Antoni NYKLIŃSKI*, Michał RAMS**, Witold RAMS
Transkrypt
Antoni NYKLIŃSKI*, Michał RAMS**, Witold RAMS
Nr 48 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Studia i Materiały Nr 20 Nr 48 2000 maszyny elektryczne, pomiary elektryczne Antoni NYKLIŃSKI*, Michał RAMS**, Witold RAMS* KOMPUTEROWY SYSTEM DO REALIZACJI PRÓB TYPU MASZYN INDUKCYJNYCH Przedstawiono system do pomiarów maszyn indukcyjnych wymaganych dla próby typu. W skład systemu wchodzi wyposażenie sprzętowe i programowe. Oprogramowanie umożliwia na wykonanie pomiarów, ich przetworzenie, zapamiętanie wyników pomiarów i obliczeń, wydruk wyników na drukarce. Układ pomiarowy składa się ze wzmacniaczy separujących napięć i prądów, separatorów do pomiaru temperatur, komputera PC z wewnętrzną kartą pomiarową. System jest eksploatowany przemysłowo od dwóch lat i potwierdził swoją skuteczność. Układ został również wprowadzony do laboratorium dydaktycznego – znacznie usprawniając realizację ćwiczeń. 1. PRZEZNACZENIE SYSTEMU Próba typu maszyny wymaga – zgodnie z normami – wykonania kilku pomiarów wielkości elektrycznych, mechanicznych i cieplnych. Przedstawiono opis systemu komputerowego zrealizowany w Katedrze Maszyn Elektrycznych AGH, umożliwiający pomiar, wykonanie potrzebnych obliczeń i prezentację wyników w postaci wydruków tabel i odpowiednich wykresów w formie stron będących stronami protokołu z pomiarów. Układ może wykonywać pomiary prób typu trójfazowych maszyn indukcyjnych różnych mocy, zasilanych napięciem sinusoidalnym o częstotliwości 50 lub 60 Hz i umożliwia pomiar i opracowanie charakterystyk: – prądu i momentu w czasie rozruchu, – wybiegu z wyznaczeniem momentu bezwładności, – zaniku napięcia po wyłączeniu, – prądu i momentu w czasie obciążenia, – charakterystyk biegu jałowego, – charakterystyk zwarcia, – pomiar charakterystyki obciążenia z mocy, ______________ * Katedra Maszyn Elektrycznych, Akademia Górniczo-Hutnicza, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków. ** Uniwersytet Jagielloński, ul. Gołębia 24, 31-007 Kraków. 39 – rejestrację temperatur nagrzewania i stygnięcia, – próby zadziałania ochrony termicznej, – kontrolę stanu klatki wirnika, – przebiegów czasowych napięć i prądów. Ze względu na wymagania legalizacyjne komputerowy zestaw pomiarowy należy uważać za rejestrator. W związku z tym skalowanie wielkości mierzonych bezpośrednio (prądy, napięcia, moment hamujący, prędkość obrotowa, opór stojana) należy wykonywać za pomocą odpowiednich, legalizowanych przyrządów pomiarowych. Służy do tego jedna z opcji programu obsługi pomiarów. Oprogramowanie umożliwia na wykonanie potrzebnych pomiarów, ich odpowiednie przetworzenie, zapamiętanie wyników pomiarów i obliczeń (w celu ich archiwizacji), a także wydruk protokołów na drukarce. 2. BUDOWA UKŁADU POMIAROWEGO I OPIS PROGRAMÓW Układ pomiarowy składa się z zestawu wzmacniaczy separująco-wzmacniających (ZWS16), komputera PC z kartą pomiarową PCL818HD oraz drukarki atramentowej. Do wykonania pomiarów temperaturowych służy zespół separatorów (T-MOT) i sterownik (ST), a do pomiaru oporu uzwojeń stojana, w celu obliczenia temperatury uzwojenia, służy układ filtrów, wzmacniaczy i separatorów (RS) wraz z zasilaczem. Zestaw ZWS16 jest wyposażony w wersji podstawowej w 6 kanałów pomiarowych, z możliwością rozbudowy do 16 kanałów przez wsunięcie odpowiednich kart pomiarowych. W poszczególnych kanałach jest mierzone: – napięcie międzyprzewodowe Uab, – napięcie międzyprzewodowe Ucb, – prąd Ia, – prąd Ic, – prędkość obrotowa, – moment siły. Zestaw T-MOT pozwala na wprowadzenie na wejście licznikowe karty pomiarowej PCL818HD wielu różnych sygnałów. W większości są to sygnały z czujników temperatury: termopar Fe-CuNi i czujników rezystorowych Pt100. Łącznie możliwe jest podłączenie do 30. czujników. Do zestawu są doprowadzone również sygnały z układu RS, mierzącego rezystancję uzwojenia (a więc i temperaturę) w czasie pracy silnika. Wszystkie sygnały analogowe są w układzie T-MOT przetwarzane na sygnały zmodulowane częstotliwościowo. Układ T-MOT umożliwia również dokonanie pomiaru prędkości obrotowej z zastosowaniem impulsowego miernika prędkości. Układ jest automatycznie skalowany. Jako czujnik o numerze 31 jest podłączony wysokostabilny, precyzyjny rezystor o wartości 138,5 Ω, co odpowiada wartości rezystancji 40 czujnika Pt100 w temperaturze 100 oC. Program pomiarowy, odczytując wskazania z tego kanału, na bieżąco skaluje odczyty z pozostałych czujników. Sterownik mikroprocesorowy ST jest przeznaczony do programowego sterowania siedmioma wyjściami przekaźnikowymi do wykonania innych pomiarów niż w stanie S1. Pakiet programów składa się z programu zarządzającego, programu do kalibracji, programu do obsługi pomiarów i do ich obróbki. We wszystkich programach potrzebne dane wpisuje się w okienkach dialogowych. Zwykle naciśnięcie Enter powoduje przyjęcie aktualnych danych, potwierdzenie czegoś, wykonanie pomiarów lub obliczeń. Część prób typu ma dwa osobne programy: jeden do wykonania pomiarów, drugi do obliczeń. Po pomyślnie wykonanym pomiarze automatycznie wykonywany jest odpowiedni program przetwarzający dane i prezentujący wyniki. Dla precyzyjnego obliczenia mocy jest konieczne zapewnienie możliwie małego błędu fazowego między rejestrowanymi wartościami napięć i prądów. Błąd ten powstaje na skutek niesymetrii torów pomiarowych i niejednoczesnego momentu pomiarów w różnych kanałach. Usunięcie pierwszej przyczyny wymaga odpowiednich działań sprzętowych, natomiast druga przyczyna została praktycznie usunięta drogą programowego przesuwania przebiegów czasowych. W wyniku błąd od niejednoczesności mieści się w klasie 0,1. 3. POMIARY 3.1. ROZRUCH Pomiar do wyznaczenia charakterystyk rozruchowych polega na rejestracji czasowego przebiegu dwóch napięć międzyprzewodowych, dwóch prądów przewodowych i prędkości obrotowej. Przebiegi te są próbkowane z częstością dającą 23 pomiary na jeden okres napięcia zasilającego. Zgodnie z wymaganiami norm badany silnik powinien mieć tak powiększoną bezwładność, aby czas rozruchu był nie mniejszy niż 3 sekundy. Silnik nie może być obciążony momentem czynnym. Aby wyeliminować w obliczeniach stan dynamiczny po załączeniu napięcia, załączenie powinno nastąpić przy prędkości ujemnej, zbliżonej do 1/2 prędkości synchronicznej. Program obliczeniowy umożliwia wybór jednej z dwóch metod obliczania momentu rozruchowego silnika: – przez różniczkowanie prędkości podczas rozruchu (wymagana znajomość momentu bezwładności układu: wirnik + dołączona bezwładność), – przez bilans mocy i wyrażenie wiążące moc strat we wirniku z momentem (wymagana znajomość rezystancji fazowej uzwojenia stojana i strat biegu jałowego zespołu). Na tym etapie wybiera się