УНИВЕРСАЛЬНОЕ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ

У статті розглянуто досвід кафедри САУЕ КДПУ у створенні вимірювально-діагностичних комплексів. Запропоновано ряд технічних рішень щодо підвищення точності вимірювань.
     Ключові слова: вимірювально-діагностичний комплекс, точність вимірювань.

The paper preents the experience of the SACE department of the KSPU of designing the measuring and diagnostic complexes is considered. Some technical decisions for increasing the accuracy of measurements are offered.
     Keywords: measuring and diagnostic complex, accuracy of measurements.

Введение. В условиях рыночной экономики одной из важнейших сфер конкурирования промышленных предприятий становится борьба за квалифицированных и компетентных в своей области специалистов. Поэтому успешное конкурирование выпускников технических ВУЗов на рынке труда возможно лишь при достаточно высоком уровне теоретической и инженерно-практической подготовки. Поскольку требования, предъявляемые работодателями к качеству подготовки специалистов, непрерывно ужесточаются, существенно возрастает роль лабораторного практикума в учебном процессе.

Особенно важными являются практические навыки работы с оборудованием для инженеров-электромехаников. Это объясняется тем, что, с одной стороны, современный автоматизированный электропривод, по сути, является компьютеризированным, т.е. управляемым посредством промышленных компьютеров и программируемых микроконтроллеров, а, с другой стороны, анализ режимов работы электропривода невозможен без измерения исследуемых параметров и последующей обработки полученной информации.

Необходимость измерения мгновенных значе ний сигналов тока, напряжения, мощности и т.д. при решении различных задач электромеханики появи лась с развитием преобразовательной техники, вы сокоточных систем управления, систем испытаний и диагностики электрических машин. Современная наука и техника предъявляет все более жесткие тре бования к средствам измерений. Среди них наибо лее важными являются повышение точности, быст родействия и автоматизация процесса измерений [1, 2].

Задача повышения профессионального уровня студентов может быть решена путем создания принципиально нового лабораторного оборудова ния, отвечающего целому ряду требований:

• максимальное соответствие современным тенденциям научно-технического прогресса, обще государственным программам развития, специфике и проблематике региона;
• универсальность, позволяющая охватить большинство технических дисциплин, предусмот ренных учебным планом;
• достаточный технический уровень для ис пользования в качестве составной части научно исследовательского комплекса кафедры;
• гибкость и открытость для модернизации и расширения функциональных возможностей;
• доступность по стоимости практически для любого учебного заведения, осуществляющего под готовку бакалавров, специалистов и магистров.

Созданию такого оборудования, а именно, по строению измерительно-диагностических комплек сов (ИДК), кафедра систем автоматического управ ления и электропривода (САУЭ) Кременчугского государственного политехнического университета имени Михаила Остроградского посвятила более десятилетия.

Специфика созданного и успешно применяемого в учебном процессе и научных исследованиях обо рудования заключается в том, что ИДК рассматри вается как мощный инструментарий для углублен ного изучения физических основ протекания энерге тических процессов в сложных электрических и электромеханических преобразователях энергии. Такой подход обусловлен направленностью научно- исследовательской работы кафедры — развитием теории мгновенной мощности [3, 4] и теории оценки ресурса и технического состояния электромеханиче ских систем на базе составляющих мгновенной мощности и показателей качества преобразования энергии [5].

Цель работы. Изложение опыта кафедры САУЭ в разработках методологических, аппаратных и про граммных решений по созданию ИДК для целей учебного процесса, научных исследований и про мышленного применения.

Материал и результаты исследований. Работы по созданию ИДК на кафедре САУЭ начались с приходом в 1998 г. на кафедру профессора Родькина Д.И., работавшего в то время над созданием систем динамического нагружения [6], имеющих в своем составе компьютеризированный измерительно диагностический комплекс для задания режимов ра боты и определения технического состояния элек трических машин в процессе послеремонтных испы таний. В том же году была организована научная группа, в состав которой входили аспиранты и мо лодые преподаватели кафедры САУЭ, наиболее подготовленные в области цифровых систем управ ления и программирования.

Основными препятствиями для создания ИДК являлась высокая себестоимость комплектующих (персональный компьютер, специализированная плата ЦАП-АЦП, программное обеспечение, изоли рованные измерительные датчики электрических величин) и сложность самостоятельного изготовле ния отдельных компонентов. Таким образом, первые результаты по оцифровке аналогового сигнала были получены на относительно недорогом оборудова нии.

В качестве базовых компонентов для построения ИДК были использованы плата ADC 16-32 отечест венного производства и ПК 80386DX c 8 Mb ОЗУ и VGA-видеокартой. Программное обеспечение для лабораторного комплекса разрабатывалось под ОС MS DOS, а в качестве языка разработки использо вался язык программирования С++ версии 3.1 [7, 8].

Основным результатом этого этапа является соз дание завершенного компьютеризированного моду ля, позволяющего регистрировать тестовые сигналы и формировать управляющие воздействия с помо щью специализированной платы ввода/вывода.

В 1999 году на кафедре был введен в эксплуата цию функционально завершенный компьютеризи рованный комплекс для исследования режимов ра боты АД при квазичастотном управлении [9, 10], включающий, кроме персональной ЭВМ и платы ЦАП/АЦП, разветвленную систему датчиков для контроля электрических и механических величин, электрическую машину и полупроводниковый пре образователь (рис. 1).

В результате для изучения оказались доступны как система привода в целом, так и отдельные его элементы, в частности, исследуемая электрическая машина, тиристорный преобразователь напряжения, система импульсно-фазового управления, датчики контролируемых величин, программное обеспече ние, необходимое для управления ИДК и обработки результатов исследования.

К существенным недостаткам комплекса следует отнести отсутствие режима осциллографирования и высокую стоимость платы ADC16-32. Поиск бюд жетных технических решений (2000-2001 гг.) при вел к анализу способов цифровой обработки анало говых сигналов посредством мультимедийной (зву ковой) платы персонального компьютера [11,12]. Стандартная звуковая плата с шестнадцатиразрядным устройством АЦП/ЦАП, рассчитанным на ра бочий диапазон частот от 20 Гц до 20 кГц, была до полнена прогаммным обеспечением и преобразова телем-модулятором, что позволило оцифровывать сигналы с постоянной составляющей. Разработан ный программно-аппаратный комплекс позволил создать на базе ПК c мультимедийной платой и конфигурацией не ниже Pentium 200 MHz, RAM 16 Mb, HDD 1 Gb относительно доступный по стоимо сти лабораторный осциллограф.

Однако недостаточное для научных исследова ний количество каналов аналогового ввода и отно сительно невысокое быстродействие заставили кол лектив разработчиков приступить к созданию собст венной платы ввода/вывода, позволяющей регист рировать и осциллографировать исследуемые сигна лы, и оснащенной дополнительно цифро- аналоговым преобразователем [13].

Устройство аналого-цифрового преобразования было реализовано на интегральной микросхеме типа AD7892 (разрядность — 12 бит; время преобразова- ния 1,47 мкс; скорость передачи данных 500 кбит/с; входное аналоговое напряжение 0-2,5 В). Устройст во цифро-аналогового преобразования содержало в основе интегральную микросхему К572ПА1. Ре зультаты работы измерительной системы (рис. 2) визуализировались с помощью программного ин терфейса и параллельно оформлялись в отдельном файле в виде таблицы.

Простота и функциональность созданного обо рудования позволили, начиная с 2002 года, широко использовать созданное оборудование в лаборатор ном практикуме для изучения:

• статических и динамических характеристик электрических машин постоянного и переменного тока;
• энергетических показателей систем элек тропривода;
• принципов построения, функционирования и характеристик силовых преобразовательных уст ройств;
• аналоговых и дискретных систем управле ния электроприводами;
• основ цифровой обработки данных;
• систем динамического нагружения машин постоянного и переменного тока.

В настоящее время ведется разработка различ ных информационно-измерительных систем, осно ванных на применении микропроцессорных прибо ров и устройств. Производители микропроцессор ной техники предлагают широкий выбор элементов, а фирмы-производители — программного обеспече ния и инструментальные средства, предназначенные для разработки измерительных систем [14]. Сущест вующие на рынке элементы и системы для измере ний сигналов имеют ряд особенностей, ограничи вающих их применение в учебном процессе и науч ных исследованиях. Так, большинство модулей ана логового ввода, предназначенных для применения в составе промышленных логических контроллеров для автоматизации производственных процессов, имеют низкую частоту дискретизации (10-100 Гц). Современные цифровые осциллографы с возможно стью подключения к ПК имеют высокую стоимость и низкое количество измерительных каналов (обыч но два). Присутствующий на рынке большой выбор микросхем АЦП характеризуется низкой стоимо стью и существенными достоинствами: наличие встроенных гальванической развязки и предусили телей с программируемым коэффициентом усиле ния, наличие нескольких независимых параллель ных измерительных каналов, широкий частотный диапазон и высокая разрядность находит примене ние в основном в организациях, непосредственно занимающихся разработкой измерительных систем. Применение таких элементов в условиях учебного процесса и научных исследований на кафедрах уни верситетов сопряжено с большими временными и материальными затратами на разработку измери тельных систем. С учетом того, что ИДК представ ляют более широкое понятие, чем просто измери тельные комплексы, и, кроме аппаратной и про граммной части, включает в себя программы по специфической обработке экспериментальных дан ных, методическое обеспечение, то для указанных целей следует ориентироваться на готовые модули АЦП/ЦАП. К тому же, ряд производителей допол няет модули АЦП/ЦАП дискретными линиями вво да-вывода, и выполняет их с использованием циф ровых сигнальных процессоров. Указанный подход позволяет использовать такие платы в качестве бы стродействующих контроллеров среднего уровня и реализовывать на их основе системы управления тиристорными преобразователями напряжения, ши ротно-импульсными преобразователями постоянно го тока, автономными инверторами напряжения и т.д.

Одной из существенных составляющих рацио нального построения ИДК является правильный вы бор первичных преобразователей сигналов. Приме нение датчиков тока и напряжения на основе транс форматоров тока и напряжения соответственно, с последующими системами модуляции-демодуляции показало существенные недостатки даже для при менения в учебном процессе. Построение измери тельных систем на базе датчиков фирмы LЕМ, ос нованных на эффекте Холла, затрудняет их высокая стоимость. Так называемым «бюджетным» решени ем этого вопроса может быть построение измери тельного канала напряжения на основе резистивных шунтов и микросхем гальванической развязки типа HCPL7800 и т.д., и построение измерительного ка нала тока на датчиках Холла типа ACS фирмы Allegro MicroSystems. Датчики тока фирмы Allegro MicroSystems обладают рядом недостатков, опреде ляющих большие значения нелинейности и общей погрешности выходного сигнала, однако низкая стоимость и простота использования делают их при емлемыми для использования в учебном процессе в составе ИДК. Указанные решения (рис. 3) реализу ются на кафедре САУЭ, начиная с 2006 г., что по зволило получить стоимость канала измерения на пряжения в пределах 20 у.е., а канала тока — 6 у.е.

Дальнейшее развитие ИДК стимулировали рас ширение на кафедре научных исследований и вне дрение их результатов в промышленность в 2001- 2006 гг.

Одним из приоритетных научных направлений кафедры систем автоматизированного управления и электропривода КГПУ является создание измери тельно-диагностических систем для анализа пара метров электрических машин. Этому вопросу по священо значительное количество научных работ, выполненных на кафедре.

Актуальность научных разработок в направле нии диагностики двигателей постоянного и пере менного тока определяется тем положением, в кото ром находится парк электрических машин большин ства промышленных предприятий Украины. Стати стика показывает, что электрические машины име ют низкую надежность, определяющую уровень за трат на периодическое восстановление их работо способности. Следует сказать, что данная ситуация обусловлена не только некачественным ремонтом, но и старением конструкционных материалов. Это выражается в увеличении потерь в стали, в сниже нии эффективного потока, что ведет к снижению на грузочной способности. В условиях практического отсутствия данных о реальном состоянии двигате лей, они эксплуатируются в неноминальных режи мах, то есть с перегрузками, что ведет к существен ному сокращению их ресурса работоспособности. Диагностика параметров, определение реальной ра ботоспособности электрических машин — задача не посредственного обеспечения сохранности электри ческого оборудования [15, 16].

Широкий спектр конструктивных исполнений, а также большой диапазон мощностей ремонтируе мых двигателей требует применения методов, рабо тоспособных в указанных условиях. Поэтому для проведения испытаний необходимо, чтобы аппара тура и оборудование, с помощью которых проводят ся испытания, удовлетворяли бы требуемой точно сти и пределам измерений.

При применении измерительных комплексов в промышленных условиях в составе систем диагно стики электрических машин (СДЭМ) для уменьше ния погрешности квантования при различных уров нях испытательных воздействий (полигармониче ское напряжение) и различных уровнях откликов системы на возмущение (токи в обмотках), обуслов ленных широким диапазоном мощностей испытуе мых двигателей, используется усилительный каскад с программируемым коэффициентом усиления. Ко эффициент усиления выбирается при этом на основе вводимых оператором априорных данных об испы туемой машине. Такой подход позволяет снизить указанную погрешность. В составе измерительных модулей применяются датчики тока и напряжения фирмы LЕМ, основанные на эффекте Холла. Суще ственным достоинством таких датчиков является токовый выход, обладающий хорошей помехоза щищенностью. Для уменьшения влияния нормаль ных синфазных помех измеренные сигналы преобразовываются в дифференциальные и передаются на АЦП через «витую пару». В качестве АЦП приме няются модули, адаптированные под PCI-слот ПК, типа L-780 российской фирмы L-Сard с основными параметрами: разрядность 14 бит, частота преобра зования 400 кГц (рис. 4).

В ходе научных исследований способов миними зации погрешностей при определении гармониче ского состава мгновенных значений тока, напряже ния и мощности возникла необходимость увеличе ния точности измерений.

Анализ существующей элементной базы измери тельных преобразователей показал, что указанные ранее недостатки трансформаторных датчиков при сущи и датчикам напряжения фирмы LЕМ, т.к. их использование требует включения перед датчиком токоограничивающего резистора мощностью 3-5 Вт, от которого зависит общая точность измерения. Прецизионные сопротивления такой мощности имеют высокую стоимость.

В 2007 г. был разработан переносной измери тельный модуль с улучшенными точностными ха рактеристиками, рассчитанный на применение как в составе мобильных измерительных комплексов, так и в лабораторных или промышленных условиях.

При разработке измерительного модуля были построены два комплекта датчиков напряжения, ка ждый на четыре канала (рис. 5). Один комплект ос нован на применении усилителя с гальваноразвяз кой ISO124P (вход ±10В, выход ±10В) и DC/DC преобразователь напряжения DCP010515DP (15В/±15В). Второй комплект основан на примене нии усилителя с гальваноразвязкой HCPL7800A (вход ±200мВ, выход 1.3В), DC/DC преобразователь напряжения DCP010505DP (5В/5В) и прецизионном операционном усилителе KP140УД1408А. Микро схема HCPL7800A выдает однополярный смещен ный сигнал, для преобразования сигнала в разнопо лярный применяется операционный усилитель KP140УД1408А, включенный по дифференциальной схеме.

Таким образом, разработанная плата гальваниче ской развязки по сравнению с классическим реше нием в форме применения датчиков на основе эф фекта Холла типа LV 20-P имеет следующие досто инства (табл. 1):

• выше точность измерения. Так, для датчика LV 20-P к основной погрешности датчика добавляется погрешность измерительного сопротивления, вклю ченного в силовую цепь. Это сопротивление имеет мощность от 2 до 5 Вт, что приводит к повышенно му температурному дрейфу параметров этого сопро тивления. Использование калиброванных прецизи онных сопротивлений такой мощности приводит к удорожанию измерительной системы на порядок. В разработанной плате гальванической развязки ис пользуется делитель напряжения на прецизионных резисторах, имеющих малую мощность, низкий ТКС и низкую стоимость. Применение высокоомно го входного сопротивления (≥1 МОм) устраняет влияние измерительного канала на измеряемый процесс;
• более широкая полоса пропускания;
• более высокий показатель линейности;
• стоимость измерительного канала напряжения снижается почти в 1,5 раза;
• лучшие массогабаритные показатели.

Таблица 1 — Сравнительные характеристики модулей измерения сигналов напряжения

№	Наименование параметра	LV 20-P	ISO124P
1	Точность измерения	±1%	±0,05% (max±0,5%)
2	Полоса пропускания	40 кГц	50 кГц
3	Линейность	±0,2%	max ±0,02%
4	Стоимость измерительного канала, грн	210	160

В качестве АЦП был выбран внешний USB мо дуль ADA-1406, который представляет собой уст ройство сбора аналоговых и цифровых данных. ADA-1406 является многофункциональным измери тельным модулем, подсоединяемым к ПК через USB-интерфейс. Многоканальное 14-ти разрядное АЦП модуля позволяет работать с 8-ю дифференци альными или 16-ю каналами с общей землей.

Очередным этапом развития ИДК кафедра счи тает широкое внедрение в учебный процесс цифро вых систем управления электроприводом с исполь зованием программных пакетов LabView и MatLab. Перенос реализации алгоритмов управления с аппа ратного уровня лабораторного комплекса на инфор мационный позволит на порядок повысить гибкость и информативность лабораторного оборудования. Применение таких систем в учебном процессе по зволит студентам без изменения аппаратной части объекта управления осуществлять на лабораторных работах синтез, настройку и экспериментальное ис следование системы управления любой конфигура ции, начиная с простейших одноконтурных систем, и, заканчивая оптимальными адаптивными систе мами управления. При этом подразумевается прове дение дополнительных лабораторных работ, в про цессе которых студенты будут обучаться осуществ лению элементарных операций по вводу/выводу аналоговых и дискретных сигналов, настройке кон фигурации измерительных каналов и т.д. В процес се обучения студенты могут параллельно исследо вать электромеханические системы на базе матема тических моделей и физических компьютеризиро ванных стендов, что позволяет наглядно показать связь теоретических исследований, характеризую щихся некоторым уровнем идеализации и абстраги рования, с прикладными задачами работы на реаль ном оборудовании.

Заслуживающим внимания направлением разви тия ИДК видится в создании малогабаритных лабо раторных стендов, построенных по модульному принципу. Указанные стенды должны содержать: модуль аналогового и дискретного ввода/вывода, модули электромеханических преобразователей и полупроводниковых преобразователей параметров питающего напряжения. При этом весь лаборатор ный комплекс, включая ПК, должен помещаться на рабочем столе исследователя. Применение лабора торных стендов с указанной структурой позволит проводить лабораторные работы по электрическим машинам, теории электропривода, преобразователь ной технике, системам управления электроприво дом, цифровым системам управления электроприво дом.

Одним из важнейших направлений развития компьютеризированного лабораторного оборудова ния является разработка виртуальных лабораторных комплексов, применение которых позволит повы сить эффективность работы студентов с физическим оборудованием за счет предварительного изучения его виртуального аналога.

Выводы. Научные и научно-методические зада чи, стоящих перед кафедрой, — повышение эффек тивности обучения специалистов электротехниче ского профиля и развитие теории мгновенной мощ ности и показателей качества преобразования энер гии – требуют дальнейшего совершенствования существующего учебно-исследовательского элек тромеханического оборудования.

К приоритетным направлениям развития ком пьютеризированных измерительно-диагностических комплексов следует отнести:

• применение недорогих измерительных систем и современного программного обеспечения типа LabView и MatLab;
• использование малогабаритных модульных ла бораторных комплексов наряду с полномасштабны ми компьютеризированными лабораторными стен дами;
• применение виртуальных лабораторных стен дов для дистантной подготовки студентов к работе с физическим оборудованием.

1. Гольдберг О.Д., Абдуллаев А.П. и др. Автома тизация контроля параметров и диагностика асин хронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 160 с.
2. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс). Под. ред. Шрамкова Е.Г. Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа. 1972. — 520 с.
3. Родькин Д.И. Комментарий к теории энерго процессов с полигармоническими сигналами // Зб. наук. праць КДПУ, Вісник КДПУ, — Вип. 3/2005 (32), Кременчуг: КДПУ, 2005. — С. 106-114.
4. Родькин Д.И. Уравнения баланса составляю щих мгновенной мощности // Зб. наук. праць КДПУ, Вісник КДПУ, — Вип. 4/2006 (39), частина 1, Кре менчуг: КДПУ, 2006. — С. 92—98.
5. Киричков В.А., Черный А.П., Кальченко А.С., Богодист Ф.Е., и д.р. Исследование качества преоб разования энергии в системах электропривода с об щей сетью // Зб. Наук. праць КДПУ, Вісник КДПУ, — Вип. 4/2006 (39), частина 1, Кременчуг: КДПУ, 2006.— С. 102—105.
6. Родькин Д.И. Системы динамического нагру жения и диагностики электродвигателей при после ремонтных испытаниях. — М.: Недра, 1992. — с. 236.
7. Барвинок Д.В. Программное обеспечение со временного лабораторного оборудования для иссле дования электромеханических систем // Проблемы создания новых машин и технологий. Сб. научных трудов КГПИ: Выпуск 1/1998 (4). — Кременчуг: КГПИ, 1998. — С. 42—46.
8. Микитенко Л.Л. Особенности построения из мерительных комплексов и обработки сигналов при исследовании электромеханических систем // Про блемы создания новых машин и технологий. Сб. на учных трудов КГПИ: Выпуск 1/1998 (4). — Кремен чуг: КГПИ, 1998. — С. 71—74.
9. Гладырь А.И., Панченко М.В., Огарь А.С., Шимбарев В.А. Система квазичастотного управле ния асинхронным двигателем // Проблемы создания новых машин и технологий. — Кременчуг: КГПИ. — 1999. — Вып. 2/(7). — С. 30—32.
10. Гладырь А.И., Гомилко В.И. Эксперимен тальные пусковые характеристики асинхронного двигателя при питании от тиристорного регулятора напряжения в режиме преобразователя частоты // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. — Кременчук: КДПУ. — 2002. — Вип. 1(12). — С. 38—42.
11. Соболев Ю.В., Бялобржеский А.В. Особенно сти использования звуковой платы персональной ЭВМ для измерительных комплексов при исследо вании электромеханических систем // Проблемы создания новых машин и технологий. — Кременчуг: КГПУ. — 2000. — Вып. 2/(9). — С. 270—272.
12. Соболев Ю.В., Бялобржеский А.В. Способы цифровой обработки аналоговых сигналов посред ством мультимедийной платы // Проблемы создания новых машин и технологий. — Кременчуг: КГПУ. — 2001. — Вып. 1/(10) — С. 281—285.
13. Родькин Д.Й., Бялобржеский А.В., Кривонос С.А., Ломонос А.И., Артеменко А.Н., Величко Т.В., Грабко В.В. Лабораторные исследовательские ком- плексы на базе измерительно-управляющих компь ютеризированных систем // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. — Кремен чук: КДПУ. — 2002. — Вип. 1(12). — С. 412—418.
14. Алексеев В.О. Выбор инструментальных средств разработки микропроцессорных информа ционно-измерительных систем // Проблемы созда ния новых машин и технологий. Сб. Научных тру дов КГПИ: Выпуск 2/2000 (9). — Кременчуг: КГПИ, 2000, С. 308—310.
15. Родькин Д.И., Здор И.Е., Барвинок Д.В., Гла дырь А.И. Послеремонтная паспортизация асин хронных двигателей с использованием компьютери зированной диагностической системы // Проблемы создания новых машин и технологий. Сб. Научных трудов КГПИ: Выпуск 2/2000 (9). — Кременчуг: КГПИ, 2000, С. 186—191.
16. Гладырь А.И., Родькин Д.И., Барвинок Д.В., Здор И.Е., и др. Система послеремонтной ди агностики электрических машин // Проблемы соз дания новых машин и технологий. Сб. научных тру дов КГПИ: Выпуск 2/2001 (11). — Кременчуг: КГПИ, 2001, С. 163—166.