Способ определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей
METHOD FOR DETERMINING ROTOR SPEED OF ASYNCHRONOUS MOTORS

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в качестве способа определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей.
Аналогом предлагаемого изобретения является метод определения скорости и угла поворота электрических машин с помощью использования пазовых частот, либо высших гармоник пазовых частот (патент ЕС на изобретение ЕР 2556381 В1), в котором получают сигнал напряжения со специальной внешней измерительной катушки, либо сигнал напряжения, для управляемых током двигателей, либо сигнал тока, для управляемых напряжением двигателей, проводят демодуляцию полученного сигнала путем умножения на сгенерированный синусоидальный сигнал с основной частотой сети питания, фильтруют полученный результат полосовым фильтром, с изменяющейся центральной частотой, которая зависит от предыдущих результатов измерений, выделяя, таким образом, пазовые гармоники. По изменению амплитуды пазовых гармоник во времени судят об угле поворота ротора и, как следствие, о его угловой скорости.
Недостатком аналога является использование полосового фильтра с изменяющейся центральной частотой, что требует пересчета параметров фильтра каждый раз перед оцифровкой данных. Также необходимо умножение оцифрованного сигнала на синусоидальный сигнал с частотой питающей сети, что существенно нагружает устройство, на котором выполняются вычисления.
Другим аналогом предлагаемого изобретения является устройство для определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей, содержащее датчики напряжения и тока, формирующие сигналы, пропорциональные соответственно напряжению и току одной фазы статора асинхронного двигателя, подключенные последовательно соответственно к первому и второму фильтрам нижних частот, первому и второму аналого-цифровым преобразователям, первому и второму анализаторам спектра, первому и второму входам вычислителя скорости вращения ротора; вычислитель частот канонических гармоник, входом и выходом подключенный соответственно к выходу первого анализатора спектра и третьему входу вычислителя скорости вращения ротора, выходом связанного со входом индикатора, оснащенное определителем мощности, входами подключенного к выходам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, а выходом связанного с четвертым входом вычислителя скорости вращения ротора, а также задатчиком типа двигателя, через базу параметров двигателей подключенного к пятому входу вычислителя скорости вращения ротора (RU 2621880 С1, 07.06.2017).
Недостатком аналога является необходимость подбора оператором вручную диапазона поиска частоты пазовых гармоник, необходимой для определения угловой скорости вращения ротора, что требует от оператора необходимой квалификации и снижает уровень автоматизации устройства.
Прототипом предлагаемого изобретения является устройство для определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей, содержащее цифровые датчики напряжения и тока, формирующие цифровые сигналы, передающие информацию о мгновенных значениях напряжения и тока одной фазы статора асинхронного двигателя к вычислителям спектра напряжения и тока соответственно, характеризуемое тем, что выходы вычислителей спектра напряжения и тока подключены к первому и второму входам делителя соответственно, выход которого через блок «зона нечувствительности» соединен с первым входом умножителя, выход вычислителя спектра напряжения через вычислитель основной гармоники соединен с первым входом вычислителя диапазонов поиска, второй вход которого связан с выходом задатчика параметров двигателя и первым входом вычислителя скорости вращения ротора, второй вход умножителя спектров подключен к выходу вычислителя диапазонов поиска, а выход умножителя спектров соединен со вторым входом вычислителя скорости вращения ротора, выходом связанного со входом индикатора (RU 168004 U1, 16.01.2017).
Недостатком прототипа является завышенные затраты вычислительных ресурсов вычислителя скорости вращения ротора, обусловленные чрезмерно широким диапазоном поиска частоты зубцовой гармоники в случае применения данного устройства в составе стенда для испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки с питанием от преобразователей частоты.
Целью предлагаемого изобретения является снижение затрат вычислительных ресурсов при обеспечении высокого уровня автоматизации в процессе определения частоты вращения ротора асинхронных машин при их испытании методом взаимной нагрузки с питанием от преобразователей частоты.
2
гр1n
гр2n
Zn
Zn
1
2
2
1
2
гр1n
1
2
1
гр2n
Δ
1
2
2
2
Δ
1
2
Указанная цель достигается тем, что в способе определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей, питающихся от преобразователей частоты при испытании методом взаимной нагрузки, выполняется задание числа пазов ротора Z и пар полюсов р асинхронного двигателя, после чего производится измерение мгновенных значений напряжения и тока одной фазы статора асинхронного двигателя, и вычисляются спектры напряжения и тока, далее амплитуды спектра тока делятся на соответствующие амплитуды спектра напряжения, после чего осуществляется вычисление четырех диапазонов поиска зубцовых гармоник ротора с номерами n=1, 2, 3, 4, каждый из которых имеет верхнюю границу частоты ƒ и нижнюю границу частоты ƒ, с последующим определением произведения амплитуд гармоник первого диапазона поиска зубцовых гармоник ротора на соответствующие амплитуды гармоник второго, третьего и четвертого диапазонов поиска, далее определяются частоты ƒ зубцовых гармоник ротора по наибольшему значению найденного произведения амплитуд четырех диапазонов поиска, связанные со скольжением выражением ƒ=ƒZ(1-s+pk/Z)/р, где k=[-3; -1; 1; 3], затем по найденным частотам зубцовых гармоник рассчитывается скольжение s и частота вращения ротора асинхронного двигателя; при этом для вычисления диапазонов поиска зубцовых гармоник ротора используются значения частот (ƒ и ƒ) напряжений, питающих асинхронные двигатели, получаемых от встроенных в преобразователи частоты определителей частоты питающего напряжения; причем верхняя граница n-го диапазона поиска определяется по выражению ƒ=ƒZ/р+ƒk, а нижняя граница n-го диапазона поиска принимается равной ƒ=K(ƒ+ƒ)Z/2р+ƒk, где К<1 - коэффициент, учитывающий погрешность определения скольжения, исходя из среднего арифметического значения частот ƒ и ƒ.
На чертеже представлена блок-схема, поясняющая предлагаемый способ определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей.
На блок-схеме показана последовательность действий при осуществлении предлагаемого способа определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей.
Предлагаемый способ определения частоты вращения асинхронных двигателей применим в схеме взаимной нагрузки при питании обмоток статора от преобразователей частоты и реализуется следующим образом.
Определение частот зубцовых гармоник, присутствующих в спектре тока, позволяет вычислить скольжение асинхронного двигателя.
Зависимость частот зубцовых гармоник от скольжения имеет следующий вид:
где k=[-3;-1; 1;3].
2
Таким образом, для вычисления скольжения и частоты вращения асинхронного двигателя необходимо задание числа пазов ротора Z и пар полюсов р асинхронного двигателя.
u
i
После этого с помощью датчиков напряжения и тока, подключенных к одной из фаз статора асинхронного двигателя, производится измерение мгновенных значений напряжения (u) и тока (i) и разложение их на соответствующие спектры A и A с помощью быстрого преобразования Фурье.
i/u
Далее производится деление спектров: амплитуды гармоник тока делятся на амплитуды соответствующих им гармоник напряжения, в результате чего получаем спектр A.
i/u
После этого для полученного спектра A осуществляется вычисление четырех одинаковых по ширине диапазонов поиска зубцовых гармоник ротора  с номерами n=1, 2, 3, 4.
Верхняя граница n-го диапазона поиска определяется по выражению
Нижняя граница n-го диапазона поиска определяется исходя из того, что частота вращения ротора асинхронных двигателей, работающих по схеме взаимной нагрузки, приблизительно равна среднему арифметическому значению частот вращения их магнитных полей, т.е. , отсюда . Скольжение первой машины , частота вращения ее магнитного поля . Тогда после подстановок в (1) имеем:
Исходя из этого, нижнюю границу диапазонов поиска можно принять в соответствии с выражением:
Δ
1
2
где К < 1 - единожды определенный для данного типа двигателей коэффициент, учитывающий погрешность определения скольжения, исходя из среднего арифметического значения частот ƒ и ƒ.
1
2
Частоты ƒ и ƒ напряжений, питающих обмотки статора асинхронных двигателей, работающих по методу взаимной нагрузки, могут быть получены с помощью штатных средств (определителей частоты питающего напряжения), входящих в состав преобразователей частоты.
После определения границ диапазонов поиска зубцовых гармоник амплитуды гармоник первого диапазона поиска  умножаются на соответствующие амплитуды гармоник второго , третьего  и четвертого  диапазонов поиска. В результате имеем спектр , имеющий такую же ширину как и четыре диапазона поиска зубцовых гармоник  и .
Zn
В полученном спектре  определяется гармоника с максимальной амплитудой и соответствующие ей частоты зубцовых гармоник ƒ, попадающих в диапазоны поиска  и .
Zn
Зная частоты ƒ и воспользовавшись выражением (1) можно определить скольжение s асинхронного двигателя. По найденному скольжению вычисляется частота вращения ротора.
Таким образом, применение предлагаемого способа за счет сужения диапазона поиска зубцовых гармоник позволит снизить затраты вычислительных ресурсов при обеспечении высокого уровня автоматизации в процессе определения частоты вращения ротора асинхронных машин при их испытании методом взаимной нагрузки с питанием от преобразователей частоты.
Источники информации:
1. Патент ЕС на изобретение ЕР 2556381 В1.
2. Патент РФ на полезную модель RU 2621880 С1, 2017.
3. Патент РФ на полезную модель RU 168004 U1, 2017.