橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

摘要電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講60年代采用發(fā)電機(jī)—電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速開展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制開展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉(zhuǎn)子反響控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術(shù)的開展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。本次設(shè)計(jì)采用PLC和變頻器技術(shù)，以PLC控制變頻器，即以程序控制取代繼電—接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出PLC控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動化控制。關(guān)鍵詞：PLC橋式起重機(jī)矢量控制目錄TOC\o"1-2"\h\u17608摘要131000緒論328147第1章橋式起重機(jī)介紹65581.1國內(nèi)外開展概況 6134511.2傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題 714840第2章調(diào)速系統(tǒng)介紹9222932.1電動機(jī)的調(diào)速指標(biāo) 9119702.2變頻調(diào)速的根本原理 11135992.3電動機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 1227276第3章變頻器14242353.1變頻器的分類 14151743.2變頻器的主電路 15225243.3變頻器的控制電路 1645993.4脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器 1631901第4章可編程序控制器20225494.1PLC的應(yīng)用與開展和系統(tǒng)組成 229934.2PLC的工作原理、抗干擾分析及設(shè)計(jì) 2421651第5章調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部件選型25312785.1采用變頻調(diào)速的根本考慮 26180365.3橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 3124016第6章橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)34186606.1S7-200PLC網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議 34171886.2PLC程序設(shè)計(jì) 3529986展望3917241參考文獻(xiàn) 41緒論橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的開展，我國橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動和調(diào)速，繼電—接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時(shí)，電動機(jī)以及所串連電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；繼電—接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串連電阻長期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛開展，同時(shí)也帶動電氣傳動和自動控制領(lǐng)域的開展。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供了有利條件。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問題，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運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的開展前景。本次設(shè)計(jì)采用PLC和變頻器技術(shù)，以PLC控制變頻器，即以程序控制取代繼電—接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出PLC控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動化控制。此系統(tǒng)特別適用于橋式起重機(jī)在惡劣條件下的工作情況，對改善橋式起重機(jī)的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動沖擊以及增加起重機(jī)使用的平安可靠性是非常有益的。如果說以第一個(gè)晶閘管的出現(xiàn)作為交流電動機(jī)變頻調(diào)速的起點(diǎn)，可以認(rèn)為它的開展歷史己40多年了。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速開展時(shí)期，應(yīng)該是在PWM調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)開展之后。特別是最近20年來，隨著交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用普及，交流變頻調(diào)速在化工、火電廠、礦山、油田、機(jī)械制造、城市建設(shè)、水處理、甚至家電等行業(yè)己經(jīng)全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能及控制。隨著變頻技術(shù)的普及和深入，以及國際、國內(nèi)電器設(shè)備使用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)意識的強(qiáng)化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對變頻技術(shù)的質(zhì)量要求也越來越高。變頻調(diào)速的開展趨勢主要圍繞下面幾個(gè)方而展開。1)高性能的智能控制變頻器380V系統(tǒng)的低壓變頻器是國內(nèi)的主要研究對象，應(yīng)用交流調(diào)速的根本理論，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的自動辨識，以期到達(dá)自適應(yīng)、自調(diào)整的最優(yōu)控制。2)速度傳感器研究從前面所述的各種變頻調(diào)速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉(zhuǎn)速傳感器。在實(shí)際使用中，由于變頻設(shè)備和被控電動機(jī)有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)速傳感器都要使用專門的電源，被控電動機(jī)有的是在戶外，運(yùn)行工況非常惡劣，要保證速度反響的準(zhǔn)確性，有時(shí)不得不采取特別措施，因此也會增加額外費(fèi)用，運(yùn)行的可靠性和控制精度也會因此受到影響。無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場采集的電流電壓量，以及控制的實(shí)施策略，綜合出被控電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種控制方案要求計(jì)算機(jī)的控制速度較高，并有足夠的精度。3)針對功率因數(shù)提高和諧波污染的研究低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制雖然己經(jīng)是非常成熟了，但目前國際、國內(nèi)的產(chǎn)品，一般都是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，重點(diǎn)放在電機(jī)變頻控制理論的實(shí)現(xiàn)和完善上，而對變頻器的輸出波形、功率因數(shù)，以及諧波污染等問題還沒有引起足夠的重視。最近10多年來，國外在這一領(lǐng)域己有較深入的研究。有的針對功率因數(shù)，有的強(qiáng)調(diào)輸出波形。多重化技術(shù)就是為了解決輸出波形問題。最近幾年的研究說明，利用PWM輸出控制解決諧波輸出問題，是比擬理想的方法，它可以省去多重化中的變壓器，或過多的開關(guān)元器件，使變頻器的體積和重量減少，但這種方法不能解決所有諧波的消除問題，只能局部消除特定諧波。這方面的研究論文還不多，也還沒有成熟的類似低壓變頻器的產(chǎn)品出現(xiàn)。4)高壓變頻器的研究變頻器的主要作用之一是節(jié)能。而高壓電動機(jī)的節(jié)能效果是比擬明顯的，大功率的風(fēng)機(jī)和水泵用電動機(jī)一般都是高壓電動機(jī)。國內(nèi)，高壓變頻調(diào)速和它的節(jié)能控制還是一個(gè)比擬薄弱的環(huán)節(jié).它主要是針對6~10kV的交流電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。這種高壓電動機(jī)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機(jī)械制造等行業(yè)的變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國內(nèi)還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而且，國外低壓變頻器的性能價(jià)格比也比國內(nèi)自己研究的變頻器高得多。隨著電力電子技術(shù)最近20多年的飛速開展，功率半導(dǎo)體器件的本錢逐年下降，技術(shù)工藝和性能也得到不斷改善.電力電子器件的應(yīng)用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、直流屏、斬波器等領(lǐng)域延伸到交流調(diào)速和電力系統(tǒng)的質(zhì)量控制領(lǐng)域.并正朝著高電壓、大功率的方向開展.這也是千年之交和世紀(jì)之交我國電力電子技術(shù)應(yīng)用的開展趨勢。5)無換向器同步電機(jī)的變頻調(diào)速無換向器電動機(jī)也是在20世紀(jì)70年代開展起來的新型調(diào)速系統(tǒng)。它是一種變頻調(diào)速同步電動機(jī).也可以認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作用的直流電動機(jī)。根據(jù)采用的控制方式不同.可分為直流無換向器電動機(jī)和交流無換向器電動機(jī)。直流無換向器電動機(jī)采用交-直-交或直-交變頻控制系統(tǒng);交流無換向器電動機(jī)采用交-交變頻控制系統(tǒng)。近10年來.國內(nèi)外雜志上有許多相關(guān)的研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。第1章橋式起重機(jī)介紹1.1國內(nèi)外開展概況電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講60年代采用發(fā)電機(jī)—電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速開展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制開展至今天的數(shù)字量控制。從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉(zhuǎn)子反響控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術(shù)的開展，國內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國內(nèi)外幾種常用調(diào)速系統(tǒng)配置及其性能：l)DC-300直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)：GE公司DC-300，DC-2000是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)，其控制功率從300HP到4000HP，并采用PLC對整機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)施故障診斷、檢測、報(bào)警及控制。該驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)施主回路SCR整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過速度環(huán)、電流環(huán)到SCR移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)?？捎脺y速反響或電壓反響，對磁場弱磁，以實(shí)施恒功率控制。2)交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對于起重機(jī)械來講，交流驅(qū)動仍是國內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電子技術(shù)的開展，早在六十年代后期，國外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前，該技術(shù)已進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的開展應(yīng)用階段。日本安川電機(jī)制作所于1972年就正式定為VS系列，應(yīng)用于起重機(jī)及軋機(jī)輔助設(shè)備的交流調(diào)速。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點(diǎn)研制開發(fā)。借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的開展，由別離元件開展到大規(guī)模集成電路，從而實(shí)現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，進(jìn)而從模擬量控制開展到數(shù)字量控制?？删幊绦蚩刂破鱌LC引入到交流電氣傳動系統(tǒng)后，使傳動系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。在橋式起重機(jī)實(shí)現(xiàn)了抓斗的自動控制和故障診斷、檢測顯示等，到達(dá)了新的技術(shù)高度。3)變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國際上各大電氣公司在70年代末80年代投入全力研制、開發(fā)，也是國際國內(nèi)這幾年全力研制應(yīng)用的目標(biāo)與方向。這幾年一些公司如德國SIEMENS，美國GE，日本三菱等推出全數(shù)字化的矢量控制技術(shù)，大功率的IGBT模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機(jī)械、電梯等位能負(fù)載控制成為現(xiàn)實(shí)。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用，但其控制性能有一定的差異。直流電動機(jī)之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當(dāng)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，控制電樞電流的大小就能無時(shí)間滯后的控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小。異步電動機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動機(jī)相同，但由于建立氣隙磁場的勵(lì)磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)裝置電流有功分量都應(yīng)包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運(yùn)行過程中，這兩個(gè)分量有會互相影響。因此要控制異步電動機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩十分困難。像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因而難以獲得較理想的動態(tài)性能，異步電動機(jī)在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。而矢量控制是從根本上解決了這個(gè)問題，使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。適用于通用的鼠籠式電動機(jī)，無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)使變頻控制裝置不再配套專用電機(jī)，而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機(jī)—矢量控制裝置實(shí)施參數(shù)調(diào)整，進(jìn)一步降低電氣電機(jī)的投資而且維護(hù)保養(yǎng)方便。變頻器使用PWM技術(shù)可嚴(yán)格地使輸入電流正弦，即在下降過程各機(jī)械減速制動中，將動能和位能轉(zhuǎn)化為電能反響電網(wǎng)，到達(dá)理想的節(jié)能指標(biāo)，同時(shí)確保工況正常運(yùn)行，上述開展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對“變頻”裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟(jì)上與其他驅(qū)動裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)隨著PLC系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負(fù)載上的成功應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場的主流。1.2傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的開展，我國橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開裂仍時(shí)有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過大的機(jī)械振動沖擊所引起的機(jī)械疲勞。因此，除了機(jī)械上改良設(shè)計(jì)外，改善交流電氣傳動，減少起制動沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用平滑的無級調(diào)速是解決問題的有效手段。傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動方案一般采用：〔1〕直接起動電動機(jī)；〔2〕改變電動機(jī)極對數(shù)調(diào)速；〔3〕轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；〔4〕渦流制動器調(diào)速；〔5〕可控硅串級調(diào)速；〔6〕直流調(diào)速。前四種方案均屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍小，無法高速運(yùn)行，只能在額定速度以下調(diào)速：起動電流大，對電網(wǎng)沖擊大；常在額定速度下進(jìn)行機(jī)械制動，對起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大，制動閘瓦磨損嚴(yán)重；功率因數(shù)低，在空載或輕載時(shí)低于0.2~0.4，即使?jié)M載也低于0.75，線路損耗大。可控硅串級調(diào)速雖克服了上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了額定速度以下的無級調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動沖擊，價(jià)格較低，但目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動性能，很好的保護(hù)功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時(shí)采用直流電動機(jī)，而直流電動機(jī)制造工藝復(fù)雜，使用維護(hù)要求高，故障率高。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級調(diào)速，盡管起動性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動機(jī)有很大改善，但由于采用有級調(diào)速，依然存在以下問題：1)控制檔位較多時(shí)，控制電路復(fù)雜，系統(tǒng)的故障率較高；2)在換檔時(shí)依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3)低速定位時(shí)由于采用“倒拉反接制動”運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導(dǎo)致機(jī)械特性變得很軟，低速定位困難；4)能量損耗大，特別是重載低速時(shí)的損耗尤其嚴(yán)重第2章調(diào)速系統(tǒng)介紹調(diào)速就是在一定的負(fù)載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常向電動機(jī)提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。2.1電動機(jī)的調(diào)速指標(biāo)1)調(diào)速范圍電動機(jī)在額定負(fù)載(電流為額定值)情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用D表示，即(2-1)2)調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速(根本轉(zhuǎn)速)高還是低。假設(shè)比根本轉(zhuǎn)速高，稱為往上調(diào)，比根本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。3)調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從3000r/min一下調(diào)節(jié)到1500r/min，在又調(diào)節(jié)到1000r/min等，兩者之間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)速稱為有級調(diào)速。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都可以得到那么稱為無級調(diào)速。無級調(diào)速的平滑性當(dāng)然就比有級調(diào)速好。平滑的程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)，即(2-2)越接近于1，平滑性越好。無級調(diào)速時(shí)=1，平滑性最好。4)調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載變化而引起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降-與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即(2-3)s越小，穩(wěn)定性越好。靜差率與機(jī)械特性的硬度有關(guān)。機(jī)械特性的硬度的定義為(2-4)越大，轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，變化的程度就越小，機(jī)械特性就越硬，靜差率就越小，穩(wěn)定性就越好。靜差率還與理想空載轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。例如兩條平行的機(jī)械特性硬度相同，在靜差率公式中的-相同，由于不同，他們的s就不同，大的，s小，小的，s就大。生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速時(shí)，為保持一定的穩(wěn)定性會對靜差率提出一定的要求。靜差率還會對調(diào)速范圍起到制約的作用，因?yàn)槿绻{(diào)速時(shí)所得到的最低轉(zhuǎn)速下的s太大，那么該轉(zhuǎn)速性太差，便難以滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。5)調(diào)速時(shí)的允許負(fù)載電動機(jī)在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運(yùn)行時(shí)，如果允許輸出的功率相同，那么這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同，那么這種調(diào)速的方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。不同的生產(chǎn)機(jī)械對此的要求往往不同。例如切削機(jī)床，要求精加工小切削量時(shí)，工件轉(zhuǎn)速高，粗加工大切削時(shí)，工件轉(zhuǎn)速低。因此，它希望電動機(jī)能具有恒功率調(diào)速的性能。另一類生產(chǎn)機(jī)械，例如起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等那么要求電動機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下都能輸出同樣的轉(zhuǎn)矩，因此，它希望電動機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的性能。2.2變頻調(diào)速的根本原理根據(jù)異步電機(jī)的知識，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：(2-5)其中：—異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；—定子的電源頻率，單位為Hz；—電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率；—電機(jī)的極對數(shù)。三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法可分為兩大類：一類是通過改變同步轉(zhuǎn)速來改變轉(zhuǎn)速，具體方法有變極調(diào)速(改變)和變頻調(diào)速(改變)；另一類是通過改變轉(zhuǎn)差率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這就需要讓電動機(jī)從固有特性上運(yùn)行改為人為特性上運(yùn)行，具體方法有變壓調(diào)速(改變)，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速(改變)，等等。由上式可知，如果改變輸入電機(jī)的電源頻率，那么可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。在電動機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi)；假設(shè)要增大磁通，又會使磁通飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會因?yàn)槔@組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)來說，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對電樞反響的補(bǔ)償適宜，保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電動機(jī)每相電動勢的有效值是：(2-6)式中：—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動勢有效值，單位為V；—定子頻率，單位為Hz；—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；—定子基波繞組系數(shù)；—每極氣隙磁通量，單位為Wb；由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況；1)基頻以下調(diào)速當(dāng)電源頻率在基頻以下調(diào)速時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，但在調(diào)節(jié)電源頻率的同時(shí)，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電動機(jī)的定子電壓，且始終保持常數(shù)，否那么電動機(jī)無法正常工作。這是因?yàn)槿喈惒诫妱訖C(jī)定子繞組相電壓，當(dāng)下降時(shí)，假設(shè)不變，那么必使電動機(jī)每極磁通增加，在電動機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，處于磁路磁化曲線的膝部，的增加將進(jìn)入磁化曲線飽和段，使磁路飽和，電動機(jī)空載電流劇增，使電動機(jī)負(fù)載能力變小，而無法正常工作。為此，電動機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)使恒定不變。所以，在頻率下調(diào)的同時(shí)應(yīng)使電動機(jī)定子相電壓隨之下調(diào)，并使常數(shù)?？梢?，電動機(jī)額基頻以下的調(diào)速為恒磁通調(diào)速，由于不變，調(diào)速過程中電磁轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2)基頻以上調(diào)速當(dāng)電源頻率在基頻以上調(diào)節(jié)時(shí)，電動機(jī)的定子相電壓是不允許在額定相電壓以上調(diào)節(jié)的，否那么會危及電動機(jī)的絕緣。所以，電源頻率上調(diào)時(shí)，只能維持電動機(jī)定子相電壓不變。于是，隨著升高將下降，但上升，故屬于恒功率調(diào)速。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖2-7所示。如果電動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，那么電動機(jī)都能在溫升容許的條件下長期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩根本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上，根本上屬于“恒功率調(diào)速”。圖2-7異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性2.3電動機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性2.3.1=常數(shù)時(shí)的變頻調(diào)速機(jī)械特性下面來分析機(jī)械特性中的三個(gè)特殊點(diǎn)，并由此來決定機(jī)械特性。同步點(diǎn)：由，那么，下調(diào)，隨之下降。最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：由c=常數(shù)，=常數(shù)，而臨界轉(zhuǎn)差率，臨界轉(zhuǎn)速降常數(shù)。因此，在不同頻率下，最大轉(zhuǎn)矩保持不變，且對應(yīng)于最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速降也不變。所以其機(jī)械特性根本上是平行的。但當(dāng)下調(diào)過低時(shí)，因也很低，此時(shí)定子電阻上的壓降已不能再忽略，而使、下降更嚴(yán)重，電動機(jī)的將變小。起動轉(zhuǎn)矩點(diǎn)電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩。所以起動轉(zhuǎn)矩隨頻率下降而增加。由此可畫出=常數(shù)時(shí)，三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速特性如圖2-8所示：圖2-8三相異步電動機(jī)=常數(shù)變頻調(diào)速機(jī)械特性2.3.2的變頻調(diào)速機(jī)械特性同步點(diǎn)：由，那么，當(dāng)調(diào)高時(shí)，隨之上升。最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：由，當(dāng)調(diào)高時(shí)，減小。起動轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：，當(dāng)調(diào)高時(shí)，起動轉(zhuǎn)矩大大減小。此時(shí)電動機(jī)機(jī)械特性如圖2-9所示：如圖2-9電動機(jī)機(jī)械特性第3章變頻器三相異步電動機(jī)變頻調(diào)速所用的變頻電源有兩種，一種是變頻機(jī)組，另一種是靜止的變頻裝置變頻器。前者由直流電動機(jī)和交流發(fā)電動機(jī)組成，調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速就能改變交流發(fā)電動機(jī)的頻率，由于變頻機(jī)組設(shè)備龐大，可靠性差。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速開展，靜止式變頻器已完全取代了早期的旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組。3.1變頻器的分類按變頻的原理有交—交變頻器和交—直—交變頻器。前者是將頻率固定的交流電源變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，變換頻率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍較窄，一般在，故主要用于容量較大的低速拖動系統(tǒng)中。后者是將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的三相電流。由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍、變頻后電動機(jī)特性的改善等方面都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均為交—直—交變頻器。根據(jù)直流環(huán)節(jié)的儲能方式不同，交—直—交變頻器又分為電壓型和電流型兩種。電壓型變頻器是指變頻器整流后是由電容來濾波，現(xiàn)在使用的交—直—交變頻器大局部為電壓型變頻器。電流型變頻器是指變頻器整流后是由電感元件來濾波，目前少見。根據(jù)調(diào)壓方式不同，交—直—交變頻器又分成脈幅調(diào)制型和脈寬調(diào)制型兩種。脈幅調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變直流電壓大小來實(shí)現(xiàn)的，常用PAM表示。這種調(diào)壓方式很少使用。脈寬調(diào)制是指變頻器輸出電壓大小是通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制，即SPWM方式。3.2變頻器的主電路變頻器的主電路包括整流電路、濾涉及限流電路、直流中間電路、逆變電路和能耗制動電路等局部組成，其中整流電路和逆變電路是很重要的兩局部，下面簡單介紹一下整流電路和逆變電路。1)．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(jìn)行整流，并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。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路和控制電源能夠得到質(zhì)量較高的直流電源。此外，由于電動機(jī)制動的需要，在直流中間電路中有時(shí)還包括制動電阻以及其它輔助電路。2)．逆變電路逆變電路是變頻器主要的局部之一。它是利用六個(gè)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。由于逆變器的負(fù)載為異步電動機(jī)，屬感性負(fù)載，無論電動機(jī)處于拖動狀態(tài)還是發(fā)電制動狀態(tài)，變頻器功率因素總不會為1。因此，在直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)之間總會有無功功率的交換，這種無功能量就靠這之間直流環(huán)節(jié)的儲能元件來緩沖。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(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的調(diào)速控制。3.3變頻器的控制電路變頻器控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)局部，是變頻器的核心局部。控制電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鏖_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。3.4脈寬調(diào)制型(PWM)變頻器1)在一般的交直交變頻器供電的變壓、變頻調(diào)速中，為獲得變頻調(diào)速所要求的變頻與變壓的協(xié)調(diào)控制，整流器必須是可控整流，這樣在變頻調(diào)速時(shí)要同時(shí)控制整流器和逆變器，這就帶來一系列的問題。首先是主電路中有兩個(gè)可控功率環(huán)節(jié)，這樣使系統(tǒng)比擬復(fù)雜；第二由于中間環(huán)節(jié)存在動態(tài)元件，使系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)緩慢；第三由于整流器是可控的，使控電電源的功率因數(shù)隨變頻裝置輸出頻率的降低而變差，并產(chǎn)生高次諧波電源；第四逆變器輸出為六拍階梯波交變電壓，在拖動電動機(jī)中形成較多的各次諧波，從而產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩，影響電動機(jī)的穩(wěn)定工作，低速時(shí)尤為嚴(yán)重。為解決上述問題，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制方式。圖3-1為PWM逆變器示意圖，在該逆變器電路中，同時(shí)進(jìn)行輸出電壓幅值與頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。這樣，首先使主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；第二使用了不可控整流器，使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小無關(guān)而接近1；第三逆變器在調(diào)節(jié)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；第四可獲得比常規(guī)六拍階梯波更好的輸出電壓波形，能抑制或消除低次諧波，使負(fù)載電動機(jī)可在近似正弦波的交變電壓下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩脈沖小，大大擴(kuò)展了拖動系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)性能。圖3-1PWM逆變器組成2)脈寬調(diào)制器的根本工作原理脈寬調(diào)制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調(diào)頻時(shí)控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時(shí)間就可控制輸出電壓的幅值，如圖3-2所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度越大，脈沖的間隔越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明、和電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個(gè)脈沖周期比值，用表示，即。因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。圖3-2a為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖3-2b為調(diào)制后的波形，電壓周期為。與a圖相比，b圖的電壓周期增大(也就是說頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，仍為，而占空比那么減小，故平均電壓降低。a)調(diào)制前的波形b)調(diào)制后的波形圖3-2脈寬調(diào)制的輸出電壓由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個(gè)周期內(nèi)的占空比也必須是變化的，也就是說在正弦波的幅值局部，取大一些，在正弦波到達(dá)零處，取小一些，如圖3-3所示?？梢钥吹竭@種脈寬調(diào)制，其占空比是按正弦規(guī)律變化的，故這種調(diào)制方法叫正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。圖3-3正弦波脈寬調(diào)制的輸出電壓SPWM的脈沖系統(tǒng)中，各脈沖的寬度t1和脈沖的間隔t2都是變化的。為了說明其調(diào)制原理，見圖3-4PWM逆變器簡單原理圖，圖中V1~V6為絕緣柵雙極晶體管，由他們的交替切換來獲得交流信號的輸出。當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，在A相負(fù)載上得到的電壓與V2導(dǎo)通時(shí)在A相負(fù)載上得到的電壓方向相反。因此，V1、V2的輪流導(dǎo)通就可得到A相交流電壓的正、負(fù)半周。同時(shí)，其他管子的導(dǎo)通亦可得到三相交流電的B相和C相。在變頻器中，V1、V2的導(dǎo)通、截止是由調(diào)制波和載波的交點(diǎn)來決定的。在這里，把希望得到的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到期望的PWM波形。圖3-4PWM逆變器簡單原理圖3)單極性SPWM在單極性的調(diào)制方式中，調(diào)制波為正弦波載波為單極性的等三角形，即調(diào)制波為正半周時(shí)，載波為正極性的三角波，調(diào)制波為負(fù)半周時(shí)，載波為負(fù)極性的三角波，如圖3-5所示(僅畫出了正半周)。V1、V2的導(dǎo)通、關(guān)斷條件可用表3-5表示(以A相為例)。正半周V1導(dǎo)通V2截止正半周V1關(guān)斷V2截止負(fù)半周V2導(dǎo)通V1截止負(fù)半周V2關(guān)斷V1截止表3-5單極性SPWM調(diào)制規(guī)律a當(dāng)<時(shí)，逆變管V1、V2導(dǎo)通，決定了SPWM系列脈沖的寬度；當(dāng)<時(shí)，逆變管V1、V2截止，決定了SPWM系列脈沖的間隔寬度。圖3-6單極性SPWM調(diào)制假設(shè)降低調(diào)制波的幅值，見圖3-6中的，各段脈沖的寬度將變窄，從而使輸出電壓的幅值也相應(yīng)減少。b每半個(gè)周期內(nèi)逆變橋同一橋臂的兩個(gè)逆變管中，只有一個(gè)按規(guī)律時(shí)通時(shí)斷地工作，另一個(gè)那么完全截止。而在另一個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)管子的工作情況正好相反，于是流經(jīng)負(fù)載的電流為正負(fù)交替的交變電流了。由此可見，單極性SPWM逆變器的輸出交流電壓和頻率均可由調(diào)制波電壓來控制。只要改變的幅值，就改變了輸出電壓的大??；而改變的頻率，輸出電壓的頻率也隨之改變。由于控制對象只有一個(gè)，所以控制電路相對要簡單。4)雙極性脈寬調(diào)制假設(shè)調(diào)制波信號與載波信號均為雙極性信號，即在的半個(gè)周期內(nèi)，三角形載波是在正、負(fù)兩個(gè)方向變化的，稱為雙極性脈寬調(diào)制，這種調(diào)制方法是目前使用最多的方法。在雙極性SPWM方法中，所用的調(diào)制信號未可變頻變幅的三相對稱普通正弦波、、，其載波信號為雙極性三角波，如圖3-7a所示?，F(xiàn)仍以A相為例，說明雙極性脈寬調(diào)制原理。a雙極性SPWM調(diào)制規(guī)律：不分正、負(fù)半周，>時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出為正，即為的正脈沖寬度；<時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，輸出為負(fù)，即為的負(fù)脈沖寬度，見圖3-7b同理可畫出、的輸出波形，見圖3-7c與圖3-7d。b調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，如圖3-7b所示。由于線電壓=-，所以線電壓的脈沖是單極性的，如圖3-7e所示。c逆變橋在工作時(shí)，同一橋臂的兩只管子不停地交替導(dǎo)通、關(guān)斷而流過負(fù)載電流是按現(xiàn)電壓規(guī)律的交變電流。圖3-7雙極性SPWM調(diào)制波形第4章可編程序控制器4.1可編程控制器的產(chǎn)生隨著社會的開展，科技的進(jìn)步，新的控制器件及其控制系統(tǒng)不斷的涌現(xiàn)。1968年美國通用汽車公司(GM)公開招標(biāo)研制功能更強(qiáng)，使用更方便，價(jià)格廉價(jià)，可靠性更高的新型控制器。一年后美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)GM公司的招標(biāo)要求，研制成功世界上第一臺可編程序控制器，型號PDP-14，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。這就較好地把繼電接觸控制簡單易懂，使用方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)功能完善、靈活性強(qiáng)、通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，并將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想逐步變成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)時(shí)人們把第一臺可編程控制器叫做可編程序邏輯控制器PLC，只是用來取代繼電接觸控制，僅有執(zhí)行繼電器邏輯、定時(shí)、記數(shù)等較少的功能。20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計(jì)算機(jī)，人們把微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用到可編程控制器中，使得它兼有計(jì)算機(jī)的一些功能，不但用邏輯編程取代了硬連線邏輯，還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送與處理及對模擬量進(jìn)行控制等功能，使之真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。1980年美國電氣制造協(xié)會簡稱NEMA)把這種新的控制設(shè)備正式命名為可編程程序控制器(ProgrammableController簡稱PC)。但為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)的專稱PC相區(qū)別，故常常把可編程序控制器簡稱為PLC。4.1.2可編程序控制器的主要功能近年來PLC把自動化技術(shù)、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)融為一體。它可完成以下主要功能：1)邏輯控制2〕定時(shí)控制3)記數(shù)控制4)步進(jìn)控制5)A/D、D/A轉(zhuǎn)換6)數(shù)據(jù)處理7)通信與聯(lián)網(wǎng)8)對控制系統(tǒng)監(jiān)控可以預(yù)料，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，PLC的功能也會不斷拓寬和增強(qiáng)。4.1.3PLC的主要優(yōu)點(diǎn)1)編程簡單PLC的根本指令不多；編程器的使用簡便；對程序進(jìn)行增減、修改和運(yùn)行監(jiān)視很方便。2)可靠性高PLC是專門為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)與制造過程中均采用了諸如屏蔽、濾波、隔離、無觸點(diǎn)、精選元器件等多層次有效的抗干擾措施。此外，PLC還具有很強(qiáng)的自診斷功能，可以迅速方便地檢查判斷出故障，縮短檢修時(shí)間。3)通用性好PLC品種多，檔次也多，可由各種組件靈活組合成不同的控制系統(tǒng)，以滿足不同的控制要求。同一臺PLC只能改變軟件那么可實(shí)現(xiàn)控制不同對象或不同的控制要求。在構(gòu)成不同的PLC的控制系統(tǒng)時(shí)，只需在PLC的輸入輸出端子上接上不同的相應(yīng)的輸入輸出信號，PLC就能接收輸入信號和輸出控制信號。4)功能強(qiáng)PLC具有很強(qiáng)的功能，能進(jìn)行邏輯、定時(shí)、計(jì)數(shù)和步進(jìn)等控制，能完成A/D與D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。而且PLC技術(shù)開展很快，功能不斷增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域會更廣。5)使用方便PLC體積小，重量輕，便于安裝。PLC編程簡單，編程器使用簡便。PLC自診斷能力強(qiáng)，能判斷和顯示出自身故障，使操作人員檢查判斷故障方便迅速，而且接線少，維修時(shí)只需更換插入式模塊，維護(hù)方便。修改程序和監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)也容易。6)設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試周期短PLC在許多方面是以軟件編程來取代硬件接線，用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)比擬簡單，編程容易，安裝使用方便，目前的PLC已商品化，硬件軟件較齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，不需要很多配套的外圍設(shè)備和大量的復(fù)雜的接線，程序調(diào)試修改也很方便。因此可大大縮短PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工和投產(chǎn)周期。從上述PLC的功能特點(diǎn)可見，在許多方面可以取代繼電接觸控制。但是PLC也有其缺點(diǎn)：目前價(jià)格還比擬高；工作速度比計(jì)算機(jī)慢；使用中檔和高檔PLC，要求使用者具有相當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)知識；PLC制造廠家和PLC品種類型很多，而指令系統(tǒng)和使用方法不盡相同，這給用戶帶來不便。4.1PLC的應(yīng)用與開展和系統(tǒng)組成目前PLC廣泛應(yīng)用于汽車制造、石油、化工、冶金、輕工、機(jī)械、電力等各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)邏輯、步進(jìn)、數(shù)字、機(jī)器人、模擬量等的自動控制。我國研制與應(yīng)用PLC起步較晚，1973年開始研制，1977年開始應(yīng)用，20世紀(jì)80年代初期以前開展較慢，20世紀(jì)80年代隨著成套設(shè)備或?qū)Ｓ迷O(shè)備引進(jìn)了不少PLC。近幾年來國外PLC產(chǎn)品大量進(jìn)入我國市場，我國已有許多單位在消化吸收引進(jìn)PLC技術(shù)的根底上，仿制或研制PLC產(chǎn)品。20世紀(jì)80年代中后期，我國開發(fā)應(yīng)用PLC技術(shù)開展迅速，目前PLC開展方向主要是朝著小型化、廉價(jià)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、智能化、高速化、大容量化、網(wǎng)絡(luò)化方向開展，這將使PLC功能更強(qiáng)，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣。PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機(jī)系統(tǒng)根本相同。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式。1)中央處理單元(CPU)中央處理單元一般由控制器、運(yùn)算器和存放器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片內(nèi)，CPU通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線與存儲單元、輸入/輸出接口電路相連接。它是PLC的運(yùn)算、控制中心。2)存儲器根據(jù)存儲器在系統(tǒng)中的作用，可以把它們分為以下3種：a系統(tǒng)程序存儲器b用戶程序存儲器c工作數(shù)據(jù)存儲器3)I/O單元I/O單元也稱為I/O模塊。PLC通過I/O單元與工業(yè)生產(chǎn)過程現(xiàn)場相聯(lián)系。輸入單元接收用戶設(shè)備的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器的信號。通過接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠識別和處理的信號，并存到輸入映像存放器。運(yùn)行時(shí)CPU從輸入映像存放器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出映像存放器。輸出映像存放器由輸出點(diǎn)對應(yīng)的觸發(fā)器組成，輸出接口電路將其由弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強(qiáng)電信號輸出，以驅(qū)動電磁閥、接觸器、指示燈被控設(shè)備的執(zhí)行元件。4)電源局部PLC一般使用220V的交流電源，內(nèi)部的開關(guān)電源為PLC的中央處理器、存儲器等電路提供5V，+12V，+24V的直流電源，使PLC能正常工作，電源部件的位置形式可有多種，對于整體式結(jié)構(gòu)的CPU，通常電源封裝到機(jī)殼內(nèi)部：對于模塊式PLC，有的采用單獨(dú)電源模塊，有的將電源與CPU封裝到一個(gè)模塊中。5)擴(kuò)展接口擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與根本單元相連，使PLC的配置更加靈活以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。6)通信接口為了實(shí)現(xiàn)“人一機(jī)”或“機(jī)一機(jī)”之間的對話，PLC配有多種通信接口。PLC通過這些通信接口可以與監(jiān)視器、打印機(jī)和其他的PLC或計(jì)算機(jī)相連。當(dāng)PLC與打印機(jī)相連時(shí)，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印；當(dāng)與監(jiān)視器(CRT)相連時(shí)，可將過程圖像顯示出來；當(dāng)與其他PLC相連時(shí)，可以組成多機(jī)系統(tǒng)或連成網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的控制；當(dāng)與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，可以組成多級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制與管理相結(jié)合的綜合性控制。7)編程器編程器的作用是提供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。編程器有簡易型和智能型兩類。簡易型的編程器只能聯(lián)機(jī)編程，且往往需要將體形圖轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言助記符后，才能輸入。它一般由簡易鍵盤和發(fā)光二級管或其他顯示管件組成。智能型的編程器又稱為圖形編程器，它可以聯(lián)機(jī)編程，也可以脫機(jī)編程，具有LCD或CRT圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。還可以利用PC作為編程器，PLC生產(chǎn)廠家配有相應(yīng)的編程軟件，使用編程軟件可以在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、語句表、功能塊圖和順序功能圖程序，井可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言的互相轉(zhuǎn)換。程序被下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送?，F(xiàn)在已有些PLC不再提供編程器，而且提供微機(jī)編程軟件了，并且配有相應(yīng)的通信連接電纜。4.2PLC的工作原理、抗干擾分析及設(shè)計(jì)PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式，PLC采用的是不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式一掃描技術(shù)，PLC掃描用戶程序的時(shí)間一般均小于100ｍｓ。PLC的掃描工作過程一般分為3個(gè)階段1)．輸入采樣階2)．用戶程序執(zhí)行階段3)．輸出刷新階段。完成上述3個(gè)階段稱作1個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述3個(gè)階段。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用越來越廣泛。PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的平安生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。PLC控制系統(tǒng)的干擾源大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源。它主要的干擾有：(1)空間的輻射干擾(2)系統(tǒng)外引線的干擾(3)電源的干擾(4)信號線引入的干擾(5)接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾(6)來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾為了保證系統(tǒng)在工業(yè)電磁環(huán)境中免受或減少內(nèi)外電磁干擾，必須從設(shè)計(jì)階段開始便采取三個(gè)方面抑制措施：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑和提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。這三點(diǎn)就是抑制電磁干擾的根本原那么。PLC控制系統(tǒng)的抗干擾是一個(gè)系統(tǒng)工程，要求制造單位設(shè)計(jì)生產(chǎn)出具有較強(qiáng)抗干擾能力的產(chǎn)品，且有賴于使用部門在工程設(shè)計(jì)、安裝施工和運(yùn)行維護(hù)中予以全面考慮，并結(jié)合具有情況進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能保證系統(tǒng)的電磁兼容性和運(yùn)行可靠性。主要抗干擾措施1)采用性能優(yōu)良的電源，抑制電網(wǎng)引入的干擾2)電纜選擇的敖設(shè)3)硬件濾涉及軟件抗干擾措施4)正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)第5章調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部件選型5.1橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的構(gòu)成橋式起重機(jī)俗稱行車，是工礦企業(yè)中應(yīng)用得十分廣泛的一種起重機(jī)。其運(yùn)行機(jī)構(gòu)由三個(gè)根本獨(dú)立的拖動系統(tǒng)構(gòu)成：1)大車拖動系統(tǒng)拖動整臺起重機(jī)順著車間作“橫向”運(yùn)動(以操作者的坐標(biāo)為準(zhǔn))。2)小車拖動系統(tǒng)拖動吊鉤及重物順著橋架作“縱向”運(yùn)動。3)吊鉤拖動系統(tǒng)拖動重物作吊起或放下的上、下運(yùn)動。5.1.2橋式起重機(jī)的負(fù)荷特點(diǎn)和對拖動系統(tǒng)的要求1)負(fù)荷特點(diǎn)各拖動系統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)矩都與“阻力”和回轉(zhuǎn)半徑的乘積成正比：=(5-1)在大車和小車拖動系統(tǒng)中，是摩擦力，而在吊鉤拖動系統(tǒng)中，是被吊物和吊鉤的重力。由式5-1可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與速度無關(guān)，因而具有“恒轉(zhuǎn)矩”的特點(diǎn)。2)對拖動系統(tǒng)的要求大車和小車對拖動系統(tǒng)的要求較為一般，這里重點(diǎn)介紹對吊鉤拖動系統(tǒng)的要求。a在全調(diào)速范圍內(nèi)，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線應(yīng)是恒轉(zhuǎn)矩的；b起動時(shí)，除上述負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還必須克服靜摩擦力。所以，拖動系統(tǒng)應(yīng)有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩；c重物下降時(shí)，除空鉤和極輕負(fù)載外，在絕大多數(shù)情況下，都是依靠自身的重力而下降的。為了克服重物因重力加速度而不斷加速，電動機(jī)必須產(chǎn)生足夠的制動轉(zhuǎn)矩，使重物在所需轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)下降；d重物在空中停住的前后，不能發(fā)生“溜鉤”。5.1.3原拖動系統(tǒng)的主電路原拖動系統(tǒng)的主電路如圖5—2所示，其主要特點(diǎn)是：1)選用電動機(jī)大多采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；2)調(diào)速方法在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入五段外接電阻R1~R5(也有七段或更多)，由接觸器KM1~KM4的狀態(tài)來決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上下；3)制動方法采用電磁制動器進(jìn)行機(jī)械制動。圖5-2原拖動系統(tǒng)的主電路5.1采用變頻調(diào)速的根本考慮5.1.1主拖動系統(tǒng)1)電動機(jī)選型a大車與小車變頻調(diào)速專用電機(jī)b吊鉤用電動機(jī)由于要求較高，應(yīng)選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；2)制動方法采用再生制動、直流制動和電磁機(jī)械制動相結(jié)合的方法。a首先，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運(yùn)動中的大車、小車或吊鉤迅速而準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)速降為0(使它們停住)；b對于吊鉤，常常需要重物在半空中停留一段時(shí)間(如重物在空中平移時(shí))，而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電)，可靠性較差。因此，利用電磁制動器進(jìn)行機(jī)械制動仍然是必須的。5.1.2對電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的分析大車與小車拖動系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與普通負(fù)載無異，本節(jié)只分析吊鉤拖動系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)。1)空鉤(包括極輕負(fù)載)運(yùn)行由于吊鉤的機(jī)械系統(tǒng)采用了蝸輪蝸桿減速，具有自鎖功能，故空鉤時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要由摩擦阻力構(gòu)成。a上升運(yùn)行重物的上升，完全是電動機(jī)正向轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果。這時(shí)，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，電動機(jī)處于電動狀態(tài)，其機(jī)械特性在第I象限，工作點(diǎn)如圖5-3中的A點(diǎn)(高速)與B點(diǎn)(低速)所示。b下降運(yùn)行由于蝸輪蝸桿自鎖的原因，空鉤及輕載時(shí)是無法靠自重放鉤的，故下降運(yùn)行只能通過反接電源來實(shí)現(xiàn)。