專利名稱：直流電動機補償式能耗制動系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種直流電動機能耗制動系統，特別是一種直流電動機補償式能耗制動系統。
背景技術：
近年來，直流電動機的能耗制動受到廣泛關注。一般意義上的能耗制動，特別是應用于位能型負載場合下的直流電動機能耗制動，是在提升負載過程中，直流電動機斷電后，其電樞仍以一定速度做慣性運轉，電機電樞接入電阻使其與電機電樞形成回路，同時維持勵磁不變，使直流電動機進入發電狀態，即能耗制動狀態。此時電機電樞產生與其轉速方向相反的轉矩，使負載上升速度下降至零。其后負載受重力作用以自由落體方式下降并拖動電機電樞反轉，電機仍處于發電狀態，電機電樞產生制動轉矩，以阻止負載下降，當該制動轉矩與其電機電樞所受負載重力轉矩平衡時，電樞以一定速度勻速轉動，負載以一定速度勻速下降。
這種能耗制動系統可使電動機斷電后負載的上升過程停下來，但卻不能阻止此后負載在重力作用下的下降。實踐中需利用基于機械摩擦或電磁原理的輔助剎車來控制，使負載以某一速度向下運動或停止運動，這就大大增加了系統成本。
針對以上一般性直流電機能耗制動的缺點，近年來對位能性負載的下降速度控制方面做了不少工作，與本專利最相關的專利是1992年2月23日申請的對卷揚機速度進行控制的美國專利第5875281號，其主接線圖如圖1所示。該美國專利通過控制系統的控制，經斷路器、極限開關、接觸器觸點的適當開合，構成卷揚機攜帶重物上升、低速下降、高速下降和自給電源制動四個工況，其上升和下降工作狀態的轉換通過開合相應斷路器、極限開關、接觸器改變電源電流流入電動機的方向，從而改變電機運轉方向來實現，其下降速度通過絕緣柵雙極型晶體管IGBT1和IGBT2調節電機磁場電流和電機電樞電壓控制。該已有技術與本發明的指導思想和實施方式均不同。
發明內容
本發明的目的在于提供一種直流電動機補償式能耗制動系統，使直流電動機既作為傳統的拖動設備，又以補償式能耗制動方式作為新型的動態制動和剎車裝備，即電動機電樞在能耗制動狀態下，以勻速旋轉(動態制動)或零速旋轉(剎車)，而所帶位能性負載則以勻速或零速旋轉。
本發明所依據的原理如下，其原理電路圖是如圖2所示。
E＝KeΦnMB=KmΦI=KmΦU+ERa+R]]>=KmφURa+R+KmKeφ2nRa+R---(1)]]>其中E下放時電樞的電勢MB下放時電樞轉矩n下放時電樞轉速I電機電樞電流Ra電樞電阻R電樞回路外接電阻U向電機電樞施加的直流電壓，下放時與E同方向Φ磁極磁通Km轉矩系數Ke電勢系數在能耗制動狀態下，當制動轉矩與負載轉矩Mg平衡時MB=Mg=KmφURa+R+KmKeφ2ngRa+R]]>ng=(Ra+R)Mg-KmφUKmKeφ2---(2)]]>ng為MB與Mg平衡(U，Φ一定)時電樞的轉速基于上述原理，本發明提供一種直流電動機補償式能耗制動系統，包括三相交流電源、可控硅三相全控橋、二極管、電阻、開關及直流電動機，其中二極管與可控硅三相全控橋的輸出反向并聯，直流電動機的電樞與開關和電阻形成的并聯電路串聯后，再與所述可控硅三相全控橋并聯，所述三相交流電源經可控硅三相全控橋向直流電動機電樞供電，該直流電動機作電動機工況提升重物工作時開關閉合，該直流電動機制動工況時開關斷開，其特征在于所述補償式能耗制動系統還包括輸出端接入所述可控硅三相全控橋觸發控制端的控制單元，當直流電動機能耗制動狀態運行時，三相交流電源在控制單元的控制下經可控硅三相全控橋向直流電動機電樞提供大小可控，方向與電樞電勢相同的電壓。
所述控制單元包括給定裝置、第一電流調節器及觸發器，其中觸發器的輸出端接入所述可控硅三相全控橋的觸發控制端，所述直流電動機的電樞電流通過負反饋與給定裝置的輸出綜合后一起接入第一電流調節器的輸入端，第一電流調節器的輸出端接入觸發器的輸入端。
所述第一電流調節器與所述觸發器之間串接第二電流調節器，三相交流電源的電流信號經整流橋負反饋，并與第一電流調節器的輸出信號綜合后接入第二電流調節器的輸入端，第二電流調節器的輸出端通過觸發器接入可控硅三相全控橋的觸發控制端。
所述第一電流調節器的調節速度低于第二電流調節器的調節速度。
所述第一電流調節器和第二電流調節器為帶限幅的PI調節器。
作為另一種實施方式，所述控制單元包括給定裝置、速度調節器、電流調節器及觸發器，所述直流電動機的電樞轉速經測速裝置與給定裝置的輸出端綜合后接入該速度調節器的輸入端，所述三相交流電源的電流信號經整流器負反饋，并與速度調節器的輸出信號綜合后接入電流調節器的輸入端，該電流調節器的輸出端通過觸發器接入可控硅三相全控橋的觸發控制端。
所述速度調節器和電流調節器為帶限幅的PI調節器。
所述給定裝置為電位器。
所述直流電動機是他勵直流電動機，外接三相交流電源經外接可控硅三相全控橋向他勵直流電動機提供可控勵磁電流。
作為另一種實施方式，所述直流電動機是串勵直流電動機，第一開關和第二開關分別串接于可控硅三相全控橋與串勵直流電動機的勵磁線圈及電樞之間，當串勵直流電動機作電動機工況提升重物工作時，第一開關閉合，第二開關斷開，外接三相交流電源不供電，制動工況時，第一開關斷開，第二開關閉合，外接三相交流電源經外接可控硅三相全控橋向串勵直流電動機的勵磁線圈提供可控電流。
根據(1)式控制U和Φ的大小，就可以控制電樞r電流I(轉矩)。根據(2)式控制U和Φ的大小，也可以控制重物下降的轉速。
本發明對現有直流電動機能耗制動系統進行改進，使直流電動機制動時，無需借助輔助剎車就可使直流電動機所帶位能型負載停止運動，這就大大降低了系統成本。同時本發明還可控制位能型負載的下降速度，使其按所需速度勻速運動，以滿足不同工程需求。
以下結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明。
圖1為已有技術的主接線原理圖。
圖2為本發明所依據的原理電路圖。
圖3為本發明第一主接線原理電路框圖。
圖4為本發明第二主接線原理電路框圖。
圖5為本發明第一實施例的電路框圖。
圖6為本發明第二實施例的電路框圖。
圖7為本發明第三實施例的電路框圖。
圖8為本發明實用主接線圖。
具體實施例方式
本發明第一主接線原理電路框圖如圖3所示，是他勵直流電動機的補償式能耗制動系統主接線電路圖。該補償式能耗制動系統包括三相交流電源V、可控硅三相全控橋10、二極管D、電阻R、開關K及他勵直流電動機11。二極管D與可控硅三相全控橋10并聯，以保護可控硅三相全控橋10并為該補償式能耗制動系統提供續流。電阻R與開關K的并聯電路與他勵直流電動機11的電樞串聯后并聯于可控硅三相全控橋10的輸出端。三相交流電源V經可控硅三相全控橋10向他勵直流電動機11的電樞供電。外接三相交流電源V1經外接可控硅三相全控橋13向他勵直流電動機11提供可控勵磁電流以產生可控磁場。
當該他勵直流電動機11作電動機運轉時，開關K閉合，三相交流電源V經可控硅三相全控橋10向他勵直流電動機11電樞供電。制動時，開關K斷開，由于負載受重力作用下放，他勵直流電動機11的電樞反轉，在磁場的作用下反轉的電樞內產生電樞電勢，他勵直流電動機11作發電機運行。此時電源V通過可控硅三相全控橋10向該他勵直流電動機11電樞輸出與其電樞電勢方向相同的輸出電壓，二者串聯相加，所產生電流流經電阻R，并在他勵直流電動機11電樞上產生與電樞因負載受重力下放而產生的負載重力轉矩相反方向的補償式制動轉矩。因而調節可控硅三相全控橋10的輸出電壓就可調節流經電樞的電流，從而調節他勵直流電動機11電樞的補償式制動轉矩，使其與負載重力轉矩達到平衡，進而使負載以所需速度勻速下降(見(1)式和(2)式)或停止，或提供所需制動轉矩下放，以實現補償式能耗制動。
此外，制動時，通過控制外接可控硅三相全控橋13的觸發狀態，就可以控制流過電機磁場的直流電流。減小磁場電流使他勵直流電動機11中形成的主磁通減弱，該他勵直流電動機11中產生的電樞電勢也降低，使得負載最終下降時可達的最大速度增加，從而使負載勻速下降速度的可范圍增大。
本發明第二主接線原理電路框圖如圖4所示，是串勵直流電動機的補償式能耗制動系統主接線電路圖。該電路圖與第一電路圖不同之處在于，其利用串勵直流電動機12替代第一電路圖中的他勵直流電動機11。第一開關K1和第二開關K2分別串接于可控硅三相全控橋10與串勵直流電動機12的勵磁線圈及電樞之間。當該串勵直流電動機12作電動機運轉時，開關K及第一開關K1閉合，第二開關K2斷開，外接三相交流電源V1斷電；制動時，開關K及第一開關K1斷開，第二開關K2閉合，外接三相交流電源V1經外接可控硅三相全控橋13可控整流后向串勵直流電動機12的勵磁線圈提供可控直流電流以產生可控磁場。
本發明第一實施例為具有單閉環控制的直流電動機補償式能耗制動系統，如圖5所示。該補償式能耗制動系統包括主電路1和控制單元2。其中該主電路1可為第一或第二主接線原理電路兩者之一，本實施例中該主電路1為第一主接線原理電路。所述控制單元2包括依次串聯的電位器20、第一電流調節器(ACR1)21及觸發器22，其中觸發器22的輸出端接入主電路1的可控硅三相全控橋10的觸發控制端，以控制其觸發時刻。他勵直流電動機11的電樞電流經負反饋線與給定裝置20的輸出端綜合后接入第一電流調節器21的輸入端。本實施例中第一電流調節器21為帶限幅的PI調節器，給定裝置20為電位器。據電流負反饋原理，調節給定裝置20的給定值以改變觸發器22的觸發狀態，可調節可控硅三相全控橋10提供的直流電壓，控制他勵直流電動機11電樞內流過的電流值，使其保持在所需值上，即產生所需制動的轉矩。從而可精確調節制動狀態下負載勻速下降速度至所需值或使其靜止，實現補償式能耗制動。通過控制外接可控硅三相全控橋13的觸發狀態，對磁場電流進行調節，可進一步擴大負載勻速下降速度的可調范圍。
本發明第二實施例為具有雙閉環控制的直流電動機補償式能耗制動系統，如圖6所示。該實施例與第一實施例的不同在于，其控制單元2為雙閉環控制，在第一電流調節器21(ACR1)與觸發器22之間串接第二電流調節器23(ACR2)，三相交流電源V的電流信號經整流橋24負反饋，與第一電流調節器21的輸出端綜合后一起接入第二電流調節器23的輸入端。其中第一電流調節器21的調節速度應低于第二電流調節器23的調節速度。本實施例中，第一電流調節器21和第二電流調節器23均為帶限幅的PI調節器。該控制單元2利用雙閉環控制可使其對主電路1的電流控制更為準確快速。同樣通過調節磁場電流，可以擴大負載勻速下降速度的可調范圍。
以上圖5、圖6實施例均為電流(轉矩)控制方式，而下述圖7為速度控制方式。
本發明第三實施例亦為具有雙閉環控制的直流電動機補償式能耗制動系統，如圖7所示。該實施例與以上實施例的不同在于其所包括的控制單元2利用他勵直流電動機11的電樞的速度反饋來調節主電路1的電流，即用速度調節器25(ASR)替換第一電流調節器21(ACR1)。他勵直流電動機11的電樞轉速經一測速發電機26(TG)將負反饋信號送至速度給定電位器20的輸出端，并經綜合后接入轉速調節器25的輸入端，速度調節器25亦為帶限幅的PI調節器。
此外，第一、二、三實施例中的給定裝置20可用于控制電機磁場又可控制補償式能耗制動的補給量。
圖8為本發明應用第二主接線原理電路的串勵直流電動機的補償式能耗制動系統的實用主接線圖。其中可控硅三相全控橋SCR1和SCR2可通過接觸器1K1、1K6與1K2、1K7，2K1、2K6與2K2、2K7的切換向直流電動機M和N供電。1F-1、1F-2與1V-1、1V-2，2F-1、2F-2與2V-1、2V-2為控制直流電動機M、N電樞的正反轉的接觸器。1F-1、1S，2F-1、2S為控制直流電動機M、N串聯后由可控硅三相全控橋SCR1或SCR2供電的接觸器。R1、IF-2，R2、2F-2為直流電動機M、N作能耗制動時將電阻R接入并從可控硅三相全控橋SCR1和SCR2引入補償電流的接觸器。圖8中的可控整流橋D提供能耗制動時直流電動機M、N磁場所需的直流電流。該系統的控制單元可采用第四或第五實施例中的控制單元。
本發明直流電動機補償式能耗制動系統中直流電動機的電動機工況和制動工況由控制單元的控制并通過接觸器的切換來實現。當該直流電動機補償式能耗制動時，三相交流電源經可控硅三相全控橋向該直流電動機提供大小可控、與其電樞電勢同方向的電壓。通過控制電樞及勵磁的可控硅三相全控橋的觸發狀態，就可以控制流過電機電樞的直流電流，因而不論電樞的轉速為何值，均可控制電機產生的制動轉矩，并通過電流(轉矩)或速度控制方式而達到在能耗制動方式下下放重物時調節電流(轉矩)和調節下放速度的目的。
權利要求
1.一種直流電動機補償式能耗制動系統，包括三相交流電源V、可控硅三相全控橋(10)、二極管D、電阻R、開關K及直流電動機(11，12)，其中二極管D與可控硅三相全控橋(10)的輸出反向并聯，直流電動機(11，12)的電樞與開關K和電阻R形成的并聯電路串聯后，再與所述可控硅三相全控橋(10)并聯，所述三相交流電源V經可控硅三相全控橋(10)向直流電動機(11，12)電樞供電，該直流電動機(11、12)作電動機工況提升重物工作時開關K閉合，該直流電動機(11、12)制動工況時開關K斷開，其特征在于所述補償式能耗制動系統還包括輸出端接入所述可控硅三相全控橋(10)觸發控制端的控制單元(2)，當直流電動機(11，12)能耗制動狀態運行時，三相交流電源V在控制單元(2)的控制下經可控硅三相全控橋(10)向直流電動機(11，12)電樞提供大小可控，方向與電樞電勢相同的電壓。
2.根據權利要求1所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述控制單元(2)包括給定裝置(20)、第一電流調節器(21)及觸發器(22)，其中觸發器(22)的輸出端接入所述可控硅三相全控橋(10)的觸發控制端，所述直流電動機(11，12)的電樞電流通過負反饋與給定裝置(20)的輸出綜合后一起接入第一電流調節器(22)的輸入端，第一電流調節器(22)的輸出端接入觸發器(22)的輸入端。
3.根據權利要求2所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述第一電流調節器(21)與所述觸發器(22)之間串接一個第二電流調節器(23)，三相交流電源V的電流信號經整流橋(24)負反饋，并與第一電流調節器(21)的輸出信號綜合后接入第二電流調節器(23)的輸入端，第二電流調節器(23)的輸出端通過觸發器(22)接入可控硅三相全控橋(10)的觸發控制端。
4.根據權利要求3所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述第一電流調節器(21)的調節速度低于第二電流調節器(23)的調節速度。
5.根據權利要求3所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述第一電流調節器(21)和第二電流調節器(22)為帶限幅的PI調節器。
6.根據權利要求1所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述控制單元(2)包括給定裝置(20)、速度調節器(25)、電流調節器(23)及觸發器(22)，所述直流電動機(11，12)的電樞轉速經測速裝置(26)與給定裝置(20)的輸出端綜合后接入該速度調節器(25)的輸入端，所述三相交流電源V的電流信號經整流器(24)負反饋，并與速度調節器(25)的輸出信號綜合后接入電流調節器(23)的輸入端，該電流調節器(23)的輸出端通過觸發器(22)接入可控硅三相全控橋(10)的觸發控制端。
7.根據權利要求6所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述速度調節器(25)和電流調節器(23)為帶限幅的PI調節器。
8.根據權利要求2或3或6所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述給定裝置(20)為電位器。
9.根據權利要求1所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述直流電動機(11)是他勵直流電動機，外接三相交流電源V1經外接可控硅三相全控橋(13)向他勵直流電動機(11)提供可控勵磁電流。
10.根據權利要求1所述的直流電動機補償式能耗制動系統，其特征在于所述直流電動機(12)是串勵直流電動機，第一開關K1和第二開關K2分別串接于可控硅三相全控橋(10)與串勵直流電動機(12)的勵磁線圈及電樞之間，當串勵直流電動機(12)作電動機工況提升重物工作時，第一開關K1閉合，第二開關K2斷開，外接三相交流電源V1不供電，制動工況時，第一開關K1斷開，第二開關K2閉合，外接三相交流電源V1經外接可控硅三相全控橋(13)向串勵直流電動機(12)的勵磁線圈提供可控電流。
全文摘要
本發明涉及一種直流電動機補償式能耗制動系統，包括三相交流電源、可控硅三相全控橋、二極管、電阻、開關、直流電動機及控制單元。控制單元的輸出端接入可控硅三相全控橋的觸發控制端，三相交流電源經可控硅三相全控橋向直流電動機電樞供電。當直流電動機能耗制動狀態運行時，三相交流電源在控制單元的控制下經可控硅三相全控橋向直流電動機電樞提供大小可控，方向與電樞電勢相同的電壓。本發明解決了現有技術中直流電動機能耗制動過程中制動轉矩和負載運動速度無法控制的問題，能夠控制制動過程中負載下放速度，以適用不同工程需求，同時還可以節省設備、降低成本。
文檔編號H02P3/06GK1549440SQ0311690
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月14日 優先權日2003年5月14日
發明者劉育生, 高波 申請人:上海三高石油設備有限公司