Післяремонтна діагностика та паспортизація машин постійного струму з урахуванням стану пакета сталі якоря

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Кременчуцький державний політехнічний університет

УДК 621.313.2.017

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Післяремонтна діагностика та паспортизація машин постійного струму з урахуванням стану пакета сталі якоря

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Хараджян Олександр Агасійович

Кременчук 2004

Загальна характеристика роботи

післяремонтна діагностика машина струм

Актуальність теми. Економічна ситуація, яка склалася у країні, зумовлює те, що електрообладнання промислових підприємств на сьогодні характеризується високим ступенем зношеності. Відновлення працездатності електричних машин виконується шляхом їх капітального ремонту. Відремонтована електрична машина в умовах експлуатації повинна забезпечити необхідний рівень надійності. Вважають, що отримана з ремонту електрична машина має такі самі характеристики, як і до ремонту. Результати досліджень за останні роки свідчать, що в процесі тривалої експлуатації та, особливо, під час проведення ремонтних операцій відбуваються незворотні зміни властивостей пакета електротехнічної сталі якоря машини постійного струму (МПС) у результаті замикання кромок її листів на поверхні зубцевої зони. Досвід електроремонтних підприємств свідчать, що якір МПС після 4-5 капітальних ремонтів із заміною обмотки стає непридатним до використання через істотне погіршення властивостей пакета сталі в результаті збільшення втрат на вихрові струми, що врешті-решт впливає на тепловий режим обмотки якоря. Кожний ремонт призводить до зміни властивостей пакета сталі якоря, внаслідок чого необхідно виконувати паспортизацію машин після ремонту для забезпечення її експлуатації в оптимальному режимі.

Існуючі методи випробовування МПС після ремонту ґрунтуються на роботах Г.Н. Петрова, І.П. Копилова, Д. Уайта, які присвячені загальним питанням визначення характеристик електричних машин, а також на роботах Н.В. Астахова, Г.В. Нюрнберга, Г.К. Жерве, Р.І. Гемке, присвячених промисловим випробуванням електричних машин. Однак ці методи передбачають ситуації, коли пакет сталі якоря МПС є однорідним і не має локальних поверхневих пошкоджень, що не відповідає практиці післяремонтних випробувань.

Питання підвищення продуктивності випробувань різнотипних МПС під навантаженням шляхом динамічного навантаження розглянуті в роботах Д.Й. Родькіна, метою яких є розробка систем динамічного навантаження як ефективного засобу навантаження, тому питання паспортизації та діагностики машин не розглядались. У роботах С.М.Н. Аль-Батайнеха розглянуто методи паспортизації МПС, які не враховують нелінійну залежність індукції в магнітній системі від струму збудження, а також у тепловій моделі втрати в сталі взяті зосередженими. Загальні питання ідентифікації параметрів електричних машин розглянуто в роботах О.С. Бешти, однак, питання паспортизації розглянуто для машин змінного струму.

Тому актуальною задачею під час випробовування МПС є врахування погіршення властивостей пакета електротехнічної сталі якоря при визначенні післяремонтних параметрів.

Існуючі методи визначення втрат у сталі якоря МПС характеризуються рядом недоліків: математична модель втрат побудована для дослідного зразка сталі, а не пакета сталі якоря; не враховуються ймовірні пошкодження поверхні зубців, зміна співвідношення втрат від вихрових струмів та від перемагнічування. Крім того, ці моделі не дозволяють враховувати нелінійність кривої намагнічування.

Розробка вдосконалених моделей і методів визначення втрат дає змогу з більшим ступенем імовірності визначати втрати в сталі та на їх підставі тепловий стан обмотки якоря і реальну навантажувальну здатність електричної машини. Використання розроблених методів дозволяє розробити універсальні комплекси для післяремонтної діагностики і паспортизації МПС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складається з результатів досліджень, що проводилися з 1999 до 2004 року згідно з тематичними планами виконання НДР кафедри систем автоматичного управління та електропривода у Кременчуцькому державному політехнічному університеті за темами: “Дослідження та розробка теорії енергозбереження та енергозберігаючого електромеханічного обладнання” (№0199U004068), де автором виконане дослідження енергоперетворення в сталі якоря МПС; “Розробка та впровадження післяремонтної та експлуатаційної діагностики електричних двигунів в умовах електроремонтного цеху нафтопереробного заводу” (№0102U005792), де автором виконана розробка методів діагностики електричних машин і на їх підставі розроблено прикладне програмне забезпечення; “Розробка методичного і метрологічного забезпечення для комп'ютеризованих електромеханічних комплексів, впровадження в навчальний процес та дослідницьку практику” (№0103U003993), де автором виконана розробка структури лабораторних стендів і програмного забезпечення до них.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - удосконалення методів діагностики та паспортизації машин постійного струму при врахуванні післяремонтного стану пакета сталі якоря.

Для досягнення мети поставлені й вирішені наступні задачі:

аналіз втрат у сталі якоря МПС після ремонту з урахуванням локальних пошкоджень на поверхні зубцевої зони;

оцінювання ступеня впливу локальних пошкоджень сталі якоря на додаткову вібрацію підшипникових вузлів і полюсів електричної машини;

розробка регресійної моделі втрат у сталі в ненавантаженому режимі роботи МПС при зміні напруги живлення якоря, струму збудження та частоти обертання з урахуванням нелінійності кривої намагнічування;

розробка методу відокремлення втрат у сталі від механічних втрат на підставі статистичного аналізу експериментальних даних з використанням удосконаленої моделі втрат у сталі;

розробка теплової моделі МПС з урахуванням локальних пошкоджень пакета сталі якоря;

розробка методу визначення післяремонтної номінальної потужності МПС з урахуванням розподілу втрат у локальних пошкодженнях пакета якоря;

синтез системи керування випробувальним обладнанням під час експериментального визначення втрат у сталі у режимі роботи без навантаження і під час формування необхідних теплових режимів електричної машини при навантаженні;

визначення вимог до випробувального обладнання для післяремонтної діагностики МПС;

розробка алгоритму випробування та паспортизації МПС з використанням автоматизованого вимірювально-діагностичного комплексу.

Об'єкт дослідження - процес визначення параметрів і характеристик електричної машини постійного струму після капітального ремонту.

Предмет дослідження - діагностика і паспортизація машин постійного струму з урахуванням зміни електричних і магнітних властивостей пакета сталі якоря.

Методи дослідження - аналіз літературних і патентних джерел, метод балансу потужності під час визначення параметрів, методи аналітичного обчислення електромагнітного поля, метод балансу сил та моментів під час визначення вібраційних параметрів, регресійний аналіз при відокремленні втрат, спектральний аналіз ЕРС якоря, метод частотного синтезу регуляторів системи керування.

Ідея роботи полягає у визначенні втрат у сталі з урахуванням нелінійності кривої намагнічування та поверхневих пошкоджень зубцевої зони якоря з метою визначення післяремонтних паспортних даних.

Основні наукові положення і результати дослідження, їх новизна

Наукові положення

Використання вдосконаленої регресійної моделі втрат у пакеті сталі якоря машини постійного струму з урахуванням характеру кривої намагнічування дозволяє, на відміну від відомих моделей, підвищити достовірність відокремлення втрат у сталі від механічних втрат при будь-якому діапазоні зміни струму збудження та частоти обертання якоря.

Комплексне використання результатів локального тестування пакета сталі якоря, запропонованого та науково обґрунтованого методу відокремлення складових втрат та визначення температури і теплових сталих часу на підставі динамічного навантаження під час визначення номінальних параметрів машини постійного струму дозволяє враховувати її реальний стан за різних експлуатаційних режимів.

Наукові результати

1. Науково обґрунтовані принципи та підходи до діагностики машин постійного струму з урахуванням стану пакета сталі якоря, які на відміну від відомих підходів, дозволяють врахувати реальний стан електричної машини.

2. Уточнена математична теплова модель машини постійного струму, яка, на відміну від відомих моделей, враховує локальну неоднорідність розподілу втрат на поверхні зубцевої зони якоря.

3. Уперше визначено ступінь впливу локальних пошкоджень пакета сталі якоря, що виникають під час ремонту, на величину додаткової вібрації підшипникових вузлів і полюсів машини.

4. Запропоновано та науково обґрунтовано новий метод визначення післяремонтних паспортних даних машини постійного струму на підставі карти розподілу пошкоджень за результатами локальної діагностики пакета сталі якоря з урахуванням параметрів теплових режимів при динамічному навантаженні.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю припущень, прийнятих у математичних моделях, збігом теоретичних положень з результатами математичного моделювання і даними експериментальних досліджень, позитивним упровадженням результатів роботи.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані теоретичні результати покладено в основу розробок сучасних універсальних автоматизованих комплексів для дослідження властивостей і характеристик МПС та їх післяремонтної паспортизації.

Теоретичні дослідження, виконані в роботі, дозволили розробити:

алгоритм визначення втрат у сталі якоря з урахуванням їх зміни під час експлуатації та ремонту;

алгоритм визначення електромагнітних параметрів та сталих часу МПС;

алгоритм післяремонтної паспортизації МПС;

вимоги до структури випробувального комплексу і його елементів.

Результати досліджень використано:

під час розробки навчальних лабораторних вимірювально-діагностичних комплексів для дослідження характеристик МПС та їх паспортизації на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету;

під час розробки проекту станції для діагностики машин постійного струму ТОВ НПО “Модекс-привод”, м. Орджонікідзе;

під час розробки проекту станції для діагностики машин постійного струму ПП “Електропривод”, м. Дніпропетровськ.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі досліджень, наукові положення і результати, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] - систематизація та аналіз припущень в електроприводі постійного струму; [3] - постановка задачі, розробка методу визначення параметрів, перевірка працездатності методу; [4] - розробка моделі й аналіз результатів моделювання системи вимірювання параметрів при живленні від тиристорного перетворювача, розробка алгоритму запобігання фазовій нестабільності вимірювання; [5] - систематизація існуючих систем випробувань електричних МПС й обґрунтування принципів побудови універсальних випробувальних комплексів; [7] - розробка системи для визначення електромеханічних параметрів під час випробування генераторів постійного струму; [9] - обґрунтування принципів обробки експериментальних даних при живленні системи від тиристорного перетворювача, аналіз отриманих результатів; [11] - патентний пошук, розробка методу визначення втрат у сталі якоря МПС, формула винаходу; [12] - розробка способу визначення параметрів МПС і аналіз отриманих результатів; [13] - постановка задачі, систематизація методів апроксимації кривих струму та напруги тиристорних перетворювачів, аналіз отриманих результатів, розробка рекомендацій з використання методів апроксимації; [14] - постановка задачі, побудова моделі електричної машини.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Проблеми створення нових машин і технологій”, м. Кременчук, 1999, 2000, 2001 р.р., “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації”, м. Кременчук, 2002, 2003, 2004 р.р. та на Всеукраїнській науково-методичній конференції “Теорія та методика навчання математики, фізики, інформатики”, м. Кривий Ріг, 2002 р.

