【正文】 變頻系統(tǒng) 的設計 1 基于 PLC 控制橋式起重機變頻系統(tǒng)的設計 摘要： 橋式起重機作為物料搬運系統(tǒng)中一種典型設備，在企業(yè)生產(chǎn)活動中應用廣泛作用顯著，因此對于提高橋式起重機的運行效率，確保運行的安全可靠性，降低物料搬運成本是十分重要。 3. 實驗表明，采用 PLC 該控制系統(tǒng)，使橋式起重機工作可靠，使用方便，同時具有動態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果好明顯。橋式類起重機又分為通用橋式起重機、冶金專用起重機、龍門起重機與纜索起重機等。檢測手段等都逐漸提出新的使用要求，起重機的種類、形式也需要相應地發(fā)展和創(chuàng)新，性能參數(shù)也需要不斷變化與提高。機械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，將先進的微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、模糊控制技術(shù)應用到機械的驅(qū)動和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化和智能化，以適應多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式。為了降低制造成本，提高通用化程度，可采用模塊組合的方式，用較少規(guī)格的零部件和各種模塊組成多品種、多規(guī)格和多用途的系列產(chǎn)品，充分滿足各類 用戶的需要。 7．用新結(jié)構(gòu)、新部件、新材料和新工藝提高產(chǎn)品性能。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用，為 PLC 控制的變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機應用提供了有利條件。 上海第二工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 2 變頻調(diào)速控制技術(shù)的基本原理 變頻調(diào)速原理簡介 異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為 : n=pf60(1s) () 其中： n異步電機的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； f定子的電源頻率，單位為 Hz； s電動機的轉(zhuǎn)速滑差率； p電動機的極對數(shù)。然而，繞組中的感應電動勢是難以控制的，當電動勢較高時，可以忽略定子電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓 1V ≈1E，則得 1V /1f =常數(shù)。帶定子壓降補償?shù)暮愎β时瓤刂铺匦詾?2線，無補償?shù)臑?1線。 圖 24 異步電動機變頻調(diào)速控制特性 應該注意，以上分析的機械特性都是在正弦電壓供電下的情況。 （ 2）整流電路 一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿蓪δ孀兤鏖_關(guān)控制、對整 流器的電壓控制以及完成各種保護功能。在傳動控制領(lǐng)域，電機轉(zhuǎn)矩的控制精度、動態(tài)轉(zhuǎn)矩的控制等都會對運動的穩(wěn)定 性和系統(tǒng)跟蹤誤差產(chǎn)生較大的影響。但是控制器的設計在某種程度上依賴與電機的參數(shù)，為了減少控制上對電機 參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)識別、參數(shù)補償和參數(shù)自適應方案，有些收到了良好的效果。 圖 26凸輪控制器的結(jié)構(gòu)原理圖 (a)整體結(jié)構(gòu)圖 (b)某一層 凸輪 結(jié)構(gòu)圖 (c)結(jié)構(gòu)原理圖 1靜觸點 2動觸點 3觸點彈簧 4復位彈簧 5滾輪 6絕緣方軸 7凸輪 8滅弧及上海第二工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 滅弧罩 9聯(lián)板 10手輪 凸輪控制器控制電路 圖 23 為 KT1025J/ KT1425J/ KT1060J/ KT1460J/1 型 凸輪控制器 原理圖，用來控制起重機 平移機構(gòu)或提升機構(gòu)的電動機。 一般 20/5 噸橋式起重機所用的凸輪控制器由三臺 KT1225J/1 凸輪控制器分別控制大車、小車及吊鉤電動機。 ? 控制電阻器來限制電動機的啟動電流并獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩。其技術(shù)數(shù)據(jù)為：交流50HZ，額定工作電壓 380V 及直流 220V 一下；額定發(fā)熱電流 10A；額定操作頻率1200次 /h； LK18在 380V電壓，接通電流 26A， ?cos =,分斷電流 ， ?cos =時，電壽命為 100 萬次。不但要求高的轉(zhuǎn)速及起制動的控制精度。通常選額定功率大一級的變頻器。