基于PLC的10t桥式起重机电气控制系统设计

2012届华北科技学院本 科 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目：基于PLC的10t桥式起重机电气控制系统设计 专 题 题 目： 姓 名: 学 号:2008020143 专业班级: 电气B083班 系(部、院): 机电工程系 指导教师: 封 老 师 年 月 日目录摘要1Abstract21 绪论31.1 起重机拖动系统发展现状31.2 电气控制技术简介41.3 本课题设计的任务与意义52 桥式起重机简介及相关参数的介绍62.1 桥式起重机的简介62.2 桥式起重机相关参数的介绍92.3 本设计的控制方案103 变频调速系统的设计123.1 变频器的选择和参数设定123.1.1 变频器的基本原理及接线端子的介绍123.1.2 变频器的选择和参数设定223.2 变频器的配置和制动电阻293.2.1 变频器基本配置的选择293.2.2 制动电阻的选择314 电气控制系统的设计334.1 桥式起重机控制要求的分析334.2 保护功能的分析344.3 电气控制原理图的设计355 电气控制系统的PLC实现405.1 PLC技术的简介405.1.1 PLC概述405.1.2 西门子S7-200结构及工作原理415.2 西门子S7-226 PLC的介绍425.3 西门子S7-226 PLC外部电路的设计455.4 控制系统的PLC程序设计455.4.1 S7-226 PLC输入输出地址的分配455.4.2 S7-226PLC的程序设计485.5 电气控制系统的抗干扰措施525.5.1 变频系统的抗干扰措施525.5.2 PLC控制器的抗干扰措施526 安装接线图的设计与程序调试546.1 相关元器件的尺寸的介绍及布局图546.2 桥式起重机电气控制系统的电路的安装接线图546.3 PLC程序的调试55结束语58参考文献59谢致60华北科技学院毕业设计（论文）摘要随着工业生产规模的不断扩大，桥式起重机也得到了迅速的发展。桥式起重机主要应用室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。它具有上下起升、前后平移、左右平移的功能，其主要由电气控制系统和机械系统组成。本设计是桥式起重机的电气控制系统的设计。本文对桥式起重机电气控制系统的设计主要从安全性和功能性两个方面着手进行，主要包括主电路的设计和控制电路的设计，主电路中的设计以变频器的连接和参数设定为主，控制主要以PLC程序的设计以及和变频器连线、输入输出端子的分配。该设计主电路中改变电动机的工作状态主要由变频器器来实现，在控制电路中实现桥式起重机的各种功能主要由PLC实现。本文是以山东华起起重机械有限公司生产的QD型10吨吊钩式桥式起重机为背景的。在设计中，在起重机的长动控制方面大车、小车、起升机构分别都设计了三个速度档，即高速、中速、低速，由凸轮控制器控制。在点动方面大车、小车、起升机构都设计了正反转点动，但点动速度都处于各自的低速档。在滑行控制方面，只有大车设有滑行控制。在限位保护方面，大车、小车两边都设有保护行程开关，小车设有一个限位保护行程开关和一个超载保护行程开关。PLC系统选用西门子公司生产的S7-200系列的PLC和一个输入输出扩充模块EM223。变频器选用三菱公司生产的FR-F500。该电气控制系统有行程开关的保护措施以及变频器反馈给PLC的信号来实施保护。关键词： 桥式起重机；电气控制系统；变频调速；PLC控制AbstractWith the continuous expansion of production scale, crane also got rapid development. Bridge crane is mainly used for indoor and outdoor storage, factories, docks and outdoor storage yard. It has upper and lower lift, move around, translation function, which is mainly composed of an electric control system and a mechanical system. The design of bridge crane electrical control system design.In this paper, the bridge crane electrical control system design mainly from the safety and function of the two aspects, including the design of main circuit and control circuit design, the design of main circuit of converter connection and parameter setting, control mainly in the design of PLC program and inverter connection, input / output terminals distribution. The design of main circuit to change the working state of motor is mainly composed of a frequency converter to realize, in the control circuit to realize the various functions of bridge crane is mainly composed of PLC implementation.This article is based on China Shandong lifting limited production of type QD10 tons hook bridge crane as the background. In the design, in the crane movable control crane, trolley, the hoisting mechanism are respectively designed three speed gear, high speed, medium speed, low speed, by a cam controller. In the dynamic aspects of carts, trolleys, lifting mechanism are designed just reversal point, but the speed is their low gear. In the sliding control, only the cart with sliding control. In the limiting protection, Trolley Cart, both equipped with protection switch, the carriage is provided with a limiting switch and an overload protection switch. PLC system adopts Siemens S7-200 series produced by PLC and an input / output expansion module EM223. Inverter selects the Mitsubishi companys FR-F500. The electrical control system of a travel switch protection measures as well as the inverter feedback to the PLC signal to carry out protection.Keywords: crane; electrical control system; frequency control; PLC control1 绪论1.1 起重机拖动系统发展现状起重机拖动系统是随着电力电子技术的发展而发展起来的。起重机的拖动技术包括直流控制和交流控制两种方式，直流有励磁调速和调压调速。交流调速有串电阻调速、脉冲调速、调压调速、串级调速和变频调速等多种调速方式。最初的起重机拖动系统是由交流绕线电动机来拖动。通过改变串入转子回路的电阻值来改变电机的机械特性。从而达到启动、停止和调速的目的。小功率可控硅技术的发展，国外设计出了里奥纳度系统，国内称作电动-发电-电动系统：即由一台大功率交流电动机拖动几台直流发电机，直流发电机的输出作为直流电动机的电源，再由直流电动机拖动起重机的各个机构使其起重运行。小功率可控硅的电流作为直流发电机的励磁电流，从而改变发电机的直流输出电压，直流电动机则获得可变的直流电源，直流电机的速度与直流电压成正比；通过以上控制回路，达到调速的目的；即通过调节小电流（小功率可控硅）来达到调节大电流（直流电动机）的目的。当大功率可控硅的技术发展成熟，各大电气公司相继开发出了大功率的直流拖动系统。起重机的拖动系统相应地发展成直流拖动系统。交流电源送入直流拖动系统，直流系统将交流电整流成电压可调的直流电源来驱动直流电机，达到调速的目的。1998年以后，随着大功率IGBT技术的发展，大功率交流变频驱动器得到了快速的发展，起重机的拖动系统逐步采用交流变频电机加交流变频驱动器的拖动形式，以代替直流系统。这是由于相比直流系统，交流电机维护容易、费用低、调速范围广。串电阻、涡流调速、脉冲调速等调速方案为传统调速方式，其主要缺点是启动制动电流大，对机械系统的冲击强，随环境温度变化所造成的误差大、不易实现据通讯，对电机保护不全等。随着交流电机变频器的应用和普及，人们已经逐渐淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机构的平滑调速和节能运行，并将电网功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等元件，完全解决了传统提升机构存在的固有缺点，使设备性能得到了极大提高。电动机的变频调速方式主要有V/F调速和矢量调速。V/F调速，简单的说就是调压调频，主要应用于风机、水泵等机构。矢量变换控制是20世纪70年代原西德Blascehke等人首先提出来的。其基本思想是把交流异步电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一样进行调速控制。采用矢量控制的目的，主要为了提高变频调速的动态性能。变频器具有电机参数自适应功能，在投入正式运行之前同构空载电动机的试行，变频器自动测试并读取电动机的全部参数并进行优化处理，从而使电动机工作在最佳状态。变频调速装置本身设有过电流、短路、过电压、欠电压、瞬时停电、缺相、输出端接地等故障保护。当上述故障出现时，变频器将停止工作，并以代码形式在LCD屏幕。1.2 电气控制技术简介电气控制技术是用以实现工业生产过程自动化的控制技术，它以各类电动机为动力的传动装置和系统为对象。电气控制系统是其中的主干部分。电气控制系统主要包括普通电气传动控制（速度、位置、压力、张力、流量等）系统。综合自动化系统以及自动生产线。他们是现代化生产的好、重要组成部分和基石。电气控制系统广泛应用于各个工业部门及凡是需要动力的场合中，该系统是由电动机及供电、检测、控制装置组成的反馈控制系统，是把电能转化电能量的装置，其特征是：它能自动完成能量的变换和控制所需的信息处理；其结果是：改善人们在生产及生活中的工作条件，大幅度提高全社会生产和再生产效率。因此，电气控制系统自动化是提高劳动生产率的合理手段，是促进国民经济不断增长的重要因素。电气控制电路的实现，可以使继电器-接触器逻辑控制方法、可编程逻辑控制方法及计算机（单片机等）控制方法等。而现代控制技术已将这些方法融为一体，生产现场已难以将其严格区分。尽管如此，继电器-接触器的逻辑控制方法仍然是基本方法。低压是现代工业过程自动化的重要基础件，是组成电气成套设备的基础配套元件，包括控制电器和配电器。电气控制技术是一门实用性很强的技术科学。也是一门多学科交叉的专门技术。它集中体现了电机控制技术、传感器技术、电力电子技术、微电子技术、自动控制技术和通信技术的有机结合剂最新发展成就。几乎每种技术出现的新进展，特别是计算机技术的应用、新型控制策略的出现，都不断地改变着电气控制技术的面貌，促使它正向着集成化、智能化、信息化、网络化方向发展。电器元件本身也朝着新领域发展，不断涌现出新产品一些电器元件被电子化、集成化；一些电器元件采用了新技术成为智能化、可通讯电器；有些完全改变了传统电器的观念，从传统的现场开关量、模拟量信号控制方式，转为现场级的数字化网络方式。这些都体现了当代工业现代化的技术进步，标志着现代电气控制技术将产生巨大的变革和飞跃。1.3 本课题设计的任务与意义本设计的任务主要有以下几个方面：(1)对桥式起重机控制要求的分析来明确需要控制对象以及在控制中出现的相关情况的保护和限制，从而使所设计的系统能够按照设计的要求安全、可靠、稳定地运行。同时又要考虑该设计在现有条件下的可实现性和必要性。(2)确定控制对象的具体参数，以利于相关配置的选择。(3)根据控制要求确定控制方案。(4)绘制主电路和控制电路原理图实现其控制方案。(5)相关参数的计算与主要元器的选择。(6)绘制安装接线图。(7)编写PLC梯形图。传统桥式起重机的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电一接触器控制，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)继电一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。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。2 桥式起重机简介及相关参数的介绍2.1 桥式起重机的简介桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上，形状似桥。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。(1)桥式起重机应用桥式起重机是现代工业生产和起重运输中实现生产过程机械化、自动化的重要工具和设备。 所以桥式起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。(2) 桥式起重机分类及相关组成桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易梁桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组桥式起重机。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。桥架的金属结构由主梁和端梁组成，分为单主梁桥架和双梁桥架两类。单主梁桥架由单根主梁和位于跨度两边的端梁组成，双梁桥架由两根主梁和端梁组成。主梁与端梁刚性连接，端梁两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。主梁上焊有轨道，供起重小车运行。桥架主梁的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。箱形结构又可分为正轨箱形双梁、偏轨箱形双梁、偏轨箱形单主梁等几种。正轨箱形双梁是广泛采用的一种基本形式，主梁由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。偏轨箱形双梁和偏轨箱形单主梁的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主梁是由一根宽翼缘箱形主梁代替两根主梁，自重较小，但制造较复杂。四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。空腹桁架结构类似偏轨箱形主梁，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形梁外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部，自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。普通桥式起重机主要采用电力驱动，一般是在司机室内操纵，也有远距离桥式起重机控制的。起重量可达五百吨，跨度可达60米。 简易梁桥式起重机又称梁式起重机，其结构组成与普通桥式起重机类似，起重量、跨度和工作速度均较小。桥架主梁是由工字钢或其他型钢和板钢组成的简单截面梁，用手拉葫芦或电动葫芦配上简易小车作为起重小车，小车一般在工字梁的下翼缘上运行。桥架可以沿高架上的轨道运行，也可沿悬吊在高架下面的轨道运行，这种起重机称为悬挂梁式起重机。冶金专用桥式起重机在钢铁生产过程中可参与特定的工艺操作，其基本结构与普通桥式起重机相似，但在起重小车上还装有特殊的工作机构或装置。这种起重机的工作特点是使用频繁、条件恶劣，工作级别较高。主要有五种类型：铸造起重机供吊运铁水注入混铁炉、炼钢炉和吊运钢水注入连续铸锭设备或钢锭模等用。主小车吊运盛桶，副小车进行翻转盛桶等辅助工作,为了扩大副钩的使用范围和更好地为炼钢工艺服务，主、副钩分别布置在各自有独立小车运行机构的主、副小车上，并分别沿各自的轨道运行。夹钳起重机利用夹钳将高温钢锭垂直地吊运到深坑均热炉中，或把它取出放到到运锭车上。锭脱起重机用以把钢锭从钢锭模中强制脱出。小车上有专门的脱锭装置，脱锭方式根桥式起重机。据锭模的形状而定：有的脱锭起重机用项杆压住钢锭，用大钳提起锭模；有的用大钳压住锭模，用小钳提起钢锭。加料起重机用以将炉料加到平炉中。主小车的立柱下端装有挑杆，用以挑动料箱并将它送入炉内。主柱可绕垂直轴回转，挑杆可上下摆动和回转。副小车用于修炉等辅助作业。锻造起重机用以与水压机配合锻造大型工件。主小车吊钩上悬挂特殊翻料器，用以支持和翻转工件；副小车用来抬起工件。(3 ) 检查项目桥式起重机的安全检查为了保证桥式起重机的安全运行，在起重机运行期间需进行一些安全常规检查，检查项目及要点如下： 起升高度限位器、行程限位开关及各联锁机构性能正 桥式起重机常，安全可靠。 各主要零部件符合安全要求：开口增大小于原尺寸的15%，扭转变形小于10%；板钩衬套磨损小于原尺寸的50%，板钩心轴磨损小于5%，无剥落、毛刺、焊补。吊钩挂架及滑轮无明显缺陷。钢丝绳表面钢丝磨损、腐蚀量小于钢丝直径的40%，断丝在一个捻距内小于总丝数的10%，无断头，无明显变细，无芯部脱出、死角扭拧、挤压变形、退火、烧损现象。钢丝绳端部连接及固定的卡子、压板、锲块连接完好，无松动，压板不少于2个，卡子数量不少于3个。卷筒无裂纹，连接、固定无松动；筒壁磨损小于原壁厚的20%；安全卷不少于2圈，卷筒与钢丝绳直径比例符合要求。平衡轮固定完好，钢丝绳应符合的要求。制动器无裂纹，无松动，无严重磨损，制动间隙两侧相等尺寸合适，有足够的制动力，制动带磨损小于原厚度的50%。通过对桥式起重机的安全常规检查，对杜绝人身事故，减少设备事故，提高设备运转率，降低检修费用等均起到了显著作用。(4) 安全滑触线安全滑触线是一种新型移动供电装置，以其绝缘、安全、耐温、抗振、节能等优越性能逐步替代了旧式裸露角铁及铜排滑触线。安全滑触线由填嵌在工程塑料型管或槽板中的光滑平整的T2铜排或嵌有耐磨导体的铝型材作为载流体，组合成输电导管，导管下有开口槽以利集电器运行，并由集电器的高耐磨铜基石墨电刷将电力导向工作电器。桥式起重机在使用中易断电，有时在输电导管内产生火花，严重时滑触线某放炮，造成集电器更换过于频繁，影响生产。为此，进行了如下改进： 增大集电器电刷倒角，并打磨光滑； 增加集电器两相对电刷间弹簧强度、弹性，保证弹簧恢复自如； 加深。加固集电器中的弹簧座，保证电刷的恢复弹簧在工作中不易串位； 两段安全滑触线连接处连接块要有倒角，保证集电器平滑过渡。同时，为保证安全滑触线的正常使用，行车工的规范操作、维修工的定期保养、定期检查也必不可少。2.2 桥式起重机相关参数的介绍本设计是以山东华起起重机械有限公司生产的QD型10吨吊钩桥式起重机为机械基础的电气控制系统的设计QD型吊钩桥式起重机是采用国际先进标准制造的系列产品。整机结构新颖、造型美观、工艺性好、操作灵活平稳、安全可靠。主要特点： （1）桥架采用箱形主梁，自动埋弧焊焊接。 （2）小车导电采用工字钢轨道电缆导电新装置，安全可靠。 （3）起升机构根据要求还可设第二套安全装置。增加可靠性。 （4）零部件标准化、系列化、通用化。 （5）操纵室视野开阔，全部机构均在操纵室内操纵，工作舒适操纵灵活。本产品广泛适用于普通重物的装卸与搬运，还可配以多种专用吊其进行特殊作业，当露天使用时带有防雨设备。表中数据为室内起重机用，室外起重机总重和轮压约增加5，起重机按使用繁忙程度分为中级（A5）和重级（A6）两种工作制度。选用时应注明工作制度，工作环境的最高、最低气温及电源种类等技术要求。还可根据用户要求的跨度设计制造。本设计中设计中选择A6工作级别，表2.2-1 桥式起重机电气设备相关参数跨度m28.5起重量t10最高起升高度m16起升机构速度m/min13.3小车速度43大车速度112.5起升机构电机型号/KWYZR200L-6Z/22小车电机YZR132M-6Z/2.5大车电机YZR160M2-6/27.5电源三相交流 380V 50Hz2.3 本设计的控制方案 本设计的基本控制方案就是通过PLC的输入端输入控制信号从而使PLC发出控制信号去控制变频器使变频器启动工作，同时断电电磁制动器得电松开，同时相关指示灯亮。当PLC控制变频器频率端子输入信号时或正反信号，控制变频器的端子对变频器发出改变频率的信号正反转的信号，从而使被控电动机的转速发生改变或者转速方向发生改变。当起重机运动到期限位置或主电路发生短路、过流、断相、过载、突然停电等时，会使行程开关动作或变频器发出短路、过流等信号输入到PLC输入端，使PLC发出变频器停止、电磁制动器制动等信号。从而达到控制的要求和目的。图2.3-1是电气控制方案的控制框图，图中YB1、YB2、YB3是电机M1、M2、M3的断电电磁抱闸制动器，图中的箭头方向表示控制控制信号流动的方向。 图2.3-1 控制方案简图 3 变频调速系统的设计3.1 变频器的选择和参数设定3.1.1 变频器的基本原理及接线端子的介绍变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流、过压、过载保护等功能。变频器按变换环节分为两大类：交直交变频器，交交变频器。交交变频器是把固定频率的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。其主要有点是没有中间环节。但连续可调的频率范围窄，一般在额定频率的1/2以下，故它主要用于低速大容量的拖动系统。交直交变频器是先把交流电变换成直流电，然后再把直流电变换成频率连续可调的交流电。交直交变换是常见变频器采用的变换方式。交直交变频器是由整流器、中间滤波器和逆变器三部分组成。整流器是三相桥式整流电路，其作用为将特定的电压和频率的交流电变换为直流电，然后作为逆变器的直流供电电源；中间滤波器由电抗器或电容组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波；逆变器也是三相电桥式整流电路，但它的作用与整流器相反，是将直流电变换为可调的交流电，它是变频器的主要组成部分。图3.1.1-1是变频器的构成简图，其中DC框为滤波器。 图3.1.1-1 变频器的构成简图V/F通用变频器的控制方式及其原理在异步电动机中，当给定子绕组通上三相交流电定子三相绕组就会产生旋转磁场，其磁感线通过定子和转子的铁心而闭合，旋转磁场不仅在转子的每项绕组中会感应出电动势E2，而且在定子的每项绕组中也感应出了感应电动势E1。设定子和转子的每项绕组的匝数为N1和N2，定子每项绕组的感应电动势E1的幅值为 (3.1.1-1)式中：为电网的频率；为定子绕组的系数；为通过每项绕组的刺痛量最大值，在数值上等于旋转磁场的每极磁通。即。 在异步电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通为额定值，因为在式 (3.1.1-1)中，和N1是不变的，而E1、和是可变的。如果不是保持没极磁通为额定值，而使欲保持每相绕组感应电动势E1不变时，f1和之间有什么关系呢？如果f1变大，大于电动机的额定频率，定子内阻抗变大，定子电流变小，导致气隙磁通最大值变小m小于额定气隙磁通。这样电动机铁芯的效能没有得到充分利用，而且磁通减小也会使电动机的输出转矩下降。如果f1变小，小于电动机的额定频率，定子内阻抗变小，定子电流变大，导致气隙磁通最大值m变大，大于额定气隙磁通。这样，电动机铁芯产生过饱和，这就意味着励磁电流过大，导致绕组过分发热，造成系统的功率因数下降，电动机的效率也随之下降，严重时会使定子绕组过热而烧坏。因此要实现交流电动机的变频调速，应保持气隙磁通m不变，即E1/=常数，这就就是V/F控制。1. 变频器的主电路变频器的主电路主要由整流电路、中间直流滤波电路、制动电路和逆变电路三部分组成。主电路的基本结构如图3.1.1-2所示。 图3.1.1-2 主电路的基本机构（1）变频器的整流电路 从图3.1.1-2中可以看出整流电路由整流二极管VD1VD6或整流二极管模块组成不可控全波整流桥，其作用是采用全波整流将三相交流电变成直流电。当三相交流电线电压U为380V时，整流后的峰值为1.35U=537V,平均电压513V. (2)滤波电路整流电路输出的整流电压时脉动的直流电压，必须经过滤波，图3.1.1-2电路中滤波元件是电容器CF，电容器滤波的基本原理是利用电容器的充放电功能，让它在电压高的时候充电，在电压低的时候放电，从而得到一个相对稳定的直流电压。由于收到点解电容的容量和耐压能力的影响，滤波电容器通常由若干个电容器并联成一组，再由两组CF1和CF2串联而成。