電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向仍與轉(zhuǎn)矩方向相同，但方向反了，其機(jī)械特性在第3象限，工作點(diǎn)如圖5-3中的C點(diǎn)(高速)與D點(diǎn)(低速)所示。圖5-3不同狀態(tài)下電動機(jī)的工作點(diǎn)2)重載運(yùn)行負(fù)載加重時(shí)，工作點(diǎn)將右移。a上升運(yùn)行工作點(diǎn)右移至點(diǎn)和點(diǎn)。b下降運(yùn)行工作點(diǎn)右移至第4象限，如圖5-3中的點(diǎn)(高速)與點(diǎn)(低速)所示。這時(shí)，由于重力加速度的原因，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度將超過同步轉(zhuǎn)速而進(jìn)入再生制動狀態(tài)。電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)(下降)的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，是正方向的，其作用是防止重物不斷下降，故重量相同的重物在下降時(shí)構(gòu)成的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比上升時(shí)小。5.2.3變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行；小車的前、后行；吊鉤的升、降等。所用這些，都可以通過可編程控制器(PLC)進(jìn)行無觸點(diǎn)控制。橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱閘之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停住狀態(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：1)電磁制動器在通電到松開(或從斷電到抱閘)之間是需要時(shí)間的，約0.6s(視型號和大小而定)。因此，變頻器如過早停止輸出，將容易溜鉤；2)變頻器必須防止在電磁制動器抱情閘況下輸出較高頻率，以免發(fā)生因“過流”而跳閘的誤動作。為此，具體控制方法如下：1)重物停住的控制過程如圖5-4所示：圖5-4重物停住的控制過程a設(shè)定一個(gè)“停止起始頻率”，當(dāng)變頻器的工作頻率下降到時(shí)，變頻器將輸出一個(gè)“頻率到達(dá)信號”。發(fā)出制動電磁鐵斷電指令；b設(shè)定一個(gè)的維持時(shí)間，的長短應(yīng)略大于制動電磁鐵從開始釋放到完全抱閘所需要的時(shí)間；c變頻器將工作頻率下降至0。2)重物升降的控制過程a設(shè)定一個(gè)“升降起始頻率”，當(dāng)變頻器的工作頻率上升到時(shí)，將暫停上升。為了確保當(dāng)制動電磁鐵松開后，變頻器已能控制重物的升降到不會溜鉤，所以，在工作頻率達(dá)的同時(shí)，變頻器將開始檢測電流，并設(shè)定檢測電流所需時(shí)間；b當(dāng)變頻器確認(rèn)已經(jīng)有足夠大的輸出電流時(shí)，將發(fā)出一個(gè)“松開指令”，使制動電磁鐵開始通電；c設(shè)定一個(gè)的維持時(shí)間，的長短應(yīng)略大于制動電磁鐵從通電到完全松開所需要的時(shí)間；d變頻器將工作頻率上升至所需頻率。上述過程如圖5-5所示：圖5-5重物升降的控制過程3)變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流強(qiáng)勵(lì)磁功能為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設(shè)置了一些獨(dú)特的制動功能，如：a零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，保持電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不需要速度反響裝置。這一功能保證了吊鉤由升降狀態(tài)降速為0時(shí)，電動機(jī)能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。b啟動前的直流強(qiáng)勵(lì)磁功能變頻器可以在啟動前自動進(jìn)行直流強(qiáng)勵(lì)磁。使電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩(可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200%)維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。5.1.3橋式起重機(jī)采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)1)工作可靠性顯著提高主要有以下幾個(gè)方面：a消除了電動機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)由于用籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)取代了繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，從而消除了電刷和滑環(huán)等薄弱環(huán)節(jié)。b制動電磁鐵的壽命可大大延長原拖動系統(tǒng)是在運(yùn)動的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在根本停住的狀下進(jìn)行抱閘，閘皮的磨損情況將大為改善；c操作手柄不再易損原系統(tǒng)的操作手柄因受力較大，屬于易損件。采用變頻調(diào)速后，操作手柄的受力將很小，不易損壞；d控制系統(tǒng)的故障率大為下降原系統(tǒng)是十分復(fù)雜的接觸繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)可大大簡化，可靠性大為提高。2)節(jié)能效果十分可觀繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)將消耗大量電能。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在吊鉤放下重物時(shí)，還可以將重物釋放的位能反響給電源。3)調(diào)速質(zhì)量明顯提高采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速比可達(dá)1：50以上，調(diào)速精度達(dá)1%。且調(diào)速平穩(wěn)，能夠長時(shí)間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率。4)可簡化傳動鏈由于可以進(jìn)行無級調(diào)速，從而在機(jī)械上省去了非標(biāo)設(shè)計(jì)的減速箱，使傳動鏈結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。5.3橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)是為10t橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)一套變頻調(diào)速系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中，其大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及提升機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速，并應(yīng)用可編程序控制器(PLC)進(jìn)行信號協(xié)調(diào)和邏輯控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-6所示：圖5-6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.3.1主要技術(shù)規(guī)格起重量10t；2)起升速度1.8/0.18m/min；3)運(yùn)行速度23.5/4m/min；5.3.2對調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1)起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為1:10；大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為1:6；小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為1:4。2)系統(tǒng)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，從空載到滿載，必須做到工作正常、運(yùn)行平穩(wěn)。各機(jī)構(gòu)正、反向工作的轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)小于2s。3)起升機(jī)構(gòu)在不同負(fù)載下，各檔轉(zhuǎn)速在切換時(shí)無沖擊現(xiàn)象；額定載荷時(shí)各檔次切換時(shí)的溜鉤距離不得超過額定上升速度的1/65。4)起升機(jī)構(gòu)應(yīng)保證能起吊1.25倍額定載荷的重物，能在空中停住，且不溜鉤。5)從全速運(yùn)行到完全停住的制動時(shí)間：起升機(jī)構(gòu)不大于2s；大車不大于3s；小車不大于2s。5.3.3系統(tǒng)配置及選型1)電動機(jī)的選型提升機(jī)構(gòu)那么選用YTP系列變頻調(diào)速專用電機(jī)，其主要特點(diǎn)如下：a對定、轉(zhuǎn)子槽形和定子繞組的分布作了特殊考慮可抑制高次諧波的影響。b電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)考慮了一定的裕度，既能保證電機(jī)在高頻時(shí)的過載能力，又能在低頻時(shí)有恒轉(zhuǎn)矩的輸出。c使用F級絕緣系統(tǒng)，在高次諧波作用下仍可保證可靠絕緣。d采用獨(dú)特的冷卻結(jié)構(gòu)，使用單獨(dú)的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)，從而保證了電機(jī)在低速恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)溫升不超過允許值。e能承受160%額定轉(zhuǎn)矩、歷時(shí)1min的過載；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的1.25倍。f可安裝旋轉(zhuǎn)編碼器等速度反響器件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。2)變頻器的選型某些公司已有針對起重機(jī)的專用變頻器，但價(jià)格昂貴。本次設(shè)計(jì)選用的是西門子MM440系列變頻器，該變頻器具有如下特點(diǎn)：a有全程磁通矢量控制。在1Hz的低頻下，即使無速度反響環(huán)節(jié)，也能提供150%額定轉(zhuǎn)矩的啟動轉(zhuǎn)矩。如增加速度反響環(huán)節(jié)，可以做到零速控制(即使在零速下也有150%額定轉(zhuǎn)矩輸出)。