【正文】 物運(yùn)輸工具，被廣泛的應(yīng)用于工廠、碼頭、倉(cāng)庫(kù)中。這樣的控制系統(tǒng)存在著效率底下、可靠性差、操作復(fù)雜、耗能巨大、維修困難等缺點(diǎn)。 本文結(jié)合了變頻調(diào)速技術(shù)，提出了基于 P LC 下控制變頻調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)橋式起重機(jī)的控制。 題目的 意 義 隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷更新，工業(yè)生產(chǎn) 規(guī)模的擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的提高，起重機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越廣，作用愈來愈大，對(duì)起重機(jī)的要求也越來越高。 (3)橋式起重機(jī)的工作環(huán)境惡劣工作任務(wù)重，當(dāng)系統(tǒng)中繼電器、電阻損壞時(shí)需要尋找故障元件，加大了維修人員的工作量且可能降低工程的進(jìn)展速度造成一定的損失。 P LC 的出現(xiàn)撼動(dòng)了工業(yè)控制領(lǐng)域中繼電 2 器的主導(dǎo)地位， P LC 體積小采用模塊化的設(shè)計(jì)思路其程序編譯簡(jiǎn)單易于上手安裝方便，在很多領(lǐng)域中已經(jīng)取代了輸了龐大易于出錯(cuò)的繼電器。是一種被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的起重運(yùn)輸機(jī)械。當(dāng)今橋式起重機(jī)已經(jīng)不再是傳統(tǒng)意義上笨重、操作復(fù)雜、維護(hù)困難的設(shè)備，它完美的將現(xiàn)代工業(yè)面向用戶設(shè)計(jì)理念與世界先進(jìn)技術(shù)融合在一起。 1948 年至 1962 年的20 年間，起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械總產(chǎn)值增長(zhǎng) ，年增長(zhǎng)率約 6%。 解放前我國(guó)的橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)都處于空白狀態(tài)，解放后由于國(guó)家對(duì)該行業(yè)的重視，才有了高速的發(fā)展。日本每年物料搬運(yùn)費(fèi)用是國(guó)民生產(chǎn)總值的 10%左右，美國(guó)工業(yè)產(chǎn)品總成本的 20%～ 25%為搬運(yùn)費(fèi)用，而我國(guó)煉鋼工業(yè)中物料搬運(yùn)費(fèi)用占生產(chǎn)總成本的 40%左右。究其原因還是橋式起重機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷運(yùn)行與過大的機(jī)械 振動(dòng)造成共振發(fā)生的。而這些很多都成為我國(guó)起重機(jī)行業(yè)的短板。起重機(jī)的大車小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用三合一的驅(qū)動(dòng)裝置，這樣結(jié)構(gòu)比較緊湊，自重較輕，簡(jiǎn)化了總體布置。這樣的方案具有高調(diào)速比，甚至可以達(dá)到無極調(diào)速，并且有節(jié)能的特點(diǎn)。 目前國(guó)內(nèi)橋式起重機(jī)的發(fā)展的特征如下： ，減輕自重 采用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)是目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家主要的設(shè)計(jì)方案，以提高整機(jī)的技術(shù)性能和減輕自重，并且在此前提下盡量采用行結(jié)構(gòu)。 我國(guó)正以前所未有的速度進(jìn)入國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。改變橋式起重機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)可以有效的減少開啟、制動(dòng)對(duì)其的沖擊，所以采用何種調(diào)速方式也決定了橋式起重機(jī)的性能好壞。 本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 針對(duì)大車間中起重機(jī)的控制要求和特點(diǎn)，本文以橋式起重機(jī)為背景對(duì)車間起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及一些特殊功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，研究的主要工作有： 現(xiàn)有的車間橋式起重機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案分析比較，確定合適的起重機(jī)變頻調(diào)速總體結(jié)構(gòu)和控制方式。 ，提出控制思路，軟硬件設(shè)計(jì)。 從式（ 21）可知，改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率 s 、改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) p 及改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率 f 可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 8 從式（ 22）可知， m? 