专利名称：直流电动机补偿式能耗制动系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直流电动机能耗制动系统，特别是一种直流电动机补偿式能耗制动系统。
背景技术：
近年来，直流电动机的能耗制动受到广泛关注。一般意义上的能耗制动，特别是应用于位能型负载场合下的直流电动机能耗制动，是在提升负载过程中，直流电动机断电后，其电枢仍以一定速度做惯性运转，电机电枢接入电阻使其与电机电枢形成回路，同时维持励磁不变，使直流电动机进入发电状态，即能耗制动状态。此时电机电枢产生与其转速方向相反的转矩，使负载上升速度下降至零。其后负载受重力作用以自由落体方式下降并拖动电机电枢反转，电机仍处于发电状态，电机电枢产生制动转矩，以阻止负载下降，当该制动转矩与其电机电枢所受负载重力转矩平衡时，电枢以一定速度匀速转动，负载以一定速度匀速下降。
这种能耗制动系统可使电动机断电后负载的上升过程停下来，但却不能阻止此后负载在重力作用下的下降。实践中需利用基于机械摩擦或电磁原理的辅助刹车来控制，使负载以某一速度向下运动或停止运动，这就大大增加了系统成本。
针对以上一般性直流电机能耗制动的缺点，近年来对位能性负载的下降速度控制方面做了不少工作，与本专利最相关的专利是1992年2月23日申请的对卷扬机速度进行控制的美国专利第5875281号，其主接线图如图1所示。该美国专利通过控制系统的控制，经断路器、极限开关、接触器触点的适当开合，构成卷扬机携带重物上升、低速下降、高速下降和自给电源制动四个工况，其上升和下降工作状态的转换通过开合相应断路器、极限开关、接触器改变电源电流流入电动机的方向，从而改变电机运转方向来实现，其下降速度通过绝缘栅双极型晶体管IGBT1和IGBT2调节电机磁场电流和电机电枢电压控制。该已有技术与本实用新型的指导思想和实施方式均不同。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种直流电动机补偿式能耗制动系统，使直流电动机既作为传统的拖动设备，又以补偿式能耗制动方式作为新型的动态制动和刹车装备，即电动机电枢在能耗制动状态下，以匀速旋转(动态制动)或零速旋转(刹车)，而所带位能性负载则以匀速或零速旋转。
本实用新型所依据的原理如下，其原理电路图是如图2所示。
E＝KeФnMB=KmΦI=KmΦU+ERa+R]]>=KmφURa+R+KmKeφ2nRa+R-------(1)]]>其中E下放时电枢的电势MB下放时电枢转矩n下放时电枢转速I电机电枢电流Ra电枢电阻R电枢回路外接电阻U向电机电枢施加的直流电压，下放时与E同方向Ф磁极磁通Km转矩系数Ke电势系数在能耗制动状态下，当制动转矩与负载转矩Mg平衡时MB=Mg=KmφURa+R+KmKeφ2ngRa+R]]>ng=(Ra+R)Mg-KmφUKmKeφ2----(2)]]>ng为MB与Mg平衡(U，Ф一定)时电枢的转速基于上述原理，本实用新型提供一种直流电动机补偿式能耗制动系统，包括三相交流电源、可控硅三相全控桥、二极管、电阻、开关及直流电动机，其中二极管与可控硅三相全控桥的输出反向并联，直流电动机的电枢与开关和电阻形成的并联电路串联后，再与所述可控硅三相全控桥并联，所述三相交流电源经可控硅三相全控桥向直流电动机电枢供电，该直流电动机作电动机工况提升重物工作时开关闭合，该直流电动机制动工况时开关断开，其特征在于所述补偿式能耗制动系统还包括输出端接入所述可控硅三相全控桥触发控制端的控制单元，当直流电动机能耗制动状态运行时，三相交流电源在控制单元的控制下经可控硅三相全控桥向直流电动机电枢提供大小可控，方向与电枢电势相同的电压。
所述控制单元包括给定装置、第一电流调节器及触发器，其中触发器的输出端接入所述可控硅三相全控桥的触发控制端，所述直流电动机的电枢电流通过负反馈与给定装置的输出综合后一起接入第一电流调节器的输入端，第一电流调节器的输出端接入触发器的输入端。
所述第一电流调节器与所述触发器之间串接第二电流调节器，三相交流电源的电流信号经整流桥负反馈，并与第一电流调节器的输出信号综合后接入第二电流调节器的输入端，第二电流调节器的输出端通过触发器接入可控硅三相全控桥的触发控制端。
所述第一电流调节器的调节速度低于第二电流调节器的调节速度。
所述第一电流调节器和第二电流调节器为带限幅的PI调节器。
作为另一种实施方式，所述控制单元包括给定装置、速度调节器、电流调节器及触发器，所述直流电动机的电枢转速经测速装置与给定装置的输出端综合后接入该速度调节器的输入端，所述三相交流电源的电流信号经整流器负反馈，并与速度调节器的输出信号综合后接入电流调节器的输入端，该电流调节器的输出端通过触发器接入可控硅三相全控桥的触发控制端。
所述速度调节器和电流调节器为带限幅的PI调节器。
所述给定装置为电位器。
所述直流电动机是他励直流电动机，外接三相交流电源经外接可控硅三相全控桥向他励直流电动机提供可控励磁电流。
作为另一种实施方式，所述直流电动机是串励直流电动机，第一开关和第二开关分别串接于可控硅三相全控桥与串励直流电动机的励磁线圈及电枢之间，当串励直流电动机作电动机工况提升重物工作时，第一开关闭合，第二开关断开，外接三相交流电源不供电，制动工况时，第一开关断开，第二开关闭合，外接三相交流电源经外接可控硅三相全控桥向串励直流电动机的励磁线圈提供可控电流。
根据(1)式控制U和Ф的大小，就可以控制电枢r电流I(转矩)。根据(2)式控制U和Ф的大小，也可以控制重物下降的转速。
本实用新型对现有直流电动机能耗制动系统进行改进，使直流电动机制动时，无需借助辅助刹车就可使直流电动机所带位能型负载停止运动，这就大大降低了系统成本。同时本实用新型还可控制位能型负载的下降速度，使其按所需速度匀速运动，以满足不同工程需求。
以下结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明。
图1为已有技术的主接线原理图。
图2为本实用新型所依据的原理电路图。
图3为本实用新型第一主接线原理电路框图。
图4为本实用新型第二主接线原理电路框图。
图5为本实用新型第一实施例的电路框图。
图6为本实用新型第二实施例的电路框图。
图7为本实用新型第三实施例的电路框图。
图8为本实用新型实用主接线图。
具体实施方式
本实用新型第一主接线原理电路框图如图3所示，是他励直流电动机的补偿式能耗制动系统主接线电路图。该补偿式能耗制动系统包括三相交流电源V、可控硅三相全控桥10、二极管D、电阻R、开关K及他励直流电动机11。二极管D与可控硅三相全控桥10并联，以保护可控硅三相全控桥10并为该补偿式能耗制动系统提供续流。电阻R与开关K的并联电路与他励直流电动机11的电枢串联后并联于可控硅三相全控桥10的输出端。三相交流电源V经可控硅三相全控桥10向他励直流电动机11的电枢供电。外接三相交流电源V1经外接可控硅三相全控桥13向他励直流电动机11提供可控励磁电流以产生可控磁场。
当该他励直流电动机11作电动机运转时，开关K闭合，三相交流电源V经可控硅三相全控桥10向他励直流电动机11电枢供电。制动时，开关K断开，由于负载受重力作用下放，他励直流电动机11的电枢反转，在磁场的作用下反转的电枢内产生电枢电势，他励直流电动机11作发电机运行。此时电源V通过可控硅三相全控桥10向该他励直流电动机11电枢输出与其电枢电势方向相同的输出电压，二者串联相加，所产生电流流经电阻R，并在他励直流电动机11电枢上产生与电枢因负载受重力下放而产生的负载重力转矩相反方向的补偿式制动转矩。因而调节可控硅三相全控桥10的输出电压就可调节流经电枢的电流，从而调节他励直流电动机11电枢的补偿式制动转矩，使其与负载重力转矩达到平衡，进而使负载以所需速度匀速下降(见(1)式和(2)式)或停止，或提供所需制动转矩下放，以实现补偿式能耗制动。
此外，制动时，通过控制外接可控硅三相全控桥13的触发状态，就可以控制流过电机磁场的直流电流。减小磁场电流使他励直流电动机11中形成的主磁通减弱，该他励直流电动机11中产生的电枢电势也降低，使得负载最终下降时可达的最大速度增加，从而使负载匀速下降速度的可调范围增大。
本实用新型第二主接线原理电路框图如图4所示，是串励直流电动机的补偿式能耗制动系统主接线电路图。该电路图与第一电路图不同之处在于，其利用串励直流电动机12替代第一电路图中的他励直流电动机11。第一开关K1和第二开关K2分别串接于可控硅三相全控桥10与串励直流电动机12的励磁线圈及电枢之间。当该串励直流电动机12作电动机运转时，开关K及第一开关K1闭合，第二开关K2断开，外接三相交流电源V1断电；制动时，开关K及第一开关K1断开，第二开关K2闭合，外接三相交流电源V1经外接可控硅三相全控桥13可控整流后向串励直流电动机12的励磁线圈提供可控直流电流以产生可控磁场。
本实用新型第一实施例为具有单闭环控制的直流电动机补偿式能耗制动系统，如图5所示。该补偿式能耗制动系统包括主电路1和控制单元2。其中该主电路1可为第一或第二主接线原理电路两者之一，本实施例中该主电路1为第一主接线原理电路。所述控制单元2包括依次串联的电位器20、第一电流调节器(ACR1)21及触发器22，其中触发器22的输出端接入主电路1的可控硅三相全控桥10的触发控制端，以控制其触发时刻。他励直流电动机11的电枢电流经负反馈线与给定装置20的输出端综合后接入第一电流调节器21的输入端。本实施例中第一电流调节器21为带限幅的PI调节器，给定装置20为电位器。据电流负反馈原理，调节给定装置20的给定值以改变触发器22的触发状态，可调节可控硅三相全控桥10提供的直流电压，控制他励直流电动机11电枢内流过的电流值，使其保持在所需值上，即产生所需制动的转矩。从而可精确调节制动状态下负载匀速下降速度至所需值或使其静止，实现补偿式能耗制动。通过控制外接可控硅三相全控桥13的触发状态，对磁场电流进行调节，可进一步扩大负载匀速下降速度的可调范围。
本实用新型第二实施例为具有双闭环控制的直流电动机补偿式能耗制动系统，如图6所示。该实施例与第一实施例的不同在于，其控制单元2为双闭环控制，在第一电流调节器21(ACR1)与触发器22之间串接第二电流调节器23(ACR2)，三相交流电源V的电流信号经整流桥24负反馈，与第一电流调节器21的输出端综合后一起接入第二电流调节器23的输入端。其中第一电流调节器21的调节速度应低于第二电流调节器23的调节速度。本实施例中，第一电流调节器21和第二电流调节器23均为带限幅的PI调节器。该控制单元2利用双闭环控制可使其对主电路1的电流控制更为准确快速。同样通过调节磁场电流，可以扩大负载匀速下降速度的可调范围。
以上图5、图6实施例均为电流(转矩)控制方式，而下述图7为速度控制方式。
本实用新型第三实施例亦为具有双闭环控制的直流电动机补偿式能耗制动系统，如图7所示。该实施例与以上实施例的不同在于其所包括的控制单元2利用他励直流电动机11的电枢的速度反馈来调节主电路1的电流，即用速度调节器25(ASR)替换第一电流调节器21(ACR1)。他励直流电动机11的电枢转速经一测速发电机26(TG)将负反馈信号送至速度给定电位器20的输出端，并经综合后接入转速调节器25的输入端，速度调节器25亦为带限幅的PI调节器。
此外，第一、二、三实施例中的给定装置20可用于控制电机磁场又可控制补偿式能耗制动的补给量。
图8为本实用新型应用第二主接线原理电路的串励直流电动机的补偿式能耗制动系统的实用主接线图。其中可控硅三相全控桥SCR1和SCR2可通过接触器1K1、1K6与1K2、1K7，2K1、2K6与2K2、2K7的切换向直流电动机M和N供电。1F-1、1F-2与1V-1、1V-2，2F-1、2F-2与2V-1、2V-2为控制直流电动机M、N电枢的正反转的接触器。1F-1、1S，2F-1、2S为控制直流电动机M、N串联后由可控硅三相全控桥SCR1或SCR2供电的接触器。R1、IF-2，R2、2F-2为直流电动机M、N作能耗制动时将电阻R接入并从可控硅三相全控桥SCR1和SCR2引入补偿电流的接触器。图8中的可控整流桥D提供能耗制动时直流电动机M、N磁场所需的直流电流。该系统的控制单元可采用第四或第五实施例中的控制单元。
本实用新型直流电动机补偿式能耗制动系统中直流电动机的电动机工况和制动工况由控制单元的控制并通过接触器的切换来实现。当该直流电动机补偿式能耗制动时，三相交流电源经可控硅三相全控桥向该直流电动机提供大小可控、与其电枢电势同方向的电压。通过控制电枢及励磁的可控硅三相全控桥的触发状态，就可以控制流过电机电枢的直流电流，因而不论电枢的转速为何值，均可控制电机产生的制动转矩，并通过电流(转矩)或速度控制方式而达到在能耗制动方式下下放重物时调节电流(转矩)和调节下放速度的目的。
权利要求1.一种直流电动机补偿式能耗制动系统，包括三相交流电源V、可控硅三相全控桥(10)、二极管D、电阻R、开关K及直流电动机(11，12)，其中二极管D与可控硅三相全控桥(10)的输出反向并联，直流电动机(11，12)的电枢与开关K和电阻R形成的并联电路串联后，再与所述可控硅三相全控桥(10)并联，所述三相交流电源V经可控硅三相全控桥(10)向直流电动机(11，12)电枢供电，该直流电动机(11、12)作电动机工况提升重物工作时开关K闭合，该直流电动机(11、12)制动工况时开关K断开，其特征在于所述补偿式能耗制动系统还包括输出端接入所述可控硅三相全控桥(10)触发控制端的控制单元(2)，当直流电动机(11，12)能耗制动状态运行时，三相交流电源V在控制单元(2)的控制下经可控硅三相全控桥(10)向直流电动机(11，12)电枢提供大小可控，方向与电枢电势相同的电压。
2.根据权利要求1所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述控制单元(2)包括给定装置(20)、第一电流调节器(21)及触发器(22)，其中触发器(22)的输出端接入所述可控硅三相全控桥(10)的触发控制端，所述直流电动机(11，12)的电枢电流通过负反馈与给定装置(20)的输出综合后一起接入第一电流调节器(22)的输入端，第一电流调节器(22)的输出端接入触发器(22)的输入端。
3.根据权利要求2所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述第一电流调节器(21)与所述触发器(22)之间串接一个第二电流调节器(23)，三相交流电源V的电流信号经整流桥(24)负反馈，并与第一电流调节器(21)的输出信号综合后接入第二电流调节器(23)的输入端，第二电流调节器(23)的输出端通过触发器(22)接入可控硅三相全控桥(10)的触发控制端。
4.根据权利要求3所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述第一电流调节器(21)的调节速度低于第二电流调节器(23)的调节速度。
5.根据权利要求3所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述第一电流调节器(21)和第二电流调节器(22)为带限幅的PI调节器。
6.根据权利要求1所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述控制单元(2)包括给定装置(20)、速度调节器(25)、电流调节器(23)及触发器(22)，所述直流电动机(11，12)的电枢转速经测速装置(26)与给定装置(20)的输出端综合后接入该速度调节器(25)的输入端，所述三相交流电源V的电流信号经整流器(24)负反馈，并与速度调节器(25)的输出信号综合后接入电流调节器(23)的输入端，该电流调节器(23)的输出端通过触发器(22)接入可控硅三相全控桥(10)的触发控制端。
7.根据权利要求6所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述速度调节器(25)和电流调节器(23)为带限幅的PI调节器。
8.根据权利要求2或3或6所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述给定装置(20)为电位器。
9.根据权利要求1所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述直流电动机(11)是他励直流电动机，外接三相交流电源V1经外接可控硅三相全控桥(13)向他励直流电动机(11)提供可控励磁电流。
10.根据权利要求1所述的直流电动机补偿式能耗制动系统，其特征在于所述直流电动机(12)是串励直流电动机，第一开关K1和第二开关K2分别串接于可控硅三相全控桥(10)与串励直流电动机(12)的励磁线圈及电枢之间，当串励直流电动机(12)作电动机工况提升重物工作时，第一开关K1闭合，第二开关K2断开，外接三相交流电源V1不供电，制动工况时，第一开关K1断开，第二开关K2闭合，外接三相交流电源V1经外接可控硅三相全控桥(13)向串励直流电动机(12)的励磁线圈提供可控电流。
专利摘要本实用新型涉及一种直流电动机补偿式能耗制动系统，包括三相交流电源、可控硅三相全控桥、二极管、电阻、开关、直流电动机及控制单元。控制单元的输出端接入可控硅三相全控桥的触发控制端，三相交流电源经可控硅三相全控桥向直流电动机电枢供电。当直流电动机能耗制动状态运行时，三相交流电源在控制单元的控制下经可控硅三相全控桥向直流电动机电枢提供大小可控，方向与电枢电势相同的电压。本实用新型解决了现有技术中直流电动机能耗制动过程中制动转矩和负载运动速度无法控制的问题，能够控制制动过程中负载下放速度，以适用不同工程需求，同时还可以节省设备、降低成本。
文档编号H02P3/06GK2620428SQ03231140
公开日2004年6月9日 申请日期2003年5月14日 优先权日2003年5月14日
发明者刘育生, 高波 申请人:上海三高石油设备有限公司