起重機械矩陣式能量回饋傳動系統的制作方法
【專利摘要】起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，包括起重機械機構，所述起重機械機構包括聯動操作臺、可編程序控制器、變頻器、變頻電機、超速開關、編碼器、制動器、減速器、起升卷筒、浮動軸，所述聯動操作臺通過可編程序控制器與由其控制的變頻器連接，所述變頻器與由其驅動的變頻電機連接，所述變頻電機上連接有減速器，所述減速器的主動軸上裝制動器，所述減速器上連接有起升卷筒，所述變頻電機的高速軸上裝編碼器及超速開關，所述變頻器是一具有矩陣式能量回饋技術的變頻器，所述變頻器與電網連接，其內置的編碼器接口卡與變頻電機上的編碼器連接構成一個閉環控制系統，當變頻電機在下降或制動過程中經變頻器將能量回饋至電網。
【專利說明】
起重機械矩陣式能量回饋傳動系統
技術領域
[0001]本實用新型屬于起重機械傳動技術領域，涉及一種起重機械矩陣式能量回饋傳動系統。
【背景技術】
[0002]節能減排已經成為當今世界工業生產生活中的共識，我國的能源利用現狀不容樂觀，單位GDP的能耗是美國的6倍，是日本的7倍，甚至是印度的2.8倍;環境保護和二氧化碳排放面臨巨大的壓力;我國在用的起重機械有四百多萬臺套，基本沒有采用節能系統或裝置，其能源利用率不足30%。對比國外的技術現狀，歐盟、特別是德國在通用起重機上都有節能系統，其能耗不到我國同類產品的50%;對于目前占主導地位的交-直-交型PffM變頻傳動系統，由于含有大電容或大電感作為儲能元件，體積大，重量重，造成了變頻裝置安裝和使用的不便、不易于維護，尤其是大電解電容的電解液的揮發，嚴重影響了變頻器的使用壽命;其次，大部分交-直-交型變頻器的整流側采用二極管全橋整流，使得輸入側功率因數較低，對電網諧波污染嚴重。
【發明內容】
[0003]本實用新型提供了一種結構簡單、可靠性高、運行穩定、安全，又可實現無電氣污染的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，能實現起重機下降和制動時將消耗在制動電阻上的再生能源全部返回電源，并且無高次諧波產生的傳動系統。
[0004]本實用新型采用的技術方案是:
[0005]起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，包括起重機械機構，所述起重機械機構包括聯動操作臺、可編程序控制器、變頻器、變頻電機、超速開關、編碼器、制動器、減速器、起升卷筒、浮動軸，所述聯動操作臺通過可編程序控制器與由其控制的變頻器連接，所述變頻器與由其驅動的變頻電機連接，所述變頻電機上連接有減速器，所述減速器的主動軸上裝制動器，所述減速器上連接有起升卷筒，所述變頻電機的高速軸上裝編碼器及超速開關，其特征在于:所述變頻器是一具有矩陣式能量回饋技術的變頻器，所述變頻器與電網連接，其內置的編碼器接口卡與變頻電機上的編碼器連接構成一個閉環控制系統，當變頻電機在下降或制動過程中經變頻器將能量回饋至電網。本實用新型通過將變頻器與變頻電機上的編碼器連接形成閉環控制系統，并且采用矩陣式能量回饋技術，變頻器將變頻電機在下降或制動過程中消耗在制動電阻上的再生能源全部回饋至電網，節省能源并保護環境。
[0006]進一步，所述變頻電機能在5?50Hz時段輸出恒轉矩，該轉矩為52.3N.m。
[0007]進一步，所述變頻器與編碼器連接構成的閉環控制系統是一非整流無諧波能量回饋控制系統，不會污染電網諧波。
[0008]進一步，所述電網的三相交流電源通過斷路器與變頻器連接。
[0009]進一步，所述變頻電機采用閉式傳動方式，通過第一齒輪聯軸器連接減速器，所述減速器通過第二齒輪聯軸器連接起升卷筒。[00?0] 進一步，所述起升卷筒的直徑為420mm。
[0011 ]進一步，所述可編程控制器包括CPU模塊、I/O數字量模塊。
[0012]進一步，所述起重機械機構具有兩套，兩機構的減速器軸之間通過齒式聯軸器浮動軸剛性連接，從而確保兩套起重機械機構運行同步，實現閘門兩吊點的同步啟閉。
[0013]進一步，兩機構的所述減速器上的制動器均與控制其的同一交流接觸器連接，以確保制動開閉的同步性能。
[0014]進一步，兩機構的所述變頻器是一主從控制方式，從而實現兩機構的出力平衡。
[0015]本實用新型的有益效果:結構簡單、可靠性高、運行穩定、安全，又可實現無電氣污染能量回饋。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型的機械裝配結構圖。
[0017]圖2是本實用新型的功能原理框圖。
[0018]圖3是本實用新型變頻器的內部結構圖。
[0019]圖4是本實用新型抱閘控制時序圖。
[0020]圖5是本實用新型起升電氣傳動圖。
[0021]圖6a、6b是本實用新型起升控制原理圖。
[0022]圖7是本實用新型PLC原理圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體實施例來對本實用新型進行進一步說明，但并不將本實用新型局限于這些【具體實施方式】。本領域技術人員應該認識到，本實用新型涵蓋了權利要求書范圍內所可能包括的所有備選方案、改進方案和等效方案。
[0024]參見圖1、2，起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，包括起重機械機構，所述起重機械機構包括:司機室內聯動操作臺1、司機室內型號為西門子S7-200可編程序控制器2、變頻器3、變頻電機4、超速開關5、編碼器6、制動器7、減速器8、起升卷筒9、浮動軸10，構成完整的矩陣式能量回饋傳動系統。司機室內聯動操作臺I通過可編程序控制器2控制變頻器3，具有矢量控制功能的安川變頻器3((HMR-UB4R0021)驅動變頻電機4(YZPF160Ml-8，4kW)，電動機采用聯軸器(NGCLZ3)連接(QJRS-D335-200)減速器8，在減速器的主動軸上裝有(YWZE-200/22)型制動器7，并采用聯軸器(NGCLZ3)連接直徑為Φ 420mm的起升卷筒裝置9，兩套左右相同的起重機械機構的減速器8軸通過齒式聯軸器和浮動軸10剛性連接。變頻電機4的高速軸上裝有編碼器6(HLE45-1024-3FA)，與變頻器3接口卡(PG-B3)連接構成閉環控制系統，同時裝有超速開關5(LY1-1/750DZ)。
[0025]本實施例速度指標:升降速度為0.25?2.5 m/min。起升均采用主令控制器控制，由聯動臺主令控制器的擋位來決定速度，正反各四擋，分別為10%、30%、60%、100%額定速度，系統采用主令擋位開關量輸入至PLC，經軟件處理后，再由PLC輸出開關量信號給變頻器。速度擋可在變頻器內任意設定，以滿足不同速度要求。
[0026]參見圖3，為矩陣式能量回饋變頻器的拓撲結構圖，它為三相-三相矩陣式變換器，該電路包括3X3共9個雙向開關，每個雙向開關都具有雙向導通和雙向關斷的能力，從而實現能量的雙向流動、正弦輸入輸出電流、可控的輸入功率因數、功率密度高、諧波污染小。它與整流型回饋裝置不同，因不需要中間整流環節，直接實現了AC-AC變換，從而大幅度降低了輸入電流高次諧波，在100%負載下，輸入電流THD〈5%，傳輸效率高;可獲得正弦波的輸入電流和輸出電壓，波形失真度小;輸入功率因數可在正負之間任意調節，可以不產生無功功率或對電網起到一定的無功補償作用，且與負載功率因數無關;能量可雙向傳遞，適合四象限運行的交流傳動系統;控制自由度大。
[0027]參見圖4具有矩陣式能量回饋控制技術的安川變頻器CMR-UB4R0021內部配置編碼器接口板PG-B3，并通過在變頻電機高速軸上設置高分辨率的編碼器HLE45-1024L-3FA，組成一個閉環控制系統。變頻電機能在5?50 Hz時段輸出穩定可靠的恒轉矩52.3N.m，在下降或制動過程中通過變頻器將能量回饋至電網。
[0028]本實施例變頻電機采用閉式傳動方式，直接與中硬齒面減速器QJRS-D335-200相連，中硬齒面減速器傳動效率高、運轉平穩、噪音低、承載能力高，能較好地滿足低損耗的要求。中硬齒面減速器QJRS-D335-200直接與卷筒相連，根據揚程12m和總減速比及鋼絲繩直徑14mm,經計算:卷筒直徑為420mm。
[0029]本實例為保證閘門兩吊點的同步啟閉；兩套左右相同的起重機械機構的減速器QJRS-D335-200通過浮動軸10剛性連接，從而確保兩套相同起重機械機構運行同步。同時在兩套減速器的主動軸上裝有YWZE-200/22型制動器作為工作制動器，并通過同一交流接觸器LC1-D09M7C控制，以確保制動開閉的同步性能。
[0030]由于異步電機滑差的特性決定了在兩臺電機同時驅動一個剛性負載時，會發生負載分配不均的現象，嚴重的情況下甚至可能在輕負載狀態下發生一臺電機拖著另一臺電機工作，一臺電機處于電動狀態，一臺電機處于發電狀態的情況。為了避免這種情況，使啟閉機每個吊點的負載均勻分配，本雙吊點啟閉機的起重機械機構的變頻器3采用主從控制方式。
[0031]參見圖5，兩臺變頻器3均采用閉環矢量控制，主變頻器U21作速度控制，從變頻器U22作轉矩控制，主變頻器U21的兩個模擬量FM，AM輸出端子分別輸出頻率指令和轉矩指令，頻率指令用O?1V信號，轉矩指令用-10?+1V信號。從變頻器U22的Al端子接受主變頻器的FM端子輸出信號作為速度限制，從變頻器U22的A3端子接受主變頻器U21的AM端子輸出信號作為轉矩指令。當開始工作的時候，主變頻器U21驅動負載會產生一個實際的內部轉矩指令，將此轉矩指令輸出給做轉矩控制的從變頻器U22，從變頻器U22也會輸出一個同樣大小的轉矩，這樣兩臺變頻器輸出的轉矩一樣，就不會出現負載不均衡的現象。主變頻器U21的頻率指令輸出給從變頻器U22作為速度限制，如此從變頻器U22的速度就被限制在和主變頻器U21當前相同的運行速度。
[0032]對于主變頻器U21的轉矩輸出，由于1V對應的是電機額定轉矩的100%，但電機啟動的時候輸出轉矩可能超過電機額定轉矩的100%，故此時無法輸出100%以上的轉矩信號，所以需要將主變頻器U21的轉矩指令模擬量AM端子H4-05輸出增益設定為0.5，這樣1V就可以對應電機額定轉矩的200%;對于從變頻器U22轉矩的輸入，出廠值1V對應電機額定轉矩的100%，故無法輸入100%電機額定轉矩以上的轉矩指令，所以需將從變頻器U22的A3端子H3-07的增益設定為200%，與主變頻器U21的H4-05端子配合。當有1V輸入的時候所對應為200%的轉矩。
[0033]由于轉矩是有方向性的，所以主變頻器U21的轉矩輸出端子H4-08設定為I，從變頻器U22的轉矩輸入指令端子H3-05設定為I，即對應的信號為-1OV?+10V。
[0034]參見圖5，該圖為起升電氣傳動圖。圖中三相交流380V 50Hz電源通過斷路器QF201輸出至變頻器U21輸入端，U21輸出至主起升電機-M201。三相交流380V 50Hz電源還分別依次通過斷路器QF202與變頻器U22相連，U22輸出至從起升電機-M202。
[0035]如圖5所示，一臺具有交-交能量回饋技術的安川變頻器CMR-UB4R0021驅動變頻電機YZP160M1-8，4kff，它通過內部配置編碼器接口板PG-B3，并與變頻電機高速軸上設置高分辨率的編碼器HLE-10248L-3FA，組成了一個閉環控制系統。為防止溜鉤現象的出現，需對變頻器內置功能塊進行搭接，以保證重物在空中起吊打開機械制動器瞬間，電機能夠輸出足夠大的啟動轉矩，保證重物不往下溜，如圖5所示，接點M1-M2控制機械抱閘，具體如下:
[0036]如圖4所示:
[0037]I)將H2-01設為37，S卩M1-M2輸出的是運行中2信號，用該信號控制起升機構抱閘。
[0038]2)開抱閘:參數b2_01通常設定為0.1?0.5Hz，UP給定信號輸入后，變頻器輸出頻率升到b2-01值時，此時變頻器已經輸出足夠大的電流，使電機產生足夠的輸出轉矩(2額定轉矩)，此時Ml-M2閉合，制動器打開，不會產生溜鉤現象。
[0039]3)關抱閘:UP給定信號回零時，變頻器輸出頻率降至b2-01值時，此時變頻器輸出轉矩還存在，而速度已將至0.5Hz以下，此時M1-M2運行中2打開，制動器抱閘，力矩的存在防止溜鉤現象的出現，同時低速抱閘減少機構的沖擊，減小了制動器的磨損。
[0040]參見圖6a、6b是起升控制原理圖。圖6a中PLC輸出點P206與超速保護繼電器K206常開接點相連，并與制動器KM21的線圈相連，PLC輸出點P207、P208、P209、和P210分別與電機風機、油栗電機、抓梁電纜卷筒和柜頂風機接觸器的線圈KM22、KM23、KM24和KM25連接，其他均為保護觸點經中間繼電器進行信號轉化。圖6b主要為保護信號的聯動臺顯示，繼電器K203和K204與起升上下限位指示燈H203連接，繼電器K221與抓梁就位指示燈H205連接，PLC輸出點P211和P212與抓梁穿退銷指示燈H 206連接，繼電器K222和K225常開觸點串聯，繼電器K223和K226常開觸點串聯與穿退銷到位指示燈H207連接。
[0041 ]圖7是PLC原理圖。PLC安裝在司機室，采用S7-200可編程控制器，它包括CPU模塊和I/0數字量模塊，CPU模塊選用帶36路輸入和24路輸出的模塊6ES7288-lST60-0AA0。I/0數字量模塊選用16路輸入16路輸出數字量模塊，將起升和大車運行主令操作信號和超欠載保護、開度保護、高度限位保護以及超速保護等信號輸入給PLC輸入回路，通過軟件編程，輸出各機構運行控制信號，從而實現各機構的正常運行。
【主權項】
1.起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，包括起重機械機構，所述起重機械機構包括聯動操作臺、可編程序控制器、變頻器、變頻電機、超速開關、編碼器、制動器、減速器、起升卷筒、浮動軸，所述聯動操作臺通過可編程序控制器與由其控制的變頻器連接，所述變頻器與由其驅動的變頻電機連接，所述變頻電機上連接有減速器，所述減速器的主動軸上裝制動器，所述減速器上連接有起升卷筒，所述變頻電機的高速軸上裝編碼器及超速開關，其特征在于:所述變頻器是一能量回饋矩陣式變頻器，所述變頻器與電網連接，其內置的編碼器接口卡與變頻電機上的編碼器連接構成一個閉環控制系統，當變頻電機在下降或制動過程中經變頻器將能量回饋至電網。2.如權利要求1所述的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，其特征在于:所述變頻電機能在5?50 Hz時段輸出恒轉矩。3.如權利要求1所述的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，其特征在于:所述電網的三相交流電源通過斷路器與變頻器連接。4.如權利要求1所述的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，其特征在于:所述起升卷筒的直徑為420mm。5.如權利要求1所述的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，其特征在于:所述可編程控制器包括CPU模塊、I/O數字量模塊。6.如權利要求1?5之一所述的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，其特征在于:所述起重機械機構具有兩套，兩機構的減速器軸之間通過齒式聯軸器浮動軸剛性連接。7.如權利要求6所述的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，其特征在于:兩機構的所述減速器上的制動器均與控制其的同一交流接觸器連接。8.如權利要求1所述的起重機械矩陣式能量回饋傳動系統，其特征在于:兩機構的所述變頻器是一主從控制方式。
【文檔編號】H02P5/46GK205544318SQ201521004577
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月7日
【發明人】張煜明, 厲紅婭, 王傳民, 吳燕明, 揭建安, 劉嫻, 楊娟麗, 楊欣
【申請人】杭州江河機電裝備工程有限公司, 水利部產品質量標準研究所, 中國水利電力對外公司