Микропроцессорный комплекс энергомониторинга качества преобразования энергии двигателей переменного тока

Киричков В.А., Черный А.П., Лашко Ю.В.

Кременчугский государственный политехнический университет

Институт электромеханики энергосбережения и компьютерных технологий

Осадчук Ю.Г.

Криворожский технический университет

Введение

Перспективы развития систем диагностирования электродвигателей (ЭД) связаны с разработкой новых методов и средств раннего предупреждения, развивающихся неисправностей, с тем, чтобы исключить аварийный останов двигателя. В качестве такой системы выступают системы энергодиагностики и энергомониторинга двигателей [1]. Первые, позволяют в условиях ремонтных предприятий установить реальный паспорт ЭД, прошедших капитальный ремонт. Вторые - на основе анализа энергетических процессов, протекающих в двигателе установить его технико-экономические показатели в эксплуатационном режиме, а также, на основании обнаруженных зарождающихся неисправностях, прогнозировать с определенной вероятностью время достижения предельного состояния [2].

Современной тенденцией технического обслуживания и ремонта ЭД, является переход от системы планово-предупредительных ремонтов (ППР) к ремонту и обслуживанию по действительному техническому состоянию. Такой переход требует развития, разработки и внедрения новых методов и средств, обеспечивающих повышения эксплуатационной эффективности и надежности ЭМ. Однако, это повышение сопровождается повышением стоимости ремонтно-восстановительных работ. Поэтому экономически оправдана необходимость полного исчерпания ресурсных возможностей ЭД, что требует разработки систем объективного контроля технического состояния каждого двигателя и его системы электропривода.

Таким образом, необходимость обеспечения высокой надежности эксплуатации ЭД и экономические факторы поставили задачу разработки систем диагностирования и прогнозирования состояния двигателя.

Отметим, что эти указанные системы различаются видом технического диагностирования - тестовым и функциональным. При тестовом - на ЭД подаются специальные тестовые воздействия, состав и последовательность которых выбирается в соответствии с методикой диагностирования. Функциональное техническое диагностирование осуществляется в процессе непосредственного использования ЭД по назначению, когда на нее поступают только рабочие воздействия.

В процессе эксплуатации ЭД рассматривается как объект, ТС которого подлежит управлению с целью достижения максимальной эффективности его применения по назначению.

В общем случае задачи энергомониторинга ЭД сводятся к исследованию двигателя как объекта диагностирования, разработке соответствующих методов и средств, решению вопросов построения и организации системы энергомониторинга. Решения этих задач включает в себя:

– анализ процессов, протекающих в двигателе в режиме эксплуатации;

– выбор необходимого числа диагностических параметров и разработку методов их определения;

– разработку методов оценки и прогнозирования динамики изменения параметров состояния;

– разработку системы сбора, хранения и анализа диагностической информации;

– разработку системы технического диагностирования;

– определения места технической диагностики в системе эксплуатации с целью предотвращения аварийных отказов, полного использования ресурсных возможностей ЭД, сокращения затрат на техническое обслуживание и т.п.

Решение этих задач с различной степенью детализации рассмотрено и описано в работах [1,2,5].

Методы энергомониторинга ЕД основываются на анализе режимов энергопотребления и процессов преобразования энергии [3]. Это указывает на необходимость разделения влияния качества электроэнергии и качества ее преобразования в ЭД [4]. Наиболее эффективными являются методы анализа энергопроцессов, гармонического анализа и мгновенных мощностей на их основе. Указанные методы позволяют выполнить расчет параметров ЭД, сделать вывод о качестве преобразования энергии, и могут быть положены в основу систем защиты и управления, что позволит увеличить срок безотказной работы систем электропривода.

Цель работы. Целью работы является обоснование структуры и принципа построения микропроцессорного комплекса энергомониторинга.

Материал и результаты исследований

Целевое назначение разрабатываемой системы мониторинга ЭД требует измерения, регистрации, последующей обработки данных физических измерений и анализа определенного числа параметров, характеризующих, в общем случае, техническое состояние двигателя и работоспособность его узлов.

