變頻器在起重機(jī)上的應(yīng)用

1、成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要 隨著現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，微處理器和微電子技術(shù)的發(fā)展，使變頻調(diào)速控制系統(tǒng)日趨成熟。而起重機(jī)作為物料搬運(yùn)系統(tǒng)中一種典型設(shè)備，在企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中起重要作用。傳統(tǒng)的起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進(jìn)行控制，采用交流繞線串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，這種控制系統(tǒng)存在可靠性差,故障率高，電能浪費(fèi)大，效率低等缺點(diǎn)，故對(duì)于提高其運(yùn)行效率，確保運(yùn)行安全，降低物料搬運(yùn)成本是十分嚴(yán)重的。因此根據(jù)塔式起重機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，將可編程序控制器與變頻器結(jié)合應(yīng)用于塔式起重機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)變頻調(diào)速大大提高了操作精度和穩(wěn)定度;綜合保護(hù)功能完善，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)、查找、處理故障；并且節(jié)約了能源。關(guān)鍵詞:可編程

2、序控制器；塔式起重機(jī)；變頻調(diào)速；變頻器40 摘要1引言31  緒論41.1塔式起重機(jī)簡(jiǎn)介51.2本課題設(shè)計(jì)的意義、主要內(nèi)容及基本參數(shù)61.3變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望71.4起重機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)71.5變頻器的特點(diǎn)81.6再生能量的處理91.7經(jīng)濟(jì)效益和安全可靠性121.8本論文的研究?jī)?nèi)容122變頻調(diào)速132.1變頻調(diào)速的基本原理132.2變頻器的基本機(jī)構(gòu)和功能152.2.1變頻器的主回路器件152.2.2變頻器的控制電路構(gòu)成163 QTZ50塔式起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)183.1總體設(shè)計(jì)方法183.2 PLC技術(shù)簡(jiǎn)介213.2.1 PLC概述213.2.2 三菱FX2N工作原理2

3、13.3部件的選擇223.3.1電機(jī)的選用223.3.2變頻器的選用（FR-A540）243.3.3PLC的選用283.3.4 電阻值的計(jì)算293.4起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)303.4.1系統(tǒng)控制的要求303.4.2控制系統(tǒng)的1/O點(diǎn)及地址分配313.4.3程序設(shè)計(jì)32致謝39參考文獻(xiàn)40引言隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)起重機(jī)調(diào)速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法如：繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速等共同的缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有集電環(huán)和電刷，它們要求定期維護(hù)，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見(jiàn)，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高，

4、而且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差，已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的起重機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有高性能的調(diào)速指標(biāo)，可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，并且高效、節(jié)能，其外圍控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測(cè)功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，采用交流變頻調(diào)速是起重機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。 1  緒論 隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷提高，環(huán)保和能源問(wèn)題日趨成為人們爭(zhēng)論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問(wèn)題，為了尋求高效可用的能源，各個(gè)國(guó)家都投入了大

5、量人力財(cái)力，進(jìn)行不懈的努力。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時(shí)也是浪費(fèi)最多的能源之一，為解決能源問(wèn)題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機(jī)的控制。電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會(huì)生活中隨處可見(jiàn)電機(jī)的身影，在發(fā)達(dá)國(guó)家中生產(chǎn)的總電能有一半以上是用于電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，這些電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中90%左右的是交流異步電機(jī)。在國(guó)內(nèi)，電機(jī)的總裝機(jī)容量已達(dá)4億千瓦，年耗電量達(dá)6000億千瓦時(shí)，約占工業(yè)耗電量的80%。并且使用中的電機(jī)絕大部分還是中小型異步電機(jī)，加之設(shè)備的陳舊、管理、控制技術(shù)跟不上，所浪費(fèi)的電能甚多。能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民

6、生活水平的提高都起著極為重要的作用。在高速增民的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，我國(guó)能源工業(yè)而臨著經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術(shù)、能源價(jià)格的影響入的資，我國(guó)能源利用效率比發(fā)達(dá)國(guó)家低很多。為此，國(guó)家十五計(jì)劃中，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能方而投金高達(dá)500億元左右，由此可見(jiàn)，在我國(guó)異步電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)將有巨大的市場(chǎng)潛能。在電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)迅速發(fā)展的今天，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨著一場(chǎng)歷史性的革命。經(jīng)過(guò)了十多年的發(fā)展，近代交流傳動(dòng)逐漸成為電氣傳動(dòng)的主流。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，因此，對(duì)變頻調(diào)速的研究是當(dāng)前電氣傳動(dòng)研究中最為活躍、最有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的工作。變

7、頻器產(chǎn)業(yè)的潛力非常巨大，值得強(qiáng)調(diào)的是，這里的“變頻器產(chǎn)業(yè)”應(yīng)該是變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)，或者是inverter technology產(chǎn)業(yè)。正如IT產(chǎn)業(yè)不僅限于PC一樣，變頻器技術(shù)產(chǎn)業(yè)包括所有與變頻器技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，如電力電子器件的生產(chǎn)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)集成電路的生產(chǎn)、電氣傳動(dòng)與系統(tǒng)控制技術(shù)、工業(yè)應(yīng)用等。1.1塔式起重機(jī)簡(jiǎn)介塔式起重機(jī)在建筑及其它行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,其作用主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的升降和轉(zhuǎn)運(yùn),塔式起重機(jī)工作環(huán)境惡劣,工作任務(wù)重。它能否正常工作直接影響到生產(chǎn)效率提高和工作任務(wù)的完成,甚至關(guān)系到人身、設(shè)備的安全。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)塔式起重機(jī)制造廠和使用部門(mén)在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積

8、累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了塔式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂仍時(shí)有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負(fù)荷作業(yè)及過(guò)大的機(jī)械振動(dòng)沖擊所引起的機(jī)械疲勞。因此，除了機(jī)械上改進(jìn)設(shè)計(jì)外，改善交流電氣傳動(dòng)，減少起制動(dòng)沖擊，也是一個(gè)很重要的方面。傳統(tǒng)的起重機(jī)驅(qū)動(dòng)方案一般采用:(1)直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī);(2)改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速;(3)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速;(4)渦流制動(dòng)器調(diào)速;(5)可控硅串級(jí)調(diào)速;(6)直流調(diào)速。前四種方案均屬有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍小，無(wú)法高速運(yùn)行，只能在額定速度以下調(diào)速;起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大;常在額定速度下進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，對(duì)起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大，制動(dòng)閘瓦磨損嚴(yán)重;功率因數(shù)低，在空載或輕載時(shí)低于0.2-0

9、.4，即使?jié)M載也低于0.75，線路損耗大。目前串級(jí)調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動(dòng)性能，很好的保護(hù)功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時(shí)采用直流電動(dòng)機(jī)，而直流電動(dòng)機(jī)制造工藝復(fù)雜，使用維護(hù)要求高，故障率高。我們所研究的塔式起重機(jī)是電動(dòng)單臂塔式起重機(jī)，該起重機(jī)由起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和小車(chē)牽引機(jī)構(gòu)和液壓頂升機(jī)構(gòu)及安全保護(hù)裝置和電氣控制裝置等部分組成。機(jī)構(gòu)主要指主起升機(jī)構(gòu)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過(guò)電纜卷筒將電源輸送到中心電器上，起重機(jī)機(jī)為低壓供電系統(tǒng)，電氣控制部分集中在操作室和電氣房?jī)?nèi)，安全保護(hù)裝置裝在在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?.2本課題

10、設(shè)計(jì)的意義、主要內(nèi)容及基本參數(shù) 傳統(tǒng)塔式起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電一接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有: 1.塔式起重機(jī)工作環(huán)境差，工作任務(wù)重，電動(dòng)機(jī)以及所串電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生。 2.繼電一接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高。 3.轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。 要從根本上解決這些問(wèn)題，只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。其中，具有代表性的交流變頻調(diào)速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應(yīng)用，為PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)系統(tǒng)提供了有利條件。變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的

11、調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。本論文研究了變頻調(diào)速技術(shù)在QTZ50通用塔式起重機(jī)中的應(yīng)用，并且根據(jù)原有的控制結(jié)構(gòu)，結(jié)合組態(tài)軟件和PLC技術(shù)，提出了一個(gè)改進(jìn)的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，并且采用此體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了塔式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。本課題塔式起重機(jī)基本參數(shù): 提升機(jī)構(gòu)采用YP2 280M-8,45KW電機(jī)，當(dāng)選用2繩時(shí)，速度可達(dá)到80m/min,40m/min,10m/min,當(dāng)采用4繩時(shí)可達(dá)到40m/min,20m/min,5m/min,提升機(jī)構(gòu)帶有制動(dòng)器，提升機(jī)構(gòu)不工作時(shí)，制動(dòng)機(jī)構(gòu)永遠(yuǎn)處于制動(dòng)狀態(tài)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)YD132S-4/8,3.3/2.2KW驅(qū)動(dòng)。經(jīng)液力偶

12、合器和立行式行星減速器帶動(dòng)小齒輪，從而帶動(dòng)塔機(jī)上部的起重臂，平衡臂等左右移動(dòng)。其速度位0.8r/min,0.4r/min.在液壓耦合器的輸出軸處加一個(gè)盤(pán)式制動(dòng)器，盤(pán)式制動(dòng)器處于常開(kāi)狀態(tài)，主要用于塔機(jī)頂升時(shí)的制動(dòng)定位，保證進(jìn)行安全頂升作業(yè)?；剞D(zhuǎn)制動(dòng)器也用于有風(fēng)狀態(tài)下工作時(shí)，起重機(jī)不能準(zhǔn)確定位之用。嚴(yán)禁用回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)停車(chē)，起重臂沒(méi)有完全停止時(shí)，不允許打反轉(zhuǎn)制動(dòng)。小車(chē)牽引機(jī)構(gòu)是重載小車(chē)變幅的驅(qū)動(dòng)裝置。采用YD132S-4/8.3.3/2.2KW電機(jī)。經(jīng)由圓柱渦輪減速器帶動(dòng)卷筒，通過(guò)鋼絲繩是在重小車(chē)以38m/mi,19m/min的速度在起重臂軌道上來(lái)回運(yùn)動(dòng)。牽引小車(chē)鋼絲繩一端纏繞后固定在卷筒上，另一端

13、則固定在載重小車(chē)上。變幅時(shí)通過(guò)鋼絲的收。放來(lái)保證載重小車(chē)正常工作。液壓頂升機(jī)構(gòu)的工作主要靠安裝在爬升架內(nèi)側(cè)面的一套液壓油缸，活塞，磅，閥和油壓系統(tǒng)來(lái)完成。當(dāng)需要頂升時(shí)，有起重機(jī)吊鉤吊起標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，送進(jìn)引入架，把塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與下支座的4 個(gè)M45連接螺栓松開(kāi)，開(kāi)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是液壓缸工作，頂起上部機(jī)構(gòu)，操縱爬抓支持上部質(zhì)量，然后收回活塞，再次頂升，這樣兩次工作循環(huán)可加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。1.3變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、展望近幾年來(lái)對(duì)電力電子裝置控制技術(shù)的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應(yīng)控制、滑模控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及智能控制(如專家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線性解禍、魯棒觀察器，在某種指標(biāo)意

14、義下的最優(yōu)控制技術(shù)和尼奈奎斯特陣列設(shè)計(jì)方法等)和無(wú)速度傳感器等高動(dòng)態(tài)性能控制都是研究的熱點(diǎn)，這些研究必將把交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平。交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染船舶、鐵路等行業(yè)，是最有發(fā)展前途的一種調(diào)速控制方式。從總體上看我國(guó)電氣傳動(dòng)的技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平差距1015年，就目前而言，盡管變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)在國(guó)內(nèi)還比較活躍，但是市場(chǎng)上的絕大部分產(chǎn)品還是被國(guó)外產(chǎn)品所占據(jù)，為此，我們需要密切關(guān)注國(guó)際變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，緊跟著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，加快國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產(chǎn)品。1.4起重機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)   （1

15、）起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通常超過(guò)150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實(shí)驗(yàn)等因素，至少應(yīng)在起動(dòng)加速過(guò)程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。   （2）由于機(jī)械制動(dòng)器的存在，為使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動(dòng)信號(hào)與機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作信號(hào)的控制時(shí)序。   (3）當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或平移機(jī)構(gòu)急減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況研討如何處理這部分再生能量。   （4）起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開(kāi)或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對(duì)這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。 1.5

16、變頻器的特點(diǎn)    1.5.1主要功能及特點(diǎn) 起重機(jī)專用變頻器是針對(duì)起重行業(yè)專業(yè)設(shè)計(jì)的一款高性能矢量變頻器，用于各類起重機(jī)的起升、變幅、小車(chē)、回轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)的交流無(wú)級(jí)調(diào)速。 主要的功能及特點(diǎn)如下：   （1）抱閘邏輯控制與監(jiān)控   準(zhǔn)確的抱閘開(kāi)啟和閉合控制時(shí)序，通過(guò)抱閘實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋和起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，確?？刂频陌踩院涂煽啃?。   （2）輕負(fù)載升速（電子副鉤）   起重機(jī)空鉤或輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)2倍速運(yùn)行，提高裝卸效率。輕負(fù)載升速功能主要應(yīng)用于起升高度較大的起重機(jī)：在起升機(jī)構(gòu)空載運(yùn)行時(shí)自動(dòng)

17、使速度上升，以縮短時(shí)間來(lái)提高裝卸效率；   重載時(shí)自動(dòng)降低速度以確保設(shè)備和人身的安全。變頻器根據(jù)啟動(dòng)后一段時(shí)間內(nèi)的平均電流值來(lái)判斷負(fù)荷的大小：當(dāng)負(fù)載重時(shí)，變頻器自動(dòng)降低輸出頻率；當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，變頻器自動(dòng)提高輸出頻率。   （3）控制回路電源和主回路電源可以分別控制提高了用戶調(diào)試時(shí)的安全性，便于故障診斷與維護(hù)。   （4）危險(xiǎn)速度監(jiān)視、快速停車(chē)及超速保護(hù)變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行速度，當(dāng)電機(jī)速度大于設(shè)定的最高允許速度或速度偏差值時(shí)，變頻器發(fā)出故障報(bào)警并立即停止輸出，機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作，使起重機(jī)處于安全狀態(tài)。   快速停車(chē)功能給用戶提供

18、以下三種方式供選擇：   方式1：電氣制動(dòng)的停車(chē)；方式2：電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)的停車(chē)；方式3：機(jī)械制動(dòng)的停車(chē)。 （5）預(yù)勵(lì)磁及起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償   預(yù)勵(lì)磁功能是在啟動(dòng)之前自動(dòng)地對(duì)電機(jī)實(shí)行直流勵(lì)磁，以保證電動(dòng)機(jī)快速地提供起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的時(shí)間使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)器的釋放時(shí)間相配合，避免出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象。 （6）松繩檢測(cè)   防止在起重機(jī)繩索松弛的情況下，輕負(fù)載升速功能誤動(dòng)作引發(fā)的不安全運(yùn)行。 （7）起重機(jī)操作模式方便、靈活   根據(jù)起重機(jī)不同的操作模式，為用戶提供以下操作模式選擇：操縱桿模式、遙控模式、電動(dòng)電

19、位器模式、分級(jí)操縱桿給定模式、分級(jí)遙控給定模式、通訊給定模式等。   起重機(jī)專用矢量變頻器，具有優(yōu)異的力矩控制性能，廣泛適用于岸邊集裝箱起重機(jī)（STS）、軌道式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)(RMG)、輪胎式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)（RTG）、門(mén)座式起重機(jī)、造船用龍門(mén)起重機(jī)、裝船機(jī)、卸船機(jī)、翻車(chē)機(jī)、堆取料機(jī)等各類港口機(jī)械，以及各類普通橋式、門(mén)式、塔式起重機(jī)和提梁機(jī)、架橋機(jī)等起重機(jī)械的起升、變幅、大車(chē)、小車(chē)、回轉(zhuǎn)、抓斗等機(jī)構(gòu)的交流無(wú)級(jí)調(diào)速。1.6再生能量的處理 當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放或平移機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

20、的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過(guò)電壓跳閘。在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過(guò)電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動(dòng)力制動(dòng)；采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動(dòng)。中科科技推出的DBU型能耗制動(dòng)單元和RBU型能量回饋單元的具體參數(shù)可參見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。下面對(duì)這兩種制動(dòng)方式做以詳細(xì)介紹。 （1）動(dòng)力制動(dòng)   動(dòng)力制動(dòng)由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成。變頻器設(shè)置了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻后，其動(dòng)力制動(dòng)能力取

21、決于制動(dòng)電阻的允許功率。因此，計(jì)算再生功率PM時(shí)，必須滿足PM    計(jì)算再生能量EM     計(jì)算再生功率PM     PM=EM/t0     式中PM制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W     EM機(jī)構(gòu)急減速及下降時(shí)的再生能量，J     t0制動(dòng)周期時(shí)間，S     選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合  

22、;   選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合，必須滿足下列條件：     PM<PRPM    式中PM制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W     PR制動(dòng)電阻的允許功率，W     PDB制動(dòng)單元的允許功率，W     當(dāng)計(jì)算的PM>PR時(shí)，表明超出了制動(dòng)電阻的處理能力，需重新核算負(fù)載慣量和減速時(shí)間。     制動(dòng)電阻

23、RB0的計(jì)算     在再生回饋制動(dòng)中，即使不設(shè)置制動(dòng)電阻，依靠電機(jī)內(nèi)部損耗也可獲得約20%的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此可用下式計(jì)算所需的電阻值RB0：     VC²     RB0=     1.027（TB-0.2TM）n1     式中VC變頻器中間直流回路的電壓（約為700V），V     TB制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，kg·m   &

24、#160; TM電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，kg·m     n1電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速時(shí)的速度，rpm   動(dòng)力制動(dòng)的放電回路由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成，其最大電流受制動(dòng)晶體管最大允許電流IC的限制，制動(dòng)電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動(dòng)電阻選用時(shí)其實(shí)際值RB應(yīng)滿足以下條件：     RMIN<RB  上述選型是建立在精確的計(jì)算基礎(chǔ)上，在實(shí)際工程中如果精確的計(jì)算數(shù)據(jù)不能取得，     也可按下述給出的經(jīng)驗(yàn)公式選型。 &#

25、160;   起升機(jī)構(gòu)的再生功率PM     PM=Pb×total     total=mec×mot×0.98     上式中，Pb為實(shí)際的負(fù)載再生發(fā)電功率，mec為機(jī)械效率，mot為電機(jī)效率。   （2）回饋制動(dòng)   為了實(shí)現(xiàn)把制動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電能量向電網(wǎng)回饋，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)采用可逆變流器。中科科技推出的能量回饋制動(dòng)單元，它的網(wǎng)側(cè)變流器與逆變器結(jié)構(gòu)相同，采用一塊具有P

26、WM控制方式的電網(wǎng)電壓識(shí)別板。由于采用了PWM控制技術(shù)，對(duì)網(wǎng)側(cè)交流電壓的大小和相位可以進(jìn)行控制，可以使交流輸入電流與電網(wǎng)電壓同相位并接近正弦波，傳動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.9，回饋制動(dòng)時(shí)有100%電網(wǎng)回饋能力，而不需要自耦變壓器。 動(dòng)力制動(dòng)方式控制簡(jiǎn)單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高。應(yīng)該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下，才可以采用回饋制動(dòng)方式。對(duì)于采用滑觸線供電的起重機(jī)，應(yīng)特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點(diǎn)，建議采用動(dòng)力制動(dòng)方式，以保證起升機(jī)構(gòu)持續(xù)下降時(shí)調(diào)速制動(dòng)的可靠性。1.7經(jīng)濟(jì)效益和安全可靠性（

27、1）采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的起重機(jī)由于變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬，具有精確定位的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)起重機(jī)負(fù)載變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化的現(xiàn)象，可以提高裝卸作業(yè)的生產(chǎn)率。 （2）變頻起重機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，起、制動(dòng)平緩，運(yùn)行中加、減速時(shí)整機(jī)振動(dòng)和沖擊明顯減小，安全性提高，并且延長(zhǎng)了起重機(jī)機(jī)械部分的壽命。 （3）機(jī)械制動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)低速時(shí)動(dòng)作，主鉤以及大、小車(chē)的制動(dòng)由電氣制動(dòng)完成，所以機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)片壽命大為延長(zhǎng)，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用下降。 （4）采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)取代繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，避免了因集電環(huán)、電刷磨損或腐蝕引起接觸不良而造成電動(dòng)機(jī)損壞或不能起動(dòng)的故障。 （5）交流接觸器大量減少，電

28、動(dòng)機(jī)主回路實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)化控制，避免了因接觸器觸頭頻繁動(dòng)作而燒損以及由于接觸器觸頭燒損而引起的電動(dòng)機(jī)損壞故障。 （6）交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活調(diào)整各檔速度和加、減速時(shí)間，使得變頻起重機(jī)操作靈活、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性好。 （7）交流變頻調(diào)速系統(tǒng)屬高效率調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)行效率高，發(fā)熱損耗小，因此比老式調(diào)速系統(tǒng)大量節(jié)電。 （8）變頻器具有完善的保護(hù)、監(jiān)測(cè)及自診斷功能，如再結(jié)合PLC控制，可大幅度提高變頻起重機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性。1.8本論文的研究?jī)?nèi)容本文在掌握交流電機(jī)變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，將變頻器技術(shù)運(yùn)用于起重機(jī)上，控制電路比較簡(jiǎn)單，電機(jī)選擇通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，因此其通用性比較強(qiáng)，性能/價(jià)格比比較高

29、。具體研究工作包括：Ø 交流電機(jī)變頻調(diào)速原理的研究；Ø 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設(shè)計(jì)，包括主電路、系統(tǒng)保護(hù)電路和控制電路等；Ø 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的研究和設(shè)計(jì)。2變頻調(diào)速2.1變頻調(diào)速的基本原理異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為: = （ 1） (2.1)其中: 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min;定子的電源頻率，單位為Hz;電機(jī)的轉(zhuǎn)速滑差率;電機(jī)的極對(duì)數(shù)。由上式(2.1)可知，如果改變輸入電機(jī)的電源頻率，則可相應(yīng)改變電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素時(shí)希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的磁心，是一種浪費(fèi):若要增大磁通，又會(huì)使磁通飽和，

30、從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，所以只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。三相異步電動(dòng)機(jī)每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是: （2.2）式中: 氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值，單位為V;定子頻率，單位為Hz;定子每線繞組串聯(lián)匝數(shù);基波繞組系數(shù);美極氣隙磁通量，單位為Wb;由公式可知，只要控制好和便可以控制磁通不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況;1基頻以下調(diào)速即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)。由上式可知，要保持不變，單頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低然而繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以控

31、制的，但電動(dòng)勢(shì)較高時(shí)，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U1 E，則得U1 /f1=常值。低頻時(shí)，U1和讀數(shù)較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時(shí)，可以人為的把電壓U抬高一些，以便近似的不補(bǔ)償定子壓降。帶定子壓降補(bǔ)償?shù)暮愎β时瓤刂铺匦詾閎線()，無(wú)補(bǔ)償?shù)臑閍線()。如圖2.1所示:圖2.1恒壓頻比控制特性2基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率f可以從往上增高，但電壓u磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于與直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來(lái)，可得到異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖2.2。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能在溫升容

32、許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的調(diào)速，而在基頻以上基本上屬于“恒功率調(diào)速”。圖2.2異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性2.2變頻器的基本機(jī)構(gòu)和功能變頻器的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.3圖2.3變頻器的結(jié)構(gòu)圖變頻器的功能是為電動(dòng)機(jī)提供可變頻率的電源,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速。變頻器具備對(duì)電機(jī)和變頻器本身的完善保護(hù)功能,如過(guò)熱、過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、缺相、接地等,從而避免備在不正常狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,保護(hù)設(shè)備不至于損壞。2.2.1變頻器的主回路器件電力電子開(kāi)關(guān)器件：電力半導(dǎo)體器件己經(jīng)歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關(guān)斷晶閘管(GTO)，巨型晶體管(GTR)，功率MOSFET、絕緣

33、柵雙極晶體管(IGBT)為代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成電路(SPIC)，高壓功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)等三個(gè)發(fā)展時(shí)期。從晶閘管發(fā)展到PID, PIC通過(guò)門(mén)極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式及發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門(mén)極(柵極)的控制功率，而且大大提高了器件導(dǎo)通與關(guān)斷的轉(zhuǎn)換速度，從而使器件的工作頻率不斷提高。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。整流電路一般的三相變頻器的整流電路由三

34、相全波整流橋組成。它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。整流電路按其控制方式，可以是直流電壓源，也可以是直流電流源。逆變電路逆變電路是利用六個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開(kāi)關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。2.2.2變頻器的控制電路構(gòu)成 包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路以及保護(hù)電路等幾個(gè)部分，是變頻器的核心部分?？刂?/p>

35、電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪?duì)逆變器開(kāi)關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能。隨著電力半導(dǎo)體器件和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電力變頻技術(shù)新的突破性發(fā)展，70年代后期發(fā)展起來(lái)的脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)技術(shù)成了現(xiàn)在最常用的變頻器功率開(kāi)關(guān)器件的控制策略。SPWM(Sinusoidal PWM)則是較為常用的技術(shù)。其通常是采用調(diào)制的方法，即把正弦波作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載被，通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制即可得到SAM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度線性關(guān)系，且左右對(duì)稱，當(dāng)它與正弦波調(diào)

36、制信號(hào)相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合SPWM控制的要求。三角載波的頻率fc,和正弦調(diào)制波的頻率fr,之比即fc / fr =Nc稱為載波比。用生成的SPWM波控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷，可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調(diào)制波的頻率fr,即是逆變器的輸出頻率f1改變fr,便可改變f1三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調(diào)制彼的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的改變。3 QTZ50塔式起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1總體設(shè)計(jì)方法 控制系統(tǒng)由PLC控制，三大機(jī)構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速。塔式起重機(jī)變頻調(diào)速

37、系統(tǒng)主要由上位機(jī)(工業(yè)觸摸屏系統(tǒng))、下位機(jī)(PLC控制系統(tǒng))、變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。 1、起升機(jī)構(gòu)起升機(jī)構(gòu)屬位能負(fù)載機(jī)構(gòu)。主起升電機(jī)使用一個(gè)FR-A540L變頻器。變頻器的選擇，應(yīng)以選擇變頻器的額定電流為基準(zhǔn)，一般以電動(dòng)機(jī)的額定電流，負(fù)載率，變頻器運(yùn)行的效率為依據(jù)?？刂品绞竭x用帶PG的矢量控制方式。PLC接受電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡送達(dá)的反饋信號(hào)，避免吊鉤的下滑。2、運(yùn)行機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車(chē)兩臺(tái)電機(jī)各用一個(gè)變頻器;變頻器的選擇，一般以電動(dòng)機(jī)的額定功率作為選擇的依據(jù)。通常選額定功率大一級(jí)的變頻器。控制方式選用無(wú)PG v/f的變頻控制方式。 3.1.1塔式起重機(jī)主電路圖（圖3.1.1）我們所研究

38、的塔式起重機(jī)是電動(dòng)單臂塔式起重機(jī)，該起重機(jī)由起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和小車(chē)牽引機(jī)構(gòu)和液壓頂升機(jī)構(gòu)及安全保護(hù)裝置和電氣控制裝置等部分組成。機(jī)構(gòu)主要指主起升機(jī)構(gòu)、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過(guò)電纜卷筒將電源輸送到中心電器上，起重機(jī)機(jī)為低壓供電系統(tǒng)，電氣控制部分集中在操作室和電氣房?jī)?nèi)，安全保護(hù)裝置裝在在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。圖3.1.13.1.2塔式起重機(jī)控制電路圖 圖3.1.23.2 PLC技術(shù)簡(jiǎn)介3.2.1 PLC概述 可編程程序控制器(Programmable Controler)，也稱為PLC(programmable Logic controler)，即是可編程邏輯控制器

39、。其采用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要包括CPU,存儲(chǔ)器、輸入、輸出接口及模塊、通訊接口及模塊、編程器和電源六個(gè)部分。如圖4.1所示，PLC內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。外部的各種開(kāi)關(guān)信號(hào)、模擬信號(hào)、傳感器檢測(cè)的各種信號(hào)均作為PLC的輸入變量，他們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算處理后送到輸出端子，作為PLC的輸出變量，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行各種控制。3.2.2 三菱FX2N工作原理 (1)FX2N系列PLC介紹 FX2N系列PLC功能強(qiáng)、速度快、具有模塊化、具有極高的可靠性、極豐富的指令集、實(shí)時(shí)特性、良好的通信能力等。它的強(qiáng)大功能使其無(wú)論是在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)

40、絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能?？梢愿鶕?jù)對(duì)象的不同，選用不同的型號(hào)和不同數(shù)量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。它的基本指令執(zhí)行時(shí)間為0.8us每條指令，內(nèi)置用戶存存儲(chǔ)器為8K步，可擴(kuò)展到16步，最大可以擴(kuò)展到256個(gè)I/O點(diǎn)，有多種特殊功能模塊和功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)多軸控制。機(jī)內(nèi)有時(shí)實(shí)鐘，PID指令用于模擬量閉環(huán)控制。有功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)指令集，例如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，開(kāi)平方和三角函數(shù)。每個(gè)FX2N基本單元可以擴(kuò)展8個(gè)特殊單元。 (2) FX2N主要功能模塊介紹 1. CPU模塊CPU模塊包括一個(gè)中央處理單元、電源以及數(shù)字I/0點(diǎn)，這些都被集成在一個(gè)緊湊、獨(dú)立的設(shè)備中。CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

41、中采集信號(hào)，輸出部分則輸出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 2.I/0擴(kuò)展模塊 當(dāng)CPU的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用或需要進(jìn)行特殊功能的控制時(shí)，就要進(jìn)行I/0擴(kuò)展，I/O擴(kuò)展包括I/0點(diǎn)數(shù)的擴(kuò)展和功能模塊的擴(kuò)展。 3.功能擴(kuò)展模塊 當(dāng)需要完成某些特殊功能的控制任務(wù)時(shí)，CPU主機(jī)可以擴(kuò)展特殊功能模塊.如要求進(jìn)行PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接時(shí)，就需要EM277 PROFIBUS-DP模塊，在這里主要介紹模擬量輸出模塊EM232。EM232模塊提供了有2輸出模擬量通道，具有12位的分辨率，且具有多輸入，輸出信號(hào)范圍。其內(nèi)部集成了D/A轉(zhuǎn)換器、放大器等多種功能的電路，可用于復(fù)雜的控制場(chǎng)合。它能夠不用外部放大器而與

42、傳感器直接相連，可根據(jù)輸出模擬量的大小，通過(guò)其外置的D工P開(kāi)關(guān)選擇不同的檔位及分辨率，且模擬量的輸出可作為測(cè)量傳感器的恒流源使用。3.3部件的選擇3.3.1電機(jī)的選用 一、變頻調(diào)速對(duì)電機(jī)的要求采用變頻調(diào)速時(shí)，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的擴(kuò)大產(chǎn)生了一些與在工頻電源下傳動(dòng)時(shí)不同的特征。主要反映在功率因數(shù)、效率、輸出力矩、電機(jī)溫升、噪音及振動(dòng)等方面。隨著高開(kāi)關(guān)頻率的工GBT等電力電子器件的使用、PWM調(diào)制、矢量控制、增強(qiáng)型V/f控制方法的應(yīng)用、使變頻器輸出波形、諧波成份、功率因數(shù)及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了變頻控制電機(jī)的低速區(qū)轉(zhuǎn)矩。同時(shí)由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，

43、使電機(jī)可以避開(kāi)共振點(diǎn)，解決了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的共振問(wèn)題。二、變頻起重機(jī)系統(tǒng)中電機(jī)的選型起重機(jī)起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)率在60%以下，負(fù)載多為大慣量系統(tǒng)。嚴(yán)格意義上的變頻電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，響應(yīng)較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機(jī)的特定要求。普通電機(jī)與變頻電機(jī)在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本一致;在連續(xù)工作時(shí)考慮到冷卻效果限制了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機(jī)僅在連續(xù)工作時(shí)的變頻驅(qū)動(dòng)特性比變頻電機(jī)稍差。三、電機(jī)冷卻西門(mén)子變頻器在調(diào)速比為1:20的范圍內(nèi)能確保起重機(jī)上普通電機(jī)有150%的過(guò)載力矩值。電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中可承受2.5

44、倍額定電流值，遠(yuǎn)大于變頻起動(dòng)要求的1.5倍值，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)在以額定速度運(yùn)行時(shí)電機(jī)通常工作在額定功率以下，因此高頻引起的1.1倍電流值可不予考慮。但若電機(jī)要求在整個(gè)工作周期內(nèi)在大于1:4的速比下持續(xù)運(yùn)行則必須采用他冷式電機(jī)。四、電機(jī)效率國(guó)外以4極電機(jī)作變頻電機(jī)首選極數(shù)，因此時(shí)電機(jī)有最好的功率因數(shù)和最高的工作效率，使能耗降為最低。目前，國(guó)內(nèi)用于起重機(jī)械的4極電機(jī)有強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻的YZFXXX-4型電機(jī)等。五、電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及電機(jī)運(yùn)行的功率因數(shù)起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了加速電機(jī)需有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故電機(jī)容量需由負(fù)載功率P廠及加速功率Pa兩部分組成。一般情況下,電機(jī)容量P為 (5.1)式中一電機(jī)

45、平均起動(dòng)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的負(fù)荷特點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間短(1-3s)，只占等速運(yùn)動(dòng)時(shí)間的較少比例;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較少，占額定起升轉(zhuǎn)矩的10%-20%。其電機(jī)容量P為 (kw) (5.2)式中 一起重機(jī)額定提升負(fù)載，kg 一額定起升速度，m/s 一重力加速度，g=9. 81m/s 一機(jī)構(gòu)總效率為使電機(jī)提升1.25倍試驗(yàn)載荷，能承受電壓波動(dòng)的影響，其最大轉(zhuǎn)矩值必須大于2,否則必須讓電機(jī)放容，從而降低電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的工作效率。通過(guò)利用上述公式的計(jì)算，選用改造后的塔式起重機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)參數(shù)如表3.1所示:表3.1 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)參數(shù)電機(jī)型號(hào)電機(jī)功率主起升機(jī)構(gòu)YP2 280M-845KW回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)YDZ1

46、32S2.2KW小車(chē)機(jī)構(gòu)YDZ132S2.2KW頂升機(jī)構(gòu)YDZ132S2.2KW3.3.2變頻器的選用（FR-A540）一、變頻器選型本系統(tǒng)選用三菱變頻器，三菱變頻器具有較合理的價(jià)格，完整的理論計(jì)算書(shū)及輔件推薦值，有利于用戶合理選用。 二、變頻器容量選擇 2.1起升機(jī)構(gòu)起升機(jī)構(gòu)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)距一般來(lái)說(shuō)可為額定力矩值的1.3-1.6倍。考慮到電源電壓波動(dòng)因素及需通過(guò)125%超載試驗(yàn)要求等因素，其最大轉(zhuǎn)距必須有1.8-2倍的負(fù)載力矩值，以確保其安全使用的要求。等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值，為此可通過(guò)提高變頻器容量(Yz型電機(jī))或同時(shí)提高變頻器和電機(jī)容量(Y型電機(jī))來(lái)獲得200%力矩值。此時(shí)

47、變頻器容量為 (KVA) (3.3.2) 式中電機(jī)的功率因數(shù)，= 0.8 起升額定負(fù)載所需功率，kw 電機(jī)效率， =0. 85 變頻器容量，KVA 系數(shù)，K=2起升機(jī)構(gòu)變頻器容量依據(jù)負(fù)載功率計(jì)算，并考慮2倍的安全力矩。若用在電機(jī)額定功率選定的基礎(chǔ)上提高一擋的方法選擇變頻器的容量，則可能會(huì)造成不必要的放容損失。在變頻器功率選定的基礎(chǔ)上再作電流驗(yàn)證，公式如下: (3.3.3)式中一變頻器額定電流，A 電機(jī)額定電流，A2.2運(yùn)行機(jī)構(gòu)當(dāng)運(yùn)行電機(jī)在300s內(nèi)有小于60s的加速時(shí)間的并且起動(dòng)電流不超過(guò)變頻器額定位的1.5倍時(shí)變頻器容量可按下式計(jì)算。 (3.3.4)式中電流波形補(bǔ)償系數(shù)，PWM方式K=1.0

48、51.1 負(fù)載轉(zhuǎn)距，N.m 一總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)電機(jī)軸的折算值，kg.m 加速時(shí)間，s 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min當(dāng)運(yùn)行電機(jī)在300s內(nèi)電機(jī)有大于60s加速時(shí)間時(shí)，變頻器容量按下式取值： ( kVA ) (3.3.5) 電流驗(yàn)證:以上公式均以負(fù)載功率作為變頻器容量計(jì)算的基本參數(shù)，相同功率不同極數(shù)的電機(jī)有不同的額定電流。故最終尚需驗(yàn)證電機(jī)和變頻器額定電流，即 2.3.多電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)變頻器容量的選擇 電壓型變頻器可以一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)，其并聯(lián)運(yùn)行且變頻器短時(shí)過(guò)載能力為150%、 60%時(shí)，如電機(jī)加速時(shí)間在300s內(nèi)有小于60s的加速時(shí)間，則 (3.3.6)并要求 (3.3.7)式中負(fù)載所要求的電機(jī)軸輸出

49、功率并聯(lián)電機(jī)的臺(tái)數(shù)同時(shí)啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)電機(jī)效率，=0.8電動(dòng)啟動(dòng)電流與電機(jī)額定電流之比值 電流波形的修正系數(shù)，PWM方式取1.05-1.1 變頻器容量，KVA 變頻器額定電流，A2.4、電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)選擇根據(jù)起重機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特性和技術(shù)要求，采用帶測(cè)速反饋接口的系列變頻器作為主起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)R-A540系列變頻器作為提升、小行車(chē)行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)R-A540系列是一種通用性高性能矢量控制型變頻器，功能強(qiáng)，價(jià)格低，完全滿足行走機(jī)構(gòu)的需求，因此我們推薦用戶選用該系列變頻器。通過(guò)利用上述公式的計(jì)算，塔式起重機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的變頻器如表3.2所示: 表3.2 各機(jī)構(gòu)的變頻器參數(shù)變頻器型號(hào)額定功率/電流主

50、起升機(jī)構(gòu)FR-A540(L)55KW/110A回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)FR-A540(L)2.2KW/6A小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)FR-A540(L)2.2W/6A 2.5、變頻器主要參數(shù)設(shè)置首先將所用電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)輸入P80_ P85，變頻器應(yīng)輸入幾個(gè)電機(jī)的總電流及總功率，并且大車(chē)變頻器帶有幾個(gè)電機(jī)時(shí)應(yīng)運(yùn)行于線性頻率/電壓特性，速度變化采用固定頻率的迭加，同時(shí)利用變頻器的制動(dòng)器接通、斷開(kāi)功能由RL2輸出繼電器觸點(diǎn)控制機(jī)械制動(dòng)器，使行走機(jī)構(gòu)在電機(jī)停止時(shí)不會(huì)由于外力而隨意移動(dòng)。如表3.3所示： 表3.3 變頻器參數(shù)設(shè)置參數(shù)號(hào)參數(shù)值說(shuō)明P0026加減時(shí)間秒P0036減速時(shí)間秒P00551檔速度P0063附加數(shù)字給定P0070開(kāi)

51、關(guān)量輸入控制P0516固定頻率5開(kāi)關(guān)P0526固定頻率4開(kāi)關(guān)P0536固定頻率3開(kāi)關(guān)P05410故障復(fù)位P0551運(yùn)行右轉(zhuǎn)P03562運(yùn)行左轉(zhuǎn)P0465固定頻率5P04415固定頻率4P04325固定頻率3P0616故障P0624外部制動(dòng)控制P0770V/f特性(大車(chē)電機(jī))P0771FCC特性(小車(chē)單電機(jī))2.6 FR-A540端子圖根據(jù)起重機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特性和技術(shù)要求，采用帶測(cè)速反饋接口的系列變頻器作為主起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)R-A540系列變頻器作為提升、小行車(chē)行走機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)R-A540系列是一種通用性高性能矢量控制型變頻器，功能強(qiáng)，價(jià)格低，完全滿足行走機(jī)構(gòu)的需求，因此我們推薦用戶選

52、用該系列變頻器。基本運(yùn)行方式STF正轉(zhuǎn)STR反轉(zhuǎn)運(yùn)行停止運(yùn)行STOP?？刂品绞接袃煞N，開(kāi)關(guān)可控制方式，當(dāng)STF或STR處于閉合狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)或運(yùn)行，當(dāng)他們處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)即減速和停止。脈沖信號(hào)控制方式，在STF或STR輸入一個(gè)信號(hào)，電動(dòng)機(jī)即可維持正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，猶如具有自鎖功能一樣，如要停機(jī)，必須將STOP接通。圖2.63.3.3PLC的選用 目前PLC使用性能較好的有SIEMENS公司、日本的三菱、歐姆龍、美國(guó)的AB公司。根據(jù)性價(jià)比的選擇，根據(jù)被控對(duì)象的I/0點(diǎn)數(shù)以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，我們采用三菱公司FX2N系列PLC。FX2N系列是三菱公司小型可編

53、程序控制器，可以單機(jī)運(yùn)行，由于它具有多種功能模塊和人機(jī)界面(HMI)可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)更加簡(jiǎn)單，幾乎可以完成任何功能的控制任務(wù)，同時(shí)具有可靠性高，運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，繼承了和發(fā)揮了它在大、中型PLC領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有豐富的指令集，具有強(qiáng)大的多種集成功能和實(shí)時(shí)特性，其性能價(jià)格比高，所以在規(guī)模不太大的領(lǐng)域是較為理想的控制設(shè)備。 變頻器系統(tǒng)器件由斷路器、接觸器、電抗器、變頻器、制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元組成。 1、斷路器 為避開(kāi)變頻器投入時(shí)直流回路電容器的充電電流峰值，為此變頻器配置的斷路器容

54、量應(yīng)為電機(jī)額定電流的1.31.4倍，整定值為斷路器額定值的34倍。 2、接觸器 接觸器在變頻器主回路中僅在變頻器輔助器件或控制回路故障時(shí)起斷開(kāi)主回路的作用，一般不作回路開(kāi)斷器件用，故可按電機(jī)額定電流選用接觸器容量，無(wú)須按開(kāi)斷次數(shù)考核其壽命。 3、交流電抗器 在變頻器的輸入端加接交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流，或電容器開(kāi)斷造成的峰值電流對(duì)變頻器的危害。同時(shí)，交流電抗器的接入還可起到降低電機(jī)噪聲、改善起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、在電機(jī)輕載時(shí)改善電機(jī)功率因數(shù)的作用。 4、制動(dòng)單元 為減小大慣性系統(tǒng)的減速時(shí)間，解決變頻器直流電路上的過(guò)電壓?jiǎn)栴}。常在其直流電路中加接一檢測(cè)直流電壓的晶體管。一旦直流回路電壓超過(guò)

55、一定的界限，該晶體管導(dǎo)通，并將過(guò)剩的電能通過(guò)與之相接的制動(dòng)電阻器轉(zhuǎn)化為熱能耗。在能量消耗的同時(shí)加速了轉(zhuǎn)速的減小，該能量消耗得愈多，制動(dòng)時(shí)間愈小，此裝置即為變頻器的制動(dòng)單元。 5.制動(dòng)電阻器借助制動(dòng)單元，消耗電機(jī)發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下從動(dòng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的能量。3.3.4 電阻值的計(jì)算 (3.3.8)式中 一直流回路電壓，V一制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N.m一電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩(在附加電阻制動(dòng)的情況下，電機(jī)自損耗約為電機(jī)額定功率的20%左右)，N.m一電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩(在附加電阻制動(dòng)的情況下，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速),r/min在制動(dòng)晶體管和制動(dòng)電阻構(gòu)成的能耗回路中最大電流受晶體管許用電流Ic的限制，因此在選擇制動(dòng)電阻值時(shí)不可小于其最小制動(dòng)電阻值

56、Rmin，即 () (3.3.9)式中一直流回路電壓，V一制動(dòng)晶體管允許的最大電流，A因此，制動(dòng)電阻應(yīng)按 > > 的關(guān)系選用。5.2 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 (3.4.0)式中一電機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪轉(zhuǎn)矩之和，N.m 一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N.m 一減速開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min 一減速結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min 一減速時(shí)間，S6.電纜選擇由于高次諧波的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，電纜的實(shí)際使用面積減少，單位實(shí)際工作電阻增大，電纜壓降有增大的趨勢(shì)，故所配電纜一般大于常規(guī)使用值。3.4起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.4.1系統(tǒng)控制的要求 對(duì)橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的基本要求 (1)主機(jī)構(gòu)升降速度調(diào)節(jié); (2)運(yùn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度調(diào)節(jié); (3)保護(hù)功能:主機(jī)構(gòu)上升限位、下降限位、回轉(zhuǎn)限位、小車(chē)限位、主副機(jī)構(gòu)及小車(chē)電機(jī)的保護(hù)等?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)由PLC、繼電器、操縱臺(tái)各主令控制器、開(kāi)關(guān)、按鈕、指示燈及各部位限位開(kāi)關(guān)等組成。 3.4.2控制系統(tǒng)的1/O點(diǎn)及地址分配 I/O表 輸入 輸出按鈕SB1X0提升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)Y0KM3按鈕SB2X1提升機(jī)構(gòu)停止Y1KA1旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)SA2X2提升電機(jī)正傳Y2KA2X3提升電機(jī)反轉(zhuǎn)Y3KA4X4故障Y4KA5旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)SA3X5高速Y5KA6X6中速Y6KA3X7低速Y7KM4按鈕SB3 X10 STOPY10KA7按鈕SB4X11回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)Y11KA