机械毕业设计4220-5t桥式起重机控制线路设计

毕业设计说明书

课题： 20/5t桥式起重机控制线路设计

子课题: 同课题学生姓名:

专业机电一体化

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摘要

20/5t桥式起重机是一种用来吊起或放下重物并使重物在水平距离内水平移动的起重设备。主要由桥架.，大车运行机构，小车运行机构，起升机构和电气设备组成。起重机广泛用于工矿企业，车站，港口，仓库和建筑工地等场合，是完成各种繁重吊运任务，减轻劳动强度，提高劳动生产率和促进生产过程机械化的重要设备之一。本课题所设计的控制电路分为电源电路，副钩，小车。大车，电动机的主电路，保护电路和主钩电动机电路。本文简要地介绍了起重机的性能、结构、发展状况等，并参照《起重机设计规范》(GB3811-83)及《起重机设计手册》对起重机起升机构及其零部件进行设计计算，从方案论证到具体设计计算，充分发挥了计算机在整体设计中的作用，从而提高了设计质量、缩短了设计周期，提高了工作效率。

ABSTRACT

With fast developments of the modern technology, the expansion of industrial production and the growth of the automatic level, applications of the carnes in the modern manufacture has been more and more extensive, the effect has been bigger and bigger. Higher and higher requirement has been caused. Especially, with the broad application of computer technology and the appearance of the advanced design method of a lot of interdiscipline, which urge the technology of the carne into a brand-new seedtime.

This carne is a kind of 250/50/10t bridge carnes for hydropower station, builded in the workshop of Fengman hydropower station for the extend project. It is used to install, examine and repair of sets of water-turbine generator. This paper focuses on design of hoisting mechanism of the carne, including the main and assistant hoisting mechanism with electromotors, reducers, brake staffs, drum devices and pulley gears. The carne is required to be stables, high accuracy, safety, reliability and advanced technology.

This text briefly introduce the carne’s capability, structure, the actuality of development, and so on, referring to “Design criter ion of carne” (GB3811-83) and design and calculate of the hoisting mechanism and its accessory in “Design handbook of carne”. From scheme demonstrating to designing and calculating, it takes full advantage of the computer in the whole design to raise the quality of the design, cut the cycle of the design, improve the work efficiency.

目录

摘要 (1)

ABSTRACT………………………………………………………………………

第一章20/5t桥式起重机常用电器，电机及选用………………………………………

1.1 常用低压电器……………………………………………………………………

1.2 熔断器………………………………………………………………………

1.3 刀开关………………………………………………………………………

1.4 20/5t桥式起重机变频调速系统主要辅件选用……………………………………

1.5 20/5t桥式起重机变频调速系统电动机容量选用……………………………………

1.6 20/5t桥式起重机变频调速系统变频器容量选用……………………………………

1.7 电阻器和频敏变阻器…………………………………………………………

1.8 电磁铁………………………………………………………………………

第二章凸轮控制器，变频器……………………………………………………

2.1 凸轮控制器……………………………………………………………………2.2 变频器………………………………………………………………………

第三章20/5t桥式起重机电气控制线路…………………………………………………

3.1 桥式起重机的电气控制要求………………………………………………………

3.2 副钩凸轮控制器控制电路………………………………………………………3.3保护电路………………………………………………………………………

结束语………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………

1.1 常用低压电器

1.1.1 低压电器的分类

电器是指用于接通和断开电路或对电路和电气设备进行保护，控制和调节的电工器件。在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中，电器的应用极为广泛。

1.1.2 低压配电电器和低压控制电器

低压配电电器用于低压配电系统中，对电器及用电设备进行保护和通断，转换电源和负载。工作可靠，在系统发生异常情况下动作准确，并有足够的热稳定性和动稳定性。如：熔断器，刀开关，低压断路器等。

低压控制电器用于低压电力传动，自动控制系统和用电设备中，使其达到预期的工作状态。它体积小，重量轻，工作可靠。如：按钮，行程开关，接触器，继电器等。

低压电器的额定电压在工厂电气控制中，采用三相四线制供电，动力线路电压为380V，照明线路电压为220V。

1.2 熔断器

低压熔断器是低压供配电系统和控制系统中最常用的安全保护电器。主要用于短路保护，有时也可用于过载保护。其主体是用低熔点的金属丝或金属薄片制成的溶体，串联在被保护电路中。在正常情况下，溶体相当于一根导线，当电路短路或过载时，电流很大，熔体因过热而熔化，从而切断电路，起到保护作用。

1.2.1熔断器的技术参数

低压熔断器的主要技术参数有额定电压，熔断器额定电流，熔体额定电流。

. 熔断器的额定电压是熔断器长期正常工作能承受的最大电压。

熔断器额定电流是指熔断器（绝缘底座）允许长期通过的电流。查常用低压熔断器主要技术参数表可知：一个额定电流等级的熔断器可以选配若干个额定电流等级的熔体。

熔体额定电流是指熔体长期正常工作并不熔断的电流，熔体额定电流不能大于熔断器的额定电流。

1.2.2 熔断器的选用

选用低压熔断器时一般考虑熔断器的额定电压，熔断器的额定电流和熔体额定电流三项参数。

低压熔断器的额定电压应不小于电路的工作电压。

低压熔断器的额定电流应不小于所装熔体的额定电流。

熔体额定电流选用：

1.电炉和照明等电阻性负载熔体额定电流I BN不小于电路的工作电流I N，即I BN≥I N.

2.配电电路为防止越级动作而扩大停电范围,后一级(近电源) 熔体的额定电流比

前一级熔体的额定电流至少要大一个等级,同时,必需要校核熔断器的极限分断能

力.

3.电动机1〉对于单台电动机,熔体的额定电流应不小于电动机额定电流的1.5-2.5

倍,即I BN≥（1.5-2.5）I N.

2〉对于多台电动机,熔体的额定电流应不小于最大一台电动机额定电流

I Nmax的1.5-2.5倍,加上同时使用的其它电动机额定电流之和∑I N,,即I BN≥（1.5-2.5）I Nmax

＋∑I N.

3〉轻载起动或起动时间短时,系数可取小些;重载起动或起重时间长时,系数可取大些.

4〉因电动机的起动电流很大,熔体的额定电流应保证熔断器不会因电动机起动而熔断,熔断器一般用于短路保护.

1.3 刀开关

刀开关是低压供配电系统和控制系统中最常用的配电电器.常用于电源隔离,也可用于不频繁地接通和断开小电流配电电路或直接控制小容量电动机的起动和停止,是一种手动操作电器.

1.3.1 刀开关的技术参数

刀开关的技术参数主要有额定电压,额定电流和分断能力.

，刀开关的额定电压是刀开关长期正常工作能承受的最大电压.

刀开关的额定电流是刀开关在合闸位置上允许长期通过的最大工作电流.

刀开关的分断能力是刀开关在额定电压下能可靠分断的最大电流.

1.3.2 刀开关的选用

刀开关的选用一般考虑刀开关的额定电压,额定电流等.

刀开关的额定电压应不小于电路实际工作的最高电压.

刀开关的额定电流1〉当用作隔离开关或控制一般照明，电热等电阻性负载时，其额定电流应等于或稍高于负载的额定电流。

2〉当用于电动机直接起动控制时，瓷底胶盖闸刀开关只能控制容量小于5.5KW的电动机，其额定电流应大于电动机的额定电流。组合开关的额定电流应不小于电动机额定电流的2-3倍。

1.4 20/5t桥式起重机变频调速系统主要辅件选用

起重机变频调速系统主要辅件包括断路器，接触器，交电流电抗器，制动电阻器等。

为避开变频器投人时直流回路电容器的峰值，变频器配制的断路器容量为电动机额定电流的1.3-1.4倍，整定值为断路器额定值的3-4倍。

接触器在变频器主回路中仅在变频器辅助器件或控制回路故障时起断开主回路的作用，一般不作回路开断器件用，故可按电动机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其寿命。

为抑制变频器造成的高峰值电流，在变频器的输入端加接交流电抗器。同时，交流电抗器的进入端还可以起到降低电动机的噪声，改善起动转矩，在电动机轻载时改善功率因数的作用。

交流电抗器容量按电动机容量配置，计算公式如下：

L＝（2%-5%）U／2T fI

式中L－电抗器容量（H）

U－额定电压（V）

I－电动机额定电流（A），电抗电流值为电动机额定电流值的1.1-1.2倍。

f－最大周次数（HZ）

（2%-5%）U的选择根据速比要求定，速比愈大百分比愈大。

制动电阻借助制动单元消耗电动机发电制动状态下从动能转换来的能量。计算公式如下：R BO＝U C／1.047（T B－0.2T M）n...

式中：U C－直流回路电压（V）

T B－制动转矩（N..m ）

T M－电动机额定转矩（N..m ）

n－电动机额定转速（r／min）

在制动晶体管和制动电阻构成的能耗回路中沉区最大电流受晶体管许用电流IC的阻制，因此在选择制动电阻时不可小于其最小制动电阻值。

Rmin＝Uc／Ic（Ω）

式中：U C－直流回路电压（V）

Ic－制动晶体管允许的最大电流（A）

因此：制动电阻R B应按R BO＞R B＞R min的关系选用。

1.5 20/5t桥式起重机变频调速系统电动机容量选用

起重机运行机构的转动惯量较大，为了加速电动机需要有较大的起动转矩，故电动机容量需要由负载功率P j及加速功率P a两部分组成。一般情况下电动机容量P为：

P≥（P a+P j）／λas λas

式中：λas －电动机平均起动转矩倍数。

若使电动机在额定转速下接近满载运行，且能承受电网电压的波动，则要求电动机的过载力矩倍数λM大于1.5倍。或适当增加加速时间，减小加速速率。

起重机起升机构的负载特点是起动时间短（1-3s），只占等速运动时间的较小比例；转动惯量较小，占额定起升转矩的（10%-20%），其电动机容量为：

P＝C P gv／（1000η）（KW）

式中：C P－起重机额定起升负载（Kg）

v－额定起升速度（m／s）

g－重力加速度（g＝9.81 m／s）

η－机构总效率

此外，为使电动机能提升1.25倍试验载荷，能承受电压波动的影响，其最大转矩值必需大于2。否则，必需让电动机放容，从而降低电动机在额定运行时的工作效率。

1.6 20/5t桥式起重机变频调速系统变频器容量选用

起升机构的平均起动转矩一般说来为额定力矩的1.3-1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需要通过125%超载实验等因素，此时变频器容量为：

1.5P CN≥K／ηM COSφ×C P gv／1000η

式中COSφ－电动机的功率因素，COSφ＝0.75

P－起升额定负载所需功率（KW）

ηM－电动机效率，ηM＝0.85

P CN－变频器容量（KV A）

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。若用在电动机额定功率选定的基础上提高一档的方法选择变频器的容量，在变频器功率选定的基础上，做电流验证，

公式如下：I CN＞I M

式中I CN－变频器额定电流

I M－电动机额定电流

1.7 电阻器和频敏变阻器

电阻器是电动机的起动，制动，和调速控制的重要附件。

电阻器选用的一般原则：

1〉根据控制要求选择电阻器系列

2〉根据电动机的电流选择电阻器的型号

频敏变阻器是一种利用铁磁材料的损耗岁频率变化来自动改变等效阻值的低压电器。

频敏变阻器能使电动机实现平滑起动，主要用于绕线转子回路作为起动电阻，实现电动机的平稳无级起动。

频敏变阻器选用的一般原则：

1〉根据电动机所拖动的生产机械的起动负载特性和操作频繁程度，选择频敏变阻器。

2〉按电动机功率的大小选择频敏变阻器。

1.8 电磁铁

电磁铁是利用电磁吸力来吸钢铁零件，操纵，牵引机械装置以完成预期的动作的低压电器。

电磁铁选用的一般原则：

1〉根据机械负载的要求选择电磁铁的种类和机构形式。

2〉根据控制系统电压选择电磁铁线圈电压。

3〉电磁铁的功率应不小于制动或牵引功率。

2.1 凸轮控制器

凸轮控制器是一种利用凸轮来操作动触点动作的控制电器。主要用于容量小于30KW 的中小型绕线或转子异步电动机的控制电路中，控制电动机的起动，停止，调速，反转和制动，广泛用于桥式起重机。

凸轮控制器主要由手柄，触点系统，转轴，凸轮和外壳组成。如图：

2.2 变频器在起重机中的应用

变频控制技术，PLC控制技术和计算机技术的发展，为桥式起重机变频控制应用提供了有利的条件，PLC控制的桥式起重机变频调速系统。

PLC控制的桥式起重机变频调速系统框图如图所示：

副钩

主钩

小车

大车主令控制器

变频器变频器变频器

变频器

PLC 控制的桥式起重机变频调速系统框图

PLC 控制的桥式起重机变频调速系起动，制动快速，起动过程平稳，运行平稳，可靠，操作简单灵活，生产效率高，系统维护方便，安全性高。

拖动转矩

日立J300系列变频器具有无速度传感器矢量控制技术，当变频器有0.5Hz 输出时即有150%以上的高起动转矩，保证悬空起动及低速运转时的电机力矩，并可在10：1的速度范围内（6-60Hz/5-50Hz ）以100%转矩连续运行。速度调速偏差小于±1%。并利用一个高速微处理器和装备DSP 来提高响应速度，在提升设备中对防止“滑落”很有效果，转矩响应时间约0.1秒便可达到100%的转矩。

能耗制动单元

“桥抓”在操作抓斗下落时，变频器将受到较高电势的能量释放过程，为保证变频器不过压跳闸不被击坏，增设能耗制动单元来保证变频器的正常工作。进行制动时放电电阻与电机内部的有功损耗部分结合成制动转矩，大约为电机额定转矩的20%。制动电阻的计算如下； RBO=UC2/0.1047(TB-0.2Tm)n1 (1)

式中：UC ——直流回路电压；

TB ——制动转矩；

Tm ——电动机额定转矩；

n1——开始减速时的速度；

由制动单元和制动电阻构成的放电回路中，其最大电流受制动单元的最大允许电流IC 的限制。制动电阻的最小允许值Rmin 为：

Rmin= UC/IC （2）

因此，制动电阻应满足以下选择范围Rmin < RB < RBO

制动电阻所需功率PBO （KW ）计算如下：

PBO=0.1047(TB-0.2Tm)（n1 n2）*10-3/2

功能参数

变频器调式投用时，功能参数的设置，直接关系到变频器与设备运行工况是否配合恰当的重要环节。比如F2输出额定频率的设定，F6加速时间的设定，F7减速时间的设定，A0转矩控制方式的设定等等。特别是电机参数的测定，均需通过“桥抓”使用过程中结合设备运行

情况不断摸索修正。否则，由于某参数设置不合理，也可能使变频器工作不正常或造成电机过热等未能预想的异常情况发生而损坏电气设备。

运行环境

由于变频器应用与桥抓上，工作环境差。如粉尘多，振动大，雨天空气潮湿等。因此，运行中应注意变频器的紧固与防潮以确保变频器的安全运行。

3.1 桥式起重机的电气控制要求

桥式起重机经常带负载起动，需要保证有较大的起动转矩和较小的起动电流，因此，采用转子串电阻起动。它的负载为恒转矩负载，一般重载时，转速可降低到额定转速的50%-60%。工作方式为反复短时工作制，允许过载运行。负载力矩为位能性反抗力矩，必需采用安全可靠的制动方式。此外，必需具备必要的零位，短路，过载和终端保护。

3.2 凸轮控制器触点分合情况，通常用触点分合表表示。（注：“×”表示触点闭合，“0”表示触点分断）。

副钩凸轮控制器的控制过程如图：

副钩上升主接触器KM得电，总电源接通。

AC1手轮转至向上“1”位置，AC1主触点V13—1W，U13—1W闭合；AC1连锁

触点AC1—5闭合；AC1连锁触点AC1—6断开；M1全电阻电动机正转起动，低

速带动副钩上升。此时，制动电磁铁YB1线圈得电，闸瓦与闸轮分开。AC1手轮

依次转至向上“2”—“5”位置，5对常开辅助触点依次闭合，短接电阻1R5—1R1

—M1转速逐渐升高到预定转速。

副钩下降AC1手轮转至向下“1”位置，AC1主触点V13—1U和U13—1U闭合。电源相序改变，M1反转带动副钩低速下降，AC1手轮依次转至向下“2”—“5”位置，M1转速逐渐升高。

制动AC1手轮转至“0”位置M1失电；YB1线圈失电；M1迅速制动停车。

副钩带有重载时，考虑到重力的作用，在下降负载时，应先把手轮逐级扳到“下降”的最后一档，然后根据速度要求逐级退回升速以免下降过快。

3.3 保护电路AC1—5与AC1—6，AC2—5与AC2—6，AC3—5与AC3—6分别为M1，M2，M3的正反转连锁触点，是电动机的正反转连锁保护。行程开关SQ1，SQ2是小车的横向限位保护，SQ3，SQ4是大车的纵向限位保护，SQ6是副钩提升的限位保护，当运动部件的行程超过极限位置时，利用移动部件上的档铁压下行程开关，使电动机失电并制动。AC1—7，AC3—7，AC2—7是零位连锁触点，保证所有凸轮控制处于“0”位时，主接触器线圈才能得电，起重机才能工作。过电流继电器KA0，KA1，KA2，KA3，KA4分别为总电源，M1，M2，M3和M4的过载和过电流保护。

结束语

我在毕业设计期间，得到许文静老师的精心指导，许老师治学严谨，学识渊博，视野雄廓，为我营造了一种良好的精神氛围。置身许老师的指导过程中，不仅我的思想观念焕然一新，也改善了我的思考方式，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，令我如沐春风，倍感温馨。一股暖意细水长流，源自内心而又沐润全身，微言寸语岂能祥诉感激之情，只好铭记心中，唯有虔诚的祝福导师合家欢乐，一生平安，万事如意。同时，也将祝福送给每一位帮助我的师长。感谢各位老师在这半年的毕业设计中对我的帮助和鼓励。

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