Ідентифікація параметрів електропривода в задачах енерго- і ресурсозбереження (розвиток теорії, розробка і впровадження)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національна гірнича академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність 05.09.03 "Електротехнічні комплекси та системи"

Ідентифікація параметрів електропривода в задачах енерго- і ресурсозбереження (розвиток теорії, розробка і впровадження)

Бешта Олександр Степанович

Дніпропетровськ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електропривода в Національній гірничій академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

академік НАН України, д.т.н., професор Півняк Геннадій Григорович, завідувач кафедри систем електропостачання Національної гірничої академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Клепіков Володимир Борисович, завідувач кафедри автоматизованих електромеханічних систем Харківського національного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор Садовий Олександр Валентинович, завідувач кафедри електрообладнання Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор Коцегуб Павло Харитонович, завідувач кафедри електропривода і автоматизації промислових установок Донецького державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Інститут електродинаміки НАН України, (м. Київ), відділ “ Перетворення і стабілізація електромагнітних процесів”

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, канд. техн. наук, доцент Заїка В.Т.

Анотація

електропривод автоматизований потужність

Бешта О.С. Ідентифікація параметрів електропривода в задачах енерго- і ресурсозбереження (розвиток теорії, розробка і впровадження). Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 Електротехнічні комплекси і системи. Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної проблеми розвитку теорії аналітичної ідентифікації з метою створення експрес-методів моніторингу технічного стану електропривода, а також розробці і впровадженню автоматизованого комплексу для їх реалізації. Впровадження методів і засобів автоматизованої ідентифікації параметрів електропривода збільшить період його безвідмовної роботи і зменшить енергетичні і ресурсні витрати, пов'язані з експлуатацією і ремонтом.

Автоматизовану ідентифікацію номінальних параметрів запропоновано виконувати на основі аналізу балансу потужності системи у цьому режимі з урахуванням втрат у сталі і додаткових втрат, пов'язаних з системою живлення, та теплової моделі електромеханічного перетворювача. Інші параметри системи електропривода ідентифікуються в автоматизованому комплексі за допомогою загальних рекурентних форм, отриманих з дискретних моделей системи з підстановкою в них даних динамічних режимів без навантаження.

Ключові слова: електромеханічна система, електропривод, двигун постійного струму, асинхронний двигун, ідентифікація, дискретні моделі, цифрове керування, системи керування, вимірювально-діагностичний комплекс, діагностика, експериментальні дослідження.

Аннотация

Бешта А.С. Идентификация параметров электропривода в задачах энерго- и ресурсосбережения (развитие теории, разработка и внедрение). Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы. Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2001.

Диссертация посвящена решению научно-практической проблемы развития теории аналитической идентификации с целью создания экспресс-методов мониторинга технического состояния электропривода, а также разработке и внедрению автоматизированного комплекса для их реализации. Внедрение методов и средств автоматизированной идентификации параметров электропривода увеличит период его безотказной работы и уменьшит энергетические и ресурсные затраты, связанные с эксплуатацией и ремонтом.

Идея работы состоит в разработке и использовании методов идентификации параметров электропривода, поддающихся автоматизации с использованием ЭВМ без сопряжения электродвигателя системы с нагрузочной машиной.

Идентификацию номинальных параметров предложено выполнять на основе анализа энергетического баланса системы в этом режиме с учетом потерь в стали и дополнительных потерь, связанных с системой питания, и тепловой модели электромеханического преобразователя. При этом уравнение баланса мощности в электрическом двигателе рассматривается как уравнение линейной регрессии, где неизвестными коэффициентами являются активное сопротивление силовой цепи, коэффициент потерь в стали, механические потери. На основе разделения потерь предложенным методом баланса мощности и тепловой модели двигателя получены зависимости для идентификации номинальной нагрузки , КПД, коэффициента мощности.

Другие параметры системы электропривода (постоянные времени, индуктивности) идентифицируются на основе данных динамических режимов без нагрузки. Синтезированы ее дискретные модели и получены уравнения для анализа переходных процессов токов и напряжений в силовых цепях. Получены теоретические зависимости идентифицируемых параметров электромеханической системы электропривода относительно измеренных тока и напряжения, а также конструктивных параметров двигателя. Формулы позволяют идентифицировать: постоянные времени якорной цепи и обмотки возбуждения с учетом и без учета вихревых токов, электромеханическую постоянную времени электропривода постоянного тока с двигателем независимого и последовательного возбуждения; электромагнитные и электромеханические постоянные времени асинхронного электропривода с короткозамкнутым и фазным ротором; моменты инерции, коэффициенты упругости и вязкого трения, существенные нелинейности многомассовой электромеханической системы электропривода.

Теоретически обоснована и практически подтверждена в промышленных условиях возможность идентификации параметров секций обмоток двигателей на стадиях электроремонта и предупредительных мероприятий предложенным методом идентификации. Сравнение идентифицируемых постоянных времени секций с эталонным значением позволяет выявлять межвитковые замыкания и замыкания на корпус.

Методом моделирования подтверждена возможность использования полученных формул для идентификации параметров электромеханической системы электропривода в динамических режимах без нагрузки.

Сформулированы требования к системе автоматизированной идентификации параметров электромеханических систем электропривода, разработаны законы программного управления электроприводом в процессе идентификации и алгоритмы программной реализации системы управления автоматизированной системы идентификации и программное обеспечение.

Изготовлены экспериментальный и полупромышленный комплексы для идентификации параметров систем электропривода. В результате их экспериментальных исследований доказана целесообразность использования предложенных методов идентификации. Статистическая обработка результатов испытаний измерительно-диагностического комплекса в составе ЭВМ, датчиков и блока сопряжения показала, что ошибка в идентификации параметров составляет 2...10% в различных опытах в сравнении с традиционными методами диагностики.

Разработаны методики испытаний двигателей постоянного тока и асинхронных в составе электропривода в условиях эксплуатации, а также в измерительно-диагностическом комплексе для идентификации. Основные результаты работы нашли промышленное использование.

Ключевые слова: электромеханическая система, электропривод, двигатель постоянного тока, асинхронный двигатель, идентификация, дискретные модели, цифровое управление, системы управления, измерительно-диагностический комплекс, диагностика, экспериментальные исследования.

Abstract

Beshta O.S. Electric drives parameters identification in problems of energy and resources saving (theory development, elaboration and introduction). - Manuscript.

Doctor of Science Degree thesis work on speciality 05.09.03 Electrotechnical complexes and systems. National Mining University of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2001.

Thesis is devoted to the development of the analytic identification theory. The goal is elaborate express methods of electric drives technical state monitoring and automatic electric drives identification system. It is proven that the introduction of automatic identification methods and principles increases trouble-free work period, decreases energetic losses and costs for repair.

The nominal parameters identification method, based on the energy balance analysis of the system, working in a no-load run mode, is proposed. The electromechanical transformer thermal model and auxiliary iron magnetic losses, connected with the feeding system, are considered. Other electric drives parameters are identified in automatic complex using general recursive equations, that describe systems discrete models, and analysis data on the transient current and voltage processes in the power circuits.

Key words: electromechanical system, electric drive, DC motor, asynchronous motor, identification, discrete models, digital control, control systems, diagnostic complex, diagnostic, experimental research.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Сучасний стан промислового сектора економіки України характеризується зношеністю обладнання та застарілими технологіями виробництва. Такий стан речей викликає відчутні енергетичні і ресурсні витрати на виробництво одиниці продукції, що робить її неконкурентною на світових ринках. В цих умовах необхідне оновлення промислового обладнання і технологій виробництва, що потребує суттєвих фінансових інвестицій. Тому основною метою наукових досліджень і розробок в Україні в таких складних економічних умовах повинне бути впровадження технологій найбільш ефективного використання існуючої техніки, її модернізації, підвищення надійності і подовження ресурсу роботи. Це забезпечить зменшення енергетичних і ресурсних витрат на виробництво. Сучасний розвиток інформаційних технологій дозволяє вирішувати проблеми енерго- і ресурсозбереження (ЕРЗ) за рахунок створення єдиної системи інформаційного забезпечення (СІЗ), яка повинна супроводжувати промисловий об'єкт на усіх етапах його життєвого циклу: проектування, створення, експлуатації, ремонту. Електромеханічні системи електроприводів (ЕМС ЕП) відносяться до промислових об'єктів і мають відповідний життєвий цикл. При розгляді проблеми ЕРЗ під цим кутом зору необхідно сформулювати вимоги до системи інформаційного забезпечення. Академіком НАН України Г.Г. Счастливим вони визначені у вигляді вимог до перспективної системи забезпечення індивідуальної надійності енергетичних електричних машин. Згідно з цими вимогами були поставлені задачі, що повинні вирішуватися: створення баз даних і баз знань з експлуатаційної надійності; створення САПР конструкцій з імітацією дефектів; проектування контролеспроможних конструкцій і розвиток технології контролю; створення паспорту і бази даних надійності; розвиток технології виробництва і експлуатаційної сертифікації; удосконалення технології системного моніторингу технічного стану машин на експлуатаційному етапі їх життєвого циклу; заводський ремонт, модернізація і подовження ресурсу; розвиток технології прогнозу критичних станів; вирішення проблеми живучості машин. Поставлені вимоги є прийнятними для інформаційних систем будь-якого промислового обладнання, тому їх можна розповсюдити і на СІЗ електроприводів. Виходячи з існуючих умов експлуатації застарілого парку електрообладнання і того, що поставлена проблема є найбільш загальною, обмежимо коло питань, пов'язаних з СІЗ, експлуатацією і ремонтом електропривода.

Встановлено, що умови експлуатації істотно впливають на характеристики електричних двигунів і електропривода. При експлуатації суттєвим є стан навколишнього середовища. Умови експлуатації електроприводів є найменш змінним фактором, що впливає на процес ЕРЗ, тому основна увага звертається на режими роботи систем електропривода.

ЕРЗ вимагає забезпечення оптимального режиму роботи електропривода. Оптимізація режиму роботи виконується через забезпечення паспортних вимог до електродвигуна, системи живлення і керування, що встановлені заводом-виготівником електрообладнання для пускових і усталених режимів. Ці вимоги сформульовані у вигляді даних номінального режиму роботи і пуску. Однак, параметри електропривода, у тому числі і номінальні, з часом експлуатації і кількістю ремонтів погіршуються. Тому проблема ЕРЗ з точки зору формування режимів роботи електропривода повинна вирішуватися через урахування нестаціонарності параметрів електропривода, пов'язаної з експлуатаційним "старінням" електрообладнання і ремонтними заходами, шляхом керування режимами усталеної роботи і пуску, або захисту при перевантаженні. ЕРЗ для етапу ремонту виглядає як покращання якості ремонту і визначення реальних параметрів електричних машин після ремонту і модернізації.

Вирішення сформульованих проблем ЕРЗ на етапах експлуатації може бути забезпечено шляхом моніторингу технічного стану електрообладнання у процесі усталених режимів і пусків шляхом ідентифікації найбільш критичних параметрів, що впливають на довговічність, надійність, безвідмовність роботи. Отримана інформація використовується для корекції режиму роботи чи захисту за допомогою інтегрованих систем або, якщо це не можливо, для визначення залишкового ресурсу працездатності при тепловому перевантаженні, перевищенні напруги живлення або його несиметричності, та ін. СІЗ на етапі ремонту повинна ідентифікувати параметри окремих складових частин електрообладнання, або в цілому, для прогнозу нових номінальних і динамічних параметрів електрообладнання у післяремонтний період.

Питання ідентифікації у СІЗ експлуатації і ремонту необхідно вирішувати експрес-методами, що, безумовно, прискорить процеси моніторингу і захисту, визначення реальних параметрів електропривода. Очевидно, що такі методи при експлуатації і на етапі ремонту не повинні бути пов'язані з механічним сполученням досліджуваних електроприводів з навантажувальними машинами. В режимі експлуатації це не дозволяє технологічний режим і підключення електропривода до технологічного агрегату, а на стадії ремонту при широкій номенклатурі двигунів, що ремонтуються, ідентифікація у вимірювально-діагностичному комплексі (ВДК) суттєво утруднена. Крім того, спрощення процедур ідентифікації параметрів електропривода, збільшення їх точності і швидкості вимагають створення методів, що використовують легко і достатньо точно вимірювані дані струмів і напруги усталених та перехідних режимів роботи.

Таким чином, в дисертації вирішується науково-прикладна проблема, що полягає в розвитку теорії та розробці швидких і простих практичних методів ідентифікації параметрів ЕМС ЕП і автоматизованого комплексу для ідентифікації (АКІ) в межах СІЗ експлуатації і ремонту для підвищення ефективності роботи електропривода, зменшення кількості його відмов і пов'язаних з ними енергетичних і ресурсних витрат. Теоретична сторона проблеми передбачає встановлення закономірностей взаємозв'язку між параметрами електропривода і послідовностями дискретних значень струму і напруги живлення в усталених та перехідних режимах електропривода без навантаження, що дозволяє безпосередньо ідентифікувати параметри електропривода за обмеженою кількістю дискрет окремого часового проміжку його роботи. Така постановка проблеми ідентифікації параметрів електропривода забезпечує спрощення процесу ідентифікації, його прискорення і підвищення достовірності за рахунок отримання аналітичних залежностей параметрів від вимірюваних даних, визначення виду нестаціонарності в усталеному режимі його роботи і нелінійності параметрів у перехідному процесі. Прості і швидкі методи ідентифікації дозволяють встановити постійний моніторинг стану експлуатації електропривода, а також забезпечити умови експлуатації відремонтованих електродвигунів у реальному номінальному режимі. Це підвищить надійність роботи електропривода, зменшить енерго- і ресурсовитрати, пов'язані з відмовами електрообладнання і його ремонтом. Практична сторона полягає у формулюванні вимог до автоматизованих комплексів для ідентифікації на базі ВДК з цифровими керуванням і обробкою даних, створенні експрес-методів ідентифікації номінальних і динамічних параметрів електропривода та їх експериментальній перевірці.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дослідження відповідають комплексній державній програмі енергозбереження (прийнята постановою Верховної Ради № 911 від 15 листопада 1995 року, напрямок НДР Міністерства освіти і науки України 1.9.2.8 Електромеханічне перетворення енергії) і включені в план бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України на 1998-99 роки рішенням Координаційної ради від 9 грудня 1997 року (тема ГП-227 "Паспортизація тягових двигунів електровозів після їхнього ремонту з використанням методики холостого ходу", № ДР 0198U005632) та на 2000-2001 роки рішенням Координаційної ради від 28 грудня 1999 року (тема ГП-260 "Дослідження закономірностей енергетичних і динамічних процесів в електромеханічних системах змінного струму для розробки теорії і методів ідентифікації їх параметрів", № ДР 0100U001812). Виконана робота базується на договорах про науково-технічне співробітництво між Національною гірничою академією України і ВАТ "Дніпропетровський електромеханічний завод" за 1997 2000 роки.

Об'єкт дослідження. Зниження експлуатаційного ресурсу і високий рівень енерговтрат в електроприводі через відсутність достатньої інформації про відповідність його параметрів параметрам, при яких електропривод повинний експлуатуватися у заданому режимі.

Предмет дослідження. Автоматизована на основі ЕОМ аналітична ідентифікація номінальних і динамічних параметрів електропривода в режимах без навантаження для задач інформаційного забезпечення.

Науково-прикладна проблема. Розвиток теорії аналітичної ідентифікації з метою створення експрес-методів моніторингу технічного стану електропривода, розробки і впровадження автоматизованого комплексу для їх реалізації, що збільшить період безвідмовної роботи електропривода і зменшить енергетичні і ресурсні витрати, пов'язані з експлуатацією і ремонтом.

Мета роботи. Створення інформаційного забезпечення процесу експлуатації і ремонту електропривода на основі автоматизованих алгоритмів ідентифікації параметрів і автоматизованого комплексу з ЕОМ для зменшення ресурсних і енергетичних витрат цих процесів.

Наукові задачі:

теоретичне обґрунтування і розробка методу автоматизованої аналітичної ідентифікації параметрів номінального режиму електропривода на основі використання регресійної моделі рівняння балансу потужності електропривода в режимі холостого ходу з урахуванням втрат у сталі і додаткових втрат, пов'язаних з системою живлення, а також теплової моделі двигуна;

теоретичне обґрунтування і розробка методу автоматизованої аналітичної ідентифікації динамічних параметрів електромеханічної системи електропривода в режимах зміни напруги живлення без навантаження на основі синтезу дискретних моделей електропривода і отримання залежностей для аналізу перехідних процесів струмів і напруги в силових колах;

розробка вимог до автоматизованого комплексу для ідентифікації параметрів електропривода;

теоретичне обґрунтування програмної реалізації системи керування АКІ і розробка алгоритмів програмного керування електроприводом в процесі ідентифікації;

розробка алгоритму і програмного забезпечення процесу ідентифікації в АКІ параметрів електропривода постійного і змінного струму;

експериментальне дослідження методів ідентифікації і доведення їх до практичного використання.

На захист виносяться наукові положення:

статистично значимі коефіцієнти поліноміальної моделі балансу потужності в електроприводі в усталених режимах без навантаження при зміні напруги живлення та стабілізації кутової швидкості двигуна і з використанням параметрів його теплової моделі визначають номінальні параметри електричного двигуна;

загальні рекурентні форми членів нескінченних ступеневих рядів, якими представлені перехідні функції запропонованих дискретних моделей системи електропривода у Z-перетвореннях, починаючи з порядку члена ряду , де і найвищі ступені чисельника і знаменника відповідних дискретних передатних функцій, віддзеркалені у часову область, з використанням в них дискретних значень реальних перехідних процесів, ідентифікують сталі часу і суттєві нелінійності в електроприводі;

представлення різницевих рівнянь, отриманих на основі передатних функцій запропонованих дискретних моделей електропривода відносно невідомих параметрів, з підстановкою в них відповідних дискретних значень реальних перехідних процесів ідентифікує сталі часу електропривода і параметри багатомасової електромеханічної системи з пружними зв'язками при довільній формі керуючого впливу.

Наукова новизна отриманих результатів.

Теоретично обґрунтована можливість використання моделей рівнянь балансу потужності режимів холостого ходу електропривода у вигляді регресійних поліномів для ідентифікації складових втрат потужності. На відміну від існуючих графо-аналітичних методів даний метод є точним, швидким і може бути автоматизованим. Показано, що регресійні моделі повинні бути отримані за допомогою даних струму силового кола або потужності усталених режимів холостого ходу електропривода при різних рівнях напруги живлення і сталій кутовій швидкості обертання двигуна. Доведено, що за допомогою теплової моделі, яка враховує теплову анізотропність електричного двигуна, та ідентифікованих складових втрат потужності в ньому, які є джерелами тепла, можна прогнозувати номінальну навантажувальну здатність двигуна.

На основі підстановок Z-форм отримані дискретні моделі електропривода і багатомасової ЕМС ЕП постійного і змінного струму та теоретично обґрунтована можливість їх використання для ідентифікації динамічних параметрів електромеханічної системи. Доведено, що ідентифікація динамічних параметрів електропривода може виконуватися за допомогою отриманих з дискретних моделей аналітичних залежностей цих параметрів від дискретних значень перехідного процесу в моделі, замість яких підставляються дискретні значення реального перехідного процесу, синхронізовані в часі з даними моделі. На відміну від існуючих градієнтних і пошукових методів ідентифікації даний аналітичний метод значно скорочує процес ідентифікації. Метод може також використовуватися як складова частина існуючих градієнтних методів для знаходження початкового значення параметру. При цьому забезпечується швидке досягнення глобального мінімуму у багатомірному просторі параметрів електропривода на поверхні критерію якості з багатьма локальними мінімумами і, таким чином, збільшується достовірність результатів.

Сформульовані алгоритми програмного керування, що реалізуються в АКІ, для систем електропривода різного типу. На відміну від існуючих ВДК ідентифікація параметрів і відповідне настроювання систем керування електропривода може бути виконане в експлуатаційних умовах перед навантаженням електропривода. Вирішена задача програмного синтезу системи керування АКІ шляхом переобладнання існуючих систем керування електроприводом для ЕОМ. Отримані різницеві рівняння, що апроксимують неперервні моделі системи двозонного керування КП ДПС і РН АД. На відміну від існуючих ВДК автоматизовані комплекси з програмною реалізацією систем керування електроприводом дозволяють автоматизувати і оптимізувати процес ідентифікації параметрів електропривода. Прискорення процесу ідентифікації номінальних параметрів ЕМС ЕП забезпечується оптимізацією перехідних процесів зміни усталених режимів.

Теоретично обґрунтований діапазон значень кроку дискретизації, при якому відносна похибка ідентифікації мінімізується. Зроблений висновок про те, що цифрові системи обробки інформації можуть забезпечити зменшення похибки ідентифікації відносно неперервних при високому рівні шуму вимірюваних сигналів.

Практична цінність отриманих результатів:

обґрунтована можливість визначення номінальних даних, сталих часу і параметрів електромеханічної системи електропривода при випробуваннях без навантаження;

отримані аналітичні формули і методи ідентифікації параметрів номінального режиму, сталих часу та інших параметрів електропривода, що дозволяє прискорити і спростити процес ідентифікації, підвищити достовірність результатів;

запропонована структура, обґрунтована елементна база та сформульований принцип роботи АКІ параметрів електроприводів постійного і змінного струму в режимі холостого ходу;

сформульовані алгоритми автоматизованого цифрового керування типовими схемами електроприводів під час випробувань в перехідних та усталених режимах та визначений алгоритм програмної реалізації системи керування АКІ;

розроблені алгоритми і прикладне програмне забезпечення, що реалізує викладені методи ідентифікації параметрів електроприводів;

розроблені програма і методика автоматизованої ідентифікації параметрів електроприводів в режимі без навантаження.

Результати дисертаційної роботи впроваджені у вигляді методик, алгоритмів і програм, а також рекомендацій щодо структури, елементної бази, принципів роботи автоматизованої системи ідентифікації параметрів електропривода на підприємствах ВАТ "Дніпроважпапермаш" ім. Артема, ВАТ ДЕМЗ, державному підприємстві "Дніпроміськелектротранс", АОЗТ "Атом" та ін. На основі проведених досліджень на виробничій базі ВО "Індустріал-сервіс" (м. Дніпропетровськ) створюється промисловий автоматизований вимірювально- діагностичний комплекс для дослідів відремонтованих електричних машин. Запропоновані методи ідентифікації використовуються в учбовому процесі при виконанні лабораторних робіт з дисципліни "Основи автоматизованого проектування електромеханічних систем та електропривода" та ін.

Впровадження системи інформаційного забезпечення на основі запропонованих методів автоматизованої ідентифікації на ВАТ "Дніпроважбуммаш" ім. Артема дозволить забезпечити економію експлуатаційних витрат у 52378,8 грн на рік. Впровадження АКІ на ВАТ ДЕМЗ замість існуючого ВДК дасть річний економічний ефект 84972,7 грн., дозволить скоротити експлуатаційні витрати на 70,36%, витрати на електроенергію на 95,4%, на повторний ремонт електродвигунів на 75%, на заробітну плату робітників на 49, 75%.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані науково-прикладна проблема, мета і задачі досліджень, наукові положення , висновки та рекомендації, виконана теоретична частина роботи. Усі експериментальні роботи виконані при безпосередній участі здобувача як наукового керівника і виконавця. Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, які виносяться на захист:

розвиток теорії та методи автоматизованої аналітичної ідентифікації номінальних і динамічних параметрів електропривода в режимі без навантаження;

вимоги до системи автоматизованої ідентифікації параметрів електропривода, теоретичне обґрунтування та алгоритми програмного керування електроприводом в процесі ідентифікації і алгоритми програмної реалізації системи керування електропривода в АКІ;

алгоритми і програмне забезпечення процесу ідентифікації АКІ параметрів електромеханічних систем електропривода постійного і змінного струму;

результати експериментального і теоретичного дослідження методів ідентифікації.

Апробація результатів дисертаційної роботи здійснена на 12 наукових конференціях: "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (Алушта, ХДПУ, 19962000); "Проблемы создания новых машин и технологий" (Кременчук, 19972001); "Автоматика-98" (Київ, НТУУ "КПІ", 1998); "Современные технологии экономичного и безопасного производства и использования электроэнергии" (Дніпропетровськ, НГАУ, 1997).

Публікації. Основні наукові положення та результати дисертації опубліковано в 35-х роботах, з яких 29 у наукових фахових виданнях. З числа останніх 13 одноосібних.

Структура і обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації становить 344 сторінки друкованого тексту, до складу якого входять 307 сторінок основної частини, що містить вступ, сім розділів та висновки по роботі, список використаних літературних джерел та двадцять три додатки, які займають 37 сторінок. Список використаних джерел містить 204 найменування та займає 24 сторінки. В дисертації налічується 121 малюнок і 20 таблиць, із них малюнки і таблиці складають повністю 41 сторінку.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, зв'язок роботи з науковими програми, планами і темами, сформульовані науково-прикладна проблема, мета і задачі досліджень, викладена наукова новизна, практична значимість одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналітичний огляд систем діагностики, методів ідентифікації і моделей систем, що досліджуються. В ньому також розглядаються питання вибору вектора параметрів ЕМС ЕП, визначення яких необхідне з точки зору поставлених в роботі задач.

Встановлено, що існуючі системи дослідження номінальних параметрів і характеристик систем електропривода базується, в основному, на навантаженні електропривода за допомогою механічно сполучених електричних навантажувальних машин. Для ідентифікації динамічних параметрів ЕМС ЕП запропоноване широке різноманіття способів, що використовують дані неперервних перехідних процесів струмів, напруги, швидкостей. При цьому поширеними є способи, основані на графо-аналітичних засобах ідентифікації. Відсутні узагальнені методики ідентифікації параметрів електромеханічних систем електропривода в режимі їх експлуатації. Запропоновані способи ідентифікації не враховують сучасного розвитку електронно-обчислювальної техніки і, здебільшого, не можуть бут автоматизованими.

Парк електрообладнання в сучасних умовах практично не оновлюється. Тому все частішими стають аварії на підприємствах, пов'язані з відмовами електрообладнання, зокрема електропривода і електричних двигунів. Найбільш поширеним в Україні і СНД засобом подовження строку служби електрообладнання є його ремонт. Вигідність електроремонту суттєво збільшується з ростом потужності електрообладнання. Тому ремонт потужних електричних машин і машин середньої потужності стає економічно вигідним навіть у високо розвинутих країнах. Якість електроремонту через комплекс причин в Україні невисокого рівня, а відремонтоване електрообладнання має параметри, що відрізняються від доремонтних. Тому актуальною є задача прогнозування номінального режиму електричної машини після ремонту. Доцільною є модернізація електричної машини в процесі ремонту. У зв'язку з цим постає проблема прогнозування номінального режиму електричної машини на цій стадії.

На основі виконаного аналізу етапу експлуатації і ремонту ЕМС ЕП визначено, що науково-прикладна проблема, яка поставлена у дисертаційній роботі, вимагає вирішення у двох напрямках: 1) розробка методу автоматизованої ідентифікації параметрів номінального режиму та інших параметрів електричного двигуна в усталених режимах без навантаження; 2) розробка методу ідентифікації динамічних параметрів ЕМС ЕП в режимах без навантаження.

Метод ідентифікації параметрів номінального режиму та інших параметрів електричного двигуна в усталених режимах без навантаження передбачає використання теплової моделі, в яку входять в якості джерел тепла втрати електричної енергії, що живить двигун. В зв'язку з цим постає питання автоматизованого розділу втрат в електродвигуні і вибору теплової моделі. Найбільш доцільним для розділу втрат є метод балансу потужності в режимі холостого ходу, тому що вся енергія, яку використовує електричний двигун, йде на втрати. Розділ втрат повинен супроводжуватися визначенням параметрів електропривода, які пов'язані з втратами (наприклад, активний опір). Активний опір залежить від температури, тому схильний до зміни при коливаннях температурного режиму. Метод балансу потужності дозволяє виконувати періодичну ідентифікацію цього критичного параметра і корегувати режим роботи електропривода. При прогнозуванні теплового режиму двигуна слід враховувати вплив неякісності напруги живлення електропривода, що може бути одним із засобів інтегрального захисту електродвигуна і збільшить строк безвідмовної роботи системи електропривода.

Другим напрямком досліджень є автоматизована ідентифікація динамічних параметрів електропривода. Для цього необхідно розробити відповідний алгоритм ідентифікації параметрів двигуна в динамічному режимі його роботи в АКІ. Ідентифікація динамічних параметрів вимагає побудування динамічних моделей системи. Використання неперервних моделей при моделюванні у інверсному напрямку супроводжується процедурами інтерполяції для виконання чисельного диференціювання. Цей метод, як правило, призводить до збільшення розрахункових похибок і часу обчислень. Тому в даній роботі розглядаються дискретні динамічні моделі. Основною вимогою до динамічних дискретних моделей є використання вхідних і вихідних сигналів, які достатньо просто вимірюються, наприклад, напруги і струму.

Поставлена проблема практично вирішуються шляхом створення АКІ, математичного і програмного забезпечення процесу ідентифікації. В зв'язку з цим постає питання формулювання вимог до структури АКІ, його складу, технічних характеристик складових частин.

Другий розділ присвячений методології автоматизованої ідентифікації номінальних і динамічних параметрів ЕМС ЕП без навантаження двигуна.

Проблему ідентифікації номінальних параметрів ЕМС ЕП пропонується виконувати шляхом ідентифікації складових втрат потужності і активного опору силового кола електропривода за допомогою моделі лінійної регресії для рівняння балансу потужності електропривода. На основі розподілу втрат і теплової моделі двигуна отримують аналітичні залежності для прогнозу номінального навантаження у довготривалому і повторно-короткочасному режимах роботи електропривода та з урахуванням неякісності напруги живлення двигуна.

Енергетичний баланс втрат в режимі холостого ходу має загальний вигляд для різного типу двигунів (постійного струму (ДПС), синхронних (СД) і асинхронних (АД))

, (1)

де - втрати холостого ходу; - втрати у міді статора (якоря); - втрати у міді ротора (обмотки збудження); - механічні і додаткові втрати; - втрати у сталі.

Для двигунів постійного струму і синхронного втрати в обмотці збудження враховуються окремо від втрат холостого ходу , тому для цих двигунів дійсний окремий випадок рівняння (1) при .

Розглядаючи рівняння (1) як модель лінійної регресії, приймаємо втрати як функцію відгуку, а струми або напруги як фактори. Параметри при факторах є невідомими коефіцієнтами регресійної моделі, що знаходяться методами регресійного аналізу. При одночасному вимірюванні відповідних струмів і напруги можна скласти бажану кількість рівнянь балансу потужності за формулою (1). Тоді для вектора функцій відгуку і матриці виміряних факторів вектор невідомих коефіцієнтів визначається як

. (2)

Складові втрат в електричному двигуні отримують через коефіцієнти статистичної моделі.

Запропонований методологічний підхід є загальним для розглянутих типів електричних двигунів (ЕД). Він дозволяє на основі існуючої закономірності взаємозв'язку між складовими втрат потужності в режимі холостого ходу електропривода постійного і змінного струму та параметрами лінійної регресійної моделі, що описує баланс потужності в електроприводі у цьому режимі, визначати і розділяти втрати при роботі ЕД. Основною умовою реалізації експерименту є сталість кутової швидкості ЕД, що повинно забезпечуватися системою регулювання джерел живлення. У двигуна постійного струму домогтися розділу втрат можна в системі живлення з каналами стабілізації швидкості і регулювання збудження. При цьому зниження напруги збудження призводить до зменшення потоку та при стабілізації кутової швидкості двигуна викликає зміну напруги живлення і струму якоря для збереження загального балансу енергії холостого ходу в системі електропривода. Поділ втрат у асинхронного двигуна можна здійснити в системі “перетворювач частоти - асинхронний двигун” (ПЧ АД) із незалежними каналами регулювання частоти і напруги та замкнутій по швидкості. Можна, також, реалізувати поставлену мету і в системі “регулятор напруги - асинхронний двигун” (РН АД). При незалежному регулюванні напруги в обох системах електропривода можна не замикати їх по швидкості, тому що в режимі холостого ходу в цьому випадку кутова швидкість двигуна змінюється незначно. При зміні напруги статора або частоти живлення вимірюються струми фаз статора і напруга живлення та складаються системи рівнянь балансу потужності. У синхронній машині домогтися зміни складових рівняння балансу потужності в режимі холостого ходу можна зміною струму збудження при сталості параметрів живильної напруги статора.

На основі розподілу втрат в електроприводі і теплової моделі двигуна запропонований метод прогнозування його номінальної навантажувальної здатності. Можливі два підходи до визначення номінального навантажувального режиму двигуна в залежності від виконання або невиконання умов перегріву обмоток. Першою задачею є визначення номінального режиму навантаження електродвигуна, при якому температура обмоток не перевищує допустимої.

Для повторно-короткочасних режимів роботи (S3-S5) вводиться поправний коефіцієнт, що залежить від еквівалентних втрат за цикл роботи.

Друга задача встановлення часу роботи електродвигуна без теплового пробою ізоляції з відомим навантаженням, при якому існує перегрів обмоток. Маючи температуру усталеного теплового режиму двигуна, можна без ускладнень встановити строк служби ізоляції за умови, що двигун постійно працює з однаковим навантаженням, по одній із статистичних залежностей часу безвідмовної роботи ізоляції даного класу відносно її температури. При цьому температура ізоляції може бути визначена за тепловою моделлю. У повторно-короткочасному режимі вводиться поправка на перевищення температури ізоляції.

При неякісності напруги живлення (полігармонійне живлення) і значному ефекті витіснення струму в обмотках статора і ротора визначена модель для автоматизованої статистичної ідентифікації втрат у режимі холостого ходу.

Змінюючи амплітуду напруги і враховуючи ту ж саму кількість гармонік, отримуємо рівнянь для знаходження коефіцієнтів , , , . Перерахування додаткових втрат при номінальній напрузі виконується з урахуванням відомих формул.

Для ДПС врахування впливу неякісності напруги живлення пов'язане, здебільшого, з пульсаціями випрямленої напруги. Визначення втрат від вищих гармонік пропонується виконувати шляхом розрахунку середнього і діючого значень струмів якоря і обмотки збудження через дискрети цих струмів за період коливань напруги живлення змінного струму.

Проблему автоматизованої ідентифікації динамічних параметрів ЕМС ЕП пропонується вирішувати за допомогою дискретних моделей відносно достатньо просто вимірюваних параметрів, наприклад, струму. Через те, що ставиться задача ідентифікації параметрів з використанням ЕОМ, оцінювання параметрів дослідної системи електропривода повинно виконуватися за вхідними і вихідними даними у табличному виді. В рамках неперервної моделі у цьому випадку необхідне використання методів інтерполяції, що потребує додаткового машинного часу і часто призводить до зростання похибок обчислень. Тому важливим є пошук адекватної дискретної моделі об'єкта. У розділі виконаний аналіз методів переходу від неперервної моделі об'єкта до дискретного аналогу. Розглядались методи: 1) упорядкування різницевих рівнянь; 2) введення фіктивних пристроїв вибірки і збереження; 3) чисельного інтегрування; 4) апроксимації методом підстановки; 5) переобладнання неперервних систем; 6) Башаріна. Аналіз наведених методів показав, що найбільш прийнятним є метод трапецій для систем, що можуть бути структурно перетворені у структури, які містять лише інтегральні ланки. У протилежному випадку, або для систем високого порядку найбільш прийнятною є апроксимація за допомогою методу підстановок. Дискретна апроксимація, наприклад, аперіодичної ланки методом підстановки Тастіна співпадає з методом трапецій і дає похибку 0,123%. У той же час інші методи призводять до похибки від 3,4% до 6,92%. Точне рішення за методом Фаулера практично зовсім не дає похибки, але дискретна апроксимація при цьому включає трансцендентність у вигляді експоненціальних залежностей параметрів електропривода, що утруднює їх ідентифікацію. У разі використання моделей, що описуються диференційними рівняннями не вище першого порядку, цифрова апроксимація таких моделей може бути виконана за допомогою метода введення фіктивних пристроїв вибірки і збереження.

У третьому розділі на основі встановлених у другому розділі закономірностей і залежностей визначені формули для ідентифікації номінальних параметрів та виконаний їх аналіз для двигунів постійного і змінного струму найбільш поширених виконань.

Схемі заміщення асинхронного двигуна, що вміщує у гілці намагнічування опір , еквівалентний втратам у сталі, відповідає система рівнянь у просторово-часових комплексах усталеного режиму холостого ходу, що отримана з системи рівнянь Парка-Горева з урахуванням опору . Така відповідність дозволяє визначити рівняння балансу потужності режиму холостого ходу через параметри схеми заміщення і залежність коефіцієнта втрат у сталі через опір і індуктивність гілки намагнічування. Після розподілу втрат за формулою (1) активний опір гілки намагнічування знаходиться як , де струм фази статора у режимі холостого ходу. Головна взаємна індуктивність між фазою статора і фазами ротора знаходиться через отримані залежності

, (10)

, (11)

де кут на просторово-часовій діаграмі асинхронної машини між векторами ЕРС статора і струму намагнічування; синхронна кутова швидкість; коефіцієнт втрат у сталі.

Запропоновані вирази у сукупності з методом автоматизованого розділу втрат дозволяє знайти параметри схеми заміщення асинхронної машини через складові втрат в асинхронному двигуні в режимі холостого ходу без складної системи діагностики і навантаження.

Теоретично обґрунтований у другому розділі метод прогнозування навантажувальної здатності електричного двигуна був використаний для ідентифікації номінального струму найбільш розповсюджених варіантів двигунів: асинхронного серії 4А закритого виконання і двигуна постійного струму 2П нормального виконання з висотою осі обертання до 200 мм і аксіальною вентиляцією. Як базова прийнята чотиримасова теплова модель електродвигуна, що дає перевірену експериментально похибку визначення температури ізоляції обмотки не більше 5,5%. Використання такої моделі дозволяє отримати прості залежності прогнозу номінального струму відносно теплових втрат, що гріють двигун, і його конструктивними параметрами.

Аналіз формули (12) показав, що необхідне прогнозування номінального струму двигуна з урахуванням напрямку теплових потоків. Ускладнення теплової моделі двигуна з використанням теплових провідностей навіть на середньому рівні значень, без урахування їх розбіжностей для окремих екземплярів, дасть більш точний результат відносно теплової моделі у вигляді одного однорідного і ізотропного тіла. Модернізація двигуна під час його ремонту повинна передбачати покращання систем вентиляції і теплової провідності між сталлю статора і станиною двигуна, використання міді з вищою, ніж була, аксіальною тепловою провідністю і меншим опором, встановлення датчика температури внутрішнього повітря. Наведені заходи дозволять збільшити номінальне навантаження на двигун. Подальше збільшення навантаження на двигун пов'язане з підвищенням класу ізоляції.

Якість комутації значно впливає на роботу двигуна. Тому важливим є настроювання комутації машин постійного струм після їх виготовлення і ремонту. Встановлена принципова можливість автоматизованого настроювання комутації за допомогою експериментального зняття зон безіскрової роботи в режимі динамічного навантаження без механічного сполучення дослідної машини і навантаження. Запропоновано спосіб настроювання комутації, захищений патентом.

Розділ четвертий присвячений ідентифікації сталих часу системи електропривода постійного струму на основі розробки дискретних моделей електропривода.

Поставлена проблема інформаційного забезпечення експлуатації і ремонту ЕМС ЕП вирішується, у тому числі, через створення простих у реалізації, швидких і збігових алгоритмів ідентифікації. Впровадження сучасних цифрових інформаційних технологій передбачає використання дискретних моделей у алгоритмах ідентифікації. У цій площині постає питання отримання цифрової моделі електропривода постійного струму з двигунами незалежного і послідовного збудження. Забезпечення простоти реалізації, швидкості збігання алгоритмів ідентифікації виконується завдяки, по-перше, створенню дискретних моделей відносно струмів якоря і збудження, що можуть вимірюватися достатньо просто і точно, по-друге, отриманню аналітичних залежностей параметрів, що ідентифікуються, відносно даних перехідного процесу. Це дозволяє ідентифікувати динамічні параметри ЕМС ЕП безпосередньо через дискретні значення перехідних процесів струмів і усереднювати їх на певному відрізку часу, або визначати початкові значення параметру при використанні градієнтних методів ідентифікації, що фактично призводить до досягнення області глобального мінімуму критерію якості і швидкого збігання алгоритму.

Згідно з методом, що запропонований у другому розділі, отримані дискретні моделі струмів якоря і збудження двигунів постійного струму незалежного збудження (ДПСНЗ) з урахуванням і без урахування вихрових струмів та лінеаризовані дискретні моделі струму якоря двигунів постійного струму послідовного збудження (ДПСПЗ) з шунтуванням якоря або обмотки збудження виду (7) при живленні від джерела регульованої напруги.

Для ДПСНЗ у першому припущенні прийнято, що в напрузі живлення відсутні полігармонійні складові, а система керування електроприводом безінерційна; дія реакції якоря скомпенсована, а індуктивність якірного кола і кола збудження постійна. Для ДПСПЗ прийнято, що для режиму роботи з незначним навантаженням крива намагнічування апроксимується прямою лінією. Отримані лінеаризовані моделі двигуна з шунтованим якорем і шунтованою обмоткою збудження у межах, що дозволяють приймати незмінною кутову швидкість обертання, шляхом заміни у рівняннях, що описують двигун, добутку абсолютних змінних на суму відповідних прирощень. Такі припущення є лінеаризацією моделі ДПС в малому і підтверджуються інформацією про сучасні конструкції двигунів. Нелінійність індуктивності і кривої намагнічування може бути визначена методом, представленим у другому розділі.

На основі дискретних моделей струмів і визначених з цих моделей закономірностей виду (6) отримані формули для ідентифікації електромагнітних сталих часу якірного кола , кола збудження та електромеханічної сталої часу електропривода через дискретні значення перехідних процесів струмів якоря при стрибку напруги якоря, а також при довільній дії напруги живлення в режимі холостого ходу.

Встановлено, що існують викиди похибки ідентифікації у моменти переключення вентилів тиристорного перетворювача. Наприклад, для кута регулювання тиристорів =/6 і кута комутації =0,04 похибка ідентифікації сталої часу якірного кола у функції миттєвої напруги живлення двигуна має вигляд.

Здійснена оцінка похибки ідентифікації за допомогою отриманих формул (23) і (24). Зокрема встановлено, що амплітуда коливань похибки зменшується зі зменшенням кроку дискретизації (для електропривода потужністю 10 кВт при h=0,0001с на інтервалі 3-ої пульсації похибка ідентифікації сталої часу якірного кола =0,037...0,873%, а при h=0,00001с =3,4710^-4...7,2210^-3 %.

Дані рекомендації щодо значень кута регулювання наруги . Ідентифікація сталих часу може бути реалізована в широкому діапазоні зміни , але слід виконувати вибір найменшого за умовами проведення ідентифікації кута . Також необхідне визначення початкового кута зрушення напруги живлення відносно кута природної комутації вентилів в момент подачі напруги, що дозволить вибрати такий відрізок часу перехідного процесу напруги і струму, в якому похибка ідентифікації буде мінімальною.

Ідентифікація сталих часу затухання перехідного процесу струму секцій якоря при подачі імпульсу напруги з крутим фронтом із подальшим зрівнянням їх з еталонним дозволяє визначити наявність виткових і корпусних замикань секцій та перевірити якість ізоляції обмоток (котушок).

Запропонований спосіб автоматизованої ідентифікації параметрів секцій обмоток двигунів, захищений патентом.

У п'ятому розділі розглядаються питання ідентифікації сталих часу систем електропривода змінного струму на основі розробки дискретних моделей електропривода. Найбільш доцільними є дискретні моделі відносно струму фаз статора в системі РНАД. Це пояснюється простотою і точністю виміру цих параметрів режиму роботи електропривода. Дискретне представлення струму статора дозволяє отримати аналітичну залежність динамічних параметрів ЕМС ЕП відносно даних перехідного процесу струму при східчастій зміні напруги живлення за методом, що розглянутий у другому розділі. Таким чином, реалізується аналітична ідентифікація сталих часу асинхронного електропривода безпосередньо через послідовності дискретних значень струму статора з подальшим усередненням отриманих параметрів на певному проміжку часу перехідного процесу. Використання аналітичних залежностей дозволяє дослідити нелінійність параметрів ЕМС ЕП впродовж перехідного процесу або отримати початкове значення параметру, що ідентифікується, градієнтними методами.

За допомогою розробленої моделі струму статора досліджено вплив параметра на динаміку пуску і зміни напруги. Встановлено, що збільшення активного опору , еквівалентного втратам у сталі статора, незначно зменшує коливальність перехідного процесу при пуску і практично не впливає на тривалість перехідних процесів. Введення параметра в модель струмів необхідне для усталеного режиму.

При регулюванні напруги в системі електропривода РН - АД в режимі холостого ходу кутова швидкість обертання ротора практично не змінюється і її значення близьке до кутової швидкості обертання ідеального холостого ходу . У цьому випадку моделі струмів спрощуються.

Визначені особливості ідентифікації параметрів електропривода з асинхронним двигуном з фазним ротором (АДФР). Іспити електропривода з АДФР принципово не відрізняються від іспитів електропривода з АДКЗР і всі наведені раніше формули можуть бути використані для ідентифікації параметрів електропривода, що розглядається. Фази двигуна у цьому випадку замикаються між собою без додаткового опору. Але, в протилежність АДКЗР, у АДФР може бути виміряний струм ротора. Це спрощує метод ідентифікації. Сталу часу можна визначити через дискрети струму ротора