的值由 1E 和 f 共同決定，對(duì) 1E 和 f 進(jìn)行適當(dāng)控制，就可以使磁通 m? 保持額定值不變。但是繞組中存在電感電動(dòng)勢(shì)難以調(diào)控的問題，電動(dòng)勢(shì)較高時(shí) ，可 以忽 略定 子繞 組的 漏磁 阻抗 壓將 ，而 認(rèn)為 定子 相電 壓11 EU? ，可以推導(dǎo)出 常數(shù)?fE /1 。 9 變頻器 在交流異步電動(dòng)機(jī)的各種調(diào)速方式中，變頻調(diào)速為的性能最好，調(diào)速范圍最廣，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率較高。具體應(yīng)用如高速鐵路、電動(dòng)汽車、變頻空調(diào)、等。 （ 3）提高自動(dòng)化控制水平：變頻器內(nèi)置有 32 位或 16 位的中央 10 處理器，具有多種邏輯運(yùn)算和智能控制功能，輸出頻率精度高；外部有較多開關(guān)信號(hào)或模擬信號(hào)和通信接口，控制功能強(qiáng)，并且可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制?？刂齐娐分饕峭瓿蓪?duì)逆變電路的開關(guān)控制，對(duì)整流器的控制以及完成各種 保護(hù)功能。 11 現(xiàn)在普遍采用的變頻功率開關(guān)器件的控制技術(shù)是 70 年代后期形成的脈寬調(diào)速（ PWM）。較為常用的方法是采用調(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，通過對(duì)載波的調(diào)制即可得到 S PWM 波形。正弦調(diào)制波的頻率 rf 即是逆變器的輸出頻率 1f 改變 rf 便可改變 1f 。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。采用變頻器電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)是可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，解決了大負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)會(huì)有較大沖擊電流 [8 ]。 恒壓頻比控制 恒壓頻比（ V/F）控制是交流電機(jī)是通過使 V/F 始終為常數(shù)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁通通保持不變。但是矢量控制在設(shè)計(jì)是需要了解電機(jī)的參數(shù)，為了減少控制上對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性，需要考慮參數(shù)識(shí)別、參數(shù)補(bǔ)償?shù)姆桨福瑫?huì)起到一定的效果。 變級(jí)對(duì)數(shù)控制 變級(jí)對(duì)數(shù)控制，在電源頻率不變的條件下，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù) p ，可以改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 0n ，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n ，這種調(diào)速的控制方法成為變級(jí)調(diào)速。這種電動(dòng)機(jī)每個(gè)轉(zhuǎn)速等級(jí)運(yùn)行有較硬的機(jī)械特性，其穩(wěn)定性好，對(duì)于不需要無極調(diào)速的生存機(jī)械，多速電動(dòng)機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。在該接繞組時(shí)，為了使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向不變，應(yīng)把繞組的相序改接一下。由于變頻器具有軟啟動(dòng)、軟停止的功能，對(duì)閘瓦的磨損較小，加減速平穩(wěn)，安全性高，且四象限運(yùn)行節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，因此采用變頻調(diào)速為最佳方案。 橋式起重機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 本文主要闡述的橋式起重機(jī)為電動(dòng)雙梁的橋式起重機(jī)。除橋架外還有小車、小車上的起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，可以帶著吊起的貨物沿著橋架上的軌道橫向運(yùn)動(dòng)，與垂直 運(yùn)動(dòng) 的起 升機(jī) 構(gòu)成 橋式 起重 機(jī)在 立體 空間 內(nèi)運(yùn) 送貨 物的 功能。大車、小車、主鉤、副鉤電動(dòng)機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車為 2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)拖動(dòng)，所以整個(gè)系統(tǒng)有 5 臺(tái)電動(dòng)機(jī)， 4 臺(tái)變頻器傳動(dòng)。 18 用旋轉(zhuǎn)編碼器使得電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋，給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)由 P LC 高速計(jì)數(shù)模塊的反饋可知道實(shí)際的轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相差多少。在變頻器的選擇中一般以電機(jī)的額定功率為選擇的依據(jù)。在運(yùn)行機(jī)構(gòu)正常停止時(shí)，可采用自由停止方式，運(yùn)行就夠停止時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定。 如圖 33 所示。 控制方面采用 PG 卡的矢量控制方式。通過計(jì)算，變頻器的額定電流一般都為電動(dòng)機(jī)額定電流的 倍以上 [1 1 ]。 橋式起重機(jī)傳動(dòng)控制主要有一下要求： ，因此當(dāng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙消除后要 21 求有較大啟動(dòng)力矩。 ，用于提升重物前消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各種間隙和張緊纜繩，以避免過大的機(jī)構(gòu)沖擊。 顯示故障點(diǎn)，放置事故的發(fā)生。決定電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，要求考慮電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱、允許過載能力與其動(dòng)能力三方面的因素，一般以發(fā)熱問題最為重要。隨著高頻開關(guān)頻率在 IGBT 等電力電子器件的使用以及 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。 起重機(jī)的起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)調(diào)速比例不能大于 1： 20，電機(jī)屬于斷 23 續(xù)工作制，在這種工作制中，工作時(shí)間 gt 和停歇時(shí)間 0t 輪流交替，兩段時(shí)間都較短。在這種工作制中通常通電率在 6 0%以下（國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載持續(xù)率有 15%、 25%、 40%、60%四種，一個(gè)周期的總時(shí)間規(guī)定為 min100 ??ttg ），負(fù)載一般都為大慣性系統(tǒng)。高速電機(jī)與低速電機(jī)相比，高速電機(jī)工作時(shí)電流小、功率因數(shù)高 、電纜截面積小以及電器配置容量小等優(yōu)勢(shì)。起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的容量為 P )100/( ?gvCP p? （ kW） （ 32） 其中： pC 起重機(jī)額定提升負(fù)載， kg v 額定起升速度， m/s g 重力加速度， ?g m/s ? 機(jī)構(gòu)總效率 電動(dòng)機(jī)提升負(fù)荷是實(shí)驗(yàn)負(fù)荷的 倍，能夠承受電壓波動(dòng)的影響，如果電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩小于 2，那么必須讓電動(dòng)機(jī)放容，從而降低電動(dòng)機(jī)的額定運(yùn)行的工作效率。由于電源電壓波動(dòng)的因素以及需要通過 125%超載實(shí)驗(yàn)要求等因素，起升機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)矩必須有 ～ 2 倍負(fù)載力矩值，從而確保它的安全使 用要求 [1 5 ]。m At 加速時(shí)間， s N 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速， r/min 如果運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)在 300s 內(nèi)電動(dòng)機(jī)有大于 60s 加速時(shí)間的 26 時(shí)候，變頻器容量應(yīng)該按下式計(jì)算 )(c o s MjMCN PPKP ?? ??。在變頻器功率選定的基礎(chǔ)上再做出電流驗(yàn)證，如下： MCN II ? （ 34） 其中： CNI 變頻器額定電流， A MI 電動(dòng)機(jī)額定電流， A 當(dāng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)在 300s 內(nèi)小于 60s 的加速時(shí)間，并且起動(dòng)電流不超過變頻器的額定的 倍時(shí)的變頻器容量可按照如下公式計(jì)算 )(c o s3759731973c o 22 MjMAiMCN PPKtNGDNTKP ???????????????? ?? ? ???? （ 35） 其中： K 電流波形補(bǔ)償系數(shù)， PWM 方式 ?K ～ jT 負(fù)載轉(zhuǎn)矩， N在傳動(dòng)控制領(lǐng)域，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制精度、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制等都會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性和系統(tǒng)跟蹤誤差產(chǎn)生較大的影響。 橋式起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為了使得電動(dòng)機(jī)達(dá)到所需的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此電動(dòng)機(jī)所需容量由負(fù)載功率 jP 和加速功率aP 兩部分組成。這類電機(jī)的共同特點(diǎn)是起動(dòng)能力強(qiáng)、過載能力大、慣性小、機(jī)械強(qiáng)度大、絕緣材料的等級(jí)高，較多采用封閉式結(jié)構(gòu)、臨界轉(zhuǎn)差率 ms 設(shè)計(jì)得較高 [1 4 ]。這樣經(jīng)過每個(gè)周期，溫升有所上升，最后溫度將在某一范圍內(nèi)上下波動(dòng)。目前，變頻器己經(jīng)發(fā)展到除非有超同步調(diào)速的要求或呈 1:20 以上的大速比、低調(diào)速要求或特低噪聲要求外，一般無須選用變頻專用電機(jī)作變頻系統(tǒng)的電機(jī)。 電機(jī)的選擇 采用 變頻 調(diào)速 時(shí) 會(huì)產(chǎn) 生一 些與 在共 頻 電源 下傳 動(dòng)是 不 同的 特征，這主要是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)大所造成的。 22 電機(jī)、變頻器和常用輔件的選擇 選擇系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，首要的是在工作條件下電動(dòng)機(jī)的功率的選擇，同時(shí)還要確定電動(dòng)機(jī)的電流種類、型式、額定電壓與額定轉(zhuǎn)速。 ，考慮到橋式起重機(jī)提升和擺放貨物時(shí)要求吊鉤的位置必須為貨物放置位置，采用高精度的變頻器和同步性極高的控制裝置。 ，橋式起重機(jī)各機(jī)構(gòu)停車過程要盡量平穩(wěn)，避免吊鉤擺動(dòng)或者機(jī)構(gòu)搖晃。 20 M~端子板P GRSTUVWP G B 2制 動(dòng) 單元制 動(dòng) 電阻P L C 輸出1 2123456781 12 52 72 6P L C 起 升 一檔下 降 一檔停 止五 檔四 檔三 檔二 擋點(diǎn) 動(dòng)C O M零 速C O M 轉(zhuǎn) 速 到~ 3 8 0V 圖 34 主起升機(jī)構(gòu)系統(tǒng)圖 起重機(jī)設(shè)計(jì)要求 橋式起重機(jī)除了 一般的運(yùn)行機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)、主梁等，還配備很多安全設(shè)施，比如各個(gè)機(jī)構(gòu)限位開關(guān)超速開關(guān)、負(fù)載限制器等來保證橋式起重機(jī)工作是的絕對(duì)安全。 主起升和副起升兩臺(tái)電機(jī)分別使用一臺(tái)變頻器。起升機(jī)構(gòu)是位能負(fù)載機(jī)構(gòu)。 使用這樣的設(shè)計(jì)，變頻器內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定能保證機(jī)構(gòu)練好的調(diào)速精度以及起制動(dòng)性能，由于起升機(jī)構(gòu)電機(jī)需要使用脈沖編碼器為速度的反饋裝置。 運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)該達(dá)到啟動(dòng)迅速而平穩(wěn)，啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)該符合時(shí)間需求。 如圖 32 所示。 在橋式起重機(jī)放下重物的時(shí)候，電機(jī)將受到重物重力的作用，使得電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，變頻器的直流回路接收到拖動(dòng)系統(tǒng)的反饋，使得直流電壓不斷增大，可能損壞變頻器。通過這三部分的不同運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)重物橫向縱向和垂直的運(yùn)送，大大 17 的提高了搬運(yùn)貨物的效率同時(shí)減少了對(duì)工人的工作量 ，如圖 31 所示 。實(shí)現(xiàn)貨物升降的裝置是起升機(jī)構(gòu) ，通常是由驅(qū)動(dòng)裝置、取物裝置和鋼絲繩卷繞系統(tǒng)組成的，除此之外根據(jù)工作的需要還有其他輔助裝置，如高度限位器、超載限位器。 表 變頻器調(diào)速和串 電阻 調(diào)速 比較 名稱 變頻器 串電阻 調(diào)速精度 高 低 沖擊電流 小 大 加減速 平穩(wěn) 波動(dòng)大 節(jié)能效果 平均節(jié)能 20% 不能節(jié)能 閘瓦磨損 較小 嚴(yán)重 維護(hù)費(fèi)用 低 高 安全性 高 低 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 故障率 低 高 15 發(fā)熱量 小 大 觸頭氧化 無 嚴(yán)重 停車位 準(zhǔn)確 不準(zhǔn)確 機(jī)械震動(dòng) 小 大 控制線路 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 16 第 3 章 橋式起重機(jī)頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 橋式起重機(jī)是減輕笨重體力勞動(dòng)，提高作業(yè)效 率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的起重運(yùn)輸設(shè)備。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈，并能實(shí)現(xiàn)無傳感 測(cè)速 [9 ]。另一種是從三角形改成雙星形，寫成 △ /YY。通常用改變定子繞組的方法來改變磁極對(duì)數(shù)，這種