Устройство для определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей

Полезная модель относится к области электротехники и может быть применена в качестве устройства для определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей при их испытаниях методом взаимной нагрузки с питанием от преобразователей частоты.
Аналогом предлагаемой полезной модели 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 предлагаемой полезной модели 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 предлагаемой полезной модели 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.
Указанная цель достигается тем, что 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, выходы вычислителей спектра напряжения и тока подключены к входам делителя спектров, выход которого через блок «Зона нечувствительности» соединен с первым входом умножителя спектров, первый вход вычислителя диапазонов поиска соединен с выходом задатчика параметров двигателя, который также соединен с 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, выход которого связан с входом индикатора, дополнено тем, что ко второму входу вычислителя диапазонов поиска подключен выход вычислителя частоты питающего напряжения первого преобразователя частоты, а к третьему входу вычислителя диапазонов поиска подключен выход вычислителя частоты питающего напряжения второго преобразователя частоты.
На фиг. представлена функциональная схема, поясняющая работу устройства для определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей.
На функциональной схеме представлены цифровой датчик напряжения 1, вычислитель спектра сигнала напряжения 2, вычислители частоты питающего напряжения первого преобразователя частоты (ПЧ1) 3.1 и второго преобразователя частоты (ПЧ2) 3.2, вычислитель диапазонов поиска 4, задатчик параметров двигателя 5, делитель спектров 6, умножитель спектров 7, вычислитель скорости вращения ротора 8, цифровой датчик тока 9, вычислитель спектра сигнала тока 10, индикатор 11.
Выход цифрового датчика напряжения 1 подключен к входу вычислителя спектра сигнала напряжения 2, выход цифрового датчика тока 9 подключен к входу вычислителя спектра сигнала тока 10, выходы вычислителя спектра напряжения 2 и вычислителя спектра тока 10 подключены к входам делителя спектров 6, выход которого соединен с первым входом умножителя спектров 7, первый вход вычислителя диапазонов поиска 4 соединен с выходом задатчика параметров двигателя 5, который также соединен с первым входом вычислителя скорости вращения ротора 8, второй вход умножителя спектров 7 подключен к выходу вычислителя диапазонов поиска 4, а выход умножителя спектров 7 соединен со вторым входом вычислителя скорости вращения ротора 8, выход которого связан с входом индикатора 11, выходы вычислителей частоты питающего напряжения первого 3.1 и второго 3.2 преобразователей частоты подключены соответственно ко второму и третьему входам вычислителя диапазонов поиска 4.
Устройство работает следующим образом.
В используемом устройстве определяются пазовые гармоники в спектре сигнала тока статора, которые располагаются на частотах:
1
где ƒ - частота тока статора асинхронного двигателя;
р - число пар полюсов;
2
Z - число пазов ротора, которое можно узнать из документации на двигатель, либо попытаться определить самостоятельно;
s - скольжение;
k - порядок гармоники, целое 1, 3, 5, …
1
2
2
Входными данными для устройства являются мгновенные значения напряжения и тока, получаемые соответственно с цифровых датчиков напряжения 1 и тока 9, значения частот питающих напряжений ƒ и ƒ, получаемые от вычислителей частоты питающего напряжения первого 3.1 и второго преобразователя частоты 3.2, а также величины, задаваемые вручную с помощью задатчика параметров двигателя 5: число пазов ротора (Z), число пар полюсов (р).
Далее с помощью вычислителей спектра напряжения 2 и тока 10 над каждым цифровым сигналом напряжения и тока выполняется быстрое преобразование Фурье.
i/u
Далее делитель спектров 6 осуществляет деление спектров: амплитуды гармоник тока делятся на амплитуды соответствующих им гармоник напряжения, в результате чего получаем спектр A.
1
2
Далее вычислитель диапазонов поиска 4 на основании получаемых им значений частот питающих напряжений ƒ и ƒ от вычислителей частоты питающего напряжения первого 3.1 и второго преобразователя частоты 3.2 вычисляет границы четырех диапазонов с номерами n=1, 2, 3, 4, которые соответствуют расположению пазовых гармоник с порядком k=-3, -1, 1, 3 (k=-3 при n=1, k=-1 при n=2, k=1 при n=3, k=3 при n=4).
Верхняя граница n-го диапазона поиска пазовых гармоник соответствует скольжению s=0:
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:
i/u
Далее вычисления осуществляются вычислителем скорости вращения ротора 8. Полученный спектр A разбивается на четыре диапазона  с номерами n=1, 2, 3, 4, границы которых вычислены по формулам (2) и (3). Далее амплитуды гармоник первого диапазона поиска  умножаются на соответствующие амплитуды гармоник второго  третьего  и четвертогодиапазонов поиска. В результате имеем спектр  имеющий такую же ширину, как и каждый из четырех диапазонов поиска зубцовых гармоник  и  Таким образом, в полученном спектре  усиливаются амплитуды, которые располагаются на двойной частоте первой гармоники друг от друга и ослабляются амплитуды, которые не имеют такого свойства.
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.
Рассчитанное значение скорости вращения ротора выводится на индикатор 11.
Таким образом, применение предлагаемого устройства 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 на изобретение РФ №2433419, МПК G01R 31/34, 2011.
2. Патент на полезную модель РФ №140678, МПК G01R 31/34, 2014.
3. Патент на полезную модель РФ №163996, МПК G01R 31/34, 2016.