門(mén)座起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

1、第1章 緒論1.1 設(shè)計(jì)目的及意義門(mén)座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)是立體的，不多占用碼頭的面積，具有高大的門(mén)架和較長(zhǎng)距離的伸臂，因而具有較大的起升高度和工作幅度，能滿足港口、碼頭、船舶和車(chē)輛的機(jī)械化裝卸、轉(zhuǎn)載，充分使用港口、碼頭場(chǎng)地，適應(yīng)船舶的空載、滿載作業(yè)，以及地面車(chē)輛的通行要求；還具有高速靈活、安全可靠的裝卸能力，對(duì)提高裝卸生產(chǎn)率，減輕繁重的體力勞動(dòng)都具有重大的意義。近年來(lái)隨著港口運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，港口起重機(jī)向大型化、專(zhuān)業(yè)化方向發(fā)展，這就要求現(xiàn)代港口起重機(jī)在電氣傳動(dòng)控制調(diào)速性能要求比一般起重機(jī)要高，以保證在進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)平穩(wěn)、可靠，且有良好的低速就位性能。傳統(tǒng)的調(diào)速控制系統(tǒng)已難以滿足港機(jī)作業(yè)的要求，人們希望

2、在許多場(chǎng)合下能夠用可調(diào)速的交流電機(jī)來(lái)代替直流電機(jī)，從而降低成本，提高運(yùn)行的可靠性。采用變頻調(diào)速和可編程控制技術(shù)控制門(mén)座式起重機(jī)各系統(tǒng)，不僅可以明顯提高門(mén)座式起重機(jī)的安全性,可靠性，而且可以提高裝卸效率，降低能源的消耗，降低維修費(fèi)用，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。滿足其工況和作業(yè)需要.主要表現(xiàn)在：（1）明顯改善鋼結(jié)構(gòu)性能變頻調(diào)速使起升，變幅，旋轉(zhuǎn)，行走運(yùn)行平穩(wěn)，制動(dòng)沖擊小；（2）變頻調(diào)速以其體積小，通用性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，工作頻率高，保護(hù)性能完善，可靠性好，使用方便等卓越的性能；（3）工作可靠性顯著提高；（4）節(jié)能效果十分可觀， 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)

3、后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在起重機(jī)放下重物時(shí)，還可將重物釋放的位能反饋給電源（可反饋電網(wǎng)或消耗掉）；（5）調(diào)速質(zhì)量明顯提高，調(diào)速范圍寬，性能好，調(diào)速平穩(wěn)，能夠長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率。起升，變幅，旋轉(zhuǎn)工作速度可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，操作者可根據(jù)負(fù)載的變化情況，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速；（6）可簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈，由于可以進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，從而在機(jī)械上省去了非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的減速箱；（7）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性性高，易維護(hù)。1.2 發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)門(mén)座式起重機(jī)是港口起重機(jī)械的主力軍,經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展,雖然我國(guó)在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修和管理方面不斷的改造推動(dòng)了技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。但是在實(shí)際生活中

4、我們?nèi)匀幻媾R著許多有待解決的問(wèn)題。當(dāng)前隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展水平越來(lái)越高,人們對(duì)門(mén)機(jī)的要求也越來(lái)越高。與其他行業(yè)的機(jī)械電氣轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)一樣，門(mén)座起重機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)歷了直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)（G-M）；晶閘管直流電動(dòng)機(jī)（SCR-M）的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速；繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；調(diào)壓調(diào)速；轉(zhuǎn)差電動(dòng)機(jī)調(diào)速；串級(jí)調(diào)速的發(fā)展過(guò)程。眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)有換向器和電刷，維護(hù)保養(yǎng)麻煩，價(jià)格也昂貴，容量上也受到一定限制。而上述的幾種異步電機(jī)調(diào)速分別存在能耗大、調(diào)速范圍有限、功率因數(shù)低、不能在大功率中應(yīng)用等缺點(diǎn)1。交流異步電機(jī)變頻調(diào)速是目前交流電機(jī)最完善的調(diào)速方式，速度可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)

5、連續(xù)控制，調(diào)速平滑、精度高。有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制性能，對(duì)負(fù)載突變有極好響應(yīng)。系統(tǒng)功率因數(shù)近似于1.0，對(duì)前級(jí)電源的容量配置要求低,且諧波等電網(wǎng)公害小，力能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于其他方式。變頻調(diào)速的平滑調(diào)速和其較高的穩(wěn)定性是港口電機(jī)調(diào)速的方向。變頻器在港口機(jī)械企業(yè)已經(jīng)得到普遍的認(rèn)可。目前生產(chǎn)的港口起重機(jī)幾乎是百分之百的都使用變頻調(diào)速。起重機(jī)械行業(yè)中變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要采用變頻調(diào)速技術(shù)和可編程邏輯控制技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了變頻器在位勢(shì)能負(fù)載上的應(yīng)用，可取代傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，適用于新設(shè)備的制造和既有設(shè)備改造。隨著電控技術(shù)特別是變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)在諸多調(diào)速技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)勢(shì)必會(huì)引導(dǎo)起重機(jī)械應(yīng)用企業(yè)進(jìn)行

6、變頻改造，來(lái)提高起重設(shè)備的性能。同時(shí)，隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，配置的變頻器也會(huì)隨科學(xué)技術(shù)等因素的提高而進(jìn)一步的優(yōu)化升級(jí)。但在國(guó)內(nèi)，交流變頻調(diào)速在起重機(jī)特別是大噸位起重機(jī)上的應(yīng)用還剛起步，原因是作為起重機(jī)核心機(jī)構(gòu)的起升機(jī)構(gòu)其位能性負(fù)載特性和使用安全性的需求使一般通用變頻器在性能上不能滿足要求。低頻時(shí)能否達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩輸出；空中是否溜鉤等問(wèn)題一直是起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)使用變頻調(diào)速的難點(diǎn)，還有起升機(jī)構(gòu)重載下放時(shí)其再生制動(dòng)能量是消耗在制動(dòng)電阻上還是回饋回電網(wǎng)，這些一直都給起重機(jī)使用全變頻調(diào)速控制系統(tǒng)帶來(lái)困惑。近年來(lái)，矢量控制變頻器的出現(xiàn)給起重機(jī)能否安全使用變頻調(diào)速技術(shù)帶來(lái)了生機(jī)，國(guó)外、國(guó)內(nèi)各大專(zhuān)業(yè)電氣公司也都在致力

7、于這方面的開(kāi)發(fā)和研究，因此，怎樣使矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)用于起重機(jī)電氣傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，保證起升機(jī)構(gòu)各種工況要求和良好的低速就位性能，對(duì)推動(dòng)港口機(jī)械電氣控制與調(diào)速系統(tǒng)的更新?lián)Q代，具有非常實(shí)用的意義。1.3 本文的主要內(nèi)容論文首先對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹；接著對(duì)交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的原理進(jìn)行了分析分析；最后，詳細(xì)介紹了門(mén)座起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1、分析原有門(mén)座起重機(jī)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)電控原理圖，設(shè)計(jì)出符合原有起重機(jī)需求的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖。2、確定門(mén)座起重機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)各部分主要元器件的選型，以滿足門(mén)座起重機(jī)的工

8、作要求。3、完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其邏輯的合理性。門(mén)座起重機(jī)是一種用來(lái)起吊、放下和搬運(yùn)重物，并使重物在一定范圍內(nèi)移動(dòng)的起重、搬運(yùn)設(shè)備。門(mén)座式起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)分為起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)四部分。論文主要以門(mén)座起重機(jī)行走與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了其變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括電動(dòng)機(jī)的選型、變頻器的選擇、附加配套設(shè)備的選擇、系統(tǒng)的主電路原理圖、制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選擇、可編程控制器的選用等。第2章 門(mén)座起重機(jī)概述2.1 門(mén)座起重機(jī)簡(jiǎn)介港口起重機(jī)是一種周期性間隙動(dòng)作的機(jī)械，按其組成形式可分為輕小型起重設(shè)備、升降機(jī)、臂架類(lèi)起重機(jī)、橋架類(lèi)起重機(jī)等基本類(lèi)型

9、。常用于港口的起重機(jī)械主要有門(mén)座起重機(jī)、橋式起重機(jī)、浮式起重機(jī)、輪胎式起重機(jī)等。這類(lèi)起重機(jī)的主要組成部分有起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)以及其它相關(guān)裝置等。門(mén)座起重機(jī)是一種用來(lái)起吊、放下和搬運(yùn)重物，并使重物在一定范圍內(nèi)移動(dòng)的起重、搬運(yùn)設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用。門(mén)座式起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)分為起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)四部分。門(mén)座起重機(jī)是港口碼頭數(shù)量和使用最多的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)最多的、最典型的電動(dòng)裝卸機(jī)械。它具有較好的工作性能和獨(dú)特的優(yōu)越結(jié)構(gòu)，通用性好，被廣泛地用在港口雜貨碼頭。門(mén)座起重機(jī)又簡(jiǎn)稱(chēng)為門(mén)吊、門(mén)機(jī)，是電力驅(qū)動(dòng)、有軌運(yùn)行的臂架類(lèi)起重機(jī)之一。它的構(gòu)造大體上可以

10、分為兩大部分：上部旋轉(zhuǎn)部分和下部運(yùn)行部分。上部旋轉(zhuǎn)部分安裝在一個(gè)高大的門(mén)形底架（門(mén)架）上，并相對(duì)于下部運(yùn)行部分可以實(shí)現(xiàn)360°任意旋轉(zhuǎn)。門(mén)架可以沿軌道運(yùn)行，同時(shí)它又是起重機(jī)的承重部分。起重機(jī)的自重和吊重均由門(mén)架承受，并由它傳到地面軌道上。門(mén)座起重機(jī)正是由此門(mén)形底座而得名的。門(mén)座式起重機(jī)如圖1-1所示。圖1-1 門(mén)座起重機(jī)門(mén)座起重機(jī)的上部旋轉(zhuǎn)部分包括臂架系統(tǒng)、人字架、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、司機(jī)室等，還安裝有起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。下部運(yùn)行部分主要由門(mén)架和運(yùn)行機(jī)構(gòu)組成。門(mén)架底部能通火車(chē)，軌距有3種：能通過(guò)一列火車(chē)軌距為6m，稱(chēng)單線門(mén)架，能通過(guò)并排兩列火車(chē)的軌距為10.5m，稱(chēng)雙線門(mén)架，能通過(guò)并

11、排三列火車(chē)的軌距為16m，稱(chēng)三線門(mén)架。碼頭前沿的門(mén)座起重機(jī)門(mén)架多屬雙線門(mén)架。門(mén)座底部裝有行車(chē)車(chē)輪或運(yùn)行臺(tái)車(chē)，運(yùn)行機(jī)構(gòu)使整臺(tái)起重機(jī)可以沿著地面上的軌道運(yùn)行。門(mén)座起重機(jī)的工作原理是：通過(guò)起升、變幅、旋轉(zhuǎn)3種運(yùn)動(dòng)的組合，可以在一個(gè)環(huán)形圓柱體空間實(shí)現(xiàn)物品的升降、移動(dòng)，并通過(guò)運(yùn)行機(jī)構(gòu)調(diào)整整機(jī)的工作位置，故可以在較大的作業(yè)范圍內(nèi)滿足運(yùn)移物品的需要。2.2 門(mén)座起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)2.2.1 起升機(jī)構(gòu)任何起重機(jī)械都是依靠起升機(jī)構(gòu)升降貨物的。起升機(jī)構(gòu)是起重機(jī)不可缺少的工作機(jī)構(gòu)，沒(méi)有它就不能稱(chēng)其為起重機(jī)。起升機(jī)構(gòu)是最重要的機(jī)構(gòu)，并且它的工作好壞將直接影響到整臺(tái)起重機(jī)的工作性能。起升機(jī)構(gòu)通常有以下幾個(gè)方面的任務(wù)2：（

12、1）從地面上起升重物以及把重物從空中放回到地面上，與其他機(jī)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)貨物的位移。 （2）機(jī)構(gòu)能夠以各種不同的速度起升和下降重物。 （3）能夠在起升運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和下降運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下制動(dòng)，使貨物停留在空中任意位置。 （4）在電動(dòng)機(jī)突然斷電的情況下，重物能夠靜止在空中。 （5）當(dāng)電機(jī)通電后，懸空狀態(tài)下的重物，能夠繼續(xù)起升或下降，整個(gè)機(jī)構(gòu)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。起升機(jī)構(gòu)工作原理：電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與減速器的高速軸相連。機(jī)構(gòu)工作時(shí)，減速器的低速軸帶動(dòng)卷筒，將鋼絲繩卷入或放出，經(jīng)過(guò)滑輪系統(tǒng)，使吊鉤實(shí)現(xiàn)上升或下降。機(jī)構(gòu)停止工作時(shí)，制動(dòng)器使吊鉤連同貨物靜止在空中，吊鉤的升降靠電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向來(lái)轉(zhuǎn)換。2.2.2 變幅機(jī)構(gòu)在起重機(jī)

13、中用來(lái)改變復(fù)讀的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為變幅機(jī)構(gòu)，根據(jù)工作要求的不同，變幅機(jī)構(gòu)的主要作用是：（1）通過(guò)改變幅度來(lái)改變?nèi)∥镅b置的工作位置，以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)起重能力的調(diào)整，或者裝卸路線的調(diào)整，或者提高非工作狀態(tài)下的起重機(jī)通過(guò)性能。（2）通過(guò)改變幅度來(lái)擴(kuò)大起重機(jī)的作業(yè)范圍，與起升、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，使取物裝置的工作范圍形成一環(huán)形工作空間，以提高起重機(jī)的生產(chǎn)率，改善其工作性能。為使臂架繞其鉸軸擺動(dòng)來(lái)改變起吊貨物的位置，就必須有一套專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)變幅機(jī)構(gòu)工作性質(zhì)和要求不同，出現(xiàn)了多種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，如齒條、螺桿螺母、液壓等。2.2.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是用來(lái)支承旋轉(zhuǎn)部分重量，并驅(qū)使旋轉(zhuǎn)部分相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)部分做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工作機(jī)

14、構(gòu)。它的作用是使被起吊的貨物圍繞起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)中心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到在水平面內(nèi)運(yùn)移貨物的目的。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)旋轉(zhuǎn)部分相對(duì)于不旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力和速度的傳動(dòng)裝置。這種裝置能滿足起重機(jī)低速正反轉(zhuǎn)、制動(dòng)平穩(wěn)、安全可靠的要求。從受力方面考慮，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須克服如下阻力矩：一是旋轉(zhuǎn)支承裝置中的摩擦阻力矩；二是風(fēng)阻力矩；三是由道路坡度或浮船傾斜造成的旋轉(zhuǎn)阻力矩。2.2.4 運(yùn)行機(jī)構(gòu)在裝卸作業(yè)中，往往要求起重機(jī)能夠調(diào)整工作位置，改變工作地點(diǎn)，以擴(kuò)大作業(yè)范圍，提高裝卸效率。因此，在起重機(jī)中通常都裝有運(yùn)行機(jī)構(gòu)，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的任務(wù)是使起重機(jī)做水平運(yùn)動(dòng)。運(yùn)行機(jī)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為無(wú)軌運(yùn)行機(jī)構(gòu)和有軌運(yùn)行機(jī)構(gòu)兩

15、大類(lèi)。港口裝卸用門(mén)座起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)均為有軌運(yùn)行機(jī)構(gòu)。有軌運(yùn)行機(jī)構(gòu)起重機(jī)可沿著鋪設(shè)的鋼軌上運(yùn)行。 由于這種運(yùn)行機(jī)構(gòu)的車(chē)輪和軌道都是鋼鐵制成的，故其運(yùn)行阻力小，承載能力大，結(jié)構(gòu)緊湊。盡管與無(wú)軌運(yùn)行機(jī)構(gòu)相比較工作范圍受到軌道的限制，但是仍是港口起重機(jī)的主要運(yùn)行形式。門(mén)座起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)屬非工作性運(yùn)行機(jī)構(gòu)只是用來(lái)調(diào)整起重機(jī)的工作位置。運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作速度隨起重機(jī)的用途確定。非工作性運(yùn)行機(jī)構(gòu)為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減輕自重，通常采用較低的運(yùn)行速度。門(mén)座起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)形式是由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)支點(diǎn)上的車(chē)輪。因?yàn)檫@種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置方便，在港口起重機(jī)械運(yùn)行機(jī)構(gòu)中獲得了廣泛的應(yīng)用。運(yùn)行機(jī)構(gòu)不論是何種結(jié)構(gòu)，

16、都是由運(yùn)行支承裝置和運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置兩大主要部分組成的。運(yùn)行支承裝置的機(jī)械部分對(duì)于有軌運(yùn)行的起重機(jī)來(lái)說(shuō)主要是均衡梁、車(chē)輪和軌道。運(yùn)行驅(qū)動(dòng)裝置包括電動(dòng)機(jī)、減速器與制動(dòng)器等。2.3 門(mén)座起重機(jī)工作流程門(mén)座式起重機(jī)作為港口碼頭前沿主要裝卸件雜貨及干散貨船的設(shè)備，是通過(guò)起升、旋轉(zhuǎn)、變幅機(jī)構(gòu)聯(lián)合動(dòng)作完成貨物搬運(yùn)的，并且可以通過(guò)下部行走機(jī)構(gòu)調(diào)整至合適工作位置。門(mén)座式起重機(jī)可帶載作水平位移變幅和任意角度回轉(zhuǎn)，分析其工作流程如下：空鉤下降到貨物上方，與貨物掛鉤，起重機(jī)滿載提升至能夠移出船艙高度制動(dòng)，改變臂架伸出水平幅度至避開(kāi)艙蓋位置制動(dòng)，做臂架旋轉(zhuǎn)至卸貨方向制動(dòng)，同時(shí)臂架改變水平幅度至車(chē)皮卸貨上方制動(dòng)，滿載下降到

17、車(chē)皮內(nèi)制動(dòng)，貨物摘鉤，空鉤上升至進(jìn)入船艙高度制動(dòng)，旋轉(zhuǎn)至一定位置制動(dòng)，改變幅度待卸貨物上方制動(dòng)，空鉤下降至貨物上方制動(dòng)，一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束，如果連續(xù)作業(yè)重復(fù)上述動(dòng)作。其工作特點(diǎn)：（1）動(dòng)作是間歇的、重復(fù)的、周期性的。即通過(guò)重復(fù)、短時(shí)間的工作循環(huán)，周期性地完成貨物的提升和運(yùn)移，每個(gè)工作循環(huán)中都包括滿載和空載的過(guò)程。 （2）每個(gè)工作循環(huán)中，其主要工作機(jī)構(gòu)都作正向和反向的運(yùn)動(dòng)，并且起動(dòng)制動(dòng)非常頻繁。 （3）所受到的載荷的大小和方向都是變化的。如：貨物的大小、風(fēng)力的大小及方向、坡度以及起動(dòng)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷3。2.4 門(mén)座式起重機(jī)對(duì)電氣控制要求采用先進(jìn)的電控系統(tǒng)。起升、變幅、回轉(zhuǎn)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速，調(diào)

18、速性能優(yōu)良，起、制動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)、快速。應(yīng)用 PLC 集中控制和檢測(cè)，PLC 輸入輸出擴(kuò)展接口應(yīng)該留有余量，以備維護(hù)和擴(kuò)展。起升機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制，有吊鉤和抓斗兩種工作模式，由兩個(gè)電機(jī)牽引兩組起升鋼絲繩實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉斗，從而實(shí)現(xiàn)抓取或釋放物料，能夠?qū)崿F(xiàn)抓斗的自動(dòng)開(kāi)閉斗、防漏，具有深挖控制功能，使雙機(jī)在抓斗升降過(guò)程中均衡受力4。安全保護(hù)裝置齊全，工作安全可靠。各機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)構(gòu)件均設(shè)有限位保護(hù)，包括有減速限位，終點(diǎn)限位和極限限位。電氣系統(tǒng)通過(guò)各限位開(kāi)關(guān)和 PLC 設(shè)有多重電氣聯(lián)鎖。設(shè)有力矩限制器進(jìn)行超載和超力矩保護(hù)。還應(yīng)設(shè)有作業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)對(duì)主要作業(yè)和工作部位進(jìn)行監(jiān)控。應(yīng)設(shè)置緊急停車(chē)。在裝卸貨物操作運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備

19、出現(xiàn)異常情況或故障時(shí)，如果不能使系統(tǒng)停止，將導(dǎo)致設(shè)備損壞或事故。因此必須設(shè)置急停開(kāi)關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，使整個(gè)系統(tǒng)立刻停止。門(mén)座式起重機(jī)上應(yīng)布置電氣室，分別安裝動(dòng)力變壓器和控制、照明專(zhuān)用變壓器。供電電壓為 380V，供電頻率為 50Hz，供電方式為電纜卷筒。第3章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理3.1 交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：n=60××(1-s)p （3.1）式中：f1定子供電電源頻率（Hz）； s異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率； p磁極對(duì)數(shù)。由上式可以看出改變電動(dòng)機(jī)電源的頻率就會(huì)引起電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化,電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化同樣會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能,因此想獲得最佳的調(diào)速特性?xún)H僅依

20、靠改變供電電源的頻率是不夠得。而變頻調(diào)速就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓和定子頻率來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而獲得所需要的調(diào)速特性。通用變頻器對(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調(diào)速(VVVF)。而在額定頻率以上，電壓并不變，只改變頻率。實(shí)際上多數(shù)變頻調(diào)速場(chǎng)合是用于額定頻率以下，低頻時(shí)采用的補(bǔ)償都是為了解決低頻轉(zhuǎn)矩的下降，其采用的方式多種多樣。有矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及擬超導(dǎo)技術(shù)(森蘭變頻特有專(zhuān)利技術(shù))等等。其作用不外乎動(dòng)態(tài)地改變低頻時(shí)的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，也就是利用電路和電腦技術(shù)，達(dá)到低速時(shí)

21、力矩提升，并且穩(wěn)定運(yùn)行，又不至于電流太大而造成故障。3.2 變頻控制技術(shù)這里控制技術(shù)是指專(zhuān)用變頻控制技術(shù)，處理交流電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的控制信號(hào)和控制變量力矩和速度的非線性關(guān)系。3.2.1 v/f 控制（標(biāo)量控制）照電壓、頻率關(guān)系對(duì)變頻器的頻率和電壓進(jìn)行控制，稱(chēng)為 v/f 控制方式，又稱(chēng)為VVVF（Variable Voltage Variable Freqency）控制方式。基頻以下可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)整。早期的通用變頻器大多數(shù)為開(kāi)環(huán)恒壓比（即：電壓比頻率 v/f 為常數(shù)）的控制方式。其原理是把電機(jī)當(dāng)作一個(gè)大電感，恒壓比可保證電流可控。其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（只關(guān)心電流的大小，即標(biāo)量）、成本較低，缺點(diǎn)是系

22、統(tǒng)性能不高。v/f 控制是轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，控制電路簡(jiǎn)單，負(fù)載可以是通用標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，所以通用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好，是目前通用變頻器產(chǎn)品中使用較多的一種控制方式。3.2.2矢量控制矢量控制是 70 年代初由西德 F.Blaschke 等人首先提出，它基于電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)理論，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制，可以實(shí)現(xiàn)分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流。把交流電動(dòng)機(jī)的控制以直流電動(dòng)機(jī)的分析方法進(jìn)行闡述，由此開(kāi)創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)和等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜，但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、磁場(chǎng)獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì)。矢量控制的誕生，為高性能交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)奠定了理論

23、基礎(chǔ)。但由于它們實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，當(dāng)時(shí)還不為世人所重視。隨著電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，到 80 年代，矢量控制才進(jìn)入了實(shí)用化階段。矢量控制基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)并以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定向電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量。然后，通過(guò)控制磁場(chǎng)電流分量去控制磁場(chǎng)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)矩電流來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。由于直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)較快，因此，這一控制方式可大大提高電機(jī)的控制性能、增強(qiáng)穩(wěn)定性；也可大大改進(jìn)電機(jī)的低速響應(yīng)性能。標(biāo)量控制和矢量控制的主要區(qū)別是：標(biāo)量控制只控制電機(jī)電流的大小，而矢量控制不僅控制電機(jī)電流的大小，還控制電機(jī)電流的相位。 當(dāng)然，矢量控制要比標(biāo)量控制復(fù)雜，需坐標(biāo)變換和矢量控制，

24、運(yùn)算量大的多。另外，矢量控制理論上需要轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向，因此，它需要電機(jī)的位置速度，由于位置信號(hào)可通過(guò)速度信號(hào)導(dǎo)出，它又等效于需要速度信號(hào)，通過(guò)引入速度傳感器提供的速度信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的矢量控制通常稱(chēng)之為閉環(huán)矢量控制，又由于電機(jī)的速度可以通過(guò)電機(jī)的反電勢(shì)進(jìn)行一定程度的估算，因此，電機(jī)的速度信號(hào)可以不引入速度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法通常稱(chēng)之為開(kāi)環(huán)矢量控制，也叫無(wú)速度矢量控制。3.3 變頻調(diào)速控制方式的比較與選用 3.3.1 v/f 控制方式及開(kāi)閉環(huán)控制的選擇設(shè)定原則 一般的 v/f 型通用變頻器，其數(shù)字、模擬給定分辨率分別可達(dá) 0.01Hz/0.04Hz。最高輸出頻率 120Hz650Hz，可使用于標(biāo)準(zhǔn)異

25、步電動(dòng)機(jī)、磁阻電動(dòng)機(jī)和恒磁同步電動(dòng)機(jī)，變頻范圍 0.25kW150kW。對(duì)電網(wǎng)的允許波動(dòng)范圍是：電壓±15，頻率±6。主要用于水泵、風(fēng)機(jī)、運(yùn)輸傳動(dòng)等無(wú)動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求的場(chǎng)合。除了恒定電壓頻率以外，通用變頻器還有其它形式的控制特性曲線供用戶(hù)選擇，有的變頻器使用說(shuō)明書(shū)稱(chēng)為轉(zhuǎn)矩提升設(shè)定或轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)?v/f 設(shè)定。用戶(hù)可根據(jù)負(fù)載情況任意選擇某一檔的曲線。 由于標(biāo)量控制算法不需要電機(jī)模型和速度信息，因此，速度閉環(huán)僅用來(lái)幫助電機(jī)的速度跟蹤特性，對(duì)于動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)要求不高的簡(jiǎn)單用途，例如泵類(lèi)及風(fēng)機(jī)、簡(jiǎn)單的運(yùn)輸機(jī)械傳動(dòng)，選用頻率控制。對(duì)于動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求盡管不高，但是轉(zhuǎn)速精度要求較高的場(chǎng)合，如紡織行

26、業(yè)的控制系統(tǒng)，可選擇分辨率為 0.01Hz 的開(kāi)環(huán)頻率控制5。對(duì)于動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求不高，但是轉(zhuǎn)速精度要求很高的場(chǎng)合，也可選擇轉(zhuǎn)速反饋。如果采用轉(zhuǎn)速反饋，一臺(tái)變頻器只能控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)使用模擬測(cè)速機(jī)時(shí)，注意變頻器的最大輸入頻率應(yīng)受模擬測(cè)速機(jī)的最高轉(zhuǎn)速的限制。 由于 v/f 控制本身控制技術(shù)是標(biāo)量的，限制了變頻器的動(dòng)靜態(tài)特性，所以，它主要應(yīng)用場(chǎng)合是開(kāi)環(huán)控制方式。 3.3.2矢量控制方式及開(kāi)閉環(huán)控制的選擇設(shè)定原則 一般的矢量控制型通用變頻器，其數(shù)字給定分辨率可達(dá) 0.001Hz，不帶測(cè)速傳感器時(shí)數(shù)字/模擬給定分辨率都能達(dá)到 0.001Hz。最高輸入頻率為 120650Hz，可使用于標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)、緊湊

27、型異步電動(dòng)機(jī)、磁阻電機(jī)和恒磁同步電機(jī)，功率范圍2.2kW1500kW。對(duì)電網(wǎng)的允許波動(dòng)范圍是：電壓±15，頻率±6。主要用于紡織機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軋機(jī)主傳動(dòng)、壓力機(jī)、升降機(jī)等動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求比較高的場(chǎng)合6。 在使用矢量控制變頻器時(shí)應(yīng)注意，電動(dòng)機(jī)的極數(shù)必須與變頻器使用說(shuō)明書(shū)上規(guī)定的極數(shù)相同（一般是 4 極電動(dòng)機(jī)）；由矢量控制的原理可知，一臺(tái)矢量控制變頻器僅能拖動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)才能達(dá)到使用矢量控制變頻器的目的；當(dāng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求比較高，或需要閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，或轉(zhuǎn)速精度要求高時(shí)，應(yīng)使用轉(zhuǎn)速反饋。矢量控制變頻器的設(shè)定方法與普通的 v/f 變頻器設(shè)定方法基本一樣。一般矢量控制變頻器都有電機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)功能。

28、有的矢量控制變頻器有三種控制供用戶(hù)選擇，例如安川 Varispeed G7 系列變頻器就提供了：無(wú)PG（無(wú)速度）矢量 1 控制、帶 PG（帶速度）矢量控制、無(wú) PG（無(wú)速度）矢量 2 控制。這三種矢量控制的主要用途如表 3-1所示。矢量控制的先決條件是能夠精確地測(cè)取和調(diào)整由轉(zhuǎn)矩和磁通所產(chǎn)生的電流，在采用無(wú)速度反饋矢量控制時(shí)，雖然在轉(zhuǎn)矩和磁通的計(jì)算精度方面受到了一定的影響，但是不會(huì)影響調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。因此，對(duì)于在動(dòng)態(tài)性能方面并無(wú)嚴(yán)格要求的生產(chǎn)工藝來(lái)說(shuō)，不要輕易增加速度反饋。速度反饋是最不可靠的環(huán)節(jié)，如果使用了速度反饋，又不檢測(cè)其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，既增加了系統(tǒng)投資，又增加了系統(tǒng)的不可靠性因素。表3

29、-1 可選擇矢量控制模式控制模式基本控制主要用途無(wú) PG 矢量 1 控制無(wú)反饋的電流矢量控制可全部變速，是無(wú)PG高性能控制的必要用途。帶 PG 矢量控制帶反饋的電流矢量控制帶PG的超高性能控制(簡(jiǎn)易伺服動(dòng)，高精度速度控制，力矩控制，力矩限制等等)無(wú) PG 矢量 2 控制具有ASR(速度控制器)無(wú)PG電流矢量控制無(wú)PG的超高性能控制(簡(jiǎn)易伺服驅(qū)動(dòng)，力矩控制，力矩限制等等)，介于帶PG矢量和無(wú)PG矢量1控制的中間性能。第4章 門(mén)座式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 電氣傳動(dòng)方案的選擇由于散雜貨碼頭生產(chǎn)貨類(lèi)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣，碼頭前沿使用的門(mén)座式起重機(jī)要求在不同的工作條件運(yùn)行不同的速度，其目的是讓起

30、重機(jī)運(yùn)行合理的速度以提高生產(chǎn)效率，確保作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全。然而這種頻繁的速度變換過(guò)程，若采用機(jī)械調(diào)速難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際中常對(duì)拖動(dòng)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。起重機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)速分為兩大類(lèi)，即直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)，直流調(diào)速因具有直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造、維修成本高，保養(yǎng)困難等缺點(diǎn)，目前在大型起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)均采用交流變頻調(diào)速方式。起重機(jī)控制系統(tǒng)采用的交流調(diào)速方式主要有繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，能耗制動(dòng)下降調(diào)速，渦流制動(dòng)器調(diào)速，定子調(diào)壓調(diào)速，變極調(diào)速及變頻調(diào)速等，幾種主要調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合表 4-1 所示。表4-1港口起重機(jī)常用交流調(diào)速方式對(duì)比表調(diào)速方案調(diào)速范圍低速運(yùn)行時(shí)的效率特點(diǎn)適用負(fù)載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

31、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速1:3低1.線路簡(jiǎn)單、成本低、易維修2.調(diào)速性能差，無(wú)低速下降3.不能長(zhǎng)期低速運(yùn)行位能反抗起升運(yùn)行能耗制動(dòng)調(diào)速1:31:5低1.線路簡(jiǎn)單、成本低、易維修2.重載下降能獲得低速，上升無(wú)低速3.直流電源因電機(jī)而異，無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)位能起升渦流制動(dòng)器調(diào)速1:10低1.線路簡(jiǎn)單、成本低、易維修2.速度有低速，但不能長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行3.加大了系統(tǒng)GD2位能反抗起升運(yùn)行定子調(diào)壓調(diào)速1:10低1.線路復(fù)雜、成本高2.若采用閉環(huán)控制能得到穩(wěn)定低速范圍較大，能無(wú)級(jí)調(diào)速位能反抗起升運(yùn)行變頻調(diào)速1:100高1.速度可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制2.有恒轉(zhuǎn)矩性能，基頻以上恒功率調(diào)速3.性能最優(yōu)，但需專(zhuān)用變頻裝置，成本

32、高位能反抗起升運(yùn)行定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng),采用轉(zhuǎn)子回路切電阻及定子回路調(diào)電壓相結(jié)合的方式,可以有較寬的調(diào)速范圍,正反向由可控硅控制,反應(yīng)靈活,但是由于該系統(tǒng)采用模擬線路控制,用分立從元件組合而成,硬件的可靠性差,而且需要測(cè)速發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)子電阻,系統(tǒng)復(fù)雜。在低速時(shí)能量消耗到電阻上,有一定的局限性。表 4-1 中可以看出，交流變頻調(diào)速控制方式與起重機(jī)其它調(diào)速方式相比，有顯著的優(yōu)點(diǎn)，變頻調(diào)速的調(diào)速范圍更廣，可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制，開(kāi)、閉環(huán)特性好，調(diào)速比可達(dá) 1：100 以上，調(diào)速精度±1%，調(diào)速平穩(wěn)，負(fù)載突然變化時(shí)有極好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，控制得精度更高，節(jié)能效果顯著,簡(jiǎn)化了電控系

33、統(tǒng),省去了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的大功率電阻、切換交流接觸器和電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)交流接觸器,再加之系統(tǒng)傳動(dòng)所用變頻電機(jī)屬鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)、成本相對(duì)低廉,維修少,因此變頻調(diào)速是起重機(jī)最理想的交流調(diào)速方案,具有同直流傳動(dòng)一樣的調(diào)速性能,性能價(jià)格比最高，比較適合港口起重機(jī)復(fù)雜的作業(yè)工況7。4.2 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)采用變頻調(diào)速和可編程控制技術(shù)控制門(mén)座起重機(jī)各系統(tǒng)，不僅可以明顯提高門(mén)座起重機(jī)的安全性、可靠性，而且可以提高裝卸效率，減少能源的消耗，降低維修費(fèi)用和勞動(dòng)強(qiáng)度。滿足其工況及作業(yè)需要。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下6點(diǎn)8：（1）明顯改善鋼結(jié)構(gòu)性能。變頻調(diào)速使起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走運(yùn)行平穩(wěn)，制動(dòng)沖擊小。（2）變頻調(diào)速以其體積

34、小、通用性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、工作頻率高、保護(hù)性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式。（3）工作可靠性顯著提高。主要有：制動(dòng)電磁鐵的壽命大大延長(zhǎng)。常規(guī)拖動(dòng)系統(tǒng)是在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘的(熱剎車(chē))；采用變頻調(diào)速后，可以在基本停住的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘(冷剎車(chē))，閘皮的磨損情況大為改善。系統(tǒng)的故障率大為下降。常規(guī)拖動(dòng)系統(tǒng)是由十分復(fù)雜的接觸器繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高；采用了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)可大大簡(jiǎn)化，可靠性大為提高。（4）節(jié)能效果十分可觀。繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能；采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，不僅外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)

35、約，而且在起重機(jī)放下重物時(shí)，還可將重物釋放的位能反饋給電源(可反饋電網(wǎng)或消耗掉)。（5）調(diào)速質(zhì)量明顯提高。調(diào)速范圍寬、性能好，調(diào)速平穩(wěn)，能夠長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率。起升、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走機(jī)構(gòu)工作速度可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，操作者可根據(jù)負(fù)載的變化情況，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)調(diào)速。（6）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易維護(hù)。各系統(tǒng)采用獨(dú)立的控制柜，外觀結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，便于日常保養(yǎng)和維修。使用變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行，可以進(jìn)行電機(jī)的軟起動(dòng)，而讓電機(jī)具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并且實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；對(duì)電源的缺相、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等都能做到很及時(shí)、很準(zhǔn)確地檢測(cè)，并自動(dòng)采取應(yīng)變措施保護(hù)電機(jī)，確保了控制、保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3

36、 元件的選型4.3.1 運(yùn)行電機(jī)的選型及熱校核穩(wěn)態(tài)運(yùn)行阻力Pj包括摩擦阻力Pm、運(yùn)行軌道的坡阻力P和風(fēng)阻力PW，按式（4.1）計(jì)算。Pj=Pm+P+PW（4.1）（1）運(yùn)行摩擦阻力Pm主要包括車(chē)輪踏面的滾動(dòng)摩擦阻力、車(chē)輪軸承的摩擦阻力以及附加摩擦阻力三部分，按式(4.2)計(jì)算。Pm=G0d+2fkDCf（4.2）式中：G0起重機(jī)總重量，G0=2503900N； 車(chē)輪軸承摩擦阻力系數(shù)，查國(guó)標(biāo)表39得=0.015； d車(chē)輪軸徑，單位為毫米（mm），d=100mm； fk車(chē)輪沿軌道的滾動(dòng)摩擦力臂，單位為毫米（mm），查國(guó)標(biāo)表40得fk=0.8; D車(chē)輪踏面直徑，單位為毫米（mm）,D=600mm;

37、Cf考慮車(chē)輪輪緣與軌頂側(cè)面摩擦或牽引供電電纜及集電器摩擦等的附加摩擦阻力系數(shù)，查國(guó)標(biāo)表41得Cf=1.5。Pm=2503900×0.015×100+2×0.8600×1.5=19405N（2）坡道阻力P按式（4.3）計(jì)算。P=mg×tan（4.3）式中：m起重機(jī)的質(zhì)量，單位為千克，m=255500kg; g重力加速度； 軌道傾斜的角度，單位為度，tan=0.003。P=255500×9.8×0.003=7512N（3）風(fēng)阻力PW按式（4.4）計(jì)算。PW=CpA（4.4）式中：C風(fēng)力系數(shù)，C=1.2； p工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓，查國(guó)

38、標(biāo)表15得p=150； A起重機(jī)構(gòu)件垂直于風(fēng)向的實(shí)體迎風(fēng)面積，A=315.63m2.PW=1.2×150×315.64=56815N穩(wěn)態(tài)運(yùn)行阻力：Pj=19405+7512+56815=83732N穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率PN按式（4.5）計(jì)算。PN=Pjv100060m（4.5）式中：v運(yùn)行速度，v=20mmin； 運(yùn)行機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)效率，=0.9； m運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)，m=8。PN=83732×201000×60×8×0.9=3.9KW根據(jù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行功率查港口起重機(jī)用電機(jī)選型手冊(cè)，本設(shè)計(jì)選擇8臺(tái)功率相近的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)：YZP112M2-4型電動(dòng)

39、機(jī)，額定功率N=4.5KW，轉(zhuǎn)速n=1477rmin。運(yùn)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)態(tài)平均運(yùn)行功率Ps按式（4.6）計(jì)算：Ps=GG0+m+PWv1000×60m（4.6）式中：G穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)，查國(guó)標(biāo)表P.1和表Q.1得G=0.8； G0起重機(jī)總重量，G0=2503900N； 車(chē)輪軸承摩擦阻力系數(shù)，=0.015； m坡道阻力系數(shù)，m=0.003 PW起重機(jī)正常工作狀態(tài)的風(fēng)阻力，PW=56815N; v運(yùn)行速度，v=20mmin；運(yùn)行機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)效率，=0.9； m運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù),m=8。Ps=0.825039000.015+0.003+56815×201000×60×

40、8×0.9=3.8KW查國(guó)標(biāo)表Q.1得，門(mén)座起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的接電持續(xù)率JC=25%，CZ=150。所選電動(dòng)機(jī)YZP112M2-4在相應(yīng)JC和CZ值下的輸出功率P為4.5KW。因?yàn)镻>Ps，故所選電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱校核為合格。4.3.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)選型及熱校核等效回轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)阻力矩Meq按式（4.7）計(jì)算：Meq=Mm+MW+M（4.7）式中：Mm回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩，主要是回轉(zhuǎn)支承裝置的摩擦阻力矩； MW正常工作狀態(tài)下的等效風(fēng)阻力矩，按PW風(fēng)阻力矩的0.7倍計(jì)算； M等效坡道阻力矩，按坡道阻力矩的0.7倍計(jì)算。（1）回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩Mm滾動(dòng)軸承式摩擦阻力矩：Mm=12DN（4.8）式中：N滾

41、動(dòng)體法向載荷絕對(duì)值之和N,根據(jù)計(jì)算得N=2273400N； 回轉(zhuǎn)阻力系數(shù)，滾柱式取=0.012； D軸承滾道平均直徑 m，D=3.342。Mm=12×0.012×3.342×2273400=45586Nm（2）等效風(fēng)阻力矩MW當(dāng)臂架與風(fēng)向垂直時(shí)，由風(fēng)力產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)阻力矩達(dá)到最大值： MWmax=Pf1R+Pf2l（4.9）式中：Pf1物品上的風(fēng)力N，Pf1=3704N； R幅度（m），R=35m； Pf2回轉(zhuǎn)部分上的風(fēng)力N，Pf2=34300N； l回轉(zhuǎn)部分迎風(fēng)面形心到回轉(zhuǎn)軸線的距離m，l=0.56m。其等效風(fēng)阻力矩：MW=0.7MWmax（4.10）MWmax=3

42、704×35+34300×0.56=148848NmMW=0.7×148848=104194Nm（3）等效坡度阻力矩M起重機(jī)回轉(zhuǎn)坡度阻力矩M為：M=i=1nGilisinsin（4.11）式中：Gi起重機(jī)各回轉(zhuǎn)部件的重力(N); li各部件重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離（m）； 坡度角度（°）； 起重機(jī)回轉(zhuǎn)角度（°）。當(dāng)=90°或270°時(shí)，坡度阻力最大：Mmax=i=1nGilisin（4.12）Mmax=22408876×0.004=89636Nm等效坡度阻力矩M為:M=0.7Mmax（4.13）M=0.7×8

43、9636=62745Nm等效回轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)阻力矩Meq:Meq=45586+104194+62745=212525Nm等效回轉(zhuǎn)功率Pe按式（4.14）計(jì)算：Pe=Meqn9550（4.14）式中：n起重機(jī)回轉(zhuǎn)速度（r/min）, n=2r/min; 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)效率，=0.9；Pe=212525×29550×0.9=49.5Kw根據(jù)等效回轉(zhuǎn)功率查港口起重機(jī)用電機(jī)選型手冊(cè)，本設(shè)計(jì)選擇2臺(tái)功率相近的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)：YZP200L-4型電動(dòng)機(jī)，額定功率N=30KW，轉(zhuǎn)速n=1465rmin?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)態(tài)平均運(yùn)行功率Ps按式（4.15計(jì)算：Ps=G(Mm+M+MW）n9550mi（4.

44、15）式中：G穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)，查國(guó)標(biāo)表P.1和表Q.1得G=0.6； Mm不考慮起制動(dòng)階段的電動(dòng)機(jī)平均阻轉(zhuǎn)矩，Mm=212525Nm； M等效坡度阻力矩，M=62745Nm; MW正常工作狀態(tài)下的等效風(fēng)阻力矩，MW=104194Nm； 運(yùn)行機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)效率，=0.9； m運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù),m=2； i回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比;n電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min）,n=1465r/min。Ps=0.6（212525+62745+104194）×14659550×2×732.5×0.9=26.5KW查國(guó)標(biāo)表Q.1得，門(mén)座起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的接電持續(xù)率JC=40%，CZ=1

45、000。所選電動(dòng)機(jī)YZP200L-4在相應(yīng)JC和CZ值下的輸出功率P為30KW。因?yàn)镻>Ps，故所選電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱校核為合格。 變頻器及配套設(shè)備的選型1、變頻器的選型必須遵循以下原則：（1）變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的功率和電流。由于變頻器的過(guò)載能力沒(méi)有電機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)有過(guò)載，損壞的首先是變頻器(如果變頻器的保護(hù)功能不完善)；又如果設(shè)備上已選用的電機(jī)功率大于實(shí)際機(jī)械負(fù)載功率，但是有可能用戶(hù)會(huì)將把機(jī)械功率調(diào)節(jié)到達(dá)到電機(jī)輸出功率，此時(shí)，變頻器一定要可以勝任，也就是說(shuō)變頻器的功率選用一定要等于或大于電機(jī)功率。個(gè)別電機(jī)額定電流值較特殊，不在常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格附近，又有

46、的電機(jī)額定電壓低，額定電流偏大，此時(shí)要求變頻器的額定電流必須等于或大于電機(jī)額定電流。（2）必須認(rèn)清變頻器調(diào)速與機(jī)械變速存在本質(zhì)上的區(qū)別。絕對(duì)不能不假思索地將某電機(jī)使用機(jī)械變速改為相同功率的變頻器變速。因?yàn)楣β适寝D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積：P=M×2n60=1.027Tn（4.16）式中：M轉(zhuǎn)矩Nm(1Nm=9.81kgm); 角速度rads(1rads=260rmin); T轉(zhuǎn)矩kgm; n轉(zhuǎn)速r/min。機(jī)械變速時(shí)(例如齒轉(zhuǎn)變速、皮帶變速)、若變速比為k，在電機(jī)功率不變時(shí)，忽略變速器效率：P=1.027Tn=1.027(k×T)nk（4.17）即轉(zhuǎn)速下降k倍，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩升高k倍，它

47、屬于恒功率負(fù)載。（3）變頻器的選用型號(hào)應(yīng)根據(jù)使用要求而作仔細(xì)考慮。1）基本考慮內(nèi)容是使用環(huán)境條件、電網(wǎng)電壓、負(fù)載大小及性質(zhì)。2）環(huán)境溫度長(zhǎng)期較高，安裝在通風(fēng)冷卻不良的機(jī)柜內(nèi)時(shí)，會(huì)造成變頻器壽命縮短。電子器件、特別是電解電容等器件、在高于額定溫度后，每升高10壽命會(huì)下降一半，因此環(huán)境溫度應(yīng)保持較低，除設(shè)置完善的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)以保證變頻器正常運(yùn)行外，在選用上增大一個(gè)容量等級(jí)，以使額定運(yùn)行時(shí)，溫升有所下降是完全必要的。3）電網(wǎng)電壓處于不正常時(shí)，將有害于變頻器。電壓過(guò)高，如對(duì)380V的線電壓如上升到450V就會(huì)造成損壞，因此電網(wǎng)電壓超過(guò)使用手冊(cè)規(guī)定范圍的場(chǎng)合，要使用變壓器調(diào)整，以確保變頻器的安全。4）高

48、海拔地區(qū)因空氣密度降低，散熱器不能達(dá)到額定散熱器效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要時(shí)可加大容量等級(jí)，以免變頻器過(guò)熱。5）使用于不同用途時(shí)，選擇變頻器的系列型號(hào)應(yīng)作分析，對(duì)于一般用途變頻器采用V/F=常數(shù)控制方式已可滿足，對(duì)于負(fù)載變化范圍大，而且又要求較高運(yùn)轉(zhuǎn)精度的場(chǎng)合，特別是低速時(shí)要求有穩(wěn)定的速度和負(fù)載能力時(shí)，則要選用矢量控制等方式的變頻器，對(duì)數(shù)控機(jī)床等精密傳動(dòng)還要采用閉環(huán)控制和有速度傳感器的方式，相應(yīng)的變頻器也要有這些配合的接口，選用時(shí)需要綜合考慮。6）變頻器使用不同場(chǎng)所對(duì)變頻器的防護(hù)等級(jí)要作選擇，為防止鼠害、異物等進(jìn)入應(yīng)作防護(hù)選擇。 7）當(dāng)變頻器為降低電動(dòng)機(jī)噪聲

49、而將調(diào)制頻率重新設(shè)置得較高并超過(guò)出廠設(shè)置頻率時(shí),會(huì)造成變頻器損耗增大。設(shè)置頻率越高，損耗越大，因此要適當(dāng)減載。8）矢量控制方式只能對(duì)應(yīng)一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，而且變頻器的額定電流應(yīng)等于或大于電機(jī)額定電流，電機(jī)的實(shí)際使用電流不能比額定電流小太多(不低于變頻器額定電流的1/8)。為了正確地使用矢量控制，在驅(qū)動(dòng)前，變頻器對(duì)電機(jī)冷態(tài)參數(shù)還需進(jìn)行輸入或自動(dòng)識(shí)別。9）一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)時(shí)，變頻器容量應(yīng)比多臺(tái)電機(jī)容量之和大，并且只能選擇V/F控制模式，不能用矢量控制模式。10）當(dāng)多臺(tái)變頻器的逆變單元共用一個(gè)整流/回饋單元時(shí)，即采用公共直流母線方式，有利于多臺(tái)逆變器制動(dòng)能量的儲(chǔ)存和利用，此時(shí)整流/回饋單元

50、的容量要足夠大，并要有防止小功率變頻器整流橋過(guò)載損壞的措施。使用中對(duì)多臺(tái)電機(jī)不能同時(shí)制動(dòng)。2、本設(shè)計(jì)所用變頻器的選擇根據(jù)以上變頻器選用原則，本設(shè)計(jì)選用安川公司A1000系列變頻器。根據(jù)變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的功率和電流，本設(shè)計(jì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)選用的變頻器為1臺(tái)安川A1000系列型號(hào)為CIMR-AB4A0103的變頻器，最大適用電機(jī)容量為45kW?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用的變頻器為1臺(tái)型號(hào)為CIMR-AB4A0165的變頻器，最大適用電機(jī)容量為75kW。旋轉(zhuǎn)和行走機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，由于數(shù)量較多，而且是平移機(jī)構(gòu)，對(duì)轉(zhuǎn)矩要求不高，通常采用 v/f 方式進(jìn)行控制。這種方式可以采用一臺(tái)變頻器帶動(dòng)

51、多臺(tái)電動(dòng)機(jī)，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，行走機(jī)構(gòu)一臺(tái)變頻器控制八臺(tái)電動(dòng)機(jī)。3、變頻器配套設(shè)備的選擇變頻器的配套設(shè)備包括斷路器、接觸器、交流電抗器、制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。（1）斷路器的后面可以接一臺(tái)或多臺(tái)變頻器及其它負(fù)載。當(dāng)變頻器或其它負(fù)載因過(guò)電流故障時(shí)，可自動(dòng)切斷供電電源，防止事故擴(kuò)大，以及在維修時(shí)為了安全可以通過(guò)斷路器來(lái)切斷電路與電源的連接。斷路器可以使用普通空氣開(kāi)關(guān)或高靈敏切斷的斷路器，視需要而定，選用時(shí)總通過(guò)電流應(yīng)大于負(fù)載總電流 1.5 倍以上。本設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用380A 的斷路器，行走機(jī)構(gòu)使用280A 的斷路器。（2）接觸器用于日常操作變頻器電源的通斷和斷路器斷開(kāi)再通電時(shí)變頻器

52、不會(huì)自動(dòng)運(yùn)行而使電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，選用時(shí)額定電流也要大于變頻器輸出電流 1.5 倍以上。本設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用380A 的斷路器，行走機(jī)構(gòu)使用280A 的斷路器。（3）電源側(cè)交流電抗器通用變頻器把電網(wǎng)電壓的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姾蠖冀?jīng)電容濾波，電容器的使用使輸入電流呈尖峰脈沖狀，當(dāng)電網(wǎng)阻抗小時(shí)，這種尖峰脈沖電流極大，造成很大的諧波干擾，并使變頻器整流橋和電容器容易損壞。當(dāng)變壓器容量大于變頻器容量 10倍以上，電網(wǎng)配電變壓器和輸電線的內(nèi)阻不能阻止尖峰脈沖電流時(shí)或者同一電源上有晶閘管設(shè)備或開(kāi)關(guān)方式控制功率因數(shù)補(bǔ)償裝置時(shí)，三相電源不平衡度大于 3%時(shí)，都要對(duì)輸入側(cè)功率因數(shù)作提高和抑制干擾，都需使用電源側(cè)交流電抗器

53、。一般而言，電源逆變器、電源側(cè)交流電抗器的電感量，采用 3%阻抗即可防止突變電壓造成接觸器跳閘，使總諧波電流畸變下降到原先的 44%左右。實(shí)際使用中為了節(jié)省費(fèi)用，常采用 2%阻抗的電感量，但這對(duì)環(huán)保而言是不好的。比較好的場(chǎng)合應(yīng)使用 4%阻抗或更大的電抗器。（4）制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻選擇采用再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的方法。通過(guò)變頻器調(diào)速系統(tǒng)的再生制動(dòng)和直流制動(dòng)把運(yùn)動(dòng)中的起升、變幅、旋轉(zhuǎn)的速度迅速而準(zhǔn)確地降到 0(使它們停止)。變頻調(diào)速系統(tǒng)中有一個(gè)重要的部分需要考慮，那就是制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻用來(lái)釋放掉負(fù)荷由勢(shì)能轉(zhuǎn)換來(lái)的電能。變頻器在帶大位能負(fù)載高速下放時(shí)，從高速減至

54、零速。從機(jī)械特性上分析，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速方向相反的大于負(fù)載的制動(dòng)轉(zhuǎn)距，以保證負(fù)載在下降過(guò)程中減速，電動(dòng)機(jī)工作在第象限；從能量角度分析，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，大量機(jī)械動(dòng)能和重力位能轉(zhuǎn)化為電能，除部分消耗在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部銅損和鐵損外，大部分電能經(jīng)逆變器反饋至直流母線，使直流母線電壓升高。普通變頻器沒(méi)有向電網(wǎng)逆變的功能，往往需要靠制動(dòng)單元控制，將過(guò)量的電能消耗在制動(dòng)電阻上。如果電能在短時(shí)間內(nèi)不能釋放，就會(huì)使直流母線電壓過(guò)高，變頻器發(fā)出過(guò)壓故障(OV)報(bào)警 。制動(dòng)單元的作用是電平檢測(cè)和斬波，當(dāng)檢測(cè)到的電壓高于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)制動(dòng)電阻回路，讓電阻消耗部分電能，釋放的電功率取決于制動(dòng)單元的容量和電阻值9。變頻器內(nèi)

55、部減速時(shí)間設(shè)定值，即最高速減至零速的時(shí)間，是衡量制動(dòng)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。減速時(shí)間短，要求變頻器輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，電氣制動(dòng)功率大，短時(shí)間釋放電能大，即要求制動(dòng)單元容量大，能耗電阻值小。一般當(dāng)負(fù)載慣量不太大時(shí)，認(rèn)為電機(jī)制動(dòng)時(shí)最大有70%能量消耗于制動(dòng)電阻，30%的能量消耗于電機(jī)本身及負(fù)載的各種損耗上，此時(shí)R=UC20.7P×103（4.18）式中：UC制動(dòng)時(shí)母線上的電壓（V）； P電機(jī)功率(KW)； R制動(dòng)電阻()。一般對(duì)三相 380 時(shí)，U 700V；單相 220 時(shí)，U 390V。為了確保制動(dòng)單元內(nèi)功率管不被損壞，制動(dòng)電阻的選擇原則是10：制動(dòng)電阻的功率應(yīng)大于負(fù)載功率，且制動(dòng)電阻要大于制動(dòng)

56、單元所允許的最小電阻，但太大了制動(dòng)效果不好，所以要適當(dāng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用三相380 V,75kW變頻器，制動(dòng)電阻值為：R=UC20.7P×103=70020.7×75×10310行走機(jī)構(gòu)采用三相380V，45KW變頻器，制動(dòng)電阻為：R=UC20.7P×103=70020.7×45×103164.3.4 減速器的選擇回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)減速器傳動(dòng)比的計(jì)算公式：i0=ndn（4.19）式中：nd電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速(r/min)； n回轉(zhuǎn)速度（r/min）。i0=14652=732.5回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的減速器按啟動(dòng)功率及速比在場(chǎng)頻目錄上選用標(biāo)準(zhǔn)減速器。運(yùn)行機(jī)構(gòu)減速器傳動(dòng)比的計(jì)算公式：i0=Dnd1000v（4.20）式中：D車(chē)輪踏面直徑（mm）,D=600mm; nd電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（r/min）, nd=1444r/min; v運(yùn)行速度（m/min）,v=20r/min。i0=3.14×600×14441000×20=136運(yùn)行機(jī)構(gòu)的重要特點(diǎn)之一是直線運(yùn)動(dòng)部分的慣性質(zhì)量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性質(zhì)量，即起（制）動(dòng)動(dòng)載荷的影響是減速器損壞的主要因素。GB3811-83規(guī)定，對(duì)于動(dòng)載荷較大的起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)，其減速器應(yīng)考慮實(shí)際的作用載荷來(lái)進(jìn)行選擇或設(shè)計(jì)計(jì)算。4.3.5 制動(dòng)器的選擇起重機(jī)周期及間歇性的工作特點(diǎn)，使各個(gè)工作機(jī)構(gòu)經(jīng)常處于