CC BY
108
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов
права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Бейерлейн Евгений Викторович
Beyerleyn Evgeny Viktorovich Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University
Доцент/Senior Lecturer Кандидат технических наук, к.т.н.
E-Mail: [email protected]
Тютева Полина Васильевна
Tyuteva Polina Vasilievna
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University
Доцент/Senior Lecturer кандидат технических наук, к.т.н.
E-Mail: [email protected]
05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты
Измерения электрических величин при испытании асинхронных двигателей, работающих от преобразователя частоты
The measurement of electric values at induction machines testing while feeding by
frequency converter
Аннотация: Рассмотрен алгоритм измерения электрических величин (токов,
напряжений, фазового сдвига) при испытаниях асинхронных двигателей, работающих от статического преобразователя частоты. Приведены рекомендации по использованию датчиков и измерительного оборудования, входящих в состав системы измерения.
The Abstract: The method of electrical values measurements (currents, voltages, power factor) at induction motors testing when them work from the static frequency converter has been considered. Guidelines of sensors and measuring equipment usage as part of measurement system have been produced.
Ключевые слова: Асинхронный двигатель, ток, напряжение, коэффициент мощности, преобразователь частоты.
Keywords: Induction motor, current, voltage, power factor, frequency converter.
***
В последние годы на электрифицированных участках дороги эксплуатировались электровозы ВЛ10, ВЛ80 и т.д. В связи с тем, что эти электровозы уже выработали свой ресурс, идет повсеместное переоборудование и обновление парка локомотивов. Ведутся закупки электровозов нового поколения у зарубежных партнеров, а также большими темпами внедряются новые разработки в области электровозостроения [1]. С развитием силовой полупроводниковой техники разрабатываются и выпускаются всевозможные виды преобразователей частоты, что определяет широкое применение частотно-регулируемого асинхронного привода также в области электровозостроения. Основными преимуществами данного вида электропривода является возможность плавного регулирования, высокая жесткость механических характеристик одновременно с высокой экономичностью привода.
Институт Государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ) Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» №3 2013
Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800) Опубликовать статью в журнале - http: //publ. naukovedenie.ru
Одним из важнейших вопросов является электрические измерения во время испытаний у машины, работающей от преобразователя частоты (ПЧ). При испытаниях асинхронных электродвигателей (АД), работающих от преобразователя частоты [2, 3], необходимо проводить измерения следующих величин: токов и напряжений, потребляемой мощности, скольжение, вращающий момент. Работа АД от ПЧ вносит ряд особенностей таких как: частота коммутации электронных ключей инвертора варьируется от нескольких сотен герц до десятков килогерц; форма токов и напряжений на клеммах испытуемого двигателя отличается от синусоидальной [4]. Использование цифровых средств во время проведения измерений ограничено их быстродействием и значениями пиковых сигналов токов и напряжений. Для решения этих задач необходимо использовать быстродействующие аналоговые устройства совместимые с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и датчиками, которые позволяют обеспечить гальваническую развязку между измерительными цепями и устройством обработки сигналов [5].
В качестве датчиков напряжения и тока целесообразно использовать датчики, выпускающиеся современной промышленностью работа которых основана на эффекте Холла. Они позволяют обеспечить гальваническую развязку между входными и выходными цепями, полоса пропускания таких датчиков достигает до 50 кГц. По своим характеристикам эти датчики легко могут сопрягаться с компьютером посредствам АЦП. Схема подключения датчиков в экспериментальной установке показана на рис. 1, установка включает в себя асинхронный двигатель серии 6А80В6У3 и преобразователь частоты фирмы ВапГо88 УЬТ2800.
Трехфазный источник питания (ПЧ)
Рис. 1. Схема подключений датчиков тока и напряжения
На рис. 1 датчики тока ДТ1 - ДТ3 измеряют выходной ток ПЧ, датчики напряжения ДН1 - ДН3 производят измерения линейного напряжения. Сигналы с датчиков поступают на АЦП, где они преобразуются в цифровой код, далее он передается через интерфейсное соединение на персональный компьютер для дальнейшей обработки.
На выходе датчиков тока и напряжения формируются масштабированные сигналы мгновенных значений токов и напряжений несинусоидальной сети представлены на рис. 2.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов
права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
а) б)
Рис. 2. Осциллограммы выходных сигналов: а) напряжения; б) тока
В среде графического программирования LabVIEW 8.5 разработана программа обработки сигнала, которая приведена на рис. 3. В качестве модуля связи используется АЦП NI USB 6009 (DAQ Assistant), которая преобразует полученные сигналы в массивы данных и вводит их в программу обработки. Оцифрованный сигнал (рис. 3) в блоке 1 преобразуется и передается в программу обработки в виде численных массивов. Далее в блоке 2 численные массивы разделяются на массив тока и напряжения, где в дальнейшем происходит обработка сигналов по амплитуде.
В блоке 3 формируются мгновенные значения сигналов токов и напряжений с учетом коэффициентов трансформации датчиков. Далее блоком 4 производится вычисление среднеквадратичных значений сигналов. Блок 6 «Входной сигнал» позволяет выводить на экране монитора исходные сигналы, вычисленные их среднеквадратичные значений, а так же спектральный анализ кривых токов и напряжений, который выполняется в блоке 5 методом разложения в ряд Фурье.
Рис. 3. Диаграмма программы обработки сигнала
Запись информации в файл организована следующим образом: в блоке 8 открываются два файла на запись (один для записи мгновенных сигналов токов и напряжений, второй -среднеквадратичных значений и времени).
В блоке 7 производится преобразование численного массива в строку и запись в файл.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов
права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
Блок 9 позволяет задавать частоту оцифровки, согласно теореме Котельникова (также известной как теорема Найквиста). Частота оцифровки сигнала должна быть взята с частотой в два раза больше чем максимальная частота спектра, при этом аналоговый сигнал будет восстановлен без потерь по своим дискретным отсчётам [6]. Блок 10 производит закрытие файлов после завершения выполнения основной программы.
Для определения активной мощности, необходимо определить угол сдвига (фазовый сдвиг ф) между сигналом тока и напряжения. Для этого в программе обработки предусмотрен блок 11, где производится подавление помех в каналах измерения (рис. 4), вызванные коммутациями силовых ключей выходного инвертора преобразователя частоты.
Рис. 4. Кривые тока и напряжения после подавления помех в измерительных каналах
Проведенное исследование показало, что при определении активной мощности вклад высших гармоник будет незначителен, так как амплитуды их менее 5 %. Поэтому при расчете потребляемой активной мощности фазовые сдвиги между токами и напряжениями высших гармоник не учитываются.
Предложенная программа обработки сигнала для определения электрических величин позволяет получить мгновенные и действующие значения токов и напряжений, фазовый сдвиг, потребляемую активную мощность в процессе испытаний АД, работающих от ПЧ. Данные автоматически формируются в отчет по испытаниям двигателя, это позволяет сократить время на составление отчетной документации. Предложенный способ измерения напряжения, тока и активной мощности может быть использован при испытаниях, как общепромышленных частотно - регулируемых машин переменного тока, так и тяговых асинхронных машин. Точность программы обработки сигнала напрямую зависит от используемых в схеме измерений датчиков тока, напряжения и разрядности АЦП.
Институт Государственного управления, Главный редактор - д.э.н., профессор К.А. Кирсанов
права и инновационных технологий (ИГУПИТ) тел. для справок: +7 (925) 853-04-57 (с 1100 - до 1800)
ЛИТЕРАТУРА
1. Котельников А.В., Нестрахов А.С., Железнодорожный транспорт России в 2000.. .2030 гг. (научная конференция) // Вестник ВНИИЖТ. - 2000. - № 5. - С. 3-15.
2. Бейерлейн Е.В., Цукублин А.Б., Рапопорт О.Л. Схема испытания тяговых частотно - регулируемых асинхронных электродвигателей // Известия ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА. - 2006. - №3. - С. 46-48.
3. Rapoport O.L., Beierlein E.V. Energy-saving Technology for Testing of High Power Induction Motors // Proceedings of The International Forum on Strategic Technologies (IFOST 2009), 2009. - с. 215-219.
4. Киселев В.В. Влияние не синусоидальности напряжения и тока на показания электронных счетчиков электроэнергии / В. В. Киселев, И. С. Пономаренко // Промышленная энергетика. - 2004. - №2. - С. 40-42.
5. Панфилов В.А. Электрические измерения : учебник для студентов сред. проф. образования / В. А. Панфилов. - 3-е изд., испр. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. -288 с.
6. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы : учебник для вузов / С. И. Баскаков. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 2000. — 462 с.
Рецензент: Осадченко Александр Александрович, кандидат технических наук, ведущий эксперт Управления взаимодействия с резидентами ОАО «ОЭЗ ТВТ «Томск».
