Комаров С. Г., независимый исследователь, электромеханик
Предложено «Устройство для определения веса поднятого груза» шахтным подъёмником с использованием измерения скольжения ротора приводного асинхронного двигателя с помощью датчика частоты роторного тока, образующего первичный измеритель весовой нагрузки, и вторичного измерительного прибора, преобразующего частоту роторного тока в число эталонных импульсов.
Введение.
Предлагаемое техническое решение относиться к области весоизмерительной техники и рассматривается для условий вертикального шахтного ствола. Тип подъёмных сосудов – скиповые (два скипа или один с противовесом, равным весу порожнего скипа), предназначенные для выдачи угля или других видов полезных ископаемых из шахты.
В примере – подъёмная машина типа ЦР – 6 х 3,2 (с цилиндрическим разрезным барабаном диаметром 6 м, полная ширина разрезного барабана 3,2 м), при этом один канат свивается с барабана, а другой одновремённо навивается на освобождаемую поверхность.
Максимальное статическое натяжение каната 32000 кгс, максимальная разность статических натяжений канатов 24000 кгс. Каждый из скипов имеет грузоподъёмность 4 т (4000 кг) и собственную массу 4 т. По степени уравновешенности 2-х скиповой подъём является уравновешенным при диаметре обоих канатов 34 мм.
Привод подъёмной машины – асинхронный электродвигатель типа АК открытого исполнения, число пар полюсов – 6, мощность на валу электродвигателя 600 квт, синхронное число оборотов п1 – 500 об / мин, число оборотов при номинальной нагрузке п2 – 490 об / мин, максимальный ток ротора 680 а, частота тока статора ф1 – 50 гц.
Для указания местоположения подъёмных сосудов (скипов) в стволе шахты применён указатель глубины, который также используется для автоматического контроля момента уравновешивания порожних скипов в стволе шахты и включения в этот момент на заданное короткое время электрической схемы устройства для определения веса поднятого груза.
Относительное отставание ротора от вращающегося магнитного поля статора характеризуется скольжением С1. При этом скольжение С1 = (п1 – п2) / п1 = (500 – 490) / 500 = 0,02 (в относительных единицах), или иначе – 2 %, при номинальной нагрузке.
Частота ф2 тока в фазе ротора в этом случае определяется выражением: ф2 = С1 х ф1 = 0,02 х 50 = 1 (гц), а длительность периода т1 этого тока равна 1,00000 сек.
Фактически определена длительность периода т2 в фазе роторного тока при перегоне порожних скипов в точке уравновешивания равной 1,33333 сек.. Поэтому частота ф3 в фазе роторного тока в этом случае определяется выражением: ф3 = 1 / т2 = 1 / 1,33333 = 0,75 (гц). При этом скольжение С2 = ф3 / ф1 = 0,75 / 50 = 0,015 (или иначе – 1,5 %). Из выражения:
С2 = (п1 – п2) / п1, т. е. 0,015 = (500 – п2) / 500, находим п2 = 492,5 (об / мин).
При подъёме гружёного скипа (с массой груза 4000 кг) разность периодов т2 и т1 составляет: 1,33333 – 1,00000 = 0,33333 (сек). Это время требуется на заполнение его короткими импульсами от стабилизированного генератора эталонных импульсов с частотой 4000 / 0,33333 = 12000 (гц).
Таким образом, фактически, чем больше загрузка скипа, тем меньше действительная скорость вращения ротора асинхронного двигателя подъёмной машины, больше частота в фазе роторного тока и меньше длительность периода последнего. И, в то же время, поскольку роторный ток имеет частотную реактивную структуру, то он значительно в меньшей степени зависит от временных токовых возмущений. Длительность периодов роторного тока в период установившегося движения скипов несравнимо более стабильна, по сравнению с токами статорной обмотки двигателя.
На чертеже показана блок-схема описываемого устройства.
На блок-схеме роторные обмотки асинхронного электродвигателя обозначены РЭ.
Устройство содержит датчик тока ДТ, который в представленном варианте исполнения выполнен в виде проходного конденсатора. Датчик тока ДТ подключен к электрическому усилителю-ограничителю УО через выключатель ручного управления Вкл со световым индикатором включения и последовательно подключенный с выключателем ВКЛ контакт командоаппарата Кка из цепи управления подъёмником, срабатывающий автоматически в период установившейся постоянной скорости движения скипов.
Выход усилителя-ограничителя УО подключен на вход диодно-ёмкостного ключа ДЁК положительного переднего фронта импульса, при этом диодно-ёмкостной ключ ДЁК преобразует частоту тока ротора в частоту коротких импульсов (дельта-импульсов), определяющих также длительность межимпульсных периодов.
Таким образом, датчик тока ДТ, усилитель-ограничитель УО и диодно-ёмкостной ключ ДЁК положительного переднего фронта импульса образуют первичный измеритель весовой нагрузки, выполненный в виде датчика частоты роторного тока асинхронного электродвигателя или иначе – длительности периодов роторного тока. Прочие элементы, представленные на чертеже, образуют вторичный измерительный прибор, исполненный в виде преобразователя частоты, или иначе – длительности периодов роторного тока, в число эталонных импульсов.
Выход диодно-ёмкостного ключа ДЁК через электронный ключ КЛ одновремённо подключен на два входа RS-триггера – измерительного триггера ИТ, из-за чего тот первым входным импульсом от электронного ключа КЛ на своём выходе выдаёт «1», а вторым входным импульсом от этого ключа КЛ опрокидывается в «0».
Управление включением электронного ключа КЛ осуществляется от электрической схемы с последовательно включенными источником напряжения ИН, ключом указателя глубины КУГ, формирователем короткого запускающего импульса ФИ и задающим триггером ЗТ с первым входом опрокидывания последнего из состояния «0» в состояние «1» и вторым входом обращения выхода триггера ЗТ из состояния «1» в состояние «0».
Указатель глубины УГ имеет точку уравновешенности скипов с канатами в стволе шахты ТУ (в середине всей высоты подъёма груза) и обеспечивает в этой точке ТУ замыкание на некоторое короткое время ключа указателя глубины КУГ. Это действие происходит, например, прямым воздействием стрелки указателя глубины УГ при своём перемещении по шкале на ключ указателя глубины КУГ (при каждом подъёме и опускании первого скипа – при двухскиповом подъёме).
Выход измерительного триггера ИТ одновремённо подключен на канал запрещения схемы антисовпадений, называемой логическим элементом «НЕ», и на вход формирователя запускающего короткого импульса ФКИ, подключенного на входе одновибратора ОВ (ждущего мультвибратора) с ручной уставкой УСТ длительности выходного электрического прямоугольного импульса, соответствующей длительности периода роторного тока электродвигателя в период подъёма порожних скипов (1,33333 сек.) при установившейся скорости их движения.
На входы каналов совпадений логического элемента «НЕ» поступают сигналы с выходов одновибратора ОВ (без перезапуска) и генератора импульсов ГИ. На выходе логического элемента «НЕ» появляется сигнал (импульсы, созданные генератором импульсов ГИ) только в том случае, если нет запрещающего сигнала в канале запрещения логического элемента «НЕ» от RS-триггера – измерительного триггера ИТ.
Выход одновибратора ОВ также соединён через диодно-ёмкостной ключ заднего фронта импульса ДЁК* со вторым входом управления задающего триггера ЗТ, переводящим его из состояния «1» в состояние «0» (исходное состояние), определяющие выделение единственного периода роторного тока.
Выход логического элемента «НЕ» соединён с входом накопительного счётчика импульсов СЧ для отображения веса поднятого груза, который снабжён входом ручного сброса КС его показаний в «0».
Работает устройство следующим образом.
В режиме подъёма груза (порожнего или гружёного первого скипа) вручную включается выключатель ВКЛ. Поскольку подъёмная установка имеет семипериодную диаграмму скорости и ускорений, то ключ командоаппарата ККА, установленный в системе управления скоростью подъёма, включается автоматически при максимальной и практически равномерной скорости подъёма – на четвёртом периоде диаграммы скорости и ускорений (без ускорений в этот период).
Датчик тока ДТ (проходной конденсатор) в это время выделяет синусоидальный ток, например, при подъёме порожних скипов – частотой порядка 0,75 гц , соответствующей 492,5 об / мин вала двигателя и длительности периода тока 1,33333 сек.
Электрический усилитель-ограничитель тока УО превращает синусоидальный ток датчика тока ДТ в трапецеидальные (почти прямоугольные) положительные и отрицательные полупериоды роторного тока. Диодно-ёмкостной ключ ДЁК положительного фронта импульса превращает период роторного тока в частоту коротких импульсов, или иначе – в длительность периодов роторного тока между действующими короткими импульсами.
Электронный ключ КЛ в это время (в начальный период равномерного движения) пока ещё закрыт.
После того, как оба скипа окажутся напротив друг друга в стволе шахты (в точке уравновешенности ТУ на указателе глубины УГ), срабатывает на короткое время ключ указателя глубины КУГ, подавая напряжение от источника напряжения ИН на вход формирователя короткого импульса ФИ (обычно – это укорачивающая дифференцирующая цепь), и через него – на первый вход задающего триггера ЗТ. Триггер ЗТ опрокидывается, переходя на выходе из состояния «0» (отсутствие напряжения) в состояние «1» (появление напряжения). При этом электронный ключ КЛ открывается и первый короткий импульс от диодно-ёмкостного ключа ДЁК положительного короткого импульса поступает на совмещённые входы управления RS-триггера – измерительного триггера ИТ, перебрасывая его из состояния «0» на своём выходе в состояние «1» (соответствующее появлению выходного напряжения).
Появившееся на выходе измерительного триггера ИТ напряжение оказывается подключенным к каналу запрещения логического элемента «НЕ». Из-за чего на выходе логического элемента «НЕ» не появится сигнал даже в том случае, если на входы его каналов совпадений оказались бы поданными одновремённо управляющие сигналы.
Изначально при прогоне порожних скипов задаётся вручную уставка одновибратора ОВ на длительность выходного импульса порядка 1,33333 сек., которая остаётся установленной на длительный период работы подъёмника. Включение одновибратора ОВ предполагает подключение внешнего резистора и внешнего конденсатора. Длительность выходного импульса одновибратора ОВ можно оценить по формуле Т = 0,7 RC.
Появившееся на выходе измерительного триггера ИТ напряжение через формирователь короткого положительного импульса ФКИ запускает одновибратор ОВ на длительность порядка 1,33333 сек. при подъёме порожнего скипа.
Диодно-ёмкостной ключ ДЁК* заднего фронта длительности импульса одновибратора ОВ посылает импульс на второй вход задающего триггера ЗТ, переводя его из состояния «1» на выходе в состояние «0», т. е. в исходное состояние. Этим самым закрывается электронный ключ КЛ и выделяется единственный период роторного тока, соответствующий прогону порожних скипов по высоте подъёма.
Таким образом, при подъёме порожнего скипа длительность периода импульса на выходе измерительного триггера ИТ и на входе канала запрещения логического элемента «НЕ», и длительность периода импульса на выходе одновибратора ОВ, подключенного к каналу совпадений логического элемента «НЕ», оказываются равными, разности периодов нет, поэтому нет и регистрации счётных импульсов.
При подъёме гружёного скипа частота тока ротора равна 1,00000 гц, длительность периода роторного тока 1,00000 сек., число оборотов электродвигателя 490 об/ мин. Частота коротких импульсов диодно-ёмкостного ключа ДЁК равна 1,00000 гц, длительность их периода 1,00000 сек.
В точке уравновешенности скипов ТУ указателя глубины УГ срабатывает ключ указателя глубины КУГ и сформированный формирователем импульса ФИ короткий импульс переводит задающий триггер ЗТ из состояния «0» в состояние «1». От чего ключ КЛ открывается и первый импульс от диодно-ёмкостного ключа ДЁК переводит измерительный триггер ИТ из состояния «0» на его выходе в состояние «1».
Сигнал этого уровня оказывается подключенным к каналу запрещения логического элемента «НЕ» и, кроме того, этот сигнал через формирователь короткого импульса ФКИ запускает одновибратор ОВ на длительность выходного импульса 1,33333 сек., на которую оказывается подключенным один из каналов совпадений логического элемента «НЕ», а другой из каналов совпадений подключен к выходу генератора эталонных импульсов ГИ.
Второй импульс от диодно-ёмкостного ключа ДЁК, проходящий через открытый ключ КЛ через 1,00000 сек., переводит измерительный триггер ИТ из состояния «1» на его выходе в состояние «0». Из-за чего в канале запрещения логического элемента «НЕ» исчезает напряжение. Поэтому импульсы от генератора импульсов ГИ начинают поступать в счётчик импульсов СЧ до тех пор, пока не закончится длительность выходного импульса одновибратора ОВ (1,33333 сек.) В это уже время диодно-ёмкостной ключ заднего фронта импульса ДЁК* подаёт сигнал на второй вход задающего триггера ЗТ, перебрасывая его в состояние «0», и электронный ключ КЛ закрывается.
В результате этих действий выделяется один единственный период длительности между импульсами диодно-ёмкостного ключа ДЁК и образуется разность длительности периодов при подъёме порожнего и гружёного скипов (1,33333 – 1,00000 = 0,33333 (сек.). На это время 0,33333 сек. счётчик СЧ начинает заполняться импульсами генератора ГИ с частотой 12000 гц, определяя тем самым вес поднятого груза, в данном случае – 4000 кг.
Таким образом, на счётчик СЧ в каждую операцию измерения, после предварительной за счёт срабатывания электронного ключа КЛ от задающего триггера ЗТ установки схемы в рабочее и исходное состояние (а также от срабатывания одновибратора ОВ), периодически поступает определённое число импульсов, пропорциональное разности длительности периодов роторных токов при подъёмах порожнего и гружёного скипов и весу гружёной в скип массы полезного ископаемого. Получив названную порцию эталонных импульсов, зафиксировав поступившую массу груза, устройство остаётся в запертом состоянии до начала нового измерения.
При подъёме груза одним скипом с противовесом вводится дополнительный контакт командоаппарата подъёмника, блокирующий ключ указателя глубины КУГ на период холостого пробега скипа под погрузку. При работах подъёмника, не связанных с определением веса поднятого груза, выключатель ВКЛ должен быть отключенным.
В качестве частотных датчиков весовой нагрузки (с использованием датчика тока в виде проходного конденсатора) могут быть использованы менее эффективные измерительные шунты и трансформаторы тока, а также индукционная катушка с ферромагнитным сердечником, устанавливаемая своей осью по оси вала асинхронного двигателя, вблизи торца этого вала, или устанавливаемый здесь же герметичный магнитный контакт «геркон» (например, при изготовлении переносного прибора для определения полезной нагрузки асинхронного электродвигателя).
Предложенная принципиальная схема устройства может быть использована при проектировании устройства для определения веса поднятого груза или же определения механической нагрузки асинхронного электродвигателя с применением специализированного микропроцессора. В этом случае точность измерения веса поднятого груза, или же механической нагрузки асинхронного электродвигателя, повышается, поскольку точность работы одновибратора ОВ зависит от степени стабилизации напряжения питания одновибратора ОВ и выбора типа прецезионных навесных конденсатора и резистора, определяющих длительность выходного импульса одновибратора ОВ.
Специализированный микропроцессор содержит порт входа, сам микропроцессор, память программы (ПЗУ), память данных и порт выхода.
Микропроцессор предназначен для цифровой обработки информации (порт входа преобразует частоту тока от датчика частоты или длительность периодов коротких импульсов от этого датчика в кодовую форму) и управления ходом этой обработки на основе кодов команд программы (исходное запоминание частоты или длительности периодов тока при холостом режиме асинхронного двигателя, запоминание этих же данных при механической нагрузке двигателя и вычисление разности фиксированных данных), а порт вывода преобразует результат вычислений считывающим и запоминающим устройствами в число эталонных импульсов, фиксируемых счётчиком импульсов.
Источники информации:
1. Комаров С. Г. и др., «Устройство для контроля весовой производительности подъёмника», Авторское свидетельство № 705270, приоритет изобретения 18 мая 1977 г.
2. Комаров С. Г., Комарова М. С., «Датчик тока», Патент РФ № 2190228, приоритет изобретения 27. 12. 1999 г.
3. Л. Ф. Завозин, «Шахтные подъёмные установки», Москва «Недра», 1975, стр. 65, 87, 127, 151, 209, 232, 259.