变频器在起重机上的应用

1、成都工业学院毕业设计（论文）摘要 随着现代控制理论的应用，微处理器和微电子技术的发展，使变频调速控制系统日趋成熟。而起重机作为物料搬运系统中一种典型设备，在企业生产活动中起重要作用。传统的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,故障率高，电能浪费大，效率低等缺点，故对于提高其运行效率，确保运行安全，降低物料搬运成本是十分严重的。因此根据塔式起重机的运行特点，将可编程序控制器与变频器结合应用于塔式起重机控制系统，通过变频调速大大提高了操作精度和稳定度;综合保护功能完善，便于及时发现、查找、处理故障；并且节约了能源。关键词:可编程

2、序控制器；塔式起重机；变频调速；变频器40 摘要1引言31  绪论41.1塔式起重机简介51.2本课题设计的意义、主要内容及基本参数61.3变频技术的发展趋势、展望71.4起重机运行的特点71.5变频器的特点81.6再生能量的处理91.7经济效益和安全可靠性121.8本论文的研究内容122变频调速132.1变频调速的基本原理132.2变频器的基本机构和功能152.2.1变频器的主回路器件152.2.2变频器的控制电路构成163 QTZ50塔式起重机变频控制系统设计183.1总体设计方法183.2 PLC技术简介213.2.1 PLC概述213.2.2 三菱FX2N工作原理2

3、13.3部件的选择223.3.1电机的选用223.3.2变频器的选用（FR-A540）243.3.3PLC的选用283.3.4 电阻值的计算293.4起重机变频调速系统设计303.4.1系统控制的要求303.4.2控制系统的1/O点及地址分配313.4.3程序设计32致谢39参考文献40引言随着工业生产对起重机调速性能要求的不断提高，常用传统的起重机调速方法如：绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等共同的缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，它们要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高，

4、而且调速系统的综合技术指标较差，已不能满足工业生产的特殊要求。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起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，采用交流变频调速是起重机交流调速技术发展的主流。 1  绪论 随着世界经济的不断发展，科学技术不断提高，环保和能源问题日趋成为人们争论的主题。充分有效地利用能源已成为紧迫的问题，为了寻求高效可用的能源，各个国家都投入了大

5、量人力财力，进行不懈的努力。就目前而言，电能是全世界消耗最多的能源之一，同时也是浪费最多的能源之一，为解决能源问题必须先从电能着手，其中起代表性的就是电机的控制。电机是一种将电能转换成机械能的设备，它的用途非常广泛，在现代社会生活中随处可见电机的身影，在发达国家中生产的总电能有一半以上是用于电机的能量转换，这些电机传动系统当中90%左右的是交流异步电机。在国内，电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。并且使用中的电机绝大部分还是中小型异步电机，加之设备的陈旧、管理、控制技术跟不上，所浪费的电能甚多。能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民

6、生活水平的提高都起着极为重要的作用。在高速增民的经济环境下，我国能源工业而临着经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响入的资，我国能源利用效率比发达国家低很多。为此，国家十五计划中，在电机系统节能方而投金高达500亿元左右，由此可见，在我国异步电机的变频调速系统将有巨大的市场潜能。在电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术迅速发展的今天，电气传动技术正面临着一场历史性的革命。经过了十多年的发展，近代交流传动逐渐成为电气传动的主流。在交流电机调速系统中，效率最高、性能最佳的是变频调速系统，因此，对变频调速的研究是当前电气传动研究中最为活跃、最有实际应用价值的工作。变

7、频器产业的潜力非常巨大，值得强调的是，这里的“变频器产业”应该是变频器技术产业，或者是inverter technology产业。正如IT产业不仅限于PC一样，变频器技术产业包括所有与变频器技术相关的产业，如电力电子器件的生产、驱动保护集成电路的生产、电气传动与系统控制技术、工业应用等。1.1塔式起重机简介塔式起重机在建筑及其它行业有着广泛的应用,其作用主要用来实现物体的升降和转运,塔式起重机工作环境恶劣,工作任务重。它能否正常工作直接影响到生产效率提高和工作任务的完成,甚至关系到人身、设备的安全。经过几十年的发展，我国塔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

8、累经验，不断改造，推动了塔式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。传统的起重机驱动方案一般采用:(1)直接起动电动机;(2)改变电动机极对数调速;(3)转子串电阻调速;(4)涡流制动器调速;(5)可控硅串级调速;(6)直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速;起动电流大，对电网冲击大;常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重;功率因数低，在空载或轻载时低于0.2-0

9、.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。我们所研究的塔式起重机是电动单臂塔式起重机，该起重机由起升机构、回转机构和小车牵引机构和液压顶升机构及安全保护装置和电气控制装置等部分组成。机构主要指主起升机构、小车运行机构、回转运行机构。在电气控制系统中，其供电一般是通过电缆卷筒将电源输送到中心电器上，起重机机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气房内，安全保护装置装在在适当的位置上。1.2本课题

10、设计的意义、主要内容及基本参数 传统塔式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电一接触器控制，这种控制系统的主要缺点有: 1.塔式起重机工作环境差，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.继电一接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高。 3.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。所串电阻长期发热，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。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。变频调速以其可靠性好，高品质的

11、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。本论文研究了变频调速技术在QTZ50通用塔式起重机中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了塔式起重机变频调速系统。本课题塔式起重机基本参数: 提升机构采用YP2 280M-8,45KW电机，当选用2绳时，速度可达到80m/min,40m/min,10m/min,当采用4绳时可达到40m/min,20m/min,5m/min,提升机构带有制动器，提升机构不工作时，制动机构永远处于制动状态。回转机构由电机YD132S-4/8,3.3/2.2KW驱动。经液力偶

12、合器和立行式行星减速器带动小齿轮，从而带动塔机上部的起重臂，平衡臂等左右移动。其速度位0.8r/min,0.4r/min.在液压耦合器的输出轴处加一个盘式制动器，盘式制动器处于常开状态，主要用于塔机顶升时的制动定位，保证进行安全顶升作业。回转制动器也用于有风状态下工作时，起重机不能准确定位之用。严禁用回转机构制动停车，起重臂没有完全停止时，不允许打反转制动。小车牵引机构是重载小车变幅的驱动装置。采用YD132S-4/8.3.3/2.2KW电机。经由圆柱涡轮减速器带动卷筒，通过钢丝绳是在重小车以38m/mi,19m/min的速度在起重臂轨道上来回运动。牵引小车钢丝绳一端缠绕后固定在卷筒上，另一端

13、则固定在载重小车上。变幅时通过钢丝的收。放来保证载重小车正常工作。液压顶升机构的工作主要靠安装在爬升架内侧面的一套液压油缸，活塞，磅，阀和油压系统来完成。当需要顶升时，有起重机吊钩吊起标准节，送进引入架，把塔身标准节与下支座的4 个M45连接螺栓松开，开动电动机是液压缸工作，顶起上部机构，操纵爬抓支持上部质量，然后收回活塞，再次顶升，这样两次工作循环可加一个标准节。1.3变频技术的发展趋势、展望近几年来对电力电子装置控制技术的研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制、滑模控制和人工神经网络、以及智能控制(如专家系统、模糊控制、遗传算法、采用微分几何理论的非线性解祸、鲁棒观察器，在某种指标意

14、义下的最优控制技术和尼奈奎斯特阵列设计方法等)和无速度传感器等高动态性能控制都是研究的热点，这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。交流变频调速控制系统广泛应用于机械、冶金、矿山、化工、石油、纺织、造纸、印染船舶、铁路等行业，是最有发展前途的一种调速控制方式。从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1015年，就目前而言，尽管变频调速系统的研发在国内还比较活跃，但是市场上的绝大部分产品还是被国外产品所占据，为此，我们需要密切关注国际变频调速技术发展的趋势，紧跟着国内市场的需求，加快国内变频调速系统的发展，努力研制出自己的产品。1.4起重机运行的特点   （1

15、）起重机应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩。   （2）由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须充分研讨变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序。   (3）当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电动机将处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量。   （4）起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。 1.5

16、变频器的特点    1.5.1主要功能及特点 起重机专用变频器是针对起重行业专业设计的一款高性能矢量变频器，用于各类起重机的起升、变幅、小车、回转等机构的交流无级调速。 主要的功能及特点如下：   （1）抱闸逻辑控制与监控   准确的抱闸开启和闭合控制时序，通过抱闸实时状态反馈和起动预转矩补偿，确保控制的安全性和可靠性。   （2）轻负载升速（电子副钩）   起重机空钩或轻载时实现2倍速运行，提高装卸效率。轻负载升速功能主要应用于起升高度较大的起重机：在起升机构空载运行时自动

17、使速度上升，以缩短时间来提高装卸效率；   重载时自动降低速度以确保设备和人身的安全。变频器根据启动后一段时间内的平均电流值来判断负荷的大小：当负载重时，变频器自动降低输出频率；当负载轻时，变频器自动提高输出频率。   （3）控制回路电源和主回路电源可以分别控制提高了用户调试时的安全性，便于故障诊断与维护。   （4）危险速度监视、快速停车及超速保护变频器实时监测电机的运行速度，当电机速度大于设定的最高允许速度或速度偏差值时，变频器发出故障报警并立即停止输出，机械制动器动作，使起重机处于安全状态。   快速停车功能给用户提供

18、以下三种方式供选择：   方式1：电气制动的停车；方式2：电气制动加机械制动的停车；方式3：机械制动的停车。 （5）预励磁及起动预转矩补偿   预励磁功能是在启动之前自动地对电机实行直流励磁，以保证电动机快速地提供起动转矩，并通过调节励磁的时间使电动机的起动与机械制动器的释放时间相配合，避免出现“溜钩”现象。 （6）松绳检测   防止在起重机绳索松弛的情况下，轻负载升速功能误动作引发的不安全运行。 （7）起重机操作模式方便、灵活   根据起重机不同的操作模式，为用户提供以下操作模式选择：操纵杆模式、遥控模式、电动电

19、位器模式、分级操纵杆给定模式、分级遥控给定模式、通讯给定模式等。   起重机专用矢量变频器，具有优异的力矩控制性能，广泛适用于岸边集装箱起重机（STS）、轨道式集装箱龙门起重机(RMG)、轮胎式集装箱龙门起重机（RTG）、门座式起重机、造船用龙门起重机、装船机、卸船机、翻车机、堆取料机等各类港口机械，以及各类普通桥式、门式、塔式起重机和提梁机、架桥机等起重机械的起升、变幅、大车、小车、回转、抓斗等机构的交流无级调速。1.6再生能量的处理 当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放或平移机构急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构

20、的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案。在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动；采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。中科科技推出的DBU型能耗制动单元和RBU型能量回馈单元的具体参数可参见说明书。下面对这两种制动方式做以详细介绍。 （1）动力制动   动力制动由制动单元和制动电阻构成。变频器设置了制动单元和制动电阻后，其动力制动能力取

21、决于制动电阻的允许功率。因此，计算再生功率PM时，必须满足PM    计算再生能量EM     计算再生功率PM     PM=EM/t0     式中PM制动期间电机产生的有效再生功率，W     EM机构急减速及下降时的再生能量，J     t0制动周期时间，S     选择合适的制动单元/制动电阻组合  

22、;   选择合适的制动单元/制动电阻组合，必须满足下列条件：     PM<PRPM    式中PM制动期间电机产生的有效再生功率，W     PR制动电阻的允许功率，W     PDB制动单元的允许功率，W     当计算的PM>PR时，表明超出了制动电阻的处理能力，需重新核算负载惯量和减速时间。     制动电阻

23、RB0的计算     在再生回馈制动中，即使不设置制动电阻，依靠电机内部损耗也可获得约20%的制动转矩，因此可用下式计算所需的电阻值RB0：     VC²     RB0=     1.027（TB-0.2TM）n1     式中VC变频器中间直流回路的电压（约为700V），V     TB制动转矩，kg·m   &

24、#160; TM电动机额定转矩，kg·m     n1电动机开始减速时的速度，rpm   动力制动的放电回路由制动单元和制动电阻构成，其最大电流受制动晶体管最大允许电流IC的限制，制动电阻最小允许值RMIN=VC/IC。因此制动电阻选用时其实际值RB应满足以下条件：     RMIN<RB  上述选型是建立在精确的计算基础上，在实际工程中如果精确的计算数据不能取得，     也可按下述给出的经验公式选型。 &#

