机电一体化专业专业毕业论文11107

1、毕 业 设 计（论文） （说 明 书） 题 目： 桥式起重机的变频调速控制系统 姓 名： 学 号： 平顶山工业职业技术学院 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 专业 机电一体化专业 任 务 下 达 日 期 2013 年 10 月 07 日 设计（论文）开始日期 2013 年 10 月 09 日 设计（论文）完成日期 2013 年 11 月 10 日 设计（论文）题目： 桥式起重机的变频调速控制系统 a编制设计 b设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 2013 年 11 月 10 日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计（论文）答辩委员会记录 电力工程 系 机电一体化 专业，学生

2、于 年 月 日 进行了毕业设计（论文）答辩。 设计题目：桥式起重机的变频调速控制系统 专题（论文）题目：桥式起重机的变频调速控制系统 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况， 经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为 。 答辩委员会 人，出席 人 答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评 语 第 页 共 页 学生姓名： 专业 机电一体化 年级 毕业设计（论文）题目： 桥式起重机的变频调速控制系统 评 阅 人： 指导教师： （签字） 年 月 日 成 绩

3、： 系（科）主任： （签字） 年 月 日 毕业设计（论文）及答辩评语： 摘要摘要 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十 年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管 理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中， 传统桥式起重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电 接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故 障时有发生；继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；转子串电阻调 速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串连电阻长期发热

4、，电能 浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来， 随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的 发展。其中，具有代表性的交流变频调速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桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起 重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题， 变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行 业中具有广泛的发展前景本次设计采用 plc 和变频器技术，以 plc 控制变频器，即以 程序控制取代继电接触器控制，控制变频器实现

5、变频调速，设计出 plc 控制的桥式 起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式 起重机在恶劣条件下的工作情况，对改善桥式起重机的调速性能，提高工作效率和功 率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。 关键词：设计背景，设计方案，硬件组成，软件系 目录目录 第一章 桥式起重机的变频调速控制系统的设计背景及意义.1 1.1 桥式起重机调速控制方式的发展.1 1.2 主要调速系统.1 1.2.1 dc-300 直流驱动调速系统：.1 1.2.2 交流调速控制系统：.2 1.2.3 变频调速系统：.2 1.3 本课题的意义.3 第二章 桥式起重

6、机的变频调速控制系统的设计思路.5 2.1 起重机调速控制要求.5 2.1.1 调速范围.5 2.1.2 调速方向和经济性.5 2.1.3 调速的平滑性.5 2.1.4 调速的稳定性.6 2.1.5 调速时的允许负载.6 2.2 变频调速的原理.7 2.2.1 据异步电机的知识，异步电机的转速公式：.7 2.2.2 三相异步电动机每相电动势的有效值：.8 2.3 变频调速系统图.8 第三章 桥式起重机变频调速系统的组成.9 3.1 起重机主体.9 3.1.1 吊钩.9 3.1.2 钢丝绳.9 3.1.3 制动器.9 3.1.4 减速器.10 3.1.5 联轴器.10 3.2 电动机.10 3.

7、2.1 11/ f u =常数时的变频调速机械特性.10 3.2.2 n uu 11 的变频调速机械特性.11 3.3 变频器.12 3.3.1 变频器的分类.12 3.3.2 变频器的主电路.13 3.3.3 变频器的控制电路.14 3.3.4 交直交变频器.14 3.3.5 脉宽调制型(pwm)变频器 .17 3.4 plc 的选择.21 3.4.1 plc 的产生.21 3.4.2 plc 的主要功能.22 3.4.3 plc 的主要优点.23 第四章桥式起重机变频调速控制系统设计.25 4.1 系统控制的要求.25 4.1.1 对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求：.25 4.1.2

8、 桥式起重机变频调速控制系统的组成：.25 4.1.3 桥式起重机变频调速控制系统的选择.25 4.2 变频调速控制系统的 i/o 地址分配.26 4.2.1 输入 i/o 地址分配.26 4.2.2 输出 i/o 地址分配.28 4.2.3 控制各电机的变频器输入控制端.29 4.3 流程图.31 4.4 系统控制程序.31 4.5 桥式起重机工作过程.36 第五章 结论.37 致谢.39 参考文献.40 第一章第一章 桥式起重机的变频调速控制系统的设计背景及意义桥式起重机的变频调速控制系统的设计背景及意义 1.1 桥式起重机调速控制方式的发展桥式起重机调速控制方式的发展 电气调速控制的方法

9、很多，对直流驱动来讲 60 年代采用发电机电机系统。从控 制电阻分级控制，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闸 管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用， 因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。 从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放 时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控 制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内 外开发研制变频调速，plc 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。 1.2 主要调速系统主要调速系

10、统 现在的调速系统主要是直流驱动调速系统，交流调速控制系统，变频调速系统。 1.2.1 dc-300 直流驱动调速系统：直流驱动调速系统： ge 公司 dc-300，dc-2000 是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功 率从 300hp 到 4000hp，并采用 plc 对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控 制。 该驱动系统实施主回路 scr 整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量,通 过速度环、电流环到 scr 移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反 馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。 1.2.2 交流调速控制系统：交流调速控制系统： 对于起重机械来讲，

11、交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式 电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开 始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定的 发展应用阶段。日本安川电机制作所于 1972 年就正式定为 vs 系列，应用于起重机 及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重 点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集 成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟 量控制发展到数字量控制。可编程序控制器 plc 引入到交流电气传动系统后，使传 动系统性能发

12、生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检 测显示等，达到了新的技术高度 1.2.3 变频调速系统：变频调速系统： 变频调速技术是国际上各大电气公司在 70 年代末 80 年代投入全力研制、开发， 也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国 siemens， 美国 ge，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的 igbt 模块的出现使变 频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒 压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不 同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。 直流电动机之所以与有

13、良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制 电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的 原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置 电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个 分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控 制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制 电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺 服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统 的应用范围迅速扩

14、大。 适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用，该 技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机矢量 控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。变频器使用 pwm 技术可严格地使输入电流正弦，即在下降过程各机械减速制动中，将1cos 动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上 述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装 置竞争将有明显的优势。同时随着 plc 系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在 位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主

15、流。 1.3 本课题的意义本课题的意义 近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自 动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速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桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术 的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在 诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起 重运输机械行业中具有广泛的发展前景。 由于起重机行业的特殊性，变频调速系统的应用相对滞后。采用变频调速取代传 统的桥式起重机控制系统是近才开始应用的新技术。无论是在起重机老产品还

16、是新产 品设计，变频调速都是优选方案。变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣 工况，对改善起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增 加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。相比较发达国家而言，我国的相关技术水 平差距较大。主要技术难度体现在：对起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求 愈来愈高，起重机的起重量及运行速度等技术参数越来越大，起重机的自动化程度越 来越高，起重机对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此，有必要对桥式起重机电 控系统的应用研究。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算 机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合

17、起重机的发展趋 势，适合发展大起重重量的起重机；提高工作速度、扩大调速范围；提高金属结构、 机构和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作的条件，保证作业安全，提高自 动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库 堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。也符合起重机向大型化、高效率化、无保养 化和节能化发展，向自动化、智能化、集成化和信息化发展的方向。 第二章第二章 桥式起重机的变频调速控制系统的设计思路桥式起重机的变频调速控制系统的设计思路 2.1 起重机调速控制要求起重机调速控制要求 1调速范围调速范围 电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最

18、低转速之比称为 调速范围，用 d 表示，即 minmax min max :nn n n d 2.1.2 调调速方向和经济性速方向和经济性 调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(基本转速)高还是低。若比基本转速高， 称为往上调，比基本转速低，称为往下调。 这要由调速时的初期投资，调速后的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。 2.1.3 调速的平滑性调速的平滑性 调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的 差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从 3000r/min 一下调节 到 1500r/min，在又调节到 1000 r/min 等，两者之间

19、的转速无法得到，这种调速称为有 级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速 的平滑性当然就比有级调速好。平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系 数，即 1 i i n n 越接近于 1，平滑性越好。无级调速时=1，平滑性最好。 2.1.4 调速的稳定性调速的稳定性 调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化 的程度，通常用静差率来表示。其定义为：当系统在某一转速下运行时，负载由理想 空载增加到额定值时所对应的转速降-与理想空载转速之比，即 0 nn 0 n %100s 0 0 n nn s 越小，稳定性越好。 静差率与机械特性

20、的硬度有关。机械特性的硬度的定义为 n t dn dt 越大，转矩变化时，变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，n 稳定性就越好。静差率还与理想空载转速的大小有关。例如两条平行的机械特性硬 0 n 度相同，在静差率公式中的-相同，由于不同，他们的 s 就不同，大的，s 小， 0 nn 0 n 0 n 小的，s 就大。 0 n 生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还 会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的 s 太大，则该 转速性太差，便难以满足生产机械的要求。 2.1.5 调速时的允许负载调速时的允许负载 电动机在各种不同转速下满

21、载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调 速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速的方法称为恒转矩调 速。 不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量 时，工件转速高，粗加工大切削时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒功率 调速的性能。另一类生产机械，例如起重机、卷扬机等则要求电动机在各种转速下都 能输出同样的转矩，因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能1。 2.2 变频调速的原理变频调速的原理 2.2.1 据异步电机的知识，异步电机的转速公式：据异步电机的知识，异步电机的转速公式： )1 ( 60 s p f n 其中：异步电动机的转速，单位为

22、r/min；n 定子的电源频率，单位为 hz；f 电机的转速滑差率；s 电机的极对数。p 三相异步电动机的调速方法可分为两大类：一类是通过改变同步转速来改 0 n 变转速，具体方法有变极调速(改变)和变频调速(改变)；另一类是通过改变转差npf 率 来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法s 有变压调速(改变)，转子电路串电阻调速(改变)，等等。由上式可知，如果改变 1 u 2 r 输入电机的电源频率，则可相应改变电机的输出转速。f 在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量为额定值不变。 m 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，

23、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 不变是很容易做到的。 m 在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。 2.2.2 三相异步电动机每相电动势的有效值：三相异步电动机每相电动势的有效值： m knfe 1111 44 . 4 式中： 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为 v； 1 e 定子频率，单位为 hz； 1 f 定子每相绕组串联匝数； 1 n 定子基波绕组系数； 1 k 每极气隙磁通量，单位为 wb； m 由公式可知，只要控制好和，便可以控制磁通中不变 1 e 1

24、f m 2.3 变频调速系统图变频调速系统图 变频调速主要依靠变频器和 plc 进行控制，图 2-1 是桥式起重机变频调速系统 的主控制图。 图 2-1 第三章第三章 桥式起重机变频调速系统的组成桥式起重机变频调速系统的组成 桥式起重机变频调速系统主要由起重机主体，电动机和变频器组成。 3.1 起重机主体起重机主体 3.1.1 吊钩吊钩 吊钩按制造方法可分为锻造吊钩和片式吊钩。锻造吊钩又可分为单钩和双钩。单 钩一般用于小起重量，双钩多用于较大的起重量。锻造吊钩材料采用优质低碳镇静钢 或低碳合金钢，如 20 优质低碳钢、16mn、20mnsi、36mnsi。片式吊钩由若干片厚度 不小于 20mm

25、 的 c3、20 或 16mn 的钢板铆接起来。片式吊钩也有单钩和双钩之分。片 式吊钩比锻造吊钩安全，因为吊钩板片不可能同时断裂，个别板片损坏还可以更换 3.1.2 钢丝绳钢丝绳 钢丝绳是由高强度碳素钢丝围绕绳芯绕捻而成的，被广泛应用于起重机作业。其 具有以下特点： 1.重量轻，强度高，能承受冲击荷载。 2.绕性较好，使用灵活。 3.钢丝磨损后，会产生毛刺，易于检查。破短前有断丝预兆，且整根钢丝绳 不会立即断裂。 4.钢丝绳成本较低。 3.1.3 制动器制动器 起重机在工作中要经常启动和制动，因而需要各种类型的制动器。 制动器的用途是：起升机构中的制动器保证吊运的重物能随时停在空中；运行机 构

