Urządzenie do monitorowania prądów fazowych silnika elektrycznego

[Vroobee]

Witam serdecznie wszystkich czytelników Forbota 🙂 w tym artykule chciałbym opisać projekt, który udało mi się skończyć całkiem niedawno. Mowa o urządzeniu do monitorowania prądów fazowych silników elektrycznych. W kwestii, krótkiego wstępu warto wspomnieć, że  silniki elektryczne wykorzystywane są jako jednostki napędowe w znacznej większości maszyn i urządzeń, dlatego niezbędne jest utrzymanie ich w dobrej kondycji w trakcie eksploatacji. Do przeprowadzenia oceny stanu technicznego silników eklektycznych wykorzystuje się m.in. metodę MCSA (ang. Motor Current Signature Analysis), która polega na pozyskaniu informacji o stanie technicznym silnika poprzez analizę widma prądu fazowego stojana. Na tej podstawie możliwe jest wykrycie uszkodzeń zarówno części mechanicznej jak i obwodów elektromagnetycznych silnika. Aby możliwe było przeprowadzenie analizy MCSA należy pozyskać sygnał związany z prądem fazowym silnika. Stało się to motywacją do opracowana ww. urządzenia.

 

Zaprojektowany układ, dedykowany dla silników zarówno jedno jak i trójfazowych, pozwala na pozyskanie informacji o prądzie pobieranym niezależnie przez poszczególne fazy silnika. W tym celu wykorzystano trzy przekładniki prądowe TA28E-00 o przełożeniu 1:50 (max. 5A – 100mA). Zastosowanie przekładników prądowych pozwala na przeniesienie całego spektrum sygnału prądowego na sygnał napięciowy, a także zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy stroną wysoko i niskonapięciową. Przykładowy układ przekładnika prądowego przedstawiono na rysunku poniżej.

Prąd po stronie wtórnej przekładnika przepływa przez pomiarowy rezystor bocznikowy o rezystancji 1 Ohma. Układ wzmacniacza odwracającego LM324D wzmacnia spadek napięcia na rezystorze pomiarowym, proporcjonalny do przepływającego przez niego prądu. Wzmocnienie układu uzależnione jest od rezystora zamieszczonego w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Wybór wzmocnienia (x1, x4.7, x10, x47, x100, x500) następuje poprzez wybór odpowiedniej pozycji przełącznika obrotowego GAIN. Następnie za układem wzmacniacza zamieszczono przełącznik bistabilny opisany jako RANGE, umożliwiający wybór zakresu sygnału wyjściowego (±2.5V lub 0-5V). Urządzenie wyposażone jest w 3 tego typu układy.

Urządzenie ma możliwość zasilenia układów wewnętrznych bezpośrednio z jednej z faz podłączonych do wejścia trójfazowego 3x400V, zewnętrznego źródła napięcia przemiennego 230V 50Hz  oraz napięcia stałego 5V (min. 100mA). Zmiana źródła zasilania dokonywana jest przy pomocy przekaźników. Najwyższy priorytet ma zewnętrzne źródło napięcia stałego 5V. Wynika to z możliwości zasilenia układów ze źródła zasilania bateryjnego (np. power bank). Dzięki temu sygnał wyjściowy pozbawiony jest zakłóceń pochodzących z sieci elektrycznej tj. niskonapięciowe składowe o częstotliwości 50Hz. Podczas zasilania układów elektronicznych ze źródła napięcia przemiennego (z wejścia trójfazowego 3x400V lub zewnętrznego 230V) układy elektroniczne zasilane są poprzez przetwornicę AC/DC 230V-5V. Wejście przetwornicy zabezpieczone jest bezpiecznikiem topikowym oraz warystorem. Zasilacz modułowy widoczny na rysunku powyżej stosowany jest tylko w celu załączenia przekaźnika podczas zasilania urządzenia z sieci elektrycznej 230V. 

Dzięki wyprowadzeniu sygnałów na złącze goldpin urządzenie może zostać wzbogacone o dodatkowy układ mikroprocesorowy umożliwiający konwersję ADC sygnału napięciowego oraz przesłanie danych drogą bezprzewodową do komputera PC. Układ przetestowano pod kątem komunikacji radiowej oraz sieci WiFi. W pierwszym przypadku wykorzystano moduł NUCLEO STM32F303K8, do którego podłączono moduł radiowy RFM73-D. Do odbioru danych z urządzenia pomiarowego wykorzystano autorskie urządzenie USB z tym samym modułem radiowym (rysunek poniżej).

Druga możliwość obejmowała wykorzystanie bezprzewodowej platformy pomiarowej OpenScope MZ. W tym wypadku możliwe było monitorowanie maksymalnie 2 kanałów. Wynikało to z ograniczeń zastosowanego modułu pomiarowego OpenScope MZ. O ile platforma OpenScope umożliwia wygodną prezentację wyników, tak wykorzystanie transmisji radiowej pozwala na dowolne wykorzystanie danych cyfrowych przez dowolny system do analizy danych tj. DASYlab. Dane mogą być importowane na bieżąco przez program i wykorzystywane do dalszych analiz, np. wcześniej wspomnianą techniką MCSA. 

Podsumowując, urządzenie może znaleźć zastosowanie w monitorowaniu prądów fazowych nie tylko silników elektrycznych, ale również dowolnego urządzenia zasilanego napięciem max. 3x400V oraz pod warunkiem, że poszczególne fazy nie będą obciążone prądem wyższym niż 5A. Urządzenie zostało zaprojektowane pod kątem wielu możliwości zasilania oraz przesyłania sygnałów wyjściowych (analogowo oraz cyfrowo), co umożliwia szerokie spektrum zastosowania w układach służących do precyzyjnych pomiarów i analiz prądów zasilających maszyny i urządzenia różnego typu.

  

Edytowano Maj 10, 2020 przez Vroobee

[Treker (Damian Szymański)]

@Vroobee, właśnie zaakceptowałem opis. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum 😉

[Philip]

Super projekt. Estetycznie, profesjonalnie i bardzo użyteczne urządzenie 😉

Takie pytanie: czy sam zaprojektowałeś wszystkie płytki PCB?

Pozdrawiam

[Vroobee]

Dziękuję za miłe słowa 🙂 Płytki projektowałem samemu - jedna była zlecona do wykonania (main board), a płytkę z przekaźnikami wykonałem metodą termotransferu. Domyślnie źródło zasilania miało być wybierane przy pomocy przełączników ale zmieniłem na automatyczne przełączanie źródła przy pomocy przekaźników.

Edytowano Maj 14, 2020 przez Vroobee

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[BlackJack]

A już myślałem że coś co pozwoli określić prąd rozruchowy silnika i prąd roboczy. Piszą o tym bo nie wiem co się stało, ale jakoś nagminne producenci silników, szczegółnie ci z wschodu, upodobali sobie pomijanie na tabliczce znamionowej prądu roboczego, ale do gwarancji wymagają zabezpieczenia silnika. I mamy np. tak silnik 230V, 2900obr/min 2,2 KW i koniec informacji. Co najwyżej S1 dodane. A w instrukcji ani słowa, o tak istotnym parametrze jak prąd roboczy.

Edytowano Maj 14, 2020 przez BlackJack

[Vroobee]

Dnia 14.05.2020 o 09:53, BlackJack napisał:

A już myślałem że coś co pozwoli określić prąd rozruchowy silnika i prąd roboczy. Piszą o tym bo nie wiem co się stało, ale jakoś nagminne producenci silników, szczegółnie ci z wschodu, upodobali sobie pomijanie na tabliczce znamionowej prądu roboczego, ale do gwarancji wymagają zabezpieczenia silnika. I mamy np. tak silnik 230V, 2900obr/min 2,2 KW i koniec informacji. Co najwyżej S1 dodane. A w instrukcji ani słowa, o tak istotnym parametrze jak prąd roboczy.

@BlackJack samo urządzenie pozwala tylko na śledzenie przebiegu prądu. Gdyby wszystko ładnie zarejestrować przez przetwornik ADC i przeliczyć odpowiednio w programie to bez problemu można przy pomocy tego urządzenia taki prąd określić 🙂