На всех стадиях функционирования мобильных комплексов возникает необходимость в справочных и нормативно-методических материалах по отдельным видам электромеханического оборудования, процессам, учету, контролю, испытанию, наладке, эксплуатации электромеханического оборудования, расчету энергопотребления. Например, ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», международные стандарты МЭК 861, МЭК 1000-3-2, МЭК 1000-3-3, МЭК 1000-4-1 и публикации МЭК 1000-2-1, МЭК 1000-2-2 в части уровней электромагнитной совместимости в системах электроснабжения и методов измерения электромагнитных помех, определяют показатели качества электроэнергии в сетях питания для систем электрического привода, использующих электрическую энергию переменного тока.

Эти нормативные документы определяют влияние качества электроэнергии на исправный, электрически и магнитно-симметричный, электромеханический преобразователь, но только в части увеличения дополнительных потерь и нагрева. По сути, ГОСТ показывает снижение КПД и выход из строя по перегреву, но совершенно не учитывает ту часть энергии, которая преобразована электромеханическим преобразователем, но идет не на выполнение полезной работы, а, например, на вибрацию.

Электромеханическое оборудование, используемое в электроприводах, предназначено для работы в условиях симметрии напряжения, их синусоидальной формы кривых и уровня, равного или близкого к номинальному значению. При отклонениях показателей качества электроэнергии, превышающих нормируемые стандартом значения, нормальная работа электрооборудования либо вообще невозможна, либо может быть обеспечена только при значительном снижении нагрузки. Снижение эффективности работы электрооборудования проявляется в увеличении потерь активной мощности и электроэнергии; в сокращении срока службы; увеличении капитальных вложений в систему электропривода; в увеличении потребления реактивной мощности; в нарушении нормального хода технологических процессов. Оценка параметров и характеристик электрических машин производится в соответствии с ГОСТами на испытание [6,7], которые регламентируют методы и методики испытаний электрических машин в специальных испытательных лабораториях, при питающем напряжении симметричном и синусоидальном. Проведение указанных испытательских работ в условиях производства, на месте, в период технического или профилактического осмотра невозможно.

Указанные нормативные документы, ведомственные и отраслевые инструкции, методические и нормативно-технические материалы на конкретное диагностируемое оборудование могут быть использованы при проведении операции энергомониторинга и энергетической диагностики. Однако требуется разработка ГОСТов и методов анализа работоспособности электромеханического оборудования с учетом его реального состояния и качества питающей энергии.

Стратегия создания такой систем состоит в объединении измерительных датчиков, аппаратуры сбора данных, их обработки, а также средств программного обеспечения в единую информационно-измерительную систему, основанную на современных компьютерных технологиях.

Частотный диапазон сигналов, количество измерительных каналов и динамический диапазон сигналов на входе определяют технические требования к системе:

– количество (синхронных) входных каналов: не менее 6;

– частотный диапазон входных сигналов: 10-1000 Гц;

– разрядность АЦП/ЦАП: 12-16 бит;

– время преобразования АЦП: 2.5-10 мкс;

– порт ввода - вывода: 8 бит ТТЛ;

– динамический диапазон по входу: 60-80 ДБ;

Программное обеспечение должно выполнять следующие функции:

– настройка параметров и запуск процедуры сбора данных;

– запись собираемых данных в оперативную память или на жесткий диск с отображением характера регистрируемых сигналов и временного изменения параметров на экране дисплея;

– графический пользовательский интерфейс;

– реализация вычислительных алгоритмов обработки данных с отображением результатов средствами представления информации;

– выполнение калибровки передаточных характеристик физико-информационных преобразователей и аналоговых цепей;

– поддержка базы экспериментальных данных о характеристиках объектов испытаний (или исследуемых явлений);

– создание отчетов проведенного мониторинга.

Исходя из этих требований, мобильная система мониторинга разрабатывается на базе Notebook с использованием, блока датчиков тока и напряжения фирмы LEM, платы ввода/вывода сигналов серии Е (L-Card) и специализированного программного обеспечения, разработанного в среде пакета LabVIEW.

Предлагаемая структура микропроцессорной системы обеспечивает выполнение основных выдвинутых требований к системе энергомониторинга и его функциональным задачам. Элементы системы связаны между собой на физическом и (или) логико-функциональном уровне (рис.1). Ввод данных в систему реализуется аппаратными средствами подсистемы сбора данных, а управляет процессом сбора пользователь, используя экранные формы интерфейса.

Рисунок 1 - Структура связей комплекса энергомониторинга

энергомониторинг двигатель переменный ток

Система отображает измеренные и рассчитанные сигналы в графическом виде, рассчитанные параметры и показатели в текстовом виде на экране компьютера. Взаимодействие с оператором ведется с помощью удобного графического интерфейса. (рис.2).

