2836.Труды IX Международной (XX Всероссийской) конференции по автоматизирова

Рассматриваются некоторые новые возможности, которые могут быть обеспечены благодаря интеграции электропривода в так называемые новые информационные технологии: мобильные, облачные, «большие данные», «Интернет вещей», социальные сети.

The paper discusses some of the new possibilities that can be achieved due to the integration of electric speed drives in the so-called new information technologies: mobile, cloud, big data, "Internet of things", social networks.

Ключевые слова: электропривод, информационные технологии, промышленный интернет вещей.

Keywords: speed drives, information technologies, Industrial Internet of Things.

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы информационные или информа- ционно-компьютерные технологии бурно развиваются, и ни одно направление промышленности не свободно от их влияния. Не является исключением и приводная техника. Основой использования этих технологий являются коммуникационные сети. Современные устройства управления электропривода реализуют разнообразные сетевые протоколы, и нас в первую очередь интересуют возможности связи устройств управления с верхними уровнями в иерархической структуре систем автоматизации. Таким образом, вне области наших интересов оказываются такие протоколы «полевого» уровня, как CANOpen, Profibus PA и ASi. Напротив,

многие устройства управления приводом позволяют подключиться по Ethernet (порт либо встроенный, либо находится на устанавливаемой карте). Даже если устройство управления имеет порт последовательной связи, например, Modbus SL, то с помощью коммуникационного моста мы можем обеспечить выход на Ethernet. Здесь уместно подчеркнуть, что использование прото-

колов Ethernet в промышленности в начале своего предложения встречало обоснованную критику, так как в силу недетерминированности и наличия коллизий в общем случае передача пакетов не удовлетворяет требованиям реального масштаба времени. Однако при использовании определенных приемов при проектировании сети, в частности, при наложении ограничений на длину сегментов, время передачи сообщений удается гарантированно ограничить.

I. «ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ»

Популярную в последнее время тему «Интернета вещей» применительно к производственному предприятию часто называют промышленным Интернетом ве-

щей (Industrial Internet of Things, IIoT) [1]. В нем можно выделить следующие составные части: физический уровень и расположенные выше уровни реализации протоколов обмена информацией, а также программное обеспечение – приложения, которые выполняют традиционные или новые функции. Все эти компоненты применительно к сетям Ethernet внедрялись на производственных предприятиях на протяжении полутора десятилетий (например, первые устройства компании Schneider Electric для подключения преобразователей частоты Altivar 58 к сети Ethernet и веб-сервисам появились в 2001 г.), поэтому использование нового термина «промышленный интернет вещей» можно рассматривать лишь как маркетинговый ход, привлекающий внимание к тематике промышленных коммуникаций на основе Ethernet.

Еще один вектор развития, связанный с коммуникациями, а также повышением энергоэффективности, может быть основан на объединении в единую систему АСУТП цеха или цехов (включающую управление электроприводом) и системы управления энерго-

потреблением. В этом случае затраты на электроэнергию, потребляемую, например, двигателем, управляемым частотным преобразователем, могут быть получены по коммуникационной сети из частотного преобразователя (так как последний измеряет ток, напряжение, коэффициент мощности и т.д.). На этом участке технологического процесса не требуется установка дополнительных устройств мониторинга состояния питающей электросети, что представляет собой значительную экономию устройств измерения электрических параметров сети. С другой стороны, информация о подсистеме энергопотребления может показать, что параметры электропитания близки к критическим по перегрузке и, следовательно, существует большая вероятность отключения питающего напряжения. Без учета этой информации случился бы аварийный останов технологического процесса. В рассматриваемой же системе анализ информации о возможной близкой точке отключения питания позволяет оценить негативную тенденцию, и система может заранее перевести технологический процесс в режим безопасной остановки. Риск аварийной остановки технологического процесса оказывается значительно меньше, что экономит материальные и финансовые ресурсы и повышает качество продукции.

II.МОБИЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Сточки зрения заявленной темы встроенная плата

иупомянутый мост обеспечивают, как правило, не только обмен сообщениями между узлами сети, но и реализацию на прикладном уровне гипертекстового протокола HTTP, то есть реализацию веб-сервера с возможностью запуска человеком-пользователем на клиентском узле любой про- граммы-браузера. Это означает возможность использования браузера на планшете или смартфоне, то есть распространение мобильных технологий [2]. Веб-сервер в этом случае должен предусматривать возможность отображения информации ввариантах для полнофункционального режима работы и отображения на мобильном устройстве. Здесь стоит упомянуть и специальные приложения изготовителей оборудования для смартфонов, которые обеспечивают стандартные возможности по конфигурированию, например, преобразователей частоты для управления асинхроннымидвигателями.

III. «БОЛЬШИЕ ДАННЫЕ»

Включение электропривода в коммуникационную сеть создает условия для сбора детальных данных о двигателе и косвенно – об особенностях управляемого им технологического процесса. Будучи собранной на сервере, эта детальная информация может составить «большие данные» (Big Data) [3], использование которых позволяет достигнуть нового качества, так как проводимый энергомониторинг является основой для анализа, моделирования и прогнозирования затрат электроэнергии и других ресурсов. Такой подход лежит в основе мероприятий по разработке и внедрению сис-

темы энергоменеджмента на предприятии, которые должны проводиться в соответствии со стандартом ГОСТ Р ИСО 50001: 2012 [4]. Использование «больших данных» позволяет значительно повысить достоверность результатов анализа и приводит к значимым результатам энергосбережения.

IV. ОБЛАЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Подобный обмен информации между подсистемой АСУТП и подсистемой управления энергопотреблением может быть реализован с точки зрения организации вычислительного процесса по-разному. Один вариант более традиционный и основан на централизованном хранении информации на сервере или серверах производственного предприятия. Другой вариант может быть основан на облачном хранении в рамках корпорации или вне корпорации, что обеспечивает внешний оператор облачного сервиса. Первый вариант оказывается более затратным с точки зрения обеспечения работы аппаратных средств и финансовой составляющей, второй вариант более дешев и получает распространение в настоящее время, в первую очередь на Западе. Создание частного облачного решения может быть альтернативой как традиционному IT-решению, так и публичному облаку. Частное облако требует затрат, но, как показывает опыт предприятий на Западе [5], для больших компаний и ряда задач такое решение может быть выгодным с точки зрения инвестиций и перспективы развития. С помощью частного облака компания может увеличить доступность приложений или своих сайтов путем распределения трафика через различные локальные или глобальные коммуникационные ресурсы, уменьшить время отклика критичных серверов на запросы приложений, распределить контент на 10–20 узлов облака с целью размещения его ближе к конечным пользователям для сокращения расстояния перемещения данных, защитить серверы от внешних атак с помощью брандмауэра на уровне предприятия.

V. СОЦИАЛЬНЫЕ СЕТИ

Возможности тематики электропривода в социальных сетях в наименьшей степени технически обусловлены и связаны с конкретизацией этой темы в корпоративных (а не общедоступных) социальных сетях. Важная цель сетей такого рода состоит в создании условий для эффективной работы группы сотрудников над некоторой производственной задачей. В качестве примера можно привести бурно развивающуюся социальную платформу IBM Connections [6], позволяющую в рамках той или иной компании организовать создание групп сотрудников, проведение вебинаров, обмен почтой и мгновенными сообщениями, при этом IBM Connections представляет собой гибкую платформу с расширенной безопасностью для комплексной реализации стратегии использования собственных мобильных устройств (BYOD). Обеспечивается интеграция с приложениями Microsoft. В созда-

ваемых группах закрепляются роли «фасилитатора» (координатора), экспертов, технических работников и т.п. Тема электропривода в данном случае не является ведущей, тем не менее коммуникационные возможности группы в социальной сети для решения частных задач проектирования, тестирования, технической поддержки, внедрения проекта с использованием приводной техники достаточно велики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные соображения о возможности электропривода в новых информационных технологиях явля-

ются далеко не исчерпывающими. Автор рассчитывает на привлечение внимания к указанной теме как актуальной и перспективной.

Библиографический список

1.www.blog.schneider-electric.com/tag/internet-of-things/

2.Enterprise Mobility Management/ www.citoresearch.com

3.Большие данные и аналитика. http: //www.ibm.com/developerworks/ru/analytics/

4.Системы энергетического менеджмента. Требования и руководство по применению. ГОСТ Р ИСО 50001: 2012. М.: Стандарт-

информ, 2012. 60 с.

5.http: //www.softlayer.com/private-clouds

6.http: //www-03.ibm.com/software/products/ru/conn

Предложена модель рабочих характеристик асинхронного двигателя, учитывающая влияние вытеснения тока на активное сопротивление ротора на высших гармониках, а также увеличение магнитных потерь от гистерезиса и вихревых токов. Приведены результаты экспериментальных исследований рабочих характеристик асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты с синусоидальной модуляцией при различных частотах основной гармоники и сравнение этих характеристик с результатами моделирования по предложенной модели.

The operating characteristics model of the asynchronous motor is offered. This model considers influence of current displacement on the rotor resistance at higher harmonics, and also increase in magnetic losses from a hysteresis and eddy currents. Experimental research results of asynchronous motor operating characteristics in case of a supply from the frequency converter with sinusoidal modulation at different frequencies of first harmonic are given. Comparing of these characteristics with results of simulation on the offered model is given.

Ключевые слова: частотно-управляемый асинхронный двигатель, высшие гармоники напряжения питания, магнитные потери, рабочие характеристики, различные частоты основной гармоники питающего напряжения, экспериментальные исследования.

Keywords: frequency-controlled asynchronous motor, higher harmonics of supply voltage, magnetic losses, operating characteristics, first harmonic different frequencies of power voltage, experimental research.

ВВЕДЕНИЕ

Трехфазные частотно-управляемые асинхронные двигатели (ЧУАД) с питанием от ШИМ-инверторов с синусоидальной модуляцией находят все более широкое применение благодаря возможности плавного пуска и регулирования частоты вращения в широком диапазоне, что позволяет оптимизировать энергопотребление в различных режимах работы. Но наличие высших гармоник в кривой питающего напряжения приводит к повышению электрических и магнитных потерь, увеличению нагрева, снижению энергетических показателей [1, 2, 3, 9]. Поэтому возникает необходимость в создании методики расчета энергетических показателей ЧУАД с учетом названных факторов.

Целью наших исследований было моделирование рабочих характеристик ЧУАД по разработанной ранее модели [4] с учетом изменения частоты основной гармоники питающего напряжения и сопоставление данных, полученных расчетным путем, с результатами эксперимента.

I. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧУАДПРИ НЕНОМИНАЛЬНЫХ ЧАСТОТАХ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Исходная модель рабочих характеристик ЧУАД, подробно описанная в [4], базируется на Г-образной

Рис. 1. Схемазамещенияфазыасинхронногодвигателядляν-йгармоники питающегонапряжения: U1ν – напряжениеν-йгармоникифазыстатора;

I1ν , I ''2ν – фазныетокиν-йгармоникистатораиротора; R1 – активное сопротивлениеобмоткистатора; X1ν – индуктивноесопротивлениефазы статорадляν-йгармоники; X12ν – сопротивлениевзаимнойиндукции дляν-йгармоники; R12ν – активноесопротивлениецепинамагничивания дляν-йгармоники; c1ν – модулькомплексногокоэффициентаГ-образной

схемызамещения; R2' ξν и X2' ξν – соответственноактивноеииндуктив- ноесопротивленияфазыроторадляν-йгармоникисучетомвытеснения тока; I 0ν – реактивнаясоставляющаятокацепинамагничиваниядля высшейгармоники

схеме замещения асинхронного двигателя для различных гармоник питающего напряжения (рис. 1).

Модель [4] позволяет рассчитывать рабочие характеристики трехфазного ЧУАД при известных значениях высших гармоник питающего напряжения. Одновременно учитывается влияние вытеснения тока в обмотке ротора от действия высших гармоник напряжения [7], увеличение магнитных потерь в стали от гистерезиса и вихревых токов и дополнительные электрические потери от возникающих высших гармоник тока [5].

Для учета неноминальной частоты основной гармоники питающего напряжения в уравнения для расчета ряда параметров приведенной выше схемы замещения были внесены дополнения:

ная частота напряжения; β – коэффициент, зависящий от маркисталимагнитопровода.

Также для приближенного учета изменения потерь в стали при неноминальных частотах эти потери умно-

жались на коэффициент (k f )β . Названные изменения

были внесены в программу расчета рабочих характеристик частотно-управляемого асинхронного двигателя, составленную автором [4].

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ПИТАНИИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТАХ ОСНОВНОЙ ГАРМОНИКИ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Для экспериментальной проверки представленной модели [4] была использована установка на основе модернизированного [7] стенда САД-2 разработки Уфимского института автоматики и электромеханики. Модернизация заключалась в выводе отдельных разъемов, в которые был включен источник импульсного напряжения управляемой частоты ATV312H037N4 фирмы Schneider Electric. Силовая часть стенда (асинхронный двигатель АИР56А2У3 номинальной мощностью 180 Вт, напряжением 220/380 В, синхронной частотой вращения 3000 мин–1, нагрузочная машина постоянного тока МБП- 3Ш-Н номинальной мощностью 180 Вт, напряжением 27 В, частотой вращения 3000 мин–1 и устройства для ее управления) была оставлена без изменений.

Были сняты рабочие характеристики асинхронного двигателя при питании его импульсным напряжением основной частоты 50, 40 и 30 Гц. Несущая частота импульсов (частота коммутации) – 4000 Гц.

Измерялись действующие значения импульсных напряжений (линейных и фазных), линейных токов (соединение фаз – «звезда»), потребляемых мощностей фаз. Для измерений названных величин использовался цифровой измерительный прибор DM2434AB Power Meter класса точности 0,5. Измерение угловой скорости вращения агрегата осуществлялось при помощи фотоимпульсного датчика частоты вращения с жидкокристаллическим индикатором, входящего в состав стенда САД-2.

Полезная мощность на валу асинхронного двигателя рассчитывалась путем умножения угловой скорости на значение момента на валу агрегата. Этот момент определялся умножением измеряемого тока якоря нагрузочной машины на коэффициент, зависящий от тока возбуждения и определяемый по заранее снятой тарировочной кривой.

При снятии рабочих характеристик на стенде САД-2 приходилось ограничивать ток нагрузочной машины МБП-3Ш-Н во избежание ее перегрева, поэтому максимальные значения мощности на валу ЧУАД в опытах составили 121–164 Вт.

Далее были сняты осциллограммы фазных напряжений с помощью двухканального цифрового запоминающего осциллографа АКТАКОМ АСК-2034. Полученные с помощью осциллографа значения импульсного напряжения переносились в программу, составленную в MS Excel. При этом один период напряжения разбивался на соответствующее количество отрезков, на каждом из которых величина напряжения оставалась постоянной. Количество отрезков зависело от частоты основной гармоники, причем на один импульс напряжения приходилось по 10 отрезков, что позволяло учитывать изменение ширины импульсов при различных частотах основной гармоники. Так, при частоте 50 Гц период разбивался на 800 отрезков, при частоте 40 Гц –

на 1000 отрезков, при частоте 30 Гц – на 1333 отрезка. Ширина импульсов на каждом участке периода уточнялась по показаниям осциллографа. На рис. 1 приведен пример кривой фазного напряжения для частоты основной гармоники 50 Гц, выполненной средствами MS Excel. После обработки кривых фазного напряжения с помощью рядов Фурье были получены спектры гармоник импульсного напряжения для различных частот основной гармоники, которые приведены на рис. 2–5.

Гармонический состав импульсных напряжений, полученный экспериментально, в целом соответствует (с учетом погрешности дискретизации и шумового сигнала) спектру, характерному для трехфазной «векторной» ШИМ [10].

При проведении эксперимента все опыты шестикратно дублировались, затем находились средние значения исследуемых величин (потребляемой мощности P1 , по-

требляемого тока I1 , частоты вращения ротора ω, полезной мощности P2 , КПД η и коэффициента мощно-

сти λ ). Для каждой исследуемой величины определялись дисперсии и среднеквадратичные отклонения.

Зависимости усредненных значений названных величин от полезной мощности приведены на рис. 6–9 (линии с маркерами).

Для сравнения результатов расчета и эксперимента были выполнены поверочные расчеты асинхронного двигателя АИР56А2У3 по методике [6]: по его реальным размерам и обмоточным данным определены параметры схемы замещения и потери.

Затем по программе, составленной с помощью приведенной выше модели [4], и с учетом величин высших гармоник исследуемого напряжения, выполнен расчет рабочих характеристик нашего двигателя.

На рис. 6–9 представлены опытные и расчетные значения потребляемого тока I1, потребляемой мощности P1, КПД η и коэффициента мощности λ в функции

полезной мощности P2. Линиями с маркерами изображены результаты эксперимента, линиями без маркеров – результаты расчета по предлагаемой модели.

Рис. 3. Состав гармоник фазного напряжения исследуемого асинхронного двигателя при частоте основной гармоники питающего напряжения 50 Гц

Рис. 4. Состав гармоник фазного напряжения исследуемого асинхронного двигателя при частоте основной гармоники питающего напряжения 40 Гц

Рис. 6. Опытные и расчетные зависимости потребляемого тока асинхронного двигателя АИР56А2У3 при различных частотах основной гармоники импульсного напряжения

Рис. 7. Опытные и расчетные зависимости потребляемой мощности асинхронного двигателя АИР56А2У3 при различных частотах основной гармоники импульсного напряжения

ВЫВОД

Максимальные расхождения опытных и расчетных величин не превышают 16–19 %. Средние расхождения 7–8 %, что говорит об удовлетворительной точности предложенной модели рабочих характеристик ЧУАД. Таким образом, разработанная модель может быть использована при их исследовании и оптимальном проектировании асинхронных двигателей мощностью до нескольких сотен ватт.

Благодарности

Автор выражает благодарность студентам-выпускни- кам Вятского государственного университета А.Л. Машанову и В.П. Чегосову за активную помощь в экспериментальном исследовании характеристик частотно-уп- равляемого асинхронного двигателя.

Библиографический список

1.Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. 3-е изд., перераб. М.: Энергоиздат, 1982. 218 с.

Рис. 8. Опытные и расчетные зависимости КПД асинхронного двигателя АИР56А2У3 при различных частотах основной гармоники импульсного напряжения

Рис. 9. Опытные и расчетные зависимости коэффициента мощности асинхронного двигателя АИР56А2У3 при различных частотах основной гармоники импульсного напряжения

2.Сандлер А.С., Сарбатов Р.С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями. М.: Энергия, 1974. 328 с.

3.Фираго Б.И., Регулируемые электроприводы переменного тока. М.: Техноперспектива, 2006. 363 с.

4.Шестаков А.В. Математическая модель рабочих характеристик асинхронных двигателей с частотным управлением // Электро-

техника. 2011. № 2. С. 23–29.

5.Gerlando A. Perini Di, R. Evaluation of the Effects of the Voltage Harmonics on the Extra Iron Losses in the Inverter Fed Electromagnetic Devices // IEEE Transactions of Energy Conversion. 1999. Vol. 14, No. 1. P. 57–65.

6.Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Б.К. Клоков [и др.]. М.: Высшая школа, 2002. 767 с.

7.Шестаков А.В., Желнин В.В., Исмиев, Р.Н. Теоретическое и экспериментальное исследование рабочих характеристик асинхронного двигателя при импульсном питании // Общество, наука, инновации (НПК-2014): материалы открыт. всерос. науч.-практ.

конф., 16–25 апр. 2014 / ВятГУ. Киров, 2014. С. 2030–2032.

8.Радин В.И., Лондин И., Розенкоп В.Д. Унифицированная серия асинхронных двигателей «Интерэлектро». М.: Энергоатомиздат, 1990. 416 с.

9.Копылов И.П., Беспалов В.Я. Переходные процессы в асинхронных двигателях при несинусоидальном напряжении // Электри-

чество. 1971. № 8. С 41–44.

10.Обухов С.Г., Чаплыгин Е.Е., Кондратьев Д.Е. Широтно-импульс- ная модуляция в трехфазных инверторах напряжения // Элек-

тричество. 2008. № 8. С 23–32.

Приводятся результаты исследований асинхронного электропривода с положительной динамической обратной связью по току статора. Эксперименты проводились с внешним аналоговым блоком обработки и формирования управляющего сигнала и программируемым логическим контроллером. Алгоритмы коррекции основаны на проведенных ранее теоретических исследованиях и компьютерном моделировании. Эксперименты проводились на промышленном оборудовании производства фирмы

Schneider Electric.

The article presents the studies results of the asynchronous electric drive with positive dynamic feedback on stator current. Experiments were carried out with external analog processing and generating a control signal unit and the programmable logic controller. Correction algorithms are based on previously conducted theoretical studies and computer modeling. As the pilot used industrial equipment Schneider Electric production.

Ключевые слова: положительная обратная связь, преобразователь частоты, программируемый логический контроллер, асинхронный электропривод.

Keywords: positive feedback on stator current, frequency converter, programmable logic controller, an induction electric drive.

ВВЕДЕНИЕ

Опыт работы с реальными промышленными объектами показал, что получить требуемые статические и динамические характеристики асинхронного электропривода, применяя только стандартные настройки преобразователя частоты, в некоторых случаях достаточно сложно. Особенно тогда, когда по техническим, экономическим и другим причинам невозможна установка дополнительных датчиков, например, датчикаскорости.

I. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

На протяжении нескольких лет проводились исследования возможности коррекции динамики электропривода внешними связями по току статора двигателя. Для этого в лаборатории была собрана аналоговая схема обработки и формирования управляющих сигналов (рис. 1). Проведенные с ее помощью эксперименты

Современный асинхронный электропривод реализуется на базе силовой полупроводниковой техники с применением микропроцессорного управления. Его возможности позволяют обеспечить регулирование выходных координат привода в широком диапазоне, с высокой точностью и быстродействием.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема аналоговой обработки и формирования управляющих сигналов (для преобразователя частоты QZ1 показаны только цепи управления)