專利名稱：一種電動葫蘆變頻控制電路及其控制方法
技術領域：
本發明屬于葫蘆式起重機驅動與控制領域，尤其是一種電動葫蘆變頻控制電路及其控制方法。
背景技術：
葫蘆式起重機(電動葫蘆)在工作時，為了方便重物的吊裝和準確定位，需要具有快速和慢速兩種運行速度。目前葫蘆式起重機為實現雙速功能，通常采用如下兩種變速控制方法一是配雙繞組電機或子母電機，此方法的缺點是須配兩套齒輪變速機構，其機械結構復雜、設備故障率高。二是在單速起升電機上直接配裝通用變頻器，實現快速和慢速運行功能，其優點是可以靈活實現無級變速，其缺點是為釋放起重機重載下降時的重力勢能須配置龐大的制動電阻，該制動電阻體積大，安裝非常困難，同時由于變頻器自身發熱較大， 須在電氣控制箱上開散熱通風孔，降低了箱體的IP防護等級。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種針對單速起升電機實現快慢速變換且能使電機工作于較高效率的電動葫蘆變頻控制電路及其控制方法。本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的一種電動葫蘆變頻控制電路，由功率電源供電單元和監控單元連接構成，功率電源供電單元包括并聯的低頻三相交流電源供電支路和高頻三相交流電源供電支路，三相交流電源通過低頻三相交流電源供電支路向起升電機提供低頻三相交流電源實現起升電機慢速運行功能，三相交流電源通過高頻三相交流電源供電支路向起升電機提供高頻三相交流電源，實現起升電機快速運行功能。而且，所述的監控單元由微處理器及其外圍電路連接構成，該監控單元與連接在三相交流電源接入端的操作手柄相連接用于接收快慢速控制信號，監控單元與功率電源供電單元相連接，進行模擬信號的采集以及對低頻三相交流電源供電支路和高頻三相交流電源供電支路的切換控制。而且，所述的低頻三相交流電源支路由整流模塊、逆變橋、電機放電制動電路、支撐電容及三相接觸器Jl連接構成，支撐電容連接在直流母線兩端，逆變橋的輸入控制端與監控單元的PWM輸出控制端相連接，逆變橋根據SVPWM控制變換成低頻交流電源，該低頻交流電源通過三相接觸器Jl連接到起升電機的三相輸入端，該三相接觸器Jl的輸入控制端與監控單元控制端Jl相連接；電機放電制動電路連接在逆變器的直流母線上并與監控單元的AD接口及break接口相連接。而且，所述的逆變橋由六只IGBT功率管連接構成，所述的電機放電制動電路由 IGBT制動管和制動電阻組成。而且，所述的高頻三相交流電源供電支路包括正向接觸器J2和反向接觸器J3，三相交流電源通過正向接觸器J2和反向接觸器J3連接到起升電機的三相輸入端，正向接觸器J2和反向接觸器J3的輸入控制端與監控單元的控制端J2、J3相連接。而且，所述的低頻三相交流電源的頻率為5Hz 10Hz，所述的高頻三相交流電源的頻率為50Hz。一種電動葫蘆變頻控制電路的方法，包括起升電機從慢速到快速運行的切換控制方法和起升電機從快速到慢速運行的切換控制方法，其中起升電機從慢速到快速運行的切換控制方法包括如下步驟(1)微處理器通過控制端口向低頻三相交流電源供電支路發出SD信號，關斷逆變橋中的功率管，同時將微處理器的PWM模塊鎖零；(2)微處理器發出SD信號后，延時tl時間后，發出接觸器Jl的關斷信號，使其觸點斷開，逆變器停止向起升電機輸出低頻交流電源，起升電機停止運行；(3)微處理器發出SD信號后，延時t2時間后，等待接觸器Jl的觸點完全斷開后， 發出接觸器J2或J3的接通控制信號，三相交流電源直接向起升電機提供高頻交流電源，電機啟動并快速運行；起升電機從快速到慢速運行的切換控制方法，包括如下步驟(1)微處理器發出接觸器J2或J3的關斷控制信號，切斷起升電機的高頻供電電源，停止向起升電機提供高頻交流電源；(2)微處理器延時t3時間后，等待觸器J2或J3的觸點完全斷開，發出接觸器Jl 的接通信號，使其觸點接通。