Робота обговорювалася на семінарі “Електромеханіка, проблеми енергоперетворення та енергоресурсозбереження” наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові проблеми електроенергетики”.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 15 друкованих працях, з них сім - у виданнях, затверджених ВАК України, і в одному деклараційному патенті України на винахід. Шість наукових праць опубліковано без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 263 сторінок друкованого тексту та містить вступ, п'ять розділів, висновки з роботи, список використаних джерел і десять додатків. Основна частина роботи викладена на 155 сторінках. Список використаних джерел складається зі 149 найменувань і розміщено на 14 сторінках. Дисертація містить 46 рисунків і 19 таблиць, з них 12 рисунків і 10 таблиць розміщено на 22 повних сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і відображено її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету й основні наукові та практичні задачі дослідження, наведено наукові положення, що виносяться на захист, вказано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, а також рівень апробації результатів роботи, зазначено кількість публікацій за темою й особистий внесок автора.

У першому розділі виконано огляд літератури за темою дисертації та аналіз сучасного стану проблеми. Виконаний аналіз причин зниження ресурсу відремонтованих МПС дозволив виявити, що воно зумовлене, переважним чином, поверхневими пошкодженнями пакета сталі якоря. Пошкодження зубцевої зони пакета якоря являють собою локальні замикання кромок листів електротехнічної сталі, що виникають під час експлуатації та виконання ремонтних операцій. При зміні магнітного потоку крізь ці пошкодження в них виникають вихрові струми, що призводить до збільшення втрат у пакеті сталі та пов'язаного з цим зростання температури зубцевої зони пакета якоря та відповідно скорочення терміну служби ізоляції.

Відомі способи визначення втрат у сталі якоря МПС ґрунтуються на класичних залежностях, отриманих у працях Р. Штейнметца, Л.М. Піотровського, А.В. Іванова-Смоленського тощо, і мають наступний вигляд:

ДP_ст.я.=k_дp₀(f/50)^б(B_с.я.²m_с.я.+B_з.я.²m_з.я.), (1)

де k_д - коефіцієнт, що враховує збільшення втрат, зумовлене дефектами під час механічної обробки та нерівномірним розподілом магнітної індукції; p₀ - питомі втрати в сталі при частоті 50 Гц та індукції 1 Тл; f - частота перемагнічування; б - коефіцієнт, що враховує співвідношення втрат від перемагнічування та вихрових струмів (б=1,3…1,5); B_с.я., B_з.я. - індукція в спинці та зубцях якоря; т_с.я, т_з.я. - маса спинки та зубців якоря.

Інші відомі в літературі способи визначення втрат у сталі якоря МПС базуються на використанні залежностей вигляду

, (2)

де ж - коефіцієнт втрат у сталі; I_з - струм збудження; щ - частота обертання якоря; щ_н - номінальна частота обертання якоря.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделі втрат (1, 2) побудовані на основі припущень, що сталь є однорідною і співвідношення втрат на гістерезис та вихрові струми фіксоване. Існуючі методи відокремлення втрат у сталі від механічних втрат на підставі моделей (1, 2) не враховують нелінійну залежність магнітної індукції та струму збудження, тому використання цих моделей під час післяремонтної діагностики призводить до похибок, які досягають 20% (рис. 1, табл. 1). Тому використання цих моделей під час діагностики машин є не бажаним. У табл. 1 використано наступні позначення: n - частота обертання якоря; ДP_мех.е. - механічні втрати, які визначені експериментально; ДP_мех. - механічні втрати, які визначені за моделлю (2); е - похибка визначення втрат.

Таблиця 1. Похибка визначення втрат за моделлю (2)

n, об/хв	ДPмех.е., Вт	ДPмех., Вт	е, %
1000	45,18±1,32	51,32±1,49	13,59
1250	59,61±1,21	69,88±1,73	17,23
1500	81,04±1,25	91,87±1,46	13,36

Типові програми випробувань не дозволяють з достатньою достовірністю визначити післяремонтний ресурс електричної машини та її номінальні параметри, тому що визначення втрат у пакеті сталі якоря та їх відокремлення не передбачене реґламентом випробувань. Таким чином, під час післяремонтних випробувань необхідним є достовірне визначення втрат у пакеті сталі якоря.

У другому розділі вирішено питання розробки математичного опису процесів у пакеті електротехнічної сталі якоря МПС та розподілу втрат у ній. З метою розробки методу визначення реального розподілу втрат у МПС після ремонту побудовано модель втрат у сталі якоря, яка відрізняється від існуючих тим, що враховує зміну магнітного потоку в пошкоджених ділянках на поверхні якоря під час його обертання та пульсації струму якоря і збудження.

Для побудови моделі втрат у сталі були аналітично визначені наступні складові:

- втрати в якорі від вихрових струмів, спричинені його обертанням

;

- втрати в якорі від вихрових струмів, спричинені пульсацією струму якоря при живленні МПС від тиристорного перетворювача (ТП)

;

- втрати в якорі від перемагнічування, спричинені його обертанням

;

- втрати в якорі від перемагнічування, спричинені пульсацією струму якоря

,

де K₁, K₂, K₃, K₄, А₁, А₂, А₃ - коефіцієнти, що залежать від конструктивних параметрів машини; щ_п - частота зміни потоку на поверхні якоря; I_я - струм якоря; щ_я - частота зміни струму якоря; k_пз - коефіцієнт пульсації струму збудження; k_пя - коефіцієнт пульсації струму якоря.

За відсутності пульсацій у напрузі живлення МПС під час її експлуатації складові втрат у сталі, спричинені пульсацією струму якоря, не враховуються.

Доведено, що під час визначення параметрів МПС, неприпустимо нехтувати нелінійністю кривої намагнічування. Функціональний зв'язок між індукцією і струмом збудження має вигляд:

, (3)

де a₀, ..., a₃ - коефіцієнти апроксимуючої функції.

На підставі виконаного в роботі аналізу та з урахуванням (3), а також залежності частоти обертання від напруги якоря , отримана узагальнена реґресійна модель втрат у сталі

, (4)

де k_в, k_п - відповідно коефіцієнти, які враховують втрати від вихрових струмів та перемагнічування; k_ч - коефіцієнт пропорційності між напругою якоря та частотою обертання; U_я - напруга якоря; p - ступінь апроксимуючого поліному (0<p?3); a_n - коефіцієнти поліному.

Як вихідні дані для визначення коефіцієнтів реґресійної моделі використовуються результати досліду при неробочому ході та незмінній частоті обертання, що забезпечує сталі механічні втрати. Дослід виконують за різної напруги якоря, змінюючи при цьому струм збудження для підтримання незмінної частоти обертання. Параметри, що вимірюються: напруга якоря U_я=||U_я.1 ... U_я.N||; струм якоря I_я=||I_я.1 ... I_я.N||; струм збудження I_в=||I_в.1 ... I_в.N||, де N - кількість вимірів.

Оцінювання коефіцієнтів моделі виконано методами реґресійного аналізу. Порівняння моделей вигляду (4) з різною кількістю коефіцієнтів дозволило встановити, що при відокремленні втрат з урахуванням нелінійності кривої намагнічування найбільш раціональна модель має вигляд:

(5)

де b₁, ..., b₆ - коефіцієнти моделі.

У разі малого діапазону зміни струму збудження доцільно використовувати модель вигляду:

. (6)

На підставі наведених у табл. 2, 3 результатів визначення втрат у сталі двигуна постійного струму типу П31 з параметрами P_н=1,5 кВт; U_я=220 В; I_я=8 А; n_н=1500 об/хв установлено, що використання моделей (5, 6) зумовлене тим, що вони забезпечують менше середньоквадратичне відхилення від експериментальних даних і, відповідно, більш точно описують зміну втрат у сталі. Крім того, ці моделі містять невелику кількість коефіцієнтів, що забезпечує високу вірогідність визначення втрат за невеликої кількості вимірювань (15...20).

Визначення залежності коефіцієнтів b_i та механічних втрат ДP_мех від частоти обертання виконується при різних частотах щ₁, щ₂,…, щ_n.

У табл. 2, 3 використовуються наступні позначення: номери стовпців 1, 2, 3 відповідають залежностям (2, 6, 5); ДP_мех.р - механічні втрати, визначені на основі реґресійного аналізу; s - середньоквадратичне відхилення експериментально визначених втрат від розрахованих за моделлю; R - коефіцієнт достовірності моделі.

Експериментальні дослідження і обробка результатів запропонованим методом та їх порівняння зі стандартними для ряду випробуваних машин дали припустиму збіжність результатів, підтвердивши достовірність методу.

Таблиця 2. Втрати, визначені за моделями (2, 6, 5)

n, об/хв	ДPмех.е., Вт	ДPмех.р, Вт	е,%
		1	2	3	1	2	3
1000	45,18±1,32	51,32±1,49	47,14±1,26	43,23±2,90	13,59	4,34	4,32
1250	59,61±1,21	69,88±1,73	63,16±0,96	59,09±3,40	17,23	5,96	0,87
1500	81,04±1,25	91,87±1,46	85,66±0,95	85,57±4,78	13,36	5,70	5,59

Таблиця 3. Статистичні характеристики моделей (2, 6, 5)

n, об/хв	s2	R2
	1	2	3	1	2	3
1000	4,692	0,454	0,187	0,796	0,983	0,995
1250	8,633	0,379	0,227	0,785	0,991	0,996
1500	5,407	0,218	0,162	0,814	0,993	0,996

У розділі доведено, що пошкодження поверхні зубцевої зони якоря зумовлюють додаткову вібрацію електричної машини. Експериментальне визначення стану поверхні якоря після демонтажу обмотки якоря проводиться з використанням методу локального тестування. Це дозволяє визначити розподіл пошкоджень та частку втрат ДP_вп.jk в j-му, k-му пошкодженні. Магнітна індукція в локальних ділянках визначається із залежності:

,

де j - номер зубця; k - номер елемента зубця по довжині; м_r - відносна магнітна проникність сталі; м₀ - магнітна стала; r - еквівалентний радіус пошкодженої ділянки; R - опір пакету сталі.

Неоднорідна індукція зумовлює неоднорідне розподілення сил по довжині пазів, а під час обертання якоря - вібрацію переважно підшипникових вузлів. Аналіз реакції підшипникових опор дозволив виявити змінні складові сил, які є причиною вібрації в підшипникових вузлах:

;

;

;

,

де l_1k=l_я/N; l_2k=l_я-l_1k; l_я - загальна довжина якоря; N - кількість елементів зубця по його довжині; Z - кількість зубців; б_j - кут між віссю полюса та пошкодженням.

Аналіз результатів моделювання свідчить, що сили в підшипникових опорах змінюються з подвоєною частотою обертання якоря. При цьому симетричні пошкодження, зсунуті на 180є, не призводять до виникнення змінних некомпенсованих сил, а додаткова вібрація полюсів на порядок менша від вібрації якоря.

В третьому розділі розроблено та досліджено метод визначення номінальних післяремонтних паспортних даних МПС, який ґрунтується на побудові статичних та динамічних теплових моделей з урахуванням розподілу втрат у машині після ремонту.

Розроблено просторову теплову модель структури “зубець - пазова мідь - зубець”, що наведена на рис. 2. Зубець і пазова частина обмотки розділені по довжині якоря на елементарні ділянки з номерами i=1, ... N, де N - кількість елементів якоря по його довжині.

Рис. 2. Просторова теплова схема заміщення структури “зубець - пазова мідь - зубець”

Загальна кількість вузлів у схемі M=3N+3. Вузол з номером M відповідає зосередженим втратам у сталі сердечника якоря, вузли з номерами M+1, M+2 відповідають лобовим частинам обмотки.

Втрати у вузлах теплової схеми заміщення визначаються на підставі наступних залежностей:

- втрати в міді пазової частини обмотки якоря

;

- втрати в міді лобової частини обмотки якоря

,

де ДP_мя - потужність втрат у міді паза; ДP_ст.з1, ДP_ст.з2 - потужність втрат в елементі зубця по довжині якоря; ДP_ст.т - потужність втрат у тілі якоря; - коефіцієнт лобової частини обмотки; l_л - довжина лобової частини обмотки; l_я - довжина пазової частини обмотки.

Теплові опори мають такі позначення: R_сп - опір “зубець - повітря”; R_мп - опір “активна мідь - повітря”; R_мс - опір “активна мідь паза - сталь зубця”; R_зт - опір “сталь зубця - сталь тіла якоря”; R_мм - опір при теплопередачі від міді одного елемента до міді іншого елемента по довжині провідника; R_сс - опір при теплопередачі від сталі одного елемента до сталі іншого елемента по довжині якоря; R_мпл1, R_мпл2 - опір “мідь лобових частин обмотки - повітря”; R_ммл1, R_ммл2 - опір “мідь лобових частин - пазова мідь”.

Для визначення втрат ДP_м в активному опорі обмотки якоря з урахуванням локальних пошкоджень на поверхні якоря при заданій температурі пазової ізоляції и_п визначені модифіковані матриці Л?, P?, які отримані шляхом перетворення системи рівнянь теплового балансу таким чином, щоб температура міді була заданою, а в результаті розв'язання системи знаходились допустимі втрати в елементі секції якоря.

Розроблена модифікована матриця теплових провідностей має вигляд:

Л'=||Л₁ … Л_i E_i+1 Л_i+2…Л_M E_M+1 E_M+2||,

де Л₁, … Л_M+2 - матриці-стовпці вигляду Л_i=||л₁ … л_M+2||^T; i=1, 3, …, M-1;

, при k=1…M+2.

Матриці Л_i, Л_i+2 містять теплові провідності, пов'язані зі сталлю зубців і сердечника якоря; матриці Л_i+1 - з міддю обмотки якоря; матриця Л_M - із сердечником якоря; матриці Л_M+1, Л_M+2 - з лобовими частинами обмотки якоря.

У модифікованій матриці втрат елементи, що відповідають втратам у міді, дорівнюють нулю

P'=||ДP₁ … ДP_i 0 ДP_i+2 … ДP_M 0 0||^T.

У матрицю параметрів, які визначаються, додатково введені втрати в міді

И'=||и₁ … и_i ДP_i+1 и_i+2 … и_M ДP_M+1 ДP_M+2||^T.

Визначення втрат у міді виконується на підставі залежності

, (7)

де и_пов - температура повітря в зазорі машини; и_доп - допустима температура ізоляції; Л0=||л₁₀ … л_(M+2)0||^T - матриця теплових провідностей до базової площини температур. k=2, 5, …, M-2 - набуває значення індексів стовпців із втратами в міді.

Розв'язання системи рівнянь дозволяє визначити допустимі втрати в кожному елементі пазової частини обмотки якоря. Для запобігання перегріву локальних ділянок ізоляції допустима потужність втрат в елементі обмотки ДР_м.д. береться мінімальною з отриманих значень

ДР_м.д.=min{Иґ_k}, (8)

де k=2, 5, 8, ..., M+1, M+2.

З урахуванням розв'язання (7) і (8) визначається потужність втрат у міді обмотки, що забезпечує задану температуру ізоляції обмотки. З отриманого значення потужності втрат ДР_м.д. визначається післяремонтний номінальний струм:

, (9)

де R₀ - початковий опір обмотки якоря; б - температурний коефіцієнт опору матеріалу обмотки якоря; k_п - коефіцієнт, що враховує вплив пульсації струму якоря.

Для режимів роботи S1-S3 розроблено метод визначення паспортних даних МПС. Так, залежність втрат у міді для повторно-короткочасного режиму S3 має вигляд:

(10)

де ДP_м1, ДP_ст1 - втрати в міді та сталі при навантаженні; б₁, б₂ - коефіцієнти тепловіддачі з поверхні якоря в процесі навантаження та в номінальному режимі (враховується їх зміна від частоти обертання); t_p1, t_п1 - час роботи та паузи при навантаженні; t_p, t_п - час роботи та паузи в номінальному режимі; T_Н, T_О - сталі часу нагрівання та охолодження; И_д - допустима температура ізоляції; И_max1 - температура в кінці періоду навантаження; И₀ - температура навколишнього середовища; ДP_{ст н} - номінальні втрати в сталі.

