Расчетно-экспериментальное оценивание погрешностей измерительных каналов системы «Преобразователь частоты VLT 5000flux – асинхронный двигатель»

Корнилов Владимир Юрьевич; Ахунов Дамир Дилбарович; Андреева Надежда Вячеславовна

УДК 621.313

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ СИСТЕМЫ «ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ УЬГ 5000ГЬиХ- АСИНХРОННЫЙ

ДВИГАТЕЛЬ»

В.Ю. КОРНИЛОВ, Д.Д. АХУНОВ, Н.В. АНДРЕЕВА Казанский государственный энергетический университет, г. Казань

Приведены основные положения методики расчетно-экспериментального оценивания погрешностей измерительных каналов системы «ПЧ - АД» и результаты проверки работоспособности методики на основе экспериментальных данных о мгновенных значениях фазных токов статора для различных уровней момента нагрузки на валу двигателя и в зависимости от температуры нагрева статорных обмоток.

Ключевые слова: векторное управление, преобразователь частоты, асинхронный двигатель, пространственный вектор тока, оценивание погрешностей, измерительный канал.

1. Введение

Широкое внедрение электроприводов переменного тока с системами векторного управления необходимо сопровождать оценкой достигаемого при этом эффекта. Наиболее наглядным критерием эффективности в данном случае следует признать критерий потерь электрической энергии в процессе ее преобразования в механическую энергию.

Определяющей характеристикой этого процесса является электромагнитный момент двигателя, который возникает в результате взаимодействия тока в обмотке ротора с магнитным полем, создаваемым токами фаз статора. Известны способы определения электромагнитного момента, основанные на использовании электромагнитной мощности двигателя. Рассматривая потери как разность потребляемой и электромагнитной мощности, получают детерминированное значение показателя эффективности.

В действительности процесс преобразования электрической энергии в механическую является случайным процессом, неопределенность состояний которого можно объяснить погрешностями, вносимыми элементами каналов контроля и управления системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» (ПЧ - АД). Поэтому задача оценивания погрешностей каналов контроля и управления системы «ПЧ - АД» является актуальной как с точки зрения контроля метрологических характеристик, так и в плане проведения мероприятий по энергосбережению в процессе проектирования, производства и эксплуатации регулируемых электроприводов переменного тока.

2. Назначение и основные положения методики расчетно-экспериментального оценивания погрешностей измерительных каналов системы «ПЧ - АД»

Методика предназначена для оценивания предельной погрешности, вносимой элементами измерительных каналов системы «ПЧ - АД» при несимметричном режиме работы трехфазной цепи, приводящем к отклонению процессов в электроприводе от расчетных, и неизменных параметрах математической модели двигателя. © В.Ю. Корнилов, Д.Д. Ахунов, Н.В.Андреева Проблемы энергетики, 2012, № 1-2

Основные положения методики.

1. Формирование системы исходных данных в соответствии с планом эксперимента. На данном этапе анализируются параметры: асинхронных двигателей и преобразователей частоты по каталогам; питающей трехфазной сети по проектно-конструкторской документации объекта и по результатам оперативного контроля действующих значений напряжения, частоты, высших гармоник и симметричности режима электроснабжения.

2. Проверка правильности функционирования системы «ПЧ - АД» в режиме холостого хода для различных частот вращения выходного вала с попутным прогревом двигателя до диапазона рабочих температур.

3. Проверка правильности функционирования информационно-измерительной системы (ИИС) экспериментальной установки и нагружающего устройства.

4. Экспериментальное определение и накопление в памяти ИИС мгновенных значений токов в фазах статора при различных уровнях момента статической нагрузки и изменяемой угловой скорости вращения вала двигателя.

5. Обработка результатов эксперимента.

5.1. Графическое представление годографов пространственного вектора тока статора для фиксированных скоростей вращения ротора и различных уровней момента статической нагрузки.

5.2. Статистическая обработка случайных значений модуля пространственного вектора тока статора для обследованных установившихся режимов работы системы «ПЧ - АД». Выявление характера поведения математического ожидания и дисперсии модуля пространственного вектора тока статора в установившихся режимах.

6. Оценивание случайной аддитивной составляющей погрешности формирования текущего значения модуля пространственного вектора тока статора по дисперсии его мгновенных отклонений методом интервального оценивания.

3. Экспериментальная установка включает в свой состав:

3.1. Объект исследования - «система ПЧ - АД» (ПЧ VLT5000 FLUX, асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором АИР 90L2Y2, LC -фильтр 175Z0826, фильтр высших гармоник AHF005, автоматический выключатель ABB C16, автомат защиты двигателя ВАМУ 14, рубильник ABB ОТ25Е3, пускатель магнитный ПМУ-2510 с контактной приставкой ПКЛУ-22, пускатель магнитный ПМУ-0910 с контактной приставкой ПКЛУ-22, комплект силовых кабелей КГ 5х6, КГ 4х6, монтажный шкаф с органами управления, индикации, сигнализации и управляющим терминалом ПЧ на лицевой панели);

3.2. Нагружающее устройство на основе двигателя постоянного тока независимого возбуждения 4ПБ112М2ГУХЛ4 и системой управления ТП 80-20-0,2 УХЛ4, нагружающее устройство типа «механический тормоз» с калибровочным приспособлением на основе электрогидропривода постоянного тока, моментомера, пульта управления и ручного микрометрического винтового зажима.

3.3. Информационно-измерительная система (ПК AMD Athlon 64 3800, Soc AM-2; блоки LabVIEW (аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП, ЦАП) NI 4472 фирмы National Instruments, программа LabVIEW Signal Express 2.5); датчики тока ДТХ-50; блоки питания ИПС-1; термопреобразователь сопротивления ETP-01A.

4. Экспериментальная часть

4.1. В соответствии с п.1 методики сформирована система исходных данных, которая включает:

- параметры АД (Рном=3 кВт; £7^=380 В; /ном=6,3 А; Ином=2760 мин-1; ео8ф=0,85);

- параметры ПЧ (ЦШ1Т=3х380 В ±10%; /пит=50 Гц±1%; ивЫХ=0-100%ипит);

- в соответствии с ГОСТ 13109-97 питающая сеть проверена по показателям качества электроэнергии. Питающая трехфазная сеть соответствует нормам настоящего ГОСТа;

4.2.1. При проведении эксперимента на частоте вращения АД / = 10Гц) частота дискретизации АЦП выставляется /д\ = 5 кГц, на частотах /2 = 30 Гц; / = 50 Гц; /д2 = 8 кГц.

4.2.2. Исследование системы «ПЧ - АД» в режиме холостого хода с контролем изменения температуры внутри статора при нагреве до ¿1 =30°С с заданием частоты вращения вала АД / = 10Гц.

4.2.3. Проведение экспериментов в установившихся режимах работы: 1) при вращении вала АД на холостом ходу; 2) с имитацией нагрузки на валу при двух фиксированных значениях момента сопротивления, создаваемого ДПТ. При этом для каждого установившегося состояния производятся измерения мгновенных значений фазных токов гА, г в, в течении ¿изм=5 с. Число повторных циклов в каждом режиме и=10.

4.2.4. Эксперимент с заданием частоты вращения вала АД /2 = 30Гц проводится при нагреве до ¿2 =33°С.

4.2.5. Эксперимент с заданием частоты вращения вала АД /3 = 50Гц проводится при нагреве до ¿3 =36°С.

4.3. Исследование системы «ПЧ - АД» в режиме с максимальным моментом сопротивления, создаваемым ДПТ. Частота вращения вала АД задается /3 = 50 Гц. Эксперимент с измерением гА, гВ проводится при изменении температуры во внутреннем объеме статора от начальной ?н=40°С до конечной ¿к=50°С (с увеличением на м = 1°е).

5. Обработка экспериментальных данных

5.1. Выгаисление пространственного вектора /1к тока статора для дискретныгс значений угла поворота &к = кД0 в неподвижной системе координат X — у, связанной

--2п

со статором двигателя, где к = 0, N, N — число шагов; Д© = - приращение угла

поворота:

2

где а = — 3

1аа2

2 4 1е 3 е 3

Ьк = а • »1к >

матрица-строка;

= *\в г^с ] к - вектор-столбец мгновенных значений токов в фазах А, В, С

статорной обмотки при повороте вектора 11к на угол 0k относительно оси ОХ.

5.2. Определение математического ожидания и дисперсии мгновенных значений модуля пространственного вектора тока статора за m полных оборотов в системе координат x — у в течение времени измерений 1изм=5 с:

1 m i m _ _

M [| hk |] = - Z \hk I.; [| hk |] =-- Z (| hk I, - M [ Ilk ])2, j = 1, m; k = 0, ж.

1 1 m .1 1 j 1 1 m -1 ... 1 1 j

j =1 j =1

Осреднение полученных значений по n = 10 повторным циклам измерений:

2

=1Z M

l1k

i=1

1k \i

; ст2[| hk

1

сР n -

1Z

i=1

M

1k li

- I

1k

cp

5.3. Графическое построение годографа пространственного вектора I1тока статора по осредненным мгновенным значениям математического ожидания модуля

I k на плоскости X — y .

I 1Л 1ср

5.4. Определение площадиS1 фигуры, ограниченной годографом (п.5.3), как суммы площадей элементарных треугольников.

5.5. Построение круга с радиусом R2, площадь S2 которого равна площади Si, ограниченной годографом пространственного вектора тока статора.

5.6. Построение доверительной области для осредненного математического ожидания модуля пространственного вектора тока статора как нормально

распределенной случайной величины с выборочной дисперсией ст2 [|I^ |]ср .

5.7. Построение области в виде кольца, площадь которого равна площади доверительной области по п.5.6.

5.8. Определение предельной погрешности формирования модуля пространственного вектора тока статора как половины ширины кольца по п.5.7.

6. Проверка работоспособности методики на примере системы «ПЧ VLT5000 FLUX - АД»

Проверка правильности функционирования ИИС экспериментальной установки осуществлялась по каналам измерения мгновенных значений фазных токов.

Проверка правильности функционирования нагружающего устройства типа «механический тормоз» осуществлялась по шкале моментомера.

Рис. 1. Годограф пространственного вектора тока статора (фиг. 1); эквивалентная годографу по

ограничиваемой площади окружность (фиг. 2); верхняя (фиг. 3) и нижняя (фиг. 4) окружности, ограничивающие область значений предельной погрешности в процессе формирования модуля пространственного вектора тока статора (радиусы верхний (нижний) RB (RH) границы доверительной области значений модуля пространственного тока статора соответственно равны: RB = R2 + 8 пред , RH = R2 - 8 пред )

Согласно п.п. 4.2.1 - 4.3 проведено экспериментальное определение мгновенных значений фазных токов при частотах вращения вала АД f = 10 Гц, f2 = 30 Гц, f3 = 50 Гц в трех установившихся режимах.

С помощью программы Lab VIEW Signal Express 2.5 осуществлялась запись в кодировке ASCII мгновенных значений фазных токов в оперативную память ПК в виде выборки данных. Время записи каждого цикла измерений составляет 1изм=5 с. Полученная выборка данных заносится в программу MS Excel 2007 с приведением нулевых значений фазы тока iA к началу координат. Значение тока ic рассчитывается по формуле ic = - (iA+ iB) с точностью до 0,01 А.

7. Выводы

Экспериментальные исследования показали, что элементы каналов контроля и управления преобразователя частоты вносят случайную составляющую в модуль пространственного вектора тока статора. Это влияние можно оценить доверительной областью с площадью ДSд, которая с доверительной вероятностью р накрывает

искомый годограф пространственного вектора тока статора, построенный по истинным значениям модуля в установившемся режиме работы системы «ПЧ - АД».

Предложенная расчетно-экспериментальная методика оценивания предельной случайной погрешности измерительных каналов системы «ПЧ - АД» работоспособна и может быть рекомендована для выполнения работ в ходе метрологического анализа и при оценке мощности потерь как проектируемых, так и находящихся в эксплуатации частотно-регулируемых электроприводов.

Summary

In the article there are substantive provisions of a technique of settlement-experimental estimation of errors of measuring channels in system «The frequency converter - the asynchronous drive» and results of check of working capacity of a technique on the basis of experimental data about instant values of phase currents of stator for various levels of the moment of loading on a shaft of the engine and depending on heating temperature stator's windings are resulted.

Keywords: vector steering, the frequency converter, the asynchronous drive, spatial vector of a current, estimation of errors, the measuring port.

Литература

1.Корнилов В.Ю., Ахунов Д. Д. Определение погрешностей информационного канала системы «преобразователь частоты - асинхронный двигатель» по годографу пространственного вектора тока статора // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. №11-12. С. 174 - 176.

2.Инструкция по эксплуатации преобразователей частоты VLT серии 5000. 2004. 226 с.

3.Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2007. 536 с.

Поступила в редакцию 21 февраля 2012 г.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Корнилов Владимир Юрьевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-18.

Ахунов Дамир Дилбарович - аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-18. E-mail: starcoff86@mail.ru.

Андреева Надежда Вячеславовна - аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов» (ЭПА) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-18.

The rated-experimental estimation of the system measuring channel calculation «The conversion transducer VLT5000 FLUX – an asynchronous motor»