一个逆变器拖动四台电机异步同时实现转子变频调速系统

摘要

本发明为一个逆变器拖动四台电机异步同时实现转子变频调速系统，由电动机组、整流器组、限流器组、斩波器组、隔离器组、有源逆变器、A/D变换器组、信号处理器组、电流检测器组和电压检测器组构成。采用逆变控制理论和CPU控制技术，对四台电机在线控制，由一个逆变器输出的电压作各电机的附加反向电动势，利用各驱动器输出PWM信号使各斩波器有效导通和关断，实现起重机提升、变幅、回转和行走四种工作，本发明简化了电路、缩小了体积、降低了成本，提高了可靠性；当起重机上升时，多余的电能始终经同一个逆变器反馈回电机，使起重机下降时，电机处于发电机状态，发出的电能再经同一逆变器重新反馈回电机或电网，实现了能量回收，节约了能源。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机转子变频调速系统，特别是一种用一个逆变器拖动四台电机异步同时实现转子变频调速系统。

背景技术

电机是起重机各工作机构中的原动机，它将电能转化为机械能，以拖动起重机执行提升(或下降)、变幅、回转和行走等四种不同机构运动，完成起重机现场作业任务。

图1给出了传统的起重机用不同工作的电机变频调速系统原理图。从该图中可以看出：该系统是在将电网提供的恒压恒频交流电源，经整流桥转换成直流，继而通过中间电路将直流经逆变桥又转换成不同工作频率的交流来驱动电机转动工作。

假设：电网电源频率为f_o，

电机工作频率为f_m。

那么：f_m＝ξf_o成立，

这里：ξ为变转差率。

基于起重机现场作业时，通常要求完成提升、变幅、回转和行走等四种不同工作。因此，各相应的执行机构，就需要不同的电机提供不同的电能转化为不同的机械能。这就是说，起重机不同的工作，所需的电机转速不同，即电机的工作频率f_m不同。然而，传统的电机变频调速系统中，一个逆变桥只能变换一个电机工作频率，对一个电机进行变频调速，俗称“一拖一”技术。显然，起重机的四种不同工作，就需要四个逆变桥电路才能实现两次换能的“交一直一交”变换，产生四个电机所需的各自的工作频率，以分别完成起重机现场作业时的提升、变幅、回转和行走工作。

综合上述的传统的电机调速系统，其频率调节范围宽，且不受电网频率限制；既可以采取强迫换能，又可以采以负载换能。这种调速系统，除了低速时转差功能损耗大和效率低外，最为突出的是需要用四个逆变桥，从而使得系统体积庞大、笨重，而且造价昂贵，实施起来是非常困难的。

近年来，由于变频技术的飞跃发展，特别是矢量控制技术和直接转矩控制技术的应用，变频技术日趋成熟，以其宽广的调速范围、较高的稳速精度，快速的动态响应及能在直角坐标系中的四象限内作可逆运行的性能，位居交流传动之首，其调速性能完全可以和直流传动相媲美，并有取代之势。然而，目前国外起重机构采用的变频技术，仍然是一个功能用一个变频器，一个变频器配一个逆变桥，对于起重机正常运行的四种功能。仍需配置四个逆变桥。如果要使变频调速系统增加能量回馈功能，则需再增添四个逆变桥，显然这是不合算的。因此，国外众多公司的相关产品，仍然是采用“一拖一”的方式来完成起重机的正常运行工作。例如：日本的安川、德国的西门子、瑞士的ABB和法国的施耐得等产品，在我国相关应用领域到处可见，其价格也十分昂贵。

针对上述已有变频技术存在的严重缺陷，本发明人曾先后相继申请专利，并经中华人民共和国国家知识产权局授予实用新型三项专利，其专利号分别为“ZL 00232436.9”、“ZL 0121224.5”和“ZL200720087085.7”。这三项实用新型专利，首先公开了用一个有源逆变器，带有多台电机，工作时，逆变器定位在最小逆变角，通过每个斩波器的导通和关断，实现转子变频调速，使起重机实时完成提升、变幅、回转和行走四种工作。然而，上述三项实用新型专利，仅仅提出了“一拖四”转子变频调速的基本构想，对于如何提供适当的正向和反向输出控制电压，使各斩波器有效导通和关断；对于如何采集转子相电压和整流器输出直流，使斩波器迅速建立栅极控制电场，确保系统正常有序工作等问题，还有待全面解决。

发明内容

本发明的目的，就是要克服上述已有技术存在的缺陷，提供一整套用一个逆变器拖动四台电机异步同时实现转子变频调速系统。即对四台电机在线控制时，由同一个有源逆变器输出的电压，作各功能电机的附加反向电动势，驱动各功能斩波器实时工作，以实现四台电机异步同时运行。而且，本发明还应具有能量反馈再利用功能，做到有效节约能源。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一个逆变器拖动四台电机异步同时实现转子变频调速系统，包括：

