CN102545776B - 一种电动葫芦变频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动葫芦变频控制电路及其控制方法。该控制电路由功率电源供电单元和监控单元连接构成，三相交流电源通过低频三相交流电源供电支路向起升电机提供低频三相交流电源实现起升电机慢速运行功能，三相交流电源通过高频三相交流电源供电支路向起升电机提供高频三相交流电源，实现起升电机快速运行功能；该控制方法包括起升电机从慢速到快速运行的切换控制方法和起升电机从快速到慢速运行的切换控制方法。本发明设计合理，具有成本低、可靠性高等特点，满足了电动葫芦对于速度控制和安全运行的需求，可广泛应用于起重机械的电机驱动与控制领域。

Description

一种电动葫芦变频控制方法

技术领域

本发明属于葫芦式起重机驱动与控制领域，尤其是一种电动葫芦变频控制电路及其控制方法。 

背景技术

葫芦式起重机(电动葫芦)在工作时，为了方便重物的吊装和准确定位，需要具有快速和慢速两种运行速度。目前葫芦式起重机为实现双速功能，通常采用如下两种变速控制方法：一是配双绕组电机或子母电机，此方法的缺点是须配两套齿轮变速机构，其机械结构复杂、设备故障率高。二是在单速起升电机上直接配装通用变频器，实现快速和慢速运行功能，其优点是可以灵活实现无级变速，其缺点是：为释放起重机重载下降时的重力势能须配置庞大的制动电阻，该制动电阻体积大，安装非常困难，同时由于变频器自身发热较大，须在电气控制箱上开散热通风孔，降低了箱体的IP防护等级。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种针对单速起升电机实现快慢速变换且能使电机工作于较高效率的电动葫芦变频控制电路及其控制方法。 

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的： 

一种电动葫芦变频控制电路，由功率电源供电单元和监控单元连接构成，功率电源供电单元包括并联的低频三相交流电源供电支路和高频三相交流电源供电支路，三相交流电源通过低频三相交流电源供电支路向起升电机提供低频三相交流电源实现起升电机慢速运行功能，三相交流电源通过高频三相交流电源供电支路向起升电机提供高频三相交流电源，实现起升电机快速运行功能。 

而且，所述的监控单元由微处理器及其外围电路连接构成，该监控单元与连接在三相交流电源接入端的操作手柄相连接用于接收快慢速控制信号，监控单元与功率电源供电单元相连接，进行模拟信号的采集以及对低频三相交流电源供电支路和高频三相交流电源供电支路的切换控制。 

而且，所述的低频三相交流电源支路由整流模块、逆变桥、电机放电制动电路、支撑电容及三相接触器J1连接构成，支撑电容连接在直流母线两端，逆变桥的输入控制端与监控单元的PWM输出控制端相连接，逆变桥根据SVPWM控制变换成低频交流电源，该低频交流电源通过三相接触器J1连接到起升电机的三相输入端，该三相接触器J1的输入控制端与监控单元控制端J1相连接；电机放电制动电路连接在逆变器的直流母线上并与监控单元的AD接口及break接口相连接。 

而且，所述的逆变桥由六只IGBT功率管连接构成，所述的电机放电制动电路由IGBT制动管和制动电阻组成。 

而且，所述的高频三相交流电源供电支路包括正向接触器J2和反向接触器J3，三相交流电源通过正向接触器J2和反向接触器J3连接到起升电机的三相输入端，正向接触器J2和反向接触器J3的输入控制端与监控单元的控制端J2、J3相连接。 

而且，所述的低频三相交流电源的频率为5Hz～10Hz，所述的高频三相交流电源的频率为50Hz。 

一种电动葫芦变频控制电路的方法，包括起升电机从慢速到快速运行的切换控制方法和起升电机从快速到慢速运行的切换控制方法，其中： 

起升电机从慢速到快速运行的切换控制方法包括如下步骤： 

(1)微处理器通过控制端口向低频三相交流电源供电支路发出SD信号，关断逆变桥中的功率管，同时将微处理器的PWM模块锁零； 

(2)微处理器发出SD信号后，延时t1时间后，发出接触器J1的关断信号，使其触点断开，逆变器停止向起升电机输出低频交流电源，起升电机停止运行； 

(3)微处理器发出SD信号后，延时t2时间后，等待接触器J1的触点完全断开后，发出接触器J2或J3的接通控制信号，三相交流电源直接向起升电机提供高频交流电源，电机启动并快速运行； 

起升电机从快速到慢速运行的切换控制方法，包括如下步骤： 

(1)微处理器发出接触器J2或J3的关断控制信号，切断起升电机的高频供电电源，停止向起升电机提供高频交流电源； 

(2)微处理器延时t3时间后，等待触器J2或J3的触点完全断开，发出接触 器J1的接通信号，使其触点接通。 

(3)微处理器发出接触器J1接通信号后延时t4时间后，同时监测电机定子绕组是否电压为0，直到电机定子绕组电压为0，发出SD无效信号，微处理器输出IGBT驱动信号，实施SVPWM算法控制，由逆变器向起升电机输出低频交流电源，起升电机启动并慢速运行。 

而且，所述的t1时间为10ms，所述的t2时间为50ms，所述的t3时间为100ms，所述的t4时间为50ms。 

本发明的优点和积极效果是： 

1、本发明与单速起升电机直接配置通用变频器的技术方案相比，对电机的控制更合理、更高效。其原因在于：目前起重行业使用的单速起升电机并非变频电机，而是三相异步电机，是针对380V/50HZ条件设计的，其高效率区域位于额定工作点，最适合由电网工频电源，而直接配通用变频器，使其快慢速均工作在变频状态，特别是电动葫芦快速工作时间远大于慢速工作时间，必然使其效率下降，功率因素下降，而本发明使电机的快速运行由三相交流电源直接供电，慢速运行时用功率模块控制供电，对电机的效率和功率因素的影响很小。 

2、本发明与单速起升电机直接配置通用变频器的技术方案相比，更加安全可靠。这是由于起重机属于特种设备，要求可靠性高，能够长期连续工作，若采用电机直接配置通用变频器方案，在变频器发生故障时，起重机就会停止工作，被吊装的重物可能悬在半空中，存在极大的安全隐患；而本控制电路则不会发生被吊重物悬在半空中的情况，即使在逆变桥或接触器发生故障时，仍可用另一种方式给起升电机供电，可以将重物平稳放回地面，之后进行故障维修。 

3、本发明与单速起升电机直接配置通用变频器的技术方案相比，利用现有的单速起升电机，不改变不增加齿轮变速机构，简化机械结构，而且不需在原电气控制箱上开孔，不改变原电气箱的基本结构和防护等级，可方便地进行安装。若采用电机直接配置通用变频器方案，由于快速上升、下降，慢速上升、下降时，都需要变频器进行控制，变频器一直处于工作状态，发热量很大，将其安装在原电气控制箱内，必须在箱壁上开孔，同时加装风扇，单独设计散热通道，才能使变频器温度保持在电器设备可正常工作的温度范围内，这样就改 变了原电气控制箱的结构，降低了防护等级。而采用本发明提出的控制电路，功率模块只在慢速上升、下降时向起升电机供电，且时间很短，快速上升、下降时由接触器供电，因此短时间工作的功率模块发热总量会非常有限，不需要加装风扇，只要充分利用原电气控制箱箱体进行散热，就可以保持温度正常。 

4、本发明与单速起升电机直接配置通用变频器的技术方案相比，控制电路配置的制动电阻非常小，甚至可以取消，很好地解决了其安装的困难。其原因在于，电机满载快速下降会再生出很大的电能，而此时是由接触器向起升电机供电，再生的电能恰好可以回馈三相交流电源，满载慢速下降再生的电能很小，只要配置小的制动电阻就可以消耗。而采用电机直接配置通用变频器方案，变频器必须配置庞大的制动电阻以消耗满载快速下降时再生电能，不仅带来安装的困难，而且增加了费用。 

5、本发明设计合理，通过低频三相交流电源供电支路和高频三相交流电源供电支路的切换控制实现起升电机由慢速到快速以及由快速到慢速的变换功能，具有成本低、可靠性高等特点，满足了电动葫芦对于速度控制和安全运行的需求，可广泛应用于起重机械的电机驱动与控制领域。 

