CN115001132B - 塔机供电电路和供电控制方法 - Google Patents

塔机供电电路和供电控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种塔机供电电路和供电控制方法。该供电电路包括：主供电单元，变频器的输入端用于连接交流供电端，变频器的输出端与变频电机相连，第一储能模块与变频器的输出端相连，变频器的输出端和第一储能模块的输出端分别与塔机吊钩的升降机构相连；辅助供电单元，包括与塔机吊钩的滑轮固定连接的主齿轮，主齿轮通过传动过桥齿轮与增速发电机相连，增速发电机的输出端与第二储能模块相连，第二储能模块的输出端与至少两路电源分路模块相连，各路电源分路模块用于与负载机构相连；电路控制单元，控制变频器或第一储能模块升降机构工作所需的电能，以及根据塔机吊钩的工作模式控制第一储能模块和第二储能模块的开启或关闭。

Description

塔机供电电路和供电控制方法
技术领域
本申请属于塔机供电技术领域，具体地，涉及一种塔机供电电路和供电控制方法。
背景技术
塔机，即“塔式起重机”简称，又称“塔吊”。是用于建筑施工中的一种起重设备。
塔机的工作状态有起吊和落料，起吊和落料过程中需要的电能是不同的，然而，塔机的交流供电端是处于持续供电状态下的，如此，当供电端的电能大于塔机所需的电能时，会造成供电端电能的浪费。同时，供电端因电压不稳跳闸现象频频发生时，突然断电带来的害处是：塔吊吊钩上的吊物来不及卸下，在塔机吊着重物旋转时，如果现场突然停电，则塔机因重物惯性的作用将继续旋转，如在重物旋转范围内有人或障碍物，必将造成安全事故。
因此，急需设计一种安全可靠的可满足塔机的能量需求又能便于维修的塔机高压电路，并且该电路能够按照能量需求来协调双电源的能量输出，而现阶段并没有一种合适的电路可以满足以上需求。
发明内容
本发明提出了一种塔机供电电路和供电控制方法，电路结构简单、实用、有效的塔机供电电路和供电控制方法。
根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种供电电路，包括：主供电单元，包括变频器、变频电机和第一储能模块；所述变频器的输入端用于连接交流供电端，所述变频器的输出端与所述变频电机相连，所述第一储能模块与所述变频器的输出端相连，所述变频器的输出端和所述第一储能模块的输出端分别与塔机吊钩的升降机构相连，用于提供所述升降机构工作所需的电能；
辅助供电单元，包括与所述塔机吊钩的滑轮固定连接的主齿轮，所述主齿轮通过传动过桥齿轮与增速发电机相连，所述增速发电机的输出端与三相全桥整流滤波器的输入端相连，所述三相全桥整流滤波器的输出端与第二储能模块相连，所述第二储能模块的输出端与至少两路电源分路模块相连，各路所述电源分路模块用于与负载机构相连，提供所述负载机构工作所需的电能；
电路控制单元，与所述主供电单元和所述辅助供电单元分别相连，用于根据所述变频器的输出端的输出电压和所述第一储能模块的存储电压之间的压差，控制所述变频器或所述第一储能模块输出所述升降机构工作所需的电能，以及根据所述塔机吊钩的工作模式控制所述第一储能模块和所述第二储能模块的开启或关闭，以及控制所述电源分路模块的工作模式。
在一些实施例中，所述第一储能模块包括超级电容单元和第四开关管，所述超级电容单元的一端通过所述第四开关管与所述变频器的输出端相连，所述超级电容单元的另一端接地；所述电路控制单元与所述超级电容单元的一端相连，采样所述超级电容单元的实时电压；所述电路控制单元与所述第四开关管相连，控制所述超级电容单元的充放电状态。
在一些实施例中，所述超级电容单元包括至少两个并联连接的超级电容，任意两个所述超级电容的并联电路上连接有第十六开关管，所述第十六开关管与所述电路控制单元相连，所述电路控制单元通过控制所述第十六开关管的开启和关闭，以控制所述超级电容单元导通的所述超级电容的数量。
在一些实施例中，所述主控单元还包括充电保护模块，所述充电保护模块连接在所述变频和所述第一储能模块之间；所述电路控制单元还用于控制所述充电保护模块的开启或关闭。
在一些实施例中，所述充电保护模块包括预充限流电路，所述预充限流电路包括第一电阻和第一开关管，所述第一电阻的一端与所述变频器的整流端相连，另一端与所述第一开关管相连，所述第一开关管与所述电路控制单元相连。
在一些实施例中，所述充电保护模块还包括过压保护电路，所述过压保护电路包括第二开关管，所述第二开关管连接在所述变频器的整流端和所述第一储能模块之间，所述第二开关管与所述电路控制单元相连。
在一些实施例中，所述辅助供电单元还包括充放电保护模块，所述充放电保护模块连接在所述三相全桥整流滤波器和所述第二储能模块之间，所述至少两路电源分路模块并联在所述充放电保护模块的输出端。
在一些实施例中，所述第二储能模块包括并联的可充放电电电池和超级电容；
各路所述电源分路模块包括DC-DC电源模块，所述DC-DC电源模块用于将所述第二储能模块输出的电压转换为预设的电压值。
在一些实施例中，所述变频器包括整流器电路、逆变器电路和采样电路，所述采样电路用于采样所述变频器输出端的电压；所述采样电路包括并联的第五电阻和第六电阻。
根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种上述的塔机供电电路的供电控制方法，包括：
采集第一储能模块的存储电压和变频器输出端的输出电压；
计算所述存储电压和所述输出电压的差值，确定所述差值是否大于第一阈值；
若大于，则开启所述充放电保护模块，控制所述变频器对所述第一储能模块充电；
若小于，则关闭所述充放电保护模块，确定所述第一储能模块的电压是否大于第二阈值，
若大于，则关闭所述变频器，开启所述第一储能模块进行供电。
采用本申请实施例中的供电电路、塔机供电电路和供电方法，电路能够有效监测电路中的故障情况，当出现严重短路故障时，熔断器立即熔断，最大程度保护其他电路元件。电路结构简单实用便于后期维护和修理；电路中的预充回路能够有效保护后端电器中的电容元件，防止电路接通瞬间电容部件被短路击穿。能够合理地按照作业需求分配双电源的输出能量，控制效果理想，能有效提高双电源工作效率。能量管理方法利用了超级电容的充放电特性，既能提供瞬间大电流又能回收制动过程中的电能。同时，增速发电机通过轮盘的转动，带动发电机旋转产生三相交流低压电，再通过电源变换，形成供电电压，在电源后面连接有可以充放电的锂电池组或者和超级电容配合一起储能，可以实现存储和缓冲电流的作用。这些电压供钩头的回转电机和结绳机构控制电路和传感电路，嵌入式单片机、通讯模块等电路使用。可以保障供电的连续性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1中示出了根据本申请一实施例的塔机供电电路的电路框图；
图2中示出了根据本申请另一实施例的塔机供电电路的电路框图；
图3中示出了根据本申请实施例的塔机吊钩的主供电单元的电路示意图
图4中示出了根据本申请实施例的塔机供电电路主供电电路的供电流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一图像分类模型的训练脚本称为第二图像分类模型的训练脚本，且类似地，可将第二图像分类模型的训练脚本称为第二图像分类模型的训练脚本。
技术术语解释:
超级电容器是介于化学电池与普通电容器两者之间的一种新型储能元件，由于它具备超大电容量、控制简单、无污染、功率密度大、比充电电池能量高，可进行高效率快速充放电，并可长期浮充，比充电电池充电寿命长，使用温度范围宽等诸多优点，使其越来越受到重视，并已在多个领域内得到了广泛的应用。
在一些实施例中，如图1所示，提供了一种塔机供电电路，可以包括：
主供电单元，包括变频器、变频电机和第一储能模块；变频器的输入端用于连接交流供电端，变频器的输出端与变频电机相连，第一储能模块与变频器的输出端相连，变频器的输出端和第一储能模块的输出端分别与塔机吊钩的升降机构相连，用于提供升降机构工作所需的电能；
辅助供电单元，包括与塔机吊钩的滑轮固定连接的主齿轮，主齿轮通过传动过桥齿轮与增速发电机相连，增速发电机的输出端与三相全桥整流滤波器的输入端相连，三相全桥整流滤波器的输出端与第二储能模块相连，第二储能模块的输出端与至少两路电源分路模块相连，各路电源分路模块用于与负载机构相连，提供负载机构工作所需的电能；
电路控制单元，与主供电单元和辅助供电单元分别相连，用于根据变频器的输出端的输出电压和第一储能模块的存储电压之间的压差，控制变频器或第一储能模块输出升降机构工作所需的电能，以及根据塔机吊钩的工作模式控制第一储能模块和第二储能模块的开启或关闭，以及控制电源分路模块的工作模式。
本申请，通过在主卷扬和回转的变频器的直流电源端接超级电容和控制电机的电动和发电运行模式，加入识别和保护电路，全过程的协调控制系统工作，（例如通过高压大电流场效应管和充放电管理来实现），实现刹车和减速回收储能，利用回收保存的能量驱动电机运动做功，实现节电节能的方法。供电电路通过超级电容来实现储存电能，在需要电能的时候通过超级电容来实现放电功能。电容大小确定方法：根据电机大小和发电量对应电容容量。
在吊钩上的滑轮外侧有主齿圈，主齿轮外径与滑轮的外径接近，主齿轮与滑轮固定连接，故滑轮旋转时，带动主齿轮一起转动，通过传动过桥齿轮连接到增速发电机，通过轮盘的转动，带动发电机旋转产生三相交流低压电，电压在0-50v，在经过三相全桥整流滤波得到直流50v电压，再通过电源变换，形成隔离的50v，24v，12v，5v，3.3v的供电电压，在电源后面连接有可以充放电的锂电池组或者和超级电容配合一起储能，可以实现存储和缓冲电流的作用。这些电压供钩头的回转电机和结绳机构控制电路和传感电路，嵌入式单片机、通讯模块等电路使用。根据用户的用电量可以旋转电池电压36-48v，电量是5-10Ah，可以保障供电的连续性。
在一些实施例中，第一储能模块包括超级电容单元和第四开关管Q4，超级电容单元的一端通过第四开关管Q4与变频器的输出端相连，超级电容单元的另一端接地；电路控制单元与超级电容单元的一端相连，采样超级电容单元的实时电压；电路控制单元与第四开关管Q4相连，控制超级电容单元的充放电状态。
其中，第四开关管Q4可以是三极管，当第四开关管Q4开启时，变频器通过供电保护模块对超级电容充电；当第四开关管Q4关闭时，超级电容放电。
在一些实施例中，超级电容单元包括至少两个并联连接的超级电容，任意两个超级电容的并联电路上连接有第十六开关管Q16，第十六开关管Q16与电路控制单元相连，电路控制单元通过控制第十六开关管Q16的开启和关闭，以控制超级电容单元导通的超级电容的数量。
其中，第十六开关管Q16关闭时，多个超级电容并联，超级电容CF的数量决定了可以储存的能量。
在一些实施例中，主控单元还包括充电保护模块，充电保护模块连接在变频和第一储能模块之间；电路控制单元还用于控制充电保护模块的开启或关闭。
在一些实施例中，充放电保护模块包括预充限流电路，预充限流电路包括第一电阻和第一开关管Q1，第一电阻R1的一端与变频器的整流端相连，另一端与第一开关管Q1相连，第一开关管Q1与电路控制单元相连。
其中，第一电阻为限流电阻，设备送电以后，使用限流的模块给超级电容预充电（第一开关管Q1开启），控制系统实时检测超级电容电压值，待电容电压与主回路电压差值小于30%时，短路限流模块，实现电路保护，并断开超级电容的充电回路。
在一些实施例中，充放电保护模块还包括过压保护电路，过压保护电路包括第二开关管Q2，第二开关管Q2连接在变频器的整流端和第一储能模块之间，第二开关管Q2与电路控制单元相连。
其中，在待电容电压与主回路电压差值小于30%时，短路限流模块，实现电路保护，并断开电容的充电回路，即关闭第一开关管Q1和第二开关管Q2。
变频器的输出端通过第三开关管Q3连接电路控制单元。
在一些实施例中，辅助供电单元还包括充放电保护模块，充放电保护模块连接在三相全桥整流滤波器和第二储能模块之间，至少两路电源分路模块并联在充放电保护模块的输出端。
其中，充放电保护模块可以是现有的充放电保护电路，避免对后面的第二储能模块充放电，造成电路击穿。
在一些实施例中，第二储能模块包括并联的可充放电电电池和超级电容；
各路电源分路模块包括DC-DC电源模块，DC-DC电源模块用于将第二储能模块输出的电压转换为预设的电压值。
其中，可以充放电的锂电池组或者和超级电容配合一起储能，可以实现存储和缓冲电流的作用。
DC-DC电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路(asic)、数字信号处理器 (dsp)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (fpga)及其他数字或模拟负载提供供电。DC-DC隔离转换实现多电压的系统供电环境，保障吊钩的通讯检测传感控制和电动执行单元的用电。
在一些实施例中，变频器包括整流器电路、逆变器电路和采样电路，采样电路用于采样变频器输出端的电压。在一些实施例中，采样电路包括并联的第五电阻R5和第六电阻R6。
本发明中既要保证超级电容充放有效的电量，即充放电深度，又考虑到充放电时控制的方便和可操作性，决定采用恒流放电的方式。超级电容模组根据“电路保持工作所需能量＝超级电容减少能量”的原则，选择采用两节2.7V的超级电容串联模组，其额定电压5.4V，额定容量60F，工作温度范围-40℃～70℃。
在直流供电回路中并入超级电容，设备送电以后，使用限流的模块给电容预充电，控制系统实时检测超级电容电压值，待电容电压与主回路电压差值小于30%时，短路限流模块，实现电路保护，并断开电容的充电回路。储电，当电机超速旋转时会产生比电网更高的电压，当控制系统检测到直流回路电压值超过设定范围后，将电容接入电源主回路进行充电，通过电容的储能拉低发电的电压，防止因设备超压使用损坏。当电机检测到直流回路电压值回归到正常范围后，停止充电，并将电容与主回路断开。下次设备需要运动时，将电容解读电机电源回路，放掉电容内约60%的电。断开电容供电回路，切换到变频器主回路供电。
控制系统检测电压差值，在允许范围内使用超级电容储能模式，超出范围使用其他方式如机械制动。检测设备送电后电压差值，在电压差值接近10%-20%后，短路限流模块。利用机械刹车等方式减少电机的发电量，保障电机设备的使用在安全范围内。
在一些实施例中，一种上述的塔机供电电路的供电控制方法，可以包括：
电路控制单元确定塔机吊钩是处于起钩状态或落料状态，
若处于起钩状态，则电路控制单元控制断开传动过桥齿轮与增速发电机的连接关系；
电路控制单元采集第一储能模块的存储电压和变频器输出端的输出电压；
电路控制单元计算存储电压和输出电压的差值，确定差值是否大于第一阈值；
若大于，则电路控制单元开启充电保护模块，控制变频器对第一储能模块充电；
若小于，则电路控制单元关闭充电保护模块，确定第一储能模块的电压是否大于第二阈值，
若大于，则电路控制单元关闭变频器，开启第一储能模块进行供电；
电路控制单元确定第一储能模块的电压是否大于第三阈值；
若大于，则电路控制单元关闭变频器，开启第一储能模块进行供电；
电路控制单元若处于落料状态，则主齿轮跟随换轮转动，主齿轮带动传动过桥齿轮转动，传动过桥齿轮带动增速发电机发电，增速发电机输出的电能通过第二储能模块进行存储；
电路控制单元控制根据负载机构所需的电能控制各路电源分路模块的工作状态。
本发明通过在主卷扬和回转的变频器的直流电源端接入超级电容和控制电机的电动和发电运行模式，加入识别和保护电路，全过程的协调控制系统工作，（可以通过高压大电流场效应管和充放电管理来实现），实现刹车和减速回收储能，利用回收保存的能量驱动电机运动做功，实现节电节能的方法。供电电路通过超级电容来实现储存电能，在需要电能的时候通过超级电容来实现放电功能。电容大小确定方法：根据电机大小和发电量对应电容容量。
在吊钩的滑轮外侧有主齿圈，通过传动过桥齿轮连接到增速发电机，通过传动过桥齿轮转动，带动发电机旋转产生三相交流低压电，电压在0-50v，在经过三相全桥整流滤波得到直流50v电压，再通过电源变换，形成隔离的50v，24v，12v，5v，3.3v的供电电压，在电源后面连接有可以充放电的锂电池组或者和超级电容配合一起储能，可以实现存储和缓冲电流的作用。这些电压供钩头的回转电机和结绳机构控制电路和传感电路，嵌入式单片机、通讯模块等电路使用。根据用户的用电量可以旋转电池电压36-48v，电量是5-10Ah，可以保障供电的连续性。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该计算机程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，前述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）等非易失性存储介质，或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种塔机供电电路，其特征在于，包括：
主供电单元，包括变频器、变频电机和第一储能模块；所述变频器的输入端用于连接交流供电端，所述变频器的输出端与所述变频电机相连，所述第一储能模块与所述变频器的输出端相连，所述变频器的输出端和所述第一储能模块的输出端分别与塔机吊钩的升降机构相连，用于提供所述升降机构工作所需的电能；
辅助供电单元，包括与所述塔机吊钩的滑轮固定连接的主齿轮，所述主齿轮通过传动过桥齿轮与增速发电机相连，所述增速发电机的输出端与三相全桥整流滤波器的输入端相连，所述三相全桥整流滤波器的输出端与第二储能模块相连，所述第二储能模块的输出端与至少两路电源分路模块相连，各路所述电源分路模块用于与负载机构相连，提供所述负载机构工作所需的电能；
电路控制单元，与所述主供电单元和所述辅助供电单元分别相连，用于根据所述变频器的输出端的输出电压和所述第一储能模块的存储电压之间的压差，控制所述变频器或所述第一储能模块输出所述升降机构工作所需的电能，以及根据所述塔机吊钩的工作模式控制所述第一储能模块和所述第二储能模块的开启或关闭，以及控制所述电源分路模块的工作模式。
2.如权利要求1所述的塔机供电电路，其特征在于，所述第一储能模块包括超级电容单元和第四开关管，所述超级电容单元的一端通过所述第四开关管与所述变频器的输出端相连，所述超级电容单元的另一端接地；所述电路控制单元与所述超级电容单元的一端相连，采样所述超级电容单元的实时电压；所述电路控制单元与所述第四开关管相连，控制所述超级电容单元的充放电状态。
3.如权利要求2所述的塔机供电电路，其特征在于，所述超级电容单元包括至少两个并联连接的超级电容，任意两个所述超级电容的并联电路上连接有第十六开关管，所述第十六开关管与所述电路控制单元相连，所述电路控制单元通过控制所述第十六开关管的开启和关闭，以控制所述超级电容单元导通的所述超级电容的数量。
4.如权利要求1所述的塔机供电电路，其特征在于，所述主供电单元还包括充电保护模块，所述充电保护模块连接在所述变频器和所述第一储能模块之间；所述电路控制单元还用于控制所述充电保护模块的开启或关闭。
5.如权利要求4所述的塔机供电电路，其特征在于，所述充电保护模块包括预充限流电路，所述预充限流电路包括第一电阻和第一开关管，所述第一电阻的一端与所述变频器的整流端相连，另一端与所述第一开关管相连，所述第一开关管与所述电路控制单元相连。
6.如权利要求5所述的塔机供电电路，其特征在于，所述充电保护模块还包括过压保护电路，所述过压保护电路包括第二开关管，所述第二开关管连接在所述变频器的整流端和所述第一储能模块之间，所述第二开关管与所述电路控制单元相连。
7.如权利要求1所述的塔机供电电路，其特征在于，所述辅助供电单元还包括充放电保护模块，所述充放电保护模块连接在所述三相全桥整流滤波器和所述第二储能模块之间，所述至少两路电源分路模块并联在所述充放电保护模块的输出端。
8.如权利要求1所述的塔机供电电路，其特征在于，所述第二储能模块包括并联的可充放电电池和超级电容；
各路所述电源分路模块包括DC-DC电源模块，所述DC-DC电源模块用于将所述第二储能模块输出的电压转换为预设的电压值。
9.如权利要求1所述的塔机供电电路，其特征在于，所述变频器包括整流器电路、逆变器电路和采样电路，所述采样电路用于采样所述变频器输出端的电压；所述采样电路包括并联的第五电阻和第六电阻。
10.一种如权利要求1至9任一所述的塔机供电电路的供电控制方法，其特征在于，主供电单元还包括充电保护模块，所述充电保护模块连接在变频器和第一储能模块之间；电路控制单元还用于控制所述充电保护模块的开启或关闭；
电路控制单元确定塔机吊钩是处于起钩状态或落料状态，
若处于起钩状态，则所述电路控制单元控制断开传动过桥齿轮与增速发电机的连接关系；
所述电路控制单元采集第一储能模块的存储电压和变频器输出端的输出电压；
所述电路控制单元计算所述存储电压和所述输出电压的差值，确定所述差值是否大于第一阈值；
若大于，则所述电路控制单元开启所述充电保护模块，控制所述变频器对所述第一储能模块充电；
若小于，则所述电路控制单元关闭所述充电保护模块，确定所述第一储能模块的电压是否大于第二阈值，
若大于，则所述电路控制单元关闭所述变频器，开启所述第一储能模块进行供电；
所述电路控制单元确定所述第一储能模块的电压是否大于第三阈值；
若大于，则所述电路控制单元关闭所述变频器，开启所述第一储能模块进行供电；
所述电路控制单元若处于落料状态，则主齿轮跟随换轮转动，所述主齿轮带动传动过桥齿轮转动，所述传动过桥齿轮带动增速发电机发电，增速发电机输出的电能通过所述第二储能模块进行存储；
所述电路控制单元控制根据负载机构所需的电能控制各路电源分路模块的工作状态。
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