Автоматизований контроль моментних характеристик електричних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

АВТОМАТИЗОВАНИЙ КОНТРОЛЬ МОМЕНТНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН

Спеціальність: Прилади і методи контролю

Кухарчук Василь Васильович

Вінниця, 1999 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Якість електричних машин, як і всіх інших промислових виробів, є вирішальним фактором їх конкурентноспроможності на світовому ринку. Встановлення відповідності стану параметра електричної машини нормативним документам здійснюється під час її випробування за допомогою відповідних засобів контролю в дослідах холостого ходу і короткого замикання. В теперішній час, не зважаючи на наявність сучасних приладів вимірювання електричних величин, відсутні відповідні засоби автоматизованого контролю неелектричних величин для здійснення в повному обсязі зазначених вище дослідів. Найбільш трудомістким і на сьогодні майже не автоматизованим є контроль моментних характеристик, до яких відносять:

- залежність пускового моменту від кутового положення ротора;

- залежність пускового моменту від напруги живлення;

- номінальний, максимальний, пусковий момент;

- момент інерції ротора;

- динамічний момент.

Не зважаючи на те, що дані параметри електродвигуна є основними його характеристиками, вони досить часто не підлягають контролю в зв'язку з відсутністю відповідних технічних засобів. Такий стан пояснюється недосконалістю методів контролю моментних характеристик та відсутністю еталону моменту. Методи, що покладено в основу побудови сучасних напівавтоматизованих засобів контролю моментних характеристик (МХ), характеризуються низькою швидкодією і невисокою точністю. Наприклад, для отримання залежності пускового моменту від кутового положення ротора необхідно витратити 36 нормо-годин на один електродвигун. Аналогічна трудомісткість характерна і для контролю залежності пускового моменту від напруги живлення. Сучасні засоби контролю моменту інерції ротора реалізують опосередковані методи і характеризуються також низькою швидкодією (десятки хвилин на один електродвигун). Опосередкований метод контролю динамічного моменту має невисоку точність, що зумовлена похибкою диференціювання експериментальних даних цифрових тахометрів. Тому до теперішнього часу не сформована теорія контролю МХ, що не дозволяє в повному обсязі розв'язати задачу аналізу даних засобів як в статичному, так і в динамічному режимах роботи, оцінити їх метрологічні характеристики, синтезувати сучасні схеми та алгоритми функціонування мікроконтролерних засобів, здійснити автоматизовану метрологічну атестацію та перевірку експериментальних і промислових зразків. Отже, на порядок денний уже сьогодні постає необхідність розробки якісно нових теоретичних підходів до контролю моментних характеристик електричних машин, створення нових методів контролю, синтезу сучасних структурних схем засобів автоматизованого контролю МХ і засобів для їх метрологічної атестації та перевірки, впровадження нового класу засобів контролю у виробництво.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, які проводились протягом 1989-1999 років у відповідності з тематичними планами проведення НДДКР у Вінницькому політехнічному інституті (ВПІ) та Вінницькому державному технічному університеті (ВДТУ) на госпдоговірних засадах:

- з Інститутом електродинаміки АН УРСР (м. Київ) (№Ц4101 від 11.12.1989 р. - «Розробка комп'ютерно-вимірювальної системи «Момент»;

- з заводом «Електродвигун» (м. Ужгород) (№4194 від 01.08.1989 р. - «Розробка і виготовлення пристрою вимірювання пускового моменту електродвигунів»;

- з заводом «Електродвигун» (м. Ужгород) (№4125 від 15.09.1993 р. - «Розробка блоку спряження та програмного забезпечення для пристрою вимірювання пускового моменту електродвигунів»;

- з Вінницьким обласним державним підприємством «Вінницятеплокомуненерго» (м. Вінниця) (№Р-10 від 28.10.1997 р. - «Впровадження енергозберігаючих приводів змінної швидкості в системах тепловодопостачання підприємств «Вінницятеплокомуненерго»;

- координаційним планом науково-дослідних робіт Міністерства освіти України за фаховим напрямком «Приладобудування», затвердженим наказом Міністерства освіти України від 13.02.97 р.

Результати роботи також використовуються у Вінницькому державному технічному університеті в лабораторії вимірювальної техніки на кафедрі «Метрологіії та промислової автоматики» при підготовці інженерних кадрів за спеціальністю 7.091401-01 «Комп'ютеризовані системи управління і автоматики», 7.091401-02 «Системи управління в метрології та сертифікації». Вийшли з друку монографія «Елементи теорії контролю динамічних параметрів електрич-них машин» та навчальні посібники «Метрологические основы компьютерно-измерительной техники», «Вимірювання і комп'ютерно-вимірювальна техніка».

Мета і задачі дослідження. Мета роботи спрямована на створення нових методів та автоматизованих засобів контролю моментних характеристик електричних машин з покращеними метрологічними характеристиками. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати існуючі методи і засоби контролю моментних характеристик та систематизувати відомі теоретичні підходи, що покладено в основу їх побудови;

- створити теоретичні засади автоматизованого контролю моментних характеристик електричних машин, які дозволять теоретично обґрунтувати нові методи контролю пускового моменту, моменту інерції ротора, динамічного моменту;

- розробити нові методи та автоматизовані засоби контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора, залежності пускового моменту від напруги живлення, моменту інерції ротора і удосконалити відомий метод прямого контролю динамічного моменту;

- розробити методику оцінки основних динамічних і статичних метрологічних характеристик засобів автоматизованого контролю моментних характеристик електричних машин та оцінити вірогідність контролю;

- удосконалити відомі та розробити нові зразкові засоби, методики, алгоритми автоматизованої метрологічної атестації і перевірки засобів контролю пускового моменту, моменту інерції ротора;

- розробити алгоритми та функціональні схеми мікропроцесорних засобів контролю пускового моменту від кутового положення ротора і напруги живлення, моменту інерції ротора, динамічного моменту;

- здійснити метрологічну атестацію створених засобів контролю і впровадити отримані результати в практику контролю.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі отримані такі наукові результати:

