关于PLC和变频器的桥式起重机控制系统设计资料.docx
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关于PLC和变频器的桥式起重机控制系统设计资料
摘要
隨著現代控制理論的應用,微處理器和微電子技術的發展,使變頻調速控制系統日趨成熟。
而橋式起重機作為物料搬運系統中一種典型設備,在企業生產活動中應用廣泛作用顯著,故對於提高其運行效率,確保運行安全,降低物料搬運成本是十分重要。
傳統的橋式起重控制系統主要採用繼電器接觸器進行控制,採用交流繞線串電阻的方法進行啟動和調速,這種控制系統存在可靠性差,故障率高,電能浪費大,效率低等缺點。
因此根據橋式起重機的運行特點,將可編程序控制器與變頻器結合應用於橋式起重機控制系統,其中PLC系統則採用SIEMENS公司產品,大大提高了操作精度和穩定度;綜合保護功能完善,便於及時發現、查找、處理故障;並且節約了能源。
關鍵字:
可編程序控制器;橋式起重機;變頻調速;變頻器
目錄
第一章緒論
1.1橋式起重機簡介
橋式起重機在冶金企業及其它行業有著廣泛的應用,其作用主要用來實現物體的升降和轉運,橋式起重機工作環境惡劣,工作任務重。
它能否正常工作直接影響到生產效率提高和工作任務的完成,甚至關係到人身、設備的安全。
經過幾十年的發展,我國橋式起重機製造廠和使用部門在設計、製造工藝、設備使用維修、管理方面,不斷積累經驗,不斷改造,推動了橋式起重機的技術進步。
但在實際使用中,結構開裂仍時有發生。
究其原因是頻繁的超負荷作業及過大的機械振動衝擊所引起的機械疲勞。
因此,除了機械上改進設計外,改善交流電氣傳動,減少起制動衝擊,也是一個很重要的方面。
傳統的起重機驅動方案一般採用:
(1)直接起動電動機;
(2)改變電動機極對數調速;(3)轉子串電阻調速;(4)渦流制動器調速;(5)可控矽串級調速;(6)直流調速。
前四種方案均屬有級調速,調速範圍小,無法高速運行,只能在額定速度以下調速;起動電流大,對電網衝擊大;常在額定速度下進行機械制動,對起重機的機構衝擊大,制動閘瓦磨損嚴重;功率因數低,在空載或輕載時低於0.2-0.4,即使滿載也低於0.75,線路損耗大。
目前串級調速產品的控制技術仍停留在模擬階段,尚未實現控制系統具有很好的調速性能和起制動性能,很好的保護功能及系統監控功能,所以有時採用直流電動機,而直流電動機製造工藝複雜,使用維護要求高,故障率高。
我們所研究的橋式起重機是電動雙梁橋式起重機,該起重機由起重小車、橋架金屬結構、橋架運行機構以及電氣控制設備等四個部分組成。
機構主要指主起升機構、副起升機構、小車運行機構、大車運行機構。
在電氣控制系統中,其供電一般是通過電纜捲筒將電源輸送到中心電器上,起重機機為低壓供電系統,電氣控制部分集中在操作室和電氣房內,安全保護裝置裝在在適當的位置上。
1.2本課題設計的意義、主要內容及基本參數
傳統橋式起重機的控制系統主要採用交流繞線轉子串電阻的方法進行啟動和調速,繼電一接觸器控制,這種控制系統的主要缺點有:
1.橋式起重機工作環境差,工作任務重,電動機以及所串電阻燒損和斷裂故障時有發生。
2.繼電一接觸器控制系統可靠性差,操作複雜,故障率高。
3.轉子串電阻調速,機械特性軟,負載變化時轉速也變化,調速不理想。
所串電阻長期發熱,電能浪費大,效率低。
要從根本上解決這些問題,只有徹底改變傳統的控制方式。
其中,具有代表性的交流變頻調速裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應用,為PLC控制的變頻調速技術在橋式起重機系統提供了有利條件。
變頻調速以其可靠性好,高品質的調速性能、節能效益顯著的特性在起重運輸機械行業中具有廣泛的發展前景。
本論文研究了變頻調速技術在20/5t*19.5m通用橋式起重機中的應用,並且根據原有的控制結構,結合組態軟體和PLC技術,提出了一個改進的系統控制結構,並且採用此體系結構實現了橋式起重機變頻調速系統。
本課題橋式起重機基本參數:
該機的起重量為20/5噸,其跨度(L)為19.5m小車起升速度為15m/min,大車起升速度為7.5m/min.小車運行速度為45m/min,大車運行速度為75m/min。
第二章向量控制變頻調速
2.1變頻調速的基本原理
非同步電機的轉速公式為:
=(1-)(2.1)
其中:
—非同步電動機的轉速,單位為r/min;
—定子的電源頻率,單位為Hz;
—電機的轉速滑差率;
—電機的極對數。
由上式(2.1)可知,如果改變輸入電機的電源頻率,則可相應改變電機的輸出轉速。
在電動機調速時,一個重要的因素時希望保持每極磁通量為額定值不變。
磁通太弱,沒有充分利用電機的磁心,是一種浪費:
若要增大磁通,又會使磁通飽和,從而導致過大的勵磁電流,嚴重時會因為繞組過熱而損壞電機。
對於直流電機來說,勵磁系統是獨立的,所以只要對電樞反應的補償合適,保持不變是很容易做到的。
在交流非同步電機中,磁通是定子和轉子合成產生的。
三相非同步電動機每相電動勢的有效值是:
(2.2)
式中:
—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值,單位為V;
—定子頻率,單位為Hz;
—定子每線繞組串聯匝數;
—基波繞組係數;
—美極氣隙磁通量,單位為Wb;
由公式可知,只要控制好和便可以控制磁通不變,需要考慮基頻(額定頻率)
以下和基頻以上兩種情況;
1.基頻以下調速
即採用恒定的電動勢。
由上式可知,要保持不變,單頻率從額定值向下調節時,必須同時降低然而繞組中的感應電動勢是難以控制的,但電動勢較高時,可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降,而認為定子相電壓U1≈E,則得U1/f1=常值。
低頻時,U1和讀數較小,定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著,不能在忽略。
這時,可以人為的把電壓U抬高一些,以便近似的不補償定子壓降。
帶定子壓降補償的恒功率比控制特性為b線(),無補償的為a線()。
如圖2.1所示:
圖2.1恒壓頻比控制特性
2.基頻以上調速
在基頻以上調速時,頻率f可以從往上增高,但電壓u磁通與頻率成反比的降低,相當於與直流電機弱磁升速的情況。
把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來,可得到非同步電動機的變頻調速控制特性,如圖2.2。
如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流,則電動機都能在溫升容許的條件下長期運行,這時轉矩基本上隨磁通變化。
在基頻以下,屬於“恒轉矩調速”的調速,而在基頻以上基本上屬於“恒功率調速”。
圖2.2非同步電動機變頻調速控制特性
2.2變頻器的基本結構和功能
變頻器的基本結構見圖2.3
圖2.3變頻器的結構圖
變頻器的功能是為電動機提供可變頻率的電源,實現電動機的無極調速。
變頻器具備對電機和變頻器本身的完善保護功能,如過熱、超載、過流、過壓、缺相、接地等,從而避免備在不正常狀態下長時間運行,保護設備不至於損壞。
2.2.1變頻器的主電路
電力電子開關器件
電力半導體器件己經歷了以晶閘管為代表的分立器件,以可關斷晶閘管(GTO),巨型電晶體(GTR),功率MOSFET、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)為代表的功率集成器件(PID),以智能化功率積體電路(SPIC),高壓功率積體電路(HVIC)為代表的功率積體電路(PIC)等三個發展時期。
從晶閘管發展到PID,PIC通過門極或柵極控制脈衝可實現器件導通與關斷的全控器件。
在器件的控制模式上,從電流型控制模式及發展到電壓型控制模式,不僅大大降低了門極(柵極)的控制功率,而且大大提高了器件導通與關斷的轉換速度,從而使器件的工作頻率不斷提高。
在器件結構上,從分立器件發展到由分立器件組合成功率變換電路的初級模組,繼而將功率變換電路與觸發控制電路、緩衝電路、檢測電路等組合在一起的複雜模組。
整流電路
一般的三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。
它的主要作用是對工頻的外部電源進行整流,並給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。
整流電路按其控制方式,可以是直流電壓源,也可以是直流電流源。
逆變電路
逆變電路是利用六個半導體開關器件組成的三相橋式逆變電路,有規律的控制逆變器中的主開關元器件的通與斷,得到任意頻率的三相交流電輸出。
它的主要作用是在控制電路的控制下,將平滑電路輸出的直流電源轉換為頻率和電壓都任意可調的交流電源。
逆變電路的輸出就是變頻器的輸出,它被用來實現對非同步電動機的調速控制。
2.2.2變頻器的控制電路構成
包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部介面電路以及保護電路等幾個部分,是變頻器的核心部分。
控制電路的優劣決定了變頻器性能的優劣。
控制電路的主要作用是完成對逆變器開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。
隨著電力半導體器件和微型電腦控制技術的迅速發展,促進了電力變頻技術新的突破性發展,70年代後期發展起來的脈寬調製(PulseWidthModulation,PWM)技術成了現在最常用的變頻器功率開關器件的控制策略。
SPWM(SinusoidalPWM)則是較為常用的技術。
其通常是採用調製的方法,即把正弦波作為調製信號,把接受調製的信號作為載被,通過對載波的調製即可得到SAM波形。
通常採用等腰三角波作為載波,因為等腰三角波上下寬度與高度線性關係,且左右對稱,當它與正弦波調製信號相交時,如在交點時刻控制電路中開關器件的通斷,就可以得到寬度正比於正弦波幅值的脈衝,這正好符合SPWM控制的要求。
三角載波的頻率fc,和正弦調製波的頻率fr,之比即fc/fr=Nc稱為載波比。
用生成的SPWM波控制逆變器開關器件的通斷,可得到等幅且脈衝寬度按正弦規律變化的矩形脈衝列輸出電壓。
正弦調製波的頻率fr,即是逆變器的輸出頻率f1改變fr,便可改變f1三角載波的幅值為恒定,因而改變正弦調製彼的幅值就改變了矩形脈衝的面積,由此實現輸出電壓幅值的改變。
2.3變頻調速的控制方式—向量控制方式
2.3.1向量控制的基本思想
向量控制的基本思想是:
將非同步電動機的物理模型等效變換成類似直流電動機的模型,再仿照直流電動機去控制它,等效的原則是在不同座標中產生的磁動勢相同。
由電動機原理可知,非同步電動機三相定子繞組電流在空間產生一個角速度為ω1的旋轉磁場。
若有兩個互相垂直的M繞組和T繞組與旋轉磁場同步旋轉,繞組中分別通以直流電流iM和iT,產生的磁動勢可以與三相合成磁動勢等效且炳個磁動勢有相同的幅值、轉速和方向。
又令M繞組的軸線與三相合成旋轉磁場方向平行,則iM相當於電動機的勵磁電流分量iT,相當於電動機的轉矩電流分量,調節iM的大小可以在磁場一定時改變轉矩。
由這樣繞組組成的電動機其控制原理與直流電動機控制原理相同。
在實際的等效變換中,先將非同步電動機在三相靜止坐標系下的定子電流iA、iB、ic通過三相/兩相變換,等效變換,等效為兩相靜止坐標系下的交流電流iα、iβ再通過磁場定向的旋轉變換,等效為同步旋轉坐標系下的直流電流iM、iT。
等效的電動機繞組模型如圖2.4所示。
βT
C
ω1Fω1Fω1F
AαM
B
(a)三相交流繞組(b)兩相交流繞組(c)旋轉的直流繞組
圖2.4等效的交流電機繞組和直流電機繞組物理模型
通過控制iM、iT大小也就是電流向量i的幅值和去向去等效的控制三相電流、、暫態值,從而調節電動機的磁場與轉矩達到調速的目的。
2.3.2向量變換規律
如上所示,通過坐標系的變換,可以得到交流三相繞組的等效繞組,現在的問題是如何求出、、與和iM、iT之間的準確等效關係,也就是按等效原則進行座標變換,而且要求這些變換都必須是可逆的。
座標變換電路通常有三類:
即三相/兩相變換,直角坐標/極座標變換和同步旋轉座標/靜止兩相左標變換。
2.3.2.1三相/兩相變換((3/2變換)
A,B,C三相座標是以電動機定子三相繞組軸線為軸的靜止平面坐標系,現設置一個兩相坐標系中的交流分量。
為了保證三相電動機變換成兩相電動機後所產生的磁勢不變,需要考慮這兩種座標變換的折算因數2/3,根據圖2.2,
B
A
C
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