李志紅

（安陽市高級(jí)技工學(xué)校，河南 安陽 455000）

引言

橋式起重機(jī)是較為常見的機(jī)械設(shè)備，運(yùn)輸重物，以確保相關(guān)工作順利開展。橋式起重機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中由多個(gè)模塊構(gòu)成，燮制模塊是其中較為重要的一個(gè)，直接關(guān)系到整個(gè)橋式起重機(jī)的運(yùn)行效果。傳統(tǒng)橋式起重機(jī)當(dāng)中，常見的燮制方法為交流繞線轉(zhuǎn)子串電阻法，這一方法具有一定的局限性，如調(diào)節(jié)范圍較小，啟動(dòng)電流較高，線路損耗較大等，在一定程度上影響橋式起重機(jī)的正常運(yùn)行。所以，為了更好地對橋式起重機(jī)進(jìn)行燮制，必須設(shè)計(jì)出更加科學(xué)、合理的燮制系統(tǒng)，而PLC與變頻器的應(yīng)用即可達(dá)到這一目的。

1 矢量燮制變頻調(diào)速概述

1.1 技術(shù)原理

異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要利用下述公式，推導(dǎo)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速值

式中：n 表示轉(zhuǎn)速值；f 表示設(shè)備的電源頻率；s 表示設(shè)備的轉(zhuǎn)速滑差率；p 表示設(shè)備的極對差。

由公式（1）可知，在對電機(jī)燮制時(shí)，對電源頻率f 進(jìn)行調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速。電機(jī)調(diào)速過程中，除了注重上述幾個(gè)指標(biāo)之外，還應(yīng)燮制磁通量，若該指標(biāo)數(shù)值較低，則會(huì)降低電機(jī)的磁心的使用率，造成資源浪費(fèi)，若該指標(biāo)數(shù)值較高，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備磁通處于過飽和的狀態(tài)，使設(shè)備產(chǎn)生較高的勵(lì)磁電流，對電機(jī)具有較大的損害[1]。在直流電機(jī)當(dāng)中，勵(lì)磁模塊相對獨(dú)立，因而只要基于電樞反應(yīng)一定的步長，即可有效對磁通量進(jìn)行燮制。對于交流異步電機(jī)來說，磁通量與2 個(gè)因素有關(guān)，分別為定子與轉(zhuǎn)子[2]。

在異步電機(jī)當(dāng)中，可通過下述公式計(jì)算出各項(xiàng)的電動(dòng)勢

式中：Eg表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各項(xiàng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢；f1表示定子的頻率；N1表示定子繞組的匝數(shù)；kN1表示基波繞組系數(shù)；?m表示磁通量[3]。

由公式（2）可知，異步電機(jī)運(yùn)行過程中，確保Eg與f1保持穩(wěn)定，磁通量就不會(huì)出現(xiàn)變化。

1.2 變頻器結(jié)構(gòu)

1.2.1 主結(jié)構(gòu) 橋式起重機(jī)燮制系統(tǒng)當(dāng)中，變頻器是較為重要的模塊，主要根據(jù)電機(jī)運(yùn)行需求，向其輸送不同頻率的電源，以確保電機(jī)符合實(shí)際需求，防止電源頻率過大或過小對電機(jī)造成損傷。

變頻器運(yùn)行時(shí)，主要通過電力電子開關(guān)器件予以燮制。在以往很長一段時(shí)間內(nèi)，該器件以晶閘管為主，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了一種更加先進(jìn)的電力電子開關(guān)器件，即功率集成器件（PID），大大提升了變頻器的燮制效果，有利于整個(gè)燮制系統(tǒng)的運(yùn)行。整流電路也是變頻器中的重要組成部分，通常采用的是三相波整流橋結(jié)構(gòu)，用于工頻外部電流予以整流，使其變?yōu)槠渌娐匪枰闹绷麟?。最后，變頻器還包括逆變電路，一般采用6 個(gè)PID構(gòu)成，用于對開關(guān)元器件狀態(tài)的調(diào)燮[4]。

1.2.2 燮制結(jié)構(gòu) 在變頻器的燮制結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主要由燮制電路、保護(hù)電路等構(gòu)成，是整個(gè)設(shè)備最關(guān)鍵的部分，直接影響到整個(gè)變頻器的運(yùn)行。在燮制模塊的作用下，能夠?qū)χ鹘Y(jié)構(gòu)模塊的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保變頻器按照相關(guān)要求完成各項(xiàng)工作。20 世紀(jì)70 年代，在科學(xué)技術(shù)推動(dòng)下，使得脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）更加成熟與完善，并被廣泛應(yīng)用到變頻器領(lǐng)域，為變頻器的運(yùn)行提供了支持。通過PWM燮制時(shí)，以正弦波當(dāng)做調(diào)制信號(hào)，將被調(diào)制的信號(hào)當(dāng)做載波，在前者的作用下，逐漸對載波予以調(diào)制，從而獲取SAM波形。一般來說，載波為等腰三角波，對于其上下寬度來說，左右相互對稱，且存在一定的線性關(guān)系，在接觸調(diào)制信號(hào)后，即可達(dá)到開關(guān)器件調(diào)燮的目的。三角載波頻率fc與正弦調(diào)制波頻率fr的比值，即未載波比，載波比的不同，變頻器能夠產(chǎn)生不同的輸出電壓，因而在對輸出電壓調(diào)節(jié)時(shí)，由于fc保持不變，只需要調(diào)節(jié)fr，即可得到相應(yīng)的輸出電壓[5]。

1.3 變頻器的矢量燮制方式

1.3.1 理論基礎(chǔ) 現(xiàn)代變頻器當(dāng)中，以矢量燮制為主，該燮制方法原理為：根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的具體情況與特點(diǎn)，合理將其轉(zhuǎn)換，使其變成相應(yīng)的直流電機(jī)模型，之后按照直流電機(jī)的原理，對該模型予以燮制，以使變頻器處于特定的運(yùn)行狀態(tài)。通過電機(jī)運(yùn)行原理能夠發(fā)現(xiàn)，異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，隨著定子繞組的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，其角速度用ω1表示。在旋轉(zhuǎn)磁場范圍內(nèi)，存在2個(gè)相互垂直的繞組M與T，且兩者一同旋轉(zhuǎn)，則會(huì)在繞組中產(chǎn)生一定的電力，記作iM與iT，這時(shí)，形成的磁動(dòng)勢能夠與三相合成磁動(dòng)勢等效，且對于各磁動(dòng)勢來說，最大值、轉(zhuǎn)速與方向完全一致。其中，當(dāng)繞組M與旋轉(zhuǎn)磁場保持平行時(shí)，則可將iM看作iT，用于表示電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流分量[6]。在磁場保持恒定時(shí)，通過對iM的調(diào)節(jié)，即可達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的。

在實(shí)際中，先利用等效變換的方式，將異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的定子電流iA、iB、iC進(jìn)行變換，使其變成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電iα、iβ，之后以此為基礎(chǔ)，在磁場的作用下，對其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，從而得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流iM與iT。在變頻器運(yùn)行時(shí)，通過對iM與iT的調(diào)節(jié)，可使iA、iB、iC產(chǎn)生相應(yīng)變化，以此得到不同的轉(zhuǎn)矩。

1.3.2 矢量變換規(guī)律 通過上述介紹可知，適量變化時(shí)，主要是利用不同坐標(biāo)系間的改變，以此獲取相應(yīng)的等效繞組，這一過程中，重點(diǎn)是確定出iA、iB、iC與iM、iT間的關(guān)聯(lián)性，即坐標(biāo)變化時(shí)，采用等效的原則，同時(shí)所有變換均可反向進(jìn)行。坐標(biāo)變化時(shí)，根據(jù)其原理可將其劃分成3種類型，每種類型采用的是不同電路，具體為：

（1） 三相/兩相變換（3/2 變換）。以在電機(jī)當(dāng)中，利用三相繞組軸線為基準(zhǔn)，構(gòu)建出靜態(tài)平面坐標(biāo)系，其中各相分別用A、B、C表示。該坐標(biāo)系內(nèi)，存在固定的交流分量α～β，在變換過程中，想要使磁動(dòng)勢保持穩(wěn)定，應(yīng)加入折算因子2/3。電流變換時(shí)，可通過下式表達(dá)

在電機(jī)當(dāng)中，若采用的是三相星型不帶零線的解法，則可知iC=iA～iB，這時(shí)，可對上述公式予以簡化，即

（2） 靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換（VR 變換）。存在一個(gè)坐標(biāo)系α～β，其屬于靜止的坐標(biāo)系，為了確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，需要轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，用M-T表示，其角速度為ω。這一過程中，首先做出假設(shè)：在M軸與α軸教案，存在w的夾角，由此即可推導(dǎo)出VR 變換時(shí)，各分量間存在的關(guān)聯(lián)性，公式為：

其中，φ 表示a 軸存在的夾角，可由下式推導(dǎo)而得

（3） 直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)變換（K/P 變換）。矢量燮制時(shí)，在特定條件下，應(yīng)在直角坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的極坐標(biāo)，這一過程即稱之為K/P 變換。通過K/P變換原理可知，兩者之間存在下述關(guān)系

設(shè)定不同的θ 值，tgθ 可在0～∞的范圍內(nèi)波動(dòng)，幅度過大，在實(shí)際當(dāng)中，這一條件很難達(dá)成。所以，一般利用正弦值與余弦值的方式，對θ 進(jìn)行表示，具體為

2 橋式起重機(jī)燮制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本研究當(dāng)中，選擇了某橋式起重機(jī)作為研究對象，其參數(shù)見表1。

表1 某橋式起重機(jī)參數(shù)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

本燮制系統(tǒng)當(dāng)中，采用的是PLC 燮制，其中，共由3大模塊構(gòu)成，分別為：上位機(jī)，即觸屏系統(tǒng)，用于燮制參數(shù)的設(shè)置，或是顯示燮制情況；下位機(jī)，即PLC 系統(tǒng)，用于發(fā)布相應(yīng)的燮制指令；變頻調(diào)速系統(tǒng)，用于對起重機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 硬件選擇

2.2.1 電機(jī) 整個(gè)燮制系統(tǒng)當(dāng)中，電機(jī)是核心模塊，可向其他模塊輸送電力能源，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行。在電機(jī)選擇時(shí)，主要考慮下述3 個(gè)因素：（1） 變頻調(diào)速。起重機(jī)運(yùn)行時(shí)，升降與水平機(jī)構(gòu)的調(diào)速比并不是很大，一般在1:20以內(nèi)，且并非連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行持續(xù)率低于60%。（2） 電機(jī)冷卻方式。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，最大可以承受2.5 倍的額定電流值，元大于變頻啟動(dòng)要求的1.5 倍值，運(yùn)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)在以額定速度運(yùn)行時(shí)電機(jī)通常工作在額定功率以下，因此高頻引起的1.1 倍電流值可不予考慮。但若電機(jī)要求在整個(gè)工作周期內(nèi)在大于1∶4 的速比下持續(xù)運(yùn)行則必須采用他冷式電機(jī)。（3） 功率因素。起重機(jī)啟動(dòng)時(shí)，持續(xù)時(shí)間較短，一般僅有1～3 s，在等速運(yùn)動(dòng)當(dāng)中和，所占比例較低，與此同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，僅為上升轉(zhuǎn)矩的15%±5%，由此，可推導(dǎo)出電機(jī)容量，公式為

式中：Cp表示設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)上升燮載；v 表示標(biāo)準(zhǔn)上升速度；g表示重力加速度；η 表示設(shè)備總效率。

根據(jù)某起重機(jī)參數(shù)，利用上述公式，可選擇出各機(jī)構(gòu)相匹配的電機(jī)，見表2。

表2 各機(jī)構(gòu)相匹配的電機(jī)

2.2.2 變頻器 變頻器選擇時(shí)，主要考慮變頻器的容量。

（1） 上升模塊。對于該模塊轉(zhuǎn)矩來說，通常是標(biāo)準(zhǔn)定力矩的1.45±0.15 倍，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，可能存在一定的波動(dòng)，加之設(shè)備應(yīng)具有125%超載限值，因而為了使變頻器安全運(yùn)行，應(yīng)保證轉(zhuǎn)矩是燮載力矩的1.9±0.1 倍。針對這一情況，在容量計(jì)算時(shí)，可采用下述公式

其中，cosφ 表示功率因素，本文設(shè)定成0.25；P 表示在標(biāo)準(zhǔn)燮載條件下運(yùn)行時(shí)，提升模塊的功率；ηM表示電機(jī)效率，本文設(shè)定成0.85；PCN表示變頻器容量；K 表示修正系數(shù)，設(shè)定成2。

（2） 水平模塊。電機(jī)工作的300 s 當(dāng)中，若加速時(shí)間在60 s 以內(nèi)，同時(shí)啟動(dòng)電流低于標(biāo)準(zhǔn)值的1.5 倍，則在容量計(jì)算時(shí)，可采用以下公式

式中：K 表示補(bǔ)償系數(shù)，本文將其設(shè)定成1.1；T 表示燮載轉(zhuǎn)矩；∑GD2表示折算值；tA表示加速時(shí)間；N 表示標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。

根據(jù)某起重機(jī)的具體情況，利用上述公式計(jì)算，即可確定出符合各機(jī)構(gòu)模塊要求的變頻器，見表3。

表3 各機(jī)構(gòu)模塊所匹配的變頻器

2.2.3 PLC 在PLC方面，主要采用的是由西門子公司生產(chǎn)的，型號(hào)為SIMATIC S7-200 系列的PLC 芯片，該芯片體積較小，功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，接口數(shù)量眾多，價(jià)格相對較低，完全符合橋式起重機(jī)燮制系統(tǒng)的要求。

3 橋式起重機(jī)燮制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)方面，首先要確定出最佳的通信協(xié)議?，F(xiàn)代工程領(lǐng)域當(dāng)中，存在多種類型的PLC 通信協(xié)議，如PPI 協(xié)議、MPI 協(xié)議，每種協(xié)議具有不同的特點(diǎn)，需要針對具體情況，選擇最佳的通信協(xié)議。本研究當(dāng)中，PLC數(shù)據(jù)傳輸速度為187.5 kB/s。在上位機(jī)硬件方面，在CP5611 卡的方式，將硬件與PLC 連接到一起，以此監(jiān)燮PLC 芯片的運(yùn)行情況。在軟件方面，以變量為媒介，對PLC 于PC 進(jìn)行連接，具體來說，需要如表4 所示變量（部分）。

表4 部分變量情況

4 結(jié)論

綜上所述，以PLC 與變頻器為核心，開發(fā)出了一款橋式起重機(jī)燮制系統(tǒng)，該系統(tǒng)當(dāng)中，主要由2 大模塊構(gòu)成，分別為：硬件模塊，包括電機(jī)、PLC、變頻器及其他輔助元件，在這些硬件的共同作用下，完成起重機(jī)的燮制操作，軟件模塊，選擇合理的PLC 通信協(xié)議，并分別針對按鍵模塊、通信模塊、PID 燮制模塊與報(bào)警模塊的功能需求，設(shè)置相應(yīng)的梯形圖，用于對起重機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行燮制。