1. Вперше розроблено теоретичні засади контролю моментних характеристик електричних машин, які включають узагальнену математичну модель засобів контролю моментних характеристик, нелінійні та лінеаризовані моделі для перетворювачів пускового моменту, моменту інерції, динамічного моменту. Доведено адекватність даних моделей (похибки моделей не перевищують 10%) і необхідність використання для аналізу автоматизованих засобів контролю лінеаризованих моделей замість складних нелінійних;

2. Методи та засоби неперервного і покрокового контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора. Встановлено, що засоби автоматизованого контролю, в основу побудови яких покладено дані методи, характеризуються високою швидкодією і необхідною точністю (зведена похибка вимірювання залежності не перевищує 1.5%);

3. Метод прискореного контролю залежності пускового моменту від напруги живлення і засоби автоматизованого контролю з постійним, лінійно-змінним і ступінчасто-змінним вхідними сигналами. Встановлено, що засоби контролю пускового моменту із ступінчасто-зростаючою напругою живлення мають саму високу швидкодію (на два порядки перевищує швидкодію відомих) і необхідну точність (зведена похибка вимірювання залежності не перевищує 1%). Синтезовано якісно новий алгоритм контролю даної моментної характеристики;

4. Подальший розвиток методів і засобів прямого контролю моменту інерції ротора та динамічного моменту. Доведено, що прямий метод контролю моменту інерції, який засновано на вимірюванні тривалості перехідного процесу вільних коливань рухомої частини перетворювача і ротора об'єкту контролю після знеструмлення обмоток статора, має на порядок вищу швидкодію порівняно з відомими опосередкованими. Встановлено, що врахування моменту інерції статора і рухомої частини перетворювача дозволяє зменшити в 1.5 рази похибку вимірювання і підвищити вірогідність контролю динамічного моменту;

5. Удосконалені методики оцінки основних динамічних і статичних метрологічних характеристик та методики автоматизованої метрологічної атестації і перевірки засобів контролю пускового моменту, моменту інерції ротора, динамічного моменту. В процесі проведення метрологічної атестації підтверджена адекватність отриманих аналітичних залежностей для статичного і динамічного режимів роботи мікропроцесорних засобів контролю моментних характеристик електричних машин.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані наукові результати впроваджені в Інституті Електродинаміки АН УРСР (м. Київ), на заводі «Електродвигун (м. Ужгород), на підприємствах «Вінницятеплокомуненерго» (м. Вінниця). Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Використання одержаних у роботі результатів дозволило розробити і впровадити у відділі РЕД ІЕД АН УРСР в якості експериментального зразка комп'ютерно-вимірювальну систему «Момент» (ВПІ 1.500.001), яка забезпечує автоматизований вимірювальний контроль залежності пускового моменту від кутового положення ротора асинхронних машин з високою точністю (1.5%), високою швидкодією (10 с) і достатньою для дослідника кількістю виміряних значень (250, 500, 1000) момента за один оберт ротора електродвигуна.

Одержані наукові результати, які використані при розробці і впровадженні в лабораторії випробування електричних машин на заводі «Електродвигун» в якості експериментального зразка мікропроцесорного пристрою вимірювання пускового моменту електродвигунів (ВПІ 1.500.002), дозволили при тих же метрологічних характеристиках створити засіб контролю пускового моменту для промислових умов випробування електричних машин.

Використання одержаних у роботі результатів дозволило розробити і впровадити в лабораторії випробування електричних машин на заводі «Електродвигун» блок спряження (ВПІ 1.500.003) з ІВМ-сумісним персональним комп'ютером мікропроцесорного пристрою (ВПІ 1.500.002) та необхідне прикладне програмне забезпечення, що дозволило значно розширити його функціональні можливості. Даний засіб забезпечує також автоматизований вимірювальний контроль залежності пускового моменту від напруги живлення, здійснює контроль мінімального і максимального пускового моменту, моменту інерції ротора.

Одержані наукові результати, які використані при розробці здавачів зразкового моменту (ВПІ 1.500.002 ПТ) і методик автоматизованої метрологічної атестації (ВПІ 1.500.002 ДІ), дозволили здійснити метрологічну атестацію і перевірку вище згаданих засобів контролю у Вінницькому державному центрі стандартизації, метрології та сертифікації і допустити їх до застосування в якості експериментальних зразків. Використання одержаних у роботі результатів дозволило розробити пакет прикладних програм в середовищі символьної математики Марle V4 для моделювання моментних характеристик електричних машин, що дозволило дослідити параметри крокового і асинхронного двигуна під час синтезу оптимальних законів регулювання контурів димососа та вентилятора і впровадити енергозберігаючі приводи змінної швидкості в системах тепловодопостачання підприємств «Вінницятеплокомуненерго».

Апробація результатів. Викладені в дисертації результати досліджень були апробовані на 40 наукових конференціях, симпозіумах, семінарах, серед них:

- Всесоюзна науково-технічна конференція (НТК) «Автоматизація засобів метрологічного забезпечення народного господарства» (м. Тбілісі, 1989 р.);

- Всесоюзна НТК «Автоматизація проектування та виробництва в електромашинобудуванні» (м. Суздаль, 1989 р.);

- Всесоюзна НТК «Інформаційно-вимірювальні системи ИИС-91» (м. Санкт-Петербург, 1991 р.);

- Всесоюзна НТК «Мікропроцесорні комплекси для управління технологічними процесами» (м. Грозний, 1991 р.);

- 1^а Міжнародна НТК «Контроль і управління в технічних системах» (м. Вінниця, 1992 р.);

- 1^а Міжнародна НТК «Вимірювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва» (м. Хмельницький, 1992 р.);

- 2^а Міжнародна НТК «Контроль і управління в технічних системах» (м. Вінниця, 1993 р.);

- 2^а Міжнародна НТК «Застосування коливань в технологіях. Розрахунок і проектування машин для реалізації технологій» (м. Вінниця, 1994 р.);

- Міжнародна НТК «Приладобудування-94» (м. Вінниця-Сімферополь, 1994 р.);

