專利名稱：用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電動機轉子變頻調速系統(tǒng)，特別是一種用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速系統(tǒng)。
技術背景 '
電動機是起重機、風機和水泵各工作機構中的原動機，它將電能轉化為機械能。就起重機為例，它可以拖動起重機執(zhí)行提升(或下降)、變幅、回轉和行走等多種不同機構運動，完成起重機現(xiàn)場作業(yè)任務。
圖1給出了傳統(tǒng)的起重機用不同工作的電動機變頻調速系統(tǒng)原理圖。從該圖中可以看出該系統(tǒng)是在將電網提供的恒壓恒頻交流電源，經整流橋轉換成直流，繼而通過中間電路將直流經逆變器又轉換成不同工作頻率的交流來驅動電動機轉動工作。
假設電網電源頻率為f。，
電動機工作頻率為fm。那么fm-gf。成立，
這里^為變轉差率。
基于起重機現(xiàn)場作業(yè)時，通常要求完成提升、變幅、回轉和行走等四種不同工作。因此，各相應的執(zhí)行機構，就需要不同的電動機
提供不同的電能轉化為不同的機械能。這就是說，起重機不同的工作，所需的電動機轉速不同，即電動機的工作頻率4不同。然而，在傳統(tǒng)的電動機變頻調速系統(tǒng)中， 一個逆變器只能變換一個電動機工作頻
5率，對一個電動機迸行變頻調速，俗稱"一拖一"技術。顯然，對于 起重機的四種不同工作，就需要四個逆變器電路才能實現(xiàn)兩次換能的 "交一直一交"變換，產生多個電動機所需的各自的工作頻率，以分 別完成起重機現(xiàn)場作業(yè)時的提升、變幅、回轉和行走工作。
綜合上述，傳統(tǒng)的電動機調速系統(tǒng)，其頻率調節(jié)范圍寬，且不 受電網頻率限制；既可以采取強迫換能，又可以采以負載換能。這種 調速系統(tǒng)，除了低速時轉差功能損耗大和效率低外，最為突出的是需 要用四個逆變器，從而使得系統(tǒng)體積龐大、笨重，而且造價昂貴，實 施起來是非常困難的。
近年來，由于變頻技術的飛躍發(fā)展，特別是矢量控制技術和直 接轉矩控制技術的應用，變頻技術日趨成熟，以其寬廣的調速范圍、 較高的穩(wěn)速精度，快速的動態(tài)響應及能在直角坐標系中的四象限內作 可逆運行的性能，位居交流傳動之首，其調速性能完全可以和直流傳 動相媲美，并有取代之勢。然而，目前國外起重機構采用的變頻技術， 仍然是一個功能用一個變頻器， 一個變頻器配一個逆變器，對于起重 機正常運行的四種功能。仍需配置四個逆變器。如果要使變頻調速系 統(tǒng)增加能量回饋功能，則需再增添四個逆變器，顯然這是不合算的。 因此，國外眾多公司的相關產品，仍然是采用"一拖一"的方式來完 成起重機的正常運行工作。例如..日本的安川、德國的西門子、瑞士
的ABB和法國的施耐得等產品，在我國相關應用領域到處可見，其 價格也十分昂貴。
針對上述已有變頻技術存在的嚴重缺陷，本發(fā)明人就如何用一 個逆變器，帶動四臺電動機，起重機工作時，逆變器定位在最小逆變 角，通過每個斬波器的導通和關斷，實現(xiàn)轉子變頻調速，使起重機實 時完成提升、變幅、回轉和行走四種工作進行過研究。并曾先后相 繼申請，經國家知識產權局授予實用新型三項專利，其專利號分別為 "ZL002324369" 、 "ZL01212245"和"ZL2007200870857"。同時，
6今年又申請二項發(fā)明專利，其申請?zhí)枮?2008100941476"和 "2008100482526"。然而，對于如何提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵隹?制電壓，使各斬波器有效導通和關斷；對于如何采集轉子相電壓和整 流器輸出直流,使斬波器迅速建立柵極控制電場，確保系統(tǒng)正常運行， 以及根據電動機額定功率大小如何合理工作等問題，還有待全面解 決。

發(fā)明內容。
本實用新型的目的之一，是提供用一個全橋逆變器拖動多臺電 動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速系統(tǒng)。即對多臺電動機在線控制時， 由同一個逆變器輸出的電壓，作各功能電動機的附加反向電動勢，驅 動各功能斬波器實時工作，以實現(xiàn)多臺電動機異步同時運行。
本實用新型的目的之二，是提供用一個半橋逆變器拖動多臺電 動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速系統(tǒng)。即對多臺電動機在線控制時， 由同一個逆變器輸出的電壓，作各功能電動機的附加反向電動勢，驅 動各功能斬波器實時工作，以實現(xiàn)多臺電動機異步同時運行。
本實用新型目的之三，是使該系統(tǒng)具有能量反饋再利用功能， 做到有效節(jié)約能源。
本實用新型的目的之四，是用一個系統(tǒng)實現(xiàn)全橋有源逆變或半 橋有源逆變的電動機轉子變頻調速。
為了達到上述目的，本實用新型采用的技術方案是用逆變器 拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速系統(tǒng)，包括-
一個電動機組，含有4臺電動機M2、 M3和M4，用以異 步同時完成起重機提升、變幅、回轉和行走多種工作；
一個整流器組，含有4個整流橋Z2、 Z3和Z4，用以對與
其相連接的電動機轉子提供的不同頻率交流信號進行整流-,
—個限流器組，含有2個限流器L7和Ls,用以提供瞬時電流，
使系統(tǒng)正常工作；
7—個斬波器組，含有4個斬波器:IGBL 、 IGBT2、IGBT3和IGBT4， 通過調節(jié)每個斬波器的導通率，實現(xiàn)直流電流的連續(xù)調節(jié)，進而使電 動機轉子電流連續(xù)調節(jié)，以達到電動機轉子變頻調速的目的；必須指
出的是當斬波器導通率為100%時，電動機轉速為額定轉速；
一個隔離器組，含有8個隔離器D卜D2、 D3、 D4、D5、 D6、 D7和Ds,做到在最小工作電流下，仍能維持其連續(xù)性，確保系統(tǒng)正 常工作；
一個全橋逆變器或一個半橋逆變器，用以將各電動機轉子輸出 的不同頻率的交流電經整流為直流后，逆變成與工業(yè)交流電源同頻，
同相的電源，實現(xiàn)交變直，直變交，并進行能量反饋至電動機或電網； 一個電流反饋電壓檢測器組，含有4個電壓檢測器Uu、 UI2、
Lb和UM,系位于前述整流橋所包含的電流反饋所流經的電阻，用以
檢測經各對應的電流反饋直流電流，并轉換為電壓形式送至相應的信
號處理器的輸入端；
一個速度反饋電壓檢測器組，含有4個電壓檢器UVl、 Uv2、
UV3和UV4，系位于前述電動機轉子任意兩線之間，用以檢測各電動
機任意兩線間的不同頻率的交流電壓，并轉換為直流電壓送至相應的
信號處理器的輸入端。
本實用新型基于采用逆變控制理論技術對多臺電動機進行在線 控制時，根據電動機額定功率的大小，由全橋逆變器或半橋逆變器輸 出的電壓作各功能電動機的附加反向電動勢，利用各功能電動機的斬 波器實時工作，使各電動機異步同時運行，實現(xiàn)起重機提升、變幅、 回轉和行走現(xiàn)場作業(yè)。
本實用新型在起重機的上升作業(yè)時，基于電動機轉子接入有源 逆變系統(tǒng)，多余的電能始終經逆變器反饋回電動機或電網，而起重機 下降作業(yè)時，電動機定子兩相通入直流勵磁，于是，電動機實際上便 成了發(fā)電機，處于發(fā)電狀態(tài)，而且所發(fā)出的電能再經逆變器重新反饋 回電動機或電網，實現(xiàn)了能量回收，有效節(jié)約了能源。
8本實用新型在用于大功率系統(tǒng)中時，由全橋逆變器拖動多臺電 動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速而在用于中、小功率系統(tǒng)中時，由 半橋逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速。其工作狀態(tài) 的變換，由外部設置的微處理器控制中心，在其主程序的控制下，對 所采集的各電動機轉子相電壓、整流器直流及司機給出的主令電壓， 進行綜合實時處理，以控制對各斬波器的有效導通和關斷，實現(xiàn)電動 機轉子變頻調速。通過增添輔助電路，結合適當?shù)能浖С?，還可以 對起重機的超載限制、故障監(jiān)控、超速限制、限位斷相以及欠壓、過 流和風速進行自動保護、狀態(tài)顯示與人機對話，實現(xiàn)了高智能化實時 控制，確保了系統(tǒng)的可靠運行。
本實用新型就整個系統(tǒng)而言具有電路簡單，體積小，成本低， 可靠性高，節(jié)省能源等特點。

圖1為傳統(tǒng)的起重機用不同工作的電動機變頻調速系統(tǒng)原理圖。 圖2為本發(fā)明第一實施例用全橋逆變器和第二實施例用半橋逆
變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速系統(tǒng)電原理綜合示意圖。
圖中符號說明
1 電動機組M" M2、 M3和M4
2 整流器組Zi、 Z2、 Z3和Z4
3 斬波器組IGBTV IGBT2、 IGBT3和IGBT4
4 隔離器組Dj、 D2、 D3、 D4、D5、 D6、 D 和Ds
5 限流器組L7和Ls
6 電力電容器組C13、 C14、 ds和Cl6
7 逆變器全橋逆變器為KPi 、 KP2 、 KP3 、
KP4、 KP5和KP6 半橋逆變器為KPi 、 KP2和KP3
8 速度反饋電壓檢測器組UV1、 UV2、 Uv3和Uv4
9 電流反饋電壓檢測器組U 、 UI2、 UB和Um
9具體實施方式
請參閱圖2所示，為本實用新型第一和第二最佳實施例。
從圖2中可以看出本實用新型第一實施例由電動機組1、整流 器組2、斬波器組3、隔離器組4、限流器組5、電力電容器組6、逆 變器7、速度反饋電壓檢測器8和電流反饋電壓檢測器9構成一個整 體；其中 《
所述電動機組l中的4個電動機Mt、 M2、 M3和M4各自的轉子 依次分別與整流器組2中的4個整流器Z,、 Z2、 Z3和Z4各自相對應 的輸入端相連接；
所述的斬波器組3中的4個斬波器IGBT^ IGBT2、 IGBT3和 IGBT4各自的陰極E依次分別與整流器組2中的4個整流器Z卜Z2、 Z3和Z4各自相對應的3個整流二極管的正極相交于一點，即D點；
所述逆變器7為全橋逆變器，包括6個可控硅，S卩KP" KP2、 KP3、 KP4、 KPs和KP6 ,其3個輸出端KP!與KP4、 10>2與KPs和 KP3與KP6的相連點依次分別與三相工業(yè)交流電源的A、 B、 C端相 連接，繼而與電動機組1中的4個電動機Mi、 M2、 M3和M4各自的 定子相連接。
所述隔離器組4，包括8個隔離器，即Db D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7和Ds，且Di和Ds、 D2和D6、 03和07及04和08，依次分 別相串聯(lián)連接；
其中隔離器D!、 D2、 D3和D4各自的正極依次分別與各自對應的 電阻器A、 R2、 R3和R4的輸出端和斬波器IGBL、 IGBT2、 1GBT3 和IGBT4的陽極C相連接；
且隔離器Ds和D6和負極同時與限流器組5中的限流電感器L7 的輸入端相連接；而隔離器D7和Ds的負極同時與限流器組5中的限 流電感器L8的輸入端相連接。
所述隔離器組4中的相串聯(lián)連接的隔離器Di和Ds、 D2和D6、 "和D7及D4和D8的相連接處依次分別與電力電容器組6中的電容
10器Cu、 C14、 Q5和d6各自的一端相連接，構成"T"形狀結構。
所述電力電容器組6，包括4個電容器，即C13、 C14、 ds和 C16,其各自的另一端同時與斬波器組3中的斬波器IGBT^ IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的陰極E相交于一點，即D點。
所述限流器組5，包括2個限流電感器，S卩L7和U,且限流 電感器L7的輸出端與三相工業(yè)交流電源的零線端N相連接；而限流 電感器Ls的輸出端同時與逆變器7中的電感器U、Ls和L6的一端相 連接于一點。 .
從圖2中還可以看出本發(fā)明第二實施例由電動機組1，整流器 組2、斬波器組3、隔離器組4、限流器組5、電力電容器組6、逆變 器7、速度反饋電壓檢測器組8和電流反饋電壓檢測器組9構成一個 整體；其中
所述電動機組l中的4個電動機Mp M2、 M3和M4各自的轉子 依次分別與檢流器組2中的4個整流器Z,、 Z2、 Z3和Z4各自對應的 輸入端相連接；
所述斬波器組3中的4個斬波器IGBL、IGBT2、IGBT3和IGBT4 各自的陰極E依次分別與整流器組2中的4個整流器Zi、 Z2、 Zs和 Z4各自相對應的3個整流二極管的正極相交于一點，即D點
所述逆變器7為半橋逆變器，包括3個可控硅，即fOV KP2 和KP3，其各自的負極依次分別經3個熔斷器FU^ FU2和FU3與3 個電感器h、 U和L3相串聯(lián)所構成的電路后經3個電感器L、 L2 和L3各自的另一端與斬波器組3中的4個斬波器IGBL、 IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的陰極E及電力電容器組6中的4個電容器C13 、 C14、 Ci5和Cw各自的另一端同時相交于一點，即D點。
所述逆變器7為半橋逆變器，其3個可控制硅KP卜KP2和KP3 各自的正極依次分別與三相工業(yè)交流電源的A、 B、 C端相連接，繼 而與電動機組l中的4個電動機Mp M2、 M3和M4各自的定子相連 接。
所述限流器組5中的限流電感器L7的輸出端與工業(yè)交流電源的 零線端N相連接，構成三相零式有源逆變橋結構。
ii以上實施例僅為說明本實用新型的技術特征和可實施性。必須聲 明的是本實用新型除用于前述起重機執(zhí)行提升、變幅、回轉和行走 等多種不同機構運動，完成現(xiàn)場作業(yè)任務外，還適用于任何需要拖動 多臺電動機異歩同時實時工作的場所。諸如紡織行業(yè)中各紡織車間 不同溫度、濕度的控制；各水電站不同流量、流速的控制；造船行業(yè) 的鋼板吊裝拼接、構件對孔鉚接、船體移動翻轉、重物懸空焊接，，大 型建筑物整體吊裝和石油化工設備整體安裝等領域。因此，任何以熟 知的技巧所采用的線路或控制方法，均包含在本實用新型的精神內。 至于本實用新型的專利特征由所述的申請專利范圍具體界定。
權利要求1.一種用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速裝置，由電動機組(1)、整流器組(2)、斬波器組(3)、隔離器組(4)、限流器組(5)、電力電容器組(6)、逆變器(7)、速度反饋電壓檢測器(8)和電流反饋電壓檢測器(9)構成一個整體；其中所述電動機組(1)中的4個電動機M1、M2、M3和M4各自的轉子依次分別與整流器組(2)中的4個整流器Z1、Z2、Z3和Z4各自相對應的輸入端相連接；所述的斬波器組(3)中的4個斬波器IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4各自的陰極E依次分別與整流器組(2)中的4個整流器Z1、Z2、Z3和Z4各自相對應的3個整流二極管的正極相交于一點，即D點；其特征是所述逆變器(7)為全橋逆變器，包括6個可控硅，即KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、和KP6，其3個輸出端KP1與KP4、KP2與KP5和KP3與KP6的相連點依次分別與三相工業(yè)交流電源的A、B、C端相連接，繼而與電動機組(1)中的4個電動機M1、M2、M3和M4各自的定子相連接。
2. 如權利要求l所述的用逆變器拖動多臺電動機異步同時實 現(xiàn)轉子變頻調速裝置，其特征是所述的隔離器組(4),包括8個隔離器，即D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7、和Ds，且D,和Ds、 02和06、 03和07及04和08，依次分別相串聯(lián)連接；其中隔離器Di、 D2、 D3和D4各自的正極依次分別與各自對應 的電阻器&、 R2、 &和R4的輸出端和斬波器IGBT\、 IGBT2、 IGBT3 和IGBT4的陽極C相連接；且隔離器Ds和D6和負極同時與限流器組5中的限流電感器L7的輸入端相連接；而隔離器07和08的負極同時與限流器組(5)中的限流電感器L8的輸入端相連接。
