桥式起重机的变频调速系统毕业设计

摘 要电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲 60 年代采用发电机电机系统。从控制电阻分级控制，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闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。本次设计采用 PLC 和变频器技术，以 PLC 控制变频器，即以程序控制取代继电接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出 PLC控制的桥式起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。关键词：PLC 桥式起重机 矢量控制目 录摘 要 .1绪 论 .3第 1 章 桥式起重机介绍 .61.1 国内外发展概况 .61.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题 .7第 2 章 调速系统介绍 .92.1 电动机的调速指标 .92.2 变频调速的基本原理 .112.3 电动机变频调速的机械特性 .12第 3 章 变频器 .143.1 变频器的分类 .143.2 变频器的主电路 .153.3 变频器的控制电路 .163.4 脉宽调制型(PWM)变频器 .16第 4 章 可编程序控制器 .204.1 PLC 的应用与发展和系统组成 .224.2 PLC 的工作原理、抗干扰分析及设计 .24第 5 章 调速控制系统设计和部件选型 .255.1 采用变频调速的基本考虑 .265.3 桥式起重机变频调速控制系统 .31第 6 章 桥式起重机变频调速系统软件设计 .346.1 S7-200PLC 网络的通信协议 .346.2 PLC 程序设计 .35展 望 .39参考文献 .41第 3 页绪 论桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，传统桥式起重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不理想。所串连电阻长期发热，电能浪费大，效率低。要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为 PLC 控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。本次设计采用 PLC 和变频器技术，以 PLC 控制变频器，即以程序控制取代继电接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出 PLC 控制的桥式起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式起重机在恶劣条件下的工作情况，对改善桥式起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。如果说以第一个晶闸管的出现作为交流电动机变频调速的起点，可以认为它的发展历史己 40 多年了。而变频调速技术真正高速发展时期，应该是在 PWM 调制技术的出现和微机控制技术发展之后。特别是最近 20 年来，随着交流调速技术的应用普及，交流变频调速在化工、火电厂、矿山、油田、机械制造、城市建设、水处理、甚至家电等行业己经全面推广使用，一般主要用于节能及控制。随着变频技术的普及和深入，以及国际、国内电器设备使用的有关标准意识的强化，电力系统行业和用户对变频技术的质量要求也越来越高。变频调速的发展趋势主要围绕下面几个方而展开。1) 高性能的智能控制变频器380V 系统的低压变频器是国内的主要研究对象，应用交流调速的基本理论，结合神经网络控制、鲁棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，实现电机运第 4 页行参数的自动辨识，以期达到自适应、自调整的最优控制。2) 速度传感器研究从前面所述的各种变频调速的理论可知，一般系统都要用到转速传感器。在实际使用中，由于变频设备和被控电动机有一定的距离，而高精度的转速传感器都要使用专门的电源，被控电动机有的是在户外，运行工况非常恶劣，要保证速度反馈的准确性，有时不得不采取特别措施，因此也会增加额外费用，运行的可靠性和控制精度也会因此受到影响。无速度传感器的变频调速系统，是通过现场采集的电流电压量，以及控制的实施策略，综合出被控电机的实际转速。这种控制方案要求计算机的控制速度较高，并有足够的精度。3) 针对功率因数提高和谐波污染的研究低压变频调速系统的控制虽然己经是非常成熟了，但目前国际、国内的产品，一般都是矢量控制和直接转矩控制，重点放在电机变频控制理论的实现和完善上，而对变频器的输出波形、功率因数，以及谐波污染等问题还没有引起足够的重视。最近 10 多年来，国外在这一领域己有较深入的研究。有的针对功率因数，有的强调输出波形。多重化技术就是为了解决输出波形问题。最近几年的研究表明，利用 PWM 输出控制解决谐波输出问题，是比较理想的方法，它可以省去多重化中的变压器，或过多的开关元器件，使变频器的体积和重量减少，但这种方法不能解决所有谐波的消除问题，只能部分消除特定谐波。这方面的研究论文还不多，也还没有成熟的类似低压变频器的产品出现。4) 高压变频器的研究变频器的主要作用之一是节能。而高压电动机的节能效果是比较明显的，大功率的风机和水泵用电动机一般都是高压电动机。国内，高压变频调速和它的节能控制还是一个比较薄弱的环节.它主要是针对 610kV 的交流电动机进行变频调速控制。这种高压电动机广泛应用于火力发电厂的送风机和引风机上。同样也可用于其他如石油化工、矿山、冶炼、机械制造等行业的变频节能控制。从某种意义上讲，由于目前国内还不能完全生产高质量的合格电力电子器件，而且，国外低压变频器的性能价格比也比国内自己研究的变频器高得多。随着电力电子技术最近 20 多年的飞速发展，功率半导体器件的成本逐年下降，技术工艺和性能也得到不断改善.电力电子器件的应用己从传统的直流调速、直流屏、斩波器等领域延伸到交流调速和电力系统的质量控制领域.并正朝着高电压、大功率的方向发展.这也是千年之交和世纪之交我国电力电子技术应用的发展趋势。5) 无换向器同步电机的变频调速无换向器电动机也是在 20 世纪 70 年代发展起来的新型调速系统。它是一种变频调速同步电动机.也可以认为是一种用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作第 5 页用的直流电动机。根据采用的控制方式不同.可分为直流无换向器电动机和交流无换向器电动机。直流无换向器电动机采用交-直-交或直-交变频控制系统;交流无换向器电动机采用交-交变频控制系统。近 10 年来.国内外杂志上有许多相关的研究论文。而且，也有一定的成果出现。第 6 页第 1 章 桥式起重机介绍1.1 国内外发展概况电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲 60 年代采用发电机电机系统。从控制电阻分级控制，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闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能：l) DC-300 直流驱动调速系统：GE 公司 DC-300，DC-2000 是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从 300HP 到4000HP，并采用 PLC 对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。该驱动系统实施主回路 SCR 整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到 SCR 移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。2) 交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于 1972 年就正式定为 VS 系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器 PLC 引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故第 7 页障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。3) 变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在 70 年代末80 年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国 SIEMENS，美国 GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的 IGBT 模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用，该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机矢量控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。变频器使用 PWM 技术可严格地使输入电流正弦 ，即在下1cos降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着 PLC 系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的第 8 页地位，经过几十年的发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。传统的起重机驱动方案一般采用：（1）直接起动电动机；（2）改变电动机极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）可控硅串级调速；（6）直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速：起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于0.20.4，即使满载也低于 0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问题：1)控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高；2)在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出；3)低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻导致机械特性变得很软，低速定位困难；4)能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重第 9 页第 2 章 调速系统介绍调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品的质量。2.1 电动机的调速指标1) 调速范围电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用 D 表示，即minaxmina:(2-1)2) 调速方向调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(基本转速)高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调。3) 调速的平滑性调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，第 10 页相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