桥式起重机的变频调速大学生1 学位论文.docx
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桥式起重机的变频调速大学生1学位论文
毕业设计（论文）
论文题目：
桥式起重机的变频调速
系部：
电气工程系
专业：
电机与电器
班级：
2013级01班
学生姓名：
学号：
指导教师：
2016年05月06号
摘要
桥式起重机作为物料搬运系统中的一种典型设备，在工业生产中应用广泛，作用显著。
因此对于提高桥式起重机的运行效率，确保运行的安全可靠性，降低物料搬运成本是十分必要的。
本文根据桥式起重机大车运行的特点，采用分散驱动，结合变频调速技术，完成了桥式起重机固定三段频率的调速。
将PLC作为逻辑控制器，并且为其设计了梯形图，将凸轮控制器的信号作为PLC的输入信号，PLC的输出接中间继电器线圈，通过继电器的触点控制变频器的数字输入口实现与变频器相连的两台电动机的变频调速。
为了方便控制和应急处理，设计了起动、停止、故障复位和急停按钮。
同时可以将电动机铭牌相关参数输入到变频器，运用变频器的保护功能保护电路。
通过本设计可以控制电动机的起动、停止、运行方向、速度换挡和故障复位。
从而减少了传统继电—接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，极大提高了系统的稳定性和可靠性。
关键词：
桥式起重机，凸轮控制器，可编程序控制器，变频调速
ABSTRACT
Bridgecraneasamaterialhandlingsystemofakindoftypicalequipment,iswidelyusedinindustrialproduction,significantrole.Thereforetoimprovetheoperatingefficiencyofthebridgecranetoensurethesafetyandreliabilityofoperation,reducematerialhandlingcostsisverynecessary.
Theaccordingtothecharacteristicsofthecraneoperation,adoptingthedrivingofdisperse,combiningwiththetechnologyoffrequencyconversion,completedthebridgecranefixedfrequencyspeedcontrol.ThePLCaslogiccontroller,andthedesignoftheladderdiagram,thecamcontrollersignalastheinputsignalofthePLC,thePLCoutputconnectedtoanintermediaterelaycoil,throughthecontactsoftherelaycontrolofthedigitalconverterinputportandinverterconnectedtwomotorvariablefrequencyspeedregulation.Inordertofacilitatecontrolandemergencytreatment,thedesignofthestarting,stop,resetthefaultandemergencystopbutton.Atthesametimethemotornameplateparametersinputtotheinverter,Usinginverterprotectioncircuitprotection.Throughthisdesigncancontrolthemotor
starting,stop,runningdirection,shiftspeedandfaultreset.Thusreducingthetraditionalrelay-contacttypecontrolsystemofintermediatelinks,reducingthehardwareandcontrolline,greatlyimprovingthestabilityandreliabilityofthesystem.
Keywords:
bridgecranecamcontrollerprogrammablecontrollervariablefrequencyspeedregulation
目录
摘要I
目录III
第一章绪论1
1.1桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况1
1.2传统桥式起重机控制系统存在的问题2
1.3本课题的研究意义及主要内容2
1.4本章小结3
第二章变频调速的原理4
2.1交流异步电动机变频调速原理4
2.2变频调速系统的控制方式4
2.3变频器的基本结构5
2.4本章小结9
第三章MM440与S7-2009
3.1MM440变频器9
3.2PLC系统组成与各部分的作用10
3.3变频器和PLC的关系13
3.4本章小结13
第四章桥式起重机大车变频调速系统设计15
4.1桥式起重机大车组成及特点15
4.2系统总体设计16
4.3变频器参数设计及PLC的I/O分配18
4.4变频器实现三段调速原理的解释20
4.5PLC程序设计20
4.6电器布置图和电气接线图21
4.7本章小结24
第五章总结与展望25
致谢26
参考文献27
附录.........................................................................................................................28
第一章绪论
1.1、桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况
电气调速控制的方法很多，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。
目前国内外几种常用调速系统配置及其性能:
（1）、交流调速控制系统:
对于起重机械来讲，交流驱动仍是国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，该技术己进入了成熟稳定的发展应用阶段。
法国、英国、德国等大电气公司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。
（2）、变频调速:
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。
1.1传统桥式起重机控制系统存在的问题
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。
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。
由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，所以电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。
1.2、传统桥式起重机控制系统存在的问题
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。
