Способ определения электромагнитного момента трехфазного асинхронного двигателя

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения электромагнитного момента погружных асинхронных двигателей, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата осуществляют измерения токов и напряжений в фазах сети, питающей асинхронный двигатель. При этом дополнительно измеряют длину кабеля, соединяющего двигатель с сетью, определяют потери фазных напряжений на индуктивном и на омическом сопротивлениях жил кабельной линии, алгебраически суммируют их с действительными значениями одноименных фазных напряжений питающей сети. Полученные трехфазные напряжения и измеренные фазные токи питающей сети используют в процессе определения результирующего вектора потокосцепления статора и результирующего вектора тока статора. 3 ил.

 

Изобретение относится к области электрических машин и может быть использовано для измерения электромагнитного момента погружных асинхронных двигателей, применяемых в нефтяной и газовой промышленности.

Известен способ [1] и устройства [2, 3] косвенного измерения электромагнитного момента двигателя по методу IZ - компенсации, при котором информация о магнитном потоке в зазоре машины переменного тока получается путем интегрирования напряжения, пропорционального ЭДС фазы и полученного путем физического моделирования фазы двигателя.

Физическое моделирование ЭДС фазы вносит дополнительную погрешность при измерении потокосцеплений и не обладает универсальностью, т.к. использует элементы, моделирующие параметры конкретного двигателя.

Другой способ [4] и устройство [5] косвенного измерения электромагнитного момента основаны на определении магнитного потока в зазоре машины с помощью измерительных элементов (датчиков Холла, измерительных катушек), укрепленных на внутренней поверхности статора. Недостатком способа является сложность конструкции, поскольку размещение измерительных элементов в воздушном зазоре машины связано с необходимостью ее разборки, что не всегда возможно по условиям эксплуатации и снижает надежность устройств.

Известен способ [6] бесконтактного непрерывного определения электромагнитного момента двигателя переменного тока, основанный на измерении действительных значений токов и напряжений статора. Способ [6], реализованный в устройствах [7, 8, 9, 10], по технологической сущности и достигаемым результатам является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принимается за прототип.

В соответствии с данным способом бесконтактного непрерывного определения электромагнитного момента трехфазного асинхронного двигателя измеряют действительные токи и напряжения статора двигателя, значения которых подают на вход вычислительного устройства, с помощью которого вычисляют момент по зависимости

где ψст - результирующий вектор потокосцепления статора, Iст - результирующий вектор тока статора.

Структурная схема реализации способа-прототипа содержит три датчика фазных напряжений статора (их мгновенных значений), три датчика мгновенных значений фазных токов статора и вычислительное устройство, подключенное к датчикам напряжений и датчикам токов. Вычислительное устройство содержит блок определения напряжений по двум прямоугольным координатам, подключенный к датчикам фазных напряжений, блок определения составляющих токов по двум прямоугольным координатам, подключенный к датчикам токов статора, два элемента определения составляющих производной по времени потокосцепления по двум прямоугольным координатам, подключенные к выходам указанных блоков, два блока интегрирования, включенные на выходах этих элементов, два блока перемножения, первые входы которых соединены с выходами двух блоков интегрирования, а вторые их входы соединены с выходами блока определения составляющих токов статора по двум прямоугольным координатам, элемент суммирования, подключенный к выходам двух блоков перемножения.

Недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности. Так, данным способом невозможно измерить электромагнитный момент у погружных асинхронных двигателей. Последние используются в буровых установках нефтяной и газовой промышленности и по условиям их эксплуатации работают в стволах скважин на глубинах, доходящих до 1,8...2,7 км от поверхности земли. Для измерения электромагнитного момента по способу [6] необходимо, во-первых, разместить на погружном двигателе 1 (фиг.1), находящемся в стволе скважины на глубине 1,8...2,7 км, три датчика 2, 3, 4 фазных токов статора и три датчика 5, 6, 7 фазных напряжений, во-вторых, измерить высоковольтные фазные напряжения и токи статора двигателя и, в-третьих, передать данные измерений по дополнительной двенадцатипроводной линии связи i, u (фиг.1) в наземную станцию управления 9. Выполнение этих условий на действующих нефтяных и газовых скважинах практически невозможно.

