【正文】 謝 .......................................................................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 39 【附錄 1】 圖紙 ................................................................................................................ 40 【附錄 2】 程序 ................................................................................................................ 42 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 題目： 15/3 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速改造 任務(wù)與要求 ： 一、內(nèi)容和要求 ： 讓傳統(tǒng)橋式起重機(jī)更調(diào)速更加的完善。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。由于傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，致使機(jī)械沖擊頻繁，振動(dòng)劇烈，找出并解決電氣控制上應(yīng)采用平滑的無級(jí)調(diào)速是解決問題的有效手段。 具體要求： （ 1）了解變頻器的主要功用；（ 2） 編輯 15/3 橋式起重機(jī)程序控制器 （ 3）采用變頻器的基本來對(duì) 15/3 橋式起重機(jī)進(jìn)行改造 （ 4） PLC 的程序設(shè)計(jì) 時(shí)間： 20xx 年 4 月 10 日至 20xx 年 6 月 10 日共 八 周 系部： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)：機(jī)電一體化 技術(shù) 學(xué)生姓名：尹卓豪 學(xué)號(hào)： 111188021 指導(dǎo)單位或教研室：機(jī)電一體化技術(shù)教研室 指導(dǎo)老師：張華 系主任： 張澧生 20xx 年 4月 10 號(hào) 湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃表 日 期 工 作 內(nèi) 容 執(zhí)行情況 指導(dǎo)教師 簽 字 4 月 10 號(hào) — 4月 12 號(hào) 選題 完成 4 月 13 號(hào) — 4月 20號(hào) 查找各方面資料 完成 4 月 20號(hào) — 4月 27號(hào) 寫開題報(bào)告，方案論證 完成 4 月 28號(hào) — 5月 5號(hào) 總體方案設(shè)計(jì) 完成 5 月 6號(hào) — 5 月 15 號(hào) 15/3 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速改造軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 完成 5 月 16號(hào) — 5月 25號(hào) 系統(tǒng)調(diào)試，寫畢業(yè)設(shè)計(jì) 完成 6 月 1號(hào) — 6 月 5 號(hào) 修改畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 完成 6 月 8號(hào) — 6 月 10 號(hào) 答辯 完成 指導(dǎo)教師對(duì)進(jìn)度計(jì)劃實(shí)施情況總評(píng) 簽名： 年 月 日 湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 摘 要 【 摘 要 】電氣調(diào)速控制的方法許多， 60年代采用發(fā)電機(jī) — 電機(jī)系統(tǒng)。控制電阻分級(jí)控制到交磁放大控制到可控硅 SCR激磁控制再到主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，一些新的技術(shù)出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。 從交流驅(qū)動(dòng)來講：一般是采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，物體下降慢，一般依靠能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來還采用渦流制動(dòng)，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速，PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能越來越完美了。 本次設(shè)計(jì)采用 PLC 和變頻器技術(shù)，以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電 — 接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出 PLC 控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動(dòng)化控制。 【 關(guān)鍵詞 】 變頻調(diào)速 PLC 橋式起重機(jī) 湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第一章 緒 論 橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國(guó)橋式起重機(jī)制造廠和使用部門在設(shè)計(jì)、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，不斷改造，推動(dòng)了橋式起重機(jī)的技術(shù)進(jìn)步。但在實(shí)際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行啟動(dòng)和調(diào)速，繼電 — 接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時(shí)，電動(dòng)機(jī)以及所串連電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生；繼電 — 接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高；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。所串連電阻長(zhǎng)期發(fā)熱， 電能浪費(fèi)大，效率低。要從根本上解決這些問題，只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。 近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)電氣傳動(dòng)和自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展。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。變頻技術(shù)的運(yùn)用使得起重機(jī)的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在諸多的問題，變頻調(diào)速以其可靠性好，高品質(zhì)的調(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。 本次設(shè)計(jì)采用 PLC 和變頻器技術(shù)， 以 PLC 控制變頻器，即以程序控制取代繼電 — 接觸器控制，控制變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計(jì)出 PLC 控制的橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)的半自動(dòng)化控制。此系統(tǒng)特別適用于橋式起重機(jī)在惡劣條件下的工作情況，對(duì)改善橋式起重機(jī)的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)， 減小起制動(dòng)沖擊以及增加起重機(jī)使用的安全可靠性是非常有益的。 如果說以第一個(gè)晶閘管的出現(xiàn)作為交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的起點(diǎn)，可以認(rèn)為它的發(fā)展歷史己 40 多年了。而變頻調(diào)速技術(shù)真正高速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)該是在 PWM 調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)和微機(jī)控制技術(shù)發(fā)展之后。特別是最近 20 年來，隨 著交流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用普及，交流變頻調(diào)速在化工、火電廠、礦山、油田、機(jī)械制造、城市建設(shè)、水處理、甚至家電等行業(yè)己經(jīng)全面推廣使用，一般主要用于節(jié)能及控制。隨著變頻技術(shù)的普及和深入，以及國(guó)際、國(guó)內(nèi)電器設(shè)備使用的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)意識(shí)的強(qiáng)化，電力系統(tǒng)行業(yè)和用戶對(duì)變頻技術(shù)的質(zhì)量要求也越來越高。變頻調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)主要圍繞下面幾個(gè)方而展開。 高性能的智能控制變頻器 380V 系統(tǒng)的低壓變頻器是國(guó)內(nèi)的主要研究對(duì)象，應(yīng)用交流調(diào)速的基本理論，結(jié)合神湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、魯棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn) 行參數(shù)的自動(dòng)辨識(shí)，以期達(dá)到自適應(yīng)、自調(diào)整的最優(yōu)控制。 速度傳感器研究 從前面所述的各種變頻調(diào)速的理論可知，一般系統(tǒng)都要用到轉(zhuǎn)速傳感器。在實(shí)際使用中，由于變頻設(shè)備和被控電動(dòng)機(jī)有一定的距離，而高精度的轉(zhuǎn)速傳感器都要使用專門的電源，被控電動(dòng)機(jī)有的是在戶外，運(yùn)行工況非常惡劣，要保證速度反饋的準(zhǔn)確性，有時(shí)不得不采取特別措施，因此也會(huì)增加額外費(fèi)用，運(yùn)行的可靠性和控制精度也會(huì)因此受到影響。無速度傳感器的變頻調(diào)速系統(tǒng)，是通過現(xiàn)場(chǎng)采集的電流電壓量，以及控制的實(shí)施策略，綜合出被控電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種控制方案要求計(jì)算機(jī)的控制 速度較高，并有足夠的精度。 針對(duì)功率因數(shù)提高和諧波污染的研究 低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制雖然己經(jīng)是非常成熟了，但目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品，一般都是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，重點(diǎn)放在電機(jī)變頻控制理論的實(shí)現(xiàn)和完善上，而對(duì)變頻器的輸出波形、功率因數(shù)，以及諧波污染等問題還沒有引起足夠的重視。最近 10 多年來，國(guó)外在這一領(lǐng)域己有較深入的研究。有的針對(duì)功率因數(shù)，有的強(qiáng)調(diào)輸出波形。多重化技術(shù)就是為了解決輸出波形問題。最近幾年的研究表明，利用 PWM 輸出控制解決諧波輸出問題，是比較理想的方法，它可以省去多重化中的變壓器，或過多的開關(guān) 元器件，使變頻器的體積和重量減少，但這種方法不能解決所有諧波的消除問題，只能部分消除特定諧波。這方面的研究論文還不多，也還沒有成熟的類似低壓變頻器的產(chǎn)品出現(xiàn)。 高壓變頻器的研究 變頻器的主要作用之一是節(jié)能。而高壓電動(dòng)機(jī)的節(jié)能效果是比較明顯的，大功率的風(fēng)機(jī)和水泵用電動(dòng)機(jī)一般都是高壓電動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)，高壓變頻調(diào)速和它的節(jié)能控制還是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié) .它主要是針對(duì) 6~10kV 的交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制。這種高壓電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)上。同樣也可用于其他如石油化工、礦山、冶煉、機(jī)械制造等行業(yè)的 變頻節(jié)能控制。從某種意義上講，由于目前國(guó)內(nèi)還不能完全生產(chǎn)高質(zhì)量的合格電力電子器件，而且，國(guó)外低壓變頻器的性能價(jià)格比也比國(guó)內(nèi)自己研究的變頻器高得多。 隨著電力電子技術(shù)最近 20多年的飛速發(fā)向發(fā)展 .這也是千年之交和世紀(jì)之交我國(guó)電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。展，功率半導(dǎo)體器件的成本逐年下降，技術(shù)工藝和性能也得到不斷改善 .電力電子器件的應(yīng)用己從傳統(tǒng)的直流調(diào)速、直流屏、斬波器等領(lǐng)域延伸湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 到交流調(diào)速和電力系統(tǒng)的質(zhì)量控制領(lǐng)域 .并正朝著高電壓、大功率的方 無換向器同步電機(jī)的變頻調(diào)速 無換向器電動(dòng)機(jī)也是在 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起 來的新型調(diào)速系統(tǒng)。它是一種變頻調(diào)速同步電動(dòng)機(jī) .也可以認(rèn)為是一種用半導(dǎo)體電子開關(guān)線路代替換向器和電刷作用的直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)采用的控制方式不同 .可分為直流無換向器電動(dòng)機(jī)和交流無換向器電動(dòng)機(jī)。直流無換向器電動(dòng)機(jī)采用交 直 交或直 交變頻控制系統(tǒng) 。交流無換向器電動(dòng)機(jī)采用交 交變頻控制系統(tǒng)。近 10 年來 .國(guó)內(nèi)外雜志上有許多相關(guān)的研究論文。而且，也有一定的成果出現(xiàn)。 橋式起重機(jī) 發(fā)展情況 電氣調(diào)速控制的方法很多，對(duì)直流驅(qū)動(dòng)來講 60 年代采用發(fā)電機(jī) — 電機(jī)系統(tǒng)。從控制電阻分級(jí)控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR 激磁控制，到 主回路可控硅即晶閘管整流供電系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、微處理器應(yīng)用，因此控制從分立組成模擬量控制發(fā)展至今天的數(shù)字量控制。 從交流驅(qū)動(dòng)來講：常規(guī)的常采用繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時(shí)的低速，一般依靠能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)，后來還采用渦流制動(dòng)，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動(dòng)、反接制動(dòng)、單相制動(dòng)器抱閘松勁的所謂軟制動(dòng)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開發(fā)研制變頻調(diào)速， PLC 可編程序控制器的應(yīng)用控制系統(tǒng)的性能更加完美。目前國(guó)內(nèi)外幾種常用調(diào)速系統(tǒng)配置及其性能： DC300 直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)： GE 公司 DC300， DC20xx 是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)，其控制功率從 300HP 到 4000HP，并采用 PLC 對(duì)整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施故障診斷、檢測(cè)、報(bào)警及控制。 該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施主回路 SCR 整流，其控制是給定模擬量通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過速度環(huán)、電流環(huán)到 SCR移現(xiàn)觸發(fā)的邏輯無環(huán)流的調(diào)速系統(tǒng)?？捎脺y(cè)速反饋或電壓反饋，對(duì)磁場(chǎng)弱磁，以實(shí)施恒功率控制。 交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對(duì)于起重機(jī)械來講，交流驅(qū)動(dòng)仍是國(guó)內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。隨著功率電 子技術(shù)的發(fā)展，早在六十年代后期，國(guó)外就開始致力于晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)的開發(fā)研究。目前，該技術(shù)已進(jìn)入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段。日本安川電機(jī)制作所于 1972 年就正式定為 VS 系列，應(yīng)用于起重機(jī)及軋機(jī)輔助設(shè)備的交流調(diào)速。法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等大電氣公司亦在這方面展開了湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 重點(diǎn)研制開發(fā)。借助電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，由分離元件發(fā)展到大規(guī)模集成電路，從而實(shí)現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，進(jìn)而從模擬量控制發(fā)展到數(shù)字量控制?？删幊绦蚩刂破?PLC 引入到交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)后，使傳動(dòng)系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。在橋式起 重機(jī)實(shí)現(xiàn)了抓斗的自動(dòng)控制和故障診斷、檢測(cè)顯示等，達(dá)到了新的技術(shù)高度。 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國(guó)際上各大電氣公司在 70 年代末 80年代投入全力研制、開發(fā)，也是國(guó)際國(guó)內(nèi)這幾年全力研制應(yīng)用的目標(biāo)與方向。這幾年一些公司如德國(guó)SIEMENS，美國(guó) GE，日本三菱等推出全數(shù)字化的矢量控制技術(shù)，大功率的 IGBT 模塊的出現(xiàn)使變頻技術(shù)在起升機(jī)械、電梯等位能負(fù)載控制成為現(xiàn)實(shí)。目前，變頻調(diào)速的控制方法有恒壓頻比控制，轉(zhuǎn)差頻率控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等。這些控制方法都得到了不同程度的應(yīng)用，但其控制性能有一定的差異。 直流電動(dòng)機(jī)之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當(dāng)勵(lì)磁電流恒定時(shí)，控制電樞電流的大小就能無時(shí)間滯后的控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的大小。異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動(dòng)機(jī)相同，但由于建立氣隙磁場(chǎng)的勵(lì)磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)裝置電流有功分量都應(yīng)包含在定子電流中，無法直接將它們分開，在運(yùn)行過程中，這兩個(gè)分量有會(huì)互相影響。因此要控制異步電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩十分困難。像采用恒壓頻