APLIKACJA NISKOCZĘSTOTLIWOŚCIOWEJ METODY POMIARU I PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW NA POTRZEBĘ MONITOROWANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH

Transkrypt

1 Mazyny Elektryczne - Zezyty Problemowe Nr /016 (110) 9 Marcin Jaraczewki, Ryzard Mielnik, Maciej Sułowicz Politechnika Krakowka, Kraków APLIKACJA NISKOCZĘSTOTLIWOŚCIOWEJ METODY POMIARU I PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW NA POTRZEBĘ MONITOROWANIA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH THE LOW-FREQUENCY MEASURING METHOD AND SIGNAL PROCESSING APPLICATION IN CAGE INDUCTION MOTORS MONITORING Strezczenie: Obecnie można zauważyć coraz więkze zatoowanie ytemów monitoringu pracy ilników elektrycznych z wykorzytaniu układów mikroproceorowych. Częto wykorzytuje ię takie ytemy do pomiaru podtawowych parametrów pracy ilnika, takich jak: prąd i napięcie zailania, czy też pobór mocy czynnej i biernej. Dotychczaowe metody pomiaru tych parametrów wymagały toowania metod wymagających tounkowo dużej czętotliwości próbkowania mierzonych ygnałów oraz tounkowo dużej mocy obliczeniowej dla przetwarzania uzykanych danych pomiarowych. W pracy przedtawiono nowy poób pomiaru i uzykania parametrów wymienionych, powyżej, ale wymagający równoległego próbkowania chwilowych wartości prądu i napięcia z czętotliwością zaledwie 8 Hz. Także ormuły obliczeniowe zatoowanej metody przetwarzania ą tounkowo prote, co pozwala na ich aplikację w protych układach mikroproceorowych. W pracy przedtawiono podtawy teoretyczne zatoowanej metody pomiaru i przetwarzania, toowny chemat blokowy mikroproceorowego ytemu pomiarowego z mikrokontrolerem ATMega 18, a także przedtawiono algorytm działania ytemu. Wykonano badania laboratoryjne dla ilnika małej mocy i porównano wyniki z klayczną metodą pomiarową. Abtract: Currently, it can be noticed the increaed ue o monitoring ytem o electric motor baed on microproceor ytem. Such ytem oten meaure the baic motor operating parameter uch a the input voltage and current or active and reactive input power. So ar the meaurement method o the above-mentioned parameter needed a relatively high-ample-rate ignal and a relatively high computing power to proce the acquired data. The paper preent a new method to meaure and calculate the load main parameter with the ue o parallel ampling method o current and voltage at only 8 Hz ample rate. The ued calculation ormula are alo relatively imple o it allow to apply them in imple microproceor ytem. The paper provide a theoretical bai o applied meauring and proceing method and appropriate microproceor block diagram o the ytem with the ue o microcontroller ATMega 18, a well a the algorithm o the ytem. The laboratory tet or the low-power motor wa perormed and the reult have been compared to the tandard meauring method. Słowa kluczowe: mazyny elektryczne, monitoring parametrów zailania, ytem pomiarowy, mikrokontroler Keyword: electrical machine, power upply parameter monitoring, meauring ytem, microcontroller 1. Wtęp Monitorowanie parametrów zailania, takich jak moc czynna, bierna, wartość kuteczna prądu, napięcia zailania jet ważną i użyteczną inormacją wykorzytywaną w terowaniu urządzeniami, jak i w protaniu wymogom jakości energii ytemu zailającego. W zczególności bardzo ważna jet minimalizacja mocy biernej w układach napędowych z ilnikami indukcyjnymi klatkowymi oraz jej ciągłe monitorowanie. Obecne toowane techniki pomiaru mocy czynnej, biernej oraz wartości kutecznej prądu i napięcia, oparte ą o cyrowe platormy pomiarowe wykorzytujące duże czętotliwości próbkowania ygnałów wejściowych oraz wymagają dużej liczby próbek przypadających na okre mierzonego ygnału. W technikach tych ma zatoowanie kryterium Nyquita, które wymaga co najmniej dwóch próbek ygnału wejściowego przypadających na okre tego ygnału mierzonego. Tak np. dla mierzonego ygnału inuoidalnego 50-cio hercowego, wg wpomnianego kryterium, trzeba używać czętotliwości próbkowania o wartości przynajmniej 100 Hz, a w praktyce wartość tej czętotliwości dochodzi nawet do kilku khz. Do wyznaczenia mocy i wartości kutecznych ygnału wejściowego używane ą ormuły cał-

2 10 Mazyny Elektryczne - Zezyty Problemowe Nr /016 (110) kowe, koztowne obliczeniowo, tzn. wymagające drożzych układów cyrowego przetwarzania np. proceorów. W artykule przedtawiono inny poób pomiaru i wyznaczenia mocy czynnej i biernej pobieranej przez ilnik zailany napięciem inuoidalnie zmiennym o czętotliwości 50 Hz oraz wartości kutecznej napięcia i prądu zailania, z czętotliwością próbkowania ygnału wynozącą zaledwie 8 Hz. Przy tak nikiej czętotliwości próbkowania ygnałów prądu i napięcia ( < = 50 Hz), nie jet wymagany zaawanowany proceor i układ pomiarowy, a jedynie proty układ pomiarowy z tanim mikroproceorem.. Metoda pomiaru mocy i wartości kutecznych napięcia i prądu Itota poobu pomiaru mocy pobieranej przez dwójnik, zailany napięciem inuoidalnie zmiennym o czętotliwości 50 Hz oraz wartości kutecznej napięcia i prądu tego dwójnika polega na tym [1] że, mierzy ię dwukrotnie wartości chwilowe napięcia i prądu zailającego dwójnik (w chwili t 1 a potem t ), uzykując pary wartości u 1 = u(t 1 ) oraz i 1 = i(t 1 ) dla pierwzego pomiaru i u = u(t ) oraz i = i(t ) dla drugiego pomiaru. Czętotliwość próbkowania wyznaczana jet ze wzoru: i wynoi ona: gdzie: π π = (N + 1) (1) = 4 () n + 1 czętotliwość ygnału badanego (liczba całkowita), czętotliwość próbkowania ygnału (liczba całkowita), n liczba całkowita. Dla ygnału inuoidalnego o czętotliwości = 50 Hz, czętotliwość próbkowania tego ygnału, w unkcji liczby całkowitej n, wynoi: 1 = 4 = 00 (3) n + 1 N + 1 Dla przebiegów o czętotliwości =50 Hz, czętość próbkowania, będąca liczbą całkowitą mniejzą od 50, jet równa =8 Hz lub =40 Hz przy n odpowiednio równym lub 5. Wybrana oczywiście zotaje mniejza czętotliwość próbkowania tj. =8 Hz. Wówcza moc czynną P wylicza ię ze wzoru: i( t) u(t) + i( t ) u (t ) P = moc bierną Q wylicza ię ze wzoru: Q = ( i( t) u ( t ) i( t ) u( t) ) (4) (5) Wartość kuteczną prądu I RMS wylicza ię ze wzoru: I RMS = i ( t) + i (t ) 1 1 (6) Wartość kuteczną napięcia U RMS wylicza ię ze wzoru: U RMS = u ( t) + u (t ) 1 1 (7) 3. Mikroproceorowy moduł pomiarowy mocy i wartości kutecznych napięcia i prądu Schemat blokowy mikroproceorowego układu pomiarowego wartości mocy czynnej P i biernej Q oraz wartości kutecznej prądu i napięcia dwójnika zailanego napięciem 50 Hz przedtawia Ry. 1. wejcie prądowe wejcie napieciowe I + W1 AC1 - PP1 U PP + W - SC EC1 EC AC wyświetlacz LCD mikrokontroler ATMega 18 moduł karty SD klawiatura Ry. 1. Schemat blokowy mikroproceorowego układu pomiaru mocy czynnej i biernej oraz wartości kutecznej napięcia i prądu dwójnika zailanego napięciem inuoidalnym 50 Hz W powyżzym chemacie blokowym wyróżniono: PP1 - pomiarowy przetwornik prądowy typu LEM HY5 i pomiarowy przetwornik napięcia PP typu LEM LV-5P. Oba przetworniki przetwarzają wejściowe y-

