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变频器结合PLC改造桥式起重机电控系统探讨.doc
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变频器结合PLC改造桥式起重机电控系统探讨.doc
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摘 要
本论文首先回顾了起重机电控系统的发展简史,结合电力拖动系统的工作
特点,指出目前较广泛地应用于我国建厂较早的火力发电厂桥式起重机电控系统
存在的缺陷。在畅述变频调速原理的基础上,通过对浙江杭州半山发电厂装卸桥
(桥式起重机)电控系统的具体改造及其改造前后性能的对比,对变频器结合
PLC 改造桥式起重机原电控系统,推广变频器在起重机这一特殊的领域应用前景
进行了探讨。
关键词:起重机 电控系统 调速 变频器 PLC
Abstract
First,the paper reviews the development of the lift power control system with the
working characteristic of the power dragging system,and point out the weakness of
the bridge lift power control system that widely apply nowadays in the firepower
plant set previously in china。On the basis of discussing the theory of the frequency
conversion & timing , through the modification of the bridge lift power control
system in Zhejiang Hangzhou Banshan power plant and the comparison of the
performance before and after the modification,the paper probe into the foreground of
modifying the bridge lift power control system with frequency converser and PLC,
popularize the application of frequency converser in the lift field。
目 录
第一章:起重机及其电控产品发展简史______________________________4
1、 起重机的定义及分类
2、 起重机电控产品发展简史
第二章:早期桥式起重机传动控制系统存在的缺陷____________________5
1、 电力拖动系统及工作要点
2、 调速的概念及主要指标
3、 早期桥式起重机传动控制系统特点
4、 调速对起重机使用性能的影响
5、 点动对起重机电气设备的影响
第三章:抓斗装卸桥(桥式起重机)电控系统改造_____________________9
1、该抓斗装卸桥主要部件及使用概况
2、抓斗装卸桥负载特性
3、交流变频调速技术原理及优点
4、变频调速装置分类
5、变频器选用
6、变频调速控制系统的构成
7、制动电阻的确定
8、其它设备材料选型
9、参数设置及 PLC 程序调试
10、改造前后性能比较
第四章:总结____________________________________________________21
第一章 起重机及其电控产品发展简史
第一节 起重机的定义及分类
起重机械是以间歇、重复工作方式通过起重吊钩或其他取物装置起升、下
降或升降运移重物的机械设备。它包括起重机、轻小型起重设备和升降机。其中
起重机是使挂在起重吊钩或其他取物装置上的重物在三维空间实现起升、下降和
水平位移的起重机械,它的作业范围是一个由场地运行轨道和起重机本身结构与
机构所决定的一个平面或一个立体空间。
起重机是减轻笨重体力劳动、提高作业效率、实现安全生产的起重运输设
备。在国民经济各部门的物质生产和物资流通中,起重机作为关键的工艺设备或
重要的辅助机械,广泛用于各部门作涉及起重作业的物品吊运、装卸、安装、修
理和救援等工作。
按照不同的标准和依据可以对起重机进行不同的分类。按构造特征类型可
分为:桥式类型起重机(通用桥式起重机和堆垛起重机,龙门起重机和装卸桥)、
臂架型起重机及缆索型起重机;按支承及运行方式可分为:固定式起重机、汽车
起重机,履带起重机,浮式起重机、悬挂式起重机、爬升式起重机等;按取物装
置及专门用途可分为:吊钩起重机、抓斗起重机电磁起重机、堆垛起重机、冶金
和热加工专用起重机、集装箱起重机等;按主要工作机构的驱动方式可分为:人
力驱动起重机、电动(含电机液力驱动)起重机、液压起重机、气动(压缩空气
驱动)起重机内燃驱动起重机、蒸汽起重机等。
第二节 起重机电控产品发展简史
我国的起重机制造业奠基于 20 世纪五六十年代,当时主要是仿制前苏联的
产品,其电气设备主要有:电动机、主要电器元件和电控设备,均按前苏联的型
号和图样生产。至 20 世纪 70 年代后,我国起重电控产品开始吸收西方引进技术,
逐步出现我国自行设计的产品如 JZR2 和 YZR 型电动机,CJ12 和 CJ24 型重任务
接触器,THQ1 型联动台,PQR 和 QR 型控制屏等,扩大产品范围,提高调速性能。
80 年代出现了产品更新换代的高潮,产品的设计综合吸收了德国、日本、法国
和原苏联等国家的先进技术,也归纳总结了我国自己多年积累的经验和技术,开
发出的产品系列、品种较全,调速性能提高,加上积极采用 IEC 标准,使我国起
重电控产品摆脱了 50、60 年来原苏联技术的影响。在 80 年代末开始我国起重电
控行业又着手对以 70 年代统一设计产品(包括 PQR1~6)为代表的老产品即低
调速要求电控产品进行更新改造工作。首先完成了与 YZR 电动机配套的起重机成
套电阻器的统一更新设计,接着又分片对老产品更新问题进行探索。这些产品均
广泛的运用于我国的工矿企业,尤其是我国建厂较早的火力发电企业。
第二章 早期桥式起重机传动控制系统存在的缺陷
第一节 电力拖动系统及工作要点
所谓电力拖动系统是一种电气传动系统,即以电动机为动力驱动控制对象
(工作机构)作机械运动的整套装置。如果对象是生产机械,有一定的功率转换
(电能变为机械能)要求,习惯上称之电力拖动系统。该系统通常包括三个主要
环节:电动机,控制设备和机械传动机构。在这里,生产机械:是电力拖动系统
的服务对象。对电力拖动系统工作情况的评价,将首先取决于对生产机械的要求
是否得到了充分的满足。电动机及其控制系统:用于产生拖动生产机械的原动力,
决定系统的运行速度。这是电力拖动系统的主要研究对象。传动机构:用于将电
动机的转矩传递给工作机械,带动工作机械一起转动。大多数传动机构都具有变
速功能,或在一定范围内进行有级调速。常见的传动机构有带与带轮、齿轮变速
箱、蜗轮与蜗杆、联轴器等。
描述电力拖动系统运行状态的基本物理量是:
1. 转速 n,这是电力拖动系统的工作目标。事实上,电力拖动系统
的根本任务就是根据生产的需要,使工作机械在一定的速度下运
行。
2. 转矩 T 这是拖动系统的转动的原因。对于电动机来说,它是原动
力。由于电动机的转矩是由电流和磁场间相互作用而得,故称电
磁转矩,用 T
M
表示。对负载来说在大多数情况下呈现为阻转矩,
用 T
L
表示。此外,还有各种损耗转矩,如摩擦转矩、风转矩等。
损耗转矩笼统地用 T
0
表示。当电力拖动系统处于稳定运行状态时,
其主要特点是:
(1) 系统稳定在某一转速下做等速运行;
(2) 系统的各转矩间处于平衡状态:T
M
=T
L
+T
0
≈T
L
电动机和负载的转矩和转速之间存在着一定的函数关系,机械特性就是用
来描述这种关系。就是说对应于某一个负载转矩值(由于在稳定运行时电磁转矩
总是和负载阻转矩相等),可以决定拖动系统在某一转速下运行。即:n=f(T)。
对于起重机械来说,往往是由多套运行机构配套运作,由于每套机构的运
行要求不同,故可以说,一台起重机械里的各套电气拖动(传动)系统中的电机
和负载有不同的机械特性,必须加以区别对待,同时设计出不同的电气控制系统
方案。
第二节 调速的概念及主要指标
在生产过程中,为了生产的需要,有时我们需要人为的改变,调整生产机
械中电动机的速度,已达到为我们生产服务的目的,这就是调速的要求。这种调
速有这样的特点:(1)速度调节是根据生产过程的需要而人为地、强制性地进行
的。(2)调速前后,负载本身的状态并没有发生改变。(3)调速前后,电动机的
机械特性是不同的。转速的改变是从不同的机械特性上得到的。
各行各业的生产机械对调速的具体要求和目的是千差万别的,但归结起来,
一般的调速指标主要有以下两个:
1. 调速的范围 即最高转速与最低转速之比,用α
n
来表示。
α
n
=n
max
/n
min
式中 n
max
-最高转速;
n
min
-最低转速。
2. 调速的平滑性 以相邻两档转速的差值为标志(用ε
n
来表示)。 ε
n
=n
i
-n
i+1
式中 n
i
-第 i 档转速
n
i+1
-第 i+1 档速度
现在的变频调速系统,ε
n
≤0.3r/min,其平滑性是非常好的。
3. 调速后的工作特性,主要表现在以下两个方面:
(1) 静态特性 主要是调速后机械特性的硬度。对绝大多数负载来
说,机械特性越硬,则负载变化时,速度变化越小,工作稳定。
所以希望机械特性越硬越好。但也有个别负载要求较软的机械
特性。
(2) 动态特性 即暂态过程中的特性。主要指标有两个方面:1)
升速(包括起动)和降速(包括制动)过程是否快捷而平稳。
2)当负载突然增减时,系统的转速能否迅速恢复。
我们知道,三相异步电动机在以下方面都比直流电动机优越:(1)结果简
单,价格便宜,维修方便;(2)没有换向器,单个电机可以制成大容量、高转速、
高电压;(3)可以使用于有爆炸气体及尘埃等恶劣环境。但是,在调速性能及其
控制性能上还不如直流电动机。近一、二十年来随着电力电子器件可靠性的提高
和新器件的开发,随着计算机控制技术的发展和现代控制理论的应用,使异步电
动机的调速性能及控制技术的可靠性提高,异步电动机交流调速系统得到了日益
广泛的应用。目前在我国的起重设备中,运用的绝大部分也是异步电机交流调速
系统。
第三节 早期桥式起重机传动控制系统特点
起重机对电气传动的要求有:调速、平稳或快速起制动、大车运行纠偏和
电气同步、抓斗起升与开闭机构的协调运作、吊重止摆等。其中调速常作为重要
要求。大多数的起重机调速采用交流调速,许多投用较早的桥式、门式起重机使
用的电控设备是按照 70、80 年代我国统一设计的电控设备,例如有运行机构用
的 PQY 系列、起升机构用 PQS 系列、抓斗机构用 PQZ 系列及保护箱 XQB1 系列。
这样的电控系统较少地采用精确而复杂地调速方案,较多地通过调节转子电阻一
类的简单方案,不惜牺牲一些效率指标,大量采用如反接制动、单相制动、再生
制动、动力制动(能耗制动)等制动调速方式来满足起重机地调速要求,达到停
稳停准的目的。这样的低调速要求,实际上相当于不能调速。随着生产自动化程
度的提高,这种调速控制方式已经越来越不能适应现代化要求的准确、高效的生
产方式。如起重机各机构只有一种速度,就很难同时满足准确到位(慢速)和提
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