Рисунок 2 - Главное окно программного комплекса энергомониторинга

Рисунок 3 - Окно показателей качества питающего напряжения

Оператор работает в одном окне и выводит на экран монитора необходимые ему рабочие окна по своему усмотрению:

- осциллограф;

- показатели качества преобразования энергии:

– коэффициенты энергетических потерь;

– коэффициенты загрузки фаз током;

– коэффициенты преобразования момента и вибрации и пр.

- показатели качества питающего напряжения (рис.3):

– коэффициент несимметрии напряжения;

– коэффициенты несинусоидальности и пр.

- показатели несимметрии и несинусоидальности токов;

- показатели вибрационных характеристик (при наличии датчиков вибрации).

Активизация рабочих окон осуществляется путем нажатия мышкой на соответствующую закладку в главном меню (рис. 2, 3).

При разработке программного обеспечения используются следующие принципы: модульность, унификация связей, разделение программ управления, графической поддержки, обработки и доступа к базе данных, формирования отчета.

Программное обеспечение «разбито» на следующие функциональные части:

Модуль записи и настройки. Позволяет настроить параметры работы измерительной аппаратуры и произвести запись сигналов. При записи программа использует специальные функции синхронизации.

Модуль баз данных записей. Позволяет просматривать выбранные записи, формировать и печатать отчет.

Модуль обработки. Позволяет проводить анализ данных в соответствии с математическим обеспечением задач энергомониторинга [1,3,4], а также реализует специализированные алгоритмы.

Благодаря модульной архитектуре аппаратуры количество каналов системы может быть расширено. Также может быть расширенным программное обеспечение.

Применение микропроцессорного комплекса энергомониторинга обеспечит:

– возможность постоянного или периодического учета и оценки качества потребляемой электроэнергии и качества преобразования энергии электрическими двигателями;

– комплексные измерения для учета взаимного влияния потребителей;

– сокращение затрат на диагностическое оборудование и операции по энергоаудиту;

– комплексные измерения, испытания и диагностику электромеханического оборудования;

– выработать мероприятия по практическому энергосбережению путем решения задачи сохранения работоспособности электрооборудования находящегося в эксплуатации.

Выводы

Применение микропроцессорных систем энергомониторинга позволит интенсифицировать работы по практическому энергосбережению путем решения задачи сохранения работоспособности электрооборудования находящегося в эксплуатации. Применение методов энергомониторинга и комплекса для реализации этих методов позволяет снизить количество отказов электрических двигателей и связанные с этим энерго- и ресурсозатраты, выработать предложения по улучшению энергетических, производственных или технологических параметров. Эти предложения могут быть сгруппированы следующим образом: предложения, нацеленные на немедленные решения, не требующие капитальных вложений (общая наладка, оптимизация статических или динамических режимов работы, и т.п.); предложения по реконструкции или модернизации оборудования; предложения по замене оборудования. Такой подход позволит решить комплекс вопросов энергопотребления, энергоиспользования потребляемой энергии и энергоуправления процессом энергопотребления.

Литература

1. Черный А.П., Синчук О.Н., Осадчук Ю.Г. Стратегия мобильных систем мониторинга и энергетической диагностики электроприводов в промышленности.

2. Черный А.П., Киричков В.А., Кальченко А.В. Применение показателей качества преобразования энергии для контроля за состоянием электромеханического оборудования // Вісник національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”. Збірник наукових праць. Тематичний випуск “Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика”. - Харків: НТУ “ХПІ”, 2005. - №45. С. 449-452.

3. Родькин Д.И., Черный А.П., Мартыненко В.А., Обоснование критериев качества преобразования энергии в электромеханических системах, Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету Вип. 1/2003 (18) С. 80-85.

4. Черный А.П. Показатели качества преобразования энергии при энергомониторинге электромеханического оборудования. Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: наукові праці КДПУ.- Кременчук: КДПУ, 2003. - Вип.2(19), Т1. С. 149-151.

5. Система анализа, оптимизации и рационализации энергопотребления на базе мобильных диагностических лабораторий: Тр. Моск. энерг. ин-т, 1990. Вып. 648.

6. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. К.: Госстандарт Украины. 1999.

7. ГОСТ №7217-85 Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний. М.: Издательство стандартов. 1990.

Размещено на Allbest.ru