毕业论文-基于plc控制桥式起重机变频系统的设计-文库吧

【正文】 先进的微电子技术、电力电子技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现自动化和智能化，以适应多批次少批量的柔性生产模式。目前已经出现了能自动装卸物料、有精确位置检测和自动化过程控制的桥式起重机。起重机上还装有微机自诊断监控系统，对于自身的运行状态进行监测和维护。 ，系统化和规模化发展。将各种起重运输机械的单元组合为成套系统，加强生产设备与物料搬运机械的有机结合，提高自动化程度，改善人机系统。重点发展的有港口散料和集装箱装卸系统、工厂生产搬运自动化系统、自动化立体仓库系统、商业货物配送集散系统、交通运输部门和邮政部门邮件的自动分拣与搬运系统等。 4．向模块化、组合化、系列化和通用化发展。许多通用起重运输机械是成系列成批量的产品。为了降低制造成本，提高通用化程度，可采用模块组合的方式，用较少规格的零部件和各种模块组成多品种、多规格和多用途的系列产品，充分满足各类 用户的需要。也可使单件小批量生产起重运输机械的方式改换成具有相当批量和规模的模块生产，实现高效率的专业化生产。 5．向小型化、轻型化发展。有相当数量的起重运输机械作业并不十分频繁。上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 3 为了考虑综合效益，要求这部分起重运输机械尽量减少外形尺寸，简化结构，降低造价和使用维护费用，按最新设计理论开发出来的这类设备比我国用传统理论设计的同类产品自重轻 20％。由于自重轻、轮压小、外形尺寸小，使结构的建造费用和起重机运行费用也大大减少。 6．采用新理论、新方法、新技术提高设计质量。通过计算机模拟与仿真，开展对起重运输机械载 荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究，寻求参数与机种的最佳匹配与组合；开展对可靠性的试验研究，全面采用极限状态设计法、概率设计法和可靠性设计等，利用 CAD 提高设计效率与质量，与计算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体化。 7．用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能。结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和美化外形。在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构，以焊代铸，采用机电液一体化技术，提高使用性能和可靠性。开发 性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统。今后还会更加注重起重运输机械的安全性，重视司机的工作条件。 桥式起重机是桥架式起重机的一种，它依靠升降机构和水平运动机构在两个互相垂直的方向运动，能在矩形场地及上空完成操作，是各种生产企业广泛使用的一种起重运输设备。它具有承载能力大、可靠性高、结构相对简单等优点，随着经济建设的发展，用户对起重机的性能要求越来越高，而早期的起重机已无法满足要求，因此需要对起重机的控制方式进行改进，满足工业生产的需要。 课题研究的目的和意义 近年来，随着计算技术和电力电子 器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动化控制领域的发展。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应用提供了有利条件。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的争夺问题，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机运输机械行业中具有广泛的发展前景。 变频调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况，对改善起重机的调上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 4 速性能，提高工作效率和功率因素，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安 全可靠是非常有益的。相对发达国家而言，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越来越高，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进行开发应用。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不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重量得起重机；提高工作速度、扩大调速范围；提高金属结构、机构和电气设备的可 靠性和使用寿命；改善司机操作条件，保证作业安全，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围。 本课题桥式起重机基本参数： 该机的起重量为 20/5 吨，其跨度 (L)为 主钩起升速度为 ，副钩起升速度为 15m/min。大车运行速度为 75m/min，小车运行速度为 45m/min。 上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 5 2 变频调速控制技术的基本原理 变频调速原理简介 异步电动机的转速公式为 : n=pf60(1s) () 其中： n异步电机的转速，单位为 r/min； f定子的电源频率，单位为 Hz； s电动机的转速滑差率； p电动机的极对数。 由上式（ ）可知，如果改变输入电动机的电源频率 f，则可相应改变电动机的输出转速。 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量 m 为额定值不变。磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，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动机。对于直流电动机来说，励磁是独立的，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。在交流异步电动机中，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： gE = sN Nsk m （ ） 式中： gE 气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为 V； 1f 定子频率，单位为 Hz； sN 定子每现绕组串联匝数； Nsk 与绕组结构有关的绕组系数； m 每 极气隙磁通量，单位为 wb； 由公式可知，只要控制好gE和 1f 便可以控制磁通 m 不变，需要考虑基频（额定频率）基频以下和基频以上两种情况： 上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 6 基频以下调速 即采用恒定的电动势。有上式（ ）可知，要保持 m 不变，当频率 1f 从额定值 1Nf 向下调节时，必须同时降低1E，使1E/1f =常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以控制的，当电动势较高时，可以忽略定子电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 1V ≈1E，则得 1V /1f =常数。 （ ） 这是恒频率比的控制方式。在恒频率比条件下改变频率时，我们能够证明：机械特性基本上是平行下移的，如图 21 所示。 图 21 基频以下调速时的机械特性 这和他励直流变压调速的特性相似，所不同的是，当转矩增大到最大值以后，特性曲线就折回来了。如果电动机在不同转速下都具有额定电流，则电都能在温升允许条件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化，所以转矩也恒定。根据电机与拖动原理，在基频以下调速属于“恒转矩调速”的性质。在低频时， 1V和1E都较小，定子阻抗压降所占的分量都比较显著，不能再忽略。这时，可以人为的把电压 1V 抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒功率比控制特性为 2 线，无补偿的为 1 线。 如图 22所示： 上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 7 图 22 恒压频比控制特性 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从 1Nf 往上增高，但电压 1V 不能超过额定电压N1V ，最多只能保持 1V = N1V 。由式 可知，这将迫使磁通随频率升高而降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 在基频 1Nf 以上变频调速时，由于电压 1V = N1V 不变，我们不难证明当频率提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，如图 23 所示。 图 23 基频以上调速 时的机械特性 由于频率提高而电压不变，气隙磁动势必然减弱，导致转矩减小。由于转速升高了，可认为输出功率基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图 14所示的异步电动机变频调上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 8 速控制特性。 图 24 异步电动机变频调速控制特性 应该注意，以上分析的机械特性都是在正弦电压供电下的情况。如果电源含有谐波，将使机械特性受到扭曲变形，并增加电机只能中的损耗。因此在选购变频器时，变频器输出的谐波越小越好。 变频器简介 变频器的主电路 这里 主要介绍电压源型交 直 交变频器主电路的基本结构如图 25所示。 图 25变频器主电路 上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 9 （ 1）电力电子开关器件 电力半导体器件己经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)，巨型晶体管 (GTR)，功率 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)为代表的功率集成器件 (PID),以智能化功率集成电路 (SPIC)，高压功率集成电路 (HVIC)为代表的功率集成电路 (PIC)等三个发展时期。从晶闸管发展到 PID, PIC 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导通与关断的全控器件。在器件的控制模式上，从电流型控制模 式及发展到电压型控制模式，不仅大大降低了门极 (栅极 )的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速度，从而使器件的工作频率不断提高。在器件结构上，从分立器件发展到由分立器件组合成功率变换电路的初级模块，继而将功率变换电路与触发控制电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起的复杂模块。 （ 2）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。 （ 3）逆变电路 逆变 电路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。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。 变频器的控制电路 变频器控制电路包括主控电路、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。 现代通用变频器都是数字式控制的，微处理器（ CPU）是控制电路的核心器件，它通过输入接口和通信接口取得外部控制信号，通过检测电路取得输出电压、上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 10 电流、温度等运行参数，根据设置的运行方式，进行 U/f 控制或者矢量控制，将控制命令传送给 SPWM（以逼近正弦波形为特征的交流脉宽调制也称正弦脉宽调制）控制集成电路，去触发逆变器。微处理器的控制程序存储在存储器中，用户通过参数设置可以改变程序的计算参数和机构。 变频器的控制接口（包括模拟量输入输出接口和开关量输入输出接口）用于变频 器与外部交换信息。开关输入接口接收外部的逻辑控制命令，开关输出接口向外部发出变频器运行、故障等状态信号；模拟量输出接口向外部提供变频器的频率、电流等运行参数。 变频器的通信接口提供以通信方式与外部其他设备交换信息的功能，它的作用与控制接口类似，但允许数量更多的信息交换。有的变频器把通信口作为标准配置，有的则提供模块形式的可选件，通信模块插在总线接口槽内，与数据总线连接。 现在变频调速的控制方法 交流电机的控制远比直流电机复杂的多。在传动控制领域，电机转矩的控制精度、动态转矩的控制等都会对运动的稳定 性和系统跟踪误差产生较大的影响。 目前实用的交流调速系统的控制方法有以下几种： （ 1）恒压频比控制（ V/F 控制） V/F 控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过控制过程中始终保持 V/F为常数，保证转子磁通的恒定。然而 V/F 种子是一种开环控制方式，速度动态特性差，电机转矩利用率低，控制参数（如加 /减速度等）还需要根据负载的不同来进行相应的调整，特别是低速时由于定子电阻和逆变器等的开关延时的存在，系统可能会发生不稳定现象。 （ 2）转差频率控制 转差频率控制引入可速度闭环，使转速变化频率与实际转速同步上升 或降落，与 V/F 控制相比，更容易使系统稳定。但是转差频率控制并未能实施对电机瞬间时转矩的闭环控制，而且动态电流相位的延时会影响系统的实际动态响应。 （ 3）矢量控制 矢量控制通过坐标变换将交流异步电机模型等效为直流电机，实现了电机上海第二工业大学本科毕业设计（论文） 11 转矩和电机磁通量的解耦，达到对瞬时转矩的控制。磁场定向控制有两种方法：磁通直接反馈型和磁通前反馈型。目前，实用中较多采用后者，又称为转