CN102167260B - 铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统及冗余保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统及冗余保护方法，系统包括整流单元，主起升机构，副起升机构，主小车运行机构，大车运行机构和副小车运行机构；其特征在于整流单元由两台以上的功率单元并联而成，保证整体机构的运行；主起升机构由三台逆变器和驱动两台电动机构成，三台逆变器的输入端同整流单元的输出端相连接，三台逆变器的输出端分别经过开关后和两台电动机相连接，通过切换实现故障冗余保护。该调速系统具有减少维护工作量、节省安装空间，有效的降低了整流单元和主起升逆变器的容量，提高了运行效率，使系统更加节能，具有广阔的市场前景。

Description

铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统及冗余保护方法

技术领域

本发明涉及一种铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统及冗余保护方法。

背景技术

起重机中的铸造起重机用于吊运液态金属，对安全性要求特别高，目前其电气驱动方案中的全变频调速系统(如图1所示)具有高性能、低损耗、节能的优点，但价格偏高，因此很少采用；目前系统构成如下：采用两套独立的整流(回馈)单元为各机构供电，故障情况下，一套整流(回馈)单元要能够独立驱动各机构继续工作；主起升机构采用两套逆变器分别驱动两台电动机，故障情况下，一套逆变器要能够驱动一台电动机完成一个工作循环；主小车、大车运行机构分别采用两套逆变器驱动四台电动机，在一套逆变器或电动机出现故障时，机构仍可以工作；这就要求整流(回馈)单元和某些机构尤其是主起升机构逆变器的容量裕度很大，成本大幅增加，从而限制了变频调速系统在铸造起重机上的应用。虽然也有人对该问题做出过研究，如：专利号为200610062406.8名称为《直流母线供电的起重机动力系统》的专利申请，其供配电系统含有大功率整流装置，直流母线和能量管理单元；直流母线上并联有直流储能装置，能同时给变频系统供电；该系统多用于自供电型式的桥门式起重机，不能满足铸造起重机对于故障冗余的要求。因此开发一种低成本的铸造起重机变频调速用驱动装置故障冗余系统是亟待解决的问题。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种应用主功率单元并联技术和逆变器并联技术的铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统及冗余保护方法。本发明采用的技术方案如下：

一种铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统，包括整流单元，主起升机构，副起升机构，主小车运行机构，大车运行机构和副小车运行机构；所述主小车运行机构和大车运行机构分别采用冗余设置，所述主小车运行机构由两套逆变器分别驱动两台电动机构成，所述大车运行机构由两套逆变器分别驱动两台电动机构成；所述副起升机构、主小车运行机构、大车运行机构和副小车运行机构中的逆变器分别经过熔断器后同整流单元的输出端相连接；

其特征在于所述整流单元由两台以上的功率单元并联而成，用以驱动整个机构；所述主起升机构由三台逆变器驱动两台电动机构成，所述三台逆变器的输入端同整流单元的输出端相连接，三台逆变器的输出端分别经过开关后和两台电动机相连接；所述主小车运行机构中的一套逆变器分别经过开关后同该逆变器自身驱动的两台电动机和副小车运行机构中的电动机相连接；所述大车运行机构中的一套逆变器分别经过开关后同该逆变器自身驱动的两台电动机和副起升机构中的电动机相连接。

所述主起升机构中的三台逆变器分别通过刀熔开关后同整流单元的输出端相连接。

一种利用上述的铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统实现故障冗余保护的方法，其特征在于

整流单元故障冗余保护的方法为：在一台主功率单元出现故障时，可以将其断开，其它几台主功率单元保证整台起重机能够继续工作；

主起升机构故障冗余保护的方法为：针对大减速器传动，在正常运行时，闭合主起升机构其中两套逆变器和两台电动机的开关，使两套逆变器分别驱动两台电动机，当一台电动机出现故障时，闭合主起升机构其中两套逆变器和未出现故障电机的开关使两套逆变器并联驱动一台电动机完成一个工作循环，当一套逆变器出现故障时，由第三套逆变器代替故障逆变器继续工作；针对行星减速器传动，主起升机构采用两台逆变器驱动两台电动机的方式，在正常运行时，由两套逆变器分别驱动两台电动机，当一台电动机或一台逆变器出现故障时，由另一套逆变器驱动另一台电动机继续工作；

主小车运行机构和大车运行机构采用冗余设置，在一套逆变器或电动机出现故障时，机构仍可以工作；

副起升机构逆变器出现故障时，通过开关切换由一套大车机构调速装置驱动副起升机构工作；

副小车运行机构逆变器出现故障时，通过开关切换由一套主小车机构逆变器驱动副小车机构工作。

主起升机构故障冗余保护的方法中，针对大减速器传动，使两套逆变器分别驱动两台电动机时需要调整逆变器保证两台电动机力矩均衡。

本系统改变了传统整流(回馈)单元和主起升逆变器的故障冗余构造设计和驱动控制系统设计，通过采用整流(回馈)主功率单元并联和逆变器并联的方式，在保证系统使用性能及安全可靠性不变的前提下降低了投资成本和运行成本。使用本变频调速系统，可以以较低成本，保证在每个机构的一台电动机或一套逆变器出现故障时，机构仍然可以继续运行，在整流(逆变)一台功率单元出现故障时，仍然可以继续运行。如果起重机装机容量更大，可以根据容量及配置的合理性将整流(回馈)部分并联的主功率单元数量增加，体现本申请系统配置的灵活性。总结上述优点具体可以划分为以下几点：

1、更加简化的系统实现了同样的冗余功能，减少维护工作量，节省安装空间；

2、整流(回馈)单元和主起升逆变器的容量各降低了25％，提高了运行效率，使系统更加节能；

3、在满足起重机电气驱动系统冗余的要求情况下，大大降低系统成本。

附图说明

图1为传统铸造起重机变频调速用驱动装置故障冗余系统结构示意图；

图2为本发明的变频调速用驱动装置故障冗余系统结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统，包括整流单元(即为整流(回馈)单元，下面内容都用整流(回馈)单元进行描述)、主起升机构、副起升机构、主小车运行机构、大车运行机构和副小车运行机构；所述主小车运行机构和大车运行机构分别采用冗余设置，所述主小车运行机构由两套逆变器分别驱动两台电动机构成，所述大车运行机构由两套逆变器分别驱动两台电动机构成；所述主小车运行机构中的一套逆变器分别经过开关后同该逆变器自身驱动的两台电动机和副小车运行机构中的电动机相连接；所述大车运行机构

中的一套逆变器分别经过开关后同该逆变器自身驱动的两台电动机和副起升机构中的电动机相连接；整流(回馈)单元由两台以上的功率单元并联而成，用以为各机构逆变器提供直流电源；所述主起升机构由三台逆变器和驱动两台电动机构成，所述三台逆变器的输入端同整流(回馈)单元的输出端相连接，三台逆变器的输出端分别经过开关后和两台电动机相连接；所述副起升机构，主小车运行机构，大车运行机构和副小车运行机构中的逆变器分别经过熔断器后同整流(回馈)单元的输出端相连接。所述主起升机构中的三台逆变器分别通过刀熔开关后同整流(回馈)单元的输出端相连接。

上述系统实现故障冗余保护的方法如下：

整流(回馈)单元故障冗余保护的方法为：在一台主功率单元出现故障时，可以将其断开，其它几台主功率单元保证整台起重机继续工作；

主起升机构故障冗余保护的方法为：针对大减速器传动，在正常运行时，闭合主起升机构其中两套逆变器和两台电动机的开关，使两套逆变器分别驱动两台电动机，通过逆变器之间的数据交换，保证两台电动机力矩均衡(此为铸造起重机变频调速领域技术人员熟知技术，这里不做过多描述)，当一台电动机出现故障时，闭合主起升机构其中两套逆变器和未出现故障电机的开关使两套逆变器并联驱动一台电动机完成一个工作循环，当一套逆变器出现故障时，由第三套逆变器代替故障逆变器继续工作；针对行星减速器传动，主起升机构采用两台逆变器驱动两台电动机的方式，在正常运行时，由两套逆变器分别驱动两台电动机，当一台电动机或一台逆变器出现故障时，由另一套逆变器驱动另一台电动机继续工作；主小车运行机构和大车运行机构采用冗余设置，在一套逆变器或电动机出现故障时，机构仍可以工作；副起升机构逆变器出现故障时，通过开关切换由一套大车机构调速装置驱动副起升机构工作；副小车运行机构逆变器出现故障时，通过开关切换由一套主小车机构逆变器驱动副小车机构工作。与传统的带冗余保护的铸造起重机变频系统相比，本系统从技术上保证系统的安全可靠性，整流(回馈)单元和主起升机构逆变器(针对大减速器传动方案)的容量降低25％，设备成本和运行成本明显降低。

下面就附图2进行详细说明(由于行星减速器传动方式的特殊性，能够保证在单台电动机或单台逆变器出现故障时，另一台逆变器能够驱动另一台电动机继续以1/2额定速度运行，且整个传动链不过载，因此传统的方案已经满足系统所需，在此不再赘述，只针对大减速器方案)：

U1、U2、U3为整流(回馈)单元的功率单元(必要时可以扩展为4个功率单元)，U1、U2、U3的进线端连接至交流电网上，U1、U2、U3的输出端并联，假设其中一个功率单元U1出现故障，断开U1内部的进线开关，将U1出线侧同U2、U3连接的铜排断开，设定控制单元的过载保护参数，由U2和U3继续为起重机各机构提供电源；

U4、U5、U6为主起升逆变器，Q2、Q3、Q4为刀熔开关，Q5、Q6、Q7、Q8为刀开关，M1、M2为主起升电动机，刀熔开关Q2、刀熔开关Q3、刀熔开关Q4上端并联，下端分别连接至逆变器U4、逆变器U5、逆变器U6的输入端，逆变器U4的输出端通过刀开关Q5连接至电动机M1，逆变器U6的输出端通过刀开关Q6连接至电动机M2，逆变器U5的输出端分别通过刀开关Q7连接至电动机M1、通过刀开关Q8连接至电动机M2，在正常工作时，手动将刀开关Q2、刀开关Q4、刀开关Q5、刀开关Q6闭合、刀开关Q3、刀开关Q7、刀开关Q8断开，逆变器U4驱动电动机M1，逆变器U6驱动电动机M2；假设逆变器U4出现故障，手动断开刀开关Q2、刀开关Q5，闭合刀开关Q3、刀开关Q7，由逆变器U5驱动电动机M1；假设电动机M1出现故障，手动断开刀开关Q2、刀开关Q5、刀开关Q7、闭合刀开关Q3、刀开关Q8，此时逆变器U5和逆变器U6内部的设置将自动切换，能够满足并联运行，驱动电动机M2完成一个工作循环；

U7为副起升逆变器，U8、U9为大车机构逆变器，F1、F2、F3为熔断器，Q9、Q10、Q11为刀开关，M3为副起升电动机，M4、M5、M11、M12为大车电动机，F16、F17、F18、F19为热继电器，作用是对大车电动机热保护。电源经熔断器F1连接至逆变器U7，逆变器U7输出经刀开关Q9来驱动电动机M3。电源分别经熔断器F2、熔断器F3连接至逆变器U8、逆变器U9，逆变器U8输出经刀开关Q11和F18、F19来驱动电动机M4和电动机M5，逆变器U9输出经F16、F17来驱动电动机M11和电动机M12，刀开关Q10将逆变器U8连接至电动机M3，逆变器U7正常时，手动断开刀开关Q10、闭合刀开关Q9，由逆变器U7驱动电动机M3运行，当逆变器U7故障时，手动闭合刀开关Q10、断开刀开关Q9和刀开关Q11，此时逆变器U8内部的电机数据模型和控制参数自动切换(此部分为逆变器应用

时必需调整的参数，属于本领域技术人员的一种公知技术，这里对于其如何设置和切换不做过多描述)，由逆变器U8驱动电动机M3，大车机构由逆变器U9驱动电动机M11、电动机M12以1/2额定速度运行；U12为副小车逆变器，U10、U11为主小车机构逆变器，F4、F5、F6为熔断器，Q12、Q13、Q14为刀开关，M6为副小车电动机，M7、M8、M9、M10为主小车电动机，F11、F12、F13、F14、F15为热继电器，作用是对电动机热保护。电源经熔断器F6连接至逆变器U12，逆变器U12输出经刀开关Q12和F11来驱动电动机M6。电源分别经熔断器F4、熔断器F5连接至逆变器U10、逆变器U11，逆变器U11输出经刀开关Q14和F12、F13来驱动电动机M7和电动机M8，逆变器U10输出经F14、F15来驱动电动机M9和电动机M10，刀开关Q13将逆变器U11连接至电动机M6，逆变器U12正常时，手动断开刀开关Q13、闭合刀开关Q12，由逆变器U12驱动电动机M6运行，当逆变器U12故障时，手动闭合刀开关Q13、断开刀开关Q12和刀开关Q14，此时逆变器U11内部的电机数据模型和控制参数自动切换，由逆变器U11驱动电动机M6，主小车机构由逆变器U10驱动电动机M9、电动机M10以1/2额定速度运行。

本系统能够在起重机故障易发的动力回路器件出现问题情况下，最大限度尤其保障主要机构能够通过切换继续运行，保证用户对生产的连续性的要求。

本系统创新点是改变了传统整流(回馈)单元和主起升逆变器的故障冗余构造设计和驱动控制系统设计，采用整流(回馈)主功率单元并联和主起升逆变器并联的方式，从而降低了成本，为这种先进、节能的系统在铸造起重机领域的广泛推广奠定了基础。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统，包括整流单元，主起升机构，副起升机构，主小车运行机构，大车运行机构和副小车运行机构；所述主小车运行机构和大车运行机构分别采用冗余设置，所述主小车运行机构由两套逆变器分别驱动两台电动机构成，所述大车运行机构由两套逆变器分别驱动两台电动机构成；所述副起升机构、主小车运行机构、大车运行机构和副小车运行机构中的逆变器分别经过熔断器后同整流单元的输出端相连接；

其特征在于所述整流单元由两台以上的功率单元并联而成，用以驱动整个机构；所述主起升机构由三台逆变器驱动两台电动机构成，所述三台逆变器的输入端同整流单元的输出端相连接，三台逆变器的输出端分别经过开关后和两台电动机相连接；所述主小车运行机构中的一套逆变器分别经过开关后同该逆变器自身驱动的两台电动机和副小车运行机构中的电动机相连接；所述大车运行机构中的一套逆变器分别经过开关后同该逆变器自身驱动的两台电动机和副起升机构中的电动机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统，其特征在于所述主起升机构中的三台逆变器分别通过刀熔开关后同整流单元的输出端相连接。

3.一种利用权利要求1所述的铸造起重机变频调速的故障冗余保护系统实现故障冗余保护的方法，其特征在于

整流单元故障冗余保护的方法为：在一台主功率单元出现故障时，可以将其断开，其它几台主功率单元保证整台起重机能够继续工作；

主起升机构故障冗余保护的方法为：针对大减速器传动，在正常运行时，闭合主起升机构其中两套逆变器和两台电动机的开关，使两套逆变器分别驱动两台电动机，当一台电动机出现故障时，闭合主起升机构其中两套逆变器和未出现故障电机的开关使两套逆变器并联驱动一台电动机完成一个工作循环，当一套逆变器出现故障时，由第三套逆变器代替故障逆变器继续工作；针对行星减速器传动，主起升机构采用两台逆变器驱动两台电动机的方式，在正常运行时，由两套逆变器分别驱动两台电动机，当一台电动机或一台逆变器出现故障时，由另一套逆变器驱动另一台电动机继续工作；

主小车运行机构和大车运行机构采用冗余设置，在一套逆变器或电动机出现故障时，机构仍可以工作；

副起升机构逆变器出现故障时，通过开关切换由一套大车机构调速装置驱动副起升机构工作；

副小车运行机构逆变器出现故障时，通过开关切换由一套主小车机构逆变器驱动副小车机构工作。

4.根据权利要求3所述的故障冗余保护的方法，其特征在于主起升机构故障冗余保护的方法中，针对大减速器传动，使两套逆变器分别驱动两台电动机时需要调整逆变器保证两台电动机力矩均衡。

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