LC控制的龙门起重机变频调速系统

目录文摘第一章绪论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1.3.1PLC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2.1200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SIMOVERTMASTERDRIVES3.4.1功率部分的计算3.4.2多电机传动3.4.3整流/回馈单元3.4.4AFE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4.1.1PLC4.1.2PLC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PLCS7-300功能概述4.3.1S7-300系统功能钢厂200吨龙门起重机PLC模块4.3.3STEP7编程语言4.3.4全集成的解决方案4.4PROFIBUS现场总线技术4.4.1PROFIBUS现场总线简述4.4.2PROFIBUS的组成4.4.3PROFIBUS的存取介质4.4.4PROFIBUS的介质存取控制4.4.5PROFIBUS的介质存取协议4.5SCADA/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。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R2>Rl>R，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-1Mechanicalcharacteristicrotorwithresistanceinseries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。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。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。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1.3.1PLC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2.1200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电控系统简述系统功能电控系统的供电电源为10KV±5%,50Hz±0.5Hz，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Ⅰ、Ⅱ，每钩起重能力100吨。下小车一只主钩Ⅲ，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Ⅰ,Ⅱ，下小车主钩Ⅲ能单独升降，上小车主钩I,Ⅱ能同时升降。上小车主钩Ⅰ、Ⅱ和下小车主钩Ⅲ能同时升降。(其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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，下小小车钩子的升升降能和大车车共同运动。9.上小车，下小小车的行走能能和大车一起起运动。10.上小车，下下小车钩子ⅠⅠ、Ⅱ、Ⅲ的升降能和和上小车，下下小车行走，大大车行走共同同运行。11.下小车的主主、副钩不允允许同时运行行。12.各机构都设设有行程限位位。行程限位位设预限位，端端限位和极限限位各一套。起重机动作机械联联锁保护(1)起升机构起升机构包括上小小车两只主钩钩Ⅰ、Ⅱ，下小车主主钩Ⅲ和副钩Ⅳ；其机械联联锁保护功能能要求如下::表2-1起升机构联联锁保护功能能Tab2-1LLiftuunitiinterllockffunctiion(2)行走机构上小车，下小车行行走机构机械械联锁保护功功能要求如下下：表2-2上、下小小车行走机构构联锁保护功功能Tab2-2UUp/Undderveehicleemoviingunnitinnterloockfuunctioon大车行走机构机械械联锁保护功功能要求如下下:表2-3大车行走走机构联锁保保护功能Tab2-3GGantryymoviingunnitinterloockfuunctioon起重机变频电动机机的选择起重机采用变频调调速通常有两两个目的：一一是代替绕线线式电动机改改善起制动性性能，使起制制动更加平稳稳；二是代替替直流电动机机在不同的速速度下长期稳稳定运行。选选择起重机变变频电动机，要要对使用工况况，电机特性性.变频调速原原理了解下才才能根据工艺艺参数正确选选择。这里不不涉及到具体体的计算，仅仅对要注意的的事项说明如如下:(1)起重机变频电电动机的工作作制习惯上对于一般桥桥式起重机、门门式起重机，其其起升和运行行机构电动机机的工作制都都取为S3，但两种种机构的选择择系数不同。通通常比较正确确的取法是起起升机构按SS3，运行机机构、回转机机构、工作变变幅机构按SS4或S5，非工作作俯仰机构按按S2。电动机机的工作制、接接电持续率和和起动次数的的作用效果是是使电动机发发热，其综合合影响可以通通过发热验算算来解决。(2)选择变频电动动机的基本原原则Ⅰ、所选电动机的最最小转矩能满满足额定载荷荷下稳定运行行的需要;Ⅱ、最大转矩能保证证起、制动过过程中加速、减减速的需要;;Ⅲ、温升不超过允许许值。200吨龙门起起重机配置的的电动机和编编码器:(1)起升Ⅰ、Ⅱ：：YTSZ3115L-100，110KWW两台，各内内置两只编码码器和超速开开关；(2)起升Ⅲ：YTTSZ3155M1-100，132KWW一台，内置置两只编码器器和超速开关关；(3)副起升：YTTSZ2800M-8，55KW一台台，内置一只只编码器和超超速开关；(4)上小车行走：：YTSZ1660L-6，11KW四台，上上小车自由轮轮装一只编码码器;(5)下小车行走：：YTSZ1880L-6，15KW两台，下下小车自由轮轮装一只编码码器;(6)大车行走：YYTSZ1660L-6，11KW十六台台，大车行走走两侧自由轮轮各装一只编编码器。其他配置(1)行走机构在轨轨道旁每间隔隔一定间距，设设置纠差检测测开关。(2)夹轨器、锚定定系统(3)润滑系统(4)风速仪(5)称重传感器及及信号放大系系统，用于四四只吊钩(6)电视监控系统统(用于司机室室显示监控))(7)照明系统，配配备照明变压压器(8)通讯系统(9)电控室、司机机室配置冷暖暖空调(10)分电控室、机机房、高压室室配置通风机机(11)紧急停车在在司机联动台台上、电气控控制室、刚性性腿两侧、柔柔性腿两侧、上上小车、下小小车设置紧急急停车按钮。(12)大车运行警警示装置在大车的端部装有有四套声光报报警装置，大大车运行时，该该报警装置动动作，警示地地面人员。2.3本章小结结本章描述了钢厂2200吨龙门门起重机的构构造和电控系系统的功能及及要求，提出出了对电控系系统要实现的的功能和整机机安全联锁保保护。第三章起重机变频频调速传动系系统传统的起重机调速速方法较多，但但都存在调速速范围小、速速度稳定性差差、无法长时时间低速下降降载荷等缺点点，而且系统统复杂，可靠靠性低、维护护量大、能耗耗高。全变频频调速系统作作为一种先进进的调速方案案开始在起重重机上应用。本本章介绍钢厂厂200吨龙门门起重机的多多电机传动变变频调速系统统方案。3.1变频器的技技术概要变频调速作为一种种新型的调速速方法自本世世纪初提出以以来发展十分分迅速，它在在节能，维护护量小，自动动控制性能好好等方面的优优点突出。加加之近年来电电力电子技术术的长足发展展，大大降低低了其一次性性成本的投入入。起重机的动力传动动具有大惯量量，四象限运运行的特点。因因此在了解起起重机的工艺艺要求和各类类变频器的特特点后才能正正确选择适用用的变频器和和辅件。变频调速的原理变频调速系统的原原理框图入图图3-1所示。控制器根据转速的的给定值和反反馈量(开环控制和和无速度传感感器控制时可可无转速传感感器)运用相应的的控制算法控控制逆变器中中功率器件的的关断时序。恒恒压恒频的三三相交流电通通过逆变器产产生电压和频频率均可变的的三相交流电电，供给交流流电机的定子子，以实现平平滑的交流电电机调速。在在多数情况下下，把控制器器和逆变器合合二为一，称称为变频器。变频器随着电力半导体器器件的发展，变变频器的发展展也经历了几几个阶段。电电力电子器件件的自关断、模模块化、变流流电路开关的的高频化和控控制手段的全全数字化，促促进了变频器器的小型化、多多功能化、高高性能化。尤尤其是控制手手段的全数字字化，利用了了微机的强大大信息处理能能力，使软件件功能不断强强化，变频器器的灵活性和和适应性不断断增强。随着着网络时代的的到来，变频频器的网络功功能和通信能能力不断加强强，它不仅可可以与设备网网的现场总线线相连，还可可与信息网交交换实时数据据。衡量变频器的好坏坏，主要比较较其以下功能能:转速控制方方法、频率上上升和下降的的最快时间、一一般静差率下下的最低转速速(调速范围)、多段速度度选择、载波波频率设定、频频率跨跳功能能、速度反馈馈、定时控制制、PI控制、数数字设定、人人机界面、网网络通信接口口、可编程控控制器接口、各各种安全保护护措施、各种种故障诊断和和显示功能等等。异步机的标量控制制由异步机的稳态特特性推导出来来的恒定压频频比控制方法法只控制变量量的幅值，并并且给定量和和反馈量都是是与相应变量量成正比的直直流量，因此此叫标量控制制。标量控制制是最早在变变频调速中使使用的技术，其其控制原理简简单，实现容容易，也能满满足一定的调调速性能要求求。(1)转速开环的的压频比控制制系统一个恒压频比的开开环交流调速速系统如图33-2示，它它采用的是偏偏置线性的压压频比特性，转转速的给定信信号n*通过压控控振荡器(VCO)产生生频率指令信信号，电压指指令信号Uii随转速的给给定信号n**变化。U0是在低速时时改善机械特特性的电压补补偿。在开环系统中，不不仅存在静差差，而且速度度往往会随着着负载转矩和和电源电压的的变化而波动动。2)转速闭环的压压频比控制系系统采用与电机同轴连连接的测速发发电机进行实实际转速反馈馈，这种闭环环系统如图33-3示。图图中，给定速速度和实际速速度比较，确确定速度偏差差，然后通过过速度调节器器，决定逆变变器的频率和和电压。速度度环的输出信信号通过电流流极限控制器器，限制变频频器的电压和和频率的快速速变化。电流流反馈只有当当电动机电流流升到预置的的最大值时才才起作用，它它控制逆变器器电流和频率率的变化率。如果仅要求稳态性性能，恒压频频比控制可以以胜任大范围围的调速任务务。异步机的矢量控制制异步电机的数学模模型是一个高高阶、非线性性、强耦合、多变量量的系统，通通过坐标变换换可以使之降降阶并解耦，但没有改改变其非线性性、多变量的的本质。在标标量控制中，动动态性能不够够理想，调节节器的参数很很难设计，原原因在于仍采采用单变量系系统的控制思思想。矢量控制(veectorccontrrol)的诞诞生使交流变变频调速技术术在精细化方方面大大迈进进了一步，达达到了可与直直流调速系统统的性能相当当的程度。矢量控制的基本思思想就是:把异步机经经坐标变换等等效成直流机机，然后，仿仿造直流机的的控制方法，求求得直流电机机的控制:在经过相应应的反变换，就就可以控制交交流机了。从从本质上说，矢矢量控制也是是一种解祸控控制。通过坐坐标变换，它它将定子电流流分解成磁链链分量和转矩矩分量，分别别进行控制。矢矢量控制使得得在动态过程程中对电磁转转矩进行精确确控制成为可可能，大大提提高了调速的的动态性能。图示3-4为矢量量控制的基本本原理图。→两个独立的控制闭闭环:一个控制磁磁通，一个控控制力矩。→磁通控制器通过磁磁通转矩特性性曲线*(nn)得到磁通通设定值*。*=常数(基速范范围内)*～1/n(弱磁磁范围内)→力矩控制器通过速速度控制器得得到力矩设定定值M*。→实际检测参数包括括有:测量参数的坐标转转换，电机模模型，定子电电流分解成磁磁链分量()和转矩分量量()磁链分量()作作用于转子磁磁通，但有一一个时间迟滞滞，磁通建立立时间约2000ms至>1s，转矩矩分量()直接作用干干力矩，产生生时间约lmms(运动控控制变频器))或5ms(一般般矢量控制变变频器)。因此磁链链分量和转矩矩分量可以独独立控制。定子频率f用于力力矩闭环控制制，定子电压压U用于磁通闭闭环控制。实际的矢量控制比比下面的方框框图更复杂。值值得注意的是是低速时的电电流模型，电电压模型和温温度模型。3.2起重机的变变频调速系统统起重机电机的选用用原则1.变频调速对电电机的要求采用变频调速时，由由于变频器输输出波形中高高次谐波的影影响以及电机机转速范围的的扩大产生了了一些与在工工频电源下传传动时不同的的特征。主要要反映在功率率因数、效率率、输出力矩矩、电机温升升、噪声及振振动等方面。随随着高开关频频率的IGBBT等电力电电子器件的使使用、PWMM调制、矢量量控制、增强强型vlf控制方方法的应用、使使变频器输出出波形、谐波波成份、功率率因数及使用用效率得到了了很大的改善善，有效地提提高了变频控控制电机的低低速区转矩。同同时由于变频频控制软件的的优化使用，使使电机可以避避开共振点，解解决了系统在在大调速区间间内可能发生生的共振问题题。目前，变变频器己经发发展到除非有有超同步调速速的要求或11:200以上的大速速比低调速要要求或特低噪噪声要求外，一一般无须选用用变频专用电电机作变频系系统的电机。现现在国内推出出的变频专用用电机由普通通电机加独立立风扇组成，以以解决电机在在低速运转过过程中自冷风风扇风量不足足而引起的电电机过热问题题。2.变频起重机系系统中电机的的选型起重机起升和运行行机构的调速速比一般不大大于1：20，且为断断续工作制，通通常接电持续续率在60%%以下，负负载多为大惯惯量系统。严严格意义上的的变频电机转转动惯量较小小，响应速度度较快，可工工作在比额定定转速高出很很多的工况条条件下，这些些特性均非起起重机的特定定要求。普通通电机与变频频电机在不连连续工作状态态下特性基本本一致;在连续工作作时考虑到冷冷却效果限制制了普通电机机转矩应用值值，普通电机机仅在连续工工作时的变频频驱动特性比比变频电机稍稍差。3.电机冷却西门子变频器在调调速比为1::20的范围围内能确保起起重机上普通通电机有1550%的过过载力矩值。此此外，起重机机电机多用于于大惯量短时时工作制，通通常不工作时时间大于或略略小于工作时时间。电机在在起动过程中中可承受2..5倍额定电电流值，远大大于变频起动动要求的1..5倍值，运行机机构的电机在在以额定速度度运行时电机机常工作在额额定功率以下下，因此高频频引起的1..1倍电流值值可不予考虑虑。但若电机机要求在整个个工作周期内内在大于1::4的速比下下持续运行则则必须采用他他冷式电机。4.电机效率国外以4极电机作作变频电机首首选极数，因因此时电机有有最好的功率率因数和最高高的工作效率率，使能耗降降为最低。高高速电机比低低速电机在电电流小、功率率因数高、电电缆截面小及及电器配置容容量小等方面面占有优势。尽尽管减速器传传动比增大造造成了减速器器体积的增大大，但由于硬硬齿面减速器器的应用，新新型耐磨齿轮轮副及焊接箱箱体的使用为为高速电机驱驱动创造了条条件。高速电电机的使用因因电机材料价价格远高于减减速器，故电电机体积重量量的减小使一一次性投资及及能耗大大降降低，具有很很高的经济价价值。目前，国国内用于起重重机械的4极电机有强强迫通风冷却却的YZF型电机机等。5.电机起动转矩矩及电机运行行的功率因数数起重机运行机构的的转动惯量较较大，为了加加速电机需有有较大的起动动转矩，故电电机容量需由由负载功率及及加速功率两两部分组成。一一般情况下>>，电机容量量P为(3-1)式中—电机平均起起动转矩倍数数若使电机在额定转转速下接近满满载运行，且且能承受电网网电压的波动动，并通过11.1倍试验验载荷，则要要求电机的过过载力矩倍数数大于1.5倍，或或适当增加加加速时间，减减小加速功率率。对每小时时作20多个循环环的起重机来来讲，运行机机构的加速时时间可在5--10s调调整，有利于于机构的平稳稳运行。起重机起升机构的的负荷特点是是起动时间短短(1～3s)，只占占等速运动时时间的较小比比例；转动惯惯量较小，占占额定起升转转矩的10%%～20%，其电电机容量P为(kW)(3--2)式中一起重机额定定提升负载，kg-额定起升速度，mm/s—重力加速度，=99.81m//s2—机构总效率为使电机能提升11.25倍试验载荷荷，能承受电电压波动的影影响，其最大大转矩值必须须大于2否则必须让让电机放容，从从而降低电机机在额定运行行时的工作效效率。6.电机选型当机构速比大于11:4时，可根据据起重机的工工作级别及接接电持续率的的要求选用YZF24型(带他冷风扇)电机，这样样可保证系统统的工作效率率，提高电机机运行时的功功率因数。过过大的电机容容量往往会使使逆变器输出出电流脉动增增大，过流保保护动作妨碍碍电机的正常常工作，降低低电机功率因因数。尽管Y型电机在额额定工作状态态的效率大于于YZ型电机，但但在加速过程程中YZ型电机效率率却大于Y型电机。而而起重机运行行机构加速过过程在总工作作周期内是不不容忽视的，故故起重机以YZ型电机与变变频器配套使使用更为有利利。起重机变频器的选选用原则起重机各机构负载载为恒转矩负负载，普遍选选用带低速转转矩提升功能能的电压型变变频器。1.起升机构起升机构平均起动动转矩一般来来说可为额定定力矩值的1.3～1.6倍。考虑到到电源电压波波动因素及需需通过125超载试验要要求等因素，其其最大转矩必必须有1.8～2倍的负载力力矩值，以确确保其安全使使用的要求。通通常对普通鼠鼠笼电机来讲讲，等额变频频器仅能提供供小于150%超载力矩值值，为此可通通过提高变频频器容量(YZ型电机)或同时提高高变频器和电电机容量(Y型电机)来获得200%力矩值。此此时变频器容容量为式中电机的功率因因数，起升额定负载所需需功率,kW电机效率，变频器器容量,KvaK—系数，K=2起升机构变频器容容量依据负载载功率计算，并并考虑2倍的安全力力矩。若用在在电机额定功功率选定的基基础上提高一一挡的方法选选择变频器的的容量，则可可能会造成不不必要的放容容损失。在变变频器功率选选定的基础上上再作电流验验证，公式如如下:式中变频器额定电电流,A电机额定电流，AA2.运行机构当运行电机在3000s内有小于60s的加速时间t的并且起动动电流不超过过变频器额定定值的1.5倍时，变频频器容量可按按下式计算式中K-电流波形补偿系数数，PWM方式K=1..05～1.1-负载转矩，N·mm-总转动惯量对电机机轴的折算值值，kg·mtA-加速时间，sN-电机额定转速，rr/min当运行电机在3000s内电机有大大于60s加速时间tA时，变频器器容量按下式式取值(3-5)3.标准电机的负载特特性当起重机各机构有有速比要求时时，对变频器器则有放容要要求，其放容容量与机构接接电持续率有有关，其值见见图3-5.4.电流验证以上公式均以负载载功率作为变变频器容量计计算的基本参参数，相同功功率不同极数数的电机有不不同的额定电电流。故最终终尚需验证电电机和变频器器额定电流，即即（3-6）5.多电机驱动时变频频器容量的选选择电压型变频器可以以一台变频器器驱动多台电电机，其并联联运行且变频频器短时过载载能力为150%,,60s时，如电机机加速时间在在300s内有小于60s的加速时间,则通过软件设计将变变频器控制的的电机起动电电流控制在电电机额定电流流的1.5倍内，K=1.5。即有(3--9)(3-10)当在300s内有大于于60s的加速时间间时，则且必须式中-负载所要求的电机机轴输出功率率-并联电机的台数-同时起动的台数-电机效率，0.885cos-电机的功功率因数，cos0.775-连续容量，kVAAKs-电机起动电流与电电机额定电流流之比值-电机额定电流，AAK-电流波形的修正系系数，PWN方式取1.05～1.1-变频容量，kVAA-变频器额定电流，A6.辅件选择如图3-6所示，变变频器系统器器件由断路器器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入时直流回路路电容器的充充电电流峰值值，为变频器器配置的断路路器容量为电电机额定电流流的1.3-11.4倍，整定值值为断路器额额定值的3-4倍。2.接触器接触器在变频器主主回路中仅在在变频器辅助助器件或控制制回路故障时时起断开主回回路的作用，一一般不作回路路开断器件用用，故可按电电机额定电流流选用接触器器容量，无须须按开断次数数考核其电寿寿命。3.交流电抗器当变频器直接连接接于一个大容容量的电源变变压器(500kkVA以上或离电电源变压器很很近安装)时，或电网网回路中接有有移相电容器器，在变频器器投切或电力力电容器的投投切过程中可可能会在电网网中产生过峰峰值电容，致致使变频器损损坏。为此，在在变频器的输输入端加接交交流电抗器，以以抑制变频器器造成的高频频峰值电流，或或电容器开断断造成的峰值值电流对变频频器的危害。同同时，交流电电抗器的接入入还可起到降降低电机噪声声、改善起动动转矩、在电电机轻载时改改善电机功率率因数的作用用。交流电抗器容量按按电机容量配配置，式中L-电抗器容量量,HU-额定电压，VI-电机额定电流，AA;电抗电流值值为电机额定定电流的1.1～1.2倍F-最大周波数，Hzz4.制动单元为减小大惯性系统统的减速时间间，解决变频频器直流电路路上的过电压压问题，常在在其直流电路路中加接一检检测直流电压压的晶体管。一一旦直流回路路电压超过一一定的界限，该该晶体管导通通，并将过剩剩的电能通过过与之相接的的制动电阻器器转化为热能能耗。在能量量消耗的同时时加速了转速速的减小，该该能量消耗得得愈多，制动动时间愈小，此此装置即为变变频器的制动动单元。5.制动电阻器借助制动单元，消消耗电机发电电制动状态下下从动能转换换来的能量。6.电缆选择由于高次谐波的驱驱肤效应，电电缆的实际使使用面积减小小，单位实际际工作电阻增增大，电缆压压降有增大的的趋势，故所所配电缆一般般大于常规使使用值。7.滤波电抗滤波电抗器有进出出线之分，均均有抑制高次次谐波、抗干干扰及降低噪噪声的作用，因因此在调速变变频系统中不不用输出滤波波电抗。3.3钢厂2000吨龙门起重重机传动系统统方案变频方案选择对于门式起重机，其其核心机构是是起升机构，在在起升机构上上采用变频调调速必须解决决的关键技术术为:(1)低频时能能保证恒转矩矩输出，以避避免低频时满满负载工况下下发生带不动动负载的现象象;(2)满负载时在在空中制动停停车或再提升升时，不产生生溜钩现象;(3)电动机减速速或重载下放放时，再生制制动能量必须须迅速释放。目前，从市场上的的变频器种类类来看，一般般分为两大类类:一种是一般般用途变频器器，仅适用于于通风型或反反应性负载;另一种是矢矢量控制变频频器，适用于于如起升机构构这类位能性性负载。而在在这类变频器器中，对再生生制动能量的的处理方式有有两种:一种是用制制动单元和制制动电阻来吸吸收;另一种是通通过在直流侧侧设置逆变桥桥使之回馈到到电网。在变变频器驱动电电动机的方式式上，又分为为单变频器驱驱动方式和公公共直流母线线的多逆变器器驱动方式。基于以上的分析，对对于这台门式式起重机，其其电气传动系系统选择哪一一类变频方案案最为合理呢呢?按照起升机机构的负载特特性，首先应应该选择矢量量控制变频器器，这样才能能满足上述分分析的起升机机构使用变频频调速的三要要点。由于行行走机构为多多电机传动，所所以优先采用用公共直流母母线下的多逆逆变器驱动方方式，使系统统电路简洁、紧紧凑。再生制制动能量采用用回馈到电网网的方式，这这是因为考虑虑到起升机构构重载下放时时长时间的制制动转矩必须须由大量的制制动电阻来吸吸收的因素。另另外，当任意意两个以上的的机构同时运运行，某一机机构传动电动动机处于再生生制动状态时时，其再生制制动能量可经经直流母线直直接供给处于于电动状态的的电动机，从从而大大提高高能量的再生生利用率。系统组成及特点系统采用由德国SSIEMENNS公司近年来来推出的SIMOVVERTVVC多电机传动动矢量变频调调速系统。它它由一个整流流/回馈单元加加多个逆变器器组成，逆变变器的数量取取决于整个电电气传动系统统所需的逆变变器个数。整整流/回馈单元为为各逆变器提提供公共直流流母线(COMMMONDCCBUS))，它除设有有整流桥外，还还设有逆变桥桥，当电机处处于减速或重重载下放工况况使直流母线线电压升高时时，其内部晶晶闸管逆变桥桥开始工作，并并将再生制动动能量回馈至至电网，从而而使系统实现现四象限可逆逆运行。电气传动系统的系系统框图如图图3-7所示。图3-7钢厂2000吨龙门起重重机传动电气气系统图Fig3-7200Tgantrrycraanedrrivessystemmdrawwin整机采用AC3880V低压供电，三三相交流电源源经低压配电电柜接至整流流/回馈单元。在在整流/回馈单元外外围电路中增增加了进线电电抗器和自祸祸变压器，整整流/回馈单元提提供公共直流流母线给各机机构逆变器。3.4西门子工程程型变频器SIMOVVERTMMASTERRDRIVEES钢厂的200吨龙龙门起重机采采用了西门子子工程型变频频器SIMOOVERTMMASTERRDRIVEES。西门子工程型变频频器SIMOVVERTMMASTERRDRIVEES矢量控制是是全数字技术术的，功率部部分采用IGBT的电压源型型交流变频传传动装置。它它给传动装置置带来快速性性，更高的精精度，更高的的可靠性，同同时效率也更更高。SIMOVERTTMASTTERDRIIVES工程型变频频器具有统一一的操作员控控制策略。另另外，对所有有的变频器，参参数化单元，控控制面板，控控制程序，服服务程序，操操作员控制以以及设备应答答都是一致的的。功率范围从2.22KW-SOOOOKW,,根据功率大大小分为书本本型，装机装装柜型和柜机机。电压范围围从3相380V到690VAAC,允许供电电电压有较大的的偏差(-15%--+10%))。MASTERDRRIVES的硬件和软软件都采用完完全统一的模模块化设计。众众多的功能块块包含在基本本软件中，用用于算术控制制，闭环控制制和逻辑控制制，以保证完完成最优的控控制性能。附附加的功能模模板不仅可以以完成与电机机相关的控制制功能，也可可以完成特殊殊的分布式过过程控制。SIMOVERTTMASTEERDRIVVES变频器之间间不仅可以通通过任何总线线系统进行通通讯，而且可可以与SIMATTIC和其它自动动化系统之间间进行通讯。功率部分的计算1.变频器和逆逆变器连续工工作时的额定定值变频器和逆变器是是在指定电源源电压或中间间回路电压下下用于电动机机的长时工作作。变频器和和逆变器的额额定电流I，是按西门门子公司6极标准电机机的额定电流流表计算。功功率部分通过过I2t监视器做过过载保护。长长时工作的额额定电流可输输出Iun，如果超超出额定电流流的工作周期期超过60s,装置达到它它的最大允许许工作温度，因因此不允许再再过载。2.变频器和逆变变器的过载能能力最大过载电流允许许达到额定电电流的1.36倍。当传动动设备刚投入入电源时，其其过载时间可可达到60s，因为此时时变频器尚未未达到最大允允许温度。当当过载前电流流小于额定电电流时，才允允许有1.36倍额定电流流的过载能力力。因此当传传动设备根据据负载情况需需要过载时，必必须使其基本本电流仅为额额定电流的91%，基于此基基本负载电流流，装置在工工作周期为300s时，可以在60s的有1.5倍过载。过载定义同样适用用于整流单元元，整VI/回馈单元。当Masterdrrives安装在海拔拔高度>1000m和环境温度度>40度时要考虑虑减载系数。3.传动计算的注注意事项平方负载转矩工作作制具有平方负载转矩矩工作制(M～n2)，如泵和风风机，在额定定转速时需要要满转矩。在在正常时，不不会出现提高高起动转矩或或负载冲击，也也不需要变频频器的过载能能力。为了选用一台平方方负载转矩的的变频器，必必须使变频器器的额定电流流在所要求的的负载工作点点，在满转矩矩时，最少是是电机的额定定电流。恒定负载转矩工作作制当电动机和变频器器以恒定负载载转矩(M=常数)工作时，在在长时工作制制(S1)，其转矩允允许在60s内有50%的过载，因因而对起动转转矩和加速转转矩提供一个个足够的备用用。为此，必必须使变频器器的基本负载载电流在所要要求的负载工工作点，在满满转矩时，最最少是电机的的额定电流。多电机传动当多电机传动时，推推荐使用接到到直流电压母母线上的逆变变装置。直流流电压母线由由交流三相电电网通过整流流单元，整流流/回馈单元或AFE(主动前端)变流器形成成。当使用将逆变器接接到直流电压压母线回路方方案时，同单单台变频器相相比，具有以以下优点：→如果有一台传动装装置工作于发发电状态时，可可通过中间回回路进行能量量转换，如果果有时出现很很大的发电功功率时，如所所有传动装置置同时停车时时，则可以采采用一个附加加的总制动单单元。→同单台变频器传动动相比较，它它有较小的安安装尺寸，因因为网侧元件件，如熔断器器，接触器和和开关，及网网侧进线电抗抗器等可以集集中采用一次次。为了减少对电网的的干扰，总整整流单元可采采用12脉动系统或AFE变流器多电机传动系统的的每台传动设设备的逆变器器按单电机传传动相同的准准则选择其输输出额定电流流。整流/回馈单元1.整流单元整流单元供电给用用于电动状态态能量和可能能是多电机系系统工作的逆逆变器所用得得直流母线。整整流单元可装装于调速柜中中，构成完整整的整流柜。整流单元仅能向一一定数量的逆逆变器供电。流流向逆变器侧侧的中间回路路电流不能大大于整流单元元中间输出回回路额定电流流。2.整流/回馈单单元整流/回馈单元向向逆变器上的的直流母线供供电，它不仅仅从三相交流流电源取得电电动状态的能能量，而且能能将直流母线线上的发电状状态的能量回回馈电网。整整流/回馈单元通通过两个互不不相干的晶闸闸管桥来实现现，它的发电电状态晶闸管管桥通过一台台自祸变压器器接到电网上上。回馈桥用用自祸变压器器使得即使在在发电状态工工作时，在所所有电机的转转速下均可以以达到电机的的最大转矩。整流/回馈单元的的网侧至少需需要相对阻抗抗压降5%。这可通过过电感为4%的网侧进线线电抗器或一一台合适的整整流变压器来来实现。此外外，按标准DINVVDE01160整而回馈单单元通过一台台进线电抗器器实现同电网网隔离和限制制其对电网的的反作用。无无论如何相对对阻抗压降不不得大于10%eAFE整流/回馈单元AFE整流/回馈馈单元核心部部件是一个带带有CUSA调节板，具具有一个电压压中间回路的的变频器。一一个由交流三三相电网产生生的可调直流流电压。它被被称为中间回回路电压。这这个中间回路路电压，几乎乎同电网电压压无关而保持持恒定，即使使是在电网回回馈工作时。中中间回路电压压调节是基于于交流侧的一一个电网角度度定向的快速速矢量调节器器。它输入电电网一个近似似正弦波的电电流并在附加加接入的电网网净化滤波(Cleaan-Powwer-Fiilter))的帮助下减减小对电网的的扰动。此外，矢量控制能能调节功率因因数cos，因而而能进行无功功补偿，其中中，系统需用用功率优先考考虑。一个VSB板(电压识别板)用作为电网网角度编码器器，近似于角角编码器工作作原理。AFE整流/回馈单元具具有以下优点点:(1)最佳的供电和和向电网回馈馈SIMOVERTTMASTTERDRIIVESAFFE有100%电网回馈能能力而不需要要自耦变压器器。在发电状状态工作时不不产生损耗功功率，就像在在制动电阻系系统的情况。从从电动到发电电状态的过渡渡是无级的，带带有脉冲频率率响应。准确确地调节中间间回路电压提提供对传动逆逆变器最佳电电源并几乎同同电网电压无无关。(2)通过带有电网净化化系统的AFE而仅有最小小的电网扰动动在SIMOVERTTMASTERRDRIVEESAFE可避免谐波波和换向缺口口，一直到很很小的残余。在在电子调节有有源部分(AFE变流器)和无源部分(电网净化滤滤波器)之间的最佳佳调节使得，输输往电源方向向是接近于正正弦波的电压压和电流。对对电网的扰动动实际己不存存在。各种制动方案的比比较下表列出了各种制制动方案的比比较。可以看看出，AFE(主动前端)整流装置是是性能最优的的方案，当时时造价昂贵。因因此在本起重重机的方案中中，最终选择择了性价比最最高的整流/回馈装置。西门子工程型变频频器技术特性性软件功能在标准装置中具有有下列软件功功能:(1)BICO数数据组(基本/备用设定)这些功能辑上连连接过程数据据组(设定和控制制功能)，即它可以以在两个操作作源之间进行行从手动操作作到自动(内/外)的转换。例例如，从操作作面板(端子排、接接口、双向RAM)转换到端子子排上(接口、双向向、RAM,操作面板)。(2)设定值约定它可以做为主设定定值和附加给给定值的总和和。设定值不不仅可以从内内部也可从外外部约定。内内部约定如固固定电位计设设定值，电动动电位计设定定值，点动设设定值。外部部约定可以通通过模拟量输输入口，串行行接口或选件件板约定。内内部固定设定定值和电动电电位计设定值值可以从所有有接口通过控控制指令进行行切换或调整整。(3)功能数据组FDSS(设定值数据据组SDS)控制功能包括4个个可切换的设设定值数据组组。这些数据据每个包括，例例如4个固定设定定值，一个用用于谐振频率率的阻塞带，一一个最小频率率，一组斜坡坡函数发生器器数据组。由由此，可以适适合于在不同同设定值或其其他技术要求求上的控制。例例如，斜坡函函数发生器提提供了独立的的可调的加速速和减速时间间、初始圆弧弧时间、最终终圆弧时间、可可调的制动时时的等待时间间。(4)工艺调节器如用于压力控制或或功率控制。(5)电机数据组(MDDS)这个控制功能包含含有4个电机数据据组，即对于于不同电机可可以存贮和选选择开环和闭闭环控制参数数。这样，一一台或多台不不同电机可以以用不同形式式的闭环控制制。当在“开机准备”状态下进行行切换，则控控制数据组适适应电机己参参数设定了的的操作数据组组。(6)电机辨识开环和闭环控制参参数预先给定定已参数设定定的装置数据据组和电机数数据组。而紧紧接着进行的的直流电流测测量和空载测测量，使用测测量的结果使使参数的整定定值最佳化。这这个功能可以以很快且简单单地使传动优优化。(7)Vdmax调调节器当直流母线电压太太高时，调节节器改变频率率，如当整定定的下降时间间太短时，传传动装置不致致于产生故障障而仅需延长长下降时间。(8)自动再启动在电网断电而且紧紧接着又恢复复时，将装置置投入。它没没有时间限制制。(9)动能缓冲只要传动系统有足足够大的动能能，这个功能能便能减缓电电网断电或电电源扰动的故故障。(10)捕捉再启动动它能够将SIMOOVERTMASTEERDRIVVES矢量控制系系统接到旋转转的电机上。(11)直流电流制制动它可以实现无脉冲冲电阻或发电电回馈的制动动，直流制动动的激活点可可沿下降斜坡坡进行参数设设定。(12)变频器一变变频器间同步步运转它能将一台或多台台电机从一组组变频器/逆变器切换换到另一组变变频器/逆变器。重重叠切换用输输出电抗器实实现。为了这这个功能，需需要一块TSY板。(13)电机温度传传感器的计值值KTY84用于替替告和切断或或热敏电阻用用于誓告和切切断。(14)摆动发生器器利用三角摆动特性性，在纺织工工业中轮子传传动的可调P阶跃和同步步的输入和输输出。(15)抱闸控制利用这个功能可对对装在电机轴轴上的抱闸或或外部抱闸进进行控制。抱抱闸的闭合和和释放的延时时时间及阐值值可参数设定定。通讯卡SIMOVERTTMASTTERDRIIVES矢量控制装装置通过多个个串行接口可可以同上一级级PLC系统IPC、OP等进行通讯讯。接口可以以按下列分类类:(1)基本方案::在基本装置上两个个串行接口COMI和COM2在基本装置上的接接口·串行接口1(COOM1)在操作和参数数设定单元PMU上。它是一一个9针SUBD插头(X3000)，作为RS485或RS232接口。·串行接口2(COOM2)在CUVC板上上的控制端子子排xl0l，作为RS485接口。两个个串行基本装装置接口用USS协议进行工工作，总线能能接至多31个用户，最最大传输速率率38.4Kbbit/s。(2)选件：用于各种不同传输输协议或总线线系统的通讯讯板和接口板板。L．USS协议:USS协议是SIIEMENNS公司专用的的传动技术的的传输协议，它它一般作为一一个标准协议议装在基本装装置的所有接接口上。USS协议在RS485传输系统基基础上其总线线工作能力可可达最多32个用户。数数据交换按主主动一从动存存取方式。USS协议仅允许许单主动装置置工作，即一一台主动装置置和31台从动装置置。主动装置置可以是上一一级系统，如如SIMATTICS55，S7,PPC或非西门子子自动化系统统等。SIMOVVERTMMASTERRDRIVEES总是作为从从动装置进行行工作。2.PROFIBBUS-DPP和CAN总线PROFIBUSS-DP和CAN串行现现场总线系统统的连接可以以通过通讯CBP2((CommuunicattionBBoardPROFIIBUSDPP)或CBC((commuunicattionBooardCCAN)来完成。3.通过SLB((SIMOOLINKBoardd)通讯板实现MASTEER-DRIIVES装置间数据据快速交换。此此外，接口板板SCBI和SCB2((SeriaalCommmuniccationnBoarrd)也可用于USS协议和装置置对装置。所所有通讯板和和接口板作为为选件可以装装在电子箱中中。3.4.9系统元件除变频器、逆变器器和整流单元元外，系统元元件可使解决决方案同传动动系统的要求求相匹配。系系统元件分为为:·制动单元和制动电电阻·电子板选件，如工工艺板、通讯讯板和接口板板。·其他的系统元件，如如开关和保护护装置，进线线电抗器、输输出电抗器和和无线电干扰扰抑制滤波器器。·网侧进线电抗器网侧进线电抗器减减小了变频器器、整流单元元和整流/回馈单元的的谐波电流，也也减小了整流/回馈单元的换向干干扰。电抗器器的作用同电电网短路功率率和传动装置置功率之比有有关。电网短短路功率同传传动装置功率率之比推荐>33::1。进线电抗抗器也能限制制由于电源电电位的突降(如由于补偿偿设备或接地地故障)而产生的电电流冲击。·无线电干扰抑制滤滤波器(网侧滤波器)无线电干扰抑制滤滤波器按标准准EN550111将在公共电电网上，功率率至37kW的变频器、整整流单元和整整流/回馈单元所所出现的无线线电干扰电压压限制在BI级上。这种种滤波器也能能将限制值限限制到Al级上。无线线电干扰抑制制滤波器减小小了将用于工工业电网的较较大容量的变变频器、整流流单元和整流流/回馈单元所所出现的无线线电干扰压。·输出滤波电抗器输出滤波电抗器用用于补偿在长长导线时的容容性的充/放电电流及及限制在相应应电机导线长长度下，在电电机端子上的的dv/dtte。·电压限制滤波器((输出dv/dt滤波器)电压限制滤波器用用于未知或未未达到绝缘系系统电压强度度的电机。·正弦波滤波器正弦波滤波器的作作用是使流过过所供电的电电机的电压和和电流近似于于正弦波。在在电机电压为为50Hz时使用正弦弦波滤波器其其畸变系数约约5%。3.5钢厂2000吨门式起重重机变频器选选型根据起重机变频器器选择的基本本原则和西门门子工程型变变频器MASTEER-DRIIVE的过载能力力和特性，选选择的变频器器如下:1.上小车起升机构上小车的两个起升升机构采用的的是两台独立立的交流变频频电动机驱动动。电动机的型号:YYTSZ3115M2-88,110KKW通过起重机工艺要要求及负荷计计算，选择功功率容量放大大一级的逆变变器。逆变器型号:6SSE70322-6TG660,1322KW2.下小车起升机构下小车的起升机构构的电动机型型号:YTSZZ315L--8,1322KW选择功率容容量放大一级级的逆变器，型型号为:6SE77033-22TG60,,160KKW副起升机构电动机机的型号:YTSZZ280M--8，55KW选择功率75KWW的逆变器，型型号:6SE77031-55TF603.大车行走机构本门机大车行走机机构的刚性腿腿和柔性腿由由各8台交流变频频电动机驱动动。电动机的型号:YYTSZ1660L-6,,11KW每个门腿机构的88台电动机分分一组并联连连接，各由一一套交流变频频调速器进行行控制。逆变变器型号:6SE77032-IITG60,,110KKW大车机构运行过程程中，通过脉脉冲编码器分分别检测刚性性腿运行机构构和柔性腿运运行机构的速速度，实现整整个大车运行行机构的自动动纠偏。4.上小车运行机构上小车运行机构的的传动方案与与大车运行机机构相似，由由4台交流变频频电动机驱动动。电动机型型号:YTSZZ160L--6,11KKW四台电动机并联连连接，由一套套交流变频调调速器进行控控制。逆变器型号:6SE70311-2TF660,55KKW5.下小车运行机构下小车运行机构有有两台交流变变频电动机驱驱动。电动机型号:YTTSZ1800L-6,115KW两台电动机并联连连接，由一套套交流变频器器控制。逆变器型号:6SSE70277-2TD661,377KW6.变频器选件本系统用到的变频频器选件有:自耦变压器自耦变压器为整流流/回馈单元工工作于再生制制动状态时提提供一个高电电压加于逆变变桥上。该电压为电电源电压的1.2倍，有工作作系数ED=255%和ED=1000%两种类型选选择。针对港港口门座起重重机的起升机机构，考虑到到重载下放时时行程较长，释释放的能量较较大，一般应应考虑ED=1000%。设置自耦耦变压器有以以下优点:一是当系统统处在发电状状态工作时，在在所有电机转转速下均可达达到电机的最最大转矩，二二是在小电网网和电网电压压有扰动时，有有一个较好的的适用性。舒适型操作面板((OPIS))用于整流回馈单元元及所有逆变变器的操作。操操作面板(OPISS)是一个可选选择的输入/输出装置，可可用于对装置置进行参数设设置。参数设设置是用菜单单方式且通过过参数号的选选择及参数值值的输入来实实现。清楚的的文字说明极极大的方便了了参数的设置置。OPIS有一个永久久性存储器将将全套参数组组永久的、完完整的存储。因因此可以用于于参数设置和和从一台装置置到另一台装装置参数组的的传输。其存存储容量足以以存储如CUVC板的5个数据组但但不能存储工工艺板(如T100,,T300))的数组。CBP2通讯板用于整流回馈单元元及所有逆变变器接入Profiibus-DDP通讯网络。输出电抗器用于所有逆变器。输输出滤波电抗抗器用于补偿偿在长导线时时的容性的充充/放电电流及及限制在相应应电机导线长长度下，在电电机端子上的的dv/dt。总体来说，钢厂2200吨龙门起重重机采用上述述变频调速控控制方案具有有以下优点:(1)多电机传动动变频调速系系统是由一个个整流/回馈单元十十多个逆变器器来分别驱动动多台电动机机以代替系统统内的多台单单个变频器，它它与传统的一一个系统使用用多台单个变变频器的方案案相比，具有有投资省、电电路结构紧凑凑等优点。(2)各机构传动动电动机无论论是在减速还还是重载下降降工况处于再再生制动状态态时，其再生生制动能量经经直流母线侧侧逆变桥回馈馈至电网，无无需制动电阻阻等发热元件件。其独特的的公共直流母母线供电方式式可使系统内内处于发电状状态的电动机机再生制动能能量经公共直直流母线提供供给处于电动动状态的电动动机，具有明明显的节能效效果。(3)SIMOVVERTVVC矢量控制型型逆变器具有有带闭环速度度反馈的磁通通矢量控制模模式，能满足足起升机构对对调速硬度、低低频转矩特性性及四象限运运行的要求;可以长时间间低速运行；；能有效地防防止重载空中中溜钩现象。(4)无需采用机机械变速装置置，利用变频频调速50HZ以上恒功率率调速方式即即可将空钩或或只带吊具工工况的起升速速度提高一倍倍，类似于直直流电机的弱弱磁升速方式式，可大大提提高生产率。(5)该系统与常常规电气控制制方案相比，省省去了电动机机转子侧的大大功率电阻、加加速接触器和和电动机正反反转交流接触触器，变频电电机也比绕线线式异步电动动机价格低廉廉，因而性价价比最高。3.6本章小结本章介绍了变频调调速的原理，起起重机变频器器的应用;重点介绍了了钢厂20吨龙门起重重机的电气传传动系统的方方案，特点及及变频器选型型;并阐述了整整流回馈单元元及公共直流流母线方案在在门式起重机机应用的优点点。第四章起重机PLLC网络控制系系统4.1PLC及及其网络概述述PLC(可编程序序控制器)及其网络己己成为当前工工业自动化的的支柱单元之之一。现在PLC已发展到第第四代，具有有逻辑控制、过过程控制、运运动控制、数数据处理等功功能，同时还还具有完善的的自诊断功能能，并正在不不断提高和完完善网络通信信能力，在机机电一体化产产品中应用范范围极广。考考虑到起重机机自身的特点点及其施工工工况，其控制制系统性能是是关系到运行行状况好坏进进而影响工程程进度的重要要因素，因此此PLC及其网络在在大型设备的的状态监控及及在线诊断中中有极好的应应用前景。4.1.1PLLCPLC是以微处理理机(CPU)为核心，用用作数字控制制的专用计算算机，它由硬硬件系统和软软件系统构成成。下面对PLC的工作机理理及其工作特特性作一浅析析。1.准确性高。PL的工作方式通常用用循环扫描方方式。PLC对输入输出出集中进行I/O处理，也只只有在I/O扫描期间，外外部状态才会会被读入CPU内部，而在在扫描周期的的其余大部分分时间，不改改写和刷新外外部状态。通通常把循环扫扫描周期控制制在200ms之内比较合合理，这个时时间比PLC所驱动的执执行器的机电电时间常数小小得多，这样样，即使在某某个扫描周期期出现输入输输出不一致，但但当它还来不不及使执行器器发生错误动动作，下一个个扫描周期正正确的输出就就及时将其纠纠正，实现了了PLC实时控制。2.集成度高。PLC集三电(电电控、电仪、电电传)于一体，在在控制装置一一级就实现了了三电一体化化。一台控制制装置就能实实现所有的控控制功能，适适合多种规模模的自动化系系统。3.可靠性高。在硬件上它采取了了诸如隔离、滤滤波、屏蔽、接接地等一系列列措施，在模模板机箱进行行了完善的电电磁兼容性设设计，对元器器件进行了精精心的筛选;更重要的是是在软件方面面，它们采用用了诸如数字字滤波、指令令复执、程序序卷回、差错错校验等一系系列抗干扰措措施、故障诊诊断、系统一一级的冗余配配置等技术措措施。4.1.2PLLC网络由于现在PLC一一般都有通信信的功能，既既可以对远程程I/O进行控制，又又能实现PLC与PLC、PLC与计算机之之间的通信，从从而可方便地地构成分布式式的PLC网络控制系系统。PLC生产厂家常常用金字塔结结构描述其产产品功能(如图4-1所示)。PLC要实现金字字塔的功能，采采用单层子网网显然不行，只只有采用多级级通信子网构构成复合型拓拓扑结构，在在不同级别子子网中配置不不同的通信协协议(PLC通信方式分分为并行和串串行通信两种种，主要以串串行通信方式式构成网络)不能满足各层层对通信的不不同要求。目目前，PLC网络的拓扑扑结构大多由由3级或4级总线复合合而成，在PLC网络中配置置的通信协议议一般也分为为通用协议及及专用协议两两类，在网络络底层子网及及中间层一般般采用专用的的协议。其中中最底层子网网只有物理层层、链路层及及应用层，实实时性要求高高，常采用II/O方式通信;中间层常采采用令牌方式式、主从方式式控制通信的的;而高层子网网传送管理信信息，与标准准网络链接，其其通信协议大大多为通用的的。PLC网络系统主主要由过程控控制器(PLC)、操作员站站、信息站和和上位机等组组成，网络结结构如图4-2所示，其中中系统以不同同的通信方案案来满足网络络不同层次的的要求。网络络控制是一个个开放的、综综合的、发布布式的自动化化网络系统，采采用了SQL、DDE等开放技术术及国际标准准，使系统使使用方便。它它由计算机家家族和各种通通信组成，通通信包括现场场总线，局域域网。网络系系统可提供过过程控制(包括逻辑和和顺序控制，位位置控制，电电机传动调速速控制，报警警和时间的记记录，本地或或远程v0的过程接口)、操作者千千预、工程服服务及管理、通通信等功能。PLC网络系统是是功能、结构构和信息的综综合反映体。实实时过程数据据库完全分散散到每个PLC，操作站只只包括如何显显示及手动控控制的信息，它它们通过局域域网访问过程程数据库，区区域分布的功功能可由低层层总线来提供供，它可以连连接分散的1/0单元、控制制器和调速传传动设备。4.2钢厂2000吨门式起重重机自控系统统方案自控系统方案原理理图钢厂200吨门式式起重机自控控系统采用西西门子S7-3000PLCC为控制单元元，通过Profiibus-DDP现场总线实实现与全数字字式交流变频频器之间的通通讯。使用远远程UO模块及现场场总线实现PLC主CPU与各个分站站系统之间的的通讯。通过过MPI总线与上位位机通讯。自自控系统的总总体方案图见见下页。图4-3钢厂PLLC控制系统方方案图(1)Fig4-3PPLCcoontrollsysttemdrrawingg(1)图4-3钢厂PLLC控制系统方方案图(2)Fig4-3PPLCcoontrollsysttemdrrawingg(2)图4-3钢厂PLLC控制系统方方案图(3)Fig4-3PPLCcoontrollsysttemdrrawingg(3)系统说明主机架由电源模块块，CPU(SS7315--2DP),,Profiibus-DDP通讯模块及及数字量输入入输出模块组组成。CPU的MPI通通讯口连接上上位机，将采采集的外部信信号与控制指指令与上位机机传送。多点接口协议(MPPI:MuultipoointInnterfaace)物理层采用RS485标准，总线线存取协议为为令牌环。MPI网络传输速速率为19.2KK,1877.5K，最多连接32个站点。CPU的Proffibus--DP通讯口通过过光藕模块OLM连接分散式I/O,PProfibbus采用光纤环环网，具有冗冗余功能。Profibuss-DP通讯模块CP3422-5连接所有的的整流/回馈单元和和逆变器装置置，通过Profiibus发送控制变变频器的指令令。尽管Profiibus-DDP的通迅速率率达到12Mb//s,通讯站点理理论上最多可可达127个，但是由由于与变频器器的通讯量较较大，并且要要保障通讯的的实时性和可可靠性，本系系统单独设置置了一条通讯讯总线与变频频器通讯。主机架的数字量输输入输出点用用来处理进线线电源开关控控制及联锁信信号。远程I/O共有6个机机架，包括有有左，右联动动台控制;刚性腿，柔柔性腿控制和和上，下小车车控制。左、右联动台I//O分站包括括电源模块，用用于连接至Profiibus-DDP通讯网络的的接口模块IM1553及数字量输输入输出模块块，主要用于于处理点动操操作及自动(主令控制器)操作的信号号及安全联锁锁控制。刚性腿，柔性腿II/O分站包包括电源模块块，用于连接接至Profiibus-DDP通讯网络的的接口模块IM1533,智能化单通通道计数器模模块FM350及数字量输输入输出模块块。计数器模模块用来连接接增量型编码码器，从而对对行走机构进进行闭环同步步控制，确定定吊车行走的的位置。上，下小车控制II/O分站包包括电源模块块，用于连接接至Profiibus-DDP通讯网络的的接口模块IM1533,智能化单通通道计数器模模块FM350，数字量输输入输出模块块及模拟量输输入模块。计计数器模块用用来连接增量量型编码器，控控制上，下小小车行走位置置。上小车两两只主钩，下下小车主钩和和副钩的编码码器通过接口口模块IM153连接至Profiibus-DDP网络，由主PLC控制吊钩的同步。称称重传感器信信号接入模拟拟量输入模块块。上位机系统软件选选用iFix，支持通讯讯。上位机要要安装CP56111通讯卡，通通过MPI电缆和主CPU连接。4.3西门子PLLCS7--300功能概述S7-300是用用来实现中等等规模自动化化任务的快速速，高性能，通通用紧凑型PLC。S7-300系系统功能S7-300的重重点在于为生生产制造工程程中的系统解解决方案提供供一个通用的的自动化平台台，是用于集集中式或分布布式结构的优优化解决方案案。S7-3000的特点是高高效率的组态态和编程，钢厂200T龙门起重重机PLC模块主站)。此模