- Міжнародна НТК «Приладобудування-95» (м. Вінниця-Львів, 1995 р.);

- 3^я Міжнародна НТК «Контроль і управління в технічних системах» (м. Вінниця, 1995 р.);

- 1^а Міжнародна НТК «Математичне моделювання в електротехніці й електроенергетиці» (м. Львів, 1995 р.);

- 3^я НТК «Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах» (м. Хмельницький, 1995 р.);

- Міжнародна НТК «Приладобудування-96» (м. Вінниця-Судак, 1996 рік);

- Міжнародний симпозіум «Наука і підприємництво» (м. Вінниця-Львів, 1996 р.);

- 2^nd International Scientific and Technical Conference «Unconventional Electromechanical and electrotechnical systems» (Szczecin, Poland, 1996);

- 1^а НТК «Сучасна контрольно-випробувальна техніка промислових виробів та їх сертифікація» (м. Київ, 1997 р.);

- Міжнародна НТК «Приладобудування-97» (м. Вінниця-Сімеїз, 1997 рік);

- 4^а Міжнародна НТК «Контроль і управління в технічних системах» (м. Вінниця, 1997 р.);

- 5^а Міжнародна НТК «Контроль і управління в складних системах КУСС-99» (м. Вінниця, 1999 р.) та ін.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у монографії, двох навчальних посібниках, 15 статтях у наукових фахових журналах, 9 статтях у науково-технічних журналах та збірниках праць науково-технічних конференцій, 40 тезах конференцій, 18 авторських свідоцтвах, патентах на винаходи СРСР, України та Російської Федерації.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу і 6 розділів, списку використаних джерел і 16 додатків. Загальний обсяг дисертації 376 сторінок, з яких основний зміст викладений на 282 сторінках друкованого тексту, містить 32 рисунки, 17 таблиць. Список використаних джерел складається з 243 найменувань. Додатки містять результати моделювання, фрагменти програмного забезпечення та акти впровадження результатів роботи.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність проблеми досліджень, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, дається характеристика наукової новизни та практичного значення одержаних результатів, а також їх впровадження.

У першому розділі проаналізовано відомі методи та засоби контролю моментних характеристик електричних машин та теоретичні підходи, що покладено в основу їх побудови.

Показано, що сучасні засоби контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора, залежності пускового моменту від напруги живлення характеризуються досить низькою швидкодією (1 виміряне значення за 10 с). Така низька швидкодія існуючих напівавтоматизованих засобів контролю пояснюється, перш за все, загальноприйнятим підходом, суть якого полягає в наступному. В досліді короткого замикання ротор об'єкта контролю повинен бути загальмованим, а до обмоток його статора підводиться номінальна напруга, в результаті чого за досить короткий проміжок часу об'єкт контролю (ОК) нагрівається. Тому за час, коли температура обмоток зміниться від кімнатної до розрахункової робочої, можна здійснити тільки одне вимірювання моменту і кута повороту, або моменту і напруги живлення. Потім на протязі декількох годин ОК охолоджується, встановлюється нове кутове положення ротора (нове значення напруги живлення) і вимірювальний експеримент повторюється 18 разів. Встановлено, що відомі методи контролю моменту інерції та динамічного моменту по своїй суті є опосередкованими і тому засоби контролю даних інформативних параметрів характеризуються також низькою швидкодією та невисокою точністю. Основними складовими похибки є вплив муфти спряження та похибка від реалізації операції цифрового диференціювання експериментальних даних цифрових тахометрів. Тому точність вимірювання моменту інерції та динамічного моменту низька . Швидкодія визначається часом вимірювання кутової швидкості в найбільш придатному для автоматизації режимі самогальмування ротора ОК в два етапи: спочатку з одним, а потім з другим зразковим моментом інерції. Дана обставина зумовлює досить низьку швидкодії . Показано також, що невисока точність засобів контролю виділених моментних характеристик пояснюється практичною відсутністю засобів відтворення зразкового моменту, а також необхідних методик метрологічної атестації і перевірки.

Доведено, що для суттєвого підвищення швидкодії і точності необхідно запропонувати принципово новий підхід і на його базі розробити нові методи і автоматизовані засоби контролю моментних характеристик електричних машин.

Крім того проведений огляд відомих методів і засобів контролю моментних характеристик електричних машин дозволив визначити мету і задачі досліджень.

У другому розділі розроблено теоретичні засади контролю моментних характеристик електричних машин, які покладено в основу побудови нових методів неперервного і покрокового контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора, методу прискореного контролю залежності пускового моменту від напруги живлення, прямого методу контролю моменту інерції ротора і динамічного моменту. Для підвищення швидкодії пропонується контроль МХ здійснювати в проміжку часу , коли температура обмоток статора змінюється від кімнатної до розрахункової робочої. Встановлено, що точність вимірювання залежності пускового моменту від кутового положення суттєво впливає на вірогідність контролю пускового моменту. З метою підвищення швидкодії і точності засобів контролю пропонується метод неперервного контролю, суть якого полягає в наступному. Зовнішній привідний двигун, що представляє собою електричну машину з редуктором, з невеликою наперед заданою швидкістю обертає ротор об'єкта контролю і одночасно вимірюється момент на його роторі та кутове положення ротора на протязі одного повного оберту ротора об'єкта контролю. Швидкість обертання ротора ОК має бути такою, щоб відтворити умови досліду короткого замикання , але щоб на протязі часу контролю залежності температура обмоток статора ОК не перевищила розрахункове робоче значення. Для здійснення даного методу пропонується структурна схема засобу автоматизованого контролю.

Алгоритм здійснення методу неперервного контролю полягає в наступному. Об'єкт контролю встановлюють на основі вимірювального перетворювача жорстко і його ротор за допомогою муфти МС з'єднують з вихідним валом привідного двигуна ПД, а живлення ОК і ПД відбувається від електричної мережі за допомогою пускових пристроїв ПП ОК і ПП ПД відповідно. ПД на основі вимірювального перетворювача встановлено балансирно. Процесом вимірювального контролю керує мікропроцесорна система MPS. Перед вмиканням привідного двигуна і об'єкту контролю до електричної мережі в оперативній пам'яті MPS встановлюється початкова адреса і довжина буфера, в якому будуть зберігатися масиви виміряних значень моменту і кута повороту ротора. Потім MPS переходить на програму запуску ОК і ПД. Привідний двигун обертає через муфту ротор об'єкта контролю. В результаті контрольований параметр передається з ротора ОК на муфту МС і на корпус привідного двигуна. При цьому на сенсор зусилля (СЗ) через вимірювальний важель діє сила , пропорційна . Напруга на виході сенсора зусилля, пропорційна , через аналого-цифровий перетворювач MPS записуються в оперативну пам'ять. Після завершення одного повного оберту ротора ОК привідний двигун і об'єкт контролю знеструмлюють, а в оперативній пам'яті MPS сформується масив виміряних значень сили . Причому адреса масиву виміряних значень упорядкована за кутовим положенням ротора. Після цього визначається масив результатів пускового моменту:

Де:

- прискорення вільного падіння;

- довжина вимірювального важеля.

Суттєвим недоліком методу неперервного контролю залежності - є часткове порушення умови виконання досліду (S 1), що приводить до появи методичної похибки.

З метою вилучення методичної похибки та зменшення впливу випадкової похибки від дії дисипативних моментів замість асинхронного привідного двигуна застосовано кроковий.

Суть покрокового методу полягає в тому, що контроль залежності пускового моменту від кутового положення ротора здійснюється в покроковому режимі роботи крокового двигуна, причому вимірювання пускового моменту здійснюється в режимі зупинки у кожному кутовому положенні ротора після завершення перехідного процесу в перетворювачі.

Основними її складовими є:

- ОК - об'єкт контролю;

- МС - муфта спряження;

- КД - кроковий двигун;

- ХР - хвильовий редуктор;

- ВВ - вимірювальний важель з довжиною l;

- СЗ - сенсор зусилля;

- МПК - мікроконтролер;

- ЕВН - електронний варіатор напруги;

- БККД - блок керування кроковим двигуном.

Метод здійснюють за таким алгоритмом.

В момент часу, коли мікроконтролер через БККД встановлює на вході крокового двигуна 4-бітовий двійковий код і фіксує його в початковому кутовому положенні ₁, з певною затримкою МПК формує також 8-ми бітовий двійковий код на вході електронного варіатора, в результаті чого на ОК подається номінальна напруга живлення U_кн.

Після завершення перехідного процесу в перетворювачі, вимірюється пусковий момент і встановлюється за допомогою КД нове кутове положення ротора. В запропонованих засобах контролю на перетворювачі діють такі моменти:

- електромагнітний момент крокового двигуна, що прикладено до вхідного вала хвильового редуктора;

- момент на виході ХР, що діє за допомогою МС на вхідний вал ОК;

- пусковий момент , що прикладено до вхідного вала редуктора.

Процес вимірювального перетворення засобів контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора описано такою системою рівнянь:

 (1)

Де:

- електромагнітний момент привідного двигуна;

- контрольована величина;

- момент ексцентриситету муфти спряження;

- вихідна величина;

- кут повороту рухомої частини перетворювача;

J - момент інерції рухомої частини перетворювача;

- власна частота вільних (недемпфованих) коливань перетворювача;

- ступінь заспокоєння вільних коливань;

- постійна сенсора зусилля.

Отримана модель (1) є узагальненою, тому що її можна застосовувати і для аналізу засобів контролю залежності пускового моменту від напруги живлення (відсутня перша система). Модель дозволяє також теоретично обґрунтувати прямий спосіб контролю моменту інерції ротора та розвинути відомі теоретичні підходи до прямого контролю динамічного моменту.

На основі узагальненої моделі (1) розроблено нелінійні математичні моделі засобів контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора з асинхронним і кроковим приводом шляхом заміни моделі узагальненої електричної машини моделями асинхронного, або крокового двигуна. Дані нелінійні моделі прівняно з відомими більш адекватно описують фізичні процеси, які протікають у вимірювальному перетворювачі, тому що вони враховують операції перетворення вимірювальним важелем і сенсором зусилля. Виділені метрологічні операції описано лінійним неоднорідним диференційним рівнянням другого порядку з постійними коефіцієнтами (останнє диференційне рівняння), отримано його аналітичний розв'язок для періодичного вхідного сигналу. Дана обставина привела до збільшення тривалості перехідного процесу, неврахування якої було причиною суттєвого спотворення вимірювальної інформації. Встановлено, що на протязі перехідного процесу у даному засобі контролю динамічна похибка може досягати 300%, яка суттєво спотворить дійсні значення. Тому для підвищення вірогідності контролю інформацією, що отримано на протязі перехідного процесу, необхідно знехтувати. Після завершення перехідного процесу (у статичному режимі роботи засобу контроля) запропоновані математичні моделі з високою точністю відтворюють фізичні процеси, що протікають у засобах контролю (похибка моделі не перевищує 8%). Суттєвим недоліком таких нелінійних моделей є складність процесу моделювання з використанням чисельних методів розв'язку жорстких систем нелінійних диференційних рівнянь та неможливість отримання аналітичних залежностей для оцінки основних динамічних і статичних метрологічних характеристик. Тому виникла необхідність в розробці лінеаризованих моделей засобів контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора.

Нелінійним елементом в засобі неперервного контролю є асинхронна машина (АМ), що через редуктор повільно обертає ротор об'єкта контролю і тим самим практично виконується умова короткого замикання (). При цьому кутова швидкість обертання ротора асинхронної машини близька до номінальної . Тобто АМ працює на лінійній ділянці статичної механічної характеристики. Для даної задачі доведена можливість заміни нелінійної моделі асинхронної машини {перші шість рівнянь в моделі (1)} лінеаризованим диференційним рівнянням другого порядку та отримано його аналітичний розв'язок в середовищі символьної математики Maple V. Аналогічною процедурою за методикою Т. Кеніо нелінійну модель крокового приводу замінено лінеаризованим диференційним рівнянням другого порядку і отримано його аналітичний розв'язок.