3.如權利要求2所述的用逆變器拖動多臺電動機異步同時實 現(xiàn)轉子變頻調速裝置，其特征是所述隔離器組(4)中的相串聯(lián)連接的隔離器"和D5、 D2 和D6、D3和"及D4和D8的相連接處依次分別與電力電容器組(6) 中的電容器Cu、 C14、 C"和d6各自的一端相連接，構成"T"形 狀結構。 '
4. 如權利要求1所述的用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速裝置，其特征是所述電力電容器組(6),包括4個電容器，g卩C13、 C14、 C15 和Cw,其各自的另一端同時與斬波器組(3)中的斬波器IGBTV IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的陰極E相交于一點，即D點。
5. 如權利要求1所述的用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速裝置，其特征是所述限流器組(5)，包括2個限流電感器，即L7和U，且 限流電感器L7的輸出端與三相工業(yè)交流電源的零線端N相連接； 而限流電感器Lg的輸出端同時與逆變器(7)中的電感器L4、 L5和L6的一端相連接于一點。
6. —種用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調 速裝置，由電動機組(1)、整流器組(2)、斬波器組(3)、隔離器 組(4)、限流器組(5)、電力電容器組(6)、逆變器(7)、速度反 饋電壓檢測器(8)和電流反饋電壓檢測器(9)構成一個整體；其 中所述電動機組(1)中的4個電動機M" M2、 M3和M4各自 的轉子依次分別與整流器組(2)中的4個整流器Z^、 Z2、 Z3和Z4 各自相對應的輸入端相連接；所述的斬波器組(3)中的4個斬波器IGBT^ IGBT2、 IGBT3和IGBT4各自的陰極E依次分別與整流器組(2)中的4個整流器 Zj、 Z2、 Z3和Z4各自相對應的3個整流二極管的正極相交于一點， 即D點；其特征是所述逆變器(7)為半橋逆變器，包括3個可控硅，即KP。 KP2和KP3，其各自的負極依次分別經3個熔斷器FUi、 FU2和FU3 與3個電感器L,、L2和L3相串聯(lián)所構成的電路后經3個電感器L卜 h和L3各自的另一端與斬波器組(3)中的i個斬波器IGB1、 IGBT2 、 IGBTV和IGBT4各自的陰極E及電力電容器組(6)中的4個電容器C,3、 C14、 C,5和d6各自的另一端同時相交于一點，即D點。
7. 如權利要求6所述的用逆變器拖動多臺電動機異步同時實 現(xiàn)轉子變頻調速裝置，其特征是所述逆變器(7)為半橋逆變器，其3個可控制硅KPi、 KP2 和KP3各自的正極依次分別與三相工業(yè)交流電源的A、 B、 C端相 連接，繼而與電動機組(1)中的4個電動機Mi、 M2、 M3和M4 各自的定子相連接。
8. 如權利要求6所述的用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速裝置，其特征是所述限流器組(5)中的限流電感器L7的輸出端與工業(yè)交流電 源的零線端N相連接，構成三相零式有源逆變橋結構。
專利摘要本實用新型為一種用逆變器拖動多臺電動機異步同時實現(xiàn)轉子變頻調速裝置，由電動機組、整流器組、斬波器組、隔離器組、限流器組、電力電容器組、全橋或半橋、速度反饋電壓檢測器組和電流反饋電壓檢測器組構成一個整體。采用逆變控制理論技術，根據電動機的額定功率，由全橋逆變器或半橋逆變器輸出的電壓作各功能電動機的附加反向電動勢，利用各斬波器的工作，使各電動機異步同時運行，實現(xiàn)起重機提升、變幅、回轉和行走作業(yè)。起重機上升時，多余的電能始終經逆變器反饋回電動機；起重機下降時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出的電能經逆變器反饋回電動機，進行能量回收。具有電路簡單、體積小、成本低、可靠性高、節(jié)省能源等特點。
文檔編號H02P5/46GK201278500SQ20082019013
公開日2009年7月22日 申請日期2008年8月8日 優(yōu)先權日2008年8月8日
發(fā)明者周順新 申請人:周順新