Analiza regulacije hitrosti asinhronskega motorja s ...Pri tej regulaciji tahogenerator zaradi preslabe točnosti ne zadostuje. Za meritev hitrosti pri vektorski regulaciji moramo

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Primož Brglez

Analiza regulacije hitrosti asinhronskega

motorja s pretvornikom Simovert

Masterdrives Vector Control

Diplomsko delo

Maribor, september 2015

Analiza regulacije hitrosti asinhronskega motorja s pretvornikom

Simovert Masterdrives Vector Control

Diplomsko delo

Študent: Primož Brglez

Študijski program: Visokošolski študijski program, Elektrotehnika

Smer: Močnostna elektrotehnika

Mentor: izr. prof. dr. Boštjan Polajžer, univ.dipl.inž. el.

Somentor: red. prof. dr. Drago Dolinar, univ.dipl.inž. el.

Lektor: Lidija Novina, predmetna učiteljica slovenščine

I

KAZALO VSEBINE

1. UVOD ............................................................................................................................ 1

2. PRETVORNIK SIMOVERT MASTERDRIVES VECTOR CONTROL..................... 2

2.1 Skalarna U/f regulacija hitrosti .................................................................................... 2

2.2 Vektorska regulacija hitrosti .................................................................................... 5

2.3 Merilnika hitrosti ......................................................................................................... 7

2.4 Povezava pretvornika z računalnikom ......................................................................... 8

3. RAČUNALNIŠKO ORODJE DRIVE MONITOR ....................................................... 9

3.1 Vzpostavitev prve povezave med računalnikom in pogonom ................................... 10

3.2 Nastavljanje parametrov ........................................................................................... 11

3.3 Nadzorna plošča ....................................................................................................... 16

3.4 Funkcija Trace .......................................................................................................... 18

4. PREIZKUS DELOVANJA POGONA ........................................................................ 20

4.1 Predstavitev servosistema ..................................................................................... 20

4.2 Preizkus motorja v prostem teku .............................................................................. 21

4.3 Preizkus motorja v obremenjenem stanju ............................................................. 21

5. REZULTATI ................................................................................................................ 22

5.1 Preizkusi motorja v prostem teku ............................................................................ 22

5.1.1 Preizkusi motorja v prostem teku pri privzetih nastavitvah .................................. 22

5.1.2 Preizkusi motorja v prostem teku pri optimiziranih nastavitvah .......................... 25

5.2 Preizkusi obremenjenega motorja ............................................................................ 28

5.2.1 Preizkusi motorja v obremenjenem stanju s privzetimi nastavitvami ................... 28

5.2.2 Preizkusi motorja v obremenjenem stanju z optimiziranimi nastavitvami............. 32

6. SKLEP .......................................................................................................................... 35

7. VIRI .............................................................................................................................. 36

II

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Blokovna shema skalarne U/f regulacije brez meritve hitrosti [1] ...................... 2

Slika 2.2: Blokovna shema skalarne U/f regulacije z meritvijo hitrosti [1] ......................... 3

Slika 2.3: Blokovna shema U/f regulacije za tekstilno industrijo [1] .................................. 4

Slika 2.4: Blokovni diagram vektorske regulacije brez meritve hitrosti [1] ........................ 5

Slika 2.5: Blokovni diagram vektorske regulacije z meritvijo hitrosti [1] ............................ 6

Slika 2.6: Inkrementalni dajalnik .......................................................................................... 7

Slika 2.7: Povezovalni kabel za povezavo RS232 [2] ......................................................... 8

Slika 3.1: Konfiguracija povezave [2] ................................................................................ 10

Slika 3.2: Vzpostavljanje povezave [2] .............................................................................. 11

Slika 3.3: Ustvarjanje novih nastavitev [2] ........................................................................ 11

Slika 3.4: Navigator pogona ................................................................................................ 12

Slika 3.5: Vstavljanje nazivnih podatkov motorja .............................................................. 13

Slika 3.6: Izbira merilnika hitrosti ....................................................................................... 14

Slika 3.7: Nastavitve regulacije hitrosti U/f ........................................................................ 14

Slika 3.8: Nastavitve omejevalnika strmine referenčne hitrosti .......................................... 15

Slika 3.9: Prikaz nastavitev in potrditev konfiguracije ....................................................... 16

Slika 3.10: Nadzorna plošča ................................................................................................ 17

Slika 3.11: Nastavljanje funkcije Trace [2] ........................................................................ 18

Slika 4.1: Servosistem: sinhronski in asinhronski motor .................................................... 20

Slika 4.2 Pretvornik Simovert Masterdrives VC ................................................................. 21

Slika 5.1: Prikaz grafa zagona z 0% na 50% v neobremenjenem stanju............................. 22

Slika 5.2: Prikaz grafa pospeševanja s 50% na 80% v neobremenjenem stanju ................. 23

Slika 5.3: Prikaz grafa spremembe smeri vrtenja s 50% na -50% v neobremenjenem stanju

............................................................................................................................................. 24

Slika 5.4: Prikaz grafa zagona z 0% na 50% v neobremenjenem stanju............................. 25

III

pri optimiziranih nastavitvah ............................................................................................... 25

Slika 5.5: Prikaz grafa pospeševanja s 50% na 80% v neobremenjenem stanju ................. 26

pri privzetih nastavitvah ...................................................................................................... 26

Slika 5.6: Prikaz grafa spremembe smeri vrtenja s 50% na -50% v .................................... 27

neobremenjenem stanju pri optimiziranih nastavitvah ........................................................ 27

Slika 5.7: Izris grafa spremembe hitrosti pri obremenjenem motorju ................................. 29

s privzetimi nastavitvami ..................................................................................................... 29

Slika 5.8: Izris grafa obremenitve motorja pri 50% hitrosti vrtenja .................................... 30

ob privzetih nastavitvah ....................................................................................................... 30

Slika 5.9: Izris grafa obremenitve motorja pri 80% hitrosti vrtenja .................................... 31

ob privzetih nastavitvah ....................................................................................................... 31

Slika 5.10: Izris grafa spremembe hitrosti pri obremenjenem motorju ............................... 32

z optimiziranimi nastavitvami ............................................................................................. 32

Slika 5.11: Izris grafa obremenitve motorja pri 50% hitrosti vrtenja ................................. 33

ob optimiziranih nastavitvah ............................................................................................... 33

Slika 5.12: Izris grafa obremenitve motorja pri 80% hitrosti vrtenja .................................. 34

ob optimiziranih nastavitvah ............................................................................................... 34

IV

Zahvala

Hvala mentorju izr. prof. dr. Boštjanu

Polajžerju in somentorju red. prof. dr. Dragu

Dolinarju za pomoč in vodenje pri opravljanju

diplomskega dela.

Zahvaljujem se tudi družini, ki mi je v času

študija nudila podporo in denarno pomoč.

Posebna zahvala gre tudi Anji za podporo in

spodbudo pri študiju.

V



Ključne besede: asinhronski motor, regulacija hitrosti, vektorska regulacija, pretvornik,

UDK: 621.3.045.56(043.2)

Povzetek

V diplomskem delu je predstavljen pretvornik Simovert Masterdrives vector control,

in sicer njegove funkcije in delovanje. Opisani so tudi načini vodenja pogonov z

omenjenim pretvornikom. Predstavljena je povezava med računalnikom in pretvornikom

ter vzpostavitev prve povezave. Opisan je tudi Siemens-ovo računalniško orodje Drive

monitor, ki omogoča vodenje, diagnostiko in nadzor pogonov. Prikazani so rezultati

preizkušanja regulacije hitrosti asinhronskega motorja na laboratorijskem servosistemu.

VI



Key words: induction motor, speed control, vector control, converter,

UDK: 621.3.045.56(043.2)

Abstract

This work presents the Simovert Masterdrives vector control converter and all of it's

functions and operation. It also describes the different control modes within the discussed

converter. The connection between the computer and the device is presented along with the

establishment of the first connection. Siemens's computer tool Drive monitor is also

presented, which allows us to perform control, diagnostics and supervision of the drive. All

of the results of the testing speed control on indiction motor are showed.

1

1. UVOD

Asinhronski motor je v današnjem času eden najpogosteje uporabljenih električnih

rotacijskih strojev. Prednosti asinhronskega motorja so robustnost, nizka cena in precej

enostavno vzdrževanje v primerjavi z ostalimi rotacijskimi stroji. Velika večina asinhronskih

motorjev v industriji se napaja s pretvorniki, ki omogočajo velik razpon regulacije delovnega

območja, to pa za direkten priklop na omrežje ne velja. Z uporabo pretvornika lahko

dosežemo mehek zagon asinhronskega motorja, njegova velika prednost pa je tudi možnost

regulacije hitrosti ali navora.

To diplomsko delo je sestavljeno iz šestih poglavij, pri tem prvo poglavje predstavlja kratek

uvod. V drugem poglavju je predstavljen pretvornik Simover Masterdrives vector control,

njegove funkcije in zahteve. Opisani so različni načini regulacije hitrosti: vektorska in

skalarna regulacija z in brez meritve hitrosti. Podan je tudi opis inkrementalnega dajalnika in

tahometra, ki se uporabljata za meritev hitrosti vrtenja.

V tretjem poglavju je opisano Siemens-ovo orodje za vodenje in diagnosticiranje pogonov,

Drive monitor. Opisani so tudi prva povezava med računalnikom in pretvornikom, vstavljanje

parametrov na več načinov, in nadzorna plošča, s katero pretvornik vklapljamo in izklapljamo

ter spreminjamo referenčne vrednosti. V tem poglavju je opisana tudi Trace funkcija

programa Drive monitor, ki omogoča enostavno spremljanje napak, lažjo diagnostiko okvar in

analizo zagonov.

V četrtem poglavju je opisan eksperimentalni servosistem, ki ga sestavljajo asinhronski

motor s pretvornikom Simovert Masterdrives Vector control in sinhronski motor s

pretvornikom Simovert Masterdrives Motion control, ki smo ga uporabili kot breme.

Peto poglavje vsebuje rezultate preizkusov v prostem teku motorja in tudi rezultatov, ko

smo motor obremenili. Vsebuje izmerjene časovne odzive, ki so za boljšo preglednost urejeni

in izrisani s funkcijo Trace programa Drive monitor.

Šesto in hkrati tudi zadnje poglavje pa vsebuje sklep in ugotovitve pri izvajanju diplomskega

dela.

2

2. PRETVORNIK SIMOVERT MASTERDRIVES VECTOR

CONTROL

Simovert Masterdrives vector control je eden izmed široke palete pretvornikov podjetja

Siemens, ki se uporabljajo za regulacijo izmeničnih motorjev. Simovert Masterdrives je

pretvornik za regulacijo asinhronskega motorja, s katerim lahko izvedemo mehki zagon,

reguliramo hitrosti vrtenja in navor motorja. Asinhronski motor lahko reguliramo na več

načinov: skalarna in vektorska regulacijo z in brez meritve hitrosti.

2.1 Skalarna U/f regulacija hitrosti

Pretvornik Simovert masterdrives vector control omogoča tri različne načine skalarne

regulacije. Skalarno regulacijo z upoštevanjem napetostno/frekvenčne karakteristike (U/f)

brez meritve hitrosti (slika 2.1), z meritvijo hitrosti (slika 2.2) in poseben način, ki je

prilagojen za tekstilno industrijo, kjer potrebujemo veliko natančnost pri regulaciji (slika

2.3).

Slika 2.1: Blokovna shema skalarne U/f regulacije brez meritve hitrosti [1]

3

Skalarna U/f regulacija brez meritve hitrosti pride v poštev le pri manj zahtevnih

pogonih, pri katerih ne potrebujemo velike natančnosti pri regulaciji hitrosti. Poganjamo

lahko le en asinhronski motor. Takšna regulacija se v večini uporablja pri motorjih za

pogon črpalk, ventilatorjev ter enostavnejših tekočih trakovih.

