（机械制造及其自动化专业论文）桥式抓斗卸船机电气控制系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在我国沿海各大港口和内河港口的大宗散货专业化码头的卸船机械类型 中，桥式抓斗卸船机均得到广泛应用。该机型可适应各种不同散货品种( 如煤 炭、矿石、散粮、化肥等) 的卸船作业，具有卸船效率高、自动化程度高、可 靠性高等特点。因此，关于桥式抓斗卸船机电气控制系统的研究，具有广泛的 实际应用价值。 本文以桥式抓斗卸船机的电气控制系统为研究对象，在较全面地综述与桥 式抓斗卸船机的电气控制系统研究相关的国内外发展动态的基础上，对桥式抓 斗卸船机电气控制系统的组成、控制方案以及具体的实现进行了详细阐述，设 计了桥式抓斗卸船机以交流变频系统作为传动装置、p l c 为控制装置、计算机 监控及管理系统为监控及管理装黄的实施方案。主要研究工作如下： 首先，介绍桥式抓斗卸船机的结构和传动机构特点。 第二，论述交流变频调速的基本控制方式及特点、矢量控制的基本原理， 并提出变频器的选型计算方法。 第三，在分析桥式抓斗卸船机的电气控制系统组成的基础上，研究抓斗自 动控制方案和卸船机自动作业控制方案，并对卸船机自动作业控制方案设计中 的关键问题( 参考点的选取、小车自动定位、自动作业流程控制等) 加以阐述。 第四，介绍选择p l c 的原则，提出p l c 系统方案，阐述p r o f i b u s d p 与 i n d u s t r i a le t h e r n e t 网络协议和组成，并研究p l c 系统硬件的组态方法。 最后，开发桥式抓斗卸船机监控及管理系统，实现参数设定、画面显示、 历史记录、报表打印、报警等功能；讨论与研究a d o 的数据访问方式、基于o p c 技术的上位机与p l c 通信等方面问题，并通过编程实例予以阐述。 本论文结合桥式抓斗卸船机电气控制系统课题研究，提供了一种先进的电 气控制系统设计方案与实现方法。研究成果已成功应用于武钢工业港3 # 码头4 台桥式抓斗卸船机，对提高我国港1 3 桥式抓斗卸船机的电气控制性能具有一定 的理论指导意义和实际应用推广价值。 关键词：桥式抓斗卸船机交流变频p l c 监控 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h et y p eo fs h i pu n l o a d i n gm a c h i n e r yi nb i g g e rb u l kc a r g os p e c i a l i z e dw h a r f i no u rc o u n t r yc o a s th a r b o ra n dt h ei n l a n dr i v e rh a r b o r , b r i d g e t y p e 伊a bs h i p u n l o a d e ro b t a i n st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t h i st y p em a ya d a p te a c hk i n do f d i f f e r e n tb u l kc a r g ov a r i e t y ( f o r e x a m p l ec o a l ，o r e ，d i s p e r s e sg r a i n ，c h e m i c a l f e r t i l i z e ra n ds oo n ) f o ru n l o a d i n go p e r a t i o n ，h a v i n gh i g h l yu n l o a d i n ge f f i c i e n c y ， a u t o m a t i c i t y ，r e l i a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fb r i d g e t y p eg r a b s h i pu n l o a d e re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mh a st h ew i d e s p r e a dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n v a l u e t h i sp a p e rt a k e sb r i d g e t y p e 伊a bs h i pu n l o a d e re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e ma st h e r e s e a r c ho b j e c t , o nt h ef o u n d a t i o no fc o m p r e h e n s i v e l ys u m m a r i z i n gt h ed o m e s t i c a n df o r e i g nd e v e l o p m e n td y n a m i c so ft h er e l a t e dr e s e a r c ht ob r i d g e t y p e 芦a bs h i p u n l o a d e re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，id e t a i l e de x p a t i a t et h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m c o m p o s i t i o n ，t h ec o n t r o ls c h e m e 鸹w e l la st h ec o n c r e t er e a l i z a t i o n ，d e s i g na i m p l e m e n t i n gs c h e m eo fb r i d g e - t y p eg r a bs h i pu n l o a d e rr e g a r d i n gt h ei n v e r t e r s y s t e ma sd r i v es y s t e m ，p l c 私c o n t r o ld e v i c e ，t h eb r i d g e t y p eg r a bs h i pu n l o a d e r m a n a g e m e n ts y s t e ma sm o n i t o r i n gc o n t r o ld e v i c e m a i nr e s e a r c hw o r ka s f o l l o w s ： f i r s t ，ii n t r o d u c es t r u c t u r ea n dt h ed r i v em e c h a n i s mc h a r a c t e r i s t i co ft h e b r i d g e - t y p eg r a bs h i pu n l o a d e r s e c o n d ，id i s c u s st h eb a s i cc o n t r o lm o d ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fa cv a r i a b l e f r e q u e n c 宅a n ds p e e dr e g u l a t i n g , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fv e c t o rc o n t r o l ，a n dp r o p o s et h e c o m p u t i n gm e t h o d t ol e c t o t y p ei n v e r t e r t h i r d ，o ut h ef o u n d a t i o no fa n a l y z i n gt h ec o m p o s i t i o no fb r i d g e - t y p eg r a bs h i p u n l o a d e re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，is t u d yg r a ba u t o m a t i cc o n t r o ls c h e m ea n ds h i p u n l o a d e ra u t o m a t i co p e r a t i o nc o n t r o ls c h e m e ，a n dd e t a i l e de x p l a i nt h ek e yp r o b l e m ( r e f e r e n c ep o i n ts e l e c t i o n ，t r o l l e ya u t o m a t i cp o s i t i o n i n g , a u t o m a t i cw o r kf l o wc o n t r o l a n ds oo n ) o f b r i d g e t y p e 铲a bs h i pu n l o a d e ra u t o m a t i co p e r a t i o nc o n t r o ls c h e m e f i n a l l y , id e v e l o pb r i d g e t y p eg r a bs h i pu n l o a d e rm o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e m ， w h i c hc a l l i m p l e m e n tp a r a m e t e rs e t t i n g , i n t e r f a c ep i c t u r ed i s p a l y i n g , h s t o r y n 武汉理工大学硕士学位论文 r e c o r d i n g , r e p o r tp r i n t i n g , a l a r ma n ds oo nt h ef u n c t i o n ；d i s c u s sa n ds t u d ya d ot h e d a t aa c c e s s i n gm o d e ，b a s e do nt h eo p c t e c h n o l o g yc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nw i t h p l ca n d , s oo np r o b l e m ，a n de l a b o r a t ei tt h r o u g ht h ep r o g r a m m i n g e x a m p l e t h i sp a p e rc o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c ho fb r i d g e t y p e 芦a bs h i pu n l o a d e r e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，h a sp r o v i d e do n ek i n do fa d v a n c e de l e c t r i c a lc o n t r o l s y s t e md e s i g np r o p o s a la n dt h e r e a l i z a t i o nm e t h o d t h er e s e a r c hr e s u l t sh a s s u c c e e d e da p p l i e dt ow u h a ns t e e lc o r p o r a t i o ni n d u s t r yp o r t3 群w h a r f4b r i d g e t y p e 掣a bs h i pu n l o a d e r s ，t oe n h a n c e so u rc o u n t r yh a r b o rb r i d g e t y p eg r a bs h i pu n l o a d e r e l e c t r i c a lc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，h a st h ec e r t a i nt h e o r yi n s t r u c t i o ns i g n i f i c a n c ea n dt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o m o t i o nv a l u e k e y w o r d ：b r i d g e - t y p e 擘a bs h i pu n l o a d e r l n v e n e rp l cm o n i t o r 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源与工程背景 课题来源于武钢工业港3 # 码头桥式抓斗卸船机工程。 武钢工业港现有五座矿石码头，它们均建于上个世纪七十年代末期和八十 年代初期，除了四号码头使用的是链斗卸船机外，其余四座码头使用的都是七 十年代的浮吊卸船。五座码头年设计能力5 2 0 万吨，平均月卸船能力仅有4 3 3 3 万吨。近几年来，随着武钢生产能力的扩大，每年水运进口矿石达到1 1 0 0 万吨。 面对空前的卸船压力，工业港积极实施“科技兴企”战略，引进先进的桥式抓 斗卸船机取代浮吊卸船机等传统卸货设备。该项目为武钢工业港3 # 码头4 台桥 式抓斗卸船机工程，于2 0 0 6 年7 月开始安装、调试，于2 0 0 6 年1 1 月正式投入 使用。现在4 台卸船机运行情况良好，码头卸货效率有较大提高，降低了故障 率，保证了生产安全，提高了自动化水平和管理水平，并取得了良好的经济效 益和社会效益。本文基于这一工程背景和参加工程实践，研究设计了桥式抓斗 卸船机电气控制系统。 1 2 与课题研究相关的国内外动态 1 2 1 桥式抓斗卸船机的现状与发展 桥式抓斗卸船机是目前世界上普遍用于散货接卸港( 站) 的主要机械设备， 广泛应用于港口、冶金等行业的散货卸船码头。 桥式抓斗卸船机安装在沿江或沿海码头上，通过抓斗将船舱内的散装物料 ( 矿石、矿粉、煤炭、水泥、焦炭、灰渣、粮食等) 抓取后移动到机上的料斗 上方，打开抓斗将物料卸至料斗内，通过料斗下部给料设备将物料运送到码头 系统皮带机上，再通过系统皮带机将物料输送到储料场或生产车间。 卸船机主要分为抓斗式和连续式两大类： 1 ) 连续式卸船机市场份额较少，目前技术主要是依靠国外。 2 ) 桥式抓斗卸船机由于其对物料和船舶的适应性、营运成本以及避免波 武汉理工大学硕士学位论文 浪引起的船舶颠簸对卸船机的损伤等方面具有明显优势，因而在近年形成的卸 船机市场中占有相当大的比重。桥式抓斗卸船机的小车型式可分为自行小车式 和钢丝绳牵引小车式。钢丝绳牵引小车式分为主辅小车式和差动四卷简单小车 式，差动四卷简又分为机械差动和电差动两种【”。 桥式抓斗卸船机具有生产效率高、自动化程度高的明显优势，但它仍在不 断改进中发展，在减轻自重、节省能耗、改善环保条件等方面取得了不少新的 发展。 1 2 2 可编程控制技术的现状与发展 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r s ) 是7 0 年代以来在集成 电路和计算机技术的基础上发展起来的一种控制技术【2 】，它把计算机的功能全、 灵活性和通用性强的优点与继电器控制简单易懂、操作方便、价格便宜的优点 结合起来，专为在工业环境下应用而设计的工业控制器。典型结构组成如图卜1 所示。与其他计算机系统一样，p l c 以微处理器为核心，指令在存储器中顺序 图卜1p l c 结构组成 排列。用户程序的执行是用扫描方式完成的，通过周而复始的扫描循环，完成 给定的控制任务。除执行用户程序之外，在每次扫描过程中还要完成输入、输 出等处理工作。一个典型的扫描过程分为以下几个阶段： 1 ) 内部处理阶段，p l c 检查c p u 内部的硬件是否正常，以及别的内部工作。 2 ) 通讯服务阶段，p l c 与别的主机或p l c 通讯，交换数据或接受控制命令。 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 输入处理阶段，p l c 把所有外部输入信号状态读入它的输入映象寄存 器。在随后阶段中，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映象寄存器的 状态也不会随之改交。