0923144-仲从宇-基于PLC的起重机控制系统的设计 (4)

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在60%以下，负载多为大惯量系统。严格意义上的变频电机转动惯量较小，响应较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。普通电机与变频电机在不连续工作状态下特性基本一致;在连续工作时考虑到冷却效果限制了普通电机转矩应用值，普通电机仅在连续工作时的变频驱动特性比变频电机稍差。 3.3.4 计算及电机的选取

通过对参考文献和网上的查阅，得到有关本设计所需数据如下： 小车车轮直径：Φ315mm 大车车轮直径：Φ630mm 起重机总重：28.6T 小车自重：7.6T

吊钩自重：500kg 小车运行摩擦阻力系数?=0.0085 大车运行摩擦阻力系数?=0.007 A. 主起升机构： （1）初选电动机

05 GQ??Q?G0??g??20000?500??9.81N?22011N (3.1)

vq?7.5m/min?0.125m/s Pj?GQvq1000??201105?0.125KW?29.57KW (3.2)

1000?0.85根据电动机样本，选用YZR225M-8电动机，当S3，JC?25%时，电动机允许功率为26KW。

（2）电动机的过载校验

按电动机转矩允许的过载系数?M?2.8，对绕线式转子电动机，H=2.1

GQvqH2.1201105?0.125PN????KW?22.18KWm?M1000?1?2.81000?0.85 (3.3)

根据规定,JC?25%，CZ=150,此时PN?24.096KW，即22.18KW<24.096KW 所以电动机校验通过。 B. 副起升机构： （1）初选电动机

GQ??Q?G0??g??5000?250??9.81N?51502.5N (3.4)

vq?15m/min?0.25m/s ??0.85

Pj?GQvq1000??51502.5?0.25KW?15.1KW (3.5)

1000?0.85根据电动机样本，选用YZR180L-8电机，当S3，JC?25%时，电动机允许功率为13KW。 （2）电动机的过载校验

GQvqH2.151502.5?0.25PN????KW?11.33KW (3.6)

m?M1000?1?2.81000?0.85根据规定,JC?25%，CZ=150,此时PN?12.160KW，即11.33KW<12.160KW 所以电动机校验通过。 C. 大车运行机构：

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基于PLC的起重机控制系统的设计

(1) 运行静阻力，大车运行部分总质量：

GG???Q?G??g??25000?28600??9.81N?525816N (3.7)

因为室内运行，风阻力G?1?0，坡度阻力G??0，运行摩擦阻力系数?=0.007

GZ?G1?GG???525816?0.007N?3680.7N (3.8)

(2) 运行静功率： vy?75m/min=1.25m/s

大车运行机构总效率??0.95

P1?Gzvy1000??3680.7?1.25KW?4.84KW (3.9)

1000?0.95(3) 运行加速功率 取??0.2m/s2,ts?6.25s

P??21.15GG?vy1000gts1.15?525818?1.252?KW?15.41KW (3.10)

1000?9.81?6.25(4) 初选电动机

PN?1m?M?P1?P???1??4.84?15.41??6KW (3.11) 2?1.7根据电动机样本，选用两台YZR160M1-6电动机，当JC?25%，PN?6.3KW (5) 电动机发热校验

根据《起重机设计规范》，该大车运行机构的接电持续率JC?25%，CZ=600，稳态负载平均系数G=0.9，所以，

P2?GGzvy1000??0.9?3680.7?1.25KW?4.36KW (3.12)

1000?0.95根据《桥式起重机设计手册》知，当JC?25%，CZ=600时，PN?4.629KW， 即4.36KW<4.629KW,所以电动机发热校验通过。 D. 小车运行机构：

（1） 运行静阻力，小车运行部分总质量：

GG???Q?G??g??25000?7600??9.81N?319806N （3.13）

因为室内运行，风阻力G?1?0，坡度阻力G??0，运行摩擦阻力系数?=0.0085则

GZ?G1?GG???319806?0.0085N?2718.35N （3.14）

（2） 运行静功率：

vy?45m/min=0.75m/s

小车运行机构总效率??0.85

P1?Gzvy1000??2718.35?0.75KW?2.4KW （3.15）

1000?0.85（3） 运行加速功率 取??0.15m/s2,ts?5s P??21.15GG?vy1000gts1.15?319806?0.752?KW?4.2KW （3.16）

1000?9.81?59

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（4） 初选电动机 PN?1m?M?P1?P???1 ??2.4?4.2?KW?5.9KW （3.17）

1?1.7根据电动机样本，选用两台YZR132M2-6电动机，当JC?25%，PN?4

（5） 电动机发热校验 根据《起重机设计规范》，该小车运行机构的接电持续率

JC?25%，CZ=300，稳态负载平均系数G=0.8，所以，

Gzvy1000?2718.35?0.75 KW?1.92KW （3.18）

1000?0.85 P2?G?0.8?根据《桥式起重机设计手册》知，当JC?25%，CZ=300时，PN?3.598KW， 即1.92KW<3.598KW,所以电动机发热校验通过。

通过利用上述公式的计算，选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表3-2所示:

表3-2 各执行机构电机参数

主起升机构 副起升机构 大车运行机构 小车运行机构

电机型号 YZR225M-8 YZR180L-8 YZR160M1-6 YZR132M2-6

电机功率/电流 26KW/55A 13KW/29.1A 2*6.3KW/16.4A 4KW/9.7A

3.4 变频器

3.4.1 变频器选型

本系统选用的是西门子变频器，西门子变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户进行合理选用。 3.4.2 变频器的主电路

这里讨论的是电压源型，交-直-交变频器主电路的基本结构如图3.3所示。

图3.3 变频器主电路

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基于PLC的起重机控制系统的设计

A. 交－直变换部分

（1） VD1～VD6部分，将交流变换为直流。

（2） 滤波电容器CF作用是当负载变化时，使直流电压保持平衡。

因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 （3） 限流电阻RL和开关SL

RL作用：变频器合上的瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。

SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。

（4） 电源指示HL：当变频器通电后起指示作用，还能够提示当变频器断电后变频器中是否有电。 B. 能耗电路部分

（1） 制动电阻RB 变频器的频率下降时，电容CF会存储电能，使得直流电压不断上升。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。

（2） 制动单元VB 由晶体管及其驱动电路构成。作用是为放电电流IB流经RB提供通路。

C. 直－交变换部分 （1） 逆变管V1～V6

组成逆变桥，把VD1～VD6整流的直流电再逆变成交流电。 （2） 续流二极管VD7～VD12

① 频率下降，电机会处于再生制动状态，再生电流通过VD7～VD12整流后返回给直流电路；

② V1～V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7～VD12提供通路。 3.4.3 变频器的控制电路

给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.4所示，控制电路由以下电路组成 ：

（1） 频率、电压的运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2） 电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3） 驱动电路：为驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4） I/0输入输出电路：为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入（比如运行、多段速度运行等）信号，还有各种内部参数的输出（比如电流、频率、保护动作驱动等）信号。

（5） 速度检测电路：以装在异步电动轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

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（6） 保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

图3.4 变频器的控制电路

3.4.4 变频器选择及电流验证 A. 起升机构

起升机构的平均起动转距一般是额定力矩值的1.3-1.6倍。考虑到电源电压的波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距一般是1.8-2倍的负载力矩值，保证其安全使用。等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%的力矩值。

CgvKK?P?P?cos?1000??cos?MM (3.19)

式中cos?—电机的功率因数，cos?= 0.75

1.5PCN? P—起升额定负载所需功率，kw ?M—电机效率，?M =0. 85

PCN—变频器容量，KVA

K—系数，K=2

起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下:

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