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。
由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，所以电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。
1.3、本课题的研究意义及主要内容
由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕组转子串电阻的方法进行起动和调速，继电—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—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。
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。
由于起重机行业的特殊性，变频调速系统的应用相对滞后。
采用变频调速取代传统的起重机控制系统是近几年才开始应用的新技术。
无论是在起重机老产品还是新产品设计，变频调速都是优选方案。
变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况，对改善起重机的调速性能，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。
相比较发达国家而言，我国的相关技术水平差距较大。
主要技术难度体现在:
起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高；起重机的起重量及运行速度
等技术参数越来越大；起重机的自动化程度越来越高；起重机对管理和通讯的
性能要求越来越严格。
为此，有必要对桥式起重机电控系统的应用研究。
由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果。
1.4、本章小结
本章阐述了传统桥式起重机存在的问题，介绍了电气传动在国内外发展的状况，说明了本课题的研究意义，为课题的研究做铺垫。
第二章变频调速的原理
2.1、交流异步电动机变频调速原理
根据三相异步电动机的转速公式：
（2-1）
式中:
n—异步电动机的转速，单位为r/min;
f—定子的电源频率，单位为Hz;
s—电机的转速滑差率;
p—电机的极对数。
由式（2-1）可知，调节了三相交流的频率，也就调节了同步转速，也就调节了异步电动机转子的转速。
只要平滑地调节三相交流电的频率，就能实现异步电动机的无级调速。
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的数值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数都很高。
可见，变频调速是一种理想的调速方式。
但它需要由特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。
2.2、变频调速系统的控制方式
当三相异步电动机的定子绕组接上三相交流电压时，在定子绕组中就有三相交流电流通过，定子三相电流会产生旋转磁场，其磁感应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中也要感应出电动势E1。
设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2，定子每相绕组感应电动势E1的幅值为：
（2-2）
式中：
—电网的频率；
—定子绕组系数；
—通过每相绕组的磁通最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通
，
=
。
由式（2-2）可知，只要控制好
和
，便可以控制磁通中
不变，因此需要考虑基频以下和基频以上两种情况。
2.2.1、基频以下调速
由式（2-2）可知，要保持
不变，当频率f，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，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压
≈
，则得
/
=常值。
低频时，
和
都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显著，不能再忽略。
这时，可以人为的把电压
抬高一些，以便近似的补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性为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
2.2.2、基频以上调速
由式（2-2）可知，让频率
从基频
往上调时，不可能继续保持
/
的值不变，因电压
不能超过额定电压
。
这时，只能保持电压
不变，其结果是：
使气隙磁通最大值
随频率升高而降低，电动机的同步转速升高，最大转矩减少，输出功率基本不变。
所以，基频以上调速属于弱磁恒功率调速，其机械特性如图2.2所示：
图2.2基频以上调速的机械特性
2.3、变频器的基本结构
变频器的基本结构图如图2.3所示：
图2.3变频器的基本结构图
2.3.1、变频器的主电路
变频器的主电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路三部分组成。
电压型交—直—交变频器主电路的基本结构如图2.4所示：
图2.4电压型交—直—交变频器主电路的基本结构
（1）、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。
直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。
此外，由于电动机制动的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。
（2）、逆变电路：
逆变电路是变频器主要的部分之一。
它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。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动还是发电制动状态，变频器功率因素总不会为1。
因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。
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。
2.3.2、变频器的控制电路构成
变频器的控制电路包括主控制电路、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。
2.3.3、控制算法
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。
PWM控制利用了采样控制理论中的一个重要结论:
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。
冲量即指窄脉冲的面积。
这里所说的效果相同，指环节的输出响应波形基本相同。
根据这个原理，可以用一系列等幅而不等宽的脉冲来近似正弦被，且脉冲的宽度按正弦规律变化，这种方法称为SPWM。
