Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчуцький державний університет імені Михайла Остроградського

УДК 621.316.9

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПОКРАЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ МОНІТОРИНГУ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПРИВОДА ШЛЯХОМ КОРЕКЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИГНАЛІВ СИЛОВИХ КІЛ

Сидоренко Валерій Миколайович

Кременчук - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Чорний Олексій Петрович, директор Інституту електромеханіки, енергозбереження і систем управління, професор кафедри систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Толочко Ольга Іванівна, завідуюча кафедрою електропривода і автоматизації промислових установок Державного вищого навчального закладу "Донецький національний технічний університет" Міністерства освіти і науки України

- кандидат технічних наук Балахонцев Олександр Васильович, доцент кафедри електропривода Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться 26.11.2010 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 45.052.01 при Кременчуцькому державному університеті імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України за адресою: 39600, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20, корпус № 1, ауд. 1211.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України (39600, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20).

Автореферат розісланий "20.10.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук, доцент А.В. Некрасов

Анотації

Сидоренко В.М. Покращення показників моніторингу систем електропривода шляхом корекції електричних сигналів силових кіл. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи. - Кременчуцький державний університет імені Михайла Остроградського, Кременчук, 2010.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню науково-практичної задачі, що полягає в розробці методів підвищення ефективності процесу моніторингу систем ЕП постійного і змінного струму шляхом забезпечення підвищення точності визначення параметрів ЕП на етапі обробки вимірюваних сигналів за рахунок їх корекції. Досліджені сигнали силових кіл систем ЕП постійного і змінного струму з тиристорними і транзисторними перетворювачами енергії, зокрема ТП-ДПС, ТРН-АД, ШІП-ДПС, ТПЧ-АД з різною частотою модуляції. Обґрунтована необхідність і можливість покращення показників моніторингу систем ЕП шляхом урахування особливостей форми інформативних сигналів напруги і струму в процесі діагностики. Розроблено метод корекції параметрів електричних сигналів силових кіл ЕП з метою підвищення точності визначення параметрів ЕП за рахунок їх паралельного аналізу на періоді повторюваності процесів.

Отримано аналітичні залежності для інтервальної оцінки амплітуд гармонік сигналів струму, напруги та миттєвої потужності в силових колах ЕП з надійністю менше одиниці. Останні визначають номінальні параметри ЕД.

Підвищення точності і вірогідності визначення параметрів систем ЕП у процесі моніторингу досягається при застосуванні запропонованих методів за рахунок зменшення впливу основних похибок систематичного характеру на кожному етапі діагностики.

Ключові слова: моніторинг параметрів електричних двигунів, електромагнітні параметри електропривода, перетворювач енергії, оцінка гармонічних складових, складові миттєвої потужності.

Сидоренко В.Н. Улучшение показателей мониторинга систем электропривода путем коррекции электрических сигналов силовых цепей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. - Кременчугский государственный университет имени Михаила Остроградского, Кременчуг, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению научно-практической задачи, которая заключается в разработке методов повышения эффективности процесса мониторинга систем ЭП постоянного и переменного тока путем обеспечения повышения точности определения параметров ЭП на этапе обработки измерительных сигналов за счет их коррекции.

Исследованы сигналы силовых цепей систем ЭП постоянного и переменного тока с тиристорными и транзисторными преобразователями энергии, в частности ТП-ДПТ, ТРН-АД, ШИП-ДПТ, ТПЧ-АД с разной частотой модуляции. Обоснована необходимость и возможность улучшения показателей мониторинга систем ЭП путем учета особенностей формы информативных сигналов напряжения и тока в процессе диагностики.

Выполнен анализ существующих методов определения параметров ЭП и влияния точности их оценки на определение их предполагаемых характеристик в процессе эксплуатации. Показано, что измеряемые сигналы тока и напряжения в таких системах в связи с импульсным управлением имеют разрывной характер с однотипными особенностями: крутые фронты в сигналах напряжения и изломы в сигналах тока, которые в условиях аналогово-цифрового преобразования являются причиной возникновения существенных погрешностей, в частности, в оценках амплитуд гармоник от 5 до 100%. Показано, что последние могут приводить к аналогичным ошибкам систематического характера при определении параметров ЕП и их накоплению в процессе решения задач мониторинга.

Обоснована возможность и разработан метод коррекции параметров разрывных электрических сигналов силовых цепей ЭП путем уточнения моментов разрывов. При этом достигается уменьшение ошибки дискретизации при определении оценок амплитуд гармоник и действующих значений сигналов. Необходимую для этого информацию несут в себе значения первых производных экстраполяционных функций непрерывных участков сигнала тока. Исследования показали, что в отличие от методов усреднения по ансамблю и по времени, предлагаемый метод позволяет получить более эффективные оценки амплитуд сигналов тока, напряжения и мгновенной мощности, как основных информативных параметров моделей для расчета электромагнитных параметров схемы замещения ЭП. При этом одновременный анализ параллельно записанных участков тока и напряжения длиной в один период повторяемости процессов низкой дискретности позволяет уменьшить так же влияние как низкочастотных трендов, так и высокочастотных шумов в исследуемых сигналах.

Разработан и предложен для практического применения метод оценки гармонических составляющих мгновенной мощности на основе дискретной свертки спектров сигналов тока и напряжения с предыдущей фазовой коррекцией сигнала напряжения. Предложенный, в отличие от известных методов, позволяет осуществить не только количественную оценку, но и синтез символьных выражений, которые объясняют механизм формирования гармонических составляющих сигнала мгновенной мощности, что необходимо учитывать при исследовании энергетических процессов в ЭП.

Получены аналитические зависимости для интервальной оценки амплитуд косинусных и синусных составляющих полигармонических сигналов тока, напряжения и мгновенной мощности в силовых цепях ЭП, которые, в отличие от существующих подходов, позволяют установить с заданной надежностью менее единицы значимые гармоники. Последние определяют номинальные параметры ЭД. Повышение точности и достоверности определения параметров систем ЭП в процессе их мониторинга достигается применением предложенных методов за счет уменьшения влияния основных погрешностей систематического характера на каждом этапе диагностики.

Проведены исследование математического и программного обеспечения для реализации разработанных методов на лабораторном исследовательском комплексе, которые доказали их корректность и адекватность, а, также, целесообразность их использования на промышленных предприятиях.

Ключевые слова: мониторинг параметров электрических двигателей, электромагнитные и электрические параметры двигателей, преобразователь энергии, оценки гармонических составляющих, составляющие мгновенной мощности.

Sydorenko V. M. Improvement of Monitoring Parameters of the Electric Drive Systems When Correcting the Electric Signals of Power Circles. Manuscript.

Theses for a scientific degree of the candidate of technical sciences in speciality 05.09.03 - Electrical Complexes and Systems. - Krementchuk Mykhajlo Ostrogradskiy State University, Krementchuk, 2010.

The thesis deals with methods of increasing the efficiency of monitoring of the AC and DC electric drive systems when providing more accurate determination of electric drive parameters on the stage of measureable signals processing due to their correction.

Investigated signals of power circles of the AC and DC electric drive systems with tiristor and transistor converters, in particular, TC-DCM, TVR-IM, PWC-DCM, TFC-IM with various modulation frequency. It has been grounded the necessity and possibility to improve the monitoring parameters of the electric drive systems taking into account the form of informing voltage and current signals in the process of diagnostics. The method of correction of electric signals parameters of electric drive power circles has been developed to increase the accuracy of electric drive parameters determination due to their parallel analysis on the period of processes recurrence.

The analytical dependences have been obtained for the interval estimation of current, voltage and instantaneous power harmonic amplitudes in the power circles of electric drive with reliability less than a unit. The last determine the nominal parameters of electric drive.

The increase of accuracy and authenticity of the electric drive systems parameters determination in the monitoring is possible when applying the offered methods due to decreasing the systematic basic errors influence on every stage of diagnostics.

Keywords: monitoring of electric motor parameters, electromagnetic parameters of electric drive, energy converter, estimation of harmonic components, components of instantaneous power.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Останнім часом все більшої значимості набуває проблема визначення стану і ресурсу роботи електромеханічного обладнання систем електроприводу (ЕП). Окремими постановами Кабінету міністрів України передбачено створення відповідних підрозділів й установ, які повинні здійснювати моніторинг електромеханічних систем (ЕМС). Розробка і впровадження комп'ютеризованих засобів моніторингу систем ЕП у процесі їх функціонування є одним з науково-технічних напрямків, спрямованих на подовження їх терміну експлуатації.

Процес моніторингу систем ЕП потребує, в першу чергу, запровадження систем об'єктивної оцінки поточного стану ЕП й діагностики його параметрів протягом всього циклу експлуатації і переважно визначається наступними показниками: об'ємом необхідної інформації, швидкістю її обробки, точністю оцінки поточного і майбутнього станів ЕМС. Швидкий розвиток мікропроцесорної техніки на даний час дозволяє виконати синтез підсистеми діагностики на основі комп'ютеризованих вимірювально-діагностичних комплексів (ВДК) як стаціонарного, так і мобільного типів.

Один з відомих підходів діагностування роботи систем ЕП як постійного, так і змінного струму ґрунтується на аналізі енергетичних процесів, що відбуваються в ЕМС. Такий аналіз будується на знанні складових миттєвої потужності в силовому колі ЕП при живленні його від джерела полігармонічної напруги.

Невід'ємними складовими сучасних вентильних приводів постійного й змінного струму є перетворювачі енергії (ПЕ) - імпульсні регулятори напруги (ІРН), тиристорні перетворювачі (ТП) та тиристорні або транзисторні регулятори напруги (ТРН) чи частоти (ТПЧ), широтно-імпульсні перетворювачі (ШІП). Установлено, що вищеназвані ПЕ можуть виступати як джерела полігармонічної напруги, суттєво спрощуючи реалізацію ВДК.

Проте, детальний аналіз свідчить, що вимірювані сигнали струму й напруги в системах з вентильними перетворювачами мають розривний характер з однотипними особливостями: круті фронти в сигналах напруги і злами в сигналах струму, які за умов аналогово-цифрового перетворення стають причиною виникнення суттєвих похибок в оцінках їх інформативних параметрів, зокрема амплітуд гармонік. Останні можуть призводити до аналогічних похибок систематичного характеру при поточному визначенні параметрів ЕП та їх накопиченню, погіршуючи точність прогнозу майбутнього стану ЕМС.

У зв'язку з вищевикладеним, проведення досліджень з метою обґрунтування й розробки методології підвищення точності і вірогідності визначення параметрів систем ЕП у процесі їх поточної діагностики за рахунок корекції вимірюваних в силових колах сигналів струму, напруги та миттєвої потужності є актуальною науковою задачею, розв'язання якої дозволить суттєво покращити показники процесу моніторингу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складають результати досліджень, проведених автором протягом 2000-2009 років. Робота відповідає вимогам Закону України "Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки", зокрема п. 6 статті 7 "Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі" та направленості тематики науково-дослідних робіт кафедри систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського. В основу дисертації покладені результаті науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, виконаних за участю автора у Кременчуцькому державному університеті імені Михайла Остроградського у відповідності з темами: 3Д/99-АПП, №0199V004068 "Дослідження і розробка теорії енергозбереження й енергозберігаючого електромеханічного устаткування" і 7Д/01-ЦЕНТР, №0103U000804 "Дослідження та розробка систем енергомоніторингу електромеханічного обладнання промислових підприємств".

