桥式起重机的变频调速系统毕业设计

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1、电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机一 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。本次设计采用PLC和变

2、频器技术，以PLC控制变频器，即以程序 控制取代继电一接触器控制，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。关键词：PLC 桥式起重机矢量控制摘要 1绪论 3第1章桥式起重机介绍 61.1 国内外发展概况 61.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题 7第2章调速系统介绍 92.1 电动机的调速指标 92.2 变频调速的基本原理 112.3 电动机变频调速的机械特性 12第3章变频器 143.1 变频器的分类 143.2 变频器的主电路 153.3 变频器的控制电路 163.4 脉宽调制型（PWM变频器 16第4章可编程序控

3、制器 204.1 PLC的应用与发展和系统组成 224.2 PLC的工作原理、抗干扰分析及设计 24第5章调速控制系统设计和部件选型 255.1 采用变频调速的基本考虑 265.3 桥式起重机变频调速控制系统 31第6章桥式起重机变频调速系统软件设计 346.1 S7-200PLC网络的通信协议 346.2 PLC程序设计 35展望 39参考文献 41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

4、系统所采用交流绕线转子用电阻的方法进 行启动和调速，继电一接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及 所用连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电一接触器控制系统可靠性差，操作复 杂，故障率高；转子用电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速不 理想。所用连电阻长期发热，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

5、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PLCft变频器技术，以PLC控制变频器，即以程序控制取代继 电一接触器控制，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 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。如果说以第一个品闸管的出现作为交流电动机变频调速的起点，可以认为它 的发

6、展历史己40多年了。而变频调速技术真正高速发展时期，应该是在 PWMB制 技术的出现和微机控制技术发展之后。特别是最近 20年来，随着交流调速技术的 应用普及，交流变频调速在化工、火电厂、矿山、油田、机械制造、城市建设、 水处理、甚至家电等行业己经全面推广使用，一般主要用于节能及控制。随着变 频技术的普及和深入，以及国际、国内电器设备使用的有关标准意识的强化，电 力系统行业和用户对变频技术的质量要求也越来越高。变频调速的发展趋势主要 围绕下面几个方而展开。1）高性能的智能控制变频器380V系统的低压变频器是国内的主要研究对象，应用交流调速的基本理论， 结合神经网络控制、鲁棒控制、模糊控制，或其

7、他智能控制等手段，实现电机运行参数的自动辨识，以期达到自适应、自调整的最优控制。2）速度传感器研究从前面所述的各种变频调速的理论可知，一般系统都要用到转速传感器。在 实际使用中，由于变频设备和被控电动机有一定的距离，而高精度的转速传感器 都要使用专门的电源，被控电动机有的是在户外，运行工况非常恶劣，要保证速 度反馈的准确性，有时不得不采取特别措施，因此也会增加额外费用，运行的可 靠性和控制精度也会因此受到影响。无速度传感器的变频调速系统，是通过现场 采集的电流电压量，以及控制的实施策略，综合出被控电机的实际转速。这种控 制方案要求计算机的控制速度较高，并有足够的精度。3）针对功率因数提高和谐波

8、污染的研究低压变频调速系统的控制虽然己经是非常成熟了，但目前国际、国内的产品， 一般都是矢量控制和直接转矩控制，重点放在电机变频控制理论的实现和完善上， 而对变频器的输出波形、功率因数，以及谐波污染等问题还没有引起足够的重视。 最近10多年来，国外在这一领域己有较深入的研究。有的针对功率因数，有的强 调输出波形。多重化技术就是为了解决输出波形问题。最近几年的研究表明，利 用PWM俞出控制解决谐波输出问题，是比较理想的方法，它可以省去多重化中的 变压器，或过多的开关元器件，使变频器的体积和重量减少，但这种方法不能解 决所有谐波的消除问题，只能部分消除特定谐波。这方面的研究论文还不多，也 还没有成

9、熟的类似低压变频器的产品出现。4）高压变频器的研究变频器的主要作用之一是节能。而高压电动机的节能效果是比较明显的，大 功率的风机和水泵用电动机一般都是高压电动机。国内，高压变频调速和它的节 能控制还是一个比较薄弱的环节.它主要是针对610kV的交流电动机进行变频调 速控制。这种高压电动机广泛应用于火力发电厂的送风机和引风机上。同样也可 用于其他如石油化工、矿山、冶炼、机械制造等行业的变频节能控制。从某种意 义上讲，由于目前国内还不能完全生产高质量的合格电力电子器件，而且，国外 低压变频器的性能价格比也比国内自己研究的变频器高得多。随着电力电子技术最近20多年的飞速发展，功率半导体器件的成本逐年

10、下降， 技术工艺和性能也得到不断改善.电力电子器件的应用己从传统的直流调速、直流 屏、斩波器等领域延伸到交流调速和电力系统的质量控制领域 .并正朝着高电压、 大功率的方向发展.这也是千年之交和世纪之交我国电力电子技术应用的发展趋 势。5）无换向器同步电机的变频调速无换向器电动机也是在20世纪70年代发展起来的新型调速系统。它是一种变频 调速同步电动机.也可以认为是一种用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作第#页用的直流电动机。根据采用的控制方式不同 换向器电动机。直流无换向器电动机采用交 换向器电动机采用交-交变频控制系统。近 究论文。而且，也有一定的成果出现。.可分为直流无换向器电动机和交流

11、无-直-交或直-交变频控制系统；交流无 10年来.国内外杂志上有许多相关的研第1章 桥式起重机介绍1.1 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年代采用发电机一电机系统。 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，到主回路可控硅即品闸管整流供电系统。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用电阻调速，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，

12、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：1) 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300H国U 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)交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国

13、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 统性能发生了质的变化。在桥

14、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，控制电枢电流的大小

15、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

16、技术的应用，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一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PW腋术可严格地使输入电流正弦cos 1 ,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经济中有着十分重要的 地位