2013年机械设计专业本科毕业设计（论文）
（4） 初选电动机 PN?1m?M?P1?P???1 ??2.4?4.2?KW?5.9KW （3.17）
1?1.7根据电动机样本，选用两台YZR132M2-6电动机，当JC?25%，PN?4
（5） 电动机发热校验 根据《起重机设计规范》，该小车运行机构的接电持续率
JC?25%，CZ=300，稳态负载平均系数G=0.8，所以，
P2?GGzvy1000??0.8?2718.35?0.75 KW?1.92KW （3.18）
1000?0.85根据《桥式起重机设计手册》知，当JC?25%，CZ=300时，PN?3.598KW， 即1.92KW<3.598KW,所以电动机发热校验通过。
通过利用上述公式的计算，选用改造后的桥式起重机各执行机构的电机参数如表3-2所示:
表3-2 各执行机构电机参数
主起升机构 副起升机构 大车运行机构 小车运行机构
电机型号 YZR225M-8 YZR180L-8 YZR160M1-6 YZR132M2-6
电机功率/电流 26KW/55A 13KW/29.1A 2*6.3KW/16.4A 4KW/9.7A
3.4 变频器
3.4.1 变频器选型
本系统选用的是西门子变频器，西门子变频器具有较合理的价格，完整的理论计算书及辅件推荐值，有利于用户进行合理选用。 3.4.2 变频器的主电路
这里讨论的是电压源型，交-直-交变频器主电路的基本结构如图3.3所示。
图3.3 变频器主电路
优秀毕业设计（论文） 通过答辩
2013年机械设计专业本科毕业设计（论文）
A. 交－直变换部分
（1） VD1～VD6部分，将交流变换为直流。
（2） 滤波电容器CF作用是当负载变化时，使直流电压保持平衡。
因为受电容量和耐压的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成。如图中的CF1和CF2。由于两组电容特性不可能完全相同，在每组电容组上并联一个阻值相等的分压电阻RC1和RC2。 （3） 限流电阻RL和开关SL
RL作用：变频器合上的瞬间冲击电流比较大，其作用就是在合上闸后的一段时间内，电流流经RL，限制冲击电流，将电容CF的充电电流限制在一定范围内。
SL作用：当CF充电到一定电压，SL闭合，将RL短路。一些变频器使用晶闸管代替（如虚线所示）。
（4） 电源指示HL：当变频器通电后起指示作用，还能够提示当变频器断电后变频器中是否有电。 B. 能耗电路部分
（1） 制动电阻RB 变频器的频率下降时，电容CF会存储电能，使得直流电压不断上升。RB的作用就是将这部分回馈能量消耗掉。
（2） 制动单元VB 由晶体管及其驱动电路构成。作用是为放电电流IB流经RB提供通路。
C. 直－交变换部分 （1） 逆变管V1～V6
组成逆变桥，把VD1～VD6整流的直流电再逆变成交流电。 （2） 续流二极管VD7～VD12
① 频率下降，电机会处于再生制动状态，再生电流通过VD7～VD12整流后返回给直流电路；
② V1～V6逆变过程中，同一桥臂的两个逆变管不停地处于导通和截止状态。在这个换相过程中，也需要VD7～VD12提供通路。 3.4.3 变频器的控制电路
给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。如图3.4所示，控制电路由以下电路组成 ：
（1） 频率、电压的运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2） 电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3） 驱动电路：为驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4） I/0输入输出电路：为了变频器更好人机交互，变频器具有多种输入信号的输入（比如运行、多段速度运行等）信号，还有各种内部参数的输出（比如电流、频率、保护动作驱动等）信号。
（5） 速度检测电路：以装在异步电动轴机上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
优秀毕业设计（论文） 通过答辩
2013年机械设计专业本科毕业设计（论文）
（6） 保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
图3.4 变频器的控制电路
3.4.4 变频器选择及电流验证 A. 起升机构
起升机构的平均起动转距一般是额定力矩值的1.3-1.6倍。考虑到电源电压的波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转距一般是1.8-2倍的负载力矩值，保证其安全使用。等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%的力矩值。
1.5PCN?
CgvKK?P?P?Mcos?1000??Mcos? (3.19)
式中cos?—电机的功率因数，cos?= 0.75
P—起升额定负载所需功率，kw ?M—电机效率，?M =0. 85 PCN—变频器容量，KVA K—系数，K=2
起升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑2倍的安全力矩。若用在电机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的放容损失。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下:
优秀毕业设计（论文） 通过答辩
2013年机械设计专业本科毕业设计（论文）
ICN＞ IM (3.20) 式中 ICN一变频器额定电流，A； IM—电机额定电流，A。 B. 运行机构
采用变频器驱动异步电动机调速，运行机构根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。 I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax (3.21) 式中 I1nv--变频器额定输出电流（A）； In--电动机的额定电流（A）； Imax--电动机实际最大电流（A）。
对于起重机运行电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的。根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用西门子公司矢量控制变频器。矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。[7]
通过利用上述公式的计算，桥式起重机各执行机构的变频器如表3-3所示:
表3-3 各机构的变频器参数
主起升机构 副起升机构 大车运行机构 小车运行机构
变频器型号 6SE70272-ED61 6SE70274-7ED61 6SE6440-2AD31 6SE6440-2AD25
额定功率/电流 37KW/48A 22KW/47A 15KW/30A 5.5KW/11.6A
3.4.5 变频器主要参数设置
首先将所用电机铭牌数据输入P80_ P85，大车变频器应输入几个电机的总电流及总功率，并且大车变频器带有几个电机时应运行于线性频率/电压特性，速度变化采用固定频率的迭加，同时利用变频器的制动器接通、断开功能由RL2输出继电器触点控制机械制动器，使行走机构在电机停止时不会由于外力而随意移动。如表3-4所示：
表3-4 变频器参数设置
参数号 参数值 说明 加减时间秒 减速时间秒 1档速度 附加数字给定
P002 P003 P005 P006
优秀毕业设计（论文） 通过答辩
6 6 5 3
2013年机械设计专业本科毕业设计（论文）
续表3-4
参数号
参数值
说明
开关量输入控制 固定频率5开关 固定频率4开关 固定频率3开关 故障复位 运行右转 运行左转 固定频率5 固定频率4 固定频率3 故障 外部制动控制 V/f特性(大车多电机) FCC特性(小车单电机)
P007 P051 P052 P053 P054 P055 P056 P046 P044 P043 P061 P062 P077 P077 0 6 6 6 10 1 2 5 15 25 6 4 0 1
3.5 制动电阻的选择 制动电阻的作用是当电容电压超过设定值后，经过制动电阻消耗回馈电能。 再生电流三相全波整流后的平均值约等于其峰值，而所需附加制动转矩中可扣除电动机本身的制动转矩。有关资料表明：当放电电流等于电动机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相等的制动转矩，因此制动电阻的粗略算法为： RB?UDUD (3.22)~2IeIeUD为直流回路电压。
式中：Ie为电动机的额定电流； 直流回路电压可计算为
UD?380V?2?1.1?591?600 (3.23)
大车变频器6SE6440-2AD31的额定电流为30A,则制动电阻的取值范围为10欧～20欧。
小车变频器6SE6440-2AD25的额定电流为11.6A，则制动电阻的取值范围为30欧～60欧。
3.6 可编程控制器
3.6.1可编程控制器的概述
可编程程序控制器(Programmable Controler)，也称为PLC(programmable Logic controler)。其采用计算机结构，主要包括CPU,存储器、输入、输出接口及模块、通讯接口及模块、编程器和电源六个部分。如下图3.5所示，PLC内部采用总线结构，进行数据和指令的传输。它的强大功能使其无论是在独立运行中，或相连成网络都能实现复杂控制功能。可以根据对象的不同，选用不同的型号和不同数量的模块。并可以将这些模块安装在同一机架上，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输
优秀毕业设计（论文） 通过答辩
基于PLC的起重机控制系统的设计
