CN111272055A - 一种三相电动机制动距离检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相电动机制动距离检测装置和方法，该装置包括三相电采样模块、微处理器、制动报警模块和转子旋转圈数报警设定模块；三相电采样模块输入端与三相电动机的定子相连接，三相电采样模块输出端与微处理器相连接，转子旋转圈数报警设定模块输出端与微处理器相连接，微处理器输出端连接制动报警模块。该方法包括：采集三相电动机的三相定子电压信号，计算三相供电电动势的频率、相序和幅值，计算三相电动机转子转过的角度以及转子旋转圈数；判断转子旋转圈数与设定值关系，并判断是否报警。本发明避免了采用传感器需考虑安装位置、信号传输及成本等问题，具有设计合理、准确可靠、节约成本等特点，可广泛用于起重设备、电梯等领域。

Description

一种三相电动机制动距离检测装置和方法

技术领域

本发明属于三相电动机技术领域，尤其是一种三相电动机制动距离检测装置和方法。

背景技术

三相电动机广泛地应用于起重机、电梯等领域。三相电动机的制动距离是其重要的安全指标之一，特别是提升系统制动时，必须小于安全下距离，从而保证制动时不会伤害人体和损害物体。电动机在停止工作时，由于惯性作用力或者物体的重力作用，电动机转子将被拖动继续转动。起重机等设备一般通过刹车装置的摩擦阻力锁住电动机转子转动，从而限制制动距离或者下滑距离。因为刹车装置的摩擦阻力随着起重机的使用逐渐减弱，所以需要对起重机的刹车系统定期进行人工维护或安装自动监测设备。目前，自动监测设备分成两种，一种是检测起重机等设备的刹车装置刹车片的厚度，另一种是检测起重机等设备的制动距离。无论采用哪种检测方式，现有的检测装置都需要安装额外的物理传感器，实现起来需要考虑安装位置、信号传输及成本等诸多问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、准确可靠且节约成本的三相电动机制动距离检测装置和方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种三相电动机制动距离检测装置，包括三相电采样模块、微处理器、制动报警模块和转子旋转圈数报警设定模块；所述三相电采样模块输入端与三相电动机的定子相连接，三相电采样模块输出端与微处理器相连接，转子旋转圈数报警设定模块输出端与微处理器相连接，微处理器输出端连接制动报警模块。

所述三相电采样模块为三相电阻分压电路、电压传感器或电压采样集成电路。

所述微处理器内置有制动距离计算模块，实现如下功能：采集三相定子电动势信号、计算三相电动势频率相序和幅值、识别三相感应电动势信号、计算三相定子感应电动势周期波形的数量、计算三相定子感应电动势信号某一时刻旋转的角度、计算电动机转子旋转的圈数和角度、比较设定的圈数值和输出报警功能。

所述制动报警模块输出的报警信号为灯光、声音、提示信息、开关信号、模拟信号、数字总线信号中的一种或多种组合。

所述转子旋转圈数报警设定模块为拨码设置、按键设置、模拟量信号输入或者数字总线输入。

一种三相电动机制动距离检测方法，包括以下步骤：

步骤1、三相电采样模块采集三相电动机的三相定子电压信号，并将三相定子电压信号转换成微处理器可以识别的电信号；

步骤2、微处理器计算三相电动机定子电动势的频率、相序和幅值；

步骤3、微处理器读取三相电采样模块的输出信号，计算三相电动机转子转过的角度以及转子旋转圈数；

步骤4、微处理器判断转子旋转圈数与设定值关系，并判断是否报警。

所述步骤3还包括计算电动机制动时电动机负载运动的直线距离S：

S＝N*C

其中，其中，N为三相电动机转子旋转圈数，C为电机转子转动一周时电动机负载的直线距离。

所述三相电动机转子转过的角度的计算公式为：

其中，Ф为电动机制动时刻t0开始到某一时刻td转子转过的角度，P为三相感应电机的极对数，P≥1，m为定子三相感应电动势其完整周期信号的数量，m≥0；K_i为定性描述定子的三相感应电动势第i个周期的相序，

K_m+1用来定性描述定子的三相感应电动势第m+1个周期的相序，

为第m个周期结束后到td时刻，定子三相感应电动势信号继续变化的电角度，

令U相在T_d时刻的瞬时电压为

V相在Td时刻的瞬时电压为

的计算公式为：

所述转子旋转圈数的计算公式为：

其中，N为三相电动机转子旋转圈数。

所述步骤4的具体处理方法为：微处理器判断转子转动圈数与设定的转动圈数关系，若转子转动圈数大于等于设定圈数，则微处理器输出报警信号使制动报警模块进行报警。

本发明的优点和积极效果是：

本发明通过三相电采样模块采集三相感应电动机定子的电动势信号，计算三相感应电动机的转子旋转圈数，进而能够实时计算起重机的制动距离，当转子旋转圈数报警设定模块设定制动时允许电机转动的最大圈数时，通过制动报警模块进行报警。本发明不需要使用额外的物理传感器，避免了采用传感器需要考虑安装位置、信号传输及成本等诸多问题，具有设计合理、准确可靠、节约成本等特点，可以广泛用于起重设备、电梯等领域。

附图说明

图1是本发明的三相电动机制动距离检测装置连接框图；

图2是本发明的三相电动机制动距离检测方法流程图；

图3是负载转矩方向与电机转动方向相反的三相电动机转子转速和电动机定子电动势波形图；

图4是负载转矩方向与电机转动方向相同的三相电动机转子转速和电动机定子电动势波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

一种三相电动机制动距离检测装置，如图1所示，包括三相电采样模块、微处理器、制动报警模块、转子旋转圈数报警设定模块。其中，三相电采样模块输入端与三相电动机相连接，三相电采样模块输出端与微处理器相连接，转子旋转圈数报警设定模块输出端与微处理器相连接，微处理器输出端连接制动报警模块。

所述三相电采样模块，连接电机的三相定子端，将三相定子电压信号转换成未处理器可以识别的低压电信号。三相电采样模块可以通过三相电阻分压电路、电压传感器或电压采样集成电路等方式实现。

所述微处理器内置有制动距离计算模块，用于读取三相电采样模块的输出信号并计算三相电动机制动距离。制动距离计算模块主要包括以下功能：采集三相定子电动势信号，计算三相电动势频率、相序和幅值，识别三相感应电动势信号，计算三相定子感应电动势周期波形的数量，计算三相定子感应电动势信号某一时刻旋转的角度，计算电动机转子旋转的圈数和角度，比较设定的圈数值和输出报警功能。

所述制动报警模块，用于处理微处理器输出的报警信号，例如提示刹车系统出现异常。报警信号输出可以是灯光、声音、提示信息、开关信号、模拟信号、数字总线信号其中的一种或多种组合。

转子旋转圈数报警设定模块，用于设定制动时允许电机转动的最大圈数，该模块将设定值输出给微处理器。设定方式可以是拨码设置、按键设置，模拟量信号输入，或者数字总线输入等等。

基于上述检测装置，本发明提出的一种三相电动机制动距离检测方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、三相电采样模块采集三相电动机的三相定子电压信号，并将三相定子电压信号转换成微处理器可以识别的低压电信号。

步骤2、确定三相电动机定子电动势的频率、相序和幅值。

步骤3、微处理器读取三相电采样模块的输出信号，计算三相电动机转子转过的角度以及转子旋转圈数。

本步骤的具体计算步骤为：

⑴、再次采样三相电动势信号，并判断是否完成一个周期的采样，若完成一个周期的采样，则进行步骤⑵，否则进行步骤⑹；

⑵、计算三相电压本周期的频率、相序和幅值，判断本周期的频率、电压幅值与供电频率、电压幅值的关系，若本周期电压不等于供电频率并且电压幅值小于供电幅值，则进行步骤⑶，否则进行步骤⑴；

⑶、判断本周期相序是否与供电相序相同，若本周期相序与供电相序相同，则进行步骤⑷，否则进行步骤⑸；

⑷、将感应电动势周期计数加1，执行步骤⑼；

⑸、将感应电动势周期计数减1，进行步骤⑼；

⑹、计算转子转过的角度，以及转子转过的角度与360°的比值，并判断本周期相序与供电相序的关系，若本周期相序与供电相序相同，则进行步骤⑺，否则进行步骤⑻；

在步骤⑹中，从电机制动时刻t0开始到某一时刻td，转子转过的角度Ф的计算公式为：

其中，p为三相感应电机的极对数，P≥1，m为t0到td定子三相感应电动势其完整周期信号的数量，m≥0；Ki为定性描述定子的三相感应电动势第i个周期的相序，

Km+1用来定性描述定子的三相感应电动势第m+1个周期的相序，

为第m个周期结束后到td时刻，定子三相感应电动势信号继续变化的电角度，

由于，三相感应电动势的相序相差120°，令U相在T_d时刻的瞬时电压为

可以采样得到；V相在Td时刻的瞬时电压为

的计算公式为：

⑺、正数感应电动势旋转角度比，进行步骤⑼；

⑻、负数感应电动势旋转角度比，进行步骤⑼；

⑼、计算转子旋转圈数N，其计算公式为：

根据转子旋转圈数N，可以得到如下电动机制动时电动机负载运动的直线距离S：

S＝N*C

其中，C为电机转子转动一周时，电动机负载运动的直线距离。

步骤4、微处理器判断转子旋转圈数与设定值关系，并判断是否报警。

在本步骤中，微处理器判断转子转动圈数与设定的转动圈数关系，若转子转动圈数大于等于设定圈数，则微处理器输出报警信号使制动报警模块进行报警，否则进行步骤3继续判断。

下面，根据上述一种三相电动机制动距离检测装置和方法对下面两种不同类型的三相电动机进行计算：

⑴、一个2对级三相感应电动机，负载转矩方向与电机转动方向相反，没有刹车制动，仅靠机械摩擦力和电机转动惯量制动。0秒开始三相电动机定子供电，0.2秒后断电，电动机转子转速和电动机定子电动势波形图如图3所示。

转速的变化：

从0秒到0.2秒，电子转子从0转/分加速到稳定的1450转/分。

从0.2秒到0.4秒，电机转速从1450转/分下降到0转/分，

从0.4秒到0.8秒，由于重物的重力作用拖动电动机转子反向旋转，电机转速0转/分加速到反向的2000转/分。

三相电动机定子电动势的变化：

从0秒到0.2秒，定子电动势为三相电源供电电动势。

从0.2秒到0.4秒，定子电动势为三相感应电动势。三相电动势相序与三相电源供电电动势相序一致。三相电动势幅值逐渐减小到0。三相电动势角频率逐渐减少到0，持续了4个正弦波周期。

从0.4秒到0.8秒，定子电动势为三相感应电动势，三相电动势的相序与三相电源供电电动势相序相反。三相电动势幅值逐渐增大，但是小于三相电源供电电动势。三相电动势角频率逐渐减增加，持续了13个正弦波周期。

根据上述方法计算电动机转子旋转的角度：

2对级电机，因此三相感应电动的角频率是转子旋转的角速度的2倍，即0.2秒到0.4秒电机转子保持上升方向旋转了2周，0.4秒到0.8秒电机转子反向下降方向旋转了6.5周，所以从0.2秒电机制动开始到0.8秒电机转子反向方向旋转了4.5周，即旋转了1620°＝360°*4.5，与事实相符。

⑵、一个2对级三相感应电动机，负载转矩方向与电机转动方向相同，没有刹车制动，仅靠机械摩擦力和电机转动惯量制动0秒开始三相电动机定子供电，0.2秒后断电，电动机转子转速和电动机定子电动势波形图如图4所示。

转速的变化：

从0秒到0.2秒，电子转子从0转/分加速到稳定的1450转/分。

从0.2秒到0.8秒，由于重物的重力作用拖动电动机转子继续旋转，电机转速1450转/分加速到3000转/分以上。

三相电动机定子电动势的变化：

从0秒到0.2秒，定子电动势为三相电源供电电动势。

从0.2秒到0.8秒，定子电动势为三相感应电动势。三相电动势的相序与三相电源供电电动势相序一致。三相电动势幅值逐渐减小。三相电动势角频率逐渐增加，持续了42正弦波周期。

根据上述方法计算电动机转子旋转的角度：

2对级电机，因此三相感应电动的角频率是转子旋转的角速度的2倍，即0.2秒到0.8秒电机转子保持下降方向旋转了42周，即旋转了7560°＝360°*21。

上述对于不同两种情况下的三相电动机进行计算，且计算结果均与事实相符，证明了本方法能够有效地计算出三相异步电动机制动距离。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种三相电动机制动距离检测装置，其特征在于：包括三相电采样模块、微处理器、制动报警模块和转子旋转圈数报警设定模块；所述三相电采样模块输入端与三相电动机的定子相连接，三相电采样模块输出端与微处理器相连接，转子旋转圈数报警设定模块输出端与微处理器相连接，微处理器输出端连接制动报警模块。

2.根据权利要求1所述的一种三相电动机制动距离检测装置，其特征在于：所述三相电采样模块为三相电阻分压电路、电压传感器或电压采样集成电路。

3.根据权利要求1所述的一种三相电动机制动距离检测装置，其特征在于：所述微处理器内置有制动距离计算模块，实现如下功能：采集三相定子电动势信号、计算三相电动势频率相序和幅值、识别三相感应电动势信号、计算三相定子感应电动势周期波形的数量、计算三相定子感应电动势信号某一时刻旋转的角度、计算电动机转子旋转的圈数和角度、比较设定的圈数值和输出报警功能。

4.根据权利要求1所述的一种三相电动机制动距离检测装置，其特征在于：所述制动报警模块输出的报警信号为灯光、声音、提示信息、开关信号、模拟信号、数字总线信号中的一种或多种组合。

5.根据权利要求1所述的一种三相电动机制动距离检测装置，其特征在于：所述转子旋转圈数报警设定模块为拨码设置、按键设置、模拟量信号输入或者数字总线输入。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的三相电动机制动距离检测装置的检测方法，其特征在于：

步骤1、三相电采样模块采集三相电动机的三相定子电压信号，并将三相定子电压信号转换成微处理器可以识别的电信号；

步骤2、微处理器计算三相电动机定子电动势的频率、相序和幅值；

步骤3、微处理器读取三相电采样模块的输出信号，计算三相电动机转子转过的角度以及转子旋转圈数；

步骤4、微处理器判断转子旋转圈数与设定值关系，并判断是否报警。

7.根据权利要求6所述的一种三相电动机制动距离检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤3还包括计算电动机制动时电动机负载运动的直线距离S：

S＝N*C

其中，其中，N为三相电动机转子旋转圈数，C为电机转子转动一周时电动机负载运动的直线距离。

8.根据权利要求6或7所述的一种三相电动机制动距离检测装置的检测方法，其特征在于：所述三相电动机转子转过的角度的计算公式为：

其中，Ф为电动机制动时刻t0开始到某一时刻td转子转过的角度，P为三相感应电机的极对数，P≥1，m为定子三相感应电动势其完整周期信号的数量，m≥0；K_i为定性描述定子的三相感应电动势第i个周期的相序，

K_m+1用来定性描述定子的三相感应电动势第m+1个周期的相序，

为第m个周期结束后到td时刻，定子三相感应电动势信号继续变化的电角度，

令U相在T_d时刻的瞬时电压为

V相在Td时刻的瞬时电压为

的计算公式为：

9.根据权利要求6或7所述的一种三相电动机制动距离检测装置的检测方法，其特征在于：所述转子旋转圈数的计算公式为：

其中，N为三相电动机转子旋转圈数。

10.根据权利要求6或7所述的一种三相电动机制动距离检测装置的检测方法，其特征在于：所述步骤4的具体处理方法为：微处理器判断转子转动圈数与设定的转动圈数关系，若转子转动圈数大于等于设定圈数，则微处理器输出报警信号使制动报警模块进行报警。

Images