26、中的制动器使其在一定时间或一定行程内停下；露天工作或在斜坡上运行的制动器 还有防止风力吹动或下滑的作用。 3.1.4 减速器减速器 减速器是起重机上的重要传动部件之一。它的作用是把电动机的高转速降低到各 机构所需要的工作转速。 3.1.5 联轴器联轴器 起重机在工作中，由于受到力的作用，变形是必然的，为了保证在变形的条件下， 仍然保持起重机各运动机构有较好的运转性能，同时也为了补偿制造和安装过程中不 可避免的误差，所以，起重机采用具有补偿作用的联轴器。 3.2 电动机电动机选择选择 3.2.1 =常数时的变频调速机械特性常数时的变频调速机械特性 11/ f u 下面来分析机械特性中的三个特殊点

27、，并由此来决定机械特性。 1.同步点：由，则，下调，随之下降。 111 /60pfn 11 fn 1 f 1 n 2.最大转矩点：由 c=常数，=常数，而临界转差率 m t 2 1 2 1 / fu ，临界转速降常数。 121222 /12/flfrxrsm 112121 /602/pflfrnsn mm 因此，在不同频率下，最大转矩保持不变，且对应于最大转矩的转速降也不变。所以 其机械特性基本上是平行的。但当下调过低时，因也很低，此时定子电阻上的 1 f 1 u 1 r 压降已不能再忽略，而使、下降更严重，电动机的将变小。 11r i 1 e m m t 3.起动转矩点： 电动机起动转矩。所

28、以起动转矩 1 2 212 2 1 2 2 2 212 2 1 /1/)(/fxfrcuxrfrcutst 随频率下降而增加。 由此可画出=常数时，三相异步电动机变频调速特性如图 2-2 所示： 11/ f u 1 n 2 n 3 n n n n 321 ffff n t n f 1 f 2 f 3 f o 图 3-1 三相异步电动机=常数变频调速机械特性 11/ f u 3.2.2 的变频调速机械特性的变频调速机械特性 n uu 11 同步点：由，则，当调高时，随之上升。 111 /60pfn 11 fn 1 f 1 n 最大转矩点：由，当调高时，减 2 12 2 2 121 2 1 /14

29、/2/flfcuxfcut nnst 1 f m t 小。 起动转矩点： ，当调高时，起动转矩大大减小。 3 1 /1 ftst 1 f 此时电动机机械特性如图 2-3 所示： n 1 n 2 n 3 n n n n f 1 f 2 f 3 f t o n ffff 123 图 3-2时三相异步电动机变频调速机械特性 n uu 11 3.3 变频器变频器 三相异步电动机变频调速所用的变频电源有两种，一种是变频机组，另一种是静 止的变频装置变频器。前者由直流电动机和交流发电动机组成，调节直流电动机转速 就能改变交流发电动机的频率，由于变频机组设备庞大，可靠性差。随着现代电力电 子技术的飞速发展，

30、静止式变频器已完全取代了早期的旋转变频机组。 3.3.1 变频器的分类变频器的分类 按变频的原理有交交变频器和交直交变频器。前者是将频率固定的交流电 源变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换频率高，但其 连续可调的频率范围较窄，一般在 ，故主要用于容量较大的低速拖动系2/0 11n ff 统中。后者是将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变 成频率连续可调的三相电流。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调 节范围、变频后电动机特性的改善等方面都具有明显的优势，目前使用最多的变频器 均为交直交变频器。 根据直流环节的储能方式不同，交直交变频器

31、又分为电压型和电流型两种。 电压型变频器是指变频器整流后是由电容来滤波，现在使用的交直交变频器 大部分为电压型变频器。 电流型变频器是指变频器整流后是由电感元件来滤波，目前少见。 根据调压方式不同，交直交变频器又分成脉幅调制型和脉宽调制型两种。 脉幅调制是指变频器输出电压大小是通过改变直流电压大小来实现的，常用 pam 表示。这种调压方式很少使用。 脉宽调制是指变频器输出电压大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的，常用 pwm 表示。目前使用最多的占空比按正弦规律变化的正弦脉宽调制，即 spwm 方式。 3.3.2 变频器的主电路变频器的主电路 变频器的主电路包括整流电路、滤波及限流电路、直流

32、中间电路、逆变电路和能 耗制动电路等部分组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两部分，下面简单介绍 一下整流电路和逆变电路。 1整流电路 一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的 外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。整流电路按其 控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。直流中间电路的作用是对整流 电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此 外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电 路。 2逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。它是利用六个半导体开关器件组成的三相

33、桥 式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相 交流电输出。由于逆变器的负载为异步电动机，属感性负载，无论电动机处于拖动状 态还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为 1。因此，在直流环节和电动机之间总 会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。它的主 要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意 可调的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的 调速控制。 3.3.3 变频器的控制电路变频器的控制电路 变频器控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路 以及保

34、护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制电路的优劣决定了变频器性能 的优劣。控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完 成各种保护功能。 3.3.4 交交直直交变频器交变频器 这种变频器主要由整流调压、滤波及逆变三部分组成，如图 2-4 所示。在此，仅 对逆变器的工作原理作一介绍。 udud 整流调压逆变 滤 波 50hz 图 3-3 交直交变频器 1. 单相逆变电路 图 3-4 为单相逆变电路原理图。当开关 s1、s4 同时闭合时，电压为正；开关 ab u s2、s3同时闭合时，电压为负。由于开关 s1s4的轮流通断，从而将直流电压逆 ab u d u 变成了交流电

35、压。 ab u 可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂上的两个开关 s1、s2交替导通，每 个开关导通派的电角度。因此，交流电的频率可以通过改变开关通断的速度来调节， 交流电压的幅值为直流电压幅值。 d u s1 s2 s3 s4 a b s1 on s4 on s2 on s3 on s1、s2 s3、s4 ab u 2t0 d u a) b) c) a) 主电路 b) 开关通断规律 c) 波形图 图 3-4 单相逆变电路原理图 2. 三相逆变电路 图 3-5 为三相逆变电路原理图。图中开关 s1s6组成逆变电路。这 6 个开关交替的 接通、关断，就可以在输出端获得一个相位互差的三相交流电

36、压。3/2 当 s1、s4闭合时，为正；当 s2、s3闭合时，为负；当 s3、s6闭合时， uv u wu u 为正；当 s5、s4闭合时，、在相位上依次相差，各开关的接通、 vw u uv u wu u vw u3/2 断开应符合一定的规律。 由上可看出：各桥臂上的开关始终处于交替闭合、断开的状态；各相的开关顺序 以各相的首端为准，互差电角度，如 s3比 s1滞后，s5比 s3滞后。3/23/23/2 由以上分析可知，通过 6 个开关的交替工作可以得到三相交流电，只要调节开关 的通断速度就可以调节电频率。 s1s3 s2s4 s5 s6 u v w d u u v w s1 ons2 ons

37、1 on s5 ons6 on s4 on s3 ons4 ons3、s4 s1、s2 s5、s6 uv u d u vw u wu u 0 0 0 3 3 2 2 t t t a) b) c ) s5 on a.主电路 b.开关通断规律 c.波形图 图 3-5 三相逆变电路原理图 3.3.5 脉宽调制型脉宽调制型(pwm)变频器变频器 1.在一般的交直交变频器供电的变压、变频调速中，为获得变频调速所要求的变频 与变压的协调控制，整流器必须是可控整流，这样在变频调速时要同时控制整流器和 逆变器，这就带来一系列的问题。首先是主电路中有两个可控功率环节，这样使系统 比较复杂；第二由于中间环节存在动

38、态元件，使系统的动态响应缓慢；第三由于整流 器是可控的，使控电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次 谐波电源；第四逆变器输出为六拍阶梯波交变电压，在拖动电动机中形成较多的各次 谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电动机的稳定工作，低速时尤为严重。 为解决上述问题，采用脉冲宽度调制(pwm)控制方式。图 3-8 为 pwm 逆变器示意 图，在该逆变器电路中，同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压 与频率协调控制的要求。这样，首先使主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； 第二使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近 1；第 三逆变器在调

39、节的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的 动态响应；第四可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐 波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，大大扩展了拖动 系统的调速范围，提高了系统性能。 m 3 整流器逆变器 pwm c fu / 调 调 u f u 图 3-6 pwm 逆变器组成 2. 脉宽调制器的基本工作原理 脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间 隔时间就可控制输出电压的幅值，如图 3-9 所示。从图中可以看到，脉冲的宽度越大， 1 t 脉冲的间隔越小，输出电压的平均值就越大。为了说明、和电压平

40、均值之间的关 2 t 1 t 2 t 系，我们引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期比值，用 表示，即。)/( 211 ttt 因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化为调 节脉冲的宽度，所以称为脉宽调制。图 2-10a 为调制前的波形，电压周期为，图 3- n t 9b 为调制后的波形，电压周期为。与 a 图相比，b 图的电压周期增大(也就是说频率 x t 降低)，电压脉冲的幅值不变，仍为，而占空比则减小，故平均电压降低。 dn u u u 1 t 2 t dn u 0 n t t t 0 1 t 2 t dn u x t a) b) a.调制前的

41、波形 b.调制后的波形 图 3-7 脉宽调制的输出电压 由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此 在一个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值部分，取大一些， 在正弦波到达零处，取小一些，如图 3-10 所示。可以看到这种脉宽调制，其占空比 是按正弦规律变化的，故这种调制方法叫正弦波脉宽调制，即 spwm。 u t 0 t 图 3-8 正弦波脉宽调制的输出电压 spwm 的脉冲系统中，各脉冲的宽度 t1和脉冲的间隔 t2都是变化的。为了说明其 调制原理，见图 3-11pwm 逆变器简单原理图，图中 v1v6为绝缘栅双极晶体管，由他 们的交替切换来获得

42、交流信号的输出。当 v1导通时，在 a 相负载上得到的电压与 v2 导通时在 a 相负载上得到的电压方向相反。因此，v1、v2的轮流导通就可得到 a 相交 流电压的正、负半周。同时，其他管子的导通亦可得到三相交流电的 b 相和 c 相。在 变频器中，v1、v2的导通、截止是由调制波和载波的交点来决定的。在这里，把希望 得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到期望 的 pwm 波形。 2/ d u v1 v6v2 v3 v4 v5 a b c 0 调 制 电 路 ra u rb u rc u 2/ d u d u 图 3-9 pwm 逆变器简单原理图 3.4 plc

43、 的选择的选择 3.4.1 plc 的产生的产生 plc 又叫可编程控制器。1968 年美国通用汽车公司(gm)公开招标研制功能更强， 使用更方便，价格便宜，可靠性更高的新型控制器。一年后美国数字设备公司(dec)根 据 gm 公司的招标要求，研制成功世界上第一台可编程序控制器，型号 pdp-14，并在 gm 公司汽车生产线上首次应用成功。 20 世纪 70 年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微型计算机应用到可编 程控制器中，使得它兼有计算机的一些功能，不但用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还 增加了运算、数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为一种电子计 算机工业控制设备。 1

44、987 年美国电气制造协会给出的可编程序控制器的定义为：可编程序控制器是一 种带有指令存储和数字或模拟 i/o 接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、 记数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。随着科学技术的进 步和可编程序控制器的不断发展，功能不断增强，其定义也会发生变化。 3.4.2 plc 的主要功能的主要功能 近年来 plc 把自动化技术、计算机和通信技术融为一体。它可完成以下主要功能： 1. 逻辑控制 plc 具有逻辑运算功能，它设置有“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑指令， 能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继 电器进行

45、组合逻辑与顺序逻辑控制。 2. 定时控制 plc 具有定时控制功能。它为用户提供了若干个定时器并设置了定 时指令。定时值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操 作方便。 3. 记数控制 plc 还具有记数功能。它为用户提供了若干个计数器并设置了计数 指令。计数值可由用户在编程时设定，并可在运行中被读出或修改，使用与操作都很 灵活方便。 4. 步进控制 plc 能完成步进控制功能。步进控制是指在完成一道工序以后，再 进行下一步工序，也就是顺序控制。plc 为用户提供了若干个移位寄存器，或者直接 有步进指令，可用于步进控制，编程与使用很方便。 5. a/d、d/a 转换 有些

