Automatyzacja procesu badań charakterystyk statycznych maszyn indukcyjnych przy wykorzystaniu sterowników programowalnych

A leksander Ż Y W IE C , G rzeg o rz K ŁA PY TA , T om asz T R A W IŃ SK I K atedra M aszyn i U rządzeń Elektrycznych

AUTOM ATYZACJA PROCESU BADAŃ CHARAKTERYSTYK STATYCZNYCH MASZYN INDUKCYJNYCH PRZY WYKORZYSTANIU STEROW NIKÓW PROGRAM OW ALNYCH

Streszczenie. Autorzy przedstawiają w pracy koncepcję i opis prototypow ego stanow iska przeznaczonego do pom iarów charakterystyk statycznych silników indukcyjnych. Stanowisko zaprojektow ano w oparciu o sterownik SIM A TIC S7-200, kom puter IBM PC z kartą przetworników AC. Przedstawiony projekt prototypow ego stanow iska ma na celu ograniczenie do minimum roli człow ieka w procesie pom iarowym . Zastosow anie takiego rozwiązania stw arza szansę znacznego skrócenia czasu pom iarów oraz zwiększenia ich dokładności.

A U T O M A T IO N O F IN V E S T IG A T IO N OF STA TIC C H A R A K T E R IST IC S OF IN D U C T IO N M A C H IN E S U SIN G PRO G R A M M A B LE LO G IC C O N T R O L L E R S

Summary. A conception and a prototype device for m easurem ent o f induction m achine static charakteristics are presented in this paper. The elements o f this device are:

program m able logic controller SIM ATIC S7-200, com puter IBM PC with analog to digital converter board. This system can be used for minmizing participation o f a man in m easurem ent process. Application o f this device makes possible to shorten considerably the m easurem ent tim e and to get better precision.

1. PO M IA R Y CH A RA K TERY STY K STATYCZNYCH

W eksploatacji maszyn indukcyjnych szczególnie ważna jest znajom ość ich własności, opisywanych między innymi przez charakterystyki statyczne i charakterystyki dynamiczne.

Popraw nie w yznaczone pom iarowo ww. charakterystyki umożliwiają przeprow adzenie oceny stopnia w ykorzystania obw odu magnetycznego i elektrycznego oraz symetrii uzwojeń, a także

um ożliw iają wyznaczenie param etrów schematu zastępczego, strat poszczególnych i strat ogólnych oraz sprawności maszyny. Zmierzone charakterystyki statyczne i dynam iczne są źródłem informacji o własnościach ruchowo-eksploatacyjnych maszyny, pracującej w określonych w arunkach zasilania i obciążenia. M ożna zatem stwierdzić, że wyniki badań maszyny są niezbędne dla ich konstruktorów i użytkowników, a także są wyznacznikiem jakości przeprow adzonych rem ontów w zakładach remontowych. W niniejszej publikacji ograniczono się do przedstawienia budowy stanowiska pom iarowego silnika indukcyjnego realizującego pom iary wybranych rodzajów charakterystyk statycznych przy ograniczeniu do minimum roli człow ieka w procesie pomiarowym.

P rzez charakterystyki statyczne rozumie się zależności opisujące ustalone stany pracy lub - praktycznie rzecz biorąc - przebiegi bardzo wolno zmienne. Pomiary charakterystyk statycznych realizow ane przez prezentow ane w niniejszej publikacji stanow isko badawcze obejm ują pom iar charakterystyk biegu jałow ego, charakterystyk stanu zw arcia oraz pomiar rezystancji uzwojeń. Pomiary charakterystyk statycznych przeprow adza się przy stałej prędkości, możliwie stałej tem peraturze oraz stałej częstotliwości.

Przy pom iarze biegu jałow ego stojan silnika zasilany jest napięciem trójfazowym nastawianym w zakresie od »130% do »30% napięcia znam ionowego o stałej częstotliwości fi równej częstotliwości sieci zasilającej. Podczas pom iarów uzwojenie wirnika jest zw arte (w silnikach indukcyjnych pierścieniowych), wał wirnika nie jest obciążony żadnym momentem zew nętrznym . Stan, przy którym prędkość obrotow a zmniejszy się o ok. 1% (prąd biegu jałow ego zacznie rosnąć), jest sygnałem do zaprzestania pomiarów.

Podczas pom iarów w stanie zwarcia wirnik silnika indukcyjnego jest zaham owany. Pomiary w ykonuje się przy zasilaniu uzwojeń stojana napięciem trójfazowym symetrycznym o stałej częstotliwości, aby taki prąd pobierany przez silnik nie przekraczał znacznie prądu znam ionow ego (1,2 I„). Aby uniknąć nadm iernego wzrostu tem peratury uzwojeń, konieczny jest możliwie szybki pomiar, który powinien zaczynać się od najwyższej wartości napięcia zasilania (odpow iadającej maksymalnej, zadanej wartości prądu zwarcia). W prototypowej wersji stanow iska pom iarowego nie przewidziano pomiarów stanu przy różnych położeniach kątow ych stojana względem wirnika [6],

Podczas pom iarów rezystancji uzwojeń wygodnie jest zastosować źródło prądowe, którego w ydajność pow inna być taka, aby możliwa była nastawa prądu pom iarowego w zakresie do 20% prądu znam ionow ego badanego silnika. Wielkość prądu podyktowana jest koniecznością ochrony uzw ojeń przed nadmiernym nagrzaniem, co m oże mieć istotny wpływ na wartość mierzonej rezystancji.

Z e specyfiki wymienionych pomiarów wynika minimalna ilość przyrządów pom iarowych i innych urządzeń potrzebnych do realizacji uniwersalnego stanowiska pom iarowego. Głównym

zadaniem prezentow anego stanowiska pom iarowego jest zbieranie niezbędnych danych pomiarowych, a nie ich obróbka; dlatego zastosowano przetworniki pom iarow e napięcia i prądu, m ierzące w artości chwilowe oraz skuteczne. Pozw oliło to wyeliminować przetw orniki mocy (m oc pobieraną m ożna obliczyć na podstawie przebiegów chwilowych w artości napięcia i prądu). M ierzone wartości skuteczne pozwalają realizować odpow iednie czynności pomiarowe.

2. O G Ó LN A K O N C EPCJA STANOW ISKA POM IAROW EGO

P rzedstaw ione w niniejszej publikacji stanowisko pom iarowe, realizujące program pom iarów charakterystyk statycznych, jest syntezą trzech układów pom iarowych, tzn. układu do pom iaru charakterystyk biegu jałow ego, układu do pomiarów stanu zwarcia oraz układu do pomiaru rezystancji uzw ojeń stojana [7], Schemat blokowy takiego stanow iska pom iarow ego przedstaw iono na rys. 1. W skład stanowiska pom iarowego wchodzą:

- obiekt badany OB - trójfazowy silnik indukcyjny,

- regulator indukcyjny RN - z możliwością nastawiania napięcia wyjściow ego za pom ocą elektrycznego sygnału zewnętrznego,

- sprzęgło elektrom agnetyczne SP, - źródło prądow e ŹP,

- przetw orniki pom iarowe: przetworniki napięcia przemiennego i stałego (PN, PN DC), przetw orniki prądu (PI), przetworniki prędkości i momentu oraz przetw ornik tem peratury (Pp, PM , PT). Sygnały elektryczne z przetw orników pomiarowych są doprow adzone do karty przetw ornika A/C (nie zaznaczonego na rys. 1.),

- styczniki STO do S T 1 1 - które podlegają sterowaniu przez wyjścia binarne sterow nika program ow alnego (nie zaznaczonego na rys. 1.).

Tor głów ny do pom iaru charakterystyk biegu jałow ego i charakterystyk zw arcia obejmuje elementy stanowiska: STO, ST1, RN, ST3, ST4, PN, ST2, PI, OB, PT, Pp, PM, SP, ST5.

R egulator indukcyjny R N przez styczniki STO i ST1 jest zasilany z trójfazowej sieci 380 V i umożliwia nastaw ę napięcia wyjściowego przez sterowanie stycznikowe (ST3, ST4) dodatkow ym silnikiem wykonawczym. Przetw ornik napięcia PN kontroluje w artość napięcia wyjściow ego regulatora RN i przesyła je do karty przetwornika A/C. W karcie zbiegają się rów nież sygnały z przetw orników : prądu PI, momentu PM, prędkości Pp oraz tem peratury PT przyłączonych do obiektu badanego OB. Uruchomienie układu do pom iaru charakterystyk biegu jało w eg o odbyw a się poprzez wysterowanie styczników STO, ST1. N astępnie

w ykorzystując styczniki ST3, ST4 nastawia się wymaganą w artość napięcia wyjściowego regulatora. Stycznik ST2 umożliwia podanie tego napięcia na zaciski w ejściowe maszyny badanej.

Rys. 1. Schem at stanowiska pomiarowego Fig. 1. Schem e o f the m easurem ent device

W układzie do badania charakterystyk zwarcia dodatkow o znajduje się sprzęgło elektrom agnetyczne SP, umożliwiające unieruchomienie wirnika badanej maszyny. Sprzęgło zasilane jest z sieci prądu stałego poprzez stycznik ST5.

U kład do pom iaru rezystancji uzwojeń stanowi oddzielny obw ód stałoprądow y załączany za pom ocą stycznika ST11. Źródło prądowe ŹP wymusza (po wysterowaniu stycznika ST 10) przebieg żądanego prądu, a przetwornik napięcia stałego PN DC realizuje pom iar spadku napięcia na badanych uzwojeniach. Przełączanie prądu pom iarowego pom iędzy kolejnymi uzwojeniam i realizują styczniki ST6 + ST9.

Podstaw ow y schemat blokowy program u realizującego pomiary charakterystyk statycznych przedstaw iono na rys.2 [7], Po starcie i wykonaniu czynności sprawdzających stan urządzeń stanow iska (stwierdzeniu, czy wszystkie elementy podlegające sterowaniu stanowiska działają popraw nie) operator w prow adza dane znamionowe silnika badanego, tzn. napięcia, prądu, prędkości, m ocy i układu połączeń uzwojeń stojana. Po zapamiętaniu w prow adzonych danych program umożliwia dokonanie wyboru rodzaju realizowanych badań. Algorytm

LI.

12.

L3

3. A LG O R Y TM POM IARÓW

przedstawiony na rys.2 um ożliwia wybranie bądź pom iarów charakterystyk biegu jałow ego, bądź pom iarów charakterystyk zwarcia, bądź też pom iarów rezystancji uzw ojeń stojana.

Czynności charakterystyczne dla poszczególnych rodzajów pom iarów realizow ane są w trzech podprogram ach:

- podprogram bieg jałow y, - podprogram stan zwarcia, - podprogram pom iar rezystancji.

Po zakończeniu w ykonyw ania podprogram u operator ma możliwość ponow ienia pom iarów lub zakończenia pracy. N a początku każdego z podprogram ów realizow ane są czynności konfigurujące stanow isko oraz czynności sprawdzające popraw ną konfigurację stanow iska dla realizacji poszczególnych podprogram ów .

Z uwagi na znaczne rozmiary podprogram ów zostanie przedstawiony jedynie opis słowny tych algorytm ów.

Podprogram bieg jałowy: Po poprawnym skonfigurowaniu i przygotow aniu stanow iska do pom iarów biegu jałow ego operator dokonuje wyboru metody wykonyw ania pom iarów, tzn czy będą podane własne punkty pom iarow e lub czy pomiary będą w ykonyw ane standardow o.

Po tej czynności program przechodzi do wykonywania zadań pom iarowych i regulacyjnych obejmujących:

- nastawę, korektę i pom iary żądanych w artości napięć zasilania maszyny,

- pomiary prądu, prędkości obrotow ej, mocy i częstotliwości,

- zapisanie zmierzonych danych w pamięci RAM po każdym pom iarze zadanego punktu, - przerwanie pom iarów w przypadku:

• przekroczenia maksymalnej wartości prądu,

• przekroczenia dopuszczalnej różnicy prędkości obrotow ej pom iędzy kolejnymi punktami pomiarowymi,

• pomiaru ostatniego punktu.

Po wykonaniu tych czynności m ożliwe jest opuszczenie program u głów nego lub przejście START

Samokontrola urządzenia

j

/Podaj dane 7

/znamionowe / I Zapis danych Ii

/Wybór zakresu / / pomiarów /

r _ ... _ ■ 1

1

j j

Rys. 2. Algorytm podstaw ow y pomiarów Fig. 2. M easurem ent basic algorithm

do punktu „w ybór zakresu pom iarów ” (decyzja operatora), w którym możliwe jest ponowne określenie, który z podprogram ów ma być wykonany lub powtórzony.

Podprogram zwarcie: Po skonfigurowaniu i przygotowaniu stanowiska oraz po określeniu m etody w ykonyw ania pom iarów (tzn. czy będą podane własne punkty pom iarow e lub czy pom iary będ ą w ykonyw ane standardowo) w układzie pomiarowym zostaje program ow o ustaw ione minimalne napięcie na zaciskach wyjściowych regulatora napięcia, po czym następuje załączenie stycznika ST5 i unieruchomienie wału silnika przez sprzęgło elektrom agnetyczne SP (rys.l). Po tych czynnościach następuje załączenie napięcia na zaciski silnika badanego (stycznik ST2). W celu określenia napięcia i prądu zw arcia maszyny napięcie zasilające silnik zw iększane jest program ow o do wartości, przy której prąd w przewodach zasilających osiągnie w artość rów ną prądowi znamionowemu maszyny. Zm ierzone wartości prądu, napięcia i m om entu zostaną zapamiętane jako napięcie zwarcia, prąd zwarcia i moment rozruchow y (m om ent należy przeliczyć na znamionowe warunki zasilania). Następnie dokonyw any jest pom iar tem peratury (pomiar m oże być w ykonany przez przetwornik tem peratury bądź przez pomiar rezystancji uzwojeń silnika). Jeśli tem peratura będzie mieścić się w dopuszczalnych granicach, zostaną odczytane parametry pierwszego zadanego punktu Po odczytaniu param etrów punktu wykonane będą czynności:

— ustalenie i pom iar żądanej wartość napięcia,

— pom iar prądu, mocy, częstotliwości, momentu mechanicznego na wale silnika,

— kontrolny pom iar temperatury,

— zapam iętanie danych w pamięci RAM.

Jeśli zm ierzona tem peratura mieści się w dopuszczalnych granicach, zm ierzone wartości zostaną zapisane do pliku. Następnie wykonywane jest pobranie param etrów kolejnego punktu pom iarów . W przypadku zbyt wysokiej temperatury silnik badany zostanie odłączony od zasilającego go regulatora indukcyjnego, zostanie załączone chłodzenie i program przechodzi w stan oczekiwania. Po pewnym czasie pomiary zostaną wznow ione od następnego punktu pom iarów. Jeśli m ierzony punkt był ostatni - zostaną zakończone pomiary stanu zwarcia. Po wykonaniu tych czynności możliwe jest opuszczenie programu głów nego lub przejście do punktu „w ybór zakresu pom iarów ” (decyzja operatora), w którym możliwe jest ponowne określenie, który z podprogram ów ma być wykonany lub powtórzony.

Podprogram pomiar rezystancji uzwojeń stojana: Schemat podprogram u realizującego pom iary rezystancji uzwojeń stojana przedstawiono na rys.3. Po skonfigurowaniu stanowiska, tzn. wyłączeniu stycznika ST2 i włączeniu stycznika ST11 ( r y s .l) , następuje pomiar rezystancji między fazami LI i L2. Zostają załączone styczniki ST10, ST8 i ST6. Po załączeniu tych styczników dokonuje się pomiaru napięcia i po zapamiętaniu jego wartości w yłącza się ST 10 i następnie z pewnym opóźnieniem wyłącza się także ST8 i ST6. Po tych czynnościach

następuje pom iar rezystancji między fazami L2 i L3, a następnie między fazami L3 i L I.

Pomiar tych rezystancji jest technicznie taki sam jak przy pom iarach między fazami L I i L2(z tą różnicą że załączane są inne pary styczników (tzn. ST9-ST7 lub ST8-ST9). Po wykonaniu wszystkich pom iarów następuje opuszczenie podprogram u pom iaru rezystancji uzw ojeń silnika i przejście (po potw ierdzeniu przez operatora) do wyboru rodzaju badanej charakterystyki lub zakończenie całego cyklu pom iarow ego (wyjście z program u musi być potw ierdzone przez operatora).

Rys. 3. Algorytm pom iaru rezystancji uzwojeń stojana Fig. 3. Algorithm o f stator winding rezistance m easurem ent

4. O PIS STA N O W ISK A ZBUD OW A NEG O Z W Y K O R ZY STA N IEM KARTY P R Z E TW O R N IK A A/C I PRO GRA M OW ALNEGO STER OW N IK A LO G IC Z N E G O

D o budow y części sterującej stanowiskiem i realizacji przedstaw ionych algorytm ów pom iarów w ykorzystano sterow nik PLC typu S7-200 produkcji firmy Siemens [4] oraz kom puter PC z k artą przetw orników A/C. Kom puter IBM PC nadzoruje całością procesu badaw czego. K arta przetw ornika A/C Lab-PC jest wielofunkcyjną kartą laboratoryjną do kom puterów zgodnych z IBM PC zawierającą: 12-bitowy kompensacyjny przetw ornik analogow o-cyfrow y, 8 wejść pomiarowych multipleksowanych, dw a 12-bitowe wyjścia analogow e, 24-w yjściow e linie binarne w standardzie TTL - podzielone na trzy porty 8-bitowe, trzy 16-bitowe zegary/liczniki. Problem równoczesności pom iarów na wszystkich

w ejściach został rozw iązany przez zastosowanie układów „sample and hołd” (układów tych nie zaznaczono na rys.4 z uwagi na przejrzystość rysunku). Program znajdujący się w IBM PC zbiera inform acje z wejść analogowych i wysyła pewne informacje na niektóre wyjścia binarne karty przetw ornika A/C. Program ow alny sterownik logiczny PLC podejmuje wysyłane sygnały sterujące z IB M PC (karty przetwornika), dokonując łączeń w obwodzie badanego urządzenia.

P rogram w czytany do sterow nika eliminuje możliwość przypadkowego załączenia któregoś stycznika, kontroluje dodatkow o popraw ność działania ważniejszych elem entów układu stanow iska badaw czego. W przypadku wystąpienia awarii układu sterownik w yłącza wszystkie elementy, nad którymi sprawuje kontrolę. Schemat blokowy stanow iska przedstaw iono na rys.4. D o wejść sterow nika jest doprowadzonych 10 linii binarnych z karty przetw ornika A/C:

osiem z portu A, dwie z portu B. Sterownik S7-200 składa się z dwóch części, tzn. modułu głów nego z jed n o stk ą centralną CPU 214 (symbol producenta 6ES7 214-1BC00-0X B0) i m odułu dodatkow ego EM 222 (symbol producenta 6ES7 222-lH F00-0X A 0). M oduł główny z je d n o stk ą centralną CPU 214 zawiera między innymi 10 wyjść na 220V AC/DC i 14 wejść binarnych, natom iast m oduł dodatkowy EM 222 jest wyposażony tylko w 8 wyjść na 220V AC/DC. Jeśli na linii PAO (najmniej znaczący bit portu A - podłączony do wejścia 0.0 sterow nika) jest stan niski (L), sterownik przechodzi w stan oczekiwania. Jeżeli na tejże linii w ystępuje stan wysoki (H), sterownik interpretuje go jako gotow ość kom putera do pracy.

Spraw dza stan wejścia 1.5, do którego doprowadzony jest sygnał z przetw ornika temperatury;

jeśli stw ierdza stan L, to przechodzi do sprawdzania pozostałych wejść. Ustawienie tego wejścia w stan H stanowi informację dla sterownika o przekroczeniu dopuszczalnej tem peratury silnika - sterownik wyłącza wszystkie styczniki (rys.4). Jeśli stan wejścia 0.0 jest H i wejścia 1.5 jest L, sterow nik sprawdza stan wszystkich pozostałych wejść, jeśli stwierdzi, że na wejściu nr:

- 0.1 je st stan H, załącza stycznik ST1, jeśli stan L, wyłącza stycznik, spraw dza styk potw ierdzenia,

- 0.2 jest stan H, załącza stycznik ST2, jeśli stan L, wyłącza stycznik, spraw dza styk potw ierdzenia,

- 0.3 je st stan H, załącza stycznik ST3, jeśli stan L, wyłącza stycznik, - 0.4 jest stan H, załącza stycznik ST4, jeśli stan L, wyłącza stycznik,

- 0.5 jest stan H, załącza stycznik ST5, jeśli stan L, w yłącza stycznik, spraw dza styk potw ierdzenia,

- 0.6 jest stan H, załącza stycznik ST 11, jeśli stan L, wyłącza stycznik, - 0.7 jest stan H, załącza stycznik ST10, jeśli stan L, wyłącza stycznik.

Jeżeli sterow nik stwierdzi stany wejść 1.0 i 1.1 zgodne z przedstawionymi w tabeli 1 (kolum na Stan W ejść), to w ykona odpow iednią czynność (kolumna Czynność). Po sprawdzeniu stanu

wszystkich wejść i zaktualizowaniu stanu wyjść rozpoczyna cykl od nowa. Aby zapewnić galwaniczną separację między sterownikiem S7-200 a obwodami wyjść binarnych karty przetw ornika A/C, zastosow ano moduł pośredniczący MP, który zaw iera w środku w zm acniacze optoizolacyjne TLP 250. M oduł pośredniczący M P spełnia także dodatkow ą rolę, tzn. gw arantuje odpowiedni poziom sygnałów logicznych potrzebnych do wysterowania wejść sterownika.

Rys. 4. Schem at blokowy stanowiska Fig. 4. Structure o f the device

Tabela 1 Lp. Stan wejść Czynność

J L, H załącz styczniki ST8 i ST6 2 11. L załącz styczniki ST8 i ST9 3 H, H załącz styczniki ST7 i ST9 4 L, L wyłącz styczniki ST6, 7, 8, 9

5. U W A G I K O Ń C OW E

P rogram ow anie stanowiska S7-200 z IBM PC jest złożone, gdyż program jest dw uczęściow y; program głów ny w IBM PC i program dodatkow y w S7-200. Mimo zastosow ania stosunkow o prostego sterow nika program owalnego m ożliwa jest rozbudow a stanow iska o dodatkow e funkcje, np.: pomiary przy idealnym biegu jałow ym , pomiary

charakterystyk mechanicznych w stanie obciążenia, badania charakterystyk rozruchow ych przy różnych położeniach kątowych wirnika względem stojana, badania nagrzew ania maszyn, badania pracy dorywczej. Możliwe jest również uzupełnienie układu o podzespoły gw arantujące podgrzew anie i schładzanie badanego silnika takie, aby w każdym punkcie pom iarow ym utrzym ywana była stała (określona) tem peratura uzwojeń maszyny. Naturalnie realizacja takiego algorytmu pomiarów pociąga za sobą konieczność pewnej przebudowy stanow iska (np. zamiast sprzęgła elektromagnetycznego konieczna będzie hamownica).

LITER A TU R A

1. Paszek W.: Stany nieustalone maszyn elektrycznych prądu przemiennego, W NT, W arszawa 1986.

2. Socloft S.: Zastosow ania analogowych układów scalonych, WKiL, W arszawa 1991.

3. Trybus L.: R egulatory wielofunkcyjne, WNT, Warszawa 1992.

4. Simatic S7 - Program m able controllers - Siemens, Katalog ST 70, 1995.

5. K atalog Analog Devices - Analog Devices, 1995.

6. Żywiec A., M ołoń Z., Świetlicki T., Szar E.: Układ m ikroprocesorow y do zdejmowania charakterystyk rozruchow ych silnika indukcyjnego, Zeszyty N aukow e AGH, nr 1120, E lektrotechnika z. 12, K raków 1988, str. 273-282.

7. Żyw iec A., Trawiński T.: Zastosowanie sterowników programowalnych w układach autom atyzacji procesu badań charakterystyk maszyn indukcyjnych, Materiały I O gólnopolskiej Konferencji Naukowej „Postępy w Elektrotechnice Stosowanej” , Z akopane 1997.

Recenzent: Dr hab. inż. Jerzy Hickiewicz Profesor Politechniki Opolskiej W płynęło do Redakcji dnia 30 maja 1997 r.

Abstract

This paper presents a conception and a prototype device for measurem ents o f induction machine charakteristics. In part one a short description o f the measurements process o f an induction m achine in steady state has been given. Reasons for building universal measurement device have been presented as well. In part two the main part o f m easurem ent device- especially its elements is described. In part three the algorithm o f m easurem ent program for com puter IBM PC and the programmable controller (eg: the measurem ent algorithm o f no load state, the algorithm o f m easurem ent o f the stator winding resistance) have been presented.

In part four the way o f connection o f the device elements and their operation have been given.

Possibilities o f th e device development concerning extra functions have been m entioned as well.