również czy przeliczanie zmierzonych przebiegów na napięcie nominalne ma uwzględniać nasycenie żelaza, czy nie. Charakterystyki obliczone z danych pomiarowych są też przeliczane na wartości dla napięcia nominalnego zgodnie z procedurą zawartą w normie do przeliczania wyników pomiarów zwarcia (uwzględniającą 41 lub nie zmianę reaktancji rozproszenia wraz z prądem). Charakterystyki pomiarowe są rysowane na wykresach linią cienką, a przeliczone grubszą. Po wykonaniu obliczeń należy kursorem zaznaczyć na wykresie prędkość, przy której występuje moment krytyczny. Na tej podstawie obliczane są wartości charakterystyczne momentu. Dane znamionowe: Pn = 132,0 kW Un = 1000,0 V pb = 2 nn = 1465,0 obr/min Moment bezwładności układu: 31,011 kgm2 In = 95,0 A Tn = 860,4 Nm Wartości skorygowane dla napięcia U=Un Ik = 589,2 A przy n = 0 obr/min Tk = 2332,9 Nm przy n = 0 obr/min f = 50,0 Hz Czas rozruchu: 2,6 s Tmax = 2541,3 Nm przy n = 1205 obr/min Tmin = 2138,8 Nm przy n = 360 obr/min Rys. 1. Charakterystyki rozruchowe prądu i momentu z różniczkowania prędkości Fig. 1. The starting characteristics of the current and torque Moment bezwładności układu (wyliczony): 31,010 kgm2.. Wartości skorygowane dla napięcia U =Un Ik = 589,2 A przy n = 0 obr/min Tk = 2330,8 Nm przy n = 0 obr/min Czas rozruchu: 2,6 s Tmax = 2474,8 Nm przy n = 1175 obr/min Tmin = 2238,5 Nm przy n = 513 obr/min 42 Rys. 2. Charakterystyki rozruchowe prądu i momentu z bilansu mocy Fig. 2. The starting characteristics of the current and torque the power balance method Protokół z wynikami pomiarów i obliczeń może być prezentowany na ekranie, wydrukowany lub zapisany do pliku. Przykładowe wyniki obrazują rysunki 1 i 2. W celu wybrania metody pomiaru należy rozważyć następujący aspekt: Norma poleca metodę różniczkowania prędkości – teoretycznie nie budzącą zastrzeżeń. W praktyce jednak błędy wnoszone przez tachoprądnicę powodują konieczność filtrowania przebiegu prędkości przed różniczkowaniem, co wpływa na zniekształcenie otrzymanej charakterystyki. Ewentualne zastosowanie tachometru impulsowo-mikroprocesorowego znacznie zmniejsza zakłócenia w przeważającym zakresie prędkości, jednak błędy w pobliżu zera są zauważalne. Wyznaczając charakterystykę z bilansu mocy nie popełnia się tego błędu. Ponieważ jednak metoda ta jest oparta na założeniu jednoharmonicznego modelu maszyny, charakterystyka wyznaczona przy jej zastosowaniu również nie jest idealna. Stwierdzono jednak drogą eksperymentu i obliczeń weryfikujących, że również przy zasilaniu odkształconym (soft-start) wyniki uzyskane metodą bilansu mocy są poprawne w świetle wymagań co do dokładności wyznaczania tej charakterystyki. W przypadku konieczności pomiaru maszyny trwale obciążonej momentem nie może być z zasady zastosowana metoda różniczkowania. W tym wypadku pozostaje użyć metody bilansu mocy. 3.2. POMIAR WYBIEGU I MOMENTU BEZWŁADNOŚCI Pomiar wybiegu polega na rejestracji jednego z prądów silnika i prędkości obrotowej po odłączeniu zasilania silnika na biegu jałowym. Silnik powinien być sprzęgnięty tylko z tachoprądnicą. Po pomiarze i zapamiętaniu wybranego zakresu przebiegów zostaje wyznaczona w obliczeniach chwila wyłączenia zasilania silnika. Następnie jest automatycznie Dane znamionowe: Pn = 2.0 kW Un = 240,0V pb = 2 Podana moc strat mechanicznych: 0,30 kW Wyliczony moment bezwładności: 0,316 kgm2 In = 6,0 A nn = 1475,0 o/min f = 50,0 Hz Tn = 12,9 Nm 43 Rys. 3. Wybieg i wyznaczenie momentu bezwładności Fig. 3. The coasting and the moment of inertia evaluating wybierany zakres prędkości, w którym do zarejestrowanej krzywej prędkości zostaje dopasowana parabola. Jej przecięcie z wartością prędkości biegu jałowego wyznacza punkt, w którym obliczane jest nachylenie dopasowanej krzywej. W ten sposób jest eliminowany wpływ momentu hamującego od pola resztkowego zaraz po wyłączeniu. W rezultacie nie jest wymagane rozpoczynanie wybiegu od prędkości większej od synchronicznej. Przykładowe wyniki pomiaru zamieszczono na rys. 3. 3.3. POMIAR ZANIKU NAPIĘCIA Pomiar zaniku napięcia polega na rejestracji jednego z napięć międzyfazowych po odłączeniu zasilania silnika na biegu jałowym. Program opracowujący oblicza bieżącą wartość skuteczną, identyfikuje chwilę wyłączenia i mierzy czas do osiągnięcia przez napięcie wybranej wartości skutecznej, np. 24 V. Przykładowy wynik przedstawiono na rys. 4. 3.4. PRÓBA OBCIĄŻENIA Pomiar polega na rejestracji przebiegów napięć, prądów, prędkości i momentu na stojanie hamownicy podczas płynnego wzrostu obciążenia silnika hamownicą (od biegu jałowego do wartości wymaganej, w czasie około 6–9 sekund). Na podstawie zarejestrowanych przebiegów obliczane są zależności wartości skutecznej prądu i momentu od prędkości. Wartości te dla każdej prędkości zostają przeliczone na wartości odpowiadające napięciu nominalnemu. Dane znamionowe: Pn = 75,0 kW Un = 380,0 V pb = 1 nn = 2965,0 o/min Wyliczony czas zaniku: 5,76 s In = 111,0 A Tn = 241,6 Nm f = 50,0 Hz 44 Rys. 4. Zanik napięcia Fig. 4. Voltage decay Dane znamionowe: Pn = 48,0 kW pb = 2 Un = 380,0 V nn = 1485,0 o/min Dane wyznaczone dla U = Un: IO = 37,59 A PO = 1,937 kW cosfi0 = 0,0782 Pm = 0,208 kW In = 93,0 A Tn = 308,7 Nm f = 50,0 Hz Rs = 0,0810 ohm Straty w żelazie dla różnych napięć: Pfe = 1,381 kW Pfe_0,95 = 1,144 kW Pfe_1,05 = 1,634 kW Rys. 5. Charakterystyki w stanie biegu jałowego Fig. 5. The light running characteristics Dane znamionowe: Pn = 132,0 kW pb = 2 Un = 1000,0 V nn = 1465,0 o/min Dane wyznaczone dla U = Un Tk = 2094,1 Nm Ik = 627,79 A In = 95,0 A Tn = 860,4 Nm f = 50,0 Hz Pk = 444,89 kW cosfik = 0,409 45 Rys. 6. Charakterystyki w stanie zwarcia Fig. 6. The short circuit characteristics 3.5. POMIAR BIEGU JAŁOWEGO LUB ZWARCIA Pomiary w stanie biegu jałowego lub zwarcia polegają na rejestracji przebiegów napięć, prądów i – w przypadku zwarcia – momentu na wale zahamowanego silnika, dla różnych wartości napięcia zasilania. Pomiary składają się z serii pojedynczych wyników. Po podaniu danych silnika pokazuje się okno z tabelą zmierzonych wartości. Pojedynczy pomiar trwa około 0,5 sekundy. Dla każdego punktu są obliczane: napięcie i prąd, moc pobrana, cosinus kąta mocy, a w przypadku zwarcia dodatkowo moment hamujący. Wyniki poszczególnych pomiarów można usuwać z tabeli. Istnieje możliwość zmiany wzmocnienia w poszczególnych kanałach oraz zmiany przekładni użytych przekładników. W protokóle są podawane, wartości trzech napięć i prądów (trzecią wartość obliczono z zależności, że suma trzech wartości chwilowych jest równa zeru). Podczas pomiaru biegu jałowego jest wykonywany wykres strat mocy (po odjęciu strat w uzwojeniu stojana) w funkcji kwadratu napięcia dla określenia rozdziału strat na straty mechaniczne i w żelazie. Obliczone wartości umieszczane są w protokole. Wyniki są prezentowane w tabelach oraz na wykresach. Punkty na wykresach są łączone liniami wyznaczonymi z interpolacji liniowej lub kwadratowej, zależnie od wyboru opcji. Wyniki zamieszczone w tabeli zbiorczej pochodzą z interpolacji poszczególnych wielkości. W przypadku zwarcia obliczane są również wartości rezystancji i reaktancji rozproszenia silnika. Przykładowe wyniki prób biegu jałowego i zwarcia ilustrują rys. 5 i 6. 3.6. PRÓBA OBCIĄŻENIA Z MOCY Pomiar charakterystyk obciążenia polega na rejestracji przebiegów czasowych napięć, prądów i prędkości, a następnie obliczeniu z tych danych wymaganych wielkości. Poszczególne punkty charakterystyki są w tym przypadku mierzone dla ustalonej prędkości. Poślizg silnika jest obliczany z uwzględnieniem aktualnej, mierzonej przez system, częstotliwości napięcia zasilania. Opcjonalnie (gdy system jest wyposażony w układ RS) jest mierzona rezystancja uzwojenia silnika. Moc na wale badanej maszyny jest obliczana metodą strat poszczególnych, zgodnie z Normą PN-89-E-06702. Tak więc od mocy zasilania P1, obliczonej z wymnożenia prądów i napięć tak jak w układzie Arona, i uśrednionej za okres pomiaru, odejmowane są poszczególne składniki strat. Dla każdego punktu są podawane: napięcie średnie, prąd średni, moc pobrana, obroty, poślizg, cosinus kąta mocy, opór stojana, moc użyteczna P2, sprawność i rozwijany moment. Wyniki zamieszczono na rys. 7 i 8. 3.7. CHARAKTERYSTYKI TEMPERATUROWE 46 Próby nagrzewania i stygnięcia oraz próba zadziałania zabezpieczeń termicznych są obsługiwane przez jeden program. Pozwala on na ciągłe monitorowanie aktualnych wartości temperatur oraz parametrów elektrycznych, z których na bieżąco jest obliczana i pokazywana wartość mocy użytecznej. Podczas pomiaru są mierzone napięcia, prądy, Dane znamionowe: prędkość Pn = 4.0 kW pb = 2 Stałe: U = 380,0 V Pm = 0,205 kW Un = 380,0 V nn = 1485,0 o/min R1(20oC) = 1,3000 ohm PFe = 0,100 kW Dla P2 = 4,00 kW cosfi = 0,816 n = 1442,6 o/min eta = 83,0% In = 8,0 A Tn = 25,7 Nm f = 50,0 Hz Rs = 1,3000 ohm I = 9,0 A T = 26,5 Nm P1 = 4,82 kW Pd = 0,024 kW Pcu1 = 0,314 kW Rys. 7. Charakterystyki obciążeniowe Fig. 7. The loading characteristics Rys. 8. Charakterystyki obciążeniowe cd. Fig. 8. The loading characteristics – the continuation 47 obrotowa oraz temperatury z podłączonych czujników (termopar, termometrów platynowych, układu do pomiaru oporu i temperatury stojana pod obciążeniem RS). Mierzone temperatury mogą być zapamiętywane i dodawane do tabelki: – automatycznie, jak zadany czas, – po otrzymaniu sygnału zewnętrznego wyzwalającego pomiar, – po wyzwoleniu pomiaru z klawiatury komputera. Wyniki prób termicznych są prezentowane w postaci protokołu i wykresów nagrzewania wybranych punktów silnika w funkcji czasu. Przykładowe wyniki prób termicznych przedstawiono na rys. 9. Rys. 9. Charakterystyki temperaturowe Fig. 9. The temperature characteristics 3.8. KONTROLA KLATKI WIRNIKA Pomiar polega na rejestracji dwóch prądów oraz prędkości obrotowej podczas rozruchu silnika. Nie trzeba wykonywać dodatkowych pomiarów dla oceny klatki, można w tym celu skorzystać z wyników uprzednio wykonanej próby rozruchu. Po obliczeniach prezentowany jest wykres prądów składowej (1–2s) f0 (po odfiltrowaniu częstotliwości większych od 15 Hz) w zależności od prędkości obrotowej. Charakterystyczne oscylacje obu prądów są wynikiem asymetrii klatek wirnika, a ich amplituda świadczy o stopniu asymetrii. Przykładowe wyniki pokazano na rys. 10 i 11. Rysunek 10 przedstawia wynik pomiaru klatki symetrycznej, natomiast na rysunku 11 przedstawiono wyniki pomiaru klatki z uszkodzonym pierścieniem (pęcherze powietrzne wewnątrz materiału pierścienia). 3.9. POMIARY CZASOWE 48 Układ umożliwia pomiar zależności czasowych, napięć, prądów i prędkości obrotowej. Podczas sporządzania wykresu i drukowaniu protokołu ma się do wyboru, które przebiegi pojawią się na wykresie, czy mają być liczone ich wartości skuteczne, czy stosowany ma być cyfrowy filtr dolnoprzepustowy i jaka ma być jego częstość graniczna. Można również dobrać skale dla poszczególnych wartości lub pozwolić, by ustalały się one automatycznie. Ta opcja umożliwia zastosowanie układu jako oscylografu do oceny zdarzeń nietypowych. Dane znamionowe: Pn = 15,0 kW Un = 400,0 V pb = 2 nn = 1480,0 o/min Data pomiaru: 17.12.1998 In = 29,5 A Tn = 96,8 Nm f = 50,0 Hz Rys. 10. Kontrola klatki wirnika, wirnik symetryczny Fig. 10. The rotor cage testing – the symmetrical rotor Dane znamionowe: Pn = 18,5 kW Un = 400,0 V pb = 1 nn = 2933,0 o/min Data pomiaru: 10.12.1998 In = 34,7 A Tn = 60,2 Nm f = 50,0 Hz 49 Rys. 11. Kontrola klatki wirnika – uszkodzenie pierścienia Fig. 11. The rotor cage testing – the ring fault 50 4. UWAGI KOŃCOWE Opisany system został wdrożony w dwóch zakładach wytwórczych maszyn elektrycznych i w laboratorium naukowo-dydaktycznym. Przeprowadzona walidacja systemu (przez porównanie z pomiarami cechowanymi) pozwala uznać przydatność układu do wykonywania prób typu silników. Implementacja programu na ogólnodostępnych komputerach klasy PC znacznie obniża koszt systemu oraz ułatwia jego utrzymanie i ewentualną modernizację sprzętową. LITERATURA [1] NYKLIŃSKI, RAMS, The Indirect Method To Determine Starting Torque of Induction Motors, Also For Non-Sinusoidal Supply, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, Elektryka, z. 92, 1998r. [2] DRAK, JOHR, KUDŁA, Stanowisko robocze do badań pomiarowych i symulacyjnych silników asynchronicznych, BOBRME, Zeszyty Problemowe Nr 50/1995, Katowice. [3] KŁAPCIŃSKI, BERNATT, Zastosowanie analizatora mocy serii 6100 do wspomagania badań maszyn elektrycznych na stanowiskach pomiarowych, Laboratorium Maszyn Elektrycznych BOBRME Komel Katowice, Zeszyty Problemowe Nr 50/1995, Katowice. [4] NYKLIŃSKI, RAMS, The Measuring Investigation of Transient Temperature States of Induction Machines, Industrial Applications in Power Systems, Computer Science and Telecommunications, Proceedings, Vol. III, 8th Mediterranean Elektrotechnical Conference, Bari, Italy, 1996. [5] POLSKA NORMA PN-90/E-06729, Pomiar rezystancji uzwojenia maszyny prądu przemiennego metodą superpozycji. [6] POLSKA NORMA PN-89-E-06702, Maszyny elektryczne wirujące, Straty i sprawność. THE COMPUTERS EQUIPMENT FOR INDUCTION MACHINES MEASUREMENT The typical test of electrical induction motor requires some measurements of electrical and mechanical values. In this paper we presented the computers equipment for this measurement. Using described system it is possible to measure, calculate and present the results. This equipment is applied in industry and in laboratory and is working properly for last 2 years.