CN111422768A - 一种特大型提升机驱动装置及电控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于特大型提升机及其控制技术，提出的一种特大型提升机驱动装置及电控系统，将数台低速交流电动机的转子和定子机构按交流电动机逆向结构内置于特大型提升机卷筒内部，形成了相当于多台电机共同驱动的方案；所述电控系统主要由数套定子绕组、受机构传动的两套编码器组、数套低频直驱变频器和可编程控制器PLC组成；相较于现有传统和公知技术，突破了最多只由两台电动机共同驱动的限制，提升机装机容量大大增加，满足单次提升量日益增长的需要，在提升机往更大型化方面提供了一个新的驱动方案，在装机容量相同的情况下，按照本发明提供的驱动方案，大型或特大型提升机的制造相对更容易，成本相对更低。

Description

一种特大型提升机驱动装置及电控系统
技术领域
本发明属于特大型提升机及其控制技术，提出一种特大型提升机驱动装置及电控系统。
背景技术
国家从“十三五”开始实施“深地、深海、深空、深蓝”科技创新战略，“从理论上讲，地球内部可利用的成矿空间分布在从地表到地下一万米，目前世界先进水平勘探开采深度已达2500米至4000米，而我国大多在500~1200米，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题。”2017年度全国科技创新大会提出新的论断：如果我国固体矿产勘查深度达到2000米，探明的资源储量可以在现有基础上翻一番。同时还提出：通过“跟跑、并跑、领跑”，若干年后，全国形成至2000米矿产资源开采、3000米矿产资源勘探成套技术能力，储备一批5000米以深资源勘查前沿技术。
针对竖井而言，据估算，在年提升量一定的情况下，提升深度增加一倍，主井提升机装机容量大约也增加一倍，矿井越深，在年产量相近的情况下，单次提升量和提升额定速度需要越大，提升机的装机容量就越大；国家产业政策扶持先进产能，要求单个矿井的年产量要持续增长，也需要更大的单次提升量和更高的提升额定速度；以单次提升重量达100顿，额定速度达20米/秒为例，一台提升机的装机容量就必须超过20000kW（20MW）。
传统提升机的卷筒作为主轴装置的一部分，工作时，卷筒与主轴一起转动。中小型提升机由一台电机或两台电机通过减速器拖动，因减速器的功率限制，这种提升机装机容量较小，通常不超过2*1000kW（2*1MW）；传统的大中型提升机由一台或两台低速电动机直联拖动，因受制于提升机用电动机及传统变频器单机容量等因素，传统大型提升机的装机容量也同样受到限制，无法满足单次提升量日益增长的需要或者实现起来更加困难。而且，传统的大中型提升机还存在以下缺点：1）电动机和卷筒为平面布置进行设备安装，因此，传统提升机特别是大型提升机的整体占地面积较大，从而增加设备机房基建的费用，如果这些设备安装在高达几十米的井塔上、地下或大山的硐室中，基建费用增加部分将非常突出；2）而传统提升机特别是大型提升机的卷筒内部却存在大量空间没有合理利用，造成机器空间的更大浪费；因为，大型提升机的卷筒因其直径更大、宽度更宽（所驱动的钢丝绳数量更多），卷筒内部的空间更加巨大；3）直联提升机用电动机因其中心高尺寸要与提升机主轴相匹配，而且要求低转速，单机容量如果太大，制造相对困难且价格昂贵，转速越低费用越高。
公知的内装式提升机主要用于替代带减速器的传统提升机，将一套转子机构镶嵌在卷筒的内侧，一套定子机构嵌套在主轴上；与传统提升机的不同在于，卷筒与主轴装置不是一体的，卷筒与主轴能够相对运动，工作时，主轴（相当于交流电动机定子）固定不动，卷筒（相当于交流电动机转子）转动，从而驱动钢丝绳及悬挂在钢丝绳末端的提升容器，达到提升人员或物料的目的；公知的内装式提升机将减速器省略，并将交流电动机与主轴装置和卷筒融为一体，虽然，解决了卷筒内部空间合理利用问题，减少了提升机的总体体积和安装尺寸，但公知的内装式提升机只拥有相当于单台交流电动机驱动能力，其装机容量有限，目前仅适用于中小型提升机。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种特大型提升机驱动装置及电控系统，用于控制并驱动新式大型或特大型提升机，能够满足深井和大型矿井单次提升量日益增长的需要。
本发明采取以下技术方案完成其发明目的：
一种特大型提升机驱动装置及电控系统，驱动装置具有内置于特大型提升机卷筒内的N台低速交流电动机的转子和定子机构；N台低速交流电动机的所述转子和定子机构按照交流电动机逆向结构设置；N台低速交流电动机的转子机构均匀镶嵌在卷筒中段的内侧，定子机构均匀嵌套在特大型提升机主轴的中段；每台所述低速交流电动机的转子机构与定子机构对应设置；N套所述的定子机构成了主轴的一部分并通过主轴固定在基座上；所述定子机构包含定子铁芯和定子绕组，所述的定子绕组嵌套在所述定子铁芯中；N套所述的转子机构内置于所述的卷筒内构成数台交流电动机的共同转子，所述的卷筒与主轴间通过轴承或轴瓦进行固定且能相对转动，并确保定子和转子间的气隙及其偏差符合电机标准要求；所述特大型提升机装机容量由所述多个定子机构均分，每套定子机构的容量只相当于提升机装机容量的数分之一，所述转子机构的装机容量和定子机构相匹配；
与所述的驱动装置对应的电控系统包括有N套定子绕组、受机构传动的两套编码器组、低频直驱变频器和可编程控制器PLC；每套所述的定子绕组均按相同容量进行设计并按相同的结构和组别进行联接，所述特大型提升机较传统的交流电动机才能具有更多的极对数，相当于由数台特性一致的低转速交流电动机共同驱动；每套所述定子绕组的三相通过三相动力电缆与对应所述低频直驱变频器的三相输出端相连，为所述的特大型提升机提供电力；两套编码器组中编码器组I通过联接机构由所述的转子传动，所述的编码器组I中装有高精度编码器，所述高精度编码器的输出端通过屏蔽控制电缆与所述光电转换器的电输入口相连，所述光电转换器将高精度编码器的电脉冲信号同时转换成数路光信号并从光口输出；所述光电转换器光输出口通过光纤分别与N套所述低频直驱变频器中转子速度反馈接口相连，用于检测所述转子的转动速度和角度，作为所述低频直驱变频器的速度反馈信号及转子磁场定向矢量控制的重要参量；N套所述低频直驱变频器为主从控制方式，其中一套为主机，其他均为从机，所述主机具有完整的速度闭环和转子磁场定向矢量控制功能并为所述从机提供电流和频率给定信号和运行指令，所述从机仅有电流闭环功能并跟随所述主机输出相同幅值和频率的三相交流电，确保N套所述的定子绕组同时接受基本一致的交流电；所述的编码器组I中还装有增量编码器，所述增量编码器的输出端通过屏蔽控制电缆与所述的PLC1中高速计数模块的输入端相连，用于检测所述卷筒所转动的位置，通过一定的数学运算，所述的卷筒位置可折算成提升容器所处的一组位置和速度值；两套编码器组中编码器组II通过联接机构由所述的导向轮或天轮传动，至少装有一只增量式编码器，所述增量编码器的输出端通过屏蔽控制电缆与所述的PLC2中高速计数模块的输入端相连，用于检测钢丝绳即提升容器所处的另一组位置和速度值；N套所述的低频直驱变频器与所述的PLC以环网通讯方式相连，作为主机的所述频直驱变频器根据PLC的频率给定信号和运行指令，与作为从机所述低频直驱变频器同时输出频率可变的三相交流电为N套所述的定子绕组提供电流和频率基本一致的电力，根据交流电动机运转的一般原理，在N套所述的定子和转子之间产生基本一致电磁力矩，合力驱动所述转子即所述特大型提升机卷筒运转，达到驱动特大型提升机的目的。
所述的可编程控制器PLC至少配置有独立的两套，即PLC1和PLC2，所述的PLC1和PLC2之间为两根光纤冗余通讯联接；N套所述低频直驱变频器的其中一台由PLC定义为主机，其他被定义为从机，如果主机出现故障，主机将被重新定义，上述中，N套所述低频直驱变频器与所述光电转换器都通过光纤相连并得到转子速度和角度，正是为主机而备，因为，每套所述低频直驱变频器都有被定义为主机的可能；上述来源不同的两组所述提升容器的位置和速度值，除了用作所述特大型提升机的重要参量之一——深度、速度双线制控制之外，还能测试钢丝绳在运行过程中的松动或滑动的程度，并用于钢丝绳松动或滑动超限故障的预警和报警。
N套所述的定子绕组均按相同容量进行设计并按相同的结构和组别进行联接，所述特大型提升机较传统的交流电动机才能具有更多的极对数，确保所述转子能够以低转速运行，额定转速通常在每分钟数十转及以下，与之对应，额定频率通常在17.0Hz及以下，在实际应用中，特定的额定转速以满足规程和提升产量的要求为妥，根据提升容器的额定速度、所述卷筒的直径核算并设计定子的极对数，所述定子绕组的极对数优选为8~16对极；每套所述定子绕组的容量至少按特大型提升机装机容量N分之一并考虑两倍及以上的过载倍数进行设计，转子机构的容量与定子机构的容量相匹配；所述特大型提升机为了能够具有更多的极对数，通常将多支特性相同的定子绕组进行并接。
作为上述方案的优选，N套所述的低频直驱变频器均具有两倍及以上的过载倍数和AFE主动前端控制技术，除了进一步降低谐波和提高功率因数外，还能确保所述特大型提升机在整个运行过程中特别在低速爬行阶段（爬行速度通常为0.2~0.3m/s左右，折算成爬行频率可能只有0.1Hz左右，甚至更小）的动态性能，所述特大型提升机在负力减速和重物下放过程中，能够将势能转变成无谐波污染的电能，通过所述的低频直驱变频器中AFE主动前端回馈到电网，确保整个运行过程包括待机状态中所述特大型提升机电控系统既不污染电网也不受电网的污染，回馈到电网的电能指标能够满足或超过国家标准，同时在电网侧不需配置复杂且昂贵的滤波装置，节省设备投资和运营费用。
进一步，N套所述的低频直驱变频器优选为功率单元串联型高压变频器（功率元件为IGBT），或者，由相模块组成的三电平中压变频器（功率元件为IGCT），相较传统的变频器，具有更多的电平数量或更高的开关频率，上述性能指标的实现得到进一步保障；如果有一套或少部分所述的低频直驱变频器出现故障，故障当次将故障的低频直驱变频器退出不用，由余下的低频直驱变频器借助其过载能力适当降速完成故障当次应急提升任务，或者，通过更换备用功率单元或相模块，将故障的所述低频直驱变频器修好，故障当次同样实现全载全速运行。
将所述特大型提升机及其电控系统作为机电一体化进行设计，所述低频直驱变频器的额定输出电压与所述定子绕组的额定电压相匹配，如3.15kV（中压）、6kV或10kV（高压），所述低频直驱变频器的额定输入电压与设备使用现场的电网侧电压等级相匹配，如6kV或10kV，有益于所述特大型提升机及其电控系统的标准化、系列化设计。
进一步，所述低频直驱变频器和所述特大型提升机的冷却方式也进行机电一体化设计，同时为：风冷或水冷，而且通过管道共用一套外部冷却设备，节省设备费用并提高冷却设备的使用效率。
所述的可编程控制器PLC至少配置有独立的两套即PLC1和PLC2，旨在实现双线制控制，提高控制的安全可靠性；所述PLC1和PLC2均配置有CPU模块、通讯模块、高速计数模块、A/D和D/A数模转换模块、I/O开关量输入输出模块；所述的PLC1和PLC2之间为CPU冗余通讯联接，正常情况下，两套PLC并行处理数据和程序并实时同步和相互监视，对所述特大型提升机运行过程的一些关键参量如深度、速度、主要安全保护信号等实现双线制检测和控制；如果一个CPU出现故障，另一个CPU能够自动接替它对整个提升过程进行控制，故障的当次无需因故停机，提高整体设备的安全可靠性，降低运营成本。
所述的编码器组I通过联接机构由所述的转子（卷筒）传动，其中，高精度编码器用于测量所述转子的转速和角度，用于作为主机的所述低频直驱变频器的速度反馈信号及转子磁场定向矢量控制的重要参量，转子角度的定位准确性直接决定了所述低频直驱变频器输出的力矩效率，转子速度作为速度闭环反馈信号，其精度直接影响低频直驱变频器的调速性能，精度越高，调速性能越优；所述的高精度编码器优选为绝对值或增量两种型式；为此，所述的编码器联接机构优选为齿轮或摩擦轮传动并按一定的倍数进行增速，进一步提高转子角度检测的分辨率以及精度；所述的编码器与联接机构之间优选弹性联轴节或柔性机构进行联接，提高编码器的使用寿命。
本发明提出的一种特大型提升机驱动方案及电控系统，采用上述技术方案，满足驱动大型或特大型提升机平滑调速和安全控制的需要，并且，谐波小功率因数高、效率高；相较于现有传统和公知技术，突破了最多只由两台电动机共同驱动的限制，实现了相当于多台电动机共同驱动一台提升机，提升机装机容量大大增加，满足单次提升量日益增长的需要，在提升机往更大型化方面提供了一个新的驱动方案，在装机容量相同的情况下，按照本发明提供的驱动方案，大型或特大型提升机的制造相对更容易，成本相对更低；通过机电一体化设计，组成特大型提升机电控系统，整体设备的安全可靠性进一步提高；本发明在大大增加提升机装机容量的同时，既减少了设备总体体积和成本包括运维成本，又较大地节省了设备机房的基建投资费用，社会和经济效益显著。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图中：1、特大型提升机卷筒，1.1、定子绕组
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，1.2、定子绕组
Figure 81504DEST_PATH_IMAGE002
，1.3、定子绕组
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，1.4、定子绕组
Figure 714086DEST_PATH_IMAGE004
，I、编码器组I，2.1、高精度编码器，2.2、增量式编码器，II、编码器组II，2.3、增量式编码器，2.4、编码器光电转换器，3.1、低频直驱变频器
Figure 981120DEST_PATH_IMAGE001
,3.2、低频直驱变频器
Figure 242337DEST_PATH_IMAGE002
，3.3、低频直驱变频器
Figure 724265DEST_PATH_IMAGE003
，3.4、低频直驱变频器
Figure 717629DEST_PATH_IMAGE004
，4、可编程控制器PLC，4.1、PLC1,4.2、PLC2，5、导向轮或天轮，6、钢丝绳，7、三相动力电缆，8、屏蔽控制电缆，9、环网通讯光纤，10、光纤。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明实施例加以说明：
如图1所示，本发明采取以下技术方案完成其发明目的：为了合理利用特大型提升机卷筒内部的巨大空间，同时将四台低速交流电动机的定子机构和转子机构按交流电动机逆向结构内置于所述特大型提升机卷筒1和主轴装置内部，所述特大型提升机卷筒1和主轴装置成了四台结构特殊的低转速电动机的集合体，或者是具有四套定子绕组的特大型交流电动机；具体驱动方案是，将四套交流电动机转子机构均匀镶嵌在卷筒中段的内侧，因此，所述特大型提升机卷筒1相当于四台结构特殊的低转速交流电动机的转子；将同等数量的交流电动机定子机构均匀嵌套在主轴中段，每套所述定子机构和转子机构装配位置一一对应，四套所述定子机构成了主轴装置的一部分并通过主轴固定在基座上，所述定子机构包含定子铁芯和定子绕组，所述的定子绕组嵌套在所述定子铁芯中；有别于传统提升机，特大型提升机卷筒1成为了四台交流电动机共同的转子（可旋转），主轴成为了四台交流电动机共同的定子（固定不动），特大型提升机卷筒1与主轴间通过轴承或轴瓦进行固定且能相对运动，并确保定子和转子间的气隙及其偏差符合电机标准要求；与传统大中型提升机的不同还在于，突破了最多由两台电动机共同驱动一台提升机的限制，在本实施例中，所述特大型提升机相当于可以由四台交流电动机共同驱动，因此，所述特大型提升机装机容量由所述四套定子机构均分，每套定子机构的容量只相当于提升机装机容量的四分之一，所述转子机构的装机容量和定子机构相匹配；换言之，所述特大型提升机装机容量一定的情况下，由于设置的交流电动机定子机构的数量增多，单套定子机构和转子机构的装机容量相对降低，易于制造装配，总的成本相对低廉；本发明让提升机往更大型化方面提供了一个新的驱动方案。
与上述驱动装置相对应，一种特大型提升机电控系统主要由N套（例如N=4）定子绕组1.1~1.4、受机构传动的两套编码器组I和II、编码器光电转换器2.4、四套低频直驱变频器3.1~3.4和可编程控制器PLC4（至少内置两套PLC装置，即PLC14.1和PLC24.2）组成。所述每套定子绕组1.1~1.4均按相同容量进行设计并按相同的结构和组别进行联接，所述特大型提升机较传统的交流电动机才能具有更多的极对数，相当于由数台特性一致的低转速交流电动机共同驱动；每套所述定子绕组1.1~1.4的三相通过三相动力电缆7与对应所述低频直驱变频器3.1~3.4的三相输出端相连，为所述的特大型提升机提供电力；所述编码器组I通过联接机构由所述的转子（卷筒）1传动，所述的编码器组I中装有高精度编码器2.1，所述高精度编码器2.1的输出端通过屏蔽控制电缆8与所述光电转换器2.4的电输入口相连，所述光电转换器2.4将高精度编码器2.1的电脉冲信号同时转换成数路光信号并从光口输出；所述光电转换器2.4光输出口通过光纤10分别与四套所述低频直驱变频器3.1~3.4中转子速度反馈接口相连，用于检测所述转子1的转动速度和角度，作为所述低频直驱变频器3.1~3.4的速度反馈信号及转子磁场定向矢量控制的重要参量；四套所述低频直驱变频器3.1~3.4为主从控制方式，其中一套（如3.1）为主机，其他（如3.2~3.3）均为从机，所述主机3.1具有完整的速度闭环和转子磁场定向矢量控制功能并为所述从机3.2~3.3提供电流和频率给定信号和运行指令，所述从机3.2~3.3仅有电流闭环功能并跟随所述主机3.1输出相同幅值和频率的三相交流电，确保四套所述的定子绕组1.1~1.4同时接受基本一致的交流电；所述的编码器组I中还装有增量编码器2.2，所述增量编码器2.2的输出端通过屏蔽控制电缆8与所述的PLC14.1中高速计数模块的输入端相连，用于检测所述卷筒1所转动的位置，通过一定的数学运算，所述的卷筒1位置可折算成提升容器所处的一组位置（深度）和速度值；所述编码器组II，通过联接机构由所述的导向轮或天轮5传动，至少装有一只增量式编码器2.3，所述增量编码器2.3的输出端通过屏蔽控制电缆8与所述的PLC24.2中高速计数模块的输入端相连，用于检测钢丝绳6即提升容器所处的另一组位置（深度）和速度值；四套所述的低频直驱变频器3.1~3.4与所述的PLC4以环网通讯光纤9相连，作为主机的所述频直驱变频器3.1根据PLC4的频率给定信号和运行指令，与作为从机所述低频直驱变频器3.2~3.4同时输出频率可变的三相交流电为四套所述的定子绕组1.1~1.4提供电流和频率基本一致的电力，根据交流电动机运转的一般原理，在四套所述的定子和转子之间产生基本一致电磁力矩，合力驱动所述转子即所述特大型提升机卷筒1运转，达到驱动特大型提升机的目的；所述的可编程控制器PLC4至少配置有独立的两套，即PLC14.1和PLC24.2，所述的PLC14.1和PLC24.2之间为两根光纤10冗余通讯联接；四套所述低频直驱变频器3.1~3.4的其中一台由PLC定义为主机如3.1，其他被定义为从机如3.2~3.4，如果主机如3.1出现故障，所述低频直驱变频器3.2、3.3或3.4将被重新定义为主机，上述中，四套所述低频直驱变频器3.1~3.4与所述光电转换器2.3都通过光纤10相连并得到转子速度和角度，正是为主机而备，因为，每套所述低频直驱变频器3.1~3.4都有被定义为主机的可能；上述来源不同的两组所述提升容器的位置（深度）和速度值，除了用作所述特大型提升机的重要参量之一——深度、速度双线制控制之外，还能测试钢丝绳在运行过程中的松动或滑动（蠕动）的程度，并用于钢丝绳松动或滑动（蠕动）超限故障的预警和报警。
四套所述的定子绕组1.1~1.4均按相同容量进行设计并按相同的结构和组别进行联接，所述特大型提升机较传统的交流电动机才能具有更多的极对数，确保所述特大型提升机卷筒（转子）1能够以低转速运行，额定转速通常在每分钟数十转及以下，与之对应，额定频率通常在17.0Hz及以下，在实际应用中，特定的额定转速（频率）以满足规程（标准）和提升产量的要求为妥，根据提升容器的额定速度、所述卷筒的直径核算并设计定子的极对数，所述定子绕组1.1~1.4的极对数优选为8~16对极；每套所述定子绕组（装置）1.1~1.4的容量至少按特大型提升机装机容量四分之一并考虑两倍及以上的过载倍数进行设计，转子机构的容量与定子机构的容量相匹配；所述特大型提升机为了能够具有更多的极对数，通常将多支特性相同的定子绕组进行并接，以所述的定子绕组1.1的A相为例，16支定子绕组并接后可构成8对极定子绕组，以此类推。
作为上述方案的优选，四套所述的低频直驱变频器3.1~3.4均具有两倍及以上的过载倍数和AFE主动前端控制技术，除了进一步降低谐波和提高功率因数外，还能确保所述特大型提升机在整个运行过程中特别在低速爬行阶段（爬行速度通常为0.2~0.3m/s左右，折算成爬行频率可能只有0.1Hz左右，甚至更小）的动态性能，所述特大型提升机在负力减速和重物下放过程中，能够将势能转变成无谐波污染的电能，通过所述的低频直驱变频器3.1~3.4中AFE主动前端回馈到电网，确保整个运行过程包括待机状态中所述特大型提升机电控系统既不污染电网也不受电网的污染，回馈到电网的电能指标能够满足或超过国家标准，同时在电网侧不需配置复杂且昂贵的滤波装置，节省设备投资和运营费用。
进一步，四套所述的低频直驱变频器3.1~3.4优选为功率单元串联型高压变频器（功率元件为IGBT），或者，由相模块组成的三电平中压变频器（功率元件为IGCT），相较传统的变频器，具有更多的电平数量或更高的开关频率，上述性能指标的实现得到进一步保障；如果有一套或少部分所述的低频直驱变频器如3.3和3.4出现故障，故障当次将故障的低频直驱变频器3.3和3.4退出不用，由余下的低频直驱变频器3.1~3.2借助其过载能力并适当降速完成故障当次应急提升任务，或者，通过更换备用功率单元或相模块，将故障的所述低频直驱变频器修好，故障当次同样能够实现全载全速运行。再举例说明出现故障的情况，如果作为主机的所述低频直驱变频器3.1出现故障，同样将所述低频直驱变频器3.1退出不用，通过环网，PLC4重新定义所述低频直驱变频器如3.2为主机，其他所述低频直驱变频器3.3和3.4仍然为从机，将与主机一道完成故障当次的应急提升任务。
将所述特大型提升机及其电控系统作为机电一体化进行设计，所述低频直驱变频器3.1~3.4的额定输出电压与所述定子绕组1.1~1.4的额定电压相匹配，如3.15kV（中压）、6kV或10kV（高压），所述低频直驱变频器3.1~3.4的额定输入电压与设备使用现场的电网侧电压等级相匹配，如6kV或10kV，有益于所述特大型提升机及其电控系统的标准化、系列化设计。
进一步，所述低频直驱变频器3和所述特大型提升机的冷却方式也进行机电一体化设计，同时为：风冷或水冷，而且通过管道共用一套外部冷却设备，节省设备和运营费用并提高冷却设备的使用效率。
所述的可编程控制器PLC4至少配置有独立的两套即PLC14.1和PLC24.2，旨在实现双线制控制，提高控制的安全可靠性；所述的PLC14.1和PLC24.2均配置有CPU模块、通讯模块、高速计数模块、A/D和D/A数模转换模块、I/O开关量输入输出模块；所述的PLC14.1和PLC24.2之间为CPU冗余通讯联接，正常情况下，所述的PLC14.1和PLC24.2并行处理数据和程序并实时同步和相互监视，对所述特大型提升机运行过程的一些关键参量如深度、速度、主要安全保护信号等实现双线制检测和控制；如果一个CPU（如PLC14.1）出现故障，另一个CPU（如PLC14.2）能够自动接替（如PLC14.1）对整个提升过程进行控制，故障的当次无需因故停机，提高整体设备的安全可靠性，降低运营成本。
所述的编码器组I通过联接机构由所述的特大型提升机卷筒1传动，其中，高精度编码器2.1用于测量所述转子1的转速和角度，用于作为主机的所述低频直驱变频器如3.1的速度反馈信号及转子磁场定向矢量控制的重要参量，转子角度的定位准确性直接决定了所述低频直驱变频器3.1~3.4输出的力矩效率，转子速度作为速度闭环反馈信号，其精度直接影响低频直驱变频器3.1~3.4的调速性能，精度越高，调速性能越优；所述的高精度编码器2.1优选为绝对值或增量两种型式；为此，所述的编码器联接机构优选为齿轮或摩擦轮传动并按一定的倍数进行增速，进一步提高转子角度检测的分辨率以及精度；所述的编码器与联接机构之间优选弹性联轴节或柔性机构进行联接，提高编码器的使用寿命。
工作前，所述特大型提升机各部件处于就绪状态，所述低频直驱变频器3.1~3.4和可编程控制器PLC4处于待机就绪状态，所述高精度编码器2.1已初始化，所述编码器2.2和2.3的状态完好；工作中，当所述PLC14.1的给定速度以一定的加速度从零到额定值，所述低频直驱变频器3.1~3.4输出三相交流电的频率以相应的加速度从零增至额定值，根据公知的交流电动机理论，即所述转子（卷筒）1的转速n=60f/p（式中，f为所述定子绕组1.1~1.4所受三相交流电的频率、p为所述定子绕组1.1~1.4的极对数），所述特大型提升机以相应的加速度完成了速度从零到额定值的加速过程（加速阶段）；当所述PLC14.1的给定速度维持在额定值，所述低频直驱变频器3.1~3.4输出三相交流电的频率也随之维持额定值，所述特大型提升机稳速运行并处于等速阶段；当所述PLC14.1的给定速度以一定的减速度从额定值减到爬行速度值，所述低频直驱变频器3.1~3.4输出三相交流电的频率以相应的减速度也从额定值减至爬行频率，所述特大型提升机以相应的减速度完成了速度从额定值到爬行速度的减速过程（减速阶段）；当所述PLC14.1的给定速度维持在爬行速度值，所述低频直驱变频器3.1~3.4输出三相交流电的频率相应为爬行频率（爬行速度通常为0.2~0.3m/s左右，折算成爬行频率可能只有0.1Hz左右，甚至更小），所述特大型提升机以相应的爬行速度运行在爬行阶段；当提升容器到达停车位置，PLC14.1的给定速度为零，所述低频直驱变频器3.1~3.4输出三相交流电的频率为零，所述特大型提升机停止运行（停车过程），同时PLC14.1和PLC24.2发出停车指令，指令所述特大型提升机配套的液压制动装置进行抱闸停车，完成了一次提升过程。在工作中，作为主机的所述低频直驱变频器3.1始终根据所述高精度编码器2.1的速度反馈情况进行速度闭环调节，以稳定输出频率值，确保所述特大型提升机运行平稳；所述PLC14.1和PLC24.2分别根据所述编码器2.2和2.3检测的提升容器位置（深度）情况，进行位置闭环控制，独立的两路实时发出减速等反映提升容器实际位置的信号，确保所述特大型提升机运行平稳且速度安全可控。
上述中，所述特大型提升机完成了一次提升过程的典型五段速度图：加速阶段-等速阶段-减速阶段-爬行阶段-停车阶段，悬挂在钢丝绳6末端的提升容器完成提升人员或物料，周而复始。
所述特大型提升机重要特征在于额定频率较低（通常小于17.0Hz及以下，大多小于10.0Hz），爬行频率更低（通常小于1.0Hz及以下，大多在0.1Hz左右，甚至更低），同时，提升容器偶尔有严重超载、部分低频直驱变频器包括定子绕组出现故障的可能，要求所述的特大型提升机电控系统具有较高的过载倍数，通常要求过载倍数不低于2.0倍，在超载或故障的情况下实施应急提升任务并确保安全；这些也是有别于传统变频技术（额定频率通常为50Hz，最低频率通常没有要求，也没有较大过载倍数要求），正是本发明要解决的主要难点之一。
所述的特大型提升机电控系统，特征还在于：具有双向能量传输功能。所述的特大型提升机在重物提升和正力减速的过程中处于电动状态，能量传输方向从所述低频直驱变频器3.1~3.4的电网侧指向所述定子绕组1.1~1.4，所述定子绕组1.1~1.4从所述低频直驱变频器3.1~3.4吸收电能并通过所述特大型提升机卷筒（转子）1将电能转化成机械能；所述的特大型提升机在重物下放和负力减速的过程中处于制动（逆变）状态，提升容器通过钢丝绳6拖动所述特大型提升机卷筒（转子）1转动，所述定子绕组1.1~1.4处于发电状态，能量从所述定子绕组1.1~1.4指向所述低频直驱变频器3.1~3.4的电网侧，通过所述低频直驱变频器3.1~3.4将能量回馈电网，达到速度可控及电气制动的目的，且节省电能。
最后说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种特大型提升机驱动装置及电控系统，其特征在于：驱动装置具有内置于特大型提升机卷筒内的N台低速交流电动机的转子和定子机构；N台低速交流电动机的所述转子和定子机构按照交流电动机逆向结构设置；N台低速交流电动机的转子机构均匀镶嵌在卷筒中段的内侧，定子机构均匀嵌套在特大型提升机主轴的中段；每台所述低速交流电动机的转子机构与定子机构对应设置；N套所述的定子机构成了主轴的一部分并通过主轴固定在基座上；所述定子机构包含定子铁芯和定子绕组，所述的定子绕组嵌套在所述定子铁芯中；N套所述的转子机构内置于所述的卷筒内侧构成数台交流电动机的共同转子，所述的卷筒与主轴间通过轴承或轴瓦进行固定且能相对转动，并确保定子和转子间的气隙及其偏差符合电机标准要求；所述特大型提升机装机容量由所述多个定子机构均分，每套定子机构的容量只相当于提升机装机容量的数分之一，所述转子机构的装机容量和定子机构相匹配；
与所述的驱动装置对应的电控系统包括有N套定子绕组、受机构传动的两套编码器组、低频直驱变频器和可编程控制器PLC；每套所述的定子绕组均按相同容量进行设计并按相同的结构和组别进行联接，所述特大型提升机较传统的交流电动机才能具有更多的极对数，相当于由数台特性一致的低转速交流电动机共同驱动；每套所述定子绕组的三相通过三相动力电缆与对应所述低频直驱变频器的三相输出端相连，为所述的特大型提升机提供电力；两套编码器组中编码器组I通过联接机构由所述的转子传动，所述的编码器组I中装有高精度编码器，所述高精度编码器的输出端通过屏蔽控制电缆与所述光电转换器的电输入口相连，所述光电转换器将高精度编码器的电脉冲信号同时转换成数路光信号并从光口输出；所述光电转换器光输出口通过光纤分别与N套所述低频直驱变频器中转子速度反馈接口相连，用于检测所述转子的转动速度和角度，作为所述低频直驱变频器的速度反馈信号及转子磁场定向矢量控制的重要参量；N套所述低频直驱变频器为主从控制方式，其中一套为主机，其他均为从机，所述主机具有完整的速度闭环和转子磁场定向矢量控制功能并为所述从机提供电流和频率给定信号和运行指令，所述从机仅有电流闭环功能并跟随所述主机输出相同幅值和频率的三相交流电，确保N套所述的定子绕组同时接受基本一致的交流电；所述的编码器组I中还装有增量编码器，所述增量编码器的输出端通过屏蔽控制电缆与所述的PLC1中高速计数模块的输入端相连，用于检测所述卷筒所转动的位置，通过一定的数学运算，所述的卷筒位置可折算成提升容器所处的一组位置和速度值；两套编码器组中编码器组II通过联接机构由所述的导向轮或天轮传动，至少装有一只增量式编码器，所述增量编码器的输出端通过屏蔽控制电缆与所述的PLC2中高速计数模块的输入端相连，用于检测钢丝绳即提升容器所处的另一组位置和速度值；N套所述的低频直驱变频器与所述的PLC以环网通讯方式相连，作为主机的所述频直驱变频器根据PLC的频率给定信号和运行指令，与作为从机所述低频直驱变频器同时输出频率可变的三相交流电为N套所述的定子绕组提供电流和频率基本一致的电力，根据交流电动机运转的一般原理，在N套所述的定子和转子之间产生基本一致电磁力矩，合力驱动所述转子即所述特大型提升机卷筒运转，达到驱动特大型提升机的目的。
2.如权利要求1所述的一种特大型提升机驱动装置及电控系统，其特征在于：所述的可编程控制器PLC至少配置有独立的两套，即PLC1和PLC2，所述的PLC1和PLC2之间为两根光纤冗余通讯联接；N套所述低频直驱变频器的其中一台由PLC定义为主机，其他被定义为从机，如果主机出现故障，主机将被重新定义，上述中，N套所述低频直驱变频器与所述光电转换器都通过光纤相连并得到转子速度和角度，正是为主机而备，因为，每套所述低频直驱变频器都有被定义为主机的可能。
3.如权利要求1所述的一种特大型提升机驱动装置及电控系统，其特征在于：所述的定子绕组均按相同容量进行设计并按相同的结构和组别进行联接，所述特大型提升机较传统的交流电动机才能具有更多的极对数，确保所述特大型提升机卷筒能够以低转速运行，所述定子绕组的极对数优选为8~16对极；每套所述定子绕组容量至少按特大型提升机装机容量N分之一并考虑两倍及以上的过载倍数进行设计；所述特大型提升机为了能够具有更多的极对数，通常将多支特性相同的定子绕组进行并接。
4.如权利要求1所述的一种特大型提升机驱动装置及电控系统，其特征在于：所述的低频直驱变频器具有两倍及以上的过载倍数和AFE主动前端控制技术，适合于额定频率在17.0Hz及以下、最低运行频率在0.1Hz及以下的运行条件，在提升机严重超载、少部分变频器或定子绕组出现故障的情况下，能够安全地完成应急提升任务。
5.如权利要求4所述的一种特大型提升机驱动装置及电控系统，其特征在于：所述的低频直驱变频器优选功率单元串联型高压变频器，功率元件为IGBT，或者，低频直驱变频器由相模块组成的三电平中压变频器，功率元件为IGCT。
6.如权利要求4所述的一种特大型提升机驱动装置及电控系统，其特征在于：所述的编码器组I通过联接机构由所述的转子传动，所述的编码器联接机构优选为齿轮或摩擦轮传动并按一定的倍数进行增速，所述的编码器与联接机构之间优选弹性联轴节或柔性机构进行联接。
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