导读：桥门式起重机专业知识，1通用桥式起重机中，生产效率较高的是（）起重机，2当两台相邻的起重机将要接触时，3额定起重量小于等于（）吨的桥式起重机，4进入桥式、门式起重机的门和司机室登上桥架的舱口门，5起重机轨道以及起重机上任何一点的接地电阻均不得大于（）Ω，6桥架类型起重机多用（）卷筒，7桥式类起重机工作完毕，8桥式起重机的桥架结构要求:（），口D、主动轮不是全部和轨道接触ABCD10门式起重机主桥门式起重机专业知识 1
通用桥式起重机中，生产效率较高的是（）起重机。（单选题） 口A、电磁 口B、三用 口C、二用
当两台相邻的起重机将要接触时，（）先起作用。（单选题） 口A、运行限位器 口B、缓冲器 口C、栏杆
额定起重量小于等于（）吨的桥式起重机，仅一套起升机构。（单选题） 口A、5 口B、10 口C、16
进入桥式、门式起重机的门和司机室登上桥架的舱口门。应设置（）。（单选题） 口A、联锁保护装置 口B、防护板 口C、防护罩
起重机轨道以及起重机上任何一点的接地电阻均不得大于（）Ω。
（单选题） 口A、 10 口B、 4 口C、 15
桥架类型起重机多用（）卷筒。（单选题）
口A、单层绕 口B、多层绕 口C、螺旋绕
桥式类起重机工作完毕，司机应将操作开关和手柄放在（）。（单选题） 口A、任意位置 口B、紧急断电位置 口C、零位
桥式起重机的桥架结构要求:（）。（多选题） 口A、弹性好 口B、重量轻 口C、足够的强度、刚性和稳定性 口D、低成本
桥架歪斜运行、啃轨的原因有:（）。（多选题） 口A、轨道安装不符合要求 口B、两主动轮直径误差过大 口C、主动轧轴线不正 口D、主动轮不是全部和轨道接触
门式起重机主要分为（）几中。（多选题） 口A、通用门式 口B、造船门式 口C、轨道集装箱门式 口D、轮胎集装箱门式
桥式起重机主梁变形的危害有（）。{多选题） 口A、使小车轨道产生“坡度”，增加小车运行阻力 口B、小车制动时产生自行‘溜车” 口C、大车运行机构贺倒严重影响 口D、起重机脱轨
12轿式起重机起重小车由（）几部分组成。（多选题） 口A、小车架 口B、起升机构 口C、运行机构 口D、制动机构
ABC 13门式起重机是由（）等几大部分组成的。（多选题） 口A、桥架或门架 口B、大车运行机构 口C、起重小车 口D、电气部分
ABCD 14电动单梁起重机的控制方式通常有（）几种。（多选题） 口A、地面电缆按盒控制 口B、司机室控制 口C、电脑控制 口D、遥控
ABD 15门式起重机的门架是由（）等几部分构成。（多选题） 口A、上部桥架 口B、悬臂 口C、支腿 口D、下横梁
ABCD 16桥式起重机是由（）等三大部分组成。（多选题） 口A、金属结构 口B、机械部分 口C、电气部分 口D、行走机构
ABD 17除特殊要求外，对一搬的桥式起重机，可不必对动态刚性进行侧定。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 18当舱口盖或栏杆打开时，主电路才能送电。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 19当大车运行的制动行程距离过大时，会使刹车太猛造成冲击和吊物晃动，容易使桥架变形和部分另部件损坏。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 20 防爆吊钩桥式起重机，只是所用的整套电气设备具有防爆性能。(答案应该为?)（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 21具有司机室操纵的电动单梁起重机，其运行速度州慢，启动比较平稳。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 22起钩兜翻的同时，还要校正大、小车的位置。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 23桥式起重机大车运行机构，多采用分别驱动方式。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 24桥式起重机的桥架必须要有一定的上拱度，有了上拱度才能长期使用，不会消火失。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 25桥式起重机的司机室，通常设在无导电裸线的对侧。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 26一般环境下，桥式起重机整个电气线路的绝缘电阳应大于（）兆欧。《单选黝题) 口A、 0.8 口B、 1 口C、 4
A 27司机室外无走台，司机室门应:（）。（多选题） 口A、往外开 口B、往里开 口C、用移门 口D、任意开
BC 28桥式起重机的桥架通常有（）等构件组成。（多选题） 口A、主梁 口B、端梁 口C、支腿 口D、走台、栏杆
ABD 29防爆桥式起重机多用在（）等场合。（多选题） 口A、军货库 口B、乙炔站 口C、油库 口D、化学品仓库
BCD 30当门式起重机跨度大于40米时，常做成两个柔性腿。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 31通用门式起重机按（）可分为:双主梁门式起重机和单主梁门式起重机。（单选题） 口A、结构形式 口B、取物装置 口C、运动形式
A 32桥式起重机运行轨道两条钢轨中心线之间的距离称为起重机轨距。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 33小车产生“三条腿”放障与小车轨道变形无关。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 34桥式起重机的小车运行机构中，减速箱装在两主动轮中间，使安装与维修较方便。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 35桥式起重机的小车运行机构中，减速箱装在小车一侧，使传动轴所受的扭矩较均匀。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 36桥式起重机静载荷试验的目的，是检验各机构和制动器的性能。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 37桥式起重机上使用的指挥信号是通过手势信号与哨音信号相结合的。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 38桥式起重机司机室位于大车滑线端时，通向起重机的梯子和走台与滑线间应设置防护板。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 39桥式起重机无载荷试验的目的，是检验设备、电气安装的正确性。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 40司机可依靠限位开关来控制机构的停机。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 41已送电的主电路当舱口盖或栏杆打开时，能自动切断电源。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 42铸造桥式起重机的主、副小车在同一轨道上运行。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 43车轮轮缘磨损严重也是造成小车“三条腿”故障的一个原因。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 44防爆吊钩桥式起重机，只是所用的整套电气设备具有防爆性能。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 45桥式起重机大车车轮大多采用圆柱形双轮缘车轮。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 46桥式起重机大车啃道能导致起重机脱轨。（判断题） 口A、正确 口B、错误
A 47桥式起重机的桥架必须要有一定的上拱度，有了上拱度才能长期使用，不会消失。（判断题） 口A、正确 口B、错误
B 48桥式起重机起重小车由（）几部分组成。（多选题） 口A、 小车架 口B、起升机构 口C、运行机构 口D、制动机构
ABC 49桥式起重机主梁刚性要求分为:（）。（多选题） 口A、静态刚性 口B、动态刚性 口C、上挠度 口D、下挠度
AB 50桥式类起重机具有（）几大机构。（多选题） 口A、起升 口B、大车运行 口C、小车运行 口D、变幅
ABC 51大车车轮多采用圆柱形（）轮缘车轮。（单选题） 口A、无 口B、单 口C、双
C 52当吊钩沿小车轨道方向来回摆动时，可启动（）车来稳钩。（单选题） 口A、大 口B、小 口C、或大、小
B 53我国规定，桥式起重机桥架在制造好后，其主梁跨中的上拱度为跨度的（）。（单选题） 口A、
(0.5//1000) S 口B、
(0.9//1000) S 口C、
(1.4//1000) S
B 54目前国内常用的桥架结构形式是（）结构。（单选题） 口A、箱形 口B、箱形单主梁 口C、四桁架式
A 55进入桥式门式起重机的门和司机室登上桥架的舱口门，应设置（）。（单选题） 口A、联锁保护装置 口B、防护板 口C、防护罩
A 56为保证司机具有良好的视野，装卸桥司机室地板玻璃应采用（）玻璃。（单选题） 口A、钢化 口B、夹层 包含总结汇报、人文社科、考试资料、教学教材、IT计算机、资格考试、办公文档、旅游景点、word文档以及特种作业桥门式起重机考题库等内容。本文共2页
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台达变频器在门式起重机电气改造中的应用
作者：autozhaopin
来源：中国自动化招聘网
摘要:门式起重机俗称龙门吊,是铁路货运系统中应用广泛的一种起重机
械。传统的门式起重机拖动系统比较常见的是采用绕线转子异步电
动机，通过改变转子回
一、应用背景
门式起重机俗称龙门吊,是铁路货运系统中应用广泛的一种起重机械。传统的门式起重机拖动系统比较常见的是采用绕线转子异步电动机，通过改变转子回路内电阻调速。优点是使用可靠。缺点是能耗较大，起升机构启动停止时电机会过载,制动器易损坏，重物难以准确定位。门式起重机电气改造可发扬其优点,克服其缺点。本文介绍了台达为36吨/16吨门式起重机提供的变频器电气改造方案。
二、系统方案
门式起重机的结构主要包括：
1、起升机构：拖动重物升降运动。由绕线电动机、制动器等组成。一般有两个起升机构，主起升机构(主钩)和副起升机构(副钩)。
2、大车：拖动整台门式起重机沿着大车轨道运动。由绕线电动机、制动器等组成。
3、小车：拖动重物及主钩(副钩)运动。由绕线电动机、制动器等组成。
4、机械部分
5、电气控制系统：电源采用三相380V/50Hz供电。
台达变频器改造方案：
电气系统主要由可编程控制器、变频器、制动单元、制动电阻、行程开关等组成。
1、起升变频器
台达高机能磁束向量控制变频器VFD-V系列，控制方式：正弦波；PWM方式启动转矩：0.5 Hz150%以上;速度控制范围:1:100(外接PG可达1:1000)及其它控制特性;完善的保护机能。主钩-63KW电机和副钩-42KW极电机共享一台VFD-750V43A；VFD-750V43A可同时储存两组电机参数，可方便地进行两台电机切换控制。采用无PG矢量控制方式。
2、大车变频器
台达高机能向量控制变频器VFD-B系列，控制方式：正弦波SPWM方式启动转矩：1Hz150%；过负载耐量：额定输出电流的150%一分钟及其它控制特性；完善的保护机能。4台13KW电机选用VFD-750B43A。采用V/F控制方式。
3、小车变频器
2台6.3KW电机选用VFD-220B43A。采用V/F控制方式。
4、PLC控制电路
电气控制系统采用PLC控制起升、大车、小车变频器的运行。PLC接受联动台主令信号输出运行信号和多段速指令给变频器运行。起升机构、大车、小车独立运行。PLC输入信号：联动台的主令信号（起升、大车、小车的速度文件
位）；限位开关；变频器的报警信号；起停按钮等。PLC输出信号：变频器的运行信号及多段速信号；制动器动作信号；故障指示等。
三、系统特点
节省能耗：原拖动系统通过滑环和电刷在转子回路内串入电阻，由接触器控制串入电阻的多少来控制转速。其转速的下降是通过在转子的外接电阻中消耗能量来实现的；转速越低，损失功率越多。采用变频调整，异步电动机频率改变后其机械特性基本上平行于自然机械特性，因此其转差在不同转速下基本不变，损失功率与额定转速时基本相同，节能效果相当明显。简化溜钩处理：原拖动方式的措施是启动时让电动机和制动电磁铁同时通电；此时，制动器未完全打开，电动机过载。制动电磁铁在电动机断电前一断时间（约0.6秒）提前断，在制动器抱紧的过程中，电动机也会过载，而且闸皮与制动轮之间产生滑动摩擦，影响制动器的寿命，同时不易准确定位。高性能矢量变频器在零速或输出起动频率（0.5Hz以上时转矩可达150%以上）时有足够大的转矩（150%以上），启动时可在变频器输出到起动频率预励磁，电动机转矩建立后再打开制动器。停止时变频器输出到起动频率时，制动器断电；当输出频率为0时,变频器停止运行。这样就有效地解决了溜钩；而且制动器动作时，重物已经静止，闸皮与制动轮几乎没有相对运动，磨损很小；同时很容易定位。
综上所述，变频调速能耗低，溜钩处理简单，制动器磨损小，定位容易；而且起停平滑，减小机械冲击。门式起重机经电气改造后经6个月的运行检测节能27%；起动平滑，机械冲击小；定位准确。全国约800台门式起重机中500台左右有变频改造的可能。这种改造尚有进一步性能提升的可能：如加装一台变频器拖动副钩；加装编码器作死循环控制；配置触摸屏监控运行状态。
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桥式起重机变频调速控制系统设计论文(含中英文翻译)
前言桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的 发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面， 不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，传统桥式起 重机的控制系统所采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电―接触器控制， 在工作环境差，工作任务重时，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有发生；继电― 接触器控制系统可靠性差，操作复杂，故障率高；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。所串连电阻长期发热，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。 近年来，随着计算机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系统提供了有利条件。 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诸多的问题，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运输机械行业中具有广 泛的发展前景。 本次设计采用 PLC 和变频器技术，以 PLC 控制变频器，即以程序控制取代继电―接 触器控制，控制变频器实现变频调速，设计出 PLC 控制的桥式起重机的变频调速系统，进 而实现了起重机的半自动化控制。此系统特别适用于桥式起重机在恶劣条件下的工作情 况，对改善桥式起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加 起重机使用的安全可靠性是非常有益的。1桥式起重机变频调速控制系统设计1 绪 论1.1 桥式起重机电气传动技术的国内外发展概况电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲 60 年代采用发电机―电机系统。从控制 电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅 SCR 激磁控制，到主回路可控硅即晶闸管整流 供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制 从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。 从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的 低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、 反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变 频调速，PLC 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速 系统配置及其性能： l) DC-300 直流驱动调速系统：GE 公司 DC-300，DC-2000 是微处理器数字量控制的直 流驱动调速系统，其控制功率从 300HP 到 4000HP，并采用 PLC 对整机驱动系统实施故障 诊断、检测、报警及控制。 该驱动系统实施主回路 SCR 整流， 其控制是给定模拟量通过数模转换成数字量， 通过 速度环、电流环到 SCR 移现触发的逻辑无环流的调速系统。可用测速反馈或电压反馈，对 磁场弱磁，以实施恒功率控制。 2) 交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多 数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期， 国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定 的发展应用阶段。日本安川电机制作所于 1972 年就正式定为 VS 系列，应用于起重机及轧 机辅助设备的交流调速。法国、英国、德国等大电气公司亦在这方面展开了重点研制开发。 借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控 制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。 可编程序控制器 PLC 引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在桥 式起重机实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。 3) 变频调速： 变频调速技术是国际上各大电气公司在 70 年代末 80 年代投入全力研制、 开发， 也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。 这几年一些公司如德国 SIEMENS， 美国 GE， 日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术， 大功率的 IGBT 模块的出现使变频技2术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控 制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用， 但其控制性能有一定的差异。 直流电动机之所以与有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制电枢 电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小。异步电动机产生瞬时转矩的原理虽然 与直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对应装置电流有功分量 都应包含在定子电流中，无法直接将它们分开，在运行过程中，这两个分量有会互相影响。 因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像采用恒压频比控制、转差频率控制的变频 调速系统由于是从控制电动机的平均转矩的角度出发来控制电动机的转速，因而难以获得 较理想的动态性能，异步电动机在高精度调速系统和伺服系统中的应用受到限制。而矢量 控制是从根本上解决了这个问题，使交流调速系统的应用范围迅速扩大。 适用于通用的鼠笼式电动机，无速度传感器的矢量控制变频调速技术的应用，该技术 使变频控制装置不再配套专用电机，而且可通过软件对一般的鼠笼式电机―矢量控制装置 实施参数调整，进一步降低电气电机的投资而且维护保养方便。 变频器使用 PWM 技术可严格地使输入电流正弦 cos? ? ?1 ， 即在下降过程各机械减速 制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运 行，上述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技术上以及经济上与其他驱 动装置竞争将有明显的优势。同时随着 PLC 系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在 位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。1.2 传统桥式起重机控制系统的特点和存在的问题桥式起重机作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的 发展，我国桥式起重机制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面， 不断积累经验，不断改造，推动了桥式起重机的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍 时有发生。 究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。 因此， 除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。 由于传统桥式起重机的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频 繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。 传统的起重机驱动方案一般采用： （1）直接起动电动机； （2）改变电动机极对数调速； （3）转子串电阻调速； （4）涡流制动器调速； （5）可控硅串级调速； （6）直流调速。前3桥式起重机变频调速控制系统设计四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速：起动电 流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦 磨损严重； 功率因数低， 在空载或轻载时低于 0.2~0.4，即使满载也低于 0.75，线路损耗大。 可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数， 减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未 实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以 有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。 由于传统桥式起重机的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动 性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问 题： 1） ．控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高； 2） ．在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出； 3） ．低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻导致机 械特性变得很软，低速定位困难； 4） ．能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重。1.3 起重机调速技术的发展现状电动机的调速经过了很长时间的演变过程，一直以来人们在电动机的调速和转矩控制 上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，随着大功率和高开关频率的 半导体器件的开发研制成功，以及计算机技术的普及应用，交流电动机的调速方式在近 20 年内取得了飞速发展，调速技术已经日趋成熟。 根据异步电机的知识，电动机的转速可以用公式表示为：n? 60 f (1 ? s) p其中： n ―异步电动机的转速，单位为 r/min；f ―定子的电源频率，单位为 Hz；s ―电机的转速滑差率；p ―电机的极对数。由上面的公式，我们不难看出，要改变电机的速度，我们可以通过如下的方法： （1） 改变极对数的调速； （2）改变转差率调速； （3）变频调速。4旋转磁场的速度与定子的极对数有关，定子绕组进行切换就可以改变极对数，从而改 变转速。但是从低极对数（高速）变换到高极对数，电机的实际速度会大幅度下降，如果 切换速度很快，电机将会经历一个发电阶段，从而在电机及机械装置上产生较大的反向转 矩。改变磁极对数方式属于有极调速，调速范围小。目前，在起重机上已经很少应用这种 方式。 改变转差率调速是目前起重机上应用较多的调速方式，转子串电阻、定子调压调速等 均为这种调速方式，尤其是转子串电阻调速方式更为普遍。该方式依赖绕线电机转子部分 串不同阻值的金属电阻来消耗部分能量以达到调速效果，但在低速区具有稳定性差、出力 不足的缺点，在重载下降时要有第三方制动即拖拽才能保证重载不溜钩，这种制动方式常 有能耗制动、涡流制动、单相制动等。由于采用了第三方的拖拽对电机的冲击较大，在能 耗和单相制动要对电机注入直流电流和不平衡电流，在频繁使用过程中会使电机的温度过 高，影响电机的绝缘寿命，加速了电机的老化过程。在机械平稳方面也由于制动的冲击力 使振动加剧，加速了机械疲劳过程。 随着电气设备自动化控制要求及可靠性的不断提高，变频器在各行各业中的应用越来 越广泛。国内起重机采用变频器进行调速控制大概是从 20 世纪 90 年代初期，由于其较于 传统起重机控制方式具有显而易见的优势，因此很快被起重机广大用户所接受。早期在起 重机上应用的变频器多用于行走机构（即大、小车运行机构） ，随着变频技术的不断发展， 以及各变频器生产厂家对高性能变频器从软、硬件的不断开发，在起升机构的应用也逐渐 增多。 众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能，并且易于实现、便于控制， 在很长一段历史时期内，一直处于调速领域的绝对优势地。然而，直流电机结构复杂，制 造费时，对运行环境要求较高，电刷易于磨损，维护麻烦，这些问题极大限制了直流调速 系统的应用，而交流电机在这方面存在显著的优势。交流电动机因其结构简单、坚固耐用、 运行可靠、成本低、易维护、可适合于大容量调速和恶劣环境工作等优点，在工业领域得 到广泛的应用。随着变频器的发展，逐渐取代直流调速而成为调速领域的领跑者。 随着自动化技术的不断发展，电子元件制造工艺的不断进步，变频调速控制在起重机 械中必将会得到更为广泛的应用。1.4 本课题的研究意义和主要内容本课题中以桥式起重机作为研究实体，由上可知，传统桥式起重机的控制系统主要采5桥式起重机变频调速控制系统设计用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电―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，电动机以及所串连电阻烧损和断裂故障时有 发生； 2) 继电―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，所串连电阻 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。近年来，随着计算机技术 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 在桥式起重机系统提供了有利条件。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诸多的问题，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运输机械行业中具有广泛的发展前景。 由于起重机行业的特殊性，变频调速系统的应用相对滞后。采用变频调速取代传统的 桥式起重机控制系统是近才开始应用的新技术。无论是在起重机老产品还是新产品设计， 变频调速都是优选方案。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 起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安 全可靠性是非常有益的。相比较发达国家而言，我国的相关技术水平差距较大。主要技术 难度体现在：对起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高，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的应用研究。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的 不断发展的必然结果，符合起重机的发展趋势，适合发展大起重重量的起重机；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 作的条件，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尤其是 把它们应用到作业频繁的仓库堆垛起重机和环境恶劣的冶金起重机上。也符合起重机向大 型化、 高效率化、无保养化和节能化发展，向自动化、智能化、集成化和信息化发展的 方向。62 三相异步电动机的变频调速调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械 经常向电动机提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品的质 量。2.1 电动机的调速指标1) 调速范围 电动机在额定负载(电流为额定值)情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调 速范围，用 D 表示，即D?2) 调速方向nmax ? nmax : nmin nmin调速方向指调速后的转速比原来的额定转速(基本转速)高还是低。若比基本转速高， 称为往上调，比基本转速低，称为往下调。 3) 调速的平滑性 调速的平滑性由一定范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的差值 越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，例如只能从 3000r/min 一下调节到 1500r/min， 在又调节到 1000 r/min 等，两者之间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。 如果在一定的调速范围内的任何转速都可以得到则称为无级调速。无级调速的平滑性当然 就比有级调速好。 平滑的程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数，即??ni ni ?1? 越接近于 1，平滑性越好。无级调速时 ? =1，平滑性最好。4) 调速的稳定性 调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化而引起转速变化的程 度，通常用静差率来表示。其定义为：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加 到额定值时所对应的转速降 n0 - n 与理想空载转速 n0 之比，即s? n0 ? n ?100% n07桥式起重机变频调速控制系统设计s 越小，稳定性越好。 静差率与机械特性的硬度有关。机械特性的硬度的定义为??dT ?T ? dn ?n? 越大，转矩变化时， n 变化的程度就越小，机械特性就越硬，静差率就越小，稳定性就越好。静差率还与理想空载转速 n0 的大小有关。例如两条平行的机械特性硬度相同，在静 差率公式中的 n0 - n 相同，由于 n0 不同，他们的 s 就不同， n0 大的，s 小， n0 小的，s 就大。 生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对 调速范围起到制约的作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的 s 太大，则该转速性太 差，便难以满足生产机械的要求。 5) 调速的经济性 这要由调速时的初期投资，调速后的电能消耗以及各种运行费用的多少来说明。 6) 调速时的允许负载 电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称 为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速的方法称为恒转矩调速。 不同的生产机械对此的要求往往不同。例如切削机床，要求精加工小切削量时，工件 转速高，粗加工大切削时，工件转速低。因此，它希望电动机能具有恒功率调速的性能。 另一类生产机械， 例如起重机、 卷扬机等则要求电动机在各种转速下都能输出同样的转矩， 因此，它希望电动机具有恒转矩调速的性能[1]。2.2 变频调速的基本原理根据异步电机的知识，异步电机的转速公式为：n? 60 f (1 ? s) p其中： n ―异步电动机的转速，单位为 r/min；f ―定子的电源频率，单位为 Hz；s ―电机的转速滑差率；p ―电机的极对数。三相异步电动机的调速方法可分为两大类： 一类是通过改变同步转速 n0 来改变转速 n ，8具体方法有变极调速(改变 p )和变频调速 (改变 f )；另一类是通过改变转差率 s 来实现调 速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速(改变U 1 )， 转子电路串电阻调速(改变 R2 )， 等等。 由上式可知， 如果改变输入电机的电源频率 f ，则可相应改变电机的输出转速。 在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量 ? m 为额定值不变。磁通太 弱，没有充分利用电机的磁心，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机。对于直流电机来说，励磁系统是独 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：E1 ? 4.44 f1 N1k1? m式中：E1 ―气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为 V； f1 ― 定子频率，单位为 Hz； N1 ―定子每相绕组串联匝数；k 1 ―定子基波绕组系数；? m ―每极气隙磁通量，单位为 Wb；由公式可知，只要控制好 E1 和 f1 ，便可以控制磁通中 ? m 不变，需要考虑基频(额定频 率)以下和基频以上两种情况； 1) 基频以下调速 当电源频率 f1 在基频以下调速时，电动机转速下降，但在调节电源频率的同时，必须 同时调节电动机的定子电压 U 1 ，且始终保持 U 1 / f1 ? 常数，否则电动机无法正常工作。这 是因为三相异步电动机定子绕组相电压 U1 ? E1 ? 4.44 f1 N1? m ，当 f1 下降时，若 U 1 不变， 则必使电动机每极磁通 ? m 增加，在电动机设计时， ? m 处于磁路磁化曲线的膝部， ? m 的 增加将进入磁化曲线饱和段，使磁路饱和，电动机空载电流剧增，使电动机负载能力变小，9桥式起重机变频调速控制系统设计而无法正常工作。为此，电动机在基频以下调速时，应使 ? m 恒定不变。所以，在频率下 调的同时应使电动机定子相电压随之下调，并使 U1 / f1 ? U1N / f1N ? 常数。可见，电动机 额基频以下的调速为恒磁通调速，由于 ? m 不变，调速过程中电磁转矩 T ? CT ? m I 2 N cos? 2 不变，属于恒转矩调速。 2) 基频以上调速 当电源频率 f1 在基频以上调节时，电动机的定子相电压是不允许在额定相电压以上调 节的，否则会危及电动机的绝缘。所以，电源频率上调时，只能维持电动机定子相电压 U 1n 不变。于是，随着 f1 升高 ? m 将下降，但 n 上升，故属于恒功率调速。 把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制特性，如 图 2-1 所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条 件下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速， 而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”[2]。' 'U1 ? m恒转距调速 恒功率调速U1n? mnU1?mof1n图 2-1 异步电动机变频调速控制特性f1Fig. 2-1 Variable frequency speed-governing control characteristics of asynchronous motor2.3 三相异步电动机变频调速的机械特性2.3.1 U1 / f1 =常数时的变频调速机械特性下面来分析机械特性中的三个特殊点，并由此来决定机械特性。10同步点：由 n1 ? 60 f1 / p1 ，则 n1 ? f1 ， f1 下调， n1 随之下降。 最 大 转 矩 点 ： 由 c= 常 数 ， Tm ? U1 / f1 = 常 数 ， 而 临 界 转 差 率2 2S m ? R2 / x2 ? R2 / 2?f1 L2 ? 1/ f1 ，临界转速降 ?nm ? S m n1 ? R2 / 2?f1 L2 ? 60 f1 / p1 ? 常数。因此，在不同频率下，最大转矩保持不变，且对应于最大转矩的转速降也不变。所以其机械 特性基本上是平行的。但当 f1 下调过低时，因 U 1 也很低，此时定子电阻 R1 上的压降 I1 R1 已 不能再忽略，而使 E1 、 ? m 下降更严重，电动机的 Tm 将变小。 起动转矩点： 电动机起动转矩 Tst ? CU1 R2 / f1 (R2 ? x2 ) ? CU1 R2 / f1 x2 ? 1/ f1 。所以起动转矩随 频率下降而增加。 由此可画出 U1 / f1 =常数时，三相异步电动机变频调速特性如图 2-2 所示：2 2 2 2 2nnNf N ? f1 ? f 2 ? f 3fNn1 n2n3f1 f2f3oT图 2-2 三相异步电动机 U 1 / f1 =常数变频调速机械特性 Fig. 2-2 Mechanical characteristics of three-phase asynchronous motor U 1 / f1 =constant variable Frequency speed-governing2.3.2 U1 ? U1N 的变频调速机械特性同步点：由 n1 ? 60 f1 / p1 ，则 n1 ? f1 ，当 f1 调高时， n1 随之上升。 最大转矩点：由 Tst ? CU1N / f1 2x2 ? CU1N / 4?f 2 L2 ? 1/ f1 ，当 f1 调高时， Tm 减小。2 2 211桥式起重机变频调速控制系统设计起动转矩点： Tst ? 1/ f1 ，当 f1 调高时，起动转矩大大减小。 此时电动机机械特性如图 2-3 所示：3nn3 n2 n1 nNf 3 ? f 2 ? f1 ? f N f3f2f1fNoT图 2-3 U1 ? U1N 时三相异步电动机变频调速机械特性 Fig.2-3 U1 ? U1N Mechanical characteristics of three-phase asynchronous motor variable frequency speed-governing2.4 变频器三相异步电动机变频调速所用的变频电源有两种，一种是变频机组，另一种是静止的 变频装置变频器。前者由直流电动机和交流发电动机组成，调节直流电动机转速就能改变 交流发电动机的频率，由于变频机组设备庞大，可靠性差。随着现代电力电子技术的飞速 发展，静止式变频器已完全取代了早期的旋转变频机组。2.4.1 变频器的分类按变频的原理有交―交变频器和交―直―交变频器。前者是将频率固定的交流电源变 换成频率连续可调的交流电源，其主要优点是没有中间环节，变换频率高，但其连续可调 的频率范围较窄，一般在 0 ? f1 ? f1N / 2 ，故主要用于容量较大的低速拖动系统中。后者 是将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调 的三相电流。由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围、变频后电动 机特性的改善等方面都具有明显的优势，目前使用最多的变频器均为交―直―交变频器。 根据直流环节的储能方式不同，交―直―交变频器又分为电压型和电流型两种。12电压型变频器是指变频器整流后是由电容来滤波，现在使用的交―直―交变频器大部 分为电压型变频器。 电流型变频器是指变频器整流后是由电感元件来滤波，目前少见。 根据调压方式不同，交―直―交变频器又分成脉幅调制型和脉宽调制型两种。 脉幅调制是指变频器输出电压大小是通过改变直流电压大小来实现的，常用 PAM 表 示。这种调压方式很少使用。 脉宽调制是指变频器输出电压大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的，常用 PWM 表示。目前使用最多的占空比按正弦规律变化的正弦脉宽调制，即 SPWM 方式。2.4.2 变频器的主电路变频器的主电路包括整流电路、滤波及限流电路、直流中间电路、逆变电路和能耗制 动电路等部分组成，其中整流电路和逆变电路是很重要的两部分，下面简单介绍一下整流 电路和逆变电路。 1)．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。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行 平滑，以保证逆变电路和控制电源能够得到质量较高的直流电源。此外，由于电动机制动 的需要，在直流中间电路中有时还包括制动电阻以及其它辅助电路。 2)．逆变电路 逆变电路是变频器主要的部分之一。它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。由于逆变器的负载为异步电动机，属感性负载，无论电动机处于拖动状态还是发电制 动状态，变频器功率因素总不会为 1。因此，在直流环节和电动机之间总会有无功功率的 交换，这种无功能量就靠这之间直流环节的储能元件来缓冲。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。2.4.3 变频器的控制电路变频器控制电路包括主控制电路、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性能的优劣。13桥式起重机变频调速控制系统设计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。2.4.4 交―直―交变频器这种变频器主要由整流调压、滤波及逆变三部分组成，如图 2-4 所示。在此，仅对逆 变器的工作原理作一介绍。~50Hz 滤 波U'dUd整流调压图 2-4 交―直―交变频器 Fig.2-4 AC-DC-AC transducer逆变1) 单相逆变电路 图 2-5 为单相逆变电路原理图。当开关 S1、S4 同时闭合时， U ab 电压为正；开关 S2、 S3 同时闭合时， U ab 电压为负。由于开关 S1~S4 的轮流通断，从而将直流电压 U d 逆变成了 交流电压 u ab 。 可以看到在交流电变化的一个周期中，一个臂上的两个开关 S1、S2 交替导通，每个开 关导通派的电角度。因此，交流电的频率可以通过改变开关通断的速度来调节，交流电压 的幅值为直流电压幅值 U d 。14S1S3Uda b S2 a) S4S1、S2 S3、S4S1 S4ON ON b)S2 S3ON ONu ab0c)?2?ta) 主电路 b) 开关通断规律 c) 波形图 图 2-5 单相逆变电路原理图 a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram Fig.2-5 Single-phase invert schematic circuit2) 三相逆变电路 图 2-6 为三相逆变电路原理图。图中开关 S1~S6 组成逆变电路。这 6 个开关交替的接 通、关断，就可以在输出端获得一个相位互差 2? / 3 的三相交流电压。 当 S1、S4 闭合时， uUV 为正；当 S2、S3 闭合时， uWU 为负；当 S3、S6 闭合时， uVW 为 正；当 S5、S4 闭合时， uUV 、 uWU 、 uVW 在相位上依次相差 2? / 3 ，各开关的接通、断开应 符合一定的规律。 由上可看出：各桥臂上的开关始终处于交替闭合、断开的状态；各相的开关顺序以各 相的首端为准，互差 2? / 3 电角度，如 S3 比 S1 滞后 2? / 3 ，S5 比 S3 滞后 2? / 3 。 由以上分析可知，通过 6 个开关的交替工作可以得到三相交流电，只要调节开关的通 断速度就可以调节电频率。15桥式起重机变频调速控制系统设计S1UdS3 VS5 U W V W S6U S2 a) S1 S4 ON S3 S6 b) ON S2 ON S4 S5 S1 ON ON S4S1、S2 S3、S4 S5、S6 S5ON ONONONuUV0Ud?tuVW0?tuWU0?3 2? 3?2??tc)a) 主电路 b) 开关通断规律c) 波形图图 2-6 三相逆变电路原理图 a) main circuit b) switch make and break law c) oscillogram Fig.2-6 Priciple diagram of three-phase inverting circuit3) 电压型交―直―交变频器的滤波器采用大容量的电容器。对逆变器来说，其直流电 源的阻抗(包括滤波器)远小于逆变器的阻抗，故可将逆变器前面部分看作恒压源，其直流 输出电压 U d 稳定不变。因此，经过逆变器切换后输出的交流电压波形接近于矩形波。 图 2-7 为简单三相电压逆变器的主电路(不包括换流)图。假设每一个晶闸管的导通角 为 ? ，且晶闸管按 VT1、VT2、…、VT6 的顺序触发导通，各触发信号彼此相位差为 ? / 3 ， 换流瞬时完成，则在任何瞬间，每个臂上只有一个 VT 导通，而三个臂上各有一个 VF 导16通。该电路波形如图 2-8 所示。可见它是一个方段矩形组成的三相交流波形。P+ VT1 VD1 U C VT2 N U VD4 VT4 VT3 VT5 VD3 V VD6 VT6 VD5 W VD2ZW图 2-7 三相桥式逆变电路主电路 Fig.2-7 Three- phase bridge type main circuituUO0?2?ZvZUO3?4?wt / raduVO02 / 3?5 / 3?8 / 3?11 / 3?wt / raduWO01 / 3?4 / 3?7 / 3?10 / 3?wt / rad图 2-8 三相逆变器输出电压波形图 Fig.2-8 Three-phase inverter output voltage oscillogram图 2-7 中与晶闸管 VT 反并联的二极管 VD 的作用是：在该晶闸管由截至转为导通时， 给负载电流提供一条通路，通过二极管将无功能量反馈给滤波电容。该电路结构简单，应17桥式起重机变频调速控制系统设计用比较广泛，其缺点是：电源侧功率因数低，因存在较大的滤波环节，故动态响应较慢。2.4.5 脉宽调制型(PWM)变频器1) 在一般的交直交变频器供电的变压、变频调速中，为获得变频调速所要求的变频与 变压的协调控制， 整流器必须是可控整流， 这样在变频调速时要同时控制整流器和逆变器， 这就带来一系列的问题。首先是主电路中有两个可控功率环节，这样使系统比较复杂；第 二由于中间环节存在动态元件，使系统的动态响应缓慢；第三由于整流器是可控的，使控 电电源的功率因数随变频装置输出频率的降低而变差，并产生高次谐波电源；第四逆变器 输出为六拍阶梯波交变电压，在拖动电动机中形成较多的各次谐波，从而产生较大的脉动 转矩，影响电动机的稳定工作，低速时尤为严重。 为解决上述问题，采用脉冲宽度调制(PWM)控制方式。图 2-9 为 PWM 逆变器示意图， 在该逆变器电路中，同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协 调控制的要求。这样，首先使主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；第二使用了 不可控整流器，使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近 1；第三逆变器在调 节的同时实现调压，而与中间直流环节的元件参数无关，加快了系统的动态响应；第四可 获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形，能抑制或消除低次谐波，使负载电动机可在 近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉冲小，大大扩展了拖动系统的调速范围，提高了系 统性能。整流器 PWM 逆变器 M 3~CUU / f调 U 调 f图 2-9 PWM 逆变器组成 Fig.2-9 PWM inverter structure diagram2) 脉宽调制器的基本工作原理 脉宽调制是将输出电压分解成很多的脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时 间就可控制输出电压的幅值，如图 2-10 所示。从图中可以看到，脉冲的宽度 t1 越大，脉冲 的间隔 t 2 越小，输出电压的平均值就越大。为了说明 t1 、 t 2 和电压平均值之间的关系，我18们引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期比值，用 ? 表示，即? ? t1 /(t1 ? t 2 ) 。因此，可以说输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以演化为调节脉 冲的宽度，所以称为脉宽调制。图 2-10a 为调制前的波形，电压周期为 TN ，图 2-10b 为调 制后的波形，电压周期为 TX 。与 a 图相比，b 图的电压周期增大(也就是说频率降低)，电 压脉冲的幅值不变，仍为 U DN ，而占空比则减小，故平均电压降低。ut1U DN0t2tTNa)ut1 'U DN0t2 ' TXb)ta) 调制前的波形b) 调制后的波形图 2-10 脉宽调制的输出电压 a) modulate late waveform b) modulate rear waveform Fig.2-10 The output voltage of the PWM由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此在一 个周期内的占空比也必须是变化的，也就是说在正弦波的幅值部分， ? 取大一些，在正弦 波到达零处， ? 取小一些，如图 2-11 所示。可以看到这种脉宽调制，其占空比是按正弦19桥式起重机变频调速控制系统设计规律变化的，故这种调制方法叫正弦波脉宽调制，即 SPWM。u0tT图 2-11 正弦波脉宽调制的输出电压 Fig. 2-11 The output voltage of the SPWMSPWM 的脉冲系统中，各脉冲的宽度 t1 和脉冲的间隔 t2 都是变化的。为了说明其调制 原理，见图 2-12 PWM 逆变器简单原理图，图中 V1~V6 为绝缘栅双极晶体管，由他们的交 替切换来获得交流信号的输出。当 V1 导通时，在 A 相负载上得到的电压与 V2 导通时在 A 相负载上得到的电压方向相反。因此，V1、V2 的轮流导通就可得到 A 相交流电压的正、 负半周。同时，其他管子的导通亦可得到三相交流电的 B 相和 C 相。在变频器中，V1、 V2 的导通、截止是由调制波和载波的交点来决定的。在这里，把希望得到的波形作为调制 信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到期望的 PWM 波形。Ud / 2V1 AV3V5UdB CUd / 20'V2V4V6u ra u rb u rc调 制 电 路图 2-12 PWM 逆变器简单原理图 Fig.2-12 Priciple diagram of PWM inverter203) 单极性 SPWM 在单极性的调制方式中，调制波为正弦波 u ra 载波为单极性的等三角形 u 1 ，即调制波 为正半周时，载波为正极性的三角波，调制波为负半周时，载波为负极性的三角波，如图 2-1 所示(仅画出了正半周)。V1、V2 的导通、关断条件可用表 2-3 表示(以 A 相为例)。表 2-1 单极性 SPWM 调制规律 Tab.2-1 Unipolarity SPWM modulate law 正半周 正半周 负半周 负半周ura ? utura ? ut ura ? utV1 导通 V1 关断 V2 导通 V2 关断V2 截止 V2 截止 V1 截止 V1 截止ura ? uta 当 u ra & u 1 时，逆变管 V1、V2 导通，决定了 SPWM 系列脉冲的宽度 t1 ；当 u ra & u t 时，逆变管 V1、V2 截止，决定了 SPWM 系列脉冲的间隔宽度 t 2 。u rau1ut u rau 'raOwtu daa)u da等效正弦波wtOb)图 2-13 单极性 SPWM 调制Fig.2-13 Unipolarity SPWM modulation若降低调制波的幅值，见图 2-13 中的 u ' ra ，各段脉冲的宽度将变窄，从而使输出电压21桥式起重机变频调速控制系统设计的幅值也相应减少。 b 每半个周期内逆变桥同一桥臂的两个逆变管中，只有一个按规律时通时断地工作， 另一个则完全截止。而在另一个周期内，两个管子的工作情况正好相反，于是流经负载的 电流为正负交替的交变电流了。 由此可见，单极性 SPWM 逆变器的输出交流电压和频率均可由调制波电压 u t 来控制。 只要改变 u t 的幅值，就改变了输出电压的大小；而改变 u t 的频率，输出电压的频率也随之 改变。由于控制对象只有一个 u t ，所以控制电路相对要简单一些u r utu rau u rb tu rcwta)u AOU d /2wt?U d /2b)u BOUd / 2?Ud / 2wtc)uCOUd / 2?Ud / 2wtd)uAB ? uAO ? uBOUdwte)图 2-14 双极性 SPWM 调制波形 Fig.2-14 Bipolarity SPWM modulation waveform4) 双极性脉宽调制 若调制波信号 ur 与载波信号 u t 均为双极性信号，即在 u t 的半个周期内，三角形载波是22在正、负两个方向变化的，称为双极性脉宽调制，这种调制方法是目前使用最多的方法。 在双极性 SPWM 方法中，所用的调制信号 ur 未可变频变幅的三相对称普通正弦波 u ra 、u rb 、 u rc ，其载波信号为双极性三角波 u t ，如图 2-14a 所示。现仍以 A 相为例，说明双极性脉宽调制原理。 a 双极性 SPWM 调制规律：不分正、负半周， u ra & u t 时，V1 导通，V2 截止， u AO 输 出为正，即为 u AO 的正脉冲宽度； u ra & u t 时，V2 导通，V1 截止， u AO 输出为负，即为 u AO 的负脉冲宽度，见图 2-14b 同理可画出 u BO 、 u CO 的输出波形，见图 2-14c 与图 2-14d。 b 调制波 ur 和载波 u t 的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，此脉冲系列也是双 极性的，如图 2-14b 所示。由于线电压 u AB = u AO - u BO ，所以线电压的脉冲是单极性的，如 图 1-12e 所示。 c 逆变桥在工作时，同一桥臂的两只管子不停地交替导通、关断。而流过负载的电流 是按现电压规律的交变电流[3]。23桥式起重机变频调速控制系统设计3 桥式起重机变频调速控制系统总体方案设计和部件选型3.1 概述3.1.1 桥式起重机拖动系统的构成桥式起重机俗称行车，是工矿企业中应用得十分广泛的一种起重机。其运行机构由三 个基本独立的拖动系统构成： 1) 大车拖动系统 拖动整台起重机顺着车间作“横向”运动(以操作者的坐标为准)。 2) 小车拖动系统 拖动吊钩及重物顺着桥架作“纵向”运动。 3) 吊钩拖动系统 拖动重物作吊起或放下的上、下运动。3.1.2 桥式起重机的负荷特点和对拖动系统的要求1) 负荷特点 各拖动系统得负荷转矩 TL 都与“阻力” FL 和回转半径 RL 的乘积成正比：TL = FL RL(3-1)在大车和小车拖动系统中， FL 是摩擦力，而在吊钩拖动系统中， FL 是被吊物和吊钩 的重力。 由式 3-1 可知，负载转矩 TL 的大小与速度无关，因而具有“恒转矩”的特点。 2) 对拖动系统的要求 大车和小车对拖动系统的要求较为一般，这里重点介绍对吊钩拖动系统的要求。 a 在全调速范围内，电动机的有效转矩线应是恒转矩的； b 起动时，除上述负载转矩 TL 外，还必须克服静摩擦力。所以，拖动系统应有足够大 的启动转矩； c 重物下降时，除空钩和极轻负载外，在绝大多数情况下，都是依靠自身的重力而下 降的。为了克服重物因重力加速度而不断加速，电动机必须产生足够的制动转矩，使重物 在所需转速下平稳下降； d 重物在空中停住的前后，不能发生“溜钩” 。243.1.3 原拖动系统的主电路原拖动系统的主电路如图 3-1 所示，其主要特点是： 1) 选用电动机 大多采用绕线转子异步电动机； 2) 调速方法 在电动机的转子回路内串人五段外接电阻 R1~R5(也有七段或更多)，由接触器 KM1 ~KM4 的状态来决定串入电阻的多少，从而调整电动机的转速高低； 3) 制动方法 采用电磁制动器进行机械制动。M 3~KM 1KM 2R1 R2KM 3KM 4R3R4 R5图 3-1 原拖动系统的主电路 Fig. 3-1 Main circuit of original driving system3.2 采用变频调速的基本考虑3.2.1 主拖动系统1) 电动机选型 a 大车与小车用电动机 可选用普通的笼型转子异步电动机； b 吊钩用电动机 由于要求较高，应选用变频专用的笼型转子异步电动机； 2) 制动方法 采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。25桥式起重机变频调速控制系统设计a 首先，通过变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车或吊钩迅速 而准确地将转速降为 0(使它们停住)； b 对于吊钩，常常需要重物在半空中停留一段时间(如重物在空中平移时)，而变频调 速系统虽然能使重物停住， 但因容易受到外界因素的干扰(如在平移过程中常易出现的瞬间 断电)，可靠性较差。因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。3.2.2 对电动机运行状态的分析大车与小车拖动系统的运行状况与普通负载无异，本节只分析吊钩拖动系统的各种运 行状态。 1) 空钩(包括极轻负载)运行 由于吊钩的机械系统采用了蜗轮蜗杆减速，具有自锁功能，故空钩时的负载转矩主要 由摩擦阻力构成。 a 上升运行 重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果。这时，电动机的旋转方向与转矩方 向相同，电动机处于电动状态，其机械特性在第 I 象限，工作点如图 3-2 中的 A 点(高速) 与 B 点(低速)所示。 b 下降运行 由于蜗轮蜗杆自锁的原因，空钩及轻载时是无法靠自重放钩的，故下降运行只能通过 反接电源来实现。电动机的旋转方向仍与转矩方向相同，但方向反了，其机械特性在第 3 象限，工作点如图 3-2 中的 C 点(高速)与 D 点(低速)所示。nA BA'B'TD CD' C'图 3-2 不同状态下电动机的工作点 Fig. 3-2 Operating point of electric motor under different conditions2) 重载运行负载加重时，工作点将右移。26a 上升运行 b 下降运行工作点右移至 A' 点和 B ' 点。 工作点右移至第 4 象限，如图 3-2 中的 C ' 点(高速)与 D ' 点(低速)所示。这时，由于重力加速度的原因，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。 电动机的旋转方向是反转(下降)的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，其 作用是防止重物不断下降，故重量相同的重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。3.2.3 变频调速系统的控制要求桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行及速度档次；小车的前、后行 及速度档次；吊钩的升、降及速度档次等。所用这些，都可以通过可编程控制器 (PLC)进 行无触点控制。 桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之 前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停住状态下滑的现象，称为溜钩。防止溜钩的控制 需要注意的关键问题是： 1) 电磁制动器在通电到松开(或从断电到抱住)之间是需要时间的， 约 0.6s(视型号和大 小而定)。因此，变频器如过早停止输出，将容易溜钩； 2) 变频器必须避免在电磁制动器抱住得情况下输出较高频率，以免发生因“过流”而 跳闸的误动作。 为此，具体控制方法如下： 1) 重物停住的控制过程 如图 3-3 所示：fXf BS t BB正转 制动抱闸要求 制动抱闸开始 制动抱闸完成ONOFF OFF OFF OFFON ON ON图 3-3 重物停住的控制过程 Fig. 3-3 Control process of heavy item anchorsa 设定一个“停止起始频率” f BS ，当变频器的工作频率下降到 f BS 时，变频器将输27桥式起重机变频调速控制系统设计出一个“频率到达信号” 。发出制动电磁铁断电指令； b 设定一个 f BS 的维持时间 t BB ， t BB 的长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱住 所需要的时间； c 变频器将工作频率下降至 0。 2) 重物升降的控制过程 a 设定一个“升降起始频率” f RD ，当变频器的工作频率上升到 f RD 时，将暂停上升。 为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已能控制重物的升降到不会溜钩，所以，在工作频 率达 f RD 的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需时间 t RC ； b 当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令” ，使制动电磁 铁开始通电； c 设定一个 f RD 的维持时间 t RD ， t RD 的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所 需要的时间； d 变频器将工作频率上升至所需频率。 上述过程如图 3-4 所示：fXf RDt RC t RD正转 输出电流 制动释放要求 制动释放开始 制动释放完成OFF OFF OFF OFFON ON ON ON图 3-4 重物升降的控制过程 Fig. 3-4 Control process of heavy item fluctuation3) 变频器的零速全转矩功能和直流强励磁功能 为了有效地防止溜钩，某些新型变频器设置了一些独特的制动功能，如： a 零速全转矩功能 变频器可以在速度为 0 的状态下，保持电动机有足够大的转矩，且不需要速度反馈装 置。这一功能保证了吊钩由升降状态降速为 0 时，电动机能够使重物在空中停止，直到电28磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。 b 启动前的直流强励磁功能 变频器可以在启动前自动进行直流强励磁。 使电动机有足够大的转矩(可达额定转矩的 200%)维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩[4]。3.2.4 桥式起重机采用变频调速的优点1) 工作可靠性显著提高 主要有以下几个方面： a 消除了电动机的薄弱环节 由于用笼型转子异步电动机取代了绕线转子异步电动机，从而消除了电刷和滑环等薄 弱环节。 b 制动电磁铁的寿命可大大延长 原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状下 进行抱闸，闸皮的磨损情况将大为改善； c 操作手柄不再易损 原系统的操作手柄因受力较大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将很 小，不易损坏； d 控制系统的故障率大为下降 原系统是十分复杂的接触继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速系统 后，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。 2) 节能效果十分可观 绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内将消耗大量电能。采用了 变频调速系统后， 非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约， 并且在吊钩放下重物时， 还可以将重物释放的位能反馈给电源。 3) 调速质量明显提高 采用了变频调速系统后，调速比可达 1：50 以上，调速精度达 ? 1%。且调速平稳，能 够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。 4) 可简化传动链 由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单， 设计标准化。29桥式起重机变频调速控制系统设计3.3 桥式起重机变频调速控制系统本次设计是为 125/15t 桥式起重机设计一套变频调速系统， 在设计中，其大、小车运 行机构及提升机构均采用变频调速，并应用可编程序控制器 (PLC)进行信号协调和逻辑控 制。系统结构如图 3-1 所示：主控指令P LC变 频 器变 频 器变 频 器PG 卡变 频 器PG 卡大车两 台电机小车 电机副钩 电机旋转编 码器主钩 电机旋转编 码器两台制 动器制动器制动器制动器图 3-5 系统结构 Fig. 3-5 System block diagram3.3.1 主要技术规格1) 起重量 a 主起升 b 副起升 2) 起升速度 a 主起升 b 副起升 3) 运行速度 a 大车 b 小车 23.5/4m/min； 12.3/3m/min； 1.8/0.18m/min ； 7.23/0.723m/min； 125t ； 15t；3.3.2 对调速系统的主要技术要求301) 主、副起升机构的调速比为 1:10；大车运行机构的调速比为 1:6；小车运行机构的 调速比为 1:4。 2) 系统在整个调速范围内， 从空载到满载， 必须做到工作正常、 运行平稳。 各机构正、 反向工作的转换时间应小于 2s 。 3) 起升机构在不同负载下，各档转速在切换时无冲击现象；额定载荷时各档次切换时 的溜钩距离不得超过额定上升速度的 1/65。 4) 起升机构应保证能起吊 1.25 倍额定载荷的重物，能在空中停住，且不溜钩。 5) 从全速运行到完全停住的制动时间：起升机构不大于 2s；大车不大于 3s；小车不 大于 2s。3.3.3 系统配置及选型1) 电动机的选型 大、小车选用普通电机，提升机构则选用 YTSP 系列变频调速专用电机，其主要特点 如下： a 对定、转子槽形和定子绕组的分布作了特殊考虑可抑制高次谐波的影响。 b 电磁负荷设计考虑了一定的裕度，既能保证电机在高频时的过载能力，又能在低频 时有恒转矩的输出。 c 使用 F 级绝缘系统，在高次谐波作用下仍可保证可靠绝缘。 d 采用独特的冷却结构，使用单独的轴流风机强迫通风，从而保证了电机在低速恒转 矩运行时温升不超过允许值。 e 能承受 160%额定转矩、历时 1min 的过载；堵转转矩大于额定转矩的 1.25 倍。 f 可安装旋转编码器等速度反馈器件，实现闭环运行。 2) 变频器的选型 某些公司已有针对起重机的专用变频器，但价格昂贵。本次设计选用的是安川 VS-616G5 系列变频器，该变频器具有如下特点： a 有全程磁通矢量控制。在 1Hz 的低频下，即使无速度反馈环节，也能提供 150% 额 定转矩的启动转矩。如增加速度反馈环节，可以做到零速控制(即使在零速下也有 150%额 定转矩输出)。 b 可配备制动单元，实现四象限运行，而且动态响应好。 c 在全速范围内具有恒转矩特性。无速度反馈时，速比为 1000:1，控制精度为 ? 0.2%；31桥式起重机变频调速控制系统设计有速度反馈时，速比达 1000:1，控制精度为 ? 0.02%，完全满足要求。 综合上述，选定各传动机构的配置见表 3-1。表 3-1 变频调速系统的配置 Tab.3-1 Frequency conversion velocity modulation system configuration 变频器 VS-616G5 的容量/kW 主起升机构 副起升机构 大车 小车 55 30 22 7.5 电机型号（容量/kW） YTSP280M-8(45) YTSP200M-6(22) YZ160M-6 (7.5 ? 2) YZ160L-8(7.5) 备注 变频电机带旋转编码器 变频电机带旋转编码器 普通电机 普通电机3.3.4 系统介绍1) 大、小车运行机构 见表 3-1 ，小车由单台电动机拖动，并由单独得变频器供电；大车为双梁结构，分别 用两台 7.5kW 的电动机拖动，由一台功率较大的变频器 22kW 供电。 大、小车变频器都预置 V/F 控制方式，不带旋转编码器。 2) 主、副起升机构 主、副起升机构都采用变频电机并装有旋转编码器。变频器附有 PG―B2 速度反馈控 制卡并预置为电流矢量控制方式。主、副起升机构的系统基本相同， 3) 制动单元与制动电阻 本系统对于重物下降时电动机再生电能，采用由变频器直流回路内接入制动单元和制 动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的主、副起升机构起、制动频繁，要求制动转矩较 大，以及下降时处于制动状态的持续时间较长等特点，因此： a 制动单元应加大一个档次，以便允许有较大的制动电流，缩短制动过程； b 制动电阻的额定功率应加大一倍。 4) 溜钩的防止 本系统中，由于变频器具有零速下的转矩控制功能，故只需通过 PLC 和变频器之间信 号的适当配合，即可圆满解决溜钩问题。324 可编程序控制器4.1 概述4.1.1 可编程控制器的产生随着社会的发展，科技的进步，新的控制器件及其控制系统不断的涌现。1968 年美国 通用汽车公司(GM)公开招标研制功能更强，使用更方便，价格便宜，可靠性更高的新型控 制器。一年后美国数字设备公司(DEC)根据 GM 公司的招标要求，研制成功世界上第一台 可编程序控制器，型号 PDP-14，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。这就较好地 把继电接触控制简单易懂，使用方便、价格低等优点与计算机功能完善、灵活性强、通用 性好的优点结合起来，并将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设 想逐步变成为现实。当时人们把第一台可编程控制器叫做可编程序逻辑控制器 PLC，只是 用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、定时、记数等较少的功能。 20 世纪 70 年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微型计算机应用到可编程 控制器中，使得它兼有计算机的一些功能，不但用逻辑编程取代了硬连线逻辑，还增加了 运算、数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为一种电子计算机工业控 制设备。 1980 年美国电气制造协会(Nation Electrical Manufactorers Association 简称 NEMA)把这 种新的控制设备正式命名为可编程程序控制器(Programmable Controller 简称 PC)。但为了 与个人计算机的专称 PC 相区别，故常常把可编程序控制器简称为 PLC，1987 年美国电气 制造协会给出的可编程序控制器的定义为：可编程序控制器是一种带有指令存储和数字或 模拟 I/O 接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、记数和算术运算功能，用于控 制机器或生产过程的自动控制装置。随着科学技术的进步和可编程序控制器的不断发展， 功能不断增强，其定义也会发生变化。4.1.2 可编程序控制器的主要功能近年来 PLC 把自动化技术、计算机和通信技术融为一体。它可完成以下主要功能： 1) 逻辑控制 PLC 具有逻辑运算功能，它设置有“与” 、 “或” 、 “非”等逻辑指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进 行组合逻辑与顺序逻辑控制。 2) 定时控制 PLC 具有定时控制功能。 它为用户提供了若干个定时器并设置了定时指33桥式起重机变频调速控制系统设计令。定时值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。 3) 记数控制 PLC 还具有记数功能。它为用户提供了若干个计数器并设置了计数指令。计数值可由用户在编程时设定，并可在运行中被读出或修改，使用与操作都很灵活方 便。 4) 步进控制 PLC 能完成步进控制功能。 步进控制是指在完成一道工序以后， 再进行下一步工序，也就是顺序控制。PLC 为用户提供了若干个移位寄存器，或者直接有步进指 令，可用于步进控制，编程与使用很方便。 5) A/D、D/A 转换 有些 PLC 还具有“模数”(A/D)转换和“数模”(D/A)转换功能，能完成对模拟量的控制和调节。 6) 数据处理 有的 PLC 还具有数据处理能力，并具有并行运算指令，能进行数据并行传送、比较和逻辑运算，BCD 码的加、减、乘、除等运算，还能进行字“与” 、字“或” 、 字“异或” 、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作，并可对数 据存储器进行间接寻址，与打印机相连而打印出程序和有关数据及梯形图。 7) 通信与联网 有些 PLC 采用了通讯技术，可以进行远程 I/O 控制，多台 PLC 之间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接，接受计算机的指令，并将执行结果告 诉计算机。由一台计算机和若干台 PLC 可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网 络，以完成较大规模的复杂的控制。 8) 对控制系统监控 PLC 配置有较强的监控功能它能记忆某些异常情况， 或当发生异常情况时自动终止运行。在控制系统中，操作人员通过监空命令可以监视有关部分的运行 状态，可以调整定时或记数等设定值，因而调试、使用和维护方便。 可以预料，随着科学技术的不断发展，PLC 的功能也会不断拓宽和增强。 由此可见，可编程序控制器的应用场合是很广泛的。可用于开关逻辑控制；定时和记 数控制；闭环控制；机械加工数字控制；机器人控制；多级网络控制等。4.1.3 PLC 的主要优点1) 编程简单 PLC 的设计者在设计 PLC 时已充分考虑到使用者的习惯和技术水平及用户的方便， 构成一个实际的 PLC 控制系统一般不需要很多配套的外围设备； PLC 的基本 指令不多；常用于编程的梯形图与传统的继电接触控制线路图有许多相似之处；编程器的 使用简便；对程序进行增减、修改和运行监视很方便。因此对编制程序的步骤和方法，容 易理解和掌握，只要具有一定文化水平和电气知识，都可以在较短的时间内学会。342) 可靠性高PLC 是专门为工业控制而设计的， 在设计与制造过程中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性很高，其 平均故障时间间隔为 2 万小时以上。此外，PLC 还具有很强的自诊断功能，可以迅速方便 地检查判断出故障，缩短检修时间。PLC 可靠性高的原因在后面还会作较具体的介绍。 3) 通用性好 PLC 品种多，档次也多，可由各种组件灵活组合成不同的控制系统，以满足不同的控制要求。同一台 PLC 只能改变软件则可实现控制不同对象或不同的控制要 求。在构成不同的 PLC 的控制系统时，只需在 PLC 的输入输出端子上接上不同的相应的 输入输出信号，PLC 就能接收输入信号和输出控制信号。可见，PLC 的通用性好。 4) 功能强 PLC 具有很强的功能，能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D 与 D/A 转换、数据处理和通信联网等功能。而且 PLC 技术发展很快，功能不断增强， 应用领域会更广。 5) 使用方便 PLC 体积小，重量轻，便于安装。PLC 编程简单，编程器使用简便。PLC 自诊断能力强，能判断和显示出自身故障，使操作人员检查判断故障方便迅速，而且 接线少，维修时只需更换插入式模块，维护方便。修改程序和监视运行状态也容易。 6) 设计、 施工和调试周期短 PLC 在许多方面是以软件编程来取代硬件接线， 用 PLC构成的控制系统比较简单，编程容易，安装使用方便，目前的 PLC 已商品化，硬件软件较 齐全，为模块化积木式结构，不需要很多配套的外围设备和大量的复杂的接线，程序调试 修改也很方便。因此可大大缩短 PLC 控制系统的设计、施工和投产周期。 从上述 PLC 的功能特点可见，PLC 控制系统比传统的继电接触控制系统具有许多优 点，在许多方面可以取代继电接触控制。但是 PLC 也有其缺点：目前价格还比较高；工作 速度比计算机慢；使用中档和高档 PLC，要求使用者具有相当的计算机知识；PLC 制造厂 家和 PLC 品种类型很多，而指令系统和使用方法不尽相同，这给用户带来不便。4.2 PLC 的应用与发展自从美国研制出世界第一台 PLC 以后，日本、德国、法国等工业发达国家相继研制出 各自的 PLC。20 世纪 70 年代中期在 PLC 中引入了微机技术、使 PLC 的功能不断增强， 质量不断提高，应用日益广泛。目前 PLC 已广泛应用于汽车制造、石油、化工、冶金、轻 工、机械、电力等各行各业，实现逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制，有 人认为 PLC 已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。据资料介绍，美国一家 公司曾经对美国石油化工、冶金、食品、制药、机械等行业 400 多个工厂企业进行调查的35桥式起重机变频调速控制系统设计结果表明，PLC 的需求量占各类自动化仪表或自动化控制设备之首，有 82%的厂家使用 PLC。 1971 年日本从美国引进 PLC 技术， 很快就研制出日本第一台 DSC-8 型 PLC， 早在 1984 年日本就有 30 多个 PLC 的生产厂家，产品 60 种以上。西欧在 1973 年已研制出他们的第 一台 PLC，并且发展很快，年销售增长率在 20%以上。目前世界上众多 PLC 制造厂家中， 比较著名的几个大公司有美国 AB 公司、歌德公司、德州仪器公司、通用电气公司，德国 的西门子公司，日本的三菱、东芝、富士和立石公司等。他们的产品控制着世界上大部分 的 PLC 市场。PLC 技术已成为工业自动化三大技术(PLC 技术、机器人、计算机辅助设计 与分析)支柱之一。 我国研制与应用 PLC 起步较晚，1973 年开始研制，1977 年开始应用，20 世纪 80 年 代初期以前发展较慢，20 世纪 80 年代随着成套设备或专用设备引进了不少 PLC，例如宝 钢一期工程整个生产线上就使用了数百台的 PLC，二期工程将使用更多的 PLC。近几年 来国外 PLC 产品大量进入我国市场，我国已有许多单位在消化吸收引进 PLC 技术的基础 上，仿制或研制 PLC 产品。20 世纪 80 年代中后期，我国开发应用 PLC 技术发展迅速，例 如资料介绍东风汽车公司装备系统从 1986 年起，全面采用 PLC 对老设备进行更新改造， 至 1991 年止一共改造设备 1000 多台， 并取得了明显的经济效益。 1995 年广州第二电梯厂， 已把 PLC 成功地应用于技术要求复杂的高层电梯控制上，并已投入批量生产。广东佛山市 中联陶瓷窑炉、陶瓷输送线等生产线和其它自动控制生产设备上。从近几年召开的学术会 议及有关文献介绍可见，我国研制尤其是应用 PLC 技术日益广泛，更加成熟。 目前 PLC 发展方向主要是朝着小型化、廉价化、标准化、系列化、智能化、高速化、 大容量化、网络化方向发展，这将使 PLC 功能更强，可靠性更高，使用更方便，适用面 更广[5]。4.3 PLC 的系统组成PLC 是一种通用的工业控制装置，其组成与一般的微机系统基本相同。按结构形式的 不同，PLC 可分为整体式和组合式。 整体式 PLC 是将中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、电源、通信接口 等组装成一体，构成主机。另外还有独立的 I/O 扩展单元与主机配合使用。主机中，CPU 是 PLC 的核心，I/O 单元是连接 CPU 与现场设备之间的接口电路，通信接口用于 PLC 与 编程器和上位机等外部设备的连接。36组合式 PLC 将 CPU 单元、输入单元、输出单元、智能工//0 单元、通信单元等分别做 成相应的电路板或模块，各模块插在底板上，模块之间通过底板上的总线相连 .装有 CPU 单元的底板称为 CPU 底板，其它称为扩展底板。CPU 底板与扩展底板之间通过电缆连接， 距离一般不超过 lom 无论哪种结构类型的 PLC，都可以根据需要进行配合与组合。它主要 是由 CPU、电源、存储器和专门设计的输入/输出接口电路等组成。 1) 中央处理单元 (CPU) 中央处理单元一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内， CPU 通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。它是 PLC 的运算、控制中心。它按照系统程序所赋予的功能，完成以下任务： a 接收并存储从编程器输入的用户程序和数据： b 诊断电源、PLC 内部电路的工作状态和编程的语法错误： c 用扫描的方式接收输入信号，送入 PLC 的数据寄存器保存起来； d PLC 进入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释和执行， 完成用户程序中规定的各种操作； e 将用户程序的执行结果送至输出端。 2) 存储器 根据存储器在系统中的作用，可以把它们分为以下 3 种： a 系统程序存储器 和各种计算机一样，PLC 也有其固定的监控程序、解释程序，它们决定了 PLC 的功能，称为系统程序，系统程序存储器就是用来存放这部分程序的。系统 程序是不能有用户更改的，故所使用的存储器为只读存储器 ROM 或 EPROM. b 用户程序存储器 用户根据控制功能要求而编制的应用程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中，由于用户程序需要经常改动、调试，故用户程序存储器多为 可随时读写的 RAM。由于 RAM 掉电会失去数据，因此使用 RAM 作用户存储器的 PLC， 都用后备电池保护 RAM，以免电源掉电时，失去用户程序。当用户程序调试修改完毕， 不希望被随意改动时，可将用户程序写于 EPROM。目前较先进的 PLC 采用快闪存储器作 用户程序存储器，快闪存储器可随时读写，掉电时数据不会失去，不需要后备电池保护。 c 工作数据存储器 工作数据是经常变化、经常存取的一些数据。这部分数据存储在RAM 中，以适应随机存取的要求。在 PLC 的工作数据存储区中，开辟有元件映像寄存器 和数据表。 元件映像寄存器用来存储 PLC 的开关量输入/输出和定时器。计数器、辅助继电器等37桥式起重机变频调速控制系统设计内部继电器的 ON/OFF 状态。数据表用来存放各种数据，它的标准格式是每一个数据占一 个字。它存储用户程序执行时的某些可变参数值，如定时器和计数器的当前值和设定值。 它还用来在存放 A/D 转换得到的数字和数字运算的结果等。根据需要，部分数据在停电时 用后备电池维持其当前值，在停电时可以保持数据的存储器区域称为数据保持区。 3) I/O 单元 I/O 单元也称为 I/O 模块。PLC 通过 I/O 单元与工业生产过程现场相联系。输入单元接 收用户设备的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些 传感器的信号。通过接口电路将这些信号转换成中央处理器能够识别和处理的信号，并存 到输入映像寄存器。 运行时 CPU 从输入映像寄存器读取输入信息并进行处理， 将处理结果 放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点对应的触发器组成，输出接口电路将其由 弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯被控设备 的执行元件。 4) 电源部分 PLC 一般使用 220V 的交流电源，内部的开关电源为 PLC 的中央处理器、存储器等电 路提供 5V，+12V，+24V 的直流电源，使 PLC 能正常工作，电源部件的位置形式可有多 种，对于整体式结构的 CPU，通常电源封装到机壳内部：对于模块式 PLC，有的采用单独 电源模块，有的将电源与 CPU 封装到一个模块中。 5) 扩展接口 扩展接口用于将扩展单元以及功能模块与基本单元相连，使 PLC 的配置更加灵活以 满足不同控制系统的需要。 6) 通信接口 为了实现“人一机”或“机一机”之间的对话，PLC 配有多种通信接口。PLC 通过这 些通信接口可以与监视器、打印机和其他的 PLC 或计算机相连。 当 PLC 与打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器 (CRT) 相连时，可将过程图像显示出来；当与其他 PLC 相连时，可以组成多机系统或连成网路， 实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结 合的综合性控制。 7) 编程器 编程器的作用是提供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。 编程器有简易型和智能型两类。简易型的编程器只能联机编程，且往往需要将体形图38转化为机器语言助记符后，才能输入。它一般由简易键盘和发光二级管或其他显示管件组 成。智能型的编程器又称为图形编程器，它可以联机编程，也可以脱机编程，具有 LCD 或 CRT 图形显示功能，可以直接输入梯形图和通过屏幕对话。 还可以利用 PC 作为编程器，PLC 生产厂家配有相应的编程软件，使用编程软件可以 在屏幕上直接生成和编辑梯形图、语句表、功能块图和顺序功能图程序，井可以实现不同 编程语言的互相转换。程序被下载到 PLC，也可以将 PLC 中的程序上传到计算机。程序可 以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。现在已有些 PLC 不再提供编程 器，而且提供微机编程软件了，并且配有相应的通信连接电缆[6]。4.4 PLC 的工作原理PLC 的工作原理、运行方式与传统的继电器、接触器构成的控制系统是不相同的。 继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电， 该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路上都会立即同时动作。 PLC 的 CPU 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑 线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等 扫描到该触点时才会动作。 继电器控制装置各类触点的动作时间一般在 100ｍｓ以上，PLC 采用的是不同于一般 微型计算机的运行方式一扫描技术，PLC 扫描用户程序的时间一般均小于 100ｍｓ。 PLC 的扫描工作过程一般分为 3 个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新 3 个 阶段。完成上述 3 个阶段称作 1 个扫描周期。在整个运行期间，PLC 的 CPU 以一定的扫 描速度重复执行上述 3 个阶段。 1)．输入采样阶段 在输入采样阶段， PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据， 并将它们存入 I/O 映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和描出刷新阶段。在这 2 个 阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改 变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证 在任何情况下，该输入均能被读入。 2)．用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图） 。 在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左39桥式起重机变频调速控制系统设计后右、 先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算， 然后根据逻辑运算的结果， 刷新该逻辑线圈在系统 RAM 存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在 I/O 映象区 中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 3)．输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC 就进人输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照 I/O 映象区 内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时才是 PLC 的真正输出。至此，PLC 完成了 1 个工作周期。4.5 PLC 抗干扰分析随着科学技术的发展，PLC 在工业控制中的应用越来越广泛。PLC 控制系统的可靠 性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠 运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型 PLC，有的是集中安装在控制室，有的是安 装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境 中。要提高 PLC 控制系统可靠性，一方面要求 PLC 生产厂家用提高设备的抗干扰能力； 另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决 问题，有效地增强系统的抗干扰性能。4.5.1 干扰源及干扰一般分类影响 PLC 控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样， 大都产生在电流 或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。 干扰类型通常按干扰产生的原因、 噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。 其中： 按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性 质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。 共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由 电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共 模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电室，变送器输出信号的共模电压普 遍较高，有的可高达 130V 以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响 测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统 I/O 模件损坏率较高的主要原因)，这种共模 干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电 磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种将直接叠加在信 号上，直接影响测量与控制精度。404.5.2 PLC 控制系统中电磁干扰的主要来源1) 来自空间的辐射干扰 空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广 播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若 PLC 系统置于所射频场内， 就会受到辐射干扰， 其影响主要通过两条路径： 一是直接对 PLC 内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对 PLC 通信内网络的辐射，由通信线路的感应引 入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通 过设置屏蔽电缆和 PLC 局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 2) 来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。 3) 来自电源的干扰 实践证明，因电源引入的干扰造成 PLC 控制系统故障的情况很多，在工程调试中遇到 过，更换隔离性能更高的 PLC 电源，问题可得到解决。 PLC 系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电 磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力 设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源 原边。PLC 电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际 上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。 4) 来自信号线引入的干扰 与 PLC 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部 干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电 电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线 上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起 I/O 信号工作异常和测量精度 大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰， 引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC 控制系统因信号引入干扰 造成 I/O 模件损坏数相当严重，由此