Компьютеризация испытаний асинхронных тяговых двигателей

11. К вопросу обеспечения эксплуатационной надежности подвижного состава / М. В. Анахова // Известия Самарского научного центра РАН. Спец. вып.: Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития. - 2006. - С. 157-159.

УДК 621.313 В. В. Шумейко

КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В связи с предстоящим переходом подвижного состава на тяговые двигатели переменного тока, в частности на асинхронные двигатели, возникает задача кардинальной модернизации испытательных станций в локомотивных депо и на ремонтных заводах. В статье представлены предложения по компьютерной автоматизации испытаний асинхронных двигателей. Приведена схема измерений, а также волновые диаграммы тока и напряжения при пуске асинхронного двигателя.

асинхронные двигатели, испытания, использование компьютеров.

Введение

Использование компьютеров для автоматизации испытаний тяговых двигателей позволит перевести испытания на новый современный уровень. При этом повысится точность измерений, будет убран субъективный фактор, испытания могут быть оптимизированы с целью экономии электроэнергии. Автоматизация ведения документации по результатам испытаний в локомотивных депо позволит следить за состоянием каждого двигателя, выдавая рекомендации на своевременный и соответствующий ремонт, а также рекомендации по комплектованию электровозов двигателями с подходящими тяговыми характеристиками.

В настоящее время на подвижном составе железных дорог предстоит сделать, можно сказать, революционный переход от коллекторных тяговых двигателей к бесколлекторным, а именно к асинхронным тяговым двигателям, питающимся от статических преобразователей частоты.

При испытании асинхронных тяговых двигателей с частотным управлением возникают большие проблемы с измерениями несинусоидальных напряжений и токов, а также мощности, особенно при низких частотах от 1 до 20 Гц. Обычные электроизмерительные приборы не рассчитаны на работу при этих условиях. Кроме того, при работе привода с частотноуправляемым асинхронным двигателем возникают электромеханические переходные процессы, которые крайне трудно регистрировать и анализировать. К таким процессам относятся переходные процессы в цепях с со-

средоточенными и распределенными параметрами, а также процессы в цепях с несинусоидальными периодическими и непериодическими напряжениями и токами, которые возникают при питании асинхронных тяговых двигателей от статических преобразователей частоты, кроме того, колебательные механические процессы в передаче от двигателя к оси.

Применение компьютерной технологии испытаний позволит с большим быстродействием измерять и запоминать большие объемы данных, обрабатывать и отображать результаты измерений в виде графиков и таблиц. При использовании компьютерной технологии появляется возможность управлять ходом испытаний, когда с помощью включения и выключения дискретных устройств, а также плавного регулирования заданных параметров компьютер в нужной последовательности и с высокой точностью по времени устанавливает требуемый режим испытаний привода.

Поэтому необходимость разработки программного и аппаратного компьютерного комплекса для испытаний асинхронных двигателей не вызывает сомнений.

1 Устройства и схемы компьютерных измерений и управления

На первом этапе данной работы было решено разработать и опробовать данную технологию испытаний в лаборатории Российского государственного открытого технического университета путей сообщения (РГОТУПС) на асинхронном короткозамкнутом двигателе небольшой мощности (2,2 кВт).

Для автоматизации испытаний требовалось подобрать плату для ввода, вывода и обработки цифровой и аналоговой информации. В результате анализа наших возможностей была выбрана, как доступная по цене, плата российской фирмы L-CARD типа L-305.

Эта плата имеет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а также цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), коммутатор для переключения измерительных каналов (16 или 32) и процессор ADSP-2105. Измерительные каналы имеют общий контур заземления, что требуется учитывать при соединении с испытуемой цепью. Кроме того, плата L-305 имеет цифровые входы и выходы, что позволяет управлять внешними устройствами. Аналого-цифровой преобразователь платы довольно быстродействующий, максимальная частота преобразования составляет 300 МГц, разрядность преобразования 12 бит. Для того чтобы задействовать плату, необходимо загрузить драйверы в компьютер, программу - в микропроцессор платы ADSP-2105, с помощью функций установить базовый адрес и номер прерывания. При работе с этой платой при исследовании кривых тока и кривых напряжений на нескольких участках электрической цепи требуется компьютер с частотой процессора не ниже 300 МГц.

Имеется возможность программно устанавливать один из возможных диапазонов измерения ±5,128 В, ±2,56 В или ±1,024 В. Для того чтобы измерять напряжения с большей амплитудой, необходимо применять дели-

тели напряжения или трансформаторы, а для измерения токов использовать трансформаторы тока.

Плата L-305 устанавливается в компьютер в разъем ISA. Следует отметить, что в последних моделях IBM-совместимых компьютеров нет разъемов ISA, а имеются только разъемы типа PCI, поэтому для них требуются платы типа L-761 или L-780, использование которых практически не отличается от использования платы L-305.

На рисунке 1 показано подключение измерительных каналов платы к схеме испытаний и подключение испытуемого асинхронного двигателя (АД) к трехфазной сети. К валу АД при помощи муфты присоединен генератор постоянного тока (ГПТ), с помощью которого можно изменять тормозной момент на валу АД.

Рис. 1. Схема испытаний с измерительными цепями

Так как при подключении платы L-305 должна быть предусмотрена одна заземленная точка (общая земля), в схеме испытаний была заземлена точка начала фазы В обмотки статора АД.

К первому измерительному каналу подведено напряжение от вторичной обмотки трансформатора напряжения в фазу В. Это напряжение пропорционально току фазы В. К второму измерительному каналу подведено напряжение, пропорциональное линейному напряжению UAB. Оно снима-

ется с делителя Яд1, Яд2. Соответственно 3-й канал измеряет напряжение на ГПТ с делителя Яд3, Яд4, а 4-й канал - ток ГПТ с шунта Яш. На 5-й канал подаются импульсы с оптического датчика оборотов (ДО) цифрового тахометра.

Кроме измерительных цепей, в схеме испытаний имеются также цепи управления. На рисунке 2 показана схема испытаний с цепями управления.

На рисунке 2 не показана схема включения магнитных пускателей, контакты которых подключают обмотку статора АД к трехфазной цепи звездой или треугольником. Обмотки магнитных пускателей включаются при помощи нормально разомкнутых контактов реле К\ и К2. Реле К\ включается от выходного сигнала, поступающего с первого цифрового выхода платы L-305, усиленного транзистором V\, а К2 - со второго выхода. С цифровых выходов 3-6 поступают сигналы, управляющие включением реле К3-К6. Контакты этих реле с помощью делителя на резисторах Яд2-Яд5 регулируют ток в обмотке возбуждения ГПТ. Таким образом, при испытаниях компьютер может автоматически изменять момент нагрузки на валу АД.

2 Программное обеспечение компьютерных испытаний

Программное обеспечение разрабатываемого автоматизированного стенда состоит из комплекса программ, прилагаемых к интерфейсной плате L-305, и программного пакета, разрабатываемого специально для данного стенда. Вторая часть программного обеспечения разрабатывается на языке визуального программирования Delphi. Листинг программы ввиду большого объема приводить в данном отчете нет возможности, поэтому здесь мы обсудим только несколько моментов. Приведем сначала процедуру TForml.TimerlTimer. В этой процедуре по сигналу таймера производятся измерения по двум каналам и построение на осциллограмме кривых напряжения и тока.

procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject);

Var i, j, n, Npoint, Nch, Rate : Integer;

IK, UR : arType;

Data : array[1..6000] of SmallInt;

Channels: array[0..15] of SmallInt;

Sdd, Udd, IKD, URD: Real;

begin

Rate:=SpinEdit1. Value*Rat;

Sdd:=SpinEdit2. Value*dd;

Udd:=SpinEdit3. Value;

With Chart1.LeftAxis do

begin

Automatic := False;

Maximum:=Udd;

Minimum : = -Udd; end;

Channels [0]:=3; Channels [1]:=512; Npoint:=1310; Nch:=2; Seriesl.Clear; Series2.Clear;

Soft(Data, Npoint, Channels, Nch, Rate); //Измерение по двум i:=1; j:=1; // каналам

repeat

UR[j]:=Data[i]; IK[j]:=Data[i+1 ]; i:=i+2; j:=j+1;

until i>2*Npoint;

For i: =1 To Npoint -1 Do begin

UR[i]:=UR[i]/400; // Напряжение - синяя кривая IK[i]:=IK[i]/400; // Ток - красная кривая

end;

for j:=1 To Npoint -50 Do begin n:=20;

Series1.AddXY((j-1)*n,UR[j+i],");// Построение кривых Series2.AddXY((j-1)*n,IK[j+i],");// на графике Series4.AddXY((j-1)*n, 0,"); end;

IKD:=Fd(126, IK);

URD: =Fd(126,UR);

Edit3.Text:=FloatToStrF(URD,ffFixed,5,3); Edit4.Text:=FloatToStrF(IKD,ffFixed, 5,3); end;

Измерения по нескольким каналам выполняются с помощью функции Soft(Data, Npoint, Channels, Nch, Rate). Эта функция имеет следующие параметры:

Data - целочисленный массив, в который будут помещены вводимые отсчеты;

Npoint - число вводимых кадров;

Channels - целочисленный массив с номерами каналов АЦП, по которым вводятся данные;

Nch - число задействованных каналов;

Rate - интервал ввода.

