Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Долгополов В.П., Грумінська Л.В. Метрологія та вимірювальна техніка
Подождите немного. Документ загружается.
Входи каналів струму та напруги виконані диференціальними. Кожний
вхід розрахований на напругу не більше 1 В. Канал струму має підсилювач із
змінним коефіцієнтом підсилення (1 чи 16), канал напруги містить підсилювач
з коефіцієнтом підсилення 2. Після підсилення обидва сигнали перетворюють-
ся АЦП в цифровий код і перемножуються. Високочастотні складові відфільт-
ровуються цифровим фільтром нижніх частот
LPF, потім код потужності пода-
ється в перетворювач коду в частоту (Digital to Frequency Converter, DTF) де
формуються частотно-імпульсні сигнали F1 низької частоти і F2 для керування
кроковим двигуном або лічильником імпульсів та високочастотний сигнал
Fout для вимірювання струму чи напруги.
Для зменшення похибки вимірювання потужності через наявність по-
стійної складової струму в проводі нейтралі можна ввімкнути
режим фільтра-
ції струму фільтром верхніх частот HPF. Одночасно з фільтром включається
лінія затримки, яка коригує фазову характеристику фільтра для мінімізації по-
хибки при частоті мережі 50 Гц.
Режим роботи мікросхеми задають сигналами на входах FS, S1 і S2.
Опис режимів наведено в табл.7.2. Залежність вихідних сигналів від різниці
фаз струму і напруги в двоквадрантному і
чотириквадрантному режимах пока-
зана на рис.7.14.
а) б)
Рисунок 7.14
Fm+k
*
F
Fm
+
k
*
Fm
V2(
+
)
V2(
-
)
V1(
+
)
V1(
-
)
F
F
k
*
Fm
k
*
Fm
V2(
+
)
V2(
-
)
V1(
+
V1(
-
k
k
Таблиця 7.2 - Режими роботи мікросхеми AD7750
Ре-
жим
FS S1 S2 F1, F2, Гц
Fout,
Гц
Fmax
Опис режиму
0 0 0 0
11
Fm
k
Fm ⋅±
16×F1
19
0
2
1
f
Fm =
Вимірювання потужності
в чотирьох квадрантах.
1 0 0 1
1
Fm
k
⋅
8×F1
19
0
2
1
f
Fm
=
Вимірювання потужності
в двох квадрантах.
2 0 1 0
1
Fm
k
⋅
16×F1
19
0
2
1
f
Fm
=
Вимірювання потужності
в двох квадрантах.
3 0 1 1
11
Fm
k
Fm ⋅±
32×F1
19
0
2
1
f
Fm =
На виході Fout частота
пропорційна напрузі на
першому вході, на вихо-
дах F1, F2 частота про-
порційна потужності в
чотирьох квадрантах.
4 1 0 0
11
Fm
k
Fm ⋅±
16×F1
18
0
2
1
f
Fm =
Вимірювання потужності
в чотирьох квадрантах.
5 1 0 1
1
Fm
k
⋅
16×F1
18
0
2
1
f
Fm
=
Вимірювання потужності
в двох квадрантах.
6 1 1 0
1
Fm
k
⋅
32×F1
18
0
2
1
f
Fm =
Вимірювання потужності
в двох квадрантах.
7 1 1 1
11
Fm
k
Fm ⋅±
16×F1
18
0
2
1
f
Fm
=
На виході Fout частота
пропорційна напрузі на
другому вході, на вихо-
дах F1, F2 частота про-
порційна потужності в
чотирьох квадрантах.
Примітки: Коефіцієнт
k
пропорційний добутку середніх квадратичних зна-
чень напруг в каналах 1 і 2:
2
Vre
f
G2V1V32.1
k
⋅
⋅
⋅
= , де G - коефіцієнт підсилення
в каналі 1, Vre
f
- величина опорної напруги.
Алгоритм роботи мікропроцесорного вимірювача потужності наведено
на рис.7.15.
Рисунок 7.15
7.10 Мікропроцесорний вимірювач кутової швидкості
Розглянемо основні принципи побудови мікропроцесорного засобу вимі-
рювання кутової швидкості електричних машин із використанням фотоелект-
ричного сенсора кутової швидкості. Його структурна схема представлена на
рис.7.16.
Сенсор кутової швидкості перетворює змінну кутову швидкість )t(
x
ω у
частоту слідування електричних імпульсів
)t(f
x
.
Визначимо нижню межу вимірювання цифрового тахометра миттєвих
значень (періодоміра), рівняння перетворення якого має вигляд:
z)t(
f2
)t(N
x
0
⋅ω
⋅
π
=
ω
, (7.9)
де z – кількість міток в фотоелектричному сенсорі кутової швидкості.
Початок
Вимірювання частоти (за
алгоритмом на рис. 7.5)
Кінець
Установити режим роботи
AD7750
Визначення потужності (за
таблицею 7.2)
Рисунок 7.16
Похибка квантування
%100
f2
z)t(
)t(
0
x
⋅
⋅π
⋅
ω
=δ
ω
, (7.10)
де
0
f - частота імпульсів квантування; z – роздільна здатність сенсора кутової
швидкості.
Максимальна ємність бінарного лічильника мікроконтролера
12N
1n
max
−=
+
, (7.11)
де n – розрядність лічильника.
Враховуючи (7.11), рівняння (7.9) запишемо так
minx
0
1n
z
f2
12
ω⋅
⋅
π
=−
+
. (7.12)
Тоді з рівняння (7.12) визначимо нижню межу вимірювання
()
12z
f2
1n
0
minx
−⋅
⋅
π
=ω
+
. (7.13)
Верхня межа вимірювання
maxx
ω
для тахометра миттєвих значень визна-
чається із рівняння похибки квантування (7.10):
%100z
f2
0n
maxx
⋅
⋅
δ
⋅
π
=ω
ω
, (7.14)
де
nω
δ - нормоване значення похибки квантування (7.10).
Задаючись величиною %1
n
=
δ
ω
, отримаємо
1000z
МГц5f
сек
рад
314
0
maxx
=
=
=ω .
На рис.7.17 представлено розраховану залежність
)t(N
x
в режимі пуску
електричної машини, а на рис.7.18 – похибку квантування )t(
ω
δ
.
Рисунок 7.17
З рисунка 7.18 видно, що значення похибки квантування при
0
f=5
МГц та z=1000 не перевищує 1%.
Рисунок 7.18
Таким чином, для вимірювання кутової швидкості як в перехідних
режимах роботи електричної машини, так і в статичному режимі можна
використовувати частотомір миттєвих значень. Алгоритм роботи мікро-
процесорного вимірювача кутової швидкості представлений на рис.7.19.
Рівняння перетворення мікропроцесорного вимірювача кутової швидкості
має вигляд:
KzN
f2
x
0
x
⋅⋅
⋅
π
=ω . (7.15)
t
t
)t(N
x
)t(
ω
δ
Рисунок 7.19
7.11 Мікропроцесорний вимірювач ковзання
Ковзання S в асинхронній електричній машині характеризує відставання
частоти поля статора
s
f
від частоти поля ротора
r
f
:
()
(
)
(
)
()
(
)
()
tf
tf
1
tf
tftf
tS
s
r
s
rs
−=
−
= . (7.16)
S є досить важливим параметром, який значною мірою визначає якість
електричної машини.
Як видно з формули (7.16), для визначення ковзання S необхідно прово-
дити вимірювання двох складових: частоти поля статора
s
f і частоти поля ро-
тора
r
f.
На рис.7.20 наведено структурну схему мікропроцесорного вимірювача
ковзання, яка складається з двох вимірювальних каналів – вимірювального ка-
Переповнення
таймера ?
0
Початок
Установити K=1
Передній фронт
імпульсу на AIN0
?
0
1
Запустити таймер
Передній фронт
імпульсу на AIN0
?
Зупинити таймер
1
Збільшити значення К:
K
K
K
∆+=
0
KzN
f
x
x
⋅⋅
⋅
=
0
2
π
ω
Кінець
1
налу кутової швидкості )t(
x
ω і вимірювального каналу частоти мережі жив-
лення
m
f. Їх основні принципи побудови розглянуті у п. 7.10 і п. 7.6 відповід-
но.
Рисунок 7.20
Рівняння перетворення вимірювальних каналів кутової швидкості )t(
x
ω і час-
тоти мережі живлення
m
f матимуть вигляд:
rrx
0
x
KzN
f2
⋅⋅
⋅
π
=ω ; (7.17)
ssx
0
m
KN
f
f
⋅
= , (7.18)
де
rs
K,K - коефіцієнти подільника частоти у вимірювальних каналах частоти
мережі та кутової швидкості відповідно;
sxrx
N,N - кількість імпульсів у вимі-
рювальних каналах частоти мережі та кутової швидкості відповідно.
Враховуючи, що
rr
f2 ⋅π=ω , із рівнянь (7.16) – (7.18) отримаємо рівняння
перетворення мікропроцесорного вимірювача ковзання:
zKN
KN
1S
rrx
ssx
⋅⋅
⋅
−=
. (7.19)
Алгоритм роботи мікропроцесорного вимірювача ковзання наведений на
рис.7.21.
Рисунок 7.21
7.12 Мікропроцесорний вимірювач моменту інерції
В даному параграфі розглядається метод визначення моменту інерції,
який використовує зразкові моменти інерції
21
J,J та обмежений діапазон куто-
вих швидкостей обертання в режимі самогальмування електричної машини, в
якому момент опору
0
M
лінійно залежить від кутової швидкості
r
ω
:
(
)
rr0
aM
ω
⋅
=
ω
, (7.20)
де а – тангенс кута нахилу характеристики опору.
Тоді рівняння руху електричної машини відповідно з першим і другим
зразковими моментами інерції в процесах самогальмування мають вигляд:
()
1
JJ
at
n1r
et
+
−
⋅ω=ω ,
()
2
JJ
at
n2r
et
+
−
⋅ω=ω , (7.21)
Початок
Вимірювання куто-
вої швидкості (за ал-
го
р
итмом на
р
ис.
Вимірювання часто-
ти мережі живлення
(за алгори
т
мом на
zKN
KN
S
rrx
ssx
⋅⋅
⋅
−=1
Кінець
де
n
ω - номінальна кутова швидкість обертання;
J
- момент інерції електрич-
ної машини;
t
- час.
Після логарифмування рівнянь (7.21)
()
n
1r
1
)t(
lnJJat
ω
ω
⋅+= ,
()
n
2r
2
)t(
lnJJat
ω
ω
⋅+= (7.22)
і вилучення складової a
t
з (7.22) рівняння перетворення для визначення моме-
нту інерції запишеться так:
)t(
)t(
ln
)t(
lnJ
)t(
lnJ
J
2r
1r
n
1r
1
n
2r
2
ω
ω
ω
ω
⋅−
ω
ω
⋅
= . (7.23)
Структурна схема для реалізації цього способу вимірювання моменту
інерції наведена на рис.7.22. Мікропроцесорна система MCU проводить вимі-
рювання кутової швидкості
r
ω і за допомогою таймера обчислює час t. Вони
необхідні для визначення значення моменту інерції.
U
B
A
B UB
B
B UB
C
B
Блок ке-
рування
Рисунок 7.22
Алгоритм роботи мікропроцесорного вимірювача моменту інерції наве-
дено на рис.7.23.
r
ω
r
ω
x
f
MCU
Рисунок 7.23
Рисунок 7.23
7.13 Мікропроцесорний вимірювач пускового моменту
Залежність пускового моменту
п
M від кута повороту ротора
α
є досить
важливим параметром, який значною мірою визначає якість пускових характе-
ристик електричної машини.
Початок
Вимірювання кутової
швидкості (за алго-
р
итмом на
р
ис.7.19
)
Кінець
З’єднати ротор елек-
тричної машини із
зразковим моментом
інерції
1
J
З’єднати ротор елек-
тричної машини із
зразковим моментом
інерції
2
J
Вимірювання кутової
швидкості (за алго-
р
итмом на
р
ис.7.19
)
)(
)(
ln
)(
ln
)(
ln
2
1
1
1
2
2
t
t
t
J
t
J
J
r
r
n
r
n
r
ω
ω
ω
ω
ω
ω
⋅−⋅
=