CC BY
19
УДК 621.341.572
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-153-158
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.В. Новаков, В.В. Гладков
В статье предлагается преобразователь частоты, имеющий малые габариты, предназначенный для диагностики асинхронных двигателей без подключения их в питающую сеть. Работа преобразователя основана на скалярном законе управления асинхронного двигателя, т.е. подавая малое напряжение (10-17 В) при пониженной частоте (от 0.5 до 5 Гц) мы получаем номинальный крутящий момент, что позволяет оценить работоспособность привода. Данный преобразователь частоты может быть использован для диагностики асинхронных двигателей мощностью до 30 кВт, послеаварийного отключения аппаратов защиты вследствие перегрузки, либо повреждения двигателя. Преобразователь состоит из генератора частоты, формирователя трёхфазных сигналов, драйвера mosfet-транзисторов и трёхфазного моста из mosfet-транзисторов.
Ключевые слова: преобразователь частоты, асинхронный двигатель, диагностика, mosfet-транзисторы.
В источнике [1] описываются методы диагностики асинхронных двигателей при помощи современных преобразователей частоты. Описываемые методы диагностики не требуют установки двигателя на испытательный стенд, однако основным недостатком в данной концепции является необходимость в современном преобразователе частоты, стоимость которого может составлять от нескольких десятков, до сотен тысяч рублей.
В статье предлагается преобразователь частоты, имеющий малые габариты, простую конструкцию и небольшую стоимость, предназначенный для диагностики асинхронных двигателей без подключения их в питающую сеть, с применением подачи трехфазного несинусоидального напряжения согласно [2]. Полученный преобразователь частоты имеет рабочую частоту от 0,3, до 175 Гц, что позволит испытывать различные двигатели, в том числе и работающие на повышенных частотах. Преобразователь начинает работать от напряжения 5 Вольт, максимальное питающее напряжение до 20 Вольт. Особенностью преобразователя является ограниченное напряжение питания, которое обуславливается максимальным напряжением на затворах полевых транзисторов (не более 20 Вольт). Максимальный ток преобразователя так же ограничивается параметрами силовых транзисторов, который в нашем случае не должен превышать 22 Ампер.
Предлагаемый преобразователь частоты состоит из следующих основных блоков: генератор прямоугольных импульсов, формирователь трёхфазного сигнала, драйвер силовых mosfet-транзисторов, группа силовых mosfet-транзисторов. Блок схема структуры преобразователя частоты представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная блок-схема преобразователя частоты
Рассмотрим каждый из блоков по отдельности.
Генератор частоты представляет собой циклический формирователь прямоугольных импульсов, который построен на специализированной микросхеме. Принципиальная схема генератора частоты представлена на рис. 2.
Vcc=stol5V
С2 =Ф=
Рис. 2. Принципиальная схема генератора частоты
На рис. 2 генератор частоты построен на таймере КР1006ВИ1. Конденсатор C1 является частотозадающим, его емкость равна 1 мкФ. Конденсатор С2 стабилизирующий, имеет емкость 0.01 мкФ. Резисторы R1 и R2 - это один сдвоенный переменный резистор, сопротивление которого изменяется в диапазоне от 1 до 101 кОм. На выходе «Out» генератор формирует прямоугольные импульсы с частотой от 3 до 1000 Гц.
Прямоугольный сигнал с генератора частоты поступает на блок формирования трехфазного сигнала. Формирователь трехфазного сигнала выполнен на делителе частоты на десять со сбросом счета на седьмом логическом выходе. Таким образом получен делитель частоты на шесть с 6 логическими выходами. После делителя частоты логические сигналы подаются на шифратор, выполненный на диодах. В результате мы получили шесть логических выходов (на трех из которых формируются управляющие сигналы для силовых транзисторов верхнего уровня и оставшихся трех выходов для силовых транзисторов нижнего уровня). Принципиальная схема данного блока представлена на рис. 3.
VDS V.
VD9
нз—
А—
VD2 1\
43-
VD7
чз-
т нз-
чз-
VD11
чз-
ш
43-
1 к
2 15
3 К
4 13
топ
5 12
6 11
7
9
RESET
CLOCK
CLOCKINHBIT
CARRY0UT
VD12 43-
Рис. 3. Формирователь трехфазного сигнала
На рис. 3: микросхема CD4017 - делитель частоты на 10; УВ1-УВ12 - диоды шифратора модели Ш4007; R- подтягивающий резистор номиналом 10 кОм; «А+» и «А-» - сигналы фазы А положительный и отрицательный соответственно, аналогично для фаз В и С. Графики выходных сигналов с формирователя, представлены на рис. 4.
154
0 12 3 4 5 6
Интервалы бремени Рис. 4. Графики выходных сигналов с формирователя
С формирователя, сигналы управления подаются на драйверы силовых mosfet - транзисторов, который выполнен на биполярных транзисторах. Драйверы верхнего уровня имеют в своём составе инвертор и усилитель по току собранный по схеме эмиттерного повторителя, на комплементарной паре транзисторов. Драйверы нижнего уровня представляют собой усилители по току, собранные по схеме эмиттерного повторителя, на комплементарной паре транзисторов. Схема драйверов для одной фазы представлены на рис. 5.
для 1 фазы преобразователя
На рис. 5 на транзисторе УТ1 (ВС327) выполнен инвертор сигнала, на транзисторах УТ2 - УТ5 (ВС327, ВС337) усилители по напряжению, резисторы R1 и К2 предназначены для создания подтягивающего потенциала.
Силовая трёхфазная сборка выполнена на mosfet транзисторах. Принципиальная схема трёхфазной мостовой сборки, представлена на рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная схема силовой трёхфазной сборки
155
На рис. 6 транзисторы УГ1 - VT3 верхнего уровня P - канальные, модели IRF5305PBF, транзисторы VT4 - VT6 нижнего уровня N - канальные, модели
Преобразователь был собран и апробирован на двигателях 5АИ 100 L6 (2.2 кВт 1000 об/мин) (с поврежденной обмоткой), а так же на исправном двигателе А41-4 (1.7 кВт 1420 об/мин). При испытаниях преобразователь питался от источника постоянного напряжения 17 Вольт, при этом замерялись фазные и линейные токи и напряжения. Схемы проведения экспериментов с двигателем А41-4 (1.7 кВт 1420 об/мин) представлены на рис. 7.
к осциллографу
» к осциллографу
к осциллографу
> к осциллографу
> к осциллографу
> к осциллографу
> к осциллографу
Рис. 7. Принципиальные схемы проведения измерений для схемы «треугольник»
и для схемы «звезда»
На рис. 7 блок в обозначением «ПЧ» - это разработанный преобразователь частоты, в правой части схем представлены обмотки асинхронного двигателя, Rш - это токовый шунт, сопротивлением 0,1 Ом. Ток измерялся опосредованно, при помощи шунта, сопротивлением 0,1 Ом. Измерения проводились при частоте 2 Гц. Осциллограммы тока и линейного напряжения при соединении в звезду представлены на рис. 8.
рис. 9.
Рис. 8. Осциллограммы тока и линейного напряжения при соединении в звезду
Осциллограммы тока и фазного напряжения при соединении в звезду представлены на
Рис. 9. Осциллограммы тока и фазного напряжения при соединении в звезду
Осциллограммы тока и напряжения при соединении в треугольник представлены на
рис. 10.
СН1=1Я0и СН2— 500ти М2! ЯЛЕ
М РО5:3&88»5
Рис. 10. Осциллограммы тока и напряжения при соединении в треугольник
На рис. 8, 9 и 10 верхняя осциллограмма представляет собой напряжение (после встроенного в щуп делителя на 10), нижняя ток (прямое измерение с шунта 0,1 Ом). При напряжении питания 17 Вольт, потребляемый ток при соединении в звезду составлял 1,7 Ампер, при соединении в треугольник ток составлял 2,9 Ампер. При этом вал двигателя вращался.
При диагностировании неисправного двигателя 5АИ100L6 (выгорела обмотка одной фазы, с последующим коротким замыканием) преобразователь подключался к регулируемому источнику тока и напряжения. При выставленном ограничении тока в 10 Ампер напряжение плавно увеличивалось от нуля Вольт. При напряжении 4,5 - 5,5 Вольт произошел запуск преобразователя и сброс напряжения ограничением по току в 10 Ампер, что свидетельствовало о неисправности двигателя.
При частоте менее 2 Гц вал двигателя вращался с рывками, что является особенностью данного преобразователя, так как на обмотки двигателя подаётся напряжение прямоугольной формы. На исследуемом двигателе А41-4 (1.7 кВт 1420 об/мин) вал вращался при увеличении частоты напряжения до 7 Гц, после чего вращение прекращалось, в виду падения крутящего момента за счёт увеличения скольжения и невозможности поддерживать соотношения частота -напряжения.
Согласно справочным данным, которые указаны в справочнике [3], с током до 22 Ампер при напряжении питания от 17, до 12 Вольт предлагаемый преобразователь предоставляет возможность диагностировать промышленные асинхронные двигатели мощностью до 30 кВт. При диагностировании двигателей мощностью более 4 кВт рекомендуется схему управления подключать к отдельному источнику питания, силовой мост подключать к источнику питания с функцией ограничения тока.
Список литературы
1. Портнягин Н.Н., Марченко А.А. Диагностика асинхронных двигателей при помощи современных преобразователей частоты // Комплексное обеспечение региональной безопасности: сб. тр. 2011. С. 35-38.
2. Здор И.Е., Мосьпан В.А., Родькин Д.И. Анализ методов диагностики асинхронных короткозамкнутых двигателей // Проблемы создания новых машин и технологий: науч. тр. КГПИ. 1998. №. 2. С. 1-7.
3. Кравчик А.Э. и др. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. М.: Энергоиз-дат. 1982. Т. 504.
Новаков Александр Викторович, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
FREQUENCY CONVERTER FOR INDUCTION MOTOR DIAGNOSTICS IN THE FIELD
A.V. Novakov, V.V. Gladkov
The paper proposes a small-sized frequency converter designed for diagnostics of asynchronous motors without connecting them to the mains. Operation of the converter is based on the scalar law of asynchronous motor control, i.e. by applying low voltage (10-17 V) at reduced frequency (from 0.5 to 5 Hz) we get the nominal torque, which allows us to assess the efficiency of the drive. This frequency converter can be used for diagnostics of asynchronous motors up to 30 kW, post-emergency shutdown ofprotection devices due to overload or motor damage. The inverter consists of a frequency generator, a three-phase signal conditioner, a mosfet transistor driver and a three-phase mosfet bridge.
Key words: frequency converter, induction motor, diagnostics, mosfet transistors..
Novakov Alexander Victrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Gladkov Vyacheslav Valer'evich, undergraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.395.664
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-158-165
МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
О.В. Непомнящий, А.В. Тарасов, А.И. Постников, А.П. Яблонский, В.Н. Хайдукова
В статье рассматривается задача интеллектуального управления электродвигателем с использованием эталонной модели электродвигателя на основе нейронной сети (нейро-эмулятора). Преимуществами предложенного подхода являются универсальность системы управления, ее адаптация к любому типу двигателя, а также отсутствие датчика частоты вращения вала ротора электродвигателя. Для создания обучающей выборки была разработана модель двигателя в программной среде МмЬаЬ. Нейроэмулятор электродвигателя реализован с использованием рекуррентной искусственной нейронной сети ИНС NARX. Для обучения использовался метод Левенберга-Марквардта. Обученная нейронная сеть встроена в разработанную модель контура управления электродвигателем. Результаты моделирования интеллектуальной системы управления показали хорошее соответствие данных, генерируемых нейроэмулятором, реальным данным, полученным от электродвигателя.
Ключевые слова: Искусственная нейронная сеть, электродвигатель, ПИД-регулятор, методы управления, встроенные системы, адаптивное управление, модель.
Основная задача оптимального управления энергосистемой автономного транспортного средства - снизить энергопотребление электродвигателя и тем самым повысить эффективность энергосистемы в целом. Одним из способов ее достижения является сокращение длительности переходных процессов [1].
