Меню

Датчики с преобразователями тока в частоту

Контроль нагрузки электродвигателя при помощи датчика тока Seneca T201

Введение

На сегодняшний день электродвигатели используются во всех отраслях промышленности. При этом, как известно, ток потребления электродвигателя зависит от характера нагрузки.

Яркими примерами технологических процессов, где измерение тока двигателя очень важно, являются:

  • измельчение твердого продукта (дробление);
  • поддержание консистенции (перемешивание);
  • экструзия при помощи шнекового пресса.

В этой статье будут рассмотрены основные проблемы, возникающие при автоматизации подобных процессов и различные пути для их решения.

Техника безопасности

1. Примеры технологических процессов

1.1. Измельчение твердого продукта (дробление)

На рисунке 1 показана типовая дробильная установка.

Типовая дробильная установкаРисунок 1 — Типовая дробильная установка

  • конвейера, который осуществляет подачу сырья;
  • непосредственно самой дробилки.

В обоих случаях применяются электродвигатели. Сырьем для дробилки зачастую является горная порода.

Избыточная подача сырья приводит к перегрузке электродвигателя, вращающего дробилку. Недостаточная подача, в свою очередь, свидетельствует о неэффективном использовании ресурсов имеющегося оборудования, т.к. влечет за собой работу в холостом режиме, а следовательно и негативный экономический эффект. Для достижения наилучшей эффективности процесс подачи материала необходимо автоматизировать.

Схема управления в таком случае достаточно проста: в зависимости от загруженности дробилки регулируется скорость подачи сырья, т. е. конвейера. Это возможно осуществить с помощью преобразователя частоты (ПЧ). Для этого необходимо подключить к ПЧ датчик, который будет являться обратной связью. Этого достаточно для организации самостоятельного узла управления.

Алгоритм работы системы заключается в следующем: сигнал от датчика обратной связи показывает текущий уровень загрузки дробилки. В зависимости от этого, преобразователь частоты будет уменьшать или увеличивать обороты двигателя подающего конвейера.

В качестве датчика обратной связи могут применяться оптические или ультразвуковые датчики (рисунок 2).

Определение уровня в дробилке ультразвуковым датчикомРисунок 2 — Определение уровня в дробилке ультразвуковым датчиком

Датчик производит измерение уровня бесконтактно и передает сигнал на частотный преобразователь. Соответственно, чем выше уровень материала, тем выше нагрузка на двигатель дробилки.

Однако, у таких решений есть несколько недостатков. Если процесс дробления сопровождается образованием пыли, использование оптических датчиков невозможно, так как пыль препятствует прохождению светового луча. Этого недостатка лишены ультразвуковые датчики, которые работают даже при высокой запыленности. Тем не менее, оба описанных метода измерений не учитывают размер фракции горной породы, от которого наиболее зависит нагрузка электродвигателя.

1.2. Поддержание консистенции (перемешивание)

В процессах, связанных с перемешиванием продукта (например, производство шоколада), зачастую возникает необходимость отслеживать консистенцию (степень густоты) среды.

Типовой промышленный миксерРисунок 3 — Типовой промышленный миксер

Консистенцию можно определять, основываясь на плотности перемешиваемого продукта. Однако, определение плотности является сложной задачей, связанной с рядом особенностей:

  • большинство датчиков плотности (плотномеров) предназначены для работы только с маловязкими жидкостями;
  • плотномеры требуют непосредственного контакта со средой. Установка их в емкость проблематична из-за наличия перемешивающего устройства;
  • повышенная температура ограничивает применение некоторых датчиков;
  • постоянно работающий миксер вносит погрешность в измерения.

В связи с этим, от определения плотности зачастую либо отказываются, либо определяют её в лаборатории.

1.3. Экструзия при помощи шнекового пресса

Еще один вид процессов, в которых возникает необходимость отслеживания режимов работы электродвигателя — процессы экструзии с использованием шнековых прессов. При этом происходит формирование изделий из полимерных материалов путем выдавливания расплава через специальную форму. Один из типовых примеров такого процесса — экструзия пластика.

На рисунке 4 приведена функциональная схема такого процесса.

Функциональная схема процесса экструзииРисунок 4 — Функциональная схема процесса экструзии

Сырье загружается сначала в бункер, а после поступает непосредственно в пресс с помощью подающего шнека. Для вращения подающего шнека и шнекового пресса используются асинхронные двигатели.

Неравномерная подача сырья приводит к образованию воздушных пустот в расплаве и нежелательных полостей в готовых изделиях. А в случае избыточной подачи сырья может возникнуть перегрев бункера из-за передачи температуры от расплавленной массы.

Поэтому регулирование скорости подачи сырья из бункера обязательно для выпуска качественной продукции и повышения производительности.

2. Нагрузка на валу двигателя и ток потребления

Все описанные процессы имеют общую черту, а именно: применение асинхронных электродвигателей для различных задач. Благодаря этому свойству, задача автоматизации этих процессов становится не такой сложной, как кажется на первый взгляд.

Как уже было упомянуто ранее, при увеличении нагрузки на валу двигателя увеличивается и ток, потребляемый им. Таким образом, именно ток определяет текущий режим работы двигателя. Зная текущий ток потребления, можно судить о состоянии оборудования и процесса в целом. На шильдике двигателя указывается его номинальный ток, соответствующий нормальному режиму работы двигателя. Помимо этого, есть несколько других режимов:

  • Холостой ход. Соответствует работе двигателя без нагрузки (как правило, порядка 30% — 50% от номинального тока).
  • Перегрузка. Двигатель потребляет больший ток, чем номинальный (индивидуально для каждой модели, принято считать ток свыше 110. 120% от номинального).

Для отслеживания тока потребления наиболее подходящими датчиками являются измерительные преобразователи тока Seneca T201, которые и будут рассмотрены далее.

3. Бесконтактные датчики тока Seneca T201

Внешний вид датчиков тока

Рисунок 5 — Внешний вид датчиков тока

Внешне датчики похожи на классические измерительные трансформаторы тока, однако функционально это уже другие приборы.

Рассмотрим их отличительные особенности:

  • в отличие от трансформаторов тока, измерительные преобразователи тока Seneca на выходе формируют унифицированный аналоговый сигнал (4. 20мА или 0. 10В) или имеют цифровой интерфейс RS-485 и протокол Modbus RTU;
  • преобразователи серии T201 имеют высокий класс точности и имеют свидетельство об утверждении типа средств измерений;
  • принцип действия обычных трансформаторов тока основывается на электромагнитной индукции и рассчитан на работу с переменным током. В линейке датчиков тока Seneca присутствуют и модификации, способные работать как на переменном, так и на постоянном токе (T201DCH, основанные на эффекте Холла);
  • преобразователи T201 обладают высокой перегрузочной способностью (например, для стандартной модификации Т201 — до 800А);
  • в датчиках предусмотрена возможность настройки диапазона измерения с помощью DIP-переключателей, а также включения фильтрации, для игнорирования превышения тока индуктивной нагрузки при пуске.

Описанные преимущества позволяют успешно использовать датчики во всех описанных выше технологиях:

  1. Измельчение твердого продукта (дробление). В процессе дробления можно добиться автоматического поддержания скорости движения конвейера в зависимости от загрузки двигателя дробилки. Использование токовых датчиков T201 наиболее предпочтительно, так как потребляемый двигателем ток напрямую зависит от нагрузки на валу, определяемой размером фракции сырья (см. рисунок 6). Функциональная схема контроля работы скорости подающего конвейераРисунок 6 — Функциональная схема контроля работы скорости подающего конвейера
  2. Поддержание консистенции (перемешивание). В процессах перемешивания также используются бесконтактные датчики тока (рисунок 7). На основании измеренного тока формируется зависимость загруженности двигателя от консистенции сырья. Полученные таким образом данные о консистенции (плотности) используются в системе автоматического регулирования процесса перемешивания. Контроль тока потребления промышленного миксераРисунок 7 — Контроль тока потребления промышленного миксера
  3. Экструзия при помощи шнекового пресса. Измерение тока двигателя шнекового пресса позволяет регулировать скорость подачи сырья из бункера. Это реализуется при помощи частотного преобразователя, управляющего двигателем подающего шнека. Датчик тока Т201 подключается к ПЧ и выступает в качестве датчика обратной связи для автоматического регулирования. Функциональная схема процесса приведена на рисунке 8. Контроль подачи сырья в экструдерРисунок 8 — Контроль подачи сырья в экструдер

4. Пример применения датчиков Seneca T201

Рассмотрим более подробно применение бесконтактных измерителей тока в процессах дробления совместно с частотным преобразователем.

В примере используется частотный преобразователь ELHART EMD-MINI. ПЧ имеет аналоговый вход 4. 20 мА (0. 10 В), который можно использовать для задания скорости вращения. При этом логика регулирования будет обратной: чем больше сигнал от датчика тока (выше нагрузка), тем медленнее должен вращаться конвейер. Если контейнер дробилки загружен слишком сильно, то подача нового материала должна быть остановлена на некоторое время.

Бесконтактный датчик подбирается по номинальному току основного двигателя (дробилки), который указывается на шильдике. Датчик следует подбирать с запасом, при этом существует возможность подстройки диапазона измерения датчика. К примеру, если номинальный ток двигателя дробилки составляет 23А, то можно использовать преобразователь Seneca T201, настроенный на диапазон 0. 30А. Настройка датчика осуществляется при помощи DIP-переключателей, расположенных на корпусе (необходимое положение переключателей показано на рисунке 9).

Настройка диапазона работы датчика DIP-переключателямиРисунок 9 — Настройка диапазона работы датчика DIP-переключателями

В свою очередь, частотный преобразователь подбирается по номинальному току двигателя конвейера. Для подключения датчика Т201 к ПЧ дополнительно понадобится блок питания =24V DC. На рисунке 10 принципиальная электрическая схема подключения:

Принципиальная электрическая схема подключения

Сигнал от измерителя тока Seneca T201 подключается на аналоговый вход преобразователя частоты. Для работы ПЧ в режиме измерения тока 4. 20 мА необходимо установить DIP-переключатель на корпусе частотного преобразователя в положение, показанное на рисунке 11.

Установка dip-переключателя преобразователя частоты

Рисунок 11 — Установка dip-переключателя преобразователя частоты

В данном примере к дискретному выходу ПЧ подключена сигнальная лампа для индикации перегрузки основного двигателя. Данный выход можно также использовать и для других целей (например, для остановки частотного преобразователя).

Настройки преобразователя частоты приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Настройки преобразователя частоты

Параметр Знач. Описание
Р117 8 Сброс на заводские настройки
Р000 10 Параметр, отображаемый на дисплее частотного преобразователя: отображение величины обратной связи ПИД-регулятора
Р209 * Номинальное напряжение электродвигателя конвейера в вольтах. Настраивается для защиты двигателя подающего механизма. Устанавливать согласно шильдику электродвигателя.
Р210 * Номинальный ток электродвигателя конвейера в амперах. Настраивается для защиты двигателя подающего механизма. Устанавливать согласно паспорту на электродвигатель.
Р300 1 Настройка минимального и максимального напряжения на аналоговом входе. Значения «1» и «5» соответствуют сигналу 4. 20 мА.
Р301 5
Р325 14 Логика работы выходного реле преобразователя частоты. Значение «14» соответствует срабатыванию по превышению верхнего уровня аналогового сигнала для индикации перегрузки основного двигателя (дробилки).
Р600 1 Активация ПИД-регулятора.
Р604 ** Уставка ПИД-регулятора. Этот параметр определяет, насколько должен быть загруженным двигатель дробилки/перемешивающего устройства.
Определяется как P 604 = I ном ⋅ раб . т . / I диап , P604=I_ном cdot раб.т. / I_диап,

где:
Iном – номинальный ток двигателя дробилки;
Iдиап – верхний предел диапазона датчика тока (в нашем примере 30А);
раб.т. — оптимальная загруженность двигателя в процентах (как правило, находится в пределах 80. 100% от номинального тока).

