起重机械高调速比传动系统

摘要

本发明公开了起重机械高调速比传动系统，包括联动操作台(1)、可编程序控制器(2)、变频器(3)、变频电机(4)、超速开关(5)、编码器(6)、工作制动器(7)、减速器(8)、起升卷筒(9)、安全制动器(10)，联动操作台(1)通过可编程序控制器(2)控制变频器(3)，变频器(3)驱动变频电机(4)，变频电机(4)通过第一齿轮联轴器连接减速器(8)，减速器的主动轴上装工作制动器(7)，减速器(8)通过第二齿轮联轴器连接起升卷筒(9)，起升卷筒端装安全制动器(10)；变频电机(4)的高速轴上装编码器(6)及超速开关(5)。本发明起重机械高调速比传动系统具有结构简单、可靠性高、运行稳定、安全，又可实现1：35高调速比等优点。

权利要求

1.起重机械高调速比传动系统，其特征是包括：联动操作台(1)、可编程序控制器(2)、变频器(3)、变频电机(4)、超速开关(5)、编码器(6)、工作制动器(7)、减速器(8)、起升卷筒(9)、安全制动器(10)，联动操作台(1)通过可编程序控制器(2)控制变频器(3)，变频器(3)驱动变频电机(4)，变频电机(4)通过第一齿轮联轴器连接减速器(8)，减速器的主动轴上装工作制动器(7)，减速器(8)通过第二齿轮联轴器连接起升卷筒(9)，起升卷筒端装安全制动器(10)；变频电机(4)的高速轴上装编码器(6)及超速开关(5)；设一三相交流380V 50Hz电源，三相交流380V 50Hz电源通过断路器QF201与电抗器L201连接，电抗器L201输出至交流接触器KM201，再由交流接触器KM201输出至所述变频器的输入端，变频器输出至所述的变频电机；三相交流380V 50Hz电源还通过断路器QF202、交流接触器KM202与所述的工作制动器相联，通过断路器QF203、交流接触器KM203与柜顶风机M201相联，通过断路器QF204、交流接触器KM204与电机风机-M202相联，通过断路器QF205与所述的安全制动器相联；

所述的超速开关（5）选用二段速离心超速开关LY1-1/750D，在变频电机（4）的高速轴上配置所述二段速离心超速开关LY1-1/750D，在2.5 25Hz段低速运行时，变频电机溜钩超速~至1.15*25=28.75Hz时，工作制动器和安全制动器动作，在2.5 87.5Hz段高速运行时，电机~溜钩超速至1.15*87.5=100.62Hz时，工作制动器和安全制动器动作。

2.如权利要求1所述的起重机械高调速比传动系统，其特征是：变频电机能在2.5 25 ~

Hz时段输出恒转矩1479N.m，变频电机在25 Hz以后输出恒功率。

3.如权利要求1或2所述的起重机械高调速比传动系统，其特征是：变频电机的铁芯的硅钢片选用无取向冷轧硅钢片50WW470，其厚度为0.5mm。

4.如权利要求1所述的起重机械高调速比传动系统，其特征是：起升卷筒的直径为

1150mm。

5.如权利要求1所述的起重机械高调速比传动系统，其特征是：变频器内配置编码器接口板，并通过在变频电机高速轴上设置的编码器，组成闭环控制系统。

说明书

起重机械高调速比传动系统

技术领域

[0001] 本发明属于起重机械传动技术领域，涉及一种起重机械高调速比(调速范围>1:20)的传动系统，特别是一种能实现起重机起升轻载高速、重载低速功能的传动系统。

背景技术

[0002] 随着先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、模糊控制技术及理论的发展，国外起重机传动系统经历了一场巨大变革，促使起重机械的技术性能进入了崭新的发展阶段。起重机械向大型化，高速化和专用化方向发展，而目前常规的起重机械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。

[0003] 对于目前的变频传动系统，由于受到国产变频电机及变频技术的限制，其起升传动调速范围只能在1：20以内，即5～100Hz。因而难以实现同时要求起重机械重载时能平稳启动不溜钩，准确对位，且能长期低速运行(速度达0.1m/min)；轻载时能高速运行，提高工效。

发明内容

[0004] 为实现起重机起升轻载高速重载低速功能，本发明提供了一种结构简单、可靠性高、运行稳定、安全，又可实现1：35高调速比的用于起重机械起升机构的传动系统。

[0005] 本发明采取以下技术方案：起重机械高调速比传动系统，包括联动操作台(1)、可编程序控制器(2)、变频器(3)、变频电机(4)、超速开关(5)、编码器(6)、工作制动器(7)、减速器(8)、起升卷筒(9)、安全制动器(10)，联动操作台(1)通过可编程序控制器(2)控制变频器(3)，变频器(3)驱动变频电机(4)，变频电机(4)通过第一齿轮联轴器连接减速器(8)，减速器的主动轴上装工作制动器(7)，减速器(8)通过第二齿轮联轴器连接起升卷筒(9)，起升卷筒端装安全制动器(10)；变频电机(4)的高速轴上装编码器(6)及超速开关(5)。

[0006] 优选的，变频电机能在2.5～25Hz时段输出恒转矩1479N.m，变频电机在25Hz以后输出恒功率。

[0007] 优选的，变频电机的铁芯的硅钢片选用无取向冷轧硅钢片50WW470，其厚度为0.5mm。

[0008] 优选的，起升卷筒的直径为1150mm。

[0009] 优选的，变频器内配置编码器接口板，并通过在变频电机高速轴上设置的编码器，组成闭环控制系统。

[0010] 优选的，可编程控制器包括电源模块、CPU、I/O数字量模块，CPU采用带DP功能的315-2DP模块；联动操作台采用S7-300的DP模块ET200M，它连接I/O数字量模块，联动操作台所有信号传送和接收均通过DP总线来实现，同时，将起升高度编码器采用带DP功能的编码器PVM58，其信号通过DP总线传给PLC。

[0011] 优选的，三相交流380V 50Hz电源通过断路器QF201与电抗器L201连接，电抗器L201输出至交流接触器KM201，再由接触器KM201输出至变频器的输入端，变频器输出至变频电机。

[0012] 三相交流380V 50Hz电源还通过断路器QF202、交流接触器KM202与工作制动器-Y201～202相联，通过断路器QF203、交流接触器KM203与柜顶风机M201相联，通过断路器QF204、交流接触器KM204与电机风机-M202相联，通过断路器QF205与安全制动器-Y203相联。

[0013] 优选的，可编程控制器PLC的输出点P203直接与主接触器KM201的线圈相连，同时PLC输出点P204与变频器输出继电器K23串联，再与工作制动器KM202的线圈连接，PLC输出点P206和P207分别与柜顶风机和电机风机接触器的接触器线圈KM203和KM204连接。

[0014] 可编程控制器PLC输出点P601与变频器运行指示灯HL201连接，PLC输出点P602和P603并联与故障指示灯HL202连接，PLC输出点P604和P605分别与上下限位指示灯HL203和HL204连接。

[0015] 本发明起重机械高调速比传动系统具有结构简单、可靠性高、运行稳定、安全，又可实现1：35高调速比等优点。

附图说明

[0016] 图1是起升机构高速比传动系统的机械装配结构图。

[0017] 图2是起升机构高速比传动系统的功能原理框图。

[0018] 图3是变频电机特性图。

[0019] 图4是抱闸控制时序图。

[0020] 图5是变频电机负载特性曲线图。

[0021] 图6是电机转子槽形设计图。

[0022] 图7是系统通讯功能原理框图。

[0023] 图8是起升电气传动图。

[0024] 图9a、9b是起升控制原理图。

[0025] 图10是PLC原理图。

[0026] 图11是从站中编写的程序图。

[0027] 图12是主站中编写的程序图。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

[0029] 参见图1、2，本实施例传动系统包括：司机室内联动操作台1、电气房内型号为西门子S7-3152DP可编程序控制器2、变频器3、新型变频电机4、超速开关5、编码器6、工作制动器7、减速器8、卷筒9、安全制动器10，构成完整的高调速比传动系统。司机室内联动操作台1通过可编程序控制器2控制变频器3，具有矢量控制功能的安川变频器3(CIMR-HB4A0260)驱动新型变频电机4(YZPFM315M2-6C-TH，55kW)，电动机采用齿轮联轴器(WGP6)连接(D4PSF100N-315)减速器8，在减速器的主动轴上装有两台(USB3-Ⅰ-EB300/50-630X30)型盘式制动器7，并采用齿轮联轴器(DC07A)连接直径为φ1150mm的起升卷筒装置9，卷筒端装设有(SHI252)型液压盘式制动器10。新型变频电机4的高速轴上装有编码器6(HLE45-2048D-
6LY)，与变频器3(PG-X3)卡连接构成闭环控制系统，同时装有二段速超速开关5(LY1-1/
750D)。

[0030] 速度指标：

[0031] 80t＜Q≤250t  0.1～1.0m/min

[0032] Q≤80t        0.1～3.5m/min

[0033] 起升均采用主令控制器控制，有挡位无级调速方式，每种工况上下各五挡，各挡对应的速度均可在PLC内任意设定，以满足用户使用要求。启动、停止和各挡速度过渡平稳无冲击。

[0034] 具有矢量控制技术的安川变频器CIMR-HB4A0260内部配置编码器接口板PG-X3，并通过在变频电机高速轴上设置高分辨率的编码器HLE45-2048D-6LY，组成一个闭环控制系统，以解决高速比低速的脉动问题。同时，为了满足电机1:35的调速比，变频器将基频输出为25Hz，这样，满足传动系统在重载时工作在2.5～25Hz，轻载时工作在2.5～87.5Hz，具体如图3所示。

[0035] 变频电机能满足高速比的要求，如图3所示，它能在2.5～25Hz时段输出稳定可靠的恒转矩1479N.m，电机在25Hz以后输出恒功率，以便实现1:35的高速比。

[0036] 电机采用闭式传动方式，直接与硬齿面减速器D4PSF100N-315相连，硬齿面减速器速比大、体积小、承载能力高、噪音小，能较好地满足低速重载及高速的要求。

[0037] 硬齿面减速器D4PSF100N-315直接与卷筒相连，根据扬程28m和总减速比及钢丝绳直径36mm,经计算：卷筒直径为1150mm。

[0038] 为保证87.5HZ高速运行的安全，传动系统设置了工作制动器和安全制动器双重保护系统，在减速器的主动轴上装有两台USB3-Ⅰ-EB300/50-630X30型盘式制动器作为工作制动器，卷筒端装设有SHI252型液压盘式制动器作为安全制动器。

[0039] 为保证高低速运行的安全，在电机高速轴上配置二段速离心超速开关LY1-1/750D，在2.5～25Hz段低速运行时，电机溜钩超速至1.15X25＝28.75Hz时，工作制动器和安全制动器动作，在2.5～87.5Hz段高速运行时，电机溜钩超速至1.15X87.5＝100.62Hz时，工作制动器和安全制动器动作。

[0040] 参见图8，该图为起升电气传动图。图中三相交流380V 50Hz电源通过断路器QF201，与电抗器L201连接，电抗器L201输出至交流接触器KM201，再由接触器输出至变频器U21(即图2中的变频器3)输入端，U21输出至主起升电机-M201(即图2中的变频电机4)。三相交流380V 50Hz电源还分别依次通过断路器QF202与交流接触器KM202、断路器QF203与交流接触器KM203、断路器QF204与交流接触器KM204、断路器QF205分别与工作制动器-Y201～202(即图2中的工作制动器7)、柜顶风机M201、电机风机-M202、安全制动器-Y203(即图2中的安全制动器10)相联。

[0041] 如图8所示，一台具有矢量控制技术的安川变频器CIMR-HB4A0260驱动新型变频电机YZPFM315M2-8C-TH，55kW，它通过内部配置编码器接口板PG-X3，并与变频电机高速轴上设置高分辨率的编码器HLE-2048L-6LYAC，组成了一个闭环控制系统，由于变频器输出给电机的电压信号是脉动矩形波，当需运行于5Hz以下，脉动矩形波稀少，容易引起丢失，从而引起电机震动，为此，需设置2048高分辨率的编码器来检测，并回馈给变频器。同时，为防止溜钩现象的出现，需对变频器内置功能块进行搭接，以保证重物在空中起吊打开机械制动器瞬间，电机能够输出足够大的启动转矩，以保证重物不往下溜，如图8所示，接点M1-M2控制机械抱闸，具体如下：

[0042] 如图4所示：

[0043] 1)将H2-01设为37，即M1-M2输出的是运行中2信号，用该信号控制起升机构抱闸。

[0044] 2)开抱闸：参数b2-01通常设定为0.1～0.5Hz，UP给定信号输入后，变频器输出频率升到b2-01值时，此时变频器已经输出足够大的电流，使电机产生足够的输出转矩(≥额定转矩)，此时M1-M2闭合，制动器打开，不会产生溜钩现象。

[0045] 3)关抱闸：UP给定信号回零时，变频器输出频率降至b2-01值时，此时变频器输出转矩还存在，而速度已将至0.5Hz以下，此时M1-M2运行中2打开，制动器抱闸，力矩的存在防止溜钩现象的出现，同时低速抱闸减少机构的冲击，减小了制动器的磨损。

[0046] 新型变频电机满足高速比要求：

[0047] 目前普通变频电机负载特性如图5a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。为此，本发明所设计的新型变频电机，其能达到如图5b所示的负载特性。其具体措施如下：

[0048] ⑴电机绕组设计时，为消除5次、7次谐波的影响。将电机设计采用多槽和短距绕组，本电机的定转子槽配合选取为Q 1/Q2＝72/58，定子绕组节距y＝8(整距为9，取5/6倍整距的圆整值)，电机定子绕组每极每相槽数q由下面的公式得出：

[0049] q＝Q 1/2pm＝72/(6*3)＝4

[0050] 其中，2p为电机的极数，本电机为6极，所以2p＝6；m为电机的相数，电机为三相异步电动机，所以m＝3。

[0051] 一般q值越大，5次、7次谐波削弱效果越好，根据本电机的结构，取q＝4。经计算，主要谐波的分布系数、短距系数、绕组系数见下表：

[0052]

[0053] 由表可见，5次、7次谐波的绕组系数及谐波磁势含量都很低。

[0054] ⑵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。变频电机可通过选择电源电压和频率曲线调整气隙磁密Bδ，选择特殊的转子槽型和尺寸，控制电机转子电感L2和转子电阻R2。本电机转子电感L2＝X2/(2πf)＝0.000446亨，转子电阻R2＝0.123欧，则时间常数τ＝L2/R2＝0.000446/0.123＝0.0036。

[0055] ⑶转子槽型设计成宽而浅的转子槽型，可以降低转子漏抗，对于提高电机的最大转矩和降低损耗有利。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＝U 1/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，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。本电机Tmax＝3.1倍。参见图6。

[0056] (4)电机在恒功率区间采用调频调压的控制方式，通过合理的数值设定，可以有效的削弱高频段的弱磁现象，提高电机的过载能力，保证系统运行稳定可靠。

[0057] (5)电机关键部件之一的铁芯的硅钢片为无取向冷轧硅钢片50WW470，其单片厚度为0.5mm。其磁化曲线、损耗曲线等综合性能良好。高导磁、低损耗的特性可以在给电机带来更好的性能的同时，保持一个合理的损耗水平，从而电机性能稳定，运行可靠。

[0058] (6)考虑到电机低频运行时为恒转矩工作特性，但此时电机转速会比处于一个很慢的速度，如果电机通过风扇冷却则达不到良好的散热效果而会导致电机温升过高，使用寿命降低，所以电机采用独立轴流风机强迫冷却。独立轴流风机为S1连续工作制，风机风量3
5100m/h，风压150MPa。

[0059] 参见图9a、9b是起升控制原理图。图9a中PLC输出点P203直接与主接触器KM201的线圈相连，同时PLC输出点P204与图8中的变频器输出继电器K23串联，再与工作制动器-Y201～202的控制接触器KM202的线圈连接，PLC输出点P206和P207分别与柜顶风机和电机风机接触器的接触器线圈KM203和KM204连接，其他均为保护触点经中间继电器进行信号转化。图9b主要为保护信号的联动台显示，PLC输出点P601与变频器运行指示灯HL201连接，PLC输出点P602和P603并联与故障指示灯HL202连接，PLC输出点P604和P605分别与上下限位指示灯HL203和HL204连接。

[0060] 根据荷重仪测出负载重量，当负载大于80t时，其信号通过中间继电器，输入信号给PLC，再通过PLC程序输出给定信号给变频器DP接口模块SI-P3，变频器从而输出2.5～25Hz电压给电机，驱动电机运行于恒转矩状态。同样，当负载不大于80t时，荷重仪测出信号经中间继电器输入给PLC，让变频器输出2.5～87.5Hz电压给电机，从而驱动电机运行。

[0061] 图10是PLC原理图。其中，机房PLC采用S7-300可编程控制器，它包括电源模块、CPU模块、I/O数字量模块，CPU采用带DP功能的315-2DP模块。司机室采用S7-300的DP模块ET200M，它连接I/O数字量模块，机房和司机室所有信号传送和接收均通过DP总线来实现，同时，将起升高度编码器采用带DP功能的编码器PVM58，其信号通过DP总线传给PLC，具体见图7所示。

[0062] 通讯程序的编制：

[0063] 通过以上硬件的配置与参数的设置后，机房PLC与变频器或司机室的通讯主要通过两对DP系统功能SFC14(DPRD_DAT)和SFC15(DPWD_DAT)对各从站分别进行数据读/写操作，在从站中编写的程序如图11所示。

[0064] 主站中编写的程序如图12所示。

[0065] 本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也涉及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。