b可配備制動單元，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，而且動態(tài)響應(yīng)好。c在全速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩特性。無速度反響時(shí)，速比為1000:1，控制精度為0.2%；有速度反響時(shí)，速比達(dá)1000:1，控制精度為0.02%，完全滿足要求。綜合上述，選定各傳動機(jī)構(gòu)的配置見表4-6。表5-6變頻調(diào)速系統(tǒng)的配置變頻器型號電機(jī)型號〔容量/kW〕備注起升機(jī)構(gòu)6SE6440-2AD31-5DA1YTP160L-4(15)變頻調(diào)速專用電機(jī)大車6SE6440-2AD31-5DA1YTP132M-4(25.5)變頻調(diào)速專用電機(jī)小車6SE6440-2AD25-5CA1YTP132M-4(5.5)變頻調(diào)速專用電機(jī)5.3.4系統(tǒng)介紹1)大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)見表5-6，小車由單臺電動機(jī)拖動，并由單獨(dú)得變頻器供電；大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別用兩臺5.5kW的電動機(jī)拖動，由一臺功率較大的變頻器15kW供電。大、小車變頻器都預(yù)置V/F控制方式，不帶旋轉(zhuǎn)編碼器。2)起升機(jī)構(gòu)起升機(jī)構(gòu)用變頻調(diào)速專用電機(jī)。變頻器可以實(shí)現(xiàn)無測速調(diào)速并預(yù)置為恒矢量控制方式。3)制動單元與制動電阻本系統(tǒng)對于重物下降時(shí)電動機(jī)再生電能，采用由變頻器直流回路內(nèi)接入制動單元和制動電阻消耗掉的方式。針對橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)起、制動頻繁，要求制動轉(zhuǎn)矩較大，以及下降時(shí)處于制動狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間較長等特點(diǎn)，因此：a制動單元應(yīng)加大一個(gè)檔次，以便允許有較大的制動電流，縮短制動過程；b制動電阻的額定功率應(yīng)加大一倍。4)溜鉤的防止本系統(tǒng)中，由于變頻器具有零速下的轉(zhuǎn)矩控制功能，故只需通過PLC和變頻器之間信號的適當(dāng)配合，即可圓滿解決溜鉤問題。第6章橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1S7-200PLC網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議6.1.1S7-200PLC網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議的種類S7-200CPU支持多種通信協(xié)議。根據(jù)所使用的S7-200CPU，網(wǎng)絡(luò)可以支持一個(gè)或多個(gè)協(xié)議，包括通用協(xié)議和公司專用協(xié)議。專用協(xié)議包括點(diǎn)到點(diǎn)(point-to-point)接口協(xié)議(PPI)、多點(diǎn)(Multi-Point)接口協(xié)議(MPI),Profibus協(xié)議、自由通信協(xié)議和USS協(xié)議。1.PPI協(xié)議PPI通信協(xié)議是西門子專門為S7-200系列PLC開發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議。主要應(yīng)用于對S7-200的編程、S7-200之間的通信以及S7-200與HMI產(chǎn)品的通信?？梢酝ㄟ^PC/PPI電纜或兩芯屏蔽雙絞線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。支持的波特率分別為9.6KB/s,19.2KB/s和187.5KB/s。PPI是一個(gè)主/從協(xié)議，在這個(gè)協(xié)議中，S7-200一般作為從站，自己不能發(fā)送信息，只有當(dāng)主站，如西門子編程器、TD200等HMI，給從站才進(jìn)行響應(yīng)。2.Profibus協(xié)議Profibus協(xié)議通常用于實(shí)現(xiàn)分布式I/0設(shè)備(遠(yuǎn)程式I/0)的高速通信。許多廠家生產(chǎn)類型眾多的Profibus設(shè)備。這些設(shè)備包括從簡單的輸入或輸出模塊到電機(jī)控制器和可編程控制器。S7-200CPU可以通過EM277Profibus-DP擴(kuò)展的方法連接到Profibus-DP協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)議支持的波特率為9600KB/s到12MB/s。3.USS協(xié)議USS通信協(xié)議是西門子專門為S7-200系列PLC開發(fā)的一個(gè)通信協(xié)議。主要應(yīng)用于對S7-200之間的通信以及S7-200與變頻器產(chǎn)品的通信?？梢酝ㄟ^485電纜或兩芯屏蔽雙絞線進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。支持的波特率分別為9.6KB/s,12.4KB/s。USS是一個(gè)主/從協(xié)議，在這個(gè)協(xié)議中，S7-200一般作為主站，變頻器自己不能發(fā)送信息，只有當(dāng)S7-200主站發(fā)信息給從站，從站才進(jìn)行響應(yīng)。6.2PLC程序設(shè)計(jì)6.2.1PLC編程軟件概述S7-200的編程語言是STEP7-micro/win32，它是用于S7-200系列PLC進(jìn)行編程、調(diào)試的全新軟件，它是在國際標(biāo)準(zhǔn)工EC1131-3的根底上建立的，可以用LAD,FBD和STL來編程。STEP7--micro/win32軟件的一個(gè)特點(diǎn)是調(diào)試功能很強(qiáng)大，不僅能在線讀取數(shù)據(jù)，而且能在線修改正程數(shù)據(jù)，對于調(diào)試大型復(fù)雜控制程序非常有效。STEP7-micro/win32軟件還附帶一些控制程序模塊，如PID調(diào)節(jié)模塊，這些模塊可以從主控制程序中直接調(diào)用，以便實(shí)現(xiàn)不同的功能。STEP7-micro/win32軟件工具包采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，它采用文件塊的形式管理用戶編寫的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。該工具軟件包為S7-200CPU與其它系統(tǒng)部件(如觸摸屏、變頻器)的使用提供了便利。6.2.2程序設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號(按鈕、繼電器)的輸入，判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)以及輸出信號去控制接觸器、繼電器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。除此之外，另一個(gè)任務(wù)就是接受上位機(jī)的控制命令，以進(jìn)行自動采樣。PLC的軟件設(shè)計(jì)局部我們采用模塊化的方法，PLC程序設(shè)計(jì)共有三個(gè)模塊:按鈕處理模塊、通信模塊、故障報(bào)警模塊。〔一〕按鈕模塊按鈕模塊主要處理各電機(jī)和電磁閥的啟?？刂迫鐖D6-1Big_LeftI0.0大車左進(jìn)Big_StopI0.1大車停止Big_RightI0.2大車右進(jìn)Big_leftRingI0.3大車左限位報(bào)警Big_rightRingI0.4大車右限位報(bào)警Big_leftLimitI0.5大車左限位停車Big_rightLimitI0.6大車右限位停車Big_PowerI0.7大車電源關(guān)斷Small_LeftI1.0小車左進(jìn)Small_StopI1.1小車停止Small_RightI1.2小車右進(jìn)Small_leftRingI1.3小車左限位報(bào)警Small_rightRingI1.4小車右限位報(bào)警Small_leftLimitI1.5小車左限位停車Small_rightLimitI1.6小車右限位停車Small_PowerI1.7小車電源關(guān)斷Hoist_UpI2.0提升電機(jī)上升Hoist_StopI2.1提升電機(jī)停止Hoist_DownI2.2提升電機(jī)下降Hoist_upRingI2.3提升電機(jī)上限位報(bào)警I2.4Hoist_upLimitI2.5提升電機(jī)上限位停車Hoist_PowerI2.7提升電機(jī)電源關(guān)斷Big_KMQ0.0大車電源側(cè)交流接觸器Big_LedQ0.1大車限位報(bào)警燈Big_ECBQ0.2大車電磁抱閘Small_KMQ0.3小車電源側(cè)交流接觸器Small_LedQ0.4小車限位報(bào)警燈Small_ECBQ0.5小車電磁抱閘Hoist_KMQ0.6提升電機(jī)電源側(cè)交流接觸器Hoist_LedQ0.7提升電機(jī)限位報(bào)警燈Hoist_ECBQ1.0提升電機(jī)電磁抱閘RingQ1.1限位報(bào)警蜂鳴器Q1.2大車變頻器激活Q1.3小車變頻器激活Q1.4提升電機(jī)變頻器激活Q1.5大車變頻器故障Q1.6小車變頻器故障Q1,7提升電機(jī)變頻器故障〔二〕通信模塊由于我們用MicroMaster變頻器對起重機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，所以本系統(tǒng)中對起重機(jī)的調(diào)速，實(shí)際上就是對其MicroMaster變頻器的控制。STEP7-Micro/Win32軟件工具包提供了USS通信協(xié)議，從減少軟件的工作量和提高可靠性出發(fā)，我們采用USS協(xié)議來完成PLC與變頻器的通信。與變頻器的通信，對PLC的CPU掃描是異步的，完成一個(gè)變頻其通信事務(wù)通常需要幾次CPU掃描。這取決于連續(xù)的變頻器數(shù)目，波特率，以及CPU的掃描時(shí)間。使用USS協(xié)議的編程順序如下:(1)通過調(diào)用USS_INIT指令以改變USS通信參數(shù)，如啟用或禁止USS協(xié)議、設(shè)定波特率，指示哪些地址的變頻器是激活的(即可與之通信)。標(biāo)志為激活的任何變頻器都自動地在后臺進(jìn)行輪詢控制，聚集狀態(tài)，并防止變頻器的串行鏈路超時(shí)。來自西門子手冊的例如(2)把V存儲器地址分配給USS協(xié)議。(3)通過調(diào)用USS_CTRL指令來控制指定的變頻器，如啟停，控制方向，設(shè)定速度，查詢變頻器返回的狀態(tài)字等。來自西門子手冊的例如同時(shí)調(diào)用READ_PM或WRITE_PM指令來讀取或?qū)懽冾l器參數(shù)，以便于設(shè)置變頻器參數(shù)，程序中所用的波特率和地址相匹配。來自西門子手冊的例如采用上述方法，我們可以很好地控制網(wǎng)帶的速度并查詢變頻器的狀