CN105794103B - 电机组件和起重机驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种电机组件，包括配备有三个定子相(L1、L2、L3)的三相异步机器、用于建立异步机器的自励式发电机操作的电容器组件(10)、为异步机器的自励式发电机操作建立电阻性负载的负载电阻器组件(12)、以及布置成将负载电阻器组件(12)连接到定子相(L1、L2)的负载电阻器开关装置。负载电阻器组件(12)是不对称的。

Description

电机组件和起重机驱动器
技术领域
本发明涉及电机组件和包括所讨论的电机组件的起重机驱动器。
背景技术
在诸如断电之类的某些操作状况下，需要由起重机驱动器执行紧急负载下降。有几种已知的用于执行紧急负载下降的方式。紧急负载下降可以通过控制起重机驱动器中的制动器来执行，以这样的方式使得在紧急下降期间负载的下降速率维持在允许的限制内。公开EP 0588 234公开了一种已知的起重机驱动器，其中起重机驱动器的三相异步机器在紧急下降期间被用作自励式发电机，并且在紧急下降期间由发电机操作产生的电力被负载电阻器组件消耗，该负载电阻器组件包括以三角形连接的相同的负载电阻器。
通过调节起重机驱动器的制动器来手动执行紧急下降是有问题的，因为它需要从服务平台手动控制制动器。手动控制要求很高，并且如果紧急下降失败，则操作人员可能发现他自己处于极其危险的状况中。公开EP 0588234中的起重机驱动器的问题是，紧急下降可以仅仅针对特定大小的负载而被优化。如果在紧急下降时负载充分小于针对其起重机驱动器被优化的负载，则异步机器的电压将降到足够低以使得自励式发电机操作结束，由此负载由于地球重力而开始加速。一旦速度已升至足够高，发电机操作就可以恢复。但是，这需要非常大的激励电容器。
发明内容
本发明的目的是开发一种起重机驱动器，利用该起重机驱动器，负载的紧急下降的执行既简单又安全。本发明的目的是通过一种起重机驱动器来实现的，该起重机驱动器包括绳索、附连到绳索的起重构件、以及操作连接到绳索以便通过起重构件提升负载的电机组件，该电机组件包括配备有三个定子相的三相异步机器、用于建立异步机器的自励式发电机操作的电容器组件、以及为异步机器的自励式发电机操作建立电阻性负载的负载电阻器组件，其特征在于负载电阻器组件是不对称的。本发明的第二个目的是开发用于上面提到的起重机驱动器的电机组件。该第二个目的是通过一种电机组件来实现的，该电机组件包括配备有三个定子相的三相异步机器、电容器组件、用于将电容器组件对称地连接到所有三个定子相以便建立异步机器的自励式发电机操作的电容器开关装置、为异步机器的自励式发电机操作建立电阻性负载的负载电阻器组件、以及布置成将负载电阻器组件连接到定子相的负载电阻器开关装置，其特征在于负载电阻器组件是不对称的。
本发明是基于这样的构思，即，用于异步机器的自励式发电机操作的电阻性负载是通过不对称的负载电阻器组件来实现的。不对称的负载电阻器组件是被布置成在第一对定子相的相位之间建立这种电阻性负载的负载电阻器组件，这种电阻性负载不等同于所讨论的负载电阻器组件被布置为在第二对定子相的相位之间建立的电阻性负载，其中第二对定子相与第一对定子相不同。
根据本发明的起重机驱动器的益处在于执行紧急下降的简单性和安全性。此外，依赖于实施例，本发明使得减小电机组件中的部件的数量和/或电容器的电容成为可能。
根据本发明的起重机驱动器最适合于其中负载的紧急下降相对而言很少被需要并且负载的紧急下降的高度不是非常大的地点。这是因为这样的事实，即，在一些实施例中，至少一个定子相的电流可能在负载的紧急下降期间高于所讨论的定子相的标称电流(nominal current)。
附图说明
现在结合优选实施例并参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明实施例的起重机驱动器的概览；
图2示出了根据图1的起重机驱动器的电机组件的简化示意图；以及
图3-6示出了电机组件的替代实施例。
具体实施方式
图1示出了起重机驱动器，该起重机驱动器包括绳索2、固定到绳索的起重构件4以及操作连接到绳索2以便通过起重构件4提升负载8的电机组件6。
图2示出了图1的起重机驱动器的电机组件的简化示意图。电机组件包括三相异步机器、用于建立该异步机器的自励式发电机操作的电容器组件10、以及为该异步机器的自励式发电机操作建立电阻性负载的负载电阻器组件12。
该三相异步机器配备有三个定子相L1、L2和L3。三相异步机器的定子绕组SW连接到定子相。定子相L1、L2和L3在正常状况下被布置成与电源的相(诸如变频器的相)接触以便从电源向三相异步机器馈送电力。图2没有示出三相异步机器的转子。
电容器组件10包括通过电容器开关装置以三角形连接连接到定子相L1-L3的三个激励电容器CE。激励电容器CE的电容是相互基本相等的。电容器开关装置包括三个电容器开关SC，并且被布置成将电容器组件10连接到定子相L1、L2和L3，如由操作人员所控制的。当操作人员希望发起紧急负载下降时，他通过控制电容器开关装置将电容器组件10连接到定子相L1、L2和L3。
在本发明的替代实施例中，控制电容器开关装置可以被自动化。在第二替代实施例中，操作人员可以选择电容器开关装置是自动控制还是手动控制。电机组件可以被布置成使得在紧急负载下降状况开始时电容器组件和负载电阻器组件均连接到定子相并保持连接到定子相，直到紧急下降状况结束为止。
电容器开关装置被布置成将电容器组件对称地连接到所有三个定子相，以建立不对称电机的自励式发电机操作。激励电容器可以通过星形连接而不是三角形连接来连接，但在这种情况下，激励电容器的电容需要增加以便获得相同的无功功率。
在异步机器的自励式发电机操作中，电容器组件10的定子绕组SW的电感和激励电容器CE的电容形成谐振电路，使得异步机器从电容器组件10获取它所需的无功功率。在正常状况下，异步机器从配电网络中得到它所需的无功功率。在这种背景下，异步机器的自励式发电机操作是指在定子相L1-L3不受外部电压影响的状况下异步机器作为发电机的操作。这种状况可能会由于例如断电或给异步机器馈电的变频器出现故障而出现。
负载电阻器组件12包括仅一个负载电阻器R1，在异步机器的自励式发电机操作期间，该负载电阻器R1被布置成连接在异步机器的定子相L1与L2之间。负载电阻器组件12是不对称的，因为负载电阻器只可以连接在定子相L1和L2之间，并且定子相L1与L3之间的电阻以及定子相L2与L3之间的电阻两者均是无穷大的。
电机组件包括负载电阻器开关装置，该负载电阻器开关装置被布置成将负载电阻器组件12连接到定子相L1和L2。负载电阻器开关装置包括一个电阻器开关SR1。
负载电阻器开关装置和电容器开关装置被布置成由相同的信号控制，即，电阻器开关SR1和电容器开关SC由相同的控制信号控制。因此，电阻器开关SR1与电容器开关SC基本上同时闭合并且与电容器开关SC基本上同时打开。当起重机驱动器的操作人员将电容器组件10连接到定子相L1-L3时，负载电阻器R1同时连接到定子相L1和L2之间。由于负载电阻器组件12的不对称性，异步机器的自激励可靠地起动。形成用于负载电阻器开关装置和电容器开关装置的控制信号所需的装置或者用于传送该控制信号的线在图2中未示出。
负载电阻器开关装置和电容器开关装置被布置成在紧急负载下降状况中基本上同时被控制。在替代实施例中，负载电阻器开关装置和电容器开关装置被布置成由不同的信号控制，该不同的信号之间的时间差比预定阈值短。电机组件控制被布置成使得负载电阻器开关装置始终被控制为与电容器开关装置一起闭合。
在实施例中，电机组件包括转换开关，该转换开关被布置成代替正常的电源来连接负载电阻器组件和电容器组件。在这种情况下，上面提到的转换开关包括负载电阻器开关装置和电容器开关装置。根据本发明的电机组件可以被实现以使得控制紧急下降过程完全不需要电力供应，由此，除由于其它部件引起的损耗以外，由异步机器的自励式发电机操作产生的所有电力都在负载电阻器组件中用尽。
激励电容器CE被设计成使得期望的振荡频率fc，即，特定频率是由电机的定子电感Ls和激励电容器CE构成的谐振电路获得。振荡频率由下式获得
振荡频率fc确定当异步机器充当自励式发电机时负载的下降速率。在实施例中，合适的负载下降速率对应于异步机器的标称速度的一半，由此振荡频率fc是根据下式通过异步机器的标称供电频率fN获得的
定子电感是异步机器的激励电流的函数，并且由于铁的饱和，该定子电感是非线性的。作为结果，谐振电路可以形成并且激励发生在许多不同的电容值处，由此有可能影响频率并由此影响下降速率。
由异步机器在其自励式发电机操作期间产生的电力必须被转换为负载电阻器R1中的热。为了确定负载电阻器R1的电阻，可以使用下式
其中U是由异步机器在自励式发电机操作期间产生的电压，PL是转到负载电阻器R1的功率，μm是异步机器的操作效率，并且PM是异步机器的轴功率。在实施例中，由异步机器在自励式发电机操作期间产生的电压U是异步机器的标称电压UN的一半，由此激励保持标称，即，保持在设计的额定值处。
当负载电阻器组件不对称时，在自励式发电机操作期间异步机器的操作效率比负载电阻器组件对称时的操作效率低。在根据图2的负载电阻器组件12的情况下，异步机器的操作效率μm比负载对称的情况下的操作效率少近似10％。这是由于负载电流的较高次谐波成分和作为结果产生的附加损耗。自励式发电机操作期间的低操作效率实际上不是有害的，因为自励式发电机操作主要用于紧急负载下降，其中由自励式发电机操作产生的电力必须以一种方式或另外的方式被消耗。
不对称负载电阻器组件可以包括一个、两个或三个负载电阻器。图3的电机组件中的负载电阻器组件12'包括两个负载电阻器，而图4的电机组件中的负载电阻器组件12”包括三个负载电阻器。除负载电阻器组件和负载电阻器开关装置之外，图3和4的电机组件等同于图2的电机组件。
图3的负载电阻器组件12'包括两个负载电阻器R1'和R2'，这两者均在异步机器的自励式发电机操作期间被布置成连接在异步机器的两个定子相之间。负载电阻器R1'通过电阻器开关SR1'连接在定子相L1和L2之间，而负载电阻器R2'通过电阻器开关SR3'连接在定子相L2和L3之间。负载电阻器组件12'是不对称的，因为负载电阻器R1'和R2'之间的点通过具有非常小电阻的导体连接到定子相L2。
负载电阻器R1'和R2'的电阻是完全相同的。在其中负载电阻器组件包括恰好两个负载电阻器的替代实施例中，负载电阻器的电阻是不相等的。
图4的负载电阻器组件12”包括三个负载电阻器R1”、R2”和R3”，它们通过负载电阻器开关装置以三角形连接连接到定子相L1-L3。负载电阻器开关装置包括三个电阻器开关SR1”、SR2”和SR3”。负载电阻器组件12'是不对称的，因为负载电阻器R1”具有与负载电阻器R2”基本上不相等的电阻。在这种背景下，如果具有较高电阻的电阻器的电阻比具有较低电阻的电阻器的电阻高10％以上，则电阻被认为是基本上不相等的。增加不对称性改善了异步机器的自激励的起动可靠性。负载电阻器R2”和R3”的电阻相等。
在其中负载电阻器组件包括三个负载电阻器的替代实施例中，所有负载电阻器的电阻都不相等。在其中负载电阻器组件包括三个负载电阻器的第二替代实施例中，负载电阻器开关装置仅包括两个电阻器开关，即，对应于开关SR2”的电阻器开关例如被导体部分取代。
除了电阻器开关SR1”和SR3”，图5中电机组件的负载电阻器开关装置还包括电压控制的开关SVC1”'和SVC3”'。每个电压控制的开关操作连接到对应的定子相，使得电压控制的开关响应于对应定子相中预定电平的电压的存在而闭合。电压控制的开关SVC1”'操作连接到定子相L1，而电压控制的开关SVC3”'操作连接到定子相L3。用于实现操作连接的电压传感器和信号导体在图5中未示出。
电压控制的开关SVC1”'与电阻器开关SR1”'串联连接。电压控制的开关SVC3”'与电阻器开关SR3”'串联连接。负载电阻器R1”'和R2”'之间的点通过具有非常小电阻的导体连接到定子相L2。除负载电阻器开关装置之外，图5的电机组件等同于图4的电机组件。
负载电阻器组件12”'的负载电阻器R1”'、R2”'和R3”'通过负载电阻器开关装置由三角形连接连接到定子相L1-L3。在电阻器开关SR1”'和SR3”'以及电压控制的开关SVC1”'和SVC3”'都闭合的情况下，负载电阻器组件12”'连接到定子相L1-L3。
在图6的电机组件中，负载电阻器组件12A包括仅一个负载电阻R1A，该负载电阻R1A与一个激励电容器CE并联连接。在根据图6的实施例中，电容器组件10和电容器开关装置等同于图2实施例中的那些。对于负载电阻器R1A将不需要单独的电阻器开关，因为电容器开关装置被布置成将负载电阻器组件12A连接到定子相。因此，负载电阻器开关装置和电容器开关装置被集成并布置成由相同的控制信号控制。
在根据图2-6的电机组件中，每个电容器开关和电阻器开关可以是适于使用目的的已知接触器。作为替代，使用另一种类型的开关设备作为电容器开关和电阻器开关是可行的。
根据本发明的电机组件的负载电阻器开关装置可以是智能负载电阻器开关装置。智能负载电阻器开关装置被布置成在操作人员或自动作用已经发起紧急负载下降的情况下以电压控制的方式将负载电阻器组件连接到定子相。智能负载电阻器开关装置使得操作人员给出的执行紧急负载下降的命令只在定子相L1-L3中检测到预定电平的电压之后将负载电阻器组件连接到定子相。这是为了确保只在异步机器的自激励起动之后负载电阻器组件连接到定子相。
图2-4中呈现的每个电机组件中的负载电阻器开关装置可以由智能负载电阻器开关装置代替。在图4的电机组件中，例如，这将意味着可由操作人员控制的电阻器开关SR1”、SR2”和SR3”将被转换成智能电阻器开关，由操作人员做出的发起紧急负载下降的命令会将其转移到待机状态(standby state)，在待机状态中，智能电阻器开关将监视预定电平的电压是否存在于定子相L1-L3中。在待机状态中的智能电阻器开关将响应于在定子相L1-L3中检测到预定电平的电压而闭合。
智能负载电阻器开关装置可以被布置成在预定条件得到满足时将负载电阻器组件连接到定子相。预定条件可以这样被选择，使得只有当异步机器作为自励式发电机工作时负载电阻器组件才连接到定子相。在替代实施例中，预定条件这样被选择，使得当异步机器具有到带电电力网络的功能连接时负载电阻器组件也可以被连接到定子相。
由负载电阻器组件带来的电阻性负载在一些实施例中可以在紧急负载下降期间被调节。调节电阻性负载允许调节负载的下降速率。在其中负载电阻器组件包括多于一个的负载电阻器的实施例中，保持不同种类的负载电阻器组合连接到定子相是可能的。在实施例中，负载电阻器组件包括可调节的负载电阻器。如果没必要调节负载下降速率，则根据本发明的电机组件可以被布置成使得负载电阻器组件从紧急下降的开始到结束都是恒定的，而不考虑负载大小。
本发明的电机组件可以使用在许多类型的起重机驱动器中，诸如电梯、闸门、升降桥梁、索道和矿井起重机。电机组件的异步机器的自励式发电机操作不仅可以用来降低单个负载，而且可以用来降低起重机驱动器的一部分。例如，港口起重机可以利用异步机器的自励式发电机操作来降低港口起重机的吊臂。
图1中所示的起重机驱动器仅仅是布置成用于起重负载的起重机驱动器的一个例子。在替代实施例中，绳索可以用例如链条、带子或机械传动取代。
对本领域技术人员显而易见的是，本发明的基本构思可以以许多不同方式实现。因此，本发明及其实施例不限于上面描述的例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (12)

1.一种电机组件，包括配备有三个定子相(L1、L2、L3)的三相异步机器、电容器组件(10)、用于将电容器组件(10)对称地连接到所有三个定子相(L1、L2、L3)以便建立异步机器的自励式发电机操作的电容器开关装置、为异步机器的自励式发电机操作建立电阻性负载的负载电阻器组件(12)、以及布置成将负载电阻器组件(12)连接到定子相(L1、L2)的负载电阻器开关装置，其特征在于，负载电阻器组件(12)是不对称的，使得负载电阻器组件(12)包括仅一个负载电阻器(R1)，所述负载电阻器(R1)被布置成在异步机器的自励式发电机操作期间连接在异步机器的两个定子相(L1、L2)之间。
2.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于，负载电阻器开关装置包括电阻器开关(SR1)，所述电阻器开关(SR1)被布置成基于操作人员做出的命令将负载电阻器(R1)连接在异步机器的两个定子相(L1、L2)之间。
3.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于，负载电阻器组件(12′)包括恰好两个负载电阻器(R1′，R2′)，其中的第一个负载电阻器(R1′)被布置成在异步机器的自励式发电机操作期间连接在异步机器的第一对定子相(L1、L2)之间，并且其中第二个负载电阻器(R2′)被布置成在异步机器的自励式发电机操作期间连接在异步机器的第二对定子相(L2、L3)之间，第二对定子相不同于第一对定子相。
4.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于，负载电阻器组件(12″)包括三个负载电阻器(R1″、R2″、R3″)，其中的每一个负载电阻器被布置成在异步机器的自励式发电机操作期间连接在异步机器的两个定子相(L1，L2，L3)之间，三个负载电阻器中的一个(R1″)具有与三个负载电阻器中的另一个第二电阻器(R2″)基本不同的电阻。
5.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于，负载电阻器开关装置包括至少一个电压控制的开关(SVC1″′、SVC3″′)，每个电压控制的开关操作连接到对应的定子相，使得电压控制的开关响应于所述对应的定子相中预定电平的电压的存在而闭合。
6.如权利要求5所述的电机组件，其特征在于，每个电压控制的开关(SVC1″′、SVC3″′)与能够由操作人员控制的电阻器开关(SR1″′、SR3″′)串联连接。
7.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于，电容器组件(10)包括三个激励电容器(CE)，并且负载电阻器组件(12A)包括仅一个负载电阻器(R1A)，所述负载电阻器(R1A)与一个激励电容器(CE)并联连接，并且负载电阻器开关装置和电容器开关装置被集成。
8.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于，负载电阻器开关装置是智能负载电阻器开关装置，所述智能负载电阻器开关装置被布置成在负载(8)的紧急下降已被操作人员或被自动操作激活的情况下以电压控制的方式将负载电阻器组件连接到定子相。
9.如权利要求8所述的电机组件，其特征在于，智能负载电阻器开关装置包括至少一个智能电阻器开关，所述至少一个智能电阻器开关被布置成响应于操作人员的发起紧急负载下降的命令而转移到待机状态，在待机状态下，所述至少一个智能电阻器开关监视预定电平的电压是否在定子相(L1、L2、L3)中存在并且响应于在定子相(L1、L2、L3)中检测到存在预定电平的电压而闭合。
10.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于，电容器组件(10)以如下方式包括三个激励电容器(CE)：使得在所述对称连接中，三个激励电容器(CE)以三角形或星形连接被连接到定子相(L1、L2、L3)。
11.如权利要求1所述的电机组件，其特征在于负载电阻器开关装置和电容器开关装置被布置成由相同的信号控制。
12.一种起重机驱动器，包括绳索(2)、附连到绳索的起重构件(4)、以及操作连接到绳索(2)以便通过起重构件(4)提升负载(8)的电机组件(6)，其特征在于，电机组件(6)是根据权利要求1所述的电机组件。
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