СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2015 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах различного отраслевого применения, в том числе размещенных в труднодоступных местах, для анализа метрологических характеристик измерительных трактов каналов контроля и управления (ККиУ) систем, построенных на базе преобразователей частоты (ПЧ) с асинхронным двигателем (АД).

В процессе эксплуатации электродвигателей под нагрузкой в ККиУ ПЧ возникают погрешности, влияющие на качественные и количественные характеристики работы системы, такие как точность поддержания скорости вращения вала, поддержание вращающего момента, полезная мощность на валу АД и др. Неточность работы системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» («ПЧ-АД») приводит к преждевременному износу отдельных элементов АД, увеличенному потреблению электроэнергии, снижению КПД и др. На качество работы системы «ПЧ-АД» также напрямую влияет качество питающей сети, оцениваемой показателями качества электрической энергии, регламентированных в ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системе электроснабжения общего назначения», отклонение от требований которых приводит к ухудшению механических характеристик, уменьшению вращающего момента и частоте вращения АД, интенсивному нагреву обмоток, ускоренному старению изоляции, дополнительным потерям активной мощности и КПД АД.

Выявление погрешностей в ККиУ ПЧ позволит сохранить производительность АД на уровне, заявленном заводом-изготовителем и, как следствие, сократить затраты на электроэнергию.

Известен способ построения расчетного годографа пространственного вектора тока статора при несимметричном режиме нагрузки с использованием известных значений фазных токов i_A, i_B, i_C. При этом годограф пространственного вектора тока будет представлять эллипс, соотношение осей которого будет определяться степенью асимметрии. (Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. - 94 с.)

Недостатком данного способа является то, что он заключается только в построении расчетного годографа, по которому невозможно определить характеристики измерительных трактов системы «ПЧ-АД».

Кроме этого отсутствует возможность определения показателей качества питающей сети и оценки работоспособности системы «ПЧ-АД» по параметру допустимых потерь мощности на выходе системы.

Наиболее близким техническим решением является способ контроля, реализованный автоматизированной системой контроля технического состояния электродвигателя, основанный на индивидуальном наблюдении за изменениями фактического состояния конкретного электродвигателя в процессе эксплуатации (RU №111684, МПК G01R 31/00, 20.12.2011).

Основным недостатком данного способа является сложность аппаратной части и программного обеспечения, обеспечивающего контроль технического состояния электродвигателя по множеству параметров (температура фазных обмоток статора и подшипников, вибраций, величина фазных токов, частота вращения ротора, влажность воздуха).

Кроме этого недостатком является низкая достоверность прогнозирования времени появления отказов.

Задачей изобретения является создание упрощенного способа контроля метрологических характеристик измерительных трактов ККиУ системы «ПЧ-АД», а также определения отклонений питающей сети от требований, регламентированных ГОСТ13109-97, с помощью расчетно-экспериментального годографа пространственного вектора тока статора при работе АД в различных нагрузочных режимах, позволяющего при сокращении числа элементов аппаратно-программной части прогнозировать работоспособность системы «ПЧ-АД» по параметру допустимых потерь мощности на выходе системы.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля метрологических характеристик систем управления электроприводов переменного тока с каналами контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», включающем измерение и запись мгновенных значений токов статора асинхронного двигателя в двух фазах с помощью бесконтактных датчиков тока, установленных на проводах питающего кабеля до входных зажимов фаз статора асинхронного двигателя, преобразование полученных сигналов мгновенных значений токов статора в двух фазах из аналоговой в цифровую форму, передачу оцифрованных данных в программу персонального компьютера по последовательному интерфейсу и получение матрицы данных, согласно заявляемому изобретению, по полученной матрице данных с геометрическими характеристиками, к которым относят площадь, форму, значения углов между базовыми векторами, коэффициент эллиптичности, строят расчетно-экспериментальный годограф пространственного вектора тока статора асинхронного двигателя в неподвижной системе координат, проводят определение и анализ метрологических характеристик каналов контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», к которым относят погрешности каналов контроля и управления, доверительный интервал мгновенного значения модуля пространственного вектора тока статора в установившемся режиме, доверительную область годографа пространственного вектора тока статора, при этом геометрические характеристики полученного расчетно-экспериментального годографа сравнивают с характеристиками заведомо исправного АД с симметричными фазными токами и определяют качественные и количественные оценки погрешностей, вносимые каналами контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», коэффициент несимметрии фазного напряжения, коэффициент несинусоидальности питающей сети, а при разложении расчетно-экспериментального годографа в ряд Фурье получают гармонический состав для оценки показателей качества по параметру n-й гармонической составляющей напряжения питающей сети.

При этом запись мгновенных значений токов статора в двух фазах проводят в течение 5÷15 секунд.

Кроме того, преобразование полученного сигнала из аналоговой в цифровую форму осуществляют в аналого-цифровом преобразователе при различных частотах дискретизации в диапазоне частот от 3 кГц до 15 кГц.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа контроля метрологических характеристик систем управления электроприводов переменного тока, на фиг.2 изображен расчетно-экспериментальный годограф и его доверительная область.

Устройство для реализации предлагаемого способа контроля метрологических характеристик систем управления электроприводов переменного тока содержит следующее оборудование:

1 - преобразователь частоты (ПЧ);

2 - асинхронный двигатель (АД);

3 - первый бесконтактный датчик тока;

4 - второй бесконтактный датчик тока;

5 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - NI4472;

6 - персональный компьютер (ПК).

Устройство включает в себя преобразователь частоты 1, питающийся от трехфазной сети переменного тока, асинхронный двигатель 2, два бесконтактных датчика 3, 4 для измерения тока в фазных обмотках (например А и В) АД 2, аналого-цифровой преобразователь 5 - NI4472, персональный компьютер 6 с установленной программой, имеющей графический интерфейс для визуализации процесса определения и контроля метрологических характеристик ККиУ системы «ПЧ-АД».

Способ контроля метрологических характеристик систем управления электроприводов переменного тока осуществляют следующим образом.

Бесконтактные датчики тока 3, 4 устанавливают на проводах питающего кабеля до входных зажимов фаз статора АД (например А и В). Производят запуск АД 2 посредством нажатия кнопки «Пуск» на передней панели ПЧ 1, при этом вал АД 2 приходит во вращение с заданной скоростью. Датчики тока 3, 4 регистрируют мгновенные значения фазных токов статора, которые поступают в АЦП 5, где происходит преобразование полученных сигналов из аналоговой в цифровую форму. Далее оцифрованная информация передается в персональный компьютер 6 по интерфейсу PCI. Запись мгновенных значений фазных токов производится при различных частотах дискретизации АЦП 5 в диапазоне частот от 3 кГц до 15 кГц в течение 5÷15 секунд автоматически по командам ПК 6 в режиме «Запись». По полученной матрице данных по заранее разработанному алгоритму строят расчетно-экспериментальный годограф пространственного вектора тока статора, анализируются его геометрические характеристики: форма, эллиптичность, площадь, мгновенные значения модуля пространственного вектора, углы между базовыми векторами, и сравниваются с характеристиками заведомо исправного АД с симметричными фазными токами.

Согласно теории систем управления асинхронных электроприводов с векторной широтно - импульсной модуляцией (ШИМ) известно, что в нормальном режиме работы системы «ПЧ-АД» годограф пространственного вектора тока статора должен представлять собой окружность с радиусом, равным среднему значению пространственного вектора тока статора, формируемого за период ШИМ.

По геометрическим характеристикам полученного расчетно-экспериментального годографа можно определять: качественные и количественные оценки погрешностей, вносимые ККиУ системы «ПЧ-АД», коэффициент несимметрии фазного напряжения, коэффициент несинусоидальности питающей сети, а при разложении расчетно-экспериментального годографа в ряд Фурье можно получить гармонический состав (до 40 гармоник), что необходимо и достаточно для оценки показателей качества по параметру n-й гармонической составляющей напряжения питающей сети.

Таким образом, создан простой и эффективный способ контроля метрологических характеристик систем управления электроприводов переменного тока, упрощена процедура оценки погрешностей в ККиУ без отключения от производственного цикла, повышена достоверность прогнозирования времени появления отказов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах для анализа и контроля метрологических характеристик измерительных трактов систем, построенных на базе асинхронного двигателя с преобразователем частоты. Сущность: в двух фазах электродвигателя с помощью бесконтактных датчиков тока производят измерение и запись мгновенных значений токов статора асинхронного двигателя. Осуществляют преобразование записанных сигналов в цифровую форму. Данные обрабатывают и строят расчетно-экспериментальный годограф пространственного вектора тока статора. По геометрическим характеристикам, к которым относят площадь, форму, значения углов между базовыми векторами, коэффициент эллиптичности, проводят определение и анализ метрологических характеристик каналов контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», а также проверяют питающую сеть по показателям качества электроэнергии. Технический результат: упрощение контроля метрологических характеристик систем управления асинхронных электроприводов, упрощение процедуры оценки погрешностей без отключения от производственного цикла, повышение достоверности прогнозирования времени появления отказов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля метрологических характеристик систем управления электроприводов переменного тока с каналами контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», включающий измерение и запись мгновенных значений токов статора асинхронного двигателя в двух фазах с помощью бесконтактных датчиков тока, установленных на проводах питающего кабеля до входных зажимов фаз статора асинхронного двигателя, преобразование полученных сигналов мгновенных значений токов статора в двух фазах из аналоговой в цифровую форму, передачу оцифрованных данных в программу персонального компьютера по последовательному интерфейсу и получение матрицы данных, отличающийся тем, что по полученной матрице данных с геометрическими характеристиками, к которым относят площадь, форму, значения углов между базовыми векторами, коэффициент эллиптичности, строят расчетно-экспериментальный годограф пространственного вектора тока статора асинхронного двигателя в неподвижной системе координат с геометрическими характеристиками, к которым относят площадь, форму, значения углов между базовыми векторами, коэффициент эллиптичности, проводят определение и анализ метрологических характеристик каналов контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», к которым относят погрешности каналов контроля и управления, доверительный интервал мгновенного значения модуля пространственного вектора тока статора в установившемся режиме, доверительную область годографа пространственного вектора тока статора, при этом геометрические характеристики полученного расчетно-экспериментального годографа сравнивают с характеристиками заведомо исправного АД с симметричными фазными токами и определяют качественные и количественные оценки погрешностей, вносимых каналами контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель», коэффициент несимметрии фазного напряжения, коэффициент несинусоидальности питающей сети, а при разложении расчетно-экспериментального годографа в ряд Фурье получают гармонический состав для оценки показателей качества по параметру n-й гармонической составляющей напряжения питающей сети.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что запись мгновенных значений токов статора в двух фазах проводят в течение 5÷15 секунд.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что преобразование полученного сигнала из аналоговой в цифровую форму осуществляют в аналого-цифровом преобразователе при различных частотах дискретизации в диапазоне частот от 3 кГц до 15 кГц.