УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей в системах диагностирования электродвигателей и связанных с ними механических устройств, в частности размещенных в труднодоступных местах.
Известен способ определения оценки частоты вращения ротора асинхронного двигателя (патент РФ на изобретение №2476983), в котором измеряют мгновенные величины токов и напряжений статора асинхронного двигателя, одновременно проводят измерение мгновенных величин токов и напряжений на двух фазах статора, последовательно выполняют три временные задержки, по крайней мере, на 6 мс, получая текущие и задержанные единожды, дважды и трижды значения токов и напряжений двух фаз статора двигателя, с помощью предварительно обученной искусственной нейронной сети, по опытным данным работы электродвигателя во всех режимах, используя выявленные искусственной нейронной сетью при обучении зависимости между входными и выходными данными, определяют мгновенную величину оценки частоты вращения ротора асинхронного двигателя по определенным формулам.
Недостатком способа является необходимость предварительного обучения нейронной сети по опытным данным работы электродвигателя во всех режимах, что является трудоемкой задачей. Кроме того присутствует аппаратная избыточность - необходимо наличие датчика напряжения.
Известен способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ним механических устройств (патент РФ на изобретение №2300116), при котором в течение заданного интервала времени производят запись значений фазного тока, потребляемого электродвигателем, с помощью датчика тока с линейной амплитудно-частотной характеристикой, выделяют анализируемые характерные частоты с помощью фильтра низких частот, преобразуют полученный сигнал из аналоговой в цифровую форму, а затем производят спектральный анализ полученного сигнала.
Недостатком технического решения является необходимость дополнительного определения скорости вращения ротора двигателя с помощью отдельного датчика.
Наиболее близким к предложенному решению 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 такого метода 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.
Целью предлагаемого способа является повышение уровня автоматизации и снижение трудоемкости процесса определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей.
Поставленная цель достигается тем, что в 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, дополнительно введен делитель, при этом 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 первой 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.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства. Цифровой датчик напряжения 1 и цифровой датчик тока 10 подключены к вычислителям спектра напряжения 2 и спектра тока 11 соответственно. Информация от вычислителей спектра напряжения 2 и вычислителя спектра тока 11 передается на делитель спектров 6, который выполняет операцию деления амплитуд спектра тока на соответствующие им по частоте амплитуды спектра напряжения с целью подавления гармоник, вызванных некачественным питанием двигателя. Вычислитель первой гармоники 3 по спектру напряжения позволяет рассчитать значение частоты первой гармоники питающей сети. Вычислитель диапазонов поиска 4 по величине частоты первой гармоники и таким значениям параметров двигателя, как число пазов ротора, число пар полюсов, номинальное скольжение задаваемых вручную с помощью задатчика параметров двигателя 5; позволяет определить четыре отрезка спектра, в которых будут определяться пазовые гармоники. Блок «зона нечувствительности» 7 устраняет сигналы с малыми амплитудами, т.е. устраняет шумы с помощью отсечения всех амплитуд, меньших некоторого порога, величина которого выбирается равной средней амплитуде сигнала в диапазоне расположения пазовых гармоник. Умножитель спектров 8 перемножает спектры сигналов четырех выбранных диапазонов частот, по результату умножения вычислитель скорости вращения ротора 9 определяет частоту пазовой гармоники, по ней определяет текущую величину скольжения и, соответственно, скорость вращения ротора двигателя. Результат отображается на индикаторе 12.
Устройство работает следующим образом.
В используемом алгоритме находятся пазовые гармоники в спектре сигнала тока статора, которые располагаются на частотах:
где  - частота питания сети; p - число пар полюсов двигателя; R - число пазов ротора; s - скольжение; k - порядок гармоники, целое 1, 3, 5…
Как видно из (1), пазовые гармоники имеют периодичность следования в спектре. равную . Это свойство используется в данном алгоритме для автоматического поиска пазовых гармоник.
ном
Входными данными для устройства являются: получаемые с цифровых датчиков напряжения и тока соответственно мгновенные значения напряжения и тока, задаваемые вручную с помощью задатчика параметров двигателя R - число пазов ротора, которое можно узнать из документации на двигатель, либо попытаться определить самостоятельно; p - число пар полюсов; s - номинальное скольжение.
i
u
Далее над каждым цифровым сигналом напряжения и тока выполняется быстрое преобразование Фурье и полученные спектры сигнала тока A и напряжения A нормализуют с помощью выражения:
где A - нормализуемый спектр, N - количество выборок.
В спектре сигнала напряжения определяется частота первой гармоники . Далее амплитуды спектра тока делятся на соответствующие им по частоте амплитуды спектра напряжения с целью ослабления гармоник, вызванных некачественным питанием двигателя. Амплитудные спектры сигналов тока и напряжения, а также результат деления спектров представлены на фиг. 2.
Ширина диапазона поиска пазовых гармоник определяется по формуле
Далее вычисляются четыре диапазона, которые соответствуют расположению пазовых гармоник с порядком k=-3, -1, 1, 3. Частоты, определяющие границы диапазонов находятся следующим образом:
где k=-3, -1, 1, 3 соответствуют каждому из четырех диапазонов.
В полученном после нормализации и деления спектре D устраняются сигналы с малыми амплитудами, т.е. устраняются шумы с помощью отсечения всех амплитуд, меньших числа ε, которое выбирается равным средней амплитуде сигнала в диапазоне расположения пазовых гармоник, определяемого частотами
Компарированный спектр D разбивается на четыре диапазона, вычисленные по формулам (3)-(4). Полученные спектры в вычисленных частотных диапазонах перемножаются. Таким образом усиливаются амплитуды, которые располагаются на двойной частоте первой гармоники друг от друга и ослабляются амплитуды, которые не имеют такого свойства. Выделенные по частоте участки амплитудного спектра и результат умножения амплитудных спектров выделенных по частоте участков представлен на фиг. 3. На нижнем графике четко выделяется пик, соответствующий пазовой гармонике.
В полученном спектре находят максимальную амплитуду и соответствующую ей относительную частоту пазовой гармоники . При этом скольжение ротора определяется по формуле
Вычислив скольжение, по известным формулам находится частота вращения ротора двигателя.
Применение предлагаемого устройство позволит определять частоту вращения ротора асинхронных двигателей, работающих в местах с ограниченным доступом, например в скважинах, без использования датчиков скорости вращения ротора. В предлагаемом устройстве будет использоваться только датчики напряжения и тока, расположенные в легкодоступных местах.