DU 6014 Labs on Line C1 Webexperiment: Frequentieregelaar Versie 1.00, juni 2007
1
Inleiding Onderwerp van dit online laboratorium is het experimenteren met een frequentieregelaar van ABB. Doel is daarbij het beheersen van de frequentie van een motor-generatorcombinatie, bij wisselende belastingen, en onder bewaking van de temperatuur en stroomsterkte. We mikken in dit lab online op de bedrijfscursist. De bedrijfscursist is bij een specifieke training hooguit enkel dagen bezig met een zeer gespecialiseerd onderwerp: hij doet het practicum om vaardigheden op te doen met een specifiek bedrijfsmiddel, zoals een router, een regelaar of een PLC-programma.
2
De laboratoriumopstelling
2.1
Hardware De opstelling is hier onder weergegeven zonder de bijbehorende computer waar de software Drive Light II op aanwezig is om de regelaar op afstand in te stellen. Onderdeel
Merk/Type
1 Motor
Elstro/63M4A-40 ES 0,12Kw 400V
1 Generator
Creusen DC 71M-2GPV 3,1A 150V
1 Belasting
Schuifweerstand max stroom 1.4 A
1 Belastingsregelaar
IGBT module
2 Temp. Sensor
Bimetaal met een maximale temperatuur van 50 graden
1 Stroommeting
LEM module Current Transducer LA 55-P
1 Beveiligingscontroller
AVR board (AVR-IO-M16)
1 Frequentieregelaar
ABB/ACS140
pagina 1 van 11
2.2
Software
2.2.1 AVR software De beveiligingsoftware en de software om de belasting te regelen is opgebouwd rond de microcontroller van de AVR. De AVR heeft de taken: −
regelen van de belasting middels een PWM sturing van de IGBT
−
bewaken van de temperatuur van de motor en generator
−
bewaken van de stroom door de belastingsweerstand
−
aan en uitschakelen van de frequentieregelaar indien gewenst
Voor een volledige beschrijving, zie bijlage A.
2.2.2 TightVNC TightVNC is een open source product dat te downloaden is via www.tightvnc.com/download.html. Hier is gekozen voor de versie tightvnc-1.2.9-setup.exe. Voor de installatie-instructies en eventuele hulp, zie www.tightvnc.com/winst.html.
3
De docent
3.1
Veiligheid De veiligheid kan worden geregeld door de regelaar, maar dat brengt met zich mee dat niet alle parameters van de regelaar kunnen worden ingesteld. Er is gekozen voor een extra microcontroller, die de bewaking regelt en bestaat uit : −
bewaken van de temperatuur (max. 50 graden Celsius) van de motor en generator;
−
bewaken van de stroom (max. 1.4 A) door de belastingsweerstand;
−
uitschakelen van de frequentieregelaar, indien de grenzen worden overschreden.
pagina 2 van 11
De omcirkelde delen in het figuur hieronder geven aan waar de bewakingsonderdelen zijn gemonteerd.
3.2
Eigen opdrachten Naast de in dit document uitgewerkte opdrachten kan de docent zelf andere opdrachten toevoegen, waarmee andere aspecten van de frequentieregelaar kunnen worden getraind. Beperkingen wat betreft de mogelijkheden van het instellen van de regelaar zijn er niet. Door de losse bewaking van de microcontroller is de frequentieregelaar volledig instelbaar. De beperkingen zijn bepaald door de opstelling en zijn af te leiden uit de bovenstaande labopstelling. Voor de standaardinstelling van de regelaar, die de student krijgt door op de startknop van de GUI te drukken, is er een eenvoudige INI-file aanwezig die door de ontwerper van het lab is vastgesteld. Desgewenst kunnen bij nieuwe proeven andere INI-files worden toegevoegd.
4
De student
4.1
Algemeen Het doel van het online practicum is het verkrijgen van kennis van een frequentieregelaar in het algemeen en het opdoen van specifieke vaardigheden met de ABB-regelaar inclusief de bijbehorende Drive Window Light II software. Om het lab te kunnen gebruiken reserveert de cursist het lab via het reserveringssysteem. Op de gereserveerde tijd kan de student de training middels een handleiding voor het trainen van bepaalde vaardigheden uitvoeren.
4.2
Veiligheid Als de cursist tijdens het uitvoeren van het practicum instellingen maakt die gevaarlijk kunnen zijn voor de opstelling, waakt een beveiligingssysteem over de opstelling en schakelt bij gevaar (bijv. brandgevaar, te hoge belastingsstroom etc. ) de gehele opstelling uit. De cursist kan de schakeling weer gebruiken door op de computer de resetknop van de gebruikersinterface in te drukken. De opstelling wordt dan in de beginsituatie gezet; alle eerdere instellingen zijn verloren.
pagina 3 van 11
5
Labopdrachten De opdrachten die hier beschreven worden zijn ontwikkeld om vertrouwd te raken met de ABBfrequentieregelaar.
Bovenstaand schema geeft een asynchrone motor weer, aangesloten aan een frequentieregelaar en gekoppeld aan een DC-machine met permanent magneet. De frequentieregelaar wordt bestuurd via de seriële poort van een PC. De rotor van de DC-machine is verbonden aan een belastingsweerstand en wordt als belasting gebruikt voor de asynchrone machine. We gebruiken de frequentieregelaar van ABB. De ABB-regelaar heeft veel series en soorten voor bijna alle gewenste situaties; hier gebruiken we een regelaar uit de ACS 140-serie. Het model dat we gebruiken is de ACS 143-1K6-3. Gegevens van de ACS 143-1K6-3: Pnom :
0,75 kW
Inom input :
3,6 A
Inom output :
2,0 A
Imax output :
3,0 A
Over current(peak) :
6,6 A
Over temp(head sink):
90°C
Line fuse :
6A
Power circuit :
27 W
Control circuit :
17 W
Weight:
1,1 kg
Het handige van de veelzijdige ABB-serie is dat alle regelaars op dezelfde manier communiceren met de computer en dan ook nog met hetzelfde softwarepakket. Op alle regelaars wordt dezelfde adapter (RS485/232) met de seriële aansluiting geklikt. Via deze adapter wordt met de computer gecommuniceerd. Links op de afbeelding staat ook een besturingspaneel waarmee de regelaar handmatig bediend kan worden. Hier komen we later in de opdrachten nog op terug.
pagina 4 van 11
5.1
Opdracht 1 De adapter die zich op de regelaar bevindt, is verbonden met de com-poort op de objectcomputer. De software dient vanaf de GUI gestart te worden, middels de rode reset-knop. Er zijn verschillende versies, maar op de objectcomputer is geïnstalleerd de versie DriveWindow Light II. Het programma zoekt zelf de regelaar op en herkent het type. We willen nu het softwareprogramma bespreken met begeleidende opdrachten. Het is van belang dat de regelaar weet welke motor aan de regelaar is gekoppeld. De motor is al aangesloten, maar de gegevens moeten nog ingevoerd worden in de regelaar. De motor staat in ster. Kijk met de webcam naar het motorplaatje en noteer de gegevens van het plaatje hieronder: Merk, Type Vermogen Udriehoek / Uster If N Om de gegevens in te voeren in de regelaar moeten we bij de parameters zijn. Hier is een speciaal scherm voor. De parameters zijn de in te stellen waarden van de regelaar. Boven in de toolbar staat een aantal icoontjes rechts naast het typenummer van de regelaar. De eerste is voor het openen van het scherm met parameters. Kiezen we deze, dan verschijnt een heel scherm met ID-codes en namen. Dit zijn een soort mappen; onder deze mappen staan de parameters. Als de map geopend wordt, uploadt het programma de parameters. Dit wil zeggen dat ze uit de regelaar worden gehaald zoals ze er op dat moment in staan. De waarden kunnen nu gewijzigd worden. De parameters zijn allemaal gecodeerd. In de handleiding wordt ook naar de codes verwezen bij de eventuele foutmeldingen. De eerste twee cijfers zijn hetzelfde als het nummer van de map. Dit is handig voor de navigatie in de mappen. Als de motorspanning, stroom, frequentie en toerental juist zijn ingevuld in map 99 kan verder gegaan worden. De gewijzigde instellingen worden aangegeven met twee sterretjes. Dit komt omdat het programma de verandering nog niet heeft aangepast in de regelaar. Dit wordt uitgevoerd door boven in het scherm met parameters de regelaar van OFF-LINE naar ON-LINE te zetten. Er verschijnt nu een scherm waarmee de veranderingen worden verzonden naar de regelaar (downloaden). Kies voor “Download Changed”. De regelaar staat nu ON-line en de motor kan gaan draaien.Om dit uitgebreid te kunnen zien is het leuk om parameter 01 (Operating data) open te zetten. Hier verschijnen de resultaten. De motor starten (zie in de toolbar helemaal onder in het scherm) : •
Uiterst links zien we het motortje staan met het typenummer. In het balkje daarnaast kan straks
•
Verderop staat de knop “Local”. Deze toont nu “Remote”, d.w.z. dat de regelaar met de
de gewenste frequentie ingevuld worden; daarvoor geïnstalleerde knoppen de motor regelt; •
De twee knoppen daarnaast zijn voor de draairichting;
•
“Reset” wordt gebruikt bij eventuele storingen;
•
Tot slot de “Aan” en de “Uit” knop.
pagina 5 van 11
Druk op de toets “Local”: deze wordt nu geel. Voer een willekeurige frequentie in (bijvoorbeeld 25Hz) en druk op ENTER. Start de motor met de groene knop. Een waarschuwing laat zien dat de motor gaat draaien. Druk op “OK” en pas de frequentie nog eens aan. Op het scherm is zichtbaar hoe de parameters na een tijdje zich ook aanpassen. Dit wordt vertraagd weergegeven door de trage communicatie van de seriële kabel. De eerste oriëntatie van het programma is nu volbracht. Ga alleen verder als dit allemaal duidelijk is! 5.2
Opdracht 2 In deze opdracht gaan we de “start”- en de “stop” -methode behandelen. De regelaar kan op verschillende manieren gestart en gestopt worden. Het starten en stoppen kan gedurende een ingestelde tijd plaatsvinden. We beginnen met het instellen van de tijd. De accelereertijd en de decelereertijd kunnen we instellen in de parameters 2202 en 2203. Stel parameter 2202 in op 30 seconden en 2203 op 5 seconden. Start de motor. Stop de motor als hij op de gewenste frequentie draait. Doe dit nogmaals, alleen dan precies anders om. Parameter 2202 op 5 sec, en 2203 op 30 sec. Luister en kijk naar het verschil. Deze parameters mogen veranderen tijdens het draaien van de motor. Bedenk twee situaties waarin langzaam optoeren gewenst is. • ………………………… • ………………………… Bedenk twee situaties waarin langzaam aftoeren gewenst is. • ………………………… • ………………………… Bedenk twee situaties waarin snel optoeren gewenst is. • ………………………… • ………………………… Bedenk twee situaties waarin snel aftoeren gewenst is. • ………………………… • ………………………… Stel de Parameters 2202 en 2203 terug in op 7 sec! Acceleratie mogelijkheden evalueren: We zien in de map 21 START / STOP de parameters 2101 en 2102 staan, respectievelijk de START- en de STOP-functie. Dit zijn parameters die alleen gewijzigd kunnen worden als de motor uitgeschakeld is. Bij parameter 2101, de “START” parameter, kan gekozen worden uit : •
RAMP
•
FLYING
•
TORQUE BOOST
•
FLY+BOOST
Bij de “STOP”-parameter 2102 kan gekozen worden uit: •
RAMP
•
COAST
pagina 6 van 11
De parameters 2101 en 2102 verwijzen eigenlijk naar de parametermap 22. In deze map hebben we net de accelereer- en decelereertijden ingesteld. Zet je nu één van beide op “RAMP”, dan moet je bij parameter 2206 de “RAMP SHAPE” opgeven. We kunnen hier kiezen uit: •
LINEAR
•
FAST S CURVE
•
MEDIUM S CURVE
•
SLOW S CURVE
We stellen in op “LINEAR”. Laat de motor draaien. Probeer nu ook de andere “RAMP SHAPE” mogelijkheden in parameter 2206. Luister heel goed naar het toerenverloop en beschrijf de verschillen tussen: FAST S CURVE, MEDIUM S CURVE en SLOW S CURVE. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Zet parameter 2206 terug naar Lineair! We gaan nu de “START”- en “STOP”-functie verder onderzoeken. Stel parameter 2101 van “RAMP” naar “FLYING”. Schakel de motor in en beschrijf het geluid dat wordt waargenomen, en zet hem vervolgens weer stil. …………………………………………………………………………………………… De optie “FLYING” klinkt spectaculair, maar komt eigenlijk niet tot zijn recht in deze opdracht. Bij FLYING stuurt de regelaar een spanning naar de motor toe. De regelaar meet nu de frequentie van de bronspanning die hij terug krijgt. Hieruit maakt hij op hoe snel de motor op dat moment draait. Hij gebruikt dit punt als startpunt voor de verdere regeling. Bedenk een toepassing voor deze optie. Schijf deze hieronder op. ……………………………………………………………………………………………… Grafieken Het programma DriveWindow Light II geeft de mogelijkheid van iedere parameter een grafiek te tekenen. De reden waarom dat nu pas vermeld wordt, is de volgende. Door de trage communicatie van de seriële kabel zouden we bij de vorige veranderingen heel weinig aan deze optie hebben gehad. Bij de wat nieuwere software is dit wel iets verbeterd, maar het blijft traag. Echter kunnen we bij de parameter 2101, ingesteld op “FLYING”, heel goed zien wat er gebeurt in de grafiek. Rechts naast de knop om het scherm met parameters te starten bevindt zich de knop om het monitorscherm te openen. Bij de eerste keer openen verschijnt het keuzescherm van de parameters. Het is dezelfde indeling als in het scherm met parameters. •
Kies “1 OPERATING DATA”
•
Kies vervolgens parameter 0102 “SPEED”.
•
Door dubbel te klikken of op “select>>” te drukken verschijnt hij in de rechter kolom en kun je op “OK” drukken.
Je krijgt nu het volgende scherm.
pagina 7 van 11
Wijzig de vier instellingen zoals die in de afbeelding hierboven staan aangegeven. We zien een “Play”-en een “Stop”-knop. Druk op “Play” en start de motor. Bekijk de grafiek en vergelijk die met het vorige antwoord. Verander de frequentie nog eens. Kijk wat de grafiek doet. Met de knop naast de “Stop”- knop kunnen we een andere parameter die we willen zien selecteren.
5.3
Opdracht 3 We laten de motor met een vast toerental draaien. De motor wordt belast met een variabele belasting die geregeld wordt door de PWM-regelaar in te stellen met een duty-cycle van 0 naar 100% in stappen van 10%. Deze kan worden ingesteld op de GUI onder het vak “Belastingsregelaar”. Bekijk in de grafiek de waarde van de stroom en de spanning en noteer die in onderstaande tabel. Duty cycle(%)
Stroom (A)
Spanning (V)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
pagina 8 van 11
Bijlage A Motor-generatorbeveiliging met AVR
1.
Inleiding
Het doel van het assembly programma dat beschreven staat in deze bijlage is het beveiligen van een motor en generator tegen overbelasting. Het bord waar deze software op draait is het Olimex AVR-IO-M16-bord. De software is ontwikkeld voor een Atmega 16-microcontroller die op dit type bord is aangebracht. 2.
Functies
De software die draait op de Atmega (AVR) heeft een aantal functies. Allereerst stuurt de software relais aan waarmee de motor gevoed wordt. Het bord bepaalt of de situatie veilig genoeg is om de motor, generator te belasten. Deze beslissing zal genomen worden op de waarde van een aantal sensoren welke uitgelezen moeten worden. Allereerst zijn er temperatuur sensoren aanwezig op de motor en de generator. Deze geven een signaal als een bepaalde grens overschreden wordt. Daarnaast is er een LEM module die de stroom meet door de belasting. Als de maximale waarde overschreden wordt, dan wordt wederom de voeding uitgeschakeld. Naast de beveiligingstaak heeft software de taak te communiceren met de object PC. De gebruiker kan met behulp van de GUI op de PC commando’s geven aan het bordje en eventueel gegevens opvragen over de stroom of de toestanden van de andere sensoren. De gebruiker is ook in staat de belasting te bedienen via pulsbreedte modulatie (PWM) en een insulated gate bipolar transistor (IGBT). De communicatie via de computer loopt via de GUI over een RS232-USB verbinding. 3.
Blokdiagram
Start/stop (relais)
Olimex Atmega 16 Board
Stroom (LEM)
Belastingsgraad (IGBT)
Temperatuur (1/0)
Temperatuur (1/0)
Motor
4.
Generator
Belasting
Verbinding
De PC maakt verbinding met het bord via een USB-verbinding, die binnen de software als RS232(com)poort functioneert. De verbindingssnelheid is variabel. Het eerste karakter wat verstuurd wordt naar het bord wordt geanalyseerd en de baudrate wordt berekend. Wel moet vaststaan dat elk verzonden byte uit 8 bits en 1 stopbit bestaat. Van belang is dat het eerste karakter dat wordt
pagina 9 van 11
verstuurd een oneven ascii-waarde heeft. De ‘enter’-toets heeft deze waarde. De baudrate die ingesteld is op de pc moet tussen de 300 bps en de 57,6 kbps liggen. Nadat de baudrate gedetecteerd is, zal het bord de tekst “command:>” naar de GUI sturen. Binnen de GUI worden de benodigde commando’s verstuurd. 5.
Commando’s voor het bord
In deze paragraaf staan de diverse commando’s uitgelegd die je aan het bord kunt sturen. De commando’s zijn hoofdlettergevoelig. HELP Het commando ‘HELP’ geeft een tekst terug waarin een opsomming gegeven wordt van de mogelijke commando’s die aan het bord gestuurd kunnen worden CURRENT Het commando ‘CURRENT’ vertelt het bord dat de gebruiker de stroom wilt weten. Deze wordt in een antwoord teruggestuurd naar de computer en afgedrukt op het scherm. LOAD Het commando ‘LOAD’ kan op 2 manieren gebruikt worden. In het eerste geval wordt er geen waarde toegevoegd aan het commando. Het bord weet dan dat de gebruiker het huidige belastingpercentage opvraagt. Dit wordt dan ook afgedrukt op het scherm. In het andere geval wordt er achter load nog een 1, 2 of 3 cijferig getal toegevoegd aan het commando. Dit getal geeft de gewenste belastingsgraad en moet tussen de 0 en 100 zijn. Als men de belasting op 94 % wilt hebben dan ziet het commando er als volgt uit ‘LOAD 94’. UNLOAD Het commando ‘UNLOAD’ heeft dezelfde betekenis als ‘LOAD 0’ en zal het pulsbreedtesignaal uitschakelen. RESET Het commando ‘RESET’ geeft aan dat het bord herstart moet worden. Het bord zal weer teruggaan naar het baudrate detectiepunt. Het eerste karakter wat verstuurd wordt moet dus een oneven ascii-waarde hebben. START Het commando ‘START’ geeft aan dat de gebruiker de voeding van frequentieregelaar wil inschakelen. Dit commando wordt alleen uitgevoerd als beide temperatuursensoren dit toelaten. Anders geeft het bord aan dat we wachten tot de motor en/of generator afgekoeld zijn. Als ze afgekoeld zijn, dan moet opnieuw het startcommando gegeven worden STOP Het ‘STOP’ commando geeft aan dat de gebruiker wil dat de voeding van de frequentieregelaar onderbroken wordt. Dit commando wordt automatisch uitgevoerd als de stroom door de belasting te hoog oploopt of de temperatuur van de motor of de generator te hoog is.
6.
Feedback van het bord
Het bord geeft tijdens gebruik feedback als de schakeling in een toestand komt die schade zou kunnen opleveren aan de schakeling. Er zijn drie opmerkingen die gegeven worden als de stroom
pagina 10 van 11
te hoog wordt. De waarschuwing "Warning current critical 1.0 A" wordt gegeven als de stroom door de belasting hoger wordt dan 1 ampère. Pas als de stroom zakt tot onder deze waarde en vervolgens de waarden weer overstijgt, wordt de waarschuwing opnieuw gegeven. De waarschuwing "Warning current critical 1.4 A" wordt gegeven wanneer de stroom hoger wordt dan 1.4 ampère. Ook bij deze waarschuwing wordt de voeding nog niet uitgeschakeld. Pas als de stroom meer dan 1.5 ampere bedraagt wordt de voeding uitgeschakeld. De melding die gegeven wordt, is dan "ERROR CURRENT TO HIGH". De voeding kan direct weer worden ingeschakeld zodra de stroom weer is gezakt tot onder dit niveau. Bij de overschrijding van de maximale toegestane temperatuur van de motor wordt een waarschuwing gegeven "ERROR TEMP. MOTOR TO HIGH". Pas als de motor voldoende afgekoeld is, zal de voeding opnieuw ingeschakeld kunnen worden. Ook bij de overschrijding van de maximale temperatuur van de generator wordt een melding gegeven. Deze melding is "ERROR TEMP. GENERATOR TO HIGH". Als de motor of generator te warm is en er wordt een poging gedaan om de voeding in te schakelen zal de volgende melding gegeven worden: "NOT READY FOR STARTUP. Cooling down". Als het bord een commando niet begrijpt zal dit aangegeven worden met de tekst: "UNKNOWN COMMAND TYPE: HELP for help".
pagina 11 van 11
