專利名稱:節(jié)電型交流功率電子調(diào)速裝置的制作方法
本實(shí)用新型屬于起重機(jī)的交流電氣調(diào)速裝置。
目前起重機(jī)及通用提升常用的幾種交流調(diào)速方式轉(zhuǎn)子外接電阻、定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和渦流制動(dòng)器調(diào)速，它們都屬于能耗調(diào)速，都因低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效率極低，而不適合長(zhǎng)期低速工作；變極調(diào)速(包括雙電機(jī)差速箱式機(jī)械變極方案)，控制簡(jiǎn)單可靠、效率高，但調(diào)速范圍不大，而且只能有級(jí)調(diào)速；變頻調(diào)速則因線路復(fù)雜、成本高，元件多，可靠性差，低速控制功率因數(shù)也較低而不適用。
日本專利“昭53－114018感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度控制裝置”屬定子單相調(diào)壓調(diào)速范圍，同樣屬能耗調(diào)速，調(diào)速性能差，也不適用。
在起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)中要求調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)滿足帶負(fù)荷長(zhǎng)期低速工作時(shí)(尤其是長(zhǎng)期低速工作時(shí))有較高節(jié)電性和電效率，較低的造價(jià)與高可靠性，低維修費(fèi)用。
本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種交流調(diào)速裝置，其調(diào)速特性近似于直流他激電動(dòng)機(jī)的特性、可靠性高、在調(diào)速的同時(shí)，可以大量節(jié)電，線路與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，不但應(yīng)較全面地滿足起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)的無級(jí)調(diào)速要求，而且能很方便地在這些機(jī)械上改裝使用。
本實(shí)用新型的內(nèi)容對(duì)繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)來說，當(dāng)定子電壓一定時(shí)，其磁通基本一定；當(dāng)負(fù)荷力矩一定時(shí)，其轉(zhuǎn)子電流也基本一定；這樣，無論轉(zhuǎn)速如何變化，電動(dòng)力矩基本決定于定子磁通及轉(zhuǎn)子電流，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩是不變的。為了達(dá)到調(diào)速目的，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)子回路內(nèi)引入一個(gè)同轉(zhuǎn)子電勢(shì)同頻率的反相電勢(shì)EF(如圖1a)，由于抵消了一部分的轉(zhuǎn)子電勢(shì)E2，因而轉(zhuǎn)子電流l2減少，使加入EF之后的電機(jī)電動(dòng)力矩因l2減小而降低，電動(dòng)機(jī)便因電動(dòng)力矩下降而減速。隨著電動(dòng)機(jī)的減速，轉(zhuǎn)子電勢(shì)E2便增加了(如圖1b)，l2也隨著電動(dòng)機(jī)減速而增加，直到電動(dòng)力矩同負(fù)載力矩相等，電動(dòng)機(jī)便穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)于較低的新的轉(zhuǎn)速上。由此可見，我們只要改變這個(gè)附加的，同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流同頻率的反相電勢(shì)EF，就可以交流繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。EF越大時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，理論上說，EF＝E20，電機(jī)便停轉(zhuǎn)。這便是串激調(diào)速的原理。但實(shí)際上，交流異步機(jī)轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差電勢(shì)E2的頻率是不同的，要得到一個(gè)與它同頻而又反相的變頻率電勢(shì)，從技術(shù)角度來看十分麻煩。為此我們可以將轉(zhuǎn)差電勢(shì)先整流為直流電，(如圖2)然后再加一個(gè)直流反電勢(shì)去同它相減，這樣的調(diào)速方法從技術(shù)角度來看較易實(shí)現(xiàn)。可變的直流反電勢(shì)EF可用不同的方法獲得電氣串級(jí)調(diào)速方案中是用直流電動(dòng)機(jī)的電樞反電勢(shì)作為EF的，可控硅有原逆變串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)則是利用可控硅三相有源逆變電路來獲得可變的EF。后一種即是本實(shí)用新型的工作原理。(如圖3，其中SCR為三只可控硅，L是逆變電抗器，EK即為可變的反電勢(shì)EF)。就這樣一種三相零式有源逆變串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)為例，可以從下面的公式看出其調(diào)速的物理過程由三相零式有源逆變電路產(chǎn)生的逆變電勢(shì)EF(即圖中的EK)為EK＝K·EP·COSβ上式中K－逆變系數(shù)，本例為三相零式K＝1.17EP－三相電源相電壓，本例中為220Vβ－可控硅觸發(fā)脈沖的逆變角，β＝180°－α α為控制角電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差電勢(shì)E2經(jīng)全波整流后，得到反比于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的直流電壓Ed為Ed=E23·2.34=1.35S ·E20]]>式中S－交流繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率E20－電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子開路電壓。
如果忽略各種壓降，以利于分析本例的工作物理概念，則應(yīng)有Ed＝EK則可得到 1.35·S·E20＝1.17·EP·COSβS＝ (1.17Ep·COSβ)/(E20·1.35)由于E20、EP在選定后都是固定值，因而有S正比于β也即只需控制可控硅觸發(fā)脈沖的逆變角β，即可改變繞線轉(zhuǎn)子交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率S，而負(fù)載力矩對(duì)調(diào)速特性的影響不大，(主要反映于力矩大時(shí)，調(diào)速裝置內(nèi)部元件壓降加大，但總的影響量是不大的)。
將以上理論用于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)上，其主電路和控制電路由下列環(huán)節(jié)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(gè)工作狀態(tài)以利司機(jī)靈活控制起升機(jī)構(gòu)得到所需的各種速度，避免了司機(jī)在緊張工作中出現(xiàn)差錯(cuò)而發(fā)生事故。
整個(gè)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)主電路(如圖4)由三只特殊觸發(fā)器CF、功率電子元件SCR、SR、專門設(shè)計(jì)的逆變電抗器L，專門設(shè)計(jì)的反饋功率變送器FB，無瞬時(shí)斷電集電拖組成。電動(dòng)機(jī)定子通過接觸器1CQZ或1CQF，由電網(wǎng)供電；電機(jī)轉(zhuǎn)子整流電路采用三相全波電路SR；可控硅有源逆變電路采用由三只可控硅元件SCR，其零線接到專用反饋功率變送器中點(diǎn)O′，是一種三相無零線零式電路。
專用反饋功率變送器FB，采用了專門設(shè)計(jì)的，符合起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)(以下簡(jiǎn)稱起升機(jī)構(gòu))運(yùn)行要求的，既能向電網(wǎng)反饋逆變功率，又能在重載下降時(shí)向電機(jī)定子 提供勵(lì)磁功率的三相小體積自耦變壓器，作特殊功率變送器FB。
當(dāng)起升機(jī)構(gòu)上升時(shí)，采用了有反饋功率變送器FB的三相零式可控硅有源逆變電路，此時(shí)反饋功率變送器是電力反送電網(wǎng)所必須的。工作時(shí)只要改變逆變電路的可控硅觸發(fā)器CF的逆變角β，(如圖5，新型觸發(fā)器電路圖)就可以對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行平滑地調(diào)速。由于接有反饋功率變送器FB，因而，在起吊重物時(shí)，本裝置在電網(wǎng)上也沒有直流分量流過，帶重物下降工況中，只有能產(chǎn)生平滑可調(diào)的阻力矩，才能使起升機(jī)構(gòu)重載下降時(shí)達(dá)到均勻地調(diào)速。本實(shí)用新型在起升機(jī)構(gòu)下放重物時(shí)采用將交流電動(dòng)機(jī)JD接成發(fā)電狀態(tài)，一方面將電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，由FB的抽頭向三相半波硅整流電路，SR′供電，整流后的直流電壓V2通過4CQ向電機(jī)JD定子兩相繞組供直流電，使電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)。