Диссертация диагностика асинхронного двигателя

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему: Функциональная диагностика асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы

Автореферат диссертации по теме «Функциональная диагностика асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы»

На правах рукописи

Чернов Дмитрий Владимирович

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника» Ульяновского высшего военного инженерного училища связи им. Г.К. Орджоникидзе.

доктор технических наук, доцент Смирнов В.И.

кандидат технических наук, доцент Ефимов A.B.

Ульяновский филиал института радиотехники и электроники РАН.

Защита состоится 28 сентября 2005 г. в 15 часов в аудитории 211 на заседании диссертационного совета Д 212.277.01 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу: 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Функциональная диагностика электрических двигателей обычно основана на спектральном анализе вибраций, фазных токов и напряжений, измеряемых в стационарных режимах работы двигателя. Вместе с тем, имеется широкий круг задач, для решения которых требуется использовать электродвигатели в переходных режимах работы. Примерами такого использования могут служить лифты, подъемные краны, холодильные установки, транспортные средства и так далее. Особенностью работы электродвигателей в этих случаях является частые включения и выключения напряжения питания, при которых токи, протекающие по статорным обмоткам, а также другие величины, связанные с этими токами, могут в несколько раз превышать токи в стационарных режимах работы.

Это может привести к тому, что те или иные дефекты, которые могут возникнуть в электродвигателе в процессе его эксплуатации, при его диагностике в стационарном режиме могут быть, и не обнаружены. Поэтому представляется необходимым такие асинхронные электродвигатели, для которых характерны частые включения и выключения, диагностировать на основе измерения их переходных характеристик.

Для такой функциональной диагностики электродвигателей требуется решить две задачи. Во-первых, необходимо установить причинно-следственную связь между диагностируемыми дефектами объекта и диагностическими признаками. Во-вторых, необходимо измерить диагностические параметры, выделить в них диагностические признаки и произвести сравнительный анализ диагностических признаков у испытуемого двигателя и двигателя, условно принятого за эталон.

Решение первой задачи возможно двумя способами. В первом способе в объекте искусственно создается тот или иной дефект, и экспериментально определяются диагностические признаки, контроль которых позволяет обнаруживать данный дефект у испытуемого двигателя. Во втором способе для установления связи между дефектами и диагностическими параметрами используют математическую модель объекта, которая позволяет теоретически рассчитать изменения его характеристик при моделировании дефекта.

Одним из самых распространенных механических дефектов асинхронных электродвигателей является дисбаланс ротора. Данный дефект может возникнуть по ряду причин, как во время эксплуатации, так и в результате некачественного ремонта. Смещение ротора относительно оси вращения и, как следствие, неравномерность воздушного зазора оказывает существенное влияние на работу электрических двигателей, снижая их технико-экономические показатели. Искажается магнитное поле в зазоре, в нем появляются пространственные и временные гармоники высших порядков, увеличиваются вибрации, что создает дополнительную нагрузку на подшипники. Все это способствует выходу электродвигателя из строя. Поэтому важно обнаруживать данный дефект на

Несмотря на практическую важность и необходимость проведения функциональной диагностики электродвигателей в переходных режимах работы, исследований, посвященных влиянию дефектов на основные характеристики двигателя при его включении и выключении, практически не ведется, а количество публикаций на эту тему исчисляется единицами.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является установление причинно-следственных связей между механическим дефектом асинхронных электродвигателей типа дисбаланса ротора и измеряемыми диагностическими параметрами, в качестве которых используются фазные токи и поля рассеяния. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

• Экспериментальные исследования временных характеристик фазных токов и полей рассеяния в режиме пуска двигателя со смещенным относительно оси вращения ротором.

• Экспериментальные исследования спектральных характеристик полей рассеяния при выключении электродвигателя с дефектом типа дисбаланса ротора.

• Разработка математической модели асинхронного электродвигателя с дефектом типа дисбаланса ротора и расчет на ее основе переходных характеристик двигателя с различной степенью проявления дефекта.

1.На основе теоретических расчетов модели асинхронного электродвигателя, а также на основе экспериментальных исследований установлено влияние радиальных смещений ротора на временные характеристики фазных токов и полей рассеяния при пуске двигателя.

2. Теоретически рассчитана зависимость времени разбега электродвигателя от величины относительного эксцентриситета ротора при его радиальном смещении.

3. Экспериментально установлено и теоретически подтверждено, что осциллограммы фазных токов и полей рассеяния при пуске двигателя имеют принципиально различный характер, что объяснятся компенсирующим влиянием поля рассеяния, создаваемого токами в стержнях короткозамкнутого ротора.

4. Экспериментально установлено, что диагностирование асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы можно осуществлять на основе измерений его характеристик при выбеге, при этом информативным и надежным с точки зрения диагностики является спектр поля рассеяния.

Практическая значимость работы

• Разработан и апробирован на различных объектах автоматизированный измерительный комплекс, предназначенный для диагностики электрических машин в стационарных и переходных режимах работы.

• Разработаны датчики тока и магнитного поля, с помощью которых можно измерять фазные токи и поля рассеяния электрических машин малой мощности.

• Разработана методика обработки осциллограмм тока и поля рассеяния, измеренных при пуске двигателя, позволяющая определять время разбега.

• Результаты исследований временных и спектральных характеристик фазных токов и полей рассеяния позволяют выработать методику диагностирования электродвигателей, для которых характерны частые включения и выключения питания.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель асинхронного электродвигателя с дефектом типа дисбаланса ротора, позволяющая теоретически установить причинно-следственные связи между дефектом двигателя и диагностическими параметрами.

2. Длительность переходных процессов при пуске электродвигателя зависит от величины радиальных смещений ротора и, таким образом, время разбега может выступать в качестве диагностического признака при обнаружении дефекта типа дисбаланса ротора.

3. Форма спектральной полосы поля рассеяния электродвигателя при его выключении зависит от радиальных смещений ротора, что позволяет использовать положение центра тяжести полосы на спектральной оси в качестве диагностического признака при диагностике двигателя.

Методы проведения исследований. В ходе выполнения работы использовались методы, основанные на теории электромагнитного поля, теории электрических цепей, интегральных преобразований Фурье и Гильберта, а также численные методы решения дифференциальных уравнений и методы цифровой обработки сигнала. Для анализа математической модели электродвигателя использовался программный пакет MathCAD 2001 Professional.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной НТК «Современные информационные технологии» (г.Пенза, 2003 г.); Всероссийской НТК «Методы и средства измерений» (г. Н. Новгород, 2003 г.); на международной НТК «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке, технике и экономике» (г. Ульяновск, 2003 г.); на 37-ой НТК «Вузовская наука в современных условиях» (г. Ульяновск,2003г.); на Международной НТК «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества» (г. Ульяновск, 2004 г.); на Всероссийской НТК «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (г. Ульяновск, 2004 г); на 38-ой НТК профессорско-преподавательского состава УлГТУ (г. Ульяновск, 2004 г.); на школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (г. Ульяновск, 2004 г.).

Внедрение результатов работы. Разработанный автоматизированный измерительный комплекс используется в ОАО завода «Искра» (г. Ульяновск) для контроля и оценки технического состояния асинхронного электродвигателя, предназначенного для регулировки давления в водяной магистрали котельной завода «Искра».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 14 научных статей, 1 патент РФ и 2 тезиса доклада на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 135 наименования. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, включая 4 таблицы и 45 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, поставлена цель и дана общая характеристика работы, включая научную новизну и практическую значимость полученных результатов, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В начале главы проведена классификация методов функциональной диагностики по используемым для анализа диагностическим параметрам, рассмотрены виды дефектов электродвигателей и связь их с диагностическими параметрами. Отмечается, что одним из наиболее распространенных дефектов является дисбаланс ротора. Рассмотрены причины его появления и негативное влияние на технические характеристики двигателей, что требует диагностирования данного дефекта на как можно более ранней стадии его развития.

Самым распространенным методом диагностики электродвигателей является вибродиагностика, основанная на измерении и анализе вибраций корпуса двигателя. Несмотря на развитость технических средств измерения вибраций и методов их анализа, вибродиагностика имеет ряд недостатков, обусловленных контактным способом крепления датчиков к объекту. Дополнительную информацию о техническом состоянии объекта можно получить на основе измерений временных и спектральных характеристик фазных токов и полей рассеяния, существующих вне корпуса двигателя. Данные методы диагностики являются бесконтактными, что является несомненным их преимуществом перед вибродиагностикой.

Отдельно выделена диагностика электродвигателей, для которых характерны частые включения и выключения напряжения питания. Отмечается необходимость диагностирования таких двигателей в переходных режимах работы. Несмотря на актуальность и практическую важность такой задачи разработка методов диагностирования электродвигателей в переходных

режимах практически не ведется, а количество публикаций по данной тематике исчисляется единицами.

Во второй главе рассмотрен автоматизированный измерительный комплекс, с помощью которого производились измерения диагностических параметров объекта исследований. В состав комплекса входят персональный компьютер; специализированная плата сбора данных, размещаемая в разъеме системной магистрали компьютера; датчики индуктивного типа для измерения фазных токов и полей рассеяния электродвигателя; программное обеспечение.

В плате сбора данных реализован оригинальный способ преобразования параметров индуктивных датчиков, основанный на возбуждении кратковременными импульсами тока в цепи датчика переходных процессов, длительность которых зависит от параметров датчика. Изменение длительности переходных процессов, обусловленное измеряемой физической величиной, преобразуется в напряжение и далее в цифровой код, поступающий в память компьютера. Плата позволяет осуществлять измерения одновременно по нескольким каналам (максимальное число равно 7) с программно изменяемыми частотой опроса (максимальная частота равна 16 кГц) и коэффициентом усиления выходного каскада.

Данный способ преобразования параметров позволил обеспечить высокую чувствительность датчиков и существенно увеличить их быстродействие (до 16 тысяч измерений в секунду). Чувствительность датчика магнитного поля превышает 105В/Тл, что вполне достаточно для измерения полей рассеяния электрических машин средней и малой мощности. Расчет инструментальной погрешности схемы преобразования, проведенный с помощью программного пакета для схемотехнического моделирования МкгоСар 7.0, показал, что при изменении температуры внутри корпуса компьютера от комнатной до максимальной погрешность на превышает 2 %. Методическая погрешность, обусловленная неточностью градуировки датчика, не превышает 0,5 %.

Читайте также:  Двигатель урал на муравей

Программное обеспечение комплекса состоит из набора специализированных прикладных программ, с помощью которых осуществляется измерение диагностических параметров, обработка результатов измерения и представление информации в виде, удобном для анализа. Кроме этого имеется ряд сервисных программ, предназначенных для проверки работоспособности платы сбора данных, установки режимов се работы, градуировки датчиков, выдачи справочной информации о программном обеспечении и так далее.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований временных и спектральных характеристик электродвигателя в переходных режимах работы. В качестве объекта исследований был выбран трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором марки УАД-72, включаемый в однофазную сеть. Для экспериментального определения

причинно-следственной связи между дефектом электродвигателя и диагностическими параметрами в двигателе искусственно создавался дефект типа дисбаланса ротора, и проводились измерения статорного тока и поля рассеяния, существующего вне корпуса двигателя. Все измерения осуществлялись при пуске и выключении двигателя.

Дисбаланс ротора в исследуемом двигателе создавался смещением подшипника ротора в подшипниковом щите. Варьирование смещения осуществлялось с помощью специально изготовленной для этой цели установки, позволяющей плавно смещать ротор в расточке статора. Величина смещения изменялась от 0,04 мм до 0,08 мм при среднем воздушном зазоре равном 0,28 мм. В качестве диагностических параметров выступали фазный ток и поле рассеяния двигателя при его включении и выключении (разбеге и выбеге). Измерение поля рассеяния осуществлялось с помощью индуктивных датчиков магнитного поля, которые размещались вблизи корпуса двигателя. Измерение тока осуществлялось бесконтактным способом аналогичными по принципу действия датчиками в форме колец, надетыми на провода питания двигателя. Все измерения, а также обработка результатов измерений и их анализ осуществлялся с помощью автоматизированного диагностического комплекса, описанного во второй главе.

Характер осциллограмм поля рассеяния при включении двигателя (рис. 2) принципиально отличается от аналогичных осциллограмм фазных токов. Если ток, протекающий по статорным обмоткам, максимален при разбеге двигателя, то поле рассеяния, напротив, в процессе разбега значительно меньше, чем в стационарном режиме работы. Указанное отличие можно объяснить тем, что

существенную роль в формировании поля рассеяния двигателя играют токи, протекающие по стержням короткозамкнутого ротора. Эти токи создают поле рассеяния, частично компенсирующие поле, создаваемое статорными токами. Дополнительные эксперименты с заторможенным ротором, а также анализ математической модели двигателя, приведенный в четвертой главе, подтверждают это предположение.

Для сравнительного анализа осциллограмм и определения по ним времени разбега необходимо выделить из них огибающую, вычислить ее производную и найти центр тяжести на временной оси. Вычисление огибающей можно осуществить с помощью преобразования Гильберта. Известно, что для произвольного временного сигнала х(0 с локализованным спектром его огибающая Х(1) вычисляется согласно выражению:

Методика вычисления огибающей X(t) применительно к экспериментально измеренным осциллограммам тока и поля рассеяния включает в себя следующие операции:

1. Вычитание из исходной дискретно-временной последовательности х[п] постоянной составляющей:

2. Вычисление спектра с помощью быстрого Фурье-преобразования:

3. Модификация спектра, то есть сдвиг назад на л/2 первой половины спектра и сдвиг вперед на тс/2 второй половины спектра:

4. Вычисление сопряженной дискретно-временной последовательности х[п] с помощью обратного Фурье-преобразование модифицированного

5. Вычисление огибающей сигнала согласно выражению (1). Результат обработки осциллограммы поля рассеяния представлен на

рис. 3. После выделения огибающей исходного сигнала вычислялась производная dB/dt (рис. 4) и определялся ее центр тяжести на временной оси. Этот момент времени и принимался в качестве времени разбега двигателя.

Оценка погрешности определения времени разбега, произведенная на основе статистической обработки результатов измерений, дала величину, равную 3 % при доверительной вероятности Р = 0,9. Это существенно меньше изменений времени разбега, измеренных при различных величинах радиальных смещений ротора. Таким образом, контроль времени разбега двигателя по измеренным осциллограммам тока или поля рассеяния позволяет обнаруживать дефект типа дисбаланса ротора на ранней стадии его развития.

Диагностирование асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы можно осуществлять также на основе измерения его характеристик при выбеге. Как показали исследования, оценка технического состояния объекта, полученная на основе анализа фазных токов при выключении двигателя получается слишком грубой и ненадежной. Значительно более информативными и надежными с точки зрения диагностики электродвигателей являются их поля рассеяния.

Осциллограммы полей рассеяния и их спектры, измеренные при выбеге двигателя, представлены на рис. 5. В отличие от фазного тока, который спадает практически до нуля за несколько периодов колебаний, поле рассеяния после выключения двигателя сохраняется в течение нескольких секунд. Это дает возможность с высокой точностью измерить ряд таких характеристик, которые могут быть использованы для диагностики. В первую очередь это относится к спектральным характеристикам поля рассеяния. Анализ спектров показывает,

что дисбаланс ротора приводит к изменению формы спектральной полосы, а именно, к смещению ее края в низкочастотную область. При этом, чем больше радиальное смещение ротора, тем заметнее эти изменения. Количественной оценкой такого влияния может служить положение центра тяжести спектральной полосы поля рассеяния.

В четвертой главе представлены результаты

теоретических исследований влияния дисбаланса ротора на характеристики асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы. Расчет характеристик ведется на основе математической модели электродвигателя с механическим дефектом типа дисбаланса ротора.

Простейшая модель асинхронного электродвигателя представляет собой двухфазный электромеханический преобразователь с двумя парами обмоток на статоре и роторе, сдвинутыми пространственно относительно друг друга на 90°. Для двухфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором электрические токи, протекающие по обмоткам статора и стержням ротора, можно найти из решения системы дифференциальных уравнений:

Источник

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПОТРЕБЛЯЕМЫХ ТОКОВ

Специальность 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный консультант: Полищук Владимир Иосифович кандидат технических наук

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Защита состоится «12» декабря 2012 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.269.10 при ФГБОУ ВПО НИ ТПУ по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИ ТПУ по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан «_9_» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.10, д.т.н., с.н.с. Кабышев А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На электрических станциях России и мира в приводах механизмов собственных нужд в основном применяется асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором. Надежная работа механизмов собственных нужд является одним из основополагающих факторов безостановочной работы электрической станции в целом.

Высоковольтные короткозамкнутые АД на электрических станциях работают в тяжелых условиях пуска, как следствие эти двигатели имеют высокие значения отказов, и одним из слабых узлов у них является обмотка ротора.

Согласно основным положениям стратегии развития электроэнергетики России на период до 2020 г. предполагается увеличение угольных электростанций страны, при этом увеличится коэффициент использования АД с тяжелыми условиями пуска, что снижает надежность как самой машины, так и обмотки ротора в частности.

Наиболее распространенным повреждением «беличьей клетки» является обрыв ее стержней, что составляет более 80 % всех повреждений обмотки ротора. В тоже время ущерб при эксплуатации АД с несимметричной обмоткой ротора выражается в повышенном расходе электроэнергии. При этом, стоимость перерасхода электроэнергии за год работы АД с дефектом в обмотке ротора нередко превышает его стоимость.

В настоящее время повреждения обмотки ротора выявляются в основном в период капитальных ремонтов. Большая периодичность ремонтов не позволяет своевременно определить дефекты обмотки ротора, что часто приводит к работе АД с оборванными стержнями и другими дефектами. При эксплуатации таких АД возрастают потребляемая мощность и вибрация, что сказывается на продолжительности работы подшипников и тепловом режиме работы машины.

Существующие на сегодняшний день методы функционального контроля не нашли широкого применения на АД собственных нужд станций, поскольку разработанные устройства обладают низкой чувствительностью к обрыву одного стержня и при этом не имеют четких диагностических критериев дефекта.

Поэтому разработка методов и устройств функциональной диагностики состояния обмоток ротора мощных АД является актуальной задачей.

Объектом исследования является электрооборудование электростанций, в состав собственных нужд которых входят высоковольтные АД.

Предметом исследования является диагностика повреждений короткозамкнутых обмоток роторов высоковольтных АД собственных нужд тепловых электрических станций.

Идея работы заключается в повышении эффективности эксплуатации АД электростанций за счет внедрения системы функциональной диагностики обмотки ротора.

Цель работы заключается в разработке интеллектуальной системы функциональной диагностики короткозамкнутой обмотки ротора АД на основе вейвлет-разложения модуля результирующего вектора токов статора.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

– разработка методики математического моделирования АД с короткозамкнутым ротором для расчета токов в его обмотках при обрыве стержней «беличьей клетки»;

– обоснование способа определения дефектов короткозамкнутой обмотки ротора, основанного на кратномасштабном вейвлет-анализе токов статора АД;

– разработка способов и алгоритмов для определения величины скольжения АД на основе спектрального анализа токов статора;

– разработка алгоритмов и прикладных программ, реализующих устройства функциональной диагностики повреждений «беличьей клетки» ротора АД на базе штатных измерительных средств.

Методы исследования. При выполнении исследований применялись методы теории электрических машин, дифференциальных и интегральных исчислений, гармонического анализа, вейвлет-преобразований и нечеткой логики. Исследования проводились в программных средах Matlab/Simulink и Mathcad.

Научная новизна:

– разработана математическая модель АД с короткозамкнутым ротором, дающая возможность рассчитывать токи в обмотках ротора и статора практически во всех эксплуатационных режимах при повреждениях «беличьей клетки» с точностью, достаточной для реализации систем функциональной диагностики;

– теоретически обоснованы диагностические признаки повреждений «беличьей клетки» ротора, основанные на кратномасштабном вейвлет-анализе токов статора АД;

– развита методика определения скольжения ротора по компонентам спектрального анализа токов статора;

– обоснован критерий перехода короткозамкнутой обмотки АД из исправного состояния в неработоспособное.

Положения, выносимые на защиту:

– теоретическое обоснование построения систем функциональной диагностики «беличьей клетки» ротора АД;

Читайте также:  Звук детонации дизельного двигателя

– диагностические признаки определения дефектов обмотки ротора;

– методики определения скольжения ротора и частоты тока в обмотке ротора;

– математическая модель АД с короткозамкнутым ротором, позволяющая рассчитывать токи ротора и статора во всех эксплуатационных режимах при повреждениях «беличьей клетки».

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

– получено комплексное решение, позволяющее организовать систему функциональной диагностики короткозамкнутой обмотки ротора АД на основе обработки массивов мгновенных значений токов статора;

– разработаны алгоритмы определения скольжения ротора на основе штатных измерительных средств – разработана процедура настройки контроллера на основе нечеткой логики для функциональной диагностики состояния ротора АД.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным использованием фундаментальных положений теоретических основ электротехники, математического анализа, теории электрических машин, планированием и проведением натурного эксперимента.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации научные положения внедрены в: ООО «Мехатроника–Софт», в учебном процессе на кафедре «Электрические сети и электротехника» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы выносимой на защиту докладывались и обсуждались на: ХV, XVI и XVII международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (г. Томск, 4–8 мая 2009 г., 12– 16 апреля 2010 г., 18–22 апреля 2011 г.); IV Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 13–октября 2009 г.); Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 28–29 апреля 2010 г.); Отраслевой научно-технической конференции «Технология автоматизации атомной энергетики и промышленности» (г. Северск, 17– 21 мая 2010 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия:

от получения и распределения до эффективного использования» (г. Томск, 25–28 мая 2010 г.); IV Международной научно-технической конференции «IV чтения Ш.

Публикации. Результаты выполненных исследований изложены в 22 научных трудах, в том числе: 4 статях в периодических изданиях по перечню ВАК РФ («Электричество», «Известия ВУЗов. Электромеханика», «Известие Томского политехнического университета», «Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока»), 9 патентах на изобретения и полезную модель РФ, 9 статьях в материалах конференций.

Личный вклад. Решения задач исследования, научные положения, вынесенные на защиту, основные выводы и рекомендации принадлежат автору. В [1] автором предложен и исследован информативный признак повреждения обмотки ротора АД на основе вейвлет-разложения результирующего модуля тока статора и обоснован интегральный критерий аварийного состояния обрыва стержня ротора. В [2, 6-13] автором определена взаимосвязь между гармоническим составом тока статора, частотой тока ротора и величиной скольжения. В [3] автор проработал вопрос чувствительности интеллектуальной диагностической системы к воздействию сильных импульсных помех. В [4] автор предложил методику настройки нечеткой экспертной базы данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 120 страницах машинописного текста.

Содержит 43 рисунка, 8 таблиц, список использованных источников из 1наименований и 2 приложения на 2 страницах, в которых изложены материалы, относящиеся к практической реализации.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и цель работы. Отражена ее научная новизна и практическая ценность. Указаны методы исследований и положения, выносимые на защиту. Сделан вывод о необходимости разработки методов и устройств функциональной диагностики состояния обмоткок ротора мощных АД.

В первом разделе рассмотрены особенности конструкции роторов АД, а также причины и механизм повреждения их обмоток. Сделан анализ известных технических решений. Выяснено, что на сегодняшний день не существует простых и чувствительных функциональных диагностических признаков, которые удовлетворяли бы всем требованиям, предъявляемым к системам диагностики внутренних повреждений высоковольтных АД. Определенны наиболее перспективные пути решения задачи построения функциональной диагностики короткозамкнутой обмотки роторов высоковольтных АД.

Второй раздел посвящен созданию методики математического описания динамических режимов АД на основе системы дифференциальных уравнений в нормальной форме Коши для m–фазной системы координат при несимметрии роторных цепей.

Для нахождения токов двигателя при заданных начальных условиях решается система дифференциальных уравнений, записанных по второму закону Кирхгоффа для каждой фазы двигателя рис. 1. Уравнение для фазных обмоток статора:

Us1 Rsis1 m dt Usds;

Us2 Rsis2 UsUsm dt Ur 2 Urdsm Urm.

Usm Rsism dt r Уравнения для фазных обмоток ротора:

0 Rir1 r dt Uri dr 2 ;

m zДля решения системы Рис. 1. Пространственная модель АД дифференциальных уравнений численными в m – фазной системе координат методами ее приводят к нормальной форме Коши.

Электрическая часть АД описывается в соответствии со вторым законом Кирхгофа и в матричном виде в форме Коши:

Токи определяются по закону Ампера:

матрицы взаимных индуктивностей между фазами ротора, матрицы взаимных индуктивностей между статором и ротором.

Электромагнитный момент, развиваемый асинхронным двигателем, может быть определен из токов статора и ротора:

Моделирование обрыва стержня обмотки ротора осуществляется введением высокоомного добавочного сопротивления в матрицу сопротивлений.

Имитационная модель АД представлена на рис. 2.

При проведении исследования скольжение определялось на основе известного отношения s1 fр1 fc где s1 – скольжение, fp1 – частота тока в роторе. Поскольку непосредственно измерить частоту тока в короткозамкнутом роторе невозможно, то для ее определения применялся гармонический анализ токов статора.

Угловая скорость вращения ротора и скольжение определялись по спектральному составу тока (токов) в обмотке (обмотках) статора. Известен эффект модуляции тока статора вращающимся магнитным полем ротора. Согласно теории амплитудной модуляции в токе статора появляются спектральные составляющие, как гармониками от частоты питающей сети, так и с частотами верхних и нижних fc fв боковых полос. Приоритет автора на разработанный метод идентификации fн скорости вращения и скольжения закреплен патентами Российской Федерации 9.

Было обосновано наличие определенной связи между частотой и частотой fр одной из составляющих тока статора. Исследования проведены на компьютеризированном лабораторном электромеханическом стенде рис. 3.

Рис. 3. Экспериментальная установка 1 – АД; 2 – машина постоянного тока; 3 – компьютер; 4 – коннектор; 5 – плата ввода/вывода В третьем разделе теоретически обоснована необходимость применения вейвлет-преобразования для выявления диагностических признаков повреждения короткозамкнутой обмотки АД. Повреждение стержня ротора вызывает перераспределение токов в целых стержнях. Расчеты токов в стержнях «беличьей клетки» при обрыве стержня показывают, что существенное увеличение тока происходит в стержнях, ближайших к оборванному. Искажение симметрии распределения токов в «беличьей клетки» вызывает характерные пульсации магнитного потока, пронизывающего статорные обмотки, что должно вызывать модуляцию в токах фаз статора.

В разделе показано, что вейвлет-анализ является одним из оптимальных математических инструментов, способных исследовать нестационарные процессы, которые характерны для работы АД с наличием повреждения в стержне короткозамкнутого ротора.

Выявлено, что амплитудная модуляция тока фазы статора, вызванная обрывом одного стержня незначительна по сравнению с амплитудой тока фазы, более информативным является анализ результирующего модуля вектора токов статора.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований по определению диагностического признака повреждения «беличьей клетки» ротора АД, разработан алгоритм работы системы функциональной диагностики, обоснован интегральный критерий аварийного состояния обрыва стержня ротора, приведен принцип построения диагностики на базе контроллера с использованием нечеткой логики.

Результаты разложения на составляющие осциллограмм обобщенного вектора тока статора приведены на рис. 4 и 5.

Из осциллограмм на рис. 5 и 6 видно, что при появлении обрыва одного стержня не значительно повышается амплитуда на уровнях декомпозиции D3, причем увеличение числа оборванных стержней не ведет к дальнейшему увеличению амплитуды данных колебаний. Это вызвано тем, что токи в пазах статорной обмотки и в стержнях ротора стремятся к тому, чтобы создаваемые ими магнитные поля были направленны встречно и компенсировали друг друга.

I, A Исходный сигнал t, c 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.I, A Тренд 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.I, A 0.0.D-0.-0.0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.I, A 0.0.D-0.-0.0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 t, c I, A 0.0.D-0.-0.0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.Рис. 5. Осциллограмма модуля обобщенного вектора тока статора пуска АД при обрыве одного стержня ротора и разложение ее на составляющие I, A Исходный сигнал t, c 1 1.25 1.5 1.75 0 0.25 0.5 0.75 2.25 2.I, A Тренд 0 0.25 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.0.5 0.I, A 0.0.D-0.-0.0 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 t, c I, A 0.0.D-0.-0.0 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.t, c I, A 0.0.D-0.-0.0 0.25 0.5 0.75 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 t, c Рис. 6. Осциллограмма модуля обобщенного вектора тока статора пуска АД при обрыве двух стержней ротора и разложение ее на составляющие Анализ осциллограмм показывает, что среди составляющих модуля результирующего вектора тока статора на уровнях разложения D3 не удается выделить диагностических признаков обрыва стержней ротора.

Из анализа приведенных на рис. 5 и 6 графиков следует, что компоненты D4 – D5 отражают число оборванных стержней ротора увеличением амплитуды пульсаций. Данное наблюдение служит однозначным признаком того, что информация об обрыве стержней ротора содержится в модуле результирующего вектора тока статора. Изменение амплитуды пульсаций компонент D5 является более предпочтительным диагностическим признаком, и может быть использовано для выявления повреждения ротора в диагностической системе.

На основе сравнительного анализа теоретических и экспериментальных методов распознавания аварийного состояния наиболее перспективным для реализации принято интегральное значение (рис. 7,б) компоненты D5 (рис. 7,а) вейвлет разложения модуля результирующего вектора тока статора. Для определения интегрального критерия аварийного состояния обрыва стержня ротора S конкретного АД необходимо иметь обоснованную величину шага по времени t. Шаг t напрямую зависит от времени переходного процесса пуска АД.

Шаг t предлагается определять следующим образом: t t kЗ TЭ T2 TM, где kЗ – коэффициент запаса равный 1,1…1,2; TЭ – эквивалентная постоянная времени АД; T2 – постоянная времени роторной цепи АД; TM – механическая постоянная времени АД.

На основании математического моделирования диагностического детализирующего коэффициента вейвлет разложения D5 в течении времени t в установившимся аварийном нормально нагруженном режиме находится эталонная величина интегрального критерия определения аварийного состояния:

t Уставка срабатывания SСР при обрыве стержня устанавливается как:

SСР SЭТ kН где kН – коэффициент надежности равный 1,3.

Для повышения надежности и предотвращения неправильных действий функциональной диагностической системы вследствие наведения помех в канале связи датчиков или в результате других причин, используется счетчик, который после трехкратного превышения S величины SСР выдает сигнал о наличии повреждения.

Значительно повышает степень достоверности оценки состояния машины автоматизированная система диагностики, основанная на правилах нечетких множеств. Эта система предоставляет в помощь эксперту своего рода «искусственный интеллект», который может автоматически проводить диагностику машины на основе данных мониторинга.

На блок «|IS|» поступают, от датчиков тока, фазные токи статора. В нем формируется модуль результирующего вектора тока статора по формуле:

Читайте также:  Диагностика двигателя ваз адреса

IS(t) IS(t) IA(t)2 IВ(t)2 IC (t).

IAt) IB(t) IC(t) ( Сформированный модуль раскладывается на частотные составляющие методом вейвлет разложения, и происходит выделение детализирующего коэффициента вейвлет разложения D5, которая, через IS(t) задержку времени t, поступает на блок «Iср» для определения среднего значения амплитуды детализирующего коэффициента вейвлет Dразложения D5 за каждый период по формуле:

T Iср D5(t)dt, Т DЗадержка времени осуществляется для отстройки диагностической системы от Icp переходного режима, возникающего в момент пуска АД. Среднее значение амплитуды детализирующего коэффициента вейвлет разложения D5 подается на вход нечеткого контроллера состояния ротора. На основании величины среднего значения амплитуды детализирующего коэффициента вейвлет Рис. 8. Упрощенная структура разложения D5 происходит анализ состояния диагностической системы на короткозамкнутого ротора. Результат анализа основе нечеткой логики выводится на «экран состояния ротора АД».

|IS| – блок формирования модуля Основой диагностической системы результирующего вектора тока статора; ВП – блок вейвлет- является нечеткий контроллер состояния преобразования; КТ – выдержка ротора АД. Его упрощенная схема времени; Iср – блок выделения представлена на рис. 9.

среднего значение амплитуды Работа нечеткого контроллера состояния детализирующего коэффициента ротора разбивается на три этапа:

вейвлет разложения D5; НКС – 1) Фаззификация – преобразование входных нечеткий контроллер состояния.

абсолютных значений в лингвистические; 2) Логическое заключение с использованием предварительно составленной базы знаний; 3) Дефаззификация – преобразование выходных лингвистических значений в абсолютные.

Рис. 9. Упрощенная схема нечеткого контроллера состояния ротора Фаззификация преобразования компоненты D5 осуществляется следующим образом – средняя величина амплитуды преобразуется в лингвистическое значение, представленное четырьмя термами.

Лингвистическая переменная «Средняя величина амплитуды» определяется четырьмя множествами: Z – «нулевая», PS – «положительная малая», PM – «положительная средняя», PB – «большая положительная» (БП).

Каждое абсолютное значение средней величины амплитуды определяет для данных множеств комбинацию степеней принадлежности. Число термов, их форма и область определения формируются из особенностей изменения амплитуды компоненты D5 при различных повреждениях короткозамкнутого ротора АД рис. 10.

База знаний составляется опытным экспертом из прикладной области на основании ассоциативных правил и заключений, которыми бы стал пользоваться человек-оператор при управлении данным процессом. Составляются ассоциативные правила, оформленные в виде таблицы или в текстовой форме.

Заключительный этап предполагает дефаззификацию – перевод выходного значения из лингвистического в абсолютный вид. Для этого был применен метод центра тяжести. В качестве значения выходной переменной использована координата (абсцисса) центра тяжести площади результирующего терм-множества выходной лингвистической переменной (рис.11.). В нашем случае выходной переменной будет сигнал постоянного напряжения. Значение напряжения этого сигнала соответствует состоянию ротора АД.

Рис. 11. Дефаззификация выходной переменной Вычисление координаты центра тяжести производится по следующей формуле:

k i 1 1 2 i iUвых k 2 i iРезультаты диагностики отображаются на экране состояния ротора рис. (неповрежденный ротор).

Рис. 12. Экран состояния при неповрежденном роторе На рис. 13 сведены результаты диагностики поврежденного ротора при одном (рис. 13,а), и двух оборванных стержнях (рис. 13,б).

В строке «состояние» показывется напряжение постоянного сигнала на выходе диагностической системы. По величине напряжения можно судить о состоянии короткозамкнутого ротора асинхронного двигаетеля.

а) б) Рис. 13. Экран состояния поврежденого ротора а) обрыв двух стержня, б) обрыв одного стержней Данная автоматизированая система диагностики позволяет проанализировать состояние короткозамкнутого ротора. Выявить обрыв стержней, а так же осущетсвлять оперативный контроль физических характеристик.

Заключение В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, связанная с повышением эксплуатационной надежности АД электростанций.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить следующие результаты:

1. Выявлено, что высокий уровень интенсивности отказов АД по вине повреждений «беличьей клетки» на пылеугольных электростанциях обусловлен тяжелыми условиями работы и пуска, при этом отказ электроприводов механизмов собственных нужд может привести как к снижению вырабатываемой мощности, так и к полному останову энергоблока;

2. Разработана методика расчета токов в АД при несимметрии обмотки ротора с погрешностью около 10 %, на основе системы дифференциальных уравнений в нормальной форме Коши для m–фазной системы координат, приведенной к ротору.

3. Усовершенствованы способы измерения скорости вращения вала АД и частоты тока в обмотке ротора на основе спектрального анализа токов статора.

4. Доказана возможность диагностирования неисправностей АД в эксплуатационных режимах работы посредством выявления локальных особенностей изменения спектрального состава во временных осциллограммах обобщенного вектора тока с использованием вейвлет-анализа.

5. Предложен критерий определения момента перехода короткозамкнутой обмотки АД из исправного состояния в неработоспособное.

6. Разработана автоматизированная система диагностики, основанная на правилах нечетких множеств, позволяющая значительно повысить степень достоверности оценки состояния обмотки ротора АД.

Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи в периодических изданиях рекомендованных ВАК 1. Глазырина, Т.А. Функциональная вейвлет-диагностика состояния обмоток роторов трехфазных электрических машин / Т.А.Глазырина, В.И.Полищук [и др.] // Электричество. – 2012. – № 6. – C. 42–45.

2. Глазырина, Т.А. Определение частоты вращения и скольжения асинхронного двигателя по спектральному составу токов в обмотках статора / Т.А.Глазырина [и др.] // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2009. – № 6. – С. 23–26.

3. Глазырина, Т.А. Нейросетевая идентификация и диагностика электрических машин в условиях сильных импульсных помех / Т.А.Глазырина [и др.] // Науч. пробл.

трансп. Сиб. и Дал. Вост. – 2011. – № 2. – C. 282–285.

4. Глазырина, Т.А. Динамика электропривода с нечетким регулятором / Т.А.Глазырина [и др.] // Известия Томского политехнического университета. – 2010. – т. 316. – № 4. – С. 168–173.

Патенты РФ на изобретения и полезные модели 5. Пат. на полезную модель № 121086 РФ, МПК G01R 31/34. Устройство для диагностики электродвигателей переменного тока // Т.А. Глазырина, А.С. Глазырин, В.В. Тимошкин, В.И. Полищук; заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2012116366/28; заявл. 23.04.2012; опубл.

6. Пат. на изобретение № 2390036 РФ, МПК G01R 31/34, H02К 17/02. Способ определения скольжения асинхронного двигателя с фазным ротором // Е.И.

Гольдштейн, Т.А. Глазырина; заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009116526/28; заявл. 29.04.2009; опубл.

7. Пат. на изобретение № 2397505 РФ, МПК G01R 31/34. Способ определения скольжения ротора асинхронного электродвигателя // Е.И. Гольдштейн, Т.А.

Глазырина; заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009128384/28; заявл. 28.07.2009; опуб. 20.08.2010. Бюл. № 23.

8. Пат. на изобретение № 2405161 РФ, МПК G01R 23/00. Способ определения частоты тока ротора асинхронного двигателя // Е.И. Гольдштейн, Т.А. Глазырина;

заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009128783/28; заявл. 27.07.2009; опуб. 27.11.2010. Бюл. № 33.

9. Пат. на изобретение № 2405162 РФ, МПК G01R 23/00. Способ определения частоты тока ротора асинхронного двигателя // Е.И. Гольдштейн, Т.А. Глазырина;

заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009128897/28; заявл. 27.07.2009; опуб. 27.11.2010. Бюл. № 33.

10. Пат. на полезную модель № 87807 РФ, МПК G01R 31/34. Устройство для определения скольжения асинхронного двигателя с фазным ротором // Е.И.

Гольдштейн, Т.А. Глазырина; заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009116401/22; заявл. 29.04.2009; опуб.

11. Пат. на полезную модель № 89247 РФ, МПК G01R 31/34. Устройство для определения скольжения ротора асинхронного электродвигателя // Е.И. Гольдштейн, Т.А. Глазырина; заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009128481/22; заявл. 22.07.2009; опуб. 27.11.2009. Бюл. № 33.

12. Пат. на полезную модель № 89714 РФ, МПК G01R 23/02. Устройство для определения частоты тока ротора асинхронного двигателя // Е.И. Гольдштейн, Т.А.

Глазырина; заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009128985/22; заявл. 27.07.2009; опуб. 10.12.2009. Бюл. № 34.

13. Пат. на полезную модель № 89715 РФ, МПК G01R 23/02, G01R 23/16.

Устройство для определения частоты тока ротора асинхронного двигателя // Е.И.

Гольдштейн, Т.А. Глазырина; заявитель и патентообладатель «Томский политехнический университет»; – № 2009129590/22; заявл. 31.07.2009; опуб.

Материалы международных, всероссийских и региональных конференций 14. Глазырина Т.А. Диагностика обрыва фазы статора асинхронного двигателя с использованием искусственной нейронной сети / Т.А.Глазырина [и др.] // IV чтения Ш. Шокина: Материалы IV Международной научно-технической конференции; Павлодар, 14–16 ноября 2010 г. – Павлодар: ПГУ, 2010. – С. 132–133.

15. Глазырина Т.А. Методы on-line диагностики асинхронного двигателя по токам статора / Т.А.Глазырина // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика:

труды Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т 1.

Радиоэлектроника, электротехника и электроэнергетика, Томск, 6–8 Октября 2011. – Томск: СПБ Графикс, 2011 – С. 321–323.

16. Глазырина Т.А. Очистка от шума сигналов в диагностических комплексах и каналах обратных связей электропривода / Т.А.Глазырина [и др.] // Современные техника и технологии: Сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т., Томск, 18–22 Апреля 2011. – Томск: ТПУ, 2011 – Т. 1 – C. 544–545.

17. Глазырина Т.А. Методы мониторинга состояния цепей ротора асинхронного двигателя по токам статора / Т.А.Глазырина // Энергосберегающие технологии: материалы Международной молодёжной конференции, Томск, 28–июня 2011. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011 – Т. 2 – C. 129–130.

18. Глазырина Т.А. Проблемы и методы диагностики повреждений стержней роторов короткозамкнутых асинхронных двигателей / Т.А.Глазырина [и др.] // Энергосберегающие технологии: материалы Международной молодёжной конференции, Томск, 28–30 июня 2011. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011–Т. 1 – C. 182–183.

19. Глазырина Т.А. Соверменные методы и подходы диагностики асинхронного электродвигателя / Т.А.Глазырина [и др.] // Электромеханические преобразователи энергии: материалы V Юбилейной международной научнотехнической конференции, посвященной памяти Г.А. Сипайлова, Томск, 12–октября 2011. – Томск: Изд-во ТПУ, 2011 – C. 41–43.

20. Глазырина Т.А. Один из путей определения скольжения асинхронного двигателя в бездатчиковом электроприводе / Т.А.Глазырина [и др.] // Электромеханические преобразователи энергии: Материалы IV Международной научно-технической конференции, Томск, 13–16 октября 2009. – Томск: ТПУ, 2009. – С. 181–185.

21. Глазырина Т.А. Динамика следящего электропривода постоянного тока с нечётким регулятором / Т.А.Глазырина [и др.] // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: материалы Всероссийской научнотехнической конференции / Томский политехнический университет. – Изд-во Томского политехнического университета, 2010.– 351 с.

Изд-во СТИ НИЯУ МИФИ, 2011 – C. 44–45.

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.

Источник

Ответы на популярные вопросы
Adblock
detector