毕业设计(论文)-基于PLC控制的变频行车控制系统设计.doc
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1、柳州职业技术学院毕业设计(论文)题目: 基于PLC控制的变频行车控制系统设计 姓名 学号 专业 电气自动化技术 年级 2008级 指导教师 完成时间 2011-1-15 目 录中文摘要及关键词3第一章(绪论)41.1行车电气传动技术的国内外发展概况41.2传统行车控制系统的特点和存在的问题51.3本课题的研究意义和主要内容6第二章(可编程控制器)72.1 PLC的工作原理7第三章(电机的变频调速)83.1 变频调速的基本原理83.3变频器参数设定11第四章(行车变频调速系统总体方案设计和部件选型)144.1 概述144.2 采用变频调速的基本考虑154.3 行车变频调速控制系统194.4 I/
2、O地址分配244.5系统电气原理图284.6梯形图314.7 行车工作过程36第五章(技术经济分析)38第六章(结论)39参考文献41中文摘要行车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,我国行车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,推动了行车的技术进步。但在实际使用中,传统行车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
3、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。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控制的行车的变频调速系统,进而实现了行车的半自动化控制。此系统特别适用于行车在恶劣条件下的工作情况,对改善行车的调速性能,提高工作效率和功率因数,减小起制动冲击以及增加行车使用的安全可靠性是非常有益的。关键词: PLC 变频器 行车 第一章 绪 论1.1 行车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
4、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。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
5、的差异。变频器使用PWM技术可严格地使输入电流正弦,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 传统行车控制系统的特点和存在的问题传统的行车驱动方案一般采用:(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。前四种方案均属有级调速,调
6、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,对行车的机构冲击大,制动闸瓦磨损严重;功率因数低,在空载或轻载时低于0.20.4,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。由于传统行车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
7、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 本课题的研究意义和主要内容 本课题中以行车作为研究实体,由上可知,传统行车的控制系统主要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,这种控制系统的主要缺点有: 1) 行车工作环境差,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
8、) 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行车系统提供了有利条件。变频技术的运用使得行车的整体特性得到较大提高,可以解决传统行车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
9、景。第二章 可编程控制器2.1 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。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100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100。 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
10、以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。 第三章 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。3.1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: 其中:异步电动机的转速,单位为r/min; 定子的电源频率,单位为Hz; 电机的转速滑差率; 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来改变转速,具体方法有变极调速(改变)和变频调速(改变);另一类是通过改变转差率来实现调速,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,
11、具体方法有变压调速(改变),转子电路串电阻调速(改变),等等。由上式可知,如果改变输入电机的电源频率,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 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:式中:气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值,单位为V; 定子频率,单位为Hz;定子每相绕组串联匝
12、数;定子基波绕组系数;每极气隙磁通量,单位为Wb;由公式可知,只要控制好和,便可以控制磁通中不变,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,且始终保持常数,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,当下降时,若不变,则必使电动机每极磁通增加,在电动机设计时,处于磁路磁化曲线的膝部,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,而无法正常工作。为此,电动机在基频以下调速时,应使恒定不变。所以,在频率下调的同时应使电动机定
13、子相电压随之下调,并使常数。可见,电动机额基频以下的调速为恒磁通调速,由于不变,调速过程中电磁转矩不变,属于恒转矩调速。2) 基频以上调速 当电源频率在基频以上调节时,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不变。于是,随着升高将下降,但上升,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
14、“恒功率调速”2。图2-1 异步电动机变频调速控制特性3.2 变频器主要参数设置本系统用到四个变频器,分别用于控制主钩电机、副钩电机、小车电机和大车电机。首先将所用电机铭牌数据输入,大车变频器应输入两台电机的总电流及总功率,并且大车变频器带有两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3-3 所示:表3-3 变频器主要参数参数号参数值说明P0101运行正转P0112运作反转P0120复位P0130零位0HZP014101档速度固定频率10HZP015202
15、档速度固定频率20HZP016353档速度固定频率35HZP017504档速度固定频率50HZP0184外部制动控制P0201运行正转P0212运行反转P0220复位P0230零位P024101档速度固定频率5HZP025152档速度固定频率15HZP026253档速度固定频率25HZP027354档速度固定频率35HZP0284外部制动控制P0301运行正转P0312运行反转P0320复位P0330零位P034101档速度固定频率10HZP035252档速度固定频率25HZP036303档速度固定频率30HZP037404档速度固定频率40HZP0384外部制动控制P0401运行正转P041
16、2运行反转P0420复位P0430零位P044101档速度固定频率10HZP045152档速度固定频率15HZP046253档速度固定频率25HZP047304档速度固定频率30HZP0480V/f特性(大车多电机)P0494外部制动控制第四章 行车变频调速系统总体方案设计和部件选型4.1 概述4.1.1 行车拖动系统的构成 行车俗称行车,是工矿企业中应用得十分广泛的一种行车。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 拖动整台行车顺着车间作“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
17、、下运动。4.1.2 行车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都与“阻力”和回转半径的乘积成正比: = (3-1)在大车和小车拖动系统中,是摩擦力,而在吊钩拖动系统中,是被吊物和吊钩的重力。 由式3-1可知,负载转矩的大小与速度无关,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
18、。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”。4.1.3 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R1R5(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;4.2 采用变频调速的基本考虑4.2.1 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
19、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。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。4.2.2 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,
20、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。图3-2 不同状态下电动机的工作点2) 重载运行 负载加重时,工作点将右移。a 上升运行 工作点右移至点和点。b 下降运行 工作点右
21、移至第4象限,如图3-2中的点(高速)与点(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。4.2.3 变频调速系统的控制要求行车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。行车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
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