门座起重机旋转机构电气控制线路设计说明书.docx
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门座起重机旋转机构电气控制线路设计说明书
1．机电传动方案的分析与拟定
1.1旋转机构特性分析
旋转机构的作用是使起重机的回转部分作回转运动，以达到水平面内运移货物的目的，要求旋转机构可做360°回转作业。
该机构为双电动机驱动，电动机功率为37KW，额定电流为70A。
因门机需左旋（右旋），故要求电动机能正反方向运行；起动分四级起动，且有调速要求，但调速要求不高，现一般采用变频器实现分级起动和调速控制。
两台电动机通过大齿盘啮合，忽略齿隙影响后，则不可能产生瞬时速度差，更不可能产生积累角位移差，故对双电动机同步运行要求也不高。
但旋转机构的转动惯量特别打，该机构虽属于频繁作业设备，但其平均作业时间短于提升机构，不是影响作业效率的关键机构，不必按电动机过载能力选择变频器。
1.2变频调速方案的分析与设计
1.2.1变频调速原理
交流电动机的转速表达式：
n＝60f（1－s）/p
式中 n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式子可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和电动机的转速。
转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。
1.2.2变频调速控制方式分析
低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。
变频器变频的控制方式现有恒定压频比（V/F）控制变频调速，矢量控制（FOC）变频调速和直接转矩控制变频调速三种控制方式，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽，调速时稳定性好并可以达到提高运行效率，获得长期的经济效益的目的。
一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1：
10以上，U/f控制方式调速范围可以达到1：
40，高性能的矢量控制方式的变频器的调速范围可以达到1：
1000。
1.2.2.1U/f控制方式：
由n＝60f（1－s）/p以及异步电动机的电势可知外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比，即U
E=CfФ，由于C为常数，则Ф
E/f≈U/f，因此，若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变，亦即频率降低，则磁通增加;频率增加，则磁通降低。
显而易见，前者有可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致励磁电流的增加而引起铁心过热。
为了解决这亦问题，这就要求在变频调速系统中，降低频率的同时最好降压，即频率与电压能协调控制，亦即U必须与f成比例的变化。
一般来说，在恒转矩变频调速系统中，如能保持U/f=定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力保持不变，同时，可满足磁通Ф基本不变的要求。
而在恒功率调速时，如能满足U/
=定值的条件，则调速过程中电动机的过载能力也能保持不变，但此时磁通将发生变化，如果此时亦按恒转矩调速满足U/f=定值的条件，则磁通将基本保持不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。
从而根据U/f协调控制的方法不同，可以有不同的调速特性。
1.2.2.2矢量控制方式：
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。
其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。
通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。
矢量控制方法的提出具有划时代的意义。
然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
一般来说，起重机的起升机构选用高性能磁通矢量控制开环或闭环变频调速方案，而平移机构中采用恒定压频比（U/F）控制的开环或闭环变频调速方案。
本设计中采用恒定压频比（U/F）控制，因为其控制电路结构简单，控制容易实现，成本较低，它的变频机械特性基本上是向下平移，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求硬度也较好，突出优点是可以进行电机的开环速度控制。
在起重机中，回转机构虽属于频繁作业设备，但其平均作业时间短于提升机构，不是影响作业效率的关键机构，虽有调速要求，但调速要求不高，因此选用开环U/f控制。
1.2.3变频器选型计算
1.2.3.1变频器的选型：
在本次设计中，采用的变频器为安川—G5A系列变频器，因已确定使用U/F控制，则可进一步选择只带有U/F控制模式的型号以降低成本。
1.2.3.2变频器规格的选择
原始数据：
电动机的功率为37KW，额定电流为70A
因旋转机构不是影响作业效率的关键机构，不必按电动机过载能力选择变频器。
按额定电流选择变频器规格：
≥
式中，
是变频器额定电流；
是电动机额定电流；
是电流裕量系数，一般可取1.05~1.15。
本次设计中取
=1.1,则
A，查表，故变频器选CIMR—G5A4075型号。
1.2.4制动电路设计
通用变频器提供的制动方式主要有：
能耗制动、再生制动、整流回馈等。
本次设计对回转机构的制动方式采用能耗制动，在变频刚刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的作用，转子转速未变。
当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变180度，电动机此时处于发电机状态；与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降，此时的电动机处于再生制动状态。
在直流电压U超过一定值时，就要求提供一条“放电回路”把再生的电能消耗掉。
此时通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。
能耗制动的重要部件之一是制动部件BV，其作用是当直流回路电压UD超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路经过RB释放能量。
能耗制动电路图如下所示：
能耗制动制动单元电路图
1.2.4.1制动电阻的作用
在电动机制动过程中，储存在电动机中的动能经过变频器回馈到直流侧，从而引起滤波电容电压升高，当电容电压超过设定值后，就经制动电阻消耗回馈的能量。
可防止电动机减速过程中所形成的再生发电制动以及制动过程中的能量回馈，造成变频器和电机的损坏。
1.2.4.2制动电阻的选用
制动电阻粗略算法为
=（0.5~1）
╱
式中，
为电动机额定电流；
为直流回路电压。
在我国回路的电压可计算为：
=380x
x1.1≈720V
计算可得
=
=5.14Ω
1.2.4.3制动单元规格的选择：
两台电机额定功率之和为74Kw，制动电阻值为5.14Ω，查表可选制动单元的型号为：
Comron-4045B。
1.2.5变频器输入侧抗干扰措施
1.2.5.1变频器输入侧装设交流电抗器
在变频器的输入端加接交流电抗器，其作用是抑制变频器造成的高频峰值电流，或电容器开断造成的峰值电流对变频器的危害；同时其利用电抗器压制电流变化率的特性，使输入电流由断续变成连续，等效功率因素提高；抑制输入侧谐波干扰；也抑制外部对变频器的电压畸变干扰；有抑制输入电路冲击干扰的作用，降低电机噪声、改善起动转矩、在电机轻载时改善电机功率因数的作用。
1.2.5.2交流电抗器的选择：
在选择交流电抗器的容量时，一般按下式进行
L=
计算可得L=
=0.235mH
式中：
L为电抗器容量，H；U为额定电压，单位V；I为额定电流，单位A,电抗电流值为电动机额定电流的1.1~1.2倍；f为最大频率，单位Hz；（2%~5%）U的选择根据速比要求定，速比愈大百分比愈大。
1.2.5.3输入侧噪声滤波器
一般有了电抗器之后的输入电流里仍剩余有谐波成分，如果要进一步抑制这些谐波成分，需要加入输入侧噪声滤波器。
输入侧噪声滤波器是由电容和电感组成的复合电路，它对谐波的滤除作用即单纯的电抗器。
但加装了电抗器后，输入侧的干扰情况对于变频器自身工作一般已经没有妨碍了，在工程时间中需要装设输入噪声滤波器的情况较少发生。
1.3保护环节的设计
1.3.1变频器输入侧加自动空气断路器和接触器
自动空气断路器的作用是在安装，检查或维修变频器时，关断QF即能使变频器与电源隔离,同时可避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值。
选择原则：
为变频器配置的断路器容量为电机额定电流的1.3~1.4倍，整定值为断路器额定值的3~4倍。
交流接触器在电路中的作用主要是便于操作，当变频器发生故障时，它能迅速切断变频器的电源。
选择原则：
交流接触器一般不作回路开断器用，故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其寿命。
1.3.2变频器与电动机之间加热继电器
在变频器与电动机之间串热继电器，当负载和电网波动造成电路中电流长期过大，温度上升，为防止电动机和变频器损坏而采取的断路保护。
1.3.3零位联锁保护和行程保护
零位联锁保护：
失压保护的另一种形式，用来防止在供电中断后又恢复供电的情况下，如果控制器处于工作位置则电动机将进入自启动状态，在无人操作时容易引起机器损坏和事故。
行程保护：
用行程开关，根据生产机械要求运动的位置通过行程开关发出信号，再通过控制电路中的继电器和接触器来控制电动机的工作状态。
1.3.4旋转手动刹车保护
在起重机出现故障或紧急情况时，为能够实现快速刹车并停机一方面在控制电路中设计刹车开关，使控制电路能立即断电，另一方面在电机部分加装刹车装置，以便快速停机。
2.旋转机构PLC控制线路设计
2.1PLC工作原理及特点
与普通微机类似，PLC也是由硬件和软件两大部分组成的。
在软件的控制下，PLC的才能正常的工作。
软件分为系统软件和应用软件两部分。
PLC的基本工作过程如下：
1）输入现场信息：
在系统软件的控制下，顺次扫描输入点，读入各输入点的状态。
2）执行程序：
顺次扫描用户程序中的各条指令，根据输入状态和指令内容进行逻辑运算；
3）输出控制信号：
根据逻辑运算的结果，输出状态寄存器向各输出点并行发出相应的控制信号，实现所要求的逻辑控制功能。
上述过程执行完后，又重新开始，反复执行。
每执行一遍所需的时间称为扫描周期。
PLC的扫描周期通常是几十MS。
为了提高工作的可靠性，及时接受外来的控制命令，PLC在每次扫描期间，除完成上述3步操作外，通常还要进行故障自诊断，完成与编程器的通信。
PLC的主要特点有以下几个方面：
1）应用灵活，扩展性好
2）操作方便
3）标准化的硬件和软件设计，通用性强
4）完善的监视和诊断功能
5）控制功能强
6）可适应恶劣的工业应用环境
7）体积小重量轻性价比高省电
2.2PLC输入/输出地址表（附表1）
2.3PLC外部接线图（附表2）
2.4PLC梯形图（附表3）程序（附表4）
3．旋转机构电路工作原理
旋转机构为双电机驱动，采用变频调速，四级起动，能正反转，具有零位保护、行程保护和旋转手动刹车保护，其主电路如A3图纸所示，电源经交流接触器的触点及电抗器输入到变频器中，变频器在PLC的控制下，将调整后的电压及频率输出到主旋转电机中，实现对电机的控制。
其间加装热继电器，实现过载保护。
另外，电源经空气断路器及交流接触器的触头输入给风机，以实现冷却。
变频器的控制侧与PLC的输出对应，通过给PLC相应的输入，实现相应的输出，从而控制变频器，实现启动、调速和制动的控制和保护。
以正转为例，当主令开关在0位时，SA：
1路接通，中间继电器100得电，同时变频器输入侧触头KMP闭合，变频器得电，旋转正常指示灯HL3亮，旋转电机风机启动。
当主令控制器为右1档时，SA：
2路接通，控制电机正传，同时调速输入为00，当主令控制其为右2档时，SA：
2路和SA：
5路接通，调速输入为01，同理，右3档时，调速输入为10，右4档时，调速输入为11。
从而通过对主令控制器的控制实现了启动和速度的调节。
在制动时，由于速度档的变化，速度降低，此时多余的电能便被消耗在制动单元与制动电阻上，从而实现了电机的制动。
Q1、Q2为空气断路器，当其因电流过大而断开时，将直接切断控制电路和主电路的电源，实现短路保护。
手动刹车时，一方面使制动单元制动，另一方面使开关STK断开，切断了PLC的输出。
在正反转控制电路中分别串入了正反转行程保护开关，一旦动作，立即使电机停转。
当变频器出现故障时，通过BP：
18的输出控制PLC，从而使变频器的电源切断，同时故障指示灯HL2亮。
当故障修复时，1SB闭合控制PLC，从而给变频器复位信号。
变频器运行时，其运行指示灯HL1亮。
4.设计小结
通过本次课程设计，一方面，扎实了机电传动课程的基础，更加深如的了解了PLC的工作过程，以及变频器的工作原理，门座式起重机的旋转机构电路控制等等，拓宽了知识面；另一方面，学会了从无到有，在现有条件下自己找资料，分析资料，共同讨论，从而最终完成设计要求。
总之，收获颇丰。
5.参考文献
1.《交流调速系统》刘竞成主编上海交大出版社
2.《机电传动控制》邓星钟主编华中科技大学出版社
3．《电器与PLC控制技术》陈志新主编北京大学出版社
4.《起重运输机械电控线路及其元件》周欣华主编人民交通出版社
5.《起重机设计手册》机械工业出版社
附表1
现场器件与PLC内部等效继电器对照表
现场器件
内部等效继电器地址号
说明
SA:
1
400
主令控制器0位挡
SA:
2
401
正传运行主令控制
SA:
3
402
反转运行主令控制
SA:
4
403
多速调定1主令控制
SA:
5
404
多速调定2主令控制
Q1-2
405
断路器
输入
KMP
406
变频器电源解除器辅助触点
BP:
9
407
变频器运行信号
BP:
18
410
变频器故障输出
ZD
411
变频器制动单元热敏开关
1ST
412
正传行程保护
2ST
413
反转行程保护
1SB
414
故障复位
KMP
430
变频器电源
ZC
431
正转运行
FC
432
反转运行
KM1
433
多速调定1
KM2
434
多速调定2
输出
KMF
435
风机电源
K1
436
变频器故障
K2
437
故障复位
HL1
440
变频器运行指示
HL2
441
故障指示
HL3
442
旋转正常指示
附表2
附表3
附表4
步序
语句
说明
步序
语句
说明
1
LD400
18
LD431
2
AND405
19
AND403
3
ANI410
20
OUT433
多速调定1
4
OUT100
21
ALD431
5
OUT430
变频器电源
22
OR432
6
OUT442
旋转正常
23
AND404
7
MC100
24
OUT434
多速调定2
8
LD430
25
MCR100
9
OUT435
电源风机
26
LD411
10
LD401
27
OUT436
变频器故障
11
ANI402
28
LD414
12
ANI412
29
OUT437
13
OUT431
正转运行
30
LD407
故障复位
14
LD402
31
OUT440
15
ANI401
32
LD410
变频器运行指示
16
ANI413
33
OUT441
17
OUT432
反转运行
34
END
故障指示
升级会员 