龙门起重机论文.doc

摘 要龙门起重机作为物料搬运系统中一种典型设备,在企业生产活动中应用广泛作用显著,因此对于提高龙门起重机的运行效率,确保运行的安全可靠性,降低物料搬运成本是十分重要。传统的龙门起重控制系统主要采用继电器接触器进行控制,采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速,这种控制系统存在可靠性差,操作复杂,故障率高。电能浪费大,效率低等缺点。本文针对龙门起重机控制系统中存在的上述问题,把可编程序控制器和变频器应用于龙门起重机控制系统上,并进行了较深入的研究。控制系统采用龙门起重机变频调速技术后具有节能、减少机械磨损，启动性能好等诸多优点。关键词：变频调速 龙门起重机 可编程控制器ABSTRACTGantry crane, as a typical materials handling system in enterprise production equipment, is widely used to production, thus it is very vital to improve the efficiency of gantry cranes and ensure the safety and reliability of the operation and reduce the cost of handling material. The traditional gantry crane control system is mainly controlled by electric relay, using the method of communication winding resistance to start and speed. But the shortcomings in it are poor reliability, complex operation, high failure, wasteful energy and low efficiency. Aiming at solving the problems of above-mentioned, PLC and frequency converter are applied to gantry crane, and the control system is studied. After adopting gantry crane variable-frequency regulating speed technology, the control system has reduced energy, mechanical properties, etc.Keywords: Frequency conversion velocity modulation Gantry craneProgrammable Logic Controller 目 录1前 言41.1龙门起重机概述41.2门式起重机电气传动系统方案与原理41.2.1门式起重机负载特点41.2.2转子电路串电阻调速41.2.3晶闸管定子调压调速41.2.4直流调速系统41.2.5交流调速系统42变频调速系统分析42.1变频调速42.2变频调速的基本原理42.3变频器的基本构成42.4变频器的保护42.4.1过电流保护功能42.4.2过电压保护功能42.4.3欠电压保护43变频调速龙门起重机系统设计43.1龙门起重机系统硬件构成及各部分功能43.2系统的硬件部件选择43.2.1电机的选用43.2.2变频器的选择53.2.3常用辅助器件的选择53.3PLC控制的变频调速系统硬件设计53.3.1龙门起重机PLC及变频器系统53.3.2主电路图53.3.3大车控制原理图54变频调速系统软件设计54.1可编程控制器的介绍54.1.1PLC的基本概念54.1.2PLC的基本结构54.1.3PLC的工作原理54.1.4PLC的特点54.1.5PLC的主要性能指针54.2S7200系列机种及系统构成54.2.1基本单元54.2.2扩张单元54.2.3PLC的I/O口分配图表54.3变频器参数设置54.4PLC控制的变频调速系统软件设计54.4.1龙门起重机大车电动机的工作过程54.4.2控制大车电动机的变频器输入控制端的安排5结 论6谢 辞6参考文献6附 录61 前 言1.1 龙门起重机的概述起重机是现代工业在实现出产过程机械化、自己主动化，改善物料搬运前提，提高劳动出产率必不可少的重要机械设备。它对于发展国民经济，改善人们的事物、文化生活的需要都起着重要的作用。随着经济建设的迅速发展，机械化、自己主动化程度也在不停提高，与此相适应的起重机技能也在高速发展，产物种类不停增加，使用规模越来越广。一些企业由于没有起重机械，不仅工作效率低，劳动强度大，甚至难以工作。高层建筑的施工，上万吨级或几十万吨级的大型船只的建造，火箭和导弹的发射，大型电站的施工和安装，大重件的装卸与搬运等，都离不开起重机的作业。起重机不仅可以作为辅助的出产设备，完成原料、半成品、产物的装卸、搬运，进行机电设备、船体分段的吊运与安装，而且也是一些出产过程及工艺操作中的必需的装备。再如冶炼金属工业出产中的炉料筹办、加料、钢水浇铸成锭、脱模取锭等，必需依靠起重机进行出产作业。据统计，在国内的冶炼金属、煤炭部门的机械设备总数量或总自重中，起重运输机械约占45%。起重机是机械化作业的重要的事物基础，是一些工业企业中主要的固定资产。对于工矿企业、港口码头、车站库场、建筑施工工地，和海洋开发、宇宙航行等部门，起重机已成为主要的出产力要素，在出产中进行着高效的工作，组成合理社团批量出产和机械化流水作业的基础，是现代化出产的重要标志之一。龙门起重机作为物料搬运机械中的最主要的一种，在各行各业中得到广泛的应用，龙门起重机起重范围可以从几吨到几十吨甚至几百吨，在机械制造、冶金、钢铁、码头集装箱装运等行业都必须有龙门起重机。而起升机构更是起重机的咽喉设备，因此对其进行研究，改进其结构使其更加合理，使用更加方便，成本更加低廉，具有重要的现实意义。龙门起重机作为物料搬运系统中一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛。传统的龙门起重控制系统主要采用继电器接触器进行控制，采用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，这种控制系统存在可靠性差，操作复杂，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点。因此对龙门起重机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。本论文以龙门起重机为研究对象，研究变频器在龙门起重机中的应用，根据原有的控制结构，结合PLC技术，提出一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现龙门起重机变频调速系统的高效、稳定运行。本论文主要内容分为如下四个部分：（1）变频调速选择及原理，即本论文的第二章，它首先介绍交流电机变频调速的基本原理及基本结构，接着阐述变频器的工作原理。为下一步部分的起重机变频控制系统提供了理论基础。（2）变频调速龙门起重机系统总体方案设计，即本论文的第三章，起重机变频调速控制系统主要由电源及保护系统、主令控制器、PLC控制系统，变频器组成，并根据本文要求选择系统硬件主要组成部分。（3）变频调速软件设计，即本论文的第四章，它首先介绍了PLC特点、主要性能，然后选取PLC，最后根据本课题研究内容扩展CPU，根据需要分配I/O口。（4）全文的总结，即本论文的第五章，它对全文的研究内容作了总结。1.2 门式起重机电气传动系统方案与原理1.2.1门式起重机负载特点为了提高生产率以及适应各种工作的要求，起重机的工作速度应该是可控制的尤其是起重机起升机构，当轻载和空钩下降时，在大起升高度升降重物时，为节省时间，需较高的工作速度，当吊运危险物品、重载以及进行安装工作时，为了安全可靠和准确定位，则要求较低的工作速度甚至微速。因此，起重机一般设有速度调节装置，且要求其工作平稳可靠、结构简单、操作方便、调速范围大等.对于门式起重机，其核心机构是起升机构，在起升机构上电气控制调速必须解决的关键技术为:（1)低频时能保证恒转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象。（2)满负载时在空中制动停车或再提升时，不产生溜钩现象。（3)电动机减速或重载下放时，再生制动能量必须迅速释放。对于门式起重机的行走机构，为了保证停车位置的准确，也必须将负载按照四象限运行来考虑。下面列举几种起重机常用的调速方案并进行比较。1.2.2 转子电路串电阻调速传统的门式起重机多采用绕线式交流异步电动机转子电路串电阻调速。绕线式交流异步电动机转子电路串接不同电阻时的机械特性如图1-1所示。其中，电阻R2RlR，当电动机负载转矩M相同时，转速随电阻增大而降低.即串接电阻后电动机同步转速no和最大转矩Mmax不变，转差率S增大，转速降低.利用此方法可改善电动机的起动特性和控制工作速度。图1-1 转子串电阻机械特性这种方法调速简单可靠，成本低，方便维修，缺点是有级调速，冲击大，在外接电阻器上功率损耗大，低速时机械特性软，不易获得稳定的轻载低速，下降工况时调速困难，故一般与制动器配合使用。1.2.3晶闸管定子调压调速电动机的晶闸管定子调压调速是一种较先进的调速方式，它具有调速比大，工作可靠，响应速度快等特点，已被国内外生产厂家广泛地用作起重机的主要调速方式之一。起重机定子调压调速系统，是指向绕线式转子异步电动机的定子提供一种电压可变的电源，转子外串相应段数的电阻以调节其转差率Si，使电动机在稳定的工作区内降速运行的一种调速系统。在绕线式异步电动机转子串联电阻不变的情况下，改变电机的供电电压，其输出转矩与电压的平方成正比。其特性曲线如图1-2所示，图中虚线是2.1倍电动机额定电流时的等电流曲线。图1-2 交流电动机供电压变化时的转矩-速度特性由图1-2 可知，临界转差率不变。电机的临界转差率SK是由电机的阻抗参数决定的，若在转子回路串接外部电阻，则可以增加S、值。在绕线式异步电动机的转子中串以多级电阻(如图1-3所示)，即可得到一簇曲线，见图1-4，在电动机定子电压不变的情况下，其临界转矩MK保持不变。图1-3 串有二级电阻的电动机转子回路图1-4 调压调速的转矩速度特性曲线为了获得较好的输出特性，起重机调压调速系统中几乎都采用闭环调速方式，大多采用转速反馈。其中最常用的测速反馈元件是测速发电机，也有使用脉冲编码器的。图1-5调压调速闭环控制原理框图总体来说，晶闸管定子调压调速方案能平滑调节速度.且低速时特性较硬.调速范围可达1:10，上升、下降均可调速.但系统较复杂.尤其是串电阻消耗功率，发热量大，维护不方便。1.2.4直流调速系统直流电动机的转速特性可用下式表示:（1-1） 式中，n一电动机转速;U一电枢供电电压;R一电枢回路总电阻;Ke一有电机结构决定的电势常数式中Ke为常数，Ia的大小取决于负载转矩，因此直流电动机的调速方法有三种:（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要从额定电压向下调，电动机额定转速向 下变速，属恒转矩调速。（2）改变电动机主磁通只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调，属恒功率调速方法 。（3）改变电枢回路电阻Ra改变电阻调速缺点很多，目前很少采用。自动控制的直流调速系统往往一调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合使用。在门式起重机的应用中，满载时采用调压调速，轻载时采用弱磁调速。直流调速调整性能好，可无级调速，操作轻便，但设备较复杂，成本高、体积大、噪音大，可靠性差，维护也不方便。1.2.5交流调速系统由异步电动机的转速公式n= 60f1(1-s)/p（1-2）(式中，n为转速,f1为电源频率，p为极对数，s为转差率)可知 ，异步电动机的转速n近似与供电电源频率f1成正比。而异步电动机的感应电动势E1为:（1-3）式中，f1同上式，为绕组的匝数,k1为绕组系数为磁通，加果忽略电动机定子阻抗压降，则端电压U1为 （1-4）在改变电源频率f1实现调速的过程中，应使电源电压U1同时增减并使U1/f1为常数，这样才能保证电机的磁通不会有大幅度波动，从而保证电机出力的恒定。因此，根据Ul和f1之间的关系，可以得出以下三种工作方式:（1）U1/f1为常数此时电源电压和频率均在低于额定值的范围内变化。但随着电源电压下降，定子阻抗压降作用逐渐明显，将破坏E1/f1为常数的关系，使磁通中减少，因而这种工作方式的调速范围较小。（2）保持电动机最大转矩Mm恒定若让电源电压U1和频率f1按一定函数关系变化，自动补偿电动机定子阻抗压降的影响，保持E1/f1为常数，就可以使电动机在低频时的驱动能力增强。这种工作方式用在额定转速的范围内调速，适合于驱动需要较大调速范围的恒转矩负载。（3）恒功率和恒转矩调速由于不允许电压U、超过电动机额定电压，在实现额定转速以上的调速时，应保持电源电压不变并为额定值，仅使频率增加。此时电动机磁通中减少，输出转矩也随之下降，但输出功率近似恒定.这种工作方式用在额定转速以上范围调速，适合驱动恒功率负载。在额定转速以下调速仍保持E1/ f1为常数，适合驱动恒转矩负载。由于起重机起升机构负载为恒转矩负载，因此采用恒功率和恒转矩调速的工作方式完全满足起重机起升机构的需要。变频调速是起重机调速最理想的方案，调速比可达1:10以上，可实现无级调速，各挡速度机械特性很硬，重载低速起动和运行稳定可靠，加减速时间的设定使各挡起制动速度相当平稳。适合起重机起动转矩大、低速大扭矩及负载变化大的工况。具有较高的控制精度，设计有故障显示、分析及参数监控功能，便于使用和维护，并且易于实现自动控制及远程控制。所以说，变频调速在起重机上的应用具有广阔的前景。2 变频调速系统分析2.1 变频调速目前国内外调速的方案很多，主要是利用改变电机的级数、电压、电流、频率等方法改变电机的转速，通过上述方法使电机达到较高的使用性能。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。效率高，调速过程中没有附加损耗；调速范围大且可以实现平滑调速，调速性能好，可用于笼型异步电动机。 根据本课题需要选用变频器调速。2.2 变频调速的基本原理根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为: （2-1）其中 n一异步电动机的转速,单位为r/min；f一 定子的电源频率,单位为Hz；S一 电机的转速滑差率 ；P一 电机的极对数 。由上式 （2-1）可知，如果改变输入电机的电源频率f，则可相应改变电机的输出转速。在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量中.为额定值不变磁通太弱，没有充分利用电机的磁心,是一种浪费；若要增大磁通,又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持中，不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。三相异步电动机每相电动势的有效值是: （2-2）式中 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值,单位为V；定子频率,单位为 Hz；定子每相绕组串联匝数；基 波 绕 组 系数；极气隙磁通量,单位为Wb；由公式（2-2）可知 ,只要控制好和，便可以控制磁通不变，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况；a.基频以下调速00图 2-1 恒压频比控制特性即采用恒定的电动势，有上式可知，要保持不变，单频率从额定值向下调节时，必须同时降低，然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压，则得/ =常值.低频时，和读较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。这时，可以人为的把电压U抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒功率比控制特性为b线，无补偿的为a线。如图2-1所示: (定子相电压)b.基频以上调速在基频以上调速时，频率往上增高，但电压u磁通与频率成反比的降低，相当与直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图2-2。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。(频率)0恒转矩调速恒功率调速U1(定子相电压)图2-2 异步电动机变压变频调速控制特性2.3 变频器的基本构成变频器分为交交和交直交两种形式。交交变频器只有一个变换环节，把恒压恒频(CVCF)的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。常用的交交变频器输出的每一相都是一个正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，也就是说，每一相都相等于一套直流可逆调速系统的反并联可逆整流器。交直交变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换可控频率和电压的交流。由于此类变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。交直交变频器由整流器、中间电路、逆变器、控制电路四个主要部分组成。a.整流器整流器与三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。整流器有两种基本类型：可控型和不可控型。b.中间电路中间电路有以下三种类型：（1）将整流电压变换成直流。（2）使脉动的直流电压变得稳定或平滑。（3）将整流后的固定直流电压变换成可变直流电压。c.逆变器逆变器产生可变电压,可变频率的变频交流电供给交流电动机。（1）SPWM逆变器工作原理：在采样控制理论中有一个重要结论：“冲量（窄脉冲的面积）相等而波形不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。”名为SPWM逆变器，就是期望其输出电压是纯粹的正弦波形。把一个正弦半波分作N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替。矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。同样，正弦波负半周也可用相同方法来等效。（2）SPWM逆变器的调制方式： 在SPWM逆变器中，三角波电压频率与参考波电压频率(即逆变器的输出频率)之比称为载波比，也称调制比。根据载波比的变化与否，SPWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。实际应用中，多采用分段同步调制方式。它集同步和异步调制方式之所长而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点；在低频运行时，使载波比有极地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。d.控制电路控制电路将控制信号传递给整流器、中间电路和逆变器，同时也接受其反馈信号。2.4 变频器的保护2.4.1 过电流保护功能由于变频器件的过载能力较差，变频器的过电流保护至关重要。变频器中，过电流保护的对象主要指带要突变性质的。电流的峰值超过了变频器的容许值的情形。a.过电流的原因（1） 工作中过电流 即拖动系统在工作过程中出现过电流，其原因大致来自以下几个方面：1）电动机遇到冲击负载或传动机构出现“卡住”现象，引起电动机电流的突然增加。2）变频器的输出侧短路，如输出端到电动机之间的联机发生相互短路，或电动机内部发生短路等。3）变频器自身工作的不正常，如逆变桥中同一桥臂的两个逆变器件在不断交替导通的工作过程中出现异常。（2）升速中的过电流 当负载的惯性较大，而升速时间又设定的太短时，将产生过电流。这是因为，升速时间太短，意味着在升速过程中，变频器的工作频率上升太快，电动机的同步转速n0迅速上升，而电动机转子的转速Nm则因负载惯性较大而跟不上去，导致转子绕组切割磁力线的速度太快，结果升速电流太大。（3）降速中的过电流 当负载的惯性较大，而降速时间设定的太短时，也会引起过电流。b.变频器对过电流的处理在实际的拖动系统中，大部分负载都是经常变动的。因此，不论是在工作过程中，还是在升. 降速过程中，短时间的过电流总是难免的。所以，对变频器过电流的处理原则是，尽量不跳闸，为此而配置了防止跳闸的自处理功能；只有当冲击电流的峰值太大，或防止跳闸措施不能解决问题时，才迅速跳闸。2.4.2 过电压保护功能a.产生过电压的原因（1）电源过电压（2）降速时因反馈量来不及释放而形成的再生过电压。（3）在SPWM调制方式中，电路是以系列脉冲的方式进行工作的。由于电路中存在着绕组电感和线路分布电感，所以在每一个脉冲的上升和下降过程中，可能产生峰值很大的脉冲电压。b.过电压的保护措施（1）电源过电压 对于电源电压的上限，一般规定不能超过额定电压的10%，当电源线电压为380时，起上限值为420。由于电源电压过高，将直接反映在整流后的直流电压上；同时，再生过电压也直接反映在直流电压上，所以，进行电压保护的“取样电压”总是从主电路的直流电路中取出。（2）再生制动时的防止跳闸功能 和升速过程中过电流时的防止跳闸功能一样，在降速过程中出现过电压，也可以采取暂缓降速的方法来防止它跳闸。（3）脉冲过电压的保护 对于由线路电感引起的脉冲过电压，采用常规的“检测-判断-保护”的方式是来不及保护的，通常采用吸收的方法来解决。常见的吸收装置有压敏电阻吸收和阻容吸收电路等。2.4.3 欠电压保护a.产生欠电压的原因（1）电源方面: 1）电源电压过低 2）电源缺相（2）电路方面1）整流器件损坏，如果六个整流二极管中有部分因损坏而断路，则整流后的电压将下降。2）限流电阻未“切出”电路 限流电阻是在电源刚合闸时，用以限制滤波电容CF的充电电流的。当CF上的电压上升到一定程度时。晶闸管VT导通，将RL“切出”电路。如果由于某种原因，使VT不能及时导通，使RL长时间接入电路，负载电流将得不到及时的补充，导致直流电压的下降。b.关于欠电压的保护对于电源方面引起的欠电压，变频器设定的动作电压一般都较低， 不很严格。这是因为：（1）欠电压的后果之一，是电动机的转矩下降，而新系列的变频器都有各种补偿功能，使电动机能够继续运行。（2）欠电压的另一个后果是电动机的电流增大，而变频器又具有完善的过载保护功能。3 变频调速系统硬件设计传统龙门起重机的电力拖动系统采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行起动和调速，采用继电接触器控制，该系统主要缺点有：（1）龙门起重机工作环境恶劣，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。（2）继电接触器控制系统可靠性差、操作复杂、故障率高。（3）转子电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速效果不理想。（4）所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异。其中，具有代表性的是交流变频装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在龙门起重机中拖动系统中的应用提供了有利条件。3.1 龙门起重机系统硬件构成及各部分功能龙门起重机大车、小车、主钩、副钩电动机都需要独立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统由5台电动机、4台变频器传动，并由4台PLC分别加以控制。各部件的功能及实现方法如下：a.主令控制器大车、小车、主钩、副钩各设一台主令控制器分别操作。主令控制器的功能仍是将调速及电动机转向命令输送给系统。b.变频器变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。大车、小车是普通反抗性负载，可以配用普通型或高功能型变频器，而主钩及副钩是位能性负载，应配用可实现四象限运行的矢量控制性变频器。从变频器工作频率的控制来看，可以采用变频器模拟量电压控制端加接电位器方式，这样电动机的转速时无级调节的。但这样的方案与传统的操作方式相差较远。考虑到转速平滑调节对起重机来说并不必要，则可采用变频器机外开关多端速度选择方式实现速度控制，这和选取主令控制器作为操作器件是配套的。采用变频器后，电动机的正反转控制也变得简单了，不再需要使用接触器交换电源的相序，只要操作变频器的相序控制端口就可以了。起重机变频器，特别是主钩及副钩变频器，需配用制动电阻。起重机放下重物时，由于重力作用起重机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。制动电阻就是用来消耗这部分能量的。c.电源及安保系统起重机的保护中有一个重要手段是电源控制，当出现任何意外时，首先是断开起重机的电源接触器，这时起重机各个环节的电磁抱闸发挥制动作用，保障设备及人身安全。这套机制在采用变频器之后仍将保留。d.电动机采用变频器的交流起重机各电动机，可以使用专用的变频调速起重电机，也可用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。e.可编程控制器可编程控制器完成系统逻辑控制部分，含接受主令控制器送来的操作信号、对变频器的控制及系统安全的保护，是系统的核心。3.2 系统的硬件部件选择3.2.1 电机的选用a.变频调速对电机的要求采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。主要反映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。随着高开关频率的IGBT等电力电子器件的使用、PWM调制、矢量控制、增强型V/f控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。同时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生的共振问题。日前，变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或呈1:20以上的大速比、低调速要求或特低噪声要求外，一般无须选用变频专用电机作变频系统的电机。现在国内推出的变频专用电机由普通电机加独立风扇组成，以解决电机在低速运转过程中自冷风扇风量不足而引起的电机过热问题.b.变频起重机系统中电机的选型当机构速比大于1:4时，可根据起重机的工作级别及接电持续率的要求选用YZF泌型(带他冷风扇)电机，这样可保证系统的工作效率，提高电机运行时的功率因数。过大的电机容量往往会使逆变器输出电流脉动增大，过流保护动作妨碍电机的正常工作，降低电机功率因数。尽管Y型电机在额定工作状态的效率大于YZ型电机，但在加速过程中YZ型电机效率却大于Y型电机。而起重机运行机构加速过程在总工作周期内是不容忽视的，故起重机以YZ型电机与变频器配套使用更为有利。采用了交流变频调速系统后，对整机机构的冲击、对制动器的磨损都降低到了最小限度。传统起重机控制系统起升机构能耗部分将取消，各机构调速电阻将取消。上述各机构原有的各电动机上的电磁抱闸继电器任然保留。3.2.2 变频器的选择a.变频器的选择起重机各个机构负载为恒转矩负载，普遍选用带底速转矩提升功能的电压型变频器，如日本的安川，三菱，富士，德国的西门子及丹佛斯等。其中本系统选用西门子变频器，西门子变频器具有合理的价格，完整的理论计算书及各器件的推荐值，有利于用户合理选用及调试。目前，市场上流行的变频器大多分为两类：一类是适于一般负载的一般通用变频器；另一类是适合于高精度控制的高性能通用变频器。高性能通用变频器与一般通用变频器相比，在以下几方面具有良好的性能：（1）宽的调速范围： 1：100以上，（2）良好的低频起动特性，（3）额定电压下的全范围恒转矩输出，（4）变频器系统具有良好的静态特性和动态特性，（5）完整和快速的故障诊断、保护和报警功能，（6）具有网络通讯功能，（7）变频器和其驱动的电动机噪声低。据本课题研究对象工作环境及合理价格，考虑选用西门子MM440系列的通用变频器。b.MM440变频器的电路结构MM440变频器的电路分两大部分：一部分是完成电能转换（整流、逆变）的主电路；另一部分是处理信息的收集、变换和传输的控制电路。（1）主电路主电路是由电源输入单相或三相恒压频的正弦交流电压，经整流电路转换成恒定的直流电压、供给逆变电路。逆变电路在CPU的控制下，将恒定的直流电压逆变成电压和频率均可调的三相交流电供给电动机负载。（2）控制电路控制电路由CPU、模拟输入、模拟输出、数字输入、输出继电器触头、操作板等组成如图3-1所示。1）主电路接线端子 L1、L2、L3为三相交流电源接入端子。U、V、W为输出可调频电源的端子。2）模拟量输入控制端子 3、4及10、11号端子为两对模拟量输入控制端子。通过I/O板上的DIP开关，可以选择输入的模拟量类型，或是420mA，或是010V电压。端子板上1号及2号端子是为模拟量输入端子供电的机内10V直流电源接线端。3）开关量输入控制端子 DN1DN6为数字量输入控制端子。此6个端子可用于变频输出的启动停止、输出电压的相序控制及选择已设定的电源频率。端子板上9及28号端子为开关量输入端子提供直流24V操作电源。4）电动机保护热电阻输入端子 14、15号端子为预埋在电动机中的热敏电阻传感器接入端子。电动机过热时可关断变频器。5）通信接口 29、30号端子为RS485通信接口，可使用通信方式控制变频器的启停及频率变化。