節電型交流功率電子調速裝置的製作方法

2023-07-08 00:49:41 1

專利名稱:節電型交流功率電子調速裝置的製作方法
本實用新型屬於起重機的交流電氣調速裝置。
目前起重機及通用提升常用的幾種交流調速方式轉子外接電阻、定子調壓調速、轉差離合器調速和渦流制動器調速，它們都屬於能耗調速，都因低速運轉時效率極低，而不適合長期低速工作；變極調速(包括雙電機差速箱式機械變極方案)，控制簡單可靠、效率高，但調速範圍不大，而且只能有級調速；變頻調速則因線路複雜、成本高，元件多，可靠性差，低速控制功率因數也較低而不適用。
日本專利「昭53－114018感應電動機的速度控制裝置」屬定子單相調壓調速範圍，同樣屬能耗調速，調速性能差，也不適用。
在起重機起升機構及通用提升機中要求調速系統應滿足帶負荷長期低速工作時(尤其是長期低速工作時)有較高節電性和電效率，較低的造價與高可靠性，低維修費用。
本實用新型的目的在於設計一種交流調速裝置，其調速特性近似於直流他激電動機的特性、可靠性高、在調速的同時，可以大量節電，線路與結構簡單，造價低，不但應較全面地滿足起重機起升機構及通用提升機的無級調速要求，而且能很方便地在這些機械上改裝使用。
本實用新型的內容對繞線式交流異步電動機來說，當定子電壓一定時，其磁通基本一定；當負荷力矩一定時，其轉子電流也基本一定；這樣，無論轉速如何變化，電動力矩基本決定於定子磁通及轉子電流，當負載一定時，轉矩是不變的。為了達到調速目的，可以在電機轉子迴路內引入一個同轉子電勢同頻率的反相電勢EF(如圖1a)，由於抵消了一部分的轉子電勢E2，因而轉子電流l2減少，使加入EF之後的電機電動力矩因l2減小而降低，電動機便因電動力矩下降而減速。隨著電動機的減速，轉子電勢E2便增加了(如圖1b)，l2也隨著電動機減速而增加，直到電動力矩同負載力矩相等，電動機便穩定的運轉於較低的新的轉速上。由此可見，我們只要改變這個附加的，同電動機轉子電流同頻率的反相電勢EF，就可以交流繞線轉子異步機進行平滑調速。EF越大時，電動機轉速越低，理論上說，EF＝E20，電機便停轉。這便是串激調速的原理。但實際上，交流異步機轉子在不同轉速下，其轉子轉差電勢E2的頻率是不同的，要得到一個與它同頻而又反相的變頻率電勢，從技術角度來看十分麻煩。為此我們可以將轉差電勢先整流為直流電，(如圖2)然後再加一個直流反電勢去同它相減，這樣的調速方法從技術角度來看較易實現。可變的直流反電勢EF可用不同的方法獲得電氣串級調速方案中是用直流電動機的電樞反電勢作為EF的，可控矽有原逆變串級調速系統則是利用可控矽三相有源逆變電路來獲得可變的EF。後一種即是本實用新型的工作原理。(如圖3，其中SCR為三隻可控矽，L是逆變電抗器，EK即為可變的反電勢EF)。就這樣一種三相零式有源逆變串級調速系統為例，可以從下面的公式看出其調速的物理過程由三相零式有源逆變電路產生的逆變電勢EF(即圖中的EK)為EK＝K·EP·COSβ上式中K－逆變係數，本例為三相零式K＝1.17EP－三相電源相電壓，本例中為220Vβ－可控矽觸發脈衝的逆變角，β＝180°－α α為控制角電動機轉子轉差電勢E2經全波整流後，得到反比於轉子轉速的直流電壓Ed為Ed=E23·2.34=1.35S ·E20]]>式中S－交流繞線轉子電動機轉子轉差率E20－電動機轉子開路電壓。
如果忽略各種壓降，以利於分析本例的工作物理概念，則應有Ed＝EK則可得到 1.35·S·E20＝1.17·EP·COSβS＝ (1.17Ep·COSβ)/(E20·1.35)由於E20、EP在選定後都是固定值，因而有S正比於β也即只需控制可控矽觸發脈衝的逆變角β，即可改變繞線轉子交流電動機的轉差率S，而負載力矩對調速特性的影響不大，(主要反映於力矩大時，調速裝置內部元件壓降加大，但總的影響量是不大的)。
將以上理論用於起重機起升機構及通用提升機上，其主電路和控制電路由下列環節組成，(如圖4)工作原理如下主電路分為起重、重降及輕降三個工作狀態以利司機靈活控制起升機構得到所需的各種速度，避免了司機在緊張工作中出現差錯而發生事故。
整個起重機起升機構及通用提升機主電路(如圖4)由三隻特殊觸發器CF、功率電子元件SCR、SR、專門設計的逆變電抗器L，專門設計的反饋功率變送器FB，無瞬時斷電集電拖組成。電動機定子通過接觸器1CQZ或1CQF，由電網供電；電機轉子整流電路採用三相全波電路SR；可控矽有源逆變電路採用由三隻可控矽元件SCR，其零線接到專用反饋功率變送器中點O′，是一種三相無零線零式電路。
專用反饋功率變送器FB，採用了專門設計的，符合起重機起升機構及通用提升機(以下簡稱起升機構)運行要求的，既能向電網反饋逆變功率，又能在重載下降時向電機定子 提供勵磁功率的三相小體積自耦變壓器，作特殊功率變送器FB。
當起升機構上升時，採用了有反饋功率變送器FB的三相零式可控矽有源逆變電路，此時反饋功率變送器是電力反送電網所必須的。工作時只要改變逆變電路的可控矽觸發器CF的逆變角β，(如圖5，新型觸發器電路圖)就可以對電動機進行平滑地調速。由於接有反饋功率變送器FB，因而，在起吊重物時，本裝置在電網上也沒有直流分量流過，帶重物下降工況中，只有能產生平滑可調的阻力矩，才能使起升機構重載下降時達到均勻地調速。本實用新型在起升機構下放重物時採用將交流電動機JD接成發電狀態，一方面將電動機作為發電機，由FB的抽頭向三相半波矽整流電路，SR′供電，整流後的直流電壓V2通過4CQ向電機JD定子兩相繞組供直流電，使電機工作於發電狀態。使它產生阻力以調節重物下降時的速度。另一方面又使重載下降時重物的位能經發電機變為電能，通過有源逆變器SCR、L、CF，將電能送回電網，從而達到大量節電的目的。只需在起升機構重載下降工況時，控制有源逆變器可控矽觸發器CF的逆變角β，即可很方便而又平滑地對起升機構重物下降進行平滑而又穩定的調速。重載下降工況線路，此時1CQZ、1CQF都不接通，4CQ接通。它同輕載起升工況使用同一組可控矽有源逆變器。雖然本實用新型採用的是三相零式有源變器變壓器電路，但它對電源電網並不產生直流分量幹擾，因為它的直流分量只流過反饋功率變送器。逆變電抗器採用專門設計的小體積無氣隙電抗器L，而不是常規型大體積有氣隙電抗器，從而進一步降低了成本。
起升機構工作時，從上升工況到輕載下降工況，以及變為重載下降，是通過一隻操作開關轉換器，起升機構下降時操作開關控制手輪先經過重載下降工況位，再到輕載下降工況位，因而保證了重載下降時的安全性，這點對起升機構來講是十分重要的。
控制電路工作原理如下採用雙閉環控制電路。在反饋迴路中，測速反饋電路(如圖6)是直接從轉子電壓經變壓器BY降壓及ZL整流後，加上移位電源UY組成的。這種電路的輸出電壓UZCF正比於電機轉速，從而模擬了測速發電機的功能，但又不像常規線路那樣採用測速發電機，因而可靠性高，成本低。電流反饋迴路，採用的是直接從主電路上取電流壓降的方法，整個控制電路不用運算放大器，從而簡化了電路，避免了弱電幹擾，提高了裝置工作的可靠性。
在此控制電路上還用自動保護電路，以確保電路發生突然斷電時，電路能換到制動狀態。此保護電路的採用，提高了起升機構的可靠性。
採用全部工作於開關狀態的觸發電路(如圖5)，每隻觸發器只用四隻矽晶體三極體，雖然線路極簡單，但都具有完善而穩定的限制β角功能，可承受＋10－40％電源電壓波動，而觸發脈衝相移不變，因而提高了可靠性。
本實用新型為確保起重機的可靠運行，還設計了適合可控矽串級調速裝置工作的無瞬時斷電式集電拖(如圖7無瞬時斷電式集電拖結構圖)它能有效地確保起重機運行時，整個起重機從導電角鋼滑線傳輸和電能不產生任何瞬時的中斷。此集電拖是採用履帶式壓板結構，它具有繞Z軸和繞X軸二個方向的自由度，當起重機沿Z軸(大車運行方向)移動時，常由於導電角鐵安裝不平或二根路軌接頭處不平，而引起重機在Y軸方向跳動，集電拖安裝杆便隨著起重機振幅而跳動，振動傳過Z軸到集電拖中心壓板(如圖7中，1－中心壓板、2－邊緣壓板、3－導電編織銅絲、4－支架、5－支架絕緣體)，振幅減低，再由中心壓板向邊上兩塊壓板2傳遞時，其力矢量方向由Y軸方向轉為Z軸方向，而鉸的旋轉方向為沿X軸，這樣只要邊緣壓板有一定寬度，振動就會被吸收了。邊緣壓板的塊數可以根據現場情況而增減，瞬時斷相情況就被消除了。從而改變了普通起重機的集電拖，在運行中經常發生的瞬時斷電及電壓波形畸變的狀況，使本調速裝置進一步提高了可靠性。
本實用新型同已有技術相比所具有的優點1.與一般起重機起升機構及通用提升機交流繞線轉子電機的轉子串電阻調速方法相比在相同工況下，有關性能的對比如下
2.與國內外起重機起升機構及通用提升機交流電機定子調壓調速方法相比，在相同的工況下，有關性能對比如下
3.與起重機起升機構及通用提升機交流電機變頻調速相比，則本實用新型造價只佔變頻的一半不到，而可靠性大大高於變頻調速。
4.本實用新型整機的可靠性同電阻調速或定子調壓調速相同，可靠性遠高於變頻調速及通用型大功率可控矽串級調速。造價與同功率的定子調壓調速相仿。
綜合上述分析可知本實用新型的優點為a)可靠性高於已有的起重機與通用提升機常規電子調速。
b)節電性能是已有的起重機起升機構及通用提升機常規電子調速中最高的一種(甚至優於變頻調速)。
c)調速性能是已有的起重機起升機構及通用提升機常規電子調速中較好的一種，具有近似於直流他激電動機的調速特性。
d)造價只相當於起重機及通用提升機定子可控矽調壓調速的水平，因而本實用新型是一種起重機起升機構及通用提升機十分適用的功率電子調速裝置，一般電氣整機工廠，不需特殊的技術改造，即可(如圖10)轉接生產本產品。且能很方便地將此產品改裝到起重機起升機構與通用提升機上。
本實用新型

圖1a－交流繞線轉子電動機(以下簡稱交流電機)轉子串接反電勢調速原理圖。
圖1b－交流電機轉速－轉子電勢特性圖。
圖2－交流電機轉子整流後，串接可變直流反電勢調速原理圖。
圖3－本裝置原理圖。
圖4－本裝置起升機構用在迴路原理圖。
圖5－特殊觸發器電路圖。
圖6－特殊無測速發電機式測速反饋線路圖。
圖7－無瞬時斷電集電拖結構圖。
圖8－操作過程電路圖。
圖9－本裝置安裝在橋式起重機上位置示意圖。
圖10－本裝置機櫃結構圖。
圖11－本裝置調速特性圖。圖中表示起升，－表示輕降，＝表示重降。
圖12－本裝置節電曲線圖(是在起升機構恆扭矩條件下的曲線)圖中
表示起升工況，－表示輕降工況，＝表示重降工況。
本實用新型的實施例本裝置在十噸橋式起重機的起升機構上進行的，只要將上述起重機起升機構及通用提升機的無零線零式節電型交流功率電子調速裝置(如圖10)安裝橋式起重機的走臺板上，以不影響檢修人員檢修為準。將電動機安裝在小車上，(如圖9，1－本裝置結構機櫃、2－小車結構機櫃、3－操縱箱及手輪、4－無瞬時斷電的集電拖)操縱開關安裝在操縱室內，集電拖安裝在導電軌進線處，其他部件集中安裝在一個櫃內，(如圖10)櫃內觸發器安裝在抽鬥合CF內，三隻可控矽SCR和六隻整流二極體SR安裝在環氧板上，電抗器L和反饋功率變送器FB安裝在櫃底的支架上，起重機構下降用的矽整流二極體SR』，也裝在同一機櫃內。整個機櫃的線路通過接線板GS同起重機的電動機，制動器及三相電源，操作開關相連接。
將原有起升機構的電機及制動器接到機櫃，只需定子三線，轉子三線，制動器2～3線。控制器在司機室內，接到機櫃只需八根細電線即可。
操縱時只要控制手輪(圖9中(3))即可對起重機的起升機構的各種不同工況很方便地進行調速。
本實用新型實施中，其動作如下1.零位保護操作開關的手輪如果不在零位，電源接通後，控制電路不動作。將操作開關的手輪轉回零位時，4JO吸合(圖10)，為起升及下降作好準備。
2.上升調速K1合→1J合→1CQZ合→2CQ合；B合，電動機處在上升調速狀態；制動器打開。
3.上升全速K1合；1J合；1CQZ合；B合，KA合→ZG合→2CQ放→3CQ合，電動機處於上升全速狀態。
4.重降調速K2合→2J合→4CQ合；2CQ合；B合電動機處於重降調速狀態，制動器打開。
5.輕降調速K3合；K2放→2J放；4CQ放→3J合；1CQF合；2CQ合；
B合電機處在輕降調速狀態，制動器打開。
6.下降全速K3合；3J合；1CQF合，B合→KA合→ZQ合→2CQ放→3CQ合電機處於下降全速狀態，制動器打開。
7.5J、6J為斷相保護繼電器。如果電機在運行狀態下突然斷相，則5J、6J釋放，1CQZ放，1CQF放，1J、2J、3J、2CQ放調速裝置失電，制動器復位，抱閘。
本實用新型的最佳實施結果，用於起升機構時，其特性類似於直流他激電機的特性(如圖11)，其中水平軸M以上為上升狀態，水平軸以下為下降特性)本實施中的耗電及節電結果(如圖12，其中
表示起升工況；－表示輕載下降工況；＝表示重載下降工況)。
權利要求
1.節電型交流功率電子調速裝置，屬起重機交流電氣調速裝置，採用可控矽串級調速裝置，其特徵在於所述的裝置是由三相無零線零式可控矽有源逆變電路、特殊的觸發器及無瞬時斷電型集電拖組成。
2.根據權利要求
1 所述的交流功率電子調速裝置，其特徵在於三相無零線零式電路是由三隻可控矽組成的有源逆變電路，其零線不接電網零線，而是接在專用的反饋功率變送器中點的三相無零線零式電路。
3.根據權利要求
1 所述的交流功率電子調速裝置，其特徵在於每隻特殊觸發器是用四隻矽晶體三極體、全部工作於開關狀態，且有嚴格限制β角的少元件的觸發電路組成。
4.根據權利要求
1 所述的交流功率電子調速裝置，其特徵在於無瞬時斷電型集電拖 採用履帶式壓板結構。
專利摘要
本實用新型屬起重機交流電氣調速裝置。本裝置由新型的三相無零線零式可控矽有源逆變電路，特殊的觸發器(1)，及無瞬時斷電型集電拖(4)組成，用於起重機的起升機構及通用提升機的調速中。其特點是線路與結構簡單，調速範圍大，可靠性高，在調速的同時可以大量節電，價格較低，並能很方便地在各種起重機的起升機構及通用提升機上改裝使用本裝置。
文檔編號B66C13/22GK87200246SQ87200246
公開日1987年10月14日 申請日期1987年1月22日
發明者章大章, 王茜華, 陳仲瑜, 王培仁, 王定亞 申請人:上海起重運輸機械廠, 上海揚子經濟技術開發公司, 常熟揚子儀器儀表廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan