CC BY
27
УДК 621.382
Крисан Ю. О.
Канд. техн. наук, доцент, Запорзький нацональний технiчний унверситет, Украна, E-mail: [email protected]
МОДЕРН1ЗАЦ1Я ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДОСЛ1ДЖЕННЯ АСИНХРОННОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА
Модертзовано лабораторний стенд для до^дження режимiв роботи асинхронного електропривода з використанням сучасного мжропроцесорного реле фiрми Moeller.
Ключов1 слова: стенд, електропривод, мжропроцесорне реле, система керування, пусковий реостат, асин-хронний електродвигун.
ВСТУП
Сучасний рiвень освгти значною мiрою залежить вщ результативност впровадження технологш навчання, як1 грунтуються на нових методолопчних засадах, сучасних дидактичних принципах та психолого-педагопчних теорь ях, що розвивають дiяльнiсний тдхвд до навчання. Важли-ву роль в цьому питаннi вiдiграe лабораторний практикум, який базуеться на використаннi сучасно! лаборатор-но! бази та е неввд'емною частиною навчання студента.
В умовах кризи та недостатнього фшансування ви-щих навчальних закладiв кафедра Електропривода та ав-томатизаци промислових пiдприемств Запорiзького на-цiонального техшчного унiверситету вирiшуе задачi модершзаци лабораторно! бази шляхом створення сучасних стендiв власними силами [1].
При модершзаци лабораторних стендiв власними силами е можливють збереження i використання складно!, коштовно!, працездатно! i корисно! мехашчно! частини (електроприводи рiзних складних механiзмiв, металорь зальнi верстати, промисловi манiпулятори, роботи i iнше устаткування iз складною мехашкою i електромехашкою), вiдродження !х iз замiною застаршо! елементно! бази си-стеми керування на сучасш електроннi пристро! i про-грамне забезпечення, зокрема, на базi програмованих кэнтролерiв.
Найближча мета модершзаци - на базi iснуючих ство-рити сучасш стенди, в основному з комп'ютерним керу-ванням ввд зовншнх систем.
Важливо, щоб стенд вщповщав: сучасним тенденць ям технiки; був ушверсальним, тобто охоплював широкий спектр дисциплш, що викладаються на кафедрц мав достатню технiчну базу для проведення не лише лабораторних практикучшв, а й зняття науково-дослщницьких експериментiв; можливостям доповнення та нарощуван-ня при необхiдностi новою елементною базою.
Створенням та модершзащею стендiв з дослiдження електропривода займаються провiднi ВНЗ Укра!ни [2-3], але недостатньо придiлено уваги стендам для дослвджен-ня електропривода саме з використанням релейно-кон-такторних схем, що е невщ'емною складовою вивчення курсу теори електропривода.
© Крисан Ю. О., 2014
МЕТОЮ дослвдження е розробка структури та алго-ритмiв функцюнування лабораторного стенду для дослвд-жень рiзних режимiв роботи асинхронного електропривода з використанням сучасного м^опроцесорного реле.
Стенд (рис. 1) базуеться на основi юнуючого лабораторного обладнання [4] для дослвдження рiзних режимiв роботи асинхронного електропривода, зокрема, реостатного пуску асинхронного двигуна (АД) з фазним ротором, динамiчного гальмування, режиму противiмкнення тощо.
Лабораторне обладнання складаеться зi стенду, на яко-му розташована релейно-контакторна апаратура, мшроп-роцесорне реле та вимiрювальнi прилади (вольтметри, амперметри та цифровий осцилограф), i пiдключеного до стенду АД з фазним ротором типу АК51/6. Структурна схема лабораторного стенда наведена на рис. 2.
Запропоноване ршення модершзаци дозволяе вод-ночас дослвджувати роботу системи керування електропривода, реалiзовану на класичнiй релейно-контакторнiй базi керування, та систему, реалiзовану на сучасному мiкропроцесорному обладнаннi, а також проводити не-обхiднi налаштування складових стенда та дослвджувати перехiдний процес струму АД. Спрощена принципова схема стенда наведена на рис. 3.
Обладнання дозволяе налагодити i випробувати наступнi режими: реостатний пуск АД в функци часу, динамiчне гальмування, гальмування противвiмкненням, реверс за допомогою класично! релейно-контакторно! схеми, та режим реостатного пуску i динамiчного гальмування з використанням сучасного мшропроцесорного реле [5].
Перший етап лабораторних робгт полягае в розрахунку часу перемикання ступенiв опорiв i побудовi електромеха-нiчних характеристик АД з фазним ротором та моделюван-ня його роботи використовуючи бiблiотеку 81шРо^'ег8у81ет8 пакета МАТЬАБ 81ши1шк. Другий етап створення алгоритму програми i и реалiзацiя у виглядi про-грамовного середовища БА8У8ОРТ. Третш етап включае перевiрку правильносп написання програми i налаштування параметрiв усiх елеменпв програми (особлива увага прид1ляегься реле часу i лiчильникам) та подальше заванта-ження з персонального комп'ютера (ПК) на мшропроце-сорнее реле БА8У500. Четвертий етап зняття реального струму в фазi ротора (за допомогою цифрового осцилографа) та порiвняння його результатами моделювання.
Рис. 1. Зовшшнш вигляд панелi керування лабораторного стенда дослiдження асинхронного електропривода з використанням
мжропроцесорного реле EASY-512
Кнопки керування: ПУСК «SB1» СТОП «SB2» РЕВЕРС «SB3»
Ж
Живлення ~380В;50Гц
Релейно-контакторна схема
Режими роботи:
- пуск в двi ступенi;
- динамiчне гальмування
- противвiмкнення.
Кнопки керування: ПУСК «SB5» СТОП «SB6»
Схема з м1кропроцесорним керуванням
Режими роботи:
- пуск в двi ст"упенi;
- динамiчне гальмування.
U я
Перемикач схем «S4»
1Г
Рис. 2. Структурна схема лабораторного стенда
Лабораторный стенд використовуеться для пор1вняль-ного анал1зу ручних i автоматичних засоб1в керування на баз1 контролер1в серп EASY. Шд час занять студенти отримують основи програмування в сере-довищ1 EASYSOFT, необхвдш для самоспйного написання про-грам керування, навички розрахуншв основних елеменпв електропривода та моделювання. Кр1м того, е можливють навчання спо-собам програмування за допомогою па-нел1 керування контролера або на комп'ютер1.
ХАРАКТЕРИСТИКА М1КРОПРОЦЕСОР-НОГО РЕЛЕ
В електропривода, 1 взагал в галуз1 електротехтки, все часпше використовуються програмоват лопчш контро-лери (ПЛК) з обмеженою к1льк1стю входiв 1 виходав. 1х ще називають мжропроцесорш або штелектуальш реле.
Мжропроцесорш реле мають так1 специф1чш риси.
Полегшене програмування, що виконуеться, як правило, у форм1 заздалепдь складено! релейно! електрич-но! принципово! схеми. Для завдання програми використовуеться клав1атура ручного введення в символах принципово! релейно! схеми шляхом натиснення на кнопки 1 послщовного вибору замикаючого або розмикаючого контакпв, котушки пристрою 1 таке шше.
Модульшсть побудови (входи, виходи 1 об'ем пам'яп нарощуеться з певним кроком).
Можлив1сть використання безпосередньо в промис-лових умовах завдяки велико! завадозахищеносп та галь-ватчному розв'язуванню в1д зовшштх к1л.
За 1ерарх1ею складносп м1кропроцесорш реле знахо-дяться м1ж ПЛК 1 традицшними схемами електроавтома-тики; мають менший об'ем електронних пристро!в 1 мен-шу, тж ПЛК, м1стк1сть пристро!в пам'яп.
Програмне забезпечення реле дозволяе виконання додаткових функцш, а саме використання таймер1в для витримки часу, л1чильник1в для рахунку 1мпульс1в 1 таке шше.
• Um
SF1
б)
Рис. 3. Спрощена принципова схема стенда: а) силова частина вмикання АД з фазним ротором; б) кола керування реле EASY
Клеми живлення
Модульшсть побудови (входи, виходи 1 об'ем пам'яп нарощуеться з певним кроком).
Можливють використання безпосередньо в промис-лових умовах завдяки велико! завадозахищеносп та галь-ватчному розв'язуванню в1д зовшштх к1л.
За 1ерарх1ею складносп м1кропроцесорн1 реле знахо-дяться м1ж ПЛК 1 традицшними схемами електроавтома-тики; мають менший об'ем електронних пристро!в 1 мен-шу, тж ПЛК, м1стк1сть пристро!в пам'яп.
