Устройство контроля переменных трехфазной сети на базе микропроцессорного комплекта Arduino

ностроенне». 2013. №1. G 28-34. URL: http://indust-engineering.ru/

4. O. Goksu. Shaft transducerless vector control of the interior permanent magnet motor with speed and position estimation using high frequency signal injection and flux observer methods," Master's thesis, The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, May 2008.

5.Persson Jan. Innovative standstill position detection combined with sensorless control of synchronous motors. Lausanne, Switzerland.: École polytechnique fédérale de Lau-

sanne (EPFL), 2005.

6. Busca Cristian. Open loop low speed control for PMSM in high dynamic application. Aalborg, Denmark.: Aalborg universitet, 2010.

7. Vas Peter. Sensorless vector and direct torque control. Oxford, UK.: Oxford University Press, 1998.

8. Sun Don, He Yikang, Zhi Dawex. Direct torque control of synchronous motor with permanent magnets based on fuzzy logic // Trans. China Electrotech. Soc, 2003, № 1, p. 3338.

Information in English

Sensorless Control of Rotor Angular Position in Synchronous Motor by Overlaying Highfrequency Signal

Baskov S.N., Litsin K.V.

The article describes a method for sensorless determining of rotor angular position in a synchronous motor by means of superimposing a high frequency signal. The scheme of the laboratory bench for the experiment is described. A formula for rotor angular position calculation of a synchronous motor was developed. it was concluded that the developed method makes it possible to reduce the cost and the size of the system for determining the angular position and increase its reliability.

Keywords: sensorless control, high frequency injection, synchronous machine.

References

1. Baskov S.N., Litsin K.V., Princip vectorno-impulsnogo upravleniya electrodvigatelyami peremennogo toka [Vector-pulse principle to control AC motors]. Vestnik YuURGU. Seriya energetika [Bulletin of South-Ural state university. Power engineering]. 2013, vol. 13, no. 1, pp. 9295.

2. Baskov S.N., Konkov A.S., Cherkas T.V., Litsin K.V. Issledovanie polozhenija vektora potokosceplenija rotora pri vektorno-impul'snom puske [Study of rotor flux linkage vector in vector-pulse start]. Vestnik YuURGU. Seriya energetika [Bulletin of South-Ural state university. Power engineering]. 2012, vol. 18, no.37, pp. 68-72.

3. Baskov S.N., Litsin K.V. Vysokochastotnaja

inzhekcija signalov pri bezdatchikovom metode opredelenija uglovogo polozhenija rotora [ High-frequency signal injection in sensorless method for determining the angular position of the rotor]. Elektronnii zhurnal «Mashinostroenie» [Electronic Journal «Engineering»]. 2013, no.1, pp.28-34 (available at: http://www.indust-engineering.ru/issues/2013/2013-1.pdf).

4. O. Goksu. Shaft transducerless vector control of the interior permanent magnet motor with speed and position estimation using high frequency signal injection and flux observer methods," Master's thesis, The Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, May 2008.

5.Persson Jan. Innovative standstill position detection combined with sensorless control of synchronous motors. Lausanne, Switzerland.: École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), 2005.

6. Busca Cristian. Open loop low speed control for PMSM in high dynamic application. Aalborg, Denmark.: Aalborg universitet, 2010.

7. Vas Peter. Sensorless vector and direct torque control. Oxford, UK.: Oxford University Press, 1998.

8. Sun Don, He Yikang, Zhi Dawex. Direct torque control of synchronous motor with permanent magnets based on fuzzy logic // Trans. China Electrotech. Soc, 2003, № 1, p. 3338.

УДК: 621:83

Омельченко Е.Я., Фомин Н.В., Тележкин О.А., Танич В.О., Лымарь А.Б.

Устройство контроля переменных трехфазной сети

НА БАЗЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОМПЛЕКТА ARDUINO

Разработано микропроцессорное устройство контроля переменных трехфазной сети. По текущей информации от датчиков тока и напряжения выполняется расчет мгновенных значений несимметрии и модулей тока и напряжения, активной и реактивной мощности, коэффициента активной мощности. В среде Matlab Simulink разработана дискретная модель микропроцессорного устройства для анализа точности выполняемых расчетов. Устройство реализовано на плате Arduino Due. Результаты разработки можно применить для оценки качества работы трехфазной нагрузки, например асинхронного двигателя.

Ключевые слова: датчики напряжения и тока, микропроцессор, активная, реактивная мощность, Arduino, измерение, алгоритм, дискрета.

Введение

В настоящее время в связи с повышением требований к качеству питающего напряжения растет потребность в устройствах, осуществляющих мониторинг параметров питающей сети в реальном времени. Ведущие производители промышленной электроники, такие как Siemens, АВВ, OMRON уже выпускают подобные устройства. Однако стоимость подобных технических решений очень высока. В данной статье рассматривается возможность создания такого устройства, используя микроконтроллеры фирмы Arduino [1], имеющие до 8 аналоговых входов 0-5 В, сделанные на основе микропроцессоров фирмы Atmel. Целью разработки является создание микропроцессорного устройства, позволяющего на основе информации о токах и напряжениях в трехфазной сети проводить расчет мгновенных значений активной и реактивной мощности, соБф, несимметрии и модуля напряжений и токов. Для этого необходима разработка программного обеспечения для дискретного расчета переменных трехфазной сети и оценка точности этих расчетов в зависимости от дискреты по времени и алгоритмов расчета.

Основные показатели, необходимые для оценки переменных питающей сети: активная, реактивная, полная мощность, cosф, несимметрия токов и напряжений и их модули.

Теория

Активная мощность P равна среднему значению мгновенной мощности за период питающего напряжения и определяет количество электрической энергии, необратимо преобразующейся за секунду в тепло или другие формы энергии [2]. Полная мощность S определяется действующими значениями токов и напряжений сети, она всегда больше фактически передаваемой нагрузке активной мощности из-за существования неактивных составляющих мощности, которые увеличивают потери в источнике, не совершая полезной работы. Реактивная мощность, или мощность сдвига, Q в рассматриваемом случае обусловлена сдвигом по фазе основной гармоники тока нагрузки относительно синусоидального напряжения питающей сети. При этом под основной гармоникой тока понимается его составляющая, изменяющаяся с частотой напряжения сети. Поэтому появляется реактивная составляющая тока, которая не участвует в передаче активной мощности нагрузке, так как среднее арифметическое мгновенной мощности за период от этой составляющей равно нулю. Мощность искажения T обусловлена протеканием гармоник тока, не совпадающих по частоте с напряжением сети. Среднее арифметическое мгновенной мощности, связанной с этими гармониками, за период, также равно нулю, однако они вызывают дополнительные потери энергии. Мощность несимметрии H учитывает дополнительные потери энергии, связанные с неравномерным распределением тока по фазам многофазной цепи. Потери про-

порциональны квадрату тока, и увеличение тока в одной фазе за счет других фаз приводит к увеличению суммарных потерь.

Мгновенное значение активной мощности одной фазы содержит существенную переменную составляющую двойной частоты сети. В трехфазной сети при симметричной нагрузке эти переменные составляющие взаимно компенсируются и возможно рассчитывать мгновенные значения модулей тока и напряжения, активную и реактивную мощность.

Расчет модуля тока выполняется по формуле

!т

Мгновенная активная мощность, потребляемая из трехфазной сети, определяется как сумма мгновенных активных мощностей трех фаз

з

Р ($) = 2 (К ($)  (г)) =

7=1

= иа (г )1а (г) + иъ (г )1Ь (г) + ис (г )1С (г).

Мгновенное значение реактивной мощности одной фазы прямо пропорционально мгновенному значению тока первой производной напряжения и обратно пропорционально частоте питающего напряжения [2]. Мгновенное значение суммарной реактивной мощности трехфазной цепи равно сумме реактивных мощностей фаз

1 з

(г) = -о 2 К (г)  Ь (г)) =

¿2 7=1

К • „ч

= — (иа (г)  ¿а (г) + +К (г)  ¿ъ (г)+К (г)  ¡с (г)).

Полная потребляемая мощность может быть рассчитана по формуле

S s (t) = 3Um (t) Im (t )/2 =

= v )+)

Коэффициент активной мощности рассчитывается по формуле

cos ф = P (t)/ Sz (t).

Несимметрия токов и напряжений будет проявляться в наличии переменной составляющей двойной частоты в мгновенных значениях активной и реактивной мощности.

Модель микропроцессорной системы

В среде МайаЬ Simulink на основании формул (1)-(5) разработана компьютерная модель микропроцессорной системы с учетом дискретных преоб-

разовании аналоговых входных сигналов токов и напряжений по времени, измеренных непрерывными датчиками в трехфазной сети. В структурную схему модели (рис. 1) входят блоки: Fz (задается линейное изменение частоты и напряжения); Um) (формируется система трехфазного напряжения); IdU(u г Г) (по заданным сопротивлениям и ин-дуктивностям рассчитываются трехмерные векторы токов и производных по напряжению по схеме с изолированной нейтралью); 1(р)и(р)-Ш(7)1(7)и(7) (выполняется дискретное преобразование по времени трехмерных аналоговых сигналов тока и напряжения, закладывает основы дискретных расчетов в микропроцессорной системе); PQIUcos(UIW) (выполняется по формулам (1)-(4) расчет мощностей и модулей тока и напряжения как в аналоговой, так и в дискретной системах). С помощью осциллографа и(3)1(3) фиксируются текущие значения трехфазных токов и напряжений. На осциллографе PQSIm выполняется сравнение значений активной, реактивной, полной мощности и модуля тока, рассчитанных в аналоговой форме и по алгоритмам микропроцессорной системы.

Рис. 1. Структурная схема компьютерной модели

Результаты моделирования

Для исследования работы микропроцессорной системы задавалась сложная форма входного питающего напряжения (рис. 2), состоящая из двух участков.

На первом участке на интервале времени от 0 до 0,05 с задавалось линейное нарастание частоты и амплитуды фазного напряжения до 50 Гц и 311 В. На втором участке амплитуда и частота оставались постоянными.

При осциллографировании скачком изменялись значения индуктивности и активного сопротивления трехфазной нагрузки. В момент времени 0,075 с производились изменения индуктивностей от 0,00625 до 0,0125 Гн, а в момент времени 0,09 с изменены активные сопротивления с 2 до 1 Ом. Форма тока имеет сложный характер. Для исследования нелинейных режимов в фазе С активное сопротивление больше на 10% по сравнению с сопротивлениями фаз А и В. Это четко прослеживается в установившихся режимах на диаграмме токов рис. 2.

Временные зависимости мощностей р, Б, Q и модуля тока 1т имеют колебательный характер (рис. 3). Этот характер определяется параметрами нагрузки и полностью подтверждается материалами [3].

Р. Вт ;

8,ВА

<}.ВА:

1 1

1111, А

_ г

Г- г

Р. Ет

Я.ВА

<3. ВА

; ;

И» А :

с

Рис. 2. Трехфазная система напряжений и токов

б

Рис. 3. Осциллограммы мощностей Р, Q и модуля тока 1т при дискрете по времени 2 мс

а

Четко прослеживается влияние дискреты по времени на точность расчета полной и реактивной мощности. Возникает существенная динамическая ошибка при резких изменениях модуля тока. Максимальные ошибки в кривой S (рис. 3, а, б) при дискретах 2.0, 1.0 и 0.5 мс равны 7.0, 2.8 и 1,25%, соответственно. В кривых активной мощности и модуля тока динамические ошибки отсутствуют. Достаточная по точности расчетов дискрета по времени не должна превышать 1,0 мс.

Несимметричная нагрузка в фазе С проявилась в дополнительных колебаниях мощностей и модуля тока с частотой 100 Гц и амплитудой не более 3,1%.

Принципиальная электрическая схема микропроцессорной системы (рис. 4) включает в себя датчики тока UT1, UT2, датчики напряжения UU1, UU2, микроконтроллер А1 (Arduino Due) и обвязывающие сопротивления.

Конденсаторы С1 и сопротивления R1, R4 обеспечивают деление входного напряжения, фильтрацию (при питании от преобразователя частоты с ШИМ) и ограничение входного тока датчика напряжения. Сопротивления R2 являются нагрузочными для выходных цепей датчиков тока и напряжения. С помощью сопротивлений R3 выполняется сдвиг общих точек датчиков на 2,5 В по отношению к общей точке А1. Плата микроконтроллера А1 получает питание через USB разъем от ПЭВМ или от адаптера +12 В.

На схеме представлен 2-фазный вариант подключения датчиков. Информация фазы А в устрой-

стве вычисляется по формуле

ia (t) =-ib (t) - ic (t).

В качестве обратных связей по напряжению и току могут использоваться датчики тока и напряжения любой фирмы с частотой пропускания не менее 1 кГц, обеспечивающие надежную гальваническую развязку.

Применение рассмотренного МПУК не ограничивается функциями мониторинга трехфазной нагрузки. Есть потребность на базе подобных устройств в разработке аппаратной части и программного обеспечения:

- устройство контроля подключения статорной обмотки вращающегося асинхронного двигателя к трехфазной сети;

- устройство контроля подключения транзисторного преобразователя частоты на роторную обмотку асинхронного двигателя в схеме машины двойного питания; - устройство контроля подключения статорной обмотки вращающегося асинхронного двигателя к транзисторному преобразователю в системе «преобразователь частоты-асинхронный двигатель».

Заключение

1. Разработанное устройство мониторинга переменных трехфазной сети является компактным, дешёвым, свободно программируемым микропроцессорным устройством, обеспечивающим необходимые алгоритмы расчетов.

2. На основной частоте 50 Гц дискрета по времени не должна превышать 1 мс. Максимальная ошибка при этом не будет превышать 3%.

3. Разработанная компьютерная модель микропроцессорного устройства позволяет выполнять анализ различных режимов работы трехфазных сетей.

Список литературы

1. Краткий обзор и перспективы применения микропроцессорной платформы Arduino / Е.Я.Омельченко, В.О.Танич, А.С.Маклаков, Е.А.Карякина // Электротехнические системы и комплексы: междунар. сб. науч. тр. / под ред. Г.П. Корнилова, Е.А. Пановой. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им Г.И. Носова, 2013. Вып. 21. C. 28-33.

2. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. - М.: Энергия, 1978. - 320 с.

3. Селиванов И.А. Омельченко Е.Я. Электромеханические свойства асинхронных двигателей // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. №3(35). С. 35-38.

Information in English

Control Device of Parameters of Three-Phase Mains Based on Arduino

MICROPROCESSOR CHIP SET

Omelchenko E.Ya., Fomin N.V., Telezhkin O.A., Tanich V.O., Lymar A.B.

Microprocessor control device of three-phase mains parameters was developed. By actual data of current and voltage sensors it computes transient values of asymmetry and current and voltage magnitude, actual and reactive power, electrical power factor. On the basis of Matlab Simulink discrete time module of microprocessor device analyzing accuracy of performing calculations was developed. This device has been implemented on the Arduino Due processor board. The results of the development may be applied for quality control of three-phase load, for example, of asynchronous motor.

Keywords: current and voltage sensors, microprocessor, actual and reactive power, electrical power factor.

References

1.Omelchenko E.Y., Tanich V.O., Maklakov A.S., Karyakina E.A. Kratkii obzor i perspektivy primeneniya mikroprotsessornoi platformy Arduino [Brief summary and prospects of application of Arduino microprocessor platform]. Elektrotekhnicheskie komplexy I sistemy [Electro technical complexes and systems]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2013, vol. 21, pp. 28-33.

2. Mayevskiy, O.A. Energeticheskiepokazateli ventilnyh preobrazovatelei [Energy parameters of valve inverters]. Moscow: Energy, 1978.

3. Selivanov I.A., Omelchenko E.Y. Elektromehanicheskie svoistva asinhronnyh dvigatelei [Electromechanical properties of asynchronous motors]. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University, 2011. no.3(35). pp.35-38.