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第1篇 起重机基础 1

1 起重机按机械构造分类 1

1.1 电动葫芦 1

1.2 桥架型起重机 2

1.2.1 桥架型起重机的特点 2

1.2.2 桥式起重机 2

1.2.3 门式起重机 3

1.2.4 装卸桥 3

1.2.5 半门式起重机 4

1.3 缆索型起重机 4

1.4 臂架型起重机 5

1.4.1 臂架型起重机的特点 5

1.4.2 门座起重机 5

1.4.3 固定式起重机 6

1.4.4 塔式起重机 6

1.4.5 桅杆起重机 8

1.4.6 壁行式悬臂起重机 8

1.4.7 悬臂起重机 8

1.4.8 平衡起重机 9

2 起重机按运载方式分类 9

2.1 固定式起重机 9

2.2 轨道式起重机 9

2.3 轮胎式起重机 9

2.4 浮式起重机 9

2.5 汽车起重机 11

2.6 履带起重机 11

2.7 铁路起重机 11

3 起重机按应用领域分类 12

3.1 港口起重机 12

3.1.1 岸边集装箱起重机 12

3.1.2 堆场集装箱起重机 13

3.1.3 抓斗卸船机 13

3.1.4 多用途起重机 14

3.2 冶金起重机 14

3.2.1 夹钳起重机 14

3.2.2 电磁起重机 14

3.2.3 铸造起重机 15

3.2.4 锻造起重机 15

3.2.5 淬火起重机 16

3.2.6 电解铝多功能起重机 16

3.2.7 阳极焙烧多功能起重机和堆垛多功能起重机 17

3.3 建筑起重机 17

3.4 发电厂起重机 18

3.4.1 核电站起重机 18

3.4.2 水电站起重机 19

3.4.3 其他电厂起重机 19

3.5 造船厂起重机 19

3.6 其他 20

4 起重机基本概念 20

4.1 工作级别 20

4.1.1 起重机的使用等级 20

4.1.2 起重机各运行机构的工作级别 20

4.1.3 起重机作业频度与电控器件选型的关系 22

4.2 主要参数 22

4.2.1 起升能力 22

4.2.2 跨度、轮距和轨距 23

4.2.3 幅度 23

4.2.4 起升高度 24

4.2.5 运行速度 24

4.2.6 生产率 24

4.3 工作机构 25

4.4 驱动方式 25

4.5 起升机构 25

4.5.1 起升机构的组成 25

4.5.2 驱动装置 26

4.5.3 钢丝绳卷绕系统 28

4.5.4 取物装置 28

4.5.5 安全装置 29

4.5.6 制动器 29

4.6 平移机构 30

4.6.1 基本概念 30

4.6.2 驱动系统 30

4.6.3 故障处理 31

4.6.4 注意事项 31

4.7 回转机构和变幅机构 32

4.7.1 回转机构 32

4.7.2 变幅机构 32

4.8 起重机作业的工艺流程 33

4.8.1 固定工艺流程 33

4.8.2 典型工艺流程 33

4.8.3 典型工艺运行曲线 33

4.8.4 不规则工艺流程 38

第2篇 常用元器件基础 39

5 低压元器件 39

5.1 接触器 39

5.1.1 接触器的主要参数 39

5.1.2 接触器的主要附件和选件 39

5.1.3 接触器的工作类别 40

5.1.4 超动次数 41

5.1.5 使用寿命 42

5.1.6 接触器用于绕线转子电动机转子电阻切换 42

5.1.7 接触器用于变压器前端 43

5.1.8 起重行业的接触器选型原则 44

5.1.9 起重行业电动机直接控制回路接触器设计示例 44

5.2 电动机热保护 47

5.2.1 电动机断路器 47

5.2.2 热过载继电器 49

5.2.3 电子过电流继电器 52

5.2.4 热敏保护继电器 53

5.2.5 三合一电动机起动器 54

5.3 断路器（塑壳开关和框架开关） 57

5.3.1 断路器的主要参数 57

5.3.2 脱扣器 57

5.3.3 断路器的主要附件 60

5.3.4 施耐德电气断路器的相关型号与选型 61

5.3.5 起重行业脱扣器选用原则概述 63

5.3.6 断路器的选择性与级联 64

5.4 微型断路器 65

5.5 继电器 69

5.5.1 控制继电器 69

5.5.2 小型中间继电器 69

5.5.3 测量和控制继电器 70

6 人机对话器件 71

6.1 主令控制器 71

6.1.1 运行轨迹图 71

6.1.2 电气闭合顺序图 72

6.1.3 控制手柄 73

6.1.4 电位器或旋转编码器选件 73

6.1.5 施耐德电气的主令控制器型号简介 74

6.2 悬挂式按钮盒 74

6.3 手持式遥控器 78

6.3.1 手持式遥控器的优点 78

6.3.2 手持式遥控器的分类 79

6.3.3 使用遥控器操作时的注意事项 79

6.4 按钮和指示灯 79

6.4.1 按钮指示灯的分类 79

6.4.2 起重行业按钮指示灯的基本用法 80

6.4.3 施耐德电气的按钮指示灯选型参考 80

6.5 万能转换开关 83

6.5.1 概述 84

6.5.2 K1/K2系列万能转换开关示意图说明 84

6.5.3 起重机常用的特殊用途旋钮开关举例 85

6.5.4 旋钮开关的定制 89

6.6 显示屏人机界面 92

6.6.1 起重机人机界面的选用 92

6.6.2 人机界面型号介绍 92

7 检测元件 93

7.1 限位开关 93

7.1.1 概述 93

7.1.2 限位开关的分类及选择 93

7.1.3 施耐德电气的限位开关产品简介 94

7.1.4 重锤限位开关 98

7.1.5 凸轮限位开关 99

7.2 接近开关 99

7.2.1 电感式接近开关 99

7.2.2 电感式模拟量距离传感器 100

7.2.3 光电接近开关 100

7.3 旋转编码器 101

7.3.1 增量型旋转编码器 101

7.3.2 绝对值型旋转编码器 103

7.3.3 测量轮 104

8 电动机 105

8.1 锥形电动机 105

8.2 起重及冶金专用电动机 105

8.3 变频电动机 106

8.3.1 变频驱动对电动机的特殊要求 106

8.3.2 两类变频电动机 107

8.4 绕线转子电动机 107

8.5 起重行业对电动机的选择 107

9 变压器 108

9.1 中压变压器 108

9.1.1 中压变压器基本概念 108

9.1.2 中压变压器的安装位置 109

9.1.3 主变压器与辅助变压器 109

9.1.4 起重机中压变压器的选用原则 109

9.2 隔离变压器 110

9.2.1 常见的隔离变压器 111

9.2.2 隔离变压器的使用注意事项 111

9.2.3 施耐德电气的隔离变压器产品 111

10 称重设备 112

10.1 起重机电子秤 112

10.1.1 用途 112

10.1.2 分类 112

10.1.3 要求 113

10.1.4 数字式称重设备 113

10.2 负荷限制器 114

10.2.1 用途 114

10.2.2 分类 114

10.2.3 要求 114

第3篇 变频器 115

11 变频器及选件 115

11.1 变频器基础 115

11.1.1 变频器的构成 115

11.1.2 V/F控制或电压矢量控制 116

11.1.3 电流矢量控制 116

11.1.4 共直流母线系统 117

11.2 变频器的常用选件 117

11.2.1 交流电抗器 117

11.2.2 直流电抗器 118

11.2.3 电动机电抗器 118

11.2.4 能耗制动和回馈制动单元 120

11.2.5 其他常用的变频器选件 120

11.2.6 AFE 121

11.3 施耐德电气的ATV71变频器及常用选件 121

11.3.1 ATV71基本电压等级的主要型号及附件选型 121

11.3.2 施耐德电气变频器产品一览 124

12 变频器在起重行业上的设计与调试 124

12.1 基本设计概念 124

12.1.1 输入输出设置 124

12.1.2 基本参数设置 125

12.1.3 指令通道的设置和切换（菜单1.6：命令） 127

12.1.4 故障管理（菜单1.8：故障管理） 128

12.2 应用参数设置 130

12.2.1 加减速时间和斜坡类型（菜单1.7：应用功能【斜坡】） 130

12.2.2 停车类型（菜单1.7：应用功能【停车设置】） 131

12.2.3 速度给定 131

12.3 开环起升机构的参数设置与调试 133

12.3.1 制动器与起制动过程 133

12.3.2 变频器控制模式与制动器控制 133

12.3.3 开环起升机构的调试和制动器逻辑控制参数设置 134

12.3.4 制动逻辑控制曲线其他参数的设置 136

13 变频器起重应用功能宏的设计与参数设置 138

13.1 寸动 139

13.1.1 关于寸动 139

13.1.2 寸动功能的实现 139

13.2 悬挂式按钮盒的调速（菜单1.7：应用功能【加减速】） 140

13.3 速度微调（菜单1.7：应用功能【给定附近加减速】） 141

13.4 停止限位开关管理（菜单1.7：应用功能【限位开关】） 143

13.5 制动器故障监控（菜单1.7：应用功能【制动逻辑控制】） 143

13.6 轻载升速（菜单1.7：应用功能【高速提升】） 143

13.7 简单的定位功能及减速时间优化 147

13.7.1 两种实现简单定位功能的办法 147

13.7.2 减速功能优化 148

13.8 使用制动器返回触点 149

13.8.1 使用制动器反馈触点的设置 149

13.8.2 制动器故障处理 151

13.9 多电动机切换 151

13.10 转矩均衡 152

13.10.1 问题的提出 152

13.10.2 通过电动机的转差实现转矩均衡 152

13.10.3 通过【负载平衡】功能实现转矩均衡控制 153

13.10.4 通过模拟量主从控制模式实现转矩均衡功能 154

13.10.5 通过主从控制功能卡（工艺卡）实现转矩均衡功能 157

14 其他 157

14.1 制动方案选择 157

14.1.1 常见的制动方案 157

14.1.2 选择制动方式的基本原理 158

14.1.3 回馈制动方案的设计 160

14.1.4 回馈制动器件的选型 161

14.2 抗谐波设计 161

14.2.1 对谐波控制的要求 161

14.2.2 常用谐波控制方式 161

14.2.3 起重机抗谐波处理 162

14.3 其他调速方式简介 162

14.3.1 直流调速器 162

14.3.2 定子调压调速器 162

第4编 可编程序控制器 164

15 可编程序控制器的设计 164

15.1 可编程序控制器基础 164

15.1.1 概述 164

15.1.2 小型PLC系统 164

15.1.3 中型PLC系统 165

15.1.4 大型PLC系统 165

15.2 可编程序控制器硬件 165

15.2.1 控制系统的设计 165

15.2.2 PLC的设计 166

16 PLC系统设计举例 167

16.1 中型系统（BUSX系统）设计 167

16.1.1 基本方案 167

16.1.2 模块配置 168

16.2 大型系统（BUSX+FIPIO+STB）设计 171

16.2.1 基本配置 171

16.2.2 模块配置 171

16.3 小型系统（Can-Open+OTB）设计 174

16.3.1 基本配置 174

16.3.2 模块配置 175

17 可编程序控制器软件 176

17.1 起重机控制软件 176

17.2 任务 177

17.3 编程语言 177

17.3.1 梯形图（LD）语言 177

17.3.2 指令表（IL）语言 178

17.3.3 功能块图（FBD）语言 178

17.3.4 连续功能图（CFC）语言 179

17.3.5 顺序功能图（SFC）或Grafcet语言 179

17.3.6 结构化文本（ST）语言 180

18 网络和通信 180

18.1 基本知识 180

18.1.1 网络和通信 180

18.1.2 单主系统和多主系统 180

18.1.3 指令和通令 180

18.2 常用通信协议简介 181

18.2.1 ModBus通信协议 181

18.2.2 CAN-Open通信协议 181

18.2.3 FIPIO通信协议 181

18.2.4 ModBusTCP通信协议 181

18.2.5 Profibus-DP通信协议 182

18.2.6 DeviceNET通信协议 182

19 故障、停机请求和停机方式 182

19.1 停止方式 182

19.1.1 0级停止模式（ATG） 182

19.1.2 1级停止模式（AT1） 182

19.1.3 2级停止模式（AT2） 183

19.1.4 3级停止模式（AT3） 183

19.2 停止请求 183

19.3 故障类型 183

19.4 停机过程、停机请求、故障及复位 184

19.5 程序处理 185

第5篇 接地、干扰、安全及其他 186

20 基本概念 186

20.1 基础知识 186

20.1.1 大地、地与接地 186

20.1.2 接地的作用 186

20.1.3 外露导电部分（ECF） 186

20.1.4 人身安全保护 187

20.2 中压变压器二次侧接地系统 187

20.2.1 IT接地系统 188

20.2.2 TT接地系统 189

20.2.3 TN接地系统 189

20.3 起重机的接地系统 189

20.3.1 概述 189

20.3.2 低压供电起重机的接地 190

20.3.3 中压供电起重机的接地 191

21 接地与安全 192

21.1 直接接触的安全保护 192

21.1.1 隔离保护 192

21.1.2 剩余电流动作保护继电器（RCD） 192

21.2 间接接触的安全保护 193

21.2.1 常规的间接接触安全保护措施 193

21.2.2 起重机间接接触保护的特点 193

21.2.3 起重机不同接地模式的间接接触保护 193

21.3 设备及火灾防护 194

21.4 变频驱动起重机接地与安全小结 194

21.4.1 直接接触人身安全保护 194

21.4.2 间接接触人身安全保护和设备火灾防护 195

21.5 起重机的防雷 195

21.5.1 防一次雷（防直击雷） 195

21.5.2 防二次雷（防感应雷） 196

21.5.3 对起重机防雷设计的建议 196

22 接地与抗干扰 197

22.1 电磁干扰基础 197

22.1.1 定义 197

22.1.2 干扰源 197

22.1.3 敏感设备的信号回路 198

22.1.4 干扰的叠加形式 198

22.2 电磁耦合 199

22.2.1 传导性耦合 199

22.2.2 场耦合 199

22.3 电磁兼容（EMC） 201

22.3.1 电磁兼容概念 201

22.3.2 EMC设计原则 201

22.4 接地及布线工艺 204

22.4.1 控制系统接地 204

22.4.2 布线原则 208

23 成柜设计 213

23.1 概述 213

23.1.1 柜体选取的基本原则 213

23.1.2 观察区间和操作区间 213

23.1.3 元器件安装的注意事项 213

23.2 电气接线 216

23.2.1 铜质预绝缘冷压端子（简称接线端头）接线 216

23.2.2 接线端子的质量要求 217

23.2.3 接线端子的接线工艺 217

23.2.4 接线端子的接线原则 217

23.2.5 电气接线的一般原则 218

23.3 电缆 218

23.3.1 起重电控电缆选择的一般原则 218

23.3.2 载流量速查表 219

23.3.3 根据允许电缆长度验算电缆截面积 221

23.4 铜排设计参考 223

23.4.1 两段铜排之间的连接 223

23.4.2 铜排的爬电距离和电气间隙 224

23.4.3 铜排的载流能力 224

23.4.4 铜排载流能力的修正 227

23.5 其他注意事项 228

23.5.1 柜体加工注意事项 228

23.5.2 重点保护线路 228

23.5.3 起重机调试的安全问题 229

第6篇 控制系统的设计和计算 231

24 变频器的选型与计算 231

24.1 变频器功率估算 231

24.1.1 根据电动机功率估算变频器功率 231

24.1.2 根据电动机的电流估算变频器功率 231

24.1.3 根据起升重量和起升速度估算变频器功率 232

24.1.4 估算变频器功率的风险 232

24.2 变频器功率计算 233

24.2.1 根据计算选择变频器功率 233

24.2.2 变频器的安全系数 233

24.3 起升机构变频器选型计算 234

24.3.1 起升机构变频器选型所需参数 234

24.3.2 变频器的选型 237

24.3.3 起升机构变频器选型的进一步分析 244

24.3.4 制动器件选型的进一步分析 246

24.4 平移机构变频器选型计算的几个关键参数 248

24.4.1 平移机构的重量 248

24.4.2 起重机的“修正重量” 250

24.4.3 摩擦系数 250

24.5 平移机构变频器的选型计算 252

24.5.1 平移机构变频器选型所需参数 252

24.5.2 变频器的选型 255

24.5.3 制动器件的选型 261

25 制动方案的选择 263

25.1 工艺流程分析 263

25.1.1 起重机工艺流程图 263

25.1.2 起重机分时段运行状态分析 264

25.1.3 起重机分时段电气状态分析 264

25.2 起重机电气状态分析表的填写 265

25.2.1 负载功率 265

25.2.2 回馈能量 266

25.3 选择制动方案 266

25.3.1 计算不同制动方案的节能效果 266

25.3.2 选择制动方案 266

26 中压变压器的设计基础 267

26.1 概述 267

26.1.1 中压变压器设计的基本概念 267

26.1.2 中压变压器接地模式的设计 267

26.1.3 中压变压器容量设计的基本原则 267

26.2 已知工艺流程时的中压变压器计算 268

26.2.1 起重机电气状态分析表 268

26.2.2 起重机电气状态分析表的编制 269

26.2.3 计算并选取中压变压器的容量 269

27 低压配电保护系统的设计基础 270

27.1 断路器 270

27.1.1 总断路器的设计原则 270

27.1.2 总断路器的主要功能 270

27.1.3 总断路器的额定电流计算 271

27.1.4 总断路器分断能力的设计分析 271

27.1.5 总断路器下端头短路电流的计算 272

27.1.6 总断路器脱扣单元的选择 273

27.1.7 总断路器其他功能附件的选择 274

27.1.8 机构断路器（采用变频调速的机构） 274

27.2 接触器 275

27.2.1 起重电控的单主、多支和双重系统 275

27.2.2 主接触器的选型 276

27.2.3 主接触器的控制 276

27.2.4 机构接触器的选型（采用变频调速的机构） 276

27.3 配电保护系统的其他常用器件 276

28 运行机构的设计基础 277

28.1 起升机构 277

28.1.1 安全保护 277

28.1.2 驱动控制模式 279

28.1.3 变频器配置 279

28.1.4 弱磁升速 279

28.1.5 特殊应用中减速机构对起升电控的影响 279

28.2 平移机构电控设计基础 280

28.2.1 安全保护 280

28.2.2 控制模式 282

28.2.3 变频器配置 283

29 起重机特殊功能设计 283

29.1 大车纠偏 283

29.1.1 问题的提出 283

29.1.2 大车纠偏的原理 283

29.1.3 行走偏差的检测方法 284

29.1.4 单边运行的风险和处理 286

29.1.5 施耐德电气的大车纠偏工艺卡软件简介 287

29.2 起升同步 289

29.2.1 问题的提出 289

29.2.2 起升同步的方法 289

29.2.3 施耐德电气的起升同步工艺卡软件简介 289

29.3 小车同步 290

29.3.1 问题的提出 290

29.3.2 小车同步的方法 290

29.3.3 施耐德电气的双小车同步工艺卡软件简介 291

29.4 转矩均衡 292

29.5 防摇 294

29.5.1 问题的提出 294

29.5.2 采用机械方法进行防摇 295

29.5.3 采用电气方法进行防摇 295

29.5.4 无传感器电气防摇工艺卡 296