Програмне забезпечення реле дозволяе виконання додаткових функцш, а саме використання таймер1в для витримки часу, л1чильник1в для рахунку 1мпульс1в 1 таке шше.
Конструктивш виконання мшропроцесорних реле р1зняться числом входав 1 виходав, електричними параметрами (рад струму, напруга, комугацiйна здаттсть), об'емом пристро!в пам'яп для запам'ятовування iнформацi!.
Типовими м^о-ПЛК е елекгроннi мiкропроцесорнi реле тмецько! фiрми Moeller, як1 нинi представлет сер-iями EASY500, EASY700, EASY800 i багатофункцюналь-ним дисплеем MFD-Titan. Вони е малогабаритними ке-руючими пристроями, здатними вирiшувати комбi -нацшш i послiдовнi завдання. Напруга живлення при-стро!в 12 В або 24 В постшного струму та 24 В або 115/ 240 В змшного струму. Напруга вхвдних сигналiв сшвпа-дае по виду i значенню з вибраною напругою живлення [6]. Зовнiшнiй вигляд мiкропроцесорного реле показаний на рис. 4.
Ул вну^шш функцi!' реле реалiзуюгься в програмно-му виглядi. За аналогiею з ввдомими пристроями за про-грамними функцiями зберiгаються назви: таймери, реле часу, лчильники, компаратори та шше. Програма складаеть-ся у вигляд рисунка електрично! схеми, що мютить вхщт ланки, контакта i клушки вщповщних реле i лшш, що сполу-
Дискретн1 входи 2 аналогових входа I7,I8
Д1сплей
Кнопки програмування
Дискретн1 виходи Q1-Q4
Рис. 4. Загальний вигляд мiкропроцесорних реле EASY512
чають !х. Введення програми здшснюеться ввд вбудованого пульта з клав1атурою й шдикащею на рщинокристалчному (Р-К) диспле!, ввд спец1ального чипу (модуля або карти пам'яп), що збертае програму або ввд ПК (за допомогою програми EASY-SOFT). Пам'ять реле незалежна. При зник-нент напруги i l! наступному поновлент, конфцуращя схеми i налагодження елеменпв збернаються.
Пристро! мають можливктъ розширення входiв-виходiв i обмiну даними з промисловими iнформацiйними мережами AS-Interface, Proflbus-DP, CANopen, DeviceNET. Реле EASY800 i MFD-Titan, окрiм цього, можуть бути об'еднанi у власну iнформацiйну мережу EASY-NET, до яко! можуть входити до восьми приладiв, з пристроями розширення, вщдаленими на ввдстань до 1000 м.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОР-НИХ РОБ1Т НА СТЕНД1
Метою лабораторних робгт е вивчення схемних ршень релейно-контакторних та мiкропроцесорних систем керу-вання АД з фазним ротором, а також ознайомлення з порядком розрахунку, моделювання i налагодження вказаних систем при керуваннi двигуном у функци часу або ЕРС.
При шдготовщ до лабораторних робiт студенти вив-чають будову стенда, програмування модуля EASY та приклади програм, наведених у методичних вказiвках. Вiдповiдно заданого варiанта, розраховують величину пускових реостатiв та час спрацювання реле часу.
Для моделювання системи використовуеться бiблiо-тека SimPowerSystems пакету MATLAB Simulink. Бiблiотека блок1в SimPowerSystems (у версй' MATLAB 6.1 i ранiше -Power System Blockset) е одшею з безлiчi додаткових бiблiо-тек Simulink орiентованих на моделювання конкретних при-
строгв. SimPowerSystems MiciuTb Ha6ip блоюв для iмiтацшно-го моделювання електротехичних пристрош. До складу бiблiотеки входять моделi пасивних i активних електротехтчних елементв, джерел енерт, електродвигушв, трансформа-торiв, лiнiй елекIропередачi i тому подбне устаткування. Використовуючи спещальш можливоcтi Simulink i SimPowerSystems, можна не лише iмiтувати роботу пристрош в тимчаcовiй облаcтi, але i виконувати рiзнi види аналiзу таких пристрош. Безперечною перевагою SimPowerSystems е те, що cкладнi електротехшчт системи можна моделювати, поеднуючи методи iмiтацiйного i структурного моделювання. На рис. 5 наведена спрощена модель пуску АД з фазним ротором у функци часу, де за допомогою блоюв Ideal Switch проводиться шунтування опорiв (3-Phase Series RLC Branch) в ланцюгу ротора. Блок! Step1-Step2 задають по-cлiдовнicть включення cтупенiв реостату.
