Теорія і практика моніторингу параметрів електричних двигунів електромеханічних систем

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Чорний Олексій Петрович

УДК 62-83-529.015

Теорія і практика моніторингу параметрів

електричних Двигунів електромеханічних систем

Спеціальність

"Електротехнічні комплекси і системи"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ

2004 г.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматичного управління і електроприводу Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Сінчук Олег Миколайович,

технічний директор ТОВ ТД „Електромашина” (м.Харків) Міністерства промислової політики України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Чермалих Валентин Михайлович,

завідувач кафедри автоматизації управління електротехнічними комплексами Інституту енергозбереження та енергоменеджмента Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор

Бешта Олександр Степанович,

завідувач кафедри електроприводу Національного гірничого університету (м.Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор

Сінолиций Анатолій Пилипович,

завідувач кафедри автоматизованого електроприводу Криворізького технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Інститут електродинаміки НАН України (м.Київ).

Захист відбудеться “ 2 “ червня 2005 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, Дніпропетровськ - 27, пр. К.Маркса, 19, тел. 47-24-11)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, Дніпропетровськ - 27, пр. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий 27.04. 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент А.А.Колб

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Надійність роботи електричних двигунів електроприводів за останні 10 - 15 років знизилась в окремих випадках у десятки разів. Щорічно виходять з ладу і ремонтуються до 30% парку ЕД, що використовуються у промисловості, і до 70%, що використовуються на транспорті. У переважній більшості після ремонту електричні двигуни електроприводів повертаються на підприємства, де продовжують експлуатуватися до наступного виходу з ладу. Кількість ремонтів може складати 3 - 4 при значному зменшенні часу напрацювання на відмову від 0,5 до 1,5 року. Вищевикладена ситуація пояснюється тим, що сталь в процесі ремонту зазнає механічних ушкоджень і електричні двигуни, що знову надійшли на виробництво, мають реальні експлуатаційні показники значно нижчі, ніж задекларовані заводом-виробником. Крім того, без прийняття допоміжних заходів, імпульсні напруги живлення, що притаманні сучасним перетворювачам, також прискорюють процес виходу з ладу електричного двигуна.

Незважаючи на активне впровадження в практику роботи вітчизняних підприємств гірничо-видобувної металургійної та машинобудівної промисловості, транспорту нових сучасних типів електроприводів (ЕП) для двигунів, що тривалий час знаходяться в експлуатації або ремонтувалися, очікуване підвищення ресурсу їх роботи продовжує залишатись проблемою, що потребує свого вирішення.

Надійність роботи ЕП за останні роки не тільки не досягла бажаного рівня, а навпаки, знизилась. Як показали дослідження, пов'язано це в першу чергу з незбалансованістю технічного рівня, впроваджуємих в практику створення ЕП високоефективних самоконтролюючих та саморегулюючих систем керування (СК) на основі мікропроцесорних модулів з тактикою створення конструкцій електричних двигунів масового використання, в котрих, як і раніше, відсутні системи контролю стану та зміни їхніх параметрів в процесі експлуатації.

В результаті такої ситуації комплекс ЕП, що цілісно не являє собою саморегулюючу систему, приречений на низький ресурс свого функціонування та низьку надійність в роботі.

Не відкидаючи інших вагомих об'єктивних моментів в цій проблемі, все ж для ЕП, як електромеханічної системи (ЕМС), безперечно, існує головне - необхідність постійного контролю параметрів, їх коливань, зміни, взаємовпливу складових системи “мережа - перетворювач - електричний двигун” в процесі експлуатації.

Аналіз методів оцінки параметрів електричних двигунів електроприводів вказує на необхідність пошуку принципово нових науково-технічних рішень, які відрізняються від відомих простотою і можливістю часткової чи повної автоматизації безпосередньо в складі електромеханічної системи.

Зазначена проблема може бути вирішена за умови, якщо ЕП буде обладнаний системою діагностики, яка контролює зміну характеристик і приймає рішення щодо виведення з експлуатації електричних двигунів, коли параметри ЕМС змінюються настільки інтенсивно, що її аварійний вихід з ладу можливий раніше терміну планового відключення для технічного обслуговування.

Тому розвиток теорії і створення методології моніторингу електромеханічних перетворювачів систем електроприводу з метою підвищення якості їх ідентифікації шляхом урахування змін і коливань електричних, магнітних і механічних параметрів в процесі експлуатації або ремонту є актуальною науково-прикладною проблемою.

В основу розв'язання наукової проблеми покладені роботи й результати досліджень відомих учених: щодо якості електроенергії - А.К.Шидловського, І.В.Жежеленка, В.Г.Кузнєцова, А.П.Сінолицего; з проблематики перетворення електроенергії - Г.С. Зинов'єва, О.А. Маєвского, В.Є. Тонкаля; з діагностичного забезпечення - І.А. Биргера, О.В. Кириленка; з діагностики і характеристик електричних машин: І.М. Постникова, А.І. Сиромятнікова, А.В. Башарина, О.С.Бешти, В.Ф. Сивокобиленка, В.М. Чермалиха, Г.Г. Счастливого; з оцінки надійності та працездатності електричних двигунів: О.Д.Гольдберга, Г.К.Жеpве, І.П. Жеріхіна, М.Ф. Котеленеца.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дослідження відповідають комплексній проблемі НАН України “Наукові основи електроенергетики”, напрямку науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України - Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі і включені до плану бюджетних НДР Міністерства освіти і науки України: тема 3Д/99АПП “Дослідження та розробка теорій енергозбереження й енергозберігаючого електромеханічного обладнання”, №ДР0199U004068, м. Кременчук, 1999 р.; тема 3Д/САУЕ “Розробка обладнання для систем енергозбереження засобами електроприводу”, №ДР0199U004074, м. Кременчук, 1999 р.; тема 7Д/САУЕ “Дослідження та розробка систем енергомоніторингу електромеханічного обладнання промислових підприємств”, №ДР0103U000804, м. Кременчук, 2003 р.; тема 27/01-центр “Розробка і впровадження післяремонтної й експлуатаційної діагностики електричних двигунів в умовах електроремонтного цеху НПЗ”, №ДР010U005792, м. Кременчук, 2001-2003; тема 109В-03/САУЕ “Розробка теорії та створення інтелектуального захисту електричних приводів механізмів діючих виробництв”, №ДР0103U005008, м. Кременчук, 2003.

Об'єкт досліджень. Процеси перетворення енергії в електромеханічних перетворювачах з електричною, магнітною і механічною несиметрією у складі електромеханічних систем.

Предмет дослідження. Параметри електромеханічних перетворювачів електромеханічних систем.

Мета роботи і задачі досліджень. Створення методології моніторингу електромеханічних систем для підвищення якості ідентифікації електричних і магнітних параметрів електромеханічних перетворювачів систем електроприводу в процесі експлуатації або ремонту.

Для досягнення мети в роботі поставлені йі розв'язані такі задачі:

дослідження процесів перетворення енергії електричними двигунами у складі електромеханічних систем з їх параметричною електричною, магнітною і механічною несиметрією, придбаною ними в процесі експлуатації або ремонту;

теоретичне обґрунтування і розробка методу розрахунку параметрів електричних двигунів при живленні від вентильних перетворювальних пристроїв у складі електромеханічних систем;

теоретичне обґрунтування і розробка критеріїв і показників якості перетворення енергії електричними двигунами систем електроприводу;

теоретичне обґрунтування і розробка законів керування вентильними перетворювальними пристроями для компенсації електричної, магнітної та механічної несиметрії параметрів електричних двигунів електромеханічних систем;

теоретичне обґрунтування методів оцінки ймовірності безаварійної роботи електромеханічних перетворювачів з електричною, магнітною і механічною несиметрією;

розробка алгоритмів і програм обробки діагностичної інформації при моніторингу параметрів електричних двигунів у складі електромеханічних систем.

Основні наукові положення і результати, їх новизна

Наукові положення

Рівняння електричної рівноваги силових кіл електричних двигунів з нерухомим ротором, отримані на основі схем заміщення, після підстановки в них миттєвих значень переривчастих струмів та напруг, виміряних в системі “керований перетворювач - двигун”, що підлягає моніторингу, забезпечують ідентифікацію параметрів силових кіл електропривода в цілому.

Врахування визначеного збільшення еквівалентного значення електромагнітного моменту, викликаного несиметрією параметрів електричних двигунів електроприводів, над середнім значенням електромагнітного моменту в коефіцієнтах статистичної моделі ймовірності безвідмовної роботи дозволяє оцінити рівень зниження безаварійної роботи електромеханічної системи.

Штучно створена пофазна несиметрія сигналів управління керованими перетворювачами систем електроприводу, розрахована на основі рівнянь, які включають у себе реальні параметри схеми заміщення електричного двигуна, мінімізує змінні складові миттєвої потужності й електромагнітного моменту.

Наукові результати

Теоретично обґрунтована можливість використання миттєвих значень струмів і напруг силових кіл в рівняннях, отриманих на основі схем заміщення електроприводів за системою „керований перетворювач - електричний двигун” для визначення їх параметрів. Використання миттєвих пофазних значень струмів і напруги дозволяє визначити несиметрію параметрів силових кіл електропривода. На відміну від відомих, даний метод реалізований при нерухомому роторі, що забезпечується значеннями кутів керування вентилями перетворювачів 135-1450, відрахованих від точки перетину синусоїди напруги з віссю часу. Показано, що таке керування, на відміну від традиційного методу короткого замикання, формує лінійно спадаючу форму вихідної напруги і дозволяє ідентифікувати несиметрію параметрів електричних двигунів.

Вперше введені показники якості перетворення енергії та обґрунтована можливість їх використання для оцінки терміну служби ізоляції та підшипникових вузлів через відомі рівняння статистичних моделей імовірності безвідмовної роботи електричних двигунів при рівні експлуатаційних впливів, що відповідають номінальним умовам. На відміну від відомих методів, використання показників якості перетворення енергії значно скорочує процес оцінки ймовірності працездатності і рекомендується для двигунів, які знаходяться в післяремонтній експлуатації в складі ЕМС.

Вперше визначена можливість компенсації електричної і магнітної несиметрії електричних двигунів шляхом завдання пофазної несиметрії сигналів управління керованими перетворювачами на основі розрахованої несиметрії параметрів схеми заміщення. Отримані аналітичні вирази закону керування і показано, що штучно введена несиметрія дозволяє мінімізувати змінні складові миттєвої потужності та електромагнітного моменту і, тим самим, підвищити термін експлуатації електромеханічної системи.

Сформульовані та розроблені алгоритми програмного керування автоматизованим комплексом моніторингу систем електроприводу постійного і змінного струму з вентильними перетворювачами напруги. На відміну від існуючих, зазначені алгоритми забезпечують моніторинг параметрів електричних двигунів як складових ЕМС в експлуатаційних умовах.

Достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій дисертаційної роботи підтверджується: коректністю постановки і теоретичних положень розв'язання задач з врахуванням загальноприйнятих чи обґрунтованих припущень, результатами виконаних експериментальних досліджень, перевіркою адекватності розроблених моделей, застосуванням математичних методів і законів, що відповідають задачам дослідження, збігом результатів теоретичних та експериментальних досліджень з похибкою, що не перевищує 20%.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

розроблена та впроваджена в практику методика визначення параметрів електричних двигунів електроприводів за виміряними миттєвими значеннями струмів і напруг силових кіл в режимі переривчастого струму при нерухомому роторі;

отримані аналітичні залежності оцінки вібраційних характеристик електродвигунів при їх електричній, магнітній та механічній несиметрії при механічних ушкодженнях пакету сталі;

запропонована структура і обґрунтована елементна база системи моніторингу параметрів електродвигунів у складі електроприводу;

запропоновані методи обробки вимірюваних сигналів при моніторингу параметрів, що дозволяє підвищити достовірність результатів;

розроблені алгоритми і програмне забезпечення, що реалізують пропоновані методи моніторингу параметрів і розрахунку ймовірності безвідмовної роботи електродвигунів електромеханічних систем.

Впровадження результатів. Результати дисертаційної роботи впроваджені у вигляді методик, алгоритмів і програм, рекомендацій відносно структури, а також принципових рішень системи моніторингу параметрів електричних машин у складі електроприводу на підприємствах АТ “Укртатнафта” (м. Кременчук), АТ “Криворізький гірничо-металургійний комбінат “Криворіжсталь”, де створюються промислові вимірювально-діагностичні комплекси моніторингу електричних машин змінного струму, ВО “Індустріал-Сервіс” (м. Дніпропетровськ), де створюється промисловий вимірювально-діагностичний комплекс моніторингу електричних машин постійного струму у складі електроприводу. Запропоновані методи моніторингу використовуються в навчальному процесі при викладанні курсів лекцій та лабораторних робіт з навчальних дисциплін “Автоматизований електропривод типових промислових механізмів”, “Теорія надійності”, виконанні реальних дипломних проектів і магістерських робіт у Кременчуцькому державному політехнічному університеті.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані: науково-прикладна проблема, мета і задачі дослідження, наукові положення, висновки і рекомендації, виконана теоретична та експериментальна частина роботи. В роботах, написаних у співавторстві, дисертанту належать: [3,5,9,13,19,29,30,35,37] - постановка науково-прикладної проблеми і обґрунтування шляхів їх розв'язання, [1,7,10,15,17,18,21,31,32,34,36,38,39,45] - теоретичне обґрунтування і отримання формул для розрахунку параметрів електричних машин, [6,12,40] - формулювання показників якості перетворення енергії та отримання формул, що їх описують, [4,22,41,43] - ідея компенсації якості перетворення енергії в електричних машинах; [19,23-25] - обґрунтування принципів побудови пристроїв моніторингу; [8,15,26] - обґрунтування методів обробки вимірюваних сигналів; [27,28,33] - алгоритми, структура комплексу моніторингу.

Апробація результатів. Дисертаційна робота пройшла апробацію на міжнародних наукових конференціях: “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (Алушта, ХДПУ, 1996-2003); “Проблеми створення нових машин і технологій” (Кременчук, 1997-2001); “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (Кременчук, 2002-2004); міжнародний симпозіум “Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. SIEMA'2003” (Харків, НТУ “ХПІ”, 2003); міжнародному семінарі "Енергетика 2003" (м. Дніпропетровськ, 2003).

Публікації. Основні наукові положення і результати дисертації опубліковані в 45 роботах: із них 34 у наукових спеціалізованих виданнях (із них 5 одноосібних), 9 патентів, 2 тези конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 393 сторінки друкованого тексту, до складу яких входять 323 сторінки основної частини, що містять вступ, шість розділів і висновки по роботі, список використаних джерел з 260 найменувань на 27 сторінках, додатки на 38 сторінках. У дисертації нараховується 139 рисунка і 36 таблиць, рисунки і таблиці складають цілком 36 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами, сформульовані науково-прикладна проблема, мета і задачі дослідження, викладена наукова новизна, практична значимість отриманих результатів.

У першому розділі виконаний аналіз стану електричних двигунів (ЕД) систем електроприводів в умовах економічної ситуації в Україні. Показано, що їх аварійність на підприємствах і, особливо в гірничій промисловості, надзвичайно висока. Парк електричних машин насичений ЕД різних конструкцій, більшість з яких багаторазово знаходилася в ремонті. З одного боку, аварійність таких ЕД є високою і, як правило, вона обумовлена не поганою якістю ремонту, а відсутністю технічної документації та інформації, з якої можна було б судити про навантажувальну здатність електричної машини, що вийшла з ремонту й знаходиться в експлуатації; з іншого боку - недосконалістю пристроїв захисту і систем керування електроприводом, враховуючих характеристики ЕД, що змінилися. В роботі проаналізований стан організації роботи з технічного обслуговування, ремонту й обстеження електричних машин. Доведена необхідність переходу стратегії керування експлуатаційною надійністю від експлуатації й обслуговування за регламентом до обслуговування за фактичним станом (рис.1).

На підставі виконаного аналізу зроблений висновок, що науково-прикладна проблема яка поставлена в дисертаційній роботі, вимагає рішення в наступних напрямках: розробка методів моніторингу параметрів і характеристик електричних двигунів електромеханічних систем; розробка принципів створення автоматизованих комплексів для діагностики електричних машин і апарата моніторингу.

Методи моніторингу параметрів ЕД електромеханічних систем базуються на аналізі режимів енергоспоживання і процесів перетворення потужності. У зв'язку з цим виникає питання розділу впливу якості електроенергії та якості перетворення енергії в електричній машині. Найбільш ефективними є методи аналізу складових енергопроцесів, гармонійного аналізу і миттєвих потужностей на їх основі. Зазначені методи дозволяють виконати розрахунок параметрів електричних машин, зробити висновок про якість перетворення енергії, і можуть бути покладені в основу систем захисту і керування, що збільшить термін безвідмовної роботи систем електропривода.

Другим напрямком є розробка методології моніторингу параметрів електричних двигунів. Комплексність задачі визначення працездатності припускає необхідність визначення характеристик ЕД із застосуванням аналітичних методів на основі виміру дискретних значень струму і напруги. Використання методів розрахунку припускає застосування чисельного диференціювання, інтегрування і гармонійного аналізу. Тому в роботі розглядаються методи обробки вимірюваних сигналів і особливості визначення складових потужності. Поставлена проблема вирішується шляхом створення автоматизованого комплексу моніторингу, математичного і програмного забезпечення. У зв'язку з цим, вирішуються питання формування вимог до моніторингу, його складу, технічним характеристикам.

Другий розділ присвячений енергетиці процесів і критеріям якості перетворення енергії в електричних машинах.

Якість електричної енергії, котра використовується, визначається існуючим ГОСТ 13109-97, міжнародними стандартами МЕК, які визначають вплив якості електроенергії (ЯЕ) на справний, електрично- і магнітно-симетричний двигун у частині збільшення додаткових втрат і нагрівання. При перевищенні нормованих показників ЯЕ нормальна робота або взагалі неможлива, або може бути забезпечена тільки при значному зниженні навантаження. Проектна надійність ЕД визначається надійністю окремих частин конструкції та умовами експлуатації. Передчасний вихід з ладу в процесі їх експлуатації відбувається через старіння і знос окремих конструктивних елементів, насамперед, ізоляції і підшипникових вузлів. Знос відбувається відповідно до теплових, електростатичних, електромагнітних, механічних впливів, яким відповідають визначені показники якості перетворення енергії. Зміна показників призводить до зміни енергетичних процесів, їх інтенсифікації, прискореного старіння електричної машини. Це дозволяє зробити висновок, що неякісності перетворення енергії і є причиною швидкого виходу ЕД з ладу.

На практиці, при класифікації причин, котрі призводять до виходу з ладу ЕД, наводять дві з них - механічні, пов'язані, в основному з виходом з ладу підшипників, і замикання, пов'язані з руйнуванням ізоляції.

Взаємозв'язки між якістю перетворення енергії, працездатністю ізоляції, підшипників і довговічності ЕД можна представити математичною алгоритмічною залежністю, наведеною на рис.2, де - узагальнений показник неякісності перетворення енергії; - проектна працездатність ізоляції; - проектне значення параметра вібрацій; - вплив механічних факторів на працездатність ізоляції; - фактична працездатність ЕД.

На основі характеристик споживання енергії сформульовані основні показники якості перетворення енергії:

- показник енергетичних втрат чи коефіцієнт ефективності використання споживаної енергії;

- коефіцієнти нерівномірності струмового завантаження фаз і нерівномірності тепловиділення в обмотках;

- показники вібрацій, характеризують рівень і частотні складові вібрацій ЕД з виділенням складових, викликаних механічними причинами, наприклад, особливостями роботи підшипників, а також вібрацій, що залежать від особливостей перетворення електричної енергії (магнітною чи електричною несиметрією). Обидві складові істотно впливають на працездатність електромеханічного перетворювача; їх механічний прояв у цілому;

- показник якості перетворення моменту;

- показник вібраційних характеристик ЕД;

- показник електромагнітної несиметрії. Несиметрія може бути врахована шляхом аналізу параметра взаємної індуктивності , що характеризує зазор. При існує конструктивна несиметрія;

Показники (1-7) відображають якісну сторону процесу перетворення енергії та дозволяють судити про ефективність перетворення електричної енергії в двигуні.

Наведені показники вказують на відсутність однозначної оцінки якості перетворення енергії. Єдиним об'єктивним параметром, що характеризує енергетичний процес, є миттєва потужність , що дорівнює добутку миттєвих значень струму і напруги. Вказана потужність є основою інформаційних ознак процесу перетворення потужності та визначення параметрів аналізованих схем і систем.

Виконаний аналіз дозволяє також одержати залежності для складових потужності незалежно одна від одної. При цьому, баланс миттєвої потужності на кожній з частот зв'язує в конкретному рівнянні параметри електромеханічної системи, що є математичною основою для задач моніторингу.

Третій розділ присвячений дослідженням процесів перетворення потужності для моніторингу параметрів ЕД у комплексі систем електропривода.

Моніторинг вимагає розв'язання задачі врахування і поділу факторів, які визначають працездатність ЕД: нагріванням, сукупно чи роздільно, міді і сталі, наявністю вібрацій, викликаних неякісністю напруги живлення і споживання енергії, конструкцією, електричною чи магнітною несиметрією, і може бути представлена у вигляді функціонала.

В роботі показано, що несиметрія електричних параметрів: активних опорів і індуктивностей та магнітна несиметрія, яка виникла в наслідок механічних ушкоджень пакету сталі, призводить до виникнення змінної складової в споживаній потужності, моменті двигуна і швидкості обертання.

Дослідження динамічних режимів виконані з застосуванням методу симетричних складових для багатостаторної моделі двигуна. Загальна структура рівнянь електричної рівноваги представлена у вигляді складної матриці, подібної з матрицею Крона , де і - субматриці векторів стовпців напруг і струмів по осях прямої і зворотної послідовності статора і ротора відповідно; - матриця повних опорів.

Магнітна несиметрія, яка у більшості випадків є придбаною, має прояв у вигляді локальних механічних ушкоджень пакета сталі: закорочених чи розпушених листів. Внаслідок суттєво зростає рівень втрат від вихрових струмів, що індуктуються в пакеті основним магнітним потоком. Причому потік , створений вихровими струмами, спрямований назустріч основному магнітному потоку , що приводить до збільшення потоків розсіювання , розмагнічуванню сталі й зниження ефективного потоку в зазорі: . Для врахування цього явища введений коефіцієнт (), який враховує збільшення індуктивних опорів машини та активного опору статора (при величина втрат від вихрових струмів не перевищує номінального значення). Розрахунками встановлено, що при збільшенні від 0,2 до 0,8: пусковий струм зменшується в 1,5..3,5 рази, пусковий момент - в 2..4 рази, час пуску електропривода зростає в 1,8..2,7.

Придбаним локальним механічним ушкодженням пакету електротехнічної сталі притаманна неоднорідність їх розташування по окружності статора чи ротора, наприклад, аксіального характеру, вздовж усього паза чи локальні зони різні за місцем розташування і за площею. При обертанні ротора над ушкодженою зоною буде відбуватися періодична зміна потоку, що призводить до виникнення вимушувальної електромагнітної сили, яка діє на ротор. У загальному випадку вимушувальну силу можна представити у вигляді ; де - порядок гармоніки вимушувальної сили; - амплітуда -ої гармоніки; , - фаза -ої гармоніки. Корпус машини під дією вимушувальних сил прагне здійснює коливальний рух навколо деякого центра мас, що не збігається з центром мас ротора. Для аналізу вібраційних характеристик складена розрахункова схема коливань з урахуванням жорсткості опор, мас і моментів інерції механічних вузлів двигуна, що дозволяє визначити частоти власних коливань і рівняння віброшвидкості у вигляді , де - частоти власних коливань; - коефіцієнти, що враховують геометричні розміри двигуна, жорсткість опор, масу і момент інерції ротора. Зміна під дією сили знайдена у вигляді . При наявності дефекту осьової спрямованості , , де , - конструктивний параметр двигуна, величина полюсного розподілу, - кутова швидкість двигуна. Зворотнє перетворення Лапласа для дає.

При і вираз (10) набуває більш складного вигляду із складовими, знаменник яких містить вирази:

Аналіз отриманих виразів дозволяє встановити залежності параметрів вібрації від характеру і ступеня ушкодження пакета сталі статора, судити про ступінь справності магнітної системи. Знання таких залежностей і характеристик дає можливість прогнозування резонансних частот і рівня вібрації ЕД, що знаходиться в ремонті, до його монтажу і проведення випробувань.

В роботі виконаний аналіз впливу неякісності механічної системи на процеси перетворення потужності і вібраційних характеристик двигунів у результаті придбаного в процесі експлуатації дисбалансу ротора. Виникаючі технологічні відхилення від симетрії: нерівномірний зазор, ексцентриситет і ряд інших причин призводять до необхідності враховувати, що величина взаємної індукції статорних обмоток з роторними не залишається постійною і прийнята з урахуванням формули Неймана, як , де - максимальне значення взаємної індуктивності для симетричної машини; - коефіцієнт зміни взаємної індуктивності у функції зазору в осьовому і радіальному напрямках і гармонійній функції кута повороту ротора , ; - функція, що визначає зміни зазору по довжині якоря, щодо зазору симетричної машини, і залежить від виду конструктивної несиметрії.

За результатами дослідження динамічних режимів отримані статичні характеристики, що відображають процеси перетворення потужності при неякісності енергії живлення, електричних і магнітних параметрів двигуна. Встановлено, що придбана несиметрія електричних параметрів активних опорів у діапазоні 3% призводить до нерівномірності розподілу струмів фаз, при цьому амплітуда змінної складової моменту складає 4% при номінальному навантаженні і перевищує 10% на холостому ходу, відношення втрат в обмотках зростає в 2-2.5 рази; несиметрія напруги живлення призводить до виникнення змінної складової моменту, перевищуючої момент на валу в 1.15 і 2.5 рази, при припустимому 2% і максимально припустимому 4% коефіцієнті напруги зворотної послідовності для номінального навантаження і холостого ходу відповідно, при несинусоїдальності напруги живлення - у 1.04 і 1.4 рази при припустимому 8% і 1.06 і 1.6 рази при максимально припустимому 12% коефіцієнті несинусоїдальності для номінального навантаження і холостого ходу відповідно.

Дослідження неякісності механічної системи, які виконані згідно із багатостаторною моделлю, вказують на появу в кривій моменту гармонік з частотами 50 і 100 Гц, рівні яких при зміні навантаження від холостого ходу до номінального складають: для 50 Гц - 1.7-1.5%, для 100 Гц - 3.2-2% відповідно. Виконаний аналіз свідчить про виправданість діагностування зазначених несправностей двигунів. Несиметрія конструкції асинхронного двигуна, поряд з несиметрією мережі, є основною причиною прискореного зносу механічної системи.

Четвертий розділ присвячений методології діагностики стану й моніторингу електричних двигунів промислових систем привода у вигляді комплексної задачі визначення працездатності електричних машин у комплексі систем електропривода. Розглянуті в попередньому розділі процеси перетворення енергії дозволяють зробити висновок, що всі відхилення від симетричних режимів ведуть до збільшення втрат і виникнення електромагнітних сил, що збуджують коливання всіх елементів електромеханічної системи. На рис.3 наведені показники, що ведуть до зниження працездатності електричної машини.

Визначення вимушувальних електромагнітних сил виконується за розрахованими миттєвими залежностями електромагнітного моменту і кутової швидкості двигуна, отриманих на основі рівнянь електричної рівноваги статора АД. З огляду на те, що потужність , споживана двигуном з мережі, дорівнює потужності , що йде на зміну запасу електромагнітної енергії, потужності переданої через повітряний зазор (електромагнітна потужність) і втрат потужності на активних опорах обмоток статора (втрати в міді статора), отриманий вираз для електромагнітного моменту.

Виконано оцінку помилки визначення моменту і кутової швидкості при номінальних параметрах, несиметрії напруги живлення, активних опорів статора і ротора, гармонійному навантаженні на валу. Встановлено, що розрахункова помилка визначення моменту не перевищує 0,42%, а помилка визначення кутової швидкості не перевищує 0,72% при дискретності вимірів 0,0001с .

Для оцінки стану параметрів під час проведення операції моніторингу в роботі розроблені методи розрахунку на основі дискретних значень струму і напруги силових кіл, виміряних в режимі переривчастого струму на інтервалі провідності тиристора при живленні електродвигунів від тиристорних перетворювальних пристроїв. Операція розрахунку параметрів виконується при завданні кутів керування перетворювачем 135-1450 і нерухомому роторі двигуна (рис 5).

Розрахунок параметрів виконується на основі оригіналу операторного рівняння струму, отриманого для схеми заміщення електричного двигуна з нерухомим ротором.

Тепер задача розрахунку параметрів зводиться до пошуку коефіцієнтів рівнянь (14), (15) за виміряними дискретними значеннями струму статора та якоря на відповідні моменти часу .