25、160;   起升机构的再生功率PM     PM=Pb×total     total=mec×mot×0.98     上式中，Pb为实际的负载再生发电功率，mec为机械效率，mot为电机效率。   （2）回馈制动   为了实现把制动状态的电动机再生发电能量向电网回馈，网侧变流器应采用可逆变流器。中科科技推出的能量回馈制动单元，它的网侧变流器与逆变器结构相同，采用一块具有P

26、WM控制方式的电网电压识别板。由于采用了PWM控制技术，对网侧交流电压的大小和相位可以进行控制，可以使交流输入电流与电网电压同相位并接近正弦波，传动系统的功率因数大于0.9，回馈制动时有100%电网回馈能力，而不需要自耦变压器。 动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。应该注意的是，只有在不易发生故障的稳定电网电压下，才可以采用回馈制动方式。对于采用滑触线供电的起重机，应特别注意防止滑触线电刷接触的间断，如果不能保证这一点，建议采用动力制动方式，以保证起升机构持续下降时调速制动的可靠性。1.7经济效益和安全可靠性（

27、1）采用交流变频调速技术的起重机由于变频器驱动的电动机机械特性硬，具有精确定位的优点，不会出现传统起重机负载变化时电动机转速也随之变化的现象，可以提高装卸作业的生产率。 （2）变频起重机运行平稳，起、制动平缓，运行中加、减速时整机振动和冲击明显减小，安全性提高，并且延长了起重机机械部分的寿命。 （3）机械制动器在电动机低速时动作，主钩以及大、小车的制动由电气制动完成，所以机械制动器的制动片寿命大为延长，维护保养费用下降。 （4）采用结构简单、可靠性高的鼠笼异步电动机取代绕线转子异步电动机，避免了因集电环、电刷磨损或腐蚀引起接触不良而造成电动机损坏或不能起动的故障。 （5）交流接触器大量减少，电

28、动机主回路实现了无触点化控制，避免了因接触器触头频繁动作而烧损以及由于接触器触头烧损而引起的电动机损坏故障。 （6）交流变频调速系统可以根据现场情况，灵活调整各档速度和加、减速时间，使得变频起重机操作灵活、现场适应性好。 （7）交流变频调速系统属高效率调速系统，运行效率高，发热损耗小，因此比老式调速系统大量节电。 （8）变频器具有完善的保护、监测及自诊断功能，如再结合PLC控制，可大幅度提高变频起重机电控系统的可靠性。1.8本论文的研究内容本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上，将变频器技术运用于起重机上，控制电路比较简单，电机选择通用标准异步电动机，因此其通用性比较强，性能/价格比比较高

29、。具体研究工作包括：Ø 交流电机变频调速原理的研究；Ø 变频调速系统硬件电路的研究和设计，包括主电路、系统保护电路和控制电路等；Ø 变频调速系统控制软件的研究和设计。2变频调速2.1变频调速的基本原理异步电机的转速公式为: = （ 1） (2.1)其中: 异步电动机的转速，单位为r/min;定子的电源频率，单位为Hz;电机的转速滑差率;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，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，

30、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。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;定子每线绕组串联匝数;基波绕组系数;美极气隙磁通量，单位为Wb;由公式可知，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;1基频以下调速即采用恒定的电动势。由上式可知，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

31、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U1 E，则得U1 /f1=常值。低频时，U1和读数较小，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，以便近似的不补偿定子压降。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:图2.1恒压频比控制特性2基频以上调速在基频以上调速时，频率f可以从往上增高，但电压u磁通与频率成反比的降低，相当于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

32、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”。图2.2异步电动机变频调速控制特性2.2变频器的基本机构和功能变频器的基本结构见图2.3图2.3变频器的结构图变频器的功能是为电动机提供可变频率的电源,实现电动机的无极调速。变频器具备对电机和变频器本身的完善保护功能,如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等,从而避免备在不正常状态下长时间运行,保护设备不至于损坏。2.2.1变频器的主回路器件电力电子开关器件：电力半导体器件己经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管(GTR)，功率MOSFET、绝缘

33、栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成电路(SPIC)，高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(PIC)等三个发展时期。从晶闸管发展到PID, PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极(栅极)的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。整流电路一般的三相变频器的整流电路由三

34、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。逆变电路逆变电路是利用六个半导体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。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。2.2.2变频器的控制电路构成 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护电路等几个部分，是变频器的核心部分。控制

35、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。随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。SPWM(Sinusoidal PWM)则是较为常用的技术。其通常是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载被，通过对载波的调制即可得到SAM波形。通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调

36、制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。三角载波的频率fc,和正弦调制波的频率fr,之比即fc / fr =Nc称为载波比。用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。正弦调制波的频率fr,即是逆变器的输出频率f1改变fr,便可改变f1三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制彼的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。3 QTZ50塔式起重机变频控制系统设计 3.1总体设计方法 控制系统由PLC控制，三大机构调速均采用变频调速。塔式起重机变频调速

37、系统主要由上位机(工业触摸屏系统)、下位机(PLC控制系统)、变频调速系统组成。 1、起升机构起升机构属位能负载机构。主起升电机使用一个FR-A540L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。控制方式选用带PG的矢量控制方式。PLC接受电机的旋转编码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的下滑。2、运行机构回转运行机构和小车两台电机各用一个变频器;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。控制方式选用无PG v/f的变频控制方式。 3.1.1塔式起重机主电路图（图3.1.1）我们所研究

38、的塔式起重机是电动单臂塔式起重机，该起重机由起升机构、回转机构和小车牵引机构和液压顶升机构及安全保护装置和电气控制装置等部分组成。机构主要指主起升机构、小车运行机构、回转运行机构。在电气控制系统中，其供电一般是通过电缆卷筒将电源输送到中心电器上，起重机机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气房内，安全保护装置装在在适当的位置上。图3.1.13.1.2塔式起重机控制电路图 图3.1.23.2 PLC技术简介3.2.1 PLC概述 可编程程序控制器(Programmable Controler)，也称为PLC(programmable Logic controler)，即是可编程逻辑控制器

39、。其采用计算机结构，主要包括CPU,存储器、输入、输出接口及模块、通讯接口及模块、编程器和电源六个部分。如图4.1所示，PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入变量，他们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，作为PLC的输出变量，对现场设备进行各种控制。3.2.2 三菱FX2N工作原理 (1)FX2N系列PLC介绍 FX2N系列PLC功能强、速度快、具有模块化、具有极高的可靠性、极丰富的指令集、实时特性、良好的通信能力等。它的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网

40、络都能实现复杂控制功能。可以根据对象的不同，选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上。它的基本指令执行时间为0.8us每条指令，内置用户存存储器为8K步，可扩展到16步，最大可以扩展到256个I/O点，有多种特殊功能模块和功能模块，可以实现多轴控制。机内有时实钟，PID指令用于模拟量闭环控制。有功能很强的数学指令集，例如浮点数运算，开平方和三角函数。每个FX2N基本单元可以扩展8个特殊单元。 (2) FX2N主要功能模块介绍 1. CPU模块CPU模块包括一个中央处理单元、电源以及数字I/0点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。CPU负责执行程序，输入部分从现场设备

41、中采集信号，输出部分则输出控制信号，驱动外部负载。 2.I/0扩展模块 当CPU的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，就要进行I/0扩展，I/O扩展包括I/0点数的扩展和功能模块的扩展。 3.功能扩展模块 当需要完成某些特殊功能的控制任务时，CPU主机可以扩展特殊功能模块.如要求进行PROFIBUS-DP现场总线连接时，就需要EM277 PROFIBUS-DP模块，在这里主要介绍模拟量输出模块EM232。EM232模块提供了有2输出模拟量通道，具有12位的分辨率，且具有多输入，输出信号范围。其内部集成了D/A转换器、放大器等多种功能的电路，可用于复杂的控制场合。它能够不用外部放大器而与

42、传感器直接相连，可根据输出模拟量的大小，通过其外置的D工P开关选择不同的档位及分辨率，且模拟量的输出可作为测量传感器的恒流源使用。3.3部件的选择3.3.1电机的选用 一、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。随着高开关频率的工GBT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，

43、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。二、变频起重机系统中电机的选型起重机起升和运行机构的调速比一般不大于1:20，且为断续工作制，通常接电持续率在60%以下，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致;在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。三、电机冷却西门子变频器在调速比为1:20的范围内能确保起重机上普通电机有150%的过载力矩值。电机在起动过程中可承受2.5

44、倍额定电流值，远大于变频起动要求的1.5倍值，运行机构的电机在以额定速度运行时电机通常工作在额定功率以下，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。但若电机要求在整个工作周期内在大于1:4的速比下持续运行则必须采用他冷式电机。四、电机效率国外以4极电机作变频电机首选极数，因此时电机有最好的功率因数和最高的工作效率，使能耗降为最低。目前，国内用于起重机械的4极电机有强迫通风冷却的YZFXXX-4型电机等。五、电机起动转矩及电机运行的功率因数起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率P厂及加速功率Pa两部分组成。一般情况下,电机容量P为 (5.1)式中一电机

45、平均起动起动转矩倍数起重机起升机构的负荷特点是起动时间短(1-3s)，只占等速运动时间的较少比例;转动惯量较少，占额定起升转矩的10%-20%。其电机容量P为 (kw) (5.2)式中 一起重机额定提升负载，kg 一额定起升速度，m/s 一重力加速度，g=9. 81m/s 一机构总效率为使电机提升1.25倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于2,否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。通过利用上述公式的计算，选用改造后的塔式起重机各执行机构的电机参数如表3.1所示:表3.1 各执行机构电机参数电机型号电机功率主起升机构YP2 280M-845KW回转机构YDZ1

46、32S2.2KW小车机构YDZ132S2.2KW顶升机构YDZ132S2.2KW3.3.2变频器的选用（FR-A540）一、变频器选型本系统选用三菱变频器，三菱变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户合理选用。 二、变频器容量选择 2.1起升机构起升机构平均起动转距一般来说可为额定力矩值的1.3-1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距必须有1.8-2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量(Yz型电机)或同时提高变频器和电机容量(Y型电机)来获得200%力矩值。此时

47、变频器容量为 (KVA) (3.3.2) 式中电机的功率因数，= 0.8 起升额定负载所需功率，kw 电机效率， =0. 85 变频器容量，KVA 系数，K=2起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下: (3.3.3)式中一变频器额定电流，A 电机额定电流，A2.2运行机构当运行电机在300s内有小于60s的加速时间的并且起动电流不超过变频器额定位的1.5倍时变频器容量可按下式计算。 (3.3.4)式中电流波形补偿系数，PWM方式K=1.0

48、51.1 负载转距，N.m 一总转动惯量对电机轴的折算值，kg.m 加速时间，s 电机额定转速，r/min当运行电机在300s内电机有大于60s加速时间时，变频器容量按下式取值： ( kVA ) (3.3.5) 电流验证:以上公式均以负载功率作为变频器容量计算的基本参数，相同功率不同极数的电机有不同的额定电流。故最终尚需验证电机和变频器额定电流，即 2.3.多电机驱动时变频器容量的选择 电压型变频器可以一台变频器驱动多台电机，其并联运行且变频器短时过载能力为150%、 60%时，如电机加速时间在300s内有小于60s的加速时间，则 (3.3.6)并要求 (3.3.7)式中负载所要求的电机轴输出

49、功率并联电机的台数同时启动的台数电机效率，=0.8电动启动电流与电机额定电流之比值 电流波形的修正系数，PWM方式取1.05-1.1 变频器容量，KVA 变频器额定电流，A2.4、电机变频驱动选择根据起重机电机驱动的特性和技术要求，采用带测速反馈接口的系列变频器作为主起升机构的电机驱动，FR-A540系列变频器作为提升、小行车行走机构的电机驱动，FR-A540系列是一种通用性高性能矢量控制型变频器，功能强，价格低，完全满足行走机构的需求，因此我们推荐用户选用该系列变频器。通过利用上述公式的计算，塔式起重机各执行机构的变频器如表3.2所示: 表3.2 各机构的变频器参数变频器型号额定功率/电流主

50、起升机构FR-A540(L)55KW/110A回转机构FR-A540(L)2.2KW/6A小车运行机构FR-A540(L)2.2W/6A 2.5、变频器主要参数设置首先将所用电机铭牌数据输入P80_ P85，变频器应输入几个电机的总电流及总功率，并且大车变频器带有几个电机时应运行于线性频率/电压特性，速度变化采用固定频率的迭加，同时利用变频器的制动器接通、断开功能由RL2输出继电器触点控制机械制动器，使行走机构在电机停止时不会由于外力而随意移动。如表3.3所示： 表3.3 变频器参数设置参数号参数值说明P0026加减时间秒P0036减速时间秒P00551档速度P0063附加数字给定P0070开

51、关量输入控制P0516固定频率5开关P0526固定频率4开关P0536固定频率3开关P05410故障复位P0551运行右转P03562运行左转P0465固定频率5P04415固定频率4P04325固定频率3P0616故障P0624外部制动控制P0770V/f特性(大车电机)P0771FCC特性(小车单电机)2.6 FR-A540端子图根据起重机电机驱动的特性和技术要求，采用带测速反馈接口的系列变频器作为主起升机构的电机驱动，FR-A540系列变频器作为提升、小行车行走机构的电机驱动，FR-A540系列是一种通用性高性能矢量控制型变频器，功能强，价格低，完全满足行走机构的需求，因此我们推荐用户选

52、用该系列变频器。基本运行方式STF正转STR反转运行停止运行STOP。控制方式有两种，开关可控制方式，当STF或STR处于闭合状态时，电动机正转或反转启动或运行，当他们处于断开状态时，电动机即减速和停止。脉冲信号控制方式，在STF或STR输入一个信号，电动机即可维持正转或反转，犹如具有自锁功能一样，如要停机，必须将STOP接通。图2.63.3.3PLC的选用 目前PLC使用性能较好的有SIEMENS公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的AB公司。根据性价比的选择，根据被控对象的I/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，我们采用三菱公司FX2N系列PLC。FX2N系列是三菱公司小型可编

53、程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面(HMI)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型PLC领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。 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。 1、断路器 为避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值，为此变频器配置的断路器容

54、量应为电机额定电流的1.31.4倍，整定值为断路器额定值的34倍。 2、接触器 接触器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。 3、交流电抗器 在变频器的输入端加接交流电抗器，以抑制变频器造成的高频峰值电流，或电容器开断造成的峰值电流对变频器的危害。同时，交流电抗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数的作用。 4、制动单元 为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一检测直流电压的晶体管。一旦直流回路电压超过

55、一定的界限，该晶体管导通，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，该能量消耗得愈多，制动时间愈小，此装置即为变频器的制动单元。 5.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。3.3.4 电阻值的计算 (3.3.8)式中 一直流回路电压，V一制动转矩，N.m一电机额定转矩(在附加电阻制动的情况下，电机自损耗约为电机额定功率的20%左右)，N.m一电机额定转矩(在附加电阻制动的情况下，电机额定转速),r/min在制动晶体管和制动电阻构成的能耗回路中最大电流受晶体管许用电流Ic的限制，因此在选择制动电阻值时不可小于其最小制动电阻值

56、Rmin，即 () (3.3.9)式中一直流回路电压，V一制动晶体管允许的最大电流，A因此，制动电阻应按 > > 的关系选用。5.2 制动转矩的计算 (3.4.0)式中一电机转子飞轮转矩之和，N.m 一负载转矩，N.m 一减速开始时转速，r/min 一减速结束时转速，r/min 一减速时间，S6.电缆选择由于高次谐波的驱动效应，电缆的实际使用面积减少，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。3.4起重机变频调速系统设计3.4.1系统控制的要求 对桥式起重机变频调速控制系统的基本要求 (1)主机构升降速度调节; (2)运行机构运行速度调节; (3)保护功能:主机构上升限位、下降限位、回转限位、小车限位、主副机构及小车电机的保护等。控制系统应由PLC、继电器、操纵台各主令控制器、开关、按钮、指示灯及各部位限位开关等组成。 3.4.2控制系统的1/O点及地址分配 I/O表 输入 输出按钮SB1X0提升机构启动Y0KM3按钮SB2X1提升机构停止Y1KA1旋转开关SA2X2提升电机正传Y2KA2X3提升电机反转Y3KA4X4故障Y4KA5旋转开关SA3X5高速Y5KA6X6中速Y6KA3X7低速Y7KM4按钮SB3 X10 STOPY10KA7按钮SB4X11回转机构启动Y11KA