CN201113907Y - 起重机械变频调速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种起重机械变频调速装置，包括PLC控制器、向电动机供电的逆变单元、同交流电网连接并向逆变单元提供直流电的整流单元；所述的PLC控制器根据负载的需求，向逆变单元发出控制信号，对电动机进行调速、正反转等控制；所述的整流单元还包括逆变电路，所述的逆变电路将从整流单元直流输出端反向输入的直流电能转换成与交流电网相匹配的交流电能回馈到电网。当大惯量平动负载如大车、小车在减速制动时，其动能被逆变器转换成直流电能；位能负载如主钩、副钩在下放重物时释放的位能，也被逆变器转换成直流电能传输到直流母线上。这些能量由逆变电路回馈到电网供其他负载再利用，从而减少了能量浪费，提高起重机械的运行效率。

Description

起重机械变频调速装置

[技术领域]

本实用新型涉及交流电动机的变频调速装置，尤其涉及起重机械交流电动机的变频调速装置。本实用新型起重机械变频调速装置主要用于吊车、塔吊、龙门吊等起重设备的调速控制，还可应用于民用电梯的集群供电和节能控制。

[背景技术]

传统的起重设备如梁式起重机、桥式起重机、门式起重机、门座起重机、塔式起重机、集装箱装卸桥等，其驱动电机(包括主钩、副钩、大车、小车、变幅机构)多采用绕线型异步电动机，而调速方式一般为通过转子回路串电阻来实现。这种简单调速方式，已经不能满足工矿企业越来越高的应用要求。原因在于在它有很多缺点：

1.绕线型电机转子串电阻的调速方式，机械特性软，调速性能差。

2.串电阻调速是一种有级调速方式，通过接触器的分合完成对转子串联电阻的切换，从而调整电机的转速。切换时电机电流和输出转矩波动较大，会对电网及起重机的机械和电气设备部分带来不可避免的冲击，也不利于吊件的平滑搬运。

3.主回路采用正反转接触器实现电机转向切换，实际操作中操作者为了对吊件准确定位，频繁采用反接制动，切换电流大，接触器和电机工作状态恶劣，设备检修维护费用非常高。

4.电机启动、调速时转子所串电阻为纯耗能元件，浪费大量电能。

随着半导体开关器件的飞速发展，电动机变频调速逐步取代了电机转子串电阻的调速方式。变频调速调速时平滑性好，效率高，调速范围较大，精度高，起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显，在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势。并且它的调速性能与可靠性在不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，交流变频调速的方法已经成为异步电机最有发展前途的调速方法。但是，现有的起重机械交流电动机的变频调速装置还是存在以下缺点：

1.一般变频调速采用一个变频器拖动一台电机，低压通用变频器大都采用电压源型变频器。电压源型变频器同整流器的连接方式如图1所示，由于电容C的存在使得电压不能突变，难以实现系统的四象限运行，在制动时一般采用能耗制动，对于起重机这一特殊负载能量浪费依然很大。

2.电压源型变频器也难以使起重机负载下落时的位能转化为电能，造成能量浪费。

3.一般变频调速还会造成很大的谐波污染，往往需要对谐波进行单独治理。由于变频调速系统会产生很大谐波，对周边设备产生很大影响，很多用户为此还要单独增加一套滤波装置。传统无源滤波器性能较差，而有源滤波器因价格高昂，用户难以承受。

[发明内容]

本实用新型要解决的技术问题是提供一种在设备减速制动时能够将无用机械能转换的电能予以再利用，从而减少能量浪费，提高起重机械运行效率的起重机械变频调速装置。

本实用新型进一步要解决的技术问题是提供一种使用无源滤波器进行滤波，能够克服谐波污染，价格低廉的起重机械变频调速装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种起重机械变频调速装置，包括PLC控制器、向电动机供电的逆变单元、同交流电网连接并向逆变单元提供直流电的整流单元；所述的PLC控制器根据负载的需求，向逆变单元发出控制信号，对电动机进行调速、正反转等控制；所述的整流单元还包括逆变电路，所述的逆变电路将从整流单元直流输出端反向输入的直流电能转换成与交流电网相匹配的交流电能回馈到电网。

以上所述的起重机械变频调速装置，最好还包括谐波检测装置和滤波模块，所述的谐波检测装置连接到交流电网母线，在线检测谐波分量，并把数据传给PLC控制器；所述的滤波模块接交流电网母线，在PLC控制器的控制下，对系统进行滤波。

以上所述的起重机械变频调速装置，所述的逆变电路是由开关器件构成的桥式逆变电路。所述的开关器件同整流单元中的整流器件反并联构成逆变整流桥。所述的开关器件是绝缘栅极双极型晶体管。

以上所述的起重机械变频调速装置，所有向电动机供电的逆变单元都挂接在整流单元的直流输出端。

以上所述的起重机械变频调速装置，最好还包括触摸屏，所述的触摸屏同PLC控制器连接，用于显示系统运行参数和向PLC发出操作指令。

本实用新型起重机械变频调速装置的整流单元包括逆变电路，该逆变电路可以将从整流单元直流输出端反向输入的直流电能转换成与交流电网相匹配的交流电能回馈到电网。本实用新型当大惯量平动负载如大车、小车在减速制动时，其动能被逆变器转换成直流电能，位能负载如主钩、副钩在下放重物时释放的位能，也被逆变器转换成直流电能传输到直流母线上。这些能量由逆变电路回馈到电网供其他负载再利用，可以实现系统的四象限运行，从而减少了能量浪费，提高起重机械的运行效率

本实用新型如采用整流单元集中供电，驱动各电气传动装置的逆变单元均挂接在公共直流母线上，分散在各逆变单元内的滤波电容器通过直流母线并联，再与整流单元内的电容并联，构成一个大容量电容器组。前面提到的无用机械能被逆变器转换成直流电能传输到直流母线上，部分存储在超大容量电容器组中，部分被母线上的其他负载设备再利用，进一步减少了能量浪费。

本实用新型如还包括谐波检测装置和滤波模块，将谐波检测装置连接到交流电网母线，在线检测谐波分量，并把数据传给PLC控制器；滤波模块挂接于交流电网母线之上，在PLC控制器的控制下，对系统进行滤波。谐波检测装置实时检测负载电流信号，将数据传送给PLC控制器，滤波模块配有数组串、并连电容器和电抗器组成的滤波回路，PLC控制器根据谐波检测装置实时检测结果控制滤波模块进行过零投切电容器和电抗器组达到滤波目的。由于有PLC控制器的实时的控制，在滤波能力上远超出现有无源滤波器性能，可以克服谐波污染，而且滤波设备价格低廉。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是现有技术间接变频装置原理框图。

图2是本实用新型起重机械变频调速装置实施例整流单元的电路原理图。

图3是本实用新型起重机械变频调速装置实施例的系统简图。

[具体实施方式]

本实用新型起重机械变频调速装置实施例如图3所示，主要由谐波检测装置、PLC控制器、触摸屏、整流单元、多个逆变单元及无源滤波器(滤波模块)组成。

滤波模块主要由晶闸管及数组串、并连电容器和电抗器等组成，对系统进行滤波。谐波检测装置用于在线检测谐波分量，并把数据及时传给PLC控制器。PLC控制器主要对整个系统进行控制和协调，它根据负载需求，向逆变单元发出控制信号，从而达到对起重设备进行调速、正反转等控制。此外它对谐波检测装置发送来的数据进行实时加工和处理，并根据需要控制滤波模块中各滤波回路的投切。  触摸屏用于显示系统运行参数和向PLC发出操作指令。整流单元一是向逆变单元提供直流电源，此时它工作与整流状态；二是使多余的能量返还给电网，此时它处于逆变状态。逆变单元对起重设备的电机进行调速、正反转等控制

如图2所示，本实用新型起重机械变频调速装置实施例的整流单元是电网回馈型整流单元。电网回馈型整流单元的主要器件是IGBT逆变整流桥和LCL滤波器。IGBT逆变整流桥的6个二极管V1至V6构成了一个桥式整流电路，把交流电源转换成直流电源；IGBT逆变整流桥的6个绝缘栅极双极型晶体管IGBT1至IGBT6则构成了一个桥式逆变电路，把直流电源转换成与交流电网相匹配的交流电源，回馈到电网。二极管V1至V6分别同绝缘栅极双极型晶体管IGBT1至IGBT6反并联。LCL滤波器由电抗器L1、L2和电容器C1组成。

本实用新型起重机械变频调速装置实施例采用整流单元集中供电，该供电母线称为公共直流母线。驱动各电气传动装置的逆变单元如主钩逆变器、副钩逆变器、大车逆变器、小车逆变器等均挂接在该直流母线上，分散在各逆变单元内的滤波电容器通过直流母线并联，再与整流单元内的电容器C2(参见图2)并联，构成一个大容量的电容器组。当大惯量负载如大车、小车在减速制动时，其机械能被转换成电能，存储在上述电容器组中，可以被母线上的负载设备再利用；位能负载如主钩、副钩在下放重物时释放的位能，也被转换成电能，部分存储在上述大容量电容器组中，也可以被母线上的负载设备再利用；如果直流母线上有多台设备同时工作(例如成组电梯)，有的设备在制动或下放重物，有的设备在电动或提升重物，制动能量或释放的位能正好被电动负载所利用，减少了能量浪费。这些能量存储和再利用的特点是普通变频调速装置不具备的，使得本实用新型起重机械变频调速装置具有比普通起重机变频系统更高的节能效果。

当回馈到直流母线上的能量超过电容器组的存储能力时，富余的能量通过IGBT逆变桥回馈到电网。显然，电容器组的容量越大，富余的能量也就越少，需要回馈到电网侧的能量也就越少，系统的电能利用效率也就越高。

理论计算和经验统计表明，起重设备采用不同的变频调速技术，其节能效果也有很大不同。同绕线型电机转子串电阻的调速方式相比，一般变频调速系统的节电率在30％左右；而本实用新型的节电率可达40～60％。

一般变频调速系统会产生很大谐波，对周边设备产生很大影响，很多用户为此还要单独增加一套滤波装置，而一般有源滤波器价格高昂，用户难以承受。而传统无源滤波器由于无智能元件进行协调控制性能较差。本实用新型起重机械变频调速装置实施例配有谐波检测模块，能实时检测负载电流信号(包括基波电流、无功电流、谐波电流)，把这些数据传送给PLC控制器，并显示到触摸屏上。在滤波模块中配有数组串、并连电容器和电抗器滤波回路，PLC控制器根据测量结果通过控制晶闸管进行过零投切电容器和电抗器组达到滤波目的。由于有智能检测元件和PLC的控制，使得本实施例在滤波能力上远超出现有无源滤波器性能。

首先谐波检测装置检测到负载电流信号(包括基波电流、无功电流、谐波电流)，根据谐波量逐级投入，每次投入时都会判断投入的电容器无功容量是否≤检测的无功功率，防止投切振荡。这可以称作前馈(预测)控制。

滤波装置根据初始负载量投入运行后，随着负载的变动，系统进入闭环控制。根据无功/谐波的变化自动投切各回路，以保证系统不过补、谐波含量最小。

PLC控制器中还设置有各回路过流、谐波放大、谐振等应急程序，所有这些都是传统无源滤波器所不具备的。

由于把谐波、无功和节能统筹考虑，使得本实用新型的性价比远远超出现有起重机变频调速装置，具有很好的推广前景。

Claims (7)

1. 一种起重机械变频调速装置，包括PLC控制器、向电动机供电的逆变单元、同交流电网连接并向逆变单元提供直流电的整流单元；所述的PLC控制器根据负载的需求，向逆变单元发出控制信号，对电动机进行调速、正反转等控制；其特征在于，所述的整流单元还包括逆变电路，所述的逆变电路将从整流单元直流输出端反向输入的直流电能转换成与交流电网相匹配的交流电能回馈到电网。

2. 根据权利要求1所述的起重机械变频调速装置，其特征在于，还包括谐波检测装置和滤波模块，所述的谐波检测装置连接到交流电网母线，在线检测谐波分量，并把数据传给PLC控制器；所述的滤波模块接交流电网母线，在PLC控制器的控制下，对系统进行滤波。

3. 根据权利要求1或2所述的起重机械变频调速装置，其特征在于，所述的逆变电路是由开关器件构成的桥式逆变电路。

4. 根据权利要求3所述的起重机械变频调速装置，其特征在于，所述的开关器件同整流单元中的整流器件反并联构成逆变整流桥。

5. 根据权利要求3所述的起重机械变频调速装置，其特征在于，所述的开关器件是绝缘栅极双极型晶体管。

6. 根据权利要求1或2所述的起重机械变频调速装置，其特征在于，所有向电动机供电的逆变单元都挂接在整流单元的直流输出端。

7. 根据权利要求1或2所述的起重机械变频调速装置，其特征在于，还包括触摸屏，所述的触摸屏同PLC控制器连接，用于显示系统运行参数和向PLC发出操作指令。

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