Порівняльна характеристика результатів моделювання нелінійних та лінеаризованих моделей дозволяє дійти таких висновків:

- тривалість перехідного процесу, визначеного в результаті моделювання нелінійної і лінеаризованної моделі, не перевищує 1.5 с.;

- форма перехідного процесу дещо відрізняється, але дана обставина не обмежує галузь застосування лінеаризованної моделі, тому що під час контролю залежності на протязі перехідного процесу вимірювання не здійснюють;

- під час перехідного процесу динамічна похибки вимірювання може досягати 300%, а після його завершення не перевищуює 8%-10%;лінеаризована модель засобу контролю даного інформативного параметра значно простіша, але в даному випадку виникає похибка лінеаризації. Доведено, що в залежності від об'єкта контролю похибка лінеаризації змінюється в межах від 1% до 3.5% на протязі перехідного процесу. Після завершення перехідного процесу похибка лінеаризації не перевищує 1.5%, що є досить задовільним результатом.

У третьому розділі розроблено метод прискореного контролю залежності пускового моменту від напруги живлення і засоби автоматизованого контролю з постійним, лінійно-змінним і ступінчасто-змінним вхідними сигналами, методи прямого контролю моменту інерції ротора і динамічного моменту.

Суть методу прискореного контролю залежності пускового моменту від напруги живлення полягає в тому, що ротор об'єкта контролю загальмовано за допомогою вимірювального важеля і сенсора зусилля, до обмоток його статора підводиться напруга живлення від електронного варіатора, а контроль залежності:

- здійснюється шляхом вимірювання поточних значень моменту і напруги живлення в проміжок часу , коли температура обмоток статора змінюється від кімнатної до розрахункової робочої.

Об'єкт контролю встановлено на основі жорстко. Обмотки статора заживлені від електронного варіатора напруги, а ротор ОК загальмовано вимірювальним важелем ВВ через сенсор зусилля СЗ, аналоговий вихід якого з'єднано з входом аналого-цифрового перетворювача мікропроцесорної системи MPS, під керуванням якої виконуються вимірювання пускового моменту і зміна напруги живлення на обмотках ОК. Метод прискореного контролю здійснюють за таким алгоритмом. Задають від електронного варіатора початкову напругу живлення на обмотки статора об'єкта контролю. В результаті цього на роторі ОК створюється обертальний момент, що за допомогою вимірювального важеля діє на сенсор зусилля. Після завершення перехідного процесу СЗ перетворює неелектричну величину зусилля в напругу , а на виході АЦП формується двійковий код , який записується в оперативну пам'ять мікропроцесорної системи. Потім ЕВН встановлює нову величину напруги живлення на обмотки статора ОК і виконуються вимірювання відповідного їй пускового моменту. Тривалість даного вимірювального експерименту не повинна перевищити проміжку часу, за який температура обмоток статора змінюється від кімнатної до розрахункової робочої. В наведеній схемі досить важливим елементом є електронний варіатор. Тому актуальною є задача дослідження законів зміни напруги живлення (напруги короткого замикання) та визначення параметрів цієї напруги. Оскільки під час вимірювального контролю залежностей пускового моменту від напруги живлення в досліді КЗ привідний двигун відсутній, то в узагальненій моделі (1) мають бути відсутніми рівняння, що описують фізичні процеси електромеханічного перетворення в привідному двигуні. Тому модель (1) трансформується до диференційного рівняння, що описує процес руху рухомої частини перетворювача під час заживлення обмотки статора напругою короткого замикання від варіатора.

Розглянемо випадок, коли обертальний момент представляє собою міні-мальний пусковий момент, що є сумою постійної та змінної складової:

(2)

Де:

K - постійна складова моменту, що обчислюється за формулою Клосса для S=1:

Де:

a, b - коефіцієнти змінної складової моменту;

U - фіксоване значення напруги живлення короткого замикання із можливого діапазону її зміни (), що формується електронним варіатором напруги. Скориставшись результатами попередніх досліджень (1), матимемо диференційне рівняння, що описує процес руху рухомої частини перетворювача:

 (3)

Якщо в якості сенсор зусилля застосувати, наприклад, тензорезистивний давач, то за рахунок пружних властивостей його мембрани створюється протидійний момент переміщенню вимірювального важеля.

В результаті М_h перетворюється в кут повороту . З урахуванням функції перетворення сенсора зусилля розв'язок (3) матиме вигляд:

= (4)

Аналіз результатів моделювання (4) показав, що під час дії вхідної величини на перетворювач в ньому виникає перехідний процес. Тому отримано аналітичну залежність для визначення тривалості перехідного процесу для даного типу вимірювальних перетворювачів та визначені числові характеристики для різних типів електричних машин:

(5)

Встановлено, що параметр для асинхронних машин малої та середньої потужності не перевищує 50 mS.

З урахуванням об'єкта контролю отримано аналітичну залежність для визначення кроку квантування h:

 (6)

Де:

- кімнатна температура обмоток статора;

- розрахункова робоча температура обмоток статора.

Доведено, що за допомогою даного перетворювача можна виміряти 1001000 значень моменту на протязі в той час, коли існуючі перетворювачі спроможні вимірювати одне значення моменту за той же проміжок часу.

Рівняння (4) дозволяє змоделювати вимірювальне перетворення вхідної величини у вихідну тільки для постійного вхідного моменту. Тому дану модель доцільно застосовувати під час синтезу напівавтоматизованих засобів контролю, що характеризуються невисокою швидкодією.

