起重机械矩阵式能量回馈传动系统的制作方法
【专利摘要】起重机械矩阵式能量回馈传动系统，包括起重机械机构，所述起重机械机构包括联动操作台、可编程序控制器、变频器、变频电机、超速开关、编码器、制动器、减速器、起升卷筒、浮动轴，所述联动操作台通过可编程序控制器与由其控制的变频器连接，所述变频器与由其驱动的变频电机连接，所述变频电机上连接有减速器，所述减速器的主动轴上装制动器，所述减速器上连接有起升卷筒，所述变频电机的高速轴上装编码器及超速开关，所述变频器是一具有矩阵式能量回馈技术的变频器，所述变频器与电网连接，其内置的编码器接口卡与变频电机上的编码器连接构成一个闭环控制系统，当变频电机在下降或制动过程中经变频器将能量回馈至电网。
【专利说明】
起重机械矩阵式能量回馈传动系统
技术领域
[0001]本实用新型属于起重机械传动技术领域，涉及一种起重机械矩阵式能量回馈传动系统。
【背景技术】
[0002]节能减排已经成为当今世界工业生产生活中的共识，我国的能源利用现状不容乐观，单位GDP的能耗是美国的6倍，是日本的7倍，甚至是印度的2.8倍;环境保护和二氧化碳排放面临巨大的压力;我国在用的起重机械有四百多万台套，基本没有采用节能系统或装置，其能源利用率不足30%。对比国外的技术现状，欧盟、特别是德国在通用起重机上都有节能系统，其能耗不到我国同类产品的50%;对于目前占主导地位的交-直-交型PffM变频传动系统，由于含有大电容或大电感作为储能元件，体积大，重量重，造成了变频装置安装和使用的不便、不易于维护，尤其是大电解电容的电解液的挥发，严重影响了变频器的使用寿命;其次，大部分交-直-交型变频器的整流侧采用二极管全桥整流，使得输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重。
【发明内容】
[0003]本实用新型提供了一种结构简单、可靠性高、运行稳定、安全，又可实现无电气污染的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，能实现起重机下降和制动时将消耗在制动电阻上的再生能源全部返回电源，并且无高次谐波产生的传动系统。
[0004]本实用新型采用的技术方案是:
[0005]起重机械矩阵式能量回馈传动系统，包括起重机械机构，所述起重机械机构包括联动操作台、可编程序控制器、变频器、变频电机、超速开关、编码器、制动器、减速器、起升卷筒、浮动轴，所述联动操作台通过可编程序控制器与由其控制的变频器连接，所述变频器与由其驱动的变频电机连接，所述变频电机上连接有减速器，所述减速器的主动轴上装制动器，所述减速器上连接有起升卷筒，所述变频电机的高速轴上装编码器及超速开关，其特征在于:所述变频器是一具有矩阵式能量回馈技术的变频器，所述变频器与电网连接，其内置的编码器接口卡与变频电机上的编码器连接构成一个闭环控制系统，当变频电机在下降或制动过程中经变频器将能量回馈至电网。本实用新型通过将变频器与变频电机上的编码器连接形成闭环控制系统，并且采用矩阵式能量回馈技术，变频器将变频电机在下降或制动过程中消耗在制动电阻上的再生能源全部回馈至电网，节省能源并保护环境。
[0006]进一步，所述变频电机能在5?50Hz时段输出恒转矩，该转矩为52.3N.m。
[0007]进一步，所述变频器与编码器连接构成的闭环控制系统是一非整流无谐波能量回馈控制系统，不会污染电网谐波。
[0008]进一步，所述电网的三相交流电源通过断路器与变频器连接。
[0009]进一步，所述变频电机采用闭式传动方式，通过第一齿轮联轴器连接减速器，所述减速器通过第二齿轮联轴器连接起升卷筒。[00?0] 进一步，所述起升卷筒的直径为420mm。
[0011 ]进一步，所述可编程控制器包括CPU模块、I/O数字量模块。
[0012]进一步，所述起重机械机构具有两套，两机构的减速器轴之间通过齿式联轴器浮动轴刚性连接，从而确保两套起重机械机构运行同步，实现闸门两吊点的同步启闭。
[0013]进一步，两机构的所述减速器上的制动器均与控制其的同一交流接触器连接，以确保制动开闭的同步性能。
[0014]进一步，两机构的所述变频器是一主从控制方式，从而实现两机构的出力平衡。
[0015]本实用新型的有益效果:结构简单、可靠性高、运行稳定、安全，又可实现无电气污染能量回馈。
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的机械装配结构图。
[0017]图2是本实用新型的功能原理框图。
[0018]图3是本实用新型变频器的内部结构图。
[0019]图4是本实用新型抱闸控制时序图。
[0020]图5是本实用新型起升电气传动图。
[0021]图6a、6b是本实用新型起升控制原理图。
[0022]图7是本实用新型PLC原理图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体实施例来对本实用新型进行进一步说明，但并不将本实用新型局限于这些【具体实施方式】。本领域技术人员应该认识到，本实用新型涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
[0024]参见图1、2，起重机械矩阵式能量回馈传动系统，包括起重机械机构，所述起重机械机构包括:司机室内联动操作台1、司机室内型号为西门子S7-200可编程序控制器2、变频器3、变频电机4、超速开关5、编码器6、制动器7、减速器8、起升卷筒9、浮动轴10，构成完整的矩阵式能量回馈传动系统。司机室内联动操作台I通过可编程序控制器2控制变频器3，具有矢量控制功能的安川变频器3((HMR-UB4R0021)驱动变频电机4(YZPF160Ml-8，4kW)，电动机采用联轴器(NGCLZ3)连接(QJRS-D335-200)减速器8，在减速器的主动轴上装有(YWZE-200/22)型制动器7，并采用联轴器(NGCLZ3)连接直径为Φ 420mm的起升卷筒装置9，两套左右相同的起重机械机构的减速器8轴通过齿式联轴器和浮动轴10刚性连接。变频电机4的高速轴上装有编码器6(HLE45-1024-3FA)，与变频器3接口卡(PG-B3)连接构成闭环控制系统，同时装有超速开关5(LY1-1/750DZ)。
[0025]本实施例速度指标:升降速度为0.25?2.5 m/min。起升均采用主令控制器控制，由联动台主令控制器的挡位来决定速度，正反各四挡，分别为10%、30%、60%、100%额定速度，系统采用主令挡位开关量输入至PLC，经软件处理后，再由PLC输出开关量信号给变频器。速度挡可在变频器内任意设定，以满足不同速度要求。
[0026]参见图3，为矩阵式能量回馈变频器的拓扑结构图，它为三相-三相矩阵式变换器，该电路包括3X3共9个双向开关，每个双向开关都具有双向导通和双向关断的能力，从而实现能量的双向流动、正弦输入输出电流、可控的输入功率因数、功率密度高、谐波污染小。它与整流型回馈装置不同，因不需要中间整流环节，直接实现了AC-AC变换，从而大幅度降低了输入电流高次谐波，在100%负载下，输入电流THD〈5%，传输效率高;可获得正弦波的输入电流和输出电压，波形失真度小;输入功率因数可在正负之间任意调节，可以不产生无功功率或对电网起到一定的无功补偿作用，且与负载功率因数无关;能量可双向传递，适合四象限运行的交流传动系统;控制自由度大。
[0027]参见图4具有矩阵式能量回馈控制技术的安川变频器CMR-UB4R0021内部配置编码器接口板PG-B3，并通过在变频电机高速轴上设置高分辨率的编码器HLE45-1024L-3FA，组成一个闭环控制系统。变频电机能在5?50 Hz时段输出稳定可靠的恒转矩52.3N.m，在下降或制动过程中通过变频器将能量回馈至电网。
[0028]本实施例变频电机采用闭式传动方式，直接与中硬齿面减速器QJRS-D335-200相连，中硬齿面减速器传动效率高、运转平稳、噪音低、承载能力高，能较好地满足低损耗的要求。中硬齿面减速器QJRS-D335-200直接与卷筒相连，根据扬程12m和总减速比及钢丝绳直径14mm,经计算:卷筒直径为420mm。
[0029]本实例为保证闸门两吊点的同步启闭；两套左右相同的起重机械机构的减速器QJRS-D335-200通过浮动轴10刚性连接，从而确保两套相同起重机械机构运行同步。同时在两套减速器的主动轴上装有YWZE-200/22型制动器作为工作制动器，并通过同一交流接触器LC1-D09M7C控制，以确保制动开闭的同步性能。
[0030]由于异步电机滑差的特性决定了在两台电机同时驱动一个刚性负载时，会发生负载分配不均的现象，严重的情况下甚至可能在轻负载状态下发生一台电机拖着另一台电机工作，一台电机处于电动状态，一台电机处于发电状态的情况。为了避免这种情况，使启闭机每个吊点的负载均匀分配，本双吊点启闭机的起重机械机构的变频器3采用主从控制方式。
[0031]参见图5，两台变频器3均采用闭环矢量控制，主变频器U21作速度控制，从变频器U22作转矩控制，主变频器U21的两个模拟量FM，AM输出端子分别输出频率指令和转矩指令，频率指令用O?1V信号，转矩指令用-10?+1V信号。从变频器U22的Al端子接受主变频器的FM端子输出信号作为速度限制，从变频器U22的A3端子接受主变频器U21的AM端子输出信号作为转矩指令。当开始工作的时候，主变频器U21驱动负载会产生一个实际的内部转矩指令，将此转矩指令输出给做转矩控制的从变频器U22，从变频器U22也会输出一个同样大小的转矩，这样两台变频器输出的转矩一样，就不会出现负载不均衡的现象。主变频器U21的频率指令输出给从变频器U22作为速度限制，如此从变频器U22的速度就被限制在和主变频器U21当前相同的运行速度。
[0032]对于主变频器U21的转矩输出，由于1V对应的是电机额定转矩的100%，但电机启动的时候输出转矩可能超过电机额定转矩的100%，故此时无法输出100%以上的转矩信号，所以需要将主变频器U21的转矩指令模拟量AM端子H4-05输出增益设定为0.5，这样1V就可以对应电机额定转矩的200%;对于从变频器U22转矩的输入，出厂值1V对应电机额定转矩的100%，故无法输入100%电机额定转矩以上的转矩指令，所以需将从变频器U22的A3端子H3-07的增益设定为200%，与主变频器U21的H4-05端子配合。当有1V输入的时候所对应为200%的转矩。
[0033]由于转矩是有方向性的，所以主变频器U21的转矩输出端子H4-08设定为I，从变频器U22的转矩输入指令端子H3-05设定为I，即对应的信号为-1OV?+10V。
[0034]参见图5，该图为起升电气传动图。图中三相交流380V 50Hz电源通过断路器QF201输出至变频器U21输入端，U21输出至主起升电机-M201。三相交流380V 50Hz电源还分别依次通过断路器QF202与变频器U22相连，U22输出至从起升电机-M202。
[0035]如图5所示，一台具有交-交能量回馈技术的安川变频器CMR-UB4R0021驱动变频电机YZP160M1-8，4kff，它通过内部配置编码器接口板PG-B3，并与变频电机高速轴上设置高分辨率的编码器HLE-10248L-3FA，组成了一个闭环控制系统。为防止溜钩现象的出现，需对变频器内置功能块进行搭接，以保证重物在空中起吊打开机械制动器瞬间，电机能够输出足够大的启动转矩，保证重物不往下溜，如图5所示，接点M1-M2控制机械抱闸，具体如下:
[0036]如图4所示:
[0037]I)将H2-01设为37，S卩M1-M2输出的是运行中2信号，用该信号控制起升机构抱闸。
[0038]2)开抱闸:参数b2_01通常设定为0.1?0.5Hz，UP给定信号输入后，变频器输出频率升到b2-01值时，此时变频器已经输出足够大的电流，使电机产生足够的输出转矩(2额定转矩)，此时Ml-M2闭合，制动器打开，不会产生溜钩现象。
[0039]3)关抱闸:UP给定信号回零时，变频器输出频率降至b2-01值时，此时变频器输出转矩还存在，而速度已将至0.5Hz以下，此时M1-M2运行中2打开，制动器抱闸，力矩的存在防止溜钩现象的出现，同时低速抱闸减少机构的冲击，减小了制动器的磨损。
[0040]参见图6a、6b是起升控制原理图。图6a中PLC输出点P206与超速保护继电器K206常开接点相连，并与制动器KM21的线圈相连，PLC输出点P207、P208、P209、和P210分别与电机风机、油栗电机、抓梁电缆卷筒和柜顶风机接触器的线圈KM22、KM23、KM24和KM25连接，其他均为保护触点经中间继电器进行信号转化。图6b主要为保护信号的联动台显示，继电器K203和K204与起升上下限位指示灯H203连接，继电器K221与抓梁就位指示灯H205连接，PLC输出点P211和P212与抓梁穿退销指示灯H 206连接，继电器K222和K225常开触点串联，继电器K223和K226常开触点串联与穿退销到位指示灯H207连接。
[0041 ]图7是PLC原理图。PLC安装在司机室，采用S7-200可编程控制器，它包括CPU模块和I/0数字量模块，CPU模块选用带36路输入和24路输出的模块6ES7288-lST60-0AA0。I/0数字量模块选用16路输入16路输出数字量模块，将起升和大车运行主令操作信号和超欠载保护、开度保护、高度限位保护以及超速保护等信号输入给PLC输入回路，通过软件编程，输出各机构运行控制信号，从而实现各机构的正常运行。
【主权项】
1.起重机械矩阵式能量回馈传动系统，包括起重机械机构，所述起重机械机构包括联动操作台、可编程序控制器、变频器、变频电机、超速开关、编码器、制动器、减速器、起升卷筒、浮动轴，所述联动操作台通过可编程序控制器与由其控制的变频器连接，所述变频器与由其驱动的变频电机连接，所述变频电机上连接有减速器，所述减速器的主动轴上装制动器，所述减速器上连接有起升卷筒，所述变频电机的高速轴上装编码器及超速开关，其特征在于:所述变频器是一能量回馈矩阵式变频器，所述变频器与电网连接，其内置的编码器接口卡与变频电机上的编码器连接构成一个闭环控制系统，当变频电机在下降或制动过程中经变频器将能量回馈至电网。2.如权利要求1所述的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，其特征在于:所述变频电机能在5?50 Hz时段输出恒转矩。3.如权利要求1所述的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，其特征在于:所述电网的三相交流电源通过断路器与变频器连接。4.如权利要求1所述的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，其特征在于:所述起升卷筒的直径为420mm。5.如权利要求1所述的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，其特征在于:所述可编程控制器包括CPU模块、I/O数字量模块。6.如权利要求1?5之一所述的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，其特征在于:所述起重机械机构具有两套，两机构的减速器轴之间通过齿式联轴器浮动轴刚性连接。7.如权利要求6所述的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，其特征在于:两机构的所述减速器上的制动器均与控制其的同一交流接触器连接。8.如权利要求1所述的起重机械矩阵式能量回馈传动系统，其特征在于:两机构的所述变频器是一主从控制方式。
【文档编号】H02P5/46GK205544318SQ201521004577
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月7日
【发明人】张煜明, 厉红娅, 王传民, 吴燕明, 揭建安, 刘娴, 杨娟丽, 杨欣
【申请人】杭州江河机电装备工程有限公司, 水利部产品质量标准研究所, 中国水利电力对外公司