附图说明

图1是本发明的控制电路框图； 

图2是本发明的电机慢速向快速变换时的控制时序图； 

图3是本发明的电机快速向慢速变换时的控制时序图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述： 

一种电动葫芦变频控制电路，如图1所示，由功率电源供电单元和监控单元连接构成。功率电源供电单元作为向起升电机传输电功率的通道包括并联的低频三相交流电源供电支路和高频三相交流电源供电支路，三相交流电源通过低频三相交流电源供电支路向起升电机提供5Hz～10Hz低频三相交流电源，实现起升电机慢速运行功能；三相交流电源通过高频三相交流电源供电支路向起升电机提供频率固定为50Hz的高频三相交流电源，实现起升电机快速运行功能。 

监控单元由微处理器及其外围电路连接构成，外围电路由模拟采样电路、 信号调理电路、逆变器控制电路、IGBT保护电路、制动控制电路、输入输出接口电路和接触器控制电路。监控单元与连接在三相交流电源接入端的操作手柄相连接用于接收快慢速控制信号，监控单元与功率电源供电单元相连接，实现模拟信号的采集、故障信号的反馈输出、针对电机的SVPWM控制算法、电机发电状态时的制动处理、电机的快慢速切换控制、逆变器及电机各种保护情况的处理等功能。 

低频三相交流电源支路由整流模块、逆变桥、电机放电制动电路、支撑电容及三相接触器J1连接构成，其中，整流模块、逆变桥及支撑电容连接在一起构成一个逆变器，整流模块将三相工频电压整流成直流电压，支撑电容连接在直流母线两端向逆变桥导通瞬间提供较大的瞬态电流，逆变桥由六只IGBT功率管连接构成，逆变桥的输入控制端与监控单元的PWM输出控制端相连接，逆变桥根据SVPWM控制变换成5Hz～10Hz低频的交流电源，逆变桥的输出接三相接触器J1后连接到起升电机的三相输入端。电机放电制动电路连接在逆变器的直流母线上并与监控单元的AD接口及break接口相连接，该电机放电制动电路由IGBT制动管Q7和制动电阻R1组成，当IGBT制动管Q7导通时将电机再生的电能消耗到制动电阻R1上，防止母线电压过高损坏逆变器和支撑电容。 

高频三相交流电源供电支路包括正向接触器J2和反向接触器J3，三相交流电源通过正向接触器J2和反向接触器J3连接到起升电机的三相输入端，正向接触器J2和反向接触器J3的输入控制端与监控单元控制端J2、J3相连接。三相交流电源通过高频三相交流电源供电支路向起升电机提供频率固定为50Hz的高频三相交流电源，实现起升电机快速运行。 

本控制电路能够保证在电路出现故障时的安全运行：当逆变桥发生故障时，无法向起升电机提供低频电源，则由微处理器控制接触器J1断开，接触器J3接通，三相交流电源直接向起升电机提供高频电源，起重机采用点动方式下降，首先将重物安全的降到地面，再进行逆变桥部分的维修；若接触器J2或J3出现故障，起升电机无法快速运行，则由微处理器控制接触器J2或J3断开，接触器J1接通，由逆变器向起升电机供电，起重机仍可慢速上升、下降，停机后进行接触器维修。 

本控制电路提供了两种供电方式，必须要确保在任一时刻只能开通一种方式，否则会导致三相电压短路，因此，在控制上采取接触器机械互锁和接触器驱动信号互锁以及电机三相供电电路电压实时监测共三项措施，确保电机供电电源的唯一性。 

由于逆变器只在慢速运行时向起升电机供电，此时电机满载下降再生的电能非常小，逆变器只需配置很小的制动电阻和支撑电容，同时逆变器输出功率小，且处于短时间间歇工作，因此损耗小发热量小，配置散热片较小，将其紧贴在电气箱内壁，充分利用原电气箱体进行散热，采取自然冷却方式即可满足散热要求，不对总体结构产生影响。 

一种电动葫芦变频控制电路的控制方法，通过切换高频三相交流电源供电支路和低频三相交流电源供电支路实现起升电机由慢速到快速或由快速到慢速的变换功能，即起升电机快速上升、快速下降时，由高频三相交流电源供电支路供电，通过接触器进行上下行控制；起升电机慢速上升、慢速下降时，由低频三相交流电源供电支路供电。本控制方法包括起升电机由慢速到快速运行的切换控制和起升电机从快速到慢速运行的切换控制方法， 

起升电机从慢速到快速运行的切换控制方法：电机在慢速状态下，当微处理器检测到操作手柄的快速运行信号时，微处理器控制供电方式的切换实现起升电机由慢速到快速运行的变换功能，如图2所示，包括以下步骤： 

步骤1：微处理器通过控制端口向低频三相交流电源供电支路发出SD信号，封锁6路IGBT驱动信号，关断逆变桥中的六只IGBT功率管，同时将微处理器的PWM模块锁零； 

步骤2：微处理器发出SD信号后，延时10ms，发出接触器J1的关断信号，使其触点断开，逆变器停止向起升电机输出低频交流电源，起升电机停止运行； 

步骤3：微处理器发出SD信号后，延时50ms，等待接触器J1的触点完全断开后，发出接触器J2或J3的接通控制信号，三相交流电源直接向起升电机提供高频50HZ交流电源，电机启动，快速运行； 

通过上述步骤，即可完成电机由慢速到快速运行的变换过程。 

起升电机从快速到慢速运行的切换控制方法：电机在快速状态下，当微处理器检测到操作手柄的慢速运行信号时，微处理器控制供电方式的切换实现起升 电机由快速到慢速运行的变换功能，如图3所示，具体步骤为： 

步骤1：微处理器发出接触器J2或J3的关断控制信号，切断起升电机的高频供电电源，停止向起升电机提供50Hz高频交流电源； 

步骤2：微处理器延时100ms，等待触器J2或J3的触点完全断开，发出接触器J1的接通信号，使其触点接通。 

步骤3：微处理器发出接触器J1接通信号后延时50ms，同时监测电机定子绕组是否电压为0，直到电机定子绕组电压为0，发出SD无效信号，微处理器输出IGBT驱动信号，实施SVPWM算法控制，由逆变器向起升电机输出5Hz～10Hz的低频交流电源，电机启动慢速运行。 

通过上述步骤，即可完成电机由快速到慢速运行的变换过程。 

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。 

Claims (2)

1.一种电动葫芦变频控制方法，其特征在于：包括起升电机从慢速到快速运行的切换控制方法和起升电机从快速到慢速运行的切换控制方法，其中：

起升电机从慢速到快速运行的切换控制方法包括如下步骤：

⑴微处理器通过控制端口向低频三相交流电源供电支路发出SD信号，关断逆变桥中的功率管，同时将微处理器的PWM模块锁零；

⑵微处理器发出SD信号后，延时t1时间后，发出接触器J1的关断信号，使其触点断开，逆变器停止向起升电机输出低频交流电源，起升电机停止运行；

⑶微处理器发出SD信号后，延时t2时间后，等待接触器J1的触点完全断开后，发出接触器J2或J3的接通控制信号，三相交流电源直接向起升电机提供高频交流电源，电机启动并快速运行；

起升电机从快速到慢速运行的切换控制方法，包括如下步骤：

⑴微处理器发出接触器J2或J3的关断控制信号，切断起升电机的高频供电电源，停止向起升电机提供高频交流电源；

⑵微处理器延时t3时间后，等待触器J2或J3的触点完全断开，发出接触器J1的接通信号，使其触点接通；

⑶微处理器发出接触器J1接通信号后延时t4时间后，同时监测电机定子绕组是否电压为0，直到电机定子绕组电压为0，发出SD无效信号，微处理器输出IGBT驱动信号，实施SVPWM算法控制，由逆变器向起升电机输出低频交流电源，起升电机启动并慢速运行。

2.根据权利要求1所述的一种电动葫芦变频控制方法，其特征在于：所述的t1时间为10ms，所述的t2时间为50ms，所述的t3时间为100ms，所述的t4时间为50ms。

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