СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ


RU (11) 2301975 (13) C2

(51) МПК
G01L 3/10 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2007.06.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 2004130536/28 
(22) Дата подачи заявки: 2004.10.18 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2004.10.18 
(43) Дата публикации заявки: 2006.03.27 
(45) Опубликовано: 2007.06.27 
(56) Аналоги изобретения: SU 342093 A1, 01.01.1972. RU 2039955 C1, 20.07.1995. RU 2074394 C1, 27.02.1997. RU 2213270 C2, 27.09.2003. SU 1631322 A1, 28.02.1991. 
(72) Имя изобретателя: Ковалев Юрий Захарович (RU); Ковалев Владимир Захарович (RU); Кузнецов Евгений Михайлович (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Академический институт прикладной энергетики (RU) 
(98) Адрес для переписки: 626440, Тюменская обл., г. Нижневартовск, ул. Мира, 55, Академический институт прикладной энергетики 

(54) 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. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


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 ст - 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 ст - 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 u A, 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,u C 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 u A, uB, uC участвуют вместе с сигналами от датчиков тока 1-3 в определении результирующего вектора потокосцепления статора ст 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.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


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 ст - 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.




РИСУНКИ

, ,





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru