塔式起重机所用电机及其选择.docx
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塔式起重机所用电机及其选择
目录
第1章：
绪论1
1.1塔式起重机的分类与结构1
1.2塔式起重机的工作要求2
1.3塔式起重机国内外发展状况3
第2章：
塔式起重机的控制系统5
2.1塔式起重机控制系统的概述5
2.1.1传统的控制方式5
2.1.2采用PLC和变频器控制方式5
2.2塔式起重机控制系统的框图6
第3章：
塔式起重机所用电机及其选择9
3.1塔式起重机所用电机简介9
3.2起升电机的选择9
3.2.1恒转矩负载特性9
3.2.2恒转矩调速特性的控制10
3.2.3电机功率选择10
3.3小车电机的选择10
第4章：
三菱FR-A540变频器及系统构成13
4.1变频器简介13
4.2三菱FR-A540变频器14
4.3变频器外部接线图15
4.4变频器外部设备及其选择17
第5章：
三菱FX2N-48MRPLC及系统构成19
5.1PLC相关简介19
5.2三菱FX2N-48MRPLC及系统构成22
5.2.1三菱FX2N-48MRPLC22
5.2.2PLC输入输出点数分配23
5.3PLC接线图24
5.4PLC梯形图25
5.4.1控制系统的软件设计25
5.4.2三菱SWOPC-FXGP／WIN-C编程软件使用方法26
5.4.3控制系统的PLC程序图28
参考文献：
32
致谢33
第1章绪论
1.1塔式起重机的分类与结构
塔式起重机主要用于建筑及码头等场所，其外型如图1—1所示。
塔式起重机类型较多,若按工作方式分,有固定式和运行式；若按塔身结构划分有上回转式、下回转式、自身附着式三类；若按变幅方式划分,有小车变幅式、动臂变幅式和折臂变幅式三类;若按起重量划分,有轻型、中型与重型三类。
图1-1塔式起重机
1．按塔身结构分类
（1）上回转塔式起重机
上回转塔式起重机的塔身不回转,而是通过支承装置安装在塔顶上的转塔（起重臂、平衡臂及塔帽等组成）旋转。
如上图1-1所示为上回转塔式起重机，它有下列特点:
底部轮廓尺寸小,对建筑场地空间要求较小,不影响建筑材料堆场的使用；由于塔身不转,故回转时转动惯量较小；而且便于改装成附着式起重机，能适用多种形式建筑物的施工需要；但塔身主弦杆的受力特性不好。
（2）下回转塔式起重机
下回转塔式起重机都采用整体拖运、自行架设的方式。
这种塔式起重机拆装易、转场快,多属于中小型塔式起重机。
（3）自身附着式塔式起重机
随着高层和超高层建筑大量增加,上、下回转式的起重机已不能完全满足大高度吊装工作的需要。
因为这两种塔式起重机的塔身过高时,自重太大,安装架设困难,而且一次要安装到最高塔身,给设备的利用率和司机的视野带来不利影响,所以当建筑超过50m时,就要采用自身附着式塔式起重机。
这种起重机的培身依附在建筑物上,随建筑物的升高而沿着层高逐渐爬升。
2．按变幅方式分类
（1）小车变幅式
这类塔式起重机的起重臂固定在水平位置上,变幅是通过起重臂上的运行小车来实现的,它能充分利用幅度,起重小车可以开到靠近塔身的地方,变幅迅速,而且可以带载变幅。
但由于起重臂受较大的弯矩和压缩,所以把起重臂制作得比较笨重,起重高度必须低于起重臂固定工作高度,不能调整仰角。
（2）动臂变幅式
这类塔式起重机的吊钩滑轮组的定滑轮固定在吊臂头部,起重机变幅由改变起重臂的仰角来实现。
这种塔式起重机可以充分发挥起重高度,一般是空载变幅,吊物不能靠近塔身,作业幅度受到限制,有效幅度为最大幅度的70%左右。
（3）折臂变幅式
这类塔式起重机的基本特点是小车变幅式，同时吸收了动臂变幅式的某些优点。
它的吊臂由前后两段（前段吊臂永远保持水平状态,后段可以俯仰摆动）组成，也配有起重小车,构造上与小车变幅式的吊臂、小车相同。
3．按起重重量分类
目前塔式起重机多以重量或力矩来分类。
（1）轻型
起重量为0.3～3t，起重力矩≤400kN•m，一般用于五层以下的民用建筑施工中。
（2）中型
起重量为3～15t，起重力矩60~1200kN•m，一般用于工业建筑和较高层的民用建筑施工中。
（3）重型
起重量为20～40t，起重力矩≥120kN•m，一般用于重型工业厂房，以及高炉、化工塔等设备的吊装工程中。
本毕业设计研究的是上回转、中型塔式起重机。
[1]
1.2塔式起重机的工作要求
1．塔式起重机对安装场地的要求：
（1）选择安装地点，应注意起重机的臂架端部活动范围与别的建筑物及建筑物外围施工设施之间的距离不得小于0.5m。
（2）有架空输电线的场所，起重机的任何部位与输电线的安全距离，应符合表1—2的规定，以避免起重机结构进入输电线的危险区。
（3）两台起重机之间的最小架设距离，应保证处于低位的起重机的臂架端部与另一台起重机的塔身之间至少有2m的距离，处于高位起重机的最低位置的活动部位（如吊钩或平衡重）与低位起重机中处于最高位置的部什之间的垂直距离不得小于2m。
（4）固定式塔机的地基不能太靠近边坡，基础边缘离建筑物基础开挖边缘的距离宜取2m以上，以防止塔机工作时基础塌方或发生倾斜。
在有开挖边缘的地方安装大型起重机，除了按设计要求打基础外，在基础未施工前一定要在靠边缘区打桩，以确保基础下面边缘区的承载能力防止基础受载后整体倾斜。
表1-2距离输电线安全距离
电压（KV）
安全距离
<1
1---15
20---40
60---100
220
沿垂直方向
1.5
3.0
4.0
5.0
6.0
沿水平方向
1.0
1.5
2.0
4.0
6.0
（5）安装场地在放置起重臂全长的窄长范围内应平整，无杂物和障碍物，以便于平衡臂、起重臂等部件在地面组装及吊装。
（6）安装场地不能选在松土止或沉陷不均的地方，其承载能力要求大于15t／m2。
如达不到要求，应采取打桩或地基夯实措施。
（7）轨道式安装的碎石基础，如果敷设在地下建筑物（如暗沟、防空洞等）的上面。
必须采取加固措施。
碎石基础的基面必须按设计要求压实，碎石基础必须平整捣实。
转枕之间应填满碎石。
路基两侧或中间应设排水沟，保证路基没有积水。
轨道基础应由专业人员设计，非专业人员不可随便承担有关设计任务。
2．塔式起重机的整机倾翻和基础设计计算
塔式起重机安装使用中，最主要的要求是防止塔机的整机倾翻，整机倾翻的事故是最大的事故。
塔式起重机安装中首先要进行整机倾翻的验算，从而找出基础的重量或者压重的大小。
根据GB5144的规定和GN／T13752塔式起重机设计规范的要求，对塔式起重机的整机倾翻，要进行无风静载工况、有风动载工况、突然卸载工况、安装工况和暴风袭击下的非工况进行计算，最后根据最危险的倾翻状态，来确定基础的重量或应加的压重。
1.3塔式起重机国内外发展状况
1．我国塔式起重机的发展现状
我国从一九五四年试制出第—台TQ2-6型塔式起重机以来，已有将近50年的历史。
但是，正像中国经济发展的历史进程一样，前30年处于一种缓慢的起步阶段，真正得到快速发展是近20年的事。
改革开放，中国经济的发展，大量建设工程的兴建，给塔式起重机提供了很好的需求市场。
与此相适应，在80年代初期，我国塔式起重机有了行业组织，有了科研计划，组织了标准编制，使产品设计开发有章可循，这也是塔式起重机近20年来迅速发展的重要条件之一。
到现在为止，我国塔式起重机的生产厂已接近400家，年产大大小小的各种塔机已将近1万台，年产值已超过30个亿，从业人员已达10多万人，生产各种规格（以主参数起重力矩划分）已有18种之多，最大的达900tm，最小的为10tm。
这还不包括水利水电工程和其他特种塔机。
现在，我国的建筑用塔式起重机使用已越来越普遍，从普通的多层民用建筑、房地产工程、高层建筑到大型的铁路工程、桥梁工程、电力工程、水利工程等，到处都有塔机的应用。
而这些工程应用中，我国自己生产的塔机已唱了主角，基本能满足国内建筑工程的需要。
而且部分产品已远销国外。
近20年来，市场的需求，有力地促进了技术的进步，通过研究开发、技术创新、引进消化，我们的设计手段和配套件生产能力也有了很大的进步，计算机辅助设计、微电子技术、程控语言控制技术都在塔机上得到了应用。
当然，也不可否认，我国的塔机产品的技术性能、制作质量和品种型号规格，与发达国家产品相比，仍然存在较大的差距，特别是基础零部件的可靠性、电气元件、液压元什、工艺安装、生产设备和检测手段等，差距更大。
这就影响了整机产品的质量和可靠性，增加了事故隐患。
2．国外塔式起重机的发展现状
塔机起源于欧洲，据记载，1900年欧洲颁发了第一项有关建筑用塔机的专利。
1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，第一台原始塔机出现于1912～1914年，1923年制成第一台近代塔机的原型样机，1930年德国开始批量生产塔机，并用于建筑施工。
1941年，有关塔机的第一个标准－德国工业标准DIN8670公布。
该标准规定以起重量（t）和起重幅度（m）乘积的起重力矩表示塔机的起重能力。
德国厂商在起重机大型化发展进程中处于领先地位。
世界市场中150t以上的大吨位起重机多数是由利勃海尔和德马泰克公司提供的。
利渤海尔LTM1800型是目前世界最大的AT产品，起重量800t，安装超起装置后型号变更为LTM11000D型，最大起重量增至1000t.该机售价550万美元。
1998年推出的LTM1500型（起重量500t）售价为540万德国马克。
上述三种机型在行驶状态需拆下吊臂等装置分别进行运输。
第2章：
塔式起重机的控制系统
2.1塔式起重机控制系统的概述
目前国内塔式起重机控制系统绝大多数都是使用继电器-接触器控制方式，功能差、故障率高。
用PLC控制代替继电器-接触器的控制方式及变频调速技术已成为塔机电气控制发展的必然趋势。
2.1.1传统的控制方式
以往塔式起重机控制系统绝大多数都是使用继电器-接触器控制方式，功能差、故障率高。
继电器硬接线控制虽然成本低，但继电器在动作时带有冲击，加上起重机是一种频繁起停的机械设备，使得这种控制系统寿命一般较短，维护投入大；此外，这种控制系统致命的缺点是无法进行数据运算。
大型非标的塔式起重机对电气控制系统的动作精度和可靠性以及塔机运行时的平稳性提出了更高的要求，一般继电器硬接线控制系统难以达到这样的要求。
塔式起重机提升高度大，司机室位置较高、此操纵难度大尤其是起吊时对吊重的快速、准确就位要求高，所以其起升机构调速性能要好。
传统的调速（起升机构）方法较多，有变极多速电机调速机构、能耗制动调速机构、涡流制动调速机构等，这些调速机构都存着调速范围小、速度稳定性差，无法长时间低速下降载荷（大起重量的大型塔吊、低速运行时间都超过20%机构总运行时间），而且可靠性低、维护量大、能耗高。
所谓多速电机就是把定子绕组按不同接法就形成不同极数，从而获得不同的转速。
在中、小型塔机中，常用鼠笼式多速电机，这就是所谓YZTD系列的塔机专用多速异步起重电机。
鼠笼式多速电机，型号、规格已比较多，双速的有4／16、4／12、4／8组合，三速的有4／8／32、4／6／24、2／4／22。
变极调速的鼠笼电机，由于受起动电流的限制，功率在24kW以下比较适用。
功率过高，对电网电压冲击比较大，工作不太稳定。
在中等偏大型塔机中，起重量在8t以上，起升速度在100m／min左右，24kW电机就不够用了，如果还用鼠笼电机变极调速就不太适用，于是就改为绕线式电机变极调速。
因为绕线式电机的转子可以串电阻，降低起动电流，提高起动力矩，减少对电网的冲击，故可以增大功率，现在实际已用到50kW左右。
不管是鼠笼式还是绕线式，其变极方法基本上是定子绕组采用△—Y形接线法。
[2]
2.1.2采用PLC和变频器控制方式
可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等优点。
用PLC控制代替继电器一接触器的控制已成为塔机电控发展的必然趋势。
自1995年以来，国外塔式起重机已正式采用交流变频调速技术。
目前，国内采用变频调速较少，PLC使用软继电器（贮存器）来存贮和传递继电器的状态量0和1实现了继电器动作无冲击化，PLC采用了模块化，结构简单，可靠性大大提高，维护方便；PLC使用梯形图言，编程简单，修改方便；PLC带有A/D模块可以对模拟量输人进行数据处理。
PLC以其体积小、使用寿命长，性能价格比、自动化智能化水平高的特点和优势广泛应用于现代工业控制领域。
故使用变频器配合PLC对塔式起重机进行控制，实现了对起重机的多转速控制，控制系统更加安全、可靠。
变频调速就是利用电动机的同步转速随电机电源频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。
利用半导体功率开关器件如晶闸管、电力晶体管等变频装置构成变频电源对异步电动机进行调速已得到广泛采用。
在第四章中可以知道，同步转速随电源频率线性地变化，改变频率时的机械特性是一组平行的曲线，类似于直流电机电枢调压调速特性。
因此，从性能上来讲，变频调速是交流电机最理想的调速方法。
2.2塔式起重机控制系统的框图
塔式起重机的电路系统，由动力电路和控制电路两大部分组成，这和其它电力拖动系统差不多。
但塔机的工作环境、工作条件和需要完成的任务，决定它与别的电力拖动系统又不一样。
塔式起重机对电气系统的要求具有如下一些特点：
（1）塔机作业是高空作业，危险性大，安全要求高。
这就决定塔机电气系统的元件，可靠性要高。
如果故障率过高，关键时刻操作失灵的机会增加，容易发生事故。
（2）塔式起重机作业范围大，调速范围宽，高速与低速比值可以达到十几倍，这就给交流调速提出了较高的要求。
塔机电控，很大一部分精力就用在交流调速上。
（3）塔机回转机构、行走机构，都是惯性力特大的拖动机构，既要平稳起动，又不能快速制动。
它的拖动特性要软，变速要柔和，这也给电气系统提出特殊要求。
本系统将塔式起重机控制系统由继电器控制改为PLC控制，四大机构调速均采用变频调速.塔式起重机控制系统的系统总框图如图2--1所示
塔式起重机运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳；机构的电气制动方式必须着重考虑.对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式.在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作塔式起重机的需要为主.为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以通过设定机械制动器的打开时间、变频器的最低运行频率、运行电流之间的关系，以满足机构负载特性的要求.变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能。
图2-1塔式起重机控制系统框图
塔式起重机的起升、回转、小车行走电动机都需要独立运行，整个系统由3台电动机和3台变频器传动，使用一台PLC加以控制。
[3]
第3章：
塔式起重机所用电机及其选择
3.1塔式起重机所用电机简介
在塔机起升机构众多部件中，电机是非常重要的部件，特别是起升机构的驱动电机、电气性和可靠性已经成为塔机性能的重要组成部分。
电机是机械设备的主要执行元件，在系统中的作用非常重要，良好的电气性能，会改善机械系统的性能，提高系统可靠性，降低制造成本、维护保养成本。
塔机最常用的工作荷重是最大吊重的1／4～1／3，最大荷重很少应用。
这就需要根据具体情况确定其变幅速度，关键在于充分发挥变频调速器的恒转矩特性，以满足最大起重量的要求。
采用变频调速器还要充分发挥其恒功率特性，提高运行速度以提高工作效率。
选择电机时必须确定以下几个参数。
（1）基本速度
塔机最大荷重时，变幅小车在臂架上运行产生的振动较大，速度不宜过快，一般采用低速或中速，电机在恒转矩条件下应满足这一要求。
因此可把最大阻力时（其中包含风载阻力）变幅小车运行速度定为基本速度。
（2）最大速度
臂端所允许运行的荷重值，其工作概率最高，且运行距离最长，此时变幅小车应能达到运行的最大速度。
电机在恒功率条件下应满足这一要求，以提高工作效率。
（3）就位速度
为了把重物平稳准确地放在预定位置，变幅机构通常要设定一个就位慢速。
传统控制中多速电机是由其最低速度确定的，绕线电机和力矩电机视重物的大小而确定，采用变频器可以更加灵活地设定一个实用的就位速度。
3.2起升电机的选择
3.2.1恒转矩负载特性
起升电机的负载表现为位能性负载，属于恒转矩负载，其负载特性为T=f（n），负载转矩TL与转速n无关，任何转速下总保持恒定或基本恒定。
因为具有位能性负载的特性，其起升电机通常工作在额定转速之下，故采用恒转矩控制方式。
变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。
如果需要在低速下稳速运行，应该考虑电机的散热能力，避免电机的温升过高。
3.2.2恒转矩调速特性的控制
恒转矩调速：
在改变频率的调速过程中保持电机的输出转矩不变。
异步电机的转速公式：
n=60f1（1-s）/p（3-1）
当转差率s变化不大时，n近似正比于频率f1，可见改变电源频率就可改变异步电机的转速。
3.2.3电机功率选择
（1）已知条件：
额定起重总重量F，提升速度v，起升机构机械效率η，电机功率PN应按下式计算：
PN=（v×F）/η×103（3-2）
式中：
PN——电机功率，kW；
F——额定起重量（最小幅度时）+吊钩重量+钢丝绳重量，N；v——提升速度，m／s；η——机械效率。
（2）已知条件：
nN电机额定转速，TN最大起重力矩，电机功率应按下式计算：
PN=2π×nN×Tn/60×103（3-3）
3.3小车电机的选择
塔机小车变幅机构确定电机功率的阻力计算，是以最大荷重时的最大运行速度值为准的。
塔机变幅小车运行阻力F，主要有摩擦阻力Fm、坡道阻力Fp、起升绳阻力Fq和风阻力Fw。
1．各种阻力的计算
（1）摩擦阻力：
Fm=（Q+G）w（3-4）
式中W——摩擦阻力系数：
Q——起升载荷，N：
G——变幅小车自重载荷，N。
（2）坡道阻力：
Fp=（Q+G）i（3-5）
式中：
i——坡道阻力系数。
起升绳阻力：
Fq=QKl式中Kl为轮系综合系数
风阻力：
Fw=ACq=（AQ+AG）Cq（3-5）
式中：
C——风力系数；A——迎风面积，A=AQ+AG；AG——起升载荷迎风面积：
AQ——变幅小车迎风面积；q——风压。
综合以上分析，可以得出变幅机构运行阻力的公式：
F=（Q+G）（w+i）+QKl+ACq（3-6）
2．电机功率的计算
为准确计算电机的功率，在阻力分析和阻力分类的基础上，把单位荷重在单位速度下需要的功率称为荷重功率系数Pq，即当荷重Q=1t、速度=lm／min时所需要的电机功率。
把变幅小车在单位速度条件下需要的功率称为设备功率系数Pg，即当v=lm／min时变幅小车自重载荷所需要的电机功率。
根据设备功率系数Pg和荷重功率系数Pq，可以认为变幅机构运行时，设备消耗的功率约等于PgV；荷重所需的功率约等于QPqV。
，可以得出变幅机构所需电机功率的计算公式:
P=PgV+QPqV=（Pg+QPqQ）V（3-7）
以F0／23B塔机应用的变幅机构为例，该机构使用时最大起重量是10t，变幅小车约1t，最大运行速度是60m／min。
在起重量10t时荷重与变幅小车所需的功率比是10：
1，分析如下。
运行速度60m／min时，电机功率4．4kW，荷重和小车克服阻力的运行功率，分别是4.0kw和0.4kW。
运行速度30m／min时，电机功率2．2kW，荷重与变幅小车所需的功率分别是2.0kw和0.2kw。
从上述荷重运行的功率，可以计算出变幅机构的荷重功率系数为
PQ=0.00667kW／[t·（m／min）]
从上述小车克服阻力的功率，可以计算出变幅机构的设备功率系数为
PG=0.00667kW／[t·（m／min）][4]
第4章：
三菱FR-A540变频器及系统构成
4.1变频器简介
变频器是把工频电源（50Hz或60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。
对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
变频器中常用的控制方式有:
非智能控制方式和智能控制方式。
在交流变频器中使用的非智能控制方式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
智能控制方式主要有神经网络控制、模糊控制、专家系统、学习控制等。
在变频器的控制中采用智能控制方式在具体应用中有一些成功的范例。
随着电力电子技术、微电子技术、计算机网络等高新技术的发展，变频器的控制方式今后将向以下几个方面发展。
（1）数字控制变频器的实现
现在，变频器的控制方式用数字处理器可以实现比较复杂的运算，变频器数字化将是一个重要的发展方向，目前进行变频器数字化主要采用单片机MCS51或80C196MC等，辅助以SLE4520或EPLD液晶显示器等来实现更加完善的控制性能。
（2）多种控制方式的结合
单一的控制方式有着各自的优缺点，并没有“万能”的控制方式，在有些控制场合，需要将一些控制方式结合起来，例如将学习控制与神经网络控制相结合，自适应控制与模糊控制相结合，直接转矩控制与神经网络控制相结合，或者称之为“混合控制”，这样取长补短，控制效果将会更好。
（3）远程控制的实现
计算机网络的发展，使“天涯若咫尺”，依靠计算机网络对变频器进行远程控制也是一个发展方向。
通过RS485接口及一些网络协议对变频器进行远程控制，这样在有些不适合于人类进行现场操作的场合，也可以很容易的实现控制目标。
（4）绿色变频器
随着可持续发展战略的提出，对于环境的保护越来越受到人们的重视。
变频器产生的高次谐波对电网会带来污染，降低变频器工作时的噪声以及增强其工作的可靠性、安全性等等这些问题，都试图通过采取合适的控制方式来解决，设计出绿色变频器。
变频器的选择要依据所带负载的类别来区分：
（1）风机、泵类，低速下负载转矩较小，通常可以选择普通功能型。
（2）恒转矩类负载，例如挤压机；搅拌机；传送带；厂内运输电车、吊车的平移机构；吊车的提升机构和提升机等，则有两种情况。
采用普通功能型变频器的例子不少，为了实现恒转矩调速，常采用加大电动机和变频器的容量的办法，以提高低速转矩；如果采用具有转矩控制功能的高功能型变额器实现恒转矩负载的调速运行，则是比较理想的。
因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕冲击负载，具有挖土机特性。
从目前看，这种变频器的性能价格比还是相当今人满意的。
（3）恒转矩负载下的传动电动机，如果采用通用标准电动机，则要考虑低速下的强迫通风冷却。
新设备投产，可以考虑专为变频调速设汁的加强的绝缘等级并考虑了低速强迫通风的电动机。
（4）轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类对动态性能要求较高的生产机械，原来多采用直流传动方式。
目前，矢量控制型变额器已经通用化，加之笼型异步电动机具有坚固耐用、不用维护、价格便宜
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