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є покращення показників процесу моніторингу систем електропривода в процесі його експлуатації за рахунок корекції інформативних параметрів вимірюваних в силовому колі сигналів струму, напруги та миттєвої потужності.

Для досягнення мети поставлені та розв'язані такі задачі:

- аналіз процесу моніторингу електромеханічних систем і обґрунтування вимог до його показників;

- аналіз особливостей сигналів струму, напруги та миттєвої потужності у силових колах систем електропривода постійного і змінного струму;

- аналіз особливостей вимірювання параметрів сигналів струму та напруги у силових колах систем електропривода, дослідження їх впливу на точність визначення параметрів двигунів;

- розробка методів корекції часових і частотних характеристик вимірюваних сигналів струму, напруги та миттєвої потужності;

- розробка і дослідження методів, алгоритмів та обчислювальних процедур для розрахунку параметрів миттєвої потужності;

- проведення експериментальних досліджень і аналіз результатів оцінки параметрів систем електропривода з корегованими сигналами струму і напруги.

Об'єктом дослідження є процеси перетворення енергії в електроприводах постійного та змінного струму.

Предметом дослідження є часові залежності струму, напруги та миттєвої потужності у силових колах систем електропривода.

Методи досліджень. При виконанні поставлених задач використовувались: загальна теорія електроприводу, теорія силової перетворювальної техніки, теорія автоматичного управляння електроприводами, методи математичного моделювання, теорії ймовірностей та математичної статистики, обробки сигналів, обчислювальної математики, методи спектрального аналізу, методи вимірювання та обробки даних, експериментальні дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше доведена можливість покращення показників моніторингу систем електропривода шляхом врахування особливостей електричних сигналів імпульсних перетворювачів енергії, що мають розривний характер;

- теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість здійснення корекції дискретних сигналів струму та напруги силових кіл систем електропривода шляхом застосування кусково-неперервної інтерполяції та екстраполяції на основі інформації, яку несе дискретний сигнал струму, що, на відміну від відомих раніше методів, дозволяє підвищити точність визначення параметрів схеми заміщення електропривода;

- вперше отримано аналітичні вирази для інтервальних оцінок параметрів дискретних сигналів струму, напруги та миттєвої потужності силових кіл систем електропривода з надійністю менше одиниці, що, на відміну від існуючих підходів, дозволяє забезпечити визначення еквівалентних параметрів електропривода на основі значимих гармонічних складових і тим самим підвищити вірогідність результатів моніторингу.

Практичне значення одержаних результатів.

Представлені в дисертаційній роботі теоретичні розробки дозволили:

- розробити і рекомендувати до застосування математичне та прикладне програмне забезпечення систем моніторингу систем ЕП як постійного, так і змінного струму в процесі їх експлуатації на промислових підприємствах металургійної, гірничовидобувної, електромашинобудівної галузей та транспорту;

- підвищити ефективність і надійність експлуатації ЕП як постійного, так і змінного струму шляхом підвищення точності і вірогідності визначення електромагнітних параметрів ЕД систем ЕП у процесі їх експлуатації, особливо в післяремонтний період, за рахунок використання розроблених у роботі методів і алгоритмів, що ґрунтуються на застосуванні корекції інформативних сигналів на етапі їх обробки;

- запропонувати спосіб автоматизації процесу не тільки кількісної оцінки, але й якісного аналізу механізму формування гармонічних складових як функцій амплітуд сигналів струму і напруги в процесі визначення параметрів ЕП, використовуючи запропоновані методи, алгоритми та програмне забезпечення для розрахунку складових сигналу миттєвої потужності.

Результати роботи пройшли експериментальну перевірку в умовах дослідних лабораторій Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського та прийняті для впровадження до складу математичного та програмного забезпечення системи моніторингу ЕП постійного і змінного струму на ЗАТ "Електронні технології" (м. Кременчук) та системи контролю роботи частотнорегульованого електропривода дуттьового вентилятора цеху виробництва окатишів ВАТ "Полтавський ГЗК" (м. Комсомольськ).

Теоретичні результати роботи та розроблене програмне забезпечення використовується в навчальному процесі на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода КДУ імені Михайла Остроградського з дисциплін "Моделювання електромеханічних систем", "Системи управління електроприводами", при виконанні курсового і дипломного проектування у підготовці фахівців зі спеціальностей "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод", "Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв".

Особистий внесок здобувача. Здобувач самостійно сформулював задачі дослідження, наукову новизну отриманих результатів, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [1, 2] - досліджені похибки гармонічного аналізу сигналів силових кіл електричних приводів постійного та змінного струмів; [3] - розроблено метод для корекції часових і частотних характеристик вимірюваних сигналів струму, напруги та миттєвої потужності силових кіл систем електропривода; [4] - здійснено синтез алгоритмів корекції дискретних сигналів струму і напруги силових кіл ЕП з використанням запропонованого методу; [5] - отримані співвідношення для оцінок характеристик абсолютних похибок вимірювання миттєвих значень та амплітуд гармонічних складових струму, напруги, миттєвої потужності силових кіл ЕП; [6, 7, 14] - запропоновано метод та принципи кількісної оцінки й механізму формування гармонічних складових сигналу миттєвої потужності силових кіл ЕП при вирішенні задач моніторингу систем ЕП; [9] - досліджені способи підвищення точності визначення електромагнітних параметрів АД систем ЕП з використанням методів і алгоритмів корекції сигналів струму і напруги, а також [10] - досліджено підвищення точності визначення параметрів ДПС систем ЕП з використанням запропонованих методів і алгоритмів корекції сигналів струму і напруги; [11] - запропоновано метод отримання стійких оцінок еквівалентних параметрів ЕП при його пуску і в процесі роботи як координат особливих точок фазового портрету сигналів струму і напруги; [13] - здійснено синтез алгоритмів корекції сигналів струму, напруги та миттєвої потужності силових кіл ЕП, викладені частини коду програми; [15] - запропоновано спосіб вимірювання параметрів тиристорних електроприводів та виконано синтез функціональної схеми пристрою для його реалізації; [16] - запропоновано ідею методу корекції часових і частотних характеристик вимірюваних сигналів струму, напруги та миттєвої потужності силових кіл систем електропривода.

Апробація результатів. Основні наукові положення і результати дисертаційної роботи доповідались автором на міжнародних науково-технічних конференціях: "Проблеми створення нових машин і технологій" (м. Кременчук, КДПУ, 2001 р.), "Контроль і управління в складних системах" (Вінниця, 2001 р.). "Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації" (м. Кременчук, КДПУ, 2002-2005 рр.); наукових семінарах при кафедрі САУЕ КДУ імені Михайла Остроградського протягом 2000-2009 років; науково-технічних семінарах Інституту електромеханіки, енергозбереження та систем управління "Електромеханіка, проблеми енергоперетворення та енергоресурсозбереження" КДУ імені Михайла Остроградського при Науковій Раді НАН України з комплексної проблеми "Наукові проблеми електроенергетики".

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 наукових праць, з них 12 - статті у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 1 патент на винахід, 2 свідоцтва про реєстрацію авторського права на службовий твір, 1 тези доповідей. Дві наукові роботи опубліковані без співавторів.

Структура і обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 248 сторінок друкованого тексту та містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаних джерел і 3 додатки. Основну частину викладено на 169 сторінках. Список використаних джерел включає 111 найменувань та займає 12 сторінок. Дисертація містить 136 рисунків і 36 таблиць, з них 35 рисунків та 20 таблиць повністю займають 55 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і показано зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету та основні задачі дослідження, наведено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, рівень апробації одержаних результатів, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі здійснено аналіз існуючих проблем та особливостей процесу моніторингу систем ЕП. Показано, що у запровадженні системи довготривалих спостережень у просторі й часі з метою оцінки параметрів досліджуваного об'єкта в динаміці й прогнозування їх змін при подальшій експлуатації, на перший план виходить проблема забезпечення якості вимірювальної інформації. Установлено, що головними чинниками, які зумовлюють зниження показників точності і вірогідності оцінок параметрів схеми заміщення, є розмірність вектора діагностичних показників і накопичення систематичних складових між інтервалами вимірювань.

На основі проведеного огляду й аналізу існуючих методів і підходів стосовно діагностики параметрів ЕД зроблено висновок, що необхідним і достатнім джерелом інформації для оцінки систем ЕП як постійного так і змінного струму, є миттєві значення струму й напруги в силовому колі при живленні від імпульсних перетворювачів енергії. На основі миттєвих значень виконується оцінка амплітудних складових струму, напруги та миттєвої потужності як інтегральних діагностичних показників і які виступають в якості вхідних параметрів розрахункових рівнянь.

Зазвичай напруга на виході перетворювача - імпульсного регулятора напруги (ІРН), тиристорного перетворювача (ТП) та тиристорного або транзисторного регулятора напруги (ТРН) або перетворювача частоти (ТПЧ) - являє собою у часовій області сигнал з розривами, спектр якого є полігармоничним. Розривний характер сигналів у процесі дискретизації може призводити до суттєвих похибок гармонічного аналізу, що безпосередньо впливає на точність визначення параметрів ЕД і їх передбачувані характеристики в процесі експлуатації.

На прикладі АД показано, що рівень похибок при визначенні оцінок його електромагнітних параметрів, наприклад у 5..10%, породжують аналогічні похибки у визначенні номінальної швидкості обертання та максимального електромагнітного моменту. Обґрунтовано структуру ВДК для системи діагностики, моніторингу, випробування і стану електромеханічного обладнання.

На основі проведеного аналізу сучасного стану досліджуваної проблеми сформульовано задачі дисертаційної роботи, в яких увагу сконцентровано на розробці методів та алгоритмів корегування вимірювальних сигналів струму і напруги з метою підвищення точності визначення оцінок параметрів ЕД систем ЕП.

У другому розділі досліджено особливості полігармонічних сигналів струму та напруги ЕП постійного й змінного струму відповідно з тиристорним та імпульсним перетворенням і регулюванням напруги. Встановлено, що кількісно-якісний склад гармонік сигналів, необхідний для розрахунку параметрів електромеханічної системи, суттєво залежить від режимів регулювання.

Шляхом математичного моделювання досліджені похибки дискретизації гармонічного аналізу низки простих сигналів, які є елементарними складовими сигналів у системах ТП-ДПС, ШІП-ДПС, ТПЧ-АД, ТРН-АД та ін. Показано, що похибка гармонічного аналізу сигналів з непарною симетрією та розривами першого роду сягає 1..10% і більше для значимих гармонік.

Шляхом математичного моделювання встановлено, що похибки гармонічного аналізу сигналів струму, напруги та миттєвої потужності як у ЕП постійного, так і змінного струму суттєво залежать від номера гармоніки. Амплітудна похибка на значимих гармоніках сягає від 1..5% до 30..100%, при режимах дискретизації відповідно , для АЦП з мультиплексором зі швидкодією та , , для АЦП з мультиплексором зі швидкодією . Доведено, що одним із суттєвих факторів, обумовлюючих формування амплітудних похибок, є розривний характер сигналів внаслідок імпульсного регулювання.

Також показано, що цифрове вимірювання сигналів у замкнутих системах управління породжує при певних режимах похибки діючих значень струмів і напруг у системах ЕП постійного і змінного струму з тиристорними перетворювачами до , а у системах ЕП постійного і змінного струму з транзисторними перетворювачами в залежності від частоти модуляції для ШІП-ДПС при Гц складає 27..58%, при Гц - 26..38%; для ПЧ-АД з ШІМ вихідної напруги АІН 1..27% і 1..21% відповідно.

Проаналізовані методи ідентифікації електромагнітних параметрів ЕД ЕП і показано, що найбільшу точність мають методи на основі косинусних і синусних гармонічних складових.

Обґрунтовано структуру моделей формування похибок дискретизації ої косинусної і синусної складових гармонічного аналізу розривних сигналів напруги, струму та миттєвої потужності вентильних ЕП як функцій трьох змінних: похибки, викликаної апроксимацією сигналу на його гладких ділянках (, ); похибки через відсутність синхронізації моментів розриву сигналу та дискретних відліків (,) і похибки, викликаної неточністю визначення періоду (,):

; (1)

. (2)

Показано, що складові , вносять найбільший вклад у формування сумарних похибок (1)-(2). Цифри в легенді відповідають різному положенню фронтів.

Дослідженнями виявлено, що зміна кута управління майже не впливає на величину похибки, а метод усереднення не дає бажаного результату щодо зменшення її величини внаслідок систематичності характеру похибок дискретизації (1), (2).

За результатами досліджень та виконаного аналізу доведено доцільність розробки методів корекції параметрів сигналів струму та напруги.

У третьому розділі роботи висвітлені методи корекції параметрів сигналів струму та напруги ЕП, які дозволяють підвищити точність і вірогідність оцінки параметрів ЕД системи ЕП у процесі моніторингу їх параметрів.

Обґрунтовано підходи щодо уточнення оцінки моментів часу перемикання вентилів у сигналах струму та напруги вентильних приводів постійного і змінного струму з метою зменшення похибок (1), (2).

Нехай для електромеханічної системи з вентильним ЕП має місце ситуація де - моменти перемикання вентилів. У ці моменти напруга зазнає стрибок, а сигнал струму - злам. На практиці у дискретному сигналі значення реальних моментів довільно змінюються від досліду до досліду і є невідомими. У зв'язку з цим для їх оцінки запропоновано використання більш інформативного сигналу струму, запис якого здійснюється паралельно з сигналом напруги і який у момент стрибка напруги зазнає злам. Доведено, що для оцінки вищезазначених моментів можливо використовувати точку перетину екстраполяційних кривих гладких ділянок сигналу струму, на яких перша похідна неперервна. В найпростішому варіанті - за допомогою лінійної інтерполяції за чотирма точками. За допомогою застосування методів планування повного факторного експерименту встановлено, що спосіб інтерполяції гладких ділянок сигналу, їх форма і взаємне розташування, а також величина інтервалу дискретизації , на точність оцінок вищезазначених моментів не впливають. Показано, що для інтервалу сигналу з кількістю відліків на періоді повторюваності процесів, що відповідає реальному процесу вимірювання, в широкому діапазоні зміни значення першої похідної абсолютна похибка оцінок за даним методом і складає долі 1%.

На основі запропонованого підходу виконано синтез моделі (3)-(5) похибки дискретизації, яка дозволяє здійснити її оцінку з подальшим виключенням останньої шляхом корекції сигналів.

Припустимо, що сигнали напруги і, відповідно, струму на періоді повторюваності процесів мають розривів. Запишемо вирази для розривних сигналів струму і напруги у вигляді:

, ;

, .

Тоді для підінтегральної функції у виразі для оцінки амплітуди -ої косинусної гармоніки ряду Фур'є на прикладі сигналу напруги можна записати:

, .

У моделі (1) формування похибок

сумарна компонента, викликана похибкою десинхронізації і похибкою оцінки періоду , буде мати вигляд:

; (3)

; (4)

(5)

де - вектор параметрів синхронізації; - вектор оцінок моментів розриву; , - набір пар відліків, між якими знаходяться розриви сигналів; - момент початку реєстрації сигналу.

Модель для синусних складових має аналогічний вигляд. Тому застосування запропонованого методу корекції з оцінками (4) для визначення (5) дає можливість визначити (3) і виконати синтез інтегратора з корекцією решітчастої підінтегральної функції, якщо має місце паралельний аналіз сигналу струму і напруги вентильного ЕП.

У розділі на основі моделі (3)-(5) було здійснено синтез відповідних алгоритмів і процедур. Застосування даного методу й алгоритму дозволяє:

1) синхронізувати моменти відліків з моментами перемикання вентилів, зводячи до мінімуму компоненти похибок , , , ;

2) уточнити період сигналу , у результаті чого мінімізувати компоненти похибок , , , ;

3) зменшити складові похибок , , , .

Таким чином створюються умови для мінімізації сумарних похибок дискретизації (1)-(2) й підвищення точності визначення оцінок амплітуд гармонічних складових.

Аналіз одержаних значень відносних похибок гармонічного аналізу до і після корекції сигналів струму та напруги в системі ТП-ДПС для значень кута управління показав, що застосування даного методу дозволяє зменшити відносні похибки оцінок значень амплітуд косинусних, синусних складових значимих гармонік та діючих значень на один-два порядки. електропривід моніторинг струм сигнал

Аналогічні висновки можна зробити також стосовно сигналів у системах ТРН-АД.

При цьому мають місце наступні похибки оцінок еквівалентних електромагнітних параметрів системи електропривода з АД (згідно з відомою методикою на основі рівнянь енергетичного балансу): індуктивності контуру намагнічування , активного опору і індуктивності обмотки ротора та індуктивності силового кола ЕП - . Застосування методу корекції в усіх розглянутих випадках є ефективним і дає змогу практично зменшити вищезазначені похибки.

У розділі проведено порівняння показників точності оцінок амплітуд, отриманих методом усереднення, з методом корекції. Емпіричним шляхом установлено, що з трьох точкових оцінок амплітуд гармонік (середньої за ансамблем, середньої за часом та запропонованої) найбільш ефективною виявилась запропонована, яка для досягнення певної точності потребує приблизно у 5 разів менший об'єм вибірки.

Приведені результати порівняння методів усереднення та корекції за показником відносних похибок гармонічного аналізу до і після корекції сигналів струму та напруги в системі ТП-ДПС при значенні кута управління ,. Дискретність за алгоритмом корекції - . Дані наведено виключно для значимих гармонік.

Нижче показано, що зі збільшенням кількості періодів спостерігається зменшення відносної похибки, що підтверджує обґрунтованість оцінки амплітуди. Проте навіть при кількості вимірювань

значення похибок помітно перевищують похибки (пунктирна лінія) після застосування методу корекції при вимірах (по одному періоду сигналі струму і напруги).

Виконані дослідження свідчать про доцільність застосування методу корекції особливо в умовах великої дискретності і малої кількості вимірювальної інформації.

Четвертий розділ дисертації присвячено розробці удосконалених обчислень методів і алгоритмів розрахунку амплітуд гармонічних складових сигналу миттєвої потужності як функції амплітудних значень струму і напруги. Як було показано вище, для розв'язання багатьох задач діагностики в процесі моніторингу на основі аналізу енергопроцесів силових кіл ЕП необхідна не тільки їх кількісна оцінка, але й знання механізму формування гармонічних складових миттєвої потужності.

В основу розробленого методу розрахунку амплітудних значень миттєвої потужності покладено відому з теорії сигналів теорему про згортку, суть якої полягає в тому, що перетворення Фур'є (ПФ) добутку двох сигналів є згортка їх ПФ. Таким чином, якщо решітчасті періодичні функції з періодом , отримані шляхом дискретизації за часом з інтервалом , та їх дискретне ПФ (ДПФ) відповідно матимуть вигляд:

, ; (9)

, ; (10)

, , (11)

де - кількість відліків на період; ; - номер комплексної гармоніки, тоді ДПФ сигналу потужності буде обчислюватись за формулою дискретної кругової згортки з урахуванням парної симетрії косинусної і непарної симетрії синусної компоненти у вигляді:

, (12)

де - комплексно-спряжене для -ї гармоніки.

Якщо позначити як косинусні і синусні амплітуди -ої гармоніки струму, напруги і потужності, відповідно, і скористатися властивістю білінійності згортки остаточно отримаємо:

; (13)

. (14)

У розділі на окремих прикладах показано, що отримані математичні співвідношення (13)-(14) дозволяють отримати функціональні залежності амплітуд гармонік миттєвої потужності як функцій амплітуд косинусних і синусних складових сигналів струму і напруги.

Коректний розрахунок косинусних та синусних складових амплітуд сигналу миттєвої потужності на основі знання згідно з виразами (13) і (14), вимагає виконання умови , тобто, рівність нулю фази першої гармоніки у випадку представлення сигналу напруги у вигляді

.

Пропонується для практичного застосування метод корекції сигналу напруги за фазою, згідно з яким на початку застосування (13), (14) дискретний сигнал напруги необхідно зсунути на число дискретних значень у відповідності із с співвідношенням:

, (15)

де - ціла частина числа.

Другу половину розділу присвячено питанням визначення показників точності оцінок параметрів сигналів струму, напруги і миттєвої потужності. Отримано аналітичні залежності для інтервальної оцінки амплітуд косинусних і синусних складових сигналів струму, напруги та миттєвої потужності в системах з полігармонічним живленням, які дозволяють встановити з заданою надійністю менше одиниці значимі гармоніки. Статистично значимі оцінки амплітуд гармонік визначають номінальні параметри ЕД.

За допомогою отриманих аналітичних залежностей доведено, що СКВ випадкових складових сумарної похибки миттєвих значень та амплітуд косинусних і синусних складових сигналів потужності у системах вентильного приводу на відміну від сигналів струму та напруги є функціями миттєвих значень сигналів струму та напруги і залежить від номера гармоніки.

На основі проведених у розділі досліджень зроблено висновок, що в процесі моніторингу параметрів ЕД систем ЕП як постійного, так і змінного струму на кожному етапі діагностики в першу чергу необхідно враховувати і виключати систематичні складові похибок параметрів сигналів струму та напруги, а також сигналів миттєвої потужності, зумовлених їх розривним характером, які суттєво перевищують випадкову складову, з обов'язковим застосуванням відмічених вище методів корекції сигналів. Без проведення відповідної корекції відбувається накопичення похибок, що суттєво впливає на точність і достовірність оцінки поточного стану та прогнозу досліджуваного ЕД.

На основі отриманих аналітичних співвідношень здійснено синтез алгоритмів, які покладено в основу відповідних процедур програмного забезпечення ВДК системи моніторингу з метою автоматизації розрахунку їх електромагнітних параметрів.

У п'ятому розділі роботи висвітлені результати експериментальних досліджень і апробації основних положень дисертаційної роботи.

Перевірка розробленого математичного та програмного забезпечення, покладеного в основу рекомендованих методів, проводилась із застосуванням комп'ютеризованого ВДК. У розділі сформульовано вимоги щодо його функціонування, визначено структуру, здійснено обґрунтування та розробку апаратно-програмного забезпечення.

У розділі викладено програму експериментальних досліджень, відповідно до якої було проведено низку вимірювань сигналів струму і напруги в якірному колі ЕП за системою ТРН-ДПС серії П-12 і статорному колі ЕП за системою ТРН-АД з АД серії 4АXБ 2П 100L.

Вимірювання миттєвих значень струму і напруги в якірному колі ДПС здійснювались при мкс і значеннях кута управління , після чого виконувалась корекція сигналів струму і напруги методом, викладеним у розділі 3. Після цього проводився розрахунок активного опору якоря та індуктивності якірного кола ДПС згідно з вибраною методикою як з використанням дискретних значень нескорегованого сигналу, так і скорегованого. Результати оцінювались шляхом порівняння значень оцінок коефіцієнта детермінації ліній регресії, структура якої задана даною методикою.

Як показав аналіз результатів, застосування методу корекції сигналу струму у даному випадку дозволяє підвищити точність визначення параметрів ДПС. Їх підстановка у якості параметрів рівняння регресії забезпечує підвищення точності апроксимації сигналу струму, про що свідчить відповідні дані оцінки коефіцієнта детермінації (+1..2%).

Експериментальні дослідження ЕП за системою ТРН-АД серії 4АXБ 2П 100L підтвердили наявність виникнення відносних похибок оцінок амплітудних значень складових сигналів струму та напруги порядку 5..130% на нижніх значимих гармоніках з номерами 1, 3, 5 при значеннях кута управління та режимах дискретизації мкс, що відповідає реальним режимам настройки АЦП з мультиплексором у багатоканальному режимі роботи.

Для розрахунку електромагнітних параметрів вимірювання миттєвих значень струму і напруги виконувалось у квазісталих режимах за різних значень інтервалу дискретизації та значенні кута керування . Значення вибране як середина оптимального з точки зору забезпечення необхідного гармонічного складу напруги та струму при одночасному забезпеченні струмового завантаження обмоток машини на заданому рівні для отримання ненасичених значень індуктивного опору при живленні від промислової мережі без використання трансформаторного обладнання.

Розрахунок виконувався за відомою методикою, згідно з якою для визначення електромагнітних параметрів схеми заміщення АД складається система рівнянь енергетичного балансу гармонічних складових миттєвої потужності на джерелі живлення і елементах схеми заміщення.

Аналіз розрахунків електромагнітних параметрів досліджуваного АД показав, що оцінки параметрів активних опорів є практично незмінними і не залежать від значення інтервалу дискретизації. При цьому оцінки параметрів індуктивних опорів досить чутливі до значення інтервалу дискретизації.

Особливе значення набуває параметр , похибка визначення якого є найбільшою для всіх розглянутих режимів: . Однак застосування методу корекції забезпечує відчутний ефект у всіх випадках і дає змогу знизити похибку дискретизації з 2..8% до 0,5..4%.

Аналіз результатів проведених досліджень підтверджує правомірність і адекватність розроблених методів підвищення точності оцінки параметрів ЕД систем ЕП як постійного, так і змінного струму в процесі моніторингу їх стану.

Висновки

У дисертаційній роботі на основі отриманих теоретичних і прикладних результатів розв'язано актуальну наукову задачу покращення показників процесу моніторингу систем електропривода постійного і змінного струму шляхом забезпечення підвищення точності визначення параметрів на етапі обробки вимірюваних у силових колах сигналів за рахунок їх корекції.

Результати проведених досліджень дозволили зробити наступні висновки:

1. Обґрунтована необхідність і можливість покращення показників моніторингу систем ЕП шляхом урахування особливостей форми інформативних сигналів напруги і струму в їх силових колах.

2. Розривний характер дискретних сигналів струму та напруги силових кіл ЕП як постійного, так і змінного струму при використанні їх в якості інформативних у процесі діагностики суттєво впливає на точність визначення електромагнітних параметрів ЕП і, як наслідок, на їх передбачувані характеристики у процесі експлуатації. Показано, що похибки, викликані дискретизацією, в оцінках амплітуд гармонік вищезазначених сигналів у межах 3..30% породжують похибки в інтервалі 1,5..13% в оцінках електромагнітних параметрів схем заміщення ЕД.

3. Встановлено, що похибки гармонічного аналізу розривних сигналів струму, напруги та миттєвої потужності силових кіл ЕП як постійного, так і змінного струму при рівних існуючих на практиці режимах дискретизації значною мірою залежать від номера гармоніки і коливаються в межах 1..100%. Даний факт може бути причиною виникнення недостовірних результатів у окремих випадках при використанні оцінок амплітуд гармонік для визначення параметрів ЕД у процесі їх моніторингу.

4. Обґрунтовано факторну структуру і виконано аналіз і синтез моделі формування похибки дискретизації гармонічного аналізу сигналів напруги, струму та миттєвої потужності силових кіл ЕП, як функцій трьох змінних: похибки, викликаної апроксимацією сигналу на його гладких ділянках; похибки, викликаної відсутністю синхронізації моментів часу розриву сигналу та дискретних відліків; похибки, викликаної неточністю визначення періоду.

5. Обґрунтована можливість і розроблено метод корекції параметрів сигналів струму і напруги силових кіл ЕП, котрий забезпечує зменшення похибки дискретизації на 0,1..30% і підвищення точності визначення електромагнітних параметрів схем заміщення на 0,5..4% за рахунок проведення їх паралельного аналізу на періоді повторюваності процесів шляхом уточнення моментів розривів. Виявлено, що необхідну для цього інформацію несуть у собі значення перших похідних екстраполяційних функцій неперервних ділянок сигналів струму.

6. На відміну від методів усереднення за ансамблем і усереднення за часом, підвищення ефективності оцінки амплітуд сигналів струму, напруги та миттєвої потужності силових кіл ЕП, як основних інформативних параметрів, досягається за рахунок одночасного використання ділянок струму та напруги довжиною в один період повторюваності процесів низької дискретності з одночасним зменшенням впливу як низькочастотних трендів, так і високочастотних шумів у досліджуваних сигналах.

7. Запропонований метод оцінки гармонічних складових миттєвої потужності на основі дискретної згортки спектрів сигналів струму та напруги з попередньою фазовою корекцією сигналу напруги, на відміну від відомих методів, дозволяє здійснити не тільки кількісну оцінку, але й синтез символьних виразів, котрі пояснюють механізм формування гармонічних складових сигналу миттєвої потужності, що необхідно враховувати при дослідженні енергетичних процесів в ЕП.

8. Отримані аналітичні залежності для інтервальної оцінки амплітуд косинусних і синусних складових полігармонічних сигналів струму, напруги та миттєвої потужності в силових колах ЕП, котрі дозволяють, на відміну від відомих підходів, встановити із заданою надійністю менше одиниці значимі гармоніки, які необхідно враховувати при розрахунках параметрів систем ЕП. Статистично значимі оцінки амплітуд гармонік визначають номінальні параметри ЕД.

9. Підвищення точності й вірогідності визначення параметрів систем ЕП у процесі їх моніторингу досягається за рахунок зменшення впливу основних похибок систематичного характеру на кожному етапі діагностики.

10. Експериментальні дослідження математичного і програмного забезпечення на лабораторному дослідному комплексі довели коректність та адекватність запропонованих методів при їх використанні на промислових підприємствах.

11. Результати досліджень прийняті для впровадження у проект системи моніторингу ЕП постійного і змінного струму на ЗАТ "Електронні технології" (м. Кременчук). Теоретичні результати роботи та розроблене програмне забезпечення використовуються в навчальному процесі кафедри систем автоматичного управління та електропривода КДУ імені Михайла Остроградського.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Сидоренко В.Н. Об ошибках цифровых измерительных комплексов для исследования электро-механических систем / А.П. Черный, Д.В. Барвинок // Проблемы создания новых машин и технологий. - Кременчуг: КГПИ. - 2000. - Вып. 1/(8). - С. 169-171.

2. Сидоренко В.Н. Особенности измерения и анализа сигналов в электроприводах постоянного тока / А.П. Черный // Проблемы создания новых машин и технологий. - Кременчуг: КГПУ. - 2001. - Вып. 1/(10). - С. 266-271.

3. Сидоренко В.Н. Интерполяционно-экстраполяционный метод коррекции сигналов привода постоянного тока / А.П. Черный // Проблемы создания новых машин и технологий. - Кременчуг: КГПУ. - 2001. - Вып. 2/(11). - С. 157-158.

4. Сидоренко В.Н. Синтез алгоритмов коррекции сигналов при измерении выходных параметров преобразователей / А.П. Черный, А.Н. Ковырин, А.С. Яговкин // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2002. - Вип. 1(12). - С. 340-345.

5. Сидоренко В.Н. Исследование погрешностей определения тока, напряжения и мощности электрических приводов при их диагностике / А.П. Черный // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2003. - Вып. 2/(19), т.2. - С. 219-222.

6. Сидоренко В.М. Автоматизація розрахунку складових миттєвої потужності / Д.Г. Мамчур, Д.Й. Родькін, О.П. Чорний // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2004. - Вып. 6/2004(29). - С. 18-24.

7. Сидоренко В.М. Визначення складових миттєвої потужності електричних сигналів / Д.Г. Мамчур, Д.Й. Родькін, О.П. Чорний // Електроінформ, №1, 2005, Львів. - С. 12-14.

8. Сидоренко В.М. Інтервальна оцінка параметрів сигналів струму, напруги та миттєвої потужності при діагностуванні електричних двигунів // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2006. - Вип. 3/(38), ч. 1. - С. 100-106.

9. Сидоренко В.М. Підвищення точності визначення електромагнітних параметрів асинхронних двигунів з використанням алгоритмів корекції сигналів / О.П. Чорний, А.П. Калінов // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2006. - Вип. 3/(38), ч. 2. - С. 88-93.

10. Сидоренко В.М. Експериментальні дослідження і визначення параметрів електроприводу постійного струму з попередньою корекцією / О.П. Чорний, А.М. Артеменко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ. - 2006. - Вип. 4/(39), ч. 1. - С. 114-117.

11. Черный А.П. Определение эквивалентных параметров электропривода переменного тока в пусковом режиме по фазовому портрету сигналов тока и напряжения / В.Н. Сидоренко, В.В. Герасимович // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. Михайла Остроградського. - Кременчук: КДПУ. - 2009. - Вип. 3/(56), ч. 2. - С. 90-92.

12. Сидоренко В.М. Аналіз і синтез моделі похибки інтегрування розривних електричних сигналів вентильних приводів і метод її компенсації // Наукові праці Донецького державного національного університету. - Донецьк: ДНТУ. - 2009. Вип. 9(158). - С. 227-233.

13. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на службовий твір № 8436 від 24.09.03. / Сидоренко В.М., Родькін Д. Й., Чорний О.П., Ковирін О.М. / Службовий твір "Комп'ютерна програма для корекції сигналів струму і напруги у комп'ютеризованих вимірювально-діагностичних комплексах для діагностики параметрів тиристорних електроприводів".

14. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на службовий твір №12522 від 24.03.05 / Сидоренко В.М., Родькін Д.Й., Чорний О.П., Мамчур Д.Г. / Службовий твір "Програмний продукт "Комп'ютерна програма розрахунку символьних виразів складових сигналу миттєвої потужності електричних сигналів".

15. Пат. 64218А Україна, 7G01R31/24. Спосіб вимірювання параметрів тиристорних електроприводів та пристрій для його реалізації / Сидоренко В.М., Родькін Д. Й., Чорний О.П., Ковирін О. М., Лашко Ю.В. - № 2003042858; Заявл. 02.04.2003; Опубл. 16.02.2004; Бюл. №2. - 12 с.

16. Сидоренко В.Н. Метод коррекции информационных сигналов при решении задач диагностики електропривода / Черный А.П. // Контроль і управління в складних системах. (КУСС-2001). Тези доповідей шостої міжнародної науково-технічної конференції. М. Вінниця, 8-12 жовтня 2001 року. - Вінниця: УНІВЕРСУМ - Вінниця, 2001. - 286 с.