基于PLC的5t桥式起重机的电气控制系统设计

1、摘要随着现代控制理论的应用，微处理器和微电子技术的发展，使变频调速控制系统日趋成熟。而桥式起重机作为物料搬运系统中一种典型设备，在企业生产活动中应用广泛作用显著，故对于提高其运行效率，确保运行安全，降低物料搬运成本是十分重要。传统的桥式起重控制系统主要采用继电器、接触器进行控制，并使用交流绕线串电阻的方法进行启动和调速，这种控制系统存在可靠性差，故障率高，电能浪费大，效率低等缺点。因此根据桥式起重机的运行特点，将可编程序控制器与变频器结合应用于桥式起重机控制系统， plc系统采用日本三菱公司产品（ ），大大提高了操作精度和稳定度；综合保护功能完善，便于及时发现、查找、处理故障；并且节约了能源。

2、变频器采用三菱公司fr-a540系列产品，变频器内部控制的核心是 cpu单元，具有较强的运算和控制能力 , 能够实现参数化调速控制，设置合理的电机运行参数，保证起重机各机构有较大的调速范围和较高的调速精度，并且可以有7种不同的速度，比传统的起重机多几种速度。变频器内部具有故障自诊断功能 ,能实现系统的过电压、过电流和过载保护等功能。关键词:可编程序控制器；桥式起重机；电气控制系统abstractwith the application of modern control theory, microprocessors and micro-electronics technology, vari

3、able frequency speed control system to mature. the bridge crane system as a typical material handling equipment, widely used in production activities, significant effect, so to improve its operating efficiency, ensuring safe operation and reduce material handling costs is very important. the traditi

4、onal bridge crane control system is mainly used for relays and contactors to control and use the communication method of winding series resistance starting and speed, there is poor reliability of this control system, failure rate, energy waste and efficiency low defects. therefore, under the bridge

5、cranes operational characteristics, the combination of plc and frequency converter used in bridge crane control system, plc system uses the japanese mitsubishi companys products ( ), which greatly improved the precision and stability operations; integrated protection functions and easy to detect, lo

6、cate, treatment failure; and save energy. inverter with mitsubishi fr-a540 series inverter is a cpu core of the internal control unit, and a strong computing and control, to achieve speed control parameter, set reasonable parameters of the motor is running, ensure that the institutions crane large s

7、peed range and high speed accuracy, and can have 7 different speed, more than the traditional cranes several speed. inverter with fault diagnosis of internal functions, to achieve the system over voltage, over current and overload protection functions.keywords: programmable logic controller; frequen

8、cy conversion; bridge crane; electrical control systemplc-based electrical bridge crane control system目录摘要1abstract2第一章 绪 论41.1桥式起重机简介41.2 本课题设计的意义、主要内容及基本参数7第二章plc技术简介及元器件选择82.1 plc的基本概念82.1.1plc的基本结构92.1.2plc的工作原理102.2 电气控制技术简介112.3元器件的选择132.3.1 plc的选用132.3.2 在选择plc时的注意要点132.3.2型时的注意事项132.4力拖动方案及电

9、机的选择152.5用辅件的选择16第三章 桥式起重机电气控制设计193.1提升机构与移动机构对电气控制的要求193.1.2桥式起重机电气控制电路分析203.1.3 凸轮控制系统简介233.1.4主钩升降控制电路243.1.5 桥式起重机的安全使用注意事项27第四章 桥式起重机plc程序设计294.1设计目标及思路294.2 控制需求分析与硬件设计304.3 桥式起重机plc控制程序设计31第五章 结束语34致谢35参考文献36第一章 绪 论1.1桥式起重机简介桥式起重机在冶金企业及其它行业有着广泛的应用,其作用主要用来实现物体的升降和转运,桥式起重机工作环境恶劣,工作任务重。它能否正常工作直接

10、影响到生产效率提高和工作任务的完成,甚至关系到人身、设备的安全。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。图1-1-1 桥式起重机主体结构图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

11、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0.2-0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。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。我们所研究的桥式起重机是电动双梁桥式起重机，该起重机由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。机构主要指主起升机构、副起升机构、小车运行机

12、构、大车运行机构。在电气控制系统中，其供电一般是通过电缆卷筒将电源输送到中心电器上，起重机机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气房内，安全保护装置装在在适当的位置上。 桥式起重机的安全检查为了保证桥式起重机的安全运行，在起重机运行期间需进行一些安全常规检查，检查项目及要点如下： （1） 起升高度限位器、行程限位开关及各联锁机构性能正 常，安全可靠。 （2） 各主要零部件符合安全要求：开口增大小于原尺寸的15%，扭转变形小于10%；板钩衬套磨损小于原尺寸的50%，板钩心轴磨损小于5%，无剥落、毛刺、焊补。吊钩挂架及滑轮无明显缺陷。钢丝绳表面钢丝磨损、腐蚀量小于钢丝直径的40%，断丝在一

13、个捻距内小于总丝数的10%，无断头，无明显变细，无芯部脱出、死角扭拧、挤压变形、退火、烧损现象。钢丝绳端部连接及固定的卡子、压板、锲块连接完好，无松动，压板不少于2个，卡子数量不少于3个。卷筒无裂纹，连接、固定无松动；筒壁磨损小于原壁厚的20%；安全卷不少于2圈，卷筒与钢丝绳直径比例符合要求。平衡轮固定完好，钢丝绳应符合的要求。制动器无裂纹，无松动，无严重磨损，制动间隙两侧相等尺寸合适，有足够的制动力，制动带磨损小于原厚度的50%。 通过对桥式起重机的安全常规检查，对杜绝人身事故，减少设备事故，提高设备运转率，降低检修费用等均起到了显著作用。普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属

14、结构组 成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。 起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。 起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。 起重机运行机构一般只用四个主动和

15、从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。 桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。 主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。 箱形结构又可分为正轨箱形双梁、偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁等几种。正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式，主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布

16、置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。 偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁，自重较小，但制造较复杂。 四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。 空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形梁外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，

17、在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部，自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。 1.2 本课题设计的意义、主要内容及基本参数 传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电一接触器控制，这种控制系统的主要缺点有: 1.桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。 2.继电一接触器控制系统可靠性差，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。所串电阻长期发热，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。其中，具有代

18、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控制技术在桥式起重机系统提供了有利条件。本论文研究了变频调速技术为5t桥式起重机中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和plc技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了桥式起重机变频调速系统。本课题的目的要求和基本参数:（1） 完成起重机规定的各种运动要求。（2） 考虑电路完整的各种保护措施。（3） 考虑起重机的照明、显示等措施。（4） 合理正确的选择电路的元器件。（5）输入电压：380v，照明电压：36v/127v，工作海拔高度小于1000米。周围环境温度：-540第二章plc技术简介及元器件选择2.1

19、plc的基本概念可编程程序控制器(programmable controler)，也称为plc(programmable logic controler)，即是可编程逻辑控制器。其采用计算机结构，主要包括cpu,存储器、输入、输出接口及模块、通讯接口及模块、编程器和电源六个部分。如图4.1所示，plc内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为plc的输入变量，他们经plc外部输入端子输入到内部寄存器，经plc内部逻辑运算或其他各种运算处理后送到输出端子，作为plc的输出变量，对现场设备进行各种控制。电源输入模块输出模块cpu存储器通信模块编

20、程器或编程软件图2-1-1 可编程控制器基本结构示意图2.1.1plc的基本结构plc实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为： a、电源 plc的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此plc的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将plc直接连接到交流电网上去 b. 中央处理单元(cpu) 中央处理单元(cpu)是plc的控制中枢。它按照plc系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、i/o以及警戒定时器

21、的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当plc投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入i/o映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入i/o映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将i/o映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高plc的可靠性，近年来对大型plc还采用双cpu构成冗余系统，或采用三cpu的表决式系统。这样，即使某个cpu出现故障，整个系统仍能正常运行。 c、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存

22、放应用软件的存储器称为用户程序存储器。 d、输入输出接口电路 1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是plc与现场控制的接口界面的输入通道。 2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用plc通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。 e、功能模块 如计数、定位等功能模块 f、通信模块 如以太网、rs485、profibus-dp通讯模块等 2.1.2plc的工作原理一. 扫描技术 当plc投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，plc的cp

23、u以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 (一) 输入采样阶段 在输入采样阶段，plc以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 (二) 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，plc总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右

24、、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果

25、使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 (三) 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，plc就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是plc的真正输出。2.2 电气控制技术简介电气控制技术是以各类电动机为动力的传动装置与系统为对象，以实现生产过程自动化的控制技术。电气控制系统是其中的主干部分，在国民经济各行业中的许多部门得到广泛应用，是实现工业生产自动化的重要技术手段。

26、随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断改进，特别是计算机技术的应用，新型控制策略的出现，不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上，从手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到智能化控制；在操作上，从笨重发展到信息化处理；在控制原理上，从单一的有触头硬接线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。在工农业、交通运输业等部门，广泛使用着各式各样的生产机械，他们大都是以电动机为动力进行拖动。电动机是通过某种控制方式进行控制的，常见的是

27、继电器-接触器控制的方式，又称电气控制。电器控制电路是指将各种有触点的按钮、继电器、接触器等低压电器，用导线按一定的要求和方法连接起来，并能实现某种功能的电路。它的作用是：实现对电力拖动系统的启动、调速、反转、和制动等运行性能的控制；实现对拖动系统的保护；满足生产工艺的要求；实现生产过程自动化。其优点是电路图较直观形象，装置结构简单，价格便宜，抗干扰能力强，运行可靠，可以方便的实现简单和复杂、集中和远距离生产过程的自动化控制。其缺点是：采用固定接线方式时，通用性和灵活性较差；采用有触点的开关时，触点易发生故障。尽管如此电气控制仍然是各类机械设备最基本的控制形式之一。作为生产机械动力的电机拖动，

28、经历了漫长的发展过程。20世纪初，电动机直接取代蒸汽机。开始是成组拖动，用一台电动机通过中间机构（天轴）实现能量分配与传递，拖动多台生产机械。这种拖动方式电气控制线路简单，但机构复杂，能量损耗大，生产灵活性也差，不适应现代化生产的需要。20世纪20年代，出现了单电机拖动，即由一台电动机拖动一台生产机械。单电机拖动相对成组拖动，机械设备结构简单，传动效率提高，灵活性增大，这种拖动方式在一些机床中至今仍在使用。随着生产发展及自动化程度的提高，又出现了多台电动机分别拖动各运动机构的多电机拖动方式，进一步简化了机械结构，提高了传动效率，而且使机械的各运动部分能够选择最合理的运动速度，缩短了工时，也便于

29、分别控制。继电器接触器控制系统至今仍是许多生产机械设备广泛采用的基本电气控制形式，也是学习更先进电气控制系统的基础。它主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，由于其控制方式是断续的，故称为断续控制系统。它具有控制简单、方便实用、价格低廉、易于维护、抗干扰能力强等优点。但由于其接线方式固定，灵活性差，难以适应复杂和程序可变的控制对象的需要，且工作频率低，触点易损坏，可靠性差。以软件手段实现各种控制功能、以微处理器为核心的可编程控制器，是20世纪60年代诞生并开始发展起来的一种新型工业控制装置。它具有通用性强、可靠性高、能适应恶劣的工业环境，指令系统简单、编程简便易学、易于掌握，体积小、维修工

30、作少、现场连接安装方便等一系列优点，正逐步取代传统的继电器控制系统，广泛应用于冶金、采矿、建材、机械制造、石油、化工、汽车、电力、造纸、纺织、装卸、环保等各个行业的控制中。在自动化领域，可编程控制器与cad/cam、工业机器人并称为加工业自动化的三大支柱，其应用日益广泛。可编程控制器技术是以硬接线的继电器接触器控制为基础，逐步发展为既有逻辑控制、计时、计数，又有运算、数据处理、模拟量调节、联网通信等功能的控制装置。它可通过数字量或者模拟量的输入、输出满足各种类型机械控制的需要。可编程控制器及有关外部设备，均按既易于与工业控制系统联成一个整体，又易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器已成为生产机

31、械设备中开关量控制的主要电气控制装置。2.3元器件的选择2.3.1 plc的选用目前plc使用性能较好的有siemens公司、日本的三菱、欧姆龙、美国的ab公司。根据性价比的选择，根据被控对象的i/0点数以及工艺要求、扫描速度、自诊断功能等方面的考虑，我们采用siemens公司的s7-200系列plc。simatic s7-200系列是西门子公司小型可编程序控制器，可以单机运行，由于它具有多种功能模块和人机界面(hmi)可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成plc网络。同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完成任何功能的控制任务

32、，同时具有可靠性高，运行速度快的特点，继承了和发挥了它在大、中型plc领域的技术优势，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，其性能价格比高，所以在规模不太大的领域是较为理想的控制设备。2.3.2 在选择plc时的注意要点(1) 根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度； (2) 对i/o点数和i/o点的类型(数字量、模拟量等)统计； (3) 适当进行内存容量估计的基础上，确定留有适当的余量而不浪费资源的机型(小、中、大形机器)； (4) 结合市场情况，考察plc生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的plc机型。在plc实际应用中，是以其为控制

33、核心组成电气控制系统，实现对生产、工业过程的控制。2.3.2型时的注意事项 (1)在plc选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性，备件的通用性，是否易于扩展，有无特殊功能要求等。 (2) plc输入/输出点确定：i/o点数选择时要留出10%15%的余量。(3) plc储存容量：系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时容量选择大一些。(4) 储存时间、维持时间：一般储存期保持13年(与使用次数有关)。若要长期或断电保持应选用eeprom储存(不需备用电源)，也可选外用储存卡盒。 (5) plc的扩展：可通过增加扩展模块，扩展单元与主单元连接的方式。扩展模块有输入单元、输出单元

34、，输入/输出一体单元。扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给予支持。(6) plc的联网：plc的联网方式分为plc与计算机联网和plc之间互联网两种。与计算机联网可通过rs-232c接口直接连接，rs-422+rs-232c。一台计算机与多台plc联网，可通过采用通讯处理器，网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；plc之间互联时可通过专用通讯电缆直接连接，通讯板卡或模块+数据线连接等方式。(7) 不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏plc。(8) 充分合理利用软、硬件资源。(9) 不参与控制循环前已经投入的指令可不接入plc。(10) 多重指令空

35、闲等待一个任务时，可在plc外部将它们并联后再接入一个输入点。(11) 尽量利用plc内部功能软件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，易于开发。同时也能减少硬件投入，降低成本。 (12) 条件允许的情况下最好独立每一路输出，便于控制和检查，也保护其它输出回路；当一个输出点出现故障时只会导致相应输出回路失控。(13) 输出若为正/反向控制的负载，不仅要从plc内部程序上联锁，并要在plc外部采取措施，防止负载在两方向动作。 (14) plc紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。2.2.3 plc型号的确定 本设计应用了德国西门子公司simatic s7-300系列的plc进行控制。由于它

36、有极强的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。设计中应用的i/o端子数分别是：输入点数为56个，输出点数为39个；根据要求选用的模块如表2所示。2.4力拖动方案及电机的选择 桥式起重机由交流电网供电。由于必须经常移动，小型的（10t以下）常采用软电缆供电，打车在导轨上移动以及小车在大车的导轨上移动时，供电电缆随之伸展和叠卷；中大型起重机（20t以上）采用滑线和电刷供电，车间电源连接在3根主滑线上，通过电刷降电源引进起重机电气设备。滑线通常用圆钢、角钢、v形钢或钢轨制成。本次课设起重机的吨位为5t归为小型，所以选用软电缆供电。起重机的工作条件十分恶劣，常工作于有粉尘、高温、高湿度的环

37、境下，负载型属于重复短时工作制，经常处于频繁带载启动、制动、翻转状态，要承受较大的过载和机械冲击。为提高起重机的生产效率和可能性，对电力拖动提出如下的要求：（1）由于频繁启动，电动机启动电流要小，通常采用绕线式异步电动机拖动，转自回路串电阻启动。（2）要具有一定的调速范围，起重机属恒转矩调速，采用恒转矩调速方法，普通起重机的调速范围为3，要求较高时可达5到10.（3）由于起重机为重复短时工作制，允许电动机短时过载运行。（4）采用电气和电磁机器双重制动。（5）应具有必要的零位、短路、过载和终端保护。一、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

38、为最低。目前，国内用于起重机械的4极电机有强迫通风冷却的yzfxxx-4型电机等。二、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p厂及加速功率pa两部分组成。一般情况下,电机容量p为 (2-1) 式中一电机平均起动起动转矩倍数起重机起升机构的负荷特点是起动时间短(1-3s)，只占等速运动时间的较少比例;转动惯量较少，占额定起升转矩的10%-20%。其电机容量p为 (kw) (2-2)式中 一起重机额定提升负载，kg 一额定起升速度，m/s 一重力加速度，g=9. 81m/s 一机构总效率为使电机提升1.25倍试验载荷，能

39、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。2.5用辅件的选择 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，为此变频器配置的断路器容量应为电机额定电流的1.31.4倍，整定值为断路器额定值的34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寿命。 3、交流电抗器 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

40、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。 4、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。5.1 电阻值的计算 (2-3)式中 一直流回路电压，v一制动转矩，n.m一电机额定转矩(在附加电阻制动的情况下，电机自损耗约为电机额定功率的20%左右)

41、，n.m一电机额定转矩(在附加电阻制动的情况下，电机额定转速),r/min在制动晶体管和制动电阻构成的能耗回路中最大电流受晶体管许用电流ic的限制，因此在选择制动电阻值时不可小于其最小制动电阻值rmin，即 () (2-4)式中一直流回路电压，v一制动晶体管允许的最大电流，a因此，制动电阻应按 的关系选用。5.2 制动转矩的计算 (2-5)式中一电机转子飞轮转矩之和，n.m 一负载转矩，n.m 一减速开始时转速，r/min 一减速结束时转速，r/min 一减速时间，s6.电缆选择由于高次谐波的驱动效应，电缆的实际使用面积减少，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

42、用值。代号名称型号数量备注m5主钩电动机yzr-315m-10、75kw1m1副钩电动机yzr-200l-8、15kw1m2小车电动机yzr-132mb-6、3.7kw1m3、m4大车电动机yzr-160mb-6、7.5kw2ac1副钩凸轮控制器ktj1-50/11控制副钩电动机ac2小车凸轮控制器ktj1-50/11控制小车电动机ac3大车凸轮控制器 ktj1-50/51控制大车电动机ac4主钩主令控制器 lk1-12/901控制主钩电动机yb1副钩电磁控制器 mzd1-3001制动副钩yb2小车电磁制动 mzd1-1001制动小车yb3、yb4大车电磁制动器mzd1-2002制动大车yb5

43、、yb6主钩电磁制动器 mzs1-45h2制动主钩1r副钩电阻器2k1-41-8/21副钩电动机启动调速2r小车电阻器 2k1-12-6/11小车电动机启动调速3r、4r大车电阻器 4k1-22-6/12大车电动机启动调速sr主钩电阻器 4p5-63-10/91主钩电动机启动调速qs1总电源开关 hd-9-400/31接通总电源qs2主钩电源开关 hd11-200/21接通主钩电源qs3主钩控制电源开关 dz5-501接通主钩制动电源qs4紧急开关 a-31611发生紧急情况断开sb启动按钮 la19-111启动主接触器km主接触器 cj2-300/31接大小车、副钩电源ka0总过流继电器 j

44、l4-150/11总过流保护ka1-ka3过电流继电器 jl4-153过流保护ka4过电流继电器 jl4-401过流保护ka5主钩过流继电器 jl4-1501过流保护fu1控制保护电源熔断器 rl1-151短路保护km6-km9主钩加速级接触器 cj2-75/22控制主钩制动电磁铁kv欠压继电器 jt4-10p1欠压保护sq5主钩上升位置开关 lk4-314限位保护sq6副钩上升位置开关 lk4-311限位保护sq1-sq4大、小车位置开关 lk4-111限位保护sq7舱门安全开关 lx2-uh1舱门安全保护sq8、sq9横梁 lx2-1114横梁栏杆安全门保护km4、km5主预备级接触器 c

45、j2-75/31表2-4-1 5t桥式起重机电器元件明细表第三章 桥式起重机电气控制设计3.1提升机构与移动机构对电气控制的要求 为了提高起重机的生产率和生产安全，对起重机提升机构电力拖动自动控制提出如下要求：(1) 具有合适的升降速度，空钩能快速升降，轻载提升速度应大于额定负载的提升速度。 (2) 具有一定的调速范围，普通起重机调速范围为3:1，对要求较高的起重机，调速范围可达(510):1。(3) 适当的低速区，提升重物开始或下降重物到预定位置附近，都需要低速。为此，在30%额定速度内应分成几档，以便灵活操作。高速向低速过渡应逐级减速，保持稳定运行。(4) 提升的第一档为预备档，用以消除传

46、动间隙，将钢丝张紧，避免过大的机械冲击。但预备级的起动转矩不能大，一般限制在额定转矩的一半以下。(5) 负载放下时，依据负载大小，拖动电动机可以是电机状态、倒拉反接制动状态与再生发电制动状态。(6) 为了安全，有机械抱闸的机械制动，以减轻机械抱闸的负担。不允许只有电气制动而无机械制动，不然发生电源事故停电时，在无制动力矩作用下，重物将自由下落，造成设备或人身事故。 车运行机构与小车运行机构对电力拖动自动控制的要求比较简单，只要有一定的调速范围，分几档进行控制即可。为实现准确停车，应采取制动停车。3.1.2桥式起重机电气控制电路分析5t桥式起重机为交流拖到，主钩的起升电动机由于功率较大，因此采用

47、磁力控制屏和主令控制器操作，其他电动机均采用凸轮控制器操作。桥架的移动 是由两台特性完全相同的交流绕线式交流电动机拖动，分别安装在桥架的两端。5t桥式起重机的电器原理图如图11111111111111所示。1.电动机起重机共有5台电动机拖动。m1为主起升电动机，m2为副起升电动机，m3为小车电动机，m4、m5为桥架电动机，用于拖动桥架移动，是特性完全相同的交流绕线式电动机，分别安装在桥架两端。2.控制柜的保护电路通过接触器km使电动机与车间电源接通，所以控制接触器km就能对电机进行保护。电动机启动前，主令控制器sa1和凸轮控制器sa2、sa3、sa4都在零位时，才允许接通交流电源。由凸轮控制器

48、sa2、sa3、sa4控制的四台电动机：副起升电动机m2桥架电动机m4.m5都设置了过电流保护，分别采用过电流继电器ka2、ka3、ka4、ka5实现。电源电路侧采用过电流继电器ka0实现过电流保护。限位开关sq6、sq7、sq8分别是操作控制室门上的安全开关及起重机端梁栏杆门上的安全开关，任何一个门没有关好，电动机都不会启动运行。紧急开关sa用来在紧急情况下切断电源。小车限位开关sq3、sq4及副起升位置开关sq5串接与接触器km的自锁电路中。当小车行车至极限位置和副起升机构上升至安全规定的高度时，相应的限位开关动断触点被压动而断开，使接触器km断电，保证起重机安全可靠工作。要使机构退出极限

49、位置，必须手柄都退到零位，这是自锁电路中的动断触点sa2、sa3都闭合，可以重新启动接触器km，操作凸轮控制器，使机构反方向运动，退出极限位置。桥架的限位开关sq1、sq2分别串联在桥架拖动电动机正反接触器km10、km11电路中，在左行极限位置压动位置开关sq1，切断左行接触器km10，左行停止，但允许右行接触器km11通电，控制大车向右退回，同样在极限位置sq2动作，限制右行，可以左行退回。3.保护与连锁接触器km线圈回路串联了各电动机的过流继电器ka1ka5及ka0的动断触点，任一过电流继电器动作，都会使km断电释放，切断交流电源，达到过载保护的目的。驾驶舱口安全开关sq6，端梁栏杆门开

50、关sq7，sq8，副钩提升限位开关sq5，小车限位开关sq1，sq2，大车限位开关sq3，sq4等的设置，对于检修、操作人员的安全及机械设备的安全是很重要的，它们的动断触点与km的线圈串联，任一开关动作都会切断交流电源。紧急开关sa1供操作人员在紧急状态下切断总电源。为避免主钩提升的强力冲击，三个档位按一定顺序短接转子电阻，在每个接触器线圈电路中都串有一个接触器的动合触点，以保证转子电阻逐段切除。在下降档位置下放重物时，如欲降低速度，应将主令控制器扳回低档位以避免下降速度过快。km2动合触点与km10自锁动合触点相串联，保证只有下降时才有此自锁。用一个km10的动断触点km3线圈串联，保证只有

51、km10释放后，km3才能通电吸合，这样就可保证在反接过程中转子串接由一定阻值的电阻，防止过大的电流冲击。km4动合触点与km2、km3动合触点关联，以保证下降档位互换时，km4因自锁而继续通电，电磁抱闸仍然松开，防止产生强烈的机械共振。图3-1-1 桥式起重机电气控制图（1）图3-1-2 桥式起重机电气控制图（2）3.1.3 凸轮控制系统简介图3-1-3 凸轮控制器结构示意图凸轮控制器是一种大型手动控制电器，用以变换主电路的接法和转子电路中的电阻值，以达到控制电动机启动、制动、调速和反转的目的。他由凸轮、触点、转轴和手柄等部分构成。如上凸轮控制器的结构示意图。如在方轴上叠装若干不同形状的凸轮

52、片，就可以使一系列的触点按预先编好的顺序接通和分断电路。3.1.4主钩升降控制电路（1）主钩升降运动的特点及电动机运行状态：主钩升降由一台yzr520ma-8型起重机专用绕线式异步电动机，有以下几种情况：当主钩向上提升货物时，由摩擦产生的阻力与重物产生的位能力矩相加成为负载力矩，电动机工作在正向电动状态，转速方向为正（向上提升），电动机电磁力矩方向和转速主向相同，负载力矩方向与转速方向相反，属于恒转矩负载。改变串接在转子电路中的电阻，可以分级调节电动机的转速。提升过程的机械特性曲线位于第一象限，如下图所示。图中所示特性曲线1,2,3,4分别对应串接电阻为r1，r2，r3，r4且满足r1r2r3

53、r4对应的稳定转速为n1,n2,n3,n4,所串电阻越大，对应的稳定转速越低。图3-1-4 正向电动机状态提升重物过程机械特性图（r1r2r3r4）当下放较轻货物时，位能力矩小于摩擦阻力矩，欲使轻物放下，电动机需接反向相序电源，使电动机工作在反向电动状态。此时，转速方向为负（下放），电动机电磁力矩方向与转速方向相同，负载力矩等于摩擦阻力与位能力矩之差，方向和转速相反，机械物特性曲线位于第三象限。电动机转子绕组串接电阻越大，对应稳定转速越低。如下图所示。图3-1-5 反转电动状态下放轻物过程机械特性曲线（r1r2r3r4）当放下较重货物时，位能负载力矩大于摩擦阻力矩，为控制下放速度不致过快，电动

54、机应接正相序电源，此时转速方向为负，电动机电磁转矩和转速方向相反，成为制动转矩，电动机工作于反接制动状态，机械特性曲线位于第四象限，如下图所示，此时串接于电动机转子电路的电阻越大，稳定转速越高，在反接制动状态下放重物过程中，电动机从轴上输入机械功率，同时从电源吸收电磁功率，这两部分功率主要消耗在转子电路所串联电阻上。图3-1-6 反接制动状态下放重物过程机械特性曲线（rrrr）当下放较重货物时，如电动机接反向相序电源，在下放转速低于同步转速时，电动机的电磁转矩与转速方向相同，电动机在电磁转矩及位能力矩共同作用下，加速下放重物，直至转速高于同步转速，电磁转矩变为制动转矩，才能达到稳定下放转速，此时电动机工作于回馈制动状态，其工作特性曲线位于第四象限，如下图所示。在回馈制动下放重物时，串接于转子电路的电阻越大，稳定转速越高，此时电动机从转轴上输入的机械功率，大部分变为电能回馈给电源。图3-1-7 回馈制动状态下放重物过程机械特性（rrrr）3.1.5 桥式起重机的安全使用注意事项（1）每台起重机必须在明显的地方挂上额定起重量的标牌。 （2）工作中，桥架上不许有人或用吊钩运送人。 （3）无操作证和酒后都不许驾驶起重机。 （4）操作中必须精神集中、不许谈话、吸烟或做无关的事情。 （5）车上要清洁干净；不许乱放设备、工具、易