起重机毕业设计

摘要起重机的电气设计在大规模生产中有明显的优势。关键词变幅机构；旋转机构；变频器调速；塔式起重机ABSTRACTTHECRANEINTHEADVANTAGESKEYWORDSCHANGEROTATIONCONVERTERGOVERNORTOWERCRANE目录1绪论111起重机的发展简介112塔式起重机的现状213课题研究的意义32塔式起重机的构造与工作原理421起升机构5211起升机构概述5212起升机构的典型传动简图522旋转机构6221旋转机构概述6222旋转机构的典型传动简图723变幅机构8231变幅机构概述8232运行小车式变幅机构的典型传动简图83变频调速原理1031三相异步电动机的工作原理1032三相异步电动机的调速方法13321电动机的调速方式选择13322电动机的能量关系13323电动机变频调速的特点1534变频器变频原理17341变频调速原理17342变频器的类别18343变频器的额定值和频率指标18344变频器主电路2035SPWM（正弦脉宽调制）2336能耗电路计算24361制动电流的近似估算24362制动电阻的计算244可编程控制器的结构和工作原理2641PLC的基本结构26411中央处理器（CPU）26412储存器26413输入/输出单元27414电源部分31415编程器3142PLC的工作原理32421输入采样阶段32422程序执行阶段33423输出刷新阶段3343PLC的主要性能指标33431输入/输出点数（I/O点数）33432储存容量34433扫描速度34434指令条数34435内部寄存器34436功能模块3444PLC的编程语言35441梯形图编程语言35442指令语句编程语言37443功能块图编程语言385回转与变幅机构电气设计3951旋转机构电气原理图3952变幅机构电气原理图4253变频器型号选择与内部主要参数设定4254PLC的型号选择45541PLC的I/O端子分配46542PLC程序设计4855起重机各重要器件的型号选择49551电动机型号选型49552减速箱型号选型50553行程开关型号选型52554其他辅助装置选型52结论55致谢56参考文献57附录A59附录B651绪论11起重机的发展简介塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，塔机起源于欧洲，据记载，1900年欧洲颁发了第一项有关建筑用塔机的专利。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，第一台原始塔机出现于19121914年，1923年制成第一台近代塔机的原型样机，1930年德国开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1941年，有关塔机的第一个标准德国工业标准DIN8670公布。该标准规定以起重量T和起重幅度M乘积的起重力矩表示塔机的起重能力。从20世纪90年代开始，欧洲塔机行业缓慢复苏，目前欧洲生产塔机的国家有德国、法国、英国、意大利、俄罗斯、西班牙、瑞典、丹麦等，主要厂家有法国POTAIN，德国LIEBHERR、PEINER、WOLFF，意大利COMEDIL，丹麦KROLL,西班牙COMANSA。在产量、系列品种、技术水平等方面，德国的LIEBHERR和法国的POTAIN在世界上居领先地位，POTAIN目前在法国、德国、意大利、葡萄牙、中国的工厂生产60多种型号塔机。载自中建网/建筑机械化杂志我国塔机行业迄今已有50多年历史，由于改革开放和广大人员的拼搏奋斗，经历了从无到有、从小到大的成长历程，塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我国“九五“、“十五“规划都是一个高速发展的态势，“十一五“规划预计将会做些调整，但总的发展不会减弱，根据我国塔机发展现状和迎刃国际市场的挑战，塔机的设计应该考虑以下几个方面。一、建立独立的研究体系，开发出高新产品。我国已加入世界贸易组织，我们就不能随便模仿人家的东西了，否则就会吃官司。因此，必须独立地开发出自有知识产权的产品。同时要以创新观念为先导，开发出实用、可靠、安全、经济适应市场的好产品。当然这并非那么容易，还要靠科技，一方面，要利用高新科技求改造、完善、拓宽、提高我国的传统产业，使产品上水平，才能进入国际市场，另一方面，科技要面对国情，要向中小城镇乃至乡村普及，开发出适应小城镇建设需要的40TM左右的中小型塔机。二、根据国情扬弃国外技术，解决自己的问题。近年来，我国塔机行业通过公关，在认真研究国外技术，结合国情实际情况下，研究出不少好产品，如CAD模块化塔机组合设计，起重、布料两用塔机等。开发过程中，也解决了大功率起升机构的无极变速、PLC控制问题以及长期困扰人们的起升机构乱绳打扭问题等。以上问题都是自主开发采用国外关键元器件的办法实现的，但知识产权是自主的。其中塔机的工作状态监控是我国塔机急需解决又必须解决的课题，这需要对国外技术进行扬弃，根据我国的饿国情着力进行研制，如能解决将会大大推动我国塔机技术发展向质的飞跃。三、按市场规律强强联合，提高制造水平。目前，企业改革改制正在深入开展，要提高我国塔机整体制造水平以适应国内外对塔机的需要，走强强联合促进集团化发展，不失为有效办法。当然，要按市场规律办事，不能搞“拉郎配“，其中发挥行业协会主管部门的作用是不可忽视的，这样可以加快国内外、行业内外的资源整合，扬长避短、优势互补，名专业生产厂家在已有基础上集中力量，有重点地引进、消化、吸收先进的东西，创新出自己的特色产品，并注意发展自主的现代化专业制造技术，以近快提高我国塔机的制造水平，促进我国工程机械由大国变强国，实际与国际市场的融合。12塔式起重机的现状塔式起重机在当代这样飞速发展的时代，有着其不可替代的作用，它的发展也将带动很多工程行业的进步，好的塔机不仅能够更加效率可靠的完成工作，还更能保证工人的生命财产安全，塔机的安全性和可靠性与塔机的设计结构、控制方式都有着重要的联系。长期以来，直流电动机调速系统的机械特性一直是人们公认的佼佼者。所以，三相交流异步电动机变频调速系统的机械特性能否和直流调速系统相媲美，便成为了变频调速系统能否复盖全调速领域的试金石。以往的起重机结构上已经慢慢发展起来并健全，但是起重机的电气控制部分却随着各种更先进的材料正在飞速的发展更新着，在电气控制部分，以往的电机调速方法主要有变极双速鼠龙型电动机调速；双电机传动和双速电动机调速；转子中加入电阻调速；饱和电抗器调速；感容开环系统调速；可控硅调速；低频电流调速；液压推杆调速；特别起升机构要求能轻载快速、重载慢速、安装就位微动。一般除采用电阻调速外，还常采用涡流制动器、调频、变极、可控硅和机电联合等方式调速；每种调速方式都各有优缺点，但是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的问世，和可编程控制器（PLC）的运用，使得变频调速变得简单可靠，必然导致塔机调速方式的一场革命，目前电动机调速方式最有前途的一种方法就是变频调速，变频器也在最近的几年里被越来越多的运用起来，本次设计就是采用这种最为先进的方式来进行电动机调速的，这样的调速方式不仅安全可靠，而且可以使各部件运行平稳，随着变频器的功能越来越强大，塔机的性能也将会随之提高。本文主要通过对塔式起重机的结构工作原理、PLC原理、变频器原理进行介绍，并通过电动机的调速方式比较，选出最简单可靠稳定的调速方法。本设计将PLC和变频器运用到塔机的电气控制当中，实现塔机的驱动装置的调速。为了确保安全，塔式起重机具有良好的安全装置，如起重量、幅度、高度和载荷力矩等限制装置，以及行程限位开关、塔顶信号灯、测风仪、防风夹轨器、爬梯护身圈、走道护栏等。司机室要求舒适、操作方便、视野好和有完善的通讯设备。1513课题研究的意义我国塔机行业已有近50年的发展史,从无到有、从小到大,逐步形成了比较完整的体系,成为机械行业中增幅最快的新兴行业之一,为国民经济建设提供了有力的装备支持。我国加入WTO后，国内经济日益融入世界经济体系，未来对于起重机的同行们充满了机遇和挑战，随着社会的发展，具有先进技术与功能的塔机终将会成为市场的主流产品。所以对起重机的研究对整个国民经济建设有着非常重要的意义。随着电气材料的进步，电气控制设备也将越来越先进，自动化程度将越来越高，变频器作为进几年来才被广泛使用的一种设备，目前对它的研究尚不成熟，对变频器的研究和应用，有着很大的发展潜力，本文所研究的调速系统，变频器就是整个电气部分的核心内容，更由于可编程控制器功能强大，将二者完美的结合在一起来对电动机进行控制，所以如何灵活简单的的运用变频器有着重要的意义，变频器调速相比以往的调速方式也有更多的优点，所以变频器调速必将成为起重机的发展方向。也将会是中国塔式起重机现今发展的一个重要方向。2塔式起重机的构造与工作原理塔式起重机有三个运动起升运动、旋转运动、变幅运动。重物的提升与下降靠的就是起升运动，重物能被放置的位置范围由旋转运动和变幅运动决定。塔式起重机是由取物装置、制动装置、起升机构、变幅机构，旋转机构、安全与指示装置构成。本设计的塔式起重机是由电动机驱动，变频器调速，电动机的转轴通过联节器与减速箱的高速轴相连，其间安装制动装置，减速箱与卷筒连接，再将钢丝绳焊接在卷筒上以实现起升和变幅运动。旋转部分也是由电动机驱动变频器调速也通过减速箱连接到小齿轮，小齿轮再驱动大齿轮形成塔机的旋转运动。整个塔机的结构简图如图21所示图21塔式起重机简图21起升机构211起升机构概述起升机构用来实现货物的升降，是起重机中重要的机构，也是最基本的机构。起升机构工作的好坏将直接影响到整台起重机的工作性能。起升机构主要由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置和制动装置组成。此外，还可以根据需要装设各种辅助装置，如限位器、其重量限制器、速度限制器、称量装置等。212起升机构的典型传动简图1电动机；2联轴器；3制动器；4减速箱；5钢丝绳；6吊钩组；7卷筒图22起升机构传动简图图22所示为起升机构简图，该起升机构是由电动机驱动的。电动机通过联轴器与减速器的高速轴相连，机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷上或放出，经过滑轮组系统（如图23所示），使吊钩实现上升或下降，机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物悬吊在空中，吊钩的升降靠电动机改变转向来实现。1小车；2牵引轮；3张紧轮；4驱动卷筒；5吊钩图23塔机起升机构的滑轮组系统图22旋转机构221旋转机构概述使起重机的旋转部分相对于非旋转部分实现回转运动的装置称为旋转机构。旋转机构是旋转起重机的主要工作机构之一，它的作用是使已被起升在空间的货物绕起重机的垂直轴线做圆弧运动，以达到在水平面内的运输货物的目的。旋转机构主要由两部分构成旋转支承装置与旋转驱动机构。旋转支承装置的任务是保证起重机旋转部分有确定的旋转运动，从运动学的观点来看，它应提供所要求的旋转运动的约束；从受力方面来看，它应能承受起重机各种载荷所引起的垂直力、水平力与倾覆力矩。随着生产力的发展，为了适应不同生产条件的要求，创造了多种形式的旋转支承装置，前者的主要优点是承受倾覆力矩的能力较好，后者的优点是所占的空间高度较小。旋转驱动机构的形式和构造，主要是根据起重机的用途、工作特点、起重机的大小来确定。在实际起重机中采用了多种旋转机构驱动方案，主要形式有机械驱动和液压驱动。222旋转机构的典型传动简图1电动机；2联轴器；3制动器；4减速箱；5小齿轮；6大齿轮图24旋转机构传动简图图24所示为旋转机构简图，该旋转机构是由电动机驱动的。电动机通过联轴器与减速器的高速轴相连，机构工作时，减速器的低速轴带动小齿轮转动，小齿轮再驱动大齿轮旋转，从而使起重机的旋转支撑装置的上部分旋转，旋转机构的转动方向的改变是靠电动机改变转向来实现的。塔吊是靠起重臂回转来保证其工作覆盖面的，回转运动的产生是通过上、下回转支座分别装在回转支承的内外圈上，并由回转机构驱动小齿轮，小齿轮与回转支承的大齿圈啮合如图25所示,带动回转上支座相对于下支座运动。大齿圈需要两至四个小齿轮驱动，小齿轮均匀放在大齿圈四周，塔机回转惯性很大，回转起、制动时往往会有惯性冲击。为保证回转平稳，回转机构工作特性要软，回转加减速度一定要小，要求驱动小齿轮的电动机之间保持同步。图25旋转机构大小齿轮啮合示意图23变幅机构231变幅机构概述塔式起重机中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线的距离称为起重机的幅度，用来改变幅度的机构，称为起重机的变幅机构。根据工作性质的不同，变幅机构分为调整性的和工作性的两种。调整性变幅机构只在装卸开始前的空载条件下变幅，使起重机调整到适于吊运物品的幅度，有时是根据物品的装卸点与起重机位置的要求变更幅度，有时是根据物品的质量变更幅度，因为许多旋转起重机如塔式起重机、汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机等，由于倾覆稳定性的限制，在吊运重物时必须将幅度调整到允许范围以内。工作性变幅机构可使物品沿起重机的径向做水平移动，以扩大起重机的服务面积和提高工作机的性能。根据变幅方法，变幅机构分为运行小车式和摆动臂架式两种。本设计中的塔式起重机采用的是运行小车式变幅机构。此种变幅机构中，幅度的改变是靠小车沿着水平的臂架弦杆运行来实现的。运行小车有自行式和绳索牵引式两种。这类变幅机构主要用作工作性变幅机构，它主要用于电动葫芦的小型固定式旋转起重机，也用于部分塔式起重机。232运行小车式变幅机构的典型传动简图1电动机；2联轴器；3制动器；4减速箱；5驱动卷筒；6钢丝绳（连接到小车）图26变幅机构传动简图图26所示为变幅机构简图，该变幅机构是由电动机驱动的。电动机通过联轴器与减速器的高速轴相连，机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷上或放出，经过滑轮组系统（如图27所示），使小车实现左移或右移，机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物悬吊在空中，小车的左右移靠电动机改变转向来实现。911小车；2张紧轮；3牵引轮；4驱动卷筒图27塔机变幅机构的滑轮组系统图3变频调速原理31三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场（定子绕组内三相电流产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。如图31（A）所示,当定子的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组内将通对称三相电流，并在空间产生磁场，该磁场沿定子内圆周方向旋转。图31（B）所示为具有一对磁极的旋转磁场，我们拟想磁极位于钉子铁心内画有阴影线的部分。（A）定子绕组与电源的连接（B）工作原理图31三相异步电动机当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电动势E2，假设旋转磁场向顺时针方向旋转，则相当于转子导体向逆时针方向旋转切割磁通，根据右手定则，在N极下转子导体中感应电势的方向系由图指向读者，而在S极下转子导体中感应电势的方向由读者指向图面。由于电动势E2的存在所以必定在转子绕组上产生感应电流I2，根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力F（其方向由左手定则决定，这里假设I2和同相E2），该力在转子的轴上形成电磁转矩，而且转矩的方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，就按旋转磁场的旋转方向旋转起来。但是转子的旋转速度N恒比旋转磁场的旋转速度N0（同步转速）为小，因为如果两种转速相等，转子和旋转磁场就没有相对运动，转子导体不切割磁通，便不能感应出电势E2和产生电流I2，也就没有电磁转矩，转子将不会继续旋转。因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。3由于转子速度不等于同步转速，所以把这种电动机称为异步电动机，而把转速差（N0N）与同步转速N0的比值称为异步电动机的转差率，用S表示，即S（31）转差率S是分析异步电动机运行情况的主要参数。旋转磁场的转速称为同步转速，由下式决定N0（32）PF6式中，N0同步转速，RMIN；F电流的频率，HZ；P旋转磁场的磁极对数。由式（31）和式（32），可以推导出N（1S）（33）PF60三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性曲线是指转子转速N随着电磁转矩T变化的关系曲线，即NFT曲线。它有固有机械特性和认为机械特性之分。异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中的不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。图32异步电动机的固有机械特性异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性电压U的变化对理想空载转速NO和临界转差率SM不发生影响，但最大转矩TMAX与U2成正比，当降低定子电压时，NO和SM不变，而TMAX大大减小。图33改变电源电压时的认为特性在同一转差率情况下，人为特性与固有特性的转矩之比等于电压的平方之比。因此在绘制降低电压的人为特性时，是以固有特性为基础，在不同的S处，取固有特性上对应的转矩乘降低电压与额定电压比值的平方，即可作出人为特性曲线图34定子电路外接电阻或电抗时的人为特性32三相异步电动机的调速方法321电动机的调速方式选择由式（33）表明，要改变异步电动机的转速，除了改变频率以外，只有两种办法（1）改变磁极对数这种方法的缺点是十分明显的一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以，最多只能得到4种转速，与无级调速相去甚远。（2）改变转差率这种方法适用于绕线转子异步电动机，通过滑环与电刷改变外接电阻值来进行调速显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的多少来调速的，不利于节能。此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。所以决定通过改变频率来进行调速，首先分析电动机的能量关系322电动机的能量关系（1）输入功率三相交流异步电动机的输入功率就是从电源吸取的电功率，用P1表示，计算公式如下P13U1I1COS1（34）式中，P1输入功率，KW；U1电源相电压，V；I1电动机的相电流，A；COS1定子绕组的功率因数。（2）电磁功率定子输入功率中减去定子绕组的铜损PCU1和铁损PFE1后，将全部转换成传输给转子的电磁功率PM，计算公式如下PM3E1I1COS1（35）式中，PM电磁功率，KW；E1定子每相绕组的反电动势，V。定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场的结果，其有效值计算如下E1444KEFN11（36）式中，N1定子每相绕组的匝数；1定子每对磁极下基波磁通，WB；KE绕组的电势系数。式（36）表明，当频率一定时，E1的大小直接反应了磁通1的大小。（3）转子侧的电磁功率转子是通过电磁感应得到从定子传递过来的电磁功率的，其大小由下式计算PM3E2I2COS2（37）式中，E2转子等效绕组每相电动势的折算值，；I2转子等效绕组相电流的折算值，A；COS2转子等效绕组的功率因数。这里，所谓转子的等效绕组，是一组效果与实际绕组（鼠笼条）完全相同的假想绕组，其结构与定子绕组相同。等效绕组中的各物理量，都缀以“”。E2是转子等效绕组切割旋转磁场的结果，其有效值计算如下E2444KEFN11（38）比较式（36）和式（38）可以看出，由于转子等效绕组的结构和定子绕组完全相同，因此E2E1（4）输出功率电动机的输出功率就是轴上的机械功率，其大小由下式计算P2950MNT（39）式中，TM电动机轴上的电磁转矩，NM；NM电动机的转速，RMIN。电磁转矩是转子电流与磁通相互作用的结果，其大小计算如下TMKT1I2COS2（310）式中，KT绕组的转矩系数。323电动机变频调速的特点当电动机的工作频率FX下降时，各部分功率的变化情形如下1输入功率在式（34）中，与输入功率P1有关的各因子中，除COS1略有变化外，都和FX没有直接关系。因此，可以认为，FX下降时，P1基本不变。2输出功率由于在等速运行时，电动机的电磁转矩TM总是和负载转矩相平衡的。所以，在负载转矩不变的情况下，TM也不变。而输出轴上的转速NX必将随FX下降而下降，由式（39）知，输出功率P2也随FX的下降而下降。3电磁功率当输入功率P1不变而输出功率P2减小时，传递能量的电磁功率PM必增大。这意味着磁通也必增大，（电动机的磁通在电动机设计时已经接近最大值）并导致磁路饱和。这是异步电动机在电流频率下降时出现的一个特殊问题。式（36）中，444KE是常数，针对某一台具体的电动机，每相定子绕组的匝数N1也是常数。故式（36）又可写为E1KEF11（311）式中，KE444KEN1常数。由于感应电动势的瞬时值E1决定于磁通的变化率E1DT（312）式中，磁通的变化率。DT可见，反电动势的大小，既和频率大小成正比，也和磁通的振幅值（或有效值）成正比。所以，如能保持CONSTXFE1（313）则磁通1将可保持不变。但反电动势E1X是线圈自身产生的，无法从外部控制其大小，故式（313）所表达的条件将难以实现。反电动势E1X是从外加电压U1X中，减去定子绕组的阻抗压降U1X后的结果。由于定子绕组的阻抗压降U所占比例较小，因此，用比较容易从外部进行控制的外加电压U1X来近似地代替反电动势E1X是具有现实意义的。即CONSTXF1（314）所以，变频的同时也必须变压，目的是为了保持磁通基本不变CONST1CONSTXFU1这就是U/F调速，而图36称为基本UF线。图36基本UF线为了使EXXCONST的条件得到满足，以维持磁通1基本不变，人们首先想到的办法便是频率下降时，在UXXCONST的基础上增加U，适当提高UXX的比值，以补偿阻抗压降U在UX中所占比例增大的影响。这种方法称为转矩补偿或电压补偿，也叫转矩提升。因为是通过改变U比来实现的，故通常称为VF控制法。如图37A）所示，曲线是KUKF时的U线，当频率为X时，对应的电压为UX；曲线是补偿后的U线。当频率为X时，对应的电压增加为UXUXU，使UXXUNN。如补偿得恰到好处的话，则反电动势与频率之比与额定状态基本相同，如图B）所示，从而使磁通X大体上与额定磁通相等XNXFEN图37转矩补偿的原理34变频器变频原理341变频调速原理1变频器的功用变频器的功用是将频率固定（通常为工频50HZ）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（050HZ）的三相交流电。2变频调速的工作原理当频率F连续可调时，电动机的同步转速N0也连续可调。又因为异步电动机的转子转速N总比同步转速N0略低一些。所以当N0连续可调时，N也连续可调。342变频器的类别1按变换环节分（1）交交变频器把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变换效率高，但其连续可调的频率范围宽，一般为额定频率的1/2以下（0到FN/2），故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。（2）交直交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电变换为交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一种。本设计也采用的这种变频器。2按电压的调节方式分（1）PAM（脉幅调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。（2）PWM（脉宽调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式，这也是本次设计所采用的调制方式。3按直流环节的储能方式分（1）电流型直流环节储能元件是电感线圈L。（2）电压型直流环节的储能元件是电容C。本次设计采用电压型变频器。343变频器的额定值和频率指标1输入侧的额定值主要是电压和相数。在我国，中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种（线电压）（1）380V，3相这是绝大多数。（2）220V，3相主要用于某些进口设备中。（3）220V，单相主要用于家用小容量变频器中。此外，对输入侧的电源电压的频率也做了规定，通常都是工频50HZ或60HZ。2输出侧的额定值（1）输出电压UN由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。（2）输出电流IN是指允许长时间输出的最大电流，是用户在旋转变频器时的主要依据。（3）输出容量SNSN取决于UN和IN的乘积。（4）配用电动机容量PN对于变频器说明书中规定的配用电动机容量，需要说明如下1）它是个估算值，由于电动机容量的标准值是比较统一的，而电机的功率因素和效率却很不一致，所以配用电动机容量相同的不同品牌的变频器的容量却常不同。2）说明书中的配用电动机容量，仅对长期连续负载才是适合的，对于各种变动负载来说，则不适合。（5）过载能力变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150IN/MIN。3频率指标（1）频率范围即变频器输出的最高频率FMAX和最低频率FMIN。各种变频器规定的频率范围不尽一致。通常，最低工作频率约为011HZ；最高工作频率约为200500HZ。（2）频率精度指变频器输出频率的准确度。由变频器的实际输出频率与给定频率之间的最大误差与最高工作频率直比的百分数来表示。例如，用户给定的最高工作频率为FMAX250HZ，频率精度为001，则最大误差为FMAX0001120HZ0012HZ通常由数字量给定时的频率精度约比模拟量给定时间的频率精度高一个数量级。（3）频率分辨率指输出频率的最小改变量，即每相邻两种频率之间的最小差值。例如，当工作频率为FX250HZ时，如变频器的频率分辨率为001HZ，则上一挡的最小频率为FX（25001）HZ2501HZ下一档的最大频率为FX”（25001）HZ2499HZ344变频器主电路该变频器采用的交直交的变频方式，其主电路如图38所示，其工作方式阐明如下。交直部分能耗部分直交部分图38交直交变频器的主电路1交直部分三相交流电UI为380V（线电压）输入变频器的输入端，经过三相桥式全波整流桥，将电源的三相交流电整流成直流电。电源的线电压为380V，则三相全波整流后平均直流电压UZ的大小为UZ135380V513V2滤波部分（1）全波整流后的直流电存在波纹，电容器C的功能就是将这些波纹滤平，使其成为可调性好的直流电，提高直交调节的精确度。（2）起重机在工作中负载若遇到变化时，电容C可使直流电压保持平稳。（3）电容器C还可以储存能量，变频器内部有检测电路，在工作中随时检测电容器C两端的电压，起重机在下放重物的时候，如果负载较大，电动机将处于发电状态，此时电容器C会被充电，电压升高，此时检查到电压过高时，变频器控制将接通晶体管VB使B、B之间形成回路，由电阻R消耗能量。降低电容器C的电压。2直交部分逆变部分是由6个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成的逆变桥，逆变管V1V6把经过全波整流出来的直流电再逆变成频率可调的交流电。这是变频器的具体执行环节，因此也是变频器的核心部分。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是MOSFET（MOS场效应晶体管）和电力晶体管（GTR）相结合的产物。其主题部分与晶体管相同，也有集电极（C）和发射极（E），但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结果。其符号和基本接法如图39所示。图39IGBT的基本结构IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号UGE,输入阻抗很高，栅极电流IG约等于0，故驱动功率很小。而其主电路部分则与GRT相同，工作电流为集电极电流IC。迄今，IGBT的击穿电压也做到了1200V，集电极最大饱和电流已超过了1500A，由IGBT作为逆变器件的变频器容量已达到250KVA以上。此外，其工作频率可达20HZ。有IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在10KHZ以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。目前，在新系列的中小容量变频器中，IGBT已处于绝对优势的地位。IGBT的驱动电路已经集成化，其内部结构大同小异。在逆变电路里，IGBT通过G输入端控制电流的通断，将直流电转换为连续的交流电。儿IGBT里的二极管是当电动机处于再生制动状态时，电流反向进入变频器，由电容器C储能。下面介绍逆变桥的原理。3逆变桥的工作原理该变频器采用的是三相逆变桥，三相逆变桥的结构如图38的直交部分所示。B和B为直流电源端，U、V、W为逆变桥的输出端。在每个周期中，逆变管的工作情况如图310所示。图中，阴影部分为各逆变管的导电时间。图310三相逆变桥各管的通断安排逆变桥的输出线电压1）U、V之间（UUV）在T1、T2时间内，V1、V4同时导通，U为“”、V为“”，UUV为“”，且UMUD。在T4、T5时间内，V2、V3同时导通，U为“”、V为“”，UUV为“”，且UMUD。2）VW之间（UVW）在T3、T4时间内，V3、V6同时导通，V为“”、W为“”，UVW为“”，且UMUD。在T6、T1时间内，V4、V5同时导通，V为“”、W为“”，UVW为“”，且UMUD。3W、U之间（UWU）在T5、T6时间内，V5、V2同时导通，W为“”、U为“”，UWU为“”，且UMUD。在T2、T3时间内，V1、V6同时导通，W为“”、U为“”，UWU为“”，且UMUD。UUV、UVW、UWU的波形如图311所示。由图可知，三者之间的相位互差2/3，它们的振幅都是直流电压UD相等。图311三相逆变桥的输出电压可见，只要按照一定的规律来控制六个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。而逆变后的电流频率，则可以在上述导通规律不变的前提下，通过改变控制信号的变化周期来进行调节。35SPWM（正弦脉宽调制）如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的话，便是正弦脉宽调制（SPWM），如图312A）所示。当正弦量较小时，脉冲的占空比也较小；反之，当正弦量为振幅值时，脉冲的占空比也较大。SPWM的显著优点是由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波，如图B）所示。经过正弦脉宽调制后的脉冲系列中，各脉冲的上升沿与下降沿是由正弦波和三角波的交点来决定的。这里，三角波是载波，正弦波是调制波。所以，可以说，SPWM的脉冲系列，是调制波调制载波的结果。双极性调制实际变频器中，更多地使用双极性调制方式。其特点是，三角波是双极性的，如图313所示。图312SPWM调制A）SPWM的含义B）SPWM调制的电流波双极性调制后的脉冲系列也是双极性的，如图中之UU、UV、UW。但合成后的线电压脉冲系列则是单极性的。要具体地实施SPWM，必须实时地求出各相的正弦波与三角波的交点。它们的周期根据用户的需要而随时调整；并且，正弦波的振幅值也随周期而变。只有在微机技术高度发达的条件下，才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的所有交点。并使逆变管按各交点所规定的时刻有序地导通和截止。75图313双极性调制方式36能耗电路计算361制动电流的近似估算准确计算制动电流非但比较麻烦，也没有必要。统计资料表明，当流过能耗电路的制动电流IB等于电动机额定电流的一半时，电动机的制动转矩大约等于其额定转矩IBIMN2TBTMN（315）式中，IB制动电流，A；IMN电动机额定电流，A；TB制动转矩，NM；TMN电动机额定转矩，NM。一般情况下，制动转矩的选择范围是TMNTB2TMN（316）用户可根据生产机械的具体情况，按式（315）和（316）来决定制动电流。362制动电阻的计算（1）电阻值当制动电流决定以后，计算制动电阻是十分容易的RB（317）HIU式中，RB制动电阻值，；UBH直流电压的上限值，V。（2）直流电压的上限值按照国家规定，网络电压的最大上限值，不应超过额定值的10，故一般规定直流电压的上限值如下UBHUL（110）38014141159105V（318）2式中，UL输入线电压的有效值，V。我国的网络电压统一为380V，则直流电压的上限值应为600V。但进口变频器的进线电压最高可达460V，故直流电压的上限值大多定为700V。也有定为800V的，UBH取为800V。（3）制动电阻的容量当制动电阻接入电路时，所消耗的功率为PBOBHRU2（319）式中，PBO制动电阻接入电路时消耗的功率，KW。因为能耗电路并不总是处于导通状态的，并且，每次导通的时间往往不长。所以，实际制动电阻的容量可以适当减小PBBPBO（320）式中，PBO制动电阻容量的实际值，KW；B容量的修正系数。B的取值范围大致如下用于减速或停机时B0105用于运行发电时B0810旋转机构和变幅机构都属于减速和停机时，所以取B02根据（317）可知在旋转机构中，电机额定电流30A，所以IB15A，可得RB55，PB11KW在变幅机构中，电机额定电流68A，所以IB34A，可得RB235，PB03KW。4可编程控制器的结构和工作原理41PLC的基本结构PLC的类型繁多，但其结构和工作原理则是大同小异，一般是由中央处理单元（CPU）、储存器、输入/输出单元、编程器、电源等主要部分构成的。如果把PLC看作一贯系统，外部的开关信号或模拟信号均为输入变量，它们经输入接口存到PLC内部的数据储存器中，而后经过逻辑运算或数据处理以输出变量的形式送到输出接口，从而控制输出设备。411中央处理器（CPU）CPU是PLC的核心部件，它类似人的大脑，能指挥PLC按时预先编好的系统程序完成各种任务。其作用有以下几点（1）接收、储存由编程工具输入的用户程序和数据，并通过显示器显示出程序的内容和储存地址。（2）检查、校验用户程序。对正在输入的用户程序进行检查，发现语法错误立即报警，并停止输入；在程序运行过程中若发现错误，则立即报警或停止程序执行。（3）接收、调用现场信息。将接收到现场输入的数据保存起来，在需要该数据的时候将其调出、并送到需要该数据的地方。（4）执行用户程序。当PLC进入运行状态之后，CPU根据拥护程序存放的先后顺序，逐条读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序的结果送至输出端口，以驱动PLC外部的负载。（5）诊断电源、PLC内部电路的故障，根据故障或错误的类型，通过显示器显示出相应的信息，以提示用户及时排除故障或纠正错误。412储存器储存器可以分为以下3种（1）系统程序储存器。系统程序的厂家根据其选用的CPU的指令系统编写的，它决定了PLC的功能。系统程序储存器是只读储存器，用户不能更改其内容。（2）用户程序储存器。根据控制要求而编写的应用程序称为用户程序。不同机型的PLC，其用户程序的储存器容量可能相差很大。根据生产过程或工艺的要求，用户程序经常需要改动，所以用户程序储存器必须可读写。一般要用后备电池进行掉电保护，以防止掉电时的丢失程序。（3）工作数据储存器。用来存储工作数据的区域叫工作数据区。工作数据是经常变化、经常存取的，所以这种储存器必须可读写。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量输入/输出状态以及定时器、计数器。辅助继电器等内部器件的NO/OFF状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A/D转换得到的数字量和数学运算结果等。在PLC断电时能保持数据的储存器区称数据保持区。413输入/输出单元输入/输出（I/O）单元是PLC与外部设备相互联系的窗口。输入单元接收现场设备向PLC提供信号。例如由按钮、操作开关、限位开关、继电器触点、接近开关、拨码器等提供的开关量信号。这些信号经过输入电路的滤波、关电隔离、电平转换等处理，变成CPU能够接收和处理的信号。输出单元将经过CPU处理的微弱电信号通过光电隔离、功率放大等处理转换成外部设备所需要的强电信号，以驱动各种执行元件，如接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等。下面介绍几种常用的I/O单元的工作原理。1开关量输入单元。按照输入电源类型的不同，开关量输入单元可分为直流输入单元和交流输入单元。（1）直流输入单元直流输入单元的电路如图41所示，外接的直流电源极性可任意。虚线框内是PLC内部的输入电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各输入点所对应的输入电路均相同。图中T为一个光耦合器，发光二极管与光敏晶体管封闭在一个管壳内。当二极管中有电流时其发光，此时光敏晶体管才导通。R1为限流电阻，R2和C构成滤波电路，可滤除输入信号中的高频干扰。LED显示输入点的状态。其工作原理是当S闭合时光耦合器导通，LED点亮，表示输入开关S处于接通状态。此时A点为高电平，该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU访问该路信号时，将该输入点所对应的输入映像寄存器状态置1；当S断开时光耦合器不导通，LED不亮，表示输入开关S处于断开状态。此时A点为低电平，该电平经滤波器送到内部电路中。当CPU访问该路信号时，将该输入点对于的输入映像寄存器状态置0。图41直流输入电路有的PLC内部提供24V的直流电源，这时直流输入单元无需外接电源，用户只需将开关接在输入端子和公共端子之间即可，这就是所谓无源式直流输入单元。无源式直流输入单元简化了输入端的接线，方便了用户。（2）交流输入单元交流输入单元的电路如图42所示虚线框内是PLC内部输入电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输入点的输入电路，各输入点所对应的输入电路均相同。图中，电容C为隔直电容，对交流相当于短路。R1和R2构成分压电路。这里光耦合器中是两个反向并联的发光二极管，任意一个二极管发光都可以使光敏晶体管导通。显示用的两个发光二极管，任意一个二极管发光都可以使光敏晶体管导通。显示用的两个发光二极管LED也是反向并联的。所以这个电路可以接收外部的交流输入电压，其工作原理与直流输入电路基本相同。PLC的输入电路有共点式、分组式、隔离式之别。输入单元只有一个公共端子COM的称为共点式，外部各输入元件都有一个端子与COM相连；分组式是将输入端子分为若干组，每组各共用一个公共端子；隔离式输入单元，是具有公共端子的各组输入点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。2开关量输出单元。按照输出电路所用开关器件的不同，PLC的开关量输出单元可分为晶体管输出单元、晶闸管输出单元和继电器输出单元。图42交流输入电路（1）晶体管输出单元晶体管输出单元的电路如图43所示。虚线框内是PLC内部输出电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各输出点所对应的输入电路均相同。图中，T1是光耦合器，LED只是输出点的状态，T2为输出晶体管，D为保护二极管，FU为熔断器，防止负载短路使损坏PLC。工作原理为当对应与晶体管T2的内部继电器的状态为1时，通过内部电路使光耦合器T1导通，从而使晶体管T2饱和导通，因此负载得电。CPU使与该点对应的输出锁存器为高电平，使LED点亮，表示该点的输出状态为1；当对应于T2的内部继电器的状态置0时，光耦合器T1不导通，晶体管T2截止，负载失电。如果负载是感性的，则必须与负载并接续流二极管，负载通过续流二极管释放能量。此时LED不亮，表示该输出点的状态为0图43晶体管输出单元晶体管为无触点开关，所以晶体管输出单元使用寿命较长，响应速度快。（2）双向晶闸管输出单元在双向晶闸管输出单元中，输出电路采用的开关器件是光控双向晶闸管，电路如图44所示。虚线框内是PLC内部输出电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各输出点所对应的输入电路均相同。图中T为光控双向晶闸管（两个晶闸管反向并联），LED为输出点状态指示，RS、C构成阻容吸收保护电路，FU为熔断器。工作原理为当对应于T的内部继电器的状态为1时，发光二极管导通发光，不论慰藉电源极性如何都能使双向晶体管T导通，负载得电，同时输出指示灯LED点亮，表示该输出点接通；当对应于T的内部继电器的状态为0时T关断，负载失电，指示灯LED灭。图44晶闸管输出电路双向晶闸管输出型PLC的负载电源，可以根据负载的需要选用直流或者交流。（3）继电器输出单元继电器输出单元的电路如图45所示。图中虚线框内是PLC内部输出电路，框外左侧为外部用户接线。图中只画出对应于一个输出点的输出电路，各输出点所对应的输入电路均相同。图45中，LED是输出点状态显示器，J为一小型直流继电器。工作原理为当对应于J的内部继电器的状态为1时，J得电吸和，其常开触点闭合，负载得电。LED点亮，表示该输出点接通。当对应于J的内部继电器的状态为0时，J失电，其常开触点断开，负载失电。指示灯LED灭，表示该输出点断开。继电器输出型PLC的负载可以根据需要选用直流或交流。继电器触点电气寿命一般1030万次，因此在需要输出点频繁通断的场合（如高频脉冲输出），应选用晶体管或晶闸管输出型PLC。另外，继电器从线圈得电到触点动作存在延迟时间，是造成输出滞后于输入的原因之一。图45继电器输出电路PLC的输出电路也有共点式、分组式、隔离式之别。输出单元只有一个公共端子COM的称为共点式，分组式是将输出端子分为若干组，每组各共用一个公共端子；隔离式输出是具有公共端子的各组输出点之间互相隔离，可各自使用独立的电源。塔机的调速采用变频器变频调速，需要控制的输入端（PLC的输出端）有正转启动、反转启动、故障复位和多段数（三个端子获得8种速度，选择其中5种速度）。其中变频器内部设定在变频器原理中指出。则PLC的输入端除了要有控制这几个输出的信号给定外，还需要有限位开关信号的输入端口，例如变幅机构中的PLC控制输入端必须有接入左右限位器信号的输入端口；回转机构中需要有接入左右转动的限位开关信号的输入端口。由于回转机构的控制与变幅机构的控制基本相同，这里只说明变幅机构的I/O控制。其电气原理图如图所示414电源部分PLC中一般配有开关式稳压电源为内部电路供电，开关电源的输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。一般的PLC能向外部提供24V的直流电源，可给输入单元所连接的外部开关或传感器供电。415编程器编程器是生产厂家提供的与本公司PLC配套的编程工具。编程器分为简易编程器和图形编程器两种。简易编程器不能直接输入梯形图程序，只能输入语句表程序。用简易编程器编程时，编程器必须与PLC相连接。简易编程器的优点是价格低、体积小、重量轻、方便携带。有的简易编程器可以直接插在PLC主机的编程器插座上，如OMRON公司的P型机等。有的简易编程器要用专用电缆与PLC相连。图形编程器可直接输入梯形图程序。图形编程器分手持式和台式。台式编程器具有用户程序储存器，它可以把用户输入的程序存放在自己的储存器中，也可以把用户程序下载到PLC中。一般它还能提供磁带录音机接口和打印机接口，可将用户程序存到磁带上或打印出来。有的还带由磁盘驱动器，可将程序转存到磁盘上。图形编程器的优点是屏幕大，显示功能强，都是其价格贵。编程器可以不参与现场运行，使用一台编程器可以供多台PLC使用。42PLC的工作原理PLC的工作过程是周期循环扫描的工作过程。用户程序通过编程器或其他输入设备输入存放在PLC的用户储存器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，完成各输入点的状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器键入响应和显示更新、及CPU自检等功能。PLC的扫描可按固定顺序进行，也可按用户程序规定的可变顺序进行。这不仅仅因为有的程序不需要每扫描一次，