Запропонований у роботі загальний алгоритм визначення післяремонтного номінального струму має наступні операції:

задаються післяремонтні параметри електричної машини (номінальна частота обертання якоря щ_н, допустима температура ізоляції обмотки и_доп та час роботи t_р для короткочасного режиму S2 і тривалість паузи t_п для повторно-короткочасного режиму S3);

виконується навантаження при струмі якоря до (0,75...0,9)I_н при частоті обертання якоря щ₁ з тривалістю вмикання t_р1 та тривалістю паузи t_п1;

обчислюються втрати в сталі при частотах обертання якоря щ₁, щ_н;

обчислюються відношення коефіцієнтів тепловіддачі ₂/₁ в залежності від режиму вентиляції на основі критерію Нуссельта б=kщ^0,8, де k - коефіцієнт, що враховує теплопровідність, теплоємність та кінематичну в'язкість повітря;

визначається розподіл температури і припустимі втрати;

визначаються втрати в міді в післяремонтному номінальному режимі із залежностей (8) і (10);

визначається номінальний струм у відповідності до залежності (9).

Під час визначення післяремонтної потужності електричної машини беремо, що номінальна напруга якірного кола U_ян дорівнює доремонтній, що є умовою забезпечення електричної міцності ізоляції обмотки якоря.

Післяремонтні номінальні параметри визначаються наступним чином:

- електрична потужність

P_не=U_янI_ян;

- частота обертання якоря

;

- потужність електричних втрат

ДP_ел.н=I_ян²R_яУ;

- сумарні втрати

ДP_н=ДP_ст.н(щ_н,I_вн)+ДP_мех.н(щ_н)+ДP_ел.н;

- механічна потужність

P_нм=P_не - ДP_н;

- коефіцієнт корисної дії

,

де kФ - коефіцієнт потоку.

У випадку, якщо номінальна механічна потужність менша, ніж потрібно для робочого механізму, то необхідно вжити додаткових заходів щодо зниження робочої температури ізоляції обмотки якоря:

збільшення інтенсивності охолодження шляхом збільшення частоти обертання вентилятора при незалежній вентиляції або зміною конструкції вентилятора при самовентиляції;

зміна режиму роботи електричної машини (зменшення часу вмикання в режимі S2, зменшення тривалості вмикання в режимі S3).

Залежність для перерахунку тривалості вмикання для режиму S3:

;

,

де t_ц=t_р+t_п - час циклу.

У четвертому розділі виконано розробку та аналіз алгоритмів керування випробувальним обладнанням. Загальна ідея побудови системи керування полягає у тому, що система повинна розраховувати параметри регуляторів на підставі попереднього визначення параметрів випробуваної машини.

В основу визначення електромагнітних параметрів та сталих часу випробуваної машини покладено модель МПС другого порядку:

де u_я - миттєве значення напруги якоря; i_я - миттєве значення струму якоря; R_яУ - опір якірного кола; L_яУ - індуктивність якірного кола; ДP_ст - втрати в сталі; M_нх - момент неробочого ходу; J_У - сумарний момент інерції якоря.

Аналіз функцій чутливості під час моделювання системи дало можливість установити, що індуктивність визначається при мінімальному рівні пульсації напруги якоря, а для визначення активного опору та коефіцієнта kЦ²/J_У необхідно підвищити значення амплітуди пульсації. Достовірність визначення параметрів погіршується при зростанні частоти пульсації більше 300-350 Гц.

Аналіз розроблених методів для визначення втрат та післяремонтних паспортних даних машини дозволив обґрунтувати вимоги до побудови системи керування комплексом діагностики, яка повинна мати контури стабілізації: струму збудження в усіх режимах роботи з похибкою не більше 0,5%, частоти обертання в режимі визначення втрат у сталі з похибкою не більше 0,2%, діючого струму якоря при навантаженні з похибкою не більше 0,5%.

Особливістю системи регулювання швидкості обертання є те, що зворотний зв'язок виконується на основі спектрального аналізу ЕРС якоря, а використання уніфікованих пропорційно-інтегрально-диференціальних регуляторів дає можливість компенсувати затримку сигналу зворотного зв'язку за частотою.

Особливістю контуру стабілізації діючого струму в миттєвих значеннях є його нелінійність, оскільки обчислення сигналу зворотного зв'язку виконується згідно із залежністю

,

де I_я.еф - ефективний струм якоря за період модулюючого сигналу; T - тривалість періоду модулюючого сигналу при динамічному навантаженні, на якому обчислюється діюче значення; t - поточний час.

Для побудови регуляторів та аналізу контур стабілізації діючого струму лінеаризується відносно квадрату струму якоря (рис. 3):

де I_нх - струм неробочого ходу;

;

Щ=1/T - частота модуляції напруги; U₁ - діюче значення змінної складової напруги.

Рис. 3. Структурна схема контуру стабілізації діючого струму

На рис. 3 використано такі позначення: I_з.еф. - завдання ефективного струму якоря; W_РЕС(z) - функція регулятора ефективного струму; - затримка сигналу на період модулюючого сигналу; T_d - період дискретизації.

У розділі розглянуто альтернативний спосіб зменшення температури ізоляції обмотки якоря та підвищення надійності МПС, який полягає в мінімізації втрат під час експлуатації машини шляхом перерозподілу втрат, що залежать та не залежать від навантаження. При цьому використання отриманої моделі втрат у сталі з урахуванням нелінійності кривої намагнічування дозволяє зменшити втрати в якорі на 10...15% порівняно з відомими способами.

Оптимальне значення струму збудження, при якому сумарні втрати мінімальні:

,

де M - момент на валі МПС; k_з - коефіцієнт пропорційності між струмом збудження та магнітним потоком; C₁, C₂, C₃ - коефіцієнти втрат у сталі; R_в - опір обмотки збудження.

У п'ятому розділі вирішено питання розробки апаратної та програмної частини випробувального обладнання. Розроблений алгоритм визначення післяремонтних номінальних параметрів МПС передбачає використання методу динамічного навантаження, що потребує формування складних завдань напруги якоря та струму збудження. Реалізація таких завдань та регуляторів можлива тільки при використанні сучасного комп'ютеризованого обладнання.