一个电动机组，共4台：M₁、M₂、M₃和M₄，用以异步同时完成起重机提升、变幅、回转和行走四种工作；

一个整流器组，含有4个整流桥：Z₁、Z₂、Z₃和Z₄，用以对与其相连接的电动机转子提供的不同频率交流信号进行整流；

一个限流器组，含有4个限流器：L₁、L₂、L₃和L₄，用以提供瞬时电流，使斩波器正常工作；

一个斩波器组，含有4个斩波器：IGBT₁、IGBT₂、IGBT₃和IGBT₄，通过调节每个斩波器的导通率，实现直流电流的连续调节，进而使电动机转子电流连续调节，以达到电机转子变频调速的目的；必须指出的是：当斩波器导通率为100％时，电机转速为额定转速；

一个隔离器组，含有4个隔离器：D₁、D₂、D₃和D₄，做到在最小工作电流下，仍能维持其连续性，确保电机转子正常工作；

一个有源逆变器，用以将各电机转子输出的不同频率的交流电经整流为直流后，逆变成与电网电源同频，同相的工频交流电，实现交变直，直变交，并进行能量反馈至电机或电网；

一个驱动器组，含有4个驱动器，选用EX841集成电路，依次为：EX841-1、EX841-2、EX841-3、和EX841-4，均受微处理器CPU的主程序控制，进行脉宽调制，输出PWM信号，送至所对应的斩波器的栅极，使各斩波器实时可靠的导通和关断；

一个微处理器CPU，其工作由主程序决定，它接收来自各个A/D变换器的数字信号，并进行数据处理，依次送至相对应的驱动电路，以实时控制斩波器工作；

一个A/D变换器组，含有4个A/D变换器；A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4，用以将各对应的模拟信号变换为所需的数字信号；

一个信号处理器组，含有4个信号处理器：U₁、U₂、U₃和U₄，用以将各对应的电压、电流检测信号和司机给出的主令信号进行综合处理分别送至相应的A/D变换器；

一个电流检测器组，含有4个电流检测器：U_I1、U_I2、U_I3和U_I4，系位于前述整流桥所包含的限流电感电流所流经的路径上，用以检测经各对应的限流器限流后的直流电流，并转换为电压形式送至相应的信号处理器的输入端；

一个电压检测器组，含有4个电压检器：Uv₁、Uv₂、Uv₃和Uv₄，系位于前述电机转子任意两线之间，用以检测各电机任意两线间的不同频率的交流电压，并转换为直流电压送至相应的信号处理器的输入端。

本发明基于采用逆变控制理论技术对多台电机进行在线控制时，由同一个有源逆变器输出的电压作各功能电机的附加反向电动势，利用各功能电机的斩波器实时工作，以实现多台电机异步同时运行。从而，就整个系统而言，简化了电路，缩小了体积，降低了成本，提高了可靠性，确保了起重机现场作业提升、变幅、回转和行走稳定、安全、可靠。

本发明在起重机的上升调整速作业时，基于电机转子接入有源逆变系统，多余的电能始终经同一个逆变器反馈回电机或电网，而起重机下降作业时，电机定子两相通入直流励磁，于是，电机实际上便成了发电机，处于发电状态，而且所发出的电能再经同一个逆变器重新反馈回电机或电网，实现了能量回收，有效节约了能源。

本发明基于采用CPU控制技术，在其主程序的控制下，对所采集的各电机转子相电压、整流器直流及司机给出的主令电压，进行综合实时处理，及时推动各驱动器工作，以控制对各斩波器的有效导通和关断，实现电机转子变频调速。采用CPU控制技术，通过增添辅助电路，结合适当的软件支持，还可以对起重机的超载限制、故障监控、超速限制、限位断相以及欠压、过流和风速进行自动保护、状态显示与人机对话，实现了高智能化实时控制。

本发明基于选用EX841集成电路作斩波器开关器件的驱动器，它可以对CPU输出的数字脉冲信号进行功率放大，产生PWM控制信号，保证斩波器有效可靠工作。同时该集成电路内部还设有欠压、过流保护，可以确保系统正常运行。

本发明中的斩波器开关器件为按照电机额定功率要求进行实际选用，因此，斩波器的控制部分也具有适用性，可使斩波器迅速建立栅控电场，确保系统正常有序可靠工作。

附图说明

图1为传统的起重机用不同工作的电机变频调速系统原理图。

图2为本发明一个逆变器拖动四台电机异步同时实现转子变频调速系统电原理接线示意图。

图中符号说明

1是电动机组：M₁、M₂、M₃和M₄

2是整流器组：Z₁、Z₂、Z₃和Z₄

3是限流器组：L₁、L₂、L₃和L₄

4是斩波器组：IGBT₁、IGBT₂、IGBT₃和IGBT₄

5是隔离器组：D₁、D₂、D₃和D₄

6是有源逆变器

7是驱动器组：EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4

8是微处理器CPU

9是A/D变换器组：A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4

10是信号处理器组：U₁、U₂、U₃和U₄

11是电流检测器组：U_I1、U_I2、U_I3和U_I4

12是电压检测器组：Uv₁、Uv₂、Uv₃和Uv₄

此外，图2中的U_M1、U_M2、U_M3和U_M4分别为起重机现场作业的提升、变幅、回转和行走四种工作的主令电压。

具体实施方式

请参阅图2所示，为本发明具体实施例。

从图2中可以看出：本发明由电动机组1、整流器组2、限流器组3、斩波器组4、隔离器组5、有源逆变器6、驱动器组7、微处理器8(CPU)、A/D变换器组9、信号处理器组10、电流检测器组11和电压检测器组12构成一个整体；其中：

所述电动机组1中的电动机M₁、M₂、M₃和M₄各自的转子依次分别接至整流器组2中的Z₁、Z₂、Z₃和Z₄各自相对应的输入端；

所述的逆变器6的输出端与电动机组1中的电机M₁、M₂、M₃和M₄各自的定子同时接入同一恒压恒频380伏交流电网供电电源；

所述的斩波器组4中的斩波器IGBT₁、IGBT₂、IGBT₃和IGBT₄各自的阴极同时相交连接于一点，即B点；

所述的隔离器组5中的隔离器D₁、D₂、D₃和D₄各自的输出端同时相交连接于一点，即A点；

所述的限流器组3中的限流器L₁、L₂、L₃和L₄各自的输出端依次分别与电流检测器组11中的电流检测电阻R₁、R₂、R₃和R₄各自对应的输入端相连接，而前述各电流检测电阻R₁、R₂、R₃和R₄的输出端依次与斩波器组4中的斩波器IGBT₁、IGBT₂、IGBT₃和IGBT₄各自对应的阳极及隔离器组5中的隔离器D₁、D₂、D₃和D₄各自对应的输入端相连接；

所述的驱动器组7中的驱动器EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4，它们的第3脚，依次分别与斩波器组4中的斩波器IGBT₁、IGBT₂、IGBT₃和IGBT₄的栅级直接相连接；而各驱动器的第1脚依次分别与其相对应的斩波器的阴极直接相交连接于一点，即B点；各驱动器的第15脚分别经各路的限流电阻R₅，依次与微处理器8 CPU的引脚P1.0、P1.2、P1.4、P1.6相连接；各驱动器的第14脚微处理器8 CPU的引脚P1.1、P1.3、P1.5和P1.7之间设置的射极跟随器Q₁的集电极相连接；各驱动器第1脚与其第9脚之间均接有一个47MF的电容器，用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，而并非电源滤波电容；

所述的微处理器8 CPU的引脚P1.1、P1.3、P1.5和P1.7依次与驱动器组7中的驱动器EX841-1、EX841-2、EX841-3和EX841-4之间设置的射极跟随器Q₁的基极相连接；

所述电流检测器组11中的电流检测电阻R₁、R₂、R₃和R₄，其阻值相等，各自通过的限流直流I₁、I₂、I₃和I₄，其电流大小不同，折算出的直流电压U_I1、U_I2、U_I3和U_I4，其电压大小也不同，且各电压依次分别接至信号处理器组10中对应的信号处理器U₁、U₂、U₃和U₄的输入端的第1和第2脚；

所述的电压检测器组12依次取自于电动机组1中的电机M₁、M₂、M₃和M₄转子上的任意两相相电压Uv₁、Uv₂、Uv₃和Uv₄，且各电压依次分别接至信号处理器10中对应的信号处理器U₁、U₂、U₃和U₄的输入端的第3和第4脚；而由司机给出的主令电压U_M1、U_M2、U_M3和U_M4依次分别接至信号处理器组10中对应的信号处理器U₁、U₂、U₃和U₄的输入端的第5脚和第6脚；

所述的信号处理器组10中的信号处理器U₁、U₂、U₃和U₄各自的输出端F₀、F₁、F₂和F₃依次分别与A/D变换器组9中的变换器A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4各自的输入端H₀、H₁、H₂和H₃相直接连接；

所述的A/D变换器组9中的变换器A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4各自的输入端H₀、H₁、H₂和H₃相直接连接；

所述的A/D变换器组9中的变换器A/D-1、A/D-2、A/D-3和A/D-4各自的输出端T₀、T₁、T₂和T₃依次分别与处理器8 CPU的输入端I1.0、11.1、I1.2和I1.3直接相连接。

以上实施例仅为说明本发明的技术特征和可实施性。必须声明的是：本发明除用于前述起重机执行提升、变幅、回转和行走等四种不同机构运动，完成现场作业任务外，还适用于任何需要拖动多台电机异步同时实时工作的场所。诸如：纺织行业中各纺织车间不同温度、湿度的控制；各水电站不同流量、流速的控制；造船行业的钢板吊装拼接、构件对孔铆接、船体移动翻转、重物悬空焊接；大型建筑物整体吊装和石油化工设备整体安装等领域。因此，任何以熟知的技巧所采用的线路或控制方法，均包含在本发明的精神内。至于本发明的专利特征由所述的申请专利范围具体界定。