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1、摘 要起重机的电气设计在大规模生产中有明显的优势。关键词：变幅机构；旋转机构；变频器调速；塔式起重机ABSTRACTThe crane in the advantages.Key words: Change; Rotation; Converter Governor; Tower Crane目录1 绪论11.1 起重机的发展简介11.2 塔式起重机的现状21.3 课题研究的意义32 塔式起重机的构造与工作原理42.1 起升机构52.1.1 起升机构概述52.1.2 起升机构的典型传动简图52.2 旋转机构62.2.1 旋转机构概述62.2.2 旋转机构的典型传动简图72.3 变幅机构82.3.
2、1 变幅机构概述82.3.2 运行小车式变幅机构的典型传动简图83 变频调速原理103.1 三相异步电动机的工作原理103.2 三相异步电动机的调速方法133.2.1 电动机的调速方式选择133.2.2 电动机的能量关系133.2.3 电动机变频调速的特点153.4 变频器变频原理173.4.1 变频调速原理173.4.2 变频器的类别183.4.3 变频器的额定值和频率指标183.4.4 变频器主电路203.5 SPWM（正弦脉宽调制）233.6 能耗电路计算243.6.1 制动电流的近似估算243.6.2 制动电阻的计算244 可编程控制器的结构和工作原理264.1 PLC的基本结构264
3、.1.1 中央处理器（CPU）264.1.2 储存器264.1.3 输入/输出单元274.1.4 电源部分314.1.5 编程器314.2 PLC的工作原理324.2.1 输入采样阶段324.2.2 程序执行阶段334.2.3 输出刷新阶段334.3 PLC的主要性能指标334.3.1 输入/输出点数（I/O点数）334.3.2 储存容量344.3.3扫描速度344.3.4指令条数344.3.5内部寄存器344.3.6功能模块344.4 PLC的编程语言354.4.1 梯形图编程语言354.4.2 指令语句编程语言374.4.3 功能块图编程语言385 回转与变幅机构电气设计395.1 旋转机
4、构电气原理图395.2 变幅机构电气原理图425.3 变频器型号选择与内部主要参数设定425.4 PLC的型号选择455.4.1 PLC的I/O端子分配465.4.2 PLC程序设计485.5 起重机各重要器件的型号选择495.5.1 电动机型号选型495.5.2 减速箱型号选型505.5.3 行程开关型号选型525.5.4 其他辅助装置选型52结论55致谢56参考文献57附录A59附录B651 绪论1.1 起重机的发展简介塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，塔机起源于欧洲，据记载，1900年欧洲颁发了第一项有关建筑用塔机的专利。1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，第一台原始塔机出现于191
5、21914年，1923年制成第一台近代塔机的原型样机，1930年德国开始批量生产塔机，并用于建筑施工。1941年，有关塔机的第一个标准德国工业标准DIN8670公布。该标准规定以起重量(t)和起重幅度(m)乘积的起重力矩表示塔机的起重能力。从20世纪90年代开始，欧洲塔机行业缓慢复苏，目前欧洲生产塔机的国家有德国、法国、英国、意大利、俄罗斯、西班牙、瑞典、丹麦等，主要厂家有法国Potain，德国Liebherr、Peiner、Wolff，意大利Comedil，丹麦Kroll,西班牙Comansa。在产量、系列品种、技术水平等方面，德国的Liebherr和法国的Potain在世界上居领先地位，P
6、otain目前在法国、德国、意大利、葡萄牙、中国的工厂生产60多种型号塔机。载自中建网/建筑机械化杂志我国塔机行业迄今已有50多年历史，由于改革开放和广大人员的拼搏奋斗，经历了从无到有、从小到大的成长历程，塔式起重机是我们建筑机械的关键设备，在建筑施工中起着重要作用，我国九五、十五规划都是一个高速发展的态势，十一五规划预计将会做些调整，但总的发展不会减弱，根据我国塔机发展现状和迎刃国际市场的挑战，塔机的设计应该考虑以下几个方面。一、建立独立的研究体系，开发出高新产品。我国已加入世界贸易组织，我们就不能随便模仿人家的东西了，否则就会吃官司。因此，必须独立地开发出自有知识产权的产品。同时要以创新观
7、念为先导，开发出实用、可靠、安全、经济适应市场的好产品。当然这并非那么容易，还要靠科技，一方面，要利用高新科技求改造、完善、拓宽、提高我国的传统产业，使产品上水平，才能进入国际市场，另一方面，科技要面对国情，要向中小城镇乃至乡村普及，开发出适应小城镇建设需要的40TM左右的中小型塔机。二、根据国情扬弃国外技术，解决自己的问题。近年来，我国塔机行业通过公关，在认真研究国外技术，结合国情实际情况下，研究出不少好产品，如CAD模块化塔机组合设计，起重、布料两用塔机等。开发过程中，也解决了大功率起升机构的无极变速、PLC控制问题以及长期困扰人们的起升机构乱绳打扭问题等。以上问题都是自主开发采用国外关键
8、元器件的办法实现的，但知识产权是自主的。其中塔机的工作状态监控是我国塔机急需解决又必须解决的课题，这需要对国外技术进行扬弃，根据我国的饿国情着力进行研制，如能解决将会大大推动我国塔机技术发展向质的飞跃。三、按市场规律强强联合，提高制造水平。目前，企业改革改制正在深入开展，要提高我国塔机整体制造水平以适应国内外对塔机的需要，走强强联合促进集团化发展，不失为有效办法。当然，要按市场规律办事，不能搞拉郎配，其中发挥行业协会主管部门的作用是不可忽视的，这样可以加快国内外、行业内外的资源整合，扬长避短、优势互补，名专业生产厂家在已有基础上集中力量，有重点地引进、消化、吸收先进的东西，创新出自己的特色产品
9、，并注意发展自主的现代化专业制造技术，以近快提高我国塔机的制造水平，促进我国工程机械由大国变强国，实际与国际市场的融合。1.2 塔式起重机的现状塔式起重机在当代这样飞速发展的时代，有着其不可替代的作用，它的发展也将带动很多工程行业的进步，好的塔机不仅能够更加效率可靠的完成工作，还更能保证工人的生命财产安全，塔机的安全性和可靠性与塔机的设计结构、控制方式都有着重要的联系。长期以来，直流电动机调速系统的机械特性一直是人们公认的佼佼者。所以，三相交流异步电动机变频调速系统的机械特性能否和直流调速系统相媲美，便成为了变频调速系统能否复盖全调速领域的试金石。以往的起重机结构上已经慢慢发展起来并健全，但是
10、起重机的电气控制部分却随着各种更先进的材料正在飞速的发展更新着，在电气控制部分，以往的电机调速方法主要有：变极双速鼠龙型电动机调速；双电机传动和双速电动机调速；转子中加入电阻调速；饱和电抗器调速；感-容开环系统调速；可控硅调速；低频电流调速；液压推杆调速；特别起升机构要求能轻载快速、重载慢速、安装就位微动。一般除采用电阻调速外，还常采用涡流制动器、调频、变极、可控硅和机电联合等方式调速；每种调速方式都各有优缺点，但是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的问世，和可编程控制器（PLC）的运用，使得变频调速变得简单可靠，必然导致塔机调速方式的一场革命，目前电动机调速方式最有前途的一种方法就是变频调速，变
11、频器也在最近的几年里被越来越多的运用起来，本次设计就是采用这种最为先进的方式来进行电动机调速的，这样的调速方式不仅安全可靠，而且可以使各部件运行平稳，随着变频器的功能越来越强大，塔机的性能也将会随之提高。本文主要通过对塔式起重机的结构工作原理、PLC原理、变频器原理进行介绍，并通过电动机的调速方式比较，选出最简单可靠稳定的调速方法。本设计将PLC和变频器运用到塔机的电气控制当中，实现塔机的驱动装置的调速。为了确保安全，塔式起重机具有良好的安全装置，如起重量、幅度、高度和载荷力矩等限制装置，以及行程限位开关、塔顶信号灯、测风仪、防风夹轨器、爬梯护身圈、走道护栏等。司机室要求舒适、操作方便、视野好
12、和有完善的通讯设备。1.3 课题研究的意义我国塔机行业已有近 50年的发展史 ,从无到有、从小到大 ,逐步形成了比较完整的体系 ,成为机械行业中增幅最快的新兴行业之一 ,为国民经济建设提供了有力的装备支持。我国加入WTO后，国内经济日益融入世界经济体系，未来对于起重机的同行们充满了机遇和挑战，随着社会的发展，具有先进技术与功能的塔机终将会成为市场的主流产品。所以对起重机的研究对整个国民经济建设有着非常重要的意义。随着电气材料的进步，电气控制设备也将越来越先进，自动化程度将越来越高，变频器作为进几年来才被广泛使用的一种设备，目前对它的研究尚不成熟，对变频器的研究和应用，有着很大的发展潜力，本文所
13、研究的调速系统，变频器就是整个电气部分的核心内容，更由于可编程控制器功能强大，将二者完美的结合在一起来对电动机进行控制，所以如何灵活简单的的运用变频器有着重要的意义，变频器调速相比以往的调速方式也有更多的优点，所以变频器调速必将成为起重机的发展方向。也将会是中国塔式起重机现今发展的一个重要方向。2 塔式起重机的构造与工作原理塔式起重机有三个运动：起升运动、旋转运动、变幅运动。重物的提升与下降靠的就是起升运动，重物能被放置的位置范围由旋转运动和变幅运动决定。塔式起重机是由：取物装置、制动装置、起升机构、变幅机构，旋转机构、安全与指示装置构成。本设计的塔式起重机是由电动机驱动，变频器调速，电动机的
14、转轴通过联节器与减速箱的高速轴相连，其间安装制动装置，减速箱与卷筒连接，再将钢丝绳焊接在卷筒上以实现起升和变幅运动。旋转部分也是由电动机驱动变频器调速也通过减速箱连接到小齿轮，小齿轮再驱动大齿轮形成塔机的旋转运动。整个塔机的结构简图如图2.1所示：图2.1 塔式起重机简图2.1 起升机构2.1.1 起升机构概述起升机构用来实现货物的升降，是起重机中重要的机构，也是最基本的机构。起升机构工作的好坏将直接影响到整台起重机的工作性能。起升机构主要由驱动装置、传动装置、卷绕系统、取物装置和制动装置组成。此外，还可以根据需要装设各种辅助装置，如限位器、其重量限制器、速度限制器、称量装置等。2.1.2 起
15、升机构的典型传动简图1-电动机；2-联轴器；3-制动器；4-减速箱；5-钢丝绳；6-吊钩组；7-卷筒图2.2 起升机构传动简图图2.2所示为起升机构简图，该起升机构是由电动机驱动的。电动机通过联轴器与减速器的高速轴相连，机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷上或放出，经过滑轮组系统（如图2.3所示），使吊钩实现上升或下降，机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物悬吊在空中，吊钩的升降靠电动机改变转向来实现。1-小车；2-牵引轮；3-张紧轮；4-驱动卷筒；5-吊钩图2.3 塔机起升机构的滑轮组系统图2.2 旋转机构2.2.1 旋转机构概述使起重机的旋转部分相对于非旋转部分实现回转运动的装置称
16、为旋转机构。旋转机构是旋转起重机的主要工作机构之一，它的作用是使已被起升在空间的货物绕起重机的垂直轴线做圆弧运动，以达到在水平面内的运输货物的目的。旋转机构主要由两部分构成：旋转支承装置与旋转驱动机构。旋转支承装置的任务是保证起重机旋转部分有确定的旋转运动，从运动学的观点来看，它应提供所要求的旋转运动的约束；从受力方面来看，它应能承受起重机各种载荷所引起的垂直力、水平力与倾覆力矩。随着生产力的发展，为了适应不同生产条件的要求，创造了多种形式的旋转支承装置，前者的主要优点是承受倾覆力矩的能力较好，后者的优点是所占的空间高度较小。旋转驱动机构的形式和构造，主要是根据起重机的用途、工作特点、起重机的
17、大小来确定。在实际起重机中采用了多种旋转机构驱动方案，主要形式有：机械驱动和液压驱动。2.2.2 旋转机构的典型传动简图1-电动机；2-联轴器；3-制动器；4-减速箱；5-小齿轮；6-大齿轮图2.4 旋转机构传动简图图2.4所示为旋转机构简图，该旋转机构是由电动机驱动的。电动机通过联轴器与减速器的高速轴相连，机构工作时，减速器的低速轴带动小齿轮转动，小齿轮再驱动大齿轮旋转，从而使起重机的旋转支撑装置的上部分旋转，旋转机构的转动方向的改变是靠电动机改变转向来实现的。塔吊是靠起重臂回转来保证其工作覆盖面的，回转运动的产生是通过上、下回转支座分别装在回转支承的内外圈上，并由回转机构驱动小齿轮，小齿轮
18、与回转支承的大齿圈啮合(如图2.5所示),带动回转上支座相对于下支座运动。大齿圈需要两至四个小齿轮驱动，小齿轮均匀放在大齿圈四周，塔机回转惯性很大，回转起、制动时往往会有惯性冲击。为保证回转平稳，回转机构工作特性要软，回转加减速度一定要小，要求驱动小齿轮的电动机之间保持同步。图2.5 旋转机构大小齿轮啮合示意图2.3 变幅机构2.3.1 变幅机构概述塔式起重机中，从取物装置中心线到起重机旋转中心线的距离称为起重机的幅度，用来改变幅度的机构，称为起重机的变幅机构。根据工作性质的不同，变幅机构分为调整性的和工作性的两种。调整性变幅机构只在装卸开始前的空载条件下变幅，使起重机调整到适于吊运物品的幅度
19、，有时是根据物品的装卸点与起重机位置的要求变更幅度，有时是根据物品的质量变更幅度，因为许多旋转起重机如塔式起重机、汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机等，由于倾覆稳定性的限制，在吊运重物时必须将幅度调整到允许范围以内。工作性变幅机构可使物品沿起重机的径向做水平移动，以扩大起重机的服务面积和提高工作机的性能。根据变幅方法，变幅机构分为运行小车式和摆动臂架式两种。本设计中的塔式起重机采用的是运行小车式变幅机构。此种变幅机构中，幅度的改变是靠小车沿着水平的臂架弦杆运行来实现的。运行小车有自行式和绳索牵引式两种。这类变幅机构主要用作工作性变幅机构，它主要用于电动葫芦的小型固定式旋转起重机，也用于部分塔式
20、起重机。2.3.2 运行小车式变幅机构的典型传动简图1-电动机；2-联轴器；3-制动器；4-减速箱；5-驱动卷筒；6-钢丝绳（连接到小车）图2.6 变幅机构传动简图图2.6所示为变幅机构简图，该变幅机构是由电动机驱动的。电动机通过联轴器与减速器的高速轴相连，机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷上或放出，经过滑轮组系统（如图2.7所示），使小车实现左移或右移，机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物悬吊在空中，小车的左右移靠电动机改变转向来实现。1-小车；2-张紧轮；3-牵引轮；4-驱动卷筒图2.7 塔机变幅机构的滑轮组系统图3 变频调速原理3.1 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁
21、场（定子绕组内三相电流产生的合成磁场）和转子电流（转子绕组内的电流）的相互作用。如图3.1（a）所示,当定子的对称三相绕组接到三相电源上时，绕组内将通对称三相电流，并在空间产生磁场，该磁场沿定子内圆周方向旋转。图3.1（b）所示为具有一对磁极的旋转磁场，我们拟想磁极位于钉子铁心内画有阴影线的部分。（a）定子绕组与电源的连接 （b）工作原理图3.1三相异步电动机当磁场旋转时，转子绕组的导体切割磁通将产生感应电动势e2，假设旋转磁场向顺时针方向旋转，则相当于转子导体向逆时针方向旋转切割磁通，根据右手定则，在N极下转子导体中感应电势的方向系由图指向读者，而在S极下转子导体中感应电势的方向由读者指向图
22、面。由于电动势e2的存在所以必定在转子绕组上产生感应电流i2，根据安培电磁力定律，转子电流与旋转磁场相互作用将产生电磁力F（其方向由左手定则决定，这里假设i2和同相e2），该力在转子的轴上形成电磁转矩，而且转矩的方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，就按旋转磁场的旋转方向旋转起来。但是转子的旋转速度n恒比旋转磁场的旋转速度n0（同步转速）为小，因为如果两种转速相等，转子和旋转磁场就没有相对运动，转子导体不切割磁通，便不能感应出电势e2和产生电流i2，也就没有电磁转矩，转子将不会继续旋转。因此，转子和旋转磁场之间的转速差是保证转子旋转的主要因素。由于转子速度不等于同步转速，所以把这种
23、电动机称为异步电动机，而把转速差（n0-n）与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用S表示，即s= （3.1）转差率S是分析异步电动机运行情况的主要参数。旋转磁场的转速称为同步转速，由下式决定：n0 （3.2）式中，n0同步转速，rmin；f电流的频率，Hz；p旋转磁场的磁极对数。由式（3.1）和式（3.2），可以推导出：n（1s） （3.3）三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性曲线是指转子转速n随着电磁转矩T变化的关系曲线，即n=f(T)曲线。它有固有机械特性和认为机械特性之分。异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中的不串联任何电阻或电抗时的机
24、械特性称为固有（自然）机械特性。图3.2 异步电动机的固有机械特性异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性电压U的变化对理想空载转速no和临界转差率Sm不发生影响，但最大转矩Tmax与U2成正比，当降低定子电压时，no和Sm不变，而Tmax大大减小。图3.3 改变电源电压时的认为特性在同一转差率情况下，人为特性与固有特性的转矩之比等于电压的平方之比。因此在绘制降低电压的人为特性时，是以固有特性为基础，在不同的S处，取固有特性上对应的转矩乘降低电压与额定电压比值的平方，即可作出人为特性曲线：图3
25、.4 定子电路外接电阻或电抗时的人为特性3.2 三相异步电动机的调速方法3.2.1 电动机的调速方式选择由式（3.3）表明，要改变异步电动机的转速，除了改变频率以外，只有两种办法：（1）改变磁极对数这种方法的缺点是十分明显的：一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以，最多只能得到4种转速，与无级调速相去甚远。（2）改变转差率这种方法适用于绕线转子异步电动机，通过滑环与电刷改变外接电阻值来进行调速显然，这是通过改变在外接电阻中消耗能量的多少来调速的，不利于节能。此外，由于增加了滑环与电刷，从而增加了容易发生故障的薄弱环节。所以决定通过改变频率来进行调速，首先分析电动机的能
26、量关系3.2.2 电动机的能量关系（1）输入功率三相交流异步电动机的输入功率就是从电源吸取的电功率，用P1表示，计算公式如下：P13U1I1cos1 （3.4）式中，P1输入功率，kW；U1电源相电压，V；I1电动机的相电流，A；cos1定子绕组的功率因数。（2）电磁功率定子输入功率中减去定子绕组的铜损pcu1和铁损pFe1后，将全部转换成传输给转子的电磁功率PM，计算公式如下：PM3E1I1 cos1 （3.5）式中，PM电磁功率，kW；E1定子每相绕组的反电动势，V。定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场的结果，其有效值计算如下：E14.44KEfN11 （3.6）式中，N1定子每相绕组
27、的匝数；1定子每对磁极下基波磁通，Wb；KE绕组的电势系数。式（3.6）表明，当频率一定时，E1的大小直接反应了磁通1的大小。（3）转子侧的电磁功率转子是通过电磁感应得到从定子传递过来的电磁功率的，其大小由下式计算：PM3E2I2 cos2 （3.7）式中，E2转子等效绕组每相电动势的折算值，；I2转子等效绕组相电流的折算值，A；cos2转子等效绕组的功率因数。这里，所谓转子的等效绕组，是一组效果与实际绕组（鼠笼条）完全相同的假想绕组，其结构与定子绕组相同。等效绕组中的各物理量，都缀以“”。E2是转子等效绕组切割旋转磁场的结果，其有效值计算如下：E2 4.44KEfN11 （3.8）比较式（3
28、.6）和式（3.8）可以看出，由于转子等效绕组的结构和定子绕组完全相同，因此：E2 E1（4）输出功率电动机的输出功率就是轴上的机械功率，其大小由下式计算：P2 （3.9）式中，TM电动机轴上的电磁转矩，Nm；nM电动机的转速，rmin。电磁转矩是转子电流与磁通相互作用的结果，其大小计算如下：TMKT1 I2 cos2 （3.10）式中，KT绕组的转矩系数。3.2.3 电动机变频调速的特点当电动机的工作频率fX下降时，各部分功率的变化情形如下：1输入功率在式（3.4）中，与输入功率P1有关的各因子中，除cos1略有变化外，都和fX没有直接关系。因此，可以认为，fX下降时，P1基本不变。2输出功
29、率由于在等速运行时，电动机的电磁转矩TM总是和负载转矩相平衡的。所以，在负载转矩不变的情况下，TM也不变。而输出轴上的转速nX必将随fX下降而下降，由式（3.9）知，输出功率P2也随fX的下降而下降。3电磁功率当输入功率P1不变而输出功率P2减小时，传递能量的电磁功率PM必增大。这意味着磁通也必增大，（电动机的磁通在电动机设计时已经接近最大值）并导致磁路饱和。这是异步电动机在电流频率下降时出现的一个特殊问题。式（3.6）中，4.44KE是常数，针对某一台具体的电动机，每相定子绕组的匝数N1也是常数。故式（3.6）又可写为：E1KEf11 （3.11）式中，KE4.44KE N1常数。由于感应电
30、动势的瞬时值e1决定于磁通的变化率：e1 （3.12）式中，磁通的变化率。可见，反电动势的大小，既和频率大小成正比，也和磁通的振幅值（或有效值）成正比。所以，如能保持：const （3.13）则磁通1将可保持不变。但反电动势E1X是线圈自身产生的，无法从外部控制其大小，故式（3.13）所表达的条件将难以实现。反电动势E1X是从外加电压U1X中，减去定子绕组的阻抗压降U1X后的结果。由于定子绕组的阻抗压降U所占比例较小，因此，用比较容易从外部进行控制的外加电压U1X来近似地代替反电动势E1X是具有现实意义的。即：const （3.14）所以，变频的同时也必须变压，目的是为了保持磁通基本不变：co
31、nst1const这就是U/F调速，而图3.6称为基本Uf线。图3.6基本Uf线为了使EXXconst的条件得到满足，以维持磁通1基本不变，人们首先想到的办法便是：频率下降时，在UXXconst的基础上增加u，适当提高UXX 的比值，以补偿阻抗压降U在UX中所占比例增大的影响。这种方法称为转矩补偿或电压补偿，也叫转矩提升。因为是通过改变U比来实现的，故通常称为VF控制法。如图3.7a）所示，曲线是kUkF时的U线，当频率为X时，对应的电压为UX；曲线是补偿后的U线。当频率为X时，对应的电压增加为UXUXu，使UXXUNN。如补偿得恰到好处的话，则反电动势与频率之比与额定状态基本相同，如图b）所
32、示，从而使磁通X大体上与额定磁通相等：XN图3.7转矩补偿的原理3.4 变频器变频原理3.4.1 变频调速原理1.变频器的功用 变频器的功用是将频率固定（通常为工频50HZ）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（050HZ）的三相交流电。2.变频调速的工作原理 当频率f连续可调时，电动机的同步转速n0也连续可调。又因为异步电动机的转子转速n总比同步转速n0略低一些。所以当n0连续可调时，n也连续可调。3.4.2 变频器的类别1.按变换环节分（1） 交-交变频器 把频率固定的交流电源直接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，故变换效率高，但其连续可调的频率范围宽，一般为
33、额定频率的1/2以下（0到fn/2），故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。（2） 交-直-交变频器 先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电。由于把直流电变换为交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性方面，都具有明显的优势。目前迅速地普及应用的主要是这一种。本设计也采用的这种变频器。2.按电压的调节方式分（1） PAM（脉幅调制） 变频器输出电压的大小通过改变直流电压的大小来进行调制。在中小容量变频器中，这种方式几近绝迹。（2） PWM（脉宽调制） 变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比来进行调制。目前普遍应用的是占空比
34、按正弦规律安排的正弦波脉宽调制（SPWM）方式，这也是本次设计所采用的调制方式。3.按直流环节的储能方式分（1）电流型 直流环节储能元件是电感线圈L。（2）电压型 直流环节的储能元件是电容C。本次设计采用电压型变频器。3.4.3 变频器的额定值和频率指标1.输入侧的额定值 主要是电压和相数。在我国，中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种（线电压）：（1）380V，3相 这是绝大多数。（2）220V，3相 主要用于某些进口设备中。（3）220V，单相 主要用于家用小容量变频器中。此外，对输入侧的电源电压的频率也做了规定，通常都是工频50HZ或60HZ。2.输出侧的额定值（1）输出电压UN
35、由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等的。（2）输出电流IN 是指允许长时间输出的最大电流，是用户在旋转变频器时的主要依据。（3）输出容量SN SN取决于UN和IN的乘积。（4）配用电动机容量PN 对于变频器说明书中规定的配用电动机容量，需要说明如下：1）它是个估算值，由于电动机容量的标准值是比较统一的，而电机的功率因素和效率却很不一致，所以配用电动机容量相同的不同品牌的变频器的容量却常不同。2）说明书中的配用电动机容量，仅对长期连续负载才是适合的，对于各
36、种变动负载来说，则不适合。（5）过载能力 变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定为150%IN/min。3.频率指标（1）频率范围 即变频器输出的最高频率fmax和最低频率fmin。各种变频器规定的频率范围不尽一致。通常，最低工作频率约为0.1-1HZ；最高工作频率约为200-500HZ。（2）频率精度 指变频器输出频率的准确度。由变频器的实际输出频率与给定频率之间的最大误差与最高工作频率直比的百分数来表示。例如，用户给定的最高工作频率为fmax=250HZ，频率精度为0.01%，则最大误差为fmax=0.001120HZ=0.012HZ通常由数字量给定
37、时的频率精度约比模拟量给定时间的频率精度高一个数量级。（3）频率分辨率 指输出频率的最小改变量，即每相邻两种频率之间的最小差值。例如，当工作频率为fx=250HZ时，如变频器的频率分辨率为0.01HZ，则上一挡的最小频率为fx=（25+0.01）HZ=25.01HZ下一档的最大频率为fx”=（25-0.01）HZ=24.99HZ3.4.4 变频器主电路该变频器采用的交-直-交的变频方式，其主电路如图3.8所示，其工作方式阐明如下。交-直部分 能耗部分 直-交部分图3.8 交-直-交变频器的主电路1.交-直部分三相交流电UI为380V（线电压）输入变频器的输入端，经过三相桥式全波整流桥，将电源的
38、三相交流电整流成直流电。电源的线电压为380V，则三相全波整流后平均直流电压UZ的大小为UZ=1.35380V=513V2.滤波部分（1）全波整流后的直流电存在波纹，电容器C的功能就是将这些波纹滤平，使其成为可调性好的直流电，提高直-交调节的精确度。（2）起重机在工作中负载若遇到变化时，电容C可使直流电压保持平稳。（3）电容器C还可以储存能量，变频器内部有检测电路，在工作中随时检测电容器C两端的电压，起重机在下放重物的时候，如果负载较大，电动机将处于发电状态，此时电容器C会被充电，电压升高，此时检查到电压过高时，变频器控制将接通晶体管VB使B+、B-之间形成回路，由电阻R消耗能量。降低电容器C
39、的电压。2.直-交部分逆变部分是由6个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）组成的逆变桥，逆变管V1-V6把经过全波整流出来的直流电再逆变成频率可调的交流电。这是变频器的具体执行环节，因此也是变频器的核心部分。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是MOSFET（MOS场效应晶体管）和电力晶体管（GTR）相结合的产物。其主题部分与晶体管相同，也有集电极（C）和发射极（E），但驱动部分却和场效应晶体管相同，是绝缘栅结果。其符号和基本接法如图3.9所示。图3.9 IGBT的基本结构IGBT的工作特点是，控制部分与场效应晶体管相同，控制信号为电压信号uGE,输入阻抗很高，栅极电流IG约等于0，故驱动功率很小。而其主
