2809.Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике

Содержание работы. Основу мо-

бильной испытательной станции составляет ноутбук промышленного класса с подключенной к нему через интерфейс USB-платой ввода-вывода из состава NI CompactRIO. Плата ввода-вывода подключается к оборудованию испытательного стенда при помощи коннектора, состоящего в основном из датчиков тока и напряжения. Для регулирования тока возбуждения испытуемой синхронной машины при снятии ее характеристик используется штатный, входящий в комплект оборудования возбудитель или дополнительный статический тиристорный возбудитель с микропроцессорной системой управления (например, Simoreg DC Master). Структурная схема такой системы представлена на рис. 1. В ноутбуке содержится программный комплекс, который позволяет:

–производить снятие необходимых характеристик в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах;

–дистанционно управлять всем процессом испытаний;

–производить обработку полученных данных и определять статические и динамические параметры испытуемой машины;

–автоматически формировать отчет

орезультатах испытаний;

– заносить результаты испытаний для сохранения в базу данных.

К процессу испытаний, как и к процессу производства синхронных машин, предъявляются требования, которые оговариваются в соответствующих стандартах. Анализ требований стандартов Российской Федерации (ГОСТ), Международной электротехнической комиссии (МЭК) и Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) к испытаниям синхронных машин показал, что основные опыты и методы обработки их результатов, приведенные в стандартах разных стран, в основном совпадают [1–6]. Испытания состоят из опытов холостого хода, короткого замыкания, V-образной характеристики, нагрузочного испытания со снятием угловой характеристики и испытания в длительном режиме для определения нагревов. Из этих опытов по предварительно снятым характеристикам определяются статические параметры машины. К ним относятся: синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси машины (насыщенное и ненасыщенное значение); расчетное индуктивное сопротивление; ток возбуждения, соответствующий номинальному напряжению по характеристике холостого хода; номинальный ток возбуждения; ток возбу-

ждения при установившемся коротком замыкании, соответствующий номинальному току обмотки якоря; составляющая тока возбуждения воздушного зазора; отношение короткого замыкания; статическая перегружаемость; ток реакции якоря, приведенный к ротору; ток симметричного короткого замыкания; коэффициент насыщения стали сердечника; кратность тока короткого замыкания. Одновременно со снятием характеристик холостого хода и короткого замыкания параллельно снимаются характеристики потерь холостого хода и потерь короткого замыкания и по методу тарированного приводного двигателя определяются отдельные составляющие потерь и КПД испытуемой машины. Основным опытом определения динамических параметров машины на протяжении более 75 лет является опыт внезапного трехфазного короткого замыкания. Данный опыт рекомендуется всеми вышеперечисленными стандартами. К динамическим параметрам относятся постоянные времени и индуктивные сопротивления обмоток машины.

Требование соблюдения стандартов определило структуру разработанного программного комплекса для автоматизации испытаний синхронных неявнополюсных машин. Комплекс SMTest (рис. 2) реализован в среде графического программирования LabVIEW. Он состоит из взаимосвязанных виртуальных приборов (ВП): ВП опыта холостого хода (no_load_test.vi); ВП опыта установившегося короткого замыкания (short_circuit_ test.vi); ВП опыта V-образной характеристики (v-curve_test.vi); ВП построения диаграммы Потье (potier_diagram_vi); ВП опыта внезапного трехфазного короткого замыкания (SSCT.vi); ВП снятия переходной характеристики и определения параметров ПИД-регулятора (transient_ response_ testi.vi); ВП снятия угловой ха-

рактеристики (load-angle-curve_test.vi);

ВП формирования отчета (report.vi) и программы управления процессом испытаний (SMTest.vi). Структура комплекса открыта и при необходимости допускает возможность включения дополнительных ВП.

Рис. 2. Структурная схема программного комплекса SMTest

Программный комплекс SMTest представляет собой кросс-платформен- ное приложение, которое способно работать под управлением любой операционной системы (например, операционной системы семейств Windows, Linux, OS X

и др.), поддерживающей драйверы NIDAQ и набор библиотек Run-time engine.

Для определения статических параметров в виртуальных приборах использованы алгоритмы аналитической интерпретации графических построений, изложенных в стандартах. Характеристики машины аппроксимируются уравнениями регрессии различных порядков с контролем среднеквадратичной нормы. Для исключения больших случайных выбросов при аппроксимации применено известное правило «3 сигма». В дальнейшем по найденным аналитическим зависимостям производится автоматическое построение диаграммы Потье и по формулам определяются основные статические параметры, потери и КПД машины [7].

Определение динамических параметров машины в ВП SSCT.vi происходит в 3 этапа:

30 % от уровня полезного сигнала, относительная погрешность не превышает 3 %. Такое значение погрешности обусловлено тем, что для выделения огибающих используются только участки кривой переходного процесса возле экстремальных точек.

На программы Angle.vi и OVKZ.vi,

а также на комплекс SMTest получены свидетельства о государственной реги-

страции [10–12].

Для сокращения времени снятия статических характеристик испытуемой машины в автоматическом или ручном режиме в структуре комплекса имеются специально разработанные ВП: nsv_sit_pid_cjntrol.vi, nsv_sit_if_cjntrol.vi и nsv_sit_read_data.vi – для синтеза кон-

тура регулирования тока возбуждения с ПИД-регулятором, который обеспечивает форсировку возбуждения с допустимым значением перерегулирования. Предварительное снятие переходной характеристики, на основании которой рассчитываются оптимальные параметры настройки регулятора по критерию модульного оптимума, производится в ВП transient_response_testi.vi. Оптималь-

ные параметры настройки регулятора определяются в ВП PID_optimization.vi,

входящего в состав ВП transient_ response_testi.vi.

Моделированием установлено, что программно-аппаратная реализация предложенного способа форсировки при автоматическом снятии статических характеристик синхронных машин в диапазоне мощностей от 320 кВт до 12,5 МВт позволит сократить время снятия характеристик в 3–5 раз [13]. Этот показатель приведет к снижению затрат на проведение испытаний машин средней и большой мощности.

Для проверки работоспособности предлагаемой мобильной испытательной станции и функций разработанного для

нее программного обеспечения был создан лабораторный стенд на базе синхронного генератора Г273 от автомобиля КамАЗ (рис. 3, 4) [14].

Рис. 3. Внешний вид лабораторного стенда

Рис. 4. Испытуемый синхронный генератор (слева) и приводной тарированный асинхронный двигатель (справа) (защитный кожух с машин снят)

В состав стенда входят:

• асинхронный короткозамкнутый двигатель АИР72В2 с номинальными паспортными данными: Pн = 1,1 кВт,

Uн = 380 В, Iн = 2,5 A, nн = = 2990 об/мин, ηн = 78,5 %, cosφн = 0,8;

•блок управления стендом и регулирования тока возбуждения синхронного генератора;

•блок нагрузки синхронного генератора;

•мобильная испытательная станция, которая, в свою очередь, состоит:

− из ноутбука промышленного клас-

са под управлением операционной сис-

темы Windows;

−программного обеспечения для проведения опытов (комплекс SMTest);

−платы сбора данных NI USB-6210 (16 аналоговых входов, 4 цифровых входа, 4 цифровых выхода, два 32-битных счетчика, питание от шины USB);

−кросс-коннектора, состоящего из блока стандартных датчиков тока и напряжения с гальванической развязкой на основе элементов Холла и блока питания датчиков.

На рис. 5 приведена характеристика КПД синхронного генератора Г273, полученная с помощью мобильной станции.

Рис. 5. Характеристика КПД генератора: сплошная линия – полученная в автоматическом режиме; точки – значения КПД, полученные в ручном режиме, по показаниям измерительных приборов

Создание лабораторного стенда с машинами средней и большой мощности сопряжено с большими финансовыми затратами. Кроме того такой стенд должен иметь в своей структуре высокона-

дежную систему предотвращения аварийных ситуаций. В связи с этим для тестирования разработанного программного комплекса применительно к испытуемым синхронным машинам средней и большой мощности были использованы современные средства программноаппаратного моделирования (HIL).

Реальный физический объект – испытуемая синхронная электрическая машина – был заменен математической моделью, которая реализована в среде визуального моделирования MatLAB + Simulink. Модель конвертировалась мастерской реального времени Real Time Workshop и с использованием набора библиотек Simulation Interface Toolkit

среды разработки LabVIEW загружалась на контроллер NIPXIe-8133, где выполнялась в среде реального времени. Связь разработанного программного комплекса с испытуемой моделью синхронной машины также осуществлялась с использованием набора библиотек Simulation Interface Toolkit. Структурная схема полученного программно-аппаратного комплекса приведена на рис. 6. Технические характеристики контроллера NIPXIe-8133 позволяют гарантировать то, что время протекания всех процессов в модели и сами процессы будут полностью соответствовать реальному объекту. Влияние помех, возникающих в каналах связи вычислительного комплекса с реальным объектом, учитывалось

спомощью генератора случайных чисел

снормальным законом распределения.

Спомощью HIL-моделирования программный комплекс SMTest был протестирован на моделях машин серии СТД в диапазоне мощностей от 320 кВт до 12,5 МВт. В качестве примера на рис. 7 приведена характеристика холостого хода, полученная с модели синхронного двигателя СТД-800-2 (мощностью 800 кВт).

Рис. 6. Структурная схема программноаппаратного комплекса

Рис 7. Характеристика холостого хода, снятая с модели двигателя СТД-800-2

Анализ результатов исследования показал, что при достижении в каналах связи уровня помех 30 % от полезного сигнала отклонение в идентификации параметров испытуемой машины не превышает 6 %.

Заключение. Разработанный программный комплекс SMTest является совершенно новым программным продуктом, реализованным в современной среде графического программирования LabVIEW и рассчитанным на использование современных аппаратных средств фирмы National Instruments. Структура комплекса и его функции определены таким образом, что они не противоречат требованиям отечественных и зарубежных стандартов, в то же время обеспечивают комплексность автоматизации

256

процесса испытаний и достоверность получения результатов испытаний синхронных машин средней и большой мощности.

Разработка и внедрение мобильных и стационарных испытательно-диагно- стических станций, на которых будет установлен комплекс SMTest, позволит:

−увеличить производительность испытаний за счет сокращения времени снятия характеристик и экспресс-обра- ботки результатов испытаний;

−увеличить точность и достоверность испытаний за счет использования более точных методов и алгоритмов и исключения в результатах субъективных ошибок;

−автоматически формировать отчет

орезультатах испытаний конкретной марки машины;

−создавать архив результатов испытаний всех испытанных марок машин;

−построить автоматизированную систему управления качеством производства синхронных машин

Работа выполняется по гранту Российского фонда фундаментальных исследований на 2014–16 гг., проект № 14-07-00104 «Разработка мобильной испытательно-диагностической станции электрических машин переменного тока», руководитель проекта – Э.В. Любимов. На ранних стадиях в работе принимали участие студенты-диплом- ники специальности «Электромеханика» кафедры «Электротехника и электромеханика» М.Э. Юшков и Е.А. Матвеев.

Список литературы

1. ГОСТ Р 52776–2007. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики (введ. 31.10.2007). – М.: Стандартинформ, 2008. – 69 с.

зователя классического исполнения. Таким образом, оценить эффективность якоря синхронного двигателя с кольцевыми обмотками можно, например, рассчитав удельную тангенциальную составляющую усилия электромагнитного поля, полученного путем моделирования данной конструкции в среде ANSYS.

Известно, что главными размерами электрической машины называются внутренний диаметр статора и его длина. При этом D – внутренний диаметр магнитной системы якоря, а l – длина магнитной системы якоря. В магнитной системе якоря с кольцевыми обмотками длина магнитной системы якоря примерно в 1,25 раза больше длины магнитной системы ротора. Далее под l будем понимать длину магнитной системы ротора.

Основные геометрические размеры электрической машины, такие как внутренний диаметр статора и длина воздушного зазора между статором и ротором, а также ее мощность, скорость вращения и электромагнитные «нагрузки» связаны выражением

Величина СА называется «машинной постоянной» Арнольда. Обратная величина 1/CA = KA называется коэффициентом использования машины (или коэффициентом Эссона) [2].

Если преобразовать формулу «машинной постоянной» к следующему виду:

щающий момент, то можно видеть, что CA определяет «объемный» расход материалов на единицу расчетного момента.

Следовательно, KA определяет расчетный момент на единицу объема.

О степени использования активных материалов можно судить по удельной

тангенциальной составляющей усилия

(кН/м2)

где P′ – расчетная мощность машины (кВт – для машин постоянного тока; кВА – для машин переменного тока); D и lδ – внутренний диаметр и длина статора, м. Очевидно, что σKA =1/ CA [3].

Проанализировав изложенное, можно сделать вывод о том, что удельная тангенциальная составляющая усилия может выступать в роли критерия так называемого правильного проектирования машины. Этот критерий показывает, насколько грамотно спроектирована машина с точки зрения затраченных материалов (объема электромагнитного ядра) и получаемой из них максимальной силы.

Покажем это на примере расчета удельной тангенциальной составляющей усилия для синхронных двигателей различной мощности (таблица).

Удельные окружные усилия различных машин находятся примерно на одном уровне, причем независимо от их режима работы, вида возбуждения и мощности. В некоторых случаях у машин малой мощности удельное окружное усилие даже выше, чем у машин большой мощности.

Приведенный подход к оценке эффективности использования материалов справедлив для любых синхронных машин классического исполнения. Таким образом, данный подход можно применить для оценки эффективности использования материалов к машине неклассического исполнения – синхронному двигателю с кольцевыми обмотками.

Для расчета значения удельного тангенциального усилия синхронного двигателя с кольцевыми обмотками использовалась математическая модель, реализованная и рассчитанная в пакете ANSYS [2]. В качестве ротора синхронного двигателя с кольцевыми обмотками принят ротор синхронного двигателя мощностью 16 кВт.

С целью проверки правильности выполнения расчета в той же среде был произведен расчет синхронного двигателя классического исполнения мощностью 16 кВт с таким же ротором. Для двигателя классического исполнения было определено значение удельного

тангенциального усилия, которое было сопоставлено со значениями удельных окружных усилий, приведенных выше.

В процессе расчета для обоих двигателей были получены угловые характеристики тангенциальных составляющих электромагнитных сил, действующих между полюсом и статором, из которых определялся максимум этих составляющих и проводился расчет удельной тангенциальной составляющей усилия электромагнитного поля для каждого двигателя (рис. 1, 2).