输入信号变化了的状态只能在下一扫描周期的输入处理 阶段才被读入，见图卜2 所示。 图1 - 2p l c 扫描过程不惹 4 ) 程序执行阶段，p l c 逐条解释和执行用户程序。在完成给定的逻辑运 算后，将运算结果写入输出映象寄存器。 5 ) 输出处理阶段，将输出映象寄存器的数据传送至输出锁存器，经输出 模块隔离和功率放大后，驱动外部负载1 3 i 。 在当前的卸船机控制系统中，大多都采用p l c 作为控制装置。一个p l c 作 为主站，多个p l c 及远程i o ，驱动器，监控设备作为从站的网络连接方式也 被广泛的应该在大型卸船机控制系统中。新型的p l c 速度快、功能强，而且都 有较强的联网通讯功能，使得分布式的控制功能进一步分散，控制速度及系统 的可靠性又得以进一步提高【4 j 。 未来的p l c 必须符合制造业发展的趋势，具有更佳的可视性和更好的远程 控制特性。所有这些需要快捷的通信，它意味着计算机必须要能够交换数据， 必须有程序以使它们能够使用其它计算机的数据。p l c 未来发展的方向是进一 步提高与其它计算机互连性，向开放性方面发展1 5 】。 1 2 3 交流变频技术的现状与发展 2 0 世纪6 0 年代以后，半导体功率器件从普通晶闸管( s c r ) 、门极可关断 晶闸管( g t o ) 、双极型晶体管( b j t ) 、金属氧化硅场效应管( m o s f e t ) 、静 电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 控制晶体管( m g t ) 、 3 武汉理工大学硕士学位论文 m o s 控制晶闸管( m c t ) 逐步发展到今天的绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 和耐 高压绝缘栅双极型晶体管( h v i g b t ) 。器件的每一次更新都为调速技术的发展 注入了新的活力。电动机的调速从直流发电机一电动机组调速、静止晶闸管整 流直流调压调速逐步发展到交流异步电动机变频调速，而且随着控制技术和控 制手段的不断提高，变频调速又由变压变频控制的变频调速发展到了矢量控制 变频调速。通过控制交流电动机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化， 提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性，使得交流电动机变频调速系统的 性能超过了直流电动机调压调速系统的性能。为了简化控制系统，减少设备故 障率，在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调 速。在一些对动静态特性要求不太高的应用中，无速度传感器的矢量控制变频 调速已完全可以和有速度传感器的矢量控制变频调速相媲美。矢量控制对交流 电机调速具有划时代的意义1 6 j 。 交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的卸船机 大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高 性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机 进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其外围控制 线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行的可靠性较传统的交流调 速系统有较大的提高。所以，交流变频调速技术应用于卸船机是今后港口卸船 机驱动控制发展的主流1 7 j 。 通常在大型港口设备上多采用先进的能量回馈系统。能量回馈系统是将公 共直流母线技术应用于多电机传动系统中，在取得较高的调速精度的同时，将 系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和能量回收，从而取得良好的 节能效果。在变频器调速系统中，如果有多台大功率变频器同时工作时，可采 用公共直流母线技术。此种连接方式可以更高地利用由于变频制动所产生的无 功功率，是一种比较理想的应用方法，同时为提高其他的变频器调速控制精度， 提供了高品质的直流电源。 公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流回馈装置 为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系 统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时， 能量通过母线及回馈装置直接回馈给电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、 减少设备维护量和设备占地面积等目的。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 能量回馈控制系统的组成 能量回馈控制系统通常由整流回馈单元、公共直流母线、逆变单元等组成。 回馈单元可分为通过自祸变压器的能量回馈和不通过自耦变压器的能量回馈两 种方式。通过自耦变压器的能量回馈可提高回馈支路中的电源电压，目的是在 能量回馈过程中不必降低中间回路电压，使得逆变器能够获得一个较恒稳的直 流电源；不通过自耦变压器的能量回馈实际上是保持系统一直处在回馈状态， 在整流过程中依靠持续降低具有相角控制的中间回路的电压来实现。 ( 1 ) 整流回馈装置 整流回馈单元把交流电源转换为电压稳定的直流电源，即使在逆变器能量 回馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定。整流回馈单元的功率部分一 般由2 个反并联晶闸管桥组成，可在输入端电网和逆变器中间回路之间整流和 回馈。 ( 2 ) 逆变器 逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满 足电机平滑调速的目的。逆变器系统的原理框图如图卜3 所示。 c + o 一 雠 飘椰 捌t 细 谨， 垤，t 2 坝啪 p 2 o 一一j 图1 - 3 逆变器系统原理况图 2 ) 能量回馈控制系统工作原理 整流回馈单元采用通过自耦变压器的能量反馈方式。在回馈桥和电网间通 过自耦变压器将回馈桥的输入电压升高2 0 0 , 6 ，以实现没有电压降的回馈。回馈 桥上没有较高电压时，中间回路电压通过相位角变化进行调整，中间回路电压 由一个带微处理器的数字调节器自动调节。 逆变器由中间回路直流电压利用脉冲宽度调制方法( p w m ) 生成一个交流变 武汉理工大学硕士学位论文 频系统，装置由内部闭环电子线路控制，功能由装置软件提供，采用无速度传 感器的矢量控制模式。速度给定信号由p l c 运算后通过d p 网传给每套驱动装置， 增加了系统的响应速度和控制精度及系统的抗干扰能力。 能量回馈系统是解决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间 电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在 不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给，又将多余的 能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。 1 2 4 卸船机自动作业控制的现状与发展 在卸船机自动作业控制方面，a b b 公司早在1 9 8 3 年就推出了桥式抓斗卸船 机自动操作系统，即抓斗摆动和性能优化器( g p o ) 。该系统功能包括自动卸船 操作、自动操作时的卸船机过载控制、优化的抓斗运行轨迹计算以及抓斗摆动 控制。自动卸船操作时，司机的工作就是在卸船开始前，使抓斗在三个预定位 置上开启，控制系统自动记录这些点相对于卸船机参考点的几何位置：在连续 的卸船作业循环中，司机只要简单地调整抓斗在船舱内的抓取点的相对位置， 系统自动通过二级减速或加速来有效运用抓斗向小车运行前方的摆动位移，以 减少运行小车的运行行程和运行时间，达到减少作业循环时间、提高作业效率 的目的。在6 p o 的基础上，a b b 公司推出了g p o 系统。g p o 系统可以根据钢丝绳 长度和运行小车加速度计算抓斗的位置；在不增加机构能力的情况下，通过对 运行小车加速度的控制，使运行小车在尽可能短的时间内达到全速；抓斗返回 船舱的速度可以高一些；为适应卸载粘性物料的要求，可以对小车进行减速并 将运行小车稳定而准确地停在接料漏斗上方，在设定的卸料作业时间之后，运 行小车自动返回船舱悼i 。 另外，从严格意义上讲，以前的桥式抓斗卸船机的自动操作系统只是辅助 司机操作系统，并不是全自动操作系统，因为卸船机在工作过程中离不开司机， 甚至司机遥控操作都不可能。近来欧洲一些桥式抓斗卸船机用户提出了实现全 自动操作的要求。要实现全自动操作，必须结合优化计算程序和控制程序并有 效利用传感器和激光定位技术。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 5 监控及管理系统的现状与发展 监控及管理系统应设置工业级人机界面操作终端，要求结构紧凑，可靠性 高的触摸屏或工控机设备作为智能终端，能与多种工业现场通信协议兼容。智 能终端能实现运行状态、实时故障报警、显示当前故障帮助信息、历史故障记 录、故障表打印、生产数据统计及报表打印等功能。智能终端与系统的通信方 式可采用现场总线方式，与传动装置及p l c 同在一个总线上，智能终端也可与 p l c 直接构成主从结构的一对一或一对多通信方式。系统所有的运行状态与故 障状态均应在p l e 有检测例1 1 0 】。 监控及管理系统能够及时显示故障，及时排除故障，缩短故障检测与维修 时间，方便管理设备，增加正常运转时数，提高生产效率。因此，该技术问世 以来，在全世界内得到了迅速发展，目前应用相当广泛。 在开发高效快速的港口机械设备监控及管理系统方面，发达工业国家处于 主导地位，较著名的有g e 、a b b 、s i e m e n s 和施耐德公司等【1 l l 。这些公司应用先 进的计算机控制技术、智能传感器技术、高速宽带通信技术等，不断推出新方 案和新装置，使由他们自主或参与合作开发( 或改造) 的港口设备的装卸效率 和安全可靠度都有了极大的提高，整机向有机、完善、协调、适配方向发展。 1 3 论文的主要研究内容 本文以桥式抓斗卸船机为研究对象，基于理论并结合实际项目，对其整个 电气控制系统进行研究。论文的主要内容： ( 1 ) 研究交流变频调速系统，讨论交流变频调速的基本控制控制方式和特 点，变频器的选型设计方法，并给出计算公式。 ( 2 ) 研究桥式抓斗卸船机电气控制系统的组成，包括系统结构、硬件方案、 控制柜和操作台的组成。 ( 3 ) 研究桥式抓斗卸船机自动控制方案及其具体如何实现，包括自动控制 流程、p l c 软件设计及实现方案。 ( 4 ) 研究桥式抓斗卸船机p l c 控制系统如何设计，介绍选择p l c 的原则， 给出系统硬件配置图，详述如何组态硬件，并完成网络的配置。 ( 5 ) 研究桥式抓斗卸船机监控及管理系统，介绍友好的人机界面及功能， 在v b 环境下开发并给出具体实现方法。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章桥式抓斗卸船机的结构和特点 抓斗卸船机是目前沿海、沿江上普遍用于散货接卸船主要机械设备。无论 什么样的物料流程，都必须有前沿机械将货物从船舱内取出。抓斗卸船机以其 固有的优点，如技术成熟、作业受波浪影响小等，在散货卸船作业中占主要地 位【”。 2 1 桥式抓斗卸船机的结构 抓斗卸船机的作业如图2 一l 所示。从图2 一l 可知，抓斗的运行路线是a 蜘， 而物料的运行路线是b a 。在b a 的运行中，抓斗的升降是依靠起升机构来 实现的，而抓斗的水平移动则有两种形式：一种是依靠臂架系统的变幅动作来 实现；另一种则是依靠小车沿水平桥架运行来实现。这样就形成了两种不同的 抓斗卸船机。前者基本结构与通用门座起重机相同，故称门座抓斗卸船机；而 后者称为桥式抓斗卸船机i ”j 。 凸 一 l _ 船中心 图2 - 1 电力拖动系统的构成 本文主要研究桥式抓斗卸船机，如图2 2 所示。桥式抓斗卸船机主要有五 大运动机构：起升支持机构、起升开闭机构、小车平移机构、俯仰机构和大车 行走机构。其中，起升支持和起升开闭机构完成抓斗的升降和开闭；小车机构 完成抓斗的平移；俯仰机构主要完成悬臂梁的俯仰收放；大车行走机构完成整 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 桥式抓斗卸船机 个机械的移动。桥式抓斗卸船机除了以上五个主要机构需要完成控制外，与控 制相关的还有一些辅助机构，如电缆卷筒、给料机、带式输送系统、水系统、 司机室平移、照明、称重等。 2 2 桥式抓斗卸船机的传动机构特点 桥式抓斗卸船机的传动机构主要是指：抓斗运动机构、悬臂梁俯仰机构、 大车行走机构。下面介绍传动机构的特点。 1 ) 抓斗运动机构 桥式抓斗卸船机的主要取料装置是抓斗，如图2 - 3 。抓斗的升降，开闭及 平移运动主要由支持、开闭和小车机构协同完成，三个机构合成抓斗运动机构。 三个机构分别由支持电动机、开闭电动机和小车电动机通过机械卷筒带动钢丝 绳协同传动抓斗运动。 图2 - 3 抓斗 9 武汉理工大学硕士学位论文 支持、开闭和小车三个机构的传动形式有如下三种： ( 1 ) 四卷筒传动结构：三个电动机共用四个卷筒，卷筒之间通过行星齿 轮进行机械耦合，由机械差动完成三个机构的联动与单动。该方式的机械四卷 筒结构复杂，钢丝绳缠绕简单。 ( 2 ) 平衡小车结构：三个电机分别传动三个独立的卷筒，小车机构增加 一个平衡小车来实现差动运行，保证小车平移运动时抓斗水平。该方法的机械 卷筒结构简单，但要增加平衡小车，钢丝绳缠绕比较复杂。 ( 3 ) 电差动结构：四个电动机分别传动四个完全独立的卷筒，由电气控 制系统控制四个电动机的差动完成三个机构的联动与单动。电差动结构方式比 行星齿轮机械差动结构的电气控制要复杂得多，但四个卷筒的结构简单，制造 成本低，无论机械还是电气，均有很高的互换性，并且钢丝绳的缠绕简单。 抓斗运动机构( 支持、开闭与小车机构) 是桥式抓斗卸船机工作频率最高 的机构，在现代的控制系统中常常要为这三个机构的联动、装卸工作配备自动 工作的手段，以提高生产效率，同时也可以降低操作者的劳动强度。 每个机构除了配备制动器、凸轮限位及必要的润滑系统外，为了能够实现 自动功能，支持机构、开闭机构与小车机构都需要配置位置传感器、速度测量 传感器以及必须的安全保护装置等。 2 ) 悬臂梁俯仰机构 在卸船机不工作时，为了防止大风冲击，以及船舶停靠时为了避免碰撞， 通常需要将卸船机悬臂梁收起；正常工作时，又需要将悬臂梁下放至水平，悬 臂梁的收放由俯仰电动机完成。俯仰电动机传动一个独立的卷筒，为保证机械 安全，通常悬臂梁收起后，由机械挂钩锁定，该挂钩称安全挂钩。另外，为了 减少钢丝绳的机械疲劳，悬臂梁收起和下放至水平位置后，需将钢丝绳放松， 避免钢丝绳长期受力而发生变形。所以，电气控制系统中必须要求有俯仰收放 自动控制流程，完成悬臂梁的自动平稳升降、安全钩自动抬起落下、钢丝绳自 动放松等系统联动控制，以提高操作的可靠性和安全性。 由于悬臂梁俯仰机构的安全级别要求较高，通常要配备二个制动器，一个 称安全制动器，一个称工作制动器。该机构的工作频率低，且不需要与其他机 构联动，在电气控制上往往与小车机构的控制系统合而为一，共用一套电子传 动装置。除了配备制动器、凸轮限位及必要的润滑系统外，通常也需要位置测 量传感器、速度测量传感器以及机械超速保护开关等，以增加该机构的安全监 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 控性能。 3 ) 大车行走机构 卸船机正常工作时，经常需要将整机平移，该运动由大车行走机构完成。 大车行走机构通常由一组多台电动机共同传动，因此无需速度与位置测量装置， 每台电动机配置一套制动器。大车运行时，电气控制系统需同时传动电缆和水 缆卷筒，以保证上机电缆和水缆同步收放。另外，为保障整体的安全性，大车 行走要与防撞信号连锁，并设置锚定销、夹轨器及防风缆等装置。 2 3 本章小结 本章分析了桥式抓斗卸船机的组成结构，并阐述了桥式抓斗卸船机的传动 机构以及传动机构的特点。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章交流变频调速系统 随着电力电子器件、大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及 现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步 创造了有利的条件。其中交流变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交 流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的调速精度、快速的动态响应等良 好的技术性能1 1 4 j 。 3 1 交流变频调速的基本控制方式及特性 i ) 交流变频调速的基本控制方式 从电机学知道【垌，三相交流异步电动机的转速n 为 雄= 警) ( 3 - ) 式中：，1 施加于电动机进线端的供电电源频率( h z ) ； 只电动机的极对数； s 电动机的转差率，s o 。一n ) n 。，式中为同步转速。 改变三相交流异步电动机的供电频率，| ，可以改变其同步转速，实现调 速运行。 对三相交流异步电动机进行调速控制时，常须考虑的一个重要因素，就是 希望保持电动机中每极磁通量咖。为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用 电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过 大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电动机，励磁系统 是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持磁通不变是很容易做到的。在三 相交流异步电机中，磁通由定子和转子磁动势合成产生，如何保持磁通恒定， 需要进行详细的分析。 由电机学理论知道，三相交流异步电动机定子每相电动势e 。的有效值 e 。i4 4 4 a v l 毋。 ( 3 2 ) 式中：e 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值( v ) ； 武汉理工大学硕士学位论文 1 定子每相绕组串联匝数； 毋- 每极气隙磁通量( w b ) 。 由式( 3 2 ) 可知，只要控制好e 。和 ，便可达到控制磁通中。的目的，对此， 需要考虑基频( 额定频率厂。) 以下和基频以上两种情况。 ( 1 ) 基频以下调速 为了保持三相交流异步电动机的负载能力，应保持磁通咖。不变，这就要求 频率 从额定频率，向下调节时，必须同时降低e ；使 f 一常数 ( 3 3 ) l l 即保持电动势e 。与频率 之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变 频调速，属于恒转矩调速方式。 但是，e 。难于直接检测和直接控制。当e 。和 的值较高时，定子的漏阻 抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压u ，和频率五的比 值为常数，即认为u 。= e 。，保持【，厂1 = 常数。这就是恒压频比控制方式，是近 似的恒磁通控制。 低频时，u ，和e 。都较小，定子漏阻抗压降( 主要是定子电阻压降) 不能 在忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压u ，以补偿定子电阻压降 的影响，使磁通中，基本保持不变。如图3 - i 恒压频比控制特性图所示，其中i 为 无电压补偿时( u ，l = 常数) 电压一频率关系，为有电压补偿时( 近似的 e ，厂1 = 常数) 电压一频率关系。 矾 图3 - 1 恒压频比控制特性 j h ，l ( 2 ) 基频以上调速 在基频以上调速时，频率 可以从基频，往上增上，但电压u 却不能超 武汉理工大学硕士学位论文 过额定电压u ，最多只能保持“= u 0 。由式( 3 2 ) 可知，这必然会使磁通4 、 随着 的上升而减小，相当于直流电动机弱磁升速的情况，属于近似的恒功率 调速方式。把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图3 2 所示的异步 电机变压变频调速控制特性，即三相交流异步电机变频调速的基本控制方式。 矾，嚷 9 j h 图3 2 三相交流异步电机变压变频调速控制特性 2 ) 交流变频调速a - 相交流异步电动机的机械特性 根据电机学原理，在下述假定条件下，忽略空问和时间谐波，忽略磁饱和， 忽略铁损，异步电机在正弦波恒压恒频供电下的机械特性转矩l 由下式表示 艺一织印2 而方 睁4 ， 式中：r 、呓定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻； 工。，、定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； u l 、q 定子相电压和供电角频率； s 转差率： 只极对数。 当s 很小时，可忽略上式分母中含s 的各项，则 一圮白2 詈吣 ( 3 - 5 ) m 也就是说s 很小时，转矩近似与s 成正比，机械特性t 一厂o ) 是一段直线，如图 3 - 3 所示。当s 接近于1 时，可忽略式( 3 - 5 ) 分母中的r ：，则 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 互一职c 2 再焉鲁丽“； 仔。， f 月o 矗 0 乙 图3 3 异步电机恒压恒频机械特性 即s 接近于1 时转矩近似与s 成反比，t - ，o ) 是对称于原点的一段双曲线。 当s 为以上两段的中间数值时，机械特性以直线段逐渐过渡到双曲线段。 基于式( 3 4 ) ，来推导一下异步电机变频调速的机械特性，分基频以下和 基频以上两种情况1 1 6 1 。 ( 1 ) 基频以下电压一频率协调控制时的机械特性 由式( 3 - 4 ) 的机械特性方程式可以看出，对于周一组转矩互和转速h ( 或 转差率s ) 的要求，电压【，。和角频率q 可以有多种配合。在u ，和q 的不同配合 下机械特性也是不一样的，因此，可以有不同方式的电压一频率协调控制。 恒压频比控制方式( u ，q 一恒值) 为了近似地保持磁通中。不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩 的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随角频率 纰变化 。堕 ( 3 7 ) 。h 只 因此，带负载时的转速降落。为 4 一。- 鑫s q ( 3 8 ) 式中：a 转速降落( r m i n ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 在式( 3 4 ) 所表示的机械特性的近似直线段上，可以导出 啦。蔫 仔” 3 只( 二三) 2 由此可见，当u 。q 为恒值时，对于同一转矩t ，s q 是基本不变的，因而 a 。也是基本不变的。这就是说，在恒压频比条件下改变角频率q 时，机械特性 基本上是平行下移的。如图3 - 4 所示，它们和他励直流电机变压调速时特性的 图3 - 4 恒压频比控制时变频调速的机械特性 变化情况相似，所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就 折回来了，而且频率低时最大转矩越小。u ，q 一恒值时，最大转矩。随角 频率q 的变化关系为 正。一三只却2 l ( 3 - 1 0 ) 可见瓦一是随着q 的降低而减小的。频率很低时，互一太小，将限制调速 系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当地提高电压u 。，可以增强带载能力。 恒e ；q 控制方式 图3 - 5 给出了异步电机的稳态等效电路【切。 武汉理工大学硕士学位论文 蜀厶- 。 l 一| 乩正耳e ， e i ，1 k 彤 - 一 f 图3 - 5 异步电机稳态等效电路和感应电动势 图中：足、彤定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻： 工i l 、定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感； 、e 定子每相电流和折合到定子侧的转子每相电流； ，。感应电流； 。定子每相绕组产生磁通的等效电感，即励磁电感； u ，定子相电压； s 精差率； e ，气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势； e 定子全磁通的感应电动势； e ，转子全磁通的感应电动势( 折合到定子边) 。 如果在电压、频率协调控制中，恰当地提高电压以的份量，使它在克服定 子阻抗压降以后，能维持。，q 为恒值( 基频以下) ，则由式( 3 2 ) 可知，无 论频率高低，每极磁通咖。均为常值，由图3 5 等效电路可以得到转子电流折算 值，：的计算公式 e 。1 ：l 一 ( 3 1 1 ) ( 堕) z + 祈磁 将它代入电磁转矩基本关系式，得 。詈看衰2 芋 ( 3 _ 1 2 ) 经变换，得 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 t - 圮白0 ) 12 燕( 3 - 1 3 ) ( ，一+ s 一所l ： 这就是恒占。q 时的机械特性方程式。 利用与前相似的分析方法，当s 很小时，可忽略式( 3 1 3 ) 分母中含s 2 项， 则有 t 圮南o ) 12 等* s ( 3 - 1 4 ) a 一 这表明机械特性的这段近似为一条直线。当5 接近1 时，可忽略式( 3 1 3 ) 分母中的r ：2 项，则有 w 只e g2乓“詈(3-15)s。o,l5q 5 这是一条双曲线。 s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双血线之间逐渐过渡，整 条特性与恒压频比特性相似。但是，对比式( 3 4 ) 和式( 3 1 3 ) 可以看出，恒 e ；( - 0 1 ，特性分母中含s 的参数要小于恒u 。q 特性中的同类项。也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被忽略，因此恒e 。( , 0 1 特 性的线形段范围更宽。图3 - 6 给出了不同控制方式下的机械特性。 i 一恒压频比控制方式- 恒压频比控制方式噩一恒压频比控制方式 图3 _ 6 不同电压、频率协调控制方式时的机械特性 将式( 3 1 3 ) 对s 求导，并令a l e s 一0 ，可得e 。q ，控制特性在最大转 矩时的转差率s 。和最大转矩t s 。一旦w x l 曼2 ( 3 一1 6 ) s _ 。 l j l b j 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 t 一一主只白2 专( 3 - 1 7 ) 可见，当e 。q 为恒值时，瓦。恒定不变。可知恒e 。q 控制的稳态性能是优 于恒u ，q 控制的，它正是恒【，。q 控制中补偿定子压降所追求的目标。 恒e ，鸭控制方式 如果把电压、频率协调控制中的电压u 进一步再提高一些，把转子漏抗上 的压降也抵消掉，便得到e ，q 控制，由图3 - 5 可以得到 小南 ( 3 _ 1 8 ) 将它代入电磁转矩基本关系式，得 t 5 等惫。等。圮争专 仔 、5 7 由于分母中没有s ，这时的机械特性t 一，o ) 完全是一条直线，如图3 - 6 所示， 显然，恒e ，蚴控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特 性。这正是高性能交流变频调速所要求得性能。按照式( 3 2 ) 电动势和磁通的 关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。气隙磁通的感应电动 势e 。对应于气