毕业设计（论文）-PLC控制的龙门起重机变频调速系统.doc

文摘第一章绪论1.1概述1.2门式起重机电气传动系统方案与原理1.2.1门式起重机负载特点1.2.2转子电路串电阻调速1.2.3晶闸管定子调压调速1.2.4直流调速系统1.2.5交流调速系统1.3门式起重机的控制系统方案1.3.1 PLC控制系统1.3.2起重机监控系统1.4本课题的工作和意义1.5本章小节第二章钢厂200吨龙门起重机电控系统简述2.1 200吨门式起重机的构造2.2电控系统简述2.2.1系统功能2.2.2起重机动作机械联锁保护2.2.3起重机变频电动机的选择2.2.4其他配置2.3本章小结第三章起重机变频调速传动系统3.1变频器的技术概要3.1.1变频调速的原理3.1.2变频器3.1.3异步机的标量控制3.1.4异步机的矢量控制3.2起重机的变频调速系统3.2.1起重机电机的选用原则3.2.2起重机变频器的选用原则3.3钢厂200吨龙门起重机传动系统方案3.3.1变频方案选择3.3.2系统组成及特点3.4西门子工程型变频器SIMOVERT MASTERDRIVES3.4.1功率部分的计算3.4.2多电机传动3.4.3整流/回馈单元3.4.4 AFE整流/回馈单元3.4.5各种制动方案的比较3.4.6西门子工程型变频器技术特性3.4.7软件功能3.4.8通讯卡3.4.9系统元件3.5钢厂200吨门式起重机变频器选型3.6本章小结第四章起重机PLC网络控制系统4.1PLC及其网络概述4.1.1 PLC4.1.2 PLC网络4.2钢厂200吨门式起重机自控系统方案4.2.1自控系统方案原理图4.2.2系统说明4.3西门子PLC S7-300功能概述4.3.1 S7-300系统功能4.3.2钢厂200吨龙门起重机PLC模块4.3.3 STEP 7编程语言4.3.4全集成的解决方案4.4 PROFIBUS现场总线技术4.4.1 PROFIBUS现场总线简述4.4.2 PROFIBUS的组成4.4.3 PROFIBUS的存取介质4.4.4 PROFIBUS的介质存取控制 4.4.5 PROFIBUS的介质存取协议4.5 SCADA/HMI系统4.6本章小结第五章起重机系统功能的实现5.1起升机构的抱闸控制5.1.1工艺要求5.1.2控制功能的实现5.2大车行走纠偏控制5.2.1工艺要求5.2.2控制功能的实现5.3起升机构自动同步5.3.1工艺要求5.3.2控制功能的实现5.4起重机管理系统5.5本章小结结论参考文献第一章 绪论1.1概述近年来，随着我国工业生产、物流事业的发展，许多工厂、码头、货场需要大吨位的门式起重机进行安装作业。这种门式起重机要求作业时平稳、可靠，有良好的低速就位性能。调速精度要求比较高。200吨门式起重机是钢厂大型起重的关键设备，这台设备的建造是为了提高钢产品效率。由于这台设备的重要性，因此要求配备技术先进、性能可靠的电控系统。传统起重机的电力拖动系统多采用交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行起动和调速，继电一接触器控制，这种控制系统的主要缺点是:1.起重机工作环境恶劣，工作任务中，电动机及所串电阻烧损及断裂故障时有发生。2.继电一接触器控制可靠性差，操作复杂，故障率高。3.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。随着变频调速技术的发展，起重机开始应用变频器来控制交流电机驱动起升、行走机构并获得了理想的效果。对于控制点较多的门式起重机，PLC、现场总线技术开始替代传统的继电器控制。通过HMI(人机界面软件)使得操作界面更友好，下层控制器的历史数据和报等信号等能够直接读取，便于控制及进行故障诊断。钢厂的200吨门式起重机的电气设计立足于安全，可靠，技术先进，性能价格比合理，维修方便。因此采用PLC控制的变频调速技术。经过详细的方案论证，最终驱动系统选择了西门子公司的整流/回馈直流母线方案，控制系统采用现场总线技术。本文就门式起重机电控系统的选型调试提出了一种行之有效的方案，并对起重机起升机构同步控制，抱闸控制，行走机构纠偏控制，现场总线技术的应用提出了一种解决方案。另外，对调试过程中遇到的一些实际问题也作了简单的阐述。1.2 门式起重机电气传动系统方案与原理1.2.1门式起重机负载特点为了提高生产率以及适应各种工作的要求，起重机的工作速度应该是可控制的尤其是起重机起升机构，当轻载和空钩下降时，在大起升高度升降重物时，为节省时间，需较高的工作速度，当吊运危险物品、重载以及进行安装工作时，为了安全可靠和准确定位，则要求较低的工作速度甚至微速。因此，起重机一般设有速度调节装置，且要求其工作平稳可靠、结构简单、操作方便、调速范围大等.对于门式起重机，其核心机构是起升机构，在起升机构上电气控制调速必须解决的关键技术为:1)低频时能保证恒转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;2)满负载时在空中制动停车或再提升时，不产生溜钩现象;3)电动机减速或重载下放时，再生制动能量必须迅速释放。对于门式起重机的行走机构，为了保证停车位置的准确，也必须将负载按照四象限运行来考虑。下面列举几种起重机常用的调速方案并进行比较。1.2.2 转子电路串电阻调速传统的门式起重机多采用绕线式交流异步电动机转子电路串电阻调速。绕线式交流异步电动机转子电路串接不同电阻时的机械特性如图1-1所示。其中，电阻R2RlR，当电动机负载转矩M相同时，转速随电阻增大而降低.即串接电阻后电动机同步转速no和最大转矩Mmax不变，转差率S增大，转速降低.利用此方法可改善电动机的起动特性和控制工作速度.图1-1 转子串电阻机械特性Figl-1Mechanical characteristic rotor with resistance in series这种方法调速简单可靠，成本低，方便维修，缺点是有级调速，冲击大，在外接电阻器上功率损耗大，低速时机械特性软，不易获得稳定的轻载低速，下降工况时调速困难，故一般与制动器配合使用。1.2.3晶闸管定子调压调速电动机的晶闸管定子调压调速是一种较先进的调速方式，它具有调速比大，工作可靠，响应速度快等特点，已被国内外生产厂家广泛地用作起重机的主要调速方式之一。起重机定子调压调速系统，是指向绕线式转子异步电动机的定子提供一种电压可变的电源，转子外串相应段数的电阻以调节其转差率Si，使电动机在稳定的工作区内降速运行的一种调速系统。在绕线式异步电动机转子串联电阻不变的情况下，改变电机的供电电压，其输出转矩与电压的平方成正比。其特性曲线如图1-2所示，图中虚线是2.1倍电动机额定电流时的等电流曲线。由图1-2 可知，临界转差率不变。电机的临界转差率SK是由电机的阻抗参数决定的，若在转子回路串接外部电阻，则可以增加S、值。在绕线式异步电动机的转子中串以多级电阻(如图1-3所示)，即可得到一簇曲线，见图1-4，在电动机定子电压不变的情况下，其临界转矩MK保持不变。为了获得较好的输出特性，起重机调压调速系统中几乎都采用闭环调速方式，大多采用转速反馈。其中最常用的测速反馈元件是测速发电机，也有使用脉冲编码器的。总体来说，晶闸管定子调压调速方案能平滑调节速度.且低速时特性较硬.调速范围可达1:10，上升、下降均可调速.但系统较复杂.尤其是串电阻消耗功率，发热量大，维护不方便。1.2.4直流调速系统直流电动机的转速特性可用下式表示:式中，n一电动机转速;U一电枢供电电压;R一电枢回路总电阻;Ke一有电机结构决定的电势常数式中Ke为常数，Ia的大小取决于负载转矩，因此直流电动机的调速方法有三种:(1)调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要从额定电压向下调，电动机额定转速向 下变速，属恒转矩调速。(2)改变电动机主磁通只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调，属恒功率调速方法 。(3 )改变电枢回路电阻Ra改变电阻调速缺点很多，目前很少采用。自动控制的直流调速系统往往一调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合使用。在门式起重机的应用中，满载时采用调压调速，轻载时采用弱磁调速。直流调速调整性能好，可无级调速，操作轻便，但设备较复杂，成本高、体积大、噪音大，可靠性差，维护也不方便。1.2.5交流调速系统由异步电动机的转速公式n= 60f1(1-s)/p ( 1-2 )(式中，n为转速,f1为电源频率，p为极对数，s为转差率)可知 ，异步电动机的转速n近似与供电电源频率f1成正比。而异步电动机的感应电动势E1为: ( 1-3 )式中，f1同上式，为绕组的匝数,k1为绕组系数为磁通，加果忽略电动机定子阻抗压降，则端电压U1为 (1- 4)在改变电源频率f1实现调速的过程中，应使电源电压U1同时增减并使U1/f1为常数，这样才能保证电机的磁通不会有大幅度波动，从而保证电机出力的恒定。因此，根据Ul和f1之间的关系，可以得出以下三种工作方式:(1) U1/f1为常数此时电源电压和频率均在低于额定值的范围内变化。但随着电源电压下降，定子阻抗压降作用逐渐明显，将破坏E1/f1为常数的关系，使磁通中减少，因而这种工作方式的调速范围较小。(2) 保持电动机最大转矩Mm恒定若让电源电压U1和频率f1按一定函数关系变化，自动补偿电动机定子阻抗压降的影响，保持E1/f1为常数，就可以使电动机在低频时的驱动能力增强。这种工作方式用在额定转速的范围内调速，适合于驱动需要较大调速范围的恒转矩负载。(3) 恒功率和恒转矩调速由于不允许电压U、超过电动机额定电压，在实现额定转速以上的调速时，应保持电源电压不变并为额定值，仅使频率增加。此时电动机磁通中减少，输出转矩也随之下降，但输出功率近似恒定.这种工作方式用在额定转速以上范围调速，适合驱动恒功率负载。在额定转速以下调速仍保持E1/ f1为常数，适合驱动恒转矩负载。由于起重机起升机构负载为恒转矩负载，因此采用恒功率和恒转矩调速的工作方式完全满足起重机起升机构的需要。变频调速是起重机调速最理想的方案，调速比可达1:10以上，可实现无级调速，各挡速度机械特性很硬，重载低速起动和运行稳定可靠，加减速时间的设定使各挡起制动速度相当平稳。适合起重机起动转矩大、低速大扭矩及负载变化大的工况。具有较高的控制精度，设计有故障显示、分析及参数监控功能，便于使用和维护，并且易于实现自动控制及远程控制。所以说，变频调速在起重机上的应用具有广阔的前景。1.3 门式起重机的控制系统方案1.3.1 PLC控制系统门式起重机的执行机构工作时需频繁启动、制动和正反转，因此要求其电控系统有较高的安全性和可靠性。传统的电控系统，由于要考虑各机构间复杂的工况联锁和保护报警，采用了大量的时间继电器和中间继电器，使控制柜内的布线十分复杂，给调试和维护都带来不便。采用PLC作控制器，可以用PLC的定时器取代时间继电器，用软件编程来实现各机构间的多重联锁和保护报警.大大减少了中间继电器，使系统的设计变得简单，提高了电气控制的可靠性。此外，通过PLC还可以实现对变频器的控制及复杂的工艺要求。门式起重机PLC主要控制功能有:接受主令控制器的速度控制信号，控制吊机的行走，起升动作及速度控制。(1 )安全联锁及保护报等信号的处理。(2) 起升，行走机构的同步控制(3) 吊重检测及闭环控制(4) 辅助系统及电源配电系统的监控1.3.2起重机监控系统随着微电子、微机和控制技术的不断推新，PLC己发展成为一种多功能、智能化的综合控制器.其应用不仅实现了生产过程自动控制，而且还构成适合工业环境的实时网络，使系统以单台PLC控制延伸到大型工业网络的分散设备上，采用 PLC网络链接通讯，实现大量数据的高速传送与管理，通过SCADA/HMI上位机监控管理软件可实现对起重机智能化的操作管理.上位机监控管理软件的主要功能有:(1)在线功能:实时显示运行状态，图形模拟，用户界面友好便于操作。(2)故障报警(3)自动监测联锁功能(4)历史维护数据的记录(5)操作统计与记录(6)帮助功能(7)系统报告：系统可以实现统计和打印故障报表、操作报告、重复性故障率等相关 数据报表。1.4本课题的工作和意义为了适应钢铁运输发展的需要，钢厂建造200吨龙门起重机。本课题将围绕该起重机电控系统的设计，选型及调试进行阐述。重点放在系统方案选型及调试。本课题的主要工作有:(1)起重机传动系统的方案选型(2)起重机控制及现场总线通讯网络的方案选型(3)起重机电控系统的设计调试，重点在于起升机构的抱闸控制，同步控制，行走机构的纠偏控制及安全联锁控制。本课题的意义在于相对于传统的起重机电控系统，提出了先进的面向未来发展的变频调速系统及PLC网络控制系统的一套实际应用方案。对系统选型注意的问题，起重机的特殊控制要求以及调试进行了综合分析。对今后同类起重机电控系统的应用有一定的参考价值。1.5本章小节本章详细介绍了各种起重机电气传动及控制系统的特点，以及对本课题的工作和意义做了阐述。第二章钢厂200吨龙门起重机电控系统简述2.1 200吨门式起重机的构造200吨门式起重机是钢厂大型起重的关键设备。起重机由主梁，刚性腿，柔性腿，平衡梁，车架等结构组成一个门架，在柔性腿和主梁间设有柔性铰。并有上小车，下小车，大车行走机构，起升机构等构成各运行机构，以适合钢铁运输的要求。另有润滑，电梯，维修起重机等辅助设备协同构成一个整体。2.2 电控系统简述2.2.1系统功能电控系统的供电电源为10KV5%,50Hz0.5Hz，经1000KVA,l0KV/400V干式变压器变为AC380V,220V电源。本机电器设备分别布置在电气室，司机室，高压室，上小车机房，下小车机房，刚性腿下平台，柔性腿下平台等。各个机构的操作都可在司机室内完成。所有操作可由司机一人在司机室联动台完成。系统的功能包括:1. 重载翻身本机有三只主钩，上小车两只主钩、，每钩起重能力100吨。下小车一只主钩，起重能力120吨。另一只副钩，起重能力25吨。三只主钩空中翻身时的最大载重量为200吨。三只主钩抬吊时的最大载重量为300吨。两只主钩抬吊时的最大载重量为200吨。2. 吊重差允许上小车两钩吊重差最大20吨。3. 上小车主钩, ，下小车主钩能单独升降，上小车主钩I,能同时升降。上小车主钩、和下小车主钩能同时升降。(其中、中的任何一只吊钩能单独升降，以完成水平调整。)4. 副钩单种升降。5.上小车和下小车能单独行走，亦能共同行走。6.上小车，下小车钩子的升降能和上小车，下小车行走共同运动。7.大车行走机构。刚性腿边或柔性腿边，在纠偏时能单独运动。8.上小车，下小车钩子的升降能和大车共同运动。9.上小车，下小车的行走能和大车一起运动。10.上小车，下小车钩子、的升降能和上小车，下小车行走，大车行走共同运行。11.下小车的主、副钩不允许同时运行。12.各机构都设有行程限位。行程限位设预限位，端限位和极限位各一套。2.2.2起重机动作机械联锁保护(1)起升机构起升机构包括上小车两只主钩、，下小车主钩和副钩；其机械联锁保护功能要求如下:表2-1起升机构联锁保护功能Tab2-1 Lift unit interlock function (2)行走机构上小车，下小车行走机构机械联锁保护功能要求如下：表2-2 上、下小车行走机构联锁保护功能Tab2-2 Up/Under vehicle moving unit interlock function大车行走机构机械联锁保护功能要求如下:表2-3 大车行走机构联锁保护功能Tab2-3 Gantry movingu nitin terlockf unction2.2.3起重机变频电动机的选择起重机采用变频调速通常有两个目的：一是代替绕线式电动机改善起制动性能，使起制动更加平稳；二是代替直流电动机在不同的速度下长期稳定运行。选择起重机变频电动机，要对使用工况，电机特性.变频调速原理了解下才能根据工艺参数正确选择。这里不涉及到具体的计算，仅对要注意的事项说明如下:(1)起重机变频电动机的工作制习惯上对于一般桥式起重机、门式起重机，其起升和运行机构电动机的工作制都取为S3，但两种机构的选择系数不同。通常比较正确的取法是起升机构按S3，运行机构、回转机构、工作变幅机构按S4或S5，非工作俯仰机构按S2。电动机的工作制、接电持续率和起动次数的作用效果是使电动机发热，其综合影响可以通过发热验算来解决。(2)选择变频电动机的基本原则、所选电动机的最小转矩能满足额定载荷下稳定运行的需要;、最大转矩能保证起、制动过程中加速、减速的需要;、温升不超过允许值。200 吨龙门起重机配置的电动机和编码器:(1)起升、：YTSZ315L-10，110KW两台，各内置两只编码器和超速开关；(2)起升：YTSZ315M1-10，132KW一台，内置两只编码器和超速开关；(3)副起升：YTSZ280M-8，55KW一台，内置一只编码器和超速开关；(4)上小车行走：YTSZ160L-6，11KW四台，上小车自由轮装一只编码器;(5)下小车行走：YTSZ180L-6，15KW两台，下小车自由轮装一只编码器;(6)大车行走：YTSZ160L-6，11KW十六台，大车行走两侧自由轮各装一只编码器。2.2.4其他配置(1)行走机构在轨道旁每间隔一定间距，设置纠差检测开关。(2)夹轨器、锚定系统(3)润滑系统(4)风速仪(5)称重传感器及信号放大系统，用于四只吊钩(6)电视监控系统(用于司机室显示监控)(7)照明系统，配备照明变压器(8)通讯系统(9)电控室 、司机室配置冷暖空调(10)分电控室、机房、高压室配置通风机(11)紧急停车在司机联动台上、电气控制室、刚性腿两侧、柔性腿两侧、上小车、下小车设置紧急停车按钮。(12)大车运行警示装置在大车的端部装有四套声光报警装置，大车运行时，该报警装置动作，警示地面人员。2.3 本章小结本章描述了钢厂200吨龙门起重机的构造和电控系统的功能及要求，提出了对电控系统要实现的功能和整机安全联锁保护。第三章起重机变频调速传动系统传统的起重机调速方法较多，但都存在调速范围小、速度稳定性差、无法长时间低速下降载荷等缺点，而且系统复杂，可靠性低、维护量大、能耗高。全变频调速系统作为一种先进的调速方案开始在起重机上应用。本章介绍钢厂200吨龙门起重机的多电机传动变频调速系统方案。3.1变频器的技术概要变频调速作为一种新型的调速方法自本世纪初提出以来发展十分迅速，它在节能，维护量小，自动控制性能好等方面的优点突出。加之近年来电力电子技术的长足发展，大大降低了其一次性成本的投入。起重机的动力传动具有大惯量，四象限运行的特点。因此在了解起重机的工艺要求和各类变频器的特点后才能正确选择适用的变频器和辅件。3.1.1变频调速的原理变频调速系统的原理框图入图3-1所示。控制器根据转速的给定值和反馈量(开环控制和无速度传感器控制时可无转速传感器)运用相应的控制算法控制逆变器中功率器件的关断时序。恒压恒频的三相交流电通过逆变器产生电压和频率均可变的三相交流电，供给交流电机的定子，以实现平滑的交流电机调速。在多数情况下，把控制器和逆变器合二为一，称为变频器。3.1.2变频器随着电力半导体器件的发展，变频器的发展也经历了几个阶段。电力电子器件的自关断、模块化、变流电路开关的高频化和控制手段的全数字化，促进了变频器的小型化、多功能化、高性能化。尤其是控制手段的全数字化，利用了微机的强大信息处理能力，使软件功能不断强化，变频器的灵活性和适应性不断增强。随着网络时代的到来，变频器的网络功能和通信能力不断加强，它不仅可以与设备网的现场总线相连，还可与信息网交换实时数据。衡量变频器的好坏，主要比较其以下功能:转速控制方法、频率上升和下降的最快时间、一般静差率下的最低转速(调速范围)、多段速度选择、载波频率设定、频率跨跳功能、速度反馈、定时控制、PI控制、数字设定、人机界面、网络通信接口、可编程控制器接口、各种安全保护措施、各种故障诊断和显示功能等。3.1.3异步机的标量控制由异步机的稳态特性推导出来的恒定压频比控制方法只控制变量的幅值，并且给定量和反馈量都是与相应变量成正比的直流量，因此叫标量控制。标量控制是最早在变频调速中使用的技术，其控制原理简单，实现容易，也能满足一定的调速性能要求。(1) 转速开环的压频比控制系统一个恒压频比的开环交流调速系统如图3-2示，它采用的是偏置线性的压频比特性，转速的给定信号n*通过压控振荡器(VCO)产生频率指令信号，电压指令信号Ui随转速的给定信号n*变化。U0是在低速时改善机械特性的电压补偿。在开环系统中，不仅存在静差，而且速度往往会随着负载转矩和电源电压的变化而波动。2)转速闭环的压频比控制系统采用与电机同轴连接的测速发电机进行实际转速反馈，这种闭环系统如图3-3示。图中，给定速度和实际速度比较，确定速度偏差，然后通过速度调节器，决定逆变器的频率和电压。速度环的输出信号通过电流极限控制器，限制变频器的电压和频率的快速变化。电流反馈只有当电动机电流升到预置的最大值时才起作用，它控制逆变器电流和频率的变化率。如果仅要求稳态性能，恒压频比控制可以胜任大范围的调速任务。3.1.4异步机的矢量控制异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合、多变量的系统，通过坐标变换可以使之降阶并解耦，但没有改变其非线性、多变量的本质。在标量控制中，动态性能不够理想，调节器的参数很难设计，原因在于仍采用单变量系统的控制思想。矢量控制 (vectorc ontrol)的诞生使交流变频调速技术在精细化方面大大迈进了一步，达到了可与直流调速系统的性能相当的程度。矢量控制的基本思想就是:把异步机经坐标变换等效成直流机，然后，仿造直流机的控制方法，求得直流电机的控制:在经过相应的反变换，就可以控制交流机了。从本质上说，矢量控制也是一种解祸控制。通过坐标变换，它将定子电流分解成磁链分量和转矩分量，分别进行控制。矢量控制使得在动态过程中对电磁转矩进行精确控制成为可能，大大提高了调速的动态性能。图示3-4为矢量控制的基本原理图。两个独立的控制闭环:一个控制磁通，一个控制力矩。磁通控制器通过磁通转矩特性曲线*(n)得到磁通设定值*。*=常数(基速范围内) *1/n(弱磁范围内)力矩控制器通过速度控制器得到力矩设定值M*。实际检测参数包括有:测量参数的坐标转换，电机模型，定子电流分解成磁链分量()和转矩分量()磁链分量 ()作用于转子磁通，但有一个时间迟滞，磁通建立时间约200ms至1s，转矩分量()直接作用干力矩，产生时间约lms(运动控制变频器)或5ms(一般矢量控制变频器)。因此磁链分量和转矩分量可以独立控制。定子频率f用于力矩闭环控制，定子电压U用于磁通闭环控制。实际的矢量控制比下面的方框图更复杂。值得注意的是低速时的电流模型，电压模型和温度模型。3.2起重机的变频调速系统3.2.1起重机电机的选用原则1.变频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、噪声及振动等方面。随着高开关频率的IGBT等电力电子器件的使用、PWM调制、矢量控制、增强型vlf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。目前，变频器己经发展到除非有超同步调速的要求或1 : 20以上的大速比低调速要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普通电机加独立风扇组成，以解决电机在低速运转过程中自冷风扇风量不足而引起的电机过热问题。2.变频起重机系统中电机的选型起重机起升和运行机构的调速比一般不大于1：20，且为断续工作制，通常接电持续率在60% 以下，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应速度较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致;在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。3.电机冷却西门子变频器在调速比为1:20的范围内能确保起重机上普通电机有150% 的过载力矩值。此外，起重机电机多用于大惯量短时工作制，通常不工作时间大于或略小于工作时间。电机在起动过程中可承受2.5倍额定电流值，远大于变频起动要求的1.5倍值，运行机构的电机在以额定速度运行时电机常工作在额定功率以下，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。但若电机要求在整个工作周期内在大于1:4的速比下持续运行则必须采用他冷式电机。4.电机效率国外以4极电机作变频电机首选极数，因此时电机有最好的功率因数和最高的工作效率，使能耗降为最低。高速电机比低速电机在电流小、功率因数高、电缆截面小及电器配置容量小等方面占有优势。尽管减速器传动比增大造成了减速器体积的增大，但由于硬齿面减速器的应用，新型耐磨齿轮副及焊接箱体的使用为高速电机驱动创造了条件。高速电机的使用因电机材料价格远高于减速器，故电机体积重量的减小使一次性投资及能耗大大降低，具有很高的经济价值。目前，国内用于起重机械的4极电机有强迫通风冷却的YZF型电机等。5.电机起动转矩及电机运行的功率因数起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电机需有较大的起动转矩，故电机容量需由负载功率及加速功率两部分组成。一般情况下，电机容量P为 (3-1)式中电机平均起动转矩倍数若使电机在额定转速下接近满载运行，且能承受电网电压的波动，并通过1.1倍试验载荷，则要求电机的过载力矩倍数大于1.5倍，或适当增加加速时间，减小加速功率。对每小时作20多个循环的起重机来讲，运行机构的加速时间可在5- 10s调整，有利于机构的平稳运行。起重机起升机构的负荷特点是起动时间短(13s)，只占等速运动时间的较小比例；转动惯量较小，占额定起升转矩的10%20%，其电机容量P为(kW) (3- 2)式中一起重机额定提升负载，kg-额定起升速度，m/s重力加速度，=9.81m/s2机构总效率为使电机能提升1.25倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必须大于2否则必须让电机放容，从而降低电机在额定运行时的工作效率。6.电机选型当机构速比大于1:4时，可根据起重机的工作级别及接电持续率的要求选用YZF24型(带他冷风扇)电机，这样可保证系统的工作效率，提高电机运行时的功率因数。过大的电机容量往往会使逆变器输出电流脉动增大，过流保护动作妨碍电机的正常工作，降低电机功率因数。尽管Y型电机在额定工作状态的效率大于YZ型电机，但在加速过程中YZ型电机效率却大于Y型电机。而起重机运行机构加速过程在总工作周期内是不容忽视的，故起重机以YZ型电机与变频器配套使用更为有利。3.2.2起重机变频器的选用原则起重机各机构负载为恒转矩负载，普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器。1. 起升机构起升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.31.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125 超载试验要求等因素，其最大转矩必须有1.82倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。通常对普通鼠笼电机来讲，等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量(YZ型电机)或同时提高变频器和电机容量(Y型电机)来获得200%力矩值。此时变频器容量为式中电机的功率因数，起升额定负载所需功率,kW电机效率，变频器容量,Kva K系数，K=2起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下:式中变频器额定电流,A电机额定电流，A2.运行机构当运行电机在300s内有小于60s的加速时间t的并且起动电流不超过变频器额定值的1.5倍时，变频器容量可按下式计算式中K-电流波形补偿系数，PWM方式K= 1.051.1-负载转矩，Nm-总转动惯量对电机轴的折算值，kgmtA-加速时间，sN-电机额定转速，r/min当运行电机在300s内电机有大于60s加速时间tA时，变频器容量按下式取值 (3-5)3.标准电机的负载特性当起重机各机构有速比要求时，对变频器则有放容要求，其放容量与机构接电持续率有关，其值见图3-5.4.电流验证以上公式均以负载功率作为变频器容量计算的基本参数，相同功率不同极数的电机有不同的额定电流。故最终尚需验证电机和变频器额定电流，即 （3-6）5.多电机驱动时变频器容量的选择电压型变频器可以一台变频器驱动多台电机，其并联运行且变频器短时过载能力为150%, 60s时，如电机加速时间在300s内有小于60s的加速时间,则通过软件设计将变频器控制的电机起动电流控制在电机额定电流的1.5倍内，K=1.5。即有 (3-9) (3-10)当在300s内有大于60s的加速时间时，则且必须式中-负载所要求的电机轴输出功率-并联电机的台数-同时起动的台数-电机效率，0.8 5cos-电机的功率因数，cos0.75-连续容量，kVAKs-电机起动电流与电机额定电流之比值-电机额定电流，AK-电流波形的修正系数，PWN方式取1.051.1-变频容量，kVA-变频器额定电流，A6.辅件选择如图3-6 所示，变频器系统器件由断路器1、接触器2、电抗器3、变频器4、制动电阻5及制动单元6组成。1.断路器为避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值，为变频器配置的断路器容量为电机额定电流的1.3-1.4倍，整定值为断路器额定值的3-4倍。2.接触器接触器在变频器主回路中仅在变频器辅助器件或控制回路故障时起断开主回路的作用，一般不作回路开断器件用，故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其电寿命。3.交流电抗器当变频器直接连接于一个大容量的电源变压器(500kVA以上或离电源变压器很近安装)时，或电网回路中接有移相电容器，在变频器投切或电力电容器的投切过程中可能会在电网中产生过峰值电容，致使变频器损坏。为此，在变频器的输入端加接交流电抗器，以抑制变频器造成的高频峰值电流，或电容器开断造成的峰值电流对变频器的危害。同时，交流电抗器的接入还可起到降低电机噪声、改善起动转矩、在电机轻载时改善电机功率因数的作用。交流电抗器容量按电机容量配置，式中 L-电抗器容量,HU-额定电压，VI-电机额定电流，A;电抗电流值为电机额定电流的1.11.2倍F-最大周波数，Hz4.制动单元为减小大惯性系统的减速时间，解决变频器直流电路上的过电压问题，常在其直流电路中加接一检测直流电压的晶体管。一旦直流回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相接的制动电阻器转化为热能耗。在能量消耗的同时加速了转速的减小，该能量消耗得愈多，制动时间愈小，此装置即为变频器的制动单元。5.制动电阻器借助制动单元，消耗电机发电制动状态下从动能转换来的能量。6.电缆选择由于高次谐波的驱肤效应，电缆的实际使用面积减小，单位实际工作电阻增大，电缆压降有增大的趋势，故所配电缆一般大于常规使用值。7.滤波电抗滤波电抗器有进出线之分，均有抑制高次谐波、抗干扰及降低噪声的作用，因此在调速变频系统中不用输出滤波电抗。3.3钢厂200吨龙门起重机传动系统方案3.3.1变频方案选择对于门式起重机，其核心机构是起升机构，在起升机构上采用变频调速必须解决的关键技术为:(1) 低频时能保证恒转矩输出，以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;(2)满负载时在空中制动停车或再提升时，不产生溜钩现象;(3)电动机减速或重载下放时，再生制动能量必须迅速释放。目前，从市场上的变频器种类来看，一般分为两大类:一种是一般用途变频器，仅适用于通风型或反应性负载;另一种是矢量控制变频器，适用于如起升机构这类位能性负载。而在这类变频器中，对再生制动能量的处理方式有两种:一种是用制动单元和制动电阻来吸收;另一种是通过在直流侧设置逆变桥使之回馈到电网。在变频器驱动电动机的方式上，又分为单变频器驱动方式和公共直流母线的多逆变器驱动方式。基于以上的分析，对于这台门式起重机，其电气传动系统选择哪一类变频方案最为合理呢?按照起升机构的负载特性，首先应该选择矢量控制变频器，这样才能满足上述分析的起升机构使用变频调速的三要点。由于行走机构为多电机传动，所以优先采用公共直流母线下的多逆变器驱动方式，使系统电路简洁、紧凑。再生制动能量采用回馈到电网的方式，这是因为考虑到起升机构重载下放时长时间的制动转矩必须由大量的制动电阻来吸收的因素。另外，当任意两个以上的机构同时运行，某一机构传动电动机处于再生制动状态时，其再生制动能量可经直流母线直接供给处于电动状态的电动机，从而大大提高能量的再生利用率。3.3.2系统组成及特点系统采用由德国SIEMENS公司近年来推出的SIMOVERT VC多电机传动矢量变频调速系统。它由一个整流/回馈单元加多个逆变器组成，逆变器的数量取决于整个电气传动系统所需的逆变器个数。整流/回馈单元为各逆变器提供公共直流母线(COMMON DC BUS)，它除设有整流桥外，还设有逆变桥，当电机处于减速或重载下放工况使直流母线电压升高时，其内部晶闸管逆变桥开始工作，并将再生制动能量回馈至电网，从而使系统实现四象限可逆运行。电气传动系统的系统框图如图3-7所示。图 3-7钢厂200吨龙门起重机传动电气系统图Fig 3-7 200T gantry crane drive system drawin整机采用AC380V低压供电，三相交流电源经低压配电柜接至整流/回馈单元。在整流/回馈单元外围电路中增加了进线电抗器和自祸变压器，整流/回馈单元提供公共直流母线给各机构逆变器。3.4西门子工程型变频器SIMOVERT MASTERDRIVES钢厂的200吨龙门起重机采用了西门子工程型变频器SIMOVERT MASTERDRIVES。西门子工程型变频器SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制是全数字技术的，功率部分采用IGBT的电压源型交流变频传动装置。它给传动装置带来快速性，更高的精度，更高的可靠性，同时效率也更高。SIMOVERTM ASTERDRIVES工程型变频器具有统一的操作员控制策略。另外，对所有的变频器，参数化单元，控制面板，控制程序，服务程序，操作员控制以及设备应答都是一致的。功率范围从2.2KW-SOOOKW,根据功率大小分为书本型，装机装柜型和柜机。电压范围从3相380V到690VAC,允许供电电压有较大的偏差(-15%-+10%)。MASTERDRIVES的硬件和软件都采用完全统一的模块化设计。众多的功能块包含在基本软件中，用于算术控制，闭环控制和逻辑控制，以保证完成最优的控制性能。附加的功能模板不仅可以完成与电机相关的控制功能，也可以完成特殊的分布式过程控制。SIMOVERT MASTERDRIVES变频器之间不仅可以通过任何总线系统进行通讯，而且可以与SIMATIC和其它自动化系统之间进行通讯。3.4.1功率部分的计算1. 变频器和逆变器连续工作时的额定值变频器和逆变器是在指定电源电压或中间回路电压下用于电动机的长时工作。变频器和逆变器的额定电流I，是按西门子公司6极标准电机的额定电流表计算。功率部分通过I2t监视器做过载保护。长时工作的额定电流可输出Iun，如果超出额定电流的工作周期超过60s,装置达到它的最大允许工作温度，因此不允许再过载。2.变频器和逆变器的过载能力最大过载电流允许达到额定电流的1.36倍。当传动设备刚投入电源时，其过载时间可达到60s，因为此时变频器尚未达到最大允许温度。当过载前电流小于额定电流时，才允许有1.36倍额定电流的过载能力。因此当传动设备根据负载情况需要过载时，必须使其基本电流仅为额定电流的91%，基于此基本负载电流，装置在工作周期为300s时，可以在60s的有1.5倍过载。过载定义同样适用于整流单元，整VI/回馈单元。当Masterdrives安装在海拔高度1000m和环境温度40度时要考虑减载系数。3.传动计算的注意事项平方负载转矩工作制具有平方负载转矩工作制(Mn2)，如泵和风机，在额定转速时需要满转矩。在正常时，不会出现提高起动转矩或负载冲击，也不需要变频器的过载能力。为了选用一台平方负载转矩的变频器，必须使变频器的额定电流在所要求的负载工作点，在满转矩时，最少是电机的额定电流。恒定负载转矩工作制当电动机和变频器以恒定负载转矩(M=常数)工作时，在长时工作制(S1)，其转矩允许在60s内有50%的过载，因而对起动转矩和加速转矩提供一个足够的备用。为此，必须使变频器的基本负载电流在所要求的负载工作点，在满转矩时，最少是电机的额定电流。3.4.2多电机传动当多电机传动时，推荐使用接到直流电压母线上的逆变装置。直流电压母线由交流三相电网通过整流单元，整流/回馈单元或AFE(主动前端)变流器形成。当使用将逆变器接到直流电压母线回路方案时，同单台变频器相比，具有以下优点：如果有一台传动装置工作于发电状态时，可通过中间回路进行能量转换，如果有时出现很大的发电功率时，如所有传动装置同时停车时，则可以采用一个附加的总制动单元。同单台变频器传动相比较，它有较小的安装尺寸，因为网侧元件，如熔断器，接触器和开关，及网侧进线电抗器等可以集中采用一次。为了减少对电网的干扰，总整流单元可采用12脉动系统或AFE变流器多电机传动系统的每台传动设备的逆变器按单电机传动相同的准则选择其输出额定电流。3.4.3整流/回馈单元1.整流单元整流单元供电给用于电动状态能量和可能是多电机系统工作的逆变器所用得直流母线。整流单元可装于调速柜中，构成完整的整流柜。整流单元仅能向一定数量的逆变器供电。流向逆变器侧的中间回路电流不能大于整流单元中间输出回路额定电流。2.整流/回馈单元整流/回馈单元向逆变器上的直流母线供电，它不仅从三相交流电源取得电动状态的能量，而且能将直流母线上的发电状态的能量回馈电网。整流/回馈单元通过两个互不相干的晶闸管桥来实现，它的发电状态晶闸管桥通过一台自祸变压器接到电网上。回馈桥用自祸变压器使得即使在发电状态工作时，在所有电机的转速下均可以达到电机的最大转矩。整流/回馈单元的网侧至少需要相对阻抗压降5%。这可通过电感为4%的网侧进线电抗器或一台合适的整流变压器来实现。此外，按标准DIN VDE 0160整而回馈单元通过一台进线电抗器实现同电网隔离和限制其对电网的反作用。无论如何相对阻抗压降不得大于10%e3.4.4AFE整流/回馈单元AFE整流/回馈单元核心部件是一个带有CUSA调节板，具有一个电压中间回路的变频器。一个由交流三相电网产生的可调直流电压。它被称为中间回路电压。这个中间回路电压，几乎同电网电压无关而保持恒定，即使是在电网回馈工作时。中间回路电压调节是基于交流侧的一个电网角度定向的快速矢量调节器。它输入电网一个近似正弦波的电流并在附加接入的电网净化滤波(Clean-Power-Filter)的帮助下减小对电网的扰动。此外，矢量控制能调节功率因数cos，因而能进行无功补偿，其中，系统需用功率优先考虑。一个VSB板(电压识别板)用作为电网角度编码器，近似于角编码器工作原理。AFE整流/回馈单元具有以下优点:(1)最佳的供电和向电网回馈SIMOVERT MASTERDRIVESAFE有100% 电网回馈能力而不需要自耦变压器。在发电状态工作时不产生损耗功率，就像在制动电阻系统的情况。从电动到发电状态的过渡是无级的，带有脉冲频率响应。准确地调节中间回路电压提供对传动逆变器最佳电源并几乎同电网电压无关。(2)通过带有电网净化系统的AFE而仅有最小的电网扰动在SIMOVERTMASTERDRIVESAFE可避免谐波和换向缺口，一直到很小的残余。在电子调节有源部分(AFE变流器)和无源部分(电网净化滤波器)之间的最佳调节使得，输往电源方向是接近于正弦波的电压和电流。对电网的扰动实际己不存在。3.4.5各种制动方案的比较下表列出了各种制动方案的比较。可以看出，