Способ оценивания массы полезного груза, поднимаемого грузоподъемной установкой, приводимой асинхронным двигателем с фазным ротором, и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2306535:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента электродвигателя. Способ заключается в измерении тока ротора двигателя, периодическом измерении напряжения питающей сети, напряжении на ступени пускорегулирующего резистора в цепи ротора, оборотов (частоты вращения вала) двигателя, после чего рассчитывается его электромагнитный момент, по величине которого определяют массу полезного поднимаемого груза. Устройство содержит асинхронный двигатель с фазным ротором, пускорегулирующие резисторы, включенные в цепи ротора и коммутируемые контактными или бесконтактными устройствами. Дополнительно введены датчик напряжения питающей сети, датчик напряжения на ступени пускорегулирующих резисторов ротора, датчик оборотов (частоты вращения вала) двигателя, датчик тока ротора и вычислительное устройство. Последнее состоит из блока масштабирования, к соответствующим входам которого подключены выходы датчиков, блока вычисления и регистрации, на входы которого подключены выходы каналов блока масштабирования, блока индикации, к входу которого подключен выход блока вычисления и регистрации. Технический результат заключается в возможности измерения крутящего момента на валу асинхронного электродвигателя с фазным ротором. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к рудничным подъемным машинам, приводимым асинхронным двигателем с фазным ротором, и может найти применение в автоматизированных электроприводах переменного тока с асинхронным двигателем с фазным ротором.
Общеизвестно хотя бы из школьного курса физики определение массы поднимаемого груза по диаметру барабана и моменту на барабане подъемной установки
где m - масса груза,
Mб - момент на барабане,
Rб - радиус барабана,
g - ускорение свободного падения,
что может быть аналогом предлагаемого способа.
Недостаток такого способа в том, что он применим там, где момент на барабане измеряется непосредственно.
При безредукторном приводе подъемной установки момент на барабане равен моменту на валу двигателя. Пренебрегая потерями в электродвигателе, можно считать, что момент на валу двигателя равен его электромагнитному моменту.
Известен способ оценки электромагнитного момента двигателя по измеренному току ротора двигателя, например, [1], что может быть принято прототипом предлагаемого способа.
Недостаток такого способа в том, что он не может быть применен для оценки электромагнитного момента асинхронного двигателя из-за неоднозначной зависимости тока ротора асинхронного двигателя и момента на его валу в процессе пуска и регулирования скорости при одном и том же моменте нагрузки.
Известен электропривод переменного тока, например, [2], содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого предназначена для подключения к источнику питания, пускорегулирующие резисторы, подключенные к выводам роторной обмотки электродвигателя, контакты ускорения, коммутирующие пускорегулировочные резисторы, который может быть принят прототипом предлагаемого устройства.
Недостаток такого электропривода переменного тока в том, что он не позволяет оценивать момент на его валу и, как следствие, оценивать массу поднимаемого груза в случае использования его для привода грузоподъемной установки.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности оценивания массы полезного груза, поднимаемого грузоподъемной установкой, приводимой асинхронным двигателем с фазным ротором.
Для решения поставленной задачи в способ оценивания массы полезного груза, поднимаемого грузоподъемной установкой, приводимой асинхронным двигателем с фазным ротором, состоящий в измерении тока ротора двигателя и определении электромагнитного момента двигателя, дополнительно введено периодическое измерение напряжения питающей сети, напряжения на пускорегулирующих резисторах цепи ротора, оборотов (частоты вращения вала) двигателя.
Для реализации предлагаемого способа в устройство, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором, пускорегулирующие резисторы, включенные в цепи ротора и коммутируемые контактными или бесконтактными устройствами, дополнительно введены датчик напряжения питающей сети, датчик напряжения на ступени пускорегулирующих резисторов ротора, датчик оборотов (частоты вращения вала) двигателя, датчик тока ротора и вычислительное устройство, состоящее из блока масштабирования, к соответствующим входам которого подключены выходы датчиков, блока вычисления и регистрации, на входы которого подключены выходы каналов блока масштабирования, блока индикации, к входу которого подключен выход блока вычисления и регистрации.
Предлагаемый способ позволяет оценить массу груза, поднимаемого грузоподъемной установкой, приводимой асинхронным двигателем с фазным ротором, так как:
1. Для асинхронного двигателя, как известно, например, [3], электромагнитный момент 
где Еро - ЭДС, наводимая в обмотке неподвижного ротора при номинальном напряжении и частоте питания статорной обмотки двигателя,
r - значение активного сопротивления цепи ротора,
х - значение индуктивного сопротивления цепи ротора при неподвижном роторе и номинальной частоте питания статорной обмотки,
- величина скольжения ротора,
nc - синхронные обороты двигателя,
n - текущие обороты двигателя,
k - коэффициент пропорциональности.
2. Предположим, что привод работал на ступени, параметры которой обозначены индексом 1, и перешел на работу на ступень, параметры которой обозначены индексом 2. Величины сопротивлений резисторов этих ступеней, включенных в цепь ротора, известны и равны R1 и R2. Тогда справедливы уравнения
где I - ток цепи ротора,
r - активное сопротивление обмотки ротора,
х - значение индуктивного сопротивления обмотки ротора при неподвижном роторе и номинальной частоте питания статорной обмотки.
3. Из уравнений (3) следует
где 
В процессе работы привода, как правило, изменяется напряжение питающей сети, изменяется сопротивление ступеней пускорегулирующих резисторов из-за нагрева/охлаждения, старения контактов в точках соединения. Чтобы повысить точность оценивания параметров роторной цепи двигателя, можно учесть эти изменения, так как
где Eрон - значение Eро при номинальных параметрах питающей сети,
Uсн - номинальное значение напряжения питающей сети,
Uс - измеренное напряжение питающей сети,
U - измеренное напряжение на ступени резисторов,
I - измеренный ток ротора.
И тогда
4. Зная электромагнитный момент двигателя, рассчитанный по выражению (2) с учетом выражений (5)..(9), определяем тянущее усилие на барабане грузоподъемного устройства
Учитывая, что динамическая составляющая тянущего усилия приходится на разгон масс, можно записать
где mпр - приведенная масса подвижных частей установки,
m - масса полезного поднимаемого груза,
mнб - масса небаланса уравновешивания подъемных сосудов и уравновешивающих устройств,
g - ускорение свободного падения,
- динамическое изменение скорости (ускорение).
Из (11) следует
Итак, предлагаемый способ оценивания массы поднимаемого груза заключается в последовательном
- измерении
- оборотов n двигателя,
- напряжения Uc питающей сети,
- напряжения U на ступени пускорегулирующих резисторов ротора,
- тока I ротора,
- расчете по выражениям (2), (5)..(9) момента двигателя,
- расчете по выражениям (10), (12) массы полезного поднимаемого груза.
В рассматриваемом случае, как и для всех весоизмерительных устройств, требуется периодически проводить тарирование установки.
С целью реализации предлагаемого способа оценивания массы поднимаемого груза в состав электропривода, содержащего асинхронный двигатель 1 (см. фиг.) с фазным ротором, включенные в его роторную цепь ступени пускорегулировочных резисторов 2, коммутируемых n-парой контактов 3, дополнительно введены датчик 4 напряжения, питающий двигатель сети (например, трансформатор напряжения), датчик 5 напряжения на ступени роторного резистора, датчик 6 оборотов (частоты вращения вала) двигателя (например, тахогенератор), датчик 7 тока ротора (например, токоизмерительный шунт), устройство 8 вычисления, регистрации и индикации с блоком масштабирования 9 входных сигналов, блоком 10 вычислений и регистрации и блоком 11 индикации (например, программируемый контроллер с персональным компьютером), при этом выходы датчиков соединены с входами соответствующих каналов блока масштабирования, который соединен с входом блока вычислений и регистрации, который соединен с входом блока индикации.
Устройство работает следующим образом.
При включении на подъем измеряются и запоминаются координаты движения привода n, Uc, U, I в момент опроса, рассчитываются Δn, R, s, М, m, как описано выше при описании способа. Опросы следуют с частотой сканирования вычислительного устройства 8. Если вычислительное устройство обнаружило отклонение параметра R от его предыдущего значения, следует вычисление r, x, m. И так в каждом скане. Обработка значений измеренных сигналов и результатов расчета параметров роторной цепи двигателя может вестись по разным алгоритмам, например по минимуму среднеквадратичного отклонения в заданном или скользящем интервале измерений. Результаты расчета выводятся на регистрацию и индикацию.
Информация, получаемая по результатам использования предлагаемого изобретения, является исходной для решения ряда задач: безопасности эксплуатации подъемной установки, определения межремонтных кампаний, определения экономических показателей установки, участка, предприятия и т.п.
Источники информации
1. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. - М.-Л., Госэнергоиздат, 1963. Стр.19.
2. 1812608. Н02Р 1/26. Электропривод переменного тока.
3. Костенко М.П., Пиатровский Л.М. Электрические машины. Часть II. - М.-Л., Энергия, 1965. Стр.34.
1. Способ оценивания массы полезного груза, поднимаемого грузоподъемной установкой, приводимой асинхронным двигателем с фазным ротором, состоящий в измерении тока ротора двигателя и определении электромагнитного момента двигателя, отличающийся тем, что, с целью оценивания массы полезного поднимаемого груза, периодически измеряются напряжение питающей сети, напряжение на ступени пускорегулирующего резистора в цепи ротора, обороты (частота вращения вала) двигателя, рассчитывается его электромагнитный момент, по величине которого определяют массу полезного поднимаемого груза.
2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором, пускорегулирующие резисторы, включенные в цепи ротора и коммутируемые контактными или бесконтактными устройствами, отличающееся тем, что, с целью определения массы полезного поднимаемого груза, в него введены датчик напряжения питающей сети, датчик напряжения на ступени пускорегулирующих резисторов ротора, датчик оборотов (частоты вращения вала) двигателя, датчик тока ротора и вычислительное устройство, состоящее из блока масштабирования, к соответствующим входам которого подключены выходы датчиков, блока вычисления и регистрации, на входы которого подключены выходы каналов блока масштабирования, блока индикации, к входу которого подключен выход блока вычисления и регистрации.
