guó)Liebherr、Peiner、Wolff，意大利Comedil，丹麥Kroll,西班牙Comansa。在產(chǎn)量、系列品種、技術(shù)水平等方面，德國(guó)的Liebherr和法國(guó)的Potain在世界上居領(lǐng)先地位，Potain目前在法國(guó)、德國(guó)、意大利、葡萄牙、中國(guó)的工廠生產(chǎn)60多種型號(hào)塔機(jī)。載自《中建網(wǎng)/建筑機(jī)械化雜志》我國(guó)塔機(jī)行業(yè)迄今已有50多年歷史，由于改革開放和廣大人員的拼搏奮斗，經(jīng)歷了從無(wú)到有、從小到大的成長(zhǎng)歷程，塔式起重機(jī)是我們建筑機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備，在建筑施工中起著重要作用，我國(guó)"九五"、"十五"規(guī)劃都是一個(gè)高速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，"十一五"規(guī)劃預(yù)計(jì)將會(huì)做些調(diào)整，但總的發(fā)展不會(huì)減弱，根據(jù)我國(guó)塔機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和迎刃國(guó)際市場(chǎng)的挑戰(zhàn)，塔機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮以下幾個(gè)方面。一、建立獨(dú)立的研究體系，開發(fā)出高新產(chǎn)品。我國(guó)已加入世界貿(mào)易組織，我們就不能隨便模仿人家的東西了，否則就會(huì)吃官司。因此，必須獨(dú)立地開發(fā)出自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。同時(shí)要以創(chuàng)新觀念為先導(dǎo)，開發(fā)出實(shí)用、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)適應(yīng)市場(chǎng)的好產(chǎn)品。當(dāng)然這并非那么容易，還要靠科技，一方面，要利用高新科技求改造、完善、拓寬、提高我國(guó)的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，使產(chǎn)品上水平，才能進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，另一方面，科技要面對(duì)國(guó)情，要向中小城鎮(zhèn)乃至鄉(xiāng)村普及，開發(fā)出適應(yīng)小城鎮(zhèn)建設(shè)需要的40TM左右的中小型塔機(jī)。二、根據(jù)國(guó)情揚(yáng)棄國(guó)外技術(shù)，解決自己的問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)塔機(jī)行業(yè)通過(guò)公關(guān)，在認(rèn)真研究國(guó)外技術(shù)，結(jié)合國(guó)情實(shí)際情況下，研究出不少好產(chǎn)品，如CAD模塊化塔機(jī)組合設(shè)計(jì)，起重、布料兩用塔機(jī)等。開發(fā)過(guò)程中，也解決了大功率起升機(jī)構(gòu)的無(wú)極變速、PLC控制問(wèn)題以及長(zhǎng)期困擾人們的起升機(jī)構(gòu)亂繩打扭問(wèn)題等。以上問(wèn)題都是自主開發(fā)采用國(guó)外關(guān)鍵元器件的辦法實(shí)現(xiàn)的，但知識(shí)產(chǎn)權(quán)是自主的。其中塔機(jī)的工作狀態(tài)監(jiān)控是我國(guó)塔機(jī)急需解決又必須解決的課題，這需要對(duì)國(guó)外技術(shù)進(jìn)行揚(yáng)棄，根據(jù)我國(guó)的餓國(guó)情著力進(jìn)行研制，如能解決將會(huì)大大推動(dòng)我國(guó)塔機(jī)技術(shù)發(fā)展向質(zhì)的飛躍。三、按市場(chǎng)規(guī)律強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，提高制造水平。目前，企業(yè)改革改制正在深入開展，要提高我國(guó)塔機(jī)整體制造水平以適應(yīng)國(guó)內(nèi)外對(duì)塔機(jī)的需要，走強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合促進(jìn)集團(tuán)化發(fā)展，不失為有效辦法。當(dāng)然，要按市場(chǎng)規(guī)律辦事，不能搞"拉郎配"，其中發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)主管部門的作用是不可忽視的，這樣可以加快國(guó)內(nèi)外、行業(yè)內(nèi)外的資源整合，揚(yáng)長(zhǎng)避短、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，名專業(yè)生產(chǎn)廠家在已有基礎(chǔ)上集中力量，有重點(diǎn)地引進(jìn)、消化、吸收先進(jìn)的東西，創(chuàng)新出自己的特色產(chǎn)品，并注意發(fā)展自主的現(xiàn)代化專業(yè)制造技術(shù)，以近快提高我國(guó)塔機(jī)的制造水平，促進(jìn)我國(guó)工程機(jī)械由大國(guó)變強(qiáng)國(guó)，實(shí)際與國(guó)際市場(chǎng)的融合。1.2塔式起重機(jī)的現(xiàn)狀塔式起重機(jī)在當(dāng)代這樣飛速發(fā)展的時(shí)代，有著其不可替代的作用，它的發(fā)展也將帶動(dòng)很多工程行業(yè)的進(jìn)步，好的塔機(jī)不僅能夠更加效率可靠的完成工作，還更能保證工人的生命財(cái)產(chǎn)安全，塔機(jī)的安全性和可靠性與塔機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、控制方式都有著重要的聯(lián)系。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性一直是人們公認(rèn)的佼佼者。所以，三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性能否和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，便成為了變頻調(diào)速系統(tǒng)能否復(fù)蓋全調(diào)速領(lǐng)域的試金石。以往的起重機(jī)結(jié)構(gòu)上已經(jīng)慢慢發(fā)展起來(lái)并健全，但是起重機(jī)的電氣控制部分卻隨著各種更先進(jìn)的材料正在飛速的發(fā)展更新著，在電氣控制部分，以往的電機(jī)調(diào)速方法主要有：變極雙速鼠龍型電動(dòng)機(jī)調(diào)速；雙電機(jī)傳動(dòng)和雙速電動(dòng)機(jī)調(diào)速；轉(zhuǎn)子中加入電阻調(diào)速；飽和電抗器調(diào)速；感-容開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速；可控硅調(diào)速；低頻電流調(diào)速；液壓推桿調(diào)速；特別起升機(jī)構(gòu)要求能輕載快速、重載慢速、安裝就位微動(dòng)。一般除采用電阻調(diào)速外，還常采用渦流制動(dòng)器、調(diào)頻、變極、可控硅和機(jī)電聯(lián)合等方式調(diào)速；每種調(diào)速方式都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的問(wèn)世，和可編程控制器（PLC）的運(yùn)用，使得變頻調(diào)速變得簡(jiǎn)單可靠，必然導(dǎo)致塔機(jī)調(diào)速方式的一場(chǎng)革命，目前電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式最有前途的一種方法就是變頻調(diào)速，變頻器也在最近的幾年里被越來(lái)越多的運(yùn)用起來(lái)，本次設(shè)計(jì)就是采用這種最為先進(jìn)的方式來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速的，這樣的調(diào)速方式不僅安全可靠，而且可以使各部件運(yùn)行平穩(wěn)，隨著變頻器的功能越來(lái)越強(qiáng)大，塔機(jī)的性能也將會(huì)隨之提高。本文主要通過(guò)對(duì)塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)工作原理、PLC原理、變頻器原理進(jìn)行介紹，并通過(guò)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式比較，選出最簡(jiǎn)單可靠穩(wěn)定的調(diào)速方法。本設(shè)計(jì)將PLC和變頻器運(yùn)用到塔機(jī)的電氣控制當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)塔機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速。為了確保安全，塔式起重機(jī)具有良好的安全裝置，如起重量、幅度、高度和載荷力矩等限制裝置，以及行程限位開關(guān)、塔頂信號(hào)燈、測(cè)風(fēng)儀、防風(fēng)夾軌器、爬梯護(hù)身圈、走道護(hù)欄等。司機(jī)室要求舒適、操作方便、視野好和有完善的通訊設(shè)備。1.3課題研究的意義我國(guó)塔機(jī)行業(yè)已有近50年的發(fā)展史,從無(wú)到有、從小到大,逐步形成了比較完整的體系,成為機(jī)械行業(yè)中增幅最快的新興行業(yè)之一,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了有力的裝備支持。我國(guó)加入WTO后，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)日益融入世界經(jīng)濟(jì)體系，未來(lái)對(duì)于起重機(jī)的同行們充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)，隨著社會(huì)的發(fā)展，具有先進(jìn)技術(shù)與功能的塔機(jī)終將會(huì)成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。所以對(duì)起重機(jī)的研究對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著非常重要的意義。隨著電氣材料的進(jìn)步，電氣控制設(shè)備也將越來(lái)越先進(jìn)，自動(dòng)化程度將越來(lái)越高，變頻器作為進(jìn)幾年來(lái)才被廣泛使用的一種設(shè)備，目前對(duì)它的研究尚不成熟，對(duì)變頻器的研究和應(yīng)用，有著很大的發(fā)展?jié)摿Γ疚乃芯康恼{(diào)速系統(tǒng)，變頻器就是整個(gè)電氣部分的核心內(nèi)容，更由于可編程控制器功能強(qiáng)大，將二者完美的結(jié)合在一起來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，所以如何靈活簡(jiǎn)單的的運(yùn)用變頻器有著重要的意義，變頻器調(diào)速相比以往的調(diào)速方式也有更多的優(yōu)點(diǎn)，所以變頻器調(diào)速必將成為起重機(jī)的發(fā)展方向。也將會(huì)是中國(guó)塔式起重機(jī)現(xiàn)今發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2塔式起重機(jī)的構(gòu)造與工作原理塔式起重機(jī)有三個(gè)運(yùn)動(dòng)：起升運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、變幅運(yùn)動(dòng)。重物的提升與下降靠的就是起升運(yùn)動(dòng)，重物能被放置的位置范圍由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和變幅運(yùn)動(dòng)決定。塔式起重機(jī)是由：取物裝置、制動(dòng)裝置、起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、安全與指示裝置構(gòu)成。本設(shè)計(jì)的塔式起重機(jī)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻器調(diào)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)節(jié)器與減速箱的高速軸相連，其間安裝制動(dòng)裝置，減速箱與卷筒連接，再將鋼絲繩焊接在卷筒上以實(shí)現(xiàn)起升和變幅運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)部分也是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)速也通過(guò)減速箱連接到小齒輪，小齒輪再驅(qū)動(dòng)大齒輪形成塔機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。整個(gè)塔機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2.1所示：圖2.1塔式起重機(jī)簡(jiǎn)圖2.1起升機(jī)構(gòu)2.1.1起升機(jī)構(gòu)概述起升機(jī)構(gòu)用來(lái)實(shí)現(xiàn)貨物的升降，是起重機(jī)中重要的機(jī)構(gòu)，也是最基本的機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)工作的好壞將直接影響到整臺(tái)起重機(jī)的工作性能。起升機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、卷繞系統(tǒng)、取物裝置和制動(dòng)裝置組成。此外，還可以根據(jù)需要裝設(shè)各種輔助裝置，如限位器、其重量限制器、速度限制器、稱量裝置等。2.1.2起升機(jī)構(gòu)的典型傳動(dòng)簡(jiǎn)圖1-電動(dòng)機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-制動(dòng)器；4-減速箱；5-鋼絲繩；6-吊鉤組；7-卷筒圖2.2起升機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖圖2.2所示為起升機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該起升機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速器的高速軸相連，機(jī)構(gòu)工作時(shí)，減速器的低速軸帶動(dòng)卷筒，將鋼絲繩卷上或放出，經(jīng)過(guò)滑輪組系統(tǒng)（如圖2.3所示），使吊鉤實(shí)現(xiàn)上升或下降，機(jī)構(gòu)停止工作時(shí)，制動(dòng)器使吊鉤連同貨物懸吊在空中，吊鉤的升降靠電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。1-小車；2-牽引輪；3-張緊輪；4-驅(qū)動(dòng)卷筒；5-吊鉤圖2.3塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的滑輪組系統(tǒng)圖2.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2.2.1旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)概述使起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分相對(duì)于非旋轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置稱為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)起重機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)之一，它的作用是使已被起升在空間的貨物繞起重機(jī)的垂直軸線做圓弧運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到在水平面內(nèi)的運(yùn)輸貨物的目的。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成：旋轉(zhuǎn)支承裝置與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)支承裝置的任務(wù)是保證起重機(jī)旋轉(zhuǎn)部分有確定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，它應(yīng)提供所要求的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的約束；從受力方面來(lái)看，它應(yīng)能承受起重機(jī)各種載荷所引起的垂直力、水平力與傾覆力矩。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，為了適應(yīng)不同生產(chǎn)條件的要求，創(chuàng)造了多種形式的旋轉(zhuǎn)支承裝置，前者的主要優(yōu)點(diǎn)是承受傾覆力矩的能力較好，后者的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間高度較小。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式和構(gòu)造，主要是根據(jù)起重機(jī)的用途、工作特點(diǎn)、起重機(jī)的大小來(lái)確定。在實(shí)際起重機(jī)中采用了多種旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案，主要形式有：機(jī)械驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。2.2.2旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的典型傳動(dòng)簡(jiǎn)圖1-電動(dòng)機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-制動(dòng)器；4-減速箱；5-小齒輪；6-大齒輪圖2.4旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖圖2.4所示為旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速器的高速軸相連，機(jī)構(gòu)工作時(shí)，減速器的低速軸帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪再驅(qū)動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)支撐裝置的上部分旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變是靠電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。塔吊是靠起重臂回轉(zhuǎn)來(lái)保證其工作覆蓋面的，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是通過(guò)上、下回轉(zhuǎn)支座分別裝在回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)外圈上，并由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)小齒輪，小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的大齒圈嚙合(如圖2.5所示),帶動(dòng)回轉(zhuǎn)上支座相對(duì)于下支座運(yùn)動(dòng)。大齒圈需要兩至四個(gè)小齒輪驅(qū)動(dòng)，小齒輪均勻放在大齒圈四周，塔機(jī)回轉(zhuǎn)慣性很大，回轉(zhuǎn)起、制動(dòng)時(shí)往往會(huì)有慣性沖擊。為保證回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作特性要軟，回轉(zhuǎn)加減速度一定要小，要求驅(qū)動(dòng)小齒輪的電動(dòng)機(jī)之間保持同步。圖2.5旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大小齒輪嚙合示意圖2.3變幅機(jī)構(gòu)2.3.1變幅機(jī)構(gòu)概述塔式起重機(jī)中，從取物裝置中心線到起重機(jī)旋轉(zhuǎn)中心線的距離稱為起重機(jī)的幅度，用來(lái)改變幅度的機(jī)構(gòu)，稱為起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)。根據(jù)工作性質(zhì)的不同，變幅機(jī)構(gòu)分為調(diào)整性的和工作性的兩種。調(diào)整性變幅機(jī)構(gòu)只在裝卸開始前的空載條件下變幅，使起重機(jī)調(diào)整到適于吊運(yùn)物品的幅度，有時(shí)是根據(jù)物品的裝卸點(diǎn)與起重機(jī)位置的要求變更幅度，有時(shí)是根據(jù)物品的質(zhì)量變更幅度，因?yàn)樵S多旋轉(zhuǎn)起重機(jī)如塔式起重機(jī)、汽車起重機(jī)、輪胎起重機(jī)、履帶起重機(jī)等，由于傾覆穩(wěn)定性的限制，在吊運(yùn)重物時(shí)必須將幅度調(diào)整到允許范圍以內(nèi)。工作性變幅機(jī)構(gòu)可使物品沿起重機(jī)的徑向做水平移動(dòng)，以擴(kuò)大起重機(jī)的服務(wù)面積和提高工作機(jī)的性能。根據(jù)變幅方法，變幅機(jī)構(gòu)分為運(yùn)行小車式和擺動(dòng)臂架式兩種。本設(shè)計(jì)中的塔式起重機(jī)采用的是運(yùn)行小車式變幅機(jī)構(gòu)。此種變幅機(jī)構(gòu)中，幅度的改變是靠小車沿著水平的臂架弦桿運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)行小車有自行式和繩索牽引式兩種。這類變幅機(jī)構(gòu)主要用作工作性變幅機(jī)構(gòu)，它主要用于電動(dòng)葫蘆的小型固定式旋轉(zhuǎn)起重機(jī)，也用于部分塔式起重機(jī)。2.3.2運(yùn)行小車式變幅機(jī)構(gòu)的典型傳動(dòng)簡(jiǎn)圖1-電動(dòng)機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-制動(dòng)器；4-減速箱；5-驅(qū)動(dòng)卷筒；6-鋼絲繩（連接到小車）圖2.6變幅機(jī)構(gòu)傳動(dòng)簡(jiǎn)圖圖2.6所示為變幅機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該變幅機(jī)構(gòu)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與減速器的高速軸相連，機(jī)構(gòu)工作時(shí)，減速器的低速軸帶動(dòng)卷筒，將鋼絲繩卷上或放出，經(jīng)過(guò)滑輪組系統(tǒng)（如圖2.7所示），使小車實(shí)現(xiàn)左移或右移，機(jī)構(gòu)停止工作時(shí)，制動(dòng)器使吊鉤連同貨物懸吊在空中，小車的左右移靠電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。1-小車；2-張緊輪；3-牽引輪；4-驅(qū)動(dòng)卷筒圖2.7塔機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的滑輪組系統(tǒng)圖

3變頻調(diào)速原理3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（定子繞組內(nèi)三相電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)）和轉(zhuǎn)子電流（轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的電流）的相互作用。如圖3.1（a）所示,當(dāng)定子的對(duì)稱三相繞組接到三相電源上時(shí)，繞組內(nèi)將通對(duì)稱三相電流，并在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)沿定子內(nèi)圓周方向旋轉(zhuǎn)。圖3.1（b）所示為具有一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，我們擬想磁極位于釘子鐵心內(nèi)畫有陰影線的部分。（a）定子繞組與電源的連接（b）工作原理圖3.1三相異步電動(dòng)機(jī)當(dāng)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體切割磁通將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，假設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，則相當(dāng)于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)切割磁通，根據(jù)右手定則，在N極下轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電勢(shì)的方向系由圖指向讀者，而在S極下轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電勢(shì)的方向由讀者指向圖面。由于電動(dòng)勢(shì)e2的存在所以必定在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電流i2，根據(jù)安培電磁力定律，轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用將產(chǎn)生電磁力F（其方向由左手定則決定，這里假設(shè)i2和同相e2），該力在轉(zhuǎn)子的軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)子受此轉(zhuǎn)矩的作用，就按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)。但是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度n恒比旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度n0（同步轉(zhuǎn)速）為小，因?yàn)槿绻麅煞N轉(zhuǎn)速相等，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割磁通，便不能感應(yīng)出電勢(shì)e2和產(chǎn)生電流i2，也就沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子將不會(huì)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)速差是保證轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的主要因素。由于轉(zhuǎn)子速度不等于同步轉(zhuǎn)速，所以把這種電動(dòng)機(jī)稱為異步電動(dòng)機(jī)，而把轉(zhuǎn)速差（n0-n）與同步轉(zhuǎn)速n0的比值稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用S表示，即s=（3.1）轉(zhuǎn)差率S是分析異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況的主要參數(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，由下式?jīng)Q定：n0＝ （3.2）式中，n0—同步轉(zhuǎn)速，r∕min；f—電流的頻率，Hz；p—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。由式（3.1）和式（3.2），可以推導(dǎo)出：n＝（1－s） （3.3）三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線是指轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n隨著電磁轉(zhuǎn)矩T變化的關(guān)系曲線，即n=f(T)曲線。它有固有機(jī)械特性和認(rèn)為機(jī)械特性之分。異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下，用規(guī)定的接線方式，定子和轉(zhuǎn)子電路中的不串聯(lián)任何電阻或電抗時(shí)的機(jī)械特性稱為固有（自然）機(jī)械特性。圖3.2異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的參數(shù)有關(guān)，也與外加電源電壓、電源頻率有關(guān)，將關(guān)系式中的參數(shù)人為地加以改變而獲得的特性稱為異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性電壓U的變化對(duì)理想空載轉(zhuǎn)速no和臨界轉(zhuǎn)差率Sm不發(fā)生影響，但最大轉(zhuǎn)矩Tmax與U2成正比，當(dāng)降低定子電壓時(shí)，no和Sm不變，而Tmax大大減小。圖3.3改變電源電壓時(shí)的認(rèn)為特性

在同一轉(zhuǎn)差率情況下，人為特性與固有特性的轉(zhuǎn)矩之比等于電壓的平方之比。因此在繪制降低電壓的人為特性時(shí)，是以固有特性為基礎(chǔ)，在不同的S處，取固有特性上對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩乘降低電壓與額定電壓比值的平方，即可作出人為特性曲線：圖3.4定子電路外接電阻或電抗時(shí)的人為特性3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法3.2.1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式選擇由式（3.3）表明，要改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，除了改變頻率以外，只有兩種辦法：（1）改變磁極對(duì)數(shù)這種方法的缺點(diǎn)是十分明顯的：一臺(tái)電動(dòng)機(jī)最多只能安置兩套繞組，每套繞組最多只能有兩種接法。所以，最多只能得到4種轉(zhuǎn)速，與無(wú)級(jí)調(diào)速相去甚遠(yuǎn)。（2）改變轉(zhuǎn)差率這種方法適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)滑環(huán)與電刷改變外接電阻值來(lái)進(jìn)行調(diào)速顯然，這是通過(guò)改變?cè)谕饨与娮柚邢哪芰康亩嗌賮?lái)調(diào)速的，不利于節(jié)能。此外，由于增加了滑環(huán)與電刷，從而增加了容易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。所以決定通過(guò)改變頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)速，首先分析電動(dòng)機(jī)的能量關(guān)系3.2.2電動(dòng)機(jī)的能量關(guān)系（1）輸入功率 三相交流異步電動(dòng)機(jī)的輸入功率就是從電源吸取的電功率，用P1表示，計(jì)算公式如下：P1＝3U1I1cosφ1 （3.4）式中，P1─輸入功率，kW；U1─電源相電壓，V；I1─電動(dòng)機(jī)的相電流，A；cosφ1─定子繞組的功率因數(shù)。（2）電磁功率 定子輸入功率中減去定子繞組的銅損pcu1和鐵損pFe1后，將全部轉(zhuǎn)換成傳輸給轉(zhuǎn)子的電磁功率PM，計(jì)算公式如下：PM＝3E1I1cosφ1 （3.5）式中，PM─電磁功率，kW；E1─定子每相繞組的反電動(dòng)勢(shì)，V。定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的結(jié)果，其有效值計(jì)算如下：E1＝4.44KEfN1Φ1 （3.6）式中，N1─定子每相繞組的匝數(shù)；Φ1─定子每對(duì)磁極下基波磁通，Wb；KE─繞組的電勢(shì)系數(shù)。式（3.6）表明，當(dāng)頻率一定時(shí)，E1的大小直接反應(yīng)了磁通Φ1的大小。（3）轉(zhuǎn)子側(cè)的電磁功率 轉(zhuǎn)子是通過(guò)電磁感應(yīng)得到從定子傳遞過(guò)來(lái)的電磁功率的，其大小由下式計(jì)算：PM＝3E2’I2’cosφ2 （3式中，E2’I2’─轉(zhuǎn)子等效繞組相電流的折算值，Acosφ2─轉(zhuǎn)子等效繞組的功率因數(shù)。這里，所謂轉(zhuǎn)子的等效繞組，是一組效果與實(shí)際繞組（鼠籠條）完全相同的假想繞組，其結(jié)構(gòu)與定子繞組相同。等效繞組中的各物理量，都綴以“’”。E2’E2’＝4.44KEfN1Φ1 （3.比較式（3.6）和式（3.8）可以看出，由于轉(zhuǎn)子等效繞組的結(jié)構(gòu)和定子繞組完全相同，因此：E2’＝E（4）輸出功率 電動(dòng)機(jī)的輸出功率就是軸上的機(jī)械功率，其大小由下式計(jì)算：P2＝ （3.9）式中，TM─電動(dòng)機(jī)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩，Nm；nM─電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r∕min。電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子電流與磁通相互作用的結(jié)果，其大小計(jì)算如下：TM＝KTΦ1I2’cosφ2 （3.式中，KT─繞組的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。3.2.3電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的特點(diǎn)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作頻率fX下降時(shí)，各部分功率的變化情形如下：1．輸入功率在式（3.4）中，與輸入功率P1有關(guān)的各因子中，除cosφ1略有變化外，都和fX沒(méi)有直接關(guān)系。因此，可以認(rèn)為，fX下降時(shí)，P1基本不變。2．輸出功率由于在等速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM總是和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的。所以，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的情況下，TM也不變。而輸出軸上的轉(zhuǎn)速nX必將隨fX下降而下降，由式（3.9）知，輸出功率P2也隨fX的下降而下降。3．電磁功率當(dāng)輸入功率P1不變而輸出功率P2減小時(shí)，傳遞能量的電磁功率PM必增大。這意味著磁通Φ也必增大，（電動(dòng)機(jī)的磁通在電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)接近最大值）并導(dǎo)致磁路飽和。這是異步電動(dòng)機(jī)在電流頻率下降時(shí)出現(xiàn)的一個(gè)特殊問(wèn)題。式（3.6）中，4.44KE是常數(shù)，針對(duì)某一臺(tái)具體的電動(dòng)機(jī)，每相定子繞組的匝數(shù)N1也是常數(shù)。故式（3.6）又可寫為：E1＝KE’·f1Φ1 （3.11）式中，KE’＝4.44KEN1—常數(shù)。由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值e1決定于磁通的變化率：e1＝－（3.12）式中，—磁通的變化率。可見(jiàn)，反電動(dòng)勢(shì)的大小，既和頻率大小成正比，也和磁通的振幅值（或有效值）成正比。所以，如能保持：＝const （3.13）則磁通Φ1將可保持不變。但反電動(dòng)勢(shì)E1X是線圈自身產(chǎn)生的，無(wú)法從外部控制其大小，故式（3.13）所表達(dá)的條件將難以實(shí)現(xiàn)。反電動(dòng)勢(shì)E1X是從外加電壓U1X中，減去定子繞組的阻抗壓降ΔU1X后的結(jié)果。由于定子繞組的阻抗壓降ΔU所占比例較小，因此，用比較容易從外部進(jìn)行控制的外加電壓U1X來(lái)近似地代替反電動(dòng)勢(shì)E1X是具有現(xiàn)實(shí)意義的。即：＝const （3.14）所以，變頻的同時(shí)也必須變壓，目的是為了保持磁通基本不變：＝const→Φ1≈const這就是U/F調(diào)速，而圖3.6稱為基本U∕f線。圖3.6基本U∕f線為了使EX∕?X＝const的條件得到滿足，以維持磁通Φ1基本不變，人們首先想到的辦法便是：頻率下降時(shí)，在UX∕?X＝const的基礎(chǔ)上增加Δu，適當(dāng)提高UX∕?X的比值，以補(bǔ)償阻抗壓降ΔU在UX中所占比例增大的影響。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償或電壓補(bǔ)償，也叫轉(zhuǎn)矩提升。因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)改變U∕?比來(lái)實(shí)現(xiàn)的，故通常稱為V∕F控制法。如圖3.7a）所示，曲線①是kU＝kF時(shí)的U∕?線，當(dāng)頻率為?X時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為UX；曲線②是補(bǔ)償后的U∕?線。當(dāng)頻率為?X時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓增加為UX’＝UX＋Δu，使UX’∕?X＞UN∕?N。如補(bǔ)償?shù)们〉胶锰幍脑?，則反電動(dòng)勢(shì)與頻率之比與額定狀態(tài)基本相同，如圖b）所示，從而使磁通ΦX’大體上與額定磁通相等：≈→ΦX’≈ΦN圖3.7轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)脑?.4變頻器變頻原理3.4.1變頻調(diào)速原理1.變頻器的功用變頻器的功用是將頻率固定（通常為工頻50HZ）的交流電（三相的或單相的）變換成頻率連續(xù)可調(diào)（0——50HZ）的三相交流電。2.變頻調(diào)速的工作原理當(dāng)頻率f連續(xù)可調(diào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào)。又因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總比同步轉(zhuǎn)速n0略低一些。所以當(dāng)n0連續(xù)可調(diào)時(shí)，n也連續(xù)可調(diào)。3.4.2變頻器的類別1.按變換環(huán)節(jié)分（1）交-交變頻器把頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍寬，一般為額定頻率的1/2以下（0到fn/2），故它主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。（2）交-直-交變頻器先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電。由于把直流電變換為交流電的環(huán)節(jié)較易控制，因此，在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及改善變頻后電動(dòng)機(jī)的特性方面，都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前迅速地普及應(yīng)用的主要是這一種。本設(shè)計(jì)也采用的這種變頻器。2.按電壓的調(diào)節(jié)方式分（1）PAM（脈幅調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過(guò)改變直流電壓的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)制。在中小容量變頻器中，這種方式幾近絕跡。（2）PWM（脈寬調(diào)制）變頻器輸出電壓的大小通過(guò)改變輸出脈沖的占空比來(lái)進(jìn)行調(diào)制。目前普遍應(yīng)用的是占空比按正弦規(guī)律安排的正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）方式，這也是本次設(shè)計(jì)所采用的調(diào)制方式。3.按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式分（1）電流型直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能元件是電感線圈L。（2）電壓型直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電容C。本次設(shè)計(jì)采用電壓型變頻器。3.4.3變頻器的額定值和頻率指標(biāo)1.輸入側(cè)的額定值主要是電壓和相數(shù)。在我國(guó)，中小容量變頻器中，輸入電壓的額定值有以下幾種（線電壓）：（1）380V，3相這是絕大多數(shù)。（2）220V，3相主要用于某些進(jìn)口設(shè)備中。（3）220V，單相主要用于家用小容量變頻器中。此外，對(duì)輸入側(cè)的電源電壓的頻率也做了規(guī)定，通常都是工頻50HZ或60HZ。2.輸出側(cè)的額定值（1）輸出電壓UN由于變頻器在變頻的同時(shí)也要變壓，所以輸出電壓的額定值是指輸出電壓中的最大值。在大多數(shù)情況下，它是輸出頻率等于電動(dòng)機(jī)額定頻率時(shí)的輸出電壓值。通常，輸出電壓的額定值總是和輸入電壓相等的。（2）輸出電流IN是指允許長(zhǎng)時(shí)間輸出的最大電流，是用戶在旋轉(zhuǎn)變頻器時(shí)的主要依據(jù)。（3）輸出容量SNSN取決于UN和IN的乘積。（4）配用電動(dòng)機(jī)容量PN對(duì)于變頻器說(shuō)明書中規(guī)定的配用電動(dòng)機(jī)容量，需要說(shuō)明如下：1）它是個(gè)估算值，由于電動(dòng)機(jī)容量的標(biāo)準(zhǔn)值是比較統(tǒng)一的，而電機(jī)的功率因素和效率卻很不一致，所以配用電動(dòng)機(jī)容量相同的不同品牌的變頻器的容量卻常不同。2）說(shuō)明書中的配用電動(dòng)機(jī)容量，僅對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)載才是適合的，對(duì)于各種變動(dòng)負(fù)載來(lái)說(shuō)，則不適合。（5）過(guò)載能力變頻器的過(guò)載能力是指其輸出電流超過(guò)額定電流的允許范圍和時(shí)間。大多數(shù)變頻器都規(guī)定為150%IN/min。3.頻率指標(biāo)（1）頻率范圍即變頻器輸出的最高頻率fmax和最低頻率fmin。各種變頻器規(guī)定的頻率范圍不盡一致。通常，最低工作頻率約為0.1-1HZ；最高工作頻率約為200-500HZ。（2）頻率精度指變頻器輸出頻率的準(zhǔn)確度。