ANALIZA WYBRANYCH SYSTEMÓW CIĄGŁEGO POMIARU POBORU MOCY W URZĄDZENIACH ODLEWNICZYCH

Transkrypt

1 169/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (2/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (2/2) PAN Katowice PL ISSN ANALIZA WYBRANYCH SYSTEMÓW CIĄGŁEGO POMIARU POBORU MOCY W URZĄDZENIACH ODLEWNICZYCH R. WRONA 1, E. ZIÓŁKOWSKI 2, W. PTAK 3 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE W artykule zaprezentowano wybrane charakterystyki techniczne urządzeń wchodzących w skład systemów monitoringu poboru mocy przez urządzenia odlewnicze. Przedstawione systemy są obecnie analizowane i testowane w Katedrze Mechanizacji, Automatyzacji i Projektowania Odlewni na Wydziale Odlewnictwa AGH (KMAiPO) pod względem ich przydatności w badaniach wpływu wybranych parametrów technologicznych na pobór mocy i zużycie energii przez określone maszyny i urządzenia odlewnicze. Key words: power consumption, computer monitoring 1. WPROWADZENIE Szczegółowa analiza poboru mocy przez badaną maszynę czy urządzenie odlewnicze, zarówno w aspekcie technologicznym jak i ekonomicznym, jest możliwa wówczas, gdy dysponuje się systemem ciągłego monitoringu poboru mocy czynnej, biernej i całkowitej. Monitorowanie to można zrealizować za pomocą specjalizowanych przyrządów pomiarowych, które stanowią samodzielną jednostkę rejestrującą pobór mocy i/lub energii elektrycznej, albo za pomocą układów pomiarowych połączonych z komputerem. W pracy zostaną przedstawione charakterystyki techniczne i analiza praktycznej przydatności elementów systemów pomiarowych, którymi dysponuje KMAiPO. 1 Prof. dr hab. inż., rwrona@agh.edu.pl 2 Dr inż., ez@agh.edu.pl 3 Mgr, wptak@agh.edu.pl 521

2 2. WYBRANE CHARAKTERYSTYKI TECHNICZNE SAMODZIELNEGO PRZYRZĄDU POMIAROWEGO EM 3000 Energy Monitor 3000 (rys. 1) jest przyrządem pomiarowym przeznaczonym do samodzielnej rejestracji poboru mocy oraz zużycia energii elektrycznej dla urządzeń jednofazowych o maksymalnej mocy 3 kw/kvar/kva. Rys. 1. Widok miernika Energy Monitor 3000 [1] Fig. 1. Energy Monitor 3000 [1] Przyrząd ten w układzie zasilania jednofazowego realizuje pomiar: napięcia przemiennego (napięcie robocze wynosi 230 V AC/50 Hz), prądu całkowitego o maksymalnej wartości 13 A, częstotliwości prądu, mocy czynnej i całkowitej z rozdzielczością 0.1 W (dla zakresu pomiarowego W) i rozdzielczością 1 W (dla zakresu W), wartości współczynnika cosφ z rozdzielczością 0.01, wraz z sygnalizacją charakteru mocy biernej (indukcyjna lub pojemnościowa). Energy Monitor 3000 rejestruje również zużycie energii elektrycznej odbiornika jednofazowego oraz jego czas pracy. Po wprowadzeniu wskaźników kosztu energii elektrycznej, możliwe jest wyświetlenie przewidywanego kosztu pobranej energii elektrycznej. Miernik ten zapamiętuje także wartości minimalne i maksymalne każdej mierzonej wielkości. Dokładność pomiaru poboru mocy jest rzędu ±2 % ±2 W dla pomiarów do 2500 W oraz ±4% ±4 W dla pomiarów w zakresie 2500 W do 3000 W. Licznik zużytej energii elektrycznej pozwala na pomiary w zakresie od 1W/h do kw/h. Ten przyrząd pomiarowy można stosować praktycznie tylko w warunkach laboratoryjnych, gdyż jest przewidziany do pracy w temperaturach ºC, w zamkniętym pomieszczeniu i suchym otoczeniu. Nie jest możliwe połączenie tego miernika na przykład z komputerem. 522

3 3. WYBRANE CHARAKTERYSTYKI TECHNICZNE CĘGOWEGO MIER- NIKA POBORU MOCY BM155 FIRMY BRYMEN Miernik BM155 firmy Brymen [2] jest przeznaczony do pomiarów: mocy czynnej, biernej i pozornej do 600 kw/kvar/kva, współczynnika cosφ, wskaźnika oceny zawartości harmonicznych THD (do 51 harmonicznej), zdefiniowanego jako stosunek sumarycznej rzeczywistej wartości skutecznej wszystkich harmonicznych do rzeczywistej wartości skutecznej odpowiadającej częstotliwości podstawowej i wyrażonego w %, napięcia przemiennego w zakresie V (pasmo khz), napięcia stałego w zakresie V, prądu przemiennego w zakresie A (maksymalnie 1000 A), częstotliwości w zakresie Hz. Rys. 2. Widok miernika cęgowego BM155 firmy Brymen [2] Fig. 2. BM155 clamp-on multimeter [2] Miernik BM155 posiada automatyczny wybór funkcji pomiarowej na podstawie mierzonego sygnału oraz pomiar rzeczywistej wartości skutecznej True RMS. Miernik ten można połączyć z komputerem za pomocą zestawu do komunikacji BR15X, składającego się z: przewodu do komunikacji szeregowej zakończonego z jednej strony wtykiem RS232 do komputera klasy PC, a z drugiej strony optoizolowanym wtykiem do miernika BM155, oprogramowania do komunikacji komputera PC z miernikiem. Miernik BM155, po dołączeniu dodatkowej sondy typu K umożliwia pomiar temperatury w zakresie ºC. Temperatura pracy tego przyrządu wynosi 0 40 ºC, przy czym maksymalna wilgotność względna może wynosić 80% dla zakresu temperatur 0 30 ºC lub 50% dla zakresu temperatur ºC. 523

4 4. KOMPUTEROWY SYSTEM POMIARU POBORU MOCZ NA BAZIE MODUŁU ROZWOJOWEGO EVAL-ADE7754EB FIRMY ANALOG DEVI- CES W KMAiPO wykonano urządzenie stanowiące element komputerowego systemu pomiaru poboru mocy trójfazowych urządzeń odlewniczych. Zastosowano moduł rozwojowy EVAL-ADE7754EB firmy Analog Devices, Sercem tego modułu jest specjalizowany układ scalony ADE7754EB firmy Analog Devices, który zawiera między innymi sześć 16-bitowych przetworników analogowo-cyfrowych, przeznaczonych do pomiaru wartości napięć i prądów w układach trójfazowego zasilania odbiorników energii elektrycznej. Na rysunku 3 przedstawiono schemat modułu rozwojowego EVAL-ADE7754EB [3]. Rys. 3. Schemat modułu rozwojowego EVAL-ADE7754EB [3] Fig. 3. The evaluation board EVAL-ADE7754EB diagram [3] Płyta rozwojowa EVAL-ADE7754EB umożliwia podłączenie sygnałów napięciowych z poszczególnych faz oraz sygnałów prądowych z transformatorowych przekładników prądowych. Bardzo ważną zaletą tego modułu jest galwaniczne odseparowanie części analogowej (pomiarowej) od części cyfrowej, łączącej za pomocą portu równoległego moduł z komputerem klasy IBM PC. Wraz z płytą rozwojową firma Analog Devices dostarcza gotowy program do obsługi modułu. Program ten bazuje na silniku systemu LabView i umożliwia zarówno wpisywanie odpowiednich wartości do poszczególnych rejestrów układu ADE7754, jak również odczyt mierzonych wielkości i ich zapis do pamięci masowej komputera. 524

5 Bardzo ważnym elementem całego układu pomiarowego są odpowiednie przetworniki wartości mierzonego prądu. W wykonanym systemie pomiarowym zastosowano transformatorowe przekładniki prądowe koreańskiej firmy TAEHWATRANS Co., Ltd., znanej z produkcji precyzyjnych przekładników prądowych i cewek Rogowskiego. Przekładniki te mają klasę dokładności 0.5 i charakteryzują się izolacją rzędu 100 MΩ oraz odpornością na przebicia rzędu 4 kv na minutę. Częstotliwość robocza tych przekładników wynosi Hz. 5. KONCEPCJA KOMPUTEROWEGO SYSTEMU REJESTRACJI CHWILO- WYCH WARTOŚCI POBORU MOCY W KMAiPO realizowany jest obecnie projekt komputerowego systemu ciągłej rejestracji wartości chwilowych poboru mocy przez trójfazowe urządzenia odlewnicze. System ten powinien realizować następujące zadania [4]: pomiar chwilowych wartości poboru składników mocy czynnej, biernej i pozornej, zarówno w układach zasilania jednofazowego, jak i trójfazowego 3- i 4-przewodowego, oddzielenie galwaniczne torów pomiarowych od portów komunikacyjnych komputera, przesyłania wyników do komputera, w którym zainstalowany jest program służący do gromadzenia, przetwarzania i wizualizacji tych wyników, realizację dużej liczby pomiarów w jednostce czasu o wysokiej dokładności. Do budowy tego systemu zastosowano specjalizowany układ scalony CS5451A firmy Cirrus Logic oraz przetworniki napięcia LV-25P i przetworniki prądu LA-25-NP firmy LEM. System został zaprojektowany tak, aby realizował pomiary w zakresie V i do 25 A, czyli do W/Var/VA dla każdej fazy zasilania. Przetwarzanie danych pomiarowych i ich transmisja do komputera są realizowane przez układ mikroprocesora ATMega32 firmy Atmel z wykorzystaniem modułu komunikacji szeregowej FT245BM firmy Future Technology Devices Intl. Ltd. System ten jest obecnie w fazie uruchamiania [4]. 6. PODSUMOWANIE Wymienione powyżej cztery warianty możliwości realizacji pomiaru poboru mocy i zużycia energii elektrycznej, którymi dysponuje KMAiPO, pozwalają zrealizować większość zaplanowanych badań maszyn i urządzeń odlewniczych. Miernik Energy Monitor 3000 umożliwia pomiar poboru mocy do 3 kw/kva oraz zliczanie zużytej energii elektrycznej oraz czasu pracy urządzenia jednofazowego. Urządzenie jest autonomiczne i nie ma możliwości połączenia go z komputerem. Miernik BM155 firmy Brymem jest doskonałym rozwiązaniem w pomiarach poboru mocy urządzeń jedno- i trójfazowych. Możliwość pomiaru wskaźnika THD oraz 525

6 wartości True RMS pozwala na realizację badań także w układach z falownikami i w sieci energetycznej, w której występują silnie zniekształcone sygnały. Urządzenie to pozwala także na wykonywanie pomiarów odbiorników o nietypowych wartościach napięcia zasilania w zakresie od V i o mocy maksymalnej 600 kw/kvar/kva. Połączenia miernika, poprzez optoizolowane łącze, z komputerem stwarza możliwość ciągłej rejestracji mierzonych parametrów o stosunkowo dobrej dokładności. Wykonane w KMAiPO urządzenie pomiarowe, oparte o moduł rozwojowy EVAL-ADE7754EB firmy Analog Devices, pozwala na realizację pomiarów poboru mocy i zliczanie zużytej energii elektrycznej dla urządzeń jedno i trójfazowych o maksymalnym poborze mocy do 4,5 kw/kvar/kva. Urządzenie to musi być w trakcie jego pracy połączone z komputerem. Przeznaczone jest do realizacji pomiarów w sieci energetycznej o niewielkich zakłóceniach. Najbardziej obiecującym systemem jest realizowane obecnie urządzenie na bazie specjalizowanego układu scalonego CS5451A firmy Cirrus Logic. System ten pozwoli na rejestrację bardzo dużej liczby pomiarów w jednostce czasu, przez co umożliwi badanie dynamiki zmian poboru mocy urządzeń odlewniczych jedno- i trójfazowych o maksymalnej mocy 12,5 kw/kvar/kva. Pomiary mogą być realizowane także w warunkach silnie zniekształconych sygnałów w sieci energetycznej. LITERATURA [1] [2] [3] [4] Wrona R., Ziółkowski E.: Koncepcja systemu monitoringu chwilowego poboru mocy przez maszyny i urządzenia odlewnicze. Mat. XXIX Konferencji Naukowej z okazji Święta Odlewnika Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków, 2005, s Praca statutowa realizowana w ramach etapu 2006 r. AN ANALYSIS OF SELECTED SYSTEMS OF CONTINUOUS POWER CONSUMPTION MEASUREMENT IN CASTING DEVICES SUMMARY In the paper the selected technical data of the devices being the elements of the monitoring system of power consumption by foundry machines have been presented. Described system are currently analysed and tested in Mechanization, Automation and Foundry Designing Department of the Foundry Engineering Faculty (UST AGH) in terms of their usability in the examinations of the selected technological parameters impact on power and energy consumption by casting machines and devices. Recenzował: Prof. Zbigniew Górny 526