使它產(chǎn)生阻力以調(diào)節(jié)重物下降時(shí)的速度。另一方面又使重載下降時(shí)重物的位能經(jīng)發(fā)電機(jī)變?yōu)殡娔埽ㄟ^有源逆變器SCR、L、CF，將電能送回電網(wǎng)，從而達(dá)到大量節(jié)電的目的。只需在起升機(jī)構(gòu)重載下降工況時(shí)，控制有源逆變器可控硅觸發(fā)器CF的逆變角β，即可很方便而又平滑地對(duì)起升機(jī)構(gòu)重物下降進(jìn)行平滑而又穩(wěn)定的調(diào)速。重載下降工況線路，此時(shí)1CQZ、1CQF都不接通，4CQ接通。它同輕載起升工況使用同一組可控硅有源逆變器。雖然本實(shí)用新型采用的是三相零式有源變器變壓器電路，但它對(duì)電源電網(wǎng)并不產(chǎn)生直流分量干擾，因?yàn)樗闹绷鞣至恐涣鬟^反饋功率變送器。逆變電抗器采用專門設(shè)計(jì)的小體積無氣隙電抗器L，而不是常規(guī)型大體積有氣隙電抗器，從而進(jìn)一步降低了成本。
起升機(jī)構(gòu)工作時(shí)，從上升工況到輕載下降工況，以及變?yōu)橹剌d下降，是通過一只操作開關(guān)轉(zhuǎn)換器，起升機(jī)構(gòu)下降時(shí)操作開關(guān)控制手輪先經(jīng)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(shí)的安全性，這點(diǎn)對(duì)起升機(jī)構(gòu)來講是十分重要的。
控制電路工作原理如下采用雙閉環(huán)控制電路。在反饋回路中，測(cè)速反饋電路(如圖6)是直接從轉(zhuǎn)子電壓經(jīng)變壓器BY降壓及ZL整流后，加上移位電源UY組成的。這種電路的輸出電壓UZCF正比于電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而模擬了測(cè)速發(fā)電機(jī)的功能，但又不像常規(guī)線路那樣采用測(cè)速發(fā)電機(jī)，因而可靠性高，成本低。電流反饋回路，采用的是直接從主電路上取電流壓降的方法，整個(gè)控制電路不用運(yùn)算放大器，從而簡(jiǎn)化了電路，避免了弱電干擾，提高了裝置工作的可靠性。
在此控制電路上還用自動(dòng)保護(hù)電路，以確保電路發(fā)生突然斷電時(shí)，電路能換到制動(dòng)狀態(tài)。此保護(hù)電路的采用，提高了起升機(jī)構(gòu)的可靠性。
采用全部工作于開關(guān)狀態(tài)的觸發(fā)電路(如圖5)，每只觸發(fā)器只用四只硅晶體三極管，雖然線路極簡(jiǎn)單，但都具有完善而穩(wěn)定的限制β角功能，可承受＋10－40％電源電壓波動(dòng)，而觸發(fā)脈沖相移不變，因而提高了可靠性。
本實(shí)用新型為確保起重機(jī)的可靠運(yùn)行，還設(shè)計(jì)了適合可控硅串級(jí)調(diào)速裝置工作的無瞬時(shí)斷電式集電拖(如圖7無瞬時(shí)斷電式集電拖結(jié)構(gòu)圖)它能有效地確保起重機(jī)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)起重機(jī)從導(dǎo)電角鋼滑線傳輸和電能不產(chǎn)生任何瞬時(shí)的中斷。此集電拖是采用履帶式壓板結(jié)構(gòu)，它具有繞Z軸和繞X軸二個(gè)方向的自由度，當(dāng)起重機(jī)沿Z軸(大車運(yùn)行方向)移動(dòng)時(shí)，常由于導(dǎo)電角鐵安裝不平或二根路軌接頭處不平，而引起重機(jī)在Y軸方向跳動(dòng)，集電拖安裝桿便隨著起重機(jī)振幅而跳動(dòng)，振動(dòng)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(dǎo)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(shí)，其力矢量方向由Y軸方向轉(zhuǎn)為Z軸方向，而鉸的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檠豖軸，這樣只要邊緣壓板有一定寬度，振動(dòng)就會(huì)被吸收了。邊緣壓板的塊數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而增減，瞬時(shí)斷相情況就被消除了。從而改變了普通起重機(jī)的集電拖，在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生的瞬時(shí)斷電及電壓波形畸變的狀況，使本調(diào)速裝置進(jìn)一步提高了可靠性。
本實(shí)用新型同已有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)1.與一般起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)交流繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法相比在相同工況下，有關(guān)性能的對(duì)比如下
2.與國(guó)內(nèi)外起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)交流電機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速方法相比，在相同的工況下，有關(guān)性能對(duì)比如下
3.與起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)交流電機(jī)變頻調(diào)速相比，則本實(shí)用新型造價(jià)只占變頻的一半不到，而可靠性大大高于變頻調(diào)速。
4.本實(shí)用新型整機(jī)的可靠性同電阻調(diào)速或定子調(diào)壓調(diào)速相同，可靠性遠(yuǎn)高于變頻調(diào)速及通用型大功率可控硅串級(jí)調(diào)速。造價(jià)與同功率的定子調(diào)壓調(diào)速相仿。
綜合上述分析可知本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)為a)可靠性高于已有的起重機(jī)與通用提升機(jī)常規(guī)電子調(diào)速。
b)節(jié)電性能是已有的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)常規(guī)電子調(diào)速中最高的一種(甚至優(yōu)于變頻調(diào)速)。
c)調(diào)速性能是已有的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)常規(guī)電子調(diào)速中較好的一種，具有近似于直流他激電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性。
d)造價(jià)只相當(dāng)于起重機(jī)及通用提升機(jī)定子可控硅調(diào)壓調(diào)速的水平，因而本實(shí)用新型是一種起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)十分適用的功率電子調(diào)速裝置，一般電氣整機(jī)工廠，不需特殊的技術(shù)改造，即可(如圖10)轉(zhuǎn)接生產(chǎn)本產(chǎn)品。且能很方便地將此產(chǎn)品改裝到起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)與通用提升機(jī)上。
本實(shí)用新型

圖1a－交流繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱交流電機(jī))轉(zhuǎn)子串接反電勢(shì)調(diào)速原理圖。
圖1b－交流電機(jī)轉(zhuǎn)速－轉(zhuǎn)子電勢(shì)特性圖。
圖2－交流電機(jī)轉(zhuǎn)子整流后，串接可變直流反電勢(shì)調(diào)速原理圖。
圖3－本裝置原理圖。
圖4－本裝置起升機(jī)構(gòu)用在回路原理圖。
圖5－特殊觸發(fā)器電路圖。
圖6－特殊無測(cè)速發(fā)電機(jī)式測(cè)速反饋線路圖。
圖7－無瞬時(shí)斷電集電拖結(jié)構(gòu)圖。
圖8－操作過程電路圖。
圖9－本裝置安裝在橋式起重機(jī)上位置示意圖。
圖10－本裝置機(jī)柜結(jié)構(gòu)圖。
圖11－本裝置調(diào)速特性圖。圖中表示起升，－表示輕降，＝表示重降。
圖12－本裝置節(jié)電曲線圖(是在起升機(jī)構(gòu)恒扭矩條件下的曲線)圖中
表示起升工況，－表示輕降工況，＝表示重降工況。
本實(shí)用新型的實(shí)施例本裝置在十噸橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)上進(jìn)行的，只要將上述起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)的無零線零式節(jié)電型交流功率電子調(diào)速裝置(如圖10)安裝橋式起重機(jī)的走臺(tái)板上，以不影響檢修人員檢修為準(zhǔn)。將電動(dòng)機(jī)安裝在小車上，(如圖9，1－本裝置結(jié)構(gòu)機(jī)柜、2－小車結(jié)構(gòu)機(jī)柜、3－操縱箱及手輪、4－無瞬時(shí)斷電的集電拖)操縱開關(guān)安裝在操縱室內(nèi)，集電拖安裝在導(dǎo)電軌進(jìn)線處，其他部件集中安裝在一個(gè)柜內(nèi)，(如圖10)柜內(nèi)觸發(fā)器安裝在抽斗合CF內(nèi)，三只可控硅SCR和六只整流二極管SR安裝在環(huán)氧板上，電抗器L和反饋功率變送器FB安裝在柜底的支架上，起重機(jī)構(gòu)下降用的硅整流二極管SR’，也裝在同一機(jī)柜內(nèi)。整個(gè)機(jī)柜的線路通過接線板GS同起重機(jī)的電動(dòng)機(jī)，制動(dòng)器及三相電源，操作開關(guān)相連接。
將原有起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)及制動(dòng)器接到機(jī)柜，只需定子三線，轉(zhuǎn)子三線，制動(dòng)器2～3線?？刂破髟谒緳C(jī)室內(nèi)，接到機(jī)柜只需八根細(xì)電線即可。
操縱時(shí)只要控制手輪(圖9中(3))即可對(duì)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)的各種不同工況很方便地進(jìn)行調(diào)速。
本實(shí)用新型實(shí)施中，其動(dòng)作如下1.零位保護(hù)操作開關(guān)的手輪如果不在零位，電源接通后，控制電路不動(dòng)作。將操作開關(guān)的手輪轉(zhuǎn)回零位時(shí)，4JO吸合(圖10)，為起升及下降作好準(zhǔn)備。
2.上升調(diào)速K1合→1J合→1CQZ合→2CQ合；B合，電動(dòng)機(jī)處在上升調(diào)速狀態(tài)；制動(dòng)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(dòng)機(jī)處于上升全速狀態(tài)。
4.重降調(diào)速K2合→2J合→4CQ合；2CQ合；B合電動(dòng)機(jī)處于重降調(diào)速狀態(tài)，制動(dòng)器打開。
5.輕降調(diào)速K3合；K2放→2J放；4CQ放→3J合；1CQF合；2CQ合；
B合電機(jī)處在輕降調(diào)速狀態(tài)，制動(dòng)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(jī)處于下降全速狀態(tài)，制動(dòng)器打開。
7.5J、6J為斷相保護(hù)繼電器。如果電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下突然斷相，則5J、6J釋放，1CQZ放，1CQF放，1J、2J、3J、2CQ放調(diào)速裝置失電，制動(dòng)器復(fù)位，抱閘。
本實(shí)用新型的最佳實(shí)施結(jié)果，用于起升機(jī)構(gòu)時(shí)，其特性類似于直流他激電機(jī)的特性(如圖11)，其中水平軸M以上為上升狀態(tài)，水平軸以下為下降特性)本實(shí)施中的耗電及節(jié)電結(jié)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(quán)利要求
1.節(jié)電型交流功率電子調(diào)速裝置，屬起重機(jī)交流電氣調(diào)速裝置，采用可控硅串級(jí)調(diào)速裝置，其特征在于所述的裝置是由三相無零線零式可控硅有源逆變電路、特殊的觸發(fā)器及無瞬時(shí)斷電型集電拖組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1 所述的交流功率電子調(diào)速裝置，其特征在于三相無零線零式電路是由三只可控硅組成的有源逆變電路，其零線不接電網(wǎng)零線，而是接在專用的反饋功率變送器中點(diǎn)的三相無零線零式電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1 所述的交流功率電子調(diào)速裝置，其特征在于每只特殊觸發(fā)器是用四只硅晶體三極管、全部工作于開關(guān)狀態(tài)，且有嚴(yán)格限制β角的少元件的觸發(fā)電路組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1 所述的交流功率電子調(diào)速裝置，其特征在于無瞬時(shí)斷電型集電拖 采用履帶式壓板結(jié)構(gòu)。
專利摘要
本實(shí)用新型屬起重機(jī)交流電氣調(diào)速裝置。本裝置由新型的三相無零線零式可控硅有源逆變電路，特殊的觸發(fā)器(1)，及無瞬時(shí)斷電型集電拖(4)組成，用于起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)的調(diào)速中。其特點(diǎn)是線路與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍大，可靠性高，在調(diào)速的同時(shí)可以大量節(jié)電，價(jià)格較低，并能很方便地在各種起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)及通用提升機(jī)上改裝使用本裝置。
文檔編號(hào)B66C13/22GK87200246SQ87200246
公開日1987年10月14日 申請(qǐng)日期1987年1月22日
發(fā)明者章大章, 王茜華, 陳仲瑜, 王培仁, 王定亞 申請(qǐng)人:上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠, 上海揚(yáng)子經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)公司, 常熟揚(yáng)子儀器儀表廠導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan