基于plc与变频器的桥式起重机控制系统设计

基于plc与变频器的桥式起重机控制系统设计内容摘要：

对转矩控制要求严格。 采用一台电动机单独驱动，使用一台变频器， 变频器的选择，应以选择变频器的额定电流为基准， 电机的主电路图如图 22所示 [5]。 控制面板 限位开关 PLC 变频器 变频器 M M 升降 小车 变频器 M 大车 M 主令输入 8 1M3 ~变频器L 2L 3变频器 变频器2M3 ~3M3 ~ABC起升小车大车4M3 ~ 图 主电路图 Figure main circuit diagram 各机构的安全保护及检测 桥式起重机的安全性能尤为重要，因此在软硬件设计中，我们对各机构的安全保护做了周密的设计。 主副起升机构设有上下极限限位开关，限位开关采用凸轮式或螺母螺杆式，当吊钩上升下降到极限位置时，停止在该方向上的运行。 其要求如下： 主副起升机构超速限位保护由变频器完成 ； 主副起升机构共用 一 台超负荷力矩限制器 ； 主副起升机构的过电流、过载、短路、断相等保护由变频器自动 完成 ； 主副起升机构均配备 BQC 型起重量载限制器，其综合秤量精度延 ≤ 5%FS。 起重量超 载限制器能分别在满载和所设定载荷发出相应信号，当载荷达到 90%时，发出提示性报警 信号，当载荷达到 110%时，立即停止起升动作，并发出禁止性报警信号。 小车在其运行的两个方向上均设有终点限位开关和预限位开关，开关采用 般机械式，其动作逻辑与保护过程同起升机构。 行走机构的过电流、过载、短路、断相等保护由变频器自动完成。 9 其 压电安全保护及检测 要求如下： 所有空气开关均有通、断检测 所有接触器均有故障检测 ； 所有电机均有过电流、过载、短路、断相保护 ； 联动台设空气开关分断按钮和总接触器急停按钮开关，在紧急情况下断开门机总电源 ； 各机构均设有主令控制器设零位保护。 小车机构设计 小车部分有一台电动机驱动，电动机通过减速器输出转矩到输出轴上，再通过联轴器与驱动部分连接，传递转速和转矩。 10 3 变频调速 及变频器 目前国内外调速的方案很多，主要是利用改变电机的级数、电压、电流、频率等方法改变电机的转速，通过上述方法使电机达到较高的使用性能。 变频调速 是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。 变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。 变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。 效率高，调速过程中没有附加损耗；调速范围大且可以实现平滑调速，调速性能好，可用于笼型异步电动机。 根据本课题需要选用变频器调速。 变频调速的基本原理 根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为 :  spfn  160 （ 31） 其中 n一异步电动机的转速 ,单位为 r/min； f一 定子的电源频率 ,单位为 Hz； S一 电机的转速滑差率 ； P一 电机的极对数。 由上式 ( 31)可知，如果改变输入电机的电源频率 f，则可相应改变电机的输出转速。 在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量中 .为额定值不变 磁通太弱，没有充分利用电机的磁心 ,是一种浪费；若要增大磁通 ,又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。 对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持中，不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的 [5]。 三相异步电动机每相电动势的有效值是 : mNg KNfE  (32) 式中 gE — 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值 ,单位为 V； 1f — 定子频率 ,单位为 Hz； 11 1N — 定子每 相 绕组串联匝数； 1NK — 基 波 绕 组 系数； m — 极气隙磁通量 ,单 位为 Wb； 由公式（ 32）可知 ,只要控制 好 gE 和 1f ，便可以 控制磁通不变，需要考虑基频 (额定频率 )以下和基频以上两种情况； a． 基频以下调速 即采用恒定的电动势 gE ， 有上式可知，要保持不变，单频率 1f 从额定值 nf1 向下调节时，必须同时降低 gE ， 然而绕组中的感 应电动势是难以控制的，但电动势较 高时，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 1u ≈ gu ，则得 1u / f =常值 .低频时， 1u 和 gE读较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。 这时，可以人为的把电压 U抬高一些，以便近似的 补偿定子压降。 带定子压 降补偿的恒功率比控制特性为 b线，无补偿的为 a线。 如图 31所示 : 图 31 恒压频比控制特性 Figure 31 frequency than constant pressure control characteristics b． 基频以上调速 在基频以上调速时，频率 1f 往上增高，但电压 u磁通与频率成反比的降低，相当与直00 nu1 nf1 )频 率(1f 1u (定子相电压 ) 12 流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速 控制特性，如图 32。 如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。 在基频以下，属于 “ 恒转矩调速 ” 的调速，而在基频以上，基本上属于 “ 恒功率调速 ” . 图 32 异步电动机变压变频调速控制特 Figure 32 asynchronous electric JiBian pressure variable frequency speed regulation control special 变频器的基本构成 变频器分为交 — 交和交 — 直 — 交两种形式。 交 — 交变频器只有一个变换环节，因此又称直接式变压变频器。 常用的交 — 交变频器输出的每一相都是一个正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，也就是说，每一相都相等于一套直流可逆调速系统的反并联可逆整流器。 交 — 直 — 交变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换可控频率和电压的交流。 由于此类变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式变压变频器。 交 — 直 — 交变频器由整流器、中间电路、逆变器、控制电路四 个主要部分组成。 整流器与三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。 整流器有两种基本类型：可控型和不可控型。 1f ( 频率 ) nf10 恒转矩调速 恒功率调速 Nu1 U1( 定子相电压 ) 13 中间电路有以下三种类型： 1） 将整流电压变换成直流。 2）使脉动的直流电压变得稳定或平滑。 3）将整流后的固定直流电压变换成可变直流电压。 逆变器产生可变电压 ,可变频率的变频交流电供给交流电动机。 控制电路将控制信号传递给整流器、中间电路和逆变器，同时也接受其反馈信号 [6]。 变频器的保护 过电流保护功能 由于变频器件的过载能 力较差，变频器的过电流保护至关重要。 变频器中，过电流保护的对象主要指带要突变性质的。 电流的峰值超过了变频器的容许值的情形。 工作中过电流即拖动系统在工作过程中出现过电流，其原因大致来自以下几个方面： “卡住”现象，引起电动机电流的突然增加。 ，如输出端到电动机之间的联机发生相互短路，或电动机内部发生短路等。 升速中的过电流当负载的惯性较大，而升速时间又设定的太短时，将产生过电流。 这是因为，升速时间太短，意味着在升速过程中， 变频器的工作频率上升太快，结果升速电流太大。 变频器对过电流的处理 在实际的拖动系统中，大部分负载都是经常变动的。 因此，不论是在工作过程中，还是在升 . 降速过程中，短时间的过电流总是难免的。 所以，对变频器过电流的处理原则是，尽量不跳闸，为此而配置了防止跳闸的自处理功能；只有当冲击电流的峰值太大，或防止跳闸措施不能解决问题时，才迅速跳闸。 [3] 过电压保护功能 1）电源过电压 2）降速时因反馈量来不及释放而形成的再生过电压。 14 1）电源过电压 对于电源电压 的上限，一般规定不能超过额定电压的 10%，当电源线电压为 380V时，起上限值为 420V。 由于电源电压过高，将直接反映在整流后的直流电压上；同时，再生过电压也直接反映在直流电压上，所以，进行电压保护的“取样电压”总是从主电路的直流电路中取出。 2）再生制动时的防止跳闸功能 和升速过程中过电流时的防止跳闸功能一样，在降速过程中出现过电压，也可以采取暂缓降速的方法来防止它跳闸。 欠电压保护 对于电源方面引起的欠电压，变频器设定的动作电压一般都较低， 不很严格。 这是因为： 1） 欠电压的后果之一，是电 动机的转矩下降，而新系列的变频器都有各种补偿功能，使电动机能够继续运行。 2） 欠电压的另一个后果是电动机的电流增大，而变频器又具有完善的过载保护功能。 15 4 桥 变 起重机 控制系统 硬件 选择 桥 式起重机系统硬件构成及各部分功能 分析 桥式起重机大车、小车、 升降 电动机都需要独立运行，大车为两台电动机同时拖动，所以整个系统由 4 台电动机、 3 台变频器传动，并由 PLC 分别加以控制。 各部件的功能及实现方法如下： 1)变频器 变频器为电动机提供频率可调节的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。 起重 机变频器，特别是 升降部分 变频器，需配用制动电阻。 起重机放下重物时，由于重力作用起重机将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到变频器直流电路中，使直流电压不断上升，甚至达到危险的地步。 因此，必须将再生到直流电路里的能量消耗掉，使直流电压保持在允许范围内。 制动电阻就是用来消耗这部分能量的。 2)电源及安保系统 起重机的保护中有一个重要手段是电源控制，当出现任何意外时，首先是断开起重机的电源接触器，这时起重机各个环节的电磁抱闸发挥制动作用，保障设备及人身安全。 这套机制在采用变频器之后仍将保留。 3)电动机 采用 变频器的交流起重机各电动机，可以使用专用的变频调速起重电机，也可用起重机原有的线绕转子电动机，将转子绕组短接就可以了。 4)可编程控制器 可编程控制器完成系统逻辑控制部分，含接受主令控制器送来的操作信号、对变频器的控制及系统安全的保护，是系统的核心。 5)主令控制器 主令控制器（又称主令开关），主要用于电气传动装置中，按一定顺序分合触头，达到发布命令或其他控制线路联锁，转换的目的。 适用于频繁对电路进行接通和断开，常配合磁力启动器对绕线式异步电动机的启动，制动，调速及 换向实行远距离控制，广泛用于各类起重机械的 控制系统中。 6)电磁制动器 电磁制动器是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以根据需要自由的结合，切离或制动，因使用电磁力来作动力，称之电磁制动器，具有响应快，结构简单等优点。 16 电磁制动器是现代工业中一种理想的自动化 执行元件 ，在机械传动系统中主要起传递动力和控制运动等作用。 具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，使用可靠，易于实现远距离控制等优点。 使机械运转部件停止或减速所必须施加的阻力矩称为制动力矩。 制动力矩是设计、选用制动器的依据，其大小由机械的型式和工作要求决定。 制动器上所用摩擦材料（制动 件）的性能直接影响制动过程，而影响其性能的主要因素为工作温度和温升速度。 摩擦材料应具备高而稳定的摩擦系数和良好的耐磨性。 摩擦材料分金属和非金属两类。 前者常用的有铸铁、钢、青铜和粉末冶金摩擦材料等，后者有皮革、橡胶、木材和石棉等。 图 41 电磁制动器 Figure 41 electromagic brake 系统的硬件部件选择 电机的选用 1） 调速对电机的要求 采用变频调速时，由于变频器输出波形中高次谐波的影响以及电机转速范围的扩大产生了一些与在工频电源下传动时不同的特征。 主要反 映在功率因数、效率、输出力矩、电机温升、噪音及振动等方面。 随着 增强型 V/f控制方法的应用、使变频器输出波形、谐波成份、功率因数及使用效率得到了很大的改善，有效地提高了变频控制电机的低速区转矩。 同时由于变频控制软件的优化使用，使电机可以避开共振点，解决了系统在大调速区间内可能发生 的共振问题。 日前，变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或呈 1:20以 上的大速比、低调速要 17 求或特低噪声要求外，一般无须选用变频专用电机作变频系统的电机。 现在国内推出的变频专用电机由。