Устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в электроприводах для измерения крутящего момента в установившихся и переходных режимах. Устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя, содержит источник питания, к которому последовательно подключены по фазе А первый датчик тока, первый датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель, к источнику питания по фазе В последовательно подключены второй датчик тока, второй датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель, по фазе С к источнику питания подсоединен трехфазный асинхронный электродвигатель. Выходы датчиков напряжения и тока подключены к блоку вычисления угловой скорости вращения, который подключен к блоку индикации. К входу блока вычисления крутящего момента подключены датчики температуры и частоты. Блок вычисления крутящего момента содержит блок вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента, к которому последовательно подключены первый блок умножения (12), первый блок суммирования (13), первый блок интегрирования (14), второй блок умножения (15), второй блок суммирования (16), третий блок умножения (17), который связан с блоком индикации. К четвертому блоку умножения (18) последовательно подключены третий блок суммирования (19), второй блок интегрирования (20), пятый блок умножения (21), второй блок суммирования (16), блок вычисления периода связан с первым блоком интегрирования (14) и вторым блоком интегрирования (20), а третий блок умножения (17) соединен с первым блоком ввода коэффициентов (23) и со вторым блоком ввода коэффициентов (24). Первый датчик тока (2) соединен со вторым блоком умножения (15) и с четвертым блоком умножения (18), который соединен с блоком вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента, а второй датчик тока (5) соединен с первым блоком умножения (12) и с пятым блоком умножения (21). Первый датчик напряжения (3) соединен с третьим блоком суммирования (19). Второй датчик напряжения (6) подключен к первому блоку суммирования (13). Блок вычисления сопротивления обмотки статора с учетом температурного коэффициента состоит из последовательно соединенных четвертого блока суммирования (25), пятого блока умножения (26), пятого блока суммирования (27) и шестого блока умножения (28), а третий блок ввода коэффициентов (29) соединен с четвертым блоком суммирования (25), четвертый блок ввода коэффициентов (30) соединен с пятым блоком умножения (26), пятый блок ввода коэффициентов (31) соединен с пятым блоком суммирования (27), шестой блок ввода коэффициентов (32) соединен с шестым блоком умножения (28). Четвертый блок суммирования (25) связан с датчиком температуры (8), шестой блок умножения (28) подключен к первому блоку умножения (12) и к четвертому блоку умножению (18). Блок вычисления периода содержит седьмой блок умножения (33), который соединен с седьмым блоком ввода коэффициентов (34) и с датчиком частоты, а седьмой блок умножения (33) подключен к первому блоку интегрирования (14) и ко второму блоку интегрирования (20). Технический результат: повышение точности значения крутящего момента в динамических режимах работы электропривода. 5 ил.
Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в электроприводах для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя.
Известно устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя [Потапов Л.А., Юферов Ф.М. Измерение вращающихся моментов и скоростей вращения микроэлектродвигателей. М.: Энергия, 1974. - с.43-46], основанное на использовании рычажных измерителей вращающих моментов.
Рычажные измерители вращающего момента, представленные в виде коромысла весов с ручным уравновешиванием, являются компенсационными приборами, в которых измеряемый вращающий момент компенсируется моментом силы тяжести грузов, а величина недокомпенсации сводится путем ручного уравновешивания к очень малой.
Недостатком измерения неавтоматических рычажных измерителей вращающего момента является трудоемкость измерений. Это приводит к усложнению и снижению точности измерения вращающего момента в динамических режимах работы электродвигателя.
Наиболее близким и взятым за прототип является устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя [KZ 18934 A4, МКП GOIL 3/10, опубл. 15.11.2007, бюл. 
11], содержащее источник питания, к которому последовательно подключены по фазе А первый датчик тока, первый датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель. К источнику питания по фазе В последовательно подключены второй датчик тока, второй датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель. По фазе С к источнику питания подсоединен трехфазный асинхронный электродвигатель. Выходы датчиков напряжения и тока подключены к блоку вычисления крутящего момента, который подключен к блоку индикации.
У данного устройства недостаточная точность измерения крутящего момента асинхронного электродвигателя.
В связи с этим поставлена задача, разработать устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя, которое позволяет повысить точность результата.
Технический результат полезной модели - повышение точности измерения значения крутящего момента в динамических режимах работы электропривода.
Задача полезной модели достигается тем, что устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя также как в прототипе содержит источник питания, к которому последовательно подключены по фазе А первый датчик тока, первый датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель, к источнику питания по фазе В последовательно подключены второй датчик тока, второй датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель, по фазе С к источнику питания подсоединен трехфазный асинхронный электродвигатель, выходы датчиков напряжения и тока подключены к блоку вычисления крутящего момента, который подключен к блоку индикации.
Согласно полезной модели к входу блока вычисления крутящего момента подключены датчик температуры и датчик частоты.
Блок вычисления крутящего момента содержит блок вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента, к которому последовательно подключены первый блок умножения, первый блок суммирования, первый блок интегрирования, второй блок умножения, второй блок суммирования, третий блок умножения, который связан с блоком индикации. К четвертому блоку умножения последовательно подключены третий блок суммирования, второй блок интегрирования, пятый блок умножения, второй блок суммирования. Блок вычисления периода связан с первым блоком интегрирования и вторым блоком интегрирования. Третий блок умножения соединен с первым блоком ввода коэффициентов и со вторым блоком ввода коэффициентов. Причем первый датчик тока соединен со вторым блоком умножения и с четвертым блоком умножения, который соединен с блоком вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента, а второй датчик тока соединен с первым блоком умножения и с пятым блоком умножения. Первый датчик напряжения соединен с третьим блоком суммирования, а второй датчик напряжения подключен к первому блоку суммирования.
Блок вычисления сопротивления обмотки статора с учетом температурного коэффициента содержит последовательно соединенные четвертый блок суммирования, пятый блок умножения, пятый блок суммирования, шестой блок умножения, при этом третий блок ввода коэффициентов соединен с четвертым блоком суммирования, четвертый блок ввода коэффициентов соединен с пятым блоком умножения, пятый блок ввода коэффициентов соединен с пятым блоком суммирования, шестой блок ввода коэффициентов соединен с шестым блоком умножения. Причем четвертый блок суммирования связан с датчиком температуры, шестой блок умножения подключен к первому блоку умножения и к четвертому блоку умножения.
Блок вычисления периода содержит седьмой блок умножения, который соединен с седьмым блоком ввода коэффициентов и с датчиком частоты, а седьмой блок умножения подключен к первому блоку интегрирования и ко второму блоку интегрирования.
Конструкция предложенного устройства позволяет учесть температуру tпр проводников обмотки статора, частоту f основной гармоники напряжения статора, а также ввести температурный коэффициент 
t, что приводит к повышению точности измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя.
На фиг.1 приведено устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя согласно заявляемому устройству.
На фиг.2 приведена схема блока вычисления крутящего момента 7 (БВКМ).
На фиг.3 приведена схема блока вычисления сопротивления обмотки статора с учетом температурного коэффициента 11 (БВСОС).
На фиг.4 изображена схема блока вычисления периода 22 (БВТ).
На фиг.5 представлены характеристики крутящего момента M{t), где кривая 1 -характеристика, полученная с использованием устройства - прототипа, а кривая 2 - с использованием предложенного устройства.
Устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя (фиг.1) содержит источник питания 1 (ИП), к которому последовательно подключены по фазе А первый датчик тока 2 (ДТ1), первый датчик напряжения 3 (ДН1) и трехфазный асинхронный электродвигатель 4. К источнику питания 1 (ИП) по фазе В последовательно подключены второй датчик тока 5 (ДТ2), второй датчик напряжения 6 (ДН2) и трехфазный асинхронный электродвигатель 4. По фазе С к источнику питания 1 (ИП) подсоединен трехфазный асинхронный электродвигатель 4. Выходы датчиков напряжения 3 (ДН1), 6 (ДН2) и тока 2 (ДТ1), 5 (ДТ2) подключены к блоку вычисления крутящего момента 7 (БВКМ), к входу которого подключены датчик температуры 8 (ДТЕ) и датчик частоты 9 (ДЧ). Выход блока вычисления крутящего момента 7 (БВКМ) подключен к блоку индикации 10 (БИ).
Блок вычисления крутящего момента 7 (БВКМ) (фиг.2) содержит блок вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента 11 (БВСОС), к которому последовательно подключены первый блок умножения 12 (БУ1), первый блок суммирования 13 (БС1), первый блок интегрирования 14 (БИН1), второй блок умножения 15 (БУ2), второй блок суммирования 16 (БС2), третий блок умножения 17 (БУЗ), который связан с блоком индикации 10 (БИ).
К четвертому блоку умножения 18 (БУ4) последовательно подключены третий блок суммирования 19 (БСЗ), второй блок интегрирования 20 (БИН2), пятый блок умножения 21 (БУ5), второй блок суммирования 16 (БС2). Блок вычисления периода 22 (БВТ) соединен с первым блоком интегрирования 14 (БИН1) и вторым блоком интегрирования 20 (БИН2).
Третий блок умножения 17 (БУЗ) соединен с первым блоком ввода коэффициентов 23 (БВК1) и со вторым блоком ввода коэффициентов 24 (БВК2).
Первый датчик тока 2 (ДТ1) соединен со вторым блоком умножения 15 (БУ2) и с четвертым блоком умножения 18 (БУ4), который соединен с блоком вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента 11 (БВСОС). Второй датчик тока 5 (ДТ2) соединен с первым блоком умножения 12 (БУ1) и с пятым блоком умножения 21 (БУ5).
Первый датчик напряжения 3 (ДН1) соединен с третьим блоком суммирования 19 (БСЗ). Второй датчик напряжения 6 (ДН2) подключен к первому блоку суммирования 13 (БС1).
Блок вычисления сопротивления обмотки статора с учетом температурного коэффициента 11 (БВСОС) состоит из последовательно соединенных четвертого блока суммирования 25 (БС4) (фиг.3), пятого блока умножения 26 (БУ5), пятого блока суммирования 27 (БС5) и шестого блока умножения 28 (БУ6). Третий блок ввода коэффициентов 29 (БВКЗ) соединен с четвертым блоком суммирования 25 (БС4).
Четвертый блок ввода коэффициентов 30 (БВК4) соединен с пятым блоком умножения 26 (БУ5).
Пятый блок ввода коэффициентов 31 (БВК5) соединен с пятым блоком суммирования 27 (БС5).
Шестой блок ввода коэффициентов 32 (БВК6) соединен с шестым блоком умножения 28 (БУ6).
Четвертый блок суммирования 25 (БС4) связан с датчиком температуры 8 (ДТЕ).
Шестой блок умножения 28 (БУ6) подключен к первому блоку умножения 12 (БУ1) и к четвертому блоку умножения 18 (БУ4).
Блок вычисления периода 22 (БВТ) содержит седьмой блок умножения 33 (БУ7) (фиг.4), который соединен с седьмым блоком ввода коэффициентов 34 (БВК7) и с датчиком частоты 9 (ДЧ).
Седьмой блок умножения 33 (БУ7) подключен к первому блоку интегрирования 14 (БИН1) и ко второму блоку интегрирования 20 (БИН2).
В качестве датчиков напряжения 3 (ДН1) и 6 (ДН2) могут быть использованы трансформаторы напряжения, датчиков тока 2 (ДТ1) и 5 (ДТ2) - трансформаторы тока, датчика температуры 8 (ДТЕ) - позистор, датчика частоты 9 (ДЧ) - частотомер. Другие блоки могут быть реализованы стандартными аппаратными средствами на основе интегральных микросхем либо с использованием микропроцессорных комплектов.
Измерение осуществляют следующим образом.
Для определения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя и получения результатов были проведены имитационные эксперименты для трехфазных асинхронных электродвигателей общепромышленного исполнения, например 4А50А4.
Для определения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя с источника питания 1 (ИП) (фиг 1) подали напряжение на трехфазный асинхронный электродвигатель 4, измерили мгновенные значения ia, ib фазных токов на фазах А и В с помощью датчиков тока 2 (ДТ1) и 5 (ДТ2), измерили мгновенные значения фазных напряжений ua, ub датчиками напряжения 3 (ДН 1) и 6 (ДН2), датчиком температуры 8 (ДТЕ) измерили температуру tпр проводников обмотки статора трехфазного асинхронного электродвигателя, датчиком частоты 9 (ДЧ) измерили частоту f основной гармоники напряжения статора трехфазного асинхронного электродвигателя.
Измеренные значения подали на блок вычисления крутящего момента 7 (БВКМ).
С датчика температуры 8 (ДТЕ) измеренную температуру tпр и с третьего блока ввода коэффициентов 29 (БКВЗ) подали на четвертый блок суммирования 25 (БС4), сигнал с которого и сигнал с четвертого блока ввода коэффициентов 30 (БВК4) подали на пятый блок умножения 26 (БУ5), где происходило умножение поданных на него сигналов. С пятого блока умножения 26 (БУ5) подали сигнал на пятый блок суммирования 27 (БС5), на который также подали сигнал с пятого блока ввода коэффициентов 31 (БВК5). В пятом блоке суммирования 27 (БС5) происходило суммирование поданных на него сигналов. Полученный сигнал в результате суммирования с пятого блока суммирования 27 (БС5) подали на шестой блок умножения 28 (БУ6), на который также подали сигнал с шестого блока ввода коэффициентов 32 (БВК6). В шестом блоке умножения 28 (БУ6) происходило умножение сигналов поступающих на его вход. С шестого блока умножения 28 (БУ6) сопротивление обмотки статора с учетом температурного коэффициента - z подали на первый блок умножения 12 (БУ1) и на четвертый блок умножения 18 (БУ4), причем величина z представлена в виде: z=Rs [1+t·(tпр-20)],
где Rs - активное сопротивление обмотки статора;
t - температурный коэффициент, характеризующий свойства проводников обмотки статора трехфазного асинхронного электродвигателя.
С седьмого блока ввода коэффициентов 34 (БВК7) и с датчика частоты 9 (ДЧ) измеренное значение частоты основной гармоники напряжения питания трехфазного асинхронного электродвигателя f подали на седьмой блок умножения 33 (БУ7), где происходило умножение сигналов поступающих на его вход. С седьмого блока умножения 33 (БУ7) сигнал поступил на первый блок интегрирования 14 (БИН1) и на второй интегрирования 20 (БИН2).
С первого датчика тока 2 (ДТ1) измеренный фазный ток ia фазы А подали на второй блок умножения 15 (БУ2) и на четвертый блок умножения 18 (БУ4). С датчика тока 5 (ДТ2) измеренный фазный ток ib фазы В подали на первый блок умножения 12 (БУ1) и на пятый блок умножения 21 (БУ5).
С первого датчика напряжения 3 (ДН1) измеренное фазное напряжение ua фазы А подали на третий блок суммирования 19 (БСЗ). Со второго датчика напряжения 6 (ДН2) измеренное фазное напряжение ub фазы В подали на первый блок суммирования 13 (БС1).
С первого блока умножения 12 (БУ1) сигнал подали на первый блок суммирования 13 (БС1), полученный сигнал с которого подали на первый блок интегрирования 14 (БИН1). С первого блока интегрирования 14 (БИН1) подали сигнал на второй блок умножения 15 (БУ2), полученный сигнал с которого подали на второй блок суммирования 16 (БС2).
С четвертого блока умножения 18 (БУ4) сигнал подали на третий блок суммирования 19 (БСЗ), полученный сигнал с которого подали на второй блок интегрирования 20 (БИН2). С второго блока интегрирования 20 (БИН2) подали сигнал на пятый блок умножения 21 (БУ5), полученный сигнал с которого подали на второй блок суммирования 16 (БС2). Со второго блока суммирования 16 (БС2), с первого блока ввода коэффициентов 23 (БВК1) и со второго блока ввода коэффициентов 24 (БВК2) сигналы подали на третий блок суммирования 17(БУЗ).
В блоках суммирования 13 (БС1), 16 (БС2) и 19 (БСЗ) происходило суммирование сигналов поступающих на их вход.
В блоках умножения 12 (БУ1), 15 (БУ2), 17 (БУЗ), 18 (БУ4) и 21 (БУ5) происходило умножение сигналов поступающих на их вход.
В блоках интегрирования 14 (БИН1) и 20 (БИН2) происходило интегрирование в пределах от 0 до 
.
В третьем блоке суммирования 17 (БСЗ) определили значение крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя в следующем виде:
,
где рn - число пар полюсов двигателя.
Полученный сигнал с третьего блока умножения 17 (БУЗ) вывели на блок индикации 10 (БИ) в цифровом виде или в виде графика.
В результате имитационного моделирования, которое основано на сравнении и анализе графиков крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя, были рассмотрены графики, полученные с использованием устройства - прототипа (фиг.5, кривая 1) и с помощью предложенного устройства (фиг.5, кривая 2). При моделировании был принят режим пуска асинхронного электродвигателя как наиболее тяжелый, при котором параметры изменяются в широких пределах. Были приняты нулевые начальные условия, время начала моделирования t0=0; время окончания моделирования tk=50/314 с; шаг интегрирования 
t=0,001/314 с.
Сравнение характеристик крутящего момента M(t), полученных с использованием устройства-прототипа (кривая 1) с характеристикой крутящего момента, полученной с помощью предложенного устройства (кривая 2) показывает, что точность измерения в первом случае составляет 94-95%, а во втором - 96-97%.
Устройство для измерения крутящего момента трехфазного асинхронного электродвигателя, содержащее источник питания, к которому последовательно подключены по фазе А первый датчик тока, первый датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель, к источнику питания по фазе В последовательно подключены второй датчик тока, второй датчик напряжения и трехфазный асинхронный электродвигатель, по фазе С к источнику питания подсоединен трехфазный асинхронный электродвигатель, выходы датчиков напряжения и тока подключены к блоку вычисления крутящего момента, который подключен к блоку индикации, отличающееся тем, что к входу блока вычисления крутящего момента подключены датчик температуры и датчик частоты, причем блок вычисления крутящего момента содержит блок вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента, к которому последовательно подключены первый блок умножения (12), первый блок суммирования (13), первый блок интегрирования (14), второй блок умножения (15), второй блок суммирования (16), третий блок умножения (17), который связан с блоком индикации, при этом к четвертому блоку умножения (18) последовательно подключены третий блок суммирования (19), второй блок интегрирования (20), пятый блок умножения (21), второй блок суммирования (16), блок вычисления периода связан с первым блоком интегрирования (14) и вторым блоком интегрирования (20), а третий блок умножения (17) соединен с первым блоком ввода коэффициентов (23) и со вторым блоком ввода коэффициентов (24), причем первый датчик тока (2) соединен со вторым блоком умножения (15) и с четвертым блоком умножения (18), который соединен с блоком вычисления сопротивления обмоток статора с учетом температурного коэффициента, а второй датчик тока (5) соединен с первым блоком умножения (12) и с пятым блоком умножения (21), кроме того, первый датчик напряжения (3) соединен с третьим блоком суммирования (19), а второй датчик напряжения (6) подключен к первому блоку суммирования (13), при этом блок вычисления сопротивления обмотки статора с учетом температурного коэффициента состоит из последовательно соединенных четвертого блока суммирования (25), пятого блока умножения (26), пятого блока суммирования (27) и шестого блока умножения (28), а третий блок ввода коэффициентов (29) соединен с четвертым блоком суммирования (25), четвертый блок ввода коэффициентов (30) соединен с пятым блоком умножения (26), пятый блок ввода коэффициентов (31) соединен с пятым блоком суммирования (27), шестой блок ввода коэффициентов (32) соединен с шестым блоком умножения (28), причем четвертый блок суммирования (25) связан с датчиком температуры (8), шестой блок умножения (28) подключен к первому блоку умножения (12) и к четвертому блоку умножения (18), при этом блок вычисления периода содержит седьмой блок умножения (33), который соединен с седьмым блоком ввода коэффициентов (34) и с датчиком частоты, а седьмой блок умножения (33) подключен к первому блоку интегрирования (14) и ко второму блоку интегрирования (20).
