专利名称：用逆变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机转子变频调速系统，特别是一种用逆变 器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速系统。
背景技术：
电动机是起重机、风机和水泵各工作机构中的原动机，它将电 能转化为机械能。就起重机为例，它可以拖动起重机执行提升(或下 降)、变幅、回转和行走等多种不同机构运动，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动机变频调速系统原 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器又转换 成不同工作频率的交流来驱动电动机转动工作。
假设电网电源频率为f。， 电动机工作频率为fm。 那么fnT^f。成立， 这里l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，就需要不同的电动机 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， 所需的电动机转速不同，即电动机的工作频率fm不同。然而，在传 统的电动机变频调速系统中， 一个逆变器只能变换一个电动机工作频
率，对一个电动机进行变频调速，俗称"一拖一"技术。显然，对于 起重机的四种不同工作，就需要四个逆变器电路才能实现两次换能的 "交一直一交"变换，产生多个电动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，传统的电动机调速系统，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 要用四个逆变器，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器，对于起重 机正常运行的四种功能。仍需配置四个逆变器。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器，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，本发明人就如何用一 个逆变器，带动四台电动机，起重机工作时，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进行过研究。并曾先后相 继申请，经国家知识产权局授予实用新型三项专利，其专利号分别为 "ZL002324369" 、 "ZL01212245"和"ZL2007200870857"。同时，
今年又申请二项发明专利，其申请号为"2008100941476"和 "2008100482526"。然而，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，确保系统正常运行， 以及根据电动机额定功率大小如何合理工作等问题，还有待全面解 决。
发明内容
本发明的目的之一，是提供用一个全桥逆变器拖动多台电动机 异步同时实现转子变频调速系统。即对多台电动机在线控制时，由同 一个逆变器输出的电压，作各功能电动机的附加反向电动势，驱动各 功能斩波器实时工作，以实现多台电动机异步同时运行。
本发明的目的之二，是提供用一个半桥逆变器拖动多台电动机 异步同时实现转子变频调速系统。即对多台电动机在线控制时，由同 一个逆变器输出的电压，作各功能电动机的附加反向电动势，驱动各 功能斩波器实时工作，以实现多台电动机异步同时运行。
本发明目的之三，是使该系统具有能量反馈再利用功能，做到 有效节约能源。
本发明的目的之四，是用一个系统实现全桥有源逆变或半桥有 源逆变的电动机转子变频调速。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是用逆变器拖动 多台电动机异步同时实现转子变频调速系统，包括-
一个电动机组，含有4台电动机Mi、 M2、 Ms和M4，用以异 步同时完成起重机提升、变幅、回转和行走多种工作；
一个整流器组，含有4个整流桥Z" 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2个限流器L7和Ls,用以提供瞬时电流， 使系统正常工作；
一个斩波器组，含有4个斩波器:IGBTi、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，以达到电动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，电动机转速为额定转速；
—个隔离器组，含有8个隔离器D2、 D3、 D4,D5、 D6、 D7和Ds，做到在最小工作电流下，仍能维持其连续性，确保系统正 常工作；
一个全桥逆变器或一个半桥逆变器，甩以将各电动机转子输出 的不同频率的交流电经整流为直流后，逆变成与工业交流电源同频，
同相的电源，实现交变直，直变交，并进行能量反馈至电动机或电网； 一个电流反馈电压检测器组，含有4个电压检测器Uu、 UI2、
1113和1114,系位于前述整流桥所包含的电流反馈所流经的电阻，用以
检测经各对应的电流反馈直流电流，并转换为电压形式送至相应的信
号处理器的输入端；
一个速度反馈电压检测器组，含有4个电压检器UVl、 Uv2、
U"和UV4，系位于前述电动机转子任意两线之间，用以检测各电动
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动机进行在线控制 时，根据电动机额定功率的大小，由全桥逆变器或半桥逆变器输出的 电压作各功能电动机的附加反向电动势，利用各功能电动机的斩波器 实时工作，使各电动机异步同时运行，实现起重机提升、变幅、回转 和行走现场作业。
本发明在起重机的上升作业时，基于电动机转子接入有源逆变 系统，多余的电能始终经逆变器反馈回电动机或电网，而起重机下降 作业时，电动机定子两相通入直流励磁，于是，电动机实际上便成了 发电机，处于发电状态，而且所发出的电能再经逆变器重新反馈回电 动机或电网，实现了能量回收，有效节约了能源。
本发明在用于大功率系统中时，由全桥逆变器拖动多台电动机 异步同时实现转子变频调速而在用于中、小功率系统中时，由半桥 逆变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速。其工作状态的变 换，由外部设置的微处理器控制中心，在其主程序的控制下，对所采 集的各电动机转子相电压、整流器直流及司机给出的主令电压，进行 综合实时处理，以控制对各斩波器的有效导通和关断，实现电动机转 子变频调速。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 风速迸行自动保护、状态显示与人机对话，实现了高智能化实时控制， 确保了系统的可靠运行。
本发明就整个系统而言具有电路简单，体积小，成本低，可靠 性高，节省能源等特点。
图1为传统的起重机用不同工作的电动机变频调速系统原理图。 图2为本发明第一实施例用全桥逆变器和第二实施例用半桥逆 变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速系统电原理综合示
图中符号说明
1 电动机组M,、 M2、 M3和Mt
2 整流器组A、 Z2、 Z3和Z4
3 斩波器组IGBL、 IGBT2、 IGBTs和IGBT4
4 隔离器组D!、 D2、 D3、 D4、D5、 D6、 D 和Ds
5 限流器组L7和—
6 电力电容器组C13、 C14、 d5和CU
7 逆变器全桥逆变器为KPi 、 KP2 、 KP3 、
KP4、 KPs和KP6 半桥逆变器为KPi 、 KP2和KP3
8 速度反馈电压检测器组UV1、 UV2、 Uv3和Uv4
9 电流反馈电压检测器组Uu、 UI2、 Un和Um
具体实施例方式
请参阅图2所示，为本发明第一和第二最佳实施例。
从图2中可以看出本发明第一实施例由电动机组1、整流器组
2、斩波器组3、隔离器组4、限流器组5、电力电容器组6、逆变器 7、速度反馈电压检测器8和电流反馈电压检测器9构成一个整体； 其中 .
所述电动机组1中的4个电动机M^ M2、 M3和M4各自的转子 依次分别与整流器组2中的4个整流器Z!、 Z2、 Z3和Z4各自相对应 的输入端相连接；
所述的斩波器组3中的4个斩波器IGBTi、 IGBT2、 IGBT3和 IGBT4各自的阴极E依次分别与整流器组2中的4个整流器Z卜Z2、 Z3和Z4各自相对应的3个整流二极管的正极相交于一点，即D点；
所述逆变器7为全桥逆变器，包括6个可控硅，艮卩KPn KP2、 KP3、 KP4、 KPs和KP6 ，其3个输出端KP!与KP4、 KPz与KPs和 KP3与KP6的相连点依次分别与三相工业交流电源的A、 B、 C端相 连接，继而与电动机组l中的4个电动机M" M2、 M3和M4各自的 定子相连接。
所述隔离器组4，包括8个隔离器，即D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7和Ds,且D,和Ds、 D2和De、 03和07及04和08，依次分 别相串联连接；
