桥式起重机变频调速电气控制系统设计.doc

1、桥式起重机调速改造电气控制系统设计第 0 页 共 58 页第 1章 绪 论1.1 桥式起重机的研究背景 起重机是指能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，具有动作间歇性和作业循环性，多用于人力不能完成的任务。我国起重机最早是通过学习和仿造前苏联的技术制造出来的，因此，我国起重机到现在还残留着前苏联起重机原型的影子。受到我国国内条件以及传统冶金工艺的制约，国内起重机制造业在改革开放前几乎没有发展，还是 50 年代前苏联的水平。改革开放后，国内起重机生产厂家开始对起重机进行各种摸索和改进，来适应日益强大的生产需求。为了在国际起重机行业占有一席之地，我国还在引进吸收先进技术的同时，举一反三，积极

2、探索铸造起重机的发展方向，以形成自己的特色和优势，其中桥式起重机是其最显著地代表。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就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。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。它在国民经济各部门都有着相当广泛的应用，在现代化生产的过程中占有重要的地位。桥式起重机运输机械对于提高生产的能力、保证产品的质量、降低生产的成本、提高运输的效率、加快物资的周转、流通等方面均有着重要的影响。桥式起重机是现代化生产过程和合理组织生产中

3、必不可少的辅助工具。对安全生产、减少事故更有显著作用，是起重机的一个主要类型。桥式起重机是在固定的车间内装卸和搬运物料，它的起重范围可以从几吨到几百吨。由于桥式起重机行驶在高空，作业范围能扫过整个厂房的建筑面积，使用范围最广、数量最多的一种起重机械。因而具有非常重要的和不可替代的作用。深受用户欢迎，得到了很大的发展。因此桥式起重机成为了起重机械中生产批量最大、材料消耗最多的一种产品。是现代企业实现生产机械化、自动化、减轻体力劳动强度、提高生产效率的重要设备。随着经济建设的迅速发展和生产规模的不断扩大，桥式起重机的应用越来越广泛。但是，由于桥式起重机械自身结构和使用情况的特殊性，一旦在桥式起重机

4、械安装，拆卸，维修和运行中，稍有不慎，很容易发生各种事故，从而造成严重的人员伤亡和经济损失。并且传统起重机的控制系统主要采用了交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，继电器、华北科技学院毕业设计第 1 页 共 58 页接触器控制，由于这种控制存在着一定的缺点，具体表现如下：桥式起重机工作的环境很差，做任务量大，电动机以及所需串电阻烧损和断裂故障时而发生。继电-接触器控制系统，相比较可靠性差，造作复杂，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，调速变得不太理想。所串电阻长期发热，发热损耗大，效率低。因而为了进一步提高工作效率和质量，要实际的解决这些弊端问题，就要彻底的从传统的控

5、制方式改变。其中具有代表性的交流变频调速系统和可编程控制系统获得了广泛的应用。以 PLC 控制的变频调速技术为桥式起重机系统中提供可非常有力的条件。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行业具有良好的发展前景。1.2 本设计的研究意义本论文研究了 50/10t*36.5m 通用桥式起重机控制系统在启动和调速等方面利用变频调速电气控制改造系统的设计，采用 PLC、变频器控制技术对其电气控制系统的硬件结构和软件进行总体优化设计。改造后的系统有效克服了起重机存在的缺陷，运行可靠，具有良好的工业应用前景。要实际的解决这些弊端问题，就要彻底的从传统的控制方式改变。其中具有代

6、表性的交流变频调速系统和可编程控制系统获得了广泛的应用。以 PLC 控制的变频调速技术为桥式起重机系统中提供可非常有力的条件。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行业具有良好的发展前景。1.3 本文桥式起重机的基本参数桥式起重机的起重量为 50/10t，跨度为 36.5m，小车起升速度为 15m/min,大车起升速度为 7.5m/min,小车运行速度为 45m/min，大车运行速度为 75m/min。桥式起重机调速改造电气控制系统设计第 2 页 共 58 页第 2章 桥式起重机的结构及其特点 2.1 桥式起重机的构成桥式起重机是一种重要的物料搬运机械。桥式起重机

7、的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围就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。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 3 种。 物料搬运成了人类生产活动的重要组成部分，距今已有五千多年的发展历史。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。起重机正经历着一场巨大的变革。大型化和专业化、模块化和组合化、轻型化和多元化、自动化和智能化、成套化和系统化以及新型化和实用化是这场变革的主题。经过几十年的发展

8、，我国桥式起重机行业已经形成了一定的规模，市场竞争也越发激烈。桥式起重机行业在国内需求旺盛和出口快速增长的带动下，依然保持高速发展，产品几近供不应求。尽管我国起重机行业发展迅速，但是国内起重机仍缺乏竞争力。从技术实力看，与欧美日等发达地区相比，中国的技术实力还有一定差距。目前，过内大型起重机尚不具备大量生产能力。从产品结构看，由于技术能力所限，中国起重机在产品结构上也不完善，难以同国外匹敌。但就我国自身技术而言，也取得了一定程度的提升，其具有的类别、特点下文将一一介绍。2.2桥式起重机的基本结构及特点1 拖动系统的组成（1）大车拖动系统：拖动桥式起重机整体沿着车间作横向移动。（2）小车拖动系统

9、：装设在大车上，拖动吊钩及重物沿着桥架作纵向移动。（3）卷扬拖动系统：装设在小车上，拖动重物作提升或下放的升降运行，该系统是桥式起重机中控制最为复杂、操作最为繁琐的机构，也是耗能的主要部分。2 电气传动系统的构成桥式起重机的电气传动系统有大车电动机 2 台。小车电动机 1 台,卷扬电动机主钩 1 台 ,副钩 1 台。实施的技术方案采用 4 台变频器控制 5 台电机,其中卷扬电动机华北科技学院毕业设计第 3 页 共 58 页的主钩、副钩及小车电动机分别用一台变频器驱动,大车两台电动机则用一台变频器驱动,实现同步运行,每台变频器配置了能耗制动组件,实现位置势能和制动能量的消耗。系统配置 4 套可编

10、程序控制器构成整个控制系统的中心,配置主令控制器,实现系统运行操作，其系统结构和配置图如下是如下图：主主主图 2-1 桥式起重机的基本构成桥式起重机调速改造电气控制系统设计第 4 页 共 58 页图 2-2 桥式起重机的系统设计下面分别对个机构调速进行具体的分析说明。（2）起升机构起升机构属位能负载机构。主起升和副起升两台电动机各使用一个变频器，变频器的选择，应选择变频器的额定电流为基准值，一般以电动机的额定电流，负载率、变频器的运行效率为依据。控制方式选择带 PG 的矢量控制方式。PLC 接受电动机的旋转码器经数模转换卡送达的反馈信号，避免吊钩的掉滑。（3）运行机构大车运行机构中的两台电机共

11、用一台变频器，考虑到运行机构的工作频率较为相近，为节省成本，在调速中选择一台变频器。控制方式选择 PG 控制反馈系统的 V/f 的变频控制方式。3 桥式起重机拖动系统特点桥式起重机无论大车、小车或卷扬的拖动系统，它们都有一个共同的特点，即负载华北科技学院毕业设计第 5 页 共 58 页转矩的大小在拖动过程中与转数基本无关，就是说，桥式起重机的各部分拖动系统，在调速过程中具有“恒转矩”的特点。2.3桥式起重机的分类及特点桥式起重机主要包括通用桥式起重机和电动葫芦型桥式起重机两大部分，主要分类如下： 电 动 葫 芦 桥 式 起 重 机电 动 梁 式 桥 式 起 重 机起 重 机电 动 葫 芦 型

12、桥 式 双 小 车 桥 式 起 重 机三 用 桥 式 起 重 机两 用 桥 式 起 重 机通 用 吊 钩 桥 式 起 重 机电 磁 桥 式 起 重 机抓 斗 桥 式 起 重 机通 用 桥 式 起 重 机桥 式 起 重 机图 2-3 主要分类构成其各自具体分类具有的特点如下：1.通用桥式起重机主要包含抓斗桥式起重机、电磁式桥式起重机、通用吊钩桥式起重机、两用桥式起重机、三用桥式起重机和双小车桥式起重机。（1）抓斗桥式起重机抓斗桥式起重机的装置为抓斗，以钢丝绳分别联系抓斗起升、起升机构、开闭机构。主要用于散货、废旧钢铁、木材等的装卸、吊运作业。这种起重机除了起升闭合机构以外，其结构部件等与通用吊钩

13、桥式起重机相同。（2）电磁桥式起重机电磁桥式起重机的基本构造与吊钩桥式起重机相同，不同的是吊钩上挂 1 个直流起重电磁铁(又称为电磁吸盘) ，用来吊运具有导磁性的黑色金属及其制品。通常是经过设在桥架走台上电动发电机组或装在司机室内的可控硅直流箱将交流电源变为直流电源，然后再通过设在小车架上的专用卷筒，将直流电源用挠性电缆送到起重电磁铁上。桥式起重机调速改造电气控制系统设计第 6 页 共 58 页（3）通用吊钩桥式起重机通用吊钩桥式起重机由金属结构、大车运行机构、小车运行机构、起升机构、电气控制系统及司机室组成。取物装置为吊钩。额定起重量为 10t 以下的多为 1 个起升机构；16t 以上的则多

14、为主、副两个起升机构。这类起重机能在多种作业环境中装卸和搬运物料及设备。（4）两用桥式起重机两用桥式起重机有 3 种类型：抓斗吊钩桥式起重机、电磁吊钩桥式起重机和抓斗电磁桥式起重机。其特点是在一台小车上设有两套各处独立的起升机构，一套为抓斗用，一套为吊钩用( 或一套为电磁吸盘用一套为吊钩用，或一套为抓斗用一套为电磁吸盘用)。（5）三用桥式起重机三用桥式起重机是一种多用的起重机。其基本构造与电磁桥式起重机相同。根据需要可以用吊钩吊运重物，也可以在吊钩上挂一个马达抓斗装卸物料，还可以把抓斗卸下来再挂上电磁盘吊运黑色金属，故称为三用桥式(可换)起重机。这种起重机适用于经常变换取物装置的物料场所。（6

15、）双小车桥式起重机这种起重机与吊钩桥式起重机基本相同，只是桥架上装有两台起重量相同的小车。这种机型用于吊运与装卸长形物件。2.电动葫芦型桥式起重机其特点是桥式起重机的起重小车用自行式电动葫芦代替，或者用固定式电动葫芦作起重小车的起升机构，小车运行、大车运行等机构的传动装置也尽量与电动葫芦部件通用化。因此，与上述通用桥式起重机相比，电动葫芦型桥式起重机虽然一般起重量较小、工作速度较慢、工作级别较低，但其自重轻、能耗较小、易采用标准产品电动葫芦配套，对厂房建筑压力负载较小，建筑和使用经济性都较好。因此在中小起重量范围的一般使用场合使用越来越广泛，甚至有替代某些通用桥式起重机的趋势。（1）电动梁式起

16、重机其特点是用自行式电动葫芦替代通用桥式起重机的起重小车，用电动葫芦的运行小车在单根主梁的工字钢下翼缘上运行。跨度小时直接用工字钢作主梁，跨度大时可在主梁工字钢的上面再作水平加强，形成组合断面主梁。其主梁可以是单根主梁(电动单华北科技学院毕业设计第 7 页 共 58 页梁式起重机)，也可以是两根主梁(电动双梁式起重机)，其桥架可以是像通用桥式起重机那样通过运行装置直接支撑在高架轨道上，也可以通过运行装置悬挂在房顶下面的架空轨道上(悬挂式) 。（2）电动葫芦桥式起重机其特点是固定式电动葫芦装在小车上作起升机构，小车运采用行机构也多采用电动葫芦零部件作成简单的构造形式，小车也极为简便轻巧，其整体高

17、度小，小车及桥架自身轻、重心低、有很广泛的使用适应性。箱形双梁桥式起重机是由一个有两根箱形主梁和两根横向端梁构成的双梁桥架，在桥架上运行起重小车。可起吊和水平搬运各类物体， 它适用于机械加工和装配车间料场等场合。桥架的结构主要有箱形结构，空腹桁架式结构，偏轨空腹箱形结构及箱形单主梁结构等，5-80 吨中小起重量系列的起重机一般采用箱形结构，且为保证起重机稳定，选择箱形双梁结构作为桥架结构。为了操纵和维护的需要，在传动侧走台的下面装有司机室。司机室有敞开式和封闭式两种，一般工作环境的室内采用敞开式的司机室，在露天或高温等恶劣环境中使用封闭式的司机室。箱形双梁桥架具有加工零件少，工艺性好，通用性好

18、等优点。桥架结构应根据其工作类型和使用环境温度等条件，按照有关规定来选 用钢材。桥式起重机一般由装有大车运行机构的桥架、装有起升机构和小车运行机构的起重小车、电气设备、司机室等几个大部分组成。外形像一个两端支撑在平行的两条架空轨道上平移运行的单跨平板桥。起升机构用来垂直升降物品，起重小车用来带着载荷作横向运动；桥架和大车运行机构用来将起重小车和物品作纵向移动，以达到在跨度内和规定高度内组成三维空间里作搬运和装卸货物用。桥式起重机是使用最广泛、拥有量最大的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨。最基本形式是通用吊钩桥式起重机，其他形式的桥式起重机基本上都是在通用吊钩桥式起重机的基础上派

19、生发展出来的。 2.4桥式起重机的基本参数起重机械的基本参数是用来说明起重机械的性能和规格的一些数据，也是提供设计计算和选择使用起重机械的主要依据。桥式起重机的基本参数主要有额定载荷、跨度、起升高度、工作速度和工作级别等。桥式起重机的额定载荷一般在 505000KN 之间，我国生产的标准桥式起重机系列有 13种，即50，80，125/30，160/30，200/50，320/80，500/125 ，800/200 ，1000/320，1250/320，1桥式起重机调速改造电气控制系统设计第 8 页 共 58 页600/500，2000/500，2500/500。桥式起重机的跨度指的是其大梁两轨

20、道中心线的距离，它决定了桥式起重机的工作范围。起升高度指的是吊钩上升到极限位置时，吊钩中心线至地面的垂直距离，一般标准桥式起重机的起升高度在 1232m 之间。桥式起重机的其他有关参数包括如下几项：额定起重量 tQ吊钩所能吊起的最大重量。如使用其它辅助取物装置和吊具（如抓斗、电磁铁、夹钳和盛钢桶等）时，这些装置的自重应包括在额定起重量内。当决定起重机的额定起重量时，应符合标准规定的数值。因为起重量的数值对大多数起重机的自重有决定性的作用，因此在确定时应按照生产实际情况考虑，过小不能满足生产要求，过大会造成基建投资的浪费。起升高度 mH吊钩最低位置到吊钩最高位置之间的垂直距离，此参数在标准中没有

21、规定，可根据工作需要来定。跨度 和幅度La都是表示起重机工作范围的参数。跨度是指桥式类型起重机大车运行轨道之间的距离；幅度是指旋转起重机的旋转中心线到吊钩中心线之间的水平距离。轨距 ma轨距也称轮距，按下列三种情况定义：对于小车，为小车轨道中心线之间的距离；对于铁路起重机，为运行线路两钢轨头部下内侧 16mm 处的水平距离；对于臂架型起重机，为轨道中心线或起重机行走轮踏面（或履带）中心线之间的距离。基距 B基距也称轴距，是指沿纵向运动方向的起重机或小车支承中心线之间的距离。基距的测定与支承轮的布置有关。起重力矩 M起重力矩是幅度与其相对应的起吊物品重力的乘积。华北科技学院毕业设计第 9 页 共

22、 58 页起重倾覆力矩 MA起重倾覆力矩，是指起吊物品重力与其至倾覆线距离的乘积。轮压 P轮压是指一个车轮传递到轨道或地面上的最大垂直载荷。按工况不同，分为工作轮压和非工作轮压。工作速度 v(m/min)包括起升、运行、变副和旋转速度，但旋转速度用 n(r/min)表示。起升速度起升机构电动机在额定转速下吊钩上升的速度；运行速度运行机构电动机在额定转速下，大车或小车直线运行的速度；变副速度吊钩从最大幅度到最小幅度的平均线速度；旋转速度旋转机构电动机在额定转速下，起重机的转速。生产率 Q（t/h）说明起重机装载或吊运物品的工作能力的综合指标。起重机工作级别起重机工作级别是考虑起重量和时间的利用程

23、度以及工作循环次数的工作特性。它是按起重机利用等级（整个设计寿命期内，总的工作循环次数）和载荷状态划分的。或者说，起重机工作级别是表明起重机工作繁重程度的参数，即表明起重机工作在时间方面的繁忙程度和在吊重方面满载程度的参数。自重及外形尺寸这是任何一种机器都应有的技术经济指标，它不仅是说明起重机械性能优劣的数据，而且直接影响基建费用的投资，因此，应十分重视减轻自重和减小外形尺寸。2.5桥式起重机的负荷特点及要求2.5.1 负荷特点桥式起重机的拖动系统负载都属于恒转矩性质，且其起升机构为位能性负载，当起升机构起吊重物下降或者快速加减速运行时，电动机处于再生发电制动状态。需要将电能通过反馈装置反送给电网或消耗在制动电阻上，以防止直流侧的上升电压影响制动效果。2.5.2 控制要求其控制要求需要：