Методы и средства диагностики изоляции асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства на основе частичных разрядов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Методы и средства диагностики изоляции асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства на основе частичных разрядов

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

ПАХОМОВ Александр Иванович

Краснодар, 2008



Работа выполнена в ГНУ "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства" и ФГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия"

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Оськин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Султанов Георгий Ахмедович доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович доктор технических наук, доцент Льготчиков Владимир Вениаминович

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится 29 октября 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета электрификации, ауд. № 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан "___" __________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор С.В. Оськин



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дальнейший рост энерговооруженности АПК неизбежно потребует решения проблем надежности и долговечности эксплуатирующегося электрооборудования. Основным потребителем и преобразователем электроэнергии в сельском хозяйстве служит электропривод на базе асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором, от надежности которого зависит нормальное протекание любого технологического процесса. При высокой конструкционной надежности АД серий 4А, АИР, 5А уровень эксплуатационной надежности в условиях сельскохозяйственного производства оказывается недостаточным, что отрицательно сказывается на общей экономической эффективности работы сельхозпредприятий. Рекомендуемые меры плановой профилактики электроприводов затратны и при нехватке материальных средств, неукомплектованности электротехнических служб, высоких тарифах на электроэнергию имеют ограниченное применение. Проблема эксплуатационной надежности АД является системной и не поддается решению частными мерами в виде отдельных технических средств. Необходим комплексный подход с использованием методов технической диагностики.

Из теории диагностики известно, что сохраняющий работоспособность объект может быть неисправен, т.е. находиться в состоянии скрытого отказа. Для АД сельскохозяйственного производства указанное состояние наступает задолго до выработки нормативного ресурса и связано с особыми деструктивными изменениями в системе изоляции статорной обмотки. Его выявление представляет собой сложную и наукоемкую задачу, решению которой посвящена основная часть работы.

При условии разработки научно-обоснованных методов и средств диагностики представляется возможным усовершенствовать систему технического сервиса электроприводов путем перехода от стратегии планово-предупредительных ремонтов (ППРЭСХ) к более эффективной по фактическому состоянию электроизоляционной системы двигателей. Конечный результат в виде снижения затрат и бесперебойного выпуска сельскохозяйственной продукции актуален для всех форм сельских товаропроизводителей.

Исследования выполнялись по госбюджетной тематике ФГОУ ВПО АЧГАА "Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства" (№ ГР 01870025279) и в соответствии с текущим планом НИР Россельