TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Automatizace diagnostického systému malých asynchronních motorů

Bakalářský projekt závěrečná zpráva

Petr Pořízka

Liberec

2010

Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

anotace v češtině a angličtině

V Tomto projekt byla provedena částečná automatizace měření na třífázových asynchronních motorech. Samotný projekt se skládal z hardwarové části a ze softwarové části. V hardwarové části jsem dělal automatické spínání motoru. V softwarové části jsem částečně zautomatizoval ruční diagnostiku ve vývojovém prostředí CVI. A vytvořil software zajištující automatizaci a ulehčení diagnostiky těchto motorů. Úplná automatizace bude náplní další práce

This project was carried out partial automation of the measurement of three-phase asynchronous motors. The project itself consisted of the hardware and the software part. The hardware part I did the automatic switching of the engine. The software part I partially automate manual diagnostics in the development environment CVI. And I developed software ensures automation and facilitate the diagnosis of these engines. Full automation will charge additional work

Klíčová slova Automatický diagnostický systém, technická diagnostika indukčních motorů, měření parametru motorů

Název práce / studijního textu / projektu název kapitoly / podkapitoly

2

Zadání 1)

Seznamte se s možností diagnostiky malých asynchronních motorů

2)

Měření na motorech a její automatizace

3)

Navrhněte automatizaci stávajícího diagnostického systému a následně upravte stávající diagnostický systém po hardwarové a softwarové části tak aby byl automatizovaný


3

Obsah: 1. Úvod ........................................................................................................................................... 5 2. Popis použitých metod (prostředků, obvodů) ............................................................................. 9 2.1. Hardware ............................................................................................................................... 9 2.2. Software .............................................................................................................................. 11 3. Vlastní řešení konkrétního problému ....................................................................................... 13 3.1 Hardware část....................................................................................................................... 13 3.1.1 Návrh zdroje .............................................................................................................. 13 3.1.2 Měření Voltampérové charakteristiky s usměrňovačem ........................................... 14 3.1.3 Návrh chlazení stabilizátoru ...................................................................................... 15 3.1.4 Stabilizátor Tranzistor- zenerka ................................................................................ 16 3.1.5 Zatěžovací charakteristika zdroje 24 V ..................................................................... 17 3.1.6 Fotografie Zdroje 24V ............................................................................................... 18 3.2 Software část ........................................................................................................................ 19 4. Shrnutí výsledků projektu a závěr ............................................................................................. 20


4

1. Úvod Asynchronní motor (viz. obr. 1) je točivý elektrický přístroj poháněný střídavým proudem. Tento motor je v elektrotechnice využíván bezpochyby nejčastěji. Energie, která je mezi statorem a rotorem je realizována pomocí elektromagnetické indukce, proto jsou tyto asynchronní motory často označovány jako motory indukční. Jedním z hlavních pozitiv asynchronního motoru je relativně velká spolehlivost, jednoduchá konstrukce a dají se napájet z běžné střídavé sítě. Napětí které napájí asynchronní motor může být buď jednofázové nebo třífázové. Používanější je však napájení trojfázové. Asynchronní motor se skládá ze statoru, rotoru a kotvy na krátko. Stator je pevná část, která je u všech typů prakticky stejná. Skládá se z nosné kostry motoru, svazku statorových plechů a vinutí. Statorové cívky asynchronního motoru uvažujeme tři, tyto cívky jsou vůči sobě posunuté o úhel 120°. Připojením každé cívky mezi fázový a nulový vodič třífázové sítě dostaneme proudy iL1, iL2, iL3, posunuté právě o 120° (obr. 3), Rotor je pohyblivá část motoru, jedná se o hřídel s nalisovanými rotorovými (elektrotechnickými) plechy s drážkami, do kterých jsou vloženy tyče. Tyto tyče jsou na koncích spojeny kruhy. Kotva na krátko neboli kotva klecová funguje na principu měděných, mosazných nebo hliníkových tyčí, které jsou nalisovány do drážek rotoru (viz. obr. 2). Tyto tyče jsou spojeny na obou koncích zkratovými kroužky. Kroužky spolu s tyčemi mají podobu klece, proto název klecová kotva. Za vynálezce asynchronního motoru je považován Nikola Tesla.

Obrázek 1. asynchronní motor

Obrázek 2. 3D model klecové kotvy

Obrázky použity z : http://cs.wikipedia.org/wiki/Asynchronn%C3%AD_motor http://www2.nord.com/cms/media/images/


5

Obrázek 3. Proudy posunuté o 120°

Obrázek použit z : http://www.vscht.cz/ufmt/cs/pomucky/uhrovah/skripta/Uloha%2011.pdf

Dále je možné asynchronní motory dělit na malé, střední a velké. Malé motory se vyznačují malým výkonem, tento výkon dosahuje maximálně 20 kW. Mále motory jsou snadno dostupné, vyrábějí se ve velkých množstvích, a proto jsou i relativně levné. Ovšem nesmíme podcenit důležitost těchto malých motorů. Pokud tyto malé motory nejsou na klíčových pozicích, nemusí se provádět jejich diagnostika, jsou snadno nahraditelné. Například pokud máme stavební míchačku a porouchá se nám motor v celku se nic nestane, prostě jej vyměníme, ale uvažujeme li podobně velký motor na umístění ve výrobní lince tak je zřejmé, že porucha i takto velkého motoru může způsobit výpadek cele linky a tím i velké škody. Za velké motory uvažujeme ty motory, které mají výkon vyšší jak 100kW. Tyto motory jsou výrazně dražší, jejich výroba je pracná, proto se vyrábějí především na zakázku po jednotlivých kusech. Dají se použít jako pohon pro důlní rypadla například v kladenských povrchových dolech. Jelikož se jedná o velké motory nikdo je neskladuje, dá se říct, že co jeden vyrobený kus to originál. Proto je důležité mít včasné varování o jejich stavu, aby bylo možné naplánovat co nejrychlejší opravu či výměnu. To samé platí o malých motorech, které jsou využívány na důležitých pozicích, například na lince. Cílem diagnostiky je získat informace o skutečném stavu motoru a částečně předvídat stav motoru do blízké budoucnosti a tím výrazně omezit škody vzniklé neočekávanou poruchou tohoto motoru, mam možnost se na tuto poruchu připravit a objednat nový nebo naplánovat opravu těchto malých motoru, či jejich výměnu. Cílem tohoto projektu bylo právě zautomatizovat část tohoto měření a vyhodnocování dat do ovládacího programu nebo softwaru diagnostického pracovitě a porovnat tyto data jestli nevybočují od očekávaných hodnot a tím pádem poskytnout včasné varování před těmito poruchami. V laboratoři technické diagnostiky a analýzy signálu byly k dispozici převodníky napětí a proudů odebíraným měřeným motorem na signály zpracovatelné měřící kartou v počítači (viz. obr. 4).


6

Obrázek 4. Měřící karty v počítači

Samotný ročníkový projekt se skládal ze dvou částí. V prvním semestru jsem se zabýval hardwarovou části, která byla velice náročná. Měl jsem navrhnout a zrealizovat zdroj na 24V (viz. obr. 5). Obrázek 5. Zdroj 24V

Musel jsem zvolit transformátor, který uměl transformovat napětí z 230V na 24V pro proud do 200 mA. K výstupnímu napětí transformátoru 24V jsem musel přidat rezervu o velikosti 5V, což je rezerva na stabilizátor. Podle napětí transformátoru a výstupního proudu jsem zvolil usměrňovač. Stabilizátor stabilizuje napětí z výstupu transformátoru přes usměrňovač. Stabilizátor 24V při 150-200mA s tím že 24V nemusí být přesně. Je povolena změna 1V , protože je to pro relé.


7

Při volbě stabilizátoru jsem nejprve použil stabilizátor 7824, který se následně ukázal jako nevyhovující důvodem je, že stabilizátor musí vydržet napětí 50V tento stabilizátor je pouze pro 40V. Jako druhý byl použit stabilizátor LM317, který byl opět nevyhovující. Kvůli startu kdy stabilizátor vydrží 40V se napěťově prorazil, tudíž jsem volil variantu s tranzistorem a Zenerovou diodou. Jako optimální řešení se ukázalo použití stabilizátoru tranzistor-zenerka.

V Letním semestru byl mým úkolem zautomatizovat ruční diagnostiku. Ve vývojovém prostředí CVI. A vytvořit software zajištující automatizace.


8

2. Popis použitých metod (prostředků, obvodů) 2.1. Hardware Obrázek 6. Schéma pracovního prostředí

Obrázek 7. Třífázové motory spojené hřídelí

Měřící pracoviště je vybaveno motory Siemens (bývalé MEZ Mohelnice) s kotvou na krátko, jsou vyrobené na zakázku a mají definované elektrické vady v oblasti rotoru a statoru. Dále je pracoviště vybaveno měřící bednou obsahující převodníky napětí a proudu. Měřící kartou měřím průběhy napětí a proudu a tyto průběhy jsou vyhodnocovány speciálním programovým vybavením. V případě potřeby je možné k systému připojit snímače vibrací a měřící mikrofony.


9

Pro samotné měření jsem využil na vstupu měřící kartu NI 4472 a na výstupu usb NI USB-6525.

Vlastnosti karty NI 4472 Series

Vlastnosti usb NI USB-6525

•24-bit rozlišení

• Malé, přenosné digitálné I / O zařízení

• 110 dB dynamický rozsah

• Osm kanál-do-kanál s opticky

• 102,4 kS / s maximum vzorkovací frekvence

oddělenými vstupy (± 60 VDC)

• 45 kHz aliasing-volného přenosového pásma

• 500 mA Maximální spínací proud

• ± 10 V rozsahu

na kanál

• AC / DC spoje

• Jeden 32-bit čítač

• synchronizace s více zařízeními.

• Plná rychlost USB (12 Mb/s) • odnímatelné konektory pro snadné připojení

Obrázek 8. Měřící karta NI 4472 Series

Obrázek 9. NI USB-6525

Obrázky použity z : Technické dokumentace National Instruments


10

2.2. Software Vývojové prostředí CVI sem si zvolil, protože má k dispozici vestavěné knihovny. Tudíž jsem nemusel složitě řešit komunikaci s kartou a USB. Využil jsem ovladačů dodávaných výrobcem a knihoven zpřístupňující tyto funkce. Obrázek 10. Vývojové prostředí CVI

Na obrázku je zobrazeno pracovní prostředí CVI v režimu návrhu grafického uživatelského rozhraní. Vývojové prostředí CVI je rozšířené ANSIC s grafickým rozhraním a knihovnami pro měření a zpracování signálu.


11

Obrázek 11. Prostředí Measurement & Automation Explored

Definice parametrů měřici úlohy pro knihovny a drivery NI-DAQmx


12

3. Vlastní řešení konkrétního problému 3.1 Hardware část 3.1.1 Návrh zdroje

Požadavky:

1) Volba relé 2) Trasformátor 230V na 24V při 150 – 200 mA

3)Usměrňovač (Grétzův můstek) 4)Stabilizátor 24V při I = 150 - 200mA

Dalším požadavkem bylo galvanické oddělení výstupu zdroje od síťového napětí. Odzkoušeno při odporu 50MΩ a zkušebním napětím 1kV. Tento požadavek je hlavně z důvodu bezpečnosti. Ad1) Zvolil jsem vhodné relé, které je schopno spínat motor třífázově při napětí 3 x 230 V a proudu 4A .

Ad2) Zvolíme transformátor, který musí transformovat napětí z 230V na 24V a pro proud 150 až 200mA. K výstupnímu napětí transformátoru 24V musím přidat 5V ,což je rezerva na stabilizátor. Podle napětí transformátoru a výstupního proudu zvolím usměrňovač.

Ad4) Stabilizátor stabilizuje napětí z výstupu transformátoru přes usměrňovač. Stabilizátor 24V při 150-200mA s tím že 24V nemusí být přesně. Je povolena změna 1V , protože je to pro relé.

Použité :

1) Trafo TEZ6/D 15 – 15V Zalévaný transformátor 6VA 230/2x15V 2)Grétzův můstek (diody 1N4002) 3)Stabilizátor (tranzistor – Zenerova dioda)


13

3.1.2 Měření Voltampérové charakteristiky s usměrňovačem Usměrňovač (viz. obr. 6) je elektrické zařízení, které slouží k přeměně střídavého elektrického proudu na proud stejnosměrný (viz. obr. 7). Protože většina elektronických obvodů potřebuje ke své činnosti stejnosměrný proud , ale k distribuci elektrické energie slouží proud střídavý, bývá usměrňovač součástí většiny elektrických přístrojů a zařízení spotřební elektroniky.

Obrázek 6. Usměrňovač (Grétzův můstek)

Obrázek 7. Princip usměrňovače

Obrázek použit z : http://cs.wikipedia.org/wiki/Usm%C4%9Br%C5%88ova%C4%8D

Pro Gretzův můstek vyhovovali diody 1N4001 ale nebyli k mání, proto jsem koupil cenově stejné 1N4002. Ná výstupu usměrňovače má být 30V pokles je způsobený usměrňovačem s vyhlazovacím kondenzátorem .

Obrázek 8. Voltampérová charaktika


14

3.1.3 Návrh chlazení stabilizátoru Teploty (odhadované) :

70 °C pouzdra 77 °C chip 35 °C provozní teplota

Zvolil jsem chladič černý 9K/W GM V7477Y. Shodou náhod byl zrovna k dispozici. 3 Tepelné odpory: ČIP – POUZDRO 5 K/W , POUZDRO – OKOLÍ 60 K/W , CHLADIČ- OKOLÍ 11K/W

Obrázek 9. Znázornění tepelných odporů stabilizátoru

Odhadem teplota na vstupu chladiče je dána rozdílem teploty okolního prostředí a teplotou pouzdra cca +15 °C. Teplota pouzdra je dána součtem teplot okolního prostředí 35 °C a teplotou na vstupu chladiče 15°C což je v součtu 50 °C. Teplota na chipu bude odhadem kolem 60 °C .


15

3.1.4 Stabilizátor Tranzistor- zenerka

Obrázek 10. Stabilizátor

V První řadě jsem musel zvolit Zenerovu diodu, dioda musí být pro 24V a proud by se měl pohybovat kolem 0 - 4 mA, který vyplývá ze vztahu H FE

Ic Ib

4mA . Proto jsem se rozhodl pro

diodu s označením BZX 85/C 24 která je pro 5mA a napětí mezi 22,8V do 25,6V. Dioda byla

volena s určitou rezervou.

Typ tranzistoru jsem zvolil BD 237 (NPN 100V 2A 25W SOT32). Napětí báze-emitor Ube = 0,7V. Zesílení tranzistoru je 40, vyplývá to ze vztahu Ic Ic H FE Ib 40mA Kde Ic= 150 mA (z katalogového listu). Ib H FE

Obrázek 11. Celková realizace zdroje 24V


16

Obrázek 12. Voltampérová charakteristika

3.1.5 Zatěžovací charakteristika zdroje 24 V

Obrázek 13. Zatěžovací charakteristika

Ztrátový výkon = U*I = (33-24)*130mA = 1,17W Kde celkové napětí je dáno z rozdílu napětí kolektoru a emitoru.


17

3.1.6 Fotografie Zdroje 24V Obrázek 14. Zdroj 24V


18

3.2 Software část Cílem programu je automatizace měření. Při povelu připrav měření, proběhne následující cyklus. Načtu nastavení měřici úlohy s názvem „motor6ch“, poté je provedena kontrola platnosti měřici úlohy. Pokud je kontrola pozitivní měření odstartuje, jinak neproběhne. Dále volám funkci start měření, která zahájí sběr hodnot z měřící karty. Připojím napájecí napětí na měřený motor, zaznamenávám data podle volby uživatele 2 – 8 sekund ustáleného stavu, ukončím sběr dat a vypnu motor. Z těchto dat okamžitých hodnot napětí a proudu vypočítám maximální a efektivní hodnoty a spektra, která zobrazím do grafu. Poté vypočítám časový průběh okamžitého výkonu ve všech třech fázích a vypočítám výkon činný a jalový a zdánlivý v jednotlivých fázích a zobrazím je. Na vyžádání uživatele tato data uložím na disk.


19

4. Shrnutí výsledků projektu a závěr Byla provedena částečná automatizace měření na třífázových asynchronních motorech. Tato automatizace je prováděna přes počítač, software vznikl v prostředí CVI. Do budoucna se nabízí i přidání frekvenčního měniče. Který poskytuje nejrůznější možnosti rozšíření této problematiky. V tomto projektu jsem se dozvěděl spoustu přínosných věcí, o kterých jsem dříve moc nevěděl, tato problematika mě zajímá a uvažuji o napsání bakalářské práce s tématem plné automatizace tohoto měření pomocí frekvenčního měniče.


20

Použitá literatura http://cs.wikipedia.org/wiki/Asynchronn%C3%AD_motor http://www.vscht.cz/ufmt/cs/pomucky/uhrovah/skripta/Uloha%2011.pdf http://cs.wikipedia.org/wiki/Usm%C4%9Br%C5%88ova%C4%8D www.alldatasheet.com // zde jsem čerpal většinu informací o součástkách

Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně.


21


22

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Recommend Documents