桥式起重机的变频调速系统毕业设计

摘 要

电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机—电机系统。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：常规的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、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，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。

本次设计采用PLC和变频器技术，以PLC控制变频器，即以程序控制取代继电—接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出PLC控制的桥式起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。

关键词：PLC 桥式起重机 矢量控制

目 录

摘 要 ...................................................... 1 绪 论 ...................................................... 3 第1章 桥式起重机介绍 ...................................... 6

1.1 国内外发展概况 ..................................... 6 1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题 ........... 7 第2章 调速系统介绍 ........................................ 9

2.1 电动机的调速指标 ................................... 9 2.2 变频调速的基本原理 ................................ 11 2.3电动机变频调速的机械特性 .......................... 12 第3章 变频器 ............................................. 14

3.1 变频器的分类 ...................................... 14 3.2变频器的主电路 .................................... 15 3.3变频器的控制电路 .................................. 16 3.4脉宽调制型(PWM)变频器 ............................. 16 第4章 可编程序控制器 ..................................... 20

4.1 PLC的应用与发展和系统组成 ........................ 22 4.2 PLC的工作原理、抗干扰分析及设计 .................. 24 第5章 调速控制系统设计和部件选型 ......................... 25

5.1 采用变频调速的基本考虑 ............................ 26 5.3 桥式起重机变频调速控制系统 ........................ 31 第6章 桥式起重机变频调速系统软件设计 ..................... 34

6.1 S7-200PLC网络的通信协议 .......................... 34 6.2 PLC程序设计 ...................................... 35 展 望 ..................................................... 39 参考文献 .................................................. 41

绪 论

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，传统桥式起重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电—接触器控制，在工作环境差，工作任务重时，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电—接触器控制系统可靠性差，操作复杂，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，调速不理想。所串连电阻长期发热，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。

本次设计采用PLC和变频器技术，以PLC控制变频器，即以程序控制取代继电—接触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出PLC控制的桥式起重机的变频调速系统，进而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式起重机在恶劣条件下的工作情况，对改善桥式起重机的调速性能，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。

如果说以第一个晶闸管的出现作为交流电动机变频调速的起点，可以认为它的发展历史己40多年了。而变频调速技术真正高速发展时期，应该是在PWM调制技术的出现和微机控制技术发展之后。特别是最近20年来，随着交流调速技术的应用普及，交流变频调速在化工、火电厂、矿山、油田、机械制造、城市建设、水处理、甚至家电等行业己经全面推广使用，一般主要用于节能及控制。随着变频技术的普及和深入，以及国际、国内电器设备使用的有关标准意识的强化，电力系统行业和用户对变频技术的质量要求也越来越高。变频调速的发展趋势主要围绕下面几个方而展开。

1) 高性能的智能控制变频器

380V系统的低压变频器是国内的主要研究对象，应用交流调速的基本理论，结合神经网络控制、鲁棒控制、模糊控制，或其他智能控制等手段，实现电机运

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行参数的自动辨识，以期达到自适应、自调整的最优控制。

2) 速度传感器研究

从前面所述的各种变频调速的理论可知，一般系统都要用到转速传感器。在实际使用中，由于变频设备和被控电动机有一定的距离，而高精度的转速传感器都要使用专门的电源，被控电动机有的是在户外，运行工况非常恶劣，要保证速度反馈的准确性，有时不得不采取特别措施，因此也会增加额外费用，运行的可靠性和控制精度也会因此受到影响。无速度传感器的变频调速系统，是通过现场采集的电流电压量，以及控制的实施策略，综合出被控电机的实际转速。这种控制方案要求计算机的控制速度较高，并有足够的精度。

3) 针对功率因数提高和谐波污染的研究

低压变频调速系统的控制虽然己经是非常成熟了，但目前国际、国内的产品，一般都是矢量控制和直接转矩控制，重点放在电机变频控制理论的实现和完善上，而对变频器的输出波形、功率因数，以及谐波污染等问题还没有引起足够的重视。最近10多年来，国外在这一领域己有较深入的研究。有的针对功率因数，有的强调输出波形。多重化技术就是为了解决输出波形问题。最近几年的研究表明，利用PWM输出控制解决谐波输出问题，是比较理想的方法，它可以省去多重化中的变压器，或过多的开关元器件，使变频器的体积和重量减少，但这种方法不能解决所有谐波的消除问题，只能部分消除特定谐波。这方面的研究论文还不多，也还没有成熟的类似低压变频器的产品出现。

4) 高压变频器的研究

变频器的主要作用之一是节能。而高压电动机的节能效果是比较明显的，大功率的风机和水泵用电动机一般都是高压电动机。国内，高压变频调速和它的节能控制还是一个比较薄弱的环节.它主要是针对6~10kV的交流电动机进行变频调速控制。这种高压电动机广泛应用于火力发电厂的送风机和引风机上。同样也可用于其他如石油化工、矿山、冶炼、机械制造等行业的变频节能控制。从某种意义上讲，由于目前国内还不能完全生产高质量的合格电力电子器件，而且，国外低压变频器的性能价格比也比国内自己研究的变频器高得多。

随着电力电子技术最近20多年的飞速发展，功率半导体器件的成本逐年下降，技术工艺和性能也得到不断改善.电力电子器件的应用己从传统的直流调速、直流屏、斩波器等领域延伸到交流调速和电力系统的质量控制领域.并正朝着高电压、大功率的方向发展.这也是千年之交和世纪之交我国电力电子技术应用的发展趋势。

5) 无换向器同步电机的变频调速

无换向器电动机也是在20世纪70年代发展起来的新型调速系统。它是一种变频调速同步电动机.也可以认为是一种用半导体电子开关线路代替换向器和电刷作

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