Чисельне рішення рівняння (14) і (15) належить до класу математичних задач, рішення яких нестабільні до малих змін у вхідних даних. Одним із шляхів підвищення стабільності знаходження наближеного рішення запропоновано використання принципу добору можливих рішень з використанням додаткової інформації. Додаткова інформація може бути отримана в результаті знаходження часткових рішень в “особливих” точках кривої струму. Наприклад, в момент включення тиристора , , і для АД і ДПС відповідно.

Розв'язання задачі зводиться до чисельного знаходження параметрів методами прямої мінімізації функції змінних, беручи для функцій (14) і (15) їх сіткові наближення.

У розділі розглянуте визначення параметрів синхронних двигунів (СД). Діагностика виконується із застосуванням такого самого устаткування, що і для АД, але в зв'язку з особливостями конструкції СД отримані рівняння значно складніші.

Для оцінки параметрів ЕД при проведенні моніторингу отримали розвиток методи діагностики розпізнавання поточного стану за множиною діагностичних ознак, що відображають взаємозв'язки внутрішніх і зовнішніх параметрів, тому що кожна конкретна несправність характеризується зовнішніми ознаками. Відбір визначальних параметрів здійснюється за коефіцієнтом чутливості ознаки до змін, що відбуваються в електричній машині, викликаною первинною несправністю. Коефіцієнт чутливості визначений залежністю , якщо в процесі моніторингу отриманий аналітичний (чи інший) зв'язок параметра з характеристикою первинної несправності , де - характеристика первинної несправності. Для розв'язання нерозрізненості окремих комбінацій зовнішніх ознак використовується методика добору діагностичних параметрів, заснована на критерії максимальної індивідуальності. Ознакою несправності є логічний добуток логічних функцій значень діагностичних параметрів , де - двійкові змінні, що визначають влучення параметрів у зони значень, в яких визначена несправність у момент часу .

Викладені принципи реалізовані при побудові системи функціональної діагностики електричних машин: постійного струму, асинхронних і синхронних, у вигляді комп'ютерних програм.

Розроблені методи розрахунку параметрів електричних двигунів, а також використання показників перетворення енергії (1)-(7) дозволяють розрахувати кількісні характеристики зниження терміну служби ізоляції та підшипникових вузлів, а також імовірності безвідмовної роботи асинхронних двигунів.

П'ятий розділ присвячений принципам створення апарата моніторингу, питанням визначення стану електричних машин. Технологія моніторингу включає: регулярний діагностичний огляд і дослідження електричних машин з метою визначення фактичного ресурсу працездатності за конкретних умов експлуатації; створення електронних каталогів на всі види електричних машин, що знаходяться в експлуатації, в ремонті й у резерві; створення моделі руху післяремонтного обмінного фонду електричних машин по об'єктах підприємства в залежності від фактичної працездатності електродвигунів, технологічного завантаження електроприводів; сертифікацію електричних машин. Безпосереднє проведення моніторингу включає вимір і аналіз основних електричних величин у ході прямих експериментальних вимірів. При цьому всі вимірювані електричні та, перетворені на електричні, механічні величини зведені до величин, що змінюються в часі ,, і розподілених у просторі безперервної функції . При вимірі безперервна функція представляється безліччю дискрет , , .

В роботі розглянута структура моніторингу параметрів ЕД у комплексі промислових електроприводів, що відображає всеосяжність розв'язуваних задач (рис.6), виконаний аналіз методів моніторингу і зроблений висновок про необхідність застосування методів, які базуються на використанні принципу аналізу енергетичного стану, що основується на рівняннях енергобалансу, та рівнянь електричної рівноваги. Такий підхід дозволяє сформулювати вимоги до технічної реалізації силової частини моніторингу. З огляду на задачу, поставлену в розділі 4, необхідне джерело полігармонійної напруги, гармонійний склад якої визначається кількістю шуканих невідомих величин, що входять до рівняння енергетичного балансу. Як джерела рекомендується застосовувати тиристорні регулятори напруги для машин змінного струму і тиристорні перетворювачі для машин постійного струму.

Використання виміряних сигналів струму і напруги призводить до необхідності врахування реальних параметрів виміру: похибки на етапі виміру первинними датчиками, похибки у перетворювальному каналі та обчислювальні через наявність крутих фронтів, атракторів та ін. Виконаний аналіз похибок дискретизації сигналів, особливість яких обумовлена тиристорним керуванням. Дані рекомендації з вибору гармонік і зниження помилки дискретизації.

Показано, що використання швидкодіючих АЦП із часом перетворення 2.5 мкс дає відносну похибку у визначенні складових потужності не менше 0.4% для синусоїдальних струмів і напруги. Корекція часового зсуву сигналів за рахунок застосування АЦП із послідовним опитуванням каналів виконана на основі аналізу сигналу потужності в частотній області: що відповідає зміні фази сигналу потужності при незмінній комплексній амплітуді, де - дельта-функція. Застосовуючи зворотнє перетворення Фур'є до (20), можна отримати залежності синусних і косинусних складових потужності для полігармонійних сигналів струму і напруги.

Наявність систематичних і випадкових похибок, що характеризуються відповідно ненульовими математичним сподіванням і середньоквадратичним відхиленням у каналі виміру, робить їх практично не розпізнаваними в сигналі потужності, який містить крім гармонійних компонентів і постійну складову. Запропоновано виконувати початкову фільтрацію сигналу завади типу “білий шум” шляхом виключення проблемних амплітуд вищих гармонік струму і напруги (), рівень яких нижче .

Розглянутий підхід вимагає запису значного обсягу інформації, що обумовлює застосування потужних обчислювальних комплексів. Застосування мікроконтролерів з обсягом пам'яті до 32 кбайт дозволяє зробити запис лише 5-6 періодів основної гармоніки струму статора за умови, що інтервал дискретизації буде давати мінімальну погрішність при гармонійному аналізі сигналу на одному періоді частоти основної гармоніки.

При несиметрії параметрів ротора, в струмі статора формується низькочастотна складова. Визначення струму статора прямої послідовності виконується шляхом виключення струму статора зворотної послідовності, при аналітичному розв'язанні рівняння для полігармонійних струмів у загальному виді.

Обчислене значення частоти дозволяє визначити ковзання ротора при ковзанні.

Для проведення моніторингу розроблене програмне забезпечення на основі технології віртуальних інструментів LabView. Інтерфейс реалізований у вигляді додатку для операційного середовища Windows і має розвинуту структуру вибору типу ЕД і схеми електропривода, вимірюваних величин і методів їх обробки, розрахунок параметрів і характеристик, збереження результатів.

Показники, що сформульовані в 2-му розділі, та математичний апарат, що створений для оцінки якості перетворення енергії, вказують ряд напрямів керування процесом перетворення шляхом зниження змінних складових потужності і моменту двигуна з метою забезпечення ефективного функціонування електроустаткування за умов змін факторів, що впливають на його нормальну роботу.

Одним із способів керування є пошук і формування певним чином таких несиметричних напруг, при яких виконується умова.

В основу розв'язання задачі покладена математична модель АД з несиметрією параметрів у симетричній трифазній системі координат. Прирівнявши зворотний струм ротора до нуля, знаходимо необхідну несиметрію напруг.

Отримане рівняння представляє рівняння компенсації несиметрії АД за умови симетрії магнітних осей машини і взаємних індуктивностей між статором і ротором.

Система фазних напруг для компенсації має вигляд.

де індексом "k" позначені компенсуючи напруги.

Рівняння (21)-(22) дозволяють одержати коефіцієнти і для різних випадків несиметрії машини. Так при несиметрії активних опорів статора (в одній фазі ).

З використанням отриманої математичної моделі і рівняння необхідної несиметрії напруг для компенсації виконані дослідження динамічних режимів роботи АД з електричною і магнітною несиметрією(рис.7).

Керування процесами перетворення енергії в синхронних двигунах (СД) може бути перенесене з кола статора до кола збудження, тоді рішення рівняння (20) зводиться до пошуку закону зміни струму збудження, що забезпечує виконання необхідної умови.

Виконані дослідження пройшли розрахункову перевірку для магістрального насосного агрегату із синхронним двигуном СТД-2500-2РУ4 і насосом НМ-3600-230, установленим на НПС "Кременчук". Розрахункова амплітуда коливань потужності, за вимірами напруги живлення, склала 11.9% при коефіцієнті несиметрії напруги 0.213%. Розрахунки щодо зниження рівня змінної складової потужності при регулюванні струму збудження показали ефективність регулювання і повне зниження змінної складової.

Розв'язання розглянутих задач може бути виконано різними способами, але в загальній постановці, коли присутні всі види несиметрії - з боку двигуна і з боку мережі; найбільш ефективним є спосіб реалізації пошукової мікропроцесорної системи, що забезпечує виконання умови (20). В роботі сформульовані рекомендації до побудови регуляторів СК, які забезпечують завдання штучно створеної пофазної несиметрії сигналів управління керованих регуляторів напруги або модуляції сигналів керування перетворювачів частоти систем електроприводу змінного струму та керованих регуляторів постійного струму.

Шостий розділ присвячений експериментальним дослідженням систем моніторингу ЕД промислових електроприводів та економічному обґрунтуванню технічних рішень. Виконані експериментальні дослідження і встановлена можливість використання систем моніторингу параметрів двигунів постійного і змінного струму. Помилка визначення параметрів двигуна постійного струму за запропонованими методами коливається для опору якоря - від 5% до 20%, індуктивності якоря - від 3% до 19%. Зменшення помилки визначення параметрів можливо шляхом збільшення періодів виміру. Помилка визначення номінальних даних асинхронного двигуна за запропонованими методами коливається для номінальної потужності від 2,6% до 4,8%, номінальної швидкості - від 2,5% до 9.7%, номінального моменту - від 0,05% до 0,4%, перевантажувальної здатності - від 1,9% до 12,6%, номінального коефіцієнта потужності - від 0,13% до 4,7%, номінального ККД - від 0,9% до 10,6%. зменшення помилки визначення параметрів і паспортних даних асинхронного двигуна можливо шляхом збільшення циклів вимірів і розрахунків з наступним усередненням результатів.

В результаті експериментальних досліджень відпрацьована процедура, що передбачає одержання миттєвих значень струмів і напруг у фазах, їх обробку. Експериментально доведено, що найбільша точність розрахунків досягається при значеннях кута керування ТРН у діапазоні 135-145оел., що забезпечує лінійно спадаючу форму вихідної напруги.

Виконане техніко-економічне обґрунтування систем моніторингу дозволяє зробити висновок про те, що інтенсифікація робіт із практичного енергозбереження можлива лише шляхом розв'язання задачі збереження працездатності електроустаткування, що знаходиться в експлуатації. Розв'язання цієї задачі припускає розгляд питань енергоспоживання, енерговикористання споживаної енергії та енергокерування процесом енергоспоживання. Формування механізмів енергоспоживання, енерговикористання і енергокерування припускає нові взаємини між енергопостачальною організацією і підприємством, встановлення, з врахуванням тих чи інших факторів, тарифів на електроенергію.

Плата за електроенергію може бути визначена як сума.

Безсумнівно, що рівень енергетичної ефективності підприємства повинен бути прямо пов'язаний з розміром плати за електроенергію. Зниження може бути досягнуте за рахунок оптимізації енергетичних характеристик ЕП. Складова може бути зменшена за рахунок наявності систем регульованого ЕП, а також інформаційно-вимірювальних систем, що забезпечують контроль споживання активної потужності в періоди максимуму навантаження. Складова визначає рівень штрафних санкцій за . Її зниження досягається за рахунок встановлення компенсуючих пристроїв. Складова формально не входить до сплати за електроенергію, а оцінює збиток споживача від неякісності енергії. Складова визначає розмір додаткової сплати за поганий стан електроустаткування. Це додаткові витрати на ремонт внаслідок невідповідності реальних навантажувальних характеристик ЕД сертифікаційним. Зниження досягається шляхом визначення реальної навантажувальної здатності електродвигунів і формування технологічного навантаження ЕП відповідно до сертифікаційних параметрів.

Виконані розрахунки економічної ефективності систем моніторингу стосовно до електроремонтних підприємств, на прикладі ВО “Індустріл-Сервіс”, показали можливість одержання річного економічного ефекту до 240,4 тис. грн у рік. Впровадження моніторингу дозволяє скоротити час оцінки стану електричного двигуна в 5,6 рази, економія електроенергії - 18,4 тис, грн економія експлуатаційних витрат за рахунок зменшення повернення машин, що вийшли з ладу протягом гарантійного терміну - 63,6 тис. грн. на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ І РЕЗУЛЬТАТИ

У дисертаційній роботі розв'язана науково-прикладна проблема створення методології моніторингу електромеханічних перетворювачів систем електроприводу з метою підвищення якості ідентифікації їх параметрів шляхом урахування змін і коливань електричних, магнітних і механічних параметрів у процесі експлуатації або ремонту. Розв'язання цієї проблеми здійснено шляхом створення математичного апарата, що дозволяє визначати параметри ЕД і ймовірності їх безвідмовної роботи на підставі інформації про доступні безпосередньому контролю миттєві значення змінних стану електроприводу в процесі експлуатації.

Наведені в дисертаційній роботі дослідження дають можливість зробити наступні висновки.

Надійність функціонування електроприводів з ЕД, які довгий час знаходяться в експлуатації або ремонтувалися, незважаючи на впровадження сучасних перетворювачів енергії та розвитку систем керування, залишається недостатньою з причин відсутності безпосереднього контролю параметрів електромеханічної системи.

Експлуатаційна аварійність і вихід з ладу електричних двигунів промислових електроприводів пов'язані з особливостями процесів перетворення енергії, що обумовлені несиметрією і несинусоїдальністю напруги живлення, електричною, магнітною і механічною несиметрією двигуна, що виникли в ході експлуатації чи ремонтних операцій. Негативним проявом цих особливостей є підвищені втрати і нерівномірний перегрів обмоток електромеханічних перетворювачів, підвищені вібрації електроприводу.

Теоретично доведено і експериментально підтверджено принцип моніторингу параметрів електричних двигунів електромеханічних систем на підставі вимірювання миттєвих значень струмів і напруг їх силових кіл.Доведено, що виміряні значення повинні оброблятися з урахуванням часового зсуву, що вноситься дискретністю опитування АЦП, а також з урахуванням погрішностей, внесених вимірювальним каналом.

Теоретично доведено і експериментально підтверджено доцільність розрахунку параметрів електричних двигунів постійного і змінного струму на підставі миттєвих значень струмів і напруг силових кіл в режимі переривчастого струму при нерухомому роторі (якорі) та кутах управління перетворювачем - 135-1450 .

Запропоновані критерії оцінки енергетичних втрат, нерівномірності розподілу втрат, струмового завантаження фаз, тепловиділення в обмотках, вібрацій і неякісності перетворення моменту дозволяють здійснювати безперервний моніторинг стану електроприводу і прогнозувати термін безвідмовної роботи ізоляції, підшипникових вузлів і електроприводу в цілому.

Штучне формування пофазної несиметрії сигналів управління керованими перетворювачами систем електроприводу, що розраховується на основі реальних параметрів схеми заміщення двигуна, дозволяє мінімізувати змінні складові миттєвої потужності й електромагнітного моменту електроприводу і тим самим продовжити термін безаварійної експлуатації електромеханічної системи.

Використання у відомих статистичних моделях коефіцієнтів, що враховують викликане несиметрією параметрів силових кіл електричних двигунів перевищення еквівалентного моменту над його середнім значенням дозволяє розраховувати кількісні характеристики зниження довговічності ізоляції таі підшипникових вузлів, а також імовірності безвідмовної роботи електроприводу.

Застосування методів моніторингу і комплексу для їх реалізації дозволяє знизити кількість відмов електричних двигунів і пов'язані з цим енерго- і ресурсозатрати за рахунок своєчасного виводу в ремонт чи створення необхідних режимів експлуатації. Розрахунковий економічний ефект від застосування системи моніторингу на основі запропонованих методів складає 240 тис.грн на рік в умовах ВО “Індустріал-Сервіс”.

Експериментальні дослідження апаратного і програмного забезпечення моніторингу параметрів електричних двигунів електромеханічних систем довели коректність та адекватність використаних підходів та можливість їх використання на промислових підприємствах.

електропривод перетворювач електромеханічний

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛИКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

Родькин Д.И., Черный А.П., Здор И.Е. Задачи и технические средства для диагностики параметров асинхронных двигателей. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ, 1999 - Вып. 61. - С.302-303.

Черный А.П. Показатели загрузки асинхронных двигателей при несимметрии активных сопротивлений статорных обмоток // Проблеми створення нових машин і технологій (Кременчуцький державний політехнічний інститут) - Кременчуг: КГПИ, 1999. -Вип.2 (7).- С.114-116.

Черный А.П., Волощенко А.В. О разделении информативных показателей при обследовании машин переменного тока // Проблеми створення нових машин і технологій (Кременчуцький державний політехнічний університет) - Кременчук: КДПУ, 2000. - Вип.2.-С.247-250.

Волощенко А.М., Родькин Д.И., Черный А.П. К вопросу повышения ресурса работоспособности синхронных двигателей насосных агрегатов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ, 2000. - Вип. 113. -С.302-303.

Черный А.П., Морозов А.А., Гераскин А.С., Кучеренко В.Ю. К анализу вибрационных характеристик электрических машин с послеремонтными локальными зонами повреждения магнитной системы // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету.- Кременчук: КДПУ, 2001. -Вип.1/2001 (10).-С.262-265.

Родькин Д.И., Черный А.П. К определению послеремонтной работоспособности асинхронных двигателей//Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету.- Кременчук: КДПУ, 2001.-Вип.2/2001(11).-С.40-47.