其中隔离器D^ D2、 D3和D4各自的正极依次分别与各自对应的 电阻器R!、 R2、 R3和JU的输出端和斩波器IGBTV IGBT2、 IGBT3 和IGBT4的阳极C相连接；
且隔离器Ds和D6和负极同时与限流器组5中的限流电感器L7 的输入端相连接；而隔离器D7和D8的负极同时与限流器组5中的限 流电感器L8的输入端相连接。
所述隔离器组4中的相串联连接的隔离器D!和D5、 D2和D6、 D3和D7及D4和D8的相连接处依次分别与电力电容器组6中的电容
器013、 C14、 ds和d6各自的一端相连接，构成"T"形状结构。
所述电力电容器组6，包括4个电容器，g卩C13、 c14、 <:15和 C16，其各自的另一端同时与斩波器组3中的斩波器IGBIV IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的阴极E相交于一点，即D点。
所述限流器组5，包括2个限流电感器，即L7和U，且限流 电感器L7的输出端与三相工业交流电源的零线端N相连接；而限流 电感器L8的输出端同时与逆变器7中的电感器U、Ls和L6的一端相 连接于一点。
从图2中还可以看出本发明第二实施例由电动机组1，整流器 组2、斩波器组3、隔离器组4、限流器组5、电力电容器组6、逆变 器7、速度反馈电压检测器组8和电流反馈电压捡测器组9构成一个 整体；其中所述电动机组l中的4个电动机M^ M2、 M3和M4各自的转子 依次分别与检流器组2中的4个整流器Z" Z2、 Z3和Z4各自对应的 输入端相连接-,
所述斩波器组3中的4个斩波器IGB1VIGBT2、IGBT3和IGBT4 各自的阴极E依次分别与整流器组2中的4个整流器Zi、 Z2、 &和 Z4各自相对应的3个整流二极管的正极相交于一点，即D点所述逆变器7为半桥逆变器，包括3个可控硅，即KP^ KP2 和KP3，其各自的负极依次分别经3个熔断器F仏、FU2和FU3与3 个电感器U、 U和L3相串联所构成的电路后经3个电感器Li、 L2 和L3各自的另一端与斩波器组3中的4个斩波器IGBTi、 IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的阴极E及电力电容器组6中的4个电容器C13 、 C14、 ds和d6各自的另一端同时相交于一点，即D点。
所述逆变器7为半桥逆变器，其3个可控制硅!OV KP2和KP3 各自的正极依次分别与三相工业交流电源的A、 B、 C端相连接，继 而与电动机组1中的4个电动机Mi、 M2、 M3和M4各自的定子相连 接。
所述限流器组5中的限流电感器L7的输出端与工业交流电源的 零线端N相连接，构成三相零式有源逆变桥结构。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、回转和行走等多种不 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动 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。
权利要求
1.一种用逆变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速系统，由电动机组(1)、整流器组(2)、斩波器组(3)、隔离器组(4)、限流器组(5)、电力电容器组(6)、逆变器(7)、速度反馈电压检测器(8)和电流反馈电压检测器(9)构成一个整体；其中所述电动机组(1)中的4个电动机M1、M2、M3和M4各自的转子依次分别与整流器组(2)中的4个整流器Z1、Z2、Z3和Z4各自相对应的输入端相连接；所述的斩波器组(3)中的4个斩波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自的阴极E依次分别与整流器组(2)中的4个整流器Z1、Z2、Z3和Z4各自相对应的3个整流二极管的正极相交于一点，即D点；其特征是所述逆变器(7)为全桥逆变器，包括6个可控硅，即KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、和KP6，其3个输出端KP1与KP4、KP2与KP5和KP3与KP6的相连点依次分别与三相工业交流电源的A、B、C端相连接，继而与电动机组(1)中的4个电动机M1、M2、M3和M4各自的定子相连接。
2. 如权利要求l所述的用逆变器拖动多台电动机异步同时实 现转子变频调速系统，其特征是所述的隔离器组(4),包括8个隔离器，即D^ D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、和Ds，且D!和Ds、 D2和Ds、 03和07及04和08，依次分别相串联连接；其中隔离器"、D2、 D3和D4各自的正极依次分别与各自对应 的电阻器&、 R2、 R3和R4的输出端和斩波器IGBT\、 IGBT2、 IGBT3和IGBT4的阳极C相连接；且隔离器Ds和D6和负极同时与限流器组5中的限流电感器 L7的输入端相连接；而隔离器D7和Ds的负极同时与限流器组(5) 中的限流电感器U的输入端相连接。
3.如权利要求2所述的用逆变器拖动多台电动机异步同时实 现转子变频调速系统，其特征是所述隔离器组(4)中的相串联连接的隔离器^和D5、 D2 和D6、D3和Dr及"和D8的相连接处依次分别与电力电容器组(6) 中的电容器Cu、 CI4、 ds和d6各自的一端相连接，构成"T"形 状结构。
4. 如权利要求1所述的用逆变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是所述电力电容器组(6)，包括4个电容器，即C13、 C14、 C15 和<:16，其各自的另一端同时与斩波器组(3)中的斩波器IGBTh IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的阴极E相交于一点，即D点。
5. 如权利要求1所述的用逆变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速系统，其特征是所述限流器组(5)，包括2个限流电感器，即L7和U，且 限流电感器L7的输出端与三相工业交流电源的零线端N相连接； 而限流电感器U的输出端同时与逆变器(7)中的电感器L4、 L5 和U的一端相连接于一点。
6. —种用逆变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调 速系统，由电动机组(1)、整流器组(2)、斩波器组(3)、隔离器 组(4)、限流器组(5)、电力电容器组(6)、逆变器(7)、速度反 馈电压检测器(8)和电流反馈电压检测器(9)构成一个整体；其 中所述电动机组(1)中的4个电动机M,、 M2、 M3和M4各自 的转子依次分别与整流器组(2)中的4个整流器&、 Z2、 Zs和Z4 各自相对应的输入端相连接；所述的斩波器组(3)中的4个斩波器IGBTV IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的阴极E依次分别与整流器组(2)中的4个整流器 Z,、 Z2、 Z3和Z4各自相对应的3个整流二极管的正极相交于一点， 即D点；其特征是.，所述逆变器(7)为半桥逆变器，包括3个可控硅，即KP^ KP2和KP"其各自的负极依次分别经3个熔断器FUh FU2和FU3 与3个电感器L,、L2和L3相串联所构成的电路后经3个电感器k、 k和L3各自的另一端与斩波器组(3)中的4个斩波器IGBTi、 IGBT2 、 IGBT3和IGBT4各自的阴极E及电力电容器组(6)中的4个电容器Cu、 C14、 d5和Cw各自的另一端同时相交于一点，即D点。
7. 如权利要求6所述的用逆变器拖动多台电动机异步同时实 现转子变频调速系统，其特征是所述逆变器(7)为半桥逆变器，其3个可控制硅KP^ KP2 和KP3各自的正极依次分别与三相工业交流电源的A、 B、 C端相 连接，继而与电动机组(1)中的4个电动机M2、 M3和M4 各自的定子相连接。
8. 如权利要求6所述的用逆变器拖动多台电动机异步同时实 现转子变频调速系统，其特征是所述限流器组(5)中的限流电感器L7的输出端与工业交流电 源的零线端N相连接，构成三相零式有源逆变桥结构。
全文摘要
本发明为一种用逆变器拖动多台电动机异步同时实现转子变频调速系统，由电动机组、整流器组、斩波器组、隔离器组、限流器组、电力电容器组、全桥或半桥、速度反馈电压检测器组和电流反馈电压检测器组构成一个整体。采用逆变控制理论技术，根据电动机的额定功率，由全桥逆变器或半桥逆变器输出的电压作各功能电动机的附加反向电动势，利用各斩波器的工作，使各电动机异步同时运行，实现起重机提升、变幅、回转和行走作业。起重机上升时，多余的电能始终经逆变器反馈回电动机；起重机下降时，电动机处于发电状态，发出的电能经逆变器反馈回电动机，进行能量回收。具有电路简单、体积小、成本低、可靠性高、节省能源等特点。
文档编号H02P27/05GK101340174SQ20081004873
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月8日 优先权日2008年8月8日
发明者周顺新 申请人:周顺新