Результата моделювання наведет на рис. 6. З графшв видно, що шунтування ступешв здшснюеться на 0,6 та
ЕА L
ЕС.
Л
I Synchronous iMachiner:
Ш№м№
-►о_m >
-Hi
-%-lh
3-Phase Series RLC Branch
Stepl
ir_abc -^fl
m wm ——-fei
Speea ■
О
5_m Ь
l+[Ä Ä1-
«I»
'IHH
^-F'lid^H
-eries.viLC
3tep2
Рис. 5. Спрощена модель пуску АД з фазним ротором у функци часу
Рис. 6. Результати моделювання
0,8 с. Перехвдний процес кутово1 швидкосп заюнчусться на 1,2 с.
Студента складають програму роботи електроприво-да з врахуванням р1зних режим1в його розгону та галь-мування, вщповвдно заданого вар1анта. Перев1ряють роз-роблеш програми у програмовному середовищ1 EASY-SOFT. Запис програми до м1кропроцесорного реле ввдбу-ваеться за допомогою кабелю EASY-PC-CAB який щдми-каеться до ПК або безпосередньо програму еться мовою релейно-контакторних схем (рис. 7) за допомогою вбудованого пульта з клав1атурою й шдикащею на рщкокри-стал1чному диспле! (рис. 4).
A
001 — 101 —
002
003
— Q01-
008
T03
G
-SQ01--ТТ01 -
• ТТ02 — Q02— £ Q03 —
■ RQ01 -
-[q04 -
Рис. 7. Програма для пуску АД у дв1 ступеш в функцй часу та динам1чного гальмування написана на мов1 релейно-контакторних схем для EASY512
А
15
П1сля програмування реле EASY512 здшснюеться ке-рування АД. За допомогою цифрового осцилографа е можлив^ь спостерiгати за реальним струмом в кои ротора АД (рис. 8) завдяки шунту вбудованому в одну з фаз.
За рис. 8 видно, що в моменти часу 1 та 1,2 с вщбу-ваеться шунтуваня фази ротора АД при цьому змiню-ються амплитуда та частота струму.
Студенти аналiзують отриманi результати та порiвню-ють з результатами моделювання.
ВИСНОВКИ
Модершзащя системи керування лабораторного стенда, дослщження роботи асинхронного електропривода дозволяе за розробленою методикою вдосконалювати навча-льний процес вивчення студентами як будови та особливостей роботи електропривода, так i системи ке-рування реалiзовано! за допомогою мжропроцесорно-го реле EASY, а також отримувати реальнi осцилограми роботи електропривода та порiвнювати !х з результатами моделювання.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Совершенствование лабораторного практикума обучения студентов по направлению подготовки «Электромеханикам» / [Бондаренко В. И., Орловский И. А., Пирожок А. В. и др.] // Электротехнические системы и комплексы. - Магнитогорск. - Вып. 20. - 2012. -С. 412-438.
2. Мастепан А. Г. Стенды для исследования основ электропривода / А. Г Мастепан, С. Н. Лутай // Сборник научных трудов «Вестник НТУ «ХПИ» : Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорiя i практика. - № 36 - Вестник НТУ «ХПИ», 2013. - С. 509-510.
3. Разработка универсального стенда электропривода на основе элементной базы фирмы «SIEMENS» /
Рис. 8. Осцилограма струму ротора реостатного пуску АД
B
C
D
E
F
— Т01
[Квашин В. О., Наливайко А. М., Колесникова Г. В., Шульга А. А.] // Вестник НТУ ХПИ Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. - Харьков. - 2008. - С. 134-136.
4. Методичт вказiвки до лабораторних робгг з дисципл-ши «Теорiя електропривода» для студенгiв спещаль-носп 8.092203 - Електромеханiчнi системи автомати-защ! та електропривод денно! форми навчання / Укл. : Бондаренко В. I., Крисан Ю. О., Васильева £. В. -Запорiжжя : ЗНТУ 2010. - 16 с.
5. Бондаренко В. I. Основи електропривода : навчаль-ний посiбник / В. I. Бондаренко, Ю. О. Крисан. - За-пор1жжя : ЗНТУ, 2013. - 402 с.
6. Андрющенко О. А. Электронные программируемые реле серий EASY и MFD-Titan. Учебное пособие для изучения реле и проектирования систем автоматизации на их основе / О. А. Андрющенко, В. А. Водичев. -Одесса : ДП «Моэллер Электрик», 2006. - 235 с.
Стаття надiйшла до редакцп 03.06.2014.
Крисан Ю. А.
Канд. техн. наук, доцент, Запорожский национальный технический университет, Украина
МОДЕРНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ИССЛЕДОВАНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Модернизирован лабораторный стенд для исследования режимов работы асинхронного электропривода с использованием современного микропроцессорного реле фирмы Moeller.
Ключевые слова: стенд, электропривод, микропроцессорное реле, система управления, пусковой реостат, асинхронный электродвигатель.
Krysan Yu.
Ph.D. Tech., Associate Professor, Zaporizhzhya National Technical University, Ukraine
MODERNIZATION OF LABORATORY STAND OF ASYNHRONOUS ELECTRIC DRIVE RESEARCH
The worked out stand is based on the basis of existed laboratory equipment for research of the different modes of asynchronous electric drive. For a management the modes of starting and braking with the Moeller microprocessor relay is used.
The offered solution ofmodernization allows simultaneously to investigate work of electromechanical control system, realized on classic to the relay — contact base of management, and system, realized on a modern microprocessor equipment, and also to conduct the necessary tuning of stand constituents and investigate the transient of current slip-ring induction motoring.
An equipment allows to put right and test the next modes: rheostat starting slip-ring induction motoring in the functions of time, reverses, dynamic braking.
The worked out course of laboratory works allows to conduct timing of switching of degrees of resistances and construction of electromechanical descriptions slip-ring induction motoring and also to design his work using the SimPowerSystems libraries of MATLAB Simulink package. Creation of program algorithm and its realization as a EASYSOFT program environment are performed. Verification of rightness of the program writing and tuning of all program elements parameters are done. It is shown that the removal of the real current is in the phase of rotor (by means of digital oscillograph) and it is don't the design comparison of its results.
Keywords: .stand, electromechanical, microprocessor relay, control system, starting rheostat, asynchronous electric motor.
REFERENCES
1. Bondarenko V I., Orlovskij I. A., Pirozhok A. V, Krisan Ju. A., Osadchij V. V., Zaluzhnyj M. Ju. Sovershenstvovanie laboratornogo praktikuma obuchenija studentov po napravleniju podgotovki «Jelektromehanika», Jelektrotehnicheskie sistemy i kompleksy. Magnitogorsk, typ20, 2012, pp. 412-438.
2. Mastepan A. G., Lutaj S.N. Stendy dlja issledovanija osnov jelektroprivoda, Sbornik nauchnyh trudov «Vestnik NTU «HPI» : Problemi avtomatizovanogo elektroprivodu. Teorija i praktika, No. 36, Vestnik NTU «HPI», 2013, pp. 509-510.
3. Kvashin V. O., Nalivajko A. M., Kolesnikova G. V., Shul'ga A. A.Razrabotka universal'nogo stenda jelektroprivoda na osnove jelementnoj bazy firmy
«SIEMENS», Vestnik NTU HPI Problemy avtomatizirovannogo jelektroprivoda. Teorija i praktika. Har'kov, 2008, pp. 134-136.
4. Metodichni vkazivki do laboratornih robit z disciplini «Teorija elektroprivoda» dlja studentiv special'nosti 8.092203 Elektromehanichni sistemi avtomatizaci! ta elektroprivod denno! formi navchannja, Ukl.: Bondarenko V. I., Krisan Ju. O., Vasil'eva £. V., Zaporizhzhja, ZNTU, 2010, 16 p.
5. Bondarenko V. I., Krisan Ju. O. Osnovi elektroprivoda : navchal'nij posibnik. Zaporizhzhja, ZNTU, 2013, 402 p.
6. Andrjushhenko O. A., Vodichev V. A. Jelektronnye programmiruemye rele serij EASY i MFD-Titan. Uchebnoe posobie dlja izuchenija rele i proektirovanija sistem avtomatizacii na ih osnove. Odessa, DP «Mojeller Jelektrik», 2006, 235 p.
