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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 AFE121

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