桥式起重机变频调速电气控制系统设计.doc

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起重机是指能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，具有动作间歇性和作业循环性，多用于人力不能完成的任务。我国起重机最早是通过学习和仿造前苏联的技术制造出来的，因此，我国起重机到现在还残留着前苏联起重机原型的影子。受到我国国内条件以及传统冶金工艺的制约，国内起重机制造业在改革开放前几乎没有发展，还是50年代前苏联的水平。改革开放后，国内起重机生产厂家开始对起重机进行各种摸索和改进，来适应日益强大的生产需求。为了在国际起重机行业占有一席之地，我国还在引进吸收先进技术的同时，举一反三，积极探索铸造起重机的发展方向，以形成自己的特色和优势，其中桥式起重机是其最显著地代表。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。它在国民经济各部门都有着相当广泛的应用，在现代化生产的过程中占有重要的地位。桥式起重机运输机械对于提高生产的能力、保证产品的质量、降低生产的成本、提高运输的效率、加快物资的周转、流通等方面均有着重要的影响。桥式起重机是现代化生产过程和合理组织生产中必不可少的辅助工具。对安全生产、减少事故更有显著作用，是起重机的一个主要类型。桥式起重机是在固定的车间内装卸和搬运物料，它的起重范围可以从几吨到几百吨。由于桥式起重机行驶在高空，作业范围能扫过整个厂房的建筑面积，使用范围最广、数量最多的一种起重机械。因而具有非常重要的和不可替代的作用。深受用户欢迎，得到了很大的发展。因此桥式起重机成为了起重机械中生产批量最大、材料消耗最多的一种产品。是现代企业实现生产机械化、自动化、减轻体力劳动强度、提高生产效率的重要设备。随着经济建设的迅速发展和生产规模的不断扩大，桥式起重机的应用越来越广泛。但是，由于桥式起重机械自身结构和使用情况的特殊性，一旦在桥式起重机械安装，拆卸，维修和运行中，稍有不慎，很容易发生各种事故，从而造成严重的人员伤亡和经济损失。并且传统起重机的控制系统主要采用了交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电器、接触器控制，由于这种控制存在着一定的缺点，具体表现如下：桥式起重机工作的环境很差，做任务量大，电动机以及所需串电阻烧损和断裂故障时而发生。继电-接触器控制系统，相比较可靠性差，造作复杂，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，调速变得不太理想。所串电阻长期发热，发热损耗大，效率低。因而为了进一步提高工作效率和质量，要实际的解决这些弊端问题，就要彻底的从传统的控制方式改变。其中具有代表性的交流变频调速系统和可编程控制系统获得了广泛的应用。以PLC控制的变频调速技术为桥式起重机系统中提供可非常有力的条件。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行业具有良好的发展前景。1.2本设计的研究意义本论文研究了50/10t*36.5m通用桥式起重机控制系统在启动和调速等方面利用变频调速电气控制改造系统的设计，采用PLC、变频器控制技术对其电气控制系统的硬件结构和软件进行总体优化设计。改造后的系统有效克服了起重机存在的缺陷，运行可靠，具有良好的工业应用前景。要实际的解决这些弊端问题，就要彻底的从传统的控制方式改变。其中具有代表性的交流变频调速系统和可编程控制系统获得了广泛的应用。以PLC控制的变频调速技术为桥式起重机系统中提供可非常有力的条件。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行业具有良好的发展前景。1.3本文桥式起重机的基本参数桥式起重机的起重量为50/10t，跨度为36.5m，小车起升速度为15m/min,大车起升速度为7.5m/min,小车运行速度为45m/min，大车运行速度为75m/min。第2章 桥式起重机的结构及其特点 2.1 桥式起重机的构成桥式起重机是一种重要的物料搬运机械。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。桥式起重机可分为普通桥式起重机简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机3种。 物料搬运成了人类生产活动的重要组成部分，距今已有五千多年的发展历史。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。起重机正经历着一场巨大的变革。大型化和专业化、模块化和组合化、轻型化和多元化、自动化和智能化、成套化和系统化以及新型化和实用化是这场变革的主题。经过几十年的发展，我国桥式起重机行业已经形成了一定的规模，市场竞争也越发激烈。桥式起重机行业在国内需求旺盛和出口快速增长的带动下，依然保持高速发展，产品几近供不应求。尽管我国起重机行业发展迅速，但是国内起重机仍缺乏竞争力。从技术实力看，与欧美日等发达地区相比，中国的技术实力还有一定差距。目前，过内大型起重机尚不具备大量生产能力。从产品结构看，由于技术能力所限，中国起重机在产品结构上也不完善，难以同国外匹敌。但就我国自身技术而言，也取得了一定程度的提升，其具有的类别、特点下文将一一介绍。2.2桥式起重机的基本结构及特点1 拖动系统的组成（1）大车拖动系统：拖动桥式起重机整体沿着车间作横向移动。（2）小车拖动系统：装设在大车上，拖动吊钩及重物沿着桥架作纵向移动。（3）卷扬拖动系统：装设在小车上，拖动重物作提升或下放的升降运行，该系统是桥式起重机中控制最为复杂、操作最为繁琐的机构，也是耗能的主要部分。2电气传动系统的构成桥式起重机的电气传动系统有大车电动机 2 台。小车电动机 1 台,卷扬电动机主钩 1 台,副钩 1 台。实施的技术方案采用 4 台变频器控制 5 台电机,其中卷扬电动机的主钩、副钩及小车电动机分别用一台变频器驱动,大车两台电动机则用一台变频器驱动,实现同步运行,每台变频器配置了能耗制动组件,实现位置势能和制动能量的消耗。系统配置 4 套可编程序控制器构成整个控制系统的中心,配置主令控制器,实现系统运行操作，其系统结构和配置图如下是如下图：图2-1 桥式起重机的基本构成图2-2 桥式起重机的系统设计下面分别对个机构调速进行具体的分析说明。（2） 起升机构起升机构属位能负载机构。主起升和副起升两台电动机各使用一个变频器，变频器的选择，应选择变频器的额定电流为基准值，一般以电动机的额定电流，负载率、变频器的运行效率为依据。控制方式选择带PG的矢量控制方式。PLC接受电动机的旋转码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的掉滑。（3） 运行机构大车运行机构中的两台电机共用一台变频器，考虑到运行机构的工作频率较为相近，为节省成本，在调速中选择一台变频器。控制方式选择PG控制反馈系统的V/f的变频控制方式。3 桥式起重机拖动系统特点桥式起重机无论大车、小车或卷扬的拖动系统，它们都有一个共同的特点，即负载转矩的大小在拖动过程中与转数基本无关，就是说，桥式起重机的各部分拖动系统，在调速过程中具有“恒转矩”的特点。2.3桥式起重机的分类及特点桥式起重机主要包括通用桥式起重机和电动葫芦型桥式起重机两大部分，主要分类如下： 图2-3 主要分类构成其各自具体分类具有的特点如下：1. 通用桥式起重机主要包含抓斗桥式起重机、电磁式桥式起重机、通用吊钩桥式起重机、两用桥式起重机、三用桥式起重机和双小车桥式起重机。（1）抓斗桥式起重机抓斗桥式起重机的装置为抓斗，以钢丝绳分别联系抓斗起升、起升机构、开闭机构。主要用于散货、废旧钢铁、木材等的装卸、吊运作业。这种起重机除了起升闭合机构以外，其结构部件等与通用吊钩桥式起重机相同。（2）电磁桥式起重机电磁桥式起重机的基本构造与吊钩桥式起重机相同，不同的是吊钩上挂1个直流起重电磁铁(又称为电磁吸盘)，用来吊运具有导磁性的黑色金属及其制品。通常是经过设在桥架走台上电动发电机组或装在司机室内的可控硅直流箱将交流电源变为直流电源，然后再通过设在小车架上的专用卷筒，将直流电源用挠性电缆送到起重电磁铁上。（3）通用吊钩桥式起重机通用吊钩桥式起重机由金属结构、大车运行机构、小车运行机构、起升机构、电气控制系统及司机室组成。取物装置为吊钩。额定起重量为10t以下的多为1个起升机构；16t以上的则多为主、副两个起升机构。这类起重机能在多种作业环境中装卸和搬运物料及设备。（4）两用桥式起重机两用桥式起重机有3种类型：抓斗吊钩桥式起重机、电磁吊钩桥式起重机和抓斗电磁桥式起重机。其特点是在一台小车上设有两套各处独立的起升机构，一套为抓斗用，一套为吊钩用(或一套为电磁吸盘用一套为吊钩用，或一套为抓斗用一套为电磁吸盘用)。（5）三用桥式起重机三用桥式起重机是一种多用的起重机。其基本构造与电磁桥式起重机相同。根据需要可以用吊钩吊运重物，也可以在吊钩上挂一个马达抓斗装卸物料，还可以把抓斗卸下来再挂上电磁盘吊运黑色金属，故称为三用桥式(可换)起重机。这种起重机适用于经常变换取物装置的物料场所。（6）双小车桥式起重机这种起重机与吊钩桥式起重机基本相同，只是桥架上装有两台起重量相同的小车。这种机型用于吊运与装卸长形物件。2.电动葫芦型桥式起重机其特点是桥式起重机的起重小车用自行式电动葫芦代替，或者用固定式电动葫芦作起重小车的起升机构，小车运行、大车运行等机构的传动装置也尽量与电动葫芦部件通用化。因此，与上述通用桥式起重机相比，电动葫芦型桥式起重机虽然一般起重量较小、工作速度较慢、工作级别较低，但其自重轻、能耗较小、易采用标准产品电动葫芦配套，对厂房建筑压力负载较小，建筑和使用经济性都较好。因此在中小起重量范围的一般使用场合使用越来越广泛，甚至有替代某些通用桥式起重机的趋势。（1）电动梁式起重机其特点是用自行式电动葫芦替代通用桥式起重机的起重小车，用电动葫芦的运行小车在单根主梁的工字钢下翼缘上运行。跨度小时直接用工字钢作主梁，跨度大时可在主梁工字钢的上面再作水平加强，形成组合断面主梁。其主梁可以是单根主梁(电动单梁式起重机)，也可以是两根主梁(电动双梁式起重机)，其桥架可以是像通用桥式起重机那样通过运行装置直接支撑在高架轨道上，也可以通过运行装置悬挂在房顶下面的架空轨道上(悬挂式)。（2）电动葫芦桥式起重机其特点是固定式电动葫芦装在小车上作起升机构，小车运采用行机构也多采用电动葫芦零部件作成简单的构造形式，小车也极为简便轻巧，其整体高度小，小车及桥架自身轻、重心低、有很广泛的使用适应性。箱形双梁桥式起重机是由一个有两根箱形主梁和两根横向端梁构成的双梁桥架，在桥架上运行起重小车。可起吊和水平搬运各类物体， 它适用于机械加工和装配车间料场等场合。桥架的结构主要有箱形结构，空腹桁架式结构，偏轨空腹箱形结构及箱形单主梁结构等，5-80 吨中小起重量系列的起重机一般采用箱形结构，且为保证起重机稳定，选择箱形双梁结构作为桥架结构。为了操纵和维护的需要，在传动侧走台的下面装有司机室。司机室有敞开式和封闭式两种，一般工作环境的室内采用敞开式的司机室，在露天或高温等恶劣环境中使用封闭式的司机室。箱形双梁桥架具有加工零件少，工艺性好，通用性好等优点。桥架结构应根据其工作类型和使用环境温度等条件，按照有关规定来选 用钢材。桥式起重机一般由装有大车运行机构的桥架、装有起升机构和小车运行机构的起重小车、电气设备、司机室等几个大部分组成。外形像一个两端支撑在平行的两条架空轨道上平移运行的单跨平板桥。起升机构用来垂直升降物品，起重小车用来带着载荷作横向运动；桥架和大车运行机构用来将起重小车和物品作纵向移动，以达到在跨度内和规定高度内组成三维空间里作搬运和装卸货物用。桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨。最基本形式是通用吊钩桥式起重机，其他形式的桥式起重机基本上都是在通用吊钩桥式起重机的基础上派生发展出来的。 2.4桥式起重机的基本参数起重机械的基本参数是用来说明起重机械的性能和规格的一些数据，也是提供设计计算和选择使用起重机械的主要依据。桥式起重机的基本参数主要有额定载荷、跨度、起升高度、工作速度和工作级别等。桥式起重机的额定载荷一般在505000KN之间，我国生产的标准桥式起重机系列有13种，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。桥式起重机的跨度指的是其大梁两轨道中心线的距离，它决定了桥式起重机的工作范围。起升高度指的是吊钩上升到极限位置时，吊钩中心线至地面的垂直距离，一般标准桥式起重机的起升高度在1232m之间。桥式起重机的其他有关参数包括如下几项：额定起重量吊钩所能吊起的最大重量。如使用其它辅助取物装置和吊具（如抓斗、电磁铁、夹钳和盛钢桶等）时，这些装置的自重应包括在额定起重量内。当决定起重机的额定起重量时，应符合标准规定的数值。因为起重量的数值对大多数起重机的自重有决定性的作用，因此在确定时应按照生产实际情况考虑，过小不能满足生产要求，过大会造成基建投资的浪费。起升高度吊钩最低位置到吊钩最高位置之间的垂直距离，此参数在标准中没有规定，可根据工作需要来定。跨度和幅度都是表示起重机工作范围的参数。跨度是指桥式类型起重机大车运行轨道之间的距离；幅度是指旋转起重机的旋转中心线到吊钩中心线之间的水平距离。轨距轨距也称轮距，按下列三种情况定义：对于小车，为小车轨道中心线之间的距离；对于铁路起重机，为运行线路两钢轨头部下内侧16mm处的水平距离；对于臂架型起重机，为轨道中心线或起重机行走轮踏面（或履带）中心线之间的距离。基距基距也称轴距，是指沿纵向运动方向的起重机或小车支承中心线之间的距离。基距的测定与支承轮的布置有关。起重力矩起重力矩是幅度与其相对应的起吊物品重力的乘积。起重倾覆力矩MA起重倾覆力矩，是指起吊物品重力与其至倾覆线距离的乘积。轮压轮压是指一个车轮传递到轨道或地面上的最大垂直载荷。按工况不同，分为工作轮压和非工作轮压。工作速度v(m/min)包括起升、运行、变副和旋转速度，但旋转速度用n(r/min)表示。起升速度起升机构电动机在额定转速下吊钩上升的速度；运行速度运行机构电动机在额定转速下，大车或小车直线运行的速度；变副速度吊钩从最大幅度到最小幅度的平均线速度；旋转速度旋转机构电动机在额定转速下，起重机的转速。生产率Q（t/h）说明起重机装载或吊运物品的工作能力的综合指标。起重机工作级别起重机工作级别是考虑起重量和时间的利用程度以及工作循环次数的工作特性。它是按起重机利用等级（整个设计寿命期内，总的工作循环次数）和载荷状态划分的。或者说，起重机工作级别是表明起重机工作繁重程度的参数，即表明起重机工作在时间方面的繁忙程度和在吊重方面满载程度的参数。自重及外形尺寸这是任何一种机器都应有的技术经济指标，它不仅是说明起重机械性能优劣的数据，而且直接影响基建费用的投资，因此，应十分重视减轻自重和减小外形尺寸。2.5桥式起重机的负荷特点及要求2.5.1 负荷特点桥式起重机的拖动系统负载都属于恒转矩性质，且其起升机构为位能性负载，当起升机构起吊重物下降或者快速加减速运行时，电动机处于再生发电制动状态。需要将电能通过反馈装置反送给电网或消耗在制动电阻上，以防止直流侧的上升电压影响制动效果。2.5.2 控制要求其控制要求需要：（1） 起升机构要求起动转矩大，起动运行平稳。（2） 要有相应的措施，防止起升机构在启停过程中易出现溜钩问题。（3） 起升机构中要有机械制动器。2.6 调速对起重机使用性能的影响之前使用的点动调速系统是指将电动机接通电源，电动机开始启动，但不等于启动结束，就被切断电源，使电动机总是工作在起动状态。交流异步电动机的启动电流远远大于额定电流。起重机用笼型电动机的启动电流是额定电流的46倍。绕线转子电动机转子串电阻的平均启动电流是额定电流的1.61.8倍（最大启动电流可达2.252.5倍）。点动次数多，由于启动电流远大于额定电流，所以电动机温升很快升高，极易损坏电动机绕组。对接触器 、继电器而言，点动次数多就是接电次数多，而且开断的不是正常的工作电流。接触器开断的是电动机的启动电流，继电器断开的是线圈的起动电流。额定电流大，接头的电磨损因通断次数多和开断电流大而加大。所以点动的次数多了,无论对电动机的绕组,还是继电器 、接触器的线圈和触头都是十分不利的,严重影响其使用寿命和机械效率。但是可调速的电气传动控制方案一般会设计成4挡或5挡速度，除低速和高速两挡以外，还有23个中间挡，中间挡可给用户提供更多的速度选择，还能保证机构从抵速到高速的平稳过渡，不致产生大的机械和电流冲击，可提高起重机的实用性能和机械效率，主要体现在以下几个方面：(1） 低速可实现准确到位，高速可保证生产率，妥善处理了准确到位与高生产率的关系了。(2） 减少了点动次数，提高电动机和电器元件的使用寿命，减少了事故率和维修量。(3） 几种调速方案都有这样的设计，就是在停车之前，先进行电制动，待速度降低之后，再进行机械制动，这样制动就很平稳，可减少制动器闸皮的磨损，提高制动器的寿命。(4） 制动平稳，可减少起重机钢结构（特别是大梁）的纵向和横向的震动，提高钢结构的使用寿命;可减少吊运物的上下窜动和左右摆动，避免吊运物与设备间的碰撞，减少事故。由于桥式起重机是现代工业生产中非常重要的大中型设备,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。但是当前大多数企业安装使用的大量中小吨位及少量大吨位的 Q D 型双梁通用桥式起重机的电控系统,都是采用传统的继电 - 接触器及主令凸轮控制器控制大小车的行走,主副钩的提升、下降及调速，起重机工作在断续状态。由于其工作的性质决定了其电控系统操作频繁,通断次数高,负荷的随机性,时重时轻,经常因种种原因而超载,特别是在工作环境差，工作任务重时,电动机以及所串联电阻烧损和断裂事故时有发生。因此其整个系统的故障率为单个部件的几十至几百倍,而且常因控制器或因庞大的继电 - 接触器故障，损坏而使起重机无法正常运行,造成重大的安全事故隐患。另外,其限位保护采用机械式行程开关,因为常受较大的机械冲击而损坏,从而失去限位保护作用,其后果不堪设想。要从根本上解决这些问题,只有彻底改变传统的控制方式。故本设计将采用 PLC 应用于起重机的电控系统中控制变频器,这样能有效的克服和减少以上缺陷,提高起重机控制装置的运行可靠性,大大降低起重机电控方面的维护量,从节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 电动机调速的主要方法电动机最初使用的调速方法有改变极对数调速、换向器电机调速、串级调速、定子调压调速、电磁转差离合器调速等技术，但由于都存在着一定的缺点，随着电力电子技术的进一步发展，出现了变频调速。具体优缺点如下：（1）改变极对数调速优点：无附加转差损耗，效率高； 控制电路简单，易维修，价格低；与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。 缺点：有级调速，不能实现无级平滑的调速。且由于受到电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现23种极对数的有级调速，调速范围相当有限。 （2）换向器电机调速优点： 具有交流同步电动机结构简单和直流电动机良好的调速性能； 低速时用电源电压、高速时用电机反电势自然换流，运行可靠；无附加转差损耗，效率高，适用于高速大容量同步电动机的启动和调速。缺点：过载能力较低，原有电机的容量不能充分发挥。（3）串级调速优点：可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用，效率高 。装置容量与调速范围成正比，适用7095的调速。 缺点：功率因素较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载。 （4）定子调压调速优点：线路简单，装置体积小，价格便宜。 使用、维修方便。缺点： 调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较低； 调速范围比较小；要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，一段适用于55kW以下的异步电动机。（5）电磁转差离合器调速优点：结构简单，控制装置容量小，价值便宜。运行可靠，维修容易。无谐波干扰。 缺点：速度损失大，因为电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步转速的8090。 调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。（6）转子串电阻调速优点：技术要求较低，易于掌握；设备费用低；无电磁谐波干扰。 缺点： 串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速，则维护、保养要求较高；调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率低。调速范围不大。（7）变频调速优点：无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；对于低负载运行时间较长，或起、停较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。 缺点：技术较复杂，价格较高。综上所述，交流电动机最理想的调速方法应该是改变电动机供电电源的频率，这就是变频调速。随着电力电子技术的飞速发展，可编程控制器PLC控制的变频调速系统的出现，并且变频调速的性能指标完全可以达到甚至超过直流电动机调速系统。下面将介绍可编程控制器控制的的变频调速系统。2.8可编程控制的变频调速系统可编程控制的变频调速系统主要是通过可编程控制器PLC控制变频调速系统。变频调速系统是由变频器提供电的电动机带动生产机械运转的系统。描述转速n和转矩T之间的关系n=f（T）称为机械特性。电力拖动系统的稳态工作情况取决于电动机和负载的机械特性。下面将介绍变频调速及可编程控制器的基本原理。2.8.1.变频调速原理 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的，当在定子绕组上接入三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场，它与转子磁场产生一个相对运动，使转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电机转动起来。电机磁场的转速称为同步转速，用n表示： n=60f/p (2-1)式中：n是同步转速，单位为r/min; f为三相交流电源的频率，一般为50Hz； p为磁极对数。当电动机的实际转速与同步转速不同时，称为异步转速。在此转速的情况下运行的电动机称为异步电动机。电机的转速为 n=60f（1-s）/p （2-2）其中s为转差率: s=（n1-n）/n1*100% （2-3）由上式2-1可以看出，对成品电机极对数p是定的，转差率s变化不大，则电机转速n与频率f成正比。因为改变输入电源的频率就可以改变同步电机的转速，进而达到改变异步电动机转速的作用。这就是三相异步电动机的调速原理。变频调速的最大特点是：电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数很高。因而变频调速是一种理想的调速方式。2.8.2 变频调速系统的控制方式三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于变压器的副绕组。当定子绕组接上三相交流电压时，在定子绕组中就有三相电流通过，定子三相电流会产生旋转磁场，其磁感线通过定子和转子铁芯而闭合，旋转磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势E2，而且在定子每相绕组感应中也要感应出电动势E1。设定子和转子的匝数分别为N1，N2。定子每相绕组感应电势E1的幅值为 （2-4）式中：f1为电网的频率； KN1为定子的绕组系数； m为通过每相绕组的磁通最大值，在数值上等于旋转磁场的每相磁通，即=m 在异步电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每相磁通为额定值。原因是在上式（2-4）中，KN1和N1是不变的，但感应电势E1、f1和m是可变的。因而若为保持m为定值，则可采用两种方法一种是在f1变大，大于电动机的额定功率（又称基频）f1N（下标1为“定子”，N为“额定”）。另一种是在基频以上，由此就有两种情况：（1）在基频一下调速如下图2-3所示：图2-4 交流电动机变频基频以下调速机械特性（f1N>f1>f2>f3)如上图2-3为交流电动机基频以下调速的机械特性。保持最大气息磁通量m不变，让频率f1从基频f1N往下调时，必须同时降低E1，使E1/f1保持不变，为常量，但定子的感应电动势不好控制。于是人们想到了基频以上调速，利用的是 U1E1+U (2-5)(2) 基频以上调速由式（2-4）可知，让频率f1从基频f1N往上调，不可能继续保持E1/f1的值不变，因为电压U1不能超出额定电压U1N。这时，只能继续保持电压U1不变，其结果是：使气息磁通最大值m随频率升高而降低，电动机的同步转速升高，最大转矩减小，输出功率基本不变。所以基频以上调速属于弱磁调速，基机械特性如下如2-4所示。图2-5 交流电动机变频基频以上调速机械特性（f1N<f1<f2<f3)由于桥式起重机工作在恒转矩负载的情况下，因而将进一步介绍恒转矩变频调速。2.8.3恒转矩负载变频调速（1）所谓恒转矩负载，即负载的转矩近似为恒量。这里所谓的恒转矩是指：一旦此类负载被电机带动，无论电动机的转速高低，转矩的大小是不变的。由于交流电动机的功率表达式为 （2-6）式中：TL为交流电动机的转矩，单位为N.m； 为交流电动机转子的角速度，单位为rad/s； nL为其对应的电动机的转速，单位为1/s； PL单位为Kw； 角标L表示“负载”的意思。因而由上式（2-6）可知，转速高，电动机消耗的功率大；转速低，电动机消耗的功率小。这绝不是指：无论“怎样轻重的负载”，加到电动机上，负载的转矩都一样。在给定重物的情况下负载功率与转速成正比。对恒转矩负载来说，在构建变频调速系统时，必须注意工作频率范围、调速范围和负载转矩的变化范围能否满足要求，还要注意电动机和变频器的选择。下图2-6和2-7是恒转矩负载的机械特性和功率特性。 图2-6 恒转矩负载的机械特性 图2-7恒转矩负载的功率特性 （2） 调速范围和负载功率的关系电动机轴上的负载转矩TL(负载折算到电动机轴上的转矩)与电动机额定转矩TN的比值，用 表示，即 = （2-7）如上式（2-7）可知变频调速系统的最高和最低工作频率都和负载率有关，所以调速范围也就和负载率有关。由上式可知负载率越小，其可调速的范围就越广。2.8.4变频调速系统的构成要实现变频调速，必须有频率可调的交流电源，但电网却只能提供固定频率的交流电源，因此需要一套变频装置来完成变频的任务。历史上曾出现过旋转式变频机组，但由于其存在许多缺点故障现在很少使用，现在的变频器都是由大功率电子器件构成，相对于旋转机组而言，被称为静止式变频装置，静止式变频装置构成了变频调速系统的中心环节。一个变频调速系统主要由静止式变频装置、交流电机和控制电路三部分组成。 图2-8 变频调速的构成 图2-9 间接变频装置各种结构形式上图1-2包括（1）可控整流器变压、变频器变频，（2）直流斩波器调压、变频器变频，（3）变频器自身变压、变频。 可控整流器变压、变频器变频。该方式的调压和调频分别在两个环节上进行且在控制电路上要协调配合。这种装置结构简单、控制方便，输出环节用由晶闸管组成的六拍逆变器构成，但由于输入环节采用可控整流器，在低压深控时电网端的功率数较低，还将产生较大的谐波成分，一般用于电压变化不太大的场合。直流斩波器调压、变频器变频。该方式采用不可控整流器，保证变频器的电网侧有较高的功率因数，在直流环节上设置直流斩波器完成电压调节。这种调压方法有效的提高了变频器电网侧的功率因数，并能方便灵活的调压，但增加了一个电能变换环节，使主电路和控制电路复杂，该方法仍存在谐波交大的问题。变频器自身变压、变频。该方法采用不可控整流器，通过变频器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的，这种方法称为脉冲宽度调制（PWM）。因该方式采用不可控整流，功率因数较高，且用PWM逆变，谐波可以大大减少。谐波减少的程度取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制，若仍采用普通晶闸管，开关的频率并不能有效的提高，只有采用全控型器件，开关频率才能得以大大提高，可以得到非常逼真的正弦波输出波形，因而又称为正弦波脉宽调制（SPWM）变频器，该变频器将变频和调压的功能集于一身，主电路不用附加其他装置，结构简单，性能良好，已成为当前最有发展前途的一种结构形式。2.9 可编程控制器 2.9.1可编程控制器的定义它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器（Programmable Controler）也称为PLC（Programmable Logic Controler），即可编程逻辑控制器。主要包括CPU，存储器，输入输出，通讯接口及模块，编程器模块和电源六部分。如下图2-9是PLC的内部结构，进行数据和指令的传输。图2-10可编程控制器的内部结构2.9.2可编程序控制器PLC的分类PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。 1按结构形式分类 根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。 （1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。 2按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 （2）中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 3按IO点数分类根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。 (1).小型PLCI/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。如：GE-I型美国通用电气（GE）公司 TI100美国德洲仪器公司 F、F1、F2 日本三菱电气公司 C20 C40 日本立石公司（欧姆龙） S7-200德国西门子公司 EX20 EX40日本东芝公司SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司(2).中型PLI/O点数2562048点；双CPU，用户存储器容量28K 如：S7-300 德国西门子公司SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司SU-5、SU-6 德国西门子公司C-500日本立石公司GE-GE公司 (3). 大型PLCI/O点数> 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量816K 如：S7-400 德国西门子公司 GE-GE公司C-2000 立石公司K3三菱公司等第3章 桥式起重机的调速及各元件选型3.1 桥式起重机调速的主要方法桥式起重机的调速方法主要由转子串电阻调速、定子晶闸管调压调速以及现在主要的变频调速，下面一一介绍其原理。3.1.1 转子串电阻调速1 工作原理在绕线转子异步电动机的转子回路串接对称电阻的机械特性如图5-1。串入调速电阻rf，转子回路总电阻变为r2+rf，机械特性由固有特性1变为人为特性2、机械特性变软。若负载转矩为额定值不变，则运行点由a b，转差率由SN Sf，转速便由n1（1-SN）变为n1（1-Sf）。为使电机得到充分的利用，应使转子电流I2保持额定值I2N不变，根据转子电动势应为转子回路阻抗压降所平衡，转子电流 （3-1） E2S=1时的转子每相感应电动势； x2S=1时的转子绕组每相漏抗； r2转子绕组每相电阻； rf转子回路串入的调速电阻； sf串