40、电路部分则与GRT相同，工作电流为集电极电流IC。迄今，IGBT的击穿电压也做到了1200V，集电极最大饱和电流已超过了1500A，由IGBT作为逆变器件的变频器容量已达到250kVA以上。此外，其工作频率可达20HZ。有IGBT作为逆变器件的变频器的载波频率一般都在10kHz以上，故电动机的电流波形比较平滑，基本无电磁噪声。目前，在新系列的中小容量变频器中，IGBT已处于绝对优势的地位。IGBT的驱动电路已经集成化，其内部结构大同小异。在逆变电路里，IGBT通过G输入端控制电流的通断，将直流电转换为连续的交流电。儿IGBT里的二极管是当电动机处于再生制动状态时，电流反向进入变频器，由电容器C
41、储能。下面介绍逆变桥的原理。3.逆变桥的工作原理该变频器采用的是三相逆变桥，三相逆变桥的结构如图3.8的直-交部分所示。B+和B-为直流电源端，U、V、W为逆变桥的输出端。在每个周期中，逆变管的工作情况如图3.10所示。图中，阴影部分为各逆变管的导电时间。图3.10 三相逆变桥各管的通断安排逆变桥的输出线电压1）U、V之间（uUV）在t1、t2时间内，V1、V4同时导通，U为“+”、V为“-”，uUV为“+”，且Um=UD。在t4、t5时间内，V2、V3同时导通，U为“-”、V为“+”，uUV为“-”，且Um=UD。2）VW之间（uVW）在t3、t4时间内，V3、V6同时导通，V为“+”、W为
42、“-”，uVW为“+”，且Um=UD。在t6、t1时间内，V4、V5同时导通，V为“-”、W为“+”，uVW为“-”，且Um=UD。3)W、U之间（uWU）在t5、t6时间内，V5、V2同时导通，W为“+”、U为“-”，uWU为“+”，且Um=UD。在t2、t3时间内，V1、V6同时导通，W为“-”、U为“+”，uWU为“-”，且Um=UD。uUV、uVW、uWU的波形如图3.11所示。由图可知，三者之间的相位互差2/3，它们的振幅都是直流电压UD相等。图3.11 三相逆变桥的输出电压可见，只要按照一定的规律来控制六个逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。而逆变后的电流频率，则可
43、以在上述导通规律不变的前提下，通过改变控制信号的变化周期来进行调节。3.5 SPWM（正弦脉宽调制）图3.12 SPWM调制a）SPWM的含义b）SPWM调制的电流波如果脉冲宽度和占空比的大小按正弦规律分布的话，便是正弦脉宽调制（SPWM），如图3.12a）所示。当正弦量较小时，脉冲的占空比也较小；反之，当正弦量为振幅值时，脉冲的占空比也较大。SPWM的显著优点是：由于电动机的绕组具有电感性，因此，尽管电压是由一系列的脉冲构成的，但通入电动机的电流却十分逼近于正弦波，如图b）所示。经过正弦脉宽调制后的脉冲系列中，各脉冲的上升沿与下降沿是由正弦波和三角波的交点来决定的。这里，三角波是载波，正弦波
44、是调制波。所以，可以说，SPWM的脉冲系列，是调制波调制载波的结果。双极性调制实际变频器中，更多地使用双极性调制方式。其特点是，三角波是双极性的，如图3.13所示。双极性调制后的脉冲系列也是双极性的，如图中之uU、uV、uW。但合成后的线电压脉冲系列则是单极性的。要具体地实施SPWM，必须实时地求出各相的正弦波与三角波的交点。它们的周期根据用户的需要而随时调整；并且，正弦波的振幅值也随周期而变。只有在微机技术高度发达的条件下，才有可能在极短的时间内实时地计算出正弦波与三角波的所有交点。并使逆变管按各交点所规定的时刻有序地导通和截止。图3.13 双极性调制方式3.6 能耗电路计算3.6.1 制动电流的近似估算准确计算制动电流非但比较麻烦，也没有必要。统计资料表明，当流过能耗电路的制动电流IB等于电动机额定电流的一半时，电动机的制动转矩大约等于其额定转矩：IBIMN2 TBTMN （3.15）式中，IB制动电流，A；IMN电动机额定电流，A；TB制动转矩，Nm；TMN电动机额定转矩，Nm。一般情况下，制动转矩的选择范围是：TMNTB2TMN （3.16）用户可根据生产机械的具体情况，按式（3.15）和（3.16）来决定制动电流。3.6.2 制动电阻的计算（1）电阻值当制动电流决定以后，计算制动电阻是十分容易的：RB （3.17）式中，RB
