СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Ефимов И.Т., Викторов О.А., Федоров Д.Е., Санкт-Петербургский государственный политехнический университет; Золотарев Т.В., г. Санкт-Петербург, ЗАО "Сев-Евродрайв".

Источник: Сборник материалов V международной (XVI Всероссийской) научной конференции: 18-21 сентября 2007 г.–Санкт-Петербург,2007. С.216-218.

        Стенд предназначен для исследования электромагнитных и электромеханических процессов при час­тотном регулировании скорости электроприводов пе­ременного тока.
        Конструктивно стенд выпускается в двух видах: стационарной (напольной) или переносной конструк­ций. Общий вид переносного стенда представлен на рис. 1.
        Комплектация оборудования обоих стендов оди­накова. Основное оборудование: преобразователи час­тоты, асинхронный и вентильный (с постоянными магнитами на роторе) двигатели с встроенными датчи­ками - продукция фирмы SEW-EUR0DRIVE и персо­нальный компьютер. Номинальная мощность асин­хронного двигателя - 0,75 кВт, номинальный момент вентильного двигателя - 5,0 Нм.

Рисунок 1 Общий вид испытательного стенда

        Двигатели механически состыкованы соосно. Это позволяет использовать любой из них в качестве испы­туемого, а другой - нагрузочной машины, и исследо­вать либо асинхронный, либо вентильный двигатель как в двигательном, так и в тормозном режимах. Оба двигателя имеют встроенные датчики: вентильный -датчик положения ротора, обязательный в соответст­вии с принципом работы вентильного двигателя; асин­хронный - инкрементный датчик скорости, необходи­мый не только для измерения скорости, но и реализации различных способов частотного управле­ния. Асинхронный двигатель имеет вентилятор прину­дительного охлаждения.
        Стенд подключается к трехфазной сети 380В 50Гц. Питание двигателей осуществляется от двух одинако­вых преобразователей MOVIDRIVE MDX61B, т.к. они позволяют работать с обоими типами двигателей. Управление каждым приводом производится подачей на соответствующие входы преобразователей дискрет­ных и аналоговых сигналов, с помощью отдельных пультов. Дискретными сигналами выдаются команды разрешения включения привода, определяющие на­правление вращения, переключения внутренних уставок преобразователей и т.п., а через аналоговые входы, к которым подключены потенциометры пультов, можно менять уставку для регулируемой координаты (скоро­сти или момента) или, например, изменять величину токоограничения. При стандартной комплектации стен­да имеется возможность связи и управления работой по интерфейсу RS485 и шине S-Bus (в стенде S-Bus ис­пользуется для передачи информации о текущих кон­тролируемых величинах от одного преобразователя к другому, необходимая при осциллографировании про­цессов в обоих приводах одновременно). Возможна комплектация преобразователей интерфейсными моду­лями PROFIBUS, INTERBUS, DeviceNet, CAN.
        Персональный компьютер в стационарном испол­нении - стандартный, а в переносной - ноутбук. Пер­сональный компьютер стыкуется с преобразователями через преобразователи интерфейсов USB - RS485 или RS232 - RS485. С его помощью выполняются сле­дующие основные операции:

  • ввод в эксплуатацию, и изменение параметров настроек преобразователей;
  • управление работой преобразователей в наладоч­ном режиме;
  • программирование встроенного в преобразовате­ли контроллера IPOS (управление позициониро­ванием, автоматическим циклом работы, обменом по шинам и др.)
  • визуальное отображение значений параметров и измеряемых переменных;
  • осциллографирование измеряемых координат;
  • автоматизация и обработка результатов экспери­ментальных исследований;

        В установившихся режимах исследуются: механи­ческие характеристики, кривые изменения частоты, на­пряжения и тока статора при различных способах час­тотного управления. В динамических режимах исследо­вания могут проводиться не только на холостом ходу, но и при различных постоянных значениях нагрузки или задаваемых программно законах ее изменения.

Методика проведения эксперимента

        Основной целью и содержанием эксперименталь­ных исследований в установившихся режимах является снятие механических характеристик привода с асин­хронным двигателем. Это обусловлено, прежде всего, разнообразием принципов частотного регулирования скорости асинхронных двигателей, разработанных и практически используемых, а также сложностью элек­тромагнитных процессов, связанных с регулированием частоты питающего напряжения и определяющих вид механических характеристик привода. Поэтому для бо­лее полного и глубокого понимания процессов регули­рования необходимо, кроме механических характери­стик, исследовать характер изменения тока, напряжения и частоты статора при изменении нагрузки для различ­ных способов частотного регулирования.
        Общепринятая методика снятия механических характеристик - последовательное изменение нагрузки и регистрация по точкам значений скорости и момента или величин, по которым он затем рассчитывается. Основной ее недостаток - значительная продолжи­тельность эксперимента, что не только уменьшает ко­личество проведенных в ограниченное время опытов, но и приводит к значительному нагреву обмоток, осо­бенно при работе с большими нагрузками или на низ­ких скоростях. Из-за нагрева сопротивления обмоток, особенно ротора, увеличиваются, что значительно снижает достоверность полученных результатов.
        С целью исключения отмеченных факторов, по­вышения качества и глубины проводимых исследова­ний, а также достоверности полученных данных ис­пользованы методы и средства автоматизации экспериментов и обработки их результатов.
        При снятии статических характеристик использу­ется следующая методика. С помощью собственной системы управления преобразователя создается линей­ное увеличение момента, создаваемого нагрузочной машиной, и одновременно производится осциллографи-рование измеряемых величин. Для этого в преобразова­теле нагрузочной машины устанавливается режим "Ре­гулирование момента", при котором управляющим воздействием задается значение развиваемого ей мо­мента. Линейное нарастание обеспечивается использо­ванием в качестве источника задания функции "Мотор-потенциометр". Темп и диапазон изменения нагрузки могут задаваться в широких пределах.
        Программа осциллографирования позволяет по­казывать характер изменения одновременно до четы­рех переменных, которые выбираются из Меню про­граммы осциллографа. В их числе: момент, скорость, частота, напряжение, полный и активный токи статора. Так как противодействующий момент (нагрузка) соз­дается нагрузочной машиной, то величины момента и скорости регистрируется в преобразователе нагрузоч­ной машины и передаются по шине Б-Вш в преобразо­ватель асинхронного двигателя, где они фиксируются одновременно с током, частотой, напряжением испы­туемой машины и производится осциллографирование.
        Кривые напряжения и частоты в зависимости от изменения нагрузки необходимы для сравнительной оценки работы преобразователя при различных спосо­бах частотного регулирования, вариации коэффициен­тов компенсирующих связей при И/Г - регулировании, изучении характеристик самого преобразователя и т.п. Выбор конкретного состава набора из четырех пере­менных определяется спецификой конкретного опыта. Имеется возможность записанные кривые сохранить в виде текстового файла, и из них можно составить банк экспериментальных кривых.

Рисунок 2 Осциллограмма кривых момента, скорости, напряжения и тока статора

        В качестве примера на рис. 2 представлена осцил­лограмма с кривыми момента, скорости, напряжения и полного тока, снятая по указанной методике при ис­следовании влияния IxR - компенсации.
Затем с использованием разработанной на базе ПО Microsoft Excel программы "Обработка результатов" производится построение в функции момента кривых изменения всех переменных. В итоге механические ха­рактеристики получаются без дополнительных пересче­тов по точкам и могут строиться по отдельности или в любом сочетании на одном графике. Графики можно строить таким же образом в функции и от других запи­санных переменных, например, тока статора.
        В качестве примера на Рис. 3 приведены механи­ческие характеристики для двух частот и двух значе­ний IxR - компенсации, обработанные и построенные по указанной методике.

Рисунок 3 Сводный график механических характеристик

        Наиболее значительным достоинством описанной методики является многократное сокращение времени снятия одной характеристики. Обычно для этого дос­таточно КН15 с, а, учитывая, что нагрузка изменяется от нуля до максимума линейно, работа при больших нагрузках длится всего несколько секунд, после чего следует пауза на обработку записи результатов (около минуты). Благодаря этому, даже при работе в течение нескольких часов, двигатель практически не нагрева­ется, и сопротивления его обмоток остаются практиче­ски неизменными. Кроме того, сокращение времени проведения экспериментов позволяет увеличить их количество, выполненное за ограниченное время рабо­ты, и тем самым расширить программу исследований.
        Другое достоинство методики - возможность со­хранения в цифровой форме всех записанных пере­менных, что позволяет создать их банк и последующее многократное использование.
Инструкция по эксплуатации, прилагаемая к стенду, включает, кроме описания стенда и техниче­ских данных оборудования, программу исследований и методические указания по их проведению. Программа исследований состоит из трех разделов.
        По первому разделу предусмотрено изучение:

  1. Устройства преобразователя, его функциональных возможностей, программного обеспечения, ввода в эксплуатацию, установки и редактирования па­раметров, работы с ним в различных режимах;
  2. Функций контроля, защиты, мониторинга, диаг­ностики;
  3. Экспериментальное определение характеристик преобразователя в режиме U/f–регулирования.

        Второй раздел составляют исследования статических характеристик электроприводов с асинхронными двигателями, прежде всего механических, при всех известных способах частотного регулирования. Для систем управления без датчика скорости исследования проводятся раздельно при двух способах управления : U/f и стабилизации потокосцепления ротора. В замкнутых системах с датчиком скорости и стабилизацией потокосцепления ротора изучаются процессы также при двух способах управления – напряжением или током обмотки статора. Измерение и регистрация всех доступных переменных позволяют выявить характер влияния компенсирующих связей, а также отличительные особенности различных способов частотного управления.
        Третий раздел - динамические режимы работы разомкнутых и замкнутых систем частотного управле­ния асинхронными двигателями. Для разомкнутых систем изучаются методы формирования пусковых характеристик (пускового момента, темпов разгона и торможения) и характер протекания процессов при пуске вхолостую и под нагрузкой. Закон изменения нагрузки задается программно. Для замкнутых систем основное содержание работ - настройка параметров контура скорости по заданному качеству переходных процессов и исследование режима приема - сброса нагрузки.
        При исследовании статических и динамических характеристик вентильного двигателя в качестве на­грузочной машины используется асинхронный двига­тель, а его преобразователь частоты работает в режиме регулирования момента.
        Назначение и области использования стенда:

  1. Обучение студентов учебных заведений при изу­чении соответствующих курсов;
  2. Обучение персонала предприятий на курсах по­вышения квалификации;
  3. Макетирование реальных технологических задач и ситуаций.