因为电解电容器容量的离散性很大，因而CF1和CF2电容组的电容量不完全相等；从而造成电容器组CF1和CF2承受的电压值不完全相等，使承受电压较高的一侧电容器组容易损害，而另一侧也会相继损坏。为了解决这个问题，在电容器组CF1和CF2旁个并联一个电阻RC1和RC2，两者的阻值相等，起均压作用。电容器器组的作用除了滤波以外，还有另外的作用：在整流电路和逆变电路之间起去耦作用，消除两电路之间的相互干扰；为整个电路的感性负载（电动机）提供容性无功功率；电容器组还有储能的作用。（3）限流电路变频器接通电路的瞬间，滤波电容的充电电流很大，此充电电流可能损坏整流桥。 图3.2.1-1限流电路图，当电路中串入限流电阻RL后，就限制了电容充电电流，对整流桥起保护作用。但当电容器组CF1和CF2冲电到一定程度时，限流电阻RL就起反作用了，会妨碍电容器组CF1和CF2进一步充电。为此，在RL旁并了一个短路开关，当电容器组CF1和CF2充电到一定程度时，让其接通，将RL短路。但在很多变频器中已由晶闸管SL所代替。（4）制动电路如图3.1.1-2 中变频器的制动电路由制动电阻RB和晶闸管VB组成。电动机在工作频率下降的过程中，其转子的转速会超过此时的同步转速，处于再生制动状态，拖动系统的动能反馈到直流电路中，但直流电路能量无法回馈给交流电网，只能由电容器组CF1和CF2吸收，使直流电压不断上升（程为泵升电压），升高到一定程度，就会对变流器件造成损害。为此，在电容器组CF1和CF1旁并联了制动电阻RB和制动单元（功率开关管）相串联的的电路。当再生电能经过逆变器的续流二极管反馈到直流电路时，将电容器的电压升高，触发导通与制动电阻RB相串联的功率开关管VB, 让电容放电电流流过制动电阻RB，再生电能就会消耗在电阻上，放电电流的大小由功率开关管VB控制。此方法适用于小容量系统。另一种方法就是整流电路中设置反并联逆变桥，将再生电能回馈给交流电网。此方法适用于大容量系统。(5) 逆变电路三相逆变电路时由V1V6晶闸管构成的三相逆变桥电路和续流电路组成，如图3.1.1-2所示。逆变桥电路的功能是把整流滤波后的直流电逆变成频率、幅值都可调节的交流电。除晶体管以外，其他的电力电子器件都可使用。续流电路是由VD7VD12二极管构成。其主要功能是：一是为电动机的感性无功电流返回直流电源提供通道；二是，当频率下降时，随之同步转速也下降时，电动机处于回馈制动状态，再生电流将通过续流二极管D7D12返回直流电源；三是，在逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管以很高的频率交替导通和截止，在交替导通和截止的换相的过程中也需要续流二极管D7D12提供通道。2. PWM控制技术PWM（Pulse Width Modulation）控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）；面积等效原理是PWM技术的重要基础理论；一种典型的PWM控制波形SPWM：脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形称为SPWM波。逆变桥式电路就是通过PWM的控制得到了电压和频率可调的交流电。SPWM型脉宽调制是这样实现的，在开关元件的控制端加上两种信号：三角载波和正弦调制波，如图3.1.1-3上部分所示。当正弦波的值在某点上大于三角波的值时，开关元件导通，输出矩形脉冲，反之，开关元件截止。输出的矩形脉冲如图3.1.1-3下部分所示。而根据面积等效原理，矩形脉冲可以等效成正弦波，如图3.1.1-4所示。改变正弦波调制波的幅值（不超过三角的幅值）就可以改变输出电压脉冲的宽度，从而改变输出电压在相应时间间隔内的平均值大小，当改变正弦调制波的频率时，就可以改变输出电压的频率。 图3.1.1-3 图3.1.1-4 3三菱变频器FR-F500系列的接线端的功能本设计所使用的变频器都是FR-F500系列的。变频器的接线端口分为上下两部分，上部分为控制接线端，下部分为主电路接线端，图3.1.1-5是变频器主电路的接线端子排布的具体情况，图3.1.1-6是变频器的控制电路的接线端子排布的具体情况。由这两个看来，变频器的主电路接线端子和控制电路的接线端子是比较多的，可以通过了解一下各端子的作用有助于正确使用。 图3.1.1-5 变频器的主电路接线端子 图3.1.1-6 变频器的控制电路的接线端子表3.1.1-1是对变频器的主电路控制端子的说明，该表中的端子号为图3.2.1-3所示。 表3.1.1-1 变频器主电路接线端子说明端子号端子名称 说 明R, S, T交流电源输入连接工频电源U, V, W变频器输出接三相异步电动机R1, S1控制回路电源与交流电源端子R，S连接。当变频器保持异常显示和异常输出，应拆下R-R1和S-S1之间的短路片，并提供外部电源到此端子。P, PR连接制动电阻器拆开端子PR-PX之间的短路片，在P-PR之间连接选件制动电阻器P, N连接制动单元连接选件FR-BU型制动单元，或电源再生单元（FR-RC）.P, P1连接改善改善功率因素DC电抗器拆开端子P-P1间的短路片，连接选件改善功率因数用的电抗器PR, PX连接内部制动回路用短路片将PX-PR间短路时内部制动回路便生效（7.5KW以下装有）。表3.2.1-2中的变频器控制电路接线端子号如图3.2.1-4中所示表3.1.1-2 变频器控制电路接线端子的说明端子号端子名称 说 明STF正转启动STF信号处于ON为正转，处于OFF为停止。程序运行模式时为程序开始信号。当STF和STR同时为ON时，为停止指令STR反转启动STR信号ON为逆转，OFF为停止STOP启动自保持选择使STOP信号处于ON，可以选择启动信号自保持。RHRM,RL多段速度选择用RH,RM和RL信号的组合可以选择多段速度。JOG电动模式选择JOG信号ON时，选择点动运行，用启动信号也能点动。RT第2加减速时间选择RT信号处于ON时选择第2加/减时间。端子号端子名称说 明MRS输出停止RS信号为ON时，变频器输出停止。用电磁制动停止电动机时，用于断开变频器的输出。RES复位用于解除保护回路动作的状态，使端子RES信号处于ON在0.1秒以上，然后断开。AU电流输入选择只有端子AU信号处于ON时，变频器才可用直流420mA作为频率设定信号。CS瞬时停电再启动CS信号预先处于ON时，瞬间停电再恢复时变频器便可自行启动。SD公共输入端子接点输入端子和FM端子的公共端。直流24 V,0.1A电源输出公共端PC直流24V电源和外部晶体管公共端接点输入端当连接晶体管输出，如可编程控制器时，将晶体管输出用的外部电源公共端接到该端子时，可以防止因漏电而引起的误动作。也可用于直流电源输出。10E频率设定用电源DC10V容许负载电流是10,10DC5V容许负载电流是10,2频率设定（电压）输入DC05V时5V对应最大输出频率，输入输出成比例。4频率设定（电流）DC420Ma,20mA对应对大输出频率，输入输出成比例，只有端子AU处于ON时该输入信号有效。1辅助频率设定输入频率信号时，端子2或4的频率设定信号和这个信号相加。5频率设定公共端频率设定信号（端子2,1或4）模拟输出端子AM的公共端子。不要接大地。A,B,C异常输出指示变频器因保护动作而输出停止的转换接点。AC200V 0.3A,DC30V 0.3A,异常时，B-C间不导通，（A-C不导通），正常时，B-C间导通(A-C不导通) 。RUN变频器正在运行变频器输出频率为启动频率以上时为低电平，正在停止或正在制动为时为高电平1。容许负载为DC24V ,0.1A端子号端子名称说 明SU频率达到信号输输出频率到达设定频率的10%时为低电平，正在加/减速或停止时为高电平1 , 容许负载DC24V,0.1A。OL过载报警当失速保护功能动作时为低电平，失速保护解除时高电平1，容许负荷为DC24V,0.1AIPF瞬时停电电压不足保护动作时为低电平容许负载为DC24V,0.1AFU频率检测输出频率为任何设定的检测频率以上时为低电平，以下时高电平，容许负载为DC24V,0.1ASE集电极开路输出公共端端子RUN,SU,OL,IPF,FU的公共端子FM指示仪表用可以从16种监视项目中选1种作为输出*2，例如输出频率、输出信号与监视项目的大小成比例。AM模拟信号输出PU借口通过操作面板的接口，进行RS-485通信遵守EIA RS-485标准；通信方式为多任务通信；通信速率最大为192000b/s；最长距离500m 图3.1.1-7 变频器电路接线图3.1.2 变频器的选择和参数设定1. 变频器的选择本设计中桥式起重机共有六个电动机需要变频器来控制，即大车两个电机、小车起升机构各一个。四台电机选用三台变频器来控制，表3.1.2-1 桥式起重机的电机的型号及功率起升机构电机型号/KWYZR200L-6Z/22小车电机YZR132M-6Z/2.5大车电机YZR160M2-6/27.5起升机构电机为YZR200L-6Z/22型号，该电机是6个磁极，额定转速964r/min,额定电流49.1A, 额定电压为380V。小车电机为YZR132M-6Z/2.5型号，6个磁极，额定转速908r/min，额定电流6.5A, 额定电压为380V。大车电机为YZR160M2-6/7.5型号，为两台这样的电机，额定转速940r/min，额定电流18A, 额定电压为380V。桥式起重机的负载类型属于恒转矩负载类型，有两种变频器类型可以选择：一是采用普通功能型变频器。二是采用具有转矩控制功能的高功能型变频器。本设计采用普通型变频器。变频器的容量要与电动机功率优化匹配，但不能仅由电动机的功率确定变频器的容量，变频器的额定输出电流也是选择变频器的容量时必须考虑的。 连续恒载单台变频器单台电动机运行的场合所需的变频器容量（kVA）需要同时满足下列的三个计算式 (3.1.2-1) (3.1.2-2) (3.1.2-3)式中：为负载所要求的电动机的轴输出功率；为电动机的效率（通常约0.85）；为电动机的功率的因数（通常约0.75）；为电动机的电压(V)为电动机工频电源时的电流（A）为电流波形的修正系数（PWM方式时取1.051.10）为变频器的额定容量（kVA）为变频器的额定电流（A）。此三个变频器容量的计算公式用于单台变频器为单台电动机连续运行的情况。以上三个等式是统一的想，选择变频器时应同时满足三个等式的关系，尤其是“变频器电流”这么一个较关键的量。起升机构电机为YZR200L-6Z/22型号，该电机是6个磁极，额定转速964r/min,额定电流49.1A, 额定电压为380V。将其相关参数带入以上三式，其中 k值取1.07，在式(3.1.2-1) 中 36.92kw(3.1.2-2) 中 34.57kw(3.1.2-3) 中 52.53A由表3.2.2-1中所给的参数起升机构电机变频器可以选择型号为FR-F540-30K-CH小车电机为YZR132M-6Z/2.5型号，6个磁极，额定转速908r/min，额定电流6.5A, 额定电压为380V。将其相关参数带入以上三式，其中 k值取1.07，在式(3.1.2-1) 中 4.19kw(3.1.2-2) 中 4.57kw(3.1.2-3) 中 6.95A由表3.2.2-1中所给的参数小车电机变频器可以选择型号为FR-F540-3.7K-CH。表3.1.2-1 FR-F540系列变频器的参数表型号FR-F540-K-CH0.751.52.23.75.57.5111518.52230374555额定容量(KVA) 1.52.73.75.78.812.217.522.126.732.843.453.364.880.9额定电流（A）2.03.54.87.511.51623293543577085106过载能力120%60秒，150% 0.5秒（反时限性）电压三相，380V至480V ，50Hz/60Hz再生制动转矩最大值15%使用率连续电压波动范围323至528V频率波动范围5%冷却方式自冷强制风冷 一台变频器并联多台电机运行一台变频器并联多台电机运行，上述关于变频器容量的选择原理仍适用。在电动机总功率相等的情况下，由多台小功率的电动机并联，要比由台数少而功率大的电动机并联效率低。两者的电流总值并不相等。因此可以根据各电动机的电流总值来选择变频器，而不是根据功率总值来选择变频器。大车电机为YZR160M2-6/7.5型号，为两台这样的电机，额定转速940r/min，额定电流18A, 额定电压为380V。将其相关参数带入以上式，其中 k值取1.07，在式 (3.1.2-2) 中 25.35kw (3.1.2-3) 中 38.52A由表3.2.2-1中所给的参数大车电机变频器可以选择型号为FR-F540-30K-CH。2 变频器参数设定三菱变频器FR-F540系列的部分参数表 图3.1.2-1 三菱变频器参数表变频器参数的设定主要通过控制面板来是实现，通过MODE键来进行模式转换操作，用上下键来进行参数大小的调节，用SET键来进行设定。（1） 操作模式选择 (Pr.79)Pr.79 是操作模式的选择，设置为2，即“外部操作模式”。（2） 输出频率范围 (Pr.1，Pr.2)Pr.1 “上限频率”设置为60Hz。Pr.2 “下限频率”设置为0Hz。（3） MRS输入选择 (Pr.17)Pr.17 “MRS输入选择”设置为2，即“常闭输入”。（4） “加/减速曲线”选择 (Pr.29) Pr.29 设置为2，即“S形加/减速B”。 该加减速曲线具有缓和加/减速时的振动的效果，防止运输时负荷的倒塌。（5） 转速显示 (Pr.144)Pr.144 “速度设定转换”设置为6，因为该设计所使用的电机的极对数都是6极的。（7）频率到达动作范围 (Pr.41)Pr.41 “频率到达动作范围”设置为5，即5% 。（8）瞬停再启动 (Pr.162)Pr.162 “瞬停再启动动作选择”设置为0，即断电通电后以断电前的频率运行。频率搜索开始检测瞬时掉电后开始频率搜索。（9） 适用电机 (Pr.71)Pr.71 “适用电机”设置为1，即恒转矩电机。（10） 电压输入 (Pr.73)Pr.73 “0-5V/0-10V选择”设置为1，即0-5V。（11）逆转防止选择 (Pr.78)Pr.78 “逆转防止选择”设置为0，即正转和逆转均可。（12）PID控制 (Pr.128Pr.134)Pr.129 “PID比例常数”设置为9999，即无效。Pr.130 “PID积分时间”设置为9999，即无效。（13） 输出欠相保护选择 (Pr.251)Pr.251 “输出欠相保护选择”设置为1，即输出欠相保护有。（14） 频率设定电压 (Pr.902Pr.905)Pr.902 “频率设定电压偏置”设置为0V对应0Hz。Pr.903 “频率设定电压增益” 设置为5V对应50Hz。（15） 冷却风扇动作选择 (Pr.244)Pr.244 “冷却风扇动作选择”设置为，即通电后就运行(独立于变频器是否运行或停止)。其他设置都默认出厂设置。3.2 变频器的配置和制动电阻3.2.1 变频器基本配置的选择变频器的基本配置有隔离开关、交流接触器、交流电抗器、直流电抗器。隔离开关的主要作用是将用电设备与电源隔开。本设计中大车的变频器的额定电流为57A, 小车的变频器的额定电流为7.5A,起升机构的为57A。所以隔离开关选择型号为GLCK-125A的隔离开关，该型号的隔离开关额定电流为125A。交流接触器的作用:电源一旦断电，在变频器内部保护功能起作用时，通过接触器自动将变频器与电源电源脱开，以免在外部端子控制状态下重新供电时变频器自行工作，以保护设备的安全及人身安全。在本设计中交流接触器选择为GTM1L-225系列的额定电流为125A。电抗器的作用：实现变频器和电源的匹配，限制因电网电压突变和操作过电压所引起的 冲击电流，保护变频器，改善输入电能的功率因数，减少高次谐波的不良影响。在选择交流电抗器的容量时，一般按下式进行 (3.2.1-1)式中：U为额定电压，单位V。 I为额定电流，单位A。 为最大频率，单位Hz。 L为电感量，单位H。也可以依照表3.2