29.6 抓斗控制 297

29.6.1 问题的提出 297

29.6.2 抓斗卸料的半自动运行 299

29.6.3 施耐德电气的抓斗操作自动控制软件举例 300

29.7 定位 308

29.7.1 基本概念 308

29.7.2 定位精度 309

29.7.3 定位方式 312

第7篇 设计实例分析 315

30 50t/10t桥式起重机设计实例 315

30.1 已知参数 315

30.1.1 主起升机构 315

30.1.2 副起升机构 315

30.1.3 大车机构 315

30.1.4 小车机构 316

30.1.5 其他 316

30.2 变频器计算 317

30.2.1 主起升机构计算 317

30.2.2 副起升机构计算 322

30.2.3 大车机构计算 322

30.2.4 小车机构计算 329

30.3 其他元器件的计算 334

30.3.1 中压变压器容量需求计算 334

30.3.2 总断路器计算 334

30.3.3 主接触器计算 337

30.3.4 机构断路器和机构接触器计算 337

30.3.5 辅助回路计算 338

30.3.6 两个特殊变化 338

31 某抓斗式散货装卸桥的设计实例 338

31.1 已知参数 338

31.1.1 起升机构 338

31.1.2 小车机构 339

31.1.3 大车机构 340

31.1.4 其他 340

31.2 变频器功率计算 340

31.2.1 起升机构变频器计算 340

31.2.2 小车机构变频器计算 340

31.2.3 大车机构变频器计算 340

31.3 工艺流程和能耗状态分析 344

31.3.1 工艺流程图 344

31.3.2 电气状态分析（能耗，满载顺风） 345

31.4 制动方案 346

31.4.1 全能耗制动方案 346

31.4.2 回馈制动方案 347

31.4.3 AFE方案 347

31.4.4 成本效益分析 347

31.5 配电保护部分的选型 348

31.5.1 全能耗方案 348

31.5.2 全回馈或AFE方案 350

32 某铸造起重机设计实例 351

32.1 已知参数 351

32.1.1 主起升机构 351

32.1.2 副起升机构 352

32.1.3 大车机构 352

32.1.4 主小车机构 352

32.1.5 副小车机构 353

32.1.6 其他 353

32.2 实际功耗计算 354

32.2.1 主起升机构 354

32.2.2 副起升机构 354

32.2.3 大车机构 354

32.2.4 主小车机构 354

32.2.5 副小车机构 354

32.3 驱动系统设计 354

32.3.1 常规设计方案 354

32.3.2 另一种设计方案 358

32.3.3 两种系统方案的比较 359

32.4 减速器构造对电气设计的影响 359

32.4.1 主起升的减速器构造 359

32.4.2 行星齿轮减速箱的电控方案 359

33 某600t浮式桅杆起重机的设计实例 360

33.1 已知参数 360

33.1.1 起升机构 360

33.1.2 副起升机构 362

33.1.3 变幅机构 363

33.1.4 移船机构 363

33.1.5 其他 364

33.2 计算结果 364

33.2.1 主起升机构 364

33.2.2 副起升机构 364

33.2.3 变幅机构 367

33.2.4 移船机构 367

33.2.5 选型与设计 367

33.3 谐波处理方案分析 367

33.3.1 AFE方案 367

33.3.2 12脉波整流方案 367

33.3.3 其他方案 370

33.4 其他特殊设计点 372

33.4.1 柴油发电机组 372

33.4.2 接地 373

33.4.3 发电机保护 373

附录 374

附录A 施耐德电气D、F系列接触器的寿命曲线 374

附录B 施耐德电气常用类型2组合表 379

附录C 施耐德电气常用断路器选择性配合表 380

附录D 施耐德电气常用断路器级联配合表 388

参考文献 391