30_5吨桥式起重机电气改造设计

.xxxx理工大学成人高等教育 毕 业 设 计（论文）30/5吨桥式起重机电气改造设计姓 名： 学 号： 专 业： 机械制造及其自动化 年 级： 学习形式： 函授 夜大 脱产 学习层次：高起本 专升本 高起专 函 授 站： .xxxx理工大学成人高等教育毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 30/5吨桥式起重机电气改造设计 姓 名： 学 号： 专业、 年级：机械制造及其自动化学习形式： 函授 夜大 脱产 学 习 层 次：高起本 专升本 高起专 函 授 站： 毕业设计（论文）内容：1.用户的30/5吨桥式起重机电气改造原因调查分析及改造技术路线拟定。2.桥式起重机电气设备参数计算和选型。3.桥式起重机电气系统原理图及程序设计。4.桥式起重机电气系统改造施工及调试方案。设计（论文）指导教师（签字）： 主管教学院长（签字）： 年 月 日目录摘要：1第一章 设计项目来源11.1项目来源概况11.2用户单位拟定起重机的大修经济技指标11.3桥式起重机电气故障现状调研11.3.1起重机操作工现状反映11.3.2起重机电气维护检修工现状反映11.3.3起重机电气故障原因分析11.3.3.1起重机电气工作原理分析11.3.3.2起重机电气设备及其功能11.3.3.3起重机电气设备故障分析11.4桥式起重机电气系统大修技术路线11.4.起重机电气系统大修技术路线一11.4.2起重机电气系统大修技术路线二11.4.3起重机电气系统大修技术路线三11.5桥式起重机电气大修技术路线确定1第二章 交流电机变频调速和变频器及PLC的原理和技术12.1交流异步电机变频调速原理和技术发展12.2变频调器原理和技术发展12.3 PLC原理和技术发展1第三章 桥式起重机电气设备参数计算和选型13.1桥式起重机改造前升降机构主要技术参数13.2变频鼠笼异步电动机参数计算及选型13.2.1异步电动机极数计算13.2.1异步电动机功率计算及选型13.3主钩副钩变频器选型13.3.1起重机升降机构运行特点分析13.3.2主钩副钩变频器选型13.4电气控制PLC选型13.4.1电气控制需求I/0点表统计13.4.2电气控制需求I/0点表统计1第四章 桥式起重机电气系统原理图及程序设计14.1电气控制PLC的I/0点定义设计14.2电气系统主回路设计14.3主接触器控制回设计14.4 PLC控制回路设计14.5变频器回路设计14.6电气控制PLC程序设计14.6.1主钩控制梯形图14.6.2副钩控制梯形图设计14.6.3保护回路梯形图设计1第五章 桥式起重机电气系统改造施工及调试15.1桥式起重机电气系统改造设备采购及施工15.2桥式起重机电气系统改造调试方案15.2.1通电前的检查15.2.2电气控制PLC程序及变频器相关参数写入15.2.3控制回路通电检查15.3通电试验1效 果 评 价1致 谢1参 考 文 献1附 录1.30/5吨桥式起重机电气改造设计兰石全能源动力中心四川xxxx摘要：本文主要对一企业现有30t/5t桥式起重机，由常规YZR系列冶金起重用三相异步电动机作为电气传动，转子回路串电阻调速，线路控制器方式为主令控制器加PQR型控制方式，改造为三菱通用变频器加三菱PLC控制方式，将原来主、副钩的绕线式异步电动机改换为鼠龙式异步电动机，用PLC控制替代传统的PQR型磁力屏控制方式，用变频器直接驱动鼠龙式异步电动机实现调速。并结合生产工艺需求，对桥式起重机的主钩、副钩电动机、主、副钩变频器、PLC等主要电气设备进行设计和选型，完成了电气控制原理图设计，PLC程序设计以及对改造设计后的桥式起重机进行通电调试。关键词：起重机；常规控制；通用变频器；PLC；可行性；.第一章 设计项目来源1.1项目来源概况某企业现有一台30/5吨桥式起重机，由重庆起重机厂设计生产，于1990年安装投用至今，主要用来起吊发电机定子和转子、汽轮机透平和转子，完成必需的检修或安装等等作业。起重机跨距22.5米；主钩减速机型号ZQ50,速比40.17，起吊重量不超过30t，额定起吊速度7.8m/min；副钩减速机型号ZQ85,速比48.57起吊重量不超过5t，额定起吊速度14.5m/min；选用YZR系列冶金起重用三相异步电动机作为电气传动机，电机转子串电阻器作为实现调速方案，线路控制器方式为主令控制器加PQR型控制方式。日常生产中，起重机使用频率高，一旦起重机出现问题，对企业连续生产带来很大影响，甚至可能造成损坏发电机、汽轮机等高价值的生产设备，将导致企业的经济效益受损。随着使用年限增加，起重机电气故障频率逐年上升，已影响到单位24小时不间断的生产。鉴于此，用户单位拟计划对30/5吨桥式起重机电气系统进行大修，以恢复起重机能无故障连续生产运行的基本技术要求，满足企业生产。1.2用户单位拟定起重机的大修经济技指标用户单位从自身企业生产规模和经营状况，拟定了桥式起重机维修后要达到以下宏观指标值： A. 起重机大修外购设备费用一次性投资不超过15万元。B. 起重机大修后，电气技术性能不得低于1990年设备安装投用时的各项指标。C. 在外购设备费用不超的情况下，应采用当前较为先进技术方案进行大修，且电气设备尽量换新。D. 起重机大修后，应使起重操作工的劳动强度有所降低，减轻起重操作工生产压力。E. 起重机大修后，5年内电气控制回故障次数年平均小于15次/年，电动机烧毁率为零。F. 起重机大修后，新安装的电气设备要便于维护检修，备品备件通用性、互换性强，尽量选用单位上已在用的相同或机相近型号规格电气设备，便于今后维修备品备件组织，减少库存备品备件资金占用。1.3桥式起重机电气故障现状调研1.3.1起重机操作工现状反映起重机操作工是桥式起重机的使用和操作者，对起重机生产使用时存在故障情况反映整理如下：A. 起重机操作使用中，偶有发生瞬时溜钩现象，操作工处理一失误，将造成设备和人身伤害的重大事故，带来起重操作工很大压力，有时都不愿上起重机生产操作，想换岗位。B. 主钩、副钩未设点动功能，起重机操作工在重物作微量移动时，只能靠快速操作控制器手柄来实现，安全方面取决于操作工的熟练程度。在精确落一大吨位物件时，需要反反复复的升降操作，才能实现，让起重机操作工和指吊工经常背有思想情绪上岗。C. 起重机在起动、停止过程中冲击大，有时机械响特大，起重机来回上下颤动感觉特别明显。D. 起重机在操作中，常出现速度变动大，要快速时，速度提不起，要慢速时，速度减不下，操作中找不着档位。E. 起重机在操作中经常陌名其妙的电磁响声，还以为又出故障。F. 起重机的调速电阻经常被烧得通火，到处都嗅得到电气被烧焦的糊味，不得已只好把电阻器的保护罩拆除，便于散热。G. 起重机近来电机老被烧毁。H. 起重机一出故障，经常停在半空中，上也上去，下也下不去，不得动弹。I. 起重机主钩、副钩、大车、小车操作分属四个独立操作控制器，操作工操作量大，紧急情况下，搞得手忙脚乱的。1.3.2起重机电气维护检修工现状反映对起重机电气维护检修人员收集信息，起重机日常故障维护检修集中在以下电气元件上出问题：A. 起重机电气控制接触器故障率最高，出现情况有接触器线圈烧坏、接触器主触头烧坏粘连或接触不良、接触器辅助节点闭合不良、接触器动铁芯错位、接触器安装螺栓松动脱落、接触器拉弧烧坏邻近元件或线路，加之原设计接触器选型为非常用型号，备器组织困难，更换时也挺费尽。B. 起重机过流继电器正常动作多次后，动作就会失灵，有时节点也因振动而误动。C. 起重机主钩、副钩的主令机械磨损快，出现档位定不位、档位节点闭合顺序错乱。D. 起重机大车、小车凸轮控制器触头经常烧断。E. 起重机的调速电阻经常被烧得通火，常将绝缘烧坏，甚至烧断电阻丝，烤坏连接的电缆，尤其起重机主钩、副钩的最为突出。F. 起重机近来主钩电机老被烧毁，更换上备用电机相当困难。G. 起重机一出故障，经常停在半道上，处理故障时，不能通过起重机的正常上下梯道上到起重机操作，只能高空攀爬栏杆，进到起重机上，非常不安全。H. 对起重机操作使用中，发生瞬时溜钩时，即时组织人员对起重机进行全面检查，均未发现任何故障点，然后对吊车进行满负荷试重，也未再出现溜钩现象，让检修维护人员很是困惑。1.3.3起重机电气故障原因分析1.3.3.1起重机电气工作原理分析桥式起重机电气系统，如电气主回路图1和主钩、副钩控制回路及总电源保护控制回路图2所示。从图中可以看出,起重机选用绕线式电动机，转子回路串电阻进行调速。大车、小车控制选用凸轮控制器直接实现平移机构的起停及运行速度的控制，主钩、副钩选用常规接触器继、继电器、主令控制器组合实现升降机构起停及运行速度的控制。保护设置有电动机过流保护、短路保护、失压保护、控制器的零位联锁、司机室及栏杆门安全开关保护等。由于生产工艺需求，主钩、副钩设置六个调速档位，以得到不同的电动机机械特性，满足吊装重物的各种作业工况要求。其控制工作原理为正反向接触器ZC、FC用以换接电动机定子电源的相序，控制电动机正反转，制动接触器ZDC接通三相制动电磁铁，电动机转子回路中共有七段对称连接的电阻器，前两段为反接制动电阻，分别由反接制动接触器1FCJ、2FCJ控制，后四段为起动加速电阻，由加速接触器1JSC、2JSC、3JSC、4JSC控制。1.3.3.2起重机电气设备及其功能结合电气主回路图1和主钩、副钩控制回路及总电源保护控制回路图2，桥式起重机电气设备及其功能分析见表1.1。表1.1起重机电气设备及其功能序号符号设备名称型号规格功能1ZD主钩电机YZR250M2-8 37KW输出主钩拖动转矩起放重物2FD副钩电机YZR160L-6 11KW输出副钩拖动转矩起放重物31DD、2DD大车电机YZR160M2-6 7.5KW输出大车拖动转矩平移大车4DX小车电机YZR160M1-6 5.5KW输出小车拖动转矩平移小车5ZDT主钩制动器MZS1-45H产生制动力矩，固定重物位6FDT副钩制动器MZD1-300产生制动力矩，固定重物位71DT、2DT大车制动器MZD1-200产生制动力矩，固定大车位续表1.1起重机电气设备及其功能序号符号设备名称型号规格功能8TX小车制动器MZD1-200产生制动力矩，固定小车位9ZR主钩电阻器RQ32-YZR250M2-8/6Y-4得到不同转矩和主钩转速10FR副钩电阻器RT32-YZR160M2-6/1B得到不同转矩和副钩转速111DR、2DR大车电阻器RT32-YZR160L-6/2R-1得到不同转矩和大车转速12XR小车电阻器RT32-YZR160M1-6/1B得到不同转矩和小车转速13BFG保护配电柜GQR5-GCDD总电源控制及保护电气总成14XC总电源接触器CJ12B-250/3总电源的通断15LJ总过流继电器JL12-300A总电源的过流继保护161LJ、2LJ大车过流继电器JL12-20A大车的过流继保护173LJ小车过流继电器JL12-15A小车的过流继保护18Kz主钩主令控制器LK1-12/90主钩的控制指令人机接口19Kf副钩主令控制器LK1-12/91副钩的控制指令人机接口20Kd大车凸轮控制器KT10-60J/5大车控制指令及其电源通断21Kx小车凸轮控制器KT10-25J/1大车控制指令及其电源通断22CLP磁力控制屏PQR10A-250主副钩控制及保护电气总成234LJ主钩过流继电器JL12-200A主钩的过流继保护245LJ副钩过流继电器JL12-100A副钩的过流继保护25ZC正转接触器CJ12B-100/3主钩或副钩起升电源的通断26FC反转接触器CJ12B-100/3主钩或副钩下降电源的通断271FCJ、2FCJ反接制动接触器CJ12-80/3主钩或副钩串不同电阻通断281JSC4JSC加速接触器CJ12-80/3主钩或副钩串不同电阻通断29ZDC制动接触器CJ12-80/3制动电磁铁电源通断30LYJ零压保护继电器CJ10-10主钩或副钩的失压保护31ZXK主钩限位开关LX3-11主钩起升高度限位保护32FXK副钩限位开关LX3-11副钩起升高度限位保护331XX、2XX小车限位开关LX10-11小车平移极限位保护341DX、2DX大车限位开关LX10-11大车平移极限位保护351AK-4AK门安全开关LX19-111防止人员误入安全保护36JK紧急开关LX3-11H危急情形下人控断电指令1.3.3.3起重机电气设备故障分析结合电气主回路图1和主钩、副钩控制回路及总电源保护控制回路图2以及表1.1，对桥式起重机电气设备常见故障分析见表1.2。表1.2起重机电气设备常见故障序号设备名称故障现象故障原因1主钩电机发热、转速异常、烧毁电机散热不良、制动电磁铁不能正常打开、连续大负荷（点动）运行频率高、定子缺相、转子缺相、电机滑环烧坏、绕组绝缘击穿等2副钩电机发热、转速异常、烧毁电机散热不良、制动电磁铁不能正常打开、连续大负荷（点动）运行频率高、定子缺相、转子缺相、电机滑环烧坏、绕组绝缘击穿等3大车电机发热、转速异常、烧毁电机散热不良、制动电磁铁不能正常打开、连续大负荷（点动）运行频率高、定子缺相、转子缺相、电机滑环烧坏、绕组绝缘击穿等4小车电机发热、转速异常、烧毁电机散热不良、制动电磁铁不能正常打开、连续大负荷（点动）运行频率高、定子缺相、转子缺相、电机滑环烧坏、绕组绝缘击穿等5主钩制动器不动作、电磁力不够、电磁声大、烧毁断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、定位弹簧变形或断片、铁芯开裂、行程量变小、安装螺丝松动或断裂等6副钩制动器不动作、电磁力不够、电磁声大、烧毁断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、定位弹簧变形或断片、铁芯开裂、行程量变小、安装螺丝松动或断裂等7大车制动器不动作、电磁力不够、电磁声大、烧毁断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、定位弹簧变形或断片、铁芯开裂、行程量变小、安装螺丝松动或断裂等8小车制动器不动作、电磁力不够、电磁声大、烧毁断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、定位弹簧变形或断片、铁芯开裂、行程量变小、安装螺丝松动或断裂等9主钩电阻器发热异常、阻值改变、烧断烧毁散热不良、电阻氧化严重、电机连续大负荷（点动）运行频率高、长期低档位运行、电机过载、回路缺相等10副钩电阻器发热异常、阻值改变、烧断烧毁散热不良、电阻氧化严重、电机连续大负荷（点动）运行频率高、长期低档位运行、电机过载、回路缺相等11大车电阻器发热异常、阻值改变、烧断烧毁散热不良、电阻氧化严重、电机连续大负荷（点动）运行频率高、长期低档位运行、电机过载、回路缺相等12小车电阻器发热异常、阻值改变、烧断烧毁散热不良、电阻氧化严重、电机连续大负荷（点动）运行频率高、长期低档位运行、电机过载、回路缺相等13保护配电柜变形严重、晃动大焊点脱焊、起不到设备总成作用，引起内部设备空间变位带来短路等各种奇特故障续表1.2起重机电气设备常见故障序号设备名称故障现象故障原因14总电源接触器不动作、电磁声大、烧毁、触头发热、电弧声响断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、触头烧坏、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动或断裂等等15总过流继电器误动作、辅助节点不通动作特性变差、辅助节点损坏或烧坏16大车过流继电器误动作、辅助节点不通动作特性变差、辅助节点损坏或烧坏17小车过流继电器误动作、辅助节点不通动作特性变差、辅助节点损坏或烧坏18主钩主令控制器不能回零位、档位闭合混乱机械结构严重磨损，齿轮结构失效19副钩主令控制器不能回零位、档位闭合混乱机械结构严重磨损，齿轮结构失效20大车凸轮控制器不能回零位、档位闭合混乱、触头发热或烧毁机械结构严重磨损，齿轮结构失效、触头烧损、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动等等21小车凸轮控制器不能回零位、档位闭合混乱、触头发热或烧毁机械结构严重磨损，齿轮结构失效、触头烧损、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动等等22磁力控制屏变形严重、晃动大焊点脱焊、起不到设备总成作用，引起内部设备空间变位带来短路等各种奇特故障23主钩过流继电器误动作、辅助节点不通动作特性变差、辅助节点损坏或烧坏24副钩过流继电器误动作、辅助节点不通动作特性变差、辅助节点损坏或烧坏25正转接触器不动作、电磁声大、烧毁、触头发热、电弧声响断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、触头烧坏、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动或断裂等等26反转接触器不动作、电磁声大、烧毁、触头发热、电弧声响断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、触头烧坏、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动或断裂等等27反接制动接触器不动作、电磁声大、烧毁、触头发热、电弧声响断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、触头烧坏、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动或断裂等等续表1.2起重机电气设备常见故障序号设备名称故障现象故障原因28加速接触器不动作、电磁声大、烧毁、触头发热、电弧声响断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、触头烧坏、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动或断裂等等29制动接触器不动作、电磁声大、烧毁、触头发热、电弧声响断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、触头烧坏、触头粘连、灭弧罩损坏、安装螺丝松动或断裂等等30零压保护继电器不动作、电磁声大、烧毁、触头发热、电弧声响断线、线圈烧毁、铁芯吸合错位、触头烧坏、触头粘连等31主钩限位开关辅助节点不通机构变形、辅助节点损坏32副钩限位开关辅助节点不通机构变形、辅助节点损坏33小车限位开关辅助节点不通机构变形、辅助节点损坏34大车限位开关辅助节点不通机构变形、辅助节点损坏35门安全开关辅助节点不通机构变形、辅助节点损坏36紧急开关辅助节点不通机构变形、辅助节点损坏从表1.2中可以看到，当桥式起重机电气系统中单个设备出故障时，故障现象明显，电气维护人员容易判断和查找到故障点并处理好。但是，由于桥式起重机投用年限已很长，起重机电气设备整体技术性能下降很多后，电气设备出故障往往多个设备同时发生综作用，引起故障现象奇特和复杂，电气维护人员查处故障点就要困难得多，有些可能查不到明显的故障点，这些情况在操作工现状反映、电气维护检修工现状反映中都有集中的体现。综上所述，起重机电气故障原因综合分析有以下机点：A. 桥式起重机投用年限已久，电气设备整体技术性能下降，导致近来起重机电气故障频发。B. 起重机操作工虽通过熟练操作技艺，克服设备性能上的不足，基本保障了生产起吊作业，但这加速了起重机电气设备技术性能进一步恶化，同时也给起重机操作工带来不小的安全生产压力。C. 起重机电气系统技术性恶化后，最终导致不可预见性“瞬时溜钩”的险情偶发，而最终故障点未能查找到。结论：用户单位已不能采取，安排电气维护人员对起重机电气系统进行简单日常维护、换几个电气设备的方式，就能恢复起重机的电气性能，而应立项，启用专项大中修资金，对起重机电气系统进行必要的大修，以恢复和提高桥式起重机的电气性能指标。1.4桥式起重机电气系统大修技术路线1.4.起重机电气系统大修技术路线一起重机电气系统大修技术路线一：采用电气设备原型号更新方式，设备选型方案和市场参考价见表1.3。表1.3起重机大修技术路线方案一的设备选型序号设备名称型号规格市场价（元）备注1主钩电机YZR250M2-8 37KW4040电机利旧，送电机修理厂大修价。2副钩电机YZR160L-6 11KW25003大车电机YZR160M2-6 7.5KW30004小车电机YZR160M1-6 5.5KW10005主钩制动器MZS1-45H24006副钩制动器MZD1-30014007大车制动器MZD1-2007008小车制动器MZD1-2007009主钩电阻器RQ32-YZR250M2-8 /6Y-4570010副钩电阻器RT32-YZR160M2-6/1B300011大车电阻器RT32-YZR160L-6/2R-116002台12小车电阻器RT32-YZR160M1-6/1B70013保护配电柜GQR5-GCDD600*500*500400014总电源接触器CJ12B-250/31161续表1.3起重机大修技术路线方案一的设备选型序号设备名称型号规格市场价（元）备注15总过流继电器JL12-300A8016大车过流继电器JL12-20A1202台17小车过流继电器JL12-15A1142台18主钩主令控制器LK1-12/9065519副钩主令控制器LK1-12/9165520大车凸轮控制器KT10-60J/597021小车凸轮控制器KT10-25J/187022磁力控制屏PQR10A-2501700*1100*450500023主钩过流继电器JL12-200A1462台24副钩过流继电器JL12-100A1342台25正转接触器CJ12B-100/38802台26反转接触器CJ12B-100/38802台27反接制动接触器CJ12-80/316804台28加速接触器CJ12-80/333608台29制动接触器CJ12-80/38402台30零压保护继电器CJ10-101202台31主钩限位开关LX3-1127032副钩限位开关LX3-1127033小车限位开关LX10-111602台34大车限位开关LX10-111602台35门安全开关LX19-1112836紧急开关LX3-11H30合计49323元1.4.2起重机电气系统大修技术路线二起重机电气系统大修技术路线二：动作频率高的电气设备选用进口产品，提高易损件使用周期，主钩副钩主令控制器、大车小车凸轮控制器选型为新型一体式联动台，降低起重操作工的劳动强度，设备选型方案和市场参考价见表1.4。表1.4起重机大修技术路线方案二的设备选型序号设备名称型号规格市场价（元）备注1主钩电机YZR250M2-8 37KW4040电机利旧，送电机修理厂大修价。2副钩电机YZR160L-6 11KW2500续表1.4起重机大修技术路线方案二的设备选型序号设备名称型号规格市场价（元）备注3大车电机YZR160M2-6 7.5KW3000电机利旧，送电机修理厂大修价。4小车电机YZR160M1-6 5.5KW10005主钩制动器MZS1-45H24006副钩制动器MZD1-30014007大车制动器MZD1-2007008小车制动器MZD1-2007009主钩电阻器RQ32-YZR250M2-8 /6Y-4570010副钩电阻器RT32-YZR160M2-6/1B300011大车电阻器RT32-YZR160L-6/2R-116002台12小车电阻器RT32-YZR160M1-6/1B70013保护配电柜GQR5-GCDD600*500*500400014总电源接触器LC1D245Q5C（施耐德）360015总过流继电器JL12-300A8016大车过流继电器JL12-20A1202台17小车过流继电器JL12-15A1142台18主钩主令控制器QTB212000一体式起重控制台19副钩主令控制器20大车凸轮控制器21小车凸轮控制器22磁力控制屏PQR10A-2501700*1100*450500023主钩过流继电器JL12-200A1462台24副钩过流继电器JL12-100A1342台25正转接触器LC1D95Q7C（施耐德）18022台26反转接触器LC1D95Q7C（施耐德）18022台27反接制动接触器LC1D80Q7C（施耐德）27984台28加速接触器LC1D80Q7C（施耐德）55968台29制动接触器LC1D80Q7C（施耐德）13992台30零压保护继电器CJ10-101202台31主钩限位开关LX3-1127032副钩限位开关LX3-1127033小车限位开关LX10-111602台34大车限位开关LX10-111602台35门安全开关LX19-1112836紧急开关LX3-11H30续表1.4起重机大修技术路线方案二的设备选型序号设备名称型号规格市场价（元）备注合计66369元1.4.3起重机电气系统大修技术路线三起重机电气系统大修技术路线三：采用目前应用已很成熟的PLC+变频器组合实现宽范围调速的先进技术方案。考虑到用户单位使用日本系列PLC、变频器较为普及以及日本系列PLC、变频器的性价比高，设备性能可靠耐用，也得到用户单位的信赖，本方案也以日本系列产品为选型对象，设备选型方案和市场参考价见表1.5。表1.5起重机大修技术路线方案三的设备选型序号设备名称型号规格市场价（元）备注1PLC三菱品牌PLC，输入输出各40点左右5000日系产品2主钩变频器三菱品牌，功率37KW左右460003副钩变频器三菱品牌，功率11KW左右210004主钩电机YZBF250M2-8 37KW21000需和变频器配套换型5副钩电机YZBF160L-6 11KW150006大车电机YZR160M2-6 7.5KW3000利旧，送电机修理厂大修价7小车电机YZR160M1-6 5.5KW10008主钩制动器MZS1-45H24009副钩制动器MZD1-300140010大车制动器MZD1-20070011小车制动器MZD1-20070012大车电阻器RT32-YZR160L-6/2R-116002台13小车电阻器RT32-YZR160M1-6/1B70014总电源接触器LC1D245Q5C（施耐德）360015总过流继电器JL12-300A8016大车过流继电器JL12-20A1202台17小车过流继电器JL12-15A1142台18主钩主令控制器QTB212000一体式起重控制台19副钩主令控制器20大车凸轮控制器21小车凸轮控制器续表1.5起重机大修技术路线方案三的设备选型序号设备名称型号规格市场价（元）备注22控制保护屏PQR10A-2501700*1100*450900023制动接触器LC1D80Q7C（施耐德）13992台24主钩限位开关LX3-1127025副钩限位开关LX3-1127026小车限位开关LX10-111602台27大车限位开关LX10-111602台28门安全开关LX19-1112829紧急开关LX3-11H30合计146731元1.5桥式起重机电气大修技术路线确定比较起重机电气系统大修技术路线的三个方案，技术路线一的投资最省，不存在电气设计问题，但是所用的电气设备技术性能较差，有的目前已逐渐被用户淘汰。技术路线二的投资较省，接触器选用进口电气，主钩副钩主令控制器、大车小车凸轮控制器选用一体式联动台，也不存在电气设计问题，仅部分设备安装尺寸变小了，此方案也是基本上保在原有技术水平上。技术路线三的投资较大，电气系统需进行新的设计，但此方案技术水平有本质的提升，体现在以下方面：A. 调速方案采用变频调速，速度可根据需要自行设定（从0到最大速度之间），克服了绕线式电机起制动冲击大，电机温升高，电机易坏特点。B. 控制采用PLC技术，使控制线路简单，故障概率低，便于维护。C. 采用变频器，具有很好的节能效果。D. 采用频率检测和电机电流检测技术，只有在电机的输出转矩大于负载转矩时，电机才能开始转动，解决了溜钩问题。E. 变频器有故障显示、分析及参数临控功能，便于使用和维修，也可实现自动及远程控制。F. 调速比大于1：10，速度设计为三段以上，可视要求而定，每段速度的变化都是匀加速变化，无冲击产生，且可根据生产工艺需求，由电气维护人员对变频器参数修改后，得到所需的转速，而无需增加额外成本。G. 采用电气制动，进行零速刹车，即：当电机转速为零时，制动器上闸刹车，避免了制动时的冲击。H. 点动功能实现十分简单。I. 能精确实现起重机吊装设备过程中的对位和定位精准度。J. 降低了起重机司机操作强度。结果：用户单位采用PLC+变频器的技术方案，对桥式起重机电气系统进行技术升级改造，这也是桥式起重机未来技术发展和普及方向。当然技术路线方案三不足的是受资金限制大车、小车仍采用绕线式电动机串电阻进行调速方式。第二章 交流电机变频调速和变频器及PLC的原理和技术2.1交流异步电机变频调速原理和技术发展交流异步电动机结构相当简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，检修成本低歉，在工业生产中得到广范运用，但其调速机械特性和性能远不及直流电动机，使其在工业生产需要调速运行工艺中受限。不过，随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机控制技术发展，变频器产品日趋成熟实用今天，交流异步电机变频调速，已经能和直流电动机调速相比，大有替代直流电动机调速之势。由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：n= （21）式中P电动机定子绕阻的磁极对数；f1电动机定子电压供电频率；S电动机的转差率。从式中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案:1)改变电动机的磁极对数由异步电动机的同步转速n0=60f1/p可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数P，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。2)变转差率调速从式（21）中可以看出，当异步电动机的磁极对数P一定，定子绕组的供电频率f1定时，改变转差率s可以达到调速目的。改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越低。3）变频调速从式（21）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分P2=（1s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：1)转差功率消耗型这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。2)转差功率回馈型这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。3)转差功率不变型这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调速过程中改变同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的两种调速方案中，又因变极对数调速为有极调速，且极数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是最理想最有前途的交流调速方。交流异步电动机恒转矩变频调速主要是通过降低供电电源的频率f1来实现降低鼠笼异步电动机的同步转速n0，从而使电动机获得平滑的速度变化。由定子电压平衡方程式U1E1=4.44f1N1Kn11可知，若变频时电源电压保持额定值不变，则当f1下降时，电动机主磁通1增加，电动机磁路将进入饱和区域，从而导致空载电流I0和铁芯损耗的急剧增大，电动机温升过高。为此，在降低供电电源的频率同时，为保持电动机主磁通1不变，必须同步降低供电电源（变频器输出）电压，使U1/f1=常数，以期获得良好的调速性能。在恒压频比条件下（U1/f1=常数），鼠笼异步电动机变频调速的机械特性是，随频率降低时，机械特性基本是平行下移的，但频率越低时，输出最大转矩会变小，如图3所示。图3中曲线1为U1、f1为额定参数下固有机械特性；曲线2为降低频率，即恒压频比不变的人为机械特性；曲线3为频率更低时的人为机械特性。电动机的最大转矩Tmax变小，原因在于：由于保持U1/ f1=常数，当频率较低时，电源电压也变低，则此时定子电阻r1的压降I1r1大小已不能再忽略，而使E1、1、E2、I2下降更严重，最大转矩就会变小。桥式起重机起升机构对最大转矩的要求是较高的，它经常工作于低速状态，并且频繁启动、重载启动，因此，采用一般的鼠笼异步电动机进行变频调速用于桥式起重机的起升机构并不是很理想。在进行电动机选择时，除了考虑一般的异步电动机参数满足需求之外，还考察异步电动机变频调速时发热、电磁干扰、转矩不变等要求。基于普通异步电动机运用变频调速时发热、电磁干扰明显，电动机的最大转矩会随电源频率改有所下的情况，电机厂家开发出不同类型的变频异步电动机，以适应不同的工业生产特点。冶金起重用变频鼠笼异步电动就是专为冶金恶劣环境下开发出的新型产品。YZBF系列冶金用变频调速三相异步电动机，是在YZ系列冶金用三相异步电动机基础上进一步开发的，是专为异步电动机工作于变频调速工况下设计的，其参数特点是：1）设计减小了定子和转子电阻，降低基波铜（铝）耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增加。2）为抑制电流中的高次谐波，适当增加电动机的电感。3）变频异步电动机的主磁路设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压（电压补尝）。4）绝缘等级，设计为F级或更高，加强对地绝缘和线匝间绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。5）提高电动机构件固有频率及整体的刚性，避开与各次谐波产生共振现象造成电动机的振动、噪声问题。6）冷却方式采用强迫通风冷却，即主电动机散热风扇采用独立的电动机驱动。7）过载能力系数T可达2.8，不仅可以满足平滑宽广调速范围的要求，而且可以满足重载频繁启动的要求。2.2变频调器原理和技术发展从式（21）中可以看出，当异步电动机的磁极对数Pn一定，转差率s定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，而能给电动机提供可变频率f1电源的电气装置就是变频器，可以说变频器就是为了能实现异步电动机变频调速的产物。通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成：1）整流器，电网侧面的输入部分是整流器，最常见的结构形式是利用六个二极管成的三相桥式电路，它的作用是把三相（也可以是单相）交流整流成直流。2）逆变器，负载侧面的输出部分为逆变器。最常见的结构形式是利用六个主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。3）中间直流环节，由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。4）控制电路，控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。此部分也是不同品牌间的变频器核芯技术所在。变频器自20世纪60年代问世，到20世纪80年代在主要工业化国家已广泛使用。进入2000年后，随着人们节能环保意识的加强，变频器的在我国应用越来越普及，广泛应用于国民经济的各行各业和人民的日常生活中，变频器产品也从以大功率双极晶体管(GTR)为主的时代发展为以绝缘栅晶体管(IGBT)为主的时代。目前，外资品牌在中国中、低压变频器市场占主导地位，主要是ABB、西门子、富士电动机、三菱电动机、安川电动机、台达、施耐德、艾默生等。变频器的控制也由恒压频比控制方式VVVF变频到矢量控制方式变频，再到直接转矩控制方式DTC变频发展。2.3 PLC原理和技术发展