【正文】 重機和環(huán)境惡劣的冶金起重機上。主要技術(shù)難度體現(xiàn)在：對起重機對電控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性要求愈來愈高，起重機的起重量及運行速度等技術(shù)參數(shù)越來越大，起重機的自動化程度越來越高，起重機對管理和通訊的性能要求越來越嚴格。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)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動沖擊以及增加起重機使用的安全可靠性是非常有益的。采用變頻調(diào)速取代傳統(tǒng)的橋式起重機控制系統(tǒng)是近才開始應(yīng)用的新技術(shù)。變頻技術(shù)的運用使得起重機的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(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輸機械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。近年來，隨著計算機技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時也帶動電氣傳動和自動控制領(lǐng)域的發(fā)展。 本課題的研究意義和主要內(nèi)容 本課題中以橋式起重機作為研究實體，由上可知，傳統(tǒng)橋式起重機的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行啟動和調(diào)速，繼電—接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺點有： 1) 橋式起重機工作環(huán)境差，工作任務(wù)重，電動機以及所串連電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生；2) 繼電—接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復雜，故障率高； 3) 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機械特性軟，負載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想，所串連電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低。隨著變頻器的發(fā)展，逐漸取代直流調(diào)速而成為調(diào)速領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。然而，直流電機結(jié)構(gòu)復雜，制造費時，對運行環(huán)境要求較高，電刷易于磨損，維護麻煩，這些問題極大限制了直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用，而交流電機在這方面存在顯著的優(yōu)勢。早期在起重機上應(yīng)用的變頻器多用于行走機構(gòu)（即大、小車運行機構(gòu)），隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，以及各變頻器生產(chǎn)廠家對高性能變頻器從軟、硬件的不斷開發(fā)，在起升機構(gòu)的應(yīng)用也逐漸增多。 隨著電氣設(shè)備自動化控制要求及可靠性的不斷提高，變頻器在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。由于采用了第三方的拖拽對電機的沖擊較大，在能耗和單相制動要對電機注入直流電流和不平衡電流，在頻繁使用過程中會使電機的溫度過高，影響電機的絕緣壽命，加速了電機的老化過程。 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是目前起重機上應(yīng)用較多的調(diào)速方式，轉(zhuǎn)子串電阻、定子調(diào)壓調(diào)速等均為這種調(diào)速方式，尤其是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式更為普遍。改變磁極對數(shù)方式屬于有極調(diào)速，調(diào)速范圍小。旋轉(zhuǎn)磁場的速度與定子的極對數(shù)有關(guān)，定子繞組進行切換就可以改變極對數(shù)，從而改變轉(zhuǎn)速。根據(jù)異步電機的知識，電動機的轉(zhuǎn)速可以用公式表示為：其中：—異步電動機的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； —定子的電源頻率，單位為Hz； —電機的轉(zhuǎn)速滑差率； —電機的極對數(shù)。由于傳統(tǒng)橋式起重機的電控系統(tǒng)通常采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進行有級調(diào)速，盡管起動性能與調(diào)速性能較交流鼠籠型電動機有很大改善，但由于采用有級調(diào)速，依然存在以下問題：1）．控制檔位較多時，控制電路復雜，系統(tǒng)的故障率較高；2）．在換檔時依然存在電流與轉(zhuǎn)矩沖擊，重載情況下尤為突出；3）．低速定位時由于采用“倒拉反接制動”運行方式，轉(zhuǎn)子中串入了較大電阻導致機械特性變得很軟，低速定位困難；4）．能量損耗大，特別是重載低速時的損耗尤其嚴重。前四種方案均屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍小，無法高速運行，只能在額定速度以下調(diào)速：起動電流大，對電網(wǎng)沖擊大；常在額定速度下進行機械制動，對起重機的機構(gòu)沖擊大，制動閘瓦磨損嚴重；功率因數(shù)低，~，線路損耗大。由于傳統(tǒng)橋式起重機的電控系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻進行有級調(diào)速，致使機械沖擊頻繁，振動劇烈，因此電氣控制上應(yīng)采用平滑的無級調(diào)速是解決問題的有效手段。究其原因是頻繁的超負荷作業(yè)及過大的機械振動沖擊所引起的機械疲勞。 傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(tǒng)的特點和存在的問題 橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經(jīng)濟中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設(shè)計、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術(shù)進步。 變頻器使用PWM技術(shù)可嚴格地使輸入電流正弦，即在下降過程各機械減速制動中，將動能和位能轉(zhuǎn)化為電能反饋電網(wǎng)，達到理想的節(jié)能指標，同時確保工況正常運行，上述發(fā)展己完成了產(chǎn)品系列化上市，對 “變頻”裝置在技術(shù)上以及經(jīng)濟上與其他驅(qū)動裝置競爭將有明顯的優(yōu)勢。而矢量控制是從根本上解決了這個問題，使交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍迅速擴大。因此要控制異步電動機的瞬時轉(zhuǎn)矩十分困難。 直流電動機之所以與有良好的控制性能，其根本原因是當勵磁電流恒定時，控制電樞電流的大小就能無時間滯后的控制瞬時轉(zhuǎn)矩的大小。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。3) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速技術(shù)是國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)，也是國際國內(nèi)這幾年全力研制應(yīng)用的目標與方向?？删幊绦蚩刂破鱌LC引入到交流電氣傳動系統(tǒng)后，使傳動系統(tǒng)性能發(fā)生了質(zhì)的變化。法國、英國、德國等大電氣公司亦在這方面展開了重點研制開發(fā)。目前，該技術(shù)已進入了成熟穩(wěn)定的發(fā)展應(yīng)用階段。2) 交流調(diào)速控制系統(tǒng)：對于起重機械來講，交流驅(qū)動仍是國內(nèi)普遍采用的方案而且多數(shù)停留在繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻來調(diào)速。 該驅(qū)動系統(tǒng)實施主回路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)。 從交流驅(qū)動來講：常規(guī)的常采用繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，為滿足重物下放時的低速，一般依靠能耗制動、反接制動，后來還采用渦流制動，還有靠轉(zhuǎn)子反饋控制制動、反接制動、單相制動器抱閘松勁的所謂軟制動，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，國內(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。從控制電阻分級控制，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)。此系統(tǒng)特別適用于橋式起重機在惡劣條件下的工作情況，對改善橋式起重機的調(diào)速性能，提高工作效率和功率因數(shù)，減小起制動沖擊以及增加起重機使用的安全可靠性是非常有益的。變頻技術(shù)的運用使得起重機的整體特性得到較大提高，可以解決傳統(tǒng)橋式起重機控制系統(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輸機械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。近年來，隨著計算機技術(shù)和電力電子器件的迅猛發(fā)展，同時也帶動電氣傳動和自動控制領(lǐng)域的發(fā)展。所串連電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低。前言 橋式起重機作為物料搬運機械在整個國民經(jīng)濟中有著十分重要的地位，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機制造廠和使用部門在設(shè)計、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面，不斷積累經(jīng)驗，不斷改造，推動了橋式起重機的技術(shù)進步。但在實際使用中，傳統(tǒng)橋式起重機的控制系統(tǒng)所采用交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻的方法進行啟動和調(diào)速，繼電—接觸器控制，在工作環(huán)境差，工作任務(wù)重時，電動機以及所串連電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生；繼電—接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復雜，故障率高；轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，機械特性軟，負載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。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。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)在橋式起重機系統(tǒng)提供了有利條件。本次設(shè)計采用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，控制變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，設(shè)計出PLC控制的橋式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)，進而實現(xiàn)了起重機的半自動化控制。1 緒 論 橋式起重機電氣傳動技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況 電氣調(diào)速控制的方法很多，對直流驅(qū)動來講60年代采用發(fā)電機—電機系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成模塊出現(xiàn)，計算機、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。目前國內(nèi)外幾種常用調(diào)速系統(tǒng)配置及其性能：l) DC300直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)：GE公司DC300，DC2000是微處理器數(shù)字量控制的直流驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)，其控制功率從300HP到4000HP，并采用PLC對整機驅(qū)動系統(tǒng)實施故障診斷、檢測、報警及控制?？捎脺y速反饋或電壓反饋，對磁場弱磁，以實施恒功率控制。隨著功率電子技術(shù)的發(fā)展，早在六十年代后期，國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。日本安川電機制作所于1972年就正式定為VS系列，應(yīng)用于起重機及軋機輔助設(shè)備的交流調(diào)速。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，從而實現(xiàn)控制部件的微型組件化、智能化、標準化、系列化，進而從模擬量控制發(fā)展到數(shù)字量控制。在橋式起重機實現(xiàn)了抓斗的自動控制和故障診斷、檢測顯示等，達到了新的技術(shù)高度。這幾年一些公司如德國SIEMENS，美國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)在起升機械、電梯等位能負載控制成為現(xiàn)實。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。異步電動機產(chǎn)生瞬時轉(zhuǎn)矩的原理雖然與直流電動機相同，但由于建立氣隙磁場的勵磁分量和電磁轉(zhuǎn)矩所對應(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，在運行過程中，這兩個分量有會互相影響。像采用恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)由于是從控制電動機的平均轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)來控制電動機的轉(zhuǎn)速，因而難以獲得較理想的動態(tài)性能，異步電動機在高精度調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。 適用于通用的鼠籠式電動機，無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，該技術(shù)使變頻控制裝置不再配套專用電機，而且可通過軟件對一般的鼠籠式電機—矢量控制裝置實施參數(shù)調(diào)整，進一步降低電氣電機的投資而且維護保養(yǎng)方便。同時隨著PLC系統(tǒng)的不斷成熟與完善，以及大容量變頻器在位能負載上的成功應(yīng)用，變頻調(diào)速系統(tǒng)必將成為未來調(diào)速市場的主流。但在實際使用中，結(jié)構(gòu)開裂仍時有發(fā)生。因此，除了機械上改進設(shè)計外，改善交流電氣傳動，減少起制動沖擊，也是一個很重要的方面。傳統(tǒng)的起重機驅(qū)動方案一般采用：（1）直接起動電動機；（2）改變電動機極對數(shù)調(diào)速；（3）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；（4）渦流制動器調(diào)速；（5）可控硅串級調(diào)速；（6）直流調(diào)速?？煽毓璐壵{(diào)速雖克服了上述缺點，實現(xiàn)了額定速度以下的無級調(diào)速，提高了功率因數(shù)，減少了起制動沖擊，價格較低，但目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段，尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動性能，很好的保護功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能，所以有時采用直流電動機，而直流電動機制造工藝復雜，使用維護要求高，故障率高。 電動機的調(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的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上做過了大量的研究，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)頻率的半導體器件的開發(fā)研制成功，以及計算機技術(shù)的普及應(yīng)用，交流電動機的調(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。由上面的公式，我們不難看出，要改變電機的速度，我們可以通過如下的方法：（1）改變極對數(shù)的調(diào)速；（2）改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速；（3）變頻調(diào)速。但是從低極對數(shù)（高速）變換到高極對數(shù)，電機的實際速度會大幅度下降，如果切換速度很快，電機將會經(jīng)歷一個發(fā)電階段，從而在電機及機械裝置上產(chǎn)生較大的反向轉(zhuǎn)矩。目前，在起重機上已經(jīng)很少應(yīng)用這種方式。該方式依賴繞線電機轉(zhuǎn)子部分串不同阻值的金屬電阻來消耗部分能量以達到調(diào)速效果，但在低速區(qū)具有穩(wěn)定性差、出力不足的缺點，在重載下降時要有第三方制動即拖拽才能保證重載不溜鉤，這種制動方式常有能耗制動、渦流制動、單相制動等。在機械平穩(wěn)方面也由于制動的沖擊力使振動加劇，加速了機械疲勞過程。國內(nèi)起重機采用變頻器進行調(diào)速控制大概是從20世紀90年代初期，由于其較于傳統(tǒng)起重機控制方式具有顯而易見的優(yōu)勢，因此很快被起重機廣大用戶所接受。 眾所周知，直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，并且易于實現(xiàn)、便于控制，在很長一段歷史時期內(nèi)，一直處于調(diào)速領(lǐng)域的絕對優(yōu)勢地。交流電動機因其結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運行可靠、成本低、易維護、可適合于大容量調(diào)速和惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 隨著自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元件制造工藝的不斷進步，變頻調(diào)速控制在起重機械中必將會得到更為廣泛的應(yīng)用。 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。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)在橋式起重機系統(tǒng)提供了有利條件。 由于起重機行業(yè)的特殊性，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用相對滯后。無論是在起重機老產(chǎn)品還是新產(chǎn)品設(shè)計，變頻調(diào)速都是優(yōu)選方案。相比較發(fā)達國家而言，我國的相關(guān)技術(shù)水平差距較大。為此，有必要對橋式起重機電控系統(tǒng)的應(yīng)用研究。也符合起重機向大型化、 高效率化、無保養(yǎng)化和節(jié)能化發(fā)展，向自動化、智能化、集成化和信息化發(fā)展的方向。這是生產(chǎn)機械經(jīng)常向電動機提出的要求。 電動機的調(diào)速指標1) 調(diào)速范圍電動機在額定負載(電流為額定值)情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用D表示，即2) 調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速(基本轉(zhuǎn)速)高還是低。3) 調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，例如只能從3000r/min一下調(diào)節(jié)到1500r/min，在又調(diào)節(jié)到1000 r/min等，兩者之間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)速稱為有級調(diào)速。無級調(diào)速的平滑性當然就比有級調(diào)速好。無級調(diào)速時=1，平滑性最好。其定義為：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即s越小，穩(wěn)定性越好。機械特性的硬度的定義為越大，轉(zhuǎn)矩變化時，變化的程度就越小，機械特性就越硬，靜差率就越小，穩(wěn)定性就越好。例如兩條平行的機械特性硬度相同，在靜差率公式中的相同，由于不同，他們的s就不同，大的，s小，小的，s就大。靜差率還會對調(diào)速范圍起到制約的作用，因為如果調(diào)速時所得到的最低轉(zhuǎn)速下的s太大，則該轉(zhuǎn)速性太差，便難以滿足生產(chǎn)機械的要求。6) 調(diào)速時的允許負載 電動機在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如