CC BY
76
Белоусов И.М, Дианов В.Н. УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ОБНАРУЖЕНИЕМ ИСТОЧНИКОВ СБОЕВ
В докладе рассматривается новый метод, основанный на активной диагностике сбоев элементов современных асинхронных электроприводов.
Для этого предлагается ввести в аппаратуру управления приводом систему контактных и бесконтактных датчиков сбоев.
Так же рассмотрены алгоритмы включения/переключения указанных датчиков с учетом воздействия внешних и внутренних помех. Система диагностики двигателя основана на микроконтроллере, присутствующем в электроприводе в качестве блока управления скоростью [1].
Широко используемая в настоящее время схема управления скоростью вращения вала асинхронного двигателя на основе частотно-импульсной модуляции, представленная на рис.1, имеет ряд плюсов-большой диапазон возможных скоростей, быстрое переключение режимов, возможность отработки заранее загруженных в память программ, но имеется и весьма существенный недостаток, а именно полное отсутствие каких либо встроенных средств диагностики, что сильно увеличивает время и материальные затраты на техническое обслуживание и ремонт электропривода [2].
ПИ- пользовательский интерфейс.
МК- микроконтроллер
ЗУ- запоминающее устройство
ВН- неуправляемый выпрямитель напряжения
УИ- управляемый инвертор.
АД- Асинхронный двигатель.
Рис.1 Схема управления скоростью вращения АД на основе частотно-импульсной модуляции.
Поэтому с целью сокращения временных и материальных затрат на обнаружение и устранение источников сбоев в работе двигателя была предложена схема [3], представленная на рис 2.
Новые обозначения:
КОММ- коммутаторный блок, по команде с МК открывает доступ АЦП- анлогово-цифровой преобразователь.
ДТ- датчик температуры.
ДХ- электромагнитный датчик Холла.
ТГ- тахогенератор.
ДВ- датчик вибрации (шума)
КДС- контактный датчик сбоев
одному из датчиков к
БДС- бесконтактный датчик сбоев.
Рис2. Схема управления скоростью вращения АД на основе частотно-импульсной модуляции с возможностью определения источника сбоев.
Схема содержит асинхронный электродвигатель (АД) с управляемым инвертором (УИ), неуправляемым выпрямителем (ВН), управляющим микроконтроллером (МК), пользовательский интерфейс (ПИ) для ввода команд и получения визуальной информации, запоминающее устройство (ЗУ) для хранения программ и данных, датчики вибрации (шума) (ДВ), скорости (тахогенератор) (ТГ) и электромагнитный датчик Холла (ДХ), подключенные через коммутатор (КОММ) к аналогово-цифровому преобразователю (АЦП), в свою очередь посоединенному к микроконтроллеру. Отдельно стоит релейный датчик температуры (ДТ) , размыкающий реле при превышении температуры двигателя заданного порогового значения.
Схема также содержит контактные датчики сбоев (КДС). Количество КДС на одной линии связи зависит от размера дискретизации конкретной линии связи, на которой желательна фиксация скрытого дефекта.
На схеме (рис2) показаны и бесконтактные датчики сбоев (БДС), установленные в непосредственной близости от диагностируемых элементов или узлов. Количество БДС выбирается исходя из их чувствительности, протяженности линий связи и, в общем случае, может быть большим [3].
КДС устанавливаются (например, с помощью клипс) в начале линии связи либо в ее конце. КДС, также как и БДС, могут иметь либо автономную индикацию (на рис.2 не показано), либо индикацию в системе автоматического контроля (например, иметь выход на микроконтроллер) .
Работа схемы по диагностике состоит из двух этапов [4].
В первом этапе- предпусковой диагностике, проверяется работоспособность двигателя, т.е. микроконтроллер совершает единичный опрос датчиков, в случае если значения, полученные с датчиков, в норме, то система переходит в следующий этап, а если нет, то выводится сообщение о неработоспособности двигателя.
Во втором этапе- рабочей диагностике, микроконтроллер совершает последовательный цикличный опрос датчиков, проверяя полученные результаты на соответствие заданным нормам. В случае несоответствия на экран пользовательского интерфейса выводится сообщение о соответствующей неполадке.
Предпусковая диагностика.
Разрыв обмоток статора.
Для определения этой неисправности используется датчик Холла, подключенный к АЦП. Последовательно включают все три обмотки, каждый раз снимая показания с датчика.
При подаче на обмотку постоянного напряжения возникает так же постоянное электромагнитное поле. В случае обрыва поле не возникнет (или будет более слабым, зависит от места обрыва). При этом на интерфейс оператора выводится сообщение вида «ОБРЫВ ОБМОТКИ СТАТОРА, работа невозможна».
Короткое замыкание в обмотках ротора.
Определяется путем установки на вал двигателя тахогенератора, через АЦП подключенного к микроконтроллеру.
Для проверки неисправности вида «двигатель поворачивается при разомкнутой цепи в обмотке ротора», АЦП включают перед началом работы, в рамках предпусковой диагностики. Если есть сигнал, отличный от нуля (с учетом погрешности датчика), то на интерфейс выводится сообщение вида «КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ В ОБМОТКЕ РОТОРА, работа невозможна»
Рабочая диагностика.
Скорость вращения двигателя при полной нагрузке ниже номинальной.
Опрос тахогенератора проходит через каждые 5 секунд. В случае если частота вращения вала ниже установленного предела, микроконтроллер выдает на интерфейс сообщение вида «СНИЖЕННАЯ СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ, проверить электрические контакты и напряжение в сети»
Перегрев двигателя.
На корпус ставится температурный датчик, например, терморегулирующий дилатометрический, который при повышении температуры выше критической замыкает электрический контакт. Поэтому при превышении температуры некого порогового значения сигнал идет на микроконтроллер, а тот в свою очередь выводит на интерфейс оператора сообщение «ПЕРЕГРЕВ ДВИГАТЕЛЯ, возможны неполадки в соединении фаз катушек, короткие замыкания в обмотках, замыкания обмоток на корпус, либо механические повреждения двигателя (вал, ротор, статор, подшипники) », так же можно настроить контроллер на автомати-
ческий параллельный останов двигателя.
Датчик работает все время, значение с него можно получать через мультиплексор, например, программно задавая запрос каждые 10 сек.
Ненормальный уровень шума.
Так как шум- это вибрация среды, то можно использовать датчики вибрации.
Указанный датчик выдает сигнал от 4 до 20 мА с шагом в 0.1 мА. в зависимости от уровня шума.
Сигнал идет на АЦП через открывшийся коммутатор, управляемый микроконтроллером, так как АЦП в
схеме используется один, а устройств, которые его используют- несколько.
Микроконтроллер совершает опрос датчика вибрации через АЦП каждые 15 сек. В случае превышения заданного уровня вибрации на интерфейс выводится сообщение «ПРЕВЫШЕНИЕ ДОПУСТИМОГО УРОВНЯ ШУМА, проверить соосность статора/ротора, состояние запрессовки активной стали, а так же возможность попадания инородных элементов внутрь корпуса»
Выводы:
1) Предложенная система значительно повышает рабочий потенциал асинхронного двигателя, так как внедренная система диагностики позволяет примерно в 3-4 раза сократить работу по поиску и устранению неисправностей.
2) Схема так же позволяет обнаружить скрытые дефекты в линиях связи оборудования и соединителях, обеспечивающих подключение устройств схемы друг к другу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белоусов И.М. Микроконтроллерное управление асинхронным двигателем, М, МГИУ, 2009, выпускная квалификационная работа бакалавра, страница 35 (всего 45 стр).
2. Основные неисправности электрических машин и методы их устранения, сайт http://www.motor-remont.ru/books/book1/book1p3 6.htm
3. Дианов В.Н, Белоусов И.М, Никольская А.А, Сорокин В.Ю. Устройство управления асинхронным двигателем с обнаружением источников сбоев Заявка на полезную модель №2010101587/22 от 20.01.2010, МПК G 05B 23/02, G 08B 23/00, G 0^ 31/02, положительное решение ФИПС от 24.02.2010 г.
4. Белоусов И.М, Система микроконтроллерного управления и диагностики асинхронного двигателя, М, МГИУ, 2009, реферат, 19 стр.
