Экспериментальное доказательство оптимизации процесса спектрального анализа сигнала с применением алгоритма автокоррекции времени записи

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.311

Экспериментальное доказательство оптимизации процесса спектрального анализа сигнала с применением алгоритма автокоррекции времени записи

С.Б. Мочалов, Е.М. Новоселов, С.Н. Литвинов, А.А. Скоробогатов

ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», Иваново, Россия

E-mail: slit8809@yandex.ru

Авторское резюме

Состояние вопроса: Во время проведения исследований, связанных со спектральным анализом сигнала, важным моментом является определение необходимого времени его записи. Увеличение данного параметра влияет на повышение точности определения частот гармонических составляющих сигнала. Однако процесс записи может быть связан с различными трудностями, так, например, при применении внешних датчиков может произойти изменение режимного параметра, смещение датчика и ряд других явлений, приводящих к потере точности измерения. Поэтому был создан алгоритм автокоррекции времени записи сигнала, позволяющий существенно снизить продолжительность записи без потери его информативности. В работе поставлена задача экспериментального доказательства эффективности использования данного алгоритма.

Материалы и методы: Исследовано поведение спектральной функции гармонического сигнала, полученного с помощью датчика, расположенного в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя. На основе анализа данного сигнала определялось скольжение электродвигателя различными способами и сравнивалось с эталонным значением, полученным аналитическим путем. Для нахождения скольжения использовалась частота сети и частота вращения ротора. В качестве методов исследования использовались методы спектрального анализа и экспериментальных исследований.

Результаты: Уменьшение времени записи не оказало значительного влияния на результат измерения при определении скольжения по методу, в котором применен алгоритм автокоррекции времени записи сигнала, но привело к увеличению погрешности определения скольжения по методам, отличным от метода с применением алгоритма. В качестве эталонного метода использовался метод аналитического определения скольжения с использованием параметров частоты сети и частоты вращения ротора электродвигателя.

Выводы: Экспериментально подтверждена эффективность использования алгоритма автокоррекции времени записи сигнала путем сравнения значений скольжения электродвигателя, полученных различными методами, с эталонным методом.

Ключевые слова: спектральный анализ, частота дискретизации, время записи сигнала.

Experimental validation for Signal spectral analysis optimization with the use of self-correction time recording algorithm

S.B. Mochalov, E.M. Novoselov, S.N. Litvinov, A.A. Skorobogatov

Ivanovo State Power Engineering University, Ivanovo, Russia

E-mail: slit8809@yandex.ru

Abstract

Background: One of the key points during the research related to the signal spectral analysis is to determine recording time. The increase in this parameter influences increase in accuracy determination of signal harmonic frequency components. However, recording may be associated with various difficulties, for example, when using external sensors may be a change of regime parameter, the displacement sensor and other phenomena, leading to a loss of accuracy. Therefore, the algorithm which allows to significantly reduce recording duration without loss of information content was developed by signal recording time self-correction. The goal of this work is experimental evidence of the algorithm effectiveness. Materials and methods: Behavior of the harmonic signal spectral function received by a sensor located in the induction motor air gap is investigated. On this base sliding motion of motor is detected by means of various methods and compared with the reference value that was obtained analytically. To find sliding motion system frequency and the rotation rotor frequency are used. Spectral analysis and experimental investigation was used as a method of study.

Results: Recording time reducing didn't influence measurements results strongly when sliding motion was found with help of signal recording time self-correction algorithm but led to increase in sliding motion determination error with applying other methods. Analytic slip determination method using the parameters of the mains frequency and motor rotor speed was used as reference method.

Conclusions: The efficiency of the signal recording time self-correction algorithm was experimentally confirmed by comparing motor sliding motion obtained different methods with the reference method.

Key words: spectral analysis, the sampling frequency, signal recording time.

Во время проведения спектрального анализа сигнала важным критерием, определяющим точность выявления его частотных составляющих, является время записи данного сигнала. В статье [1] описан метод, позволяющий существенно снизить время записи сигнала без потери информативности (точности). Для подтверждения эффективности данного метода (и созданного на его основе алгоритма автокоррекции времени записи сигнала (АВЗС)) был проведен ряд лабораторных испытаний на экспериментальном стенде. Принципиальная схема стенда показана на рис. 1.

Рис.1. Принципиальная схема стенда: 1 - асинхронный двигатель 3ВР71-2; 2 - генератор постоянного тока; 3 - переменная нагрузка; 4 - внутренний индуктивный датчик; 5 - оптический тахометр; 6 - аналого-цифровой преобразователь; 7 - измерительный комплект К-505; 8 - частотомер;

автокоррекция запись сигнал электродвигатель

Объектом исследований является трехфазный асинхронный электродвигатель 3ВР71-2 с номинальной мощностью PНОМ = 250 Вт (1), параметры которого приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Характеристики исследуемого двигателя 3ВР71-2

В целях создания ступенчатого регулирования нагрузки на валу ротора, к двигателю подсоединен генератор постоянного тока (2), работающий в паре с блоком переменной нагрузки (3).

Для регистрации частоты основной гармоники магнитного поля в воздушном зазоре двигателя и гармоник, частоты которых несут информацию о частоте вращения вала ротора, используется внутренний индуктивный датчик (ВИД) (4), который представляет из себя три витка провода, намотанные на зубец статора (см. рис. 2).

Рис.2. Расположение внутреннего индуктивного датчика в статоре электродвигателя

Частота вращения вала ротора электродвигателя определяется с помощью оптического тахометра AT-8 (5) Погрешность его измерений составляет 0.05 %. Для измерения частоты сети используется частотомер Ф5043 (8), подключенный на линейное напряжение. Погрешность его измерений составляет ±0,1 % для диапазона 45-55 Гц. Для контроля электрических параметров в цепи двигателя применяется измерительный комплект К-505 (7). Сигнал, поступающий с ВИД, оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (6).

Для подтверждения эффективности алгоритма АВЗС на двигателе экспериментального стенда произведены измерения скольжения следующими способами:

способ 1. С помощью оптического тахометра определялось эталонное значение частоты вращения. При определении скольжения использовалось значение частоты питающей сети, полученное с помощью частотомера. Инструментальная погрешность данного способа составляет примерно 4% при номинальной нагрузке двигателя (Pном) и 8% при нагрузке 0,5 от номинальной (0,5•Pном);

способ 2. По методике, описанной в [2], определялось скольжение по зубцовым гармоническим ротора (ЗГР) первого порядка, существующим в магнитном поле воздушного зазора двигателя. Под ЗГР подразумеваются гармоники, обусловленные зубчатостью ротора и дискретным расположением стержней его обмотки;

способ 3. По методике, описанной в [4], определялось скольжение по гармоникам эксцентриситета ротора (ГЭР) первого порядка, существующим в магнитном поле воздушного зазора двигателя;

способ 4. Измерялось скольжение по ГЭР первого порядка, существующим в магнитном поле воздушного зазора двигателя, с применением алгоритма АВЗС [1].

В трех последних способах частота сети определялась по сигналу, снимаемому с ВИД, путем его разложения в ряд Фурье. Измерения проводились при различных нагрузках на валу ротора (0,5•Pном и Pном) с временем записи сигнала от 1 до 20 с и частотой дискретизации АЦП 10 кГц.

Влияние длительности времени записи сигнала на погрешность определения скольжения двигателя по ЗГР (способ 2) и ГЭР (способ 3) исследовано в [3] и [4]. Из этих источников известно, что при уменьшении времени записи увеличивается погрешность определения скольжения.

Методы определения скольжения по ЗГР и ГЭР основаны на анализе магнитного поля в воздушном зазоре двигателя.

Частоты ЗГР можно определить по следующему выражению [5]:

где Zp - число стержней обмотки ротора; р - число пар полюсов;

- частота сети; s - скольжение; - порядок гармоники. Для ЗГР первого порядка формула выглядит следующим образом

Определение нужной гармоники осуществляется в области поиска, при этом предполагается, что искомая гармоника имеет в данной области максимальную амплитуду А ( рис.3, а).

а

б

Рис. 3. Области поиска гармонических составляющих сигнала: области поиска ЗГР (а), область поиска ГЭР (б)

Зависимость длины области поиска ЗГР от числа пар полюсов р и числа стержней обмотки ротора Zp асинхронного двигателя выглядит следующим образом:

где - номинальное значение скольжения.

Скольжение определяется следующим образом. Сначала по формулам (4, 5) рассчитывается его значение по гармоникам и . Итоговое скольжение определяется как среднее арифметическое этих значений:

Эксцентриситет ротора бывает статическим и динамическим, однако в реальных двигателях всегда присутствуют оба вида эксцентриситета, что является причиной появления во временном спектре магнитного поля воздушного зазора ГЭР первого порядка. Частоты данных гармоник для двигателей с числом пар полюсов большим 1 определяются по формуле [5]:

где - частота вращения ротора.

Для двигателей с одной парой полюсов присутствует только гармоника .

Методика определения нужной ГЭР первого порядка аналогична методике определения гармоник ЗГР с учетом длины области поиска ГЭР. (см. рис. 3, б).

Результаты измерений значений скольжения с помощью указанных выше четырех способов приведены в табл. 1-2.

Таблица 1 - Значения скольжения и частоты вращения при нагрузке 0.5 РНОМ

Таблица 2 - Значения скольжения и частоты вращения при нагрузке РНОМ

Для наглядного представления данные табл.1-2 представлены в графическом виде (рис. 4).

а)

б)

Рис. 4. Определение частоты вращения ротора: при нагрузке 0.5 РНОМ (a), при нагрузке РНОМ (б)

Анализ полученных результатов показал следующее:

Уменьшение времени записи приводит к заметному снижению точности определения скольжения и частоты вращения ротора по ЗГР и ГЭР без применения алгоритма АВЗС. Данный факт особенно заметен при длительностях времени записи сигнала, не превышающих 10 с. Значения погрешностей определения указанных выше параметров значительно превосходят значения инструментальных погрешностей, обусловленные погрешностями измерительных приборов.

Уменьшение времени записи вплоть до 1 с не оказало значительного влияния на результат измерения при определении скольжения и частоты вращения ротора по ГЭР с применением алгоритма АВЗС. Значения погрешностей определения указанных выше параметров не превышают значения инструментальных погрешностей.

Заключение

Таким образом, применение алгоритма АВЗС позволяет снизить время записи сигнала без потери его информативности для последующего спектрального анализа. Это было подтверждено экспериментально на основе анализа значений скольжений, полученных различными методами.

Литература

1. Литвинов С.Н., Назарычев А.Н., Скоробогатов А.А., Новоселов Е.М. Разработка метода автокоррекции времени записи при спектральном анализе сигналов // Вестник ИГЭУ. - 2013. - № 5. - С. 29-37.

2. Патент РФ на изобретение № 2441249. Способ определения скольжения ротора асинхронного электродвигателя / А.Ф. Скоробогатов, Морозов Н.А., Назарычев А.Н., Балин Д.С., Новоселов Е.М., А.А. Скоробогатов; опубл. в Б. И. № 34, 27.01.2012. МПК6 G 01 R 31/34.

3. Ерофеев А.В., Зайцев А.А., Скоробогатов А.А. Определение параметров аналого-цифрового преобразователя и записывающего устройства для контроля скольжения электродвигателя // Вестник научно-промышленного общества; вып 11, - М.: Изд-во «АЛЕВ-В», 2007. С. 48-52.

4. Назарычев А.Н., Новоселов Е.М., Глотова Н.В., Скоробогатов А.А.. Анализ применения гармоник динамического эксцентриситета ротора для контроля скольжения электродвигателя // Повышение эффективности работы энергосистем. Труды ИГЭУ; вып. IX, - М.: Энергоатомиздат, 2009. С. 260-266.

5. Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Пер. с англ. Под ред. З.Г. Каганова. - М.: «Энергия», 1981. - 352 с., ил.

References

1. Litvinov, S.N., Nazarychev, A.N., Skorobogatov, A.A., Novoselov, E.M. Razrabotka metoda avtokorrektsii vremeni zapisi pri spektral'nom analize signalov [Autocorrection time method development in signals spectral analysis] // Vestnik IGEU. - 2013. - № 5. - pp. 29-37.

2. Patent RF na izobretenie № 2441249. Sposob opredeleniya skol'zheniya rotora asinkhronnogo elektrodvigatelya [Induction motor slip determining method] / A.F. Skorobogatov, Morozov N.A., Nazarychev A.N., Balin D.S., Novoselov E.M., A.A. Skorobogatov; opubl. v B. I. № 34, 27.01.2012. MPK6 G 01 R 31/34.

3. Erofeev, A.V., Zaytsev, A.A., Skorobogatov, A.A. Opredelenie parametrov analogo-tsifrovogo preobrazovatelya i zapisyvayushchego ustroystva dlya kontrolya skol'zheniya elektrodvigatelya [Determining the analog-to-digital converter and a recording device for controlling the motor slip] // Vestnik nauchno-promyshlennogo obshchestva; vyp 11, - M.: Izd-vo «ALEV-V», 2007. pp. 48-52.

4. Nazarychev, A.N., Novoselov, E.M., Glotova, N.V., Skorobogatov, A.A. Analiz primeneniya garmonik dinamicheskogo ekstsentrisiteta rotora dlya kontrolya skol'zheniya elektrodvigatelya [Analysis of harmonics rotor dynamic eccentricity application to control the motor slip] // Povyshenie effektivnosti raboty energosistem. Trudy IGEU; vyp. IX, - M.: Energoatomizdat, 2009. pp. 260-266.

5. Geller B., Gamata V. Vysshie garmoniki v asinkhronnykh mashinakh [The highest harmonics in asynchronous machines]/ Per. s angl. Pod red. Z.G. Kaganova. - M.: «Energiya», 1981. - 352 s., il.

Размещено на Allbest.ru