6）模拟量输出端子 12、13及26、27号端子为两组模拟量输出端子，经过一定的设定后，该两组端子可输出反映变频器的工作参数的模拟量，如变频器的输出频率等。用于变频器工作状态的显示及对其他器件的控制。7）开关量输出端子 18、19、20及23、24、25，21、22号端子为两组三端开关量输出端子及一组二端开关量输出端子。其中三端开关量端子含常开及常闭触点各一对，二端开关量端子含常开触点一对。开关量端子经一定设定后可以反映变频器的某些工作状态，用于显示报警及输出对其他设备的控制信号。图3-1 MM440接线端子示意图3.2.3 常用辅助器件的选择变频器系统器件由断路器、接触器、电抗器、变频器、制动电阻及制动单元组成。a.断路器为避开变频器使用时直流电容器的充电电流峰值，为此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的1.3-1.4倍，整定值为断路器额定值的3-4倍。b.接触器接触器在在变频器主回路中仅在变频器辅助器件或控制回路故障时起断开主回路的作用，一般不作回路开断器件用，故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其寿命。c.交流电抗器当变频器直接连接于一个大容量的电源变压器（600KVA以上或电源变压器很近安装）时，或电网回路中接有移相电容器，可能会在电网中产生过峰值电容，致使变频器损坏。为此，在变频器的输入端加接交流电抗器，以抑制变频器的接入还可起到降低电机噪声、改善起动转矩、在电机轻载时改善电机功率因素的作用。d.制动单元因为在变频调速中，电动机的降速和停机是通过减小变频器的输出频率，从而降低电动机的同步转速的方法来实现的。当电动机减速时，在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之降低，由于机械惯性，电动机转速没有突变，使同步转速低于实际转速。电动机处于发电制动运行状态，负载机械和电动机所有的机械能量被回馈给电动机，并在电动机中产生制动力矩，使电动机的转速迅速下降。为了减小大惯性系统的减速时间，解决变频器直流电路上的过电压问题。常在其直流电路中加接以检测直流电压的晶体管。一旦直流回路电压超过一定的界限。该晶闸管导通，并将过剩的电能通过与之相接的制动电阻器转化为热能耗。在能量消耗的同时加速了转速的减小，该能量消耗得越多，制动时间越小，此装置即为变频器的制动单元。e.制动电阻器借助制动单元，消耗电机发电制动状态下从动能转换来的能量。有时变频器生产厂家在产品目录中给出了制动电阻最小值，可供用户在选择制动电阻时参考。f.电缆的选择由于高次谐波额驱动效应，电缆的选择实际使用面积减小，单位实际工作电阻增大，电缆压降有增大的趋势，故所配电缆一般大于常规使用值。如转换器与电机间的主回路配线不当，将会是电压下降较多，从而降低电机转矩，增大电机电源，引起电机过热。近年来变频器厂家将变频器的额定电压设计成稍低于电源电压，如380V电源用变频器标称电压为360V等，有利于输出电线容量的降低。总上所述，变频器自身特性及合理选择是驱动设计成功的首要因素，但辅助配置器件的恰当与否同样不可以忽视。3.3 PLC控制的变频调速系统设计3.3.1 龙门起重机PLC及变频器系统控制系统由继电器控制改为PLC控制，三大机构调速均采用变频调速。龙门起重机变频调速系统主要由电源及安全保护系统、主令控制器、PLC控制系统、变频变频调速系统组成。本设计中将继电器电路控制转换为可编程控制器时控制时，原电路的接触器类执行元件要保留，原输入传感器件要保留，原继电器控制电路中的接线所表达的输入输出之间的逻辑关系由PLC用户程序所代替，原有龙门起重机停电后电磁抱闸等功能保留，改进后的系统结构如图3-2：电源及安全保护系统主令控制器主令控制器主令控制器PLC变频器变频器变频器MMM主钩副钩小车图3-2 龙门起重机PLC及变频器系统框图变频器M大车M主令控制器下面分别对各机构控制进行简单说明。a.起升机构起升机构属位能负载机构。不但要求高的转速及起制动的控制精度。而且对转矩控制要求严格。起升机构的电机使用一个变频器。变频器的选择，应以选择变频器的额定电流为基准，一般以电动机的额定电流，负载率。变频器运行的效率为依据。通过计算。变频器的额定电流一般为电动机额定电流的1.2倍以上。b.运行机构大车运行机构电机用一个变频器；考虑到运行机构的工作频率较少，变频器的选择，一般以电动机的额定功率作为选择的依据。通常选额定功率大一级的变频器。运机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳；机构的电气制动方式必须着重考虑。对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式。在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作龙门起重机的需要为主。为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以通过设定机械制动器的打开时间、变频器的最低运行频率、运行电流之间的关系，以满足机构负载特性的要求。3.3.2 主电路图 图3-3 主电路图3.3.3 大车控制原理图龙门起重机大车、小车、副钩、主钩电动机工作由的PLC控制，大车、小车、副钩主钩电动机都运行在电动状态，控制过程基本相似，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现基本相同，而主钩电动机运行状态处于电动、倒拉反接或再生制动状态，变频器与PLC之间控制关系在硬件组成以及软件的实现稍有区别。控制大车电动机的变频器与PLC控制原理图如图34所示。图 3-4 PLC控制大车原理图4 变频调速系统软件设计随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。可编程控制器作为通用的工业控制计算机，是存储逻辑在工业应用中的代表性成果。近30年以来，PLC不断发展更新，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。现在PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量死循环控制、数字元量的智能控制、数据采集、监控、通讯联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛应用。4.1 可编程控制器的介绍可编程序控制器及其网络己成为当前工业自动化的支柱单元之一。现在PLC已发展到第四代，具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能，同时还具有完善的自诊断功能，并正在不断提高和完善网络通信能力，在机电一体化产品中应用范围极广。考虑到起重机自身的特点及其施工工况，其控制系统性能是关系到运行状况好坏进而影响工程进度的重要因素，因此PLC及其网络在大型设备的状态监控及在线诊断中有极好的应用前景。4.1.1 PLC的基本概念可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。4.1.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示： a.中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 b.存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 c.电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。4.1.3 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 a.输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 b.用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。c.输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。随着计算机技术的发展，存储逻辑开始进入工业控制领域。可编程控制器作为通用的工业控制计算机，是存储逻辑在工业应用中的代表性成果。近30年以来，PLC不断发展更新，其功能日益强大，已经成为工业控制领域的主流控制设备。现在PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量死循环控制、数字元量的智能控制、数据采集、监控、通讯联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛应用。4.1.4 PLC的特点在PLC系统中，大量的开关动作是由无触点的半导体电路来完成的，加上充 分考虑了工业生产环境电磁、粉尘、温度等各种干扰，在硬件和软件上采取了一系列抗干扰措施，PLC有极高的可靠性。a.适应性强，应用灵活PLC系统相对继电器控制系统，接线少，其主要功能是通过程序实现的，在需要改变设备的控制功能时，只需要修改程序，需改接线的工作量是很少的。b.编程方便，易于使用PLC的编程可采用与继电器电路极为相似的梯形图语言，直观易懂，深受现场电气技术人员的欢迎。c.功能强，扩展能力强PLC中含有数量巨大的可用于开关量处理的继电器类软组件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器系统所不能实现的。PLC或其功能单元方便地实现DA、AD转换及 PID运算，实现程控、数字元控制等功能。PLC具有通信网路功能，它不仅可以控制一台单机，一条生产线，还可以控制一个机群，许多生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程监控。d.PLC体积小，重量轻，易于实现