Испытательный стенд

Техническое решение относится к специализированным измерительным приборам для испытания электрических машин, в частности асинхронных электродвигателей, а также исследования их статических и динамических характеристик.
Из уровня техники известно устройство для испытания асинхронных двигателей под нагрузкой (RU 2334993 C1, МПК G01R 31/34, опубл. 27.09.2008], содержащее симметричные тиристоры в цепи каждой фазы обмотки статора двигателя, систему формирования управляющих импульсов для симметричных тиристоров и блок управления режимами работы двигателя. При этом устройство дополнительно содержит регулируемый индуктивный ограничитель тока, выход которого подключен к каждой фазе обмотки статора двигателя, а вход подключен к выходу симметричных тиристоров с возможностью реверсирования двигателя [1].
Недостатком известного устройства является отсутствие в его конструкции измерительных средств, что ограничивает возможности устройства при исследовании статических и динамических характеристик асинхронных электродвигателей.
Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели и выбранным в качестве прототипа признано устройство диагностики асинхронных электрических двигателей (RU 2484490C1, МПК G01R 31/34, опубл. 10.06.2013), содержащее источники питания и ряд измерительных устройств. Устройство также содержит блок памяти номинальных величин двигателя, бортовой накопитель, дисплей, микропроцессор для определения реальной длительности пуска, микропроцессор для оценки перегрева и состояния изоляции. Измерительные устройства включают в себя датчик тока, связанный с обоими микропроцессорами, датчик температуры изоляции и датчик температуры окружающей среды, которые связанны с микропроцессором, предназначенным для определения перегрева и состояния изоляции [2].
К недостаткам известного технического решения следует отнести отсутствие в конструкции устройства датчика угла поворота электродвигателя, что ограничивает возможности устройства по анализу длительности переходного процесса достижения двигателем заданной скорости вращения ротора. Кроме того, устройство обладает низкой технологичностью, обусловленной его сложной конструкцией, подразумевающей использование для осуществления измерений мультипроцессорной системы.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является обеспечение возможности проведения с помощью стенда управляемых экспериментов по изучению статических и динамических характеристик асинхронных электродвигателей.
Указанная задача решена тем, что испытательный стенд содержит раму, снабженную стойками, в передней части которой на опоре установлен асинхронный электродвигатель, к входу которого подключен внешний генератор частоты, а в задней части - трехфазный синхронный генератор. Вал ротора электродвигателя посредством противоударной муфты с резиновым амортизатором соединен с валом трехфазного синхронного генератора, выход которого через трехфазный мостовой выпрямитель подключен к активной нагрузке, представляющей собой переменное нагрузочное сопротивление, снабженное амперметром и вольтметром. Дополнительно на корпусе асинхронного электродвигателя установлен датчик температуры, к валу электродвигателя подключен энкодер, а выходы амперметра, вольтметра, датчика температуры и энкодера подключены к первому, второму, третьему и четвертому измерительным входам измерительного модуля, закрепленного на раме стенда.
Измерительный модуль включает в себя корпус с установленным в нем микропроцессорным блоком управления, выполненным на основе микроконтроллера, содержащего универсальные порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи и универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик; дополнительно измерительный модуль содержит блоки текстовой и блок графической индикации, блок ввода данных и энергонезависимую электрически перепрограммируемую память, подключенные к микроконтроллеру.
Блоки текстовой индикации выполнены на основе текстового LCD-индикатора и линейки семисегментых индикаторов, а блок графической индикации - на основе растрового TFT-дисплея.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью конструктивных признаков раскрытого выше устройства, является возможность проведения с его помощью управляемых экспериментов по изучению статических и динамических характеристик асинхронных электродвигателей, осуществимость которых обеспечивается следующими особенностями стенда:
- регулирование нагрузки, приложенной к валу двигателя, за счет изменения величины тока статора синхронного генератора, путем изменения величины переменного нагрузочного сопротивления;
- измерение полезной мощности на валу электродвигателя, за счет измерения тока и напряжения на переменном нагрузочном сопротивлении генератора с помощью амперметра и вольтметра;
- измерение и изучение в динамике температуры корпуса двигателя за счет применения датчика температуры;
- измерение угловой скорости и частоты вращения ротора двигателя и, соответственно, определение длительности разгона двигателя до выхода на заданный режим работы за счет применения энкодера;
- фиксация измеряемых величин, их обработка, сохранение в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти и, при необходимости, передача на удаленный персональный компьютер для их дальнейшего анализа за счет применения микропроцессорного блока управления измерительного блока.
Конструкция измерительного стенда поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан его общий вид в изометрии; на фиг. 2 - электрическая схема подключения к асинхронному двигателю синхронного генератора, выход которого через трехфазный мостовой выпрямитель подключен к активной нагрузке, представляющей собой переменное нагрузочное сопротивление, снабженное амперметром и вольтметром, и энкодера; на фиг. 3 - чертеж корпуса измерительного модуля с размещенными на нем основными конструктивными элементами; на фиг. 4 - структурная схема блока управления.
Испытательный стенд устроен следующим образом.
Он содержит раму 1, снабженную стойками 2, в передней части которой на опоре 3 установлен асинхронный электродвигатель 4, к входу которого подключен внешний генератор частоты 5, а в задней части - трехфазный синхронный генератор 6. Вал ротора электродвигателя посредством противоударной муфты 7 с резиновым амортизатором соединен с валом трехфазного синхронного генератора 6, выход которого через трехфазный мостовой выпрямитель подключен к активной нагрузке, представляющей собой переменное нагрузочное сопротивление, снабженное амперметром и вольтметром. Дополнительно на корпусе асинхронного электродвигателя установлен датчик температуры, к валу электродвигателя подключен энкодер, а выходы амперметра, вольтметра, датчика температуры и энкодера подключены к первому, второму, третьему и четвертому измерительным входам 8, 9, 10 и 11 измерительного модуля 12, закрепленного на раме стенда.
Измерительный модуль 12 содержит корпус 13, с установленным в нем блоком управления 14, выполненным на основе микроконтроллера, включающего в себя универсальные порты ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи и универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик. Дополнительно измерительный модуль содержит блоки индикации, ввода данных 15 и энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти 16, подключенные к микроконтроллеру. Блок индикации включает в себя текстовый LCD-индикатор 17, линейку семисегментых индикаторов 18 и растровый TFT-дисплей 19.
Упомянутые блоки электрически соединены с блоком управления 14, расположенным внутри корпуса 13. Их структура и способ подключения к микроконтроллеру раскрыты ниже.
Линейка семисегментных индикаторов 18, состоит из восьми индикаторов и светодиода 20, визуально разделяющего целую и дробную части отображаемых на линейке чисел. При этом целая часть состоит из пяти, а дробная - из трех индикаторов. Высота и ширина семисегментных индикаторов составляют, соответственно, H=70 мм, L=48 мм, что обусловлено требуемой хорошей различимостью отображаемых на них чисел.
Текстовый LCD-индикатор 17 содержит две строки по сорок знакомест в каждой и используется для выбора режимов работы стенда, а также отображает текущие параметры эксперимента.
Блок ввода данных 15 выполнен в виде шестнадцатикнопочной клавиатуры. С его помощью оператор имеет возможность изменять различные установочные параметры испытательного стенда. Три клавиши управления измерением 21, 22, 23 («Пуск», «Пауза» и «Остановка») и три светодиода индикации хода эксперимента 24, 25, 26 используются, соответственно, для пуска и остановки проведения измерения, временной приостановки эксперимента, а также индикации текущего состояния устройства.
Блок управления 14 выполнен на основе восьмиразрядного микроконтроллера Atmel AVR ATMega128L, что обусловлено его невысокой стоимостью и широкими возможностями по управлению различными периферийными устройствами. Микросхема содержит достаточный набор программируемых аппаратных средств, необходимых для обеспечения функционирования стенда, а именно память программ и данных, таймеры-счетчики, универсальные восьмиразрядные двунаправленные порты ввода-вывода, универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик, кроме того микроконтроллер снабжен встроенным восьмиканальным десятиразрядным аналого-цифровым преобразователем, четыре линии которого использованы для подключения датчиков к измерительным входам модуля [3].
Линейка семисегментных индикаторов, блоки текстовой и графической индикации, ввода данных, клавиши и светодиоды, а также блоки энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти и преобразователя интерфейсов, выход которого подключен к GSM-модулю, электрически соединены с портами ввода-вывода микроконтроллера следующим образом.
Линейка семисегментных индикаторов 18 подключена к портам С и G микроконтроллера, при этом восьмиразрядные коды символов передаются на индикаторы посредством линий РС0-РС7, а выбор конкретного индикатора линейки осуществляется с помощью восьмиразрядного дешифратора DC, к входам которого подключены линии PG0-PG1 микроконтроллера, что обеспечивает управление четырьмя младшими разрядами выхода дешифратора. Управление светодиодом осуществляется с помощью линии PG4.
Текстовый LCD-индикатор 17 подключен к четырем линиям порта А (РА0-РА3), которые используются для передачи на него кодов символов. Управление индикатором осуществляется с помощью линий А0 (выбор адреса символа) и Е (синхронизирующий строб-сигнал), подключенных, соответственно, к линиям PG2 и PG3 микроконтроллера [4].
Растровый TFT-дисплей 19 подключен к микроконтроллеру по последовательному трехпроводному интерфейсу с использованием линий порта F (PF0-PF3). Выбор контроллера TFT-дисплея осуществляется с помощью линии PF1(CS), а синхронизация - с помощью линии PF2(SCL), а передача данных - с помощью линии PF3(SDA) [5].
Блок ввода данных 15, выполненный в виде шестнадцатикнопочной клавиатуры, подключен к порту А микроконтроллера. При этом для реализации алгоритма «бегущая единица», младшие линии порта РА0-РА3 работают как выходы (итерационный перебор столбцов), а старшие РА4-РА7 как входы (сканирование строк).
Клавиши 21, 22, 23 («Пуск», «Пауза» и «Остановка») подключены, соответственно, к входам PE4(INT4), PE5(INT5) и PE6(INT6). Линии порта Е микроконтроллера имеют дополнительную функцию: сигнал с их входов поступает на вход контроллера прерываний ATMega128L, что позволяет использовать их в качестве счетчика внешних событий, гарантируя обязательную реакцию измерительного модуля на нажатие клавиш.
Светодиоды 24, 25 и 26, использующиеся для индикации нажатий на клавиши 21, 22 и 23, подключены, соответственно, к линиям PG5, PG6 и PG7 порта G.
Разъем внешних прерываний 27 аналогично клавишам 21, 22 и 23 подключен к входу внешнего прерывания PE7(INT7) порта Е и может, использоваться для автоматического пуска и останова устройства.
Блок энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти 16 выполнен на основе микросхемы семейства АТ24 и подключен к блоку управления с помощью линий PD0(SCL) и PD1(SDA), являющихся, соответственно, линией последовательной передачи тактовых импульсов и линией последовательной передачи данных [6].
Блок преобразователя интерфейсов 28 выполнен на основе микросхемы МАХ232, преобразующей сигналы последовательного порта RS-232 в сигналы, пригодные для использования в цифровых схемах на базе ТТЛ или КМОП технологий. В рассматриваемом устройстве блок преобразователя интерфейсов подключен к блоку управления с помощью линий PD2(RXD) и PD3(TXD], являющихся, соответственно, входом и выходом универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика (USART] микроконтроллера. Выход блока преобразователя интерфейсов 28 подключен к входу GSM-модуля 29 через интерфейс RS-232 [7].
Амперметр, вольтметр, датчик температуры и энкодер (линии S0-S3 на структурной схеме] через инструментальные операционные усилители (на фигурах не показаны] подключены к измерительным входам 8, 9, 10 и 11, а те, в свою очередь, подключены к линиям аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера PF4(ADC4]-PF7(ADC7] порта F. Входной разъем 30 измерительных входов 8, 9, 10 и 11 установлен на корпусе 13.
Для обеспечения возможности управления внешним регулятором частоты на корпусе измерительного модуля предусмотрен разъем 31, соединенный с линией РВ5(OС1А] порта В, работающей в режиме широтно-импульсного модулятора, генерирующего сигнал опорной частоты.
Испытательный стенд работает следующим образом.
Первоначально к асинхронному электродвигателю подключают внешний частотный регулятор 5, в качестве которого может быть использовано устройство модели VS mini J7, являющееся компактным регулятором частоты общего назначения [8].
Затем выходы амперметра, вольтметра, температурного датчика и энкодера подключают, соответственно, к первому, второму, третьему и четвертому измерительным входам 8, 9, 10 и 11. Далее, в зависимости от способа управления частотным регулятором, настраивают опорную частоту с помощью штатных средств прибора, в частности, упомянутый выше регулятор VS mini J7 имеет для этого ручку регулировки «FREQ», или, в случае автоматического регулирования с помощью ШИМ-модулятора микроконтроллера, управляющий выход 31 подключают к входу опорной частоты внешнего регулятора 5; также настраивают величину сопротивления активной нагрузки генератора. После чего с помощью блока ввода данных 15 выбирают режим проведения эксперимента и приводят в действие управляющую программу микроконтроллера блока управления 14 измерительного модуля 12 с помощью клавиши «Пуск», которая активирует стенд, при этом во все время проведения эксперимента мгновенные измеренные значения выводятся на текстовый LCD-индикатор 17 и линейку семисегментых индикаторов 18.
Рассмотрим дальнейший ход проведения эксперимента при условии, что используется внешняя программная регулировка частоты регулятора с помощью выхода 31 измерительного модуля. В соответствии с выбранными параметрами проведения эксперимента несколько раз выполняют цикл «разгон-торможение» электродвигателя, при этом измерительный модуль 12 с помощью амперметра и вольтметра снимает вольт-амперную характеристику с переменного нагрузочного сопротивления и определяет полезную мощность на валу электродвигателя по известной зависимости:
где Р - мощность, Вт; U - измеренное напряжение, В; U - измеренная сила тока, А.
Частота вращения вала двигателя измеряется с помощью энкодера, а температура электродвигателя - с помощью датчика температуры. Тормозящий момент на валу электродвигателя может быть вычислен по мощности генератора и значению частоты вращения вала электродвигателя следующим образом:
где М - величина тормозящего момента, Н⋅м; n - частота вращения вала, об/мин.
Все измеренные с помощью датчиков и предварительно обработанные в соответствии с управляющей программе микроконтроллера данные сохраняются в блоке энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти 16. К ним относятся не только вычисленные по представленным выше формулам данные мощности и моменте, но значения температуры и времени переходного процесса разгона электродвигателя.
После окончания эксперимента с помощью программного обеспечения измерительного модуля 12 выполняют процедуру статистической обработки испытаний, включающую вычисление выборочных характеристик, построение гистограммы распределения частот и восстановление кривых теоретического нормального распределения для измеренных величин. При этом упомянутые графики могут быть отображены измерительным модулем 12 стенда с помощью растрового TFT-дисплея 19, а полученные статистические данные измерений переданы на персональный компьютер с помощью GSM-модуля 29 для их дальнейшей обработки [9].
Таким образом, испытательный стенд может быть использован не только для исследования характеристик электродвигателей, но и, в том числе, для исследования следующих параметров системы управления асинхронным электродвигателем:
- номинальной мощности по условию допустимого перегрева, а также перегрузки по мощности;
- параметров выходного напряжения: коэффициента нелинейных искажений, частоты вращения вала электродвигателя; амплитуды первой гармоники.
- пускового момента на валу электродвигателя;
- мощности рекуперации в режиме торможения.
Испытательный стенд может быть полезен как при проведении научных исследований, так и в обучении, например при изучении основ электротехники и современных микроконтроллерных систем управления сложными техническими устройствами.
Список использованных источников
1. RU 2334993 C1 Российская Федерация, МПК G01R 31/34. Устройство для испытания асинхронных двигателей под нагрузкой / Леоненко С.С. (RU), Леоненко А.С. (RU), Прокопьев А.Ю. (RU); заявитель и патентообладатель ГОУ ИрГТУ (RU) №2007119699/28; заявл. 28.05.2007; опубл. 27.09.2008. Бюл. №27. 9 с.; 6 ил.
2. RU 2484490 C1 Российская Федерация, МПК G01R 31/34. Устройство диагностики асинхронных электрических двигателей / Хоменко А.П. (RU), Худоногов A.M. (RU], Каргапольцев С.К. (RU), Коноваленко Д.В. (RU); заявитель и патентообладатель ИрГУПС (RU); заявл. 03.10.2011; опубл. 10.06.2013. Бюл. №16. 6 с.; ил.
3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры семейства Tiny и Mega семейства Atmel, 5-е изд., стер. - М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2008. - 148 с.: ил.
4. HD44780 Datasheet // Electronic Components Datasheet Search URL: http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Hd44780 (дата обращения: 17.11.2017).
5. 1.8" Color TFT LCD display with MicroSD Card Breakout // Adafruit URL: https: / /www.adafruit com / products/358 (дата обращения: 17.11.2017).
6. Two Wire Serial EEPROMs // Atmel Corporation URL: www.atmel.com/ Images/doc0670.pdf (дата обращения: 17.11.2017).
7. MAX232x Dual EIA Drivers Receivers // Texas Instruments URL: www.ti.com/lit/ds/symlink/max232.pdf (дата обращения: 17.11.2017).
8. Преобразователь частоты OMRON VS mini j7 // Частотный преобразователь. URL: http: //chistotnik.ru/preobrazovatel-chastoty-omron-vs-mini-j7.html (дата обращения: 12.03.2018).
9. Степнов M.H. Статистическая обработка результатов механических испытаний. - М.: Машиностроение, 1972. - 230 с.