由變頻器的實(shí)際輸出頻率與給定頻率之間的最大誤差與最高工作頻率直比的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如，用戶給定的最高工作頻率為fmax=250HZ，頻率精度為0.01%，則最大誤差為Δfmax=0.001×120HZ=0.012HZ通常由數(shù)字量給定時(shí)的頻率精度約比模擬量給定時(shí)間的頻率精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。（3）頻率分辨率指輸出頻率的最小改變量，即每相鄰兩種頻率之間的最小差值。例如，當(dāng)工作頻率為fx=250HZ時(shí)，如變頻器的頻率分辨率為0.01HZ，則上一擋的最小頻率為fx’=（25+0.01）HZ=25.01HZ下一檔的最大頻率為fx”=（25-0.01）HZ=24.99HZ3.4.4變頻器主電路該變頻器采用的交-直-交的變頻方式，其主電路如圖3.8所示，其工作方式闡明如下。交-直部分能耗部分直-交部分圖3.8交-直-交變頻器的主電路1.交-直部分三相交流電UI為380V（線電壓）輸入變頻器的輸入端，經(jīng)過(guò)三相橋式全波整流橋，將電源的三相交流電整流成直流電。電源的線電壓為380V，則三相全波整流后平均直流電壓UZ的大小為UZ=1.35×380V=513V2.濾波部分（1）全波整流后的直流電存在波紋，電容器C的功能就是將這些波紋濾平，使其成為可調(diào)性好的直流電，提高直-交調(diào)節(jié)的精確度。（2）起重機(jī)在工作中負(fù)載若遇到變化時(shí)，電容C可使直流電壓保持平穩(wěn)。（3）電容器C還可以儲(chǔ)存能量，變頻器內(nèi)部有檢測(cè)電路，在工作中隨時(shí)檢測(cè)電容器C兩端的電壓，起重機(jī)在下放重物的時(shí)候，如果負(fù)載較大，電動(dòng)機(jī)將處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)電容器C會(huì)被充電，電壓升高，此時(shí)檢查到電壓過(guò)高時(shí)，變頻器控制將接通晶體管VB使B+、B-之間形成回路，由電阻R消耗能量。降低電容器C的電壓。2.直-交部分逆變部分是由6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）組成的逆變橋，逆變管V1-V6把經(jīng)過(guò)全波整流出來(lái)的直流電再逆變成頻率可調(diào)的交流電。這是變頻器的具體執(zhí)行環(huán)節(jié)，因此也是變頻器的核心部分。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是MOSFET（MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和電力晶體管（GTR）相結(jié)合的產(chǎn)物。其主題部分與晶體管相同，也有集電極（C）和發(fā)射極（E），但驅(qū)動(dòng)部分卻和場(chǎng)效應(yīng)晶體管相同，是絕緣柵結(jié)果。其符號(hào)和基本接法如圖3.9所示。圖3.9IGBT的基本結(jié)構(gòu)IGBT的工作特點(diǎn)是，控制部分與場(chǎng)效應(yīng)晶體管相同，控制信號(hào)為電壓信號(hào)uGE,輸入阻抗很高，柵極電流IG約等于0，故驅(qū)動(dòng)功率很小。而其主電路部分則與GRT相同，工作電流為集電極電流IC。迄今，IGBT的擊穿電壓也做到了1200V，集電極最大飽和電流已超過(guò)了1500A，由IGBT作為逆變器件的變頻器容量已達(dá)到250kVA以上。此外，其工作頻率可達(dá)20HZ。有IGBT作為逆變器件的變頻器的載波頻率一般都在10kHz以上，故電動(dòng)機(jī)的電流波形比較平滑，基本無(wú)電磁噪聲。目前，在新系列的中小容量變頻器中，IGBT已處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的地位。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)集成化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)大同小異。在逆變電路里，IGBT通過(guò)G輸入端控制電流的通斷，將直流電轉(zhuǎn)換為連續(xù)的交流電。兒IGBT里的二極管是當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電流反向進(jìn)入變頻器，由電容器C儲(chǔ)能。下面介紹逆變橋的原理。3.逆變橋的工作原理該變頻器采用的是三相逆變橋，三相逆變橋的結(jié)構(gòu)如圖3.8的直-交部分所示。B+和B-為直流電源端，U、V、W為逆變橋的輸出端。在每個(gè)周期中，逆變管的工作情況如圖3.10所示。圖中，陰影部分為各逆變管的導(dǎo)電時(shí)間。圖3.10三相逆變橋各管的通斷安排逆變橋的輸出線電壓1）U、V之間（uUV）在t1、t2時(shí)間內(nèi)，V1、V4同時(shí)導(dǎo)通，U為“+”、V為“-”，uUV為“+”，且Um=UD。在t4、t5時(shí)間內(nèi)，V2、V3同時(shí)導(dǎo)通，U為“-”、V為“+”，uUV為“-”，且Um=UD。2）V．W之間（uVW）在t3、t4時(shí)間內(nèi)，V3、V6同時(shí)導(dǎo)通，V為“+”、W為“-”，uVW為“+”，且Um=UD。在t6、t1時(shí)間內(nèi)，V4、V5同時(shí)導(dǎo)通，V為“-”、W為“+”，uVW為“-”，且Um=UD。3)W、U之間（uWU）在t5、t6時(shí)間內(nèi)，V5、V2同時(shí)導(dǎo)通，W為“+”、U為“-”，uWU為“+”，且Um=UD。在t2、t3時(shí)間內(nèi)，V1、V6同時(shí)導(dǎo)通，W為“-”、U為“+”，uWU為“-”，且Um=UD。uUV、uVW、uWU的波形如圖3.11所示。由圖可知，三者之間的相位互差2π/3，它們的振幅都是直流電壓UD相等。圖3.11三相逆變橋的輸出電壓可見(jiàn)，只要按照一定的規(guī)律來(lái)控制六個(gè)逆變管的導(dǎo)通與截止，就可以把直流電逆變成三相交流電。而逆變后的電流頻率，則可以在上述導(dǎo)通規(guī)律不變的前提下，通過(guò)改變控制信號(hào)的變化周期來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.5SPWM（正弦脈寬調(diào)制）圖3.圖3.12SPWM調(diào)制a）SPWM的含義b）SPWM調(diào)制的電流波按正弦規(guī)律分布的話，便是正弦脈寬調(diào)制（SPWM），如圖3.脈沖的占空比也較小；反之，當(dāng)正弦量為振幅值時(shí)，脈沖的占空比也較大。SPWM的顯著優(yōu)點(diǎn)是：由于電動(dòng)機(jī)的繞組具有電感性，因此，盡管電壓是由一系列的脈沖構(gòu)成的，但通入電動(dòng)機(jī)的電流卻十分逼近于正弦波，如圖b）所示。經(jīng)過(guò)正弦脈寬調(diào)制后的脈沖系列中，各脈沖的上升沿與下降沿是由正弦波和三角波的交點(diǎn)來(lái)決定的。這里，三角波是載波，正弦波是調(diào)制波。所以，可以說(shuō)，SPWM的脈沖系列，是調(diào)制波調(diào)制載波的結(jié)果。雙極性調(diào)制實(shí)際變頻器中，更多地使用雙極性調(diào)制方式。其特點(diǎn)是，三角波是雙極性的，如圖3.13所示。雙極性調(diào)制后的脈沖系列也是雙極性的，如圖中之uU、uV、uW。但合成后的線電壓脈沖系列則是單極性的。要具體地實(shí)施SPWM，必須實(shí)時(shí)地求出各相的正弦波與三角波的交點(diǎn)。它們的周期根據(jù)用戶的需要而隨時(shí)調(diào)整；并且，正弦波的振幅值也隨周期而變。只有在微機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的條件下，才有可能在極短的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)地計(jì)算出正弦波與三角波的所有交點(diǎn)。并使逆變管按各交點(diǎn)所規(guī)定的時(shí)刻有序地導(dǎo)通和截止。圖3.13雙極性調(diào)制方式3.6能耗電路計(jì)算3.6.1制動(dòng)電流的近似估算準(zhǔn)確計(jì)算制動(dòng)電流非但比較麻煩，也沒(méi)有必要。統(tǒng)計(jì)資料表明，當(dāng)流過(guò)能耗電路的制動(dòng)電流IB等于電動(dòng)機(jī)額定電流的一半時(shí)，電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約等于其額定轉(zhuǎn)矩：IB＝IMN∕2→TB≈TMN（3.15）式中，IB—制動(dòng)電流，A；IMN—電動(dòng)機(jī)額定電流，A；TB—制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；TMN—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m。一般情況下，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的選擇范圍是：TMN＜TB＜2TMN （3.16）用戶可根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況，按式（3.15）和（3.16）來(lái)決定制動(dòng)電流。3.6.2制動(dòng)電阻的計(jì)算（1）電阻值 當(dāng)制動(dòng)電流決定以后，計(jì)算制動(dòng)電阻是十分容易的：RB≥ （3.17）式中，RB—制動(dòng)電阻值，Ω；UBH—直流電壓的上限值，V。（2）直流電壓的上限值 按照國(guó)家規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)電壓的最大上限值，不應(yīng)超過(guò)額定值的10%，故一般規(guī)定直流電壓的上限值如下：UBH＞UL（1＋10%）=380×1.414×1.1=591.05V （3.18）式中，UL—輸入線電壓的有效值，V。我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)電壓統(tǒng)一為380V，則直流電壓的上限值應(yīng)為600V。但進(jìn)口變頻器的進(jìn)線電壓最高可達(dá)460V，故直流電壓的上限值大多定為700V。也有定為800V的，UBH取為800V。（3）制動(dòng)電阻的容量 當(dāng)制動(dòng)電阻接入電路時(shí)，所消耗的功率為：PBO＝ （3.19）式中，PBO—制動(dòng)電阻接入電路時(shí)消耗的功率，kW。因?yàn)槟芎碾娐凡⒉豢偸翘幱趯?dǎo)通狀態(tài)的，并且，每次導(dǎo)通的時(shí)間往往不長(zhǎng)。所以，實(shí)際制動(dòng)電阻的容量可以適當(dāng)減?。篜B≥αBPBO （3.20）式中，PBO—制動(dòng)電阻容量的實(shí)際值，kW；αB—容量的修正系數(shù)。αB的取值范圍大致如下：用于減速或停機(jī)時(shí) αB＝0.1～0.5用于運(yùn)行發(fā)電時(shí) αB＝0.8～1.0旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)都屬于減速和停機(jī)時(shí)，所以取αB＝0.2根據(jù)（3.17）可知：在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，電機(jī)額定電流30A，所以IB=15A，可得RB=55Ω，PB=1.1KW在變幅機(jī)構(gòu)中，電機(jī)額定電流6.8A，所以IB=3.4A，可得RB=235Ω，PB=0.3KW。

4可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理4.1PLC的基本結(jié)構(gòu)PLC的類型繁多，但其結(jié)構(gòu)和工作原理則是大同小異，一般是由中央處理單元（CPU）、儲(chǔ)存器、輸入/輸出單元、編程器、電源等主要部分構(gòu)成的。如果把PLC看作一貫系統(tǒng)，外部的開關(guān)信號(hào)或模擬信號(hào)均為輸入變量，它們經(jīng)輸入接口存到PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器中，而后經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算或數(shù)據(jù)處理以輸出變量的形式送到輸出接口，從而控制輸出設(shè)備。4.1.1中央處理器（CPU）CPU是PLC的核心部件，它類似人的大腦，能指揮PLC按時(shí)預(yù)先編好的系統(tǒng)程序完成各種任務(wù)。其作用有以下幾點(diǎn)：接收、儲(chǔ)存由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，并通過(guò)顯示器顯示出程序的內(nèi)容和儲(chǔ)存地址。檢查、校驗(yàn)用戶程序。對(duì)正在輸入的用戶程序進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤立即報(bào)警，并停止輸入；在程序運(yùn)行過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則立即報(bào)警或停止程序執(zhí)行。接收、調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)信息。將接收到現(xiàn)場(chǎng)輸入的數(shù)據(jù)保存起來(lái)，在需要該數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)⑵湔{(diào)出、并送到需要該數(shù)據(jù)的地方。執(zhí)行用戶程序。當(dāng)PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)之后，CPU根據(jù)擁護(hù)程序存放的先后順序，逐條讀取、解釋和執(zhí)行程序，完成用戶程序中規(guī)定的各種操作，并將程序的結(jié)果送至輸出端口，以驅(qū)動(dòng)PLC外部的負(fù)載。診斷電源、PLC內(nèi)部電路的故障，根據(jù)故障或錯(cuò)誤的類型，通過(guò)顯示器顯示出相應(yīng)的信息，以提示用戶及時(shí)排除故障或糾正錯(cuò)誤。4.1.2儲(chǔ)存器儲(chǔ)存器可以分為以下3種系統(tǒng)程序儲(chǔ)存器。系統(tǒng)程序的廠家根據(jù)其選用的CPU的指令系統(tǒng)編寫的，它決定了PLC的功能。系統(tǒng)程序儲(chǔ)存器是只讀儲(chǔ)存器，用戶不能更改其內(nèi)容。用戶程序儲(chǔ)存器。根據(jù)控制要求而編寫的應(yīng)用程序稱為用戶程序。不同機(jī)型的PLC，其用戶程序的儲(chǔ)存器容量可能相差很大。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程或工藝的要求，用戶程序經(jīng)常需要改動(dòng)，所以用戶程序儲(chǔ)存器必須可讀寫。一般要用后備電池進(jìn)行掉電保護(hù)，以防止掉電時(shí)的丟失程序。工作數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器。用來(lái)存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)的區(qū)域叫工作數(shù)據(jù)區(qū)。工作數(shù)據(jù)是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的，所以這種儲(chǔ)存器必須可讀寫。在工作數(shù)據(jù)區(qū)中開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表。其中元件映像寄存器用來(lái)存儲(chǔ)開關(guān)量輸入/輸出狀態(tài)以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器。輔助繼電器等內(nèi)部器件的NO/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來(lái)存放各種數(shù)據(jù)，它存儲(chǔ)用戶程序執(zhí)行時(shí)的某些可變參數(shù)值及A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量和數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果等。在PLC斷電時(shí)能保持?jǐn)?shù)據(jù)的儲(chǔ)存器區(qū)稱數(shù)據(jù)保持區(qū)。4.1.3輸入/輸出單元輸入/輸出（I/O）單元是PLC與外部設(shè)備相互聯(lián)系的窗口。輸入單元接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備向PLC提供信號(hào)。例如由按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、接近開關(guān)、撥碼器等提供的開關(guān)量信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入電路的濾波、關(guān)電隔離、電平轉(zhuǎn)換等處理，變成CPU能夠接收和處理的信號(hào)。輸出單元將經(jīng)過(guò)CPU處理的微弱電信號(hào)通過(guò)光電隔離、功率放大等處理轉(zhuǎn)換成外部設(shè)備所需要的強(qiáng)電信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、電磁鐵、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等。下面介紹幾種常用的I/O單元的工作原理。1.開關(guān)量輸入單元。按照輸入電源類型的不同，開關(guān)量輸入單元可分為直流輸入單元和交流輸入單元。（1）直流輸入單元直流輸入單元的電路如圖4.1所示，外接的直流電源極性可任意。虛線框內(nèi)是PLC內(nèi)部的輸入電路，框外左側(cè)為外部用戶接線。圖中只畫出對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入點(diǎn)的輸入電路，各輸入點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電路均相同。圖中T為一個(gè)光耦合器，發(fā)光二極管與光敏晶體管封閉在一個(gè)管殼內(nèi)。當(dāng)二極管中有電流時(shí)其發(fā)光，此時(shí)光敏晶體管才導(dǎo)通。R1為限流電阻，R2和C構(gòu)成濾波電路，可濾除輸入信號(hào)中的高頻干擾。LED顯示輸入點(diǎn)的狀態(tài)。其工作原理是：當(dāng)S閉合時(shí)光耦合器導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮，表示輸入開關(guān)S處于接通狀態(tài)。此時(shí)A點(diǎn)為高電平，該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中。當(dāng)CPU訪問(wèn)該路信號(hào)時(shí)，將該輸入點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器狀態(tài)置1；當(dāng)S斷開時(shí)光耦合器不導(dǎo)通，LED不亮，表示輸入開關(guān)S處于斷開狀態(tài)。此時(shí)A點(diǎn)為低電平，該電平經(jīng)濾波器送到內(nèi)部電路中。當(dāng)CPU訪問(wèn)該路信號(hào)時(shí)，將該輸入點(diǎn)對(duì)于的輸入映像寄存器狀態(tài)置0。圖4.1直流輸入電路有的PLC內(nèi)部提供24V的直流電源，這時(shí)直流輸入單元無(wú)需外接電源，用戶只需將開關(guān)接在輸入端子和公共端子之間即可，這就是所謂無(wú)源式直流輸入單元。無(wú)源式直流輸入單元簡(jiǎn)化了輸入端的接線，方便了用戶。（2）交流輸入單元交流輸入單元的電路如圖4.2所示.虛線框內(nèi)是PLC內(nèi)部輸入電路，框外左側(cè)為外部用戶接線。圖中只畫出對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入點(diǎn)的輸入電路，各輸入點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電路均相同。圖中，電容C為隔直電容，對(duì)交流相當(dāng)于短路。R1和R2構(gòu)成分壓電路。這里光耦合器中是兩個(gè)反向并聯(lián)的發(fā)光二極管，任意一個(gè)二極管發(fā)光都可以使光敏晶體管導(dǎo)通。顯示用的兩個(gè)發(fā)光二極管，任意一個(gè)二極管發(fā)光都可以使光敏晶體管導(dǎo)通。顯示用的兩個(gè)發(fā)光二極管LED也是反向并聯(lián)的。所以這個(gè)電路可以接收外部的交流輸入電壓，其工作原理與直流輸入電路基本相同。PLC的輸入電路有共點(diǎn)式、分組式、隔離式之別。輸入單元只有一個(gè)公共端子(COM)的稱為共點(diǎn)式，外部各輸入元件都有一個(gè)端子與(COM)相連；分組式是將輸入端子分為若干組，每組各共用一個(gè)公共端子；隔離式輸入單元，是具有公共端子的各組輸入點(diǎn)之間互相隔離，可各自使用獨(dú)立的電源。2.開關(guān)量輸出單元。按照輸出電路所用開關(guān)器件的不同，PLC的開關(guān)量輸出單元可分為晶體管輸出單元、晶閘管輸出單元和繼電器輸出單元。圖4.2交流輸入電路（1）晶體管輸出單元晶體管輸出單元的電路如圖4.3所示。虛線框內(nèi)是PLC內(nèi)部輸出電路，框外左側(cè)為外部用戶接線。圖中只畫出對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出點(diǎn)的輸出電路，各輸出點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電路均相同。圖中，T1是光耦合器，LED只是輸出點(diǎn)的狀態(tài)，T2為輸出晶體管，D為保護(hù)二極管，F(xiàn)U為熔斷器，防止負(fù)載短路使損壞PLC。工作原理為：當(dāng)對(duì)應(yīng)與晶體管T2的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部電路使光耦合器T1導(dǎo)通，從而使晶體管T2飽和導(dǎo)通，因此負(fù)載得電。CPU使與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出鎖存器為高電平，使LED點(diǎn)亮，表示該點(diǎn)的輸出狀態(tài)為1；當(dāng)對(duì)應(yīng)于T2的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)置0時(shí)，光耦合器T1不導(dǎo)通，晶體管T2截止，負(fù)載失電。如果負(fù)載是感性的，則必須與負(fù)載并接續(xù)流二極管，負(fù)載通過(guò)續(xù)流二極管釋放能量。此時(shí)LED不亮，表示該輸出點(diǎn)的狀態(tài)為0.圖4.3晶體管輸出單元晶體管為無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，所以晶體管輸出單元使用壽命較長(zhǎng)，響應(yīng)速度快。（2）雙向晶閘管輸出單元在雙向晶閘管輸出單元中，輸出電路采用的開關(guān)器件是光控雙向晶閘管，電路如圖4.4所示。虛線框內(nèi)是PLC內(nèi)部輸出電路，框外左側(cè)為外部用戶接線。圖中只畫出對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出點(diǎn)的輸出電路，各輸出點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電路均相同。圖中T為光控雙向晶閘管（兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)），LED為輸出點(diǎn)狀態(tài)指示，RS、C構(gòu)成阻容吸收保護(hù)電路，F(xiàn)U為熔斷器。工作原理為：當(dāng)對(duì)應(yīng)于T的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，不論慰藉電源極性如何都能使雙向晶體管T導(dǎo)通，負(fù)載得電，同時(shí)輸出指示燈LED點(diǎn)亮，表示該輸出點(diǎn)接通；當(dāng)對(duì)應(yīng)于T的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為0時(shí)T關(guān)斷，負(fù)載失電，指示燈LED滅。圖4.4晶閘管輸出電路雙向晶閘管輸出型PLC的負(fù)載電源，可以根據(jù)負(fù)載的需要選用直流或者交流。（3）繼電器輸出單元繼電器輸出單元的電路如圖4.5所示。圖中虛線框內(nèi)是PLC內(nèi)部輸出電路，框外左側(cè)為外部用戶接線。圖中只畫出對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出點(diǎn)的輸出電路，各輸出點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電路均相同。圖4.5中，LED是輸出點(diǎn)狀態(tài)顯示器，J為一小型直流繼電器。工作原理為：當(dāng)對(duì)應(yīng)于J的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為1時(shí)，J得電吸和，其常開觸點(diǎn)閉合，負(fù)載得電。LED點(diǎn)亮，表示該輸出點(diǎn)接通。當(dāng)對(duì)應(yīng)于J的內(nèi)部繼電器的狀態(tài)為0時(shí)，J失電，其常開觸點(diǎn)斷開，負(fù)載失電。指示燈LED滅，表示該輸出點(diǎn)斷開。繼電器輸出型PLC的負(fù)載可以根據(jù)需要選用直流或交流。繼電器觸點(diǎn)電氣壽命一般10-30萬(wàn)次，因此在需要輸出點(diǎn)頻繁通斷的場(chǎng)合（如高頻脈沖輸出），應(yīng)選用晶體管或晶閘管輸出型PLC。另外，繼電器從線圈得電到觸點(diǎn)動(dòng)作存在延遲時(shí)間，是造成輸出滯后于輸入的原因之一。圖4.5繼電器輸出電路PLC的輸出電路也有共點(diǎn)式、分組式、隔離式之別。輸出單元只有一個(gè)公共端子(COM)的稱為共點(diǎn)式，分組式是將輸出端子分為若干組，每組各共用一個(gè)公共端子；隔離式輸出是具有公共端子的各組輸出點(diǎn)之間互相隔離，可各自使用獨(dú)立的電源。塔機(jī)的調(diào)速采用變頻器變頻調(diào)速，需要控制的輸入端（PLC的輸出端）有：正轉(zhuǎn)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)、故障復(fù)位和多段數(shù)（三個(gè)端子獲得8種速度，選擇其中5種速度）。其中變頻器內(nèi)部設(shè)定在變頻器原理中指出。則PLC的輸入端除了要有控制這幾個(gè)輸出的信號(hào)給定外，還需要有限位開關(guān)信號(hào)的輸入端口，例如變幅機(jī)構(gòu)中的PLC控制輸入端必須有接入左右限位器信號(hào)的輸入端口；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中需要有接入左右轉(zhuǎn)動(dòng)的限位開關(guān)信號(hào)的輸入端口。由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制與變幅機(jī)構(gòu)的控制基本相同，這里只說(shuō)明變幅機(jī)構(gòu)的I/O控制。其電氣原理圖如圖所示4.1.4電源部分PLC中一般配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源為內(nèi)部電路供電，開關(guān)電源的輸入電壓范圍寬、體積小、重量輕、效率高、抗干擾性能好。一般的PLC能向外部提供24V的直流電源，可給輸入單元所連接的外部開關(guān)或傳感器供電。4.1.5編程器編程器是生產(chǎn)廠家提供的與本公司PLC配套的編程工具。編程器分為簡(jiǎn)易編程器和圖形編程器兩種。簡(jiǎn)易編程器不能直接輸入梯形圖程序，只能輸入語(yǔ)句表程序。用簡(jiǎn)易編程器編程時(shí)，編程器必須與PLC相連接。簡(jiǎn)易編程器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、體積小、重量輕、方便攜帶。有的簡(jiǎn)易編程器可以直接插在PLC主機(jī)的編程器插座上，如OMRON公司的P型機(jī)等。有的簡(jiǎn)易編程器要用專用電纜與PLC相連。圖形編程器可直接輸入梯形圖程序。圖形編程器分手持式和臺(tái)式。臺(tái)式編程器具有用戶程序儲(chǔ)存器，它可以把用戶輸入的程序存放在自己的儲(chǔ)存器中，也可以把用戶程序下載到PLC中。一般它還能提供磁帶錄音機(jī)接口和打印機(jī)接口，可將用戶程序存到磁帶上或打印出來(lái)。有的還帶由磁盤驅(qū)動(dòng)器，可將程序轉(zhuǎn)存到磁盤上。圖形編程器的優(yōu)點(diǎn)是屏幕大，顯示功能強(qiáng)，都是其價(jià)格貴。編程器可以不參與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，使用一臺(tái)編程器可以供多臺(tái)PLC使用。4.2PLC的工作原理PLC的工作過(guò)程是周期循環(huán)掃描的工作過(guò)程。用戶程序通過(guò)編程器或其他輸入設(shè)備輸入存放在PLC的用戶儲(chǔ)存器中。當(dāng)PLC開始運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控程序的規(guī)定順序，通過(guò)掃描，完成各輸入點(diǎn)的狀態(tài)采集或輸入數(shù)據(jù)采集、用戶程序的執(zhí)行、各輸出點(diǎn)狀態(tài)的更新、編程器鍵入響應(yīng)和顯示更新、及CPU自檢等功能。PLC的掃描可按固定順序進(jìn)行，也可按用戶程序規(guī)定的可變順序進(jìn)行。這不僅僅因?yàn)橛械某绦虿恍枰繏呙枰淮?，?zhí)行一次，也因?yàn)樵谝粋€(gè)大控制系統(tǒng)中，需要處理的I/O點(diǎn)數(shù)較多。通過(guò)不同的組織模塊的安排，采用分時(shí)分批掃描執(zhí)行的方法，可縮短掃描周期和提高控制的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。PLC采用集中采樣、集中輸出的工作方式，減少了外界干擾的影響。PLC的工作過(guò)程分三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。如圖4.6所示。圖4.6PLC的掃描工作過(guò)程4.2.1輸入采樣階段PLC在輸入采樣階段，首先掃描所有的輸入端子，將各輸入存入內(nèi)存中各對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器。此時(shí)，輸入映像寄存器被刷新。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段或輸出階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無(wú)論信號(hào)如何變化其內(nèi)容保持不變直到下一掃描周期的輸入采樣階段，才重新寫入輸入端的新內(nèi)容。4.2.2程序執(zhí)行階段根據(jù)PLC梯形圖程序掃描原則，PLC按先左后右，先上后下的步序語(yǔ)句逐句掃描。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來(lái)確定程序跳轉(zhuǎn)地址。當(dāng)指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時(shí)，PLC從輸入映像寄存器中“讀入”上一階段采入的對(duì)應(yīng)輸入端子狀態(tài)。從輸出映像寄存器“讀入”對(duì)應(yīng)輸出映像寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對(duì)于元件映像寄存器來(lái)說(shuō)，每一個(gè)元件（輸出軟繼電器的狀態(tài)）會(huì)隨著程序執(zhí)行過(guò)程而變化。4.2.3輸出刷新階段在所有指令執(zhí)行完畢后，輸出映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段存到輸出鎖存寄存器中，通過(guò)一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。對(duì)于小型PLC，I/O點(diǎn)數(shù)較少，用戶程序較短，采用集中采樣、集中輸出的工作方式雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的可靠性增強(qiáng)。而大中型PLC，輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，控制功能強(qiáng)，編制的用戶程序響應(yīng)較長(zhǎng)，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，可以采用定周期輸入采樣、輸出刷新，直接輸入采樣、直接輸出刷新，中斷輸入輸出和智能化I/O接口等方式。4.3PLC的主要性能指標(biāo)雖然各PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品技術(shù)性能各不相同，且各有特色，但其主要性能通常是由以下幾種指標(biāo)進(jìn)行綜合描述的。4.3.1輸入/輸出點(diǎn)數(shù)（I/O點(diǎn)數(shù)）輸入/輸出點(diǎn)數(shù)是指PLC外部的輸入、輸出端子數(shù)。這是一項(xiàng)很重要的技術(shù)指標(biāo)，因?yàn)樵谶x用PLC時(shí)，要根據(jù)控制對(duì)象的I/O點(diǎn)數(shù)要求確定機(jī)型。PLC的I/O點(diǎn)數(shù)包括主機(jī)的I/O點(diǎn)數(shù)和最大擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)，主機(jī)的I/O點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)可擴(kuò)展I/O模塊，但因?yàn)閿U(kuò)展塊內(nèi)一般只有接口電路、驅(qū)動(dòng)電路而沒(méi)有CPU，它通過(guò)總線電纜與主機(jī)相連，由主機(jī)的CPU進(jìn)行尋址，故最大擴(kuò)展點(diǎn)數(shù)受CPU的I/O尋址能力的限制。例如，松下電工的FP1-C24型主機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)為16/8（輸入16點(diǎn)，輸出8點(diǎn)，共24點(diǎn)），再配接兩個(gè)40點(diǎn)（輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)）的擴(kuò)展模塊，輸入為16+24×2=64點(diǎn)，輸出為8+16×2=40點(diǎn)，即最大I/O點(diǎn)數(shù)為104點(diǎn)。4.3.2儲(chǔ)存容量一般以CPU所能存放用戶程序的多少來(lái)衡量?jī)?nèi)存容量。在PLC中程序指令是按“步”存放的（一條指令往往不止一“步”），一“步”占一個(gè)地址單元，一個(gè)地址單元一般占兩個(gè)字節(jié)（16位的CPU）。例如，一個(gè)內(nèi)存容量為1000步的PLC，可推知其內(nèi)存為2KB。應(yīng)注意到“內(nèi)存容量”實(shí)際是指用戶程序容量，它不包括系統(tǒng)程序儲(chǔ)存器的容量。程序容量與最大I/O點(diǎn)數(shù)大體成正比。4.3.3掃描速度掃描速度一般指執(zhí)行一步指令的時(shí)間，單位為μS/步。如松下電工的FP1型PLC的掃描速度均為1.6μS/步。有時(shí)也以執(zhí)行1000步指令的時(shí)間計(jì)，其單位為ms/k。4.3.4指令條數(shù)PLC具有的指令種類越多，說(shuō)明它的軟件功能越強(qiáng)，所以指令條數(shù)的多少是衡量PLC軟件功能強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。4.3.5內(nèi)部寄存器PLC內(nèi)部有許多寄存器，用以存放變量狀態(tài)、中間結(jié)果和數(shù)據(jù)等，還有許多輔助寄存器給用戶提供特殊功能，以簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。因此，寄存器的配置情況是衡量PLC硬件功能的一個(gè)主要指標(biāo)。4.3.6功能模塊PLC除了主控模塊（又稱為主機(jī)或主控單元）外，還可以配接各種功能模塊。主控模塊可實(shí)現(xiàn)基本控制功能，功能模塊的配置則可實(shí)現(xiàn)一些特殊的專門功能。因此，功能模塊的配置反映了PLC的功能強(qiáng)弱，是衡量PLC產(chǎn)品檔次高低的一個(gè)重要指標(biāo)。目前各生產(chǎn)廠家都在開發(fā)模塊上下了很大的功夫，使其發(fā)展很快，種類日益增多，功能也越來(lái)越強(qiáng)。常用的功能模塊主要由：A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、位置控制模塊、速度控制模塊、軸定位模塊、溫度控制模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、高級(jí)語(yǔ)言編輯模塊以及各種物理量轉(zhuǎn)換模塊等。這些功能模塊使PLC不但能進(jìn)行開關(guān)量順序控制，而且能進(jìn)行模擬量的控制、定位控制和速度控制，還由了網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)PLC之間、PLC與計(jì)算機(jī)的通信，可直接用高級(jí)語(yǔ)言編程，給用戶提供了強(qiáng)有力的工具支持。4.4PLC的編程語(yǔ)言可編程控制器的編程語(yǔ)言，根據(jù)生產(chǎn)廠家不同和機(jī)型不同而各有不相同。由于目前還沒(méi)有通用語(yǔ)言，所以在使用不同廠家的可編程控制器時(shí)，同一種編程語(yǔ)言（例如梯形圖編程語(yǔ)言或指令表編程語(yǔ)言）也有所不同。它們大致可分為四種，它們是梯形圖語(yǔ)言、指令語(yǔ)句編程語(yǔ)言、功能塊圖（邏輯符號(hào)）編程語(yǔ)言和邏輯表達(dá)式編程語(yǔ)言，下面簡(jiǎn)單介紹部分編程語(yǔ)言。4.4.1梯形圖編程語(yǔ)言梯形圖編程語(yǔ)言是在繼電器-接觸器控制系統(tǒng)電路圖基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了符號(hào)演變而來(lái)的，可以說(shuō)是沿襲了傳統(tǒng)控制電路圖。在簡(jiǎn)化的同時(shí)還加進(jìn)了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令，將微機(jī)的特點(diǎn)結(jié)合進(jìn)去，使編程容易，而實(shí)現(xiàn)的功能卻大大超過(guò)傳統(tǒng)控制電路圖，是目前用的最普遍的一種可編程控制器編程語(yǔ)言。圖4.7中為一個(gè)梯形圖編程語(yǔ)言的例子，其中圖4.7a為歐姆龍系統(tǒng)可編程控制器梯形圖，圖4.7b為松下系統(tǒng)可編程控制器梯形圖，圖4.7c為三菱系統(tǒng)可編程控制器梯形圖。在表述符號(hào)上幾種可編程控制器有所不同，但基本類似，見(jiàn)表4.1所示。a)b）c）圖4.7幾種不同機(jī)型的梯形圖a)歐姆龍b）松下c）三菱由表4.1可見(jiàn)，輸入觸點(diǎn)有動(dòng)合和動(dòng)斷兩種，它們表示輸入變量；輸出繼電器在梯形圖中一般看作一個(gè)繼電器，它表示輸出變量。表4.1中列出了輸出繼電器的動(dòng)合觸點(diǎn)符號(hào)，它同樣也有動(dòng)斷觸點(diǎn)，其圖形符號(hào)與輸入動(dòng)斷觸點(diǎn)一致，但其文字符號(hào)必須標(biāo)注輸出繼電器符號(hào)。與輸出繼電器一樣，對(duì)于可編程控制器內(nèi)部的其他內(nèi)部繼電器（即軟繼電器）也同樣處理。由圖4.7和表4.1可見(jiàn)，梯形圖及符號(hào)的畫法應(yīng)按一定規(guī)則，各廠家的符號(hào)和規(guī)則雖不盡相同，但基本上大同小異。對(duì)于可編程控制器的規(guī)則，以下總結(jié)出具有共性的幾點(diǎn)，以便更加深對(duì)可編程控制器編程的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)。梯形圖中只有動(dòng)合和動(dòng)斷兩種觸點(diǎn)。動(dòng)合觸點(diǎn)和動(dòng)斷觸點(diǎn)圖形符號(hào)基本相同，但它們的文字符號(hào)不相同，隨不同機(jī)種、不同位置（輸入和輸出）而不同。同以標(biāo)記的觸點(diǎn)可以反復(fù)使用，次數(shù)不限，這點(diǎn)與繼電器-接觸器系統(tǒng)中同一觸點(diǎn)只能使用一次不同。因?yàn)樵诳删幊炭刂破髦忻恳挥|點(diǎn)的狀態(tài)均存入可編程控制器內(nèi)部的儲(chǔ)存單元中，可以反復(fù)讀寫，故可以反復(fù)使用。梯形圖中繼電器（輸出變量）表示方法也不相同，在表4.1中可看到，有圓圈、括弧和橢圓表示，而且它們的文字代號(hào)也不相同，不論那種產(chǎn)品，輸出繼電器在程序中只能只有一次。梯形圖最左邊是起始母線。每一邏輯行必須從起始母線開始畫起。有些類型的產(chǎn)品在梯形圖最右邊還有結(jié)束母線，有的則省略不用。梯形圖必須按從左到右、從上到下順序書寫，可編程控制器是按這個(gè)順序執(zhí)行程序的。梯形圖中的觸點(diǎn)可以任意串聯(lián)或并聯(lián)。梯形圖中輸出繼電器可以并聯(lián)，但不能并聯(lián)。程序結(jié)束應(yīng)有結(jié)束符，一般用“END”或“ED”表示。表4.1可編程控制器部分符號(hào)意義輸入動(dòng)合觸點(diǎn)輸入動(dòng)斷觸點(diǎn)輸出繼電器輸出繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)歐姆龍0000—II—0001—N—0500——○0500—II—松下X0—II—X1—N—YO—（）—Y0—II—三菱X0—II—X1—N—YO—○—Y0—II—注釋歐姆龍：00□□表示輸入觸點(diǎn)松下：X□表示輸入觸點(diǎn)三菱：X□表示輸入觸點(diǎn)歐姆龍：05□□表示輸出觸點(diǎn)（或線圈）松下：Y□表示輸出觸點(diǎn)（或線圈）三菱：Y□表示輸出觸點(diǎn)（或線圈）4.4.2指令語(yǔ)句編程語(yǔ)言梯形圖編程語(yǔ)言優(yōu)點(diǎn)是直觀、簡(jiǎn)便，但要求用帶CRT屏幕顯示的圖形編程器方可輸入圖形符號(hào)。小型機(jī)一般無(wú)法滿足，而是采用經(jīng)濟(jì)便捷的編程器（指令編程器）將程序輸入到可編程控制器中，這種編程方法使用指令語(yǔ)句（助記符語(yǔ)言），它類似微機(jī)中的匯編語(yǔ)言。語(yǔ)句是指令語(yǔ)句表程序語(yǔ)言的基本單元，每個(gè)控制功能由一個(gè)或多個(gè)語(yǔ)句組成的程序來(lái)執(zhí)行。每條語(yǔ)句是規(guī)定可編程控制器中CPU如何讓動(dòng)作的指令，它是由操作碼和操作數(shù)組成的。操作碼用助記符表示（例如，LD表示“取”。OR表示“或”，OUT表示“輸出”等）要執(zhí)行的功能，操作數(shù)（參數(shù)）表明操作的地址（例如。輸入繼電器，輸出繼電器，定時(shí)器等）或一個(gè)預(yù)先設(shè)定的值（例如，定時(shí)值，計(jì)數(shù)值）。表4.2為用歐姆龍、松下、三菱可編程控制器指令語(yǔ)句按圖4.2的梯形圖功能編寫的程序。表4.2幾種不同的可編程控制器指令語(yǔ)句表機(jī)型步序操作碼（助記符）操作數(shù)（參數(shù)）說(shuō)明歐姆龍12345LDORANDNOTOUTEND0000050000010500--邏輯行開始，動(dòng)合觸點(diǎn)0000母線并聯(lián)輸出繼電器的動(dòng)合觸點(diǎn)0500串聯(lián)輸入動(dòng)合觸點(diǎn)0001輸出繼電器0500輸出，邏