Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу сигналу споживаної потужності

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ДІАГНОСТИКА АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ

НА ОСНОВІ АНАЛІЗУ СИГНАЛУ СПОЖИВАНОЇ ПОТУЖНОСТІ

МАМЧУР Дмитро Григорович

УДК 621.313.333

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Кременчук - 2010

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент

КАЛІНОВ Андрій Петрович, доцент кафедри систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Васьковський Юрій Миколайович, професор кафедри електромеханіки Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України

кандидат технічних наук, доцент

Полковніченко Дмитро Вікторович, доцент кафедри електричних систем ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться «19» квітня 2011 р. о 14 годині 30 хвилин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 45.052.01 Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського Міністерства освіти і науки України за адресою: вул. Першотравнева, 20, корпус № 1, ауд. 1211, м. Кременчук, Полтавська обл., 39600.

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

Автореферат розісланий “17 ” березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук, доцент А. В. Некрасов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

асинхронний двигун діагностика

Актуальність теми. За сучасних економічних умов одним з ефективних засобів скорочення експлуатаційних витрат для виробничих підприємств є вдосконалення організації експлуатації та технічного обслуговування обладнання. Найбільш масово на підприємствах використовують електромеханічні системи, обладнані асинхронними двигунами (АД), які споживають близько 60 % електроенергії. Більшість АД було введено в експлуатацію 30..40 років тому. За цей період вони неодноразово проходили процедури планового та позапланового ремонту, у результаті чого істотно змінювали свої характеристики порівняно з проектними. У той же час якість виготовлення, складання та експлуатації нових АД не завжди є високою. Таким чином, постає задача діагностики АД з метою виявлення наявних пошкоджень та ступеня їх розвитку, що надає можливість виведення АД для ремонту за фактичним станом, та є шляхом оптимізації використання виробничого обладнання.

Серед поширених методів оцінювання поточного технічного стану і діагностики дефектів АД виділяють: систему ППР, що вимагає виведення устаткування з виробничого процесу і часткового розбирання обладнання; вібродіагностику, що потребує використання відносно дорогого обладнання; аналіз спектрів струмів, що базується на спрощених математичних залежностях при обробці даних та не враховує енергетичний режим роботи. Останні два підходи є перспективними, оскільки дозволяють виконувати діагностику безпосередньо у виробничому процесі. Проте більшість з розроблених методів застосовуються для машин великої потужності або спеціального призначення і потребують використання спеціалізованого діагностувального обладнання. При цьому залишається нерозв'язаною проблема діагностики та визначення поточного технічного стану АД малої та середньої потужності, коли неможливо або недоцільно встановлювати дороге обладнання. Дану проблему можна розв'язати при проведенні діагностики за аналізом енергетичних процесів, які відбуваються у двигуні. Характеристикою цих процесів є сигнал потужності, що розраховується на основі миттєвих значень струмів і напруг.

Оскільки поширення керованого електропривода з різноманітними перетворювачами призводить до певної зміни форми напруги живлення, для адекватного оцінювання режимів роботи і діагностики АД необхідно враховувати вплив якості параметрів мережі живлення на зміну режимів роботи двигуна.

З огляду на вищесказане, актуальною є задача розробки нових методів діагностики АД, основаних на аналізі енергетичних процесів у двигуні, які не вимагають виведення обладнання з виробничого процесу, потребують мінімальних матеріальних затрат на впровадження та можуть бути застосовані для АД малої та середньої потужності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження відповідають комплексній проблемі НАН України “Наукові основи електроенергетики” та напряму науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України - “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” та включені до плану бюджетних НДР Міністерства освіти і науки України: тема 7Д/03-ЦЕНТР “Дослідження та розробка систем енергомоніторинґу електромеханічного обладнання промислових підприємств”, № ДР0103U000804, м. Кременчук, 2004-2005 рр.; та госпдоговірної роботи: тема 27/01-ЦЕНТР ”Розробка і впровадження післяремонтної й експлуатаційної діагностики електричних двигунів в умовах електроремонтного цеху НПЗ”, № ДР010U005792, м. Кременчук, 2004-2006 рр., де автор був співвиконавцем.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в удосконаленні методів діагностики дефектів та оцінювання загального технічного стану АД шляхом аналізу сигналу споживаної потужності.

Для досягнення мети поставлені та розв'язані такі задачі:

- теоретичне обґрунтування застосування аналізу сигналу споживаної потужності для задач діагностики асинхронних двигунів;

- математичне моделювання режимів роботи АД для виявлення діагностичних ознак найбільш розповсюджених дефектів;

- розробка методу діагностики дефектів АД, оцінювання ступеня їх розвитку та працездатності двигуна у поточних експлуатаційних режимах;

- розробка методів приведення режиму роботи АД до режиму при живленні від ідеальної мережі з метою підвищення точності результатів діагностики;

- розробка алгоритмічного, програмного та апаратного забезпечення для системи діагностики асинхронних двигунів на основі аналізу сигналу споживаної потужності;

- експериментальне дослідження розроблених методів з метою підтвердження основних теоретичних положень і наукових результатів дисертаційної роботи.

Об'єкт досліджень - процеси перетворення енергії в асинхронному двигуні.

Предмет досліджень - діагностичні ознаки сигналу споживаної потужності для виявлення дефектів АД.

Методи досліджень. При розв'язанні поставлених задач використовувались загальні методи теоретичних основ електротехніки; теорія рядів Фур'є при визначенні гармонійних складових миттєвої потужності; числові методи розв'язання рівнянь і систем при реалізації математичних моделей; методи наближень, апроксимації та інтерполяції; математичне моделювання на ЕОМ та експериментальні дослідження для перевірки теоретичних положень і наукових результатів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- удосконалено математичні моделі асинхронного двигуна у трифазній системі координат для визначення діагностичних ознак дефектів при роботі: з динамічним дисбалансом - шляхом урахування впливу на електромагнітні параметри зміни інтегральної величини повітряного проміжку на полюсній поділці при обертанні ротора; з неякісними кріпленнями - шляхом урахування впливу коливань статора на миттєвий кут повороту ротора відносно статора; з пошкодженням обмоток статора і ротора - шляхом уведення відповідних контурів, які моделюють дані дефекти;

- уперше розроблено метод діагностики дефектів та оцінювання загального технічного стану асинхронних двигунів за аналізом частотного спектра та інтегральних характеристик споживаної трифазним АД потужності, який формалізовано у вигляді логічних правил для визначення дефектів та пошкоджень;

- уперше розроблено метод відокремлення впливу неякісних параметрів напруги мережі живлення на формування сигналу споживаної потужності у точці підключення АД на основі аналізу рівнянь балансу складових потужності, що дозволяє підвищити точність діагностики шляхом виключення з аналізу частотних складових, які обумовлені несинусоїдністю та несиметрією напруги живлення.

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

Практичне значення одержаних результатів:

- на основі уточнених математичних моделей АД, які мають дефекти, розроблено та рекомендовано до застосування комплекс програм для дослідження енергетичних процесів у статичних та динамічних режимах, які використовуються при викладанні дисциплін за напрямом «Електромеханіка»;

- обґрунтовано та визначено зв'язок спектрів споживаної трифазним АД потужності з пошкодженнями ротора, статора та неякісностями кріплень для задач діагностики;

- розроблено й рекомендовано до застосування логічні правила для розділення дефектів обмоток статора, ротора та неякісностей кріплень АД на основі аналізу спектра споживаної трифазним АД потужності;

- розроблено й рекомендовано до застосування структуру, принцип реалізації, алгоритмічне і програмне забезпечення системи діагностики АД, а також метод розділення взаємного впливу споживача і мережі живлення.

Розробки пройшли експериментальну перевірку і є готовим продуктом для практичного використання. Результати роботи впроваджено в проект системи діагностики електричних машин змінного струму в цеху № 12 ПАТ «ТФПН «УКРТАТНАФТА»» (м. Кременчук), у математичне та програмне забезпечення систем керування частотно-регулювального електропривода ТОВ «Проектно-діагностичний центр» (м. Кривий Ріг), що підтверджується відповідними актами впровадження.

Теоретичні результати роботи й розроблене дисертантом програмне забезпечення використовуються в навчальному процесі на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського при викладанні дисциплін „Надійність і діагностика електрообладнання” та “Системи технічної діагностики електрообладнання транспортних засобів”, при виконанні курсового та дипломного проектування під час підготовки студентів зі спеціальностей «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод», «Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв».

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював мету і задачі дослідження, наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у розробці випробовувального обладнання та проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] - створено програмне забезпечення для автоматизації системи розрахунку символьних виразів складових миттєвої потужності та виконано перевірку адекватності роботи системи; [2] - проведено аналіз існуючих систем і методів діагностики та визначення працездатності АД, запропоновано структурну схему системи діагностики поточного технічного стану АД; [3] - розроблено та вдосконалено математичний апарат для дослідження найпоширеніших видів дефектів АД; [4] - запропоновано метод визначення впливу неякісності мережі живлення на споживача шляхом аналізу напрямку потоків енергії у точці підключення на основі сигналу миттєвої потужності; [5, 7, 9] - проведено експериментальне дослідження методів визначення характеристик АД у різних режимах роботи за умови наявності дефектів; [6] - сформульовано логічні вирази для діагностики та оцінювання режимів роботи АД; [10] - запропоновано метод діагностики АД на основі аналізу спектра споживаної потужності.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались, обговорювались та були схвалені на Міжнародних науково-технічних конференціях: «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації» (м. Кременчук, 2005-2010 рр.), «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика» (м. Дніпродзержинськ, 2007 р., м. Харків, 2008 р., м. Львів, 2009 р.), X, XI International PhD Workshop OWD (м. Глівіце, Республіка Польща, 2008-2009 рр.), Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих учених та спеціалістів “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2004-2010 рр.), регіональній науково-технічній конференції з нагоди 100-річчя проф. Н. А. Кіклевича (м. Донецьк, 2007 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 10 друкованих працях, з них 8 - у фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 2 - у закордонних фахових виданнях. Одна наукова робота опублікована без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 237 сторінок друкованого тексту та містить вступ, п'ять розділів, висновки, список використаних джерел і 5 додатків. Основну частину викладено на 169 сторінках. Список використаних джерел складається із 126 найменувань та займає 14 сторінок. Дисертація містить 109 рисунків і 12 таблиць, з них 33 рисунки та 3 таблиці повністю займають 19 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі виконано аналітичний огляд існуючих методів і систем діагностики АД, показано необхідність розробки нових методів, які б відрізнялись низькою вартістю і простотою застосування, були придатні та економічно доцільні для діагностики АД малої й середньої потужності. У результаті запропоновано виконувати діагностику АД на основі аналізу енергопроцесів у трифазних АД, характеристикою яких є сигнал споживаної потужності за фазами.

Широке застосування різноманітних електромеханічних перетворювачів призводить до спотворення синусоїдності сигналів мережі живлення. У зв'язку з цим, більшість регламентованих методів діагностики АД не можуть бути придатними для використання в умовах технологічного процесу. До того ж регламентовані методи потребують виведення обладнання з роботи та його часткового розбирання, а процес діагностики АД базується на основі аналізу реакції на тестові збурення. Такі підходи є неефективними з точки зору забезпечення безперервності виробничого процесу та оцінювання працездатності АД з урахуванням його поточного технічного стану, якості мережі живлення та технологічного навантаження. На даний момент регламентується лише вплив якості енергії живлення на електромеханічний перетворювач, причому вважається, що він справний, електрично і магнітно симетричний. Слід зазначити, що більшість існуючих методів діагностики розроблено для АД великої потужності або спеціального призначення, коли необхідно забезпечити надійність виконання технологічних операцій, і встановлення додаткового діагностичного обладнання економічно обґрунтовано. Таким чином, існує необхідність розробки методів діагностики АД малої й середньої потужності, які б вирізнялися простотою реалізації та не потребували застосування дорогого обладнання.

Значний внесок у розробку методів і систем діагностики та оцінювання надійності електричних машин зробили член-кореспондент АН України Титко О. І., професори Гольдберг О. Д., Сивокобиленко В. Ф., Бешта О. С., Чорний О. П., Кучерук В. Ю. та ін. У роботах вітчизняних та закордонних авторів зазначається необхідність своєчасного діагностування технічного стану АД безпосередньо у виробничому процесі, що надасть можливість прогнозування залишкового ресурсу роботи обладнання та проведення регламентних робіт, ремонту та заміни техніки за фактичним технічним станом.

У роботах проф. Родькіна Д. Й. показано, що сигнал потужності повною мірою відображає енергетичні процеси в конкретній електромеханічній системі, і його аналіз дозволяє отримати характеристики, що однозначно відповідають процесам, які в ній відбуваються. У роботах проф. Чорного О. П. для задач моніторингу електромеханічного обладнання було сформульовано коефіцієнти, основані на аналізі зміни характеристик сигналів струму, моменту та потужності при погіршенні умов експлуатації обладнання. Аналіз показав, що розглянуті коефіцієнти, по суті, базуються на інтегральних величинах, отриманих на основі миттєвих значень потужності, струму та електромагнітного моменту. Це свідчить про можливість їх застосування для оцінювання ефективності цілеспрямованого перетворення й використання споживаної енергії, проте, для задач діагностики вони фактично не придатні, оскільки їх значення суттєво змінюються при зміні навантаження. У результаті зроблено висновок про необхідність аналізу сигналу споживаної потужності за додатковими критеріями для можливості діагностики і стеження за розвитком дефектів або неякісностей системи електропривода з АД.

Таким чином, аналіз методів діагностики АД показав необхідність розробки методу для діагностики АД середньої й малої потужності, що надає можливість визначення найбільш розповсюджених видів дефектів та дозволяє оцінювати вплив несиметрій та неякісностей машини на її робочі параметри без виведення електричної машини з виробничого процесу та усувати вплив параметрів електричної мережі на результати діагностики. У результаті зроблено висновок про перспективність розробки системи діагностики на основі аналізу сигналу споживаної потужності.

На підставі проведеного аналізу методів діагностики та оцінювання технічного стану електромеханічного обладнання обґрунтовано використання аналізу сигналу споживаної потужності для задач діагностики АД середньої й малої потужності та сформульовано задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі з метою дослідження впливу найбільш типових дефектів трифазних АД на форму та характеристики сигналу споживаної потужності та визначення їх діагностичних ознак удосконалено математичні моделі машини в трифазній системі координат. Динамічний дисбаланс моделювався шляхом урахування впливу зміни інтегральної величини повітряного проміжку на полюсній поділці при обертанні ротора на електромагнітні параметри. Неякісність кріплень моделювалась шляхом урахування впливу коливань статора на миттєвий кут повороту ротора відносно статора. Несиметрія та виткові замикання обмоток статора і обрив стрижнів ротора враховувались шляхом уведення відповідних контурів, які моделюють дані дефекти. На основі миттєвих значень сигналів струмів, напруг і потужностей, отриманих за допомогою математичних моделей при різному ступені розвитку дефектів, обґрунтовано діагностичні показники, основані на аналізі сигналів при зародженні та розвитку дефектів АД, та досліджено їх інформативність для задач діагностики.

Робота АД за наявності дефектів негативно позначається на технічному стані всіх елементів системи електропривода і призводить до прискореного виходу обладнання з ладу. Тому важливим є своєчасне виявлення дефектів АД на стадії зародження, а також оцінювання можливості подальшої роботи двигуна з пошкодженням у системі електропривода.

Для дослідження впливу електромагнітних і механічних несиметрій та найбільш поширених видів дефектів АД - обривів паралельних секцій обмоток двигуна, виткових замикань, обривів стрижнів ротора, параметричної фазної несиметрії, статичного та динамічного дисбалансу ротора, вигину вала, неякісності кріплення з основою - на його електромагнітні параметри було використано модель АД у трифазній системі координат.

Електромагнітна несиметрія. У загальному випадку процеси, що виникають за наявності електромагнітної несиметрії АД, описуються доволі складною залежністю зміни опорів обмотки статора за фазами. Спрощено залежності зміни електромагнітних параметрів можна описати за допомогою коефіцієнта несиметрії обмоток , який дорівнює 1 при рівності кількості витків обмотки за фазами, 0 - за відсутності однієї з фаз. Наявність несиметрії наступним чином ураховується при визначенні параметрів фази статора:

; ; ,

де , - активний опір та індуктивність обмотки фази статора; - взаємна індуктивність між обмотками статора та ротора.

Тоді рівняння потокозчеплення, наприклад фази А статора, набуде вигляду:

.

Дефекти кріплень. Неякісне кріплення АД до основи викликає вертикальні та кутові переміщення двигуна, що враховує відома математична модель механічної системи. Для врахування впливу вібрацій, викликаних неякісним кріпленням, на електромеханічні параметри двигуна значення кута повороту АД внаслідок вібрацій від неякісного кріплення додається до значення кута повороту базової математичної моделі, після чого подається на вхід електромагнітної частини моделі.

Дисбаланс ротора. Параметром, що відображає впив дисбалансу ротора на електромагнітні параметри АД є повітряний проміжок між статором і ротором асинхронного двигуна, від якого залежать індуктивні опори.

При обертанні елементарного диска, що має ексцентриситет, повітряний проміжок на кожній полюсній поділці змінюється, що відбивається на величині індукції в проміжку (рис. 1). При цьому сумарний середній повітряний проміжок за всією окружністю завжди буде дорівнювати проміжку при відсутності дисбалансу . Залежність опору розсіювання від кількості витків і величини проміжку представляється наступним виразом:

, (1)

де - відносна кількість витків обмотки; - відносна величина повітряного проміжку; - номінальне значення опору розсіювання; A,B,C - коефіцієнти, що залежать від конструктивних параметрів АД.



Рис. 1. Обертання елементарного диска при дисбалансі

Середня величина повітряного проміжку довільної полюсної поділки:

, (2)

де - функція кута повороту на полюсній поділці; - радіус статора й ротора відповідно; - зміщення центра диска ротора відносно центральної осі статора (ексцентриситет ротора); - кути, що відповідають початку й кінцю полюсної поділки в полярній системі координат; - кількість пар полюсів.

За довжиною активної частини пакета статора можна виділити нескінченну кількість дисків, які мають різний ексцентриситет, який за відсутності вигину вала змінюється за лінійним законом відносно довжини пакета.

При усередненні повітряного проміжку всіх секторів кола за довжиною статора на полюсній поділці, за наявності дисбалансу ротора, отримаємо:

. (3)

Усереднюючи проміжок для всіх елементарних дисків за довжиною активної частини пакета статора на полюсній поділці за наявності вигину вала (рис. 2), отримаємо:

, (4)

де - величина вигину вала в центральній точці; - зміщення центра крайнього диска ротора відносно центральної осі статора.

Таким чином, розроблена математична модель дозволяє перейти від багатороторних (багатостаторних) моделей до моделі з урахуванням комплексної зміни повітряного проміжку на полюсній поділці вздовж активної частини статора при обертанні ротора, що дозволяє врахувати електромагнітні процеси, які відбуваються у АД за наявності даного дефекту, та адекватно аналізувати режими роботи АД з різними видами дисбалансу.

На основі розроблених моделей отримано миттєві значення струмів, напруг і потужностей АД при різному ступені розвитку розглянутих дефектів. Аналіз результатів моделювання показав, що наявність дефектів істотно впливає на форму та характеристики сигналів струму та потужності АД, і дозволив сформулювати ряд діагностичних коефіцієнтів.

Обґрунтовано застосування для визначення коефіцієнта потужності полігармонійних сигналів наступного виразу:

, (5)

де - постійна складова сигналу потужності; - синусна складова сигналу потужності, обчислюється для гармонік потужності порядку , за умови рівності порядкових номерів гармонік струму та напруги (); - максимальний номер гармоніки.

Рис. 2. Дисбаланс ротора зі згином:

- величина вигину вала в центральній точці; - зміщення центра крайнього диска ротора відносно центральної осі статора.

Даний підхід є коректним, оскільки при синусоїдних сигналах напруги та струму для різних значень кута зсуву значення коефіцієнта повністю збігається з класичним коефіцієнтом потужності, тобто коефіцієнт дорівнює значенню зсуву фази між синусоїдними сигналами струму і напруги.

З теорії електричних машин відомо, що корисний момент на робочій ділянці механічної характеристики АД створюється постійною складовою потужності, причому лише гармоніками струму і напруги основної частоти. Вищі гармоніки струму та напруги створюють моменти, що обертаються або в той самий бік, або зустрічно основному моменту. Проте у двигунному режимі на робочій ділянці характеристики всі моменти від вищих гармонійних складових є від'ємними відносно моменту основної частоти, незважаючи на напрямок обертання поля гармоніки. Таким чином, високочастотні компоненти постійної складової споживаної потужності спотворюють форму сигналу, що призводить до відмінності реального значення потужності на валу АД від проектного. Оцінити їх вплив можна за коефіцієнтом постійної складової потужності:

, (6)

де - частина постійної складової миттєвої потужності, що формує корисний момент; - повна постійна складова миттєвої потужності, обчислюється для гармонік струму порядкових номерів та напруги порядкових номерів при .

Для оцінювання сумарної несиметрії машини, що може бути спричинена як неякісністю живлення, так і неякісністю самої машини, запропоновано середньозважені показники для амплітуди та фази миттєвої потужності, які обчислюються для фаз АД:

. (7)

Коефіцієнт являє собою відношення амплітуди гармоніки або фази потужності однієї з фаз до сумарного значення амплітуд гармонік або фаз того ж порядку трьох фаз. В ідеальному випадку, за повної симетрії АД і напруги мережі живлення, за всіма фазами коефіцієнт дорівнює 1/3.

Відомо, що за ідеальних параметрів мережі та двигуна, сигнал сумарної споживаної потужності трьох фаз являє собою пряму лінію. Наявність значної змінної складової потужності зазвичай спричинена дефектом або ушкодженням машини чи технологічного навантаження, і свідчить про необхідність додаткового аналізу з метою виявлення джерела її виникнення. Аналіз експериментальних даних показав, що робота АД за наявності змінної складової потужності більшої за 10 % від номінального значення потужності свідчить про незадовільний технічний стан двигуна. При цьому визначення граничних меж амплітуди змінної складової потужності необхідно виконувати залежно від потужності двигуна та вимог до роботи технологічного механізму. Для врахування цього пропонується коефіцієнт вищих гармонік потужності:

(9)

В ідеальному випадку вищих гармонік у сигналі споживаної потужності трьох фаз не існує, коефіцієнт дорівнює нулю.

Для аналізу гармонійного складу споживаної потужності важливим є не тільки знання амплітуд окремих складових, а і механізму формування гармонік сигналу потужності на основі відомих гармонійних складових сигналів струму та напруги. З цією метою в роботі створено комп'ютерну програму, за допомогою якої досліджено механізм формування гармонійного складу потужності при появі та розвитку дефектів АД.

Для оцінювання частки гармонік певних частот в інтегральне значення вищих гармонік потужності обґрунтовано використання відношення квадрата ефективного значення гармонік певного діапазону до квадрата ефективного значення усіх вищих гармонік:

(8)

де - загальна кількість гармонік спектра; , - відповідно, початкове і кінцеве значення номерів гармонік аналізованого частотного проміжку.

Даний коефіцієнт дозволяє оцінювати внесок вищих гармонік частотного діапазону, характерних для окремого виду дефекту, до загальної величини вищих гармонік потужності. Це відображає ступінь розвитку дефекту і його частку у формування сумарного значення змінної складової потужності та може використовуватись як критерій розділення кількох одночасно наявних дефектів.

Отже, було вдосконалено математичні моделі АД, які дозволяють ураховувати в комплексі взаємний вплив електромагнітних, електромеханічних та механічних процесів, що відбуваються в системі за наявності дефектів. Аналіз даних математичного моделювання дозволив сформувати ряд діагностичних показників, які відображають зміну характеристик сигналу споживаної потужності за наявності розглянутих дефектів. Сукупність значень сформованих коефіцієнтів є унікальною при кожному з розглянутих видів дефектів АД, що дає можливість їх розділення при діагностиці.

У третьому розділі розроблено критерії оцінювання поточного технічного стану АД та діагностики розглянутих у роботі дефектів на основі аналізу сукупності сформованих у другому розділі роботи коефіцієнтів. Обґрунтовано здійснювати діагностику у два етапи: попередню та детальну. Попередня діагностика призначена для визначення допустимості подальшої роботи АД за даних умов експлуатації. Аналіз виконується на основі відношення сумарного значення вищих гармонік потужності до її номінального значення, що відображає рівень вібрацій АД внаслідок дії змінної складової сигналу. Детальна діагностика виконується на основі визначення відповідності сукупного значення рівня гармонік певного частотного проміжку та значень сформованих діагностичних коефіцієнтів розглянутим типам пошкоджень. За результатами сукупного аналізу спектра сигналу споживаної потужності та діагностичних коефіцієнтів сформовано логічні правила для проведення попередньої й детальної діагностики.

У більшості випадків у промислових умовах єдиними параметрами, які можна досить просто виміряти, зафіксувати та оцінити, є струми і напруги статора двигуна, за якими можна розрахувати миттєві значення потужності. Визначені характеристики АД є вихідними параметрами для розрахунку обґрунтованих у другому розділі роботи коефіцієнтів, результати аналізу яких показали чутливість певних з них до зміни режимів роботи АД внаслідок наявності або розвитку дефектів. Для використання даних коефіцієнтів у системах оцінювання поточного технічного стану АД необхідно сформулювати на їх основі правила, за якими система могла б надавати висновок про режим роботи обладнання: «відмінний», «добрий», «задовільний», «аварійний».

Попередній аналіз даних математичних моделей дозволив визначити необхідну і достатню кількість коефіцієнтів, сукупність значень яких дає можливість визначати режим роботи АД. Для проведення попередньої діагностики в робочих умовах було вибрано наступні коефіцієнти: коефіцієнт потужності полігармонійних сигналів , коефіцієнт моменту вищих гармонік , коефіцієнт постійної складової потужності . Додатковим параметром є значення гріючих втрат . Попередня оцінка технічного стану АД здійснюється шляхом порівнювання коефіцієнтів, отриманих на основі експериментальних даних з граничними коефіцієнтами, що відповідають одному з указаних вище режимів роботи. Граничні коефіцієнти розраховуються на основі сигналів розробленої математичної моделі при моделюванні кожного з режимів з урахуванням поточного навантаження. Аналіз відповідності сукупних значень сформованих діагностичних коефіцієнтів вимогам ГОСТ ИСО 10816-1-97 щодо режимів роботи АД згідно з рівнем допустимих вібрацій, дозволив сформулювати наступні правила для оцінювання поточного режиму роботи.

Якщо виконується правило:

, (10)

де , - значення коефіцієнта потужності та гріючих втрат для справного АД при живленні від синусоїдної симетричної мережі, то технічний стан досліджуваного двигуна «Відмінний».

Двигун працює в режимі «добрий», якщо справедливе правило:

(11)

де , , , - допустимі значення відповідних коефіцієнтів, визначені для «доброго» стану двигуна.

Відповідно, двигун працює в «задовільному» режимі роботи, якщо:

(12)

де , , , - допустимі значення відповідних коефіцієнтів, визначені для «задовільного» стану двигуна.

Виконання правила:

(13)

де , , , - допустимі значення відповідних коефіцієнтів, визначені для «аварійного» стану двигуна, свідчить про настання «аварійного» режиму роботи АД.

Виконання наступного правила:

, (14)

де , , , - значення відповідних коефіцієнтів при відмові свідчить про відмову двигуна.

Допустимі значення відповідних коефіцієнтів при визначенні кожного з режимів роботи АД обчислюються згідно з вимогами ГОСТ 183-74 для відповідного типу двигуна.

Таким чином, за результатами виконання сформульованих правил можна оцінювати допустимість подальшої роботи АД і в разі необхідності формувати сигнали попередження.

Для детального аналізу технічного стану АД у складі електромеханічної системи запропоновано проводити оцінювання за спектром миттєвої потужності трьох фаз. Спектр сигналу споживаної трифазним двигуном потужності, на відміну від спектрів сигналів струмів або огинаючих струмів фаз статора, не тільки дозволяє виявити факт наявності відповідного пошкодження або дефекту, а також дозволяє оцінити ступінь пошкодження за величиною потужності відповідної гармонійної складової. Тобто, використання спектра споживаної потужності дозволяє оцінити енергетичну складову пошкодження та прямо пов'язати його з додатковим руйнуванням складових частин електромеханічного перетворювача, яке викликане нагрівом та вібраціями під впливом цієї складової потужності. Крім діагностики, це дозволяє також оцінити зниження енергоефективності роботи двигуна, як електромеханічного перетворювача. Крім того, аналіз спектрів указаних сигналів дозволить оцінювати роботу електромеханічних перетворювачів із суттєвим проявом нелінійностей, тобто систем, при аналізі яких не коректно використовувати принцип накладання, особливо при живленні від електричних мереж із значними несинусоїдностями напруг, де використання сигналів струмів фаз статора як діагностичних може призводити до некоректних результатів аналізу.

На основі сигналів, отриманих за допомогою створених моделей, розраховано показники якості електроенергії, сформульовані в даній роботі діагностичні показники, та сформульовані в роботах проф. Чорного А. П. загальний та пофазний коефіцієнти ефективності використання споживаної потужності. На основі аналізу значень даних коефіцієнтів розроблено правила для діагностики наявності найбільш поширених видів неякісностей та дефектів АД та оцінювання можливості подальшої його роботи за даних експлуатаційних умов. Слід зазначити, що конкретні числові значення показників визначаються окремо для кожного типу АД, згідно з умовами допустимості номінальних показників АД відповідно до ГОСТ 183-74. Розглянемо формування діагностичних виразів для АД типу АО90S-4 (1,1 кВт, 1410 об/хв; 2,8 А). Аналіз значень вищих гармонік спектра споживаної потужності трьох фаз доцільно виконувати в разі, коли сумарне значення вищих гармонік потужності або моменту не менше 2 % від номінального значення (). У такому випадку виключається аналіз незначних за амплітудою гармонік, при цьому можлива діагностика дефектів, що зароджуються. Діагностичні правила, розроблені на основі проведеного аналізу, формувалися наступним чином.

Якщо у спектрі сигналу трифазної потужності наявна лише незначна за величиною низькочастотна складова, обумовлена похибками при виконанні математичних перетворень під час роботи математичної моделі АД, а у спектрах сигналів потужності за фазами наявна основна складова подвійної частоти мережі живлення (=100 Гц), та незначні за амплітудою бічні смуги відносно неї та частоти мережі живлення (=50 Гц), що також пов'язано з похибками математичних перетворень, при цьому основний відсоток вищих гармонік припадає на діапазон 6..45 Гц, а розраховані коефіцієнти мають граничні значення, характерні для ідеальної машини, то досліджуваний АД непошкоджений, і при живленні від синусоїдної симетричної мережі для нього справедливий вираз:

якщо виконується правило:

то досліджуваний двигун непошкоджений, живиться від несинусоїдної симетричної мережі, а якщо виконується правило:

то двигун живиться від несинусоїдної несиметричної мережі.

Аналогічно було складено правила для виявлення інших видів дефектів. Так, за наявності статичного або динамічного дисбалансу ротора у спектрі потужності з'являється гармоніка, прив'язана до частоти обертання ротора. У режимі неробочого ходу у спектрі трифазної потужності спостерігається явно виражена гармоніка з частотою , де - кількість пар полюсів. Тобто, якщо спектр сигналу трифазної потужності містить значну складову з частотою обертання ротора (у даному випадку, 200 Гц, ), при нерівності середньозважених показників за фазами, то це свідчить про наявність несиметрії. При цьому, якщо величина амплітуд гармонік діапазону 156..195 Гц становить більше 0,1 % від величини амплітуд гармонік діапазону 196..205 Гц, то несиметрія викликана дисбалансом ротора.

Таким чином, для визначення дисбалансу ротора необхідно, щоб набував справедливості вираз:

Наявність значної низькочастотної складової в спектрі сигналу трифазної потужності та зростання з погіршенням якості кріплень коефіцієнта при наближених до значень ідеального АД решти показників свідчить про неякісне кріплення АД з основою.

Тобто, якщо справедливий вираз:

то двигун неякісно закріплений.

Наявність у спектрі сигналу трифазної потужності основної гармоніки з частотою 100 Гц та істотної гармоніки частотою 200 Гц, при цьому значне погіршення значень сформульованих коефіцієнтів відносно значень ідеального АД свідчить про наявність дефектів обмотки статора.

Таким чином, істинність виразу:

свідчить або про наявність несиметрії, або про наявність виткових замикань в обмотці статора. Розділення цих дефектів можливе за аналізом значення коефіцієнта потужності полігармонійних сигналів (): значення коефіцієнта за наявності виткових замикань збільшується внаслідок збільшення кута зсуву фази струму і напруги.

Наявність низькочастотної складової у сигналі трифазної миттєвої потужності, бокових частот відносно 50 Гц та гармоніки близько 25 Гц у сигналі струму, при нерівності середньозважених показників за фазами, свідчить про наявність обриву стрижнів ротора.

Тобто, за наявності обриву стрижнів ротора справедливий вираз:

Таким чином, на основі комплексного аналізу спектра споживаної потужності та діагностичних показників, основаних на аналізі зміни форми сигналу потужності при появі та розвитку дефектів і неякісностей АД, сформовано логічні вирази для визначення працездатності АД у поточних виробничих умовах та розділення найпоширеніших видів дефектів при діагностиці.

У четвертому розділі вирішується проблема усунення впливу несинусоїдності та несиметрії напруги мережі живлення на формування потужності в точці підключення АД. Задача розв'язується на основі аналізу рівнянь балансу складових потужності, що дозволяє виключити з аналізу складові, сформовані неякісним живленням, тим самим підвищивши точність діагностики.

При аналізі споживаної потужності інформативним є механізм формування окремих гармонік сигналу як функцій складових гармонік сигналів струму і напруги. Для розв'язання задачі визначення взаємного впливу споживача і мережі живлення виконано моделювання ділянки електричної мережі зі споживачем.

Аналіз векторних діаграм формування постійної складової миттєвої потужності на основі складових струмів та напруг показав, що сумарний вектор усіх складових гармоніки миттєвої потужності, сформованої складовими гармонік струму і напруги однієї частоти, лежить на дійсній (косинусній) осі, і в разі формування мережею живлення має додатне значення, а в разі формування споживачем - від'ємне.

У деяких випадках гармоніки струму і напруги певних частот формуються як споживачем, так і навантаженням. При цьому можлива взаємна компенсація певних гармонік струму та напруги. Для дольового розділення спотворень у точці підключення споживачів використано схему заміщення системи «мережа живлення - нелінійний споживач». Дана схема справедлива для мереж напругою до 1000 В. Рівняння балансу гармонік напруги для даної схеми:

для домінуючих гармонік напруги джерела живлення;

для домінуючих гармонік напруги, сформованих нелінійним споживачем, де - номер гармоніки; - гармоніка напруги на затискачах споживача; та - гармоніки ЕРС джерела живлення і нелінійного навантаження; - гармоніка струму; та - повний комплексний опір ділянки мережі та нелінійного споживача.

Дана задача може бути розв'язана при використанні рівнянь балансу складових миттєвої потужності:

 (15)

де ,,- постійна складова потужності, відповідно, джерела живлення, на затискачах споживача, і на активному опорі мережі; , - відповідно косинусні та синусні складові гармонік потужності джерела; , - косинусні та синусні гармоніки потужності на затискачах споживача; , - косинусні та синусні гармоніки потужності на активному опорі мережі; , - косинусні та синусні гармоніки потужності на індуктивності мережі.

Система (15) має нескінченну множину розв'язків. Тому для знаходження шуканого розв'язку необхідно попередньо визначити активний опір та індуктивність мережі живлення, що виконується шляхом проведення додаткових дослідів з підключенням до мережі живлення замість споживача випробувальних опорів.

У разі, коли відомі параметри схеми заміщення АД, задача відокремлення від впливу параметрів мережі живлення зводиться до перерахунку миттєвих значень струмів і потужностей з урахуванням лінійної залежності повних комплексних опорів Zk у режимі неробочого ходу за умови, що система напруг симетрична і синусоїдна. Операція перерахунку гармонік здійснюється у комплексному вигляді. Повний комплексний опір АД може бути знайдений у результаті проведення ідентифікації електромагнітних параметрів при полігармонійному живленні обмоток статора в режимі короткого замикання. При цьому дані, отримані у режимі короткого замикання, добре узгоджуються з даними для режиму неробочого ходу при полігармонійному живленні, за винятком першої гармоніки, де значний вплив має ЕРС, що індукується в обмотці статора. Оскільки аналіз несиметрії в трифазній системі без з'єднання нульових виводів мережі та асинхронного двигуна за фазним значенням струмів і напруг ускладнений внаслідок суттєвого впливу похибок вимірювань, даний аналіз необхідно виконувати на основі міжфазних параметрів.

Для цього обґрунтовано наступний порядок розрахунку. Спочатку перераховуються значення гармонік струму за умови прямолінійної залежності величини комплексного опору від номера гармоніки згідно з виразом:

, (16)

де - комплексне значення k-ї гармоніки струму; - комплексне значення k-ї гармоніки напруги; - значення повного комплексного опору двигуна на k-й гармоніці; k=2..N - номер гармоніки.

При перерахунку основної гармоніки струму враховується ЕРС, яка індукується в обмотці статора:

, (17)

де - комплексне значення амплітуди 1-ї гармоніки ЕРС у повітряному проміжку; - комплексне значення першої гармоніки повного опору.

Миттєві значення струмів розраховуються згідно з (16) та (17), напруг - з умови симетричності та синусоїдності мережі живлення на основі першої гармоніки.

Експериментальний вихідний та перераховані згідно з наведеним методом сигнали потужності АД АО90S-4 (Pн=1,1 кВт, Iн=4,9/2,8 А, nн = 1410 об/хв) при живленні від несиметричного джерела наведені на рис. 3.

а)

б)

Рис. 3. Миттєві значення (а) і спектральний склад (б) сумарної потужності трьох фаз без урахування постійної складової за штучної несиметрії напруги живлення (коефіцієнт зворотної послідовності =20,09 %): P1 - вихідний сигнал; P2 - сигнал, приведений до синусоїдного живлення; P3 - сигнал, приведений до живлення від синусоїдної симетричної мережі.

При розкладанні наведених сигналів на гармонійні складові за різницею амплітуд гармонік вихідного і відновленого сигналів можна визначити, яка частина гармонік сигналу сумарної потужності формується несинусоїдністю мережі живлення, а яка - несиметрією.

Таким чином, у результаті проведених досліджень розроблено метод перерахунку складових міжфазних струмів та напруг статора, який надає можливість аналізувати спектр споживаної трифазної потужності з виключенням компонент, викликаних неякісністю мережі живлення, що дозволяє підвищити точність та інформативність діагностики АД за аналізом спектра споживаної трифазним АД потужності.

У п'ятому розділі обґрунтовано структуру апаратного та програмного забезпечення випробувального обладнання, а також виконано експериментальні дослідження розроблених методів та алгоритмів оцінювання режимів роботи та діагностики дефектів АД. Так, аналіз експериментальних даних показав, що при обривах стрижнів ротора збільшується низькочастотна гармонійна складова споживаної потужності: для неушкодженого двигуна вона становить 0,8 % від сумарного значення гармонійних складових сигналу, при обриві чотирьох стрижнів ротора її рівень підвищується до 8 %. Також спостерігається зростання у спектрі сигналу сумарної миттєвої потужності трьох фаз бічних смуг гармоніки частот Гц, де . (рис. 4, а). Це пояснюється наявністю пошкодження контакту стрижнів ротора з короткозамкненою обмоткою, що підтверджує результати моделювання. При цьому середньозважені показники є нерівними за фазами, а коефіцієнти ефективності використання споживаної потужності рівні для всіх фаз. За наявності виткових замикань обмоток статора підвищуються амплітуди гармоніки подвійної частоти мережі живлення та кратні їй (рис. 4, б). При цьому середньозважені показники є нерівними за фазами.

Таким чином, експериментальні дані підтверджують можливість діагностики АД за сформованими правилами на основі аналізу сигналу споживаної потужності.

а)

б)

Рис. 4. Спектральний склад споживаної потужності трьох фаз:

а) для непошкодженого двигуна (1) та при обриві одного стрижня ротора (2);

б) для непошкодженого двигуна (дослід 1) та при замиканні 2,74 %, 10 %, 17,6 % обмотки фази А статора (досліди 2, 3, 4 відповідно).

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі одержаних теоретичних і практичних результатів розв'язана актуальна науково-практична задача вдосконалення методів діагностики дефектів та оцінювання загального технічного стану АД шляхом аналізу сигналу споживаної трифазним АД потужності за сформульованими логічними правилами.

Дослідження, виконані в дисертаційній роботі, дали змогу сформулювати наступні висновки.

1. Аналіз методів діагностики АД показав необхідність розробки методу, який дозволяв би діагностувати дефекти машин середньої та малої потужності без зупинки технологічного процесу, а також оцінювати вплив параметрів електричної мережі на результати діагностики.

2. Розвинуто математичні моделі АД у трифазній системі координат, що надають можливість аналізу впливу найбільш поширених дефектів на електромагнітні та енергетичні процеси, які відбуваються в електричній машині. За рахунок уведення додаткових електричних контурів аналізуються електричні дефекти АД - наявність виткових замикань та обриви стрижнів ротора. Аналіз впливу механічних дефектів - неякісного кріплення з основою та дисбалансу ротора - виконується введенням відповідних елементів математичного опису механічної частини АД та врахуванням впливу механічних процесів на електромагнітні параметри.

3. Доведено, що використання розробленої математичної моделі, яка враховує зміну параметрів схеми заміщення двигуна внаслідок зміни інтегрального значення повітряного проміжку на полюсній поділці, дозволяє адекватно аналізувати режими роботи АД з різними видами дисбалансу ротора та перейти від багатостаторних математичних моделей до моделі, в якій ураховується загальний дисбаланс ротора за довжиною активної частини пакету статора.

4. На основі аналізу розроблених математичних моделей для різного ступеня розвитку дефектів сформульовано діагностичні показники, основані на аналізі зміни характеристик сигналу споживаної потужності при появі та розвитку дефектів, і можуть використовуватись як для оцінювання загального технічного стану, так і для визначення виду наявного дефекту АД.

5. Обґрунтовано використання спектра сигналу споживаної трифазним двигуном потужності для діагностики дефектів АД, що, на відміну від спектрів сигналів струмів та огинаючих струмів фаз статора, не тільки дозволяє виявити факт наявності відповідного пошкодження або дефекту, а також надає можливість оцінити ступінь пошкодження за величиною потужності відповідної гармонійної складової, що дозволяє оцінити енергетичну складову пошкодження та прямо пов'язати його з додатковим руйнуванням складових частин електромеханічного перетворювача, яке викликане нагріванням та вібраціями під дією відповідної складової потужності.

6. За допомогою аналітичних символьних виразів формування гармонійних складових потужності на основі гармонійних складових струмів та напруг установлено відповідність наявності дефектів АД конкретним частотам спектра потужності, що враховується коефіцієнтом вищих гармонік частотного діапазону потужності.

7. На основі сукупного аналізу спектра споживаної потужності трьох фаз та сформованих діагностичних показників розроблено логічні правила для визначення загального технічного стану АД та діагностики таких дефектів, як: неякісного кріплення АД до основи, статичного, динамічного та змішаного дисбалансів ротора, виткових замикань та несиметрії обмоток статора, обривів стрижнів ротора.

8. З метою підвищення точності діагностики за аналізом спектра споживаної потужності розроблено метод визначення джерела формування вищих гармонійних складових сигналу на основі рівнянь балансу потужності в точці підключення споживача шляхом аналізу компонент постійної складової споживаної потужності.

9. Обґрунтовано метод перерахунку миттєвих значень струмів статора на основі відомих параметрів схеми заміщення АД з урахуванням ЕРС, що наводиться в обмотках статора на різних гармоніках, який дозволяє відокремити вплив параметрів несиметричної несинусоїдної мережі живлення на результати діагностики. Експериментальні дослідження показали, що після виконання процедури відокремлення в сигналах споживаної потужності та струму виключаються гармонійні складові, викликані неякісними параметрами мережі живлення, при чому підвищується рівень амплітуд гармонійних складових, викликаних дефектами АД, що дозволяє підвищити точність діагностики.

...