【文章內(nèi)容簡介】 structure diagram2) 脈寬調(diào)制器的基本工作原理 脈寬調(diào)制是將輸出電壓分解成很多的脈沖，調(diào)頻時控制脈沖的寬度和脈沖間的間隔時間就可控制輸出電壓的幅值，如圖210所示。從圖中可以看到，脈沖的寬度越大，脈沖的間隔越小，輸出電壓的平均值就越大。為了說明、和電壓平均值之間的關(guān)系，我們引入了占空比的概念。所謂占空比是指脈沖寬度與一個脈沖周期比值，用表示，即。因此，可以說輸出電壓的平均值與占空比成正比，調(diào)節(jié)電壓輸出就可以演化為調(diào)節(jié)脈沖的寬度，所以稱為脈寬調(diào)制。圖210a為調(diào)制前的波形，電壓周期為，圖210b為調(diào)制后的波形，電壓周期為。與a圖相比，b圖的電壓周期增大(也就是說頻率降低)，電壓脈沖的幅值不變，仍為，而占空比則減小，故平均電壓降低。a) 調(diào)制前的波形 b) 調(diào)制后的波形圖210 脈寬調(diào)制的輸出電壓a) modulate late waveform b) modulate rear waveform The output voltage of the PWM由于變頻器的輸出是正弦交流電，即輸出電壓的幅值是按正弦波規(guī)律變化，因此在一個周期內(nèi)的占空比也必須是變化的，也就是說在正弦波的幅值部分，取大一些，在正弦波到達(dá)零處，取小一些，如圖211所示?？梢钥吹竭@種脈寬調(diào)制，其占空比是按正弦規(guī)律變化的，故這種調(diào)制方法叫正弦波脈寬調(diào)制，即SPWM。圖211 正弦波脈寬調(diào)制的輸出電壓Fig. 211 The output voltage of the SPWMSPWM的脈沖系統(tǒng)中，各脈沖的寬度t1和脈沖的間隔t2都是變化的。為了說明其調(diào)制原理，見圖212 PWM逆變器簡單原理圖，圖中V1~V6為絕緣柵雙極晶體管，由他們的交替切換來獲得交流信號的輸出。當(dāng)V1導(dǎo)通時，在A相負(fù)載上得到的電壓與V2導(dǎo)通時在A相負(fù)載上得到的電壓方向相反。因此，VV2的輪流導(dǎo)通就可得到A相交流電壓的正、負(fù)半周。同時，其他管子的導(dǎo)通亦可得到三相交流電的B相和C相。在變頻器中，VV2的導(dǎo)通、截止是由調(diào)制波和載波的交點(diǎn)來決定的。在這里，把希望得到的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到期望的PWM波形。圖212 PWM逆變器簡單原理圖 Priciple diagram of PWM inverter3) 單極性SPWM在單極性的調(diào)制方式中，調(diào)制波為正弦波載波為單極性的等三角形，即調(diào)制波為正半周時，載波為正極性的三角波，調(diào)制波為負(fù)半周時，載波為負(fù)極性的三角波，如圖21所示(僅畫出了正半周)。VV2的導(dǎo)通、關(guān)斷條件可用表23表示(以A相為例)。表21 單極性SPWM調(diào)制規(guī)律 Unipolarity SPWM modulate law正半周V1 導(dǎo)通V2截止正半周V1 關(guān)斷V2截止負(fù)半周V2 導(dǎo)通V1截止負(fù)半周V2 關(guān)斷V1截止a 當(dāng) 時，逆變管 VV2導(dǎo)通，決定了SPWM系列脈沖的寬度；當(dāng)時，逆變管VV2截止，決定了SPWM系列脈沖的間隔寬度。圖213 單極性SPWM調(diào)制 Unipolarity SPWM modulation若降低調(diào)制波的幅值，見圖213中的，各段脈沖的寬度將變窄，從而使輸出電壓的幅值也相應(yīng)減少。b 每半個周期內(nèi)逆變橋同一橋臂的兩個逆變管中，只有一個按規(guī)律時通時斷地工作，另一個則完全截止。而在另一個周期內(nèi)，兩個管子的工作情況正好相反，于是流經(jīng)負(fù)載的電流為正負(fù)交替的交變電流了。由此可見，單極性SPWM逆變器的輸出交流電壓和頻率均可由調(diào)制波電壓來控制。只要改變的幅值，就改變了輸出電壓的大小；而改變的頻率，輸出電壓的頻率也隨之改變。由于控制對象只有一個，所以控制電路相對要簡單一些圖214 雙極性SPWM調(diào)制波形 Bipolarity SPWM modulation waveform4) 雙極性脈寬調(diào)制若調(diào)制波信號與載波信號均為雙極性信號，即在的半個周期內(nèi)，三角形載波是在正、負(fù)兩個方向變化的，稱為雙極性脈寬調(diào)制，這種調(diào)制方法是目前使用最多的方法。在雙極性SPWM方法中，所用的調(diào)制信號未可變頻變幅的三相對稱普通正弦波、其載波信號為雙極性三角波，如圖214a所示?，F(xiàn)仍以A相為例，說明雙極性脈寬調(diào)制原理。a 雙極性SPWM調(diào)制規(guī)律：不分正、負(fù)半周，時，V1導(dǎo)通，V2截止，輸出為正，即為的正脈沖寬度；時，V2導(dǎo)通，V1截止， 輸出為負(fù)，即為的負(fù)脈沖寬度，見圖214b同理可畫出、的輸出波形，見圖214c與圖214d。b 調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，此脈沖系列也是雙極性的，如圖214b所示。由于線電壓=，所以線電壓的脈沖是單極性的，如圖112e所示。c 逆變橋在工作時，同一橋臂的兩只管子不停地交替導(dǎo)通、關(guān)斷。而流過負(fù)載的電流是按現(xiàn)電壓規(guī)律的交變電流[3]。3 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)和部件選型 概述 橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的構(gòu)成 橋式起重機(jī)俗稱行車，是工礦企業(yè)中應(yīng)用得十分廣泛的一種起重機(jī)。其運(yùn)行機(jī)構(gòu)由三個基本獨(dú)立的拖動系統(tǒng)構(gòu)成：1) 大車拖動系統(tǒng) 拖動整臺起重機(jī)順著車間作“橫向”運(yùn)動(以操作者的坐標(biāo)為準(zhǔn))。2) 小車拖動系統(tǒng) 拖動吊鉤及重物順著橋架作“縱向”運(yùn)動。3) 吊鉤拖動系統(tǒng) 拖動重物作吊起或放下的上、下運(yùn)動。 橋式起重機(jī)的負(fù)荷特點(diǎn)和對拖動系統(tǒng)的要求1) 負(fù)荷特點(diǎn) 各拖動系統(tǒng)得負(fù)荷轉(zhuǎn)矩都與“阻力”和回轉(zhuǎn)半徑的乘積成正比： = (31)在大車和小車拖動系統(tǒng)中，是摩擦力，而在吊鉤拖動系統(tǒng)中，是被吊物和吊鉤的重力。 由式31可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小與速度無關(guān)，因而具有“恒轉(zhuǎn)矩”的特點(diǎn)。2) 對拖動系統(tǒng)的要求 大車和小車對拖動系統(tǒng)的要求較為一般，這里重點(diǎn)介紹對吊鉤拖動系統(tǒng)的要求。a 在全調(diào)速范圍內(nèi)，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線應(yīng)是恒轉(zhuǎn)矩的；b 起動時，除上述負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還必須克服靜摩擦力。所以，拖動系統(tǒng)應(yīng)有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩；c 重物下降時，除空鉤和極輕負(fù)載外，在絕大多數(shù)情況下，都是依靠自身的重力而下降的。為了克服重物因重力加速度而不斷加速，電動機(jī)必須產(chǎn)生足夠的制動轉(zhuǎn)矩，使重物在所需轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)下降；d 重物在空中停住的前后，不能發(fā)生“溜鉤”。 原拖動系統(tǒng)的主電路原拖動系統(tǒng)的主電路如圖 31 所示，其主要特點(diǎn)是：1) 選用電動機(jī) 大多采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；2) 調(diào)速方法 在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串人五段外接電阻R1~R5(也有七段或更多)，由接觸器KM1 ~KM4 的狀態(tài)來決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速高低；3) 制動方法 采用電磁制動器進(jìn)行機(jī)械制動。圖31 原拖動系統(tǒng)的主電路Fig. 31 Main circuit of original driving system 采用變頻調(diào)速的基本考慮 主拖動系統(tǒng)1) 電動機(jī)選型a 大車與小車用電動機(jī)可選用普通的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；b 吊鉤用電動機(jī)由于要求較高，應(yīng)選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)；2) 制動方法采用再生制動、直流制動和電磁機(jī)械制動相結(jié)合的方法。a 首先，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運(yùn)動中的大車、小車或吊鉤迅速而準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)速降為0(使它們停住)；b 對于吊鉤，常常需要重物在半空中停留一段時間(如重物在空中平移時)，而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電)，可靠性較差。因此，利用電磁制動器進(jìn)行機(jī)械制動仍然是必須的。 對電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的分析大車與小車拖動系統(tǒng)的運(yùn)行狀況與普通負(fù)載無異，本節(jié)只分析吊鉤拖動系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)。1) 空鉤(包括極輕負(fù)載)運(yùn)行 由于吊鉤的機(jī)械系統(tǒng)采用了蝸輪蝸桿減速，具有自鎖功能，故空鉤時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩主要由摩擦阻力構(gòu)成。a 上升運(yùn)行 重物的上升，完全是電動機(jī)正向轉(zhuǎn)矩作用的結(jié)果。這時，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)矩方向相同，電動機(jī)處于電動狀態(tài)，其機(jī)械特性在第I象限，工作點(diǎn)如圖32 中的A點(diǎn)(高速)與B點(diǎn)(低速)所示。b 下降運(yùn)行由于蝸輪蝸桿自鎖的原因，空鉤及輕載時是無法靠自重放鉤的，故下降運(yùn)行只能通過反接電源來實(shí)現(xiàn)。電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向仍與轉(zhuǎn)矩方向相同，但方向反了，其機(jī)械特性在第3象限，工作點(diǎn)如圖32 中的C點(diǎn)(高速)與D點(diǎn)(低速)所示。圖32 不同狀態(tài)下電動機(jī)的工作點(diǎn)Fig. 32 Operating point of electric motor under different conditions 2) 重載運(yùn)行 負(fù)載加重時，工作點(diǎn)將右移。a 上升運(yùn)行 工作點(diǎn)右移至點(diǎn)和點(diǎn)。b 下降運(yùn)行 工作點(diǎn)右移至第4象限，如圖32中的點(diǎn)(高速)與點(diǎn)(低速)所示。這時，由于重力加速度的原因，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度將超過同步轉(zhuǎn)速而進(jìn)入再生制動狀態(tài)。電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)(下降)的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，是正方向的，其作用是防止重物不斷下降，故重量相同的重物在下降時構(gòu)成的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比上升時小。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要求橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行及速度檔次；小車的前、后行及速度檔次；吊鉤的升、降及速度檔次等。所用這些，都可以通過可編程控制器(PLC)進(jìn)行無觸點(diǎn)控制。橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停住狀態(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：1) 電磁制動器在通電到松開(或從斷電到抱住)之間是需要時間的，(視型號和大小而定)。因此，變頻器如過早停止輸出，將容易溜鉤；2) 變頻器必須避免在電磁制動器抱住得情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生因“過流”而跳閘的誤動作。為此，具體控制方法如下：1) 重物停住的控制過程如圖33 所示：圖33 重物停住的控制過程Fig. 33 Control process of heavy item anchors a 設(shè)定一個“停止起始頻率”，當(dāng)變頻器的工作頻率下降到 時，變頻器將輸出一個“頻率到達(dá)信號”。發(fā)出制動電磁鐵斷電指令；b 設(shè)定一個的維持時間，的長短應(yīng)略大于制動電磁鐵從開始釋放到完全抱住所需要的時間；c 變頻器將工作頻率下降至0。2) 重物升降的控制過程a 設(shè)定一個“升降起始頻率”，當(dāng)變頻器的工作頻率上升到時，將暫停上升。為了確保當(dāng)制動電磁鐵松開后，變頻器已能控制重物的升降到不會溜鉤，所以，在工作頻率達(dá)的同時，變頻器將開始檢測電流，并設(shè)定檢測電流所需時間；b 當(dāng)變頻器確認(rèn)已經(jīng)有足夠大的輸出電流時，將發(fā)出一個“松開指令”，使制動電磁鐵開始通電；c 設(shè)定一個的維持時間 ， 的長短應(yīng)略大于制動電磁鐵從通電到完全松開所需要的時間；d 變頻器將工作頻率上升至所需頻率。 上述過程如圖34所示：圖34 重物升降的控制過程Fig. 34 Control process of heavy item fluctuation3) 變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流強(qiáng)勵磁功能為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設(shè)置了一些獨(dú)特的制動功能，如：a 零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，保持電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不需要速度反饋裝置。這一功能保證了吊鉤由升降狀態(tài)降速為0時，電動機(jī)能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。b 啟動前的直流強(qiáng)勵磁功能變頻器可以在啟動前自動進(jìn)行直流強(qiáng)勵磁。使電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩(可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200%)維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤[4]。 橋式起重機(jī)采用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)1) 工作可靠性顯著提高 主要有以下幾個方面：a 消除了電動機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)由于用籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)取代了繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，從而消除了電刷和滑環(huán)等薄弱環(huán)節(jié)。b 制動電磁鐵的壽命可大大延長原拖動系統(tǒng)是在運(yùn)動的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在基本停住的狀下進(jìn)行抱閘，閘皮的磨損情況將大為改善；c 操作手柄不再易損 原系統(tǒng)的操作手柄因受力較大，屬于易損件。采用變頻調(diào)速后，操作手柄的受力將很小，不易損壞；d 控制系統(tǒng)的故障率大為下降 原系統(tǒng)是十分復(fù)雜的接觸繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)可大大簡化，可靠性大為提高。2) 節(jié)能效果十分可觀 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)在低速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)將消耗大量電能。采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在吊鉤放下重物時，還可以將重物釋放的位能反饋給電源。3) 調(diào)速質(zhì)量明顯提高 采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速比可達(dá)1：50以上，調(diào)速精度達(dá)1%。且調(diào)速平穩(wěn)，能夠長時間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率。4) 可簡化傳動鏈 由于可以進(jìn)行無級調(diào)速，從而在機(jī)械上省去了非標(biāo)設(shè)計(jì)的減速箱，使傳動鏈結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)是為125/15t 橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)一套變頻調(diào)速系統(tǒng)， 在設(shè)計(jì)中，其大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)及提升機(jī)構(gòu)均采用變頻調(diào)速，并應(yīng)用可編程序控制器(PLC)進(jìn)行信號協(xié)調(diào)和邏輯控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖31所示：圖35 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 35 System block diagram 主要技術(shù)規(guī)格1) 起重量a 主起升 125t ；b 副起升 15t；2) 起升速度a 主起升 ；b 副起升 ；3) 運(yùn)行速度a 大車 ；b 小車 ； 對調(diào)速系統(tǒng)的主要技術(shù)要求1) 主、副起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為1:10；大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為1:6；小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速比為1:4。2)