Принципиально возможно определение электромагнитного момента у погружного трехфазного асинхронного двигателя в переходных и установившихся режимах путем наземных измерений токов и напряжений непосредственно в фазах А, В, С электропитающей сети (фиг.2) и вычислении электромагнитного момента по зависимости (1). Однако между фазными напряжениями электросети и выходными фазными напряжениями кабельной линии электропитания (фиг.2) большой протяженности имеются отличия за счет потерь напряжения в самой кабельной линии 8. Эти потери создают методическую погрешность определения электромагнитного момента у погружного асинхронного двигателя по результатам наземных измерений.

Как показывают расчеты [11] величина погрешности в сторону завышения значений электромагнитного момента составляет примерно 41% при длине кабельной линии 2 км. Такую погрешность следует признать практически неприемлемой. Поэтому формальная замена фазных напряжений статора погружного двигателя на напряжения фаз А, В, С (фиг.2) электросети неправомерна при определении электромагнитного момента по предлагаемому способу.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа бесконтактного непрерывного измерения электромагнитного момента у погружных асинхронных двигателей в переходных и установившихся режимах и повышение точности способа.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе бесконтактного непрерывного определения электромагнитного момента трехфазного асинхронного двигателя в переходных и установившихся режимах работы, по которому измеряют действительные токи и напряжения, по которым вычисляют результирующий вектор потокосцепления статора и результирующий вектор тока статора, а затем определяют электромагнитный момент по зависимости

где ψст - результирующий вектор потокосцепления статора, iст - результирующий вектор тока статора, согласно изобретению осуществляют указанные измерения в фазах сети, питающей асинхронный двигатель, дополнительно измеряют длину кабеля, соединяющего двигатель с сетью, определяют потери фазных напряжений на индуктивном и на омическом сопротивлениях жил кабельной линии, алгебраически суммируют их с действительными значениями одноименных фазных напряжений питающей сети и полученные трехфазные напряжения и измеренные фазные токи питающей сети используют для вычисления результирующего вектора потокосцепления статора и результирующего вектора тока статора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема измерения электромагнитного момента у погружного асинхронного двигателя в переходных и установившихся режимах известным способом; на фиг.2 приведена структурная схема измерения электромагнитного момента путем формальной замены фазных напряжений статора погружного двигателя на напряжения фаз А, В, С питающей электросети, а на фиг.3 дается блок-схема устройства для реализации заявляемого способа измерения электромагнитного момента. Устройство для реализации заявляемого способа содержит три датчика 1-3 мгновенных значений фазных токов iA, iB, iС электросети, питающей асинхронный двигатель; три датчика 4-6 фазных напряжений uA, uB, uC, электросети (их мгновенных значений); три идентичных блока 7-9 определения потерь фазных напряжений в кабельной линии 10; три элемента 11-13 выделения напряжений статора асинхронного двигателя 14 и вычислительное устройство 15 определения электромагнитного момента. Вариант выполнения блоков 7-9 с описанием их работы дается в приложении 2 к данной заявке на изобретение.

Способ бесконтактного непрерывного измерения электромагнитного момента трехфазных асинхронных двигателей осуществляется следующим образом.

Датчики тока 1-3 и напряжения 4-6 подключаются к соответствующим фазным цепям электропитания асинхронного двигателя. Сигналы с датчиков 1-3 фазных токов (фиг.3), пропорциональные также токам статора асинхронного двигателя [11], поступают на вычислительное устройство 15 для определения электромагнитного момента, а также на первые входы блоков 7-9 определения потерь фазных напряжений в кабельной линии 10. На вторые входы указанных блоков подается с измерительного устройства сигнал в виде постоянного напряжения u1 пропорциональный длине 1 кабельной линии 10. При этом на первом выходе блока 7 формируется сигнал

пропорциональный мгновенным значениям потерь напряжения фазы А на омическом сопротивлении жилы кабеля электропитания 10, где Ro - сопротивление кабеля на единицу длины; k1 - коэффициент пропорциональности.

На втором выходе блока 7 формируется сигнал

пропорциональный мгновенным значениям потерь напряжения фазы А на индуктивном сопротивлении жилы кабеля электропитания 10, где Lo - индуктивность кабеля на единицу длины; k2 - коэффициент пропорциональности.

Аналогичным соотношениям удовлетворяют выходные сигналы блоков 8, 9 определения потерь напряжения фаз В и С в кабельной линии 10. Выходные сигналы блоков 7-9 вместе с выходными сигналами датчиков напряжений 4-6, пропорциональными мгновенным значениям uA,uB,uC фазных напряжений электропитающей сети, поступают на входы элементов 11-13. Последние реализуют операцию алгебраического суммирования указанных сигналов по формулам

где кu - передаточный коэффициент датчиков напряжений, и при обеспечении равенства

формирует на своих выходах трехфазную систему сигналов

пропорциональных напряжениям статора асинхронного двигателя 14 (фиг.3). Трехфазные напряжения uA, uB, uC участвуют вместе с сигналами от датчиков тока 1-3 в определении результирующего вектора потокосцепления статора ψст и результирующего вектора тока статора iст, по которым вычисляется (см. ур-ние 1) мгновенное значение электромагнитного момента М с помощью вычислительного устройства 15, не отличающегося от вычислительного устройства прототипа [6].

Техническим преимуществом заявляемого способа бесконтактного непрерывного измерения момента в сравнении с прототипом является более широкая область применения, позволяющая, в частности, измерять мгновенное значение электромагнитного момента у погружных асинхронных двигателей, для которых измерения токов и напряжений в фазах статора невозможны по условиям эксплуатации таких двигателей. Другим преимуществом способа является снижение методической погрешности определения электромагнитного момента по результатам наземных измерений с 41% до приемлемого для практических целей значения не более 8% при длине кабельной линии 8 электропитания в 2 км. При этом, как показывают расчеты, приведенные в приложении 3 к данной заявке на изобретение, значение методической погрешности слабо зависит от длины кабельной линии.

Все это подтверждает техническую эффективность предлагаемого способа и обеспечивается измерениями фазных токов и напряжений в электросети, питающей асинхронный двигатель, дополнительным измерением длины кабельной линии и определением потерь фазных напряжений на индуктивном и на омическом сопротивлениях жил кабельной линии.

Реализация предлагаемого способа измерения мгновенных значений электромагнитного момента может быть выполнена с использованием стандартных датчиков тока и напряжения, измерительных преобразователей перемещений, интегральных микросхем, таких как цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) КР572ПА1А [12] аналого-цифровых преобразователей (АЦП) КР572ПВ1А, масштабных преобразователей на операционном усилителе КР140УД17 с использованием соответствующих дискретных компонентов (резисторов и конденсаторов). Наиболее вероятный и приемлемый вариант реализации способа заключается в использовании для этой цели стандартных плат сбора и обработки информации АЦП/ЦАП, таких, например, как PCI - 4551 (АЦП, два канала ЦАП с выходным сигналом ±10 В, ±1 В, ±0,1 В; переключение выполняется программным путем) и PCI - MIO - 16ХЕ -10 (АЦП, два ЦАП с выходным сигналом ±10 В и О - 10 В) фирмы National Instruments вместе со стандартными датчиками. Способ может быть использован в нефтяной и газовой промышленности для непрерывного бесконтактного измерения мгновенного значения электромагнитного момента асинхронных двигателей в буровых установках.

Источники информации

1. Поляков Г.Н. и др. Об одном методе измерения электромагнитного момента при частотном управлении асинхронным двигателем. Тезисы докладов, Смоленск, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР N 492764, кл. G01L 3/00, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР N 781622, кл. G01L 3/00, 1978.

4. Дацковский Л.Х., Тарасенко Л.М. и др. Синтез систем подчиненного регулирования в асинхронных электроприводах с непосредственными преобразователями частоты. Электричество, 9, 1975.

5. Авторское свидетельство СССР N 649971, кл. G01L 3/00, 1976

6. Авторское свидетельство СССР N 342093. кл. G01L 3/00, 1970.

7. Авторское свидетельство СССР N 1606882 А1, кл. G01L 3/00, 1988.

8. Авторское свидетельство СССР N 976313, кл. G01L 3/00, 1981

9. Авторское свидетельство СССР N 1545107 A1, кл. G01L 3/00, 1987.

10. Авторское свидетельство СССР N 691703, кл. G01L 3/10, 1977.

11. Поверка средств электрических измерений: Справочная книга / Л.И.Любимов, И.Д.Форсилова, Е.З.Шапиро. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 296 с.: ил., раздел «Погрешности косвенных измерений».

12. Смирнов В.И., Петров Ю.А., Рязанцев В.И. Основы проектирования и расчета следящих систем. М.: Машиностроение, 1993, с.26-36.

Способ бесконтактного непрерывного определения электромагнитного момента трехфазного асинхронного двигателя в переходных и установившихся режимах работы, по которому измеряют действительные токи и напряжения, по которым вычисляют результирующий вектор потокосцепления статора и результирующий вектор тока статора, а затем определяют электромагнитный момент по зависимости

где ψст - результирующий вектор потокосцепления статора, iст - результирующий вектор тока статора, отличающийся тем, что указанные измерения токов и напряжений осуществляют в фазах сети, питающей асинхронный двигатель, дополнительно измеряют длину кабеля, соединяющего двигатель с сетью, определяют потери фазных напряжений на индуктивном и на омическом сопротивлениях жил кабельной линии, алгебраически суммируют их с действительными значениями одноименных фазных напряжений питающей сети и полученные трехфазные напряжения и измеренные фазные токи питающей сети используют для вычисления результирующего вектора потокосцепления статора и результирующего вектора тока статора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации нагрузок, в частности крутящего момента, изгибающего момента и осевого усилия, на вращающихся деталях, таких как валы, шпиндели или цапфы.

Изобретение относится к составным узлам электромеханического усилителя руля (ЭМУР), предназначенного для снижения усилия на руле, в частности, при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля крутящего момента на валу электродвигателя. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформации валов. .

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента на вращающемся валу сельскохозяйственных агрегатов. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящих моментов различных механизмов. .

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано при разработке средств измерения крутящего момента, в частности, полых валов. .

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано при разработке аппаратуры для контроля и измерения крутящего момента. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента электродвигателя

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения крутящего момента

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения крутящего момента вала рулевого колеса, скорости и положения ротора в системе управления электромеханическим усилителем руля

Изобретение относится к автомобилестроению и может использоваться в качестве датчика для бесконтактного измерения крутящего момента рулевого вала в системе управления электромеханическим усилителем руля

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента и осевого усилия валов различных силовых установок, используемых на морских судах, в металлургии и других областях техники

Изобретение относится к измерительной технике

Настоящее изобретение относится к устройствам для измерения крутящего момента, передаваемого валом двигателя, например валом газотурбинного двигателя самолета. Изобретение относится к устройству для измерения крутящего момента, содержащему: вал (12) отбора мощности для передачи крутящего момента вращения вокруг оси (A) вала отбора мощности; первое колесо (18), содержащее угловые метки, причем упомянутое колесо прикреплено к валу отбора мощности; опорный вал (20), содержащий второе колесо с угловыми метками; и датчик (26), расположенный напротив, по меньшей мере, одного из колес с возможностью определения крутящего момента, передаваемого валом отбора мощности, согласно изобретению первое колесо (18) содержит первую и вторую последовательности угловых меток; и второе колесо (22) содержит третью и четвертую последовательности угловых меток, причем метки первой и третьей последовательностей взаимно параллельны, а метки второй и четвертой последовательностей взаимно параллельны и расположены под углом относительно первой осевой плоскости, содержащей ось (A), причем метки первой последовательности расположены под углом относительно меток второй последовательности, посредством чего сигнал, выдаваемый упомянутым датчиком (26), также характеризует температуру вала (12) отбора мощности. Технический результат - создание устройства для измерения крутящего момента, передаваемого валом отбора мощности, упрощение конструкции, уменьшение веса и стоимости. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения тормозного момента от действия вихревых токов и гистерезиса в роторных механизмах на электромагнитных опорах. Устройство содержит статор и ротор осевого или радиального активного электромагнитного подшипника, при этом ротор вращается в подшипниках приводным двигателем. Дополнительно оно снабжено дополнительными подшипниками, позволяющими статору поворачиваться вокруг оси вращения и перемещаться по оси регулировочными винтами в пределах воздушных зазоров, и цапфами, соединенными с динамометрами растяжения и (или) сжатия. Технический результат заключается в упрощении устройства и повышении точности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного определения величины момента, создаваемого различными пружинами, и контроля качества этапов технологического процесса их изготовления. Устройство включает в себя стенд, выходной вал которого соединен с зажимом внутреннего конца испытуемой пружины, зажим наружного конца испытуемой пружины, связанный с входным валом стенда, соединенным в свою очередь через редуктор с электродвигателем, который подключен к выходу блока управления приводом, блок реверсирования, счетчик импульсов, вход которого связан с выходом датчика угла, а информационный выход с дешифратором конца измерения, компаратор, вход которого подключен к фотоприемнику, связанному с источником света через зеркало оптической системы, интегратор, выход которого связан со входом аналого-запоминающего блока, выход которого соединен с входом блока управления током, информационный выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, информационный выход которого соединен с входом регистратора, а запускающий выход - с запускающим входом регистратора. Также оно включает регулировочное устройство, коромысло, подвижный балансировочный груз, тяговую обмотку электромагнита, подключенную к управляющим выходам блока управления током, сердечник электромагнита, установленный на первом плече коромысла, которое жестко закреплено на выходном валу стенда, а на втором плече коромысла установлено зеркало оптической системы и подвижный балансировочный груз, механически соединенный с регулировочным устройством, ключ, блок запуска измерения, узел сцепления, который связывает входной вал датчика угла с входным валом стенда, а его управляющий вход подсоединен к управляющему входу ключа. Технический результат заключается в повышении точности измерений момента, создаваемого пружиной, расширении диапазона измеряемых моментов, а также увеличении производительности. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение может быть использовано в системах управления с обратной связью для управления сгоранием в двигателях внутреннего сгорания. Система (10) двигателя внутреннего сгорания содержит многоцилиндровый двигатель (12), нагрузку (14), соединенную с двигателем посредством коленчатого вала (16), магнитный датчик (24) крутящего момента, расположенный между двигателем (12) и нагрузкой (14) и управляющий модуль (26). Магнитный датчик (24) крутящего момента выполнен с возможностью прямого измерения крутящего момента двигателя (12) и формирования выходного сигнала (28) крутящего момента, указывающего крутящий момент двигателя (12). Управляющий модуль (26) соединен для взаимодействия с магнитным датчиком (24) крутящего момента. Управляющий модуль (26) содержит модуль (30) сбора данных, выполненный с возможностью приема сигнала (28) крутящего момента и формирования одного или более выходных сигналов (32, 34, 36, 38), соответствующих одному или более параметрам сгорания, на основе сигнала (28) крутящего момента. Модуль (30) сбора данных содержит фильтр высоких частот для формирования выходного сигнала детонации, выполненный с возможностью приема сигнала крутящего момента и формирования выходного сигнала детонации, соответствующего цилиндру двигателя из множества цилиндров (20) двигателя (12). Управляющий модуль (26) выполнен с возможностью управления одним или более управляющими параметрами двигателя (12) на основе одного или более параметров сгорания для управления сгоранием в каждом цилиндре двигателя (12). Раскрыт вариант выполнения системы. Технический результат заключается в повышении точности управления параметрами двигателя. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх