Inovace laboratoře pro výuku mikroprocesorového řízení elektrických pohonů
Cíle
Cílem projektu byla inovace předmětů Elektrické pohony, Elektrické stroje a Regulace a automatizace. Podstata inovace tkvěla v zavedení moderních elektrických strojů a moderní regulační techniky do výuky. Zejména se jednalo o synchronní motory s permanentními magnety a servopohony postavené na základě těchto strojů. V oblasti regulace a automatizace se pak jednalo o signálové procesory konstruované pro řízení elektrických pohonů.
Hlavním výstupem projektu jsou dynamometrická soustrojí obsahující zmíněné moderní elektrické stroje. Vedlejším výstupem je dovybavení laboratoře elektrických pohonů, ve které jsou tato zařízení umístěna o další potřebná zařízení a materiál jako jsou měřící technika, propojovací vodiče, elektronické součástky apod.
Dosažené výsledky
Nejnáročnější částí projektu bylo sestavení dvou dynamometrických soustrojí. Díky úsporám vzniklým při nákupu některých položek bylo možné sestavit ještě jedno soustrojí. Základem zdynamometrických soustrojí je zatěžovací stejnosměrný motor s permanentními magnety typu P2ZX525 od výrobce ATAS Náchod na napětí 24 V o výkonu 1 100 W a jmenovitých otáčkách 2 800 ot/min. Byly pořízeny dohromady tři kusy těchto motorů dva ve speciálním provedení s výstupní hřídelí na obou koncích motoru a jeden ve standardním provedení s výstupní hřídelí na jednom konci motoru.
Speciální provedení motoru s výstupní hřídelí na obou stranách motoru bylo zvoleno z důvodu jednoduché konstrukce pohyblivě ložiskovaného statoru motoru, tak aby bylo možné pomocí ramene připevněného na statoru měřit zatěžovací moment motoru. U jednoho soustrojí bylo použito k měření zatěžovacího momentu speciálního čidla kroutícího momentu umístěného na hřídeli zatěžovacího motoru a fungujícího zároveň jako spojka mezi zatěžovacím motorem a testovaným strojem. Toto čidlo bylo již majetkem KEEZ, nebylo pořizováno z prostředků projektu.
Provedení jednotlivých dynamometrických soustrojí jsou patrné z následujících obrázků.
První soustrojí bylo sestaveno se servopohonem se synchronním motorem s permanentními magnety od výrobce SEW Eurodrive. Tento servopohon nebyl hrazen z prostředků projektu. Tento pohon byl již majetkem KEEZ v době zadávání tohoto projektu. Pohled na soustrojí viz obr. 1.
Obr. 1 Pohled na dynamometrické soustrojí se servopohonen se synchronním motorem s permanentními magnety, vpravo je možné vidět čtyřkvadrantový pulsní měnič pro napájení zatěžovacího motoru a řídící jednotku
Druhé soustrojí bylo sestaveno se synchronním motorem s permanentními magnety od výrobce VÚES Brno. V tomto soustrojí bylo využito speciálního snímače kroutícího momentu od výrobce VTS Zlín. Z tohoto důvodu byl použit zatěžovací stejnosměrný motor ve standardním provedení. Synchronní motor i snímač byly ve vlastnictví katedry v době zadávání tohoto projektu, nebyly tudíž hrazeny z prostředků tohoto projektu. Pohled na soustrojí viz obr. 2.
O posledním soustrojí bylo dodatečně rozhodnuto na základě úspor vzniknuvších při nákupu některých položek. Toto soustrojí je sestaveno s jednofázovým asynchronním motorem s pomocným kondenzátorovým rozběhem (výrobce Siemens) typu 1LF7083 o výkonu 1,1 kW, jmenovitých otáčkách 2 801 ot/min. Zařízení je doplněno též inkrementálním snímačem otáček (výrobce LARM). V předchozích soustrojích je k měření otáček využito integrovaných snímačů otáček v servomotoru. Všechna použitá zařízení v tomto soustrojí byla hrazena z prostředků tohoto projektu. Pohled na soustrojí viz obr. 3.
Obr. 2 Dynamometrické soustrojí se synchronním motorem s permanentními magnety (výrobce VÚES Brno), uprostřed na hřídeli je patrný snímač kroutícího momentu (výrobce VTS Zlín)
Obr. 3 Dynamometrické soustrojí s jednofázovým asynchronním motorem
Za účelem měření zatěžovacího momentu byla pořízena digitální váha typu AMW 2000 se zatížitelností 2 kg a přesností 0,1 g viz obr. 4.
Obr. 4 Digitální váha AMW 2000
Důležitou součástí dynamometrických soustrojí je napájecí čtyřkvadrantový pulsní měnič ±24 V, který umožňuje řízení zatěžovacího motoru ve všech kvadrantech tj. v motorickém i generátorickém režimu. Měnič je postaven na bázi MOSFET tranzistorů zapojených do jednofázového můstku (bylo využito MOSFET modulů obsahující kompletní třífázový střídač od firmy IXYS). Řídící jednotka pro tento měnič byla zadána jako diplomová práce, jejímž výsledkem byl funkční prototyp této jednotky využívající mikrokontroléru řady AVR. Náklady na tato zařízení byla hrazena z prostředků tohoto projektu.
Pro napájení pulsních měničů bylo zapotřebí sestavit ještě zdroj stejnosměrného napětí 24 V o dostatečném výkonu (více jak 1 kW). Za tímto účelem byly pořízeny dva toroidní transformátory 230 V/24 V, 1000 VA. Součástí tohoto zdroje jsou též vyhlazovací kondenzátory, nabíjecí rezistory a brzdný pulsní měnič, který maří elektrickou energii při generátorickém chodu dynamometrických soustrojí.
Další významnou položkou bylo pořízení dvou vývojových desek se signálovým procesorem Texas Instruments TMS320F2812. Tento signálový procesor je určen právě pro řízení elektrických pohonů se střídavými bezkomutátorovými motory tj. asynchronní motory nebo synchronní motory s permanentními magnety. Výrobcem vývojových desek je firma Škoda Electric a.s. Vývojové desky obsahují potřebná rozhraní pro připojení k budičům střídače, proudových snímačů a 2 inkrementálních čidel. Pro programování procesory byly pořízeny dvě licence vývojového prostředí Code Compouser Studio. Tyto desky jsou využívány v praktické výuce studentů v předmětu Elektrické pohony, kde se studenti mohou seznámit s praktickou konstrukcí regulátorů v moderních elektrických pohonech. Všechna další potřebná zařízení jsou majetkem KEEZ (tj. silová část střídače, proudové snímače apod.).
Obr. 5 Vývojová deska se signálovým procesorem Texas Instruments TMS320F2812
Dále byly prostředky projektu využity na pořízení dalších zařízení, která vhodně doplňují stávající vybavení laboratoře elektrických pohonů KEEZ. Jedná se zejména o nákup tří analogových wattmetrů GANZ typu HEWa 302 s cosφ napěťové cívky rovným 0,2 viz obr. 7. Tyto wattmetry jsou vhodné pro měření činného výkonu při nízkém účiníku proudu, kde běžné wattmetry ukazují velice malou výchylku. Tyto wattmetry nebyly doposud ve vlastnictví KEEZ.
Obr. 6 Wattmetr GANZ typu HEWa 302 s cosφ = 0,2
Poslední významnou položkou byl stroboskop, který je používán pro měření zátěžného úhlu synchronního stroje. Byl pořízen stroboskop typu DT2269, který umožňuje externí spouštění, které je nutné právě pro měření zátěžného úhlu.
Obr. 7 Stroboskop DT2269
Stroboskopické měření probíhá na stávajícím soustrojí s alternátorem 10 kW. Toto pracoviště bylo nutno pro nové měření upravit. Drobné náklady spojené s touto úpravou byly hrazeny z prostředků tohoto projektu. Jednalo se pouze o drobný elektroinstalační materiál.
Obr. 8 Pracoviště se soustrojím skládajícím se z alternátoru a třífázového komutátorového motoru systému Schrage, na spojce mezi stroji je patrná nalepená stupnice pro měření zátěžného úhlu