46、 plc 还具有“模数”(a/d)转换和“数模”(d/a)转换功 能，能完成对模拟量的控制和调节。 6. 数据处理 有的 plc 还具有数据处理能力，并具有并行运算指令，能进行数据 并行传送、比较和逻辑运算，bcd 码的加、减、乘、除等运算，还能进行字“与” 、 字“或” 、字“异或” 、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操 作，并可对数据存储器进行间接寻址，与打印机相连而打印出程序和有关数据及梯形 图。 7. 通信与联网 有些 plc 采用了通讯技术，可以进行远程 i/o 控制，多台 plc 之 间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接，接受计算机的指令，并将执行 结

47、果告诉计算机。由一台计算机和若干台 plc 可以组成“集中管理、分散控制”的分 布式控制网络，以完成较大规模的复杂的控制。 8. 对控制系统监控 plc 配置有较强的监控功能它能记忆某些异常情况，或当发 生异常情况时自动终止运行。在控制系统中，操作人员通过监空命令可以监视有关部 分的运行状态，可以调整定时或记数等设定值，因而调试、使用和维护方便。 可以预料，随着科学技术的不断发展，plc 的功能也会不断拓宽和增强。 由此可见，可编程序控制器的应用场合是很广泛的。可用于开关逻辑控制；定时 和记数控制；闭环控制；机械加工数字控制；机器人控制；多级网络控制等。 3.4.3 plc 的主要优点的主要优

48、点 1. 编程简单 plc 的设计者在设计 plc 时已充分考虑到使用者的习惯和技术水平 及用户的方便，构成一个实际的 plc 控制系统一般不需要很多配套的外围设备；plc 的基本指令不多；常用于编程的梯形图与传统的继电接触控制线路图有许多相似之处； 编程器的使用简便；对程序进行增减、修改和运行监视很方便。因此对编制程序的步 骤和方法，容易理解和掌握，只要具有一定文化水平和电气知识，都可以在较短的时 间内学会。 2. 可靠性高 plc 是专门为工业控制而设计的，在设计与制造过程中均采用了诸 如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性 很高，其平均故障时间间隔为

49、2 万小时以上。此外，plc 还具有很强的自诊断功能， 可以迅速方便地检查判断出故障，缩短检修时间。plc 可靠性高的原因在后面还会作 较具体的介绍。 3. 通用性好 plc 品种多，档次也多，可由各种组件灵活组合成不同的控制系统， 以满足不同的控制要求。同一台 plc 只能改变软件则可实现控制不同对象或不同的控 制要求。在构成不同的 plc 的控制系统时，只需在 plc 的输入输出端子上接上不同的 相应的输入输出信号，plc 就能接收输入信号和输出控制信号。可见，plc 的通用性 好。 4. 功能强 plc 具有很强的功能，能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完 成 a/d 与 d/a 转

50、换、数据处理和通信联网等功能。而且 plc 技术发展很快，功能不 断增强，应用领域会更广。 5. 使用方便 plc 体积小，重量轻，便于安装。plc 编程简单，编程器使用简便。 plc 自诊断能力强，能判断和显示出自身故障，使操作人员检查判断故障方便迅速， 而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便。修改程序和监视运行状态也容 易。 6. 设计、施工和调试周期短 plc 在许多方面是以软件编程来取代硬件接线，用 plc 构成的控制系统比较简单，编程容易，安装使用方便，目前的 plc 已商品化，硬 件软件较齐全，为模块化积木式结构，不需要很多配套的外围设备和大量的复杂的接 线，程序调试修改也

51、很方便。因此可大大缩短 plc 控制系统的设计、施工和投产周期。 从上述 plc 的功能特点可见，plc 控制系统比传统的继电接触控制系统具有 许多优点，在许多方面可以取代继电接触控制。但是 plc 也有其缺点：目前价格还比 较高；工作速度比计算机慢；使用中档和高档 plc，要求使用者具有相当的计算机知 识；plc 制造厂家和 plc 品种类型很多，而指令系统和使用方法不尽相同，这给用户 带来不便。 第四章第四章桥式起重机变频调速控制系统设计桥式起重机变频调速控制系统设计 4.1 系统控制的要求系统控制的要求 4.1.1 对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求：对桥式起重机变频调速控制系统的基

52、本要求： 1. 主、副机构升降速度调节； 2.运行机构运行速度调节； 3.保护功能：主副机构上升限位、下降限位、大车限位、小车限位、主副机构及大 小车电机的保护等。 4.1.2 桥式起重机变频调速控制系统的组成：桥式起重机变频调速控制系统的组成： 控制系统由 plc、变频器、操作台各主令控制器、开关、按钮、指示灯及各部分 限位开关等组成。 4.1.3 桥式起重机变频调速控制系统的选择桥式起重机变频调速控制系统的选择 根据起重机实际应用的要求，本系统的设计选用日本三菱公司 fx2n-128mr-001 型可编程控制器作为起重机的中枢控制系统。基本配置包括：主处理单元 fx2n - 128mr-0

53、01。fx2n-128mr-001 为继电器输出类型，输出 64 点，输入 64 点；其作用 为：控制起重机大车、小车的运行方向和速度换档；减小了传统的继电接触式控制 的中间环节，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性、可靠性。 所采用的变频器是日本安川的 vs-616g5 型的变频器，它包括了 4 种控制方式： 标准 v/f 控制、带 pg 反馈的 v/f 控制、无传感器的磁通矢量控制和带 pg 反馈的磁通 矢量控制。 4.2 变频调速控制系统的变频调速控制系统的 i/o 地址分配地址分配 4.2.1 输入输入 i/o 地址分配地址分配 输入如表 4-1。 表 4-1 输入 x001停止

54、sb2 x002主钩超重输入fr1 x003副钩超重输入fr2 x004主钩零速信 号 x005副钩零速信 号 x006小车零速信 号 x007大车零速信号 x010主钩运行信号 x011副钩运行信号 x012小车运行信号 x013大车运行信 x014主钩频率一致 信号 x015副钩频率一致 信号 x016小车频率一致 信号 x017大车频率一致 信号 x020主钩起升一档 输入 x021主钩下降一档 输入 x022主钩二档输入 x023主钩三档输入 x024主钩四档输入 x025主钩五档输入 x026主钩上升限位 开关 sq1 x027主钩下降限位 开关 sq2 4.2.2 输出输出 i/o

55、 地址分配地址分配 表 4-2 输出 输出地址名称代码 y000主继电器km y001主钩风机继电 器 km1 y002副钩风机继电 器 km2 y003小车风机继电 器 km3 y004大车风机继电 器 km4 y006限位指示灯hl1 y007超重指示灯hl2 y010允许启动指示 灯 hl3 y011主钩电机运行 指示灯 hl4 y012副钩电机运行 指示灯 hl5 y013小车电机运行 指示灯 hl6 y014大车电机运行 指示灯 hl7 y020主钩上升输出 y021主钩下降输出 y022外部故障 y023主钩多段调速 指令 1 y024主钩多段调速 指令 2 y025主钩多段调速

56、指令 3 y026主钩外部封锁 y027主钩复位输出 4.2.3 控制各电机的变频器输入控制端控制各电机的变频器输入控制端 设计中桥式起重机分为 5 档，主要通过控制调速指令的输出来控制速度信号，达 到调速的目的(实际可达 8 档速度)，调速指令与速度的对应关系如表 4-3 所示。用户可 以自由设定与每档速度对应的频率大小。 表 4-3 调速指令与速度的对应关系 速度 档次 12345 调速 指令 1 00101 调速 指令 2 01100 调速 指令 3 00011 4.3 流程图流程图 急停 电源正常 故障、超限 主、副钩及大、小 车方向选择 多段速 到位 抱闸停车 是 否 是 否 是 否 是 否 启动 是 否 允许启动 图 4-1 桥式起重机运行流程图 4.4 系统控制程序系统控制程序 1. 启动部分 2.急停及制动部分 3. 主副钩超重指示 4. 限位指示 5. 变频器故障复位 6. 大、小车及主、副钩运行指示 7. 主钩电机正反转及调速 8. 副钩电机正反转及调速 9. 小车电机正反转及调速 10. 故障反馈 11. 大车电机正反转及调速 12. 结束程序 4.5 桥式起重机工作过程桥式起重机工作过程 电源开关 qs 闭合，在驾驶室门及横梁栏杆门关好后