专利名称：新型的起重绕线电动机转子斩波调速系统及方法
技术领域：
本发明涉及起重绕线电动机，特别是一种新型起重绕线电动机转子斩波调速系统及其调速方法。
背景技术：
目前我国国内使用的起重拖动电机大部分仍是绕线式异步电机，其最传统的调速方式就是转子回路串分级电阻开环调速。其主电路由绕线式异步电动机、电阻箱、交流接触器组构成，通过控制交流接触器的接通与断开控制电阻的投切，调节电机转速。这种调速系统具有起动性能好、功率因数高、控制方法简单、易于实现和初期投资少等优点。然而这种方法存在着严重的缺点，主要有低速时机械特性软、静差率较大、调速范围受到限制，由于是有级调速，级数有限，调速平滑性差，在电阻切换时对负载冲击较大；采用接触器控制，体积庞大，故障率高，维护麻烦。随着电力电子技术的发展，起重绕线电动机的调速方式有了改善和提高，转子斩波调速就是其中的一种。其主电路由绕线式异步电动机、三相整流模块、斩波管及其缓冲电路、固定调速电阻、交流接触器组构成。它将原先由手工控制的转子外接电阻通过三相整流桥和斩波管进行调节，从而实现对固定电阻的无级调节，实现电机转子转速的无级调节。目前已有采用晶闸管斩波调速和采用绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)斩波调速的系统。这种调速方案在一般负载时易于实现闭环控制、 控制精度高、平稳性好、装置体积小、投资少，但是在轻载时难以实现低速要求，重载下放时能量损耗大，不能实现节能要求。
发明内容
为了克服现有的转子斩波调速系统不能实现轻载低速和重载下放节能的问题，本发明提供了一种新型起重绕线电动机转子斩波调速系统及其调速方法，既保留了原来转子回路串电阻调速和单管转子斩波调速的优点，又克服了轻载不能低速、重载下放损耗大的缺点。本发明的技术方案一种新型起重绕线电动机转子斩波调速系统，包括电动机定子侧电路和电动机转子侧电路，在电动机定子侧电路包括接于三相交流电压的其中两相交流电压的变压器、接于该变压器原边的一单相交流接触器以及接于该变压器副边的单相整流桥；在电动机转子侧电路包括接于三相交流电压的三相整流桥、第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管、二极管、滤波电容以及固定调速电阻，第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管串联后并接于该三相整流桥的两端，二极管与固定调速电阻串联后与第一绝缘栅双极晶体管并联，滤波电容的一端与二极管的阴极连接，另一端与第二绝缘栅双极晶体管的发射极连接。本发明中，通过对第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管的占空比控制改变转子回路的等效电阻实现电动机转子斩波调速。本发明中，还包括多个接于三相交流电压的其中两相交流电压的交流接触器。本发明还同时公开了一种新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，A，当负载为标准负载时，其包括提升负载和下放负载的处理步骤；B,当负载为轻载时，其包括提升负载和下放负载的处理步骤；C，当负载为重载下放时，其包括重载下放的处理步骤。本发明中，步骤A具体包括提升负载的步骤包括al，三相定子通入正相序三相电，电机工作于正向电动状态，第一交流接触器闭合，第二交流接触器、第三交流接触器断开；a2，第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速；a3，若要求全速，则将第四交流接触器闭合，第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管关断；下放负载的步骤包括bl，三相定子通入正相序三相电，电机工作于倒拉反转状态，第一交流接触器闭合，第二交流接触器、第三交流接触器断开；b2，第一绝缘栅双极晶体管关断，第二绝缘栅双极晶体管斩波，调节第二绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速。本发明中，步骤a2中，若第一绝缘栅双极晶体管的占空比为零关断，过渡到调节第二绝缘栅双极晶体管的占空比，实现低速提升调速。本发明中，步骤B具体包括提升负载的步骤包括上述步骤al、步骤a2以及步骤a3 ；下放负载的步骤包括Cl，执行步骤bl、b2，若第二绝缘栅双极晶体管的占空比为零，则不能下放负载并进入步骤c2 ；c2,三相定子通入负相序三相电，电机工作于反向电动状态，第二交流接触器闭合，第一交流接触器、第三交流接触器断开；以及c3，第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速。本发明中，当负载为重载下放时，其采用不消耗电源功率的能耗制动运行方式，步骤C具体包括dl，第三交流接触器闭合，第一交流接触器、第二交流接触器断开；d2，第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速；d3，若要求最低速，则第四交流接触器闭合，第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管关断。本发明中，步骤d2中，
若第一绝缘栅双极晶体管的占空比为零关断，过渡到调节第二绝缘栅双极晶体管的占空比。本发明中，若要求节能全速下放，三相定子通入负相序三相电，电机工作于反向回馈发电状态，第二交流接触器闭合，第一交流接触器断开、第三交流接触器断开，第四交流接触器闭合。本发明具有的有益效果采用本发明所述新型起重绕线电动机转子斩波调速系统，保留了原来转子回路串电阻调速和单管转子斩波调速的优点，又克服了轻载不能低速、 重载下放损耗大的缺点。
图1为本发明双绝缘栅双极晶体管(IGBT)斩波调速电路图；图2为本发明异步电机的机械特性曲线图。
具体实施例方式为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下图1为本发明双绝缘栅双极晶体管(IGBT)斩波调速电路图，如图所示。图中，AC 为三相交流电压，KMl 4为第一 第四交流接触器，T为降压变压器，DC为单相整流后直流电压，D为二极管，C为滤波电容，Rex为固定调速电阻。转子斩波调速就是通过对斩波管的占空比(PWM)控制改变转子回路的等效电阻，使电机工作在不同的机械特性曲线上，异步电机的机械特性曲线如图2所示，a为正向电动运行，b为反向电动运行，c为反向回馈制动运行，d为倒拉反转运行，e为正向电动运行，f为能耗制动运行，g为正向回馈制动运行。本发明所述新型起重绕线电动机转子斩波调速系统，主要包括电动机定子侧电路和电动机转子侧电路。在电动机定子侧电路包括接于三相交流电压AC的其中两相交流电压的变压器 T、接于该变压器T原边的一单相第三交流接触器KM3以及接于该变压器T副边的单相整流桥Si。也就是说将定子任意两相电压经变压器T降压后再经单相整流桥Sl不控整流，整流输出的直流电压加在同样的两相电压上。在电动机转子侧电路包括接于三相交流电压AC的三相整流桥S2、第一绝缘栅双极晶体管IGBT1、第二绝缘栅双极晶体管IGBT2、二极管D、滤波电容C以及固定调速电阻 Rex，第一绝缘栅双极晶体管IGBTl和第二绝缘栅双极晶体管IGBT2串联后并接于三相整流桥S2的两端，二极管D与固定调速电阻Rex串联后与第一绝缘栅双极晶体管IGBTl并联， 滤波电容C的一端与二极管D的阴极连接，另一端与第二绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极连接。轻载时，第一绝缘栅双极晶体管IGBTl关断，第二绝缘栅双极晶体管IGBT2斩波， 实现低速；重载下放时，给电机定子侧通入上述的直流电压，根据转速要求控制第一绝缘栅双极晶体管IGBTl和第二绝缘栅双极晶体管IGBT2的占空比，实现调速。
其中，图1所示的双绝缘栅双极晶体管(IGBT)斩波调速电路图还包括多个接于三相交流电压的其中两相交流电压的交流接触器，例如第一交流接触器KM1，第二交流接触器 KM2以及第四交流接触器KM4。图2异步电机的机械特性曲线图，主电路的工作方式主要由负载决定，因此，根据负载的变化，主电路的工作方式如下1、一般负载升降及提升重载提升负载三相定子通入正相序三相电，电机工作于正向电动状态，第一交流接触器KMl闭合，第二交流接触器KM2、第三交流接触器KM3断开；第一绝缘栅双极晶体管IGBTl 斩波，第二绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，调节第一绝缘栅双极晶体管IGBTl的占空比，可以调速；若要求全速，则第四交流接触器KM4闭合，第一绝缘栅双极晶体管IGBT1、第二绝缘栅双极晶体管IGBT2关断。下放负载三相定子通入正相序三相电，电机工作于倒拉反转状态，第一交流接触器闭合，第二交流接触器、第三交流接触器断开；第一绝缘栅双极晶体管IGBTl斩波，第二绝缘栅双极晶体管IGBT2导通，调节第一绝缘栅双极晶体管IGBTl的占空比，可以调速。2、轻载提升负载三相定子通入正相序三相电，电机工作于正向电动状态，第一交流接触器KMl闭合，第二交流接触器KM2、第三交流接触器KM3断开；第一绝缘栅双极晶体管IGBTl 关断，第二绝缘栅双极晶体管IGBT2斩波，调节第二绝缘栅双极晶体管IGBT2的占空比，可以调速；下放轻载时，按倒拉反转控制实施，若第二绝缘栅双极晶体管的占空比为零仍不能下放，三相定子通入负相序三相电，电机工作于反向电动状态，第二交流接触器闭合，第一交流接触器、第三交流接触器断开；第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速。起重机一般轻载时要求转速较低，要实现此要求，在采用单管斩波的调速系统中只能增大转子回路所串电阻，这将使得电阻体积增大，转差损耗增大，采用双管斩波的调速系统时，第一绝缘栅双极晶体管IGBTl关断，第二绝缘栅双极晶体管IGBT2斩波，实际上就是使电机转子回路所串电阻在有限值与无穷大之间交替切换，实现轻载低速减小损耗的要求。3、重载重载下放第三交流接触器KM3闭合，第一交流接触器KM1、第二交流接触器KM2 断开；第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速，若第一绝缘栅双极晶体管的占空比为零关断，过渡到调节第二绝缘栅双极晶体管的占空比；若要求最低速，则第四交流接触器KM4闭合，第一绝缘栅双极晶体管IGBT1、第二绝缘栅双极晶体管IGBT2关断。4、全速下放若要求节能全速下放，三相定子通入负相序三相电，电机工作于反向回馈发电状态，第二交流接触器闭合，第一交流接触器断开、第三交流接触器断开，第四交流接触器闭
I=I O一般的转子斩波调速系统，重载下放时采用的是倒拉反转的方式，电机定子端通入正相序电流，转子回路中串接较大电阻，由于负载转矩很大，拖动电机反转，转差率大于1，因此负载的位能转化成电动机的机械功率，并和电磁功率一样都转换成转差功率，转差损耗非常大；采用能耗制动时，功率的传递方向不变，即电动机轴上输入的机械功率来自负载位能的减少，机械功率在电机内转换为电功率后消耗在转子回路中，但是这种运行方式下，转差率时绝对值小于1的常数，与倒拉反转运行相比较，当负载转矩及要求的下放速度相同时，转差损耗明显减小。本发明的运行状态的实施由一块基于DSP或其他微处理器的控制板实施，可探测电机转速、转向，控制各接触器通断，输出第一、第二 IGBT开关信号，控制占空比，调节串入转子回路的等效电阻，达到调速的目的，并且控制相应快。综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。
权利要求
1.一种新型起重绕线电动机转子斩波调速系统，包括电动机定子侧电路和电动机转子侧电路，其特征在于，在电动机定子侧电路包括接于三相交流电压的其中两相交流电压的变压器、接于该变压器原边的一单相交流接触器以及接于该变压器副边的单相整流桥；在电动机转子侧电路包括接于三相交流电压的三相整流桥、第一绝缘栅双极晶体管、 第二绝缘栅双极晶体管、二极管、滤波电容以及固定调速电阻，第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管串联后并接于该三相整流桥的两端，二极管与固定调速电阻串联后与第一绝缘栅双极晶体管并联，滤波电容的一端与二极管的阴极连接，另一端与第二绝缘栅双极晶体管的发射极连接。
2.根据权利要求1所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速系统，其特征在于，通过对第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管的占空比控制改变转子回路的等效电阻实现电动机转子斩波调速。
3.根据权利要求1所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速系统，其特征在于，还包括多个接于三相交流电压的其中两相交流电压的交流接触器。
4.一种新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，其特征在于，A，当负载为标准负载时，其包括提升负载和下放负载的处理步骤； B，当负载为轻载时，其包括提升负载和下放负载的处理步骤； C，当负载为重载下放时，其包括重载下放的处理步骤。
5.根据权利要求4所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，其特征在于，步骤A 具体包括提升负载的步骤包括al，三相定子通入正相序三相电，电机工作于正向电动状态，第一交流接触器闭合，第二交流接触器、第三交流接触器断开；a2，第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速；a3，若要求全速，则将第四交流接触器闭合，第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管关断；下放负载的步骤包括bl，三相定子通入正相序三相电，电机工作于倒拉反转状态，第一交流接触器闭合，第二交流接触器、第三交流接触器断开；b2，第一绝缘栅双极晶体管关断，第二绝缘栅双极晶体管斩波，调节第二绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速。
6.根据权利要求5所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，其特征在于，步骤 a2中，若第一绝缘栅双极晶体管的占空比为零关断，过渡到调节第二绝缘栅双极晶体管的占空比，实现低速提升调速。
7.根据权利要求5所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，其特征在于，步骤B 具体包括提升负载的步骤包括上述步骤al、步骤a2以及步骤a3 ；下放负载的步骤包括cl，执行步骤bl、b2，若第二绝缘栅双极晶体管的占空比为零，则不能下放负载并进入步骤c2 ；c2，三相定子通入负相序三相电，电机工作于反向电动状态，第二交流接触器闭合，第一交流接触器、第三交流接触器断开；以及c3，第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速。
8.根据权利要求4所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，其特征在于，当负载为重载下放时，其采用不消耗电源功率的能耗制动运行方式，步骤C具体包括dl，第三交流接触器闭合，第一交流接触器、第二交流接触器断开； d2，第一绝缘栅双极晶体管斩波，第二绝缘栅双极晶体管导通，调节第一绝缘栅双极晶体管的占空比，实现调速；d3，若要求最低速，则第四交流接触器闭合，第一绝缘栅双极晶体管、第二绝缘栅双极晶体管关断。
9.根据权利要求8所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，其特征在于，步骤 d2中，若第一绝缘栅双极晶体管的占空比为零关断，过渡到调节第二绝缘栅双极晶体管的占空比。
10.根据权利要求4-9任一项所述的新型起重绕线电动机转子斩波调速方法，其特征在于，若要求节能全速下放，三相定子通入负相序三相电，电机工作于反向回馈发电状态，第二交流接触器闭合，第一交流接触器断开、第三交流接触器断开，第四交流接触器闭合。
全文摘要
本发明涉及一种新型起重绕线电动机转子斩波调速系统及其调速方法，在电动机定子侧电路包括接于三相交流电压的其中两相交流电压的变压器、接于变压器原边的一单相交流接触器以及接于变压器副边的单相整流桥；在电动机转子侧电路包括接于三相交流电压的三相整流桥，第一、第二绝缘栅双极晶体管，二极管、滤波电容以及固定调速电阻，第一、第二绝缘栅双极晶体管串联后并接于该三相整流桥的两端，二极管与固定调速电阻串联后与第一绝缘栅双极晶体管并联，滤波电容的一端与二极管的阴极连接，另一端与第二绝缘栅双极晶体管的发射极连接。本发明既保留原来转子回路串电阻调速和单管转子斩波调速的优点，又克服轻载不能低速、重载下放损耗大的缺点。
文档编号H02P25/16GK102170264SQ20111009474
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者陈伟宏, 黄文新 申请人:苏州新广济工贸有限公司