3 Mazyny Elektryczne - Zezyty Problemowe Nr /016 (110) 11 gnały na ygnał napięcia w zakreie +/-5 V, W1 i W - analogowe wzmacniacze pomiarowe, których zadaniem jet dopaowanie ygnałów wyjściowych z przetworników PP1 i PP na wartości wymagane na wejściach przetworników analogowo cyrowych, AC1 i AC przetworniki, które przetwarzają chwilowe wartości analogowych ygnałów wejściowych na odpowiadające im próbki cyrowe. Próbki te ą uzykane dzięki ygnałowi terującemu SC z mikrokontrolera, który rozpoczyna równoległą konwerję przetwarzania przetworników analogowo cyrowych AC1 i AC, MC - mikrokontroler ATMega 18, którego zadaniem jet generowanie, co 15 m ygnału SC tartu przetwarzania przetworników analogowo cyrowych, a po zakończeniu przetwarzania, dzięki ygnałom EC1 i EC, końca przetwarzania analogowo cyrowego przetworników, zapiuje parę chwilowych wartości próbek cyrowych, napięcia U i prądu I. Po odpowiednim przekalowaniu uzykanych wartości chwilowych zgodnie ze wzorami przedtawionymi w rozdziale niniejzej pracy, ą obliczane parametry mocy i wartości kuteczne ygnałów, wyświetlacz LCD wyświetlający na bieżąco wyniki pomiarów, moduł karty SD, do której ą zapiywane pozykane wartości ygnałów, klawiaturę numeryczną, której zadaniem jet wybór podtawowych unkcji ytemu Realizacja przętowa układu Realizację praktyczną opianej powyżej unkcjonalności pomiarowego ytemu mikroproceorowego wykonano w oparciu o moduł Pro- ATMega18 v.0 produkcji PPHU Adatronik [3]. Układ ten poiada wiele gotowych i przydatnych unkcji przętowych, które zotały wykorzytane w budowie opiywanego prototypu ytemu monitorującego. Z unkcji tych można wymienić: zabudowę mikrokontrolera typu ATMega18 w obudowie TQFP64 i czętotliwości taktowania 16 MHz wraz z układem jego zerowania po włączeniu napięcia zailania lub zerowania ręcznego oraz złączem typu ISP do programowania mikrokontrolera, wypoażenie portów mikrokontrolera w 10-tykowe złącza typu IDC, w których ygnały wejścia/wyjścia ą w takiej amej kolejności, dzięki czemu możliwe jet izyczne łączenie portów za pomocą przewodu taśmy z innymi układami, zabudowę driver a wraz z konwerterem poziomów napięć dla czytnika kart pamięci typu SD, 4-bitowe złącza do podłączenia wyświetlacza LCD oraz złącza zeregowego w tandardzie USB, zabudowany analogowy obwód wejściowy dla przetworników analogowo - cyrowych A/C, (cztery kanały pracujące w zakreach napiec wejściowych: +,5V, +/-,5V i +5V dla V re =+,5V) oraz iltr dolnoprzeputowy typu RC dla każdego wejścia analogowego, zabudowane źródło napięcia odnieienia dla przetworników A/C zbudowanym na układzie TL431, zabudowane diody LED ygnalizujące tany logiczne wybranych punktów modułu, zabudowany impulowy tabilizator napięcia +5V, zailany napięciem zewnętrznym 8 30V DC z gniazda typu,1 mm lub litwy zacikowej 5 mm wraz z zabezpieczeniem przed błędnym napięciem zailania i z ygnalizacyjną diodę LED obecności napięcia zailania oraz konwertera napięcia zailania +5V na -5V zbudowanym na układzie ICL7660 oraz tabilizator liniowy napięcia +3,3V, wraz z diodą LED ygnalizującą obecność napięcia tego zailania, wykonanie płyty modułu z dwuwartwowej płyty drukowanej o wymiarach 100 mm x 160 mm x 1,5 mm wraz z polem lutowniczym z ratrem 0,1 (,54 mm). Ze względu na wymóg równoległego, tzn. w tym amym czaie t [n], odczytu wartości chwilowych napięcia i prądu nie można było wykorzytać wewnętrznego przetwornika analogowo cyrowego A/C mikrokontrolera ze względu na to, że pracuje on w tzw. trybie zeregowym, co oznacza, że ygnały wejściowe ą przetwarzane ekwencyjnie z pewnym opóźnieniem. Dlatego też w polu lutowniczym modułu zabudowano (zalutowano) układ przetworników analogowo cyrowych, które zotały podłączone do magitral mikrokontrolera w taki poób, by tart przetwarzania analogowo cyrowego rozpoczął ię w tej amej chwili czaowej t [n], co jet wymagane w prezentowanym poobie pomiaru opianym w rozdziale.

4 1 Mazyny Elektryczne - Zezyty Problemowe Nr /016 (110) Na Ry. pokazano wykonany moduł mikroproceorowego ytemu pomiarowego mocy i wartości kutecznej prądu i napięcia. 3.. Oprogramowanie układu Oprogramowanie modułu pomiarowego wykonano w języku C. Oprogramowanie to działa zgodnie z przedtawionym algorytmem pokazanym na Ry. 3. Ry.. Mikroproceorowy ytem pomiarowy mocy i wartości kutecznej prądu i napięcia zrealizowany na bazie modułu Pro-ATMega18 v.0 START klawiz "wtecz" Inicjalizacja modułów: LCD, UART, ADC, timery 0 i 1 (Menu pomiaru) Naciśnięto klawiz? klawiz "" zapi pomiarów na kartę SD klawiz "1" (Menu) Naciśnięto klawiz? klawiz "" Tet na LCD klawiz "3" utawienia menu i podwietlania klawiz "wtecz" Nacinieto klawiz? Nacinieto klawiz? klawiz "wtecz" klawiz "1" włączenie przerwania timer 0 = 15 m zapianie utawień klawiz "zaznaczanie" Wyświetlanie wyników pomiaru na LCD NIE Naciśnięty klawiz "top"? TAK Ry. 3. Algorytm pracy ytemu pomiarowego Po włączeniu zailania i inicjalizacji układu na wyświetlaczu LCD ukazuje ię menu z 3-ma opcjami umożliwiającymi: tetowanie wyświetlacza, utawienia podświetlania menu, zapiie zgromadzonych danych pomiarowych i obliczonych wartości mocy, prądu i napięcia na kartę pamięci typu SD. W zależności od rodzaju wciśniętego klawiza na klawiaturze można przejść do pozczególnych unkcji ytemu. Po naciśnięciu klawiza, natępuje tetowanie wyświetlacza LCD. Po

5 Mazyny Elektryczne - Zezyty Problemowe Nr /016 (110) 13 przeprowadzeniu tetu można powrócić do menu głównego, lub nacikając klawiz 1 przejść do wykonywania pomiarów, a natępnie wykonaniu toownych obliczeń oraz wyświetleniu wyników na wyświetlaczu LCD. W proceie tym uaktywniona jet obługa przerwania wywoływanego co 15 m () ygnałem z timera 0. Tak więc, co 15 m będzie odświeżany wyświetlacz z wynikami obliczonych wartości z pomiarów. Za każdą iteracją przerwania wyniki bieżących pomiarów ą wpiywane do pamięci RAM mikrokontrolera. Powyżzy proce pomiaru, wyświetlenia oraz zapiu danych do pamięci RAM odbywa ię tak długo, aż nie zotanie wciśnięty klawiz top. Sytem przechodzi do głównego menu, z którego po wciśnięciu klawiza można zapiać dane pomiarowe i obliczone z pamięci RAM mikrokontrolera na kartę pamięci SD. Dane te można przetwarzać dalej np. na komputerze tacjonarnym, do którego zotaną przekopiowane przechowywane dane na karcie pamięci SD. PRZERWANIE timer 0 I1 := kanal 1 AC U1 := kanał AC I1 =: I1 * i U1 := U1 * u IRMS := SQRT(0,5 * (I1* I1 + I *I)) URMS := SQRT(0,5 * (U1* U1 + U * U)) biernej Q oraz wartości kutecznych prądu i napięcia. 4. Badania układu i wyniki pomiarów Podcza tetu układu przeprowadzono monitorowanie parametrów zailania ilnika indukcyjnego 3-azowego Sg 11M-4 o mocy 4 kw. Silnik podcza badań był zailany z ieci napięciem ymetrycznym 3 x 400V inuoidalnie zmiennym. Przeprowadzono badania dla dwóch różnych metod pomiarów podcza rozruchu ilnika oraz przy pracy w tanie utalonym. Przebiegi chwilowych wartości kutecznych mocy czynnej i biernej, prądu i napięcia zailania przedtawiono na Ry.5 do Ry.7. a r] w, [W M oce Cza [] P - Q - P - Q - Ry. 5. Przebieg mocy P i Q otrzymanych przy czętotliwości próbkowania mikrokontrolera =8 Hz i karty pomiarowej =10 khz P :- 0,5 * (I1 * U1 + I * U) Q := 0,5 * (I1 * U - I * U1) I := I1 U := U1 RETURN Ry. 4. Algorytm obługi przerwania od timera0 realizujący pomiar wartości chwilowych ygnałów i obliczeniu mocy, prądu i napięcia ] [V e ę ci N api U - U - Na Ry. 4 przedtawiono algorytm obługi przerwania. Algorytm ten odczytuje z przetworników analogowo cyrowych chwilowe wartości mierzonego napięcia i prądu, a pozapinaniu ich w pamięci RAM i przekalowaniu zgodnie ze tałymi przetworników napięcia i prądu obliczane ą wg zaimplementowanych ormuł matematycznych podanych w rozdziale, a dotyczące wartości mocy czynnej P, mocy Cza [] Ry. 6. Przebieg wartości kutecznej napięcia otrzymanego przy czętotliwości próbkowania mikrokontrolera =8 Hz i karty pomiarowej =10 khz

6 14 Mazyny Elektryczne - Zezyty Problemowe Nr /016 (110) ] [A P rąd Cza [] I - I - Ry. 7. Przebieg wartości kutecznej prądu otrzymanego przy czętotliwości próbkowania mikrokontrolera =8 Hz i karty pomiarowej =10 khz Metodę klayczną pomiarów z użyciem karty pomiarowej NI USB 659 i przetworników pomiarowych LEM potraktowano jako wzorcową. Wymagała ona czętotliwości próbkowania znacznie wyżzych, niż przy zaproponowanej przez autorów drugiej metodzie z użyciem układu z mikrokontrolerem. Sygnały prądu i napięcia, przez układ pomiarowy z kartą pomiarową, próbkowano z czętotliwością 10 khz. W alternatywnej metodzie pomiaru ygnały prądu i napięcia próbkowano z czętotliwością, a otrzymane wyniki przebiegu mocy czynnej P i biernej Q nie różnią ię w poób itotny od wartości uzykanych metodą dokładną - wzorcową. Do uzykania tych próbek użyto mikroproceorowego modułu pomiarowego. Należy podkreślić, że monitorowano jedną azę ilnika, gdyż ilnik pracował przy ymetrycznym zailaniu napięciem 3-azowym o kolejności zgodnej. Założono, że do monitorowania poprawności zailania łużą inne urządzenia, takie jak: moduły zabezpieczeń zwarciowych, detektory kolejności i zaniku azy. Zaproponowane rozwiązanie dla pomiarów w jednej azie bez znacznie więkzych koztów można rozbudować do pomiarów parametrów w pozotałych azach. 5. Wnioki Metodę próbkowania 8-hertzowego można toować z powodzeniem do monitorowania wolnozmiennych obciążeń mazyn i urządzeń elektrycznych, a w zczególności w utalonym tanie pracy. Uzykane inormacje o mocy czynnej i biernej mazyny, czy urządzenia oraz o wartościach kutecznych prądu i napięcia mogą być użyte do terowania mocą czynną i/lub do kompenacji mocy biernej tego urządzenia w ytuacji, kiedy podlegają one powolnym zmianom. Zaletą tego typu metody jet to, że toując tounkowo niedrogie mikrokontrolery (wypoażone w co najmniej dwa wejścia analogowe) można terować mazyną lub urządzeniem i jednocześnie mierzyć ich moce bez potrzeby wprowadzania dodatkowych drogich modułów pomiarowych. 6. Literatura [1]. Jaraczewki M., Mielnik R.: Spoób pomiaru parametrów mocy pobieranej przez dwójnik, zailany napięciem inuoidalnie zmiennym o czętotliwości 50 Hz oraz wartości kutecznej napięcia i prądu tego dwójnika (metoda próbkowania równoległego), Zgłozenie patentowe P []. Jaraczewki M., Mielnik R.: Spoób pomiaru parametrów mocy pobieranej przez dwójnik, zailany napięciem inuoidalnie zmiennym o czętotliwości 50 Hz oraz wartości kutecznej napięcia i prądu tego dwójnika (metoda próbkowania zeregowego), Zgłozenie patentowe P [3] Autorzy dr inż. Marcin Jaraczewki Politechnika Krakowka, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Intytut Elektrotechniki i Inormatyki ul. Warzawka 4, Kraków jaracz@pk.edu.pl dr inż. Ryzard Mielnik dr inż. Maciej Sułowicz Politechnika Krakowka, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Intytut Elektromechanicznych Przemian Energii ul. Warzawka 4, Kraków rmiel@pk.edu.pl; mulowicz@pk.edu.pl