【正文】 鋼產(chǎn)量是衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重 要指標(biāo)，而起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。 3 十八世紀(jì)中葉，老牌資本主義國家英國在經(jīng)過工業(yè)革命后，橋式起重機(jī)便被廣泛地應(yīng)用到工廠的生產(chǎn)活動中。 國內(nèi)外發(fā)展情況概述 橋式起重機(jī)屬于橋架型起重機(jī)的一種，它依靠起升機(jī)在垂直方向和大車小車控制的橫縱方向構(gòu)成空間立體的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，能在矩形場地及其上空進(jìn)行作業(yè)。 (2)串聯(lián)大量的電阻長期工作會發(fā)出大量的熱損毀系統(tǒng)并且對電能造成了極大的浪費(fèi)，而且系統(tǒng)占地面積龐大。變頻器調(diào)速技術(shù)越來越被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于一些重型機(jī)械中提高了這些機(jī)械的整體性能，能夠解決系統(tǒng)中存在的諸多缺陷。 I 基于 PLC 控制的變頻調(diào)速在橋式起重機(jī)中的應(yīng)用論文 摘 要 橋式起重機(jī)是一種常用的貨物運(yùn)輸工具，被廣泛的應(yīng)用于工廠、碼頭、倉庫中。 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)對橋式起重機(jī)的控制。 (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。是一種被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的起重運(yùn)輸機(jī)械。 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 ，年增長率約 6%。日本每年物料搬運(yùn)費(fèi)用是國民生產(chǎn)總值的 10%左右，美國工業(yè)產(chǎn)品總成本的 20%～ 25%為搬運(yùn)費(fèi)用，而我國煉鋼工業(yè)中物料搬運(yùn)費(fèi)用占生產(chǎn)總成本的 40%左右。而這些很多都成為我國起重機(jī)行業(yè)的短板。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)。 我國正以前所未有的速度進(jìn)入國際競爭市場。 本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 針對大車間中起重機(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。 從式（ 21）可知，改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率 s 、改變電動機(jī)的磁極對數(shù) p 及改變電動機(jī)的電源頻率 f 可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。但是繞組中存在電感電動勢難以調(diào)控的問題，電動勢較高時 ，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 。具體應(yīng)用如高速鐵路、電動汽車、變頻空調(diào)、等?？刂齐娐分饕峭瓿蓪δ孀冸娐返拈_關(guān)控制，對整流器的控制以及完成各種 保護(hù)功能。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，把接受調(diào)制的信號作為載被，通過對載波的調(diào)制即可得到 S PWM 波形。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。 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。 變級對數(shù)控制 變級對數(shù)控制，在電源頻率不變的條件下，改變電動機(jī)的磁極對數(shù) p ，可以改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 0n ，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n ，這種調(diào)速的控制方法成為變級調(diào)速。在該接繞組時，為了使電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變，應(yīng)把繞組的相序改接一下。 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)為電動雙梁的橋式起重機(jī)。大車、小車、主鉤、副鉤電動機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車為 2 臺電動機(jī)同時拖動，所以整個系統(tǒng)有 5 臺電動機(jī)， 4 臺變頻器傳動。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)。 如圖 33 所示。通過計(jì)算，變頻器的額定電流一般都為電動機(jī)額定電流的 倍以上 [1 1 ]。 ，用于提升重物前消除傳動機(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。決定電動機(jī)功率時，要求考慮電動機(jī)的發(fā)熱、允許過載能力與其動能力三方面的因素，一般以發(fā)熱問題最為重要。 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，工作時間 gt 和停歇時間 0t 輪流交替，兩段時間都較短。高速電機(jī)與低速電機(jī)相比，高速電機(jī)工作時電流小、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。由于電源電壓波動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 ]。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 的加速時間，并且起動電流不超過變頻器的額定的 倍時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 橋式起重機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)有較大的轉(zhuǎn)動慣量，為了使得電動機(jī)達(dá)到所需的起動轉(zhuǎn)矩，因此電動機(jī)所需容量由負(fù)載功率 jP 和加速功率aP 兩部分組成。這樣經(jīng)過每個周期，溫升有所上升，最后溫度將在某一范圍內(nèi)上下波動。 電機(jī)的選擇 采用 變頻 調(diào)速 時 會產(chǎn) 生一 些與 在共 頻 電源 下傳 動是 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。 ，考慮到橋式起重機(jī)提升和擺放貨物時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。 20 M~端子板P GRSTUVWP G B 2制 動 單元制 動 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)工作是的絕對安全。起升機(jī)構(gòu)是位能負(fù)載機(jī)構(gòu)。 運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)該達(dá)到啟動迅速而平穩(wěn)，啟動時間應(yīng)該符合時間需求。 在橋式起重機(jī)放下重物的時候，電機(jī)將受到重物重力的作用，使得電機(jī)處于再生制動狀態(tài)，變頻器的直流回路接收到拖動系統(tǒng)的反饋，使得直流電壓不斷增大，可能損壞變頻器。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。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈，并能實(shí)現(xiàn)無傳感 測速 [9 ]。通常用改變定子繞組的方法來改變磁極對數(shù)，這種電機(jī)稱為多速電動機(jī)。綜上缺點(diǎn)恒壓頻比控制會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。 12 變頻技術(shù)是包含電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的一項(xiàng)綜合性的技術(shù)。三角載波的頻率 cf 和正弦調(diào)制波的頻率 rf 之比即 crc Nff ?/ 稱為載波比?？刂齐娐返暮脡臎Q定了變頻器性能的優(yōu)劣。通過變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)可以平滑的改變轉(zhuǎn)速。 基頻以上調(diào)速 基頻以上調(diào)速時，頻率 f 增高，但是電壓磁通與頻率成反比的降低，可看作直流電機(jī)弱磁升速的情況。在交流異步電動機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的，而對于直流電機(jī)來說勵磁是獨(dú)立的。 、繪制控制流程圖、編輯相關(guān)程序。因此 中國起重機(jī)要不斷發(fā)展和創(chuàng)新，現(xiàn)根據(jù)國內(nèi)外起重機(jī)的新理論、新技術(shù)和新動向，結(jié)合實(shí)例，探尋出中國未來橋式起重機(jī)行業(yè)的發(fā)展方向。 隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，起重設(shè)備的體積和重量也越來越大型化，起重量和吊運(yùn)幅度也有所增大，為了節(jié)省生產(chǎn)和使用成本，起重機(jī)工作的場地和使用范圍也隨之增大。因此對橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)的研究很有必要 [3 ]。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國在橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)、設(shè)備維護(hù)與修理都積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。美國是世界上設(shè)計(jì)制造橋式起重機(jī)較早的國家之一，技術(shù)水平與生產(chǎn)工藝較高，美國于 1959 年設(shè)計(jì)了第一臺 300 噸的全液壓橋式起重機(jī)，堪稱橋式起重機(jī)發(fā)展史上的一座豐碑。目前橋式起重機(jī)成品已經(jīng)形成多個系列，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，用戶對其性能要求越來越高。 為此人們嘗試尋找代替此類的控制系統(tǒng)從而可以大大提高工作效率的變革方案。提高了系統(tǒng)運(yùn)行的精準(zhǔn)度、安全性以及系統(tǒng)的智能程度。因此，用戶對橋式起重機(jī)的安全性、高效性也非常高。 為了讓橋式起重機(jī)更符合當(dāng)前的生產(chǎn)需求，采用新型的控制系統(tǒng)代替原有轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)電阻的調(diào)速系統(tǒng)成為從事相關(guān)行業(yè)專家的研究課題 。而傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線串電 阻的方式對起重機(jī)的啟動和調(diào)速的。 P LC 的出現(xiàn)是工業(yè)史上的一次變革，大大提高了生產(chǎn)效率降低了生產(chǎn)成本。塑造出體積輕巧、操作簡單、維護(hù)簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、使用安全等優(yōu)異特性全新工業(yè)重型裝備。 1949 年 10 月，由大連重機(jī)器廠生產(chǎn)了我國第一臺起重量為 5 噸跨度為 米的橋式起重機(jī)。因此除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造外，對橋式起重機(jī)的電 4 氣設(shè)備傳動系統(tǒng)的改造以減小制動沖擊、降低共振也是可行的方案。此外，由于運(yùn)行機(jī)構(gòu)與起重機(jī)走臺沒有聯(lián)系，走臺的振動也不會影響傳動機(jī)構(gòu)。橋式起重機(jī)中采用半偏軌的主梁結(jié)構(gòu)，與正軌箱形相比，可以減少或取消短加筋板，減少結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省加工時間。電動機(jī)的調(diào)速經(jīng)過了很長時間的演變過程 ,一直以來人們在電動機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上做 6 過了大量的研究 ,嘗試過使用各種不同形式的調(diào)速方法 ,隨著大功 率和高開關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開發(fā)研制成功 ,以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及應(yīng)用 ,交流電動機(jī)的調(diào)速方式在近 20 年內(nèi)取得了飛速發(fā)展 ,調(diào)速技術(shù)已經(jīng)日趨成熟 [5 ]。 7 第 2 章 變頻調(diào)速控制原理 異步電動機(jī)調(diào)速有許多方法，如變級調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速等。采用變頻對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，具有調(diào)速范圍廣、靜態(tài)穩(wěn)定性好、運(yùn)行效率高、使用方便、可靠性高、節(jié)能效果 明顯的等優(yōu)點(diǎn)。采用變頻器對籠型異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)、效益顯著，所以得到廣泛的應(yīng)用。 變頻器的基本機(jī)構(gòu) 變頻器主要由主電路和控制電路組成，其中主電路包括整流電路、儲能電路、逆變電路三部分。 P WM 中采用的主要理論是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時，其效果近似相同。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。 變頻調(diào)速的控制方法 隨著工業(yè)與自動化程度的提高，電動機(jī)的應(yīng) 用越來越多。 轉(zhuǎn)差率控制 轉(zhuǎn)差率控制的思想是使控制系統(tǒng)形成一個反饋閉環(huán)，使得轉(zhuǎn)速變化率與實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升、下降。如今我過多級電動機(jī)定子繞組聯(lián)繞方式一般有兩種：一種是從星形改成雙星形，寫成 YY/Y。如表 變頻 調(diào)速和串電阻調(diào)速的對比。 橋式起重機(jī)的基本組成部分，由大車驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動橋式起重機(jī)縱向移動；起重小車上載有提升機(jī)，由小車驅(qū)動電機(jī)帶動實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動；當(dāng)需要提升重物時，由起重電機(jī)驅(qū)動直上直下 的運(yùn)動。再經(jīng)由 P LC 對變頻器輸出三相電壓的改變，從而達(dá)到對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)的目的。為了確保起升機(jī)構(gòu)起到時有足 19 夠大的起動轉(zhuǎn)矩，可以采用設(shè)定機(jī)械制動器的打開時間、運(yùn) 行電流、變頻器的最低運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，以求滿足運(yùn)行機(jī)構(gòu)負(fù)載特性的要求。旋轉(zhuǎn)編碼器的信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換將信號反饋給 P LC來避免吊鉤的下滑。 ，貨物提升下降及大小車運(yùn)行時放置突如其來的沖擊對機(jī)體造成過大的沖擊而損壞橋式起重機(jī)。 ，防止橋式起重機(jī)運(yùn)行中突然斷電而造成事故 本文中車間采用的橋式起重機(jī)參數(shù)： 起重量：主鉤起重量 50t，副鉤起重量 10t 跨度： 提升高度：主鉤提升高度 19m，副鉤提升高度 21m 運(yùn)行速度：小車運(yùn)行速度 50m/min，大車運(yùn)行速度 110m/min 提升速度： 15m/min 通電 持續(xù)率： 60%（作時間與周期時間之比，金屬冶煉屬于特重級工作類型，經(jīng)常在重負(fù)荷下工作）。同時由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電機(jī)可以避開共振點(diǎn)，解決 了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的共振問題。普通電機(jī)與變頻電機(jī)在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本相同，在連續(xù)工作是要考慮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)工作時變頻驅(qū)動特效比變頻電機(jī)差。 通過上述選用橋式起重機(jī)的電機(jī)參數(shù)如下表 所示 ： 表 電動機(jī)參數(shù) 主鉤 副鉤 大車 小車 電機(jī)型號 YZR250M18 YZR200L8 YZR160M16 YZR160M16 功率因數(shù) 30kW 15kW 2 變頻器的選用 交流電機(jī)的控制遠(yuǎn)比直流電機(jī)的控制復(fù)雜