(3)微處理器發出接觸器Jl接通信號后延時t4時間后，同時監測電機定子繞組是否電壓為0，直到電機定子繞組電壓為0，發出SD無效信號，微處理器輸出IGBT驅動信號， 實施SVPWM算法控制，由逆變器向起升電機輸出低頻交流電源，起升電機啟動并慢速運行。而且，所述的tl時間為10ms，所述的t2時間為50ms，所述的t3時間為100ms，所述的t4時間為50ms。本發明的優點和積極效果是1、本發明與單速起升電機直接配置通用變頻器的技術方案相比，對電機的控制更合理、更高效。其原因在于目前起重行業使用的單速起升電機并非變頻電機，而是三相異步電機，是針對380V/50HZ條件設計的，其高效率區域位于額定工作點，最適合由電網工頻電源，而直接配通用變頻器，使其快慢速均工作在變頻狀態，特別是電動葫蘆快速工作時間遠大于慢速工作時間，必然使其效率下降，功率因素下降，而本發明使電機的快速運行由三相交流電源直接供電，慢速運行時用功率模塊控制供電，對電機的效率和功率因素的影響很小。2、本發明與單速起升電機直接配置通用變頻器的技術方案相比，更加安全可靠。 這是由于起重機屬于特種設備，要求可靠性高，能夠長期連續工作，若采用電機直接配置通用變頻器方案，在變頻器發生故障時，起重機就會停止工作，被吊裝的重物可能懸在半空中，存在極大的安全隱患；而本控制電路則不會發生被吊重物懸在半空中的情況，即使在逆變橋或接觸器發生故障時，仍可用另一種方式給起升電機供電，可以將重物平穩放回地面， 之后進行故障維修。3、本發明與單速起升電機直接配置通用變頻器的技術方案相比，利用現有的單速起升電機，不改變不增加齒輪變速機構，簡化機械結構，而且不需在原電氣控制箱上開孔，不改變原電氣箱的基本結構和防護等級，可方便地進行安裝。若采用電機直接配置通用變頻器方案，由于快速上升、下降，慢速上升、下降時，都需要變頻器進行控制，變頻器一直處于工作狀態，發熱量很大，將其安裝在原電氣控制箱內，必須在箱壁上開孔，同時加裝風扇， 單獨設計散熱通道，才能使變頻器溫度保持在電器設備可正常工作的溫度范圍內，這樣就改變了原電氣控制箱的結構，降低了防護等級。而采用本發明提出的控制電路，功率模塊只在慢速上升、下降時向起升電機供電，且時間很短，快速上升、下降時由接觸器供電，因此短時間工作的功率模塊發熱總量會非常有限，不需要加裝風扇，只要充分利用原電氣控制箱箱體進行散熱，就可以保持溫度正常。4、本發明與單速起升電機直接配置通用變頻器的技術方案相比，控制電路配置的制動電阻非常小，甚至可以取消，很好地解決了其安裝的困難。其原因在于，電機滿載快速下降會再生出很大的電能，而此時是由接觸器向起升電機供電，再生的電能恰好可以回饋三相交流電源，滿載慢速下降再生的電能很小，只要配置小的制動電阻就可以消耗。而采用電機直接配置通用變頻器方案，變頻器必須配置龐大的制動電阻以消耗滿載快速下降時再生電能，不僅帶來安裝的困難，而且增加了費用。5、本發明設計合理，通過低頻三相交流電源供電支路和高頻三相交流電源供電支路的切換控制實現起升電機由慢速到快速以及由快速到慢速的變換功能，具有成本低、可靠性高等特點，滿足了電動葫蘆對于速度控制和安全運行的需求，可廣泛應用于起重機械的電機驅動與控制領域。


圖1是本發明的控制電路框圖；圖2是本發明的電機慢速向快速變換時的控制時序圖；圖3是本發明的電機快速向慢速變換時的控制時序圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明實施例做進一步詳述一種電動葫蘆變頻控制電路，如圖1所示，由功率電源供電單元和監控單元連接構成。功率電源供電單元作為向起升電機傳輸電功率的通道包括并聯的低頻三相交流電源供電支路和高頻三相交流電源供電支路，三相交流電源通過低頻三相交流電源供電支路向起升電機提供5Hz IOHz低頻三相交流電源，實現起升電機慢速運行功能；三相交流電源通過高頻三相交流電源供電支路向起升電機提供頻率固定為50Hz的高頻三相交流電源， 實現起升電機快速運行功能。監控單元由微處理器及其外圍電路連接構成，外圍電路由模擬采樣電路、信號調理電路、逆變器控制電路、IGBT保護電路、制動控制電路、輸入輸出接口電路和接觸器控制電路。監控單元與連接在三相交流電源接入端的操作手柄相連接用于接收快慢速控制信號，監控單元與功率電源供電單元相連接，實現模擬信號的采集、故障信號的反饋輸出、針對電機的SVPWM控制算法、電機發電狀態時的制動處理、電機的快慢速切換控制、逆變器及電機各種保護情況的處理等功能。低頻三相交流電源支路由整流模塊、逆變橋、電機放電制動電路、支撐電容及三相接觸器Jl連接構成，其中，整流模塊、逆變橋及支撐電容連接在一起構成一個逆變器，整流模塊將三相工頻電壓整流成直流電壓，支撐電容連接在直流母線兩端向逆變橋導通瞬間提供較大的瞬態電流，逆變橋由六只IGBT功率管連接構成，逆變橋的輸入控制端與監控單元的PWM輸出控制端相連接，逆變橋根據SVPWM控制變換成5Hz IOHz低頻的交流電源，逆變橋的輸出接三相接觸器Jl后連接到起升電機的三相輸入端。電機放電制動電路連接在逆變器的直流母線上并與監控單元的AD接口及break接口相連接，該電機放電制動電路由 IGBT制動管Q7和制動電阻Rl組成，當IGBT制動管Q7導通時將電機再生的電能消耗到制動電阻Rl上，防止母線電壓過高損壞逆變器和支撐電容。高頻三相交流電源供電支路包括正向接觸器J2和反向接觸器J3，三相交流電源通過正向接觸器J2和反向接觸器J3連接到起升電機的三相輸入端，正向接觸器J2和反向接觸器J3的輸入控制端與監控單元控制端J2、J3相連接。三相交流電源通過高頻三相交流電源供電支路向起升電機提供頻率固定為50Hz的高頻三相交流電源，實現起升電機快速運行。本控制電路能夠保證在電路出現故障時的安全運行當逆變橋發生故障時，無法向起升電機提供低頻電源，則由微處理器控制接觸器Jl斷開，接觸器J3接通，三相交流電源直接向起升電機提供高頻電源，起重機采用點動方式下降，首先將重物安全的降到地面， 再進行逆變橋部分的維修；若接觸器J2或J3出現故障，起升電機無法快速運行，則由微處理器控制接觸器J2或J3斷開，接觸器Jl接通，由逆變器向起升電機供電，起重機仍可慢速上升、下降，停機后進行接觸器維修。本控制電路提供了兩種供電方式，必須要確保在任一時刻只能開通一種方式，否則會導致三相電壓短路，因此，在控制上采取接觸器機械互鎖和接觸器驅動信號互鎖以及電機三相供電電路電壓實時監測共三項措施，確保電機供電電源的唯一性。由于逆變器只在慢速運行時向起升電機供電，此時電機滿載下降再生的電能非常小，逆變器只需配置很小的制動電阻和支撐電容，同時逆變器輸出功率小，且處于短時間間歇工作，因此損耗小發熱量小，配置散熱片較小，將其緊貼在電氣箱內壁，充分利用原電氣箱體進行散熱，采取自然冷卻方式即可滿足散熱要求，不對總體結構產生影響。一種電動葫蘆變頻控制電路的控制方法，通過切換高頻三相交流電源供電支路和低頻三相交流電源供電支路實現起升電機由慢速到快速或由快速到慢速的變換功能，即起升電機快速上升、快速下降時，由高頻三相交流電源供電支路供電，通過接觸器進行上下行控制；起升電機慢速上升、慢速下降時，由低頻三相交流電源供電支路供電。本控制方法包括起升電機由慢速到快速運行的切換控制和起升電機從快速到慢速運行的切換控制方法，起升電機從慢速到快速運行的切換控制方法電機在慢速狀態下，當微處理器檢測到操作手柄的快速運行信號時，微處理器控制供電方式的切換實現起升電機由慢速到快速運行的變換功能，如圖2所示，包括以下步驟步驟1 微處理器通過控制端口向低頻三相交流電源供電支路發出SD信號，封鎖6 路IGBT驅動信號，關斷逆變橋中的六只IGBT功率管，同時將微處理器的PWM模塊鎖零；步驟2 微處理器發出SD信號后，延時10ms，發出接觸器Jl的關斷信號，使其觸點斷開，逆變器停止向起升電機輸出低頻交流電源，起升電機停止運行；步驟3 微處理器發出SD信號后，延時50ms，等待接觸器Jl的觸點完全斷開后，發出接觸器J2或J3的接通控制信號，三相交流電源直接向起升電機提供高頻50HZ交流電源，電機啟動，快速運行；通過上述步驟，即可完成電機由慢速到快速運行的變換過程。起升電機從快速到慢速運行的切換控制方法電機在快速狀態下，當微處理器檢測到操作手柄的慢速運行信號時，微處理器控制供電方式的切換實現起升電機由快速到慢速運行的變換功能，如圖3所示，具體步驟為步驟1 微處理器發出接觸器J2或J3的關斷控制信號，切斷起升電機的高頻供電電源，停止向起升電機提供50Hz高頻交流電源；步驟2 微處理器延時100ms，等待觸器J2或J3的觸點完全斷開，發出接觸器Jl 的接通信號，使其觸點接通。步驟3 微處理器發出接觸器Jl接通信號后延時50ms，同時監測電機定子繞組是否電壓為0，直到電機定子繞組電壓為0，發出SD無效信號，微處理器輸出IGBT驅動信號， 實施SVPWM算法控制，由逆變器向起升電機輸出5Hz IOHz的低頻交流電源，電機啟動慢速運行。通過上述步驟，即可完成電機由快速到慢速運行的變換過程。需要強調的是，本發明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發明并不限于具體實施方式
中所述的實施例，凡是由本領域技術人員根據本發明的技術方案得出的其他實施方式，同樣屬于本發明保護的范圍。
8
權利要求
1.一種電動葫蘆變頻控制電路，其特征在于由功率電源供電單元和監控單元連接構成，功率電源供電單元包括并聯的低頻三相交流電源供電支路和高頻三相交流電源供電支路，三相交流電源通過低頻三相交流電源供電支路向起升電機提供低頻三相交流電源實現起升電機慢速運行功能，三相交流電源通過高頻三相交流電源供電支路向起升電機提供高頻三相交流電源，實現起升電機快速運行功能。
2.根據權利要求1所述的一種電動葫蘆變頻控制電路，其特征在于所述的監控單元由微處理器及其外圍電路連接構成，該監控單元與連接在三相交流電源接入端的操作手柄相連接用于接收快慢速控制信號，監控單元與功率電源供電單元相連接，進行模擬信號的采集以及對低頻三相交流電源供電支路和高頻三相交流電源供電支路的切換控制。
3.根據權利要求1所述的一種電動葫蘆變頻控制電路，其特征在于所述的低頻三相交流電源支路由整流模塊、逆變橋、電機放電制動電路、支撐電容及三相接觸器Jl連接構成，支撐電容連接在直流母線兩端，逆變橋的輸入控制端與監控單元的PWM輸出控制端相連接，逆變橋根據SVPWM控制變換成低頻交流電源，該低頻交流電源通過三相接觸器Jl連接到起升電機的三相輸入端，該三相接觸器Jl的輸入控制端與監控單元控制端Jl相連接； 電機放電制動電路連接在逆變器的直流母線上并與監控單元的AD接口及break接口相連接。
4.根據權利要求3所述的一種電動葫蘆變頻控制電路，其特征在于所述的逆變橋由六只IGBT功率管連接構成，所述的電機放電制動電路由IGBT制動管和制動電阻組成。
5.根據權利要求1所述的一種電動葫蘆變頻控制電路，其特征在于所述的高頻三相交流電源供電支路包括正向接觸器J2和反向接觸器J3，三相交流電源通過正向接觸器J2 和反向接觸器J3連接到起升電機的三相輸入端，正向接觸器J2和反向接觸器J3的輸入控制端與監控單元的控制端J2、J3相連接。
6.根據權利要求1至5任一項所述的一種電動葫蘆變頻控制電路，其特征在于所述的低頻三相交流電源的頻率為5Hz 10Hz，所述的高頻三相交流電源的頻率為50Hz。
7.一種電動葫蘆變頻控制電路的方法，其特征在于包括起升電機從慢速到快速運行的切換控制方法和起升電機從快速到慢速運行的切換控制方法，其中起升電機從慢速到快速運行的切換控制方法包括如下步驟(1)微處理器通過控制端口向低頻三相交流電源供電支路發出SD信號，關斷逆變橋中的功率管，同時將微處理器的PWM模塊鎖零；(2)微處理器發出SD信號后，延時tl時間后，發出接觸器Jl的關斷信號，使其觸點斷開，逆變器停止向起升電機輸出低頻交流電源，起升電機停止運行；(3)微處理器發出SD信號后，延時t2時間后，等待接觸器Jl的觸點完全斷開后，發出接觸器J2或J3的接通控制信號，三相交流電源直接向起升電機提供高頻交流電源，電機啟動并快速運行；起升電機從快速到慢速運行的切換控制方法，包括如下步驟(1)微處理器發出接觸器J2或J3的關斷控制信號，切斷起升電機的高頻供電電源，停止向起升電機提供高頻交流電源；(2)微處理器延時t3時間后，等待觸器J2或J3的觸點完全斷開，發出接觸器Jl的接通信號，使其觸點接通。(3)微處理器發出接觸器Jl接通信號后延時t4時間后，同時監測電機定子繞組是否電壓為0，直到電機定子繞組電壓為0，發出SD無效信號，微處理器輸出IGBT驅動信號，實施 SVPWM算法控制，由逆變器向起升電機輸出低頻交流電源，起升電機啟動并慢速運行。
8.根據權利要求7所述的一種電動葫蘆變頻控制方法，其特征在于所述的tl時間為 10ms，所述的t2時間為50ms，所述的t3時間為100ms，所述的t4時間為50ms。
全文摘要
本發明涉及一種電動葫蘆變頻控制電路及其控制方法。該控制電路由功率電源供電單元和監控單元連接構成，三相交流電源通過低頻三相交流電源供電支路向起升電機提供低頻三相交流電源實現起升電機慢速運行功能，三相交流電源通過高頻三相交流電源供電支路向起升電機提供高頻三相交流電源，實現起升電機快速運行功能；該控制方法包括起升電機從慢速到快速運行的切換控制方法和起升電機從快速到慢速運行的切換控制方法。本發明設計合理，具有成本低、可靠性高等特點，滿足了電動葫蘆對于速度控制和安全運行的需求，可廣泛應用于起重機械的電機驅動與控制領域。
文檔編號H02P25/02GK102545776SQ201210039029
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月21日 優先權日2012年2月21日
發明者朱傳齊, 楊德容, 馬赫 申請人:天津天安起重電器有限公司