SPWM各脉冲的宽度和间隔可以准确计算出来，按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的SPWM波形。
但这种计算很繁琐。
较为常用的方法是采用调制的方法，即把正弦波作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制即可得到SPWM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
和正弦调制波的频率
之比即
，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
即是逆变器的输出频率
，改变
便可改变
。
三角载波的幅值为恒定，因而改变正弦调制波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。
根据以上介绍的SPWM逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波形。
但这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。
微机控制技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易。
变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。
它与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节电、容易实现对现有电动机的
调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。
容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行高速驱动。
电机在带动较大负载在启动时，会有较大的冲击电流，采用变频器时，可以实现软启动，减小冲击电流，解决大负载的启动问题。
电源功率因素大，所需容量小，完善的保护功能:
变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别（如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等），并立即封锁输出电压。
这种“自我保护”的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。
2.4、本章小结
本章通过对通用型变频器的原理及各部分电路的分析，我们可以利用变频器的优越特性，让其为三相异步电机供电，协调控制电压和频率，满足我们在工作环境条件差，工作任务大，控制精度要求高的变频调速拖动。
第三章MM440与S7-200
3.1、MM440变频器
MM440是一种集多种功能于一体的变频器，该系列有多个型号，其恒定转矩控制方式的额定功率范围为120W~200KW,可变转矩控制方式的额定功率可达250KW，它适用于电动机需要调速的各种场合。
可通过数字操作面板或通过远程操作器方式，修改其内置参数，即可满足各种调速场合的要求。
MM440的型号有8种：
A~F、FX和GX。
每种变频器的额定功能按字母顺序排列越来越大，另外每种型号都有单相和三相两种输入电压。
3.1.1、MM440的主要特点
（1）、内置多种运行控制方式；
（2）、快速电流限制，实现无跳闸运行；
（3）、内置式制动斩波器，实现直流注入制动；
（4）、具有PID控制功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；
（5）、多组参数设定且可相互切换，变频器可用于控制多个交替工作的生产过程；
（6）、多功能数字、模拟输入∕输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。
3.1.2、MM440的控制方式
MM440主要有以下几种控制方式：
（1）、线性V/f控制：
变频器输出电压与频率为线性关系，用于恒定转矩负载。
（2）、带磁通电流控制（FCC）的线性V/f控制：
在这种模式下，变频器根据电动机特性实时计算所需要的输出电压，以此来保持电动机的磁通处于最佳状态。
此方式可提高电动机效率和改善电动机动态响应特性。
（3）、抛物线V/f控制：
变频器输出电压平方与频率为线性关系，用于变转矩负载。
（4）、特性曲线可编程的V/f控制：
变频器输出电压与频率为分段线性关系，此种控制方式可应用与在某一特定频率下为电动机提供特定的转矩。
（5）、带“能量优化控制（ECO）”的线性V/f控制：
此方法的特点是变频器自动增加或降低电动机电压，搜寻并使电动机运行在损耗最小的工作点。
（6）、有∕无传感器矢量控制：
用固有的滑差补偿对电动机的速度进行控制。
采用这一控制方式时，可以得到大的转矩，改善瞬态响应特性和具有优良的速度稳定性，而且在低频时可提高电动机的转矩。
（7）、有∕无传感器的矢量转矩控制：
变频器可以直接控制电动机的转矩。
当负载要求具有恒定的转矩时，变频器通过改变向电动机输出的电流，使转矩维持在设定的数值。
3.1.3、MM440保护功能
MM440系列变频器所具有的保护功能有：
过电压欠电压保护、变频器过热保护、接地故障保护、短路保护、
电动机过热保护和PTC∕KTY电动机过载保护等。
3.2、PLC系统组成与各部分的作用
可编程序控制器PLC是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。
按结构形式的不同，PLC可分为整体式和组合式。
整体式PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口等组装成一体，构成主机。
另外还有独立的I/O扩展单元与主机配合使用。
主机中，CPU是PLC的核心，I/O单元是连接CPU与现场设备之间的接口电路，通信接口用于PLC与编程器和上位机等外部设备的连接。
组合式PLC将CPU单元、输入单元、输出单元、智能I/O单元、通信单元等分别做成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相连。
装有CPU单元的底板称为CPU底板，其它称为扩展底板。
CPU底板与扩展底板之间通过电缆连接，距离一般不超过10m。
无论哪种结构类型的PLC，都可以根据需要进行配合与组合。
它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。
中央处理单元（CPU）：
中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
它是PLC的运算、控制中心。
它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务:
（1）、接收并存储从编程器输入的用户程序和数据；
（2）、诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程的语法错误；
（3）、用扫描的方式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来；
（4）、PLC进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行，完成用户程序中规定的各种操作；
（5）、
升级会员 