CN117938023A - 一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，涉及起重机械安全保护技术领域，本系统包括绕线式三相异步电动机电压采集电路、电动机转子电阻电压采集电路、辅助功能模块及其输出控制模块；动态监测系统首次应用或已经应用但需要重新设定时，需要测量起重机初始运行参数；使用中，起重机吊载重物，微控制器利用采集到的电动机三相供电电压信号、转子电阻电压信号，得到起重机的运行挡位、转速及运行方向；利用异步电动机的机械特性，即转速与转矩的关系得到起重机实时起吊重物的重量，通过与设定的起重量以及转速相比较，判断是否超载起升重物、是否超速降落重物，并对起重机做出相应的安全控制，同时输出声光报警。

Description

一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统

技术领域

本发明涉及起重机械安全保护技术领域，尤其涉及一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统。

背景技术

目前，起重机械广泛应用于工业生产中。为了加强起重机的安全运行，TSGQ0002-2008《起重机安全监察规程－桥式起重机》第六十九条规定：起重机均须设置起重量限制器，当载荷超过规定的设定值时应当能自动切断起升动力源。在起重机械上使用的起重量限制器实际上就是按照电子秤的原理，增加了保护功能的一种特殊电子称装置。电子称传感器检测起重量后输出信号，经信号处理后送入称重量控制仪表。仪表将实时重量信号与“预报警”、“延时报警和控制”及“立即报警和控制”三个基准重量信号设定值进行比较判别，进而对起重机械进行相应的安全控制。起重量限制器主要分为：(1)板环式或别绳式电子称重传感器，安装于起升机构钢丝绳的固定端；(2)双剪切梁桥式电子称重传感器，安装于起重机卷筒的轴承座下方或采用轴式电子称重传感器安装在起重机定滑轮轴上。以上称重的原理都基于力与形变的关系，进而计算出起重量。

上述起重量限制器在实际应用中存在以下问题：

1.安装轴承座式起重量限制器需要对起重机轴承座进行改造，不仅造成工期和材料上的浪费，而且仪器本身成本较高。

2.安装板环式或别绳式起重量限制器将会影响原有的起升高度，并容易受到碰撞而损坏。

3.由于弹性体材料和传感器安装条件和使用环境等因素引起的迟滞性误差较难克服，安装以后的校验方法只能做载荷试验，试验成本高，如果长期不检定，装置一旦失灵，反而会形成更大的安全隐患。

4.各厂家电路质量参差不齐，尤其是稳压电源质量和精度以及抗干扰等问题经常造成仪器的故障和损坏。

5.功能比较单一，只能用来进行起重机超载保护。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，本发明提供一种安装简单方便、集起重量超载保护与下行超速保护功能于一体、方便进行称重校准测试、不受弹性元件影响，无需对设备进行改造的绕线式三相异步电动机为起升动力机构的起重机械综合保护装置。

一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，包括绕线式三相异步电动机电压采集电路、电动机转子电阻电压采集电路、辅助功能模块及其输出控制模块；

所述绕线式三相异步电动机电压采集电路连接起重机控制系统中电动机的供电端，采集电动机的三相供电电压信号；

所述电动机转子电阻电压采集电路连接起重机控制系统中电动机转子的电阻输出端，采集电阻的输出信号；

所述辅助功能模块包括微控制器、EEPROM存储芯片、数码管、蜂鸣器及指示灯、按键以及反相器芯片；

其中所述微控制器的I/O端口分别与EEPROM存储芯片、数码管、按键、反相器芯片相连接；微控制器的I/O端口与输出控制模块连接，并通过输出控制模块的继电器控制蜂鸣器及指示灯进行声光报警，以及电动机的起升、下降控制；绕线式三相异步电动机电压采集电路及电动机转子电阻电压采集电路的信号经反相器进入微控制器，判断起重机的运行挡位、转速及运行方向。

所述输出控制模块连接起重机械控制系统中起升、下降控制回路的控制端，执行微控制器的安全控制，同时控制声光报警信号；

所述一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，用于实现一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测方法，包括以下步骤：

步骤1：所述动态监测系统首次应用或已经应用但需要重新设定时，需要测量起重机初始运行参数；

步骤1.1：起重机械在空载状态下，测量起重机在各个上升挡位的电机转速n_ki，并存储在EEPROM存储芯片中；

步骤1.2：起重机械在吊载已知试验载荷重量的情况下，测量起重机在各个上升挡位的电机转速n_Li，并存储在EEPROM存储芯片中；

步骤1.3：利用三相异步电动机的机械特性，即转速与转矩的关系得到此时起重机起吊重物的重量，求得实时起重量：

T＝T_L*(n_i-n_ki)/(n_Li-n_ki)

