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1、第 1 章 绪论设计目的及意义门座起重机的结构是立体的，不多占用码头的面积，具有高大的门架和较长距离的伸 臂，因而具有较大的起升高度和工作幅度，能满足港口、码头、船舶和车辆的机械化装卸、 转载，充分使用港口、码头场地，适应船舶的空载、满载作业，以及地面车辆的通行要求 还具有高速灵活、安全可靠的装卸能力，对提高装卸生产率，减轻繁重的体力劳动都具有 重大的意义。近年来随着港口运输事业的发展，港口起重机向大型化、专业化方向发展，这就要求 现代港口起重机在电气传动控制调速性能要求比一般起重机要高，以保证在进行装卸作业 时平稳、可靠，且有良好的低速就位性能。传统的调速控制系统已难以满足港机作业的要 求，
2、人们希望在许多场合下能够用可调速的交流电机来代替直流电机，从而降低成本，提 高运行的可靠性。采用变频调速和可编程控制技术控制门座式起重机各系统，不仅可以明 显提高门座式起重机的安全性,可靠性，而且可以提高装卸效率，降低能源的消耗，降低 维修费用，减少劳动强度。满足其工况和作业需要 .主要表现在：（1）明显改善钢结构性 能变频调速使起升，变幅，旋转，行走运行平稳，制动冲击小；（2）变频调速以其体积小， 通用性强，动态响应快，工作频率高，保护性能完善，可靠性好，使用方便等卓越的性能（3）工作可靠性显著提高；（4）节能效果十分可观， 绕线转子异步电动机在低速运行时， 转子回路的外接电阻内消耗大量的电
3、能。采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大 量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源（可 反馈电网或消耗掉）；（5）调速质量明显提高，调速范围宽，性能好，调速平稳，能够长 时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。起升，变幅，旋转工作速度可实现无级 变速，操作者可根据负载的变化情况，实现平稳调速；（6）可简化传动链，由于可以进行 无级调速，从而在机械上省去了非标准设计的减速箱；（7）结构简单，可靠性性高，易维 护。发展现状及趋势门座式起重机是港口起重机械的主力军,经过近几十年的发展,虽然我国在设计、制造 工艺、设备使用维修和管理方面不断的改造推动了技术的
4、持续进步。但是在实际生活中我 们仍然面临着许多有待解决的问题。当前随着工农业生产自动化发展水平越来越高 ,人们 对门机的要求也越来越高。与其他行业的机械电气转动系统一样，门座起重机电气传动系统经历了直流发电机 - 电动机（G-M）；晶闸管一直流电动机（SCR-M）的直流电动机调速系统和异步电动机的变 极调速；绕线型异步电动机转子串电阻调速；调压调速；转差电动机调速；串级调速的发 展过程。众所周知，直流电动机有换向器和电刷，维护保养麻烦，价格也昂贵，容量上也 受到一定限制。而上述的几种异步电机调速分别存在能耗大、调速范围有限、功率因数低、 不能在大功率中应用等缺点1。交流异步电机变频调速是目前交
5、流电机最完善的调速方式，速度可在整个调速范围内 连续控制，调速平滑、精度高。有恒转矩和恒功率控制性能，对负载突变有极好响应。系 统功率因数近似于，对前级电源的容量配置要求低 ,且谐波等电网公害小，力能指标远优 于其他方式。变频调速的平滑调速和其较高的稳定性是港口电机调速的方向。变频器在港 口机械企业已经得到普遍的认可。目前生产的港口起重机几乎是百分之百的都使用变频调 速。起重机械行业中变频调速控制系统主要采用变频调速技术和可编程逻辑控制技术，真 正实现了变频器在位势能负载上的应用，可取代传统的起重机调速系统，适用于新设备的 制造和既有设备改造。随着电控技术特别是变频调速技术的迅速发展，变频调速
6、技术在诸 多调速技术中的优势势必会引导起重机械应用企业进行变频改造，来提高起重设备的性 能。同时，随着机械行业的发展，配置的变频器也会随科学技术等因素的提高而进一步的 优化升级。但在国内，交流变频调速在起重机特别是大吨位起重机上的应用还刚起步，原因是作 为起重机核心机构的起升机构其位能性负载特性和使用安全性的需求使一般通用变频器 在性能上不能满足要求。低频时能否达到恒转矩输出；空中是否溜钩等问题一直是起重机 起升机构使用变频调速的难点，还有起升机构重载下放时其再生制动能量是消耗在制动电 阻上还是回馈回电网，这些一直都给起重机使用全变频调速控制系统带来困惑。近年来， 矢量控制变频器的出现给起重机
7、能否安全使用变频调速技术带来了生机，国外、国内各大 专业电气公司也都在致力于这方面的开发和研究，因此，怎样使矢量控制变频调速技术用 于起重机电气传动，实现四象限运行，保证起升机构各种工况要求和良好的低速就位性能， 对推动港口机械电气控制与调速系统的更新换代，具有非常实用的意义。本文的主要内容论文首先对门座起重机进行了简要的介绍；接着对交流电动机变频调速的原理进行了 分析分析；最后，详细介绍了门座起重机变频调速系统的设计及实现，并对所设计的系统 进行了仿真。论文的主要研究内容如下：1、分析原有门座起重机交流电动机转子串电阻调速系统电控原理图，设计出符合原 有起重机需求的交流变频调速系统原理图。2
8、、确定门座起重机交流变频调速系统各部分主要元器件的选型，以满足门座起重机 的工作要求。3、完成系统的软硬件设计后，对整个调速系统进行仿真，验证其逻辑的合理性。 门座起重机是一种用来起吊、放下和搬运重物，并使重物在一定范围内移动的起重、 搬运设备。门座式起重机的工作机构分为起升机构、变幅机构、旋转机构、行走机构四部 分。论文主要以门座起重机行走与旋转机构电气控制系统为例，详细介绍了其变频调速系 统的设计，包括电动机的选型、变频器的选择、附加配套设备的选择、系统的主电路原理 图、制动单元和制动电阻的选择、可编程控制器的选用等。第 2 章 门座起重机概述门座起重机简介港口起重机是一种周期性间隙动作的
9、机械，按其组成形式可分为轻小型起重设备、升 降机、臂架类起重机、桥架类起重机等基本类型。常用于港口的起重机械主要有门座起重 机、桥式起重机、浮式起重机、轮胎式起重机等。这类起重机的主要组成部分有起升机构、 运行机构、旋转机构、变幅机构、金属结构以及其它相关装置等。门座起重机是一种用来起吊、放下和搬运重物，并使重物在一定范围内移动的起重、 搬运设备，在生产过程中起着重要作用。门座式起重机的工作机构分为起升机构、变幅机 构、旋转机构、行走机构四部分。门座起重机是港口码头数量和使用最多的、结构复杂、 机构最多的、最典型的电动装卸机械。它具有较好的工作性能和独特的优越结构，通用性 好，被广泛地用在港口
10、杂货码头。门座起重机又简称为门吊、门机，是电力驱动、有轨运行的臂架类起重机之一。它的 构造大体上可以分为两大部分：上部旋转部分和下部运行部分。上部旋转部分安装在一个 高大的门形底架（门架）上，并相对于下部运行部分可以实现 360任意旋转。门架可以沿轨道运行，同时它又是起重机的承重部分。起重机的自重和吊重均由门架承受，并由它 传到地面轨道上。门座起重机正是由此门形底座而得名的。门座式起重机如图 1-1所示。图 1-1 门座起重机门座起重机的上部旋转部分包括臂架系统、人字架、旋转平台、司机室等，还安装有 起升机构、变幅机构、旋转机构。下部运行部分主要由门架和运行机构组成。门架底部能 通火车，轨距有
11、3种：能通过一列火车轨距为6m，称单线门架，能通过并排两列火车的轨 距为，称双线门架，能通过并排三列火车的轨距为16m，称三线门架。码头前沿的门座起 重机门架多属双线门架。门座底部装有行车车轮或运行台车，运行机构使整台起重机可以 沿着地面上的轨道运行。门座起重机的工作原理是：通过起升、变幅、旋转3种运动的组合，可以在一个环形 圆柱体空间实现物品的升降、移动，并通过运行机构调整整机的工作位置，故可以在较大 的作业范围内满足运移物品的需要。门座起重机的工作机构起升机构任何起重机械都是依靠起升机构升降货物的。起升机构是起重机不可缺少的工作机 构，没有它就不能称其为起重机。起升机构是最重要的机构，并且
12、它的工作好坏将直接影 响到整台起重机的工作性能。起升机构通常有以下几个方面的任务2：（1）从地面上起升重物以及把重物从空中放回到地面上，与其他机构配合实现货物 的位移。（2）机构能够以各种不同的速度起升和下降重物。（3）能够在起升运动状态和下降运动状态下制动，使货物停留在空中任意位置。（4）在电动机突然断电的情况下，重物能够静止在空中。（5）当电机通电后，悬空状态下的重物，能够继续起升或下降，整个机构恢复正常 工作状态。起升机构工作原理：电动机通过联轴节与减速器的高速轴相连。机构工作时，减速器 的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷入或放出，经过滑轮系统，使吊钩实现上升或下降。机构 停止工作时，制动器使
13、吊钩连同货物静止在空中，吊钩的升降靠电动机改变转向来转换。变幅机构在起重机中用来改变复读的机构称为变幅机构，根据工作要求的不同，变幅机构的主 要作用是：（1）通过改变幅度来改变取物装置的工作位置，以实现起重机起重能力的调整，或 者装卸路线的调整，或者提高非工作状态下的起重机通过性能。（2）通过改变幅度来扩大起重机的作业范围，与起升、回转机构协同工作，使取物 装置的工作范围形成一环形工作空间，以提高起重机的生产率，改善其工作性能。 为使臂架绕其铰轴摆动来改变起吊货物的位置，就必须有一套专门的驱动机构。根据 变幅机构工作性质和要求不同，出现了多种传动机构，如齿条、螺杆螺母、液压等。旋转机构旋转机构
14、是用来支承旋转部分重量，并驱使旋转部分相对于不旋转部分做旋转运动的 工作机构。它的作用是使被起吊的货物围绕起重机的旋转中心做旋转运动，以达到在水平 面内运移货物的目的。旋转驱动机构是用来实现起重机旋转部分相对于不旋转部分转动的 动力和速度的传动装置。这种装置能满足起重机低速正反转、制动平稳、安全可靠的要求。 从受力方面考虑，旋转驱动机构必须克服如下阻力矩：一是旋转支承装置中的摩擦阻力矩； 二是风阻力矩；三是由道路坡度或浮船倾斜造成的旋转阻力矩。运行机构在装卸作业中，往往要求起重机能够调整工作位置，改变工作地点，以扩大作业范围， 提高装卸效率。因此，在起重机中通常都装有运行机构，运行机构的任务是
15、使起重机做水 平运动。运行机构按照结构特点分为无轨运行机构和有轨运行机构两大类。港口装卸用门 座起重机运行机构均为有轨运行机构。有轨运行机构起重机可沿着铺设的钢轨上运行。由 于这种运行机构的车轮和轨道都是钢铁制成的，故其运行阻力小，承载能力大，结构紧凑。 尽管与无轨运行机构相比较工作范围受到轨道的限制，但是仍是港口起重机的主要运行形 式。门座起重机的运行机构属非工作性运行机构只是用来调整起重机的工作位置。运行机 构的工作速度随起重机的用途确定。非工作性运行机构为了简化结构，减轻自重，通常采 用较低的运行速度。门座起重机运行机构的驱动形式是由独立的驱动装置分别驱动各个支 点上的车轮。因为这种驱动
16、结构简单，布置方便，在港口起重机械运行机构中获得了广泛 的应用。运行机构不论是何种结构，都是由运行支承装置和运行驱动装置两大主要部分组 成的。运行支承装置的机械部分对于有轨运行的起重机来说主要是均衡梁、车轮和轨道。 运行驱动装置包括电动机、减速器与制动器等。门座起重机工作流程门座式起重机作为港口码头前沿主要装卸件杂货及干散货船的设备，是通过起升、旋 转、变幅机构联合动作完成货物搬运的，并且可以通过下部行走机构调整至合适工作位置。 门座式起重机可带载作水平位移变幅和任意角度回转，分析其工作流程如下：空钩下降到 货物上方，与货物挂钩，起重机满载提升至能够移出船舱高度制动，改变臂架伸出水平幅 度至避开舱盖位置制动，做臂架旋转至卸货方向制动，同时臂架改变水平幅度至车皮卸货 上方制动，满载下降到车皮内制动，货物摘钩，空钩上升至进入船舱高度制动，旋转至一 定位置制动，改变幅度待卸货物上方制动，空钩下降至货
