Функціональне діагностування енергоефективності електромеханічних систем з асинхронними двигунами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇвський політехнічний інститут»

УДК 62-83-52.003(082)

ФУНКЦIОНАЛЬНЕ ДIАГНОСТУВАННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТI ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИХ СИСТЕМ З АСИНХРОННИМИ ДВИГУНАМИ

Спеціальність 05.09.03 - Електротехнічні комплекси та системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Закладний Олег Олександрович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електропостачання Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» (м. Київ)

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Праховник Артур Веніамінович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри електропостачання

Офіційні опоненти доктор технічних наук, професор Садовой Олександр Валентинович, Дніпродзержинський державний технічний університет, завідувач кафедри електромеханіки

доктор технічних наук, професор Чермалих Валентин Михайлович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри автоматизації управління електротехнічними комплексами

Захист відбудеться „11” квітня 2011 р. о 15-й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.20 в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37, корп. № 22, ауд. № 316.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий „_4__” березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к.т.н. Ковальчук А.М.



АНОТАЦІЇ

Закладний О.О. Функціональне діагностування енергоефективності електромеханічних систем з асинхронними двигунами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ, 2011. двигун струм напруга енергетичний

Дисертація присвячена підвищенню енергоефективності електромеханічних систем з асинхронними двигунами (ЕМС з АД). Запропоноване рішення полягає в контролюванні у реальному часі енергоефективності ЕМС засобами функціонального діагностування, обслуговуванні за фактичним станом та безперервному захисті під час експлуатації. Математичний апарат діагностування поєднує методи аналізування миттєвих значень струмів і напруг АД, температури довкілля й дозволяє визначати енергетичний і технічний стан ЕМС та прогнозувати залишковий ресурс, з методом спектрально-струмового аналізу, що надає можливість завчасного виявлення механічних ушкоджень двигуна та пов'язаного з ним механізму. Створені програмно-апаратні засоби діагностування енергоефективності ЕМС з АД - моделі, методики, алгоритми, програми та схемно-технічні рішення враховують дію експлуатаційних впливів - якість напруги живлення, режим навантаження і температуру довкілля.

Коректність і працездатність розроблених моделей, методик, алгоритмів і програм підтверджено лабораторними експериментами і впровадженням.

Ключові слова: енергоефективність, електромеханічна система, асинхронний двигун, показники якості електроенергії, графік електричного навантаження, енергетичний стан, технічний стан.



Закладной О.А. Функциональное диагностирование энергоэффективности электромеханических систем с асинхронными двигателями. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», г. Киев, 2011.

Диссертация посвящена повышению энергоэффективности электромеханических систем с асинхронными двигателями (ЭМС с АД). Предложенное решение заключается в контроле в реальном времени энергоэффективности ЭМС средствами функционального диагностирования, обслуживании по фактическому состоянию и непрерывной защите во время эксплуатации. Математический аппарат диагностирования объединяет методы анализа мгновенных значений токов и напряжений АД, температуры окружающей среды и позволяет определять энергетическое и техническое состояние ЭМС, а также прогнозировать остаточный ресурс, с методом спектрально-токового анализа, который даёт возможность своевременного выявления механических повреждений двигателя и связанного с ним механизма.

С учётом технологических особенностей работы промышленных установок и механизмов на основе существенных признаков соответствующих математических моделей сигналов разработаны классификации и математические модели индивидуальных графиков электрической нагрузки ЭМС циклического и непрерывного действия.

Проведенные исследования влияния снижения качества напряжения питания (отклонение, несимметрия и несинусоидальность напряжения, отклонение частоты) и величины механической нагрузки на энергетические характеристики АД и их анализ подтверждают правомерность и адекватность разработаных моделей и методик функционального диагностирования энергоэффективности ЭМС.

В работе предложено использовать показатели энергоэффективности - коэффициенты полезного действия и мощности АД для определения энергетического и технического состояния ЭМС, качества напряжения питания и режима нагрузки. Для детализации определения технического состояния АД предлагается использовать показатель относительного износа изоляции и анализ значений потерь в его отдельных узлах.

Предложенные алгоритмы защиты АД на основании его тепловой модели и контроля токов обмотки статора учитывают потери от несимметрии и несинусоидальности напряжения, тока обратной последовательности, а также используют перегрузочную характеристику двигателя как времятоковую характеристику защиты.

Созданный мобильный программно-аппаратный комплекс позволяет автоматизировать процесс функционального диагностирования энергоэффективности ЭМС. Он реализован на основе датчиков тока, напряжения, температуры, коммутационного устройства с аналого-цифровым преобразователем, персонального компьютера, разработанных алгоритмов и программ (“Эталонная модель АД”, “Диагностирование параметров АД”, “Определение остаточного ресурса АД”). Програмное обеспечение определяет энергетическое, техническое состояние и остаточный ресурс АД в соответствии с моделями и методиками, разработанными в работе, формирует протоколы диагностирования. Комплекс может использоваться как для проведения экспериментальных исследований, так и для работы в режиме компьютерного эксперимента.

Экспериментальные исследования выполнены путём введения неисправностей в обмотки статора и ротора АД, а таже методом ускоренного эксперимента. Исследования подтвердили достаточную точность определения энергетических показателей АД в рабочем режиме, адекватность энергетического подхода к определению неисправностей и прогнозирования остаточного ресурса.

Внедрение разработанных средств функционального диагностирования энергоэффективности ЭМС с АД позволит в течение среднего эксплуатационного срока работы 10 лет сэкономить около 10% потреблённой электроэнергии, что примерно вдвое превышает её стоимость, а также сохранить до 50% средств на сервис и ремонт.

Корректность и работоспособность разработанных моделей, методик, алгоритмов и программ подтверждена лабораторными исследованиями и внедрением.

Ключевые слова: энергоэффективность, электромеханическая система, асинхронный двигатель, показатели качества электроэнергии, график электрической нагрузки, энергетическое состояние, техническое состояние.



Zakladnyi O.O. Functional diagnostic of the effectiveness of electromechanical systems with asynchronous motors. - Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of candidate of technical science on the specialty 05.09.03 - electrotechnical complexes and systems. - National technical university of Ukraine «Kyiv polytechnic institute", Kyiv, 2011.

The dissertation is devoted to increasing of energy efficiency exploitation of electromechenical systems with asynchronous motors (EMS with AM). The offered solution is to monitor real-time energy efficiency of EMS with facilities of functional diagnostic, servicing actual state and continuous protection during exploitation. Mathematical tools of diagnostic combine the methods of analysis of instantaneous values of currents and voltages of AM, the temperature of environment and allow determining the energy value and technical state of EMS. The method of spectral analysis of current can prognosticate remaining working life, giving the possibility to detect mechanical damage of the engine and the associated mechanism in proper time.

The software and hardware tools for diagnostic of energy efficiency of EMS and AM were developed. The models, methods, algorithms and programs and circuit-technical solutions account the influence of quality of voltage, loads and temperature of the environment. Correctness and efficiency of the developed models, methods, algorithms and applications were confirmed by laboratory experiments and implementations.

Keywords: energy efficiency, electromechanical system, asynchronous motor, power quality parameters, graph of electric loads, the energy state, technical state.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з найважливіших проблем підвищення конкурентоздатності вітчизняної продукції на світовому ринку є зниження енергетичної складової в структурі її собівартості. Вартість електроенергії, яку споживає електромеханічна система з асинхронним двигуном (ЕМС з АД) протягом строку експлуатації (життєвого циклу), значно перевищує вартість устаткування і витрати на обслуговування. Експлуатація ЕМС, які знаходяться в незадовільному технічному стані, призводить до збільшення фінансових витрат, зумовлених зростанням електроспоживання. Неврахування зв'язків між процесами перетворення енергії та їх наслідками є істотним недоліком існуючих засобів діагностування ЕМС. Це не дозволяє встановити причини, які призводять до погіршення енергоефективності, виникнення і розвитку несправностей та аварій. ? Існує взаємозв'язок між якістю електроенергії, режимом навантаження, процесами перетворення енергії та технічним станом ЕМС.

Основною причиною низької енергоефективності ЕМС та виникнення аварій є неврахування впливу якості напруги живлення та режиму навантаження, недостатній обсяг інформації про технічний стан, відсутність ефективного безперервного захисту двигунів, несвоєчасне виявлення і усунення дефектів устаткування, недостатній рівень експлуатації, неякісний ремонт тощо.

Однією з перешкод широкому впровадженню енергозбереження в життя є те, що управління раціональним використанням енергії не поширюється на конкретного технологічного споживача - ЕМС. Енергоефективність її оцінюється аперіодично, наприклад, під час проведення енергетичного аудиту.

Перспективним підходом методології енергоменеджменту є впровадження постійно діючого діагностування енергоефективності ЕМС для оперативного реагування на погіршення її стану і порушення технологічного режиму.

Тому актуальними є розроблення і широке впровадження моделей, методик, алгоритмів, програмного забезпечення й схемно-технічних рішень діагностування для підвищення енергоефективності ЕМС з АД, вартість яких нижча від витрат на впровадження традиційних проектів енергозбереження. Впровадження результатів роботи дозволить: зменшити витрати електроенергії ЕМС; здійснювати попереджувальне обслуговування ЕМС у реальному часі та керування їх енергетичним і технічним станом з ефективним безперервним захистом від аварійних режимів роботи; виявляти неефективні режими роботи ЕМС та приймати обґрунтовані рішення щодо подальшої їх експлуатації; мінімізувати збитки від пошкодження устаткування за рахунок вчасного виявлення несправностей, а також вирішити завдання автоматизації таких систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконані в роботі дослідження відповідають напрямку «Енергетика та енергоефективність» Закону України № 2519-IV від 09.10.2010р. “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”, стратегічним пріоритетним напрямам інноваційної діяльності в Україні на 2003-2013 роки «Новітні ресурсозберігаючі технології» Закону України вiд 16.01.2003р. № 433-IV «Про пріоритетні напрями інноваційної діяльності в Україні», Комплексній програмі НТУУ «КПІ» «Енергетика сталого розвитку» і направленості тематики НДР кафедри електропостачання НТУУ «КПІ». Матеріали дисертаційної роботи використано під час виконання держбюджетних НДР: 2257-П «Розроблення автоматизованої системи нормування та аналізування енергетичних потоків гірничовидобувних підприємств» (№ 0109U001505, 2008-2010рр.), 2960-П «Розробка засобів керування методами нечіткої логіки енергоспоживання у системах тепло- та водопостачання будівель» (№ 0106U002322, 2006-2008рр.), де здобувач був виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення рівня енергоефективності електромеханічних систем з асинхронними двигунами за рахунок контролювання у реальному часі їх поточних експлуатаційних параметрів та діагностування й оцінювання енергетичного і технічного стану для виявлення неефективних режимів роботи та прийняття обґрунтованих рішень щодо подальшої експлуатації.

Для досягнення мети поставлено й розв'язано такі задачі:

визначення факторів впливу на енергоефективність і технічний стан ЕМС;

аналізування методів та засобів діагностування ЕМС з АД;

вдосконалення класифікації індивідуальних графіків електричних навантажень (ГЕН) ЕМС циклічної та безперервної дії, їх математичних моделей і визначення кроку дискретизації;

визначення мети та розроблення завдань функціонального діагностування енергоефективності ЕМС і на їх основі - засобів (математичних моделей, методик, алгоритмів, програмного забезпечення, схемно-технічних рішень) для встановлення в реальному часі енергетичного і технічного стану, прогнозування залишкового ресурсу та забезпечення захисту від аварійних режимів;

підтвердження достовірності отриманих наукових результатів за допомогою аналітичної перевірки, математичного моделювання, експериментальних досліджень та впровадження.

Об'єктом досліджень є процеси перетворення енергії в ЕМС з АД.

Предметом досліджень є енергетичні й електромеханічні характеристики ЕМС з АД в умовах дії експлуатаційних впливів - якості напруги живлення, режиму навантаження та температури довкілля.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених у роботі наукових завдань застосовуються фундаментальні положення теорії електропривода, теорії електричних кіл та методи: математичного аналізу, аналізу гармонічного складу кривих струмів і напруг, Ньютона для розв'язання систем алгебраїчних рівнянь, функції Хевісайда та рекурсивного формуючого фільтра для моделювання індивідуальних ГЕН, розв'язання диференціальних рівнянь для моделювання режимів роботи АД, математичного і комп'ютерного моделювання, теорії ймовірності, теорії вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Визначено нову мету та розроблено завдання функціонального діагностування енергоефективності ЕМС з урахуванням впливу якості напруги живлення та режиму навантаження на їх енергетичний і технічний стан.

2. Отримали подальший розвиток класифікації і математичні моделі індивідуальних ГЕН ЕМС циклічної та безперервної дії, які на відміну від існуючих створені на основі істотних ознак відповідних математичних моделей сигналів з використанням функції Хевісайда і метода цифрового рекурсивного формуючого фільтра.

3. Вперше створено модель функціонального діагностування енергоефективності ЕМС з АД, яка дозволяє визначати в реальному часі її енергетичний і технічний стан з урахуванням якості напруги живлення і режиму навантаження.

4. Вдосконалено модель формування і збереження еталонів, яка на відміну від існуючих дозволяє з достатньою достовірністю розраховувати для номінального режиму параметри схеми заміщення і робочі, статичні та енергетичні характеристики, а також виявляти характер залежностей ККД та коефіцієнта потужності від величини навантаження.

5. Вдосконалено теплову модель для прогнозування залишкового ресурсу АД, яка на відміну від відомих дозволяє оцінювати скорочення строку його служби у залежності від режиму навантаження і додаткових втрат, зумовлених несиметрією та несинусоїдальністю напруги, з урахуванням температури довкілля.

Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні нових методик, алгоритмів, програмних продуктів і схемно-технічних рішень для підвищення енергоефективності ЕМС з АД, що також може бути застосовано в діяльності енергоменеджера та для проведення енергетичного аудиту, а саме:

створено методику, алгоритми, схемно-технічні рішення та програмне забезпечення функціонального діагностування ЕМС з АД, які дозволяють здійснювати в реальному часі діагностування енергоефективності, прогнозування залишкового ресурсу та безперервний захист під час експлуатації, а також виявляти порушення технологічного режиму;

створено методику та програмне забезпечення розрахунку параметрів АД за паспортними даними;

встановлено можливість визначення умови енергоефективної роботи ЕМС з АД на основі отриманих діагностичних параметрів - ККД та коефіцієнта потужності - з установленням причин їх відхилення в залежності від якості напруги живлення, режиму навантаження і технічного стану;

встановлено критерії та запропоновано графіки, які дозволяють кількісно оцінити крок дискретизації і здійснювати його вибір в залежності від виду і параметрів ГЕН;

розширено ряд діагностичних ознак аварійних режимів ЕМС з АД, що дозволяє збільшити достовірність встановлення характерних видів ушкоджень.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, пройшли експериментальну перевірку в умовах дослідницьких лабораторій інституту енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ «КПІ» та використані в проектних рішеннях щодо створення засобів діагностування ЕМС державними підприємствами «Інститут машин і систем», м. Харків та «Ерідан», м. Київ, у навчальному процесі НТУУ «КПІ» на кафедрі електропостачання. Отримано акти впровадження результатів роботи та свідоцтва авторського права на методики і комп'ютерні програми.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: аналіз сучасних методів регулювання якості електроенергії [1,2]; завдання функціонального діагностування енергоефективності ЕМС [3,11]; методика прискореного діагностування електродвигунів [4,5]; методика визначення енергоефективності застосування регульованого електропривода в насосних установках [6]; класифікації і математичні моделі індивідуальних ГЕН ЕМС, оціночні формули і графіки для вибору кроку дискретизації в залежності від виду й параметрів ГЕН [7,8]; використання методу цифрового рекурсивного формуючого фільтра для моделювання індивідуальних ГЕН [9,10]; модель формування і збереження еталонів та методика розрахунку параметрів АД за паспортними даними [13]; теплова модель прогнозування залишкового ресурсу АД [14]; моделі теплового і струмового захисту АД [16]; новітні тенденції розвитку енергетичного менеджменту і аудиту [18].

Апробація результатів дисертації. Основні положення, наукові й практичні результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на XIV Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (cмт. Миколаївка, АР Крим, 2007р.), XVI Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Алушта, АР Крим, 2009р.), II Спеціалізованій науково-практичній міжнародній конференції “Автоматизація на об'єктах ТЕК України” (м. Київ, 2009р.), ІХ Міжнародній науково-практичній конференції “Науково-технічний розвиток: економіка, технології, управління” (м. Київ, 2010р.), XVII Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Алушта, АР Крим, 2010р.), науково-технічних конференціях Iнституту енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ “КПI” “Енергетика: економіка, технології, екологія” і наукових семінарах кафедри електропостачання (2007-2010 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 18 друкованих працях, з них у 3 - самостійно, 17 опубліковано в наукових виданнях, затверджених ВАК України як професіональні.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 170 найменувань і 5 додатків. Обсяг роботи - 271 сторінка, з них - 161 сторінка основного тексту (рисунки повністю займають 37 сторінок), 18 сторінок списку використаних джерел, 92 сторінки матеріалів додатків. Дисертація містить 83 рисунки і 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми досліджень, зазначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами, вказано мету та задачі досліджень. Сформульовано наукову новизну отриманих результатів та положення, що виносяться на захист. Розглянуто практичне значення одержаних результатів. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.

У першому розділі на основі аналізу літературних джерел визначено фактори впливу на енергоефективність і технічний стан ЕМС, серед яких найбільш значимі - якість напруги живлення, величина й характер навантаження та умови експлуатації. Розроблено класифікацію існуючих методів і засобів діагностування ЕМС з АД та обгрунтовано доцільність застосування функціонального діагностування енергоефективності, що використовує як діагностичні - поточні експлуатаційні параметри (струми і напруги), а для уточнення залишкового ресурсу - температуру довкілля. Визначено мету діагностування енергоефективності, й розроблено завдання функціонального діагностування енергоефективності ЕМС, які враховують вплив якості напруги живлення та режиму навантаження на їх технічний, енергетичний і тепловий стан.

У другому розділі з огляду на технологічні особливості роботи промислових установок і механізмів, на основі істотних ознак відповідних математичних моделей сигналів розроблено класифікації (рис. 1) і математичні моделі індивідуальних ГЕН ЕМС циклічної та безперервної дії. На рис. 1 позначено: 1 - окремі механізми в автоматичних потокових лініях; 2 - потокові лінії, де є ручні операції, а також установки із цикловою автоматизацією - шахтні скіпові підйомні установки; 3 - верстати на ремонтних дільницях, шахтні клітьові підйомні установки, ліфти тощо; 4 - багатоопераційні верстати із кроковим електроприводом; 5 - електроприводи головних механізмів екскаватора - підйому, напору; 6 - привод повороту; 7 - механізми для розвідувального буріння, пересування екскаватора; 8 - електроінструмент; 9 - ті само механізми, що й для нерегулярного графіка, але одиничної реалізації; 10 - ті, що наведено в п. 8, але які не зберігають свої статистичні характеристики у послідовних реалізаціях випадкового процесу.

Один цикл дискретного індивідуального ГЕН певного механізму можна представити як послідовність N імпульсів (інтервалів роботи в циклі) різної амплітуди. Якщо прийняти, що цикл починається у момент , то час початку k-ого інтервалу , а час закінчення - . Таким чином, за допомогою функції Хевісайда можна записати

, (1)

де - величина навантаження у k-й інтервал циклу; - тривалість і-ого інтервалу роботи.

Моделювання періодичного, циклічного, нециклічного і нерегулярного ГЕН за рівняннями Хевісайда показало достатню для інженерної практики точність.

Для моделювання випадкових процесів електроспоживання ЕМС і апроксимації автокореляційних функцій (АКФ) найбільш раціональним є використання загасаючих експонентних і експонентно-косинусних виразів. Як критерій наближення найдоцільніше застосовувати мінімум квадратичної похибки апроксимації. За вибраної аналітичної моделі АКФ задача зводиться до визначення невідомих параметрів, які задовольняють мінімуму квадратичної похибки

, (2)

де - масив значень нормованої АКФ, - модель нормованої АКФ, - параметри АКФ.

Для апроксимації АКФ заданого виду використано метод Ньютона. Похибка апроксимації з обсягом вибірки , де - операція взяття цілої частини, - максимальний інтервал кореляції, - крок дискретизації, забезпечує припустиму точність.

Встановлено критерії та запропоновано графіки визначення кроку дискретизації, які дозволяють кількісно оцінювати і здійснювати його вибір у залежності від виду й параметрів ГЕН. Для моделювання індивідуальних ГЕН із заданими кореляційними властивостями ЕМС циклічної та безперервної дії розроблено моделі цифрового рекурсивного формуючого фільтра.

У третьому розділі розроблено математичні моделі та методики для функціонального діагностування енергоефективності ЕМС з АД, які за результатами вимірювань експлуатаційних параметрів (струмів і напруг) дозволяють визначити в реальному часі їх технічний і енергетичний стан.

Модель функціонального діагностування енергоефективності ЕМС з АД має ієрархічну структуру і складається з моделей більш низького рівня: моделі АД; моделі формування і збереження еталонів (ЕЕМ); моделі діагностування параметрів процесів перетворення електроенергії (ЕДМ). Модель ураховує відхилення, несиметрію та несинусоїдальність напруги, відхилення частоти, величину і характер навантаження, різницю між моментами на валу й електромагнітним для різних навантажень, гальмівний момент двигуна від струмів зворотної послідовності.

Проведено дослідження впливу зниження якості напруги живлення (відхилення, несиметрії та несинусоїдальності напруги, відхилення частоти) та величини механічного навантаження на енергетичні характеристики АД. Їх аналіз доводить правомірність і адекватність розроблених моделей і методик функціонального діагностування енергоефективності ЕМС.

Четвертий розділ присвячено дослідженням енергоефективності й технічного стану ЕМС з АД. Енергоефективність ЕМС прямо пов'язана з її технічним станом. Несправність механізму, наприклад, насосної установки та порушення технологічного режиму (заклинювання підшипників, проривання напірного трубопроводу тощо) призводить до зміни навантаження. З іншого боку, двигун може знаходитися у стані прихованої відмови задовго до відпрацювання ним нормативного ресурсу. У цих випадках, а також у разі погіршення якості напруги живлення, знижуються ККД і коефіцієнт потужності двигуна.

У розділі запропоновано використовувати показники енергоефективності -ККД та коефіцієнт потужності АД для визначення енергетичного і технічного стану ЕМС з урахуванням режиму навантаження та погіршення якості напруги живлення. Визначення стану ЕМС з АД здійснюється порівнянням фактичних параметрів з їх еталонними значеннями.

Умови визначення енергоефективної роботи ЕМС з АД відповідно до державних стандартів ГОСТ 28173 (МЭК 60034-1), ДСТУ 3886-99



(3)

де , - еталонні (паспортні) характеристики ККД та коефіцієнта потужності; - коефіцієнт завантаження, який враховує зниження потужності двигуна від несиметрії напруги живлення; , - фактичні (визначені) значення ККД та коефіцієнта потужності; - ККД за умови неякісної електричної енергії; , - найменші значення ККД та коефіцієнта завантаження для області енергоефективної роботи.

Дослідження роботи насосної установки системи водопостачання з АД, яка працює відповідно до експериментально знятого ГЕН під час енергоаудиту в режимах неякісної напруги, підтвердило адекватність запропонованого підходу до визначення енергоефективності ЕМС з АД.

У розділі пропонується визначати технічний стан ЕМС з АД за допомогою показника відносної зношеності ізоляції та аналізу складових втрат, за якими діагностується ушкодження у відповідному вузлі, а механічні дефекти двигуна та пов'язаного з ним механізму (пошкодження та ексцентриситет ротора, підшипників, неспівосність валів двигуна та механічного навантаження тощо) виявляти за допомогою спектрально-струмового аналізу.

Середнє значення відносної зношеності ізоляції АД за період часу T

, (4)

де b - сталий коефіцієнт для даного виду ізоляції, - перевищення температури.

Моделювання роботи насосної установки з АД потужністю 40 кВт в режимах неякісної напруги та перевантаження підтвердило, що відносна зношеність ізоляції може виступати діагностичною ознакою, а її значення понад 1 свідчить про перехід ЕМС з АД до передаварійного режиму.

Аналіз значень втрат АД в його окремих вузлах відбувається шляхом порівняння поточних значень складових втрат з їх еталонними значеннями . Якщо , двигун ЕМС знаходиться у незадовільному технічному стані. Таким чином, за складовими втрат діагностується несправність у відповідному вузлі ЕМС з АД.

Для прогнозування залишкового ресурсу АД застосовано метод екстраполяції та запропоновано теплову модель, яка дозволяє оцінювати скорочення строку його служби у залежності від режиму навантаження і додаткових втрат, зумовлених несиметрією та несинусоїдальністю напруги, з урахуванням температури довкілля.

П'ятий розділ присвячено розробленню засобів функціонального діагностування енергоефективності ЕМС з АД, експериментальним дослідженням та перевірці основних положень дисертаційної роботи.

Для реалізації на апаратному рівні поставлених завдань розроблено схемно-технічні рішення функціонального діагностування енергоефективності ЕМС. Послідовність діагностування ЕМС з АД: вимірювання діагностичних параметрів ; визначення первинних діагностичних ознак; струмовий захист; визначення ПЯЕ; спектрально-струмовий аналіз; визначення параметрів процесу енергоспоживання і робочих параметрів; діагностування технічного стану; визначення параметрів процесу енерговикористання; діагностика енергетичного стану; визначення параметрів теплової моделі й захисту, залишкового ресурсу, енергії, що споживається, її втрат; встановлення наступного строку діагностування.

Вторинні діагностичні параметри (ПЯЕ, параметри процесу енергоспоживання, робочі, процесу енерговикористання) розраховуються за математичними моделями АД. Процедура діагностування містить операцію порівняння поточних значень діагностичних параметрів з їх еталонними значеннями.

Створений мобільний програмно-апаратний комплекс дозволяє автоматизувати процес функціонального діагностування енергоефективності ЕМС. Його реалізовано на основі датчиків струму, напруги, температури, комутаційного пристрою з аналого-цифровим перетворювачем, персонального компьютера та розроблених алгоритмів і програм (“Еталонна модель АД”, “Діагностування параметрів АД”, “Визначення залишкового ресурсу АД”). Комплекс може використовуватись для експериментальних досліджень і для роботи в режимі комп'ютерного експерименту.

В існуючих пристроях захисту перевантажувальна здатність АД повною мірою не використовується, що є їх значним недоліком. Як часострумову характеристику захисту запропоновано використовувати перевантажувальну характеристику двигуна. Це створює можливість налагодження захисту під параметри діагностованого двигуна і дозволяє в області струмових перевантажень кратністю 1…3 збільшити час спрацювання захисту на 150% -250%.

Розроблені моделі, методики та програми функціонального діагностування енергоефективності ЕМС експериментально перевірено за допомогою мобільного програмно-апаратного комплексу в лабораторних умовах. Експериментальна перевірка здійснювалась шляхом введення несправностей в обмотки статора та ротора АД типу 4А80В4У3. Для перевірки визначення енергетичних показників їх значення встановлювались відповідно до ГОСТ 25941-83 безпосередньо методом тарованої допоміжної машини.

Для перевірки достовірності моделі та програми розрахунку залишкового ресурсу АД виконано експериментальне дослідження методом прискореного експерименту. Дослідження проводились в умовах послідовного збільшення навантаження АД типу 4А90LВ8У3 до 150% з дискретністю 5% та витримування на кожному рівні навантаження протягом однієї години.

Експериментальними дослідженнями підтверджено вірність запропонованого підходу до визначення енергоефективності ЕМС з АД та достатню для інженерної практики точність (найбільше значення відносної похибки за втратами становить 7%, ККД - 4,5%, прогнозування залишкового ресурсу - 20%).



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язано актуальну науково-практичну задачу підвищення рівня енергоефективності ЕМС з АД. Запропоновано рішення, яке полягає в контролюванні у реальному часі енергоефективності ЕМС засобами функціонального діагностування, обслуговуванні за фактичним станом та безперервному захисті під час експлуатації. Математичний апарат діагностування поєднує методи аналізування миттєвих значень струмів і напруг АД, температури довкілля й дозволяє визначати енергетичний і технічний стан ЕМС та прогнозувати залишковий ресурс, з методом спектрально-струмового аналізу, що надає можливість завчасного виявлення механічних ушкоджень двигуна та пов'язаного з ним механізму.

Основні результати і висновки дисертаційної роботи полягають у наступному.

1. Розроблена класифікація існуючих методів діагностування ЕМС з АД обгрунтовує доцільність застосування функціонального діагностування енергоефективності, яке використовує як діагностичні - поточні експлуатаційні параметри (струми і напруги), а для уточнення залишкового ресурсу - температуру довкілля.

2. Визначено мету діагностування енергоефективності ЕМС - на основі контролювання у реальному часі енергетичного і технічного стану забезпечити найефективніше використання фактичного ресурсу з мінімальним споживанням електроенергії та запобігти аварійним режимам, розроблено завдання функціонального діагностування енергоефектиності ЕМС із урахуванням факторів суттєвого впливу на технічний, енергетичний і тепловий стан та на їх основі - схемно-технічні рішення для програмно-апаратних засобів діагностування.

3. Запропоновані критерії та графіки визначення кроку дискретизації в залежності від виду та параметрів ГЕН ЕМС дозволяють обробляти діагностичні параметри за допомогою програмно-технічних засобів з середньоквадратичною похибкою відновлювання сигналу, яка не перевищує 5%.

4. Аналітична перевірка створених моделей і методик діагностування енергоефективності ЕМС з АД та результати моделювання на ЕОМ у середовищі MATLAB енергетичних показників (складових повної потужності, коефіцієнта потужності, втрат, ККД) АД промислової серії 5А показали високу відповідність результатів розрахунків експериментальним даним виробника. Відносні похибки розрахунку узагальнених діагностичних параметрів не перевищують 3% для ККД і 6% для коефіцієнта потужності, що цілком достатньо для інженерної практики.

5. Розроблені алгоритми струмового й теплового захисту АД на основі його теплової моделі та контролю струмів обмотки статора дозволяють урахувати втрати від несиметрії та несинусоїдальності напруги, струму зворотної послідовності та використати перевантажувальну характеристику двигуна як часострумову захисту.

6. Достовірність отриманих наукових результатів підтверджено матеріалами експериментальних досліджень АД типу 4А80В4У3 потужністю 1,5 кВт насосної установки на розробленому мобільному програмно-апаратному комплексі, комп'ютерним моделюванням та порівнянням з експериментальними даними виробників (найбільше значення відносної похибки визначення ККД - 4,5%, прогнозування залишкового ресурсу - 20%).

7. Впровадження розроблених засобів функціонального діагностування енергоефективності ЕМС з АД дозволить за середнього експлуатаційного строку роботи 10 років зекономити близько 10% електроенергії, що споживається, а також заощадити до 50% коштів на сервіс та ремонт.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Закладний О.М. Застосування новітніх силових електронних компонентів у регульованому електроприводі/ Закладний О.М., Закладний О.О. // Енергетика: економіка, технології, екологія. 2006. №.2. С. 47-53.

2. Закладний О.М. Сучасні методи регулювання якості електроенергії / Закладний О.М., Закладний О.О. // Інформаційний збірник «Промислова електроенергетика та електротехніка» Промелектро. 2007. №2. С. 25-30.

3. Праховник А.В. Контроль та аналіз в реальному часі режимів енерговикористання промислових електроприводів / Праховник А.В., Закладний О.М., Закладний О.О. // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика»/Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2007. С. 151-155.

4. Закладний О.М. Універсальний діагностувальний комплекс для прискорених випробувань електродвигунів / Закладний О. М., Закладний О.О. // Інформаційний збірник «Промислова електроенергетика та електротехніка» Промелектро. 2007. №4. С. 35-39.

5. Закладний О.М. Методика прискореного діагностування електродвигунів / Закладний О.М., Закладний О.О. // Енергетика: економіка, технології, екологія. 2007. №2. С. 47-53.

6. Закладний О.М. Оцінка енергетичної та економічної ефективності застосування регульованого електропривода в насосних установках / Закладний О.М., Закладний О.О. // Вісник НТУУ “КПІ”, серія “Гірництво”: Збірник наукових праць. - Київ: НТУУ «КПІ»: ЗАТ «Техновибух», 2008. - Вип. №16. С. 90-97.

7. Праховник А.В Класифікація та вибір кроку дискретизації графіків навантажень електропривода механізмів циклічної дії / Праховник А.В., Закладний О.М., Закладний О.О. // Інформаційний збірник «Промислова електроенергетика та електротехніка» Промелектро. 2009. №4. С. 20-27.

8. Праховник А.В. Класифікація та вибір кроку дискретизації графіків навантажень механізмів безперервної дії / Праховник А.В., Закладний О.М., Закладний О.О. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. 2009. № 3/2009 (56), частина 2, С. 48-52.

9. Праховник А.В. Моделювання індивідуальних графіків навантаження електропривода / Праховник А.В., Закладний О.М., Закладний О.О.// Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія й практика» науково-технічного журналу «ЕЛЕКТРОІНФОРМ» - Львів: ЕКОінформ, 2009. С. 343-344.

10. Закладний О.О. Моделювання індивідуальних графіків електричного навантаження промислового електропривода з заданими кореляційними властивостями / Закладний О.О., Закладний О.М. // Інформаційний збірник «Промислова електроенергетика та електротехніка» Промелектро. 2010. №2. С. 51-55.

11. Праховник А.В. Функціональне діагностування енергетичної ефективності асинхронного електропривода промислових установок і механізмів протягом життєвого циклу / Праховник А.В., Закладний О.М., Закладний О.О. // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ», 2010. № 28. С. 495-497.

12. Закладний О.О. Апроксимація автокореляційних функцій процесу електроспоживання електропривода // Інформаційний збірник «Промислова електроенергетика та електротехніка» Промелектро. 2010. №1. С. 60-64.

13. Закладний О.О. Методика розрахунків робочих параметрів асинхронного електропривода за паспортними даними / Закладний О.О., Закладний О.М., Притискач І.В. // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. 2010, № 4/2010 (63), частина 3, С. 119-126.

14. Закладной А.Н. Методы оценки срока службы асинхронных электродвигателей / Закладный А.Н., Закладной О.А. // Енергетика та електрификація - Київ, 2010, №4, С.63-67.

15. Закладний О.О. Оцінка залишкового ресурсу асинхронного електропривода // Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія «Гірництво»: Збірник наукових праць. - Київ: НТУУ «КПІ»: ЗАТ «Техновибух», 2010, - Вип. 19. С. 137-146.

16. Закладний О.М. Захист як складник системи функціонального діагностування асинхронних електродвигунів / Закладний О.М., Гребенюк Т.В., Закладний О.О. // Інформаційний збірник «Промислова електроенергетика та електротехніка» Промелектро. 2010. №4. С. 36-41.

17. Закладний О.О. Захист як одне із завдань системи моніторингу енергетичного стану асинхронного електропривода // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету імені Михайла Остроградського. 2010, № 4/2010 (63), частина 2, С. 135-138.

18. Праховник А.В. / Практичний посібник з енергозбереження для об'єктів промисловості, будівництва та житлово - комунального господарства //Праховник А.В., Прокопенко В.В., Дешко В.І., Закладний О.О. та ін., - Луганськ, вид. «Місячне сяйво», 2010, 696 с.

Размещено на Allbest.ru

...