式中，T为待求解的起重机吊载实际载荷重量，T_L为起重机吊载的已知试验载荷重量，n_i为起重机正常运行时起升重物电动机在各个挡位的运行速度，n_ki为起重机空载运行时电动机在各个挡位的起升运行速度，n_Li为起重机吊载已知试验载荷重量时电动机在各个挡位的起升运行速度，其中，i＝1,2,3,4；

步骤2：使用时，起重机吊载重物，微控制器利用采集到的电动机三相供电信号、转子电阻输出信号，得到起重机的转速、运行挡位及运行方向；利用三相异步电动机的机械特性，即转速与转矩的关系得到此时起重机起吊重物的重量，通过与设定的起重量以及转速相比较，判断是否超载起升重物、是否超速降落重物；重物上升过程中，如果微控制器判断起升的重物超过设定的起重量，则输出声光报警，同时继电器切断起重机械起升机构的上升电源，只允许进行下降操作，即向安全方向运行；重物下降过程中，如果微控制器判断电动机转速超过设定的转速，则输出声光报警，同时继电器切断起升机构的下降电源；同时将实时重量信号与“预报警”、“延时报警和控制”及“立即报警和控制”三个基准重量的设定值进行比较，设定相应的安全控制策略；具体为：

“预报警”：起重量达到预报警的预设值时，黄色指示灯亮；

“延时报警和控制”起重量达到延时报警的预设值时，红色指示灯亮，蜂鸣器报警，同时待测得的起重量数值稳定后，仍然到达延时报警的预设值，切断起升机构上升电源，只允许进行下降操作；

“立即报警和控制”起重量达到立即报警的预设值时，红色指示灯亮，蜂鸣器报警，立即切断起升机构上升电源，只允许进行下降操作；

如果起重量未到达上述三个基准重量的设定值，则取消上述的声光报警指示及控制。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，原理可靠、安装简单，能够为绕线式三相异步电动机为起升动力机构的起重机械提供一种综合保护装置，还具有如下优点：

1、本发明无需安装传感器，只需采集电动机的相序、转子电阻输出信号，测量的起重量不受弹性材料变化的影响，测量结果稳定。同时，在满足起重量限制器的基本功能外，还具备了下行超速保护的功能，丰富了综合保护装置的功能性。

2、本发明工作过程中，与起吊重物无物理接触，不易损坏无需后期维护。日常使用中，可以定期吊载任意已知重量的物体，校验装置测量结果的准确性。同时，其下行超速保护功能可以防止重物下行过程中超速、引发危险。提高了起重机使用过程中的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统的电气连接示意图；

图2为本发明实施例中绕线式三相异步电动机电压采集电路原理图；

图3为本发明实施例中电动机转子电阻电压采集电路原理图；

图4为本发明实施例中电动机转子电阻电压采集电路中电动机挡位信号电路原理图；

图5为本发明实施例中电动机转子电阻电压采集电路中电动机转速信号电路原理图；

图6为本发明实施例中辅助功能模块与输出控制模块、电动机挡位信号、电动机转速信号及电动机相序信号连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，本系统包括绕线式三相异步电动机电压采集电路、电动机转子电阻电压采集电路、辅助功能模块及其输出控制模块；

所述绕线式三相异步电动机电压采集电路连接起重机控制系统中电动机的供电端，采集电动机的三相供电电压信号，获得起重机械电动机的转动方向信号；

所述电动机转子电阻电压采集电路连接起重机控制系统中电动机转子的电阻输出端，采集电阻的输出信号，获得起重机械电动机的运行挡位及转速信号；

所述辅助功能模块包括微控制器，本实施例中使用MCU单片机用于执行计算程序及安全控制、EEPROM存储芯片用于存放微控制器运行数据、数码管用于显示微控制器计算结果、蜂鸣器及指示灯用于发出声光报警信号、按键用于与微控制器进行指令交互，以及反相器芯片用于电动机供电电压信号及转子电阻电压信号整形；

所述辅助功能模块中微控制器的I/O端口分别与EEPROM存储芯片、数码管、按键、反相器芯片相连接；微控制器的I/O端口与输出控制模块连接，并通过输出控制模块的继电器，控制蜂鸣器、指示灯，以及电动机的起升、下降控制回路；电动机电压采集电路及转子电阻电压采集电路的信号经反相器进入微控制器，判断起重机的运行挡位、转速及运行方向。

所述输出控制模块连接起重机械控制系统中起升、下降控制回路的控制端，执行微控制器的安全控制，同时控制声光报警信号；

所述一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，用于实现以下方法：

系统首次应用或已经应用但需要重新设定时，需要进行以下操作：

(1)起重机械在空载状态下，运用本装置测量起重机在各个上升挡位的电机转速n_ki，并存储在EEPROM存储芯片中，以备后续微控制器计算起重量使用；

(2)起重机械在吊载已知试验载荷重量的情况下，运用本装置测量起重机在各个上升挡位的电机转速n_Li，并存储在EEPROM存储芯片中，以备后续微控制器计算起重量使用；

(3)利用三相异步电动机的机械特性，即转速与转矩的关系，求得起重机实时起重量：

T＝T_L*(n_i-n_ki)/(n_Li-n_ki)

T:待求解的起重机吊载实际载荷重量，已经去除吊钩组重量，单位：吨；

T_L:起重机吊载的已知试验载荷重量，已经去除吊钩组重量，单位：吨；

n_i：起重机正常运行时，起升重物测得电动机在各个挡位的运行速度，单位：r/min；

n_ki：起重机空载运行时，测得并存储的电动机在各个挡位的起升运行速度，单位：r/min；

n_Li：起重机吊载已知试验载荷重量时，测得并存储的电动机在各个挡位的起升运行速度，单位：r/min；

其中，i＝1,2,3,4；

使用时，起重机吊载重物，微控制器利用采集到的电动机三相供电电压信号、转子电阻电压信号，得到起重机的转速、运行挡位及运行方向；利用三相异步电动机的机械特性，即转速与转矩的关系得到此时起重机起吊重物的重量，通过与设定的起重量以及转速相比较，判断是否超载起升重物、是否超速降落重物；重物上升过程中，如果微控制器判断起升的重物超过设定的起重量，则输出声光报警，同时继电器切断起重机械起升机构的上升电源，只允许进行下降操作，即向安全方向运行；重物下降过程中，如果微控制器判断电动机转速超过设定的转速，则输出声光报警，同时继电器切断起升机构的下降电源；依照上述控制策略，使重物的下降速度得到有效的限制。上述设定的起重量及电动机转速，均可以按照国家要求进行调整。同时还可以丰富起重量的控制策略，将实时重量信号与“预报警”、“延时报警和控制”及“立即报警和控制”三个基准重量的设定值进行比较，设定相应的安全控制策略；具体为：

“预报警”：起重量达到预报警的预设值时，黄色指示灯亮；

“延时报警和控制”起重量达到延时报警的预设值时，红色指示灯亮，蜂鸣器报警，同时待测得的起重量数值稳定后，仍然到达延时报警的预设值，切断起升机构上升电源，只允许进行下降操作；

“立即报警和控制”起重量达到立即报警的预设值时，红色指示灯亮，蜂鸣器报警，立即切断起升机构上升电源，只允许进行下降操作；

如果起重量未到达上述三个基准重量的设定值，则取消上述的声光报警指示及控制。

通过上述动态监测系统，提高了起重机械使用过程中的安全性，同时安装过程简单，便于使用过程中的自校准。

采用上述起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，安装时，需在控制柜中将电动机的供电信号即图1中D1、D2、D3接线端子，接入三相异步电动机电压采集电路，即图2中1、2、3的端子；将电动机转子电阻输出信号即图1中B1、B2、B3、B4、B5接线端子，分别接入电动机转子电阻电压采集电路，即图3中InputN(N＝1、2、3、4、5)接线端子，经过图4、图5的电路的信号处理，得到起重机挡位及电机的转速信号；输出控制模块接入起重机械控制柜中的起升及下降控制回路中。起重机挡位信号、电机转速信号及电动机相序信号，经反相器整形后进入微处理器，通过计算机程序综合处理得到起重机工作时的起重量、挡位、转速及运行方向，并根据安全要求进行输出控制，如图6所示。

起重机吊载重物时，通过交换电动机两相供电电源相序实现运行方向的改变，通过将不同电阻值串入电动机转子电路实现起重机挡位的更换及调速。上述起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统采集到供电电源电压信号，以及转子电阻电压信号，微控制器利用采集到的电动机供电电压信号，转子电阻电压信号，得到起重机的转速、挡位及运行方向。利用已知试验载荷重量、实际测量的起重机转速、起重机挡位及相应挡位时空载状态、试验载荷状态的转速，结合三相异步电动机的机械特性，即转速与转矩的关系得到此时起吊重物的重量，通过与额定起重量以及额定转速相比较，判断是否超载起升重物、是否超速降落重物，并通过输出控制模块控制起重机械的起升及下降控制回路，实现绕线式三相异步电动机为起升动力机构的起重机械综合安全保护。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，其特征在于，包括绕线式三相异步电动机电压采集电路、电动机转子电阻电压采集电路、辅助功能模块及其输出控制模块；

所述绕线式三相异步电动机电压采集电路连接起重机控制系统中电动机的供电端，采集电动机的三相供电电压信号；所述电动机转子电阻电压采集电路连接起重机控制系统中电动机转子的电阻输出端，采集电阻的输出信号；所述输出控制模块连接起重机械控制系统中起升、下降控制回路的控制端，执行微控制器的安全控制，同时控制声光报警信号。

2.根据权利要求1所述的一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，其特征在于，所述辅助功能模块包括微控制器、EEPROM存储芯片、数码管、蜂鸣器及指示灯、按键以及反相器芯片；其中所述微控制器的I/O端口分别与EEPROM存储芯片、数码管、按键、反相器芯片相连接；微控制器的I/O端口与输出控制模块连接，并通过输出控制模块的继电器控制蜂鸣器及指示灯进行声光报警，以及电动机的起升、下降；绕线式三相异步电动机电压采集电路及电动机转子电阻电压采集电路的信号经反相器进入微控制器，判断起重机的运行挡位、转速及运行方向。

3.根据权利要求1所述的一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，其特征在于，用于实现以下步骤：

步骤1：所述动态监测系统首次应用或已经应用但需要重新设定时，需要测量起重机初始运行参数；

步骤2：使用时，起重机吊载重物，微控制器利用采集到的电动机三相供电电压信号、转子电阻电压信号，得到起重机的转速、运行挡位及运行方向；利用异步电动机转速与转矩的关系得到此时起重机起吊重物的重量，通过与设定的起重量以及转速相比较，判断是否超载起升重物、是否超速降落重物；重物上升过程中，如果微控制器判断起升的重物超过设定的起重量，则输出声光报警，同时继电器切断起重机械起升机构的上升电源，只允许进行下降操作，即向安全方向运行；重物下降过程中，如果微控制器判断电动机转速超过设定的转速，则输出声光报警，同时继电器切断起升机构的下降电源。

4.根据权利要求3所述的一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1：起重机械在空载状态下，测量起重机在各个上升挡位的电机转速n_ki，并存储在EEPROM存储芯片中；

步骤1.2：起重机械在吊载已知试验载荷重量的情况下，测量起重机在各个上升挡位的电机转速n_Li，并存储在EEPROM存储芯片中；

步骤1.3：利用三相异步电动机的机械特性，即转速与转矩的关系，求得起重机实时起重量：

T＝T_L*(n_i-n_ki)/(n_Li-n_ki)

式中，T为待求解的起重机吊载实际载荷重量，T_L为起重机吊载的已知试验载荷重量，n_i为起重机正常运行时起升重物电动机在各个挡位的运行速度，n_ki为起重机空载运行时电动机在各个挡位的起升运行速度，n_Li为起重机吊载已知试验载荷重量时电动机在各个挡位的起升运行速度，其中，i＝1,2,3,4。

5.根据权利要求3所述的一种起重用绕线式三相异步电动机动态监测系统，其特征在于，所述步骤2还包括：同时将实时重量信号与“预报警”、“延时报警和控制”及“立即报警和控制”三个基准重量的设定值进行比较，设定相应的安全控制策略；具体为：

“预报警”：起重量达到预报警的预设值时，黄色指示灯亮；

“延时报警和控制”起重量达到延时报警的预设值时，红色指示灯亮，蜂鸣器报警，同时待测得的起重量数值稳定后，仍然到达延时报警的预设值，切断起升机构上升电源，只允许进行下降操作；

“立即报警和控制”起重量达到立即报警的预设值时，红色指示灯亮，蜂鸣器报警，立即切断起升机构上升电源，只允许进行下降操作；

如果起重量未到达上述三个基准重量的设定值，则取消上述的声光报警指示及控制。