CC BY
31
УДК 621.317
Исследование параметров современных
электроприводов с использованием информационно-измерительной системы
Н. В. Белов,
Московский институт энергобезопасности и энергосбережения, заведующий кафедрой электротехники и электроники, кандидат технических наук, доцент
В. П. Горкин,
Университет машиностроения (МАМИ), старший преподаватель кафедры автомобильной электроники
Д. В. Жматов,
Московский институт энергобезопасности и энергосбережения, доцент кафедры электротехники и электроники, кандидат технических наук
Проведены экспериментальные исследования на нагрузочном стенде с измерением входных и выходных мощностей: активной, реактивной и полной мощности электропривода и коэффициента используемой мощности. В результате исследования была создана информационно-измерительная установка, включающая аппаратно-программные средства управления и разработанное в среде LabVIEW программное обеспечение для сравнения различных типов электродвигателей.
Ключевые слова: электропривод, асинхронный двигатель, вентильный двигатель, информационно-измерительная система, нагрузочный стенд, LabVIEW.
В Московском институте энергобезопасности и энергосбережения разработан комплекс для решения учебно-исследовательских задач по идентификации электрических параметров электроприводов с асинхронными и вентильными электродвигателями с использованием информационно-измерительной системы. Испытания электроприводов на разработанном лабораторном стенде проводятся в режиме Б1 (в нормативных документах для объектов стандартизации с продолжительным (Б1) или повторно-кратковременным (Б3) режимами работы установлены классы энергоэффективности согласно ГОСТ Р 52776-2007 (МЭК-60034-1-2004) «Машины электри-
ческие вращающиеся. Номинальные данные и характеристики»).
Для снятия рабочих характеристик электродвигателей используется нагрузочный стенд с электромагнитным тормозом. Диапазон измерений электромагнитного тормоза от 0 до 1,2 Н-м. Нагрузочные установки с асинхронным и вентильным электродвигателями и информационно-измерительная система показаны на рис. 1-3.
Стенд состоит из нагрузочной установки и информационно-измерительной системы и может быть использован для определения характеристик и сравнительной оценки различных электроприводов.
Рис. 1. Нагрузочная установка. Электропривод с асинхронным двигателем
Рис. 2. Нагрузочная установка. Электропривод с вентильным двигателем
Рис. 3. Информационно-измерительная установка для испытаний двигателей
Основа аппаратной и программной части измерительного комплекса - технические и программные средства компании National Instruments: среда графического программирования LabVIEW и устройство сбора данных USB 6009. Устройство сбора данных имеет 8-канальный 14-разрядный аналого-цифровой преобразователь с максимальной частотой дискретизации 48 кГц и входным напряжением ±10 В. В отличие от текстовых языков, таких как C++, Delphi, Pascal, где программы составляются в виде строк текста, в LabVIEW программы создаются в виде графических блок-диаграмм.
Блок-диаграмма программного кода информационно-измерительного комплекса представлена на рис. 4. Основа кода в среде LabVIEW - графические
примитивы в виде пиктограмм, в основе каждой из которых лежит виртуальный прибор. Связи между виртуальными приборами являются переменными, через которые происходит передача данных.
Информационно-измерительная система обеспечивает выполнение следующих функций:
- измерение значения действующих напряжений и силы переменного тока в одно- и трёхфазной сети;
- измерение активной, реактивной и полной мощности, определение коэффициента мощности в одно-и трёхфазной сети;
- измерение частоты основной гармоники сетевого напряжения;
- измерение угла между напряжением и током в каждой фазе, построение векторных диаграмм;
- измерение гармонических составляющих токов и напряжений в интервале до 50-й гармоники;
- отображение уровней гармоник напряжения и тока в виде графика амплитудного спектра;
- определение коэффициента нелинейных искажений по напряжению и току;
- определение несимметрии напряжений по нулевой и обратной последовательности;
- определение отклонения основной частоты;
- регистрация параметров сети электроснабжения с заданным интервалом времени и сохранение их в электронные счетные таблицы формата MS Excel.
Методика проведения испытаний асинхронного и вентильного электроприводов на нагрузочном стенде заключается в идентификации параметров с использованием разработанной информационно-измерительной системы по следующим идентификаторам:
P, Q,
S, Kp, cos j.
Рис. 4. Блок-диаграмма информационно-измерительной системы в среде LabVIEW
Объектами исследования являются:
- асинхронный двигатель АИР 63А2У3: 3 фазы, 50 Гц, 370 Вт, n = 2760 об./мин, КПД - 72 %, cos j = = 0,86, UHOM = 380 В, !НОм = 0,91 А;
- синхронный вентильный двигатель GK 6040-6AC31-WE: 3 фазы, 50-60 Гц, 450 Вт, n = 2686 об./мин, cos j = 1, Uhom = 380 В, Ihom = 2,1 А.