Рис. 2. Схема цепей управления и регулирования тока возбуждения генератора

Интерфейс программы, названной АЦП, показан на рисунке 3. Поскольку данную технологию предполагается использовать также и в учебной работе со студентами, то интерфейс построен по принципу, разработанному ранее и уже примененному в лабораторных работах по ТОЭ. Он представляет собой набор страниц с закладками, на которых расположены необходимые визуальные компоненты. На страницах Задание и Теория

расположены компоненты WebBrouser, которые отображают требуемый текст в формате HTML.

Рис. 3. Интерфейс программы компьютерных испытаний АЦП, открытой на вкладке Пуск

На рисунке 3 показана копия экрана при работе программы, открытой на странице Пуск. На этой странице производится исследование процесса пуска асинхронного двигателя. Процесс пуска может быть исследован при соединении обмотки статора в звезду и треугольник. Выбор схемы соединения обмотки статора производится с помощью компонента RadioButton. Программа позволяет измерять, записывать на диск и воспроизводить в виде осциллограмм одновременно величины на входах 3-4 каналов. В окошках Edit выводятся действующие значения этих величин. С помощью компонентов SpinEdit можно менять развертку, то есть показывать на экране разное количество периодов кривых и менять масштаб по вертикали.

Из показанной на рисунке 3 осциллограммы можно определить длительность процесса пуска, амплитудное значение пускового тока. Если рассмотреть участок осциллограммы в растянутом по времени виде, то можно заметить, что в процессе пуска происходит искажение синусоид напряжения и тока (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограммы кривых напряжения и тока при пуске асинхронного двигателя

На следующей странице интерфейса производится исследование работы асинхронного двигателя при разных значениях нагрузки на валу. Копия экрана компьютера в этом режиме показана на рисунке 5. Здесь приведена схема испытаний и включенные в нее работающие измерительные приборы. Справа имеются кнопки, позволяющие включать и выключать двигатель, а также ступенями изменять нагрузку.

Рис. 5. Копия экрана при работе программы, открытой на вкладке Нагрузка

4 Определение действующих значений напряжений и токов и средней мощности

Одним из важных достоинств компьютерных измерений является возможность определять с высокой точностью действующие значения напряжений и токов и среднюю мощность при изменении частоты от нуля до номинальной и практически при любой степени несинусоидальности кривых.

Как видно из осциллограммы, приведенной на рисунке 4, амплитуда напряжения со временем изменяется незначительно, но в кривой увеличивается содержание высших гармоник. Амплитуда тока на осциллограмме значительно уменьшается по мере увеличения частоты вращения двигателя, также уменьшается и угол ф между напряжением и током. Для определения действующего значения тока или напряжения была составлена подпрограмма расчета действующего значения по мгновенным значениям. При этом определяются начало и конец периода, а далее путем численного интегрирования по известным формулам рассчитывается действующее значение нужной величины. Так как АЦП платы L-305 преобразует аналоговые напряжения, то величину, пропорциональную току, снимаем с резистора, подключенного в качестве нагрузки к вторичной обмотке трансформатора тока.

Для определения мгновенной мощности берем произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока и рассчитываем среднее значение за период.

Заключение

Даже предварительные эксперименты, проведенные в лаборатории, показали, что испытания машин с помощью компьютера имеют большие перспективы как для исследовательской работы, так и для испытательных стаций тяговых двигателей.

На следующих этапах этой работы планируется компьютеризировать испытания имеющегося в лаборатории РГОТУПС асинхронного дви-га-теля, питающегося от преобразователя частоты. При этом потребуется отработать компьютерное регулирование частоты преобразователя и изменение режимов испытаний по введенной программе.

F

УДК 629.423.1

П. Г. Колпахчьян, А. А. Зарифьян

ОСОБЕННОСТИ СОЗДАНИЯ АСИНХРОННОГО ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Рассмотрены вопросы создания асинхронного тягового привода магистральных электровозов, сформулированы требования к регулированию асинхронными тяговыми двигателями. Приведены результаты многокритериального анализа схемных решений преобразовательных установок для питания асинхронных тяговых двигателей.

асинхронный тяговый двигатель, асинхронный тяговый электропривод, автономный инвертор напряжения, потери, регулирование, управление.

Введение