У роботі сформульовано основні вимоги до функцій, які виконує апаратна частина обладнання:

формування силових керуючих сигналів;

пряме цифрове керування перетворювачами кіл збудження та якоря;

одночасне вимірювання миттєвих значень струму та напруги.

Програмне забезпечення, крім загальносистемних алгоритмів, що відповідають за функціонування системи в цілому, включає до свого складу підпрограми:

обчислення напруги завдання для силових перетворювачів;

опитування датчиків і первинну обробку інформації;

визначення параметрів електричної машини;

обробку результатів випробувань, підготовку і видачу звітів (оформлення нового паспорта машини).

Структурна схема вимірювально-діагностичного комплексу, яка відповідає висунутим вимогам, зображена на рис. 4.

Рис. 4. Структурна схема вимірювально-діагностичного комплексу

На рис. 4 використано наступні позначення: Т1, Т2 - трансформатори; ТП1, ТП2 - тиристорні перетворювачі; СІФК1, СІФК2 - системи імпульсно-фазового керування; ОЗ - обмотка збудження.

У розділі обґрунтовано вибір випробувального обладнання (блока гальванічного розділення, аналого-цифрового перетворювача тощо), розроблено алгоритм роботи випробувальної станції, що включає наступні операції:

підготовка обладнання до роботи;

перевірка стану кола обмотки збудження двигуна і визначення її параметрів;

визначення параметрів машини у холодному стані до навантаження;

динамічне навантаження;

визначення параметрів машини після навантаження у нагрітому стані;

визначення втрат у сталі;

визначення моменту інерції якоря;

визначення паспортних даних.

У розділі також наведено результати розрахунку економічної доцільності використання діагностичного комплексу. Розрахунковий річний економічний ефект від впровадження системи діагностики і паспортизації машин постійного струму складає 350 тис. грн. при строку окупності нового обладнання 1,5 року, що зумовлено зменшенням повторних ремонтів електричних машин протягом гарантійного терміну.

Висновки

У дисертації вирішено актуальну наукову задачу підвищення якості післяремонтної діагностики та паспортизації МПС на підставі визначення втрат у сталі з урахуванням нелінійності кривої намагнічування та поверхневих пошкоджень зубцевої зони якоря. Результати математичного моделювання з використанням ЕОМ і експериментальні дослідження в лабораторних умовах підтвердили основні теоретичні положення, сформульовані в роботі, й можливість за допомогою незначного ускладнення існуючих систем випробування подовжити час безвідмовної роботи МПС. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки:

Недосконалість технології ремонту МПС призводить до істотного пошкодження пакета сталі якоря, у результаті чого на поверхні якоря утворюються замкнені області з підвищеним рівнем втрат від вихрових струмів, які зумовлюють зміну температурного режиму ізоляції обмотки якоря та зміну магнітного потоку в області пошкодження. Доведено, що існуючі моделі втрат у сталі не можуть використовуватись для відремонтованих МПС, тому що вони отримані для тестового зразка сталі, який за своїми властивостям відрізняється від пакета сталі якоря, і тому не враховують збільшення втрат від вихрових струмів у області пошкоджень зубцевої зони якоря.

Розроблено і науково обґрунтовано реґресійну модель втрат у сталі якоря, що враховує наступні умови роботи пакета сталі якоря в МПС: зміну магнітного потоку на поверхні якоря, викликану його обертанням, наявність локальних пошкоджень на поверхні якоря.

Аналіз сил, що діють на якір машини, дозволяє стверджувати, що наявність замкнених ділянок на поверхні зубцевої зони якоря, які нерівномірно розташовані на поверхні, призводить не тільки до збільшення втрат на вихрові струми, але й до локальної зміни потоку та появи несиметричної системи сил у перетині якоря, дія яких призводить до виникнення періодичних складових реакції підшипникових опор, тобто до додаткової вібрації. Локальне перевищення втрат на 1...2 Вт у пошкодженні розміром 10 мм10 мм призводить до вібрації з віброшвидкістю до 30...40 мм/с, що перевищує допустимі значення. За наявності пошкоджень поверхні пакета сталі в спектрі вібрації підшипникового вузла наявні компоненти з подвійною частотою обертання, а їх фаза визначається розташуванням пошкоджень на поверхні якоря.

Теоретично обґрунтовано теплову модель МПС з урахуванням локальних пошкоджень поверхні пакета сталі якоря, що заснована на двох основних положеннях: втрати в сталі сердечника якоря не змінюються в процесі ремонтних операцій та їх беруть рівними номінальним; втрати, визначені після ремонту, включають, крім втрат у тілі якоря, ще і додаткові втрати у поверхневій зоні зубців, викликані пошкодженнями поверхні якоря.

Теоретично обґрунтовано метод для визначення післяремонтних номінальних параметрів МПС, що оснований на використанні результатів локального тестування сталі якоря, розрахунків за модифікованою моделлю втрат у сталі, що враховує локальні дефекти, і розрахунку температури і теплових сталих часу під час випробувань у режимі динамічного навантаження.

Розроблено алгоритми регулювання, структуру системи керування, виконано аналіз системи з пропорційно-інтегрально-диференціальними регуляторами, синтезованими на базі частотних критеріїв, і доведено, що така система є більш гнучкою в настроюванні, менш чутливою до помилок під час визначення параметрів електричної машини і не вимагає перебудови структури регулятора при зміні режиму роботи випробувального обладнання. Частота обертання якоря для систем регулювання визначається на основі спектрального аналізу напруги якоря.

Доведено, що економічний ефект від застосування системи діагностики і паспортизації машин постійного струму зумовлений зменшенням додаткових ремонтів електричних машин протягом ґарантійного терміну. Розрахунковий річний економічний ефект складає 350 тис. грн. при строку окупності нового обладнання 1,5 року при середній річній кількості електричних машин, що ремонтуються: потужністю до 50 кВт - 270 шт., потужністю до 100 кВт - 270 шт., потужністю понад 100 кВт - 350 шт.

Основні наукові положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах

Родькин Д.И., Хараджян А.А. Инженерно-методологические аспекты допущений в электроприводе // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ, 1999. - Вып. 2/1999(7). - С. 102-106.

Хараджян А.А. Создание систем энергодиагностики двигателей постоянного тока // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ, 2000. - Вып. 1/2000(8). - С. 339-344.

Хараджян А.А., Гладырь А.И., Барвинок Д.В. Экспериментальное определение параметров двигателя постоянного тока методом энергодиагностики // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПУ, 2000. - Вып. 2/2000(9). - С. 266-269.

Барвинок Д.В., Хараджян А.А. Особенности аналого-цифрового преобразования в системах с тиристорным преобразователем // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПУ, 2001. - Вып. 1/2001 (10). - С. 245-247.

Гладырь А.И., Родькин Д.И., Барвинок Д.В., Здор И.Е., Хараджян А.А., Бялобржеский А.В., Огарь А.С., Панченко М.В., Марченко А.Б., Пасмурских А.А., Величко Т.В. Система диагностики и послеремонтной паспортизации электрических машин // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПУ. - Кременчуг: КГПУ, 2001. - Вып. 1/2001 (10).- С. 234-241.

Хараджян А.А. Технология испытания двигателей постоянного тока при использовании компьютеризированного измерительно-диагностического комплекса // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2001. - Вип. 2/2001 (11). - С. 56-58.

Бялобржеский А.В., Хараджян А.А., Величко Т.В. Особенности новых технологий послеремонтных испытаний генераторов постоянного тока // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2001. - Вип. 2/2001(11). - С. 59-63.

Хараджян А.А. Определение и разделение потерь в стали машин постоянного тока // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2001. - Вип. 2/2001 (11). - С. 64-66.

Родькин Д.И., Барвинок Д.В., Хараджян А.А., Бялобржеский А.В., Величко Т.В.Организация измерений в исследованиях электромеханических систем методом энергодиагностики // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2002. - Вип. 1/2002(12). - С. 280-285.

Хараджян А.А. Влияние повреждений в пакете стали на вибрацию подшипниковых узлов машины постоянного тока // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2003. - Вип. 2/2003(19). - Т.1. - С. 171-173.

Пат. 50993А Україна, МКИ G01R31/34/ Спосіб діагностики двигуна постійного струму при післяремонтних випробуваннях та пристрій для його здійснення; Д.Й. Родькин, О.А. Хараджян, Д.В. Барвинок, Панченко М.В., О.С. Огар, Д.Л. Чирва, В.М. Васільєв. (Україна) - №2001117656; Заявл. 08.11.2001. Опубл. 15.11.2002. Бюл. №11.

Родькин Д.И., Хараджян А.А., Михайлов С.В. Диагностика параметров двигателя постоянного тока при испытаниях // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ, 1998. - Вып. 1. - С. 106-116.

Хараджян А.А., Величко Т.В., Королев Ю.Г. Сравнительный анализ методов аппроксимации экспериментальных данных // Проблемы создания новых машин и технологий. Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ, 1999. - Вып. 1. - С. 148-159.

Хараджян А.А., Рашевський М.О. Математична модель двигуна постійного струму з довільним типом збудження // Збірник матеріалів Всеукраїнської студентської науково-практичної конференції “Фізика. Математика. Нові технології навчання”. - Кіровоград: КДПУ, 1999. - С. 24-25.

Хараджян А.А. Использование объектно-ориентированного подхода для моделирования электромеханических систем // Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в природничих науках: Збірник наукових праць. - Кривий Ріг: КДПУ, 2000. - С. 137-140.

Хараджян А.А. Использование объектно-ориентированного программирования для идентификации динамических систем // Комп'ютерне моделювання та інформаційні технології в природничих науках: Збірник наукових праць. - Кривий Ріг: КДПУ, 2000. - С. 141-144.

Анотація

Хараджян О.А. Післяремонтна діагностика та паспортизація машин постійного струму з урахуванням стану пакета сталі якоря. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Кременчуцький державний політехнічний університет, Кременчук, 2004.

Дисертаційна робота присвячена питанням діагностики електричних машин постійного струму, розробці методів їхнього випробування після капітального ремонту з урахуванням зміни властивостей пакета сталі якоря. Визначено узагальнюючі залежності для втрат у пакеті сталі якоря машини постійного струму, що враховують замикання кромок електротехнічної сталі в зубцевій зоні. Обґрунтовано та розроблено метод визначення втрат у сталі якоря машини постійного струму під час післяремонтних випробувань. Визначено ступінь впливу зміни властивостей пакета сталі якоря на вібрацію електричної машини. Розроблено теплову модель машини, яка враховує розподіл втрат від вихрових струмів у зонах пошкодження поверхні зубців. На підставі методу визначення втрат у сталі та теплової моделі розроблено метод визначення післяремонтних номінальних параметрів машини постійного струму. Розроблено алгоритм роботи та обґрунтовані вимоги до випробувального обладнання та системи керування ним.

Ключові слова: післяремонтні випробування, машина постійного струму, втрати у сталі, діагностика, номінальні дані.