CN201557032U - 一种变频电机及起重机械位能性负载高调速比变频系统 - Google Patents

Abstract

一种变频电机，属于电力传动控制设备的技术领域，包括电机转子、鼠笼式导电条和套于转子外的定子，所述定子的槽数为60～80槽，节距为6～10，每极每相槽数q为2～5；本实用新型还提供应用此变频电机的起重机械变频系统，本实用新型变频电机可以能在2～20Hz就能输出恒转矩，基频为20Hz，以便实现2～100Hz的调速范围，所述变频系统容易实现无级调速，其起动加速、减速制动、停止以及换向均十分平稳，对起重机械的机构、钢结构的冲击小，从而提高了起重机械的使用寿命，可有效提高起重机械使用工效。

Description

一种变频电机及起重机械位能性负载高调速比变频系统

技术领域

本实用新型属于电力传动控制设备的技术领域，具体涉及一种能在2～20HZ就能输出恒转矩，基频为20HZ，以便实现2～100HZ的调速范围的变频电机及使用该变频电机的起重机械位能性负载高调速比变频系统。

背景技术

目前国内起重机械位能性负载调速系统主要是采用转子串电阻、涡流调速、变极调速等，其传动系统机械特性软，调速范围狭窄，整个系统速度的稳定性和调速精度较差；起制动不平稳，对整机钢结构冲击很大，尤其是空中起吊易发生溜钩现象，严重影响了起重机械的安全运行。

为此，需采用变频调速，但由于受到国产变频电机及变频技术的限制，目前用于位能性负载的变频调速范围只能在1∶20以内，即5～100Hz。

现有技术未有可实现起重机械重载时能平稳启动不溜钩，且能长期低速运行(速度达0.05m/min)，准确对位，轻载时能高速运行的位能性负载高调速比变频系统。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型之目的在于提供一种结构简单、可靠性高、无级调速、工作平稳、安全，又可实现1∶50高调速并低速运行、准确对位；高速运行，提高工效的变频电机以及应用于起重机械位能性负载的变频调速系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种变频电机，包括电机转子、鼠笼式导电条和套于转子外的定子，其特征在于所述定子的槽数为60～80槽，节距为6～10，每极每相槽数q为2～5。

最好优选技术方案为当所述定子的槽数为72槽，节距为8，每极每相槽数q为3。5次、7次谐波的绕组系数及谐波磁势含量都很低。

为减小低频运行转矩脉动幅，所述电机转子电感L2为0.003～0.004亨，转子电阻R2为0.2～0.3欧

较优选的方案为当电机转子电感L2为0.0035亨，转子电阻R2为0.23欧时效果尤为突出。

本实用新型还提供一种起重机械位能性负载的变频调速系统，包括上述变频电机，

联动操作台，用于发出控制方向、紧急停车和故障复位及控制速度的给定频率信号的主令信号的联动操作台；

PLC可编程序控制器，用以与联动操作台连接的接受联动操作台主令信号；

变频器，内置变频器数字量接口模块，接受PLC可编程序控制器的主令信号，输出机械抱闸信号，

联动操作台与PLC可编程控制器连接，变频器数字量模块及变频器与PLC可编程控制器连接，变频电机与变频器联接，所述可编程控制器输出与变频器的三个输入端子相连，变频器的输出信号直接控制抱闸控制继电器，所述联动操作台主令信号发出运转指令输入到PLC可编程序控制器的输入开关，经PLC可编程序控制器程序处理后通过输出开关输入到变频器的外部变频器数字量指令卡，变频器接收数字量信号后，自动转化为0～10V模拟量传给变频器。

优选地，所述变频器数字量接口模块为变频器数字量接口模块DI-16H2。

所述变频电机的电机轴装有增量型旋转编码器，变频器内设有与编码器相连的编码器接口板PG-X2。

进一步，所述变频系统设有输入可编程控制器的重载保护程序、轻载保护程序、重载超速保护程序、轻载超速保护程序、上限保护程序、下限保护程序、变频器故障保护程序、制动单元保护程序的安全保护模块。

与已有的传统的调速装置相比较，本实用新型具有如下优点：

(1)目前普通变频电机负载特性如附图1a所示，其基频为50Hz，5～50Hz为恒转矩调速，电机输出额定转矩，50～100Hz为恒功率调速，在5Hz以下，电机输出转矩大大低于额定转矩，因而电机难以实现重载启动，易发生溜钩现象，不能长期低频稳定运行。在50～100Hz恒功率段，允许负载转矩反时性下降，往往会出现空中起吊加速力矩不够的现象。本实用新型变频电机负载性能如附图1b所示能够在2～20Hz内保持恒转矩，20～100Hz保持恒功率，同时降低基频电压，以提高高速加速转矩。

(2)现有技术位能性负载传动方式采用转子串电阻、涡流调速、变极调速等，其传动系统机械特性软，调速范围狭窄，整个系统速度的稳定性和调速精度较差；起制动不平稳，对整机钢结构冲击很大，而本实用新型变频系统则很容易实现无级调速，其起动加速、减速制动、停止以及换向均十分平稳，对起重机械的机构、钢结构的冲击小，从而提高了起重机械的使用寿命。

(3)本实用新型高调速比变频系统可有效提高起重机械使用工效，起重机械在重载时运行于2～20Hz范围内，实现恒转矩调速，轻载时运行于2～100Hz范围内，实现恒功率调速，提高其运行速度，从而大幅提到劳动效率，同时又满足了低速准确就位的要求。

(4)本实用新型使用鼠笼式电机，可充分发挥鼠笼式电机结构简单、造价低、坚固耐用几乎免于维修、体积小、惯性小的优势。

(5)本实用新型变频调速在低速运行时，转差铜耗小、效率高，无论轻载或重载其进线功率因数较高，节能效果显著。起动和换速时，冲击电流小，对进线电源的容量要求小，特别适合工地的电源条件。

(6)本实用新型起升变频调速有利于提高起重机械的安全性，变频器本身具备完善的故障诊断及保护功能，可提供150～200％的零速转矩，防止重物溜钩，可实现零速抱闸，减少机械抱闸的磨损。

本实用新型于缅甸最大的水电站耶涯水电站两台250t门机中实验，采用闭环矢量控制，技术先进，性能优良，全范围无级调速，平滑性好，起动加速、减速停止及换向十分平稳，对起重机械冲击小，该实用新型调速范围大，定位精度高，就位准确，该系统安全可靠性好，本实用新型具备轻载增速功能，工作效率高，可大大提高起重机械的使用工效，其优异的性能和高可靠性是现有技术的交流调速方式无法比拟的。

附图说明

图1a是现有变频电机负载特性图；图1b是本实用新型变频电机负载特性图；

图2是起重机械位能性负载的变频调速系统结构示意图；

图3是电气传动原理图；

图4是变频给定原理图；

图5是输入控制与保护模块示意图；

图6是速度档位输入图；

图7是本实用新型变频电机的转子槽型示意图。

附图标记说明：1为联动操作台、2为PLC可编程序控制器、3为变频器、4为变频电机、5为与变频电机同轴旋转编码器(PG)，6为安全保护装置，8为减速器；9为卷筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

本实用新型的变频电机，能在2～20HZ就能输出恒转矩，基频为20HZ，以便实现2～100HZ的调速范围，具体措施如下：电机设计为多槽和短距绕组，本电机的定子槽数Q1＝72，节距y＝8(整距为9)，每极每相槽数q为3，电机的极对数为4；电机的相数为3。

一般q值越大，5次、7次谐波削弱效果越好，本实用新型q＝3。主要谐波的分布系数、短距系数、绕组系数见下表1：

表1：

谐波次数υ	分布系数kqυ	短距系数kyυ	绕组系数kω	三相合成磁势
					1(基波)	0.9598	0.9848	0.9452	100
5	0.2176	0.6428	0.2176	2.96
					7	0.1774	0.342	0.1774	0.9

由表1可见，5次、7次谐波的绕组系数及谐波磁势含量都很低。

为了减小低频运行转矩脉动幅值，设计转子绕组时适当增加转子电感L2，减小转子电阻R2，以增大转子绕组的时间常数。本实施例电机转子电感L2＝0.0035亨，转子电阻R2＝0.23欧，則时间常数τ＝L2/R2＝0.0035/0.23＝0.015。(YZ250m-830Kw电机的时间常数τ＝0.0039)。

转子槽型可以设计为宽而浅的转子槽型，可以降低转子漏抗，对于提高电机的最大转矩和降低杂耗有利。但对电压型逆变器供电的电机来说，减小转子漏抗对限制高次谐波电流不利(Iυ＝U1/υ2(x1+x2))。设计转子槽型时，在转子齿磁通密度允许的情况下，尽可能将转子设计得宽而浅，如图7所示转子槽结构，并适当增加槽口深度尺寸hr0，减小槽口宽度尺寸b02，使在减小转子基波电抗的同时，又适当增加谐波漏抗。转子漏抗需减小至多少，是以电机的最大转矩Tmax为目标的。本实用新型的变频电机Tmax＝3.2倍。

电机铁芯的硅钢片为无取向冷轧硅钢片DW470，厚度为0.5mm，磁化曲线、损耗曲线等综合性能良好，电机配套的轴流风机风量5000m³/h。

本实用新型电机在高速时具有足够的加速力矩，在1Hz就能输出额定转矩，并能稳定运行于2～100Hz，从而使调速比达到1∶50。

本实用新型起重机械变频传动系统建立闭环控制，同时增大闭环编码器的检测频率。为确保变频器给定不受干扰的影响，变频输入采用数字量输入，通过变频器内部数字量接口模块DI-16H，自动转变成模拟量，解决变频器输出转矩低频脉动及给定输入不稳定的问题。

本实用新型的起重机械位能性负载高调速比变频系统，包括联动操作台，与联动操作台连通的PLC可编程控制器，与PLC可编程控制器的变频器数字量模块DI-16H2及变频器，与变频器联接的新型变频电机，可编程控制器输出与变频器的1、2、4输入端子相连。变频器的M1、M2输出信号直接控制制动器的抱闸控制继电器，制动器的控制接触器常开触点直接与变频器输入端子5相连，以实现抱闸确认功能。

联动操作台能发出控制方向、紧急停车和故障复位及控制速度的给定频率信号的主令信号的联动操作台，PLC可编程序控制器与联动操作台联通，接受其主令信号的，变频器与PLC可编程序控制器连通，能接受其主令信号且能输出机械抱闸信号，本实用新型变频电机与变频器连接，起重机械抱闸电机接收变频器输出的机械抱闸信号，联动操作台主令信号发出运转指令输入到PLC可编程序控制器的输入开关，经PLC可编程序控制器程序处理后通过输出开关输入到变频器的外部速度数字卡DI-16H2，变频器接收数字量信号后，自动转化为0～2¹⁶模拟量。相当于0～10V的给定信号传给变频器。

本实用新型系统中有装在电机轴上的增量型旋转编码器，旋转编码器将检测到的电机转速信号输入到变频器编码器接口板PG-X2中，实现速度负反馈闭环控制。

本实用新型系统中有安全保护装置，包括输入可编程控制器的重载保护、轻载保护、重载超速保护、轻载超速保护、上限保护、下限保护、变频器故障保护、制动单元保护。

本实用新型系统中变频器输出负载电流和电机转速信号给可编程控制器，以实现负载电流及电机转速显示、过流保护和超速保护等多种功能。

联动操作台主令信号包括控制方向、紧急停车和故障复位及控制速度的给定频率信号，将它输入给PLC，PLC经过程序处理后，向变频器发出运行指令(正反转)和16位数字量给定频率指令，变频器输出力矩，并在确认输出力矩能够与负载平衡确保重物不溜钩后，发出抱闸控制信号，经中间继电器，直接去控制机械制动器，使机械抱闸松开，从而按给定运转方向和给定速度值运行；重载时，电机运行于2～20Hz范围内，轻载时运行于2～100Hz范围内，其速度转化是根据荷重仪发出的信号。

当减速停车时，在电气制动力矩作用下速度迅速减低直至为0.6Hz，变频器在确保此时转矩与负载平衡的情况下，发出抱闸控制信号给抱闸继电器，直接使机械抱闸抱紧，与变频电机同轴安装的旋转编码器将检测到的电机速度信号输入给变频器，从而实现速度负反馈闭环控制；当安全保护装置动作或变频器本身检测出故障时，将控制信号输入给PLC，由PLC进行相应的程序处理并输出控制信号，从而实现安全保护。

参见图2的控制系统图。本实用新型包括联动操作台1，型号为西门子S7-314PLC可编程序控制器2，型号为安川VS-616G7B4075的变频器3，新型变频电机4，与变频电机同轴旋转编码器(PG)5，安全保护装置6，机械抱闸电机7。其余的序号8、9分别为减速器、卷筒。与电机同轴安装的旋转编码器PG检测电机的实际速度，将实际速度信号反馈给变频器，与给定速度指令进行比较后，由偏差信号进行速度的控制调节，从而构成速度负反馈闭环控制系统。

参见图3，为电气传动原理图，总电源通过空开QF52、电抗器L51、接触器KM52输入到G7变频器，变频器输出给变频电机。联动操作台主令信号发出运转指令(正转或反转)给PLC，由PLC输出信号给变频器。运转指令包括正转指令和反转指令输入到PLC的输入端，PLC经过程序处理后通过输出到变频器多功能输入端子1和2，从而实现正转或反转；

参见图4，为变频给定原理图，联动操作台主令信号速度(频率)给定指令，通过PLC转化为16位数字量输出给变频器的数字输入接口板DI-16H2，设置变频参数b1-01＝3选择速度指令由变频器的选项卡输入，b1-02＝1运转指令是由变频器控制回路端子输入。

参见图5，为输入控制与保护图，针对重/轻载两种不同的工况，分别采用了上下限位、超载、超速保护。

参见图6，为速度档位输入图，速度指令由联动台主令信号和重/轻速度选择开关决定，并分五档速度输入至PLC，经PLC处理输出16位数字量信号给变频器的数字量接口模块DI-16H2，并通过它自动转化为2⁰～2¹⁶模拟量。相当于0～10V的给定信号传给变频器。

(1)，重载工况(2～20Hz)的调速：

通过变频器的基频以下的恒磁通变频调速实现，为恒转矩调速，可实现2～20Hz额定速度之间的无级调速。

速度指令由DI-16H2输入，联动台速度选择开关为重载，即轻载高速指令无效，不具备轻载高速功能。

通过设置变频器参数b1-01＝3选择速度指令由变频器的选项卡DI-16H2输入，如图4所示，对应数据为2⁰～2¹⁵，即1～32768。变频器主板接收来自DI-16H2的数据后自动转化为模拟量信号0～+10V，对应频率为0～100Hz，设置变频器参数E1-06＝20选择基频为20HZ，那么重载时，通过PLC输出655～6554给变频器，则所代表的给定频率指令为2～+20HZ，因而变频器就运行于2～20Hz内。

当联动操作台给定由零位到最大档位时，变频器按照参数C1-01＝5所设置的加速时间5s进行加速，速度由零开始加速到额定转速。当联动操作台由最大档回到零位时，即发出减速停车指令，变频器按照参数C1-02＝5所设置的减速时间5s进行减速，速度由额定速度开始减速直至为零。

(2)轻载增速

通过变频器的基频以上的弱磁变频调速实现，为近似的恒功率转速，可实现10～100Hz之间的平滑调速。

速度指令由DI-16H2输入，联动台速度选择开关为轻载，即重载低速指令无效，不具备重载低速功能，同时接收到来自荷重仪的轻载信号。

变频器参数设置如下：

通过设置变频器参数b1-01＝3选择速度指令由变频器的选项卡DI-16H2输入，设置变频器参数E1-06＝20选择基频为20HZ，那么轻载时，通过PLC输出3277～32768给变频器，则所代表的给定频率指令为10～+100HZ，因而变频器就运行于10～100Hz内。

由上述分析可知，实现轻载增速需满足两个条件：一是来自荷重仪的轻载信号，二是联动台的轻载增速指令，前者是为了保证轻负载时才能增速，从而在轻载增速时电机不过载；后者是为了便于操作者控制，在确认工地现场具备轻载增速的条件后，才发出轻载增速指令。

轻载增速后的频率指令值在10～100HZ之间。

机械抱闸为常闭式，即抱闸电机通电抱闸松开，断电时抱闸抱紧，抱闸电机供电由接触器控制。

设置变频参数H2-01＝21选择多功能输出端子M1-M2为抱闸松开指令，当其闭合时，为抱闸松开指令，当其断开时，则为抱闸紧指令；H1-03＝0选择多功能输入端子5为抱闸抱紧确认指令。

为保证安全，由变频器多功能输出端子M1-M2输出的抱闸松开指令直接输入到制动器控制继电回路，从而控制抱闸的动作：

(1)起动时的抱闸控制

起动时，为了防止重物掉落，确认保持负载所必要的力矩产生后，释放抱闸。

设置变频器参数(S1-01＝0.6、S1-02＝0.6)选择抱闸松开频率正、反转均为0.6HZ，S1-05＝30，S1-06＝30选择抱闸松开电流正、反转均为电机额定电流的30％，S1-07＝70，S1-08＝0选择抱闸松开力矩正转为电机额定力矩的70％，反转为零。

(1)起动时，联动操作台发出运转指令，此时变频器多功能输出端子M1、M2输出的抱闸松开指令仍为开，抱闸仍保持抱紧状态。加速到抱闸延迟频率0.6HZ。此时，力矩补偿(带PG矢量控制)按照设定值，自动被输入。

(2)变频器内部进行力矩补偿后，当满足下列条件时：

变频器输出频率＞抱闸松开频率(正、反转均为0.6HZ)

变频器输出电流＞抱闸松开电流(正、反转均为30％)

变频器输出力矩＞抱闸松开力矩(正转为100％，反转为零)

则变频器多功能输出端子M1、M2输出的抱闸松开指令变为闭，一方面使抱闸松开确认指令也为闭，进而接触器KM51、KM54通电，从而抱闸通电松开。

(3)随后加速到通过联动操作台输入到变频器的给定频率值为止。

(2)停止时的抱闸控制

停止时，为了防止重物滑落(溜钩)，在抱闸完全抱紧之前，变频器必须输出为平衡重物所必需的力矩。

设置变频器参数S1-12＝0.6、S1-13＝0.6选择抱闸抱紧频率正、反转均为0.6HZ，b2-04＝0.5选择停止时间是0.5s。

(1)联动操作台回到零位发出减速停止指令时，运转指令P510和P511均开，变频器按设置的减速时间进行减速，直到零速为止。

(2)当变频器输出频率小于抱闸抱紧频率(正、反转均为0.6HZ)时，变频器多功能输出端子M1、M2输出的抱闸松开指令变为开，一方面使抱闸松开确认指令也变为开，另一方面使接触器KM51断电，从而抱闸断电抱紧。

(3)变频器达到零速度时，变频器仍然输出零速转矩以平衡重物，其维持时间为b2-4所设置的停止时间0.5s，然后停止输出。

(3)正、反转切换时的抱闸控制

在闭环矢量控制方式下，设置变频器参数S2-01＝0、S2-02＝0选择运转指令最小ON时间正、反转均为零，当给定的频率指令大于抱闸抱紧频率(正、反转均为0.6HZ)时，则在正、反转切换时抱闸不抱紧，一直维持抱闸松开状态，从而实现从正转到反转、从反转到正转的连续运转。

(4)抱闸控制故障的检测

通过设置变频器参数H1-03＝0选择变频器多功能输入端子5为抱闸松开确认指令，设置变频器参数S1-16＝0.3、S1-17＝1、S1-18＝0.5、S1-19＝0.5选择抱闸控制故障的检测时间SE1、SE2、SE3、SE4分别为0.3s、1s、0.5s、0.5s，从而使变频具备了对抱闸控制故障的检测功能，当检测出SE1、SE2、SE3、SE4所定义的抱闸故障时，变频器停止输出；另一方面主接触器KM52断电切断变频器电源，进而接触器KM51断电，从而实现抱闸紧急抱紧。

安全保护装置如图2～5所示。

设置变频器参数H1-01＝24选择多功能输入端子3为外部故障指令，H1-02＝14选择多功能输入端子4为故障复位指令。

(1)外部安全保护功能

外部安全保护设置重载保护、轻载保护、重载超速保护、轻载超速保护、上限保护、下限保护、变频器故障保护、制动单元保护及紧急停止按钮，将它们全部输入到PLC的输入开关，其中任何一项保护功能动作，均会切断变频器的正转/反转指令，从而不能完成正转/反转方向的运行，变频器会根据设置的减速时间进行减速直至停止。

当门机的操作者发现紧急情况如即将与障碍物碰撞而需要紧急停车时，可按下紧急停止按钮，并直接将指令输入给变频器，使变频器快速减速。切断变频器和制动器电源，实施抱闸，紧急停止。

(2)变频器内部的安全保护功能

变频器具有十分强大的故障检测功能，通过变频器参数的合理设置，可实现过载、过力矩、过电压、过电流、欠电压、缺相、短路、接地、失速、过速、速度偏差信号过大、外部故障等诸多保护功能。

Claims (8)

1.一种变频电机，包括电机转子、鼠笼式导电条和套于转子外的定子，其特征在于所述定子的槽数为60～80槽，节距为6～10，每极每相槽数q为2～5。

2.如权利要求1所述变频电机，其特征在于所述定子的槽数为72槽，节距为8，每极每相槽数q为3。

3.如权利要求1所述变频电机，其特征在于所述电机转子为电感在0.003～0.004亨，转子电阻在0.2～0.3欧之间的转子。

4.如权利要求3所述变频电机，其特征在于所述电机转子为0.0035亨电感、0.23欧电阻的转子。

5.一种起重机械位能性负载高调速比变频系统，其特征在于包括：

如权利要求1所述的变频电机；

联动操作台，用于发出控制方向、紧急停车和故障复位及控制速度的给定频率信号的主令信号的联动操作台；

PLC可编程序控制器，用以与联动操作台连接的接受联动操作台主令信号；

变频器，内置变频器数字量接口模块，接受PLC可编程序控制器的主令信号输出机械抱闸信号，

联动操作台与PLC可编程控制器连接，变频器数字量模块及变频器与PLC可编程控制器连接，变频电机与变频器连接，所述可编程控制器输出与变频器的三个输入端子相连，变频器的输出信号直接控制抱闸控制继电器，所述联动操作台主令信号发出运转指令输入到PLC可编程序控制器的输入开关，经PLC可编程序控制器程序处理后通过输出开关输入到变频器的外部变频器数字量指令卡，变频器接收数字量信号后自动转化为0～10V模拟量传给变频器。

6.根据权利要求5所述的起重机械位能性负载高调速比变频系统，其特征在于所述变频器数字量接口模块为变频器数字量接口模块DI-16H2。

7.根据权利要求5所述的起重机械位能性负载高调速比变频系统，其特征在于所述变频电机的电机轴装有增量型旋转编码器，变频器内设有与编码器相连的编码器接口板PG-X2。

8.根据权利要求5-7之一所述的起重机械位能性负载高调速比变频系统，其特征在于所述变频系统设有输入可编程控制器的重载保护程序、轻载保护程序、重载超速保护程序、轻载超速保护程序、上限保护程序、下限保护程序、变频器故障保护程序、制动单元保护程序的安全保护模块。

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