桥式起重机的变频调速系统毕业设计

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论文题目:桥式起重机的变频调速系统设计

系 部： 专 业： 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师：

2012年12月 12日

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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

ABSTRACT

Electric speed control method are many, the dc drive speaking in the s the generator - machine system. From the control resistance hierarchical control, to pay magnetic amplifier control, to the silicon controlled SCR excitation control, to the main loop thyristor is thyristor rectifier power supply system. With the rapid development of electronic technology, integrated module appear, computer, microprocessor application, therefore control from discrete component analog control development to today's digital volume control.

From the ac drive speaking: conventional is often used to wound rotor motor rotor resistance control, in order to meet the weight transfer to a lower level of low speed, generally rely on energy consumption braking, reverse connect braking, and then the eddy current brake, and rely on rotor feedback control braking, reverse connect braking, single-phase brake contracting brake slacken so-called soft brake, with the development of electronic technology, the domestic and foreign development frequency control, PLC programmable controller to control the application of the performance of the system more perfect

This design USES PLC and frequency converter technology, PLC control frequency converter, namely to program control instead of relay, contactor control, control frequency converter to realize frequency control of motor speed, design the PLC control of bridge crane of variable speed control system, then realize the crane half automation control.

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Key Words：Programmable Logic Controller bridge crane vector control

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................. I ABSTRACT ...................................................................................................................... I 绪 论 .................................................................................................................................1 第1章 桥式起重机介绍 .................................................................................................4

1.1 国内外发展概况 ...............................................................................................4 1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题 ...........................................5 第2章 调速系统介绍 .....................................................................................................7

2.1 电动机的调速指标 ...........................................................................................7 2.2 变频调速的基本原理 .......................................................................................8 2.3电动机变频调速的机械特性 ..........................................................................10 第3章 变频器 ...............................................................................................................12

3.1 变频器的分类 .................................................................................................12 3.2变频器的主电路 ..............................................................................................12 3.3变频器的控制电路 ..........................................................................................13 3.4脉宽调制型(PWM)变频器 ................................................................................13 第4章 可编程序控制器 ...............................................................................................18

4.1 概述 .................................................................................................................18 4.2 PLC的应用与发展和系统组成 ......................................................................19 4.3 PLC的工作原理、抗干扰分析及设计 ..........................................................21 第5章 调速控制系统设计和部件选型 .......................................................................22

5.1 概述 .................................................................................................................22 5.2 采用变频调速的基本考虑 .............................................................................23 5.3 桥式起重机变频调速控制系统 .....................................................................27 第6章 桥式起重机变频调速系统软件设计 ...............................................................30

6.1 S7-200PLC网络的通信协议 ..........................................................................30 6.2 PLC程序设计 ..................................................................................................30 展 望 ...............................................................................................................................35 致 谢 ...............................................................................................................................37 参考文献 .........................................................................................................................38 附 录 .............................................................................................................................39

电气图纸 .................................................................................................................39 PLC源程序 ..............................................................................................................41

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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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用的直流电动机。根据采用的控制方式不同.可分为直流无换向器电动机和交流无换向器电动机。直流无换向器电动机采用交-直-交或直-交变频控制系统;交流无换向器电动机采用交-交变频控制系统。近10年来.国内外杂志上有许多相关的研究论文。而且，也有一定的成果出现。

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第1章 桥式起重机介绍

1.1 国内外发展概况

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。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能：

l) DC-300直流驱动调速系统：GE公司DC-300，DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到4000HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。

该驱动系统实施主回路SCR整流，其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量，通过速度环、电流环到SCR移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对磁场弱磁，以实施恒功率控制。

2) 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，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。日本安川电机制作所于1972年就正式定为VS系列，应用于起重机及轧机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦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。

3) 变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国SIEMENS，美国GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。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

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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，这两个分量有会互相影响。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。

适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用，该技术使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机—矢量控制装置实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。

变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦cos???1，即在下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。

1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题

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，因此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。

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

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0.2~0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但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。

由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问题：

1)控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高； 2)在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出；

3)低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻导致机械特性变得很软，低速定位困难；

4)能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重

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第2章 调速系统介绍

调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品的质量。

2.1 电动机的调速指标

1) 调速范围

电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示，即 D?2) 调速方向

调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(基本转速)高还是低。若比基本转速高，称为往上调，比基本转速低，称为往下调。

3) 调速的平滑性

调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从3000r/min一下调节到1500r/min，在又调节到1000 r/min等，两者之间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然就比有级调速好。

平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数，即

??nini?1nmnmaxin?nmax:nmin (2-1)

4) 调速的稳定性

(2-2)

?越接近于1，平滑性越好。无级调速时?=1，平滑性最好。

调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程度，通常用静差率来表示。其定义为：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降n0-n与理想空载转速n0之比，即 s越小，稳定性越好。

静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为

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s?n0?nn0?100% (2-3)

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??dTdn??T?n (2-4)

?越大，转矩变化时，n变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳

定性就越好。静差率还与理想空载转速n的大小有关。例如两条平行的机械特性

0硬度相同，在静差率公式中的n0-n相同，由于n0不同，他们的s就不同，n大的，

0s小，n小的，s就大。

0生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的s太大，则该转速性太差，便难以满足生产机械的要求。

5) 调速时的允许负载

电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速的方法称为恒转矩调速。

不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量时，工件转速高，粗加工大切削时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒功率调速的性能。另一类生产机械，例如起重机、卷扬机等则要求电动机在各种转速下都能输出同样的转矩，因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能。

2.2 变频调速的基本原理

根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为：

n?60fp(1?s)

(2-5)

其中：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。

三相异步电动机的调速方法可分为两大类：一类是通过改变同步转速n0来改变转速n，具体方法有变极调速(改变p)和变频调速(改变

f)；另一类是通过改变

转差率s来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速(改变U1)，转子电路串电阻调速(改变R2)，等等。由上式可知，如果改变输入电机的电源频率f，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?m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

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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?m 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：

E1?4.44f1N1k1?m (2-6) 式中：E1—气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；

f1— 定子频率，单位为Hz； N1—定子每相绕组串联匝数； k1—定子基波绕组系数；

?m—每极气隙磁通量，单位为

Wb；由公式可知，只要控制好E1和f1，便

可以控制磁通中?m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

当电源频率f1在基频以下调速时，电动机转速下降，但在调节电源频率的同时，必须同时调节电动机的定子电压U1，且始终保持U1/f1?常数，否则电动机无

法正常工作。这是因为三相异步电动机定子绕组相电压U1?E1?4.44f1N1?m，当处

f1下降时，若U1不变，则必使电动机每极磁通?m增加，在电动机设计时，?m于磁路磁化曲线的膝部，?m的增加将进入磁化曲线饱和段，使磁路饱和，电动机空载电流剧增，使电动机负载能力变小，而无法正常工作。为此，电动机在基频以下调速时，应使?m恒定不变。所以，在频率下调的同时应使电动机定子相电压随之下调，并使U调速。

2) 基频以上调速

当电源频率f1在基频以上调节时，电动机的定子相电压是不允许在额定相电压以上调节的，否则会危及电动机的绝缘。所以，电源频率上调时，只能维持电动机定子相电压U不变。于是，随着f1升高?m将下降，但n上升，故属于恒功率

1n'1/f1?U1N/f1N?'常数。可见，电动机额基频以下的调速为恒磁通

?CT?mI2Ncos?2不变，属于恒转矩

调速，由于?m不变，调速过程中电磁转矩T调速。

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2-7所示。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”。

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U1?m恒转距调速恒功率调速U1n?mnU1?mo

2.3电动机变频调速的机械特性

图2-7异步电动机变频调速控制特性

f1nf12.3.1 U1/f1 =常数时的变频调速机械特性

下面来分析机械特性中的三个特殊点，并由此来决定机械特性。 同步点：由n1?60f1/p1，则n1Sm?R2/x2?R2/2?f1L2?1/f1?f1，f1下调，n1随之下降。

Tm最大转矩点：由c=常数，

?U1/f122=常数，而临界转差率

常

，临界转速降?nm?Smn1?R2/2?f1L2?60f1/p1?数。因此，在不同频率下，最大转矩保持不变，且对应于最大转矩的转速降也不变。所以其机械特性基本上是平行的。但当变小。

起动转矩点

电动机起动转矩T如图2-8所示：

nnNfN?f1?f2?f3f1下调过低时，因U1也很低，此时定

子电阻R1上的压降I1R1已不能再忽略，而使E1、?m下降更严重，电动机的Tm将

st?CU21R2/f1(R2?x2)?CU2221R2/f1x22所以起动转??1/f1。

矩随频率下降而增加。由此可画出U1/f1=常数时，三相异步电动机变频调速特性

fNn1n2n3f1f2f3oT

图2-8 三相异步电动机U1/f1=常数变频调速机械特性

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2.3.2 U1?U1N的变频调速机械特性

同步点：由n1由Tst则n1?f1，当f1调高时，n1随之上升。最大转矩点：?60f1/p1，

21N?CU321N/f12x2?CU/4?f2L2?1/f12，当

f1调高时，Tm减小。起动转矩点：

T?1/f ，当f1调高时，起动转矩大大减小。此时电动机机械特性如图2-9所示：

1nf3?f2?f1?fNnf3n3n2f21nf1NfNoT

如图2-9 电动机机械特性

st

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第3章 变频器

三相异步电动机变频调速所用的变频电源有两种，一种是变频机组，另一种是静止的变频装置变频器。前者由直流电动机和交流发电动机组成，调节直流电动机转速就能改变交流发电动机的频率，由于变频机组设备庞大，可靠性差。随着现代电力电子技术的飞速发展，静止式变频器已完全取代了早期的旋转变频机组。

3.1 变频器的分类

按变频的原理有交—交变频器和交—直—交变频器。前者是将频率固定的交流电源变换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换频率高，但其连续可调的频率范围较窄，一般在0?f1?f1N/2 ，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。后者是将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的三相电流。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围、变频后电动机特性的改善等方面都具有明显的优势，目前使用最多的变频器均为交—直—交变频器。根据直流环节的储能方式不同，交—直—交变频器又分为电压型和电流型两种。

电压型变频器是指变频器整流后是由电容来滤波，现在使用的交—直—交变频器大部分为电压型变频器。电流型变频器是指变频器整流后是由电感元件来滤波，目前少见。

根据调压方式不同，交—直—交变频器又分成脉幅调制型和脉宽调制型两种。脉幅调制是指变频器输出电压大小是通过改变直流电压大小来实现的，常用PAM表示。这种调压方式很少使用。脉宽调制是指变频器输出电压大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的，常用PWM表示。目前使用最多的占空比按正弦规律变化的正弦脉宽调制，即SPWM方式。

3.2变频器的主电路

变频器的主电路包括整流电路、滤波及限流电路、直流中间电路、逆变电路和能耗制动电路等部分组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两部分，下面简单介绍一下整流电路和逆变电路。 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

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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，属感性负载，无论电动机处于拖动状态还是发电制动状态，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。

3.3变频器的控制电路

变频器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。

3.4脉宽调制型(PWM)变频器

1) 在一般的交直交变频器供电的变压、变频调速中，为获得变频调速所要求的变频与变压的协调控制，整流器必须是可控整流，这样在变频调速时要同时控制整流器和逆变器，这就带来一系列的问题。首先是主电路中有两个可控功率环节，这样使系统比较复杂；第二由于中间环节存在动态元件，使系统的动态响应缓慢；第三由于整流器是可控的，使控电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电源；第四逆变器输出为六拍阶梯波交变电压，在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动转矩，影响电动机的稳定工作，低速时尤为严重。

为解决上述问题，采用脉冲宽度调制(PWM)控制方式。图3-1为PWM逆变器示意图，在该逆变器电路中，同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求。这样，首先使主电路只有一个可控的功率环节，

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简化了结构；第二使用了不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近1；第三逆变器在调节的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；第四可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，大大扩展了拖动系统的调速范围，提高了系统性能。

整流器PWM逆变器M3~CUU/f调U调f

图3-1 PWM逆变器组成

2) 脉宽调制器的基本工作原理

脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值，如图3-2所示。从图中可以看到，脉冲的宽度t1越大，脉冲的间隔t2越小，输出电压的平均值就越大。为了说明t1、t和电压

2平均值之间的关系，我们引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期比值，用?表示，即??t/(t?t)。

112因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化为调节脉冲的宽度，所以称为脉宽调制。图3-2a为调制前的波形，电压周期为TN，图3-2b为调制后的波形，电压周期为T。与a图相比，b图的电压周期增大(也就

X是说频率降低)，电压脉冲的幅值不变，仍为U降低。

ut1DN，而占空比则减小，故平均电压

UDN0t2tTNa)ut1'UDN0t2'TXb)t

a) 调制前的波形 b) 调制后的波形

图3-2 脉宽调制的输出电压

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由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此在一个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值部分，?取大一些，在正弦波到达零处，?取小一些，如图3-3所示。可以看到这种脉宽调制，其占空比是按正弦规律变化的，故这种调制方法叫正弦波脉宽调制，即SPWM。

u0tT

图3-3正弦波脉宽调制的输出电压

SPWM的脉冲系统中，各脉冲的宽度t1和脉冲的间隔t2都是变化的。为了说明其调制原理，见图3-4 PWM逆变器简单原理图，图中V1~V6为绝缘栅双极晶体管，由他们的交替切换来获得交流信号的输出。当V1导通时，在A相负载上得到的电压与V2导通时在A相负载上得到的电压方向相反。因此，V1、V2的轮流导通就可得到A相交流电压的正、负半周。同时，其他管子的导通亦可得到三相交流电的B相和C相。在变频器中，V1、V2的导通、截止是由调制波和载波的交点来决定的。在这里，把希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到期望的PWM波形。

Ud/2V1AV3V5UdBCUd/20'V2V4V6uraurburc调制电路

图3-4 PWM逆变器简单原理图

3) 单极性SPWM

在单极性的调制方式中，调制波为正弦波u载波为单极性的等三角形u，即调

ra1 15

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制波为正半周时，载波为正极性的三角波，调制波为负半周时，载波为负极性的三角波，如图3-5所示(仅画出了正半周)。V1、V2的导通、关断条件可用表3-5表示(以A相为例)。

正半周 正半周 负半周 负半周

ura?ut

ura?ut ura?ut

V1 导通 V1 关断 V2 导通 V2 关断

V2截止 V2截止 V1截止 V1截止

ura?ut

表3-5 单极性SPWM调制规律

a 当 u

urau1uturau'raOwtudaa)uda等效正弦波wtOb)

图3-6 单极性SPWM调制

若降低调制波的幅值，见图3-6中的u'，各段脉冲的宽度将变窄，从而使输出

ra电压的幅值也相应减少。

b 每半个周期内逆变桥同一桥臂的两个逆变管中，只有一个按规律时通时断地工作，另一个则完全截止。而在另一个周期内，两个管子的工作情况正好相反，于是流经负载的电流为正负交替的交变电流了。

由此可见，单极性SPWM逆变器的输出交流电压和频率均可由调制波电压ut来控制。只要改变ut的幅值，就改变了输出电压的大小；而改变ut的频率，输出

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电压的频率也随之改变。由于控制对象只有一个u，所以控制电路相对要简单。

t4) 双极性脉宽调制

若调制波信号ur与载波信号ut均为双极性信号，即在u的半个周期内，三角形载

t波是在正、负两个方向变化的，称为双极性脉宽调制，这种调制方法是目前使用最多的方法。在双极性SPWM方法中，所用的调制信号ur未可变频变幅的三相对称普通正弦波ura、urb、u，其载波信号为双极性三角波ut，如图3-7a所示。现仍以A

rc相为例，说明双极性脉宽调制原理。

a 双极性SPWM调制规律：不分正、负半周，ura>u时，V1导通，V2截止，utAO输出为正，即为u的正脉冲宽度；u

AOratAOuAO的负脉冲宽度，见图

r3-7b同理可画出u、u的输出波形，见图3-7c与图3-7d。

BOCOt b 调制波u和载波u的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双极性的，如图3-7b所示。由于线电压u=u-u，所以线电压的脉冲是单极

ABAOBO性的，如图3-7e所示。c 逆变桥在工作时，同一桥臂的两只管子不停地交替导通、关断而流过负载电流是按现电压规律的交变电流。

uruturauurbturcwta)uAOUd/2wt?Ud/2b)uBOUd/2?Ud/2wtc)uCOUd/2?Ud/2wtd)uAB?uAO?uBOUdwte)

图3-7 双极性SPWM调制波形

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第4章 可编程序控制器

4.1 概述

4.1.1 可编程控制器的产生

随着社会的发展，科技的进步，新的控制器件及其控制系统不断的涌现。1968年美国通用汽车公司(GM)公开招标研制功能更强，使用更方便，价格便宜，可靠性更高的新型控制器。一年后美国数字设备公司(DEC)根据GM公司的招标要求，研制成功世界上第一台可编程序控制器，型号PDP-14，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。这就较好地把继电接触控制简单易懂，使用方便、价格低等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用性好的优点结合起来，并将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想逐步变成为现实。当时人们把第一台可编程控制器叫做可编程序逻辑控制器 PLC，只是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、定时、记数等较少的功能。

20世纪70年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微型计算机应用到可编程控制器中，使得它兼有计算机的一些功能，不但用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为一种电子计算机工业控制设备。

1980年美国电气制造协会简称NEMA)把这种新的控制设备正式命名为可编程程序控制器(Programmable Controller 简称PC)。但为了与个人计算机的专称PC相区别，故常常把可编程序控制器简称为PLC。 4.1.2 可编程序控制器的主要功能

近年来PLC把自动化技术、计算机和通信技术融为一体。它可完成以下主要功能：1) 逻辑控制 2）定时控制 3) 记数控制 4) 步进控制 5) A/D、D/A转换 6) 数据处理 7) 通信与联网 8) 对控制系统监控

可以预料，随着科学技术的不断发展，PLC的功能也会不断拓宽和增强。 4.1.3 PLC的主要优点

1) 编程简单 PLC的基本指令不多；编程器的使用简便；对程序进行增减、修改和运行监视很方便。

2) 可靠性高 PLC是专门为工业控制而设计的，在设计与制造过程中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施。此外，PLC还具有很强的自诊断功能，可以迅速方便地检查判断出故障，缩短检修时间。

3) 通用性好 PLC品种多，档次也多，可由各种组件灵活组合成不同的控制

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系统，以满足不同的控制要求。同一台PLC只能改变软件则可实现控制不同对象或不同的控制要求。在构成不同的PLC的控制系统时，只需在PLC的输入输出端子上接上不同的相应的输入输出信号，PLC就能接收输入信号和输出控制信号。

4) 功能强 PLC具有很强的功能，能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D与D/A转换、数据处理和通信联网等功能。而且 PLC技术发展很快，功能不断增强，应用领域会更广。

5) 使用方便 PLC体积小，重量轻，便于安装。PLC编程简单，编程器使用简便。PLC自诊断能力强，能判断和显示出自身故障，使操作人员检查判断故障方便迅速，而且接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便。修改程序和监视运行状态也容易。

6) 设计、施工和调试周期短 PLC在许多方面是以软件编程来取代硬件接线，用 PLC构成的控制系统比较简单，编程容易，安装使用方便，目前的PLC已商品化，硬件软件较齐全，为模块化积木式结构，不需要很多配套的外围设备和大量的复杂的接线，程序调试修改也很方便。因此可大大缩短PLC控制系统的设计、施工和投产周期。

从上述PLC的功能特点可见，在许多方面可以取代继电接触控制。但是PLC也有其缺点：目前价格还比较高；工作速度比计算机慢；使用中档和高档PLC，要求使用者具有相当的计算机知识；PLC制造厂家和PLC品种类型很多，而指令系统和使用方法不尽相同，这给用户带来不便。

4.2 PLC的应用与发展和系统组成

目前PLC广泛应用于汽车制造、石油、化工、冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制。

我国研制与应用PLC起步较晚，1973年开始研制，1977年开始应用，20世纪80年代初期以前发展较慢，20世纪80年代随着成套设备或专用设备引进了不少 PLC。近几年来国外PLC产品大量进入我国市场，我国已有许多单位在消化吸收引进 PLC技术的基础上，仿制或研制PLC产品。20世纪80年代中后期，我国开发应用PLC技术发展迅速，

目前PLC发展方向主要是朝着小型化、廉价化、标准化、系列化、智能化、高速化、大容量化、网络化方向发展，这将使 PLC功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面更广。

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。

1) 中央处理单元 (CPU)

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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。

2) 存储器

根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下3种：

a 系统程序存储器 b 用户程序存储器 c 工作数据存储器 3) I/O单元

I/O单元也称为I/O模块。PLC通过I/O单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理，将处理结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备的执行元件。

4) 电源部分

PLC一般使用220V的交流电源，内部的开关电源为PLC的中央处理器、存储器等电路提供5V，+12V，+24V的直流电源，使PLC能正常工作，电源部件的位置形式可有多种，对于整体式结构的CPU，通常电源封装到机壳内部：对于模块式PLC，有的采用单独电源模块，有的将电源与CPU封装到一个模块中。

5) 扩展接口

扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC的配置更加灵活以满足不同控制系统的需要。

6) 通信接口

为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC配有多种通信接口。PLC通过这些通信接口可以与监视器、打印机和其他的PLC或计算机相连。

当PLC与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器 (CRT)相连时，可将过程图像显示出来；当与其他PLC相连时，可以组成多机系统或连成网路，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合性控制。

7) 编程器

编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。

编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将体形图转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有LCD或CRT图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕

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对话。还可以利用PC作为编程器，PLC生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，井可以 实现不同编程语言的互相转换。程序被下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在已有些 PLC不再提供编程器，而且提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆。

4.3 PLC的工作原理、抗干扰分析及设计

PLC的CPU采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，PLC采用的是不同于一般微型计算机的运行方式一扫描技术，PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ｍｓ。PLC的扫描工作过程一般分为3个阶段1)．输入采样阶 2)．用户程序执行阶段 3)．输出刷新阶段。完成上述3个阶段称作1个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。

随着科学技术的发展，PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。PLC控制系统的干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源。它主要的干扰有：(1)空间的辐射干扰(2)系统外引线的干扰(3)电源的干扰 (4)信号线引入的干扰 (5) 接地系统混乱时的干扰 (6)来自PLC系统内部的干扰

为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径和提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。

PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。主要抗干扰措施1)采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 2) 电缆选择的敖设 3) 硬件滤波及软件抗干扰措施4) 正确选择接地点，完善接地系统

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第5章 调速控制系统设计和部件选型

5.1 概述

5.1.1 桥式起重机拖动系统的构成

桥式起重机俗称行车，是工矿企业中应用得十分广泛的一种起重机。其运行机构由三个基本独立的拖动系统构成：

1) 大车拖动系统

拖动整台起重机顺着车间作“横向”运动(以操作者的坐标为准)。 2) 小车拖动系统

拖动吊钩及重物顺着桥架作“纵向”运动。 3) 吊钩拖动系统

拖动重物作吊起或放下的上、下运动。 5.1.2 桥式起重机的负荷特点和对拖动系统的要求

1) 负荷特点

各拖动系统负荷转矩TL都与“阻力”FL和回转半径RL的乘积成正比： TL=FLRL (5-1)

在大车和小车拖动系统中，FL是摩擦力，而在吊钩拖动系统中，FL是被吊物和吊钩的重力。

由式5-1可知，负载转矩TL的大小与速度无关，因而具有“恒转矩”的特点。

2) 对拖动系统的要求

大车和小车对拖动系统的要求较为一般，这里重点介绍对吊钩拖动系统的要求。

a 在全调速范围内，电动机的有效转矩线应是恒转矩的；

b 起动时，除上述负载转矩TL外，还必须克服静摩擦力。所以，拖动系统应有足够大的启动转矩；

c 重物下降时，除空钩和极轻负载外，在绝大多数情况下，都是依靠自身的重力而下降的。为了克服重物因重力加速度而不断加速，电动机必须产生足够的制动转矩，使重物在所需转速下平稳下降；

d 重物在空中停住的前后，不能发生“溜钩”。 5.1.3 原拖动系统的主电路

原拖动系统的主电路如图5—2所示，其主要特点是： 1) 选用电动机

大多采用绕线转子异步电动机；

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2) 调速方法

在电动机的转子回路内串入五段外接电阻R1~R5(也有七段或更多)，由接触器KM1 ~KM4 的状态来决定串入电阻的多少，从而调整电动机的转速高低；

3) 制动方法

采用电磁制动器进行机械制动。

M3~KM1KM2R1R2KM3KM4R3R4R5

图5-2 原拖动系统的主电路

5.2 采用变频调速的基本考虑

5.2.1 主拖动系统

1) 电动机选型

a 大车与小车变频调速专用电机 b 吊钩用电动机

由于要求较高，应选用变频专用的笼型转子异步电动机； 2) 制动方法

采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。

a 首先，通过变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车或吊钩迅速而准确地将转速降为0(使它们停住)；

b 对于吊钩，常常需要重物在半空中停留一段时间(如重物在空中平移时)，而变频调速系统虽然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干扰(如在平移过程中常易出现的瞬间断电)，可靠性较差。因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。

5.2.2 对电动机运行状态的分析

大车与小车拖动系统的运行状况与普通负载无异，本节只分析吊钩拖动系统

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的各种运行状态。

1) 空钩(包括极轻负载)运行

由于吊钩的机械系统采用了蜗轮蜗杆减速，具有自锁功能，故空钩时的负载转矩主要由摩擦阻力构成。

a 上升运行

重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果。这时，电动机的旋转方向与转矩方向相同，电动机处于电动状态，其机械特性在第I象限，工作点如图5-3 中的A点(高速)与B点(低速)所示。

b 下降运行

由于蜗轮蜗杆自锁的原因，空钩及轻载时是无法靠自重放钩的，故下降运行只能通过反接电源来实现。电动机的旋转方向仍与转矩方向相同，但方向反了，其机械特性在第3象限，工作点如图5-3中的C点(高速)与D点(低速)所示。

nABA'B'TDCD'C'

图5-3 不同状态下电动机的工作点

2) 重载运行 负载加重时，工作点将右移。 a 上升运行 工作点右移至A'点和B'点。

b 下降运行 工作点右移至第4象限，如图5-3中的C'点(高速)与D'点(低速)所示。这时，由于重力加速度的原因，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是反转(下降)的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，其作用是防止重物不断下降，故重量相同的重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。 5.2.3 变频调速系统的控制要求

桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行；小车的前、后行；吊钩的升、降等。所用这些，都可以通过可编程控制器(PLC)进行无触点控制。

桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱闸之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停住状态下滑的现象，称为溜钩。防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：

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1) 电磁制动器在通电到松开(或从断电到抱闸)之间是需要时间的，约0.6s(视型号和大小而定)。因此，变频器如过早停止输出，将容易溜钩；

2) 变频器必须避免在电磁制动器抱情闸况下输出较高频率，以免发生因“过流”而跳闸的误动作。

为此，具体控制方法如下： 1) 重物停住的控制过程 如图5-4 所示：

fXfBStBB正转制动抱闸要求制动抱闸开始制动抱闸完成ONOFFOFFOFFOFFONONON 图5-4 重物停住的控制过程

a 设定一个“停止起始频率”fBS，当变频器的工作频率下降到fBS 时，变频器将输出一个“频率到达信号”。发出制动电磁铁断电指令；

b 设定一个fBS的维持时间tBB，tBB的长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间；

c 变频器将工作频率下降至0。

2) 重物升降的控制过程

a 设定一个“升降起始频率”fRD，当变频器的工作频率上升到fRD时，将暂停上升。为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已能控制重物的升降到不会溜钩，所以，在工作频率达fRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需时间tRC；

b 当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令”，使制动电磁铁开始通电；

c 设定一个fRD的维持时间 tRD，tRD 的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；

d 变频器将工作频率上升至所需频率。 上述过程如图5-5所示：

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fXfRDtRCtRD正转输出电流制动释放要求制动释放开始制动释放完成OFFOFFOFFOFFONONONON

图5-5 重物升降的控制过程

3) 变频器的零速全转矩功能和直流强励磁功能

为了有效地防止溜钩，某些新型变频器设置了一些独特的制动功能，如： a 零速全转矩功能

变频器可以在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩，且不需要速度反馈装置。这一功能保证了吊钩由升降状态降速为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。

b 启动前的直流强励磁功能

变频器可以在启动前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩(可达额定转矩的200%)维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。

5.2.4 桥式起重机采用变频调速的优点

1) 工作可靠性显著提高 主要有以下几个方面： a 消除了电动机的薄弱环节

由于用笼型转子异步电动机取代了绕线转子异步电动机，从而消除了电刷和滑环等薄弱环节。

b 制动电磁铁的寿命可大大延长

原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状下进行抱闸，闸皮的磨损情况将大为改善；

c 操作手柄不再易损

原系统的操作手柄因受力较大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将很小，不易损坏；

d 控制系统的故障率大为下降

原系统是十分复杂的接触继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速系统后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。

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2) 节能效果十分可观

绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内将消耗大量电能。采用了变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在吊钩放下重物时，还可以将重物释放的位能反馈给电源。

3) 调速质量明显提高

采用了变频调速系统后，调速比可达1：50以上，调速精度达?1%。且调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。

4) 可简化传动链

由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单，设计标准化。

5.3 桥式起重机变频调速控制系统

本次设计是为10t 桥式起重机设计一套变频调速系统， 在设计中，其大、小车运行机构及提升机构均采用变频调速，并应用可编程序控制器(PLC)进行信号协调和逻辑控制。系统结构如图5-6所示：

图5-6 系统结构

5.3.1 主要技术规格

1) 起重量 10t ； 2) 起升速度 1.8/0.18m/min ；

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3) 运行速度 23.5/4m/min；

5.3.2 对调速系统的主要技术要求

1) 起升机构的调速比为1:10；大车运行机构的调速比为1:6；小车运行机构的调速比为1:4。

2) 系统在整个调速范围内，从空载到满载，必须做到工作正常、运行平稳。各机构正、反向工作的转换时间应小于2s 。

3) 起升机构在不同负载下，各档转速在切换时无冲击现象；额定载荷时各档次切换时的溜钩距离不得超过额定上升速度的1/65。

4) 起升机构应保证能起吊1.25倍额定载荷的重物，能在空中停住，且不溜钩。 5) 从全速运行到完全停住的制动时间：起升机构不大于2s；大车不大于3s；小车不大于2s。 5.3.3 系统配置及选型

1) 电动机的选型

提升机构则选用YTP系列变频调速专用电机，其主要特点如下：

a 对定、转子槽形和定子绕组的分布作了特殊考虑可抑制高次谐波的影响。 b 电磁负荷设计考虑了一定的裕度，既能保证电机在高频时的过载能力，又能在低频时有恒转矩的输出。

c 使用F级绝缘系统，在高次谐波作用下仍可保证可靠绝缘。

d 采用独特的冷却结构，使用单独的轴流风机强迫通风，从而保证了电机在低速恒转矩运行时温升不超过允许值。

e 能承受160%额定转矩、历时1min 的过载；堵转转矩大于额定转矩的1.25倍。

f 可安装旋转编码器等速度反馈器件，实现闭环运行。 2) 变频器的选型

某些公司已有针对起重机的专用变频器，但价格昂贵。本次设计选用的是西门子MM440系列变频器，该变频器具有如下特点：

a 有全程磁通矢量控制。在1Hz的低频下，即使无速度反馈环节，也能提供150% 额定转矩的启动转矩。如增加速度反馈环节，可以做到零速控制(即使在零速下也有150%额定转矩输出)。

b 可配备制动单元，实现四象限运行，而且动态响应好。

c 在全速范围内具有恒转矩特性。无速度反馈时，速比为1000:1，控制精度为?0.2%；有速度反馈时，速比达1000:1，控制精度为?0.02%，完全满足要求。

综合上述，选定各传动机构的配置见表4-6。

表5-6 变频调速系统的配置

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变频器型号 电机型号（容量/kW） YTP160L-4(15) YTP132M-4(2?5.5) 备注 变频调速专用电机 变频调速专用电机 变频调速专用电机 起升机构 6SE6440-2AD31-5DA1 大车 小车

5.3.4 系统介绍

1) 大、小车运行机构

6SE6440-2AD31-5DA1 6SE6440-2AD25-5CA1 YTP132M-4(5.5) 见表5-6，小车由单台电动机拖动，并由单独得变频器供电；大车为双梁结构，分别用两台5.5kW的电动机拖动，由一台功率较大的变频器15kW供电。 大、小车变频器都预置V/F控制方式，不带旋转编码器。

2)起升机构

起升机构用变频调速专用电机。变频器可以实现无测速调速并预置为恒矢量控制方式。

3)制动单元与制动电阻

本系统对于重物下降时电动机再生电能，采用由变频器直流回路内接入制动单元和制动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的起升机构起、制动频繁，要求制动转矩较大，以及下降时处于制动状态的持续时间较长等特点，因此：

a 制动单元应加大一个档次，以便允许有较大的制动电流，缩短制动过程； b 制动电阻的额定功率应加大一倍。 4)溜钩的防止

本系统中，由于变频器具有零速下的转矩控制功能，故只需通过PLC和变频器之间信号的适当配合，即可圆满解决溜钩问题。

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第6章 桥式起重机变频调速系统软件设计

6.1 S7-200PLC网络的通信协议

6.1.1 S7-200PLC网络的通信协议的种类

S7-200CPU支持多种通信协议。根据所使用的S7-200CPU，网络可以支持一个或多个协议，包括通用协议和公司专用协议。专用协议包括点到点

(point-to-point)接口协议(PPI)、多点(Multi-Point)接口协议(MPI), Profibus协议、自由通信协议和USS协议。 1.PPI协议

PPI通信协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的一个通信协议。主要应用于对S7-200的编程、S7-200之间的通信以及S7-200与HMI产品的通信。可以通过PC/PPI电缆或两芯屏蔽双绞线进行联网。支持的波特率分别为9.6KB/s, 19.2KB/s和187.5KB/s。PPI是一个主/从协议，在这个协议中，S7-200一般作为从站，自己不能发送信息，只有当主站，如西门子编程器、TD200等HMI，给从站才进行响应。

2.Profibus协议

Profibus协议通常用于实现分布式I/0设备(远程式I/0)的高速通信。许多厂家生产类型众多的Profibus设备。这些设备包括从简单的输入或输出模块到电机控制器和可编程控制器。S7-200CPU可以通过EM277 Profibus-DP扩展的方法连接到Profi bus-DP协议支持的网络中。协议支持的波特率为9600KB/s到12MB/s。 3.USS协议

USS通信协议是西门子专门为S7-200系列PLC开发的一个通信协议。主要应用于对S7-200之间的通信以及S7-200与变频器产品的通信。可以通过485电缆或两芯屏蔽双绞线进行联网。支持的波特率分别为9.6KB/s, 12.4KB/s。USS是一个主/从协议，在这个协议中，S7-200一般作为主站，变频器自己不能发送信息，只有当S7-200主站发信息给从站，从站才进行响应。

6.2 PLC程序设计

6.2.1 PLC编程软件概述

S7-200的编程语言是STEP 7-micro/win32，它是用于S7-200系列PLC进行

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编程、调试的全新软件，它是在国际标准工EC1131-3的基础上建立的，可以用LAD, FBD和STL来编程。

STEP 7--micro/win32软件的一个特点是调试功能很强大，不仅能在线读取数据，而且能在线修改过程数据，对于调试大型复杂控制程序非常有效。STEP 7-micro/win32软件还附带一些控制程序模块，如PID调节模块，这些模块可以从主控制程序中直接调用，以便实现不同的功能。STEP 7-micro/win32软件工具包采用模块化的程序设计方法，它采用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。该工具软件包为S7-200CPU与其它系统部件(如触摸屏、变频器)的使用提供了便利。 6.2.2程序设计

在本系统中，PLC程序设计的主要任务是接受外部开关信号(按钮、继电器)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。除此之外，另一个任务就是接受上位机的控制命令，以进行自动采样。PLC的软件设计部分我们采用模块化的方法，PLC程序设计共有三个模块:按钮处理模块、通信模块、故障报警模块。 （一）按钮模块

按钮模块主要处理各电机和电磁阀的启停控制如图6-1

Big_Left Big_Stop Big_Right Big_leftRing Big_rightRing Big_leftLimit Big_rightLimit Big_Power Small_Left Small_Stop Small_Right Small_leftRing Small_rightRing Small_leftLimit Small_rightLimit Small_Power I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7 I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5 I1.6 I1.7 大车左进 大车停止 大车右进 大车左限位报警 大车右限位报警 大车左限位停车 大车右限位停车 大车电源关断 小车左进 小车停止 小车右进 小车左限位报警 小车右限位报警 小车左限位停车 小车右限位停车 小车电源关断 31

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Hoist_Up Hoist_Stop Hoist_Down Hoist_upRing Hoist_upLimit Hoist_Power Big_KM Big_Led Big_ECB Small_KM Small_Led Small_ECB Hoist_KM Hoist_Led Hoist_ECB Ring

（二）通信模块

I2.0 I2.1 I2.2 I2.3 I2.4 I2.5 I2.7 Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7 Q1.0 Q1.1 Q1.2 Q1.3 Q1.4 Q1.5 Q1.6 Q1,7 提升电机上升 提升电机停止 提升电机下降 提升电机上限位报警 提升电机上限位停车 提升电机电源关断 大车电源侧交流接触器 大车限位报警灯 大车电磁抱闸 小车电源侧交流接触器 小车限位报警灯 小车电磁抱闸 提升 电机电源侧交流接触器 提升电机限位报警灯 提升电机电磁抱闸 限位报警蜂鸣器 大车变频器激活 小车变频器激活 提升电机变频器激活 大车变频器故障 小车变频器故障 提升电机变频器故障 由于我们用MicroMaster变频器对起重机电机进行调速，所以本系统中对起重机的调速，实际上就是对其MicroMaster变频器的控制。STEP 7-Micro/Win32软件工具包提供了USS通信协议，从减少软件的工作量和提高可靠性出发，我们采用USS协议来完成PLC与变频器的通信。与变频器的通信，对PLC的CPU扫描是异步的，完成一个变频其通信事务通常需要几次CPU扫描。这取决于连续的变频器数目，波特率，以及CPU的扫描时间。 使用USS协议的编程顺序如下:

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(1)通过调用USS_ IN IT指令以改变USS通信参数，如启用或禁止USS协议、设定波特率，指示哪些地址的变频器是激活的(即可与之通信)。标志为激活的任何变频器都自动地在后台进行轮询控制，汇集状态，并防止变频器的串行链路超时。

来自西门子手册的示例

(2)把V存储器地址分配给USS协议。

(3)通过调用USS_ CTRL指令来控制指定的变频器，如启停，控制方向，设定速度，查询变频器返回的状态字等。

来自西门子手册的示例

同时调用READ_ PM或WRITE_ PM指令来读取或写变频器参数，以便于设置变频器参数，程序中所用的波特率和地址相匹配。

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来自西门子手册的示例

采用上述方法，我们可以很好地控制网带的速度并查询变频器的状态，把诊断信息反馈给PLC （三）故障报警模块

为了实时通知操作员故障消息，以便尽快地排除故障，确保整个系统正常运行，本控制系统具有良好的故障报警措施。所以在PLC程序中始终对相应的传感器输入信号进行扫描，一旦有诸于变频器故障，超重等故障，应马上切断该设备，并启动蜂鸣器，进行报警。考虑到工业现场可能的干扰，(1)我们在程序中采用延迟报警。即只有当报警信号持续一定的时间(一般为几十毫秒到几百毫秒)。才认为有故障。(2)在启动设备时，逐步开启报警;而在停止设备时.逐步阻塞报警。上述两个措施可有效的防止误报警。报警处理由画面元素和PLC变量直接对应，无需编程。

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展 望

现在我国的国民经济处于蓬勃发展时期，各企业的效益都很好。起重机广泛

应用于企业的各种领域中，桥式起重机工作环境差，工作任务重，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生。传统桥式起重机的继电—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；所串联电阻长期发热，电能浪费大，效率低。特别是在恶劣条件下的工作，安全性降低，这样无形中的损失很大。因此，改善起重机控制系统是必要的。

由PLC和变频器构成的变频调速控制系统改善了传统的控制系统，用笼型转子异步电动机取代了绕线转子异步电动机，消除了电刷和滑环等薄弱环节；采用变频调速，可以在基本停住的状下进行抱闸，改善在运动的状态下进行抱闸闸皮的磨损情况，使得制动电磁铁的寿命可大大延长；用PLC的程序控制取代了老式的继电—接触器控制，又由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使控制系统大大简化，故障率降低，可靠性大为提高。经济性方面，节能效果十分可观，绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内将消耗大量电能，采用了变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在吊钩放下重物时，还可以将重物释放的位能反馈给电源。并且此控制系统还可使调速比达1:50以上，调速精度达?1%，且调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率，从而大大节省了搬运成本。因此，本设计系统的应用价值是十分可观的。

电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成，电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%~20%或更多)，改善产品质量，提高产量。在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，已经得到国家重视，目前已有一定规模。

近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术，变频调速是交流调速的基础和主干内容。上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就

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了一个庞大的电力行业。长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。

这10年来，变频技术的应用在我国有很大的发展，并取得了良好的效果可以说，变频技术已为大多数用户所接受，但是不能不指出，我国在变频技术的应用方面，与发达国家的水平尚有很大差距，目前，我国在用的交流电动机使用变频调速运行的仅6%左右，而下业发达国家已达(60%~70%)，日本在风机、水泵上变频调速的采用率已达10% ,而我国还不足0.01%.在日本，空调器的70%采用了变频调速，而我国才刚刚起步。从这个现实出发，变频技术尚有很大的发展空间，应该锲而不舍地做好推广应用工作。

而且随着控制技术和控制手段的不断提高，变频调速又由变压变频控制的变频调速发展到了矢量控制变频调速，通过控制交流电动机里相当于并励直流电动机励磁绕组的磁通变化，提高变频器的恒转矩输出范围和动静态特性，使得交流电动机变频调速系统的性能超过了直流电动机调压调速系统的性能。为了简化控制系统，减少设备故障率，在矢量控制变频调速的基础上又发展了无速度传感器的矢量控制变频调速。在一些对动静态特性要求不太高的应用中，无速度传感器的矢量控制变频调速己完全可以和有速度传感器的矢量控制变频调速相媲美。矢量控制对交流电机调速具有划时代的意义。

变频调速是电机调速的最佳方式，是企业技术改造和产品更新换代的理想设备，是工业自动化系统必不可少的组成部分，是实现生产过程和管理自动化的前提，也是信息化发展的先决条件。在我国传统产业中，采用直流电机拖动的调速系统约占调速系统总量的85%~90%，而交流调速系统仅占10%~15%。效率低、质量差、消耗大、故障率高己成为制约企业发展的瓶颈。因此，必须积极推广先进的交流变频调速技术，用先进的设备武装传统产业，促进自动化、工业化和信息化的进一步发展。

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致 谢

学校这三年为我们提供的优秀的学习环境和良好的实验设施为我们的学习起到了很大的促进作用。在本次课题的完成过程中得到了诸多同学无私的帮助，尤其是要感谢的是为我提供诸多帮助和指导的李老师。

通过对课题的设计，让我们对变频调速有了更深的认识，PLC知识得到巩固与加强。对设计中需要考虑的问题有了规划与思考，不是盲目的参考，而是有选择的吸取与利用。对需要知识而又不知道的达到快速的整理与吸收和筛选，更节省时间。我们设计的课题在如今很适用，也贴近现实。

老师们平时对我们的帮助和关怀让我们不那么迷茫，现在我们是有梦想，有信心的青年。等待着接受新的挑战。

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参考文献

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附 录

电气图纸

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PLC源程序

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