МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ АСИНХРОННЫХ ТРЕХФАЗНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОРИЕНТИРОВАННЫХ НА ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ

Величко Г. В.
(М-9-15, МГТУ “Станкин”)

        В последние время особый интерес вызывает проблема создания глубоко регулируемых приводов на базе трехфазных асинхронных двигателей (АД3), но их разработка встречает целый ряд затруднений. Наибольших успехов удается достичь, используя векторное или прямое цифровое управление двигателями. И тот и другой метод требуют знания точных значений многих параметров схемы замещения асинхронных двигателей, например, активных и реактивных сопротивлений статора, ротора и намагничивающей цепи. Эти параметры в большинстве справочников не приводятся, приводятся не полностью или являются недостаточно точными. Кроме того, из-за нарушения технологического процесса, различных технологий на разных заводах-изготовителях, паспортные параметры машины могут отличаться от справочных данных на 10…20%. Следовательно, при проектировании высококачественного привода у разработчика возникает необходимость знания точных параметров двигателя. Эта же задача стоит и у изготовителей двигателей, так как коммерческая ценность двигателя снабженного индивидуальным паспортом гораздо выше.
         Известен ряд методов экспериментального определения параметров двухфазных асинхронных машин [Л. 1, 3, 5, 7]. При использовании в качестве объекта управления асинхронной трехфазной машины встает вопрос о правомерности и точности распространения этих методов на них.
        Рассмотрим схему замещения АД3, рис. 1.

Рис. 1.

        В [Л. 1, 3] показана возможность идентификации всех параметров двухфазного асинхронного двигателя, , если известны полное сопротивление цепи обмотки при заторможенном роторе Zп, и величина:

(1)

, где r2’- приведенное активное сопротивление обмотки ротора;
Xm- индуктивное сопротивление цепи намагничивания;
X2’- приведенное индуктивное сопротивление
При неподвижном роторе (s=0) и r=0 полное сопротивление цепи обмотки определяется следующим выражением:

(2)

отсюда

(3)

(4)

Пусть для АД3 известны все эти параметры.
        Если ротор машины выполнен в виде беличьей клетки, пренебрежение величиной индуктивного сопротивления недопустимо. Учитывая, что раздельное определение индуктивных соротивлений статора и ротора связано с большими трудностями, на практике обычно принимают их равными. Профессор Ю.С.Чечет [Л. 4, 5] показал, что подобное допущение вносит в вычисления ошибку, немногим большую 1%.
        Полагая x1=x2’=x и на основании выражения для sк.о.:

(5)

        Подставляя соотношения (3,4) в выражение (5) и выделяя действительную и мнимую часть получаем:

(6)

(7)

        Решая эту систему уравнений относительно r2 и xм, найдем (8,9):

(8)

(9)

(10)

        Таким образом, для определения параметров схемы замещения асинхронной машины при принятых допущениях достаточно знать полное сопротивление цепи обмотки машины при неподвижном роторе (xп и rп), омическое сопротивление статорной обмотки (величина r1) и величину sk.o.
        Известен целый ряд методов, определения sk.o., таблица1.

        Из анализа таблицы видно, что наиболее предпочтительным является последний из них, так как не требует применения дополнительного двигателя (прост с точки зрения реализации).

Определение sk.o. способом, основанным на использовании свойств асинхронной машины в режиме самохода

        Для асинхронных машин характерно следующее явление. Если одна из обмоток машины подключена к источнику напряжения, а цепь другой обмотки разомкнута, то предварительно раскрученный ротор не останавливается, а продолжает вращаться с некоторой скоростью х.о.
        Величина скорости х.о. зависит от sk.o. и синхронной скорости о.

(11)

(12)

        Таким образом, для определения sk.o. достаточно измерить скорость вращения ротора в однофазном режиме работы при разомкнутой цепи обмотки машины. Можно в режиме самохода измерять не скорость вращения ротора, а величину э.д.с. Eтг.o, наводимую в разомкнутой обмотке машины [Л. 3 ].
          Значительно удобнее получаются соотношения, если для определения Eтг.o пользоваться следующим выражением [Л. 1, 3]:

(13)

где Eтг.o-это э.д.с., наводимая в разомкнутой обмотке машины

Рис. 2.

        На основе выше изложенного разработана методика автоматизированного определения параметров схемы замещения АД3. Для реализации данной методики создан стенд состоящий из платформы на котрой с помощью быстро съемных фиксаторов устанавливается исследуемый двигатель, так что бы его выходной вал вступил во фрикционное соединение с конической насадкой находящейся на валу тахогенератора закрепленного на платформе. Фазные обмотки подключаются к схеме стенда с помощью зажимов типа “крокодил”. Схема рисунка приведена на рис. 2.

На рис. 2: АД3 - испытуемый асинхронный трехфазный двигатель,
ДС - датчик скорости,
Монитор - компьютерный дисплей,
CPU – системный блок с универсальным процессором,
LPT1 ,LPT2 – парал. порты (один для приема, второй для выдачи информации),
COM – свободный COM порт компьютера,
АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

        Алгоритм автоматизированного определения параметров машины:
        После нажатия кнопки пуск происходит подключение двигателя к блоку управления и измерений при помощи реле. На “холодном” двигателе постоянным током измеряется сопротивление статора. Затем вал зажимается (фиксируется) и проводится опыт короткого замыкания в котором определяется полное сопротивление машины (14,15). После снятия напряжения с клемм машины ротор освобождается, затем двигатель запускается без нагрузки через блок управления и измеряются параметры намагничивающего контура (16,17). Наконец, двигатель пускают в трехфазном режиме и отключают две из них. Измерив скорость вращения вала в режиме с обрывом фаз вычисляется вспомогательный параметр (11,12,13), через который находятся остальные (8,9,10).
         В процессе эксперимента были произведены следующие измерения:

1. Измерение омического сопротивления обмотки фазы статора испытуемого асинхронного элекродвигателя с помощью омметра при отключенном питании. Таким образом получаем активное сопротивление статора.
2. Проводится опыт короткого замыкания при заторможенном роторе и номинальном напряжении питания. При этом измеряются напряжение Uk, ток Ik и потребляемая машиной мощность Pk. По данным опыта короткого замыкания определяют активное, индуктивное и полное сопротивление рабочего контура упрощенной схемы замещения:

(14)

(15)

3. Производился нормальный пуск асинхронного электродвигателя без нагрузки при Uф=Uноминальное и опыт холостого хода. Для этого был измерен ток холостого хода Io, напряжение Uo и мощность Po, потребляемая машиной. Тогда параметры намагничивающего контура схемы замещения:

(16)

(17)

4. Учитывая, что раздельное определение индуктивных сопротивлений статора и ротора связано с большими трудностями, на практике обычно принимают их равными. Однако, сперва надо определить вспомогательный параметр sk.o.. Это можно произвести с помощью опыта самохода, учитывая относительную угловую скорость vxo. (11,12,13), тогда по (8,9,10) находим оставшиеся параметры машины.

Выводы

Данный метод идентификации параметров трехфазных асинхронных двигателей необходим при проектировании регулируемых приводов. Рассмотрена теория и предложена методика определения параметров схемы замещения трехфазных асинхронных двигателей. Разработанная методика была опробована на трехфазном асинхронном короткозамкнутом электродвигателе серии 4АА50А2У3 с номинальной мощностью 0.09 кВт. Полученные результаты были сравнены с достоверными справочными данными на эту машину и отклонения результатов не превышали 5%.

Список литературы:

1. Панкратьев Л. Д., Паппе В. П., Паппе Н. П., Петров Б. И., “Следящий привод переменного тока с полупроводниковыми усилителями.” Москва , изд. Энергия 1966.
2. Кравчик А. Э., “Справочник по асинхроннам двигателям серии 4А.” Москва 1982.
3. Широков Н. Г., “ Теория двухфазных машин. “ Москва, изд. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1956.
4. Чечет Ю. С. “ Управляемый асинхронный двигатель с полым ротором.” Москва, изд. Госэнергоиздат, 1955.
5. Чечет Ю. С., Номографический метод определения рабочих характеристик однофазных асинхронных микродвигателей с расщепленной фазой, “Электричество”, 1948, №7.
6. Каспаржак И. М., Слепушкин И. Е., Исходные параметры и величины для расчета характеристик двухфазных машин и их определение, “Автоматика и телемеханика”, 1956, №7.
7. Несговорова Е. Д., опытное определение параметров маломощных асинхронных двигателей, Известия высших учебных заведений, Электромеханика, 1962, №11.
8. Столов Л. И., к вопросу об определении параметров схемы замещения асинхронного двигателя малой мощности, “Электричество”, 1962, №5.
9. Справочная книга по технике автоматического регулирования, под редакцией Д. Д. Траксела, Госэнергоиздат, 1962