隨著高開關(guān)頻率的工 GBT 等電力電子器件的使用、 PWM 調(diào)制、矢量控制、增強型 V/f 控制方法的應用、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的低速區(qū)轉(zhuǎn)矩。 電動機的冷卻 一般變頻器在調(diào)速比為 1:20 的范圍內(nèi)能確保起重機上普通電機有 150%的過載力矩值。 大車運行機構(gòu)： （ 1）運行靜阻力，大車運行部分總質(zhì)量： ? ? ? ? NNgGQG G 5 2 5 8 1 8 6 0 02 5 0 0 0 0 ???????? 因為室內(nèi)運行，風阻力 01??G ，坡度阻力 0??G ，運行摩擦阻力系數(shù) ? = 則 NNGGG GZ 6 8 2 5 8 1 81 ????? ? ? (2)運行靜功率： ?yv 75m/min=大車運行機構(gòu)總效率 ?? KWKWvGP yz 0 0 0 6 8 01 0 0 01 ????? ? (3)運行加速功率 取 stsm s ,/ 2 ??? KWKWgt vGPsyG 0 0 0 2 5 8 1 0 0 22 ??? ???? ?? （ 4）初選電動機 ? ? ? ? KWPPmP MN 11 1 ??????? ?? 上海第二工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 根據(jù)電動機樣本，選用兩臺 YZR160M16電動機，當 %25?JC ， ?NP (5)電動機發(fā)熱校驗 根據(jù)《起重機設計規(guī)范》，該大車運行機構(gòu)的接電持續(xù)率 %25?JC ， CZ=600，穩(wěn)態(tài)負載平均系數(shù) G=，所以， KWKWvGGP yz 0 0 0 6 8 0 0 02 ?? ???? ? 根據(jù)《橋式起重機設計手冊》知，當 %25?JC ， CZ=600 時， ?NP ， 即 ,所以電動機發(fā)熱校驗通過?？紤]到電源電壓波動因素及需通過 125%超載試驗要求等因素，其最大轉(zhuǎn)距必須有 倍的負載力矩值，以確保其安全使用的要求。變頻器的容量是按上式計算得到的。 (2%— 5%)U 的選擇根據(jù)速比要求定，速比愈大百分比愈大。 m）； N—— 電機額定轉(zhuǎn)矩 (在附加電阻制動的情況下，電機額定轉(zhuǎn)速 )（ r/min）。 上海第二工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 4 PLC 在橋式起重機變頻控制系統(tǒng)的應用 本系統(tǒng)中可編程控制器的選擇及其特點 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。 (2)存儲器 存儲器是存放程序集數(shù)據(jù)的地方， PLC 運行所需的程序分為系統(tǒng)程序及用戶程序，存儲器也分為系統(tǒng)存儲器、用戶存儲器及工作數(shù)據(jù)存儲器。 (5) 通信接口 通信接口的作用主要是實現(xiàn) PLC 與外部設備的數(shù)據(jù)交換?？刂圃撾妱訖C的運行方向、停止，以及加速，減速，實現(xiàn)重物運輸?shù)男枰?。低電平信號線應與其它信號線分開。 控制系統(tǒng)由繼電器控制改為 PLC 控制，各機構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速 。減少了硬件和控制線，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。 （ 5） PLC 電柜應有獨立的接地線，接地電阻小于 10 歐姆。所以在本系統(tǒng)中也不例外，有必要考慮 PLC 的抗干擾措施。 變頻調(diào)速起重機控制系統(tǒng)設計 系統(tǒng)控制的功能和要求 橋式起重機控制系統(tǒng)主要完成對操作按鈕輸入的檢測、限位開關(guān)的檢測、變頻器反饋值得檢測等。 用戶存儲器 用戶存儲器一般采用 RAM 構(gòu)成，用于存放針對具體控制任務，用規(guī)定的 PLC 編程語言編寫的控制程序。如圖 所示， PLC 內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。 因此，制動電阻 BR 應按 BOR BR minR 的 關(guān)系選用。 制動單元 為減小大慣性系統(tǒng)的減速時間，解決變頻器直流電路上的過電壓問題。 通過利用上述公式的計算，選用改造后的橋式起重機各執(zhí)行機構(gòu)的電機參數(shù)如表 所示 : 表 33 各執(zhí)行機構(gòu)變頻器參數(shù) 變頻器型號 額定功率 /電流 主起升機 構(gòu) FRF54037KCH 37KW/70A 副起升機構(gòu) FRF54022KCH 22KW/43A 大車運行機構(gòu) 小車運行機構(gòu) 常用輔助件的選擇 變頻器系統(tǒng)器件由斷路器、接觸器、電抗器、變頻器、制動電阻及制動單元組成。 PKgvCKP MPMCN ????? c o s1 0 00c o ??? 式中 ?cos — 電機的功率因數(shù)， ?cos = P — 起升額定負載所需功率， kw M? — 電機效率， M? =0. 85 CNP — 變頻器容量， KVA K — 系數(shù)， K=2 起升機構(gòu)變頻器容量依據(jù)負載功率計算，并考慮 2 倍的安全力矩。 通過利用上述公式的計算，選用改造后的橋式起重機各執(zhí)行機構(gòu)的電機參數(shù)如表 32 所示 : 表 32 各執(zhí)行機構(gòu)電機參數(shù) 電機型號 電機功率 /電流 主起升機構(gòu) YZR225M8 26KW/55A 副起升機構(gòu) YZR180L8 13KW/ 大車運行機構(gòu) YZR160M16 2*小車運行機構(gòu) YZR132M26 4KW/ 變頻器的選用 變頻器選型 起重機各機構(gòu)負載為恒轉(zhuǎn)矩負載，普遍選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器，如日本的安川，三菱，富士，德國的西門子及丹麥的丹佛斯等。電機在起動過程中可承受 倍額定電流值，遠大于變頻起動上海第二工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 要求的 倍值，運行機構(gòu)的電機在以額定速度運行時電機通常工作在額定功率以下，因此高頻引起的 倍電流值可不予考慮。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，一般無須選用變頻專用電機作變頻系統(tǒng)的電動機。機構(gòu)的電氣制動方式必須著重考慮。 主起升和副起升兩臺電動機各自使用一個變頻器。 圖 24 主令 控制器 示意圖 根據(jù) 20/5T 橋式起重機特點及電動機的因數(shù)，故選用型號為 LK1810/1102的主令控制器。 ? 可以適應起重機所要求的頻繁啟動與變速要求 ? 可以防止起重機運動機構(gòu)超過極限位置 ? 保證在零位啟動 根據(jù) 20/5T 橋式起重機特點及電動機的因數(shù)，故選用型號為 KT1425J/1 的凸輪控制器。這三部分分別由凸輪控制的 12 對觸點進行控制，其中 4對為電源控制用， 5 對為電阻切換用， 2 對起限位作用，還有 1 對為零位控制安全保護作用。其中4對主觸點用于電動機正反轉(zhuǎn)控制 。 凸輪控制器 簡介 凸輪控制器的結(jié)構(gòu) 凸輪控制器從外部看，由機械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)、防護結(jié)構(gòu)等三部分組成。然而 V/F 種子是一種開環(huán)控制方式，速度動態(tài)特性差，電機轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)（如加 /減速度等）還需要根據(jù)負載的不同來進行相應的調(diào)整，特別是低速時由于定子電阻和逆變器等的開關(guān)延時的存在，系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。微處理器的控制程序存儲在存儲器中，用戶通過參數(shù)設置可以改變程序的計算參數(shù)和機構(gòu)。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。因此在選購變頻器時，變頻器輸出的諧波越小越好。由式 可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。在恒頻率比條件下改變頻率時，我們能夠證明：機械特性基本上是平行下移的，如圖 21所示。 在電動機調(diào)速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通量 m? 為額定值不變。 變頻調(diào)速裝置的先進性能特別適用于起重機的惡劣工況，對改善起重機的調(diào)上海第二工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 速性能，提高工作效率和功率因素，減小起制動沖擊以及增加起重機使用的安 全可靠是非常有益的。在機構(gòu)方面進一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機構(gòu)，以焊代鑄，采用機電液一體化技術(shù)，提高使用性能和可靠性。 5．向小型化、輕型化發(fā)展。起重機上還裝有微機自診斷監(jiān)控系統(tǒng)，對于自身的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和維護。因此，起重機將向現(xiàn)代化、智能化、更安全可靠的方向發(fā)展。橋式起重機按起吊裝置不同，可分為吊鉤橋式起重機、電磁盤橋式起重機 和抓斗橋式起重機 等等 。To rise， lower liver direction and change speed， can measure each motor trouble Phenomenon， have reduced traditional electricityContacttype control system of intermediate link . it reduce the hardware and control line， has improved systematic stability ，dependability greatly . 3. The experimental result indicates ， adopt PLC control system ， it is reliable to make the bridg