Для каждого двигателя проводится по семь экспериментов на нагрузочном стенде с моментами M от 0,36 до 1,14 Н-м, включая работу двигателей на холостом ходу. Результаты экспериментов работы асинхронного и вентильного двигателей приведены в табл. 1 и 2.
В системе используется ряд расчётных математических моделей. Под активной мощностью P несинусоидального тока понимают среднее значение мгновенной мощности за период первой гармоники:
1 Т
Р = — J«/flfif; (1)
Р =
Ur
о
+ TjUkm Sin (ÄTCDi+ V|/jt)]x k=1
Uc, + X Ikn,sin (k& ф * )idt =
k=\
k=\ T о
OO 1 i
s ы
k=0J=0,k^i
Ihn sin {k®t + \\)k-qk)-dt + Ukm sin (Ш + \\ik)
Ijm sin (7co/ + i|/,
U0I0 +
CO TT T
у u km1 km k=1 2
COS ф* =
~-U0Io
os Ф k = Y,pk
k=1
k=0
Для измерения активной мощности необходимо вычислить произведения мгновенного значения напряжения и тока (аналоговые осциллограммы, поступающие в компьютер с устройства ввода данных через DAQ Assistant) и вычислить среднее значение за период с помощью функций Cycle Average and RMS 1 chan, Mean VI или Basic Averaged DC RMS.
Таким образом, активная мощность несинусоидального тока равна сумме активных мощностей отдельных гармоник:
(2)
к=О
Аналогично для реактивной мощности можно записать
Полная мощность
(3)
Б=Ш= X и\ X 42 =>2 +22 +о2 ^Р2 +02 , (4)
V А=0 к=О
где Б - мощность искажений, определяемая произведениями действующих значений разнопорядковых гармонических тока и напряжения.
Для несинусоидальных токов и напряжений коэффициент мощности Кр определяется отношением активной мощности Р к полной мощности Б, определённых по вышеприведенным зависимостям:
Кр= cos ф=—= ,— s
Ii
k=0
2+u2_+...+u2N
■yß
2 +1] +... +I2n
- Ф j)-dt =
(5)
Частота переменного тока определяется функцией извлечения информации о единственном гармоническом сигнале (Extract Single Tone Information VI) или экспресс-вычислительным прибором Tone Measurements (для измерения гармонического колебания). Определяется гармоническое колебание с наибольшей амплитудой или производится поиск такого колебания в заданном диапазоне частот (как центр тяжести спектра). Для найденного колебания могут быть определены такие параметры, как частота и фаза. В соответствии с методикой эксперимента полученные результаты указаны в табл. 1 и 2.
Исходя из проведённых экспериментов с различными нагрузками и отношением момента М к номинальному моменту Мном в табл. 1 отображены сводные показатели: № - номер эксперимента; I - ток (А); P - активная мощность (Вт); n - частота вращения двигателя (об./мин); Kp - коэффициент используемой мощности.
Таблица 1
Сводные параметры экспериментов (асинхронный двигатель)
№ M m/mhom I P cos j n Kp
1 0,00 0,00 0,55 16,83 0,78 2800 0,13
2 0,36 0,28 0,60 56,27 0,79 2709 0,43
3 0,51 0,39 0,65 81,24 0,78 2686 0,57
4 0,63 0,48 0,72 99,12 0,79 2626 0,64
5 0,78 0,60 0,84 135,91 0,79 2565 0,74
6 0,96 0,74 0,94 160,62 0,79 2490 0,78
7 1,14 0,88 1,07 190,63 0,80 2414 0,82
По результатам табл. 1 построены графики рабочих характеристик электропривода, которые приведены на рис. 5.
1 — I
2 — K,
3
p
cos ф
0,40 0,60
M/MHOM
Рис. 5. Рабочие характеристики электропривода с асинхронным двигателем (АД)
В табл. 2 отображены сводные показатели по вентильному двигателю: № - номер эксперимента; I -ток (А); Р - активная мощность (Вт); п - частота вра-
щения двигателя (об./мин); Kp
коэффициент
используемом мощности.
По результатам табл. 2 построены графики рабочих характеристик электропривода, которые приведены на рис. 6.
Сравнительная характеристика асинхронного и вентильного двигателей показала преимущество синхронного вентильного двигателя, а именно
2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00
0,80 ^^^ ____2 2---p
0,60 3 cos ф
0,40' 0,20 0,00
1
1 31
22
0,00
0,20
0,40
M/Мном
0,60
0,80
эффективность коэффициента используемой мощности. Благодаря корректору коэффициента мощности cos j у вентильного двигателя составляет 1, частота вращения двигателя под различными нагрузками не меняется и составляет 2686 об./мин, в отличие от асинхронного.
На рис. 7 и 8 приведены сравнительные характеристики электроприводов с асинхронным и вентильным электродвигателями по потреблённой из сети активной мощности и частоты вращения двигателей.
В настоящее время вентильные двигатели являются перспективным классом электрических машин для электроприводов. Они обладают высокой энергетической эффективностью, повышенными
450,00 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00
0,00 0,00
2
1
■ Экспоненциальная
(Р_АД)
■ Экспоненциальная (Р_ВД)
0,20 0,40
M/Мном
0,60
0,80
Рис. 7. Сравнение активной мощности потребления из сети вентильным и асинхронным двигателями
2850,00 2800,00 2750,00 2700,00 1 2650,00 ^ 2600,00 •f 2550,00 2500,00 2450,00 2400,00 2350,00
2
1
1
-П_АД •п_ВД
0,00
0,20
0,40
M/Мном
0,60
0,80
1,00
Рис. 6. Рабочие характеристики электропривода с вентильным двигателем (ВД)
Рис. 8. Сравнение частоы вращения асинхронного и вентильного двигателей
Сводные параметры экспериментов (вентильный двигатель)
Таблица 2
№ M И/ИНОм I P cos ф n Kp
1 0,00 0,00 0,52 66,30 0,99 2686 0,54
2 0,36 0,23 0,83 114,64 1,00 2686 0,59
3 0,51 0,32 1,11 160,75 1,00 2686 0,62
4 0,63 0,39 1,41 211,90 1,00 2686 0,65
5 0,78 0,49 1,76 280,17 1,00 2686 0,68
6 0,96 0,60 1,81 294,80 1,00 2686 0,70
7 1,14 0,71 1,86 306,22 1,00 2686 0,71
динамическими свойствами, малыми массой и габаритами, лучшей управляемостью.
Анализ имеющихся способов управления асинхронными и вентильными двигателями переменного тока показал, что классическая релейная схема «прямого» пуска уступает место частотному и векторному управлению. Современная электроника на основе цифровых сигнальных процессоров позволяет управлять электродвигателями, не имеющими датчика положения ротора, что существенно упрощает конструкцию электродвигателя с сохранением энергетических и моментных характеристик.
Векторное управление с использованием обратной связи по постоянному току (обеспечиваемое
токовым шунтовым датчиком) существенно снижает стоимость электронной системы управления и способствует плавной регулировке момента вращения. С точки зрения энергоэффективности такое управление обеспечивает питание электродвигателя синусоидальным напряжением, что снижает шум и повышает КПД.
Созданный в МИЭЭ аппаратно-программный измерительный комплекс, разработанный в среде графического программирования LabVIEW и состоящий из нагрузочной установки и информационно-измерительной системы, может быть использован для определения характеристик и сравнительной оценки различных электроприводов.
Литература
1. Murray, Aengus. Sensorless Motor Control Simplifies Washer Drives / / Power Electronics Technology. June 2006. Pp. 14-16, 18, 20-21.
2. Takahashi, Toshio. Motion Control Engine for Advanced Motion Control Application - A New Architecture Microcontroller Proposal. Appliancemagazine.com.
3. Andraka R. A Survey of CORDIC Algorithms for FPGA Based Computers: Proc. of ACM/SIGDA 6th International Symposium on FPGAs. 1998. Monterey, Calif. G.
4. Ильинский Н. Ф. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение. - М.: Академия, 2008. - 208 с.
5. Каланчев Ю. Н. Векторное регулирование (заметки практика). - М.: ЭФО, 2012. - 63 c.
6. Виноградов А. Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. - Иваново: Ивановский государственный энергетический университет, 2008. - 298 с.
7. Сизякин А. В., Румянцев М. Ю. Без датчика положения ротора: решения компании IR для управления вентильными двигателями / / Новости электроники. - 2011. - № 10. - С. 22-28.
8. Овчинников И. Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе. - СПб.: Корона-Век, 2012. - С. 57-74.
9. Беспалов В. Я. Электрические машины. - М.: Академия, 2008. - 320 с.
Research of modern electric drives' parameters with the information measuring system
N. V. Belov,
Moscow Institute of Energy-Safety and Energy-Economy, PhD
V. P. Gorkin,
Moscow State Technical University "MAMI"
D. V. Zhmatov,
Moscow Institute of Energy-Safety and Energy-Economy, PhD
Research of active, reactive and complex power and used power coefficients of electric drives was performed. As a result, we develop the information measuring system which includes hardware and software control tools and a LabVIEW-based program for different types of electric motors' comparison.
Keywords: electric drive, induction motor, brushless motor, information measuring system, LabVIEW.
