毕业论文基于PLC和变频器的桥式起重机控制系统设计Word格式文档下载.docx
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第一章绪论
1.1桥式起重机简介
桥式起重机在冶金企业及其它行业有着广泛的应用,其作用主要用来实现物体的升降和转运,桥式起重机工作环境恶劣,工作任务重。
它能否正常工作直接影响到生产效率提高和工作任务的完成,甚至关系到人身、设备的安全。
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。
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;
（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0.2-0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。
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，使用维护要求高，故障率高。
我们所研究的桥式起重机是电动双梁桥式起重机，该起重机由起重小车、桥架金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。
机构主要指主起升机构、副起升机构、小车运行机构、大车运行机构。
在电气控制系统中，其供电一般是通过电缆卷筒将电源输送到中心电器上，起重机机为低压供电系统，电气控制部分集中在操作室和电气房内，安全保护装置装在在适当的位置上。
1.2本课题设计的意义、主要内容及基本参数
传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电一接触器控制，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，电动机以及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。
2.继电一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。
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。
本论文研究了变频调速技术在20/5t*19.5m通用桥式起重机中的应用，并且根据原有的控制结构，结合组态软件和PLC技术，提出了一个改进的系统控制结构，并且采用此体系结构实现了桥式起重机变频调速系统。
本课题桥式起重机基本参数:
该机的起重量为20/5吨，其跨度（L）为19.5m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。
第二章矢量控制变频调速
2.1变频调速的基本原理
异步电机的转速公式为:
=（1－）（2.1）
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。
由上式（2.1）可知，如果改变输入电机的电源频率，则可相应改变电机的输出转速。
在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量为额定值不变。
磁通太弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费:
若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。
对于直流电机来说，励磁系统是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持不变是很容易做到的。
在交流异步电机中，磁通是定子和转子合成产生的。
三相异步电动机每相电动势的有效值是:
（2.2）
式中:
—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V;
—定子频率，单位为Hz;
—定子每线绕组串联匝数;
—基波绕组系数;
—美极气隙磁通量，单位为Wb;
由公式可知，只要控制好和便可以控制磁通不变，需要考虑基频（额定频率）
以下和基频以上两种情况;
1．基频以下调速
即采用恒定的电动势。
由上式可知，要保持不变，单频率从额定值向下调节时，必须同时降低然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高时，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E，则得U1/f1=常值。
低频时，U1和读数较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能在忽略。
这时，可以人为的把电压U抬高一些，以便近似的不补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒功率比控制特性为b线（），无补偿的为a线（）。
如图2.1所示:
图2.1恒压频比控制特性
2．基频以上调速
在基频以上调速时，频率f可以从往上增高，但电压u磁通与频率成反比的降低，相当于与直流电机弱磁升速的情况。
把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如图2.2。
如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。
在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上基本上属于“恒功率调速”。
图2.2异步电动机变频调速控制特性
2.2变频器的基本结构和功能
变频器的基本结构见图2.3
图2.3变频器的结构图
变频器的功能是为电动机提供可变频率的电源,实现电动机的无极调速。
变频器具备对电机和变频器本身的完善保护功能,如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等,从而避免备在不正常状态下长时间运行,保护设备不至于损坏。
2.2.1变频器的主电路
电力电子开关器件
电力半导体器件己经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管（GTO），巨型晶体管（GTR），功率MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的功率集成器件（PID）,以智能化功率集成电路（SPIC），高压功率集成电路（HVIC）为代表的功率集成电路（PIC）等三个发展时期。
从晶闸管发展到PID,PIC通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。
在器件的控制模式上，从电流型控制模式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极（栅极）的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。
在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。
整流电路
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。
它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。
整流电路按其控制方式，可以是直流电压源，也可以是直流电流源。
逆变电路
逆变电路是利用六个半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中的主开关元器件的通与断，得到任意频率的三相交流电输出。
它的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。
逆变电路的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。
2.2.2变频器的控制电路构成
包括主控制电路、信号检测电路、门极驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分，是变频器的核心部分。
控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。
控制电路的主要作用是完成对逆变器开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。
随着电力半导体器件和微型计算机控制技术的迅速发展，促进了电力变频技术新的突破性发展，70年代后期发展起来的脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）技术成了现在最常用的变频器功率开关器件的控制策略。
SPWM（SinusoidalPWM）则是较为常用的技术。
其通常是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载被，通过对载波的调制即可得到SAM波形。
通常采用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度线性关系，且左右对称，当它与正弦波调制信号相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于正弦波幅值的脉冲，这正好符合SPWM控制的要求。
三角载波的频率fc,和正弦调制波的频率fr,之比即fc/fr=Nc称为载波比。
用生成的SPWM波控制逆变器开关器件的通断，可得到等幅且脉冲宽度按正弦规律变化的矩形脉冲列输出电压。
正弦调制波的频率fr,即是逆变器的输出频率f1改变fr,便可改变f1三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制彼的幅值就改变了矩形脉冲的面积，由此实现输出电压幅值的改变。
2.3变频调速的控制方式—矢量控制方式
2.3.1矢量控制的基本思想
矢量控制的基本思想是:
将异步电动机的物理模型等效变换成类似直流电动机的模型，再仿照直流电动机去控制它，等效的原则是在不同坐标中产生的磁动势相同。
由电动机原理可知，异步电动机三相定子绕组电流在空间产生一个角速度为ω1的旋转磁场。
若有两个互相垂直的M绕组和T绕组与旋转磁场同步旋转，绕组中分别通以直流电流iM和iT，产生的磁动势可以与三相合成磁动势等效且炳个磁动势有相同的幅值、转速和方向。
又令M绕组的轴线与三相合成旋转磁场方向平行，则iM相当于电动机的励磁电流分量iT，相当于电动机的转矩电流分量，调节iM的大小可以在磁场一定时改变转矩。
由这样绕组组成的电动机其控制原理与直流电动机控制原理相同。
在实际的等效变换中，先将异步电动机在三相静止坐标系下的定子电流iA、iB、ic通过三相/两相变换，等效变换，等效为两相静止坐标系下的交流电流iα、iβ再通过磁场定向的旋转变换，等效为同步旋转坐标系下的直流电流iM、iT。
等效的电动机绕组模型如图2.4所示。
βT
C
ω1Fω1Fω1F
AαM
B
（a）三相交流绕组（b）两相交流绕组（c）旋转的直流绕组
图2.4等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型
通过控制iM、iT大小也就是电流矢量i的幅值和去向去等效的控制三相电流、、瞬时值，从而调节电动机的磁场与转矩达到调速的目的。
2.3.2矢量变换规律
如上所示，通过坐标系的变换，可以得到交流三相绕组的等效绕组，现在的问题是如何求出、、与和iM、iT之间的准确等效关系，也就是按等效原则进行坐标变换，而且要求这些变换都必须是可逆的。
坐标变换电路通常有三类:
即三相/两相变换，直角坐标/极坐标变换和同步旋转坐标/静止两相左标变换。
2.3.2.1三相/两相变换（（3/2变换）
A,B,C三相坐标是以电动机定子三相绕组轴线为轴的静止平面坐标系，现设置一个两相坐标系中的交流分量。
为了保证三相电动机变换成两相电动机后所产生的磁势不变，需要考虑这两种坐标变换的折算因子2/3，根据图2.2,
A
图2.5三相/两相
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