专利名称：交流起重机调速的控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及交流电力传动的调速技术，特别涉及用于交流起重机调速的控制装置。
背景技术：
交流起重机各机构一般应用短时工作专用的绕线电动机驱动，必须采用能“止动防溜”具有支持制动的常闭式制动器制动；由包括接触器、继电器的电磁控制柜、控制器、电阻器等控制电器组成电磁控制装置，对电动机和制动器实行联动控制。通电时制动器松闸电动机起动，逐步切除附加电阻按级加速，直至接近额定转速的高速时才能稳定运行。绕线电动机以额定转速为其仅有的一级工作转速，不能按需调速。断电时电动机在开始停运时的工作转速下制动器上闸，瞬间对其施加一个预先调定的制动转矩实施制动；这是一级制动过程缺乏控制制动作用，不可能实现目的制动达到对位停车，并伴随有很大的惯性冲击。电磁控制装置控制下的电动机不能按需调速和制动器缺乏控制制动，这两大问题很不适应起重机的工作特点，由此给交流起重机带来诸多弊端。
起重机以完成重物固定范围的空间位移为工作目的，各机构间需要协调配合间歇工作，短时运转的电动机必须频繁地起动和制动。起动过程尚可利用电阻器做到逐步加速以减缓起动冲击，而制动过程却仅有一级制动，不能达到准确停车一次到位。只能反复地进行“点动”操作，使机构不断遭受冲击，引起重物偏斜摆动，影响作业的安全质量和效率；由冲击引发的机械振动，造成机件损伤乃至机体金属结构的疲劳破坏，降低起重机的使用寿命。位能性负载的起升或变幅机构在重载下降时，利用电动机本身的再生、反接等电气制动方式其可靠性不够，难免发生误操作或电气故障，甚至导致重物超速下落的“飞车”事故。户外起重机大车运行机构的制动器，按正常工作预调制动转矩达不到防风制动要求，其支持制动得不到充分发挥而不能有效地实施防风制动，是起重机脱轨或倾翻事故时有发生的内在原因。上述弊端长期存在致使交流起重机的整机性能落后，远不能适应现代生产和物流发展的需要，已成为交流电力传动领域内的重要课题。
随着交流调速技术的发展，现已有多种交流调速控制方式应用到起重机上，大致有两种类型。一种类型是利用可调电源的调速原理通过调节频率和电压等供电参数，改变交流电动机的机械特性，以满足电磁转矩和负载转矩在不同转速时的平衡稳定条件。如近年来研发的交流起重机变频调速方式中国科学出版社1995年版《交流变频调速技术应用例集》一书所载将桥式抓斗起重机由原电磁控制改造为变频调速控制，各机构分别配置容量相当的变频器，为电动机提供频率可调的交流电源进行变频调速。它虽有良好的调速性能可使电动机能调到足够低的转速，但必须保留常闭式制动器实施最后一级的机械制动；凭经验预设动作时序和调定制动转矩，不可能与各种情况下电动机实时的转速完全适应，不能从根本上解决上述的诸多弊端，例如对防风制动仍旧无能为力。由于起重机具有恒转矩负载特性并要求重载起动，必须相应地增大变频器和电动机的容量，选用高性能变频器及其外围部件，其系统复杂造价昂贵经济性不佳，很难推广普及应用。另一种类型是利用控制制动的调速原理为适应绕线电动机附加电阻变软的机械特性，通过控制制动调节制动转矩，以取得低转速时电磁转矩与负载转矩的平衡稳定条件。如较早应用的交流起重机涡流制动调速方式中国铁道出版社1992年版《起重与工程机械电气设备》一书所载塔式起重机的涡流制动调速控制装置，设有与绕线电动机同轴连接的涡流制动器，通过改变直流的励磁电流调节由涡流产生的制动转矩，进行涡流制动调速。这种涡流制动器相当于电磁性质的常开式制动器，在断电时无支持制动作用，仍必须保留常闭式制动器。而且在使用中由于涡流发热造成温升过高常有故障发生，进一步应用受到限制。起重机用短时工作的电动机，一般应力求在工作转速下运转，才能保证正常的作业效率；主要是在制动过程当中要求调速，以实现目的制动和缓解冲击。单纯以电动机调速为出发点的各种调速控制装置，对常闭式制动器原样保留而无任何改进，仍缺乏控制制动使得问题不能从根本上解决。因此应把着眼点转移到克服常闭式制动器的问题上来，使其在支持制动的基础上兼有控制制动作用。若能突破这一技术关键，并可利用控制制动调速的原理，对绕线电动机进行调速，诸多问题都将迎刃而解。
据中国机械工业出版社1982年版《起重机械》一书介绍一种具有低速挡的交流起重机起升机构，液压推杆制动器的驱动电机(以下简称推杆电机)的定子与绕线电动机转子电路连线接通，由电动机转子发出并随其转速变频的交流电供电。在低速档时电动机因接入附加电阻机械特性变软，当电动机转速上升对推杆电机供电的频率下降，则推杆电机转速降低推杆推力减小而制动转矩增大，使电动机转速下降到某一低转速运行，此时的电磁转矩与负载转矩和制动转矩相平衡。该例仅有一级低速且调速范围只有1∶3，还要改变制动器原来的结构加装辅助弹簧和阻尼装置，技术手段简单落后应用价值不高。但表明常闭式的液压推杆制动器具有潜在的控制制动作用，如果采取恰当的手段使其充分发挥，就能用来对绕线电动机进行调速；在解决常闭式制动器缺乏控制制动问题的同时，也解决了绕线电动机不能按需调速的问题，能从根本上消除存在的诸多弊端，从而发展成为一种更适于交流起重机的调速技术。
发明内容
本实用新型的目的是为同时解决常闭式制动器缺乏控制制动和绕线电动机不能按需调速的两大问题，根除交流起重机存在的诸多弊端；推出一种更适于各种交流起重机调速的控制装置，可使常闭式制动器获得控制制动作用，并对绕线电动机在实施制动的过程中进行调速，以满足各机构在各种工作情况下的调速要求，全面提升整机的效能。
本实用新型的目的是这样实现的在原电磁控制装置的基础上，采取以下技术手段予以改造①提供可调电源对推杆电机实行调速，使常闭式的液压推杆制动器获得控制制动作用；②以该种制动器为执行机构组成具有转速负反馈的自动调节系统，在制动过程中调节制动转矩对绕线电动机进行调速；③由原控制器与给定器相结合组成的调控器进行联合操作，同步控制附加电阻和给定电压值；④起升或变幅机构在重载下降时令电动机脱离电源，由液压推杆制动器控制实施重载制动下降。由此形成一种具有液压推杆制动调速特征的交流起重机调速方式，其控制装置即为本实用新型。包括以原电磁控制装置为基础的电磁控制部分和新增设的自动调节部分，电磁控制部分用来控制电动机的电磁转矩，自动调节部分用来调节制动器的制动转矩。这两个部分联合工作的原理是绕线电动机主要特点是转子可以附加电阻增大电磁转矩，最大转矩可达额定转矩的3倍，以满足起重机机构重载起动的要求。原电磁控制装置中的电阻器分为若干段次，受控制器逐挡控制。电阻挡次由低到高附加电阻值从大到小，电动机机械特性逐次变软，特性曲线倾斜度逐次增大，电动机转速随电阻挡次降低和电磁转矩增大而降低。在开始起动的电阻挡次上转速为零时，具有接近最大转矩的最大起动转矩值，远大于允许的负载转矩(负载转矩不能大于额定转矩)，因此低转速下电磁转矩总是大于负载转矩，两者的差值使电动机沿该电阻挡次的特性曲线不断加速；随转速的提高电磁转矩减小可能达到平衡，但由于机械特性过软也得不到稳定。只能逐档切除附加电阻继续加速，直到接近额定转速的高转速时才能稳定运行，电阻器的作用只限于起动加速。本实用新型新增设的自动调节部分，使液压推杆制动器获得控制制动作用，能够连续地调节制动转矩。若以开始起动的电阻挡次作为第1挡，在最低的第1挡电阻特性曲线上，利用制动转矩补偿电磁转矩与负载转矩的差值，就能在某一低转速时取得平衡，并有转速负反馈自动调节来保持这个平衡状态，使电动机以该转速稳定运行。若由大到小逐渐减小制动转矩，即能对电动机从最低转速起进行一段无级调速。当调到适当转速时应变换到上一个电阻挡次，电动机将运行在第2挡电阻的特性曲线上，其电磁转矩增大但制动转矩和负载转矩并无变化；于是开始加速直到制动转矩能补偿电磁转矩与负载转矩的差值，取得新的平衡时其转速已提高一级以相应的转速运行；其间的过渡过程因转速负反馈自动调节，达到动态稳定不会发生转速振荡。也就是利用自动调节部分连续调节制动转矩，在某一电阻挡次时可进行一段无级调速；利用电磁控制部分变换电阻挡次，在某一制动转矩时可使转速调节一个级数。适当配置电阻挡次及其电阻值，在制动转矩可调范围内实行联合操作，同步控制电阻挡次和给定电压信号；就可使绕线电动机实现上述的调速过程，并具有足够的调速范围，其中第1挡电阻时能得到中速以下的无级调速。
以下分述本实用新型各部分的结构组成，及其主要部件的结构与作用原理自动调节部分的部件包括给定器、比较器、可调电源控制器、可调电源、测速发电机、反相器及限速器，它们与液压推杆制动器和绕线电动机构成具有转速负反馈的自动调节系统，液压推杆制动器是其中的执行机构起关键作用。在原电磁控制中它与传统的电磁铁制动器比较，同属缺乏控制制动的常闭式制动器，但上闸时间相对较长制动转矩是渐加的，有一定缓冲作用适合在运行机构应用，但对起升和变幅机构会发生“溜钩”而不适用。液压推杆制动器由瓦块式的制动器架和液压推杆式的松闸器组成，制动器架通过杠杆与松闸器的推杆连接。制动器架上的主弹簧先经预调压缩变形取得原始上闸力，带动制动臂使闸瓦抱紧制动轮产生相应的制动转矩。通电时推杆电机带动油泵的叶轮转动，将油液打入油缸形成油压成为推杆推力，经杠杆传递转变为作用在主弹簧上的松闸力。当推杆推力增大到能使推杆上升，松闸力大于原始上闸力时则进一步压缩主弹簧，带动制动臂使闸瓦脱开制动轮实现松闸。断电时推杆电机停止运转，推杆推力及松闸力消失推杆和主弹簧复位，在原始上闸力作用下使闸瓦抱住制动轮进行制动。但因液压推杆式松闸器有一定惯性，推杆电机断电时从额定转速到停止的时间内，油压力随其转速平方的比例关系逐渐降低，推杆推力及松闸力逐渐减小；由原始上闸力与松闸力的差值决定的上闸力则逐渐增大通过闸瓦渐加于制动轮，所产生的制动转矩逐渐增大直至达到与原始上闸力相应的最大值。如果能使推杆电机稳定在某一转速上，由此得到的推杆推力、松闸力和上闸力，则使制动器产生与推杆电机转速相对应的制动转矩。若对推杆电机进行调速改变其转速，就能调节液压推杆制动器的制动转矩，使其获得控制制动作用。为使液压推杆制动器充分发挥控制制动作用，应预先调定制动转矩使其达到额定值，并力求扩大推杆电机的调速范围。这样就能最大限度的调节制动转矩，也使原有的支持制动作用达到最大。
鼠笼式的推杆电机，功率很小仅为绕线电动机容量的几十分之一，所带动的油泵属于平方降类型的负载，并且只需单向运转，所以很容易通过可调电源的手段实现调速。交流变频调速方式应为首选，采用简易通用的电压型变频器就可满足以上要求。变频器的主电路由其整流电路对输入的三相交流工频电源进行整流，经直流中间电路输出作为直流电压源；再通过由半导体开关电路组成的三相逆变电路，将直流电转换为具有所需频率及其相应电压的三相交流电输出，提供给推杆电机进行调速。其控制电路的中心是由高性能微处理器并配以多种芯片组成的运算电路，可以运算处理外部输入的开关控制和模拟调节信号以及内部检测的各种反馈信号，为变频器主电路提供必要的门极(或基极)驱动信号。由主电路及其控制电路结合为一体的变频器，只需通过端子与相关的外部电路连接，并经过必要的设定后就能实现对推杆电机的调速要求。还有一种交流调压调速方式也适合对推杆电机调速，可调电源采用晶闸管调压器，它是一个三相全控桥式交流调压电路，由各相两个反向并联的晶闸管组成，串联在推杆电机的定子电路上，通过其控制电路调节各个晶闸管的移相角进行调压。该种可调电源控制器采用锁相控制的模拟—数字触发电路，所有器件均集成于一块触发版，通过端子与外部相关电路连线。由低压电源兼同步变压器提供单相同步信号，锯齿波发生器产生与电源同频的锯齿波。调节器综合输入调节信号以及交流电流和电压的反馈信号，经过调节后得到的控制电压与锯齿波电压相比较，用来控制锁相环使其输出信号的频率与电源严格同步。再通过用于分相组合的数字电路产生六路宽脉冲列，放大后经脉冲变压器隔离输出，用来控制各个晶闸管的移相角，以调节晶闸管调压器的输出电压。上述的可调电源及其控制器还有很多公开的电路或产品可供选用，但其实质都是起到信号调节和功率放大作用，用来驱动液压推杆制动器执行对绕线电动机调速。
控制上述可调电源及其控制器的调节信号并不是直接给定的，而要用给定值与被调值之间的偏差进行调节，偏差信号的取得是由给定器、比较器、测速发电机和反相器实现的。给定器是由给定电位器组成的分压电路，其直流电源由变频器或触发版引出，可在0～+10伏间连续或逐级的调节直流电压值，用来模拟绕线电动机的转速物理量。由给定器给出的给定电压信号表示转速给定值输入到比较器。同时测速发电机与绕线电动机同轴连接，其输出电压与电动机转速成正比，经电容滤波和电位器整定得到的直流反馈电压信号表示转速被调值，直接或通过反相器将负极性的反馈电压信号输入到比较器。反相器是一个具有反相放大器的变号电路，因测速发电机转向不同反馈电压信号具有正极性或负极性，通过反相器可为比较器提供负极性的反馈电压信号，同时也为限速器提供正极性的控制电压信号。比较器是一个具有反相放大器的加法电路，将正极性给定电压与负极性的反馈电压代数相加得到偏差电压信号。这一偏差电压信号提供给变频器或触发版用作调节信号，可对来自电源和负载的干扰进行自动调节，使绕线电动机的调速过程取得稳定，扩大调速范围。
本实用新型是以原电磁控制装置为基础的，其电磁控制部分仍由控制器通过电磁控制柜中的各接触器和继电器，分别控制三相交流主电路，包括绕线电动机的定子电路和转子电路以及推杆电机定子电路。与原来比较转子电路上的电阻器，剔除反接制动或起动预备等不必要的电阻段，电阻段数应减少到两段具有三个电阻挡次。这时最低的第1挡具有全部电阻，其电阻值应使电动机的起动转矩达到最大，在该电阻挡次特性曲线上调速能够得到最低的转速，取得最大的调速范围并实现中速以下的无级调速；中间的第2挡用作中速到高速的过渡挡，最高的第3挡电阻全部切除，使电动机达到工作转速正常运行。推杆电机定子电路上串联有可调电源，为推杆电机供电。由于主电路的上述变化，电磁控制柜的控制回路也要有相应的改变保留有零压继电器、正向接触器、反向接触器、第2挡加速接触器、第3挡加速接触器的各控制回路；新增有故障中间继电器、转换中间继电器、转换延时继电器的各控制回路。其中故障中间继电器在变频器或调压器故障时对整个控制装置起保护作用，转换中间继电器和转换延时继电器用于实施重载制动下降。
电磁控制部分的电磁控制柜，不仅受控制器的控制而且还要受限速器的控制。来自测速发电机经反相器的反馈电压信号，由限速器转换为开关信号控制电磁控制柜中相应的继电器和接触器，使电磁控制部分也形成闭环的自动控制。这与开环的电磁控制装置显著不同，主要目的是为了实施重载制动下降进行自动转换。重载制动下降是本实用新型特定的方式指起升或变幅机构在重载下降的情况下，令电动机脱离电源在重载作用下反向转动，由液压推杆制动器实施控制制动，实现重载的调速下降。限速器利用一种能对模拟信号进行非线性处理的比较电路，该电路具有一个同相放大器，在其反向输入端设置基准电压，当输入到同向输入端的控制电压信号达到基准电压值时；则该同相放大器翻转其输出电压接近电源电压，经电压跟随器使三极管导通相应的继电器得电动作，以控制相关电路。限速器中用于限速转换的比较电路，按略高于空载时最低转速的反馈电压值预置基准电压，以正极性反馈电压作为控制信号。当重载反向操作时，电动机处于电动状态并受重载作用迅速加速，其反馈电压很快达到基准电压值，同相放大器翻转限速转换继电器得电动作。经转换中间继电器使零压继电器失电，则整个控制装置断电电动机停运制动器上闸；但转换延时继电器同时得电经延时后其常开触点闭合，重新接通变频器恢复工作使推杆电机开始运行。至此完成转换进入重载制动下降工作状态，依靠液压推杆制动器的控制制动，实现重载下降的无级调速。限速器中用于保持正常操作的比较电路，按略高于最低给定电压值预置基准电压，以给定电压作为控制电压信号。当轻载反向操作时，给定电压值将很快达到并超过基准电压，该电路的保持继电器得电动作，使反馈电压信号不能进入限速转换比较电路。限速器中用于限速保护的比较电路，预置的基准电压应略高于同步转速的反馈电压值，以反馈电压作为控制信号。当电动机因故超过同步转速，其反馈电压值将达到基准电压，限速保护继电器得电动作，使整个控制装置断电而起保护作用。限速保护用于起升或变幅机构在重载制动下降时，防止发生“飞车”事故；户外起重机在大车运行中遭遇大风时，自动实施防风的紧急制动。
为使电磁控制和自动调节两个部分能够协调配合工作，本实用新型以调控器作为联合的操作装置。调控器是控制器和给定器的组合，通过对原有凸轮控制器、主令控制器或联动控制台进行改造均可实现。在多级调速时，给定器是一般电位器组成的分压电路，需要与控制器中的相关触头连线，这时应对控制器内部加以改装，按电阻挡次及触头分合程序在主轴上组合凸轮片，并相应地配置包括动、静触头的接触系统。为实现中速以下范围的无级调速，给定器由特制的正、反向给定电位器组成，其结构类似于电位计式的主令控制器。这时应对控制器内部的凸轮片和接触系统按要求进行组合，还要将控制器的主轴延长到支架(或底座)外伸出一段悬臂，以便加装给定器使它们同轴联动。给定器的固定部分加装在支架上，包括绝缘体及正向和反向给定电位器骨架，两个骨架各有一根电阻丝密集缠绕形成电阻丝绕组。给定器的转动臂，一端安装在主轴的悬臂端，另一端连接的电刷与正、反电位器的骨架嵌合，在电阻丝绕组上接触滑动。端盖面板标识有每个操作位置，利用手柄操作带动主轴上的凸轮片和转动臂转动，当处于某一操作位置时将同时给出其电阻挡次和给定电压值。此外通用的可编程控制器，也能同时给出电阻档次的开关信号和给定电压的模拟信号，根据其产品说明书即能安装使用，已属公知的技术理应落在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型能从根本上解决原电磁控制装置存在的诸多问题，与其他调速的控制装置相比也有优势，具体表现在以下几个方面有①全面地提升起重机的工作效能。本实用新型突出特点是使常闭式的液压推杆制动器具备控制制动作用，在对电动机实施制动的过程中进行调速，具有足够的调速范围并实现中速以下的无级调速，能满足各机构不同情况下的工作要求正常作业中能掌握制动过程，实现目的制动准确到位停车，消除“点动”缓解制动冲击，提高作业安全质量和效率；也可进一步控制起动过程，改善起动性能；对于起升或变幅机构，不但完全可以应用液压推杆制动器，而且能利用其控制制动实施重载下降进行无级调速，十分方便可靠。对于大车运行机构，其液压推杆制动器预先已经调到额定制动转矩，当然会充分发挥其应有的支持制动作用，能有效地实施防风制动。本实用新型消除常闭式制动器缺乏控制制动这一缺点，实质上是解决涉及整机性能的一大要害，根除了原电磁控制转置存在的诸多问题，从而全面提升了起重机的工作效能。②可靠性和耐久性显著增强。本实用新型通过控制制动有效的缓解了制动冲击，起动冲击也得到进一步减轻，可大幅度地减少由冲击产生的机械振动；动载负荷随之减少相当于提高机件的可靠性和耐久性，以防机件的折损和疲劳破坏，降低设备故障和事故率。尤其是对涉及整机的主梁等金属结构部件相对的增强，等于延长起重机的使用寿命，甚至为某些在用起重机实行增大起重量或提高工作速度的技术改造提供了可能性。采用本实用新型设计制造的起重机，将会改变现在自重过大和工作速度过低的落后面貌。③简便易行广泛适用。本实用新型是通过对推杆电机调速来实现机构的绕线电动机调速的，把一个具有恒转矩负载、在四个象限以电动或制动状态运行、大功率绕线电动机调速的复杂困难问题转化为具有平方降负载、单向运行、功率很小的鼠笼式推杆电机调速的简单容易问题。因此并不改变原机械部分的结构布局，对原电磁控制也变动不大，只需增加可调电源及其控制器和其他少量电子器件，其结构简明便于生产制作、安装调试和养护维修。在使用上统一操作符合原来基本的操作程序和习惯，实施重载制动下降还能自动识别和转换。并且广泛适用于各种用途和规格的交流起重机，尤其适合对在用起重机的改造升级，容易推广普及应用。④经济性好性能价格比高。本实用新型的电磁控制部分较原电磁控制装置有所简化，淘汰了其中不必要的接触器和继电器；增设的自动调节部分均为与推杆电机容量相当的小功率电子原器件，总体上与原电磁控制装置定型产品的价格相差不多，而远低于其他调速控制装置的造价，其中低于变频调速控制装置数倍乃至十倍以上。如果联系到它们在性能上的所值，用性能价格比的指标来衡量，则有非常高的性能价格比，反映出本实用新型具有突出的应用价值和技术经济效果。
以下结合附图和两个具体实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的结构组成及其工作原理图。
图2是本实用新型第一个实施例的信号运算和处理电路图。
图3是本实用新型第一个实施例的主电路及其控制电路图。
图4是本实用新型第一个实施例的调控器结构图。
图5是本实用新型第二个实施例的信号运算和处理电路图。
图6是本实用新型第二个实施例的主电路及其控制电路图。
图1中1.控制器，2.电磁控制柜，3.电阻器，4.给定器，5.比较器，6.可调电源控制器，7.可调电源，8.测速发电机，9.反相器，10.限速器，11.绕线电动机，12.推杆电机，13.油泵，14.油缸，15.推杆，16.杠杆，17.主弹簧，18.制动臂，19.闸瓦，20.制动轮，21.工作机构。该图中点划线框内分别表示液压推杆制动器是标记为12～19部件的组合体，调控器是标记为1和4部件的组合体。
具体实施方式
图1表达了本实用新型的结构组成及其内外各部件之间，在电气控制、信号传递和机械连接上的关系。工作机构21由绕线电动机11驱动，液压推杆制动器由其推杆电机12驱动并通过其闸瓦19安装制动轮20上，对绕线电动机11实施机械制动。以上的交流起重机机构，由控制器1通过电磁控制柜2的各接触器、继电器控制三相交流主电路，包括绕线电动机11的定子电路、串联有电阻器3的转子电路和推杆电机12的定子电路。本实用新型具有两个部分，一个是以上述的控制器(1)、电磁控制柜(2)和电阻器(3)组成的电磁控制部分，另一个是新增设的自动调节部分。自动调节部分用直流电压信号模拟绕线电动机11的转速，由给定器4给出表示转速给定值的给定电压信号输入到比较器5；同时与绕线电动机11同轴连接的测速发电机8，发出表示转速被调值的反馈电压信号，经反相器9输入到比较器5；通过比较器5输出转速偏差电压信号，再经可调电源控制器6输出控制电压信号用于控制可调电源7，该可调电源串联在推杆电机12定子电路上，为推杆电机12供电以驱动液压推杆制动器；测速发电机8发出的反馈信号又经反相器9输入到限速器10，通过限速器10将模拟信号转换为开关信号用于控制电磁控制柜2。由控制器1和给定器4同轴连接组成的调控器，是电磁控制和自动调节两个部分的联合操作装置。
为使液压推杆制动器获得控制制动能够调节制动转矩，先对主弹簧17预调压缩变形达到允许最大值，由此得到的原始上闸力使制动器产生额定制动转矩。并且要对推杆电机12进行调速，这时推杆电机12带动油泵13的叶轮转动，将油液打入油缸14形成的油压随其转速按平方降的比例关系变化，油压力即是推杆推力推动推杆15上升，经杠杆16传递转变为作用在主弹簧17上的松闸力。若推杆电机12转速提高推杆推力增大使松闸力大于原始上闸力时，继续压缩主弹簧17并带动制动臂18，使闸瓦19脱开制动轮20实现松闸；如果推杆电机12转速降低推杆推力减小使松闸力小于原始上闸力时，则不能继续压缩主弹簧17但能抵消部分原始上闸力；以原始上闸力与松闸力的差值作为上闸力，使闸19依然与制动轮20保持密贴并产生相应的制动转矩。说明制动转矩的大小随转速的高低来变化，制动器制动转矩与推杆电机转速存在对应关系。若使推杆电机12由额定转速连续调节降低到零，则制动转矩由零开始被调节逐渐增大直到额定制动转矩。因此通过对推杆电机调速，能使液压推杆制动器获得控制制动作用；如果是无级调速则能连续调节制动转矩，制动转矩调节范围由推杆电机调速范围来决定。
本实用新型中的液压推杆制动器，是通过控制制动对绕线电动机进行调速的，在这一过程中其制动转矩总是与电动机的转速相适应，对位能性负载不会再有“溜钩”问题，因此完全能应用到起升或变幅机构上。本实用新型的第一个实施例适用于起升或变幅机构，该机构将电磁铁制动器淘汰而改用液压推杆制动器制动。图2表达出给定器4、比较器5、反相器9以及限速器10对给定和反馈信号进行运算和处理的电路原理。用直流电压值模拟绕线电动机11的转速物理量，给定电压表示转速给定值，反馈电压表示转速被调值。给定器4是一个包括正、反向给定电位器2W1、2W2和电阻2R3、2R4的分压电路，由变频器相应的端子引出的+10伏直流电压提供电源。调控器正向或反向操作时，分别接通并调节2W1和2W2得到的电压值，即为给定电压信号输入到比较器5。同时绕线电动机11带动测速发电机8发出的直流电压，经电容2C滤波和电位器2W3整定得到的电压值，即为反馈电压信号输入到比较器5，但其极性必须为负。反相器9是一个具有反相放大器2A2的变号电路，可为比较器5和限速器10分别提供负极性和正极性的反馈电压信号。受正向接触器的常开触头ZC2和切换触头ZC3控制，电动机正转时的正极性反馈电压信号，经电阻2R6通过反相器9改变为负极性输入到比较器5；反转时一路将负极性反馈电压信号直接输入到比较器5，另一路负极性反馈电压信号，经电阻2R5通过反相器9改变为正极性输入到限速器10。比较器5是一个具有反相放大器2A1的加法电路，可将由电阻2R1、2R2分别输入到5A1反相输入端的正极性给定电压和负极性反馈电压代数相加，在其输出端得到的电压即为偏差电压信号；经电阻2R9通过具有2A3反相放大器的变号电路改变极性后，由相应的端子输入到变频器BPQ，用于调节变频器的输出频率及电压对推杆电机12调速。限速器10包括三个能对信号进行非线性处理的比较电路，其中用于限速转换的比较电路具有同相放大器2A4、电压跟随器2A7、三极管2BG1和限速转换继电器2HJ，利用其分压电路上的电位器2W4在2A4反向输入端，按略高于空载最低转速的反馈电压值预置基准电压；正极性反馈电压作为控制信号经电阻2R6输入到2A4正向输入端。当重载反向操作时电动机处于电动状态且受重载作用迅速加速，其反馈电压将很快达到基准电压值，则2A4翻转使2BG1导通限速转换继电器2HJ得电动作，以便控制相关电路进行重载制动下降的自动转换。用于保持正常操作的比较电路具有同相放大器2A5、电压跟随器2A8、三极管2BG2和保持正常继电器2XJ，利用电位器2W5在2A5反向输入端，按略高于最低给定电压值预置基准电压，给定电压作为控制信号经电阻2R7输入到2A5正向输入端。当轻载反向操作时给定电压将很快达到并超过基准电压值，则2A5翻转保持继电器2XJ得电动作，使反馈电压信号不能进入限速转换的比较电路。用于限速保护的比较电路具有同相放大器2A6、电压跟随器2A9、三极管2BG3和限速保护继电器2BJ，利用电位器2W6在2A6反向输入端，按略高于同步转速的反馈电压值预置基准电压，反馈电压作为控制信号经电阻2R8输入到2A6正向输入端。当电动机因故超过同步转速反馈电压值将达到基准电压值，限速保护继电器2BJ得电动作，以控制相关电路而起限速保护作用。
图3表达了本实用新型第一个实施例的主电路及其控制电路的电路原理。该例与原电磁控制装置的主要区别是应用交流变频调速技术对推杆电机12进行调速，采用可调电源7与可调电源控制器6合为一体的变频器，变频器BPQ是一种简易通用型的变频器，通过相应的端子与其外的相关电路连接。变频器BPQ的输入端子R、S、T与推杆电机12定子电路三相交流电源的各相连接，为变频器内的整流电路提供电源；整流电路经中间直流电路为逆变电路提供直流电压源，受其控制电路的控制逆变电路将直流电转换为所需频率及电压的三相交流电，通过变频器BPQ的输出端子C、V、W与推杆电机12定子相连。变频器控制电路开关信号的输入端子RUN和公共端子COM分别与正、反向接触器常开辅助触头ZC1、FC1以及转换延时继电器常开触头YHJ1相连，用于控制变频器的运转/停止，其模拟信号的电源端子10V、公共端子O对应的与给定器4的电源端、公共端连接，模拟信号输入端子AI2与比较器5相连的反相放大器2A3输出端连接，为变频器输入偏差电压信号。变频器内控制电路中的运算电路，将输入信号和各种检测信号进行运算处理，为逆变电路提供门极(或基极)驱动信号；故障继电器常开触头输出端子NO和输出公共端子COM与故障中间继电器3GJ构成控制回路，当变频器故障时可令整个控制装置断电。此外，与原电磁控制装置不同的是绕线电动机11转子电路上串联的电阻器3，三相对称布置的电阻减少到两段分为三个电阻挡次，用两个加速接触器2C、3C控制，其中最低的第1挡具有全部电阻起动转矩为最大。调控器由主令控制器和给定器组合而成，实行同轴联动同步给出电阻挡次和给定电压值。以下按不同的操作位置说明整个控制装置的工作过程当操作在零位时调控器零位触头1闭合，零压继电器LYJ得电其常开触头LYJ1闭合实现自锁为后续的操作提供控制电路的工作电源，同时起零位联锁、欠压、过流、故障保护和限速转换等作用。当操作在正向第1挡时调控器触头2闭合，正向接触器ZC得电其主触头闭合，接通绕线电动机11定子电路和转子电路并附加全部电阻，电动机具有第1挡电阻的特性曲线；其辅助触点ZC1闭合接通变频器BPQ开始工作；其辅助触头ZC2、ZC3动作接通转速负反馈的回路，同时调控器触头6(即电刷与正向给定电位器电阻丝绕组的接触点)接通正向给定电位器2W1并给出最低给定电压值，经比较器5向变频器BPQ输入偏差电压信号，推杆电机12则按变频器的输出频率具有最低转速，使液压推杆制动器产生相应的制动转矩；此时绕线电动机11以第1挡的最低转速正向运行。当操作在1～2挡中间的位置，给定电压值逐渐提高电动机转速随之提高；趋近于第2挡位置具有第1挡的最高给定电压值，电动机则达到第1挡的最高转速。当操作在正向第2挡位置时调控器触头4闭合，加速接触器2C得电其主触头闭合切除一段电阻，电动机具有第2挡电阻的特性曲线；此时第1挡的最高给定电压值即是第2挡的最低给定电压值，电动机转速随之提高一级以第2挡的最低转速正向运行。当操作在2～3挡位置，电动机转速逐渐提高，至正向第3挡位置时调控器触头5闭合，加速接触器3C得电其主触头闭合电阻全部切除，给定电压值也达到最大值，绕线电动机11则具有自然特性曲线，以工作转速正向运行。由于轻载的反向操作与上述的正向操作过程是对称的，无需另行说明。现进一步阐述为实施重载制动下降，进行重载反向操作的工作过程当重载反向操作在第1挡位置时，绕线电动机11处于反向的电动状态并受重载作用，其转速将迅速提高，反馈电压则很快达基准电压值，使限速器10的限速转换继电器2HJ得电动作，经转换中间继电器的常闭触头3HJ1作用使零压继电器LYJ失电，其常开触点LYJ1打开令整个控制装置断电，此时电动机停运制动器上闸；但同时转换中间继电器的常开触点3HJ2闭合使转换延时继电器YHJ得电，经过延时其常开触点YHJ1、YHJ2闭合实现自锁并接通变频器使其重新工作。此时操作位置仍为反向第1挡，具有最低给定电压值使液压推杆制动器产生相应的制动转矩，用来控制已断电的电动机在重载作用下反向转动；又由于负反馈的自动调节作用使其以最低转速稳定运行。至此完成了由正常操作到重载反向操作的自动转换，继续进行重载反向操作，由低到高连续调节给定电压值，即可实现重载制动下降的无级调速。
图4表达了本实用新型第一个实施例的调控器的结构组成及工作原理。调控器由控制器1与给定器4组成并实行同轴联动，在该例中控制器1采用主令控制器，可通过对其改制加装来组成调控器。将主令控制器的主轴26延长，使其伸出支架27外形成悬臂端。在支架以内的主轴上按触头分合程序改装组合凸轮片25，并相应地配置包括动、静触头的接触系统24。给定器4的固定部分加装支架上，包括绝缘体28及正、反向给定电位器骨架29、30，对称布置的两个弧形骨架各用一根电阻丝密集缠绕形成电阻丝绕组31。给定器4的转动臂32，其一端通过绝缘套33安装在主轴26的悬臂端；另一端连接的电刷34与正、反向给定电位器骨架29、30嵌合，在电阻丝绕组上接触滑动。在端盖23的面板上标识每个操作位置，以零位居中前后对称地设置正、反向操作的第1、2、3挡，又以最低的第1挡位置分别作为正、反向给定电位器的始端，最高的第3挡位置为末端。利用手柄22操作，带动主轴26上的凸轮片25和转动臂32转动，当处于某一操作位置时将同时给出其电阻挡次和给定电压值。
本实用新型的第二个实施例适用于交流起重机的大车起行机构，大车走行机构由两台绕线电动机11分别驱动，各用一个液压推杆制动器实施制动，利用一个晶闸管调压器为可调电源7对两个并联的推杆电机12进行调速，利用经过内部改组的凸轮控制器为调控器，同时对两台绕线电动机11进行多级调速。图2表达了给定器4、比较器5、反相器9以及限速器10对给定和反馈信号进行运算和处理的电路原理。给定器4是一个包括给定电位器5W1、5W2、5W3和电阻5R3的分压电路，由触发板CFB端子12引出的-10伏电压，经过具有反相放大器5A4的变号电路，得到+10伏电压提供电源。由调控器操作短接各个给定电位器得到不同的电压值，即为给定电压信号输入到比较器5。两台绕线电动机11各自带动其测速发电机8发出的直流电压，分别经电容5C1滤波电位器5W4整定和电容5C2滤波电位器5W5整定得到两个电压值；再分别通过电阻5R4、5R5输入到具有反向放大器5A2的加法电路进行运算，得到已经改变极性的电压平均值作为反馈电压信号输入到比较器5，但其极性必须为负。反相器9是一个具有反相放大器5A3的变号电路，电动机正转时一路将负极性反馈电压信号直接输入到比较器5，另一路受正向联动接触器切换触点ZLC1控制，则经电阻通过5R6反相器9改变极性，将正极性反馈电压输入到限速器10；反转时一路受反向联动接触器切换触点FLC1控制，经电阻5R6通过反相器9改变极性，将负极性反馈电压输入到比较器5，另一路则将正极性反馈电压信号直接输入到限速器10。比较器5是一个具有反相放大器5A1的加法电路，可将由电阻5R1、5R2分别输入到5A1反相输入端的正极性给定电压和负极性反馈电压代数相加；在其输出端得到的电压即为偏差电压信号，由相应的端子输入到触发板CFB，用来调节晶闸管调压器的输出电压对推杆电机12调速。限速器10的限速保护的比较电路，具有同相放大器5A5、电压跟随器5A6、三极管5BG限速保护继电器5SJ。利用电位器5W6在5A5反相输入端，按略高于同步转速时的反馈电压值预置基准电压，正极性反馈电压信号作为控制信号经电阻5R7输入到5A5的正相输入端。户外起重机在大车运行中遭遇大风，使其电动机转速加快到超过同步转速，其反馈电压值达到基准电压值时，则限速保护继电器5SJ得电动作，使整个控制装置断电自动实施防风的紧急制动。
图5表达了本实用新型第二个实施例的主电路及其控制电路原理。该例与原电磁控制装置的主要区别是应用交流调压调速技术对推杆电机12进行调速，可调电源7采用晶闸管调压器。该调压器的各相均有两个反向并联的晶闸管T1和T2、T3和T4、T5和T6组成三相全控桥式交流调压电路，串联在推杆电机定子电路上，通过调节各个晶闸管的移相角进行调压。可调电源控制器6采用锁相控制的模拟-数字触发电路，集成为一块触发版CFB，该触发版通过其输入和输出端子与相关电路连接。其中输入端子1～3与晶闸管调压器的输入端连接，为低压电源兼同步变压器提供单相同步信号，由锯齿发生器产生与电源同频的锯齿波。输入端子4～6与电流负反馈的电流互感器HB1、HB2、HB3连接，输入端子8、9与电压负反馈的变压器6FB连接，提供交流电流和电压的反馈信号；输入端子12、13和15分别与给定器4的电源输入端、比较器5输出端和模拟信号公共端对应连接，提供偏差电压信号；这些信号通过调节器的综合调节得到控制电压，该电压与锯齿波电压相比较用来控制锁相环，使其输出信号的频率与电源严格同步；再通过由数字器件组成的分相组合电路产生六路宽脉冲列，放大后经脉冲变压器隔离输出。输出端子19～30分别与晶体管调压器中六个晶闸管T1～T6的门极和阴极对应连线，用于控制它们的移相角来调节晶闸管调压器的输出电压。故障输出端子17、18与故障中间继电器6GJ连接，通过控制主接触器XC断电而起保护作用。绕线电动机11转子电路上串联的电阻器3，三相非对称布置的电阻减少到两段(该实施例中转子电路常接的软化电阻除外)分为三个电阻挡次，其中最低的第1挡具有全部电阻起动转矩为最大。原为五个电阻挡次的凸轮控制器有部分闲置的触头，可用来短接给定器4的各给定电位器和控制正、反向联动接触器ZLC、FLC；所以只要对凸轮控制器内部的凸轮片加以改组并相应地配置接触系统，就能使其成为用于联合操作的调控器，能同时给出电阻挡次和给定电压值。以下按其不同的操作位置说明整个控制装置的工作过程。当操作在零位时零位触头O闭合，按动起动按钮QA主接触器XC得电，其主触头闭合为主电路提供电源准备，辅助触头XC1闭合实现自锁并为控制电路提供电源准备，同时起零位联锁、欠压、过流、限速等保护作用。当操作在正向第1挡时调控器触头Z1、Z2闭合，按正向相序接通绕线电动机定子电路和转子电路并附加全部电阻，两台绕线电动机11均具有第1挡电阻的特性曲线；调控器触头ZL闭合正向联动接触器ZLC得电，其主触头闭合接通晶闸管调压器及推杆电机12，其辅助触点ZLC1动作接通转速负反馈的回路；同时由给定器4的分压电路给出第1挡给定电压值，经比较器5向触发板CFB输入偏差电压信号。此时两台绕线电动机11以第1挡的转速正向运行。当操作在正向第2挡时调控器触头G1闭合，短接分压电路中的给定电位器5W1给出第2挡给定电压值，保持全部电阻的两台绕线电动机11仍具有第1挡电阻的特性曲线，以第2挡的转速正向运行。当操作在正向第3挡时调控器触头G2闭合，短接分压电路中的给定电位器5W2给出第3挡给定电压值，保持全部电阻的两台绕线电动机11仍具有第1挡电阻的特性曲线，以第3挡的转速正向运行。当操作在正向第4挡时调控器触头2J1、2J2闭合分别切除一段电阻，两台绕线电动机均具有第2挡电阻的特性曲线，但仍保持3挡给定电压值，以第4挡的转速正向运行。当操作在正向第5挡时调控器触头3J1、3J2闭合分别将余下的电阻并联，其电阻值较小作为常接在转子电路的软化电阻；同时控制器触头G3闭合短接分压电路中的给定电位器5W3，给定电压为最大值；此时两台绕线电动机均具有第3挡电阻的特性曲线，以第5挡的转速正向运行。因有软化电阻这一转速稍低于工作转速，不影响电动机的正常工作。运行机构为摩擦性负载正、反向操作对称，其反向操作与上述同理不再赘述。
权利要求1.一种交流起重机调速的控制装置，由控制器(1)通过包括接触器、继电器的电磁控制柜(2)及电阻器(3)，控制驱动工作机构(21)的绕线电动机(11)和驱动液压推杆制动器的推杆电机(12)，其特征在于具有两个部分，一个是以上述的控制器(1)、电磁控制柜(2)及电阻器(3)组成的电磁控制部分，另一个是新增设的自动调节部分；自动调节部分的结构组成及其各部件在电气控制、信号传递和机械连接上的关系是由给定器(4)给出的给定电压信号输入到比较器(5)，同时与绕线电动机(11)同轴连接的测速发电机(8)发出的反馈电压信号经反相器(9)输入到比较器(5)，通过比较器(5)后输出的偏差电压信号，经可调电源控制器(6)输出控制电压信号用于控制可调电源(7)，该可调电源串联在推杆电机(12)定子的三相交流电路上，为推杆电机(12)供电以驱动液压推杆制动器；测速发电机(8)发出的反馈电压信号又经反相器(9)输入到限速器(10)，通过限速器(10)将模拟电压信号转换为开关信号用于控制电磁控制柜(2)；由控制器(1)与给定器(4)组成的调控器操作。
2.根据权利要求1所述的交流起重机调速的控制装置，其特征在于其可调电源(7)和可调电源控制器(6)采用两者组合为一体的变频器BPQ，该变频器主电路通过其输入端子R、S、T和输出端子U、V、W串联在推杆电机(12)定子的三相交流电路上，其控制电路的开关信号输入端子RUN、COM与并联在一起的正、反向接触器常开触头、转换延时继电器常开触头ZC1、FC1、YHJ1连接，模拟信号的电源端子10V、公共端0分别与给定器(4)的电源端、公共端连接，模拟信号的输入端子AI2与比较器(5)相连的反向放大器2A3输出端连接，故障信号的输出端子NO、COM与故障中间继电器3GJ连接。
3.根据权利要求1所述的交流起重机调速的控制装置，其特征在于其可调电源(7)可采用晶闸管调压器，它是一个三相全控桥式交流调压电路，各相均有两个反向并联的晶闸管T1和T2、T3和T4、T5和T6串联在推杆电机(12)定子电路上；可调电源控制器(6)是一个锁相控制的模拟—数字触发电路，所有器件集成于触发版CFB，其输入端子1～3与晶闸管调压器的输入端连接，端子4～6与交流电流负反馈的电流互感器HB1、HB2、HB3连接，端子7、8与交流电压负反馈的变压器FB连接，端子12、15和13分别与给定器(4)电源的输入端、公共端和比较器(5)输出端连接；输出端子19～30分别与各自对应的晶闸管T1～T6的门极和阴极连接，端子17、18与故障中间继电器6GJ连接。
4.根据权利要求1所述的交流起重机调速的控制装置，其特征在于其给定器(4)采用具有正、反向电位器2W1、2W2和电阻2R3、2R4的分压电路。
5.根据权利要求1所述的交流起重机调速的控制装置，其特征在于其给定器(4)可采用具有给定电位器5W1、5W2、5W3和电阻5R3的分压电路。
6.根据权利要求1所述的交流起重机调速的控制装置，其特征在于其限速器(10)采用一种能对信号进行非线性处理的比较电路，包括同相放大器、电压跟随器、三极管和继电器。
7.根据权利要求1所述的交流起重机调速的控制装置，其特征在于绕线电动机(11)转子串联的电阻器(3)，分为两段具有三个电阻挡次；其中第1挡具有全部电阻，其电阻值应使绕线电动机(11)的起动转矩达到最大。
8.根据权利要求1所述的交流起重机调速的控制装置，其特征在于其电磁控制柜(2)包括正、反向接触器ZC、FC、加速接触器2C、3C、零压继电器LYJ、转换中间继电器3HJ、转换延时继电器YHJ、故障中间继电器3GJ。
专利摘要一种交流起重机调速的控制装置，具有液压推杆制动调速的特征。在电磁控制部分的基础上，增设具有转速负反馈的自动调节部分，联合操作同步给出电阻挡次和给定电压调节信号。通过变频器或调压器对液压推杆制动器的小功率驱动电机实行调速，使该种常闭式制动器获得控制制动作用；在制动过程中调节制动转矩与负载转矩共同来平衡电磁转矩，使机构的大功率绕线电动机实现大范围的调速。由此根除交流起重机存在的诸多问题，做到准确停车缓解冲击振动，具备防风制动功能；使液压推杆制动器也能在起升和变幅机构上应用，并可实施重载制动下降进行无级调速；全面提升整机的效能、耐久性和可靠性。并且结构简明、使用制作便利、造价低廉，适合各种用途和规格的交流起重机。
文档编号B66C13/22GK2741948SQ200420059678
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月24日 优先权日2004年5月24日
发明者孔凡华 申请人:孔凡华