Датчик оборотов для асинхронного двигателя

Определение частоты вращения асинхронных двигателей без датчика оборотов

Внедрение: 2018 г.

Данная статья является продолжением прежней статьи по опубликованным материалам А.В. Скляра, но уже по результатам диссертационных исследований [1], где автор применил оригинальную систему измерений с использованием модуля АЦП E14‑140‑M.

Объектом исследования диссертационной работы является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Предметом исследования являются способы и алгоритмы бездатчикового определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей. Целью работы является повышение точности и технологичности определения частоты вращения асинхронных двигателей путем применения сигнатурного способа с использованием алгоритма на основе комбинации спектрального и корреляционного методов анализа.

Система измерений, реализованная на основе модуля АЦП E14‑140‑M, содержит плату, разработанную автором, содержащую аналоговые фильтры и согласующие усилители. Внешний вид устройства показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Устройство бездатчикового определения частоты вращения: 1 – разъем для подключения датчика тока; 2 – измерительный трансформатор напряжения; 3 – клеммы для подключения исследуемого напряжения; 4 – аналого-цифровой преобразователь; 5 – разъем питания, 6 – аналоговые фильтры.

На рисунке 2 показаны составные части разработанной автором программы и потоки информации между описываемыми блоками. В структуре программы можно выделить блок, отвечающий за ввод-вывод информации: работу с АЦП, обмен командами через интерфейс оператора, хранение БД двигателей и т. д.; блок математической обработки, включающий быстрое преобразование Фурье, работу с комплексными числами, функции обработки спектра, метод корреляционных функций; блок поиска зубцовых гармоник и вычисления скорости вращения вала, который выделяет зубцовые гармоники и на основе этой информации определяет частоту вращения ротора асинхронного двигателя.

Рисунок 2. Структура разработанной программы.

Главное окно программы показано на рисунке 3. При запуске отображаются параметры подключенного АЦП и настройки записи сигналов тока и напряжения. В этом окне оператор выбирает тип двигателя.

Рисунок 3. Главное окно программы.

Основным преимуществом применения сигнатурного способа, использующего поиск зубцовых гармоник статорного тока, является то, что не требуется дополнительно производить какие-либо измерения тока. Обычно системы спектр-токового диагностирования используют спектры тока для поиска частотных компонент дефектов двигателя, при этом используется высокое разрешение по частоте, что облегчает процедуру выделения зубцовых гармоник из спектра сигнала тока.

Предложенный способ определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей был успешно применен в компании ООО «Транспроект-автоматика» при производстве испытательных станций асинхронных вспомогательных машин (акт внедрения приведен в диссертации).

На рисунке 4 изображена фотография рабочего процесса проверки двигателя комплексом спектр-токового диагностирования, использующего разработанное автором устройство бездатчикового определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей.

Рисунок 4. Использование разработанного устройства при проведении спектр-токового диагностирования двигателя АИР355M4.

Внедрение результатов диссертационной работы позволило повысить надежность испытательной станции за счет сокращения количества соединительных проводов, элементов конструкции крепления датчика оборотов и отсутствия самого датчика оборотов. Положительным эффектом можно также назвать повышение технологичности проведения испытаний – время подготовки комплекса спектр-токового диагностирования сократилось на семь минут за счет отсутствия необходимости настройки и подключения датчика оборотов, как следствие сократилось время испытания двигателя.

Источник:
Скляр А.В. Совершенствование методики и устройства определения частоты вращения асинхронных двигателей на основе частотного анализа тока статора: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Омск. – 2018. – 196 с.

Датчик частоты вращения асинхронного двигателя

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) ЗаЯвлено 26 Л2, 78> (21) 2703237/18-10 с присоединением заявим М

СССР оо делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 151180. Бюллетень 1 @ 42 (53) УДК 531.77:621.3 ° . 083 (088. 8 ) Дата опубликования описания 15.11.80

A. И. Танатар и В. A. Ужеловский (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Днепропетровский инженерно-строительный институт (541 ДАТЧИК ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕФГ

Изобретение относится к технике электрических измерений неэлектрических величин, а точнее к датчикам частоты вращения асинхронных электро» двигателей с фазным ротором. 5

Известны устройства (1), предназначенные для измерения частоты вращения асинхронных двигателей. B этих устройствах вал двигателя механически связывается с якорем тахо- 10 генератора. Такая механическая связь усложняет устройство, кроме того, коэффициент передачи тахогенератора невелик.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (2), в котором для исключения механической связи тахогенератора с двигателем, частота вращения которого должна контролироваться, применен Pñïoìî- 2О гательный двигатель постоянного тока.

Недостатком этого устройства является наличие микродвигателя и тахогенератора, имеющих коллекторы, и 25 поэтому недостаточно надежных.

Целью изобретения является создание датчика частоты вращения асинхронного двигателя с фазным ротором без применения вращающихся машин ЗО и механической связи с ним, более надежного в эксплуатации, позволяющего с большей точностью проводить измерения.

Цель достигается тем, что в датчик частоты вращения асинхронного двигателя, содержащий два выпрямительных моста, подключенных соответственно к статорным и роторным обмоткам двигателя, введен операционный усилитель с резистором во входной цепи и триодом в цепи обратной связи, при этом резистор входной цепи операционного усилителя соединен с выходом выпрямительного моста, подключенного к статорной обмотке двигателя, вход и катод триода соединены соответственно с входом и выходом операционного усилителя, а сетка триода соединена с выходом выпрямительного моста, подключенного к роторной обмотке двигателя.

На чертеже изображена схема датчика.

К статорной и роторной цепям контролируемого асинхронного двигателя 1 подключены трехфазные выпрямительные мосты 2 и 3. К выходам последних подключены резисторы 4 и

5 служащие для настройки системы.

К резистору 4 через резистор 6 подключен операционный усилитель 7. В цепь обратной связи этого усилителя включен триод 8, Сетка триода 8 подключена к резистору 5.

Принцип работы датчика заключается в следующем.

При снижении напряжения на статоре асинхронного двигателя 1 пропорционально меняются напряжения U Z(P) К„

1 и, следовательно, выходное напряжение операционного усилителя 7 останется неизменным.

При изменении частоты вращения асинхронного двигателя 1 изменяется напряжение на сетке триода 8

0 =Х,02, I где Z (P) — операторные сопротивления входной цепи и цепи обратной связи

1 — сопротивление резистора б;

2. внутреннее сопротивление триода 8; 30 входное напряжение операционного усилителя 7; о,„,„ выходное напря- 35 жение операционного усилителя 7, то из него следует, что где Кв — коэффициент передачи выпрямительного моста 3;

U о — напряжение на кольцах ротора неподвижного асинхронного двигателя 1;

5 — скольжение; а значит, пропорционально меняется сопротивление Rg и выходное напряжение операционного усилителя 7.

Использование операционного уси- лителя с резистором во входной цепи и триодом в цепи обратной связи позволяет отказаться от вращающихся машин — тахогенератора и микродвигателя, что значительно. повышает надежность датчика, а также позволяет многократно увеличить коэффициент передачи датчика, а следовательно, повысить точность измерения.

Датчик частоты вращения асин.— хронного двигателя, содержащий два выпрямительных моста, подключенных соответственно к статорным и роторным обмоткам двигателя, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерения, в него введен операционный усилитель, с резистором во входной цепи и триодом в цепи обратной связи, при этом резистор входной цепи операционного усилителя соединен с выходом выпрямительного моста, подключенного к статорной обмотке двигателя, анод и катод триода соединены соответственно с входом и выходом операционного усилителя, а сетка триода соединена с выходом выпрямительного моста, подключенногО к роторной обмотке двигателя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Танатар Л; И. Элементы промышленной автоматики и их динамические свойства . Киев, «Техника», 1975, с.133,140.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 5700839, кл. G 01 P 3/00, 1977 (прототип).

9310/5 Тираж 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель A. Трегубов

Редактор Г. Улыбина Техред A. Корректор М. демчик

Датчик оборотов для асинхронного двигателя

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно регулируемых электроприводах (ЧРЭП) в промышленности, бытовой технике и электротранспорте для регулирования числа оборотов асинхронных (однофазных, трехфазных) электродвигателей.

Из уровня техники известны устройства для управления электродвигателем, например патент РФ на ПМ №35929 « Устройство управления электродвигателем», МПК H02P5/00, опубл.10.02.2004, который содержит задающий потенциометр, подключенный к источнику питания, диод, четыре резистора и три транзистора, коллектор первого из которых подключен к источнику питания, а эмиттер – к первому резистору, эмиттер второго транзистора соединен со вторым резистором, дополнительно имеется второй задающий потенциометр, два широтно-импульсных модулятора, два стабилитрона и пятый резистор, подключенный между эмиттером первого силового транзистора и коллектором второго силового транзистора. Недостатком известного устройства является сложность его изготовления, комплектации и использования.

Известно также «Устройство пуска асинхронного электродвигателя с фазным ротором», по патенту на ПМ №55299, МПК H02P5/00, опубл. 27.07.2006, в котором имеется роторная цепь асинхронного электродвигателя с фазным ротором и трехфазным индукционным пусковым реостатом в роторной цепи устройства, содержащего соединенные между собой блок обратной связи, узлы выделения положительной полуволны напряжения на кольцах ротора, формирователи пилообразных напряжений, формирователи управляющих импульсов, источник питания, блок задания напряжений, блок разрешения работы, блок интегрирования и блок тиристоров. Недостатком известного устройства является ограниченность его применения, например, в бытовой технике, на электротранспорте, из-за сложности схемы управления частотой вращения электродвигателя, а также сложность изготовления и комплектования.

Наиболее близким по технической сущности является техническое решение по патенту РФ №2257663 МПК H02P5/40, опубл.27.12.2004. «Устройство управления асинхронным электродвигателем». В устройстве управления асинхронным электродвигателем, содержащем силовые ключи с драйвером управления, системный контроллер, конденсатор со схемой включения, тахогенератор, системный контроллер первой управляющей шиной соединен с входом включения конденсатора, второй, третьей, четвертой и седьмой управляющими шинами — с входами драйвера, восьмой управляющей шиной — с управляющим входом вентилятора. Входами системного контроллера являются входная шина управления и входы разовых команд, шины обратных связей по току, по частоте вращения и температуре, а входом/выходом — шина последовательного интерфейса. Пятая и шестая шины управления драйвера соединены с затворами силовых ключей 3-фазного моста, который шиной обратной связи по току соединен с системным контроллером и драйвером, а шиной обратной связи по температуре — с входом системного контроллера. Недостатком известного устройства также является сложность его изготовления, комплектации и использования.

Сущность изобретения иллюстрируется графическими материалами:

На фиг.1 изображен маломощный электромотор постоянного тока с установленным на его роторе магнитом, сдвоенные датчики Холла, силовые ключи и трехфазный асинхронный электродвигатель.

На фиг.2 изображена мостовая схема силового ключа и его взаимодействие со сдвоенным датчиком Холла.

Таким образом, происходит плавное регулирование скорости вращения асинхронного электродвигателя, напряжение используется с минимальными потерями, т.е. с высоким КПД. Устройство просто в изготовлении, удобно и надежно в использовании, а также имеет возможность применения в любой как бытовой, так и более сложной технике, например в электротранспорте.

Таким образом, задача, стоящая перед изобретением, решена.

Управление скоростью вращения однофазных двигателей

Однофазные асинхронные двигатели питаются от обычной сети переменного напряжения 220 В.

Наиболее распространённая конструкция таких двигателей содержит две (или более) обмотки — рабочую и фазосдвигающую. Рабочая питается напрямую, а дополнительная через конденсатор, который сдвигает фазу на 90 градусов, что создаёт вращающееся магнитное поле. Поэтому такие двигатели ещё называют двухфазные или конденсаторные.

Регулировать скорость вращения таких двигателей необходимо, например, для:

• изменения расхода воздуха в системе вентиляции
• регулирования производительности насосов
• изменения скорости движущихся деталей, например в станках, конвеерах

В системах вентиляции это позволяет экономить электроэнергию, снизить уровень акустического шума установки, установить необходимую производительность.

Способы регулирования

Рассматривать механические способы изменения скорости вращения, например редукторы, муфты, шестерёнчатые трансмиссии мы не будем. Также не затронем способ изменения количества полюсов обмоток.

Рассмотрим способы с изменением электрических параметров:

• изменение напряжения питания двигателя
• изменение частоты питающего напряжения

Регулирование напряжением

Регулирование скорости этим способом связано с изменением, так называемого, скольжения двигателя — разностью между скоростью вращения магнитного поля, создаваемого неподвижным статором двигателя и его движущимся ротором:

n₁ — скорость вращения магнитного поля

n₂ — скорость вращения ротора

При этом обязательно выделяется энергия скольжения — из-за чего сильнее нагреваются обмотки двигателя.

Данный способ имеет небольшой диапазон регулирования, примерно 2:1, а также может осуществляться только вниз — то есть, снижением питающего напряжения.

При регулировании скорости таким способом необходимо устанавливать двигатели завышенной мощности.

Но несмотря на это, этот способ используется довольно часто для двигателей небольшой мощности с вентиляторной нагрузкой.

На практике для этого применяют различные схемы регуляторов.

Автотрансформаторное регулирование напряжения

Автотрансформатор — это обычный трансформатор, но с одной обмоткой и с отводами от части витков. При этом нет гальванической развязки от сети, но она в данном случае и не нужна, поэтому получается экономия из-за отсутствия вторичной обмотки.

На схеме изображён автотрансформатор T1, переключатель SW1, на который приходят отводы с разным напряжением, и двигатель М1.

Регулировка получается ступенчатой, обычно используют не более 5 ступеней регулирования.

Преимущества данной схемы:

• неискажённая форма выходного напряжения (чистая синусоида)
• хорошая перегрузочная способность трансформатора

Недостатки:

• большая масса и габариты трансформатора (зависят от мощности нагрузочного мотора)
• все недостатки присущие регулировке напряжением

Тиристорный регулятор оборотов двигателя

В данной схеме используются ключи — два тиристора, включённых встречно-параллельно (напряжение переменное, поэтому каждый тиристор пропускает свою полуволну напряжения) или симистор.

Схема управления регулирует момент открытия и закрытия тиристоров относительно фазового перехода через ноль, соответственно «отрезается» кусок вначале или, реже в конце волны напряжения.

Таким образом изменяется среднеквадратичное значение напряжения.

Данная схема довольно широко используется для регулирования активной нагрузки — ламп накаливания и всевозможных нагревательных приборов (так называемые диммеры).

Ещё один способ регулирования — пропуск полупериодов волны напряжения, но при частоте в сети 50 Гц для двигателя это будет заметно — шумы и рывки при работе.

Для управления двигателями регуляторы модифицируют из-за особенностей индуктивной нагрузки:

• устанавливают защитные LRC-цепи для защиты силового ключа (конденсаторы, резисторы, дроссели)
• добавляют на выходе конденсатор для корректировки формы волны напряжения
• ограничивают минимальную мощность регулирования напряжения — для гарантированного старта двигателя
• используют тиристоры с током в несколько раз превышающим ток электромотора

Достоинства тиристорных регуляторов:

• низкая стоимость
• малая масса и размеры

Недостатки:

• можно использовать для двигателей небольшой мощности
• при работе возможен шум, треск, рывки двигателя
• при использовании симисторов на двигатель попадает постоянное напряжение
• все недостатки регулирования напряжением

Стоит отметить, что в большинстве современных кондиционеров среднего и высшего уровня скорость вентилятора регулируется именно таким способом.

Транзисторный регулятор напряжения

Как называет его сам производитель — электронный автотрансформатор или ШИМ-регулятор.

Изменение напряжения осуществляется по принципу ШИМ (широтно-импульсная модуляция), а в выходном каскаде используются транзисторы — полевые или биполярные с изолированным затвором (IGBT).

Выходные транзисторы коммутируются с высокой частотой (около 50 кГц), если при этом изменить ширину импульсов и пауз между ними, то изменится и результирующее напряжение на нагрузке. Чем короче импульс и длиннее паузы между ними, тем меньше в итоге напряжение и подводимая мощность.

Для двигателя, на частоте в несколько десятков кГц, изменение ширины импульсов равносильно изменению напряжения.

Выходной каскад такой же как и у частотного преобразователя, только для одной фазы — диодный выпрямитель и два транзистора вместо шести, а схема управления изменяет выходное напряжение.

Плюсы электронного автотрансформатора:

• Небольшие габариты и масса прибора
• Невысокая стоимость
• Чистая, неискажённая форма выходного тока
• Отсутствует гул на низких оборотах
• Управление сигналом 0-10 Вольт

Слабые стороны:

• Расстояние от прибора до двигателя не более 5 метров (этот недостаток устраняется при использовании дистанционного регулятора)
• Все недостатки регулировки напряжением

Частотное регулирование

Ещё совсем недавно (10 лет назад) частотных регуляторов скорости двигателей на рынке было ограниченное количество, и стоили они довольно дорого. Причина — не было дешёвых силовых высоковольтных транзисторов и модулей.

Но разработки в области твердотельной электроники позволили вывести на рынок силовые IGBT-модули. Как следствие — массовое появление на рынке инверторных кондиционеров, сварочных инверторов, преобразователей частоты.

На данный момент частотное преобразование — основной способ регулирования мощности, производительности, скорости всех устройств и механизмов приводом в которых является электродвигатель.

Однако, преобразователи частоты предназначены для управления трёхфазными электродвигателями.

Однофазные двигатели могут управляться:

• специализированными однофазными ПЧ
• трёхфазными ПЧ с исключением конденсатора

Преобразователи для однофазных двигателей

В настоящее время только один производитель заявляет о серийном выпуске специализированного ПЧ для конденсаторных двигателей — INVERTEK DRIVES.

Это модель Optidrive E2

Для стабильного запуска и работы двигателя используются специальные алгоритмы.

При этом регулировка частоты возможна и вверх, но в ограниченном диапазоне частот, этому мешает конденсатор установленный в цепи фазосдвигающей обмотки, так как его сопротивление напрямую зависит от частоты тока:

f — частота тока

С — ёмкость конденсатора

В выходном каскаде используется мостовая схема с четырьмя выходными IGBT транзисторами:

Optidrive E2 позволяет управлять двигателем без исключения из схемы конденсатора, то есть без изменения конструкции двигателя — в некоторых моделях это сделать довольно сложно.

Преимущества специализированного частотного преобразователя:

• интеллектуальное управление двигателем
• стабильно устойчивая работа двигателя
• огромные возможности современных ПЧ:
  • возможность управлять работой двигателя для поддержания определённых характеристик (давления воды, расхода воздуха, скорости при изменяющейся нагрузке)
  • многочисленные защиты (двигателя и самого прибора)
  • входы для датчиков (цифровые и аналоговые)
  • различные выходы
  • коммуникационный интерфейс (для управления, мониторинга)
  • предустановленные скорости
  • ПИД-регулятор

Минусы использования однофазного ПЧ:

• ограниченное управление частотой
• высокая стоимость

Использование ЧП для трёхфазных двигателей

Стандартный частотник имеет на выходе трёхфазное напряжение. При подключении к ему однофазного двигателя из него извлекают конденсатор и соединяют по приведённой ниже схеме:

Геометрическое расположение обмоток друг относительно друга в статоре асинхронного двигателя составляет 90°:

Фазовый сдвиг трёхфазного напряжения -120°, как следствие этого — магнитное поле будет не круговое , а пульсирующее и его уровень будет меньше чем при питании со сдвигом в 90°.

В некоторых конденсаторных двигателях дополнительная обмотка выполняется более тонким проводом и соответственно имеет более высокое сопротивление.

При работе без конденсатора это приведёт к:

• более сильному нагреву обмотки (срок службы сокращается, возможны кз и межвитковые замыкания)
• разному току в обмотках

Многие ПЧ имеют защиту от асимметрии токов в обмотках, при невозможности отключить эту функцию в приборе работа по данной схеме будет невозможна

Преимущества:

• более низкая стоимость по сравнению со специализированными ПЧ
• огромный выбор по мощности и производителям
• более широкий диапазон регулирования частоты
• все преимущества ПЧ (входы/выходы, интеллектуальные алгоритмы работы, коммуникационные интерфейсы)

Недостатки метода:

• необходимость предварительного подбора ПЧ и двигателя для совместной работы
• пульсирующий и пониженный момент
• повышенный нагрев
• отсутствие гарантии при выходе из строя, т.к. трёхфазные ПЧ не предназначены для работы с однофазными двигателями