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1、前言 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，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，传统桥式起重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；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。所串连电阻长期发热，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。近年来，随着计
2、算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代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控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。本次设计采用PLC和变频器技术，以PLC控制变频器，即以程序控制取代继电接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出PLC控制的桥式起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式起重机
3、在恶劣条件下的工作情况，对改善桥式起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。1 绪 论1.1 桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况 电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机电机系统。从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。 从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有
4、靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能：l) DC-300直流驱动调速系统：GE公司DC-300，DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到4000HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。 该驱动系统实施主回路SCR整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。2) 交
5、流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统
6、性能发生了质的变化。在桥式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。3) 变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国SIEMENS，美国GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。 直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控
7、制电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。 适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技
8、术的应用，该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机矢量控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。 变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦，即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题 桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民
9、经济中有着十分重要的地位，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。由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。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；
10、（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0.20.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但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
11、高，故障率高。由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问题：1）控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高；2）在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出；3）低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻导致机械特性变得很软，低速定位困难；4）能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重。1.3起重机调速技术的发展现状 电动机的调速经过了很长时间的演变过程，一直以来人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，随着大功率
12、和高开关频率的半导体器件的开发研制成功，以及计算机技术的普及应用，交流电动机的调速方式在近20年内取得了飞速发展，调速技术已经日趋成熟。根据异步电机的知识，电动机的转速可以用公式表示为：其中：异步电动机的转速，单位为r/min； 定子的电源频率，单位为Hz； 电机的转速滑差率； 电机的极对数。由上面的公式，我们不难看出，要改变电机的速度，我们可以通过如下的方法：（1）改变极对数的调速；（2）改变转差率调速；（3）变频调速。旋转磁场的速度与定子的极对数有关，定子绕组进行切换就可以改变极对数，从而改变转速。但是从低极对数（高速）变换到高极对数，电机的实际速度会大幅度下降，如果切换速度很快，电机将会
13、经历一个发电阶段，从而在电机及机械装置上产生较大的反向转矩。改变磁极对数方式属于有极调速，调速范围小。目前，在起重机上已经很少应用这种方式。 改变转差率调速是目前起重机上应用较多的调速方式，转子串电阻、定子调压调速等均为这种调速方式，尤其是转子串电阻调速方式更为普遍。该方式依赖绕线电机转子部分串不同阻值的金属电阻来消耗部分能量以达到调速效果，但在低速区具有稳定性差、出力不足的缺点，在重载下降时要有第三方制动即拖拽才能保证重载不溜钩，这种制动方式常有能耗制动、涡流制动、单相制动等。由于采用了第三方的拖拽对电机的冲击较大，在能耗和单相制动要对电机注入直流电流和不平衡电流，在频繁使用过程中会使电机的
14、温度过高，影响电机的绝缘寿命，加速了电机的老化过程。在机械平稳方面也由于制动的冲击力使振动加剧，加速了机械疲劳过程。 随着电气设备自动化控制要求及可靠性的不断提高，变频器在各行各业中的应用越来越广泛。国内起重机采用变频器进行调速控制大概是从20世纪90年代初期，由于其较于传统起重机控制方式具有显而易见的优势，因此很快被起重机广大用户所接受。早期在起重机上应用的变频器多用于行走机构（即大、小车运行机构），随着变频技术的不断发展，以及各变频器生产厂家对高性能变频器从软、硬件的不断开发，在起升机构的应用也逐渐增多。 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能，并且易于实现、便于控制，在很长一段
15、历史时期内，一直处于调速领域的绝对优势地。然而，直流电机结构复杂，制造费时，对运行环境要求较高，电刷易于磨损，维护麻烦，这些问题极大限制了直流调速系统的应用，而交流电机在这方面存在显著的优势。交流电动机因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低、易维护、可适合于大容量调速和恶劣环境工作等优点，在工业领域得到广泛的应用。随着变频器的发展，逐渐取代直流调速而成为调速领域的领跑者。 随着自动化技术的不断发展，电子元件制造工艺的不断进步，变频调速控制在起重机械中必将会得到更为广泛的应用。1.4 本课题的研究意义和主要内容 本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕
16、线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电接触器控制，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，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；2) 继电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，所串连电阻长期发热，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。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代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控制的变频调速技术在桥式起重机系统提供了有利条件。变频技术的运用使得起重机的