Верхнее значение аварийного сигнала ПИД-регулятора. Параметр определяет, при каком токе двигателя дробилки срабатывает сигнальная лампа. Определяется из номинального тока двигателя и диапазона измерения датчика тока.

Управление преобразователем частоты внешним переключателем.

Настраивается в случае, если запуск конвейера необходимо осуществлять с помощью внешнего переключателя

* — Зависит от параметров применяемого двигателя
** — Параметр настраивается в зависимости от объекта

Заключение

В описанном выше примере применение преобразователя частоты совместно с датчиком тока позволяет осуществлять точный контроль подачи материала, при этом:

  • повышается экономическая эффективность, так как исключается простой оборудования;
  • осуществляется дополнительная защита основного двигателя дробилки за счет остановки подачи материала;
  • уменьшается влияние человеческого фактора за счет автоматизации процесса.

В данной статье были рассмотрены три типовые примера применения датчиков тока Seneca T201 в процессах дробления, перемешивания и экструзии. Во всех рассмотренных случаях использование этих датчиков является оптимальным решением для контроля нагрузки электродвигателя.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Черемисин П.В.

Список использованной литературы:

  1. Руководство по эксплуатации. Преобразователь частоты EMD-MINI
  2. Паспорт. Датчик тока Т201
  3. Stephen J. Chapman: Electric Machinery Fundamentals. 5th edition. 2012.
  4. Ким В.С. Теория и практика экструзии полимеров. — М.: Химия, КолосС, 2005. — 568с.

Источник

Преобразователи частоты

В данной статье мы рассмотрим что такое частотный преобразователь, сферы применения преобразователей частоты, их плюсы и минусы, а также схемы частотников.

  1. Виды преобразователей частоты
  2. Способы управления преобразователем
  3. Режимы управления частотными преобразователями
  4. Преимущества частотных преобразователей
  5. Сферы применения

Преобразователи частоты (или частотники) – электротехническое оборудование для регулирования частоты переменного напряжения. Основная сфера применения этих устройств – изменение частоты вращения и крутящего момента электрических машин асинхронного типа. Принцип действия управления и регулирования основан на зависимости скорости вращения магнитного поля от частоты питающего напряжения.

Асинхронные электродвигатели широко используются в качестве приводов промышленного оборудования, насосных агрегатов, регулирующей арматуры и других устройств. Основным недостатком этих электрических машин являются постоянная скорость вращения, большие пусковые токи. При помощи частотных преобразователей возможно устранить эти недостатки и существенно расширить сферу применения электродвигателей переменного тока.

Виды преобразователей частоты

Частотные преобразователи различаются по конструкции, принципу действия, способу управления. По конструктивному исполнению преобразователи частоты разделяют на две большие группы:

Электромашинные частотники.

Электромашинные или индукционные преобразователи частоты представляют собой двигатели переменного тока, включенные в режим генератора. Применяются такие электротехнические устройства относительного редко, в условиях, где затруднено или невозможно применение электронных частотных преобразователей.

Электронные преобразователи.

Полупроводниковые ЧП состоят из силовой части, выполненной на транзисторах или тиристорах, и схемы управления на базе микроконтроллеров. Это электротехническое оборудование пригодно для трехфазных и однофазных приводов любого назначения. Различают ЧП с непосредственной связью с питающей сетью и устройства с промежуточным звеном постоянного тока.

Непосредственные преобразователи частоты

Такие частотники построены на базе быстродействующих тиристорных преобразователей, включенных по мостовым, перекрестным, нулевым и встречно-параллельным схемам.

Устройства такого типа включаются непосредственно в питающую сеть.

Плюсы непосредственных преобразователей частоты:

  • Возможностью рекуперации электроэнергии в сеть при работе в режиме торможения двигателя. Непосредственное включение обеспечивает двусторонний обмен электричеством.
  • Высоким к.п.д. за счет однократного преобразования частоты.
  • Возможностью наращивания мощности за счет присоединения дополнительных преобразователей.
  • Широким диапазоном низких частот. Непосредственные преобразователи обеспечивают стабильную работу привода на малых скоростях.

Минусы непосредственных преобразователей частоты:

  • Аппроксимированная форма выходного напряжения с наличием постоянных составляющих и субгармоник. Такая форма переменного напряжения на выходе устройства вызывает дополнительный нагрев двигателя, снижает момент, создает помехи.
  • Частота напряжения на выходе преобразователя не превышает аналогичную характеристику сетевого напряжения. Таким образом, при помощи этих устройств можно только снижать скорость вращения двигателей.
  • Основная сфера непосредственных преобразователей – электроприводы на базе асинхронных и синхронных двигателей большой и средней мощности.

Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока.

Частотные преобразователи этого типа выполнены на базе схемы двойного преобразования. Питающее сетевое напряжение преобразуется в постоянное, затем сглаживается и инвертируется в переменное выходное напряжение заданной частоты.

Плюсы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Возможностью получения выходного напряжения с частотой как выше, так и ниже аналогичного параметра сети питания. Частотники на базе схемы двойного преобразования используют для высоко- средне- и низкоскоростных электроприводов.
  • Чистой синусоидальной формой напряжения на выходе. Схема преобразователя позволяет получать переменное напряжение с минимальным отклонением от синусоидальной формы.
  • Возможностью построения простых и сложных силовых и управляющих схем для приводов с различными требованиями к скорости реагирования, диапазону скоростей.
  • Возможностью адаптации к сетям постоянного тока. Преобразователи данного типа можно приспособить для питания от резервных и аварийных источников постоянного тока без дополнительных устройств. Это позволяет применять такие частотники в приводах ответственного оборудования с резервными источниками электроэнергии.
  • Разнообразием алгоритмов управления. Преобразователи со звеном постоянного тока можно запрограммировать и адаптировать практически ко всем электроприводам, в том числе и претенциозным, где требуется особо точное регулирование скорости и момента.

Минусы преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока:

  • Относительно большую массу и габариты, что обусловлено наличием выпрямительного, фильтрующего и инверторного блоков.
  • Повышенные потери мощности. Схема двойного преобразования несколько уменьшает общий к.п.д.

Устройство преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока

Состоят такие преобразователи из нескольких основных блоков:

  • Выпрямителя. Для ЧП используются диодные и тиристорные преобразователи постоянного тока. Первые отличаются высоким качеством постоянного напряжения практически с полным отсутствием пульсации, низкой стоимостью и надежностью. Однако диодные выпрямители не позволяют реализовать возможность рекуперации электроэнергии в сеть при торможении двигателя. Выпрямители на тиристорах обеспечивают возможность протекания тока в обоих направлениях и позволяют отключать преобразователь от сети без дополнительной коммутирующей аппаратуры.
  • Фильтра. Выходное напряжение тиристорных управляемых выпрямителей имеет значительную пульсацию. Для ее сглаживания используют реакторы, емкостные или индуктивно-емкостные фильтры.
  • Инвертора. В ЧП используют инверторы напряжения и тока. Последние обеспечивают рекуперацию электроэнергии в сеть и применяются для управления электрическими машинами с частым пуском, реверсом и остановкой, например, крановыми двигателями.
  • Частотники на базе инверторов напряжения выдают на выходе напряжение формы “чистый синус”. Благодаря этому преобразователи такого типа получили наиболее широкое распространение.
  • Микропроцессора. Этот блок осуществляет управление входным выпрямителем, прием и обработку сигналов с датчиков, взаимодействие с автоматизированной системой высшего уровня, запись и хранение информации о событиях, формирует выходное напряжения ЧП соответствующей частоты. А также выполняет функции защиты от перегрузок, обрыва фазы и других аварийных и ненормальных режимов работы.

Способы управления преобразователем

По принципу управления различают 2 основных вида частотных преобразователей:

ЧП со скалярным управлением

Частотники этого типа выдают на выходе напряжение определенной частоты и амплитуды для поддержания определенного магнитного потока в обмотках статора. Частотники с таким принципом регулирования отличаются относительно низкой стоимостью, простотой конструкции. Нижний предел регулировки скорости составляет около 10 % от номинальной частоты вращения. Их можно использовать для управления сразу несколькими двигателями. Скалярные ЧП используют для приводов насосных агрегатов, вентиляторов и других устройств и оборудования, где не требуется поддерживать скорость вращения ротора вне зависимости от нагрузки.

ЧП с векторным управлением

Микропроцессорные устройства преобразователей с векторным управлением автоматически вычисляют взаимодействие магнитных полей статора и ротора. ЧП такого типа обеспечивают постоянную частоту вращения ротора вне зависимости от нагрузки. Они используются для оборудования, где необходимо поддерживать необходимый момент силы при низких скоростях, высокое быстродействие и точность регулирования. Применение векторных ЧП позволяет регулировать частоту вращения, задавать требуемый момент на валу.

ЧП с векторным управлением делятся на преобразователи бездатчикового типа и устройства с обратной связью по скорости. Последние используются для приводов с широким диапазоном регулирования скорости до 1:1000, необходимости позиционирования точного положения вала, регулирования момента при низких скоростях, точного поддержания частоты вращения, пуска двигателя с номинальным моментом. Преобразователи без датчика скорости применяют для приводов с более низкими требованиями.

Режимы управления частотными преобразователями

В большинстве моделей современных частотных преобразователей реализована возможность управления в нескольких режимах:

1) Ручное управление.

2) Внешнее управление.

3) Управление по дискретным входам или “сухим контактам”.

4) Управление по событиям.

Преимущества частотных преобразователей.

1) Экономия электроэнергии.

2) Увеличение срока службы промышленного оборудования.

3) Отсутствие необходимости проводить техническое обслуживание.

4) Возможность удаленного управления и контроля параметров оборудования с электроприводом.

5) Широкий диапазон мощности двигателей.

6) Защита электродвигателя от аварий и аномальных режимов работы.

7) Снижение уровня шума работающего двигателя.

Сферы применения

Частотно-регулируемые приводы применяют:

  • Для кранов и грузоподъемных машин . Крановые двигатели работают в режиме частых пусков, остановок, изменяющейся нагрузки. ЧП обеспечивают отсутствие рывков и раскачивания груза при пусках и остановках, остановку крана точно в требуемом месте, снижают нагрев электродвигателей и максимальный пусковой момент.
  • Для привода нагнетательных вентиляторов в котельных и дымососов. Общее управление с плавной регулировкой дутьевых и вытяжных вентиляторов позволяет автоматизировать процесс горения и обеспечить максимальный к.п.д . котельных агрегатов.
  • Для транспортеров, прокатных станов, конвейеров, лифтов. ЧП регулирует скорость перемещения транспортного оборудования без рывков и ударов, что увеличивает срок службы механических узлов. Для насосных агрегатов. ЧП позволяют обойтись без задвижек и вентилей, регулирующих давление и производительность, и существенно увеличить общий к.п.д системы водоподачи.
  • Для электродвигателей станков. Использование преобразователя частоты вместо коробки передач позволяет плавно увеличивать или уменьшать частоту вращения рабочего органа станка, осуществлять реверс. ЧП широко используются для станков с ЧПУ и высокоточного промышленного оборудования.

Внедрение частотно-регулируемых приводов дает значительный экономический эффект. Снижение затрат достигается за счет сокращения потребления электроэнергии, расходов на ремонт и ТО двигателей и оборудования, возможности использования более дешевых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, а также сокращения других производственных издержек. Средний срок окупаемости частотных преобразователей составляет от 3-х месяцев до трех лет.

Источник



Образцы датчиков тока для преобразователей

Конструктивно датчики представляют собой защищенные корпуса произвольной формы с окнами, сквозь которые продевается проводник с измеряемым током. Мы поговорим о конструкциях и технических параметрах типовых датчиков чуть позже, а сейчас обратим внимание читателя на так называемые гибкие датчики тока, появившиеся совсем недавно. Производителем таких датчиков является швейцарская фирма «LEM» [43]. На рис. 2.5.7 показано конструктивное исполнение гибкого датчика.

Рис. 2.5.7. Гибкий датчик тока

Гибкий датчик представляет собой катушку, равномерно намотанную вокруг гибкого цилиндра. Кроме этого, в диаметральном сечении цилиндра проложен центральный проводник. Датчик выполнен разъемным, и вот почему: зачастую шинопроводы мощных преобразователей представляют собой достаточно сложную в конфигурационном отношении конструкцию, и традиционные датчики расположить в таком случае очень и очень трудно. Поэтому гибкий датчик может быть разомкнут и намотан на шинопровод подобно тому, как наматывается обычный провод. Остается только закрепить его с помощью, например, гибких нейлоновых хомутиков, замкнуть и подключить к измерительной электронной схеме. В настоящее время гибкие датчики, впрочем, являются пока экзотикой, поэтому мы далее не будем останавливаться на их технических характеристиках, а перейдем к рассмотрению конкретных исполнений традиционных датчиков, выпускаемых фирмой «LEM» и получивших широчайшее распространение в приборах преобразовательной техники.

Датчик типа LA55-P/SP1 представляет собой стандартный вариант компенсационного датчика и широко используется в составе преобразовательной техники (рис. 2.5.8). Конструктивно он представляет собой пластиковый прямоугольный корпус с размерами 37 x 27 x 15 мм. Через прямоугольное окно продевается шинопровод, в котором протекает измеряемый ток.

Данный датчик имеет исполнение с гибкими выводами, с помощью которых он впаивается в печатную плату. Номинальный диапазон измеряемых токов датчика составляет ±100 А, при этом точность преобразования — не хуже 0,65 % при питании двуполярным источником с напряжением ±15 В. Номинальный выходной ток датчика —мА, частотный диапазон измерения — до 200 кГц.

Особое внимание следует обратить на фазировку измеряемого и измерительного токов датчика. С целью однозначного задания направлений токовых сигналов на корпусе датчика нанесена стрелка. При протекании измеряемого тока в направлении стрелки выходной ток датчика будет положительным.

Подключение датчика выполняется по рис. 2.5.9. Обратите внимание: датчик сам по себе не имеет вывода для подключения «средней» точки двуполярного напряжения питания. Эта «средняя» точка связана только с правым (по схеме)выводом нагрузочного резистора Rm.

Небольшие конструктивные отличия имеет компенсационный датчик типа LA205-S, предназначенный для измерения токов в диапазоне

±300 А (рис. 2.5.10). Габаритные размеры этого датчика — 66x x 57 x 57 мм. Номинальный выходной ток — 100 мА, точность преобразования — не хуже 0,8 %, работа обеспечивается в диапазоне частотдо 100 кГц.

Датчик типа LF2005-S (рис. 2.5.11) позволяет измерятьдостаточно большие токи — до ±3000 А. Соответственно, подросли и габариты датчика по сравнению с двумя предыдущими. В данном случае они составляют 170 x 135 x 61 мм. Номинальный выходной ток датчика — 400 мА, точность преобразования — не хуже 0,3 %, частотный диапазон номинальной работы — до 150 кГц.

Наконец, еще один датчик этой конструкции — LT4000-S — предназначен для измерения токов вдиапазоне ±6000 А (рис. 2.5.12). Как видно из рисунка, этот датчик представляет собой массивную конструкцию, оснащенную ребреными поверхностями для лучшей теплоотдачи, а также имеющую мощные крепежные лапы. Такая конструкция датчика отнюдь не случайна: номинальный выходной сигнал датчика составляет 800 мА, что, конечно, приводит к значительным тепловым потерям на элементах внутренней электронной схемы. Кроме того, силовая техника, в которой протекают столь значительные токи, имеет массивные токоведущие части, что заставляет устанавливать механически защищенное оборудование. Других особенностей этот датчик не имеет.

Другое конструктивное исполнение датчиков тока показано на примере датчика LT200-T/SP96 (рис. 2.5.13), работающего в диапазоне токов ±200 А. Если по электрическим параметрам он соответствует датчикам компенсационного типа, и не требует дополнительных пояснений с этой стороны, то на его внешний вид (конструкцию) следует обратить внимание. Датчик предназначается для объемного монта

жа, поэтому он имеет ламельные контакты питания (под пайку) и контакты подключения нагрузочного резистора. Но — что самое интересное — измерительный шинопровод встроен в корпус датчика и оснащен отверстиями, к которым подключается токоведущая шина (плоская или обычная проводная).

Любая электронная техника, предназначенная для серийного производства, должна отвечать требованиям технологичности, то есть, в числе прочего, содержать в себе как можно меньшее количество элементов, а состав имеющихся элементов должен стремиться к максимальной однотипности, то есть к сокращению их номенклатуры. Кроме этого, применяемые элементы должны быть сконструированы так, чтобы их было удобно устанавливать при серийном производстве — это служит залогом сокращения трудоемкости, а значит, и себестоимости продукции. Датчик в этой цепочке — не исключение, хотя унифицировать его для всех классов задач весьма и весьма сложно. И все же фирмы-разработчики предпринимают определенные шаги в направлении унификации. Примером удачной унифицированной разработки может служить датчик LTS25-NP (рис. 2.5.14), который, ктому же, специально адаптирован для применения в преобразовательной технике, оснащенной микроконтроллерами.

В корпус датчика встроены три независимых шинопровода, которые впаиваются в печатную плату и могут быть соединены токоведущими дорожками таким образом, чтобы обеспечить необходимый измерительный диа

пазон. Традиционное окно, через которое пропускают токоведущий проводник, здесь выполняет роль дополнительного. С помощью этого окна, при необходимости, сузить диапазон измеряемых токов.

Электрическая структурная схема датчика LTS25-NP приведена на рис. 2.5.15, а на рис. 2.5.16 — выходная характеристика. Нетрудно заметить, что выходной сигнал датчика представляет собой напряжение, величина которого составляет 2,5 В при отсутствии измеряемого тока. Почему этот вариант удобен для обработки сигнала встроенным АЦП микроконтроллера? Ответ предельно прост: большинство микроконтроллеров имеет в своем составе именно однополярные АЦП с опорным напряжением порядка 5 В. Поэтому для измерения двуполярных токов выходной сигнал необходимо сдвигать ровно на половину измерительного диапазона. В данном случае этот сдвиг обеспечивается автоматически.

Рис. 2.5.15. Структурная схема датчика LTS25-NP

А теперь настало время рассказать о самой интересной особенности датчика, то есть о принципах коммутации его измерительных шинопро-

водов. На рис. 2.5.17 показаны варианты разводки печатных токоведущих проводников для разных режимов использования датчиков. Вариант «а» — для измерения токов в диапазоне ±24 А, вариант «б» — для токов ±12 А, вариант «в» — для токов ±8 А. В варианте «г» используется дополнительный проводник, три витка которого пропущены через вспомогательное окно датчика, таким образом, в варианте «т» диапазон измеряемых токов сужается до ±4 А. И последний вариант, представленный на рис. 2.5.17, — вариант «д» — предназначен для измерения дифференциального тока, то есть разницы между втекающим по шинопроводу и вытекающим по дополнительному проводнику тока.

Рис. 2.5.17. Варианты использования датчика LTS25-NP

На рис. 2.5.18 показан пример использования датчиков LTS25-NP в составе статического преобразователя для частотного управления электродвигателем. В этом примере один и тот же датчик тока используется в трех различных режимах включения: для защиты от токов короткого замыкания на входе преобразователя, для измерения фазных токов электродвигателя и для измерения дифференциальных токов в шинопроводе постоянного тока.

Как вариант датчика тока с расщепленной первичной шиной можно привести типономинал LAH50-P (рис. 2.5.19) с диапазоном измеряемого тока от 0 до 50 А. Это — обычный датчик тока компенсационного типа с двуполярным питанием и нулевым выходным током при отсутствии измеряемого тока. Более того, датчик не имеет дополнительного окна, через которое можно пропустить вспомогательные витки токоведущих проводов. Однако его шинопровод расщеплен на три части, что все-таки позволяет снижать коэффициент преобразования в 2 и 3 раза.

Упомянем мы и датчики напряжения, выпускаемые фирмой «LEM», в основе которых лежит использование все того же эффекта Холла. На самом деле преобразовать датчик тока в датчик напряжения очень просто: достаточно первичную измерительную цепь датчика тока соединить последовательно с активным сопротивлением известной величины. Понятно, что ток в этой цепи будет определяться приложенным к ней напряжением, поэтому вычислить коэффициент для прямого пересчета тока в напряжение никакого труда не составит. Единственная неприятность, с которой мы столкнемся, если захотим использовать датчик тока в качестве основы датчика напряжения, — это необходимость иметь значительный ток в первичной (измерительной) цепи, чтобы на выходе датчика получить номинальный сигнал. Поэтому первичная (измерительная) обмотка датчиков напряжения выполняется с большим количеством витков — таким вот образом снижается номинальный входной ток.

Рис. 2.5.20. Внешний вид датчика напряжения типа LV25-P/SP20

Рис. 2.5.19. Внешний вид датчика типа LAH50-P

На рис. 2.5.20 показан внешний вид датчика напряжения типа LV25-P/SP20. Как следует из рисунка, датчик напряжения внешне очень похож на датчик тока, разве что он не имеет окна для протяжки шинопровода.

К слову, как мы убедились ранее, некоторые исполнения датчиков тока вообще невозможно по внешнему виду отличить от датчиков напряжения, поскольку в них встроены токоведущие шины. Номинальный входной сигнал упомянутого датчика напряжения составляет всего 10 мА. При этом выходной токдатчикадостигает 25 мА. Питание датчика осуществляется двуполярным напряжением ±15 В, ошибка преобразования составляет 0,8 %.

На рис. 2.5.21 приведена типовая схема подключения датчика LV25-P/SP20. Резистор R1 выбирается с учетом номинального тока измерительной обмотки и величины измеряемого напряжения. Допустимая величина измеряемого напряжения у данного датчика составляет 500 В. Это ограничение связано с его конструктивным исполнением (датчик монтируется на печатную плату).

Близкими характеристиками обладает датчик типа LV100/SP83 (рис. 2.5.22), но допускаемое значение измерительного напряжения для него гораздо больше: оно составляет 2500 В.

Рис. 2.5.21. Подключение датчика LV25-P/SP20

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Источник

Выбор датчика тока для переносной системы диагностики машин и механизмов.

Борисов А.А. СЕВЗАПУЧЦЕНТР.

К наиболее эффективным методам функциональной диагностики работающих машин и механизмов относятся их диагностика по вибрации, тепловому излучению и току приводного электродвигателя. Метод оценки состояния собственно электродвигателя и приводимых им во вращения механизмов по потребляемому току, в мировой практике получивший название Motor Current Signature Analysis (MCSA) не так хорошо известен в России, как два других. Возможно, это связано с определенной практической сложностью проведения электрических измерений в электроустановках, находящихся под напряжением.

Диагностика по току требует, прежде всего, измерения переменных составляющих тока разной частоты, которые присутствуют в электрических цепях любых электродвигателей, в том числе и постоянного тока. Основной вид измерений – это измерение спектра тока в широком диапазоне частот, обычно до 10кГц. Основное средство анализа – анализатор спектра, аналогичный тому, который используется для анализа вибрации. Используется лишь другой вид измерительного преобразователя – измерительный трансформатор тока.

Ниже приводится краткий анализ трех основных типов измерительных трансформаторов (датчиков) тока, которые могут использоваться в переносных системах диагностики – на основе простейшего трансформатора напряжения, на основе датчика Холла и на основе измерительного пояса Роговского.

1. Выходные сигналы измерительного преобразователя тока.

Выходным сигналом датчика тока должно быть электрическое напряжение, пропорциональное величине мгновенного тока в охватываемом магнитной цепью датчика силовом электрическом кабеле. В обычном трансформаторе это напряжение на активном сопротивлении (или его части), представляющим собой оптимальную нагрузку на вторичную обмотку трансформатора. Первичной обмоткой с одним витком и является силовой кабель (шина), в котором измеряется ток.

В измерительном преобразователе тока на основе датчика Холла выходным сигналом является разность потенциалов на выходе датчика Холла, пропорциональная напряженности магнитного поля, воздаваемого в специально формируемом зазоре у окружающего силовой кабель магнитопровода, т.е. в простейшем измерительном преобразователе такого типа вторичной обмотки нет.

В гибком измерительном преобразователе на основе пояса Роговского есть и первичная обмотка (силовой кабель), и вторичная обмотка с большим количеством витков, но нет охватывающего силовой кабель накопителя магнитной энергии – магнитопроводящего сердечника, поэтому выходной сигнал такого преобразователя пропорционален не измеряемому току, а его производной.

2. Спектры измеряемых токов.

К напряжению трехфазных силовых сетей переменного тока обычно предъявляются достаточно жесткие требования – искажения формы напряжения (отличие от синусоидальной формы), как правило, не должны быть более двух процентов. Аналогичные требования обычно предъявляются и к линейности фазового электрического сопротивления машин переменного тока, поэтому в спектре тока типовой машины обычно не бывает сильных гармонических составляющих потребляемого тока, но частотный диапазон, в котором есть информативные составляющие тока, достаточно широк. Так, на рис.1 приведена форма и спектр тока в одной из фаз асинхронного электродвигателя без сильных дефектов. Для наглядности спектр тока по оси ординат приведен в логарифмическом масштабе.

Рис.1.Форма тока, потребляемого асинхронным электродвигателем, и его спектр

В последние годы в качестве приводного электродвигателя все шире используется наиболее дешевый и надежный асинхронный электродвигатель, а для управления частотой его вращения и упрощения пуска используется статический преобразователь частоты питающего напряжения. На вход такого преобразователя подается трехфазное напряжение с частотой 50Гц, а на выходе формируется трехфазное напряжение другой частоты, оптимальной по энергопотреблению агрегата или другим контролируемым параметрам. Естественно, что форма выходного напряжения такого преобразователя, если она жестко не стандартизована, также как и потребляемого электродвигателем тока, существенно отличается от синусоидального, а спектр тока содержит большое количество различных составляющих, как это показано на рис. 2.

Рис.2 Форма и спектр тока асинхронного электродвигателя при использовании статического преобразователя частоты питающего напряжения.

Похожая ситуация складывается и напряжением питания двигателей постоянного тока. Как правило, двигатель постоянного тока питается от трехфазного выпрямителя переменного тока. Если регулирование частоты вращения агрегата организовано так, что выпрямленное напряжение питания не меняется, искажения напряжения питания и потребляемого тока будут минимальными, уложатся в 2% от выпрямленного напряжения (тока якоря) и проявятся, в основном на частоте 300Гц. Но в большинстве практических случаев регулирование частоты вращения двигателя производится статическим регулятором выпрямленного напряжения. Форма тока якоря двигателя при использовании наиболее распространенного тиристорного регулятора напряжения приведена на рис. 3. Там же приведен и спектр тока якоря.

Рис. 3. Форма и спектр тока якоря при питании машины постоянного тока от тиристорного регулятора напряжения.

Сказанное подтверждает необходимость измерения спектра тока, потребляемого электродвигателем, по крайней мере, до 10кГц, при решении задач диагностики, как электропривода, так и приводимого во вращение механизма.

3. Конструктивные особенности измерительных преобразователей тока.

Первый тип преобразователей тока – это разъёмные трансформаторы тока, основанные на принципе электромагнитной индукции (рис.4).

Рис.4. Разъёмный токовый трансформатор для установки в стационарной\стендовой системе(а), для использования с переносными приборами (б) и эквивалентная схема подключения вторичной обмотки трансформатора к приёмнику данных, через нагрузочное сопротивление (в).

Разъёмные трансформаторы тока измеряют параметры только переменного тока. Основной недостаток токовых трансформаторов – большие габариты магнитного сердечника и высокие напряжения на выходе при размыкании вторичной электрической цепи. Кроме того, такие трансформаторы не предназначены для измерения постоянной и низкочастотных составляющих тока в диапазоне ниже 2-5Гц, поэтому в переносных средствах измерения их обычно не используют. В то же время их рекомендуется устанавливать в щиты питания машин переменного тока стационарно, с выводом маломощного сигнала в место, доступное для измерений переносной системой диагностики.

Второй тип преобразователей, который получил наиболее широкое распространение при бесконтактном измерении тока, — это токовые клещи с датчиком Холла, которые могут измерять параметры, как переменного, так и постоянного токов (рис.5).

Рис.5. Токовые клещи с датчиком Холла

Измерение параметров тока осуществляется посредством измерения напряжения, индуцируемого на обкладках полупроводниковой пластины (датчика Холла), установленной в зазоре магнитопровода, пропорционально величине напряжённости магнитного поля, созданного в магнитопроводе проводником с измеряемым током.

Недостатком такого вида преобразователей является наличие небольшого постоянного смещения выходного напряжения, вносящего систематическую ошибку в результаты измерения постоянной составляющей тока. Для исключения этой ошибки в преобразователи либо встраивается переменный резистор «установки нуля», который легко настраивается, либо в магнитный сердечник устанавливается обмотка, для компенсации постоянной составляющей магнитного поля. Преобразователи без компенсационной обмотки получили наименования «открытого типа» («open loop») или прямого усиления, с компенсационной обмоткой — «закрытого типа» («closed loop»).

Третий тип – гибкие измерительные преобразователи тока, которые в России более широко известны под термином «пояс Роговского» (рис.6).

Рис.6. Гибкие измерительные преобразователи тока («пояс Роговского»).

Гибкие преобразователи измеряют скорость изменения тока в проводнике, поэтому сигнал с выхода такого преобразователя должен интегрироваться для получения значений тока. С помощью пояса Роговского возможно измерение параметров только переменного тока, причем начиная с частот порядка 5-10Гц. Верхняя граничная частота измеряемых составляющих тока практически неограниченна, поэтому чаще всего такой преобразователь используется для специальных измерений тока на частотах в сотни кГц и выше. При этом, как правило, измеряемый сигнал не интегрируется.

4. Особенности применения измерительных преобразователей тока при решении диагностических задач.

В переносных системах диагностики по току электродвигателей чаще всего используются минимальные по габаритам измерительные преобразователи тока с датчиком Холла, так как позволяют измерять ток в широком диапазоне частот, начиная с постоянной составляющей. Измерения составляющих тока с инфранизкими частотами, начиная от 0,001Гц очень важны при диагностике низкооборотных агрегатов (конвейеров и т.п.) с приводом постоянного тока.

Преобразователи с компенсационной обмоткой используется гораздо реже, чем без нее из-за необходимости использовать магнитопровод с обмоткой, что увеличивает габариты преобразователя и требует достаточно мощного источника компенсационного тока. Операция установки нуля в простейших преобразователях с датчиками Холла перед измерениями постоянного тока обычно выполняется путем предварительного измерения тока в цепях переменного тока, в которых постоянная составляющая практически отсутствует.

Главная особенность гибкого измерительного преобразователя тока – отсутствие жесткого сердечника и определяет его применимость при проведении диагностических измерений в сложных условиях.

На некоторых объектах контроля целесообразно использование полустационарной (стендовой) системы диагностики, когда группа датчиков тока устанавливается стационарно (при этом могут использоваться как разъёмные так и неразъёмные трансформаторы), а сигналы снимаются непосредственно многоканальным измерительным прибором, либо предварительно накапливаются в цифровой форме в специальном накопителе информации на месте измерения.

Еще один важный практический случай – измерение тока во вторичных измерительных цепях с помощью измерительного трансформатора тока. Действительно, в цепях крупных электрических машин часто устанавливаются стационарные измерительные трансформаторы тока для устройств контроля или автоматического управления. Токи во вторичных цепях таких трансформаторов достаточно велики, чтобы изменять и анализировать их бесконтактно, с помощью токовых клещей. Только нужно использовать клещи с верхней граничной величиной измеряемого тока в несколько ампер, а не сотен ампер.

Основные параметры, по которым необходимо определиться перед выбором измерительного преобразователя тока для переносной системы диагностики:

  • тип измеряемого тока: переменный или постоянный ток (датчики, предназначенные для измерения постоянного тока, имеют обозначение AC/DC (переменный/постоянный), так как они могут измерять значения, как переменного, так и постоянного тока);
  • наибольшее и наименьшее измеряемое значение тока. Необходимо определить подходит ли точность измерения в нижнем амплитудном диапазоне т.к. многие датчики имеют высокую точность измерения только в верхнем амплитудном диапазоне;
  • диаметр провода, который необходимо охватить и доступность измерительного преобразователя для периодической установки под напряжением;
  • значение напряжения для проводника, на котором выполняется измерение т.к.большинство типовых датчиков тока не должно использоваться для напряжений выше 600 В.
  • тип выходных разъёмов преобразователя для подключения к сборщику данных (например, BNC);
  • тип единиц на выходе преобразователя для согласования со сборщиком данных (мА, мВ, AC, DC, и т.п.);

Если электродвигатель питается от статического преобразователя напряжения, необходимо убедиться, что имеющиеся искажения напряжения и создаваемые ими составляющие в спектре тока не мешают выявлять диагностические признаки дефектов собственно электродвигателя и вращаемого им механизма.

Источник

Читайте также:  Как найти скорость зная силу тока