На основі параметрів та h пропонується напругу живлення змінювати в межах від до за лінійним законом:

- на протязі часу за допомогою електронного варіатора, що має бути спряжений з мікропроцесорною системою. Для автоматизованих засобів контролю процес руху рухомої частини вимірювального перетворювача описано лінійним неоднорідним диференційним рівняння другого порядку з постійними коефіцієнтами:

(7)

З урахуванням функції перетворення сенсора зусилля аналітичний розв'язок (7) має вигляд:

(8)

Встановлено, що дана модель з високою точністю відтворює фізичні процеси контролю залежності пускового моменту від напруги живлення (похибка моделі не перевищує 5%). Похибка дискретизації, що виникає під час аналого-цифрового перетворення пускового моменту в двійковий код, не перевищує 5%. Кількість виміряних значень пускового моменту і напруги живлення в залежності від об'єкту контролю становить 200-2000. Отже, запропонований засіб контролю має значно кращі метрологічні характеристики, ніж відомі. Доведено, що для зменшення похибки дискретизації електронний варіатор повинен формувати на обмотки статора ОК ступінчасто-змінну напругу. Диференційне рівняння, що описує фізичні процеси в перетворювачі під час зміни вхідного сигналу за ступінчасто-змінним законом подано у вигляді:

(9)

Де:



- сталі моменту, що визначаються зміною напруги живлення від варіатора;

- значення моменту від напруги живлення.

Встановлено, що в даному засобі контролю залежності пускового моменту від напруги живлення, відсутня похибка дискретизації. Отриманий результат пояснюється тим, що електронний варіатор формує на обмотки ОК ступінчасто-змінну напругу, а вимірювання пускового моменту здійснюється після завершення перехідного процесу у перетворювачі. Дана позитивна якість одержана за рахунок зменшення швидкодії порівняно з попереднім засобом контролю. За проміжок часу, коли температура обмоток змінюється від кімнатної до розрахункової робочої даним засобом контролю можна отримати мінімум 100 значень пускового моменту і напруги живлення, що на два порядки більше, ніж у відомих напівавтоматизованих засобах контролю, але на порядок менше ніж у засобах контролю з лінійно-змінним вхідним сигналом.

Якщо на обмотки статора сформувати імпульс напруги прямокутної форми при загальмованому роторі, тривалість якого перевищує час перехідного процесу заживленого об'єкта контролю сумісно з рухомою частиною вимірювального перетворювача, то виникає можливість створення прямого методу контролю момента інерції ротора. Суть методу полягає в тому, що в момент підключення напруги живлення на роторі об'єкта контролю створюється обертальний момент , який через вимірювальний важель діє на сенсор зусилля. Оскільки СЗ є пружним елементом, то в даний момент часу виникає перехідний процес, тривалість якого дорівняє t_*¹. Після закінчення перехідного процесу t=t_*¹ об'єкт контролю знеструмлюють і момент на виході перетворювача, внаслідок інерційних властивостей СЗ, зменшується від величини до нуля на протязі проміжку часу t_*⁰. Оскільки ротор ОК здійснює вільні затухаючі коливання, тривалість яких зумовлена величиною моменту інерції ротора і жорсткістю сенсора, то, вимірявши величини і t_*⁰ та знаючи , стає можливим знаходження величини моменту інерції ротора об'єкту контролю.

Скориставшись результатами попередніх досліджень вимірювального перетворення пускового моменту, отримано диференційне рівняння, що описує фізичні процеси в перетворювачі під час заживлення та знеструмлення обмоток об'єкту контролю з загальмованим ротором:

(10)

- стала моменту;

- моменти інерції ротора ОК та вимірювального важеля відповідно.

Із розв'зку (10) отримано функцію перетворення даного засобу контролю:

(11)

Де:

- коефіцієнт заспокоєння рухомої частини перетворювача;- жорсткість сенсора зусилля.

Статична характеристика засобу контролю моменту інерції лінійна в діапазоні зміни інформативного параметру для електричних машин малої та середньої потужності. Оцінено вплив жорсткості , моменту інерції та похибки на тривалість перехідного процесу t_*⁰.

Поверхні, що характеризують вплив виділених параметрів:

- є також також лінійними, що потенційно спрощує апаратно-програмну реалізацію засобу вимірювального контролю . Запропонований метод реалізує методологію неруйнівного контролю, а засіб для його здійснення має значно вищу швидкодію (5 сек.) та меншу похибку вимірювання (0.5%) в порівнянні з відомими.

Удосконалено метод контролю динамічного моменту, що на відміну від існуючих, дозволяє врахувати вплив моменту інерції статора об'єкту котролю і рухомої частини перетворювача. Метод здійснюють за таким алгоритмом. Спочатку ротор ОК загальмовують і подають напругу живлення до обмоток статора. Після завершення перехідного процесу в перетворювачі знеструмлюють статор електродвигуна та вимірюють тривалість t_*⁰ перехідного процесу вільних коливань рухомої частини перетворювача і статора та визначають момент інерції . Після даних вимірювальних процедур звільнюють ротор і виконують вимірювання динамічного моменту перетворювачем за реакцією статора.

Доведено, що даний метод дозволяє підвищити точність вимірювання динамічного моменту порівняно з відомими опосередкованими в 1.5 рази за рахунок врахування моменту інерції статора і рухомої частини вимірювального перетворювача за реакцією статора об'єкта контролю. Практичне застосування отриманих результатів дозволяє суттєво зменшити загальний час випробування електричних машин в досліді короткого замикання (з 24 н/г до 0.5 н/г). Крім того, знаючи оптимальну тривалість проведення досліду КЗ для кожного типу електричних машин, стає можливим здійснення прискорених випробувань з нормованою похибкою за рахунок збільшення кроку , або високоточних вимірювань за рахунок зменшення даного параметра.

Тому галузь застосування таких засобів вимірювального контролю - як під час випробовування електричних машин в умовах промислового виробництва, так і в науково-дослідних лабораторіях в процесі розробки, дослідження та модернізації нових зразків електричних машин.

В четвертому розділі досліджено основні динамічні і статичні метрологічні характеристики засобів контролю моментних характеристик електричних машин, розроблено зразкові засоби задавачів зразкового моменту, оцінено помилки першого і другого роду під час контролю пускового моменту, моменту інерції ротора.

Теоретичною базою для отримання основних динамічних і статичних метрологічних характеристик засобів контролю МХ електричних машин є лінеаризовані математичні моделі засобів контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора і лінійні неоднорідні диференційні рівняння другого порядку, що описують процес руху рухомої частини вимірювального перетворювача під час контролю залежності пускового моменту від напруги живлення та моменту інерції ротора.

Отримано аналітичні залежності для визначення перехідної і імпульсної характеристик засобу контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора, що реалізує неперервний метод контролю. Встановлено, що під час дії функцій Дірака і Хевісайда в перетворювачах виникає перехідний процес, тривалість якого досягає 1.5 с. Тому досліджено функції впливу параметрів сенсора зусилля () на форму перехідної характеристики і тривалість перехідного процесу. Доведено, що жорсткість сенсора С суттєво впливає на форму перехідного процесу, а коефіцієнт Р на його тривалість. Найбільш прийнятними числовими величинами даних параметрів є такі:

;

.

Даним вимогам задовільняють тензорезистивні і ємнісні перетворювачі, що виготовляють провідні вітчизняні і зарубіжні фірми.

В статичному режимі роботи вимірювального перетворювача одержано функцію перетворення для даного класу засобів вимірювального контролю:

(12)

Де:

- ковзання привідного двигуна;

- передатне число і коефіцієнт корисної дії редуктора;

- постійна часу для привідного двигуна;

- коефіцієнт крутизни для статичної характеристики привідного двигуна;

- зведений момент інерції ротора ОК і муфти спряження до привідного двигуна;

- синхронна кутова швидкість обертання ротора привідного двигуна;

- кількість пар полюсів;

- вхідна і вихідна величини відповідно.

Статична характеристика лінійна, чутливість постійна, шкала рівномірна. Отриманий результат є суттєвим, тому що значно спрощується програмна підтримка вимірювальної процедури як під час контролю інформативного параметра, так і в процесі метрологічної атестації засобів контролю залежності .

Отримано аналітичні залежності для визначення перехідної і імпульсної характеристик засобу контролю залежності, що реалізують покроковий метод контролю. В результаті порівняльного аналізу отриманих характеристик засобів контролю з асинхронним і кроковим приводом показано, що перехідний процес в засобі контролю з кроковим приводом менший в часі, ніж в засобі контролю з асинхронним приводом. Тому галузь застосування таких засобів - вимірювальний контроль залежності пускового моменту від кутового положення ротора для асинхронних машинах малої потужності (кВт).

Оскільки під час контролю залежності пускового моменту від напруги живлення привідний двигун знеструмлений, то для отримання імпульсної:

(13)

Та перехідної характеристик:

(14)

В якості вихідного вибрано останнє диференційне рівняння в моделі (за формулою 1).

Отримано аналітичну залежність для визначення похибки дискретизації засобів контролю з лінійно-змінним вхідним сигналом:

(15)

Де:

- крок дискретизації.

Встановлено, що відносна величина цієї похибки в діапазоні зміни вхідного сигналу від 1 до 5 () на нижній межі вимірювання може досягати 5%, що є досить великою величиною. Даний недолік відсутній в засобах контролю з ступінчасто-змінним вхідним сигналом.

Знайдено функцію перетворення засобу вимірювального контролю залежності в статичному режимі роботи:

(16)

Встановлено, що статична характеристика даного засобу контролю лінійна при виконанні умови . Отримано часові динамічні метрологічні характеристики засобу контролю моменту інерції: диференційне рівняння;перехідна характеристика;імпульсна характеристика. Залежність, що описує процес перетворення вхідного сигналу у вихідний, представлено у вигляді системи диференційних рівнянь:

 (17)

Де:

- постійні часу;

- електромагнітний момент.

Перше ріняння представляє собою лінеаризовану математичну модель асинхронної машини, момент інерції якої необхідно визначити;друге рівняння описує процес руху рухомої частини вимірювального перетворювача під час дії прямокутного сигналу для реалізації методу прямого контролю моменту інерції ротора.

Змодельовано перехідний процес в засобі контролю під час заживлення обмоток об'єкта контролю і після його знеструмлення. Порівняльний аналіз зміни моменту в часі в результаті розв'язку нелінійної моделі і лінеаризованої (17) підтверджує, що величина тривалості перехідного процесу вільних коливань ротора для електричних машин одного типу співпадають.

Одержано також аналітичні залежності для визначення перехідної і імпульсної характеристик засобу контролю моменту інерції ротора, які є вихідними під час синтезу алгоритму та структурної схеми пристрою.

Оскільки статичні характеристики розглянутих засобів контролю лінійні, то запропоновано їх метрологічну атестацію здійснити комплектно (за методом зразкових мір).

В якості задавача зразкового моменту використано пристрій, що має у своєму складі зразковий тягар, який підвішено на металевій струні. Розроблено математичну модель, що враховує деформацію в металевій струні та зменшення її ваги в процесі намотування на диск. Деформація струни носить гармонічний характер, що приводить до коливань моменту і є джерелом виникнення похибки, зведене значення якої може досягати 1.5%. Зменшення ваги металевої струни в процесі її намотування на диск викликає систематичну складову похибку. Тому даний задавач можна застосовувати під час метрологічної атестації засобів контролю, зведена похибка яких . Фізичне моделювання виконувалось за допомогою задавача зразкового моменту з такими параметрами:

- радіус стальної струни - 2 мм.;

- радіус зразкового диска - 99,9 мм.;

- величина зразкового тягара - (від 0,1 Нм до 10 Нм);

- матеріал струни - сталь (модуль Юнга Е = 20,6^.10¹⁰ Н/м², об'ємна вага = 7,8 г/см³).

Розроблено пристрій для метрологічної атестації знакозмінного моменту. В якості такого задавача пропонується вимірювальний важель (з довжиною l), який однією стороною закріплюється до вихідного валу редуктора привідного двигуна, а на протилежній стороні знаходиться зразковий тягар . Математична модель даного пристрою є системою таких диференційних рівнянь:

(18)

Де:



- зразковий обертальний момент.

Перше рівняння представляє собою лінеаризовану модель асинхронної машини, а друге рівняння - лінійне неоднорідне диференційне рівняння другого порядку з періодичною функцією в правій частині. Розв'язок, отриманий в середовищі символьної математики Maple V4.

