1、.第1章緒論1.1 橋式起重機的研究背景起重機是指能在一定范圍內垂直起升和水平移動物品的機械，具有動作間歇性和作業(yè)循環(huán)性，多用于人力不能完成的任務。我國起重機最早是通過學習和仿造前蘇聯(lián)的技術制造出來的，因此，我國起重機到現(xiàn)在還殘留著前蘇聯(lián)起重機原型的影子。受到我國國內條件以及傳統(tǒng)冶金工藝的制約，國內起重機制造業(yè)在改革開放前幾乎沒有發(fā)展，還是 50 年代前蘇聯(lián)的水平。改革開放后，國內起重機生產廠家開始對起重機進行各種摸索和改進，來適應日益強大的生產需求。為了在國際起重機行業(yè)占有一席之地，我國還在引進吸收先進技術的同時，舉一反三，積極探索鑄造起重機的發(fā)展方向，以形成自己的特色和優(yōu)勢，其中橋式起重機

2、是其最顯著地代表。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。所以橋式起重機在室內外工礦企業(yè)、鋼鐵化工、鐵路交通、港口碼頭以及物流周轉等部門和場所均得到廣泛的運用。它在國民經濟各部門都有著相當廣泛的應用，在現(xiàn)代化生產的過程中占有重要的地位。橋式起重機運輸機械對于提高生產的能力、保證產品的質量、降低生產的成本、提高運輸?shù)男?、加快物資的周轉、流通等方面均有著重要的影響。橋式起重機是現(xiàn)代化生產過程和合理組織生產中必不可少的輔助工具。對安全生產、減少事故更有顯著作用，是起重機的

3、一個主要類型。橋式起重機是在固定的車間內裝卸和搬運物料，它的起重范圍可以從幾噸到幾百噸。由于橋式起重機行駛在高空，作業(yè)范圍能掃過整個廠房的建筑面積，使用范圍最廣、數(shù)量最多的一種起重機械。因而具有非常重要的和不可替代的作用。深受用戶歡迎，得到了很大的發(fā)展。因此橋式起重機成為了起重機械中生產批量最大、材料消耗最多的一種產品。是現(xiàn)代企業(yè)實現(xiàn)生產機械化、自動化、減輕體力勞動強度、提高生產效率的重要設備。隨著經濟建設的迅速發(fā)展和生產規(guī)模的不斷擴大，橋式起重機的應用越來越廣泛。但是，由于橋式起重機械自身結構和使用情況的特殊性，一旦在橋式起重機械安裝，拆卸，維修和運行中，稍有不慎，很容易發(fā)生各種事故，從而造

4、成嚴重的人員傷亡和經濟損失。并且傳統(tǒng)起重機的控制系統(tǒng)主要采用了交流繞線轉子串電阻的方法進行啟動和調速，繼電器、接觸器控制，由于這種控制存在著一定的缺點，具體表現(xiàn)如下：-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計橋式起重機工作的環(huán)境很差，做任務量大，電動機以及所需串電阻燒損和斷裂故障時而發(fā)生。繼電 - 接觸器控制系統(tǒng)，相比較可靠性差，造作復雜，故障率高。轉子串電阻調速，機械特性軟，負載變化時轉速也變化，調速變得不太理想。所串電阻長期發(fā)熱，發(fā)熱損耗大，效率低。因而為了進一步提高工作效率和質量，要實際的解決這些弊端問題，就要徹底的從傳統(tǒng)的控制方式改變。其中具有代表性的交流變頻調速系統(tǒng)和可編程控制系統(tǒng)獲得了

5、廣泛的應用。 以 PLC控制的變頻調速技術為橋式起重機系統(tǒng)中提供可非常有力的條件。變頻調速以其可靠性好，高品質的調速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運輸行業(yè)具有良好的發(fā)展前景。1.2 本設計的研究意義本論文研究了50/10t*36.5m通用橋式起重機控制系統(tǒng)在啟動和調速等方面利用變頻調速電氣控制改造系統(tǒng)的設計，采用PLC、變頻器控制技術對其電氣控制系統(tǒng)的硬件結構和軟件進行總體優(yōu)化設計。 改造后的系統(tǒng)有效克服了起重機存在的缺陷， 運行可靠，具有良好的工業(yè)應用前景。要實際的解決這些弊端問題，就要徹底的從傳統(tǒng)的控制方式改變。其中具有代表性的交流變頻調速系統(tǒng)和可編程控制系統(tǒng)獲得了廣泛的應用。以 PLC控

6、制的變頻調速技術為橋式起重機系統(tǒng)中提供可非常有力的條件。變頻調速以其可靠性好，高品質的調速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重運輸行業(yè)具有良好的發(fā)展前景。1.3 本文橋式起重機的基本參數(shù)橋式起重機的起重量為 50/10t ，跨度為 36.5m，小車起升速度為 15m/min, 大車起升速度為 7.5m/min, 小車運行速度為 45m/min，大車運行速度為 75m/min。第2頁共55頁.第 2 章 橋式起重機的結構及其特點2.1 橋式起重機的構成橋式起重機是一種重要的物料搬運機械。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍就可以充

7、分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。橋式起重機可分為普通橋式起重機簡易梁橋式起重機和冶金專用橋式起重機 3 種。 物料搬運成了人類生產活動的重要組成部分，距今已有五千多年的發(fā)展歷史。隨著生產規(guī)模的擴大，自動化程度的提高，作為物料搬運重要設備的起重機在現(xiàn)代化生產過程中應用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機的要求也越來越高。起重機正經歷著一場巨大的變革。大型化和專業(yè)化、模塊化和組合化、輕型化和多元化、自動化和智能化、成套化和系統(tǒng)化以及新型化和實用化是這場變革的主題。經過幾十年的發(fā)展，我國橋式起重機行業(yè)已經形成了一定的規(guī)模，市場競爭也越發(fā)激烈。橋式起重機行業(yè)在國內需求旺盛和出口快速增長的

8、帶動下，依然保持高速發(fā)展，產品幾近供不應求。盡管我國起重機行業(yè)發(fā)展迅速，但是國內起重機仍缺乏競爭力。從技術實力看，與歐美日等發(fā)達地區(qū)相比，中國的技術實力還有一定差距。目前，過內大型起重機尚不具備大量生產能力。從產品結構看，由于技術能力所限，中國起重機在產品結構上也不完善， 難以同國外匹敵。 但就我國自身技術而言，也取得了一定程度的提升，其具有的類別、特點下文將一一介紹。2.2 橋式起重機的基本結構及特點1 拖動系統(tǒng)的組成（1）大車拖動系統(tǒng)：拖動橋式起重機整體沿著車間作橫向移動。（2）小車拖動系統(tǒng)：裝設在大車上，拖動吊鉤及重物沿著橋架作縱向移動。（3）卷揚拖動系統(tǒng)： 裝設在小車上，拖動重物作提升

9、或下放的升降運行，該系統(tǒng)是橋式起重機中控制最為復雜、操作最為繁瑣的機構，也是耗能的主要部分。2 電氣傳動系統(tǒng)的構成橋式起重機的電氣傳動系統(tǒng)有大車電動機2臺。小車電動機 1臺, 卷揚電動機主鉤1 臺 , 副鉤 1臺。實施的技術方案采用4臺變頻器控制5臺電機 , 其中卷揚電動機的主鉤、副鉤及小車電動機分別用一臺變頻器驅動, 大車兩臺電動機則用一臺變頻器驅動,實現(xiàn)同步運行 , 每臺變頻器配置了能耗制動組件, 實現(xiàn)位置勢能和制動能量的消耗。系統(tǒng)-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計配置 4 套可編程序控制器構成整個控制系統(tǒng)的中心 , 配置主令控制器 , 實現(xiàn)系統(tǒng)運行操作，其系統(tǒng)結構和配置圖如下是如下圖

10、：主起升機 構副起升機 構機械部分小車車運 行機大車車運 行機主梁橋式起重機金屬結屬 端梁司機室電動機電氣設備控制電制圖 2-1橋式起重機的基本構成圖 2-2橋式起重機的系統(tǒng)設計第4頁共55頁.下面分別對個機構調速進行具體的分析說明。（2）起升機構起升機構屬位能負載機構。主起升和副起升兩臺電動機各使用一個變頻器，變頻器的選擇，應選擇變頻器的額定電流為基準值，一般以電動機的額定電流，負載率、變頻器的運行效率為依據(jù)。控制方式選擇帶 PG的矢量控制方式。 PLC接受電動機的旋轉碼器經數(shù)模轉換卡送達的反饋信號，避免吊鉤的掉滑。（3）運行機構大車運行機構中的兩臺電機共用一臺變頻器， 考慮到運行機構的工作

11、頻率較為相近，為節(jié)省成本，在調速中選擇一臺變頻器。 控制方式選擇 PG控制反饋系統(tǒng)的 V/f 的變頻控制方式。3 橋式起重機拖動系統(tǒng)特點橋式起重機無論大車、小車或卷揚的拖動系統(tǒng)，它們都有一個共同的特點，即負載轉矩的大小在拖動過程中與轉數(shù)基本無關，就是說，橋式起重機的各部分拖動系統(tǒng)，在調速過程中具有“恒轉矩”的特點。2.3 橋式起重機的分類及特點橋式起重機主要包括通用橋式起重機和電動葫蘆型橋式起重機兩大部分，主要分類如抓斗橋式起重機電磁橋式起重機通用吊鉤橋式起重機通用橋式起重機兩用橋式起重機三用橋式起重機雙小車橋式起重機下：橋式起重機電動葫蘆型橋式電動梁式橋式起重機起重機電動葫蘆橋式起重機圖 2

12、-3主要分類構成-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計其各自具體分類具有的特點如下：1. 通用橋式起重機主要包含抓斗橋式起重機、電磁式橋式起重機、通用吊鉤橋式起重機、兩用橋式起重機、三用橋式起重機和雙小車橋式起重機。（1）抓斗橋式起重機抓斗橋式起重機的裝置為抓斗，以鋼絲繩分別聯(lián)系抓斗起升、起升機構、開閉機構。主要用于散貨、廢舊鋼鐵、木材等的裝卸、 吊運作業(yè)。這種起重機除了起升閉合機構以外，其結構部件等與通用吊鉤橋式起重機相同。（2）電磁橋式起重機電磁橋式起重機的基本構造與吊鉤橋式起重機相同，不同的是吊鉤上掛1 個直流起重電磁鐵 ( 又稱為電磁吸盤 ) ，用來吊運具有導磁性的黑色金屬及其制品。通

13、常是經過設在橋架走臺上電動發(fā)電機組或裝在司機室內的可控硅直流箱將交流電源變?yōu)橹绷麟娫矗?然后再通過設在小車架上的專用卷筒，將直流電源用撓性電纜送到起重電磁鐵上。（3）通用吊鉤橋式起重機通用吊鉤橋式起重機由金屬結構、大車運行機構、小車運行機構、起升機構、電氣控制系統(tǒng)及司機室組成。 取物裝置為吊鉤。額定起重量為 10t 以下的多為 1 個起升機構；16t 以上的則多為主、副兩個起升機構。這類起重機能在多種作業(yè)環(huán)境中裝卸和搬運物料及設備。（4）兩用橋式起重機兩用橋式起重機有3 種類型：抓斗吊鉤橋式起重機、電磁吊鉤橋式起重機和抓斗電磁橋式起重機。其特點是在一臺小車上設有兩套各處獨立的起升機構，一套為抓

14、斗用，一套為吊鉤用 ( 或一套為電磁吸盤用一套為吊鉤用，或一套為抓斗用一套為電磁吸盤用) 。（5）三用橋式起重機三用橋式起重機是一種多用的起重機。其基本構造與電磁橋式起重機相同。根據(jù)需要可以用吊鉤吊運重物，也可以在吊鉤上掛一個馬達抓斗裝卸物料，還可以把抓斗卸下來再掛上電磁盤吊運黑色金屬，故稱為三用橋式( 可換 ) 起重機。這種起重機適用于經常變換取物裝置的物料場所。（6）雙小車橋式起重機第6頁共55頁.這種起重機與吊鉤橋式起重機基本相同，只是橋架上裝有兩臺起重量相同的小車。這種機型用于吊運與裝卸長形物件。2. 電動葫蘆型橋式起重機其特點是橋式起重機的起重小車用自行式電動葫蘆代替，或者用固定式電

15、動葫蘆作起重小車的起升機構，小車運行、大車運行等機構的傳動裝置也盡量與電動葫蘆部件通用化。因此，與上述通用橋式起重機相比， 電動葫蘆型橋式起重機雖然一般起重量較小、工作速度較慢、 工作級別較低， 但其自重輕、能耗較小、易采用標準產品電動葫蘆配套，對廠房建筑壓力負載較小，建筑和使用經濟性都較好。因此在中小起重量范圍的一般使用場合使用越來越廣泛，甚至有替代某些通用橋式起重機的趨勢。（1）電動梁式起重機其特點是用自行式電動葫蘆替代通用橋式起重機的起重小車，用電動葫蘆的運行小車在單根主梁的工字鋼下翼緣上運行。跨度小時直接用工字鋼作主梁，跨度大時可在主梁工字鋼的上面再作水平加強，形成組合斷面主梁。其主梁

16、可以是單根主梁 ( 電動單梁式起重機 ) ，也可以是兩根主梁 ( 電動雙梁式起重機 ) ，其橋架可以是像通用橋式起重機那樣通過運行裝置直接支撐在高架軌道上， 也可以通過運行裝置懸掛在房頂下面的架空軌道上(懸掛式)。（2）電動葫蘆橋式起重機其特點是固定式電動葫蘆裝在小車上作起升機構，小車運采用行機構也多采用電動葫蘆零部件作成簡單的構造形式，小車也極為簡便輕巧，其整體高度小，小車及橋架自身輕、重心低、有很廣泛的使用適應性。箱形雙梁橋式起重機是由一個有兩根箱形主梁和兩根橫向端梁構成的雙梁橋架， 在橋架上運行起重小車。 可起吊和水平搬運各類物體，它適用于機械加工和裝配車間料場等場合。橋架的結構主要有箱

17、形結構，空腹桁架式結構，偏軌空腹箱形結構及箱形單主梁結構等， 5-80 噸中小起重量系列的起重機一般采用箱形結構，且為保證起重機穩(wěn)定，選擇箱形雙梁結構作為橋架結構。為了操縱和維護的需要，在傳動側走臺的下面裝有司機室。司機室有敞開式和封閉式兩種，一般工作環(huán)境的室內采用敞開式的司機室，在露天或高溫等惡劣環(huán)境中使用封閉式的司機室。箱形雙梁橋架具有加工零件少，工藝性好，通用性好等優(yōu)點。橋架結構應根據(jù)其工作類型和使用環(huán)境溫度等條件，按照有關規(guī)定來選 用鋼材。橋式起重機一般由裝有大車運行機構的橋架、裝有起升機構和小車運行機構的起重小車、電氣設備、司機室等幾個大部分-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計組成

18、。外形像一個兩端支撐在平行的兩條架空軌道上平移運行的單跨平板橋。起升機構用來垂直升降物品，起重小車用來帶著載荷作橫向運動；橋架和大車運行機構用來將起重小車和物品作縱向移動， 以達到在跨度內和規(guī)定高度內組成三維空間里作搬運和裝卸貨物用。橋式起重機是使用最廣泛、擁有量最大的一種軌道運行式起重機，其額定起重量從幾噸到幾百噸。最基本形式是通用吊鉤橋式起重機，其他形式的橋式起重機基本上都是在通用吊鉤橋式起重機的基礎上派生發(fā)展出來的。2.4 橋式起重機的基本參數(shù)起重機械的基本參數(shù)是用來說明起重機械的性能和規(guī)格的一些數(shù)據(jù)，也是提供設計計算和選擇使用起重機械的主要依據(jù)。橋式起重機的基本參數(shù)主要有額定載荷、跨度

19、、起升高度、 工作速度和工作級別等。橋式起重機的額定載荷一般在505000KN之間，我國生產的標準橋式起重機系列有13種，即 50，80，125/30 ，160/30 ，200/50 ，320/80 ，500/125 ，800/200 ，1000/320 ，1250/320 ，1600/500 ，2000/500 ，2500/500 。橋式起重機的跨度指的是其大梁兩軌道中心線的距離，它決定了橋式起重機的工作范圍。起升高度指的是吊鉤上升到極限位置時，吊鉤中心線至地面的垂直距離，一般標準橋式起重機的起升高度在 1232m之間。橋式起重機的其他有關參數(shù)包括如下幾項：額定起重量 Q t吊鉤所能吊起的最

20、大重量。如使用其它輔助取物裝置和吊具（如抓斗、電磁鐵、夾鉗和盛鋼桶等）時，這些裝置的自重應包括在額定起重量內。當決定起重機的額定起重量時，應符合標準規(guī)定的數(shù)值。因為起重量的數(shù)值對大多數(shù)起重機的自重有決定性的作用，因此在確定時應按照生產實際情況考慮，過小不能滿足生產要求，過大會造成基建投資的浪費。起升高度 H m吊鉤最低位置到吊鉤最高位置之間的垂直距離，此參數(shù)在標準中沒有規(guī)定，可根據(jù)工作需要來定?？缍?L m 和幅度 a m都是表示起重機工作范圍的參數(shù)?？缍仁侵笜蚴筋愋推鹬貦C大車運行軌道之間的距第8頁共55頁.離；幅度是指旋轉起重機的旋轉中心線到吊鉤中心線之間的水平距離。軌距 a m軌距也稱輪距

21、，按下列三種情況定義：對于小車，為小車軌道中心線之間的距離；對于鐵路起重機，為運行線路兩鋼軌頭部下內側16mm處的水平距離；對于臂架型起重機，為軌道中心線或起重機行走輪踏面（或履帶）中心線之間的距離。基距 B基距也稱軸距，是指沿縱向運動方向的起重機或小車支承中心線之間的距離。基距的測定與支承輪的布置有關。起重力矩 M起重力矩是幅度與其相對應的起吊物品重力的乘積。起重傾覆力矩MA起重傾覆力矩，是指起吊物品重力與其至傾覆線距離的乘積。輪壓 P輪壓是指一個車輪傳遞到軌道或地面上的最大垂直載荷。按工況不同，分為工作輪壓和非工作輪壓。工作速度 v(m/min)包括起升、運行、變副和旋轉速度，但旋轉速度用

22、 n(r/min) 表示。起升速度起升機構電動機在額定轉速下吊鉤上升的速度；運行速度運行機構電動機在額定轉速下，大車或小車直線運行的速度；變副速度吊鉤從最大幅度到最小幅度的平均線速度；旋轉速度旋轉機構電動機在額定轉速下，起重機的轉速。生產率 Q（ t/h ）說明起重機裝載或吊運物品的工作能力的綜合指標。起重機工作級別起重機工作級別是考慮起重量和時間的利用程度以及工作循環(huán)次數(shù)的工作特性。它是按起重機利用等級（整個設計壽命期內，總的工作循環(huán)次數(shù)）和載荷狀態(tài)劃分的。或-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計者說，起重機工作級別是表明起重機工作繁重程度的參數(shù)，即表明起重機工作在時間方面的繁忙程度和在吊重

23、方面滿載程度的參數(shù)。自重及外形尺寸這是任何一種機器都應有的技術經濟指標，它不僅是說明起重機械性能優(yōu)劣的數(shù)據(jù)，而且直接影響基建費用的投資，因此，應十分重視減輕自重和減小外形尺寸。2.5 橋式起重機的負荷特點及要求2.5.1負荷特點橋式起重機的拖動系統(tǒng)負載都屬于恒轉矩性質，且其起升機構為位能性負載，當起升機構起吊重物下降或者快速加減速運行時，電動機處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。需要將電能通過反饋裝置反送給電網或消耗在制動電阻上，以防止直流側的上升電壓影響制動效果。2.5.2控制要求其控制要求需要：（1）起升機構要求起動轉矩大，起動運行平穩(wěn)。（2）要有相應的措施，防止起升機構在啟停過程中易出現(xiàn)溜鉤問題。（3

24、）起升機構中要有機械制動器。2.6 調速對起重機使用性能的影響之前使用的點動調速系統(tǒng)是指將電動機接通電源，電動機開始啟動，但不等于啟動結束，就被切斷電源，使電動機總是工作在起動狀態(tài)。交流異步電動機的啟動電流遠遠大于額定電流。起重機用籠型電動機的啟動電流是額定電流的4 6 倍。繞線轉子電動機轉子串電阻的平均啟動電流是額定電流的1.6 1.8 倍（最大啟動電流可達2.25 2.5倍）。點動次數(shù)多，由于啟動電流遠大于額定電流，所以電動機溫升很快升高，極易損壞電動機繞組。對接觸器 、繼電器而言，點動次數(shù)多就是接電次數(shù)多，而且開斷的不是正常的工作電流。接觸器開斷的是電動機的啟動電流，繼電器斷開的是線圈的

25、起動電流。額定電流大，接頭的電磨損因通斷次數(shù)多和開斷電流大而加大。所以點動的次數(shù)多了, 無論對電動機的繞組 , 還是繼電器、接觸器的線圈和觸頭都是十分不利的, 嚴重影響其使用壽命和機械效率。 但是可調速的電氣傳動控制方案一般會設計成4 擋或 5 擋速度，除低速和高速兩擋以外，還有23 個中間擋，中間擋可給用戶提供更多的速度選擇，第10頁共55頁.還能保證機構從抵速到高速的平穩(wěn)過渡，不致產生大的機械和電流沖擊，可提高起重機的實用性能和機械效率，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1 ） 低速可實現(xiàn)準確到位， 高速可保證生產率， 妥善處理了準確到位與高生產率的關系了。(2 ） 減少了點動次數(shù)，提高電動機和電

26、器元件的使用壽命，減少了事故率和維修量。(3 ） 幾種調速方案都有這樣的設計，就是在停車之前，先進行電制動，待速度降低之后，再進行機械制動，這樣制動就很平穩(wěn)，可減少制動器閘皮的磨損，提高制動器的壽命。(4 ） 制動平穩(wěn)，可減少起重機鋼結構（特別是大梁）的縱向和橫向的震動，提高鋼結構的使用壽命 ; 可減少吊運物的上下竄動和左右擺動，避免吊運物與設備間的碰撞，減少事故。由于橋式起重機是現(xiàn)代工業(yè)生產中非常重要的大中型設備, 經過幾十年的發(fā)展 , 我國橋式起重機制造廠和使用部門在設計制造工藝設備使用維修管理方面, 不斷積累經驗 ,不斷改造 , 推動了橋式起重機的技術進步。但是當前大多數(shù)企業(yè)安裝使用的大

27、量中小噸位及少量大噸位的Q D 型雙梁通用橋式起重機的電控系統(tǒng), 都是采用傳統(tǒng)的繼電-接觸器及主令凸輪控制器控制大小車的行走, 主副鉤的提升、下降及調速，起重機工作在斷續(xù)狀態(tài)。由于其工作的性質決定了其電控系統(tǒng)操作頻繁, 通斷次數(shù)高 , 負荷的隨機性 ,時重時輕 , 經常因種種原因而超載, 特別是在工作環(huán)境差，工作任務重時, 電動機以及所串聯(lián)電阻燒損和斷裂事故時有發(fā)生。因此其整個系統(tǒng)的故障率為單個部件的幾十至幾百倍, 而且常因控制器或因龐大的繼電 - 接觸器故障，損壞而使起重機無法正常運行 , 造成重大的安全事故隱患。 另外 , 其限位保護采用機械式行程開關 , 因為常受較大的機械沖擊而損壞 ,

28、 從而失去限位保護作用 , 其后果不堪設想。要從根本上解決這些問題 , 只有徹底改變傳統(tǒng)的控制方式。 故本設計將采用 PLC 應用于起重機的電控系統(tǒng)中控制變頻器 ,這樣能有效的克服和減少以上缺陷 , 提高起重機控制裝置的運行可靠性 , 大大降低起重機電控方面的維護量 , 從節(jié)能角度上也也很大程度的降低了能耗，提高了工作效率。2.7 電動機調速的主要方法電動機最初使用的調速方法有改變極對數(shù)調速、換向器電機調速、串級調速、定子調壓調速、電磁轉差離合器調速等技術，但由于都存在著一定的缺點，隨著電力電子技術的進一步發(fā)展，出現(xiàn)了變頻調速。具體優(yōu)缺點如下：-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計（1）改變極

29、對數(shù)調速優(yōu)點：無附加轉差損耗，效率高； 控制電路簡單，易維修，價格低；與定子調壓或電磁轉差離合器配合可得到效率較高的平滑調速。缺點：有級調速，不能實現(xiàn)無級平滑的調速。且由于受到電機結構和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn) 2 3 種極對數(shù)的有級調速，調速范圍相當有限。（2）換向器電機調速優(yōu)點： 具有交流同步電動機結構簡單和直流電動機良好的調速性能； 低速時用電源電壓、高速時用電機反電勢自然換流，運行可靠；無附加轉差損耗，效率高，適用于高速大容量同步電動機的啟動和調速。缺點：過載能力較低，原有電機的容量不能充分發(fā)揮。（3）串級調速優(yōu)點：可以將調速過程中產生的轉差能量加以回饋利用， 效率高 。裝置容量與

30、調速范圍成正比，適用 70 95的調速。缺點：功率因素較低，有諧波干擾，正常運行時無制動轉矩，適用于單象限運行的負載。（4）定子調壓調速優(yōu)點：線路簡單，裝置體積小，價格便宜。使用、維修方便。缺點：調速過程中增加轉差損耗，此損耗使轉子發(fā)熱，效率較低；調速范圍比較小；要求采用高轉差電機，比如特殊設計的力矩電機，所以特性較軟，一段適用于 55kW以下的異步電動機。（5）電磁轉差離合器調速優(yōu)點：結構簡單，控制裝置容量小，價值便宜。運行可靠，維修容易。無諧波干擾。缺點：速度損失大，因為電磁轉差離合器本身轉差較大，所以輸出軸的最高轉速僅為電機同步轉速的80 90。 調速過程中轉差功率全部轉化成熱能形式的損

31、耗，效率低。（6）轉子串電阻調速優(yōu)點：技術要求較低，易于掌握；設備費用低；無電磁諧波干擾。缺點： 串鑄鐵電阻只能進行有級調速。若用液體電阻進行無級調速，則維護、保第12頁共55頁.養(yǎng)要求較高；調速過程中附加的轉差功率全部轉化為所串電阻發(fā)熱形式的損耗，效率低。調速范圍不大。（7）變頻調速優(yōu)點：無附加轉差損耗，效率高，調速范圍寬；對于低負載運行時間較長，或起、停較頻繁的場合，可以達到節(jié)電和保護電機的目的。缺點：技術較復雜，價格較高。綜上所述，交流電動機最理想的調速方法應該是改變電動機供電電源的頻率，這就是變頻調速。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展， 可編程控制器 PLC控制的變頻調速系統(tǒng)的出現(xiàn)，并且變頻

32、調速的性能指標完全可以達到甚至超過直流電動機調速系統(tǒng)。下面將介紹可編程控制器控制的的變頻調速系統(tǒng)。2.8 可編程控制的變頻調速系統(tǒng)可編程控制的變頻調速系統(tǒng)主要是通過可編程控制器PLC控制變頻調速系統(tǒng)。變頻調速系統(tǒng)是由變頻器提供電的電動機帶動生產機械運轉的系統(tǒng)。描述轉速 n 和轉矩 T 之間的關系 n=f（T）稱為機械特性。 電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作情況取決于電動機和負載的機械特性。下面將介紹變頻調速及可編程控制器的基本原理。2.8.1. 變頻調速原理變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的，當在定子繞組上接入三相交流電時，在定子與轉子之間的空氣隙內產生一個旋轉磁場，它與轉子磁場產

33、生一個相對運動，使轉子繞組產生感應電動勢，出現(xiàn)感應電流，此電流與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩，使電機轉動起來。電機磁場的轉速稱為同步轉速，用n 表示：n=60f/p(2-1)式中： n 是同步轉速，單位為r/min;f為三相交流電源的頻率，一般為50Hz；p 為磁極對數(shù)。當電動機的實際轉速與同步轉速不同時，稱為異步轉速。在此轉速的情況下運行的電動機稱為異步電動機。電機的轉速為n=60f（1-s ） /p（2-2 ）其中 s 為轉差率 :s= （n1-n ） /n 1*100%（2-3 ）-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計由上式 2-1 可以看出，對成品電機極對數(shù)p 是定的，轉差率 s 變

34、化不大，則電機轉速n與頻率 f 成正比。因為改變輸入電源的頻率就可以改變同步電機的轉速，進而達到改變異步電動機轉速的作用。這就是三相異步電動機的調速原理。變頻調速的最大特點是：電動機從高速到低速，其轉差率始終保持最小值，因此變頻調速時，異步電動機的功率因數(shù)很高。因而變頻調速是一種理想的調速方式。2.8.2變頻調速系統(tǒng)的控制方式三相異步電動機的電磁關系同變壓器類似，定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉子繞組相當于變壓器的副繞組。當定子繞組接上三相交流電壓時，在定子繞組中就有三相電流通過，定子三相電流會產生旋轉磁場，其磁感線通過定子和轉子鐵芯而閉合，旋轉磁場不僅在轉子每相繞組中要感應出電動勢 E2，而

35、且在定子每相繞組感應中也要感應出電動勢 E1。設定子和轉子的匝數(shù)分別為 N1， N2 。定子每相繞組感應電勢 E1 的幅值為E1 4.44K N 1 f1 N1 m（2-4 ）式中： f 1 為電網的頻率；KN1為定子的繞組系數(shù)；m為通過每相繞組的磁通最大值，在數(shù)值上等于旋轉磁場的每相磁通，即=m在異步電動機調速時，一個重要的因素是希望保持每相磁通 為額定值。原因是在上式（ 2-4 ）中， KN1和 N1 是不變的，但感應電勢 E1、 f 1 和m是可變的。因而若為保持 m 為定值，則可采用兩種方法一種是在 f 1 變大，大于電動機的額定功率（又稱基頻）f 1N（下標 1 為“定子”， N 為

36、“額定”）。另一種是在基頻以上，由此就有兩種情況：（1）在基頻一下調速如下圖2-3 所示：第14頁共55頁.圖 2-4交流電動機變頻基頻以下調速機械特性（f >f1>f2>f3)1N如上圖2-3 為交流電動機基頻以下調速的機械特性。保持最大氣息磁通量m不變，讓頻率 f從基頻 f1N往下調時，必須同時降低E ，使 E /f1保持不變，為常量，但定子的感111應電動勢不好控制。于是人們想到了基頻以上調速，利用的是U1E1+U(2-5)(2) 基頻以上調速由式（ 2-4 ）可知，讓頻率 f1 從基頻 f1N 往上調，不可能繼續(xù)保持 E1/f1 的值不變，因為電壓 U1 不能超出額定

37、電壓 U1N。這時，只能繼續(xù)保持電壓 U1不變，其結果是：使氣息磁通最大值 m隨頻率升高而降低，電動機的同步轉速升高，最大轉矩減小，輸出功率基本不變。所以基頻以上調速屬于弱磁調速，基機械特性如下如2-4 所示。圖 2-5交流電動機變頻基頻以上調速機械特性（f 1N<f1<f2<f3)由于橋式起重機工作在恒轉矩負載的情況下，因而將進一步介紹恒轉矩變頻調速。2.8.3 恒轉矩負載變頻調速（1）所謂恒轉矩負載，即負載的轉矩近似為恒量。這里所謂的恒轉矩是指：一旦此類負載被電機帶動，無論電動機的轉速高低，轉矩的大小是不變的。由于交流電動機的功率表達式為PLTLTL nL2TL nL（2

38、-6）10006010009550式中： T 為交流電動機的轉矩，單位為N.m；L為交流電動機轉子的角速度，單位為rad/s ；nL 為其對應的電動機的轉速，單位為1/s ；-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計PL 單位為Kw；角標 L 表示“負載”的意思。因而由上式（ 2-6 ）可知，轉速高，電動機消耗的功率大；轉速低，電動機消耗的功率小。這絕不是指：無論“怎樣輕重的負載”，加到電動機上，負載的轉矩都一樣。在給定重物的情況下負載功率與轉速成正比。對恒轉矩負載來說， 在構建變頻調速系統(tǒng)時，必須注意工作頻率范圍、調速范圍和負載轉矩的變化范圍能否滿足要求，還要注意電動機和變頻器的選擇 。下 圖

39、2-6和2-7是恒轉矩負載的機械特性和功率特性。圖 2-6恒轉矩負載的機械特性圖 2-7 恒轉矩負載的功率特性（2）調速范圍和負載功率的關系電動機軸上的負載轉矩 TL(負載折算到電動機軸上的轉矩 ) 與電動機額定轉矩 TN 的比值，用 表示，即 = TL'nNf N（2-7 ）TNnXf X如上式（2-7 ）可知變頻調速系統(tǒng)的最高和最低工作頻率都和負載率有關， 所以調速范圍也就和負載率有關。由上式可知負載率越小，其可調速的范圍就越廣。2.8.4 變頻調速系統(tǒng)的構成要實現(xiàn)變頻調速，必須有頻率可調的交流電源，但電網卻只能提供固定頻率的交流電源，因此需要一套變頻裝置來完成變頻的任務。歷史上曾

40、出現(xiàn)過旋轉式變頻機組，但由于其存在許多缺點故障現(xiàn)在很少使用，現(xiàn)在的變頻器都是由大功率電子器件構成，相對于旋轉機組而言，被稱為靜止式變頻裝置，靜止式變頻裝置構成了變頻調速系統(tǒng)的中第16頁共55頁.心環(huán)節(jié)。一個變頻調速系統(tǒng)主要由靜止式變頻裝置、交流電機和控制電路三部分組成。圖 2-8變頻調速的構成圖 2-9間接變頻裝置各種結構形式上圖 1-2 包括（ 1）可控整流器變壓、變頻器變頻， （ 2）直流斬波器調壓、變頻器變頻，（3）變頻器自身變壓、變頻?？煽卣髌髯儔骸⒆冾l器變頻。該方式的調壓和調頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行且在控制電路上要協(xié)調配合。這種裝置結構簡單、控制方便，輸出環(huán)節(jié)用由晶閘管組成的六拍逆變

41、器構成，但由于輸入環(huán)節(jié)采用可控整流器，在低壓深控時電網端的功率數(shù)較低，還將產生較大的諧波成分，一般用于電壓變化不太大的場合。直流斬波器調壓、變頻器變頻。該方式采用不可控整流器，保證變頻器的電網側有較高-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計的功率因數(shù)，在直流環(huán)節(jié)上設置直流斬波器完成電壓調節(jié)。這種調壓方法有效的提高了變頻器電網側的功率因數(shù)，并能方便靈活的調壓，但增加了一個電能變換環(huán)節(jié)，使主電路和控制電路復雜，該方法仍存在諧波交大的問題。變頻器自身變壓、變頻。該方法采用不可控整流器，通過變頻器自身的電子開關進行斬波控制，使輸出電壓為脈沖列。改變輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，便可達到調節(jié)輸出電壓的目的，這

42、種方法稱為脈沖寬度調制（ PWM）。因該方式采用不可控整流，功率因數(shù)較高，且用 PWM逆變，諧波可以大大減少。諧波減少的程度取決于開關頻率，而開關頻率則受器件開關時間的限制，若仍采用普通晶閘管，開關的頻率并不能有效的提高，只有采用全控型器件，開關頻率才能得以大大提高，可以得到非常逼真的正弦波輸出波形，因而又稱為正弦波脈寬調制（ SPWM）變頻器，該變頻器將變頻和調壓的功能集于一身，主電路不用附加其他裝置，結構簡單，性能良好，已成為當前最有發(fā)展前途的一種結構形式。2.9 可編程控制器2.9.1 可編程控制器的定義它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算

43、等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備， 都應按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?？删幊炭刂破鳎≒rogrammable Controler）也稱為PLC（Programmable Logic Controler），即可編程邏輯控制器。主要包括CPU，存儲器，輸入輸出，通訊接口及模塊， 編程器模塊和電源六部分。 如下圖 2-9 是 PLC的內部結構，進行數(shù)據(jù)和指令的傳輸。第18頁共55頁.圖 2-10 可編程控制器的內部結構2.9.2 可編程序控制器PLC的分類PLC產品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。對

44、 PLC 的分類，通常根據(jù)其結構形式的不同、功能的差異和 I/O 點數(shù)的多少等進行大致分類。1按結構形式分類根據(jù) PLC的結構形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。（1）整體式 PLC整體式 PLC是將電源、 CPU、 I/O 接口等部件都集中裝在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、價格低的特點。小型 PLC一般采用這種整體式結構。 整體式 PLC由不同 I/O點數(shù)的基本單元（又稱主機）和擴展單元組成。基本單元內有CPU、I/O接口、與 I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM寫入器相連的接口等。擴展單元內只有I/O 和電源等，沒有 CPU?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接

45、。整體式 PLC 一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。（2）模塊式 PLC模塊式 PLC是將 PLC各組成部分，分別作成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、 I/O模塊、電源模塊（有的含在CPU模塊中）以及各種功能模塊。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結構。還有一些PLC 將整體式和模塊式的特點結合起來，構成所謂疊裝式PLC。疊裝式 PLC其 CPU、電源、 I/O 接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是

46、靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。2按功能分類根據(jù) PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔、高檔三類。（1）低檔 PLC 具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。（ 2）中檔 PLC除具有低檔 PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉換、遠程I/O 、子程序、通信聯(lián)網等功能。有-.橋式起重機調速改造電氣控制系統(tǒng)設計些還可增設中斷控制、 PID 控制等功能，

47、適用于復雜控制系統(tǒng)。（3）高檔 PLC 除具有中檔機的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其它特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC機具有更強的通信聯(lián)網功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。3按 IO 點數(shù)分類根據(jù) PLC的 I/O 點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。(1).小型 PLC I/O 點數(shù) < 256 點；單 CPU、8 位或 16 位處理器、用戶存儲器容量4K字以下。如： GE-I 型美國通用電氣（ GE）公司 TI100 美國德洲儀器公司F 、F1、F2 日本三菱電氣公司C20 C40

48、 日本立石公司（歐姆龍）S7-200 德國西門子公司EX20 EX40日本東芝公司 SR-20/21 中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司(2). 中型 PL I/O 點數(shù) 256 2048 點；雙 CPU，用戶存儲器容量 28K 如：S7-300 德國西門子公司 SR-400中外合資無錫華光電子工業(yè)有限公司 SU-5、SU-6 德國西門子公司C-500 日本立石公司 GE-GE公司(3).大型 PLC I/O 點數(shù) > 2048 點；多 CPU， 16 位、 32 位處理器，用戶存儲器容量8 16K 如： S7-400 德國西門子公司GE- GE公司 C-2000 立石公司 K3 三菱公司等第20頁共55頁.第 3 章 橋式起重機的調速及各元件選型3.1 橋式起重機調速的主要方法橋式起重機的調速方法主要由轉子串電阻調速、定子晶閘管調壓調速以及現(xiàn)在主要的變頻調速，下面一一介紹其原理。3.1.1轉子串電阻