Slika 2.2: Blokovna shema skalarne U/f regulacije z meritvijo hitrosti [1]

Skalarna U/f regulacija z meritvijo hitrosti je veliko bolj natančna kot regulacija brez

meritve hitrosti. Hitrost merimo s tahometrom ali z inkrementalnim dajalnikom ki ga

namestimo na gred asinhronskega motorja. Tahogenerator nam daje analogne podatke o

meritvi hitrosti, inkrementalni dajalnik pa digitalne (impulze). To vrsto regulacije

uporabimo pri pogonih, ki so bolj zahtevni in potrebujejo večjo natančnost pri regulaciji

hitrosti, kot jo dosežemo s kompenzacijo slipa pri regulaciji brez meritve hitrosti. Tudi pri

tem načinu regulacije lahko poganjamo le en asinhronski motor.

4

Slika 2.3: Blokovna shema U/f regulacije za tekstilno industrijo [1]

Skalarna U/f regulacija za tekstilno industrijo se uporablja pri pogonih, ki zahtevajo

veliko natančnost pri regulaciji hitrosti. Ta oblika regulacije vsebuje več dodatnih funkcij.

Te funkcije so: kompenzacija ohmskega padca regulator toka, ki vpliva na napetost in

frekvenco ter izbiro med karakteristiko za pogone, ki potrebujejo konstanten navor in

karakteristiko za pogone črpalk in ventilatorjev, kjer je navor proporcionalen kvadratu

hitrosti.

5

2.2 Vektorska regulacija hitrosti

Pri vektorski regulaciji lahko dosežemo, da asinhronski motor reguliramo podobno kot

enosmerni motor. To lahko dosežemo z regulacijo delovnega toka, ki skrbi za navor in z

regulacijo magnetilnega toka, ki skrbi za magnetenje. Z vektorskim regulacijskim

sistemom lahko vzdržujemo nazivni navor tudi pri zelo nizkih vrtljajih. Pri vektorski

regulaciji sta v uporabi dva različna načina regulacije: vektorska regulacija brez merjenja

(slika 2.4) hitrosti ter vektorska regulacija z merjenjem hitrosti (slika 2.5).

Slika 2.4: Blokovni diagram vektorske regulacije brez meritve hitrosti [1]

Vektorska regulacija brez meritve hitrosti se večinoma uporablja za pogone z enim

asinhronski motorjem. Ta regulacija ustreza tudi za zahtevnejše pogone. Torej lahko to

regulacijo uporabimo za večino pogonov v industriji, kot so razne stiskalnice, dvigala in

transportni trakovi.

6

Slika 2.5: Blokovni diagram vektorske regulacije z meritvijo hitrosti [1]

Vektorska regulacija z meritvijo hitrosti se večinoma uporablja za pogone z enim

asinhronskim motorjem. Primerna je za pogone, pri katerih potrebujemo najvišjo raven

natančnosti in dinamične zmogljivosti, tudi pri najnižjih hitrostih. To vrsto regulacije

uporabljamo za pogone dvigal, žerjavov ter pri zahtevnejših pogonih v industriji.

Pri tej regulaciji tahogenerator zaradi preslabe točnosti ne zadostuje. Za meritev hitrosti

pri vektorski regulaciji moramo uporabiti inkrementalni dajalnik s 1024 impulzov/vrtljaj

ali več; to je namreč nujno pri tem načinu zaprto-zančne regulacije hitrosti.

Pri pogonih se pogosto poraja vprašanje, če je meritev hitrosti potrebna. Pri tej odločitvi

nam pomaga seznam zahtev, pri katerih je meritev hitrosti potrebna. Potrebna je pri

pogonih, pri katerih potrebujemo najvišjo stopnjo natančnosti hitrosti, visoke zahteve

dinamične zmogljivosti ter pri pogonih, kjer moramo vzdrževati nazivni ali določeni navor

tudi pri hitrostih, nižjih od 10% nazivne hitrosti.

7

2.3 Merilnika hitrosti

Inkrementalni dajalnik je elektromehanska naprava, ki se uporablja za spremljanje

gibanja, kota zasuka ter hitrosti vrtenja. Na izhodu dobimo impulze, ki jih lahko uporabimo

za različno vrsto informacij o rotacijskem oz. linearnem mehanizmu.

Slika 2.6: Inkrementalni dajalnik

Za priklop inkrementalnega dajalnika na pretvornik Simovert Masterdrives vector

control potrebujemo na pretvorniku SBP ploščo, ki nam omogoča zaznavanje TTL in HTL

impulzov. Pri sistemu, na katerem smo opravljali preizkus, je uporabljen TTL

inkrementalni dajalnik, s 5V priklopom ter 2500 impulzov na vrtljaj.

Za določene pogone, pri katerih nista zahtevani visoka natančnost merjenja in regulacije

hitrosti, lahko uporabimo namesto inkrementalnega dajalnika tudi tahometer, ki je manj

natančen, ampak tudi veliko cenejši.

Tahometer oddaja napetost, ki je določena s konstanto, ki jo poda proizvajalec in ta

določa velikost napetosti glede na hitrost vrtenja gredi tahometra, ki je mehansko pritrjena

na gred motorja. Napetosti so od 1 do 30V pri 1000 vrt/min.

8

2.4 Povezava pretvornika z računalnikom

Pretvornik Simovert Masterdrives vector control lahko povežemo z računalnikom na

dva načina preko USS vmesnika. Povežemo ju lahko preko povezave RS485 ali z bolj

razširjeno RS232 povezavo, katere priključek je vgrajen v vsak namizni računalnik.

Slika 2.7: Povezovalni kabel za povezavo RS232 [2]

Če hočemo pretvornik povezati na računalnik s povezavo RS485, potrebujemo vgrajen

vmesnik za RS485 ali pa na standardnih namiznih računalnikih adapter na vmesnik

RS232.

9

3. RAČUNALNIŠKO ORODJE DRIVE MONITOR

Drive monitor je Siemens-ovo računalniško orodje za vodenje raznih pogonov,

diagnostiko okvar ter odpravljanje napak. Orodje je brezplačno dosegljivo na uradni

Siemens-ovi spletni strani. Z njim lahko vodimo pogone z različnimi pretvorniki: Simoreg,

Simadyn D, Micromaster in Masterdrives.

Drive monitor ima naslednje funkcije:

zagon, parametrizacija, spremljanje in postavljanje diagnoze okvar na pogonih

motorjev preko USS vmesnika,

prenos podatkov med računalnikom in pretvornikom preko povezave RS232 ali

RS485,

izrisovanje grafov s funkcijo Trace, s katero lahko prikazujemo časovne odzive

motorja, preučujemo napake ter grafe shranimo za poznejšo analizo,

prikaz parametrov, ki so razdeljeni po načinu vodenja odvisno od tega, kateri so

pomembnejši za določen način vodenja,

grafični prikaz vrednosti pri vklopljenem pogonu.

10

3.1 Vzpostavitev prve povezave med računalnikom in pogonom

Ko računalnik in pogon povežemo s kablom z RS232 povezavo preko USS vmesnika,

lahko zaženemo računalniško orodje Drive monitor. Pri prvi povezavi moramo paziti na

hitrost prenosa podatkov med računalnikom in pretvornikom. Tovarniška nastavitev

hitrosti na pretvorniku je 9600 b/s, kar določa parameter P701. Najbolje je, da hitrost

nastavimo na maksimalno, ki znaša 38400 b/s. To nastavimo na pretvorniku tako, da

nastavimo vrednost parametra P701 na 8 na zaslonu pretvornika. Po vnosu hitrosti na

pretvorniku moramo enako storiti tudi v računalniškem orodju, tu pa je zelo pomembno, da

vnesemo enako hitrost kot na pretvorniku. V računalniškem orodju to hitrost predstavlja

boud rate (slika 3.1).

Slika 3.1: Konfiguracija povezave [2]

Ko vnesemo ustrezno vrednost prenosa podatkov (boud rate), program popolnoma

zapremo in ga ponovno zaženemo, tako da se nastavitve shranijo. Zatem v orodni vrstici

Drive monitor-ja poiščemo zavihek File ter izberemo Set up an USS online connection,

preko katerega poženemo iskalnik naprav. Orodje najde priključeni pretvornik in z njim

vzpostavi povezavo.

11

Slika 3.2: Vzpostavljanje povezave [2]

Na takšen način moramo povezavo vzpostaviti le pri prvi povezavi pretvornika z

računalnikom, pri nadaljnjih povezavah lahko le poženemo Drive monitor in povezava se

vzpostavi sama, če je izbrana pravilna hitrost prenosa podatkov (slika 3.2).

3.2 Nastavljanje parametrov

Ko smo vzpostavili prvo povezavo, se nam prikaže prazno okno, zatem pa v orodni

vrstici izberemo File/New/Based on factory setting (slika 3.3).

Slika 3.3: Ustvarjanje novih nastavitev [2]

12

Najpomembnejši parametri za pogon se določijo sami, mi pa moramo izbrati tip

naprave (v našem primeru Masterdrives VC) in verzijo programske opreme pretvornika.

Ko končamo, se odpre novo okno s parametri, ki so na podlagi tovarniških nastavitev

izbrane kot najbolj pomembne za vodenje določenega pogona.

Najlažji način za nastavitev nazivnih podatkov motorja, načina vodenja, višanja in

nižanja hitrosti motorja, napetosti motorja in ostalih pomembnih podatkov je s pomočjo

navigatorja pogona (slika 3.4). Tukaj lahko nastavimo tudi podatke merilnika temperature

(če ga imamo) ter merilnika hitrosti vrtenja motorja (tudi ta merilnik v nekaterih načinih

vodenja ni nujno potreben).

Slika 3.4: Navigator pogona

V navigatorju pogona lahko izbiramo med pomočjo pri zagonu pogona (assisted

commissioning), pri katerem lahko nastavljamo najpomembnejše parametre, in med

osnovnimi funkcijami, ki vsebujejo splošno diagnostiko napak ter celoten seznam vseh

parametrov pogona.

13

V nadaljevanju vstavimo nazivne podatke motorja.

Slika 3.5: Vstavljanje nazivnih podatkov motorja

Odpre se okno (slika 3.5), kjer vstavimo vse nazivne podatke motorja, ki jih razberemo

z nazivne ploščice motorja: nazivna napetost (rated voltage), nazivni tok (rated current),

magnetilni tok (magnetizing current), faktor moči (power factor), nazivna frekvenca (rated

frequency), nazivna hitrost vrtenja motorja (rated motor speed). Vsi ostali podatki se

določijo samodejno, izračunata pa se tudi število polovih parov (number of pole pairs) in

navor motorja (rated motor torque).

14

Slika 3.6: Izbira merilnika hitrosti

V naslednjem koraku (slika 3.6) izberemo merilnik hitrosti, ki je bil v našem primeru

inkrementalni dajalnik. Izbrati moramo: način zajemanja impulzov A in B (level for

signals), in (level for zero track), nivo napetosti (voltage supply level), število impulzov/v

enem vrtljaju (lines/rotation) in nazivno frekvenco (reference frequency).

Slika 3.7: Nastavitve regulacije hitrosti U/f

15

Naslednji korak je najpomembnejši, saj nastavljamo parametre regulatorja hitrosti (slika

3.7). Izbiramo lahko med linearno in parabolično obliko napetostno/frekvenčne

karakteristike. Določiti moramo: dvigovanje napetosti in frekvence (voltage, frequency

lift), maksimalni tok (maximum current), frekvenco pri slabljenju polja (field weakening

current). Ostale vrednosti so že določene iz prejšnjih nastavitev.

Slika 3.8: Nastavitve omejevalnika strmine referenčne hitrosti

V naslednjem koraku (slika 3.8) nastavimo omejitve strmine referenčne hitrosti.

Nastavimo čas pospeševanja od 0 do referenčne hitrosti (acceleration time from 0 to

reference speed), čas ustavljanja od referenčne hitrosti do 0 (deceleration time from the

reference speed to 0), začetni (start rounding ramp function generator) in končni (end

rounding ramp function generator) čas neenakomernega spreminjanja strmine, ter

maksimalno hitrost vrtenja v negativno (maximum speed negative direction of rotation) ter

pozitivno (maximum speed positive direction of rotation) smer.

Ko nehamo vnašati podatke, nam na koncu konfiguracije program izpiše pomembnejše

nastavitve (slika 3.9), ki jih je potrebno potrditi.

16

Slika 3.9: Prikaz nastavitev in potrditev konfiguracije

S potrditvijo teh nastavitev se konča osnovna konfiguracija pogona in če je vse na

svojem mestu, lahko pogon preizkusimo. Pretvornik vklopimo tako, da na spodnjem delu

programa Drive monitor (slika 3.10) odpremo nadzorno ploščo sistema in vklopimo vse

potrebne tipke, ki so narejene za dodatno zaščito, ter nastavimo želeno hitrost vrtenja.

3.3 Nadzorna plošča

Za vodenje pogona uporabljamo nadzorno ploščo, ki je na spodnjem delu programa Drive

monitor. Na nadzorni plošči sistema lahko nastavljamo frekvenco ali hitrost vrtenja v

procentih ali dejanskih vrednostih (speed, set). Tu vidimo tudi dejansko stanje motorja.

Spremljamo lahko dejansko hitrost vrtenja (speed, act), dejanski tok (motor current) in

enosmerno napetost za regulacijo motorja (DC-link voltage).

17

Slika 3.10: Nadzorna plošča

Upravljanje z nadzorno ploščo je dodatno zaščiteno, saj moramo vklop motorja še

potrditi tako, da pritisnemo tipko Relinquish master control, obkljukamo okence (pri Input

bits 1 to 6) in pritisnemo zeleno tipko ob okencu. Pretvornik izklopimo s pritiskom na

rdečo tipko ali pa tudi s tipko space. Tudi če med obratovanjem program Drive monitor

zapremo, se pretvornik nemudoma ustavi, tako da ne more priti do kakšnih nezgod ob

preizkusih in obratovanju stroja.

V okencu se poleg napisa Device status pojavljajo ikone, ki nam sporočajo stanje

pretvornika in nas opozarjajo na nepravilnosti. Napis ok v zelenem polju pomeni, da je

povezava z napravo vzpostavljena in da je naprava brez napak. Črka F v rdečem polju

pomeni napako na pretvorniku, W v rumenem polju pomeni opozorilo, da se pretvornik ne

odziva popolnoma tako, kot bi se morala. O v modrem polju pomeni, da je pretvornik

parametrizirana brez povezave z računalnikom, nc v sivem polju pa pomeni, da ni

povezave med računalnikom in pretvornikom.

18

3.4 Funkcija Trace

Trace funkcija je zelo priročen pripomoček v orodju Drive monitor, ki nam omogoča

pregled nad pogonom in nam pomaga pri diagnosticiranju napak. Izrisujemo lahko časovne

odzive vseh spremenljivk, ki jih izberemo, in tako nam omogoča analizo obratovanja in

napak na sistemu.

Funkcija Trace ima privzet tovarniško nastavljen čas vzorčenja (recording interval), ki je

prikazan kot parameter P357 in znaša 1,2ms. Ta čas vzorčenja lahko v nastavitvah v

funkciji Trace (slika 3.11) povečamo ali zmanjšamo s količnikom v okencu ob nastavljanju

časa vzorčenja. Izrisovanje grafov lahko sprožimo s katero koli poljubno spremenljivko in

tudi z napako na sistemu. Obstaja tudi možnost snemanja spremenljivk pred sprožitvijo

(pretrigger), kar nam olajša analizo okvar, saj vidimo, kaj se je dogajalo pred napako,

prehodni pojav in tudi spremenljivke po napaki.

Slika 3.11: Nastavljanje funkcije Trace [2]

19

Na sliki 3.11 vidimo nastavitve spremenljivk v funkciji Trace. Na levi strani imamo

seznam kanalov, ki nam jih na grafu izriše po proženju (izberemo s klikom gumba levo od

kanalov, s čemer se nam odpre celoten seznam spremenljivk). Ti kanali so povezani s

parametri, ki so določeni za vsako spremenljivko posebej. Začetek meritve lahko sprožimo

s spremembo katere koli spremenljivke, ki jo potrebujemo. V tem primeru je proženje

meritve nastavljeno na napako (trigger condition,fault), tako kot se največkrat ta funkcija

tudi uporablja.

Spreminjamo lahko skalo grafa, barvo odzadja, barvo vsake krivulje posebej (v

nastavitvah grafa), lahko pa tudi približamo graf (z kurzorji) na določen interval, iz

katerega so spremembe in odstopanja jasneje vidne. Vse te funkcije nam analizo olajšajo in

naredijo graf veliko bolj pregleden.

Iz programa lahko shranimo izbrane veličine kot Trace datoteko, ki jo lahko znova

odpremo s tem programom. Shranimo jih lahko tudi kot ASCII datoteko, kjer imamo vse

vrednosti razporejene v tabeli in tudi kot sliko, (to naredimo s klikom na datoteko oblike

diskete ob grafu, kjer izberemo obliko slike), ki jo lahko odpremo praktično z vsakim

programom za medijske datoteke.

20

4. PREIZKUS DELOVANJA POGONA

4.1 Predstavitev servosistema

Servosistem, na katerem smo izvajali preizkuse, je sestavljen iz asinhronskega motorja

(desno na sliki 4.1), ki smo ga obremenjevali s sinhronskim motorjem (levo na sliki 4.1),

tako da smo ga pognali na približno 50% navora v nasprotno smer vrtenja asinhronskega

motorja. Na osi asinhronskega motorja na desni strani je na sliki 4.1 viden tudi

inkrementalni dajalnik za merjenje hitrosti vrtenja asinhronskega motorja.

Slika 4.1: Servosistem: sinhronski in asinhronski motor

Na sliki 4.2 je prikazan pretvornik Simovert Masterdrives vector control, s katerim smo

poganjali asinhronski motor. Spodaj levo na sliki 4.2 na pretvorniku vidimo vmesnik

RS232, s katerim je pretvornik povezan na računalnik.

21

Slika 4.2 Pretvornik Simovert Masterdrives VC

4.2 Preizkus motorja v prostem teku

V prostem teku motorja smo opravili šest različnih preizkusov obratovanja s skalarno

U/f regulacijo hitrosti. Zagon z 0 na 50% hitrosti, pospeševanje s 50% na 80% in

reverziranje s 50% na -50% hitrosti, pri čemer so bile nastavitve regulatorja privzete.

Enake preizkuse smo ponovili pri optimiziranih parametrih. Parametre regulatorja smo

optimizirali s postavitvijo parametra P115 na vrednost 5, nato pa smo sledili postopku, ki

ga program Drive monitor določa sam.

4.3 Preizkus motorja v obremenjenem stanju

Tudi pri motorju v obremenjenem stanju smo opravili šest preizkusov s skalarno U/f

regulacijo hitrosti. Motor smo obremenjevali s sinhronskim motorjem, ki ima gred

mehansko povezano direktno z gredjo asinhronskega motorja. V obremenjenem stanju smo

motor pospešili s 50% na 80%, zatem smo asinhronski motor zavrteli na 50% hitrosti ter

obremenili motor. Enako smo storili pri 80% hitrosti vrtenja asinhronskega motorja. Te

preizkuse smo opravili v privzetih in optimiziranih nastavitvah parametrov.

22

5. REZULTATI

Vsi prikazani časovni poteki so dobljeni z izvozom iz funkcije Trace v Drive monitorju,

zato so vrednosti spremenljivk v odstotkih glede na nazivno vrednost. Vsi rezultati so

prikazani za skalarno U/f regulacijo. Grafe smo uredili in grafično obdelali v programu za

izrisovanje grafov Trace.

5.1 Preizkusi motorja v prostem teku

5.1.1 Preizkusi motorja v prostem teku pri privzetih nastavitvah

Prvi preizkus, ki smo ga izvedli je zagon motorja brez bremena z 0 na 50% nazivne

hitrosti vrtenja (Slika 5.1).

Slika 5.1: Prikaz grafa zagona z 0% na 50% v neobremenjenem stanju

Stopnična sprememba hitrosti vrtenja (črna), sprememba referenčne hitrosti (rdeča),

dejanski odziv hitrosti motorja (modra) in statorski tok (zelena)

23

Tu smo videli dobro sledenje motorja v primerjavi z nastavitvijo regulatorja na

stopnično spremembo hitrosti. Lepo se opazi tudi porast toka pri spremembi hitrosti.

Drugi preizkus, ki smo ga izvedli, je pospeševanje motorja s 50% nazivne hitrosti na

80% vrednost (Slika 5.2). Ker je omejitev strmine konstantna, je v tem primeru, ko je

sprememba reference manjša tudi hitrost spremembe krajša. Tudi tukaj smo s funkcijo

Trace spremljali odziv hitrosti motorja in statorski tok.

Slika 5.2: Prikaz grafa pospeševanja s 50% na 80% v neobremenjenem stanju



Na tem grafu vidimo boljše sledenje motorja kot pri zagonu, saj je to lažji manever za

motor, to se vidi tudi na toku, ki naraste za veliko manjšo vrednost kot pri zagonu.

Pri naslednjem preizkusu pa smo motorju spremenili smer vrtenja s 50% hitrosti vrtenja

na -50% (Slika 5.3). Tudi tukaj smo spremljali enake vrednosti kot pri prejšnjih preizkusih.

24

Slika 5.3: Prikaz grafa spremembe smeri vrtenja s 50% na -50% v neobremenjenem stanju



Na sliki 5.3 vidimo dobro sledenje motorja pri zaviranju, vidi pa se tudi majhna

zakasnitev pri začetku vrtenja v nasprotno smer; tu je tudi največji porast toka Isq v

negativno smer, nato pa se ustali pri nasprotni vrednosti, kot je bila pred spremembo smeri

vrtenja.

25

5.1.2 Preizkusi motorja v prostem teku pri optimiziranih nastavitvah

Tudi pri optimiziranih nastavitvah regulatorja smo ponovili vse tri preizkuse kot pri

privzetih nastavitvah. Glavna razlika med obema nastavitvama je večja strmina reference,

saj lahko ta regulator hitreje sledi referenci. Pri vseh teh preizkusih pa ni veliko prenihaja

ter nihanj po doseženi referenčni hitrosti, saj je motor neobremenjen. Tudi tu smo na grafih

v funkciji Trace izrisali referenčno hitrost, izmerjeno hitrost ter statorski tok.

Pri prvem preizkusu smo motor zagnali z 0% na 50% hitrost vrtenja (slika 5.4).

Slika 5.4: Prikaz grafa zagona z 0% na 50% v neobremenjenem stanju

pri optimiziranih nastavitvah



26

Pri optimiziranih nastavitvah se vidi hitrejši odziv pri nižjih hitrostih, posledično pa

motor slabše sledi referenci in preide do malenkost večjega odstopanja. Tudi statorski tok

naraste bolj sunkovito, ustali pa se na enaki vrednosti kot pri privzetih nastavitvah.

Pri naslednjem preizkusu smo pospešili neobremenjen motor s 50% na 80% hitrosti

vrtenja (slika 5.5)

Slika 5.5: Prikaz grafa pospeševanja s 50% na 80% v neobremenjenem stanju

pri privzetih nastavitvah



Tudi tukaj se dobro vidi boljši odziv hitrosti in sunkovitejše naraščanje toka, kot pri

privzetih nastavitvah. V primerjavi s prejšnjim preizkusom pri zagonu motorja z

optimiziranimi nastavitvami (na sliki 5.4) se vidi hitrejše sledenje motorja referenci.

Naslednji preizkus (slika 5.6) je enak kot pri privzetih nastavitvah, pri katerih

spremenimo smer vrtenja motorja s 50% na -50%.

27

Slika 5.6: Prikaz grafa spremembe smeri vrtenja s 50% na -50% v

neobremenjenem stanju pri optimiziranih nastavitvah



Tudi pri tem preizkusu se vidi hiter odziv reference hitrosti, tudi motor je temu izračunu

dobro sledil, razen pri nižjih hitrostih. Na grafu se vidi tudi zelo sunkovito naraščanje toka

Iqs, ki se po ustalitvi hitrosti zniža na približno 20% vrednost.

28

5.2 Preizkusi obremenjenega motorja

Enako kot pri neobremenjenem motorju smo tudi ob obremenjenem motorju opravili

šest preizkusov. Asinhronski motor smo ob preizkusih obremenili s sinhronskim motorjem,

čigar gred je mehansko pritrjena na gred asinhronskega motorja. Sinhronski motor smo

poganjali na približno 50% navora.

5.2.1 Preizkusi motorja v obremenjenem stanju s privzetimi nastavitvami

Prvi preizkus smo izvedli tako, da smo asinhronski motor zagnali na 50% hitrosti vrtenja in

nato vklopili sinhronski stroj. Ko se je stanje ustalilo smo povečali hitrost vrtenja

asinhronskega motorja s 50% na 80% hitrost vrtenja (slika 5.7).

S funkcijo Trace smo spremljali in izrisali na graf stopnično spremembo hitrosti, hitrost,

ki jo je izračunal omejevalnik strmine reference, ter dejansko hitrost vrtenja motorja.

Izrisali smo tudi tok Isq, ki po prehodnem pojavu nekoliko pade..

29

Slika 5.7: Izris grafa spremembe hitrosti pri obremenjenem motorju

s privzetimi nastavitvami



Na tem grafu (slika 5.7) je razviden zaostanek odziva motorja za referenco hitrosti,

opazni pa so manjši nihaji hitrosti motorja tudi v ustaljenem stanju. Tok je pri

obremenjenem motorju precej večji kot pri motorju, ki obratuje v praznem teku.

Pri naslednjem preizkusu (slika 5.8) smo motor pognali na 50% vrednost hitrosti ter še

v ustaljenem stanju v nasprotno smer pognali sinhronski motor, s čimer smo asinhronski

motor približno stopnično obremenili. Največ pozornosti smo namenili hitrosti vrtenja

motorja in toku na statorju.

30

Slika 5.8: Izris grafa obremenitve motorja pri 50% hitrosti vrtenja

ob privzetih nastavitvah



Na grafu je razviden upad in nihanje hitrosti ob stopnični spremembi obremenitve ter

počasno naraščanje dejanske hitrosti nazaj na referenčno določeno hitrost vrtenja. Vidimo

tudi močno trenutno naraščanje toka, ki se počasi ustali na približno 80% nazivne

vrednosti, porast toka znaša približno 60%.

31

Naslednji preizkus je zelo podoben prejšnjemu, le da smo pri tem asinhronski motor

pognali na 80% hitrosti vrtenja referenčne vrednosti in zatem pognali sinhronski stroj v

nasprotno smer.


ob privzetih nastavitvah



32

Pri tem preizkusu je na sliki 5.9 še razvidnejši upad dejanske hitrosti motorja zaradi

višje hitrosti vrtenja pri vklopu bremena. Zelo sunkovit in slabo dušen je tudi porast toka,

ki potrebuje kar precej časa, da se ustali pri tej obremenitvi in hitrosti vrtenja, tudi v tem

primeru je porast toka približno 60%.

5.2.2 Preizkusi motorja v obremenjenem stanju z optimiziranimi nastavitvami

Opravili smo tudi tri preizkuse delovanja motorja v obremenjenem stanju z

optimiziranimi nastavitvami. Pri prvem preizkusu smo enako kot pri privzetih nastavitvah

pognali asinhronski motor na 50% hitrost vrtenja in vklopili breme. Počakali smo, da se je

stanje ustalilo, zatem pa smo povečali hitrost asinhronskega motorja na 80% hitrosti

vrtenja in pri tem spremljal dejansko hitrost vrtenja motorja, referenčno spremembo

hitrosti, ter statorski tok.

Slika 5.10: Izris grafa spremembe hitrosti pri obremenjenem motorju

z optimiziranimi nastavitvami



33

Na grafu (slika 5.10) vidimo precej hitrejši odziv asinhronskega motorja na stopnično

spremembo referenčne vrednosti hitrosti vrtenja. Zaznali smo tudi precej višji sunek

naraščanja statorskega toka.

Tudi naslednji preizkus je izveden enako kot pri obremenitvi motorja pri 50% hitrosti

vrtenja s privzetimi nastavitvami, le da so tukaj nastavitve optimizirane. Asinhronski motor

smo zagnali na 50% referenčne hitrosti.


ob optimiziranih nastavitvah



Odziv dejanske hitrosti vrtenja motorja je zelo podoben kot pri privzetih nastavitvah,

tudi statorski tok je zelo podoben.

Pri naslednjem preizkusu pa smo asinhronski motor zagnali na 80% hitrosti vrtenja in

vklopili breme (slika 5.12).

34


ob optimiziranih nastavitvah



Tudi tu je edina razlika v primerjavi s privzetimi nastavitvami regualtorja nekoliko

večji sunek statorskega toka Isq in nekoliko hitrejši odziv ob obremenitvi motorja.

35

6. SKLEP

V diplomskem delu smo preučili pretvornik Simovert Masterdrives vector control,

njegovo delovanje in načine vodenja, ki jih lahko z njim izvajamo.

Opisali smo tudi Siemens-ovo programsko orodje Drive monitor za vodenje

pretvornikov ter diagnosticiranje in odpravljanje napak na pogonih. Drive monitor ima

veliko funkcij, ki olajšajo in poenostavijo upravljanje pogonov. S funkcijo za pomoč pri

parametriziranju je nastavitev parametrov veliko enostavnejša kot pri klasičnem

vstavljanju parametrov, saj imamo v tej funkciji grafični prikaz z ustreznimi navodili za

vstavljanje želenih spremenljivk, ki jih program sam razporedi po parametrih.

Najpomembnejša funkcija za diagnosticiranje in vzdrževanje pogonov pa je funkcija

Trace, ki jo lahko nastavimo tako, da nam izriše in shrani (časovni odziv) ob napaki ali pa

ko določena spremenljivka preseže vrednost, ki jo lahko sami določimo. Sami lahko

določimo tudi vse spremenljivke, ki jih želimo izrisati. Določimo lahko tudi, koliko časa

pred sprožitvijo meritve želimo izrisan graf. Na takšen način si lahko zelo olajšamo

diagnosticiranje in odpravljanje napak, saj takoj vidimo, kaj je vzrok okvare.

Opravili smo dvanajst preizkusov, kjer smo preizkušali asinhronski motor v prostem

teku in asinhronski motor, ki je bil obremenjen s sinhronskim motorjem. Preizkusili smo

delovanje skalarne U/f regulacije z merjenjem hitrosti, pri čemer smo uporabili privzete in

optimizirane nastavitve regulatorjev.

Meritve smo opravili z funkcijo Trace programa Drive monitor, in sicer s privzetimi

nastavitvami regulatorja ter optimiziranimi nastavitvami, ki so omogočale hitrejši odziv

motorja, kot je razvidno v rezultatih.

V našem diplomskem delu smo prikazali, kako vzpostavimo prvo povezavo med

napravo in računalnikom, nastavimo najpomembnejše parametre in pogon preizkusimo.

Opisana je tudi funkcija Trace, njeno delovanje, nastavljanje sprožitve meritve ter

nastavljanje spremenljivk, ki jih hočemo izrisati v graf.

36

7. VIRI

[1] Siemens, Catalog DA 65.10·2003/2004

[2] Siemens, Simovert Masterdrives vector control, version: AL

[3] Siemens, Commissioning tool Drive monitor

Dostopno na: http://w3.siemens.com/mcms/mcsolutions/en /

engineering-software/drivemonitor/pages/commissioning-tool-

drivemonitor.aspx#Functions_ [28.8.2015]

Smetanova ulica 17

2000 Maribor, Slovenija

I Z J A V A O A V T O R S T V U

Spodaj podpisani/-a

Primož Brglez

z vpisno številko

E1060672

sem avtor/-ica diplomskega dela z naslovom:

Analiza regulacije hitrosti motorja s

pretvornikom Simovert Masterdrives

Vector Control

(naslov diplomskega dela)

S svojim podpisom zagotavljam, da:

sem diplomsko delo izdelal/-a samostojno pod mentorstvom (naziv, ime in priimek)

izr. prof. dr. Boštjan Polajžer

in somentorstvom (naziv, ime in priimek)

red. prof. dr. Drago Dolinar

so elektronska oblika diplomskega dela, naslov (slov., angl.), povzetek (slov.,

angl.) ter ključne besede (slov., angl.) identični s tiskano obliko diplomskega dela.

soglašam z javno objavo elektronske oblike diplomskega dela v DKUM.

V Mariboru, dne

Podpis avtorja/-ice:

Smetanova ulica 17


IZJAVA O USTREZNOSTI ZAKLJUČNEGA DELA

Podpisani mentor :

_______________izr. prof. dr. Boštjan Polajžer______________________________

(ime in priimek mentorja)

in somentor (eden ali več, če obstajata):

_______________red. prof. dr. Drago Dolinar_____________________

(ime in priimek somentorja)

Izjavljam (-va), da je študent

Ime in priimek:___Primož Brglez______________________________

Vpisna številka:__E1060672______________________________

Na programu:___Elektrotehnika-VS______________________________

izdelal zaključno delo z naslovom:

Analiza regulacije hitrosti asinhronskega motorja s pretvornikom Simovert Masterdrives

Vector Control

____________________________________________________________________

(naslov zaključnega dela v slovenskem in angleškem jeziku)

Analysis of induction motor speed control using Simovert Masterdrives vector control

converter

_______________________________________________________________________

v skladu z odobreno temo zaključnega dela, Navodilih o pripravi zaključnih del in mojimi

(najinimi oziroma našimi) navodili.

Preveril (-a, -i) in pregledal (-a, -i) sem (sva, smo) poročilo o plagiatorstvu.

Datum in kraj: Podpis mentorja:

Datum in kraj: Podpis somentorja (če obstaja):

Smetanova ulica 17


IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV

Ime in priimek avtorja-ice:

Primož Brglez

Vpisna številka:

E1060672

Študijski program:

Elektrotehnika-VS

Naslov zaključnega dela:

Analiza regulacije hitrosti asinhronskega motorja s

pretvornikom Simovert Masterdrives vector control

Mentor:

izr. prof. dr. Boštjan Polajžer

Somentor:

red. prof. dr. Drago Dolinar

Podpisani-a Primož Brglez izjavljam, da sem za potrebe arhiviranja

oddal elektronsko verzijo zaključnega dela v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru.

Zaključno delo sem izdelal-a sam-a ob pomoči mentorja. V skladu s 1. odstavkom 21.

člena Zakona o avtorskih in sorodnih pravicah dovoljujem, da se zgoraj navedeno

zaključno delo objavi na portalu Digitalne knjižnice Univerze v Mariboru.

Tiskana verzija zaključnega dela je istovetna z elektronsko verzijo elektronski verziji, ki

sem jo oddal za objavo v Digitalno knjižnico Univerze v Mariboru.

Zaključno delo zaradi zagotavljanja konkurenčne prednosti, varstva industrijske lastnine ali

tajnosti podatkov naročnika: ne sme biti

javno dostopno do (datum odloga

javne objave ne sme biti daljši kot 3 leta od zagovora dela).

Podpisani izjavljam, da dovoljujem objavo osebnih podatkov, vezanih na zaključek študija

(ime, priimek, leto in kraj rojstva, datum zaključka študija, naslov zaključnega dela), na

spletnih straneh in v publikacijah UM.

Datum in kraj: Podpis avtorja-ice:

Documents

Analiza regulacije hitrosti asinhronskega motorja s ...Pri tej regulaciji tahogenerator zaradi preslabe točnosti ne zadostuje. Za meritev hitrosti pri vektorski regulaciji moramo