變頻器在起重機上的應用

1、成都工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文）摘要 隨著現(xiàn)代控制理論的應用，微處理器和微電子技術的發(fā)展，使變頻調速控制系統(tǒng)日趨成熟。而起重機作為物料搬運系統(tǒng)中一種典型設備，在企業(yè)生產活動中起重要作用。傳統(tǒng)的起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進行控制，采用交流繞線串電阻的方法進行啟動和調速，這種控制系統(tǒng)存在可靠性差,故障率高，電能浪費大，效率低等缺點，故對于提高其運行效率，確保運行安全，降低物料搬運成本是十分嚴重的。因此根據塔式起重機的運行特點，將可編程序控制器與變頻器結合應用于塔式起重機控制系統(tǒng)，通過變頻調速大大提高了操作精度和穩(wěn)定度;綜合保護功能完善，便于及時發(fā)現(xiàn)、查找、處理故障；并且節(jié)約了能源。關鍵詞:可編程

2、序控制器；塔式起重機；變頻調速；變頻器40 摘要1引言31  緒論41.1塔式起重機簡介51.2本課題設計的意義、主要內容及基本參數61.3變頻技術的發(fā)展趨勢、展望71.4起重機運行的特點71.5變頻器的特點81.6再生能量的處理91.7經濟效益和安全可靠性121.8本論文的研究內容122變頻調速132.1變頻調速的基本原理132.2變頻器的基本機構和功能152.2.1變頻器的主回路器件152.2.2變頻器的控制電路構成163 QTZ50塔式起重機變頻控制系統(tǒng)設計183.1總體設計方法183.2 PLC技術簡介213.2.1 PLC概述213.2.2 三菱FX2N工作原理2

3、13.3部件的選擇223.3.1電機的選用223.3.2變頻器的選用（FR-A540）243.3.3PLC的選用283.3.4 電阻值的計算293.4起重機變頻調速系統(tǒng)設計303.4.1系統(tǒng)控制的要求303.4.2控制系統(tǒng)的1/O點及地址分配313.4.3程序設計32致謝39參考文獻40引言隨著工業(yè)生產對起重機調速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的起重機調速方法如：繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環(huán)和電刷，它們要求定期維護，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場維護量較大，調速系統(tǒng)的故障率較高，

4、而且調速系統(tǒng)的綜合技術指標較差，已不能滿足工業(yè)生產的特殊要求。交流變頻調速技術在工業(yè)界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的起重機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機，并且高效、節(jié)能，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監(jiān)測功能完善，運行可靠性較傳統(tǒng)的交流調速系統(tǒng)有較大的提高。所以，采用交流變頻調速是起重機交流調速技術發(fā)展的主流。 1  緒論 隨著世界經濟的不斷發(fā)展，科學技術不斷提高，環(huán)保和能源問題日趨成為人們爭論的主題。充分有效地利用能源已成為緊迫的問題，為了尋求高效可用的能源，各個國家都投入了大

5、量人力財力，進行不懈的努力。就目前而言，電能是全世界消耗最多的能源之一，同時也是浪費最多的能源之一，為解決能源問題必須先從電能著手，其中起代表性的就是電機的控制。電機是一種將電能轉換成機械能的設備，它的用途非常廣泛，在現(xiàn)代社會生活中隨處可見電機的身影，在發(fā)達國家中生產的總電能有一半以上是用于電機的能量轉換，這些電機傳動系統(tǒng)當中90%左右的是交流異步電機。在國內，電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。并且使用中的電機絕大部分還是中小型異步電機，加之設備的陳舊、管理、控制技術跟不上，所浪費的電能甚多。能源工業(yè)作為國民經濟的基礎，對于社會、經濟的發(fā)展和人民

6、生活水平的提高都起著極為重要的作用。在高速增民的經濟環(huán)境下，我國能源工業(yè)而臨著經濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響入的資，我國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。為此，國家十五計劃中，在電機系統(tǒng)節(jié)能方而投金高達500億元左右，由此可見，在我國異步電機的變頻調速系統(tǒng)將有巨大的市場潛能。在電力電子技術、計算機技術以及自動控制技術迅速發(fā)展的今天，電氣傳動技術正面臨著一場歷史性的革命。經過了十多年的發(fā)展，近代交流傳動逐漸成為電氣傳動的主流。在交流電機調速系統(tǒng)中，效率最高、性能最佳的是變頻調速系統(tǒng)，因此，對變頻調速的研究是當前電氣傳動研究中最為活躍、最有實際應用價值的工作。變

7、頻器產業(yè)的潛力非常巨大，值得強調的是，這里的“變頻器產業(yè)”應該是變頻器技術產業(yè)，或者是inverter technology產業(yè)。正如IT產業(yè)不僅限于PC一樣，變頻器技術產業(yè)包括所有與變頻器技術相關的產業(yè)，如電力電子器件的生產、驅動保護集成電路的生產、電氣傳動與系統(tǒng)控制技術、工業(yè)應用等。1.1塔式起重機簡介塔式起重機在建筑及其它行業(yè)有著廣泛的應用,其作用主要用來實現(xiàn)物體的升降和轉運,塔式起重機工作環(huán)境惡劣,工作任務重。它能否正常工作直接影響到生產效率提高和工作任務的完成,甚至關系到人身、設備的安全。經過幾十年的發(fā)展，我國塔式起重機制造廠和使用部門在設計、制造工藝、設備使用維修、管理方面，不斷積

8、累經驗，不斷改造，推動了塔式起重機的技術進步。但在實際使用中，結構開裂仍時有發(fā)生。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。因此，除了機械上改進設計外，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)的起重機驅動方案一般采用:(1)直接起動電動機;(2)改變電動機極對數調速;(3)轉子串電阻調速;(4)渦流制動器調速;(5)可控硅串級調速;(6)直流調速。前四種方案均屬有級調速，調速范圍小，無法高速運行，只能在額定速度以下調速;起動電流大，對電網沖擊大;常在額定速度下進行機械制動，對起重機的機構沖擊大，制動閘瓦磨損嚴重;功率因數低，在空載或輕載時低于0.2-0

9、.4，即使?jié)M載也低于0.75，線路損耗大。目前串級調速產品的控制技術仍停留在模擬階段，尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調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。我們所研究的塔式起重機是電動單臂塔式起重機，該起重機由起升機構、回轉機構和小車牽引機構和液壓頂升機構及安全保護裝置和電氣控制裝置等部分組成。機構主要指主起升機構、小車運行機構、回轉運行機構。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過電纜卷筒將電源輸送到中心電器上，起重機機為低壓供電系統(tǒng)，電氣控制部分集中在操作室和電氣房內，安全保護裝置裝在在適當的位置上。1.2本課題

10、設計的意義、主要內容及基本參數 傳統(tǒng)塔式起重機的控制系統(tǒng)主要采用交流繞線轉子串電阻的方法進行啟動和調速，繼電一接觸器控制，這種控制系統(tǒng)的主要缺點有: 1.塔式起重機工作環(huán)境差，工作任務重，電動機以及所串電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生。 2.繼電一接觸器控制系統(tǒng)可靠性差，操作復雜，故障率高。 3.轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時轉速也變化，調速不理想。所串電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低。 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控制的變頻調速技術在橋式起重機系統(tǒng)提供了有利條件。變頻調速以其可靠性好，高品質的

11、調速性能、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。本論文研究了變頻調速技術在QTZ50通用塔式起重機中的應用，并且根據原有的控制結構，結合組態(tài)軟件和PLC技術，提出了一個改進的系統(tǒng)控制結構，并且采用此體系結構實現(xiàn)了塔式起重機變頻調速系統(tǒng)。本課題塔式起重機基本參數: 提升機構采用YP2 280M-8,45KW電機，當選用2繩時，速度可達到80m/min,40m/min,10m/min,當采用4繩時可達到40m/min,20m/min,5m/min,提升機構帶有制動器，提升機構不工作時，制動機構永遠處于制動狀態(tài)?；剞D機構由電機YD132S-4/8,3.3/2.2KW驅動。經液力偶

12、合器和立行式行星減速器帶動小齒輪，從而帶動塔機上部的起重臂，平衡臂等左右移動。其速度位0.8r/min,0.4r/min.在液壓耦合器的輸出軸處加一個盤式制動器，盤式制動器處于常開狀態(tài)，主要用于塔機頂升時的制動定位，保證進行安全頂升作業(yè)?；剞D制動器也用于有風狀態(tài)下工作時，起重機不能準確定位之用。嚴禁用回轉機構制動停車，起重臂沒有完全停止時，不允許打反轉制動。小車牽引機構是重載小車變幅的驅動裝置。采用YD132S-4/8.3.3/2.2KW電機。經由圓柱渦輪減速器帶動卷筒，通過鋼絲繩是在重小車以38m/mi,19m/min的速度在起重臂軌道上來回運動。牽引小車鋼絲繩一端纏繞后固定在卷筒上，另一端

13、則固定在載重小車上。變幅時通過鋼絲的收。放來保證載重小車正常工作。液壓頂升機構的工作主要靠安裝在爬升架內側面的一套液壓油缸，活塞，磅，閥和油壓系統(tǒng)來完成。當需要頂升時，有起重機吊鉤吊起標準節(jié)，送進引入架，把塔身標準節(jié)與下支座的4 個M45連接螺栓松開，開動電動機是液壓缸工作，頂起上部機構，操縱爬抓支持上部質量，然后收回活塞，再次頂升，這樣兩次工作循環(huán)可加一個標準節(jié)。1.3變頻技術的發(fā)展趨勢、展望近幾年來對電力電子裝置控制技術的研究十分活躍，各種現(xiàn)代控制理論，如自適應控制、滑?？刂坪腿斯ど窠浘W絡、以及智能控制(如專家系統(tǒng)、模糊控制、遺傳算法、采用微分幾何理論的非線性解禍、魯棒觀察器，在某種指標意

14、義下的最優(yōu)控制技術和尼奈奎斯特陣列設計方法等)和無速度傳感器等高動態(tài)性能控制都是研究的熱點，這些研究必將把交流調速技術發(fā)展到一個新的水平。交流變頻調速控制系統(tǒng)廣泛應用于機械、冶金、礦山、化工、石油、紡織、造紙、印染船舶、鐵路等行業(yè)，是最有發(fā)展前途的一種調速控制方式。從總體上看我國電氣傳動的技術水平較國際先進水平差距1015年，就目前而言，盡管變頻調速系統(tǒng)的研發(fā)在國內還比較活躍，但是市場上的絕大部分產品還是被國外產品所占據，為此，我們需要密切關注國際變頻調速技術發(fā)展的趨勢，緊跟著國內市場的需求，加快國內變頻調速系統(tǒng)的發(fā)展，努力研制出自己的產品。1.4起重機運行的特點   （1

15、）起重機應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩，若考慮超載實驗等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩。   （2）由于機械制動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械制動器的制動轉矩平滑切換，不產生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動信號與機械制動器動作信號的控制時序。   (3）當起升機構向下運行或平移機構急減速時，電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側回饋，必須根據不同的現(xiàn)場情況研討如何處理這部分再生能量。   （4）起升機構在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種沖擊性負載進行平滑控制。 1.5

16、變頻器的特點    1.5.1主要功能及特點 起重機專用變頻器是針對起重行業(yè)專業(yè)設計的一款高性能矢量變頻器，用于各類起重機的起升、變幅、小車、回轉等機構的交流無級調速。 主要的功能及特點如下：   （1）抱閘邏輯控制與監(jiān)控   準確的抱閘開啟和閉合控制時序，通過抱閘實時狀態(tài)反饋和起動預轉矩補償，確?？刂频陌踩院涂煽啃?。   （2）輕負載升速（電子副鉤）   起重機空鉤或輕載時實現(xiàn)2倍速運行，提高裝卸效率。輕負載升速功能主要應用于起升高度較大的起重機：在起升機構空載運行時自動

17、使速度上升，以縮短時間來提高裝卸效率；   重載時自動降低速度以確保設備和人身的安全。變頻器根據啟動后一段時間內的平均電流值來判斷負荷的大?。寒斬撦d重時，變頻器自動降低輸出頻率；當負載輕時，變頻器自動提高輸出頻率。   （3）控制回路電源和主回路電源可以分別控制提高了用戶調試時的安全性，便于故障診斷與維護。   （4）危險速度監(jiān)視、快速停車及超速保護變頻器實時監(jiān)測電機的運行速度，當電機速度大于設定的最高允許速度或速度偏差值時，變頻器發(fā)出故障報警并立即停止輸出，機械制動器動作，使起重機處于安全狀態(tài)。   快速停車功能給用戶提供

18、以下三種方式供選擇：   方式1：電氣制動的停車；方式2：電氣制動加機械制動的停車；方式3：機械制動的停車。 （5）預勵磁及起動預轉矩補償   預勵磁功能是在啟動之前自動地對電機實行直流勵磁，以保證電動機快速地提供起動轉矩，并通過調節(jié)勵磁的時間使電動機的起動與機械制動器的釋放時間相配合，避免出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象。 （6）松繩檢測   防止在起重機繩索松弛的情況下，輕負載升速功能誤動作引發(fā)的不安全運行。 （7）起重機操作模式方便、靈活   根據起重機不同的操作模式，為用戶提供以下操作模式選擇：操縱桿模式、遙控模式、電動電

19、位器模式、分級操縱桿給定模式、分級遙控給定模式、通訊給定模式等。   起重機專用矢量變頻器，具有優(yōu)異的力矩控制性能，廣泛適用于岸邊集裝箱起重機（STS）、軌道式集裝箱龍門起重機(RMG)、輪胎式集裝箱龍門起重機（RTG）、門座式起重機、造船用龍門起重機、裝船機、卸船機、翻車機、堆取料機等各類港口機械，以及各類普通橋式、門式、塔式起重機和提梁機、架橋機等起重機械的起升、變幅、大車、小車、回轉、抓斗等機構的交流無級調速。1.6再生能量的處理 當采用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放或平移機構急減速、順風運行時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構

20、的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。在高性能的工程型變頻器中，對連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。在中間直流回路設置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動；采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網，這種方式稱為回饋制動。中科科技推出的DBU型能耗制動單元和RBU型能量回饋單元的具體參數可參見說明書。下面對這兩種制動方式做以詳細介紹。 （1）動力制動   動力制動由制動單元和制動電阻構成。變頻器設置了制動單元和制動電阻后，其動力制動能力取

21、決于制動電阻的允許功率。因此，計算再生功率PM時，必須滿足PM    計算再生能量EM     計算再生功率PM     PM=EM/t0     式中PM制動期間電機產生的有效再生功率，W     EM機構急減速及下降時的再生能量，J     t0制動周期時間，S     選擇合適的制動單元/制動電阻組合  

22、;   選擇合適的制動單元/制動電阻組合，必須滿足下列條件：     PM<PRPM    式中PM制動期間電機產生的有效再生功率，W     PR制動電阻的允許功率，W     PDB制動單元的允許功率，W     當計算的PM>PR時，表明超出了制動電阻的處理能力，需重新核算負載慣量和減速時間。     制動電阻

23、RB0的計算     在再生回饋制動中，即使不設置制動電阻，依靠電機內部損耗也可獲得約20%的制動轉矩，因此可用下式計算所需的電阻值RB0：     VC²     RB0=     1.027（TB-0.2TM）n1     式中VC變頻器中間直流回路的電壓（約為700V），V     TB制動轉矩，kg·m   &

24、#160; TM電動機額定轉矩，kg·m     n1電動機開始減速時的速度，rpm   動力制動的放電回路由制動單元和制動電阻構成，其最大電流受制動晶體管最大允許電流IC的限制，制動電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動電阻選用時其實際值RB應滿足以下條件：     RMIN<RB  上述選型是建立在精確的計算基礎上，在實際工程中如果精確的計算數據不能取得，     也可按下述給出的經驗公式選型。 &#

25、160;   起升機構的再生功率PM     PM=Pb×total     total=mec×mot×0.98     上式中，Pb為實際的負載再生發(fā)電功率，mec為機械效率，mot為電機效率。   （2）回饋制動   為了實現(xiàn)把制動狀態(tài)的電動機再生發(fā)電能量向電網回饋，網側變流器應采用可逆變流器。中科科技推出的能量回饋制動單元，它的網側變流器與逆變器結構相同，采用一塊具有P

26、WM控制方式的電網電壓識別板。由于采用了PWM控制技術，對網側交流電壓的大小和相位可以進行控制，可以使交流輸入電流與電網電壓同相位并接近正弦波，傳動系統(tǒng)的功率因數大于0.9，回饋制動時有100%電網回饋能力，而不需要自耦變壓器。 動力制動方式控制簡單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動?；仞佒苿臃绞诫m然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時制動，但控制復雜、成本較高。應該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網電壓下，才可以采用回饋制動方式。對于采用滑觸線供電的起重機，應特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點，建議采用動力制動方式，以保證起升機構持續(xù)下降時調速制動的可靠性。1.7經濟效益和安全可靠性（

27、1）采用交流變頻調速技術的起重機由于變頻器驅動的電動機機械特性硬，具有精確定位的優(yōu)點，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)起重機負載變化時電動機轉速也隨之變化的現(xiàn)象，可以提高裝卸作業(yè)的生產率。 （2）變頻起重機運行平穩(wěn)，起、制動平緩，運行中加、減速時整機振動和沖擊明顯減小，安全性提高，并且延長了起重機機械部分的壽命。 （3）機械制動器在電動機低速時動作，主鉤以及大、小車的制動由電氣制動完成，所以機械制動器的制動片壽命大為延長，維護保養(yǎng)費用下降。 （4）采用結構簡單、可靠性高的鼠籠異步電動機取代繞線轉子異步電動機，避免了因集電環(huán)、電刷磨損或腐蝕引起接觸不良而造成電動機損壞或不能起動的故障。 （5）交流接觸器大量減少，電

28、動機主回路實現(xiàn)了無觸點化控制，避免了因接觸器觸頭頻繁動作而燒損以及由于接觸器觸頭燒損而引起的電動機損壞故障。 （6）交流變頻調速系統(tǒng)可以根據現(xiàn)場情況，靈活調整各檔速度和加、減速時間，使得變頻起重機操作靈活、現(xiàn)場適應性好。 （7）交流變頻調速系統(tǒng)屬高效率調速系統(tǒng)，運行效率高，發(fā)熱損耗小，因此比老式調速系統(tǒng)大量節(jié)電。 （8）變頻器具有完善的保護、監(jiān)測及自診斷功能，如再結合PLC控制，可大幅度提高變頻起重機電控系統(tǒng)的可靠性。1.8本論文的研究內容本文在掌握交流電機變頻調速基本原理的基礎上，將變頻器技術運用于起重機上，控制電路比較簡單，電機選擇通用標準異步電動機，因此其通用性比較強，性能/價格比比較高

29、。具體研究工作包括：Ø 交流電機變頻調速原理的研究；Ø 變頻調速系統(tǒng)硬件電路的研究和設計，包括主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路等；Ø 變頻調速系統(tǒng)控制軟件的研究和設計。2變頻調速2.1變頻調速的基本原理異步電機的轉速公式為: = （ 1） (2.1)其中: 異步電動機的轉速，單位為r/min;定子的電源頻率，單位為Hz;電機的轉速滑差率;電機的極對數。由上式(2.1)可知，如果改變輸入電機的電源頻率，則可相應改變電機的輸出轉速。在電動機調速時，一個重要的因素時希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒有充分利用電機的磁心，是一種浪費:若要增大磁通，又會使磁通飽和，

30、從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。對于直流電機來說，勵磁系統(tǒng)是獨立的，所以只要對電樞反應的補償合適，保持不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉子合成產生的。三相異步電動機每相電動勢的有效值是: （2.2）式中: 氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值，單位為V;定子頻率，單位為Hz;定子每線繞組串聯(lián)匝數;基波繞組系數;美極氣隙磁通量，單位為Wb;由公式可知，只要控制好和便可以控制磁通不變，需要考慮基頻(額定頻率)以下和基頻以上兩種情況;1基頻以下調速即采用恒定的電動勢。由上式可知，要保持不變，單頻率從額定值向下調節(jié)時，必須同時降低然而繞組中的感應電動勢是難以控

31、制的，但電動勢較高時，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓U1 E，則得U1 /f1=常值。低頻時，U1和讀數較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時，可以人為的把電壓U抬高一些，以便近似的不補償定子壓降。帶定子壓降補償的恒功率比控制特性為b線()，無補償的為a線()。如圖2.1所示:圖2.1恒壓頻比控制特性2基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率f可以從往上增高，但電壓u磁通與頻率成反比的降低，相當于與直流電機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調速控制特性，如圖2.2。如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流，則電動機都能在溫升容

32、許的條件下長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于“恒轉矩調速”的調速，而在基頻以上基本上屬于“恒功率調速”。圖2.2異步電動機變頻調速控制特性2.2變頻器的基本機構和功能變頻器的基本結構見圖2.3圖2.3變頻器的結構圖變頻器的功能是為電動機提供可變頻率的電源,實現(xiàn)電動機的無極調速。變頻器具備對電機和變頻器本身的完善保護功能,如過熱、過載、過流、過壓、缺相、接地等,從而避免備在不正常狀態(tài)下長時間運行,保護設備不至于損壞。2.2.1變頻器的主回路器件電力電子開關器件：電力半導體器件己經歷了以晶閘管為代表的分立器件，以可關斷晶閘管(GTO)，巨型晶體管(GTR)，功率MOSFET、絕緣

33、柵雙極晶體管(IGBT)為代表的功率集成器件(PID),以智能化功率集成電路(SPIC)，高壓功率集成電路(HVIC)為代表的功率集成電路(PIC)等三個發(fā)展時期。從晶閘管發(fā)展到PID, PIC通過門極或柵極控制脈沖可實現(xiàn)器件導通與關斷的全控器件。在器件的控制模式上，從電流型控制模式及發(fā)展到電壓型控制模式，不僅大大降低了門極(柵極)的控制功率，而且大大提高了器件導通與關斷的轉換速度，從而使器件的工作頻率不斷提高。在器件結構上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測電路等組合在一起的復雜模塊。整流電路一般的三相變頻器的整流電路由三

34、相全波整流橋組成。它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。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。逆變電路逆變電路是利用六個半導體開關器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開關元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。它的主要作用是在控制電路的控制下，將平滑電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來實現(xiàn)對異步電動機的調速控制。2.2.2變頻器的控制電路構成 包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分，是變頻器的核心部分?？刂?/p>

35、電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。控制電路的主要作用是完成對逆變器開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。隨著電力半導體器件和微型計算機控制技術的迅速發(fā)展，促進了電力變頻技術新的突破性發(fā)展，70年代后期發(fā)展起來的脈寬調制(Pulse Width Modulation, PWM)技術成了現(xiàn)在最常用的變頻器功率開關器件的控制策略。SPWM(Sinusoidal PWM)則是較為常用的技術。其通常是采用調制的方法，即把正弦波作為調制信號，把接受調制的信號作為載被，通過對載波的調制即可得到SAM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因為等腰三角波上下寬度與高度線性關系，且左右對稱，當它與正弦波調

36、制信號相交時，如在交點時刻控制電路中開關器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合SPWM控制的要求。三角載波的頻率fc,和正弦調制波的頻率fr,之比即fc / fr =Nc稱為載波比。用生成的SPWM波控制逆變器開關器件的通斷，可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調制波的頻率fr,即是逆變器的輸出頻率f1改變fr,便可改變f1三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調制彼的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實現(xiàn)輸出電壓幅值的改變。3 QTZ50塔式起重機變頻控制系統(tǒng)設計 3.1總體設計方法 控制系統(tǒng)由PLC控制，三大機構調速均采用變頻調速。塔式起重機變頻調速

37、系統(tǒng)主要由上位機(工業(yè)觸摸屏系統(tǒng))、下位機(PLC控制系統(tǒng))、變頻調速系統(tǒng)組成。 1、起升機構起升機構屬位能負載機構。主起升電機使用一個FR-A540L變頻器。變頻器的選擇，應以選擇變頻器的額定電流為基準，一般以電動機的額定電流，負載率，變頻器運行的效率為依據?？刂品绞竭x用帶PG的矢量控制方式。PLC接受電機的旋轉編碼器經數模轉換卡送達的反饋信號，避免吊鉤的下滑。2、運行機構回轉運行機構和小車兩臺電機各用一個變頻器;變頻器的選擇，一般以電動機的額定功率作為選擇的依據。通常選額定功率大一級的變頻器?？刂品绞竭x用無PG v/f的變頻控制方式。 3.1.1塔式起重機主電路圖（圖3.1.1）我們所研究

38、的塔式起重機是電動單臂塔式起重機，該起重機由起升機構、回轉機構和小車牽引機構和液壓頂升機構及安全保護裝置和電氣控制裝置等部分組成。機構主要指主起升機構、小車運行機構、回轉運行機構。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過電纜卷筒將電源輸送到中心電器上，起重機機為低壓供電系統(tǒng)，電氣控制部分集中在操作室和電氣房內，安全保護裝置裝在在適當的位置上。圖3.1.13.1.2塔式起重機控制電路圖 圖3.1.23.2 PLC技術簡介3.2.1 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

39、。其采用計算機結構，主要包括CPU,存儲器、輸入、輸出接口及模塊、通訊接口及模塊、編程器和電源六個部分。如圖4.1所示，PLC內部采用總線結構，進行數據和指令的傳輸。外部的各種開關信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入變量，他們經PLC外部輸入端子輸入到內部寄存器，經PLC內部邏輯運算或其他各種運算處理后送到輸出端子，作為PLC的輸出變量，對現(xiàn)場設備進行各種控制。3.2.2 三菱FX2N工作原理 (1)FX2N系列PLC介紹 FX2N系列PLC功能強、速度快、具有模塊化、具有極高的可靠性、極豐富的指令集、實時特性、良好的通信能力等。它的強大功能使其無論是在獨立運行中，或相連成網

40、絡都能實現(xiàn)復雜控制功能?？梢愿鶕ο蟮牟煌?，選用不同的型號和不同數量的模塊。并可以將這些模塊安裝在同一機架上。它的基本指令執(zhí)行時間為0.8us每條指令，內置用戶存存儲器為8K步，可擴展到16步，最大可以擴展到256個I/O點，有多種特殊功能模塊和功能模塊，可以實現(xiàn)多軸控制。機內有時實鐘，PID指令用于模擬量閉環(huán)控制。有功能很強的數學指令集，例如浮點數運算，開平方和三角函數。每個FX2N基本單元可以擴展8個特殊單元。 (2) FX2N主要功能模塊介紹 1. CPU模塊CPU模塊包括一個中央處理單元、電源以及數字I/0點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的設備中。CPU負責執(zhí)行程序，輸入部分從現(xiàn)場設備

41、中采集信號，輸出部分則輸出控制信號，驅動外部負載。 2.I/0擴展模塊 當CPU的I/O點數不夠用或需要進行特殊功能的控制時，就要進行I/0擴展，I/O擴展包括I/0點數的擴展和功能模塊的擴展。 3.功能擴展模塊 當需要完成某些特殊功能的控制任務時，CPU主機可以擴展特殊功能模塊.如要求進行PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線連接時，就需要EM277 PROFIBUS-DP模塊，在這里主要介紹模擬量輸出模塊EM232。EM232模塊提供了有2輸出模擬量通道，具有12位的分辨率，且具有多輸入，輸出信號范圍。其內部集成了D/A轉換器、放大器等多種功能的電路，可用于復雜的控制場合。它能夠不用外部放大器而與

42、傳感器直接相連，可根據輸出模擬量的大小，通過其外置的D工P開關選擇不同的檔位及分辨率，且模擬量的輸出可作為測量傳感器的恒流源使用。3.3部件的選擇3.3.1電機的選用 一、變頻調速對電機的要求采用變頻調速時，由于變頻器輸出波形中高次諧波的影響以及電機轉速范圍的擴大產生了一些與在工頻電源下傳動時不同的特征。主要反映在功率因數、效率、輸出力矩、電機溫升、噪音及振動等方面。隨著高開關頻率的工GBT等電力電子器件的使用、PWM調制、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)轉矩。同時由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，

43、使電機可以避開共振點，解決了系統(tǒng)在大調速區(qū)間內可能發(fā)生的共振問題。二、變頻起重機系統(tǒng)中電機的選型起重機起升和運行機構的調速比一般不大于1:20，且為斷續(xù)工作制，通常接電持續(xù)率在60%以下，負載多為大慣量系統(tǒng)。嚴格意義上的變頻電機轉動慣量較小，響應較快，可工作在比額定轉速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機的特定要求。普通電機與變頻電機在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本一致;在連續(xù)工作時考慮到冷卻效果限制了普通電機轉矩應用值，普通電機僅在連續(xù)工作時的變頻驅動特性比變頻電機稍差。三、電機冷卻西門子變頻器在調速比為1:20的范圍內能確保起重機上普通電機有150%的過載力矩值。電機在起動過程中可承受2.5

44、倍額定電流值，遠大于變頻起動要求的1.5倍值，運行機構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1.1倍電流值可不予考慮。但若電機要求在整個工作周期內在大于1:4的速比下持續(xù)運行則必須采用他冷式電機。四、電機效率國外以4極電機作變頻電機首選極數，因此時電機有最好的功率因數和最高的工作效率，使能耗降為最低。目前，國內用于起重機械的4極電機有強迫通風冷卻的YZFXXX-4型電機等。五、電機起動轉矩及電機運行的功率因數起重機運行機構的轉動慣量較大，為了加速電機需有較大的起動轉矩，故電機容量需由負載功率P廠及加速功率Pa兩部分組成。一般情況下,電機容量P為 (5.1)式中一電機

45、平均起動起動轉矩倍數起重機起升機構的負荷特點是起動時間短(1-3s)，只占等速運動時間的較少比例;轉動慣量較少，占額定起升轉矩的10%-20%。其電機容量P為 (kw) (5.2)式中 一起重機額定提升負載，kg 一額定起升速度，m/s 一重力加速度，g=9. 81m/s 一機構總效率為使電機提升1.25倍試驗載荷，能承受電壓波動的影響，其最大轉矩值必須大于2,否則必須讓電機放容，從而降低電機在額定運行時的工作效率。通過利用上述公式的計算，選用改造后的塔式起重機各執(zhí)行機構的電機參數如表3.1所示:表3.1 各執(zhí)行機構電機參數電機型號電機功率主起升機構YP2 280M-845KW回轉機構YDZ1

46、32S2.2KW小車機構YDZ132S2.2KW頂升機構YDZ132S2.2KW3.3.2變頻器的選用（FR-A540）一、變頻器選型本系統(tǒng)選用三菱變頻器，三菱變頻器具有較合理的價格，完整的理論計算書及輔件推薦值，有利于用戶合理選用。 二、變頻器容量選擇 2.1起升機構起升機構平均起動轉距一般來說可為額定力矩值的1.3-1.6倍。考慮到電源電壓波動因素及需通過125%超載試驗要求等因素，其最大轉距必須有1.8-2倍的負載力矩值，以確保其安全使用的要求。等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值，為此可通過提高變頻器容量(Yz型電機)或同時提高變頻器和電機容量(Y型電機)來獲得200%力矩值。此時

47、變頻器容量為 (KVA) (3.3.2) 式中電機的功率因數，= 0.8 起升額定負載所需功率，kw 電機效率， =0. 85 變頻器容量，KVA 系數，K=2起升機構變頻器容量依據負載功率計算，并考慮2倍的安全力矩。若用在電機額定功率選定的基礎上提高一擋的方法選擇變頻器的容量，則可能會造成不必要的放容損失。在變頻器功率選定的基礎上再作電流驗證，公式如下: (3.3.3)式中一變頻器額定電流，A 電機額定電流，A2.2運行機構當運行電機在300s內有小于60s的加速時間的并且起動電流不超過變頻器額定位的1.5倍時變頻器容量可按下式計算。 (3.3.4)式中電流波形補償系數，PWM方式K=1.0

48、51.1 負載轉距，N.m 一總轉動慣量對電機軸的折算值，kg.m 加速時間，s 電機額定轉速，r/min當運行電機在300s內電機有大于60s加速時間時，變頻器容量按下式取值： ( kVA ) (3.3.5) 電流驗證:以上公式均以負載功率作為變頻器容量計算的基本參數，相同功率不同極數的電機有不同的額定電流。故最終尚需驗證電機和變頻器額定電流，即 2.3.多電機驅動時變頻器容量的選擇 電壓型變頻器可以一臺變頻器驅動多臺電機，其并聯(lián)運行且變頻器短時過載能力為150%、 60%時，如電機加速時間在300s內有小于60s的加速時間，則 (3.3.6)并要求 (3.3.7)式中負載所要求的電機軸輸出

49、功率并聯(lián)電機的臺數同時啟動的臺數電機效率，=0.8電動啟動電流與電機額定電流之比值 電流波形的修正系數，PWM方式取1.05-1.1 變頻器容量，KVA 變頻器額定電流，A2.4、電機變頻驅動選擇根據起重機電機驅動的特性和技術要求，采用帶測速反饋接口的系列變頻器作為主起升機構的電機驅動，F(xiàn)R-A540系列變頻器作為提升、小行車行走機構的電機驅動，F(xiàn)R-A540系列是一種通用性高性能矢量控制型變頻器，功能強，價格低，完全滿足行走機構的需求，因此我們推薦用戶選用該系列變頻器。通過利用上述公式的計算，塔式起重機各執(zhí)行機構的變頻器如表3.2所示: 表3.2 各機構的變頻器參數變頻器型號額定功率/電流主

50、起升機構FR-A540(L)55KW/110A回轉機構FR-A540(L)2.2KW/6A小車運行機構FR-A540(L)2.2W/6A 2.5、變頻器主要參數設置首先將所用電機銘牌數據輸入P80_ P85，變頻器應輸入幾個電機的總電流及總功率，并且大車變頻器帶有幾個電機時應運行于線性頻率/電壓特性，速度變化采用固定頻率的迭加，同時利用變頻器的制動器接通、斷開功能由RL2輸出繼電器觸點控制機械制動器，使行走機構在電機停止時不會由于外力而隨意移動。如表3.3所示： 表3.3 變頻器參數設置參數號參數值說明P0026加減時間秒P0036減速時間秒P00551檔速度P0063附加數字給定P0070開

51、關量輸入控制P0516固定頻率5開關P0526固定頻率4開關P0536固定頻率3開關P05410故障復位P0551運行右轉P03562運行左轉P0465固定頻率5P04415固定頻率4P04325固定頻率3P0616故障P0624外部制動控制P0770V/f特性(大車電機)P0771FCC特性(小車單電機)2.6 FR-A540端子圖根據起重機電機驅動的特性和技術要求，采用帶測速反饋接口的系列變頻器作為主起升機構的電機驅動，F(xiàn)R-A540系列變頻器作為提升、小行車行走機構的電機驅動，F(xiàn)R-A540系列是一種通用性高性能矢量控制型變頻器，功能強，價格低，完全滿足行走機構的需求，因此我們推薦用戶選

52、用該系列變頻器?；具\行方式STF正轉STR反轉運行停止運行STOP?？刂品绞接袃煞N，開關可控制方式，當STF或STR處于閉合狀態(tài)時，電動機正轉或反轉啟動或運行，當他們處于斷開狀態(tài)時，電動機即減速和停止。脈沖信號控制方式，在STF或STR輸入一個信號，電動機即可維持正轉或反轉，猶如具有自鎖功能一樣，如要停機，必須將STOP接通。圖2.63.3.3PLC的選用 目前PLC使用性能較好的有SIEMENS公司、日本的三菱、歐姆龍、美國的AB公司。根據性價比的選擇，根據被控對象的I/0點數以及工藝要求、掃描速度、自診斷功能等方面的考慮，我們采用三菱公司FX2N系列PLC。FX2N系列是三菱公司小型可編

53、程序控制器，可以單機運行，由于它具有多種功能模塊和人機界面(HMI)可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方便，并且可以很容易地組成PLC網絡。同時它具有功能齊全的編程和工業(yè)控制組態(tài)軟件，使得在完成控制系統(tǒng)的設計時更加簡單，幾乎可以完成任何功能的控制任務，同時具有可靠性高，運行速度快的特點，繼承了和發(fā)揮了它在大、中型PLC領域的技術優(yōu)勢，有豐富的指令集，具有強大的多種集成功能和實時特性，其性能價格比高，所以在規(guī)模不太大的領域是較為理想的控制設備。 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。 1、斷路器 為避開變頻器投入時直流回路電容器的充電電流峰值，為此變頻器配置的斷路器容

54、量應為電機額定電流的1.31.4倍，整定值為斷路器額定值的34倍。 2、接觸器 接觸器在變頻器主回路中僅在變頻器輔助器件或控制回路故障時起斷開主回路的作用，一般不作回路開斷器件用，故可按電機額定電流選用接觸器容量，無須按開斷次數考核其壽命。 3、交流電抗器 在變頻器的輸入端加接交流電抗器，以抑制變頻器造成的高頻峰值電流，或電容器開斷造成的峰值電流對變頻器的危害。同時，交流電抗器的接入還可起到降低電機噪聲、改善起動轉矩、在電機輕載時改善電機功率因數的作用。 4、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。常在其直流電路中加接一檢測直流電壓的晶體管。一旦直流回路電壓超過

55、一定的界限，該晶體管導通，并將過剩的電能通過與之相接的制動電阻器轉化為熱能耗。在能量消耗的同時加速了轉速的減小，該能量消耗得愈多，制動時間愈小，此裝置即為變頻器的制動單元。 5.制動電阻器借助制動單元，消耗電機發(fā)電制動狀態(tài)下從動能轉換來的能量。3.3.4 電阻值的計算 (3.3.8)式中 一直流回路電壓，V一制動轉矩，N.m一電機額定轉矩(在附加電阻制動的情況下，電機自損耗約為電機額定功率的20%左右)，N.m一電機額定轉矩(在附加電阻制動的情況下，電機額定轉速),r/min在制動晶體管和制動電阻構成的能耗回路中最大電流受晶體管許用電流Ic的限制，因此在選擇制動電阻值時不可小于其最小制動電阻值

56、Rmin，即 () (3.3.9)式中一直流回路電壓，V一制動晶體管允許的最大電流，A因此，制動電阻應按 > > 的關系選用。5.2 制動轉矩的計算 (3.4.0)式中一電機轉子飛輪轉矩之和，N.m 一負載轉矩，N.m 一減速開始時轉速，r/min 一減速結束時轉速，r/min 一減速時間，S6.電纜選擇由于高次諧波的驅動效應，電纜的實際使用面積減少，單位實際工作電阻增大，電纜壓降有增大的趨勢，故所配電纜一般大于常規(guī)使用值。3.4起重機變頻調速系統(tǒng)設計3.4.1系統(tǒng)控制的要求 對橋式起重機變頻調速控制系統(tǒng)的基本要求 (1)主機構升降速度調節(jié); (2)運行機構運行速度調節(jié); (3)保護功能:主機構上升限位、下降限位、回轉限位、小車限位、主副機構及小車電機的保護等?？刂葡到y(tǒng)應由PLC、繼電器、操縱臺各主令控制器、開關、按鈕、指示燈及各部位限位開關等組成。 3.4.2控制系統(tǒng)的1/O點及地址分配 I/O表 輸入 輸出按鈕SB1X0提升機構啟動Y0KM3按鈕SB2X1提升機構停止Y1KA1旋轉開關SA2X2提升電機正傳Y2KA2X3提升電機反轉Y3KA4X4故障Y4KA5旋轉開關SA3X5高速Y5KA6X6中速Y6KA3X7低速Y7KM4按鈕SB3 X10 STOPY10KA7按鈕SB4X11回轉機構啟動Y11KA