CN102647148B - 用于起升变频电机的设备、方法、系统及工程机械设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于起升变频电机的设备、方法、系统及工程机械设备，该自适应恒功率调速设备包括：接收装置，用于接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息；以及控制装置，用于根据所述输出转矩以及所述电机的额定功率及极对数，计算出反比于所述输出转矩的频率，并输出该频率，以控制所述电机以该频率运转。通过本发明，可通过电机在转速稳定状态下的输出转矩来确定当前负载折合到电机输出轴上的转矩，并据此计算电机的反比于所述输出转矩的频率，之后控制电机以该频率运转，从而可在保证安全的情况下，大幅度提高起升效率，实现变频电机在负载较大时以低速运行并在负载较小时以高速运行。

Description

用于起升变频电机的设备、方法、系统及工程机械设备

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种用于起升变频电机的设备、方法、系统及工程机械设备。

背景技术

变频是近代对异步交流电机进行起动和调速时所采用的主要方法。变频器作为一种变频电源具有很大的灵活性，其输出电压和频率之间的关系可以按照人为设定的规律进行调节，进而实现对电机的转速及转矩的调整。

目前，在塔式起重机中，一般采用限制负载大小或限制速度的方式来通过变频器进行电机调速。此方式虽可保证起重机的起升时的安全性，但变频电机的起升效率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于起升变频电机的设备、方法、系统及工程机械设备，其可使得变频电机在负载较大时以低速运行并在负载较小时以高速运行，使得变频电机的运行速度得到了合理优化。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速设备，该设备包括：接收装置，用于接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息；以及控制装置，用于根据所述输出转矩以及所述电机的额定功率及极对数，计算出反比于所述输出转矩的频率，并输出该频率，以控制所述电机以该频率运转。

相应地，本发明还提供一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速方法，该方法包括：接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息；以及根据所述输出转矩以及所述电机的额定功率及极对数，计算出反比于所述输出转矩的频率，并输出该频率，以控制所述电机以该频率运转。

相应地，本发明还提供一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速系统，该系统包括：上述自适应恒功率调速设备；以及变频器，用于接收来自所述控制装置的表示所述频率的信息，并以该频率驱动所述电机运转。

相应地，本发明还提供一种工程机械设备，该设备包括上述自适应恒功率调速系统。

通过上述技术方案，可通过电机在转速稳定状态下的输出转矩来确定当前负载折合到电机输出轴上的转矩，并据此计算电机的反比于所述输出转矩的频率，之后控制电机以该频率运转，从而可在保证安全的情况下，大幅度提高起升效率，实现变频电机在负载较大时以低速运行并在负载较小时以高速运行。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的自适应恒功率调速设备的结构图；

图2为电机的输出功率、输出转矩、以及频率之间的关系示意图；

图3为本发明提供的自适应恒功率调速方法的流程图；以及

图4为本发明提供的自适应恒功率调速系统的结构图。

附图标记说明

10    接收装置    20    控制装置

100    自适应恒功率调速设备    200    变频器

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1为本发明提供的自适应恒功率调速设备的结构图。如图1所示，本发明提供了一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速设备，该设备包括：接收装置，用于接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息；以及控制装置，用于根据所述输出转矩以及所述电机的额定功率及极对数，计算出反比于所述输出转矩的频率，并输出该频率，以控制所述电机以该频率运转。藉此，可使得电机的转速随着当前负载的变化（该当前负载折合到电机输出轴上的转矩等于所述电机在转速稳定状态下的输出转矩，具体原因将在下面进行说明）而变化，提高电机的起升效率。

优选地，所述反比于所述输出转矩的频率为所述电机在该输出转矩下的最大允许输出频率。藉此，可使得电机始终以最大允许转速运行，最大程度地提高电机的起升效率。该最大允许输出频率的计算过程如下。

图2为电机的输出功率、输出转矩、以及频率之间的关系示意图。如图2所示，f指代电机的频率，T指代电机的输出转矩，电机具有恒转矩区及恒功率区，在恒转矩区（f≤f_N），保持电机主磁通恒定为额定值，无论电机转速如何，输出转矩均保持不变，电机具有较硬的转矩特性；在恒功率区（f＞f_N），电机处于弱磁状态，而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与转速成反比，电机特性变软，随着转速的上升，转矩逐渐下降。

本发明主要涉及上述恒功率区的调速方式。在恒功率区，电机的各项参数之间的关系可满足以下关系式：

$\mathrm{Pm}=T*\mathrm{\Ω}=T*\frac{60f}{\mathrm{np}}=C---\left(1\right)$

其中，Pm为电机的额定功率；T电机的输出转矩；Ω为电机的同步角速度；f为电机定子频率；np为电机的极对数；C为一恒定值。Pm及np均为电机的固有属性，可通过查阅电机设计参数得到。

在负载不变的情况下，电机的最大允许输出频率取决于T，该最大允许输出频率的计算可根据以下公式进行：

$f=\mathrm{Pm}*\frac{\mathrm{np}}{60T}---\left(2\right)$

相应的电机转速n满足以下公式：

$n=\frac{(1-s)*60f}{\mathrm{np}}=\frac{(1-s)*\mathrm{Pm}}{T}---\left(3\right)$

在矢量控制方式下（即，可以保证s=C），当f为最大允许输出频率时，相应的电机转速n即为最大允许转速。

在给定Pm及T的情况下，可根据上述公式（2）确定电机在给定负载下的最大允许输出频率，进而使电机以该负载下的最大允许转速进行运转。

以下对如何确定当前负载折合到电机输出轴上的转矩进行说明。

当前负载折合到电机输出轴上的转矩在实际工况中经常变动，无法事先获知，然而其与电机的输出转矩存在一定的联系，可通过确定电机的输出转矩来间接得到当前负载折合到电机输出轴上的转矩。此时，该当前负载折合到电机输出轴上的转矩涉及包括吊重在内的全部负载，不需要考虑吊钩与钢丝绳的重量、卷筒内外层钢丝绳相对于卷筒轴心的半径差、整个拖动系统的机械效率等不确定因素的影响，而将其折合到电机输出轴上综合体现。

当前负载在电机作用下的运动规律可通过以下公式来描述：

$T-\mathrm{TL}=\frac{{\mathrm{GD}}_2}{375}*\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中，T为电机的输出转矩（N·m）；TL为负载折合到电机输出轴上的静负载转矩（N·m）;GD₂为折合到电机输出轴上的总飞轮惯量（N·m²）；n为电机轴转速（r/min）；t为时间（s）；375为加速度量纲系数。

表示一动态转矩或惯性转矩。如果旋转速度发生变化，即有加速或减速时，惯性转矩则可加（减）速度成比例地存在。当T>TL时，电机加速；当T<TL时，电机减速；当T=TL时，电机转速处于稳定状态，惯性转矩为零，此时即可将电机的输出转矩作为当前负载折合到电机输出轴上的转矩。

电机的输出转矩与驱动电机的变频器施加至该电机的电流相关，可通过检测该电流的大小而计算得出电机的输出转矩。具体而言，可由变频器在施加至电机的电压频率稳定的情况下，确定该电流的大小，根据该电流的大小计算出电机的输出转矩，并将该输出转矩发送至自适应恒功率调速设备。当然，本发明并不限于此，亦可由其他装置来检测电流大小、据此计算输出转矩、并将该输出转矩发送至自适应恒功率调速设备。

优选地，所述控制装置对所述电机在转速稳定状态下的多个输出转矩取平均值，并以该平均值作为所述电机在转速稳定状态下的输出转矩。藉此，可减少因负载波动、电源波动、力矩脉动、机械冲击、加速度或塔机等因素而造成输出转矩的波动，减小个别数据偶然偏差过大而对所计算的最大允许输出频率产生影响。

优选地，表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息包含循环冗余校验码，所述控制装置还对该信息进行循环冗余校验，在该校验未通过的情况下，丢弃该信息。藉此，可保证所接收的输出转矩信息的正确性。当然，本发明并不限于此，其他适用于此的校验码亦可被使用。

在实际应用过程中，所述自适应恒功率调速设备可能因为通信故障或外界严重干扰等原因而无法接收到电机输出转矩，进而无法进行自适应调速。针对该情形，优选地，所述接收装置还用于接收切换至非自适应调速程序的指令（该指令可来自诸如键盘、鼠标、按钮、触摸屏等输入装置）、起升档位（该起升档位可来自起重机的档位控制器）、以及表示当前负载是否大于预定起升负载的信号（例如，该信号可来自50%额定负载限制开关）；所述控制装置还用于在所述接收装置接收到所述切换至非自适应调速程序的指令时，根据所述起升档位所对应的频率控制所述电机运转，并在当前负载大于预定起升负载且所述起升档位为最高起升档位时，采用低于所述最高起升档位的起升档位所对应的频率控制所述电机运转。藉此，可在自适应恒功率调速设备无法进行自适应调速时，根据起升档位来进行调速，并根据来自50%额定负载限制开关的信号对电机的频率进行限制，即在当前负载大于预定起升负载且所述起升档位为最高起升档位时，对起升档位进行限制，虽然起升档位为最高起升档位，但依旧按照低于该最高起升档位的起升档位（例如，次高档位）所对应的频率控制所述电机运转，以保证安全。

图3为本发明提供的自适应恒功率调速方法的流程图。如图3所示，本发明还相应地提供了一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速方法，该方法包括：步骤S101，接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息；以及步骤S103，根据所述输出转矩以及所述电机的额定功率及极对数，计算出反比于所述输出转矩的频率，并输出该频率，以控制所述电机以该频率运转。

其中，所述反比于所述输出转矩的频率为所述电机在该输出转矩下的最大允许输出频率。

其中，该方法还包括：对所述电机在转速稳定状态下的多个输出转矩取平均值，并以该平均值作为所述电机在转速稳定状态下的输出转矩。

其中，表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息包含循环冗余校验码，在接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息之后，所述方法还包括：对该信息进行循环冗余校验，在该校验未通过的情况下，丢弃该信息。

其中，该方法还包括：接收切换至非自适应调速程序的指令、起升档位、以及表示当前负载是否大于预定起升负载的信号；以及根据所述起升档位所对应的频率控制所述电机运转，并在当前负载大于预定起升负载且所述起升档位为最高起升档位时，采用低于所述最高起升档位的起升档位所对应的频率控制所述电机运转。

图4为本发明提供的自适应恒功率调速系统的结构图。如图4所示，本发明还相应地提供了一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速系统，该系统包括：上述自适应恒功率调速设备；以及变频器，用于接收来自所述控制装置的表示所述频率的信息，并以该频率驱动所述电机运转。

其中，所述表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息由所述变频器基于该变频器施加至所述电机的电流而生成。该变频器可将所生成的输出转矩经由通信线路发送至自适应恒功率调速设备。自适应恒功率调速设备可通过通信线路将最大允许输出频率传送发送至变频器，之后该变频器根据该最大允许输出频率调整施加至电机的电压频率，以控制电机以最大允许输出频率运转；自适应恒功率调速设备亦可通过电路直接控制变频器以调整该变频器施加至电机的电压频率，而不通过通信线路传送最大允许输出频率。

其中，表示所述最大允许输出频率的信息包含循环冗余校验码，所述变频器还对该信息进行循环冗余校验，在该校验未通过的情况下，丢弃该信息，并驱动所述电机以该电机的额定频率（例如，50Hz）运转。藉此，可保证起重机安全运行。

其中，所述变频器在无法与所述自适应恒功率调速设备进行通信的情况下（例如，变频器可通过请求应答的方式来检查其与自适应恒功率调速设备的通信状况，以判断其是否可与所述自适应恒功率调速设备进行通信），驱动所述电机以低于该电机额定频率的频率（例如，3Hz）运转。藉此，可保证起重机安全运行。

相应地，本发明还提供了一种工程机械设备，该设备包括上述自适应恒功率调速系统。该工程机械设备包括但不限于塔式起重机、轮胎式起重机等工程机械设备。

需要说明的是，上述自适应恒功率调速设备可通过独立的控制器来实现，然而其亦可于变频器内实现。

通过本发明，可通过电机在转速稳定状态下的输出转矩来确定当前负载折合到电机输出轴上的转矩，并据此计算电机的反比于所述输出转矩的频率，之后控制电机以该频率运转，从而可在保证安全的情况下，大幅度提高起升效率，实现变频电机在负载较大时以低速运行并在负载较小时以高速运行。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速设备，该设备包括：

接收装置，用于接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息；以及

控制装置，用于根据所述输出转矩以及所述电机的额定功率及极对数，计算出反比于所述输出转矩的频率，并输出该频率，以控制所述电机以该频率运转，

所述接收装置还用于接收切换至非自适应调速程序的指令、起升档位、以及表示当前负载是否大于预定起升负载的信号；

所述控制装置还用于在所述接收装置接收到所述切换至非自适应调速程序的指令时，根据所述起升档位所对应的频率控制所述电机运转，并在当前负载大于预定起升负载且所述起升档位为最高起升档位时，采用低于所述最高起升档位的起升档位所对应的频率控制所述电机运转。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反比于所述输出转矩的频率为所述电机在该输出转矩下的最大允许输出频率。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制装置对所述电机在转速稳定状态下的多个输出转矩取平均值，并以该平均值作为所述电机在转速稳定状态下的输出转矩。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，

表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息包含循环冗余校验码，

所述控制装置还对该信息进行循环冗余校验，在该校验未通过的情况下，丢弃该信息。

5.一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速方法，该方法包括：

接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息；以及

根据所述输出转矩以及所述电机的额定功率及极对数，计算出反比于所述输出转矩的频率，并输出该频率，以控制所述电机以该频率运转，

该方法还包括：

接收切换至非自适应调速程序的指令、起升档位、以及表示当前负载是否大于预定起升负载的信号；以及

根据所述起升档位所对应的频率控制所述电机运转，并在当前负载大于预定起升负载且所述起升档位为最高起升档位时，采用低于所述最高起升档位的起升档位所对应的频率控制所述电机运转。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述反比于所述输出转矩的频率为所述电机在该输出转矩下的最大允许输出频率。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，该方法还包括：

对所述电机在转速稳定状态下的多个输出转矩取平均值，并以该平均值作为所述电机在转速稳定状态下的输出转矩。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息包含循环冗余校验码，在接收表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息之后，所述方法还包括：

对该信息进行循环冗余校验，在该校验未通过的情况下，丢弃该信息。

9.一种用于起升变频电机的自适应恒功率调速系统，该系统包括：

根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的自适应恒功率调速设备；以及

变频器，用于接收来自所述控制装置的表示所述频率的信息，并以该频率驱动所述电机运转。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述表示所述电机在转速稳定状态下的输出转矩的信息由所述变频器基于该变频器施加至所述电机的电流而生成。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，

所述表示所述频率的信息具体为表示最大允许输出频率的信息，所述表示最大允许输出频率的信息包含循环冗余校验码，

所述变频器还对该信息进行循环冗余校验，在该校验未通过的情况下，丢弃该信息，并驱动所述电机以该电机的额定频率运转。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，

所述变频器在无法与所述自适应恒功率调速设备进行通信的情况下，驱动所述电机以低于该电机额定频率的频率运转。

13.一种工程机械设备，该设备包括根据权利要求9-12中任一项权利要求所述的系统。

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