Порівняльна характеристика попереднього задавача зразкового моменту і даного показує, що в даному пристрої відсутня випадкова складова похибки за рахунок впливу коливань моменту.

До систематичної складової похибки від впливу на результати контролю муфти спряження додається систематична похибка, що створює вимірювальний важеля в процесі свого обертання навколо вісі ротора привідного двигуна.

Дану обставину необхідно врахувати під час синтезу алгоритму функціонування засобу вимірювального контролю, запропонувавши такий, що зменшує вплив даних систематичних похибок (наприклад, метод дворазових спостережень).

Крім того, в момент включення привідного двигуна виникає перехідний процес, тривалість якого в діапазоні зміни зразкового моменту може досягати на верхній межі вимірювання 1.5 с.

В цьому проміжку часу вихідний сигнал суттєво відрізняється від зразкового, що може викликати суттєву динамічну похибку . Тому вимірювальною інформацією, що отримують на протязі перехідного процесу необхідно знехтувати.

Функція перетворення пристрою для метрологічної атестації засобів автоматизованого контролю пускового моменту має вигляд:

 (19)

Статична характеристика засобу для метрологічної атестації лінійна, що значно спрощує методику метрологічної атестації і перевірки засобів контролю пускового моменту.

В результаті прийнятого припущення, що закони розподілу похибки вимірювання і контрольованої величини нормальні, отримано сумісний закон розподілу і розраховано номограми для визначення помилок першого і другого роду для різних математичних очікувань в діапазоні зміни середнього квадратичного відхилення від 0.01 до 0.1.

В п'ятому розділі розроблено: функціональні схеми мікропроцесорних засобів та алгоритми автоматизованого контролю залежності пускового моменту від кутового положення ротора, що здійснюють неперервний і покроковий методи контролю;функціональну схему та синтезовано алгоритм автоматизованого контролю залежності пускового моменту від напруги живлення для здійснення методу прискореного контролю;функціональні схеми та алгоритми роботи засобів прямого контролю моменту інерції ротора та динамічного моменту електричних машин.

Для програмно-апаратної реалізації синтезованих алгоритмів контролю моментних характеристик електричних машин розроблено функціональну схему мікропроцесорної системи на основі мікроконтролера 80С196KR фірми Intel, апаратні засоби якої є спільними для всіх пристроїв. Відмінності полягають в алгоритмах роботи і програмній підтримці мікропроцесорних засобів контролю. Розроблено функціональну схему і алгоритм роботи мікропроцесорного засобу контролю залежності з кроковим приводом (покроковий метод контролю), в якому відсутня методична складова похибки. Дана позитивна якість має місце тому, що кроковий привід обертає ротор об'єкту контролю в покроковому режимі, причому перехід з попереднього кутового положення в наступне здійснюється після закінчення перехідного процесу в перетворювачі.

Розроблено функціональну схему і алгоритм роботи мікропроцесорного засобу контролю залежності з асинхронним приводом (неперервний метод контролю) більш високої точності за рахунок зменшення впливу систематичної складової похибки від дії моменту ексцентриситету муфти спряження. Позитивний ефект досягнено тим, що вимірювальний контроль здійснюють не за один, а за два оберти привідного двигуна. Порівняльна характеристика засобів контролю, що реалізують неперервний і покроковий методи контролю, наведена в табл. 1.

Таблиця 1. - Порівняльна характеристика засобів вимірювального контролю:

Метод контролю	Кількість виміряних значень	Наявність методичної похибки	Наявність сенсора кута повороту
Неперервний	250...2500		Є
Покроковий	25...30	Відсутня	Відсутній

Встановлено, що за кількістю виміряних значень засоби вимірювального контролю залежності з асинхронним приводом мають суттєву перевагу порівняно з засобами контролю з кроковим приводом, але в останніх відсутня методична складова похибки. Крім того, в засобах контролю пускового моменту з кроковим приводом відсутній сенсор кута повороту. Тому, поєднавши переваги кожної із запропонованих схем, можна отримати достатню кількість виміряних значень і досягти необхідної точності.

Розроблено функціональну схему і синтезовано якісно новий алгоритм роботи мікропроцесорного засобу контролю залежності . Отримано аналітичні залежності для визначення часу накопичення температури в обмотках статора від дії ступінчасто-змінної напруги короткого замикання асинхронних машин, які обґрунтовують можливість контролю залежності пускового моменту від напруги живлення на протязі проміжку часу зростання температури обмоток статора від кімнатної до розрахункової робочої. Величина часу накопичення температури в обмотках статора для ступінчасто-зростаючої напруги живлення:

Визначається:

(20)

А час накопичення температури для ступінчасто-спадної напруги живлення:

Обчислюється:

(21)

Де:

- максимальна величина напруги короткого замикання;

- величина кроку квантування напруги живлення;

- мінімальна величина напруги, з якої починається дослід короткого замикання;

- кількість квантів напруги живлення;

- експериментальне значення крутизни на лінійній ділянці.

- діаметр провідника.

- відношення початкового пускового струму до номінального.

Даний результат відрізняється від відомих трьома обставинами. По-перше, проміжок часу накопичення температури не є фіксованим, а залежить від потужності електричної машини. По-друге, величина даного проміжку часу достатня для здійснення контролю залежності, що суттєво скорочує загальний час контролю (з десятків години до десятків секунд). По-третє, кількість виміряних значень напруги і моменту на протязі на порядок перевищує величину, якої здатні досягти відомі напівавтоматизовані засоби контролю залежності.

На основі теорії пошкоджень запропоновано критерій, що дозволив обґрунтувати, як більш ефективний з точки зору кількості виміряних значень, алгоритм зміни ступінчасто-зростаючої напруги короткого замикання порівняно з алгоритмом зміни спупінчасто-спадної напруги. Для ступінчасто-зростаючої напруги короткого замикання критерій має вигляд:

(22)

А для ступінчасто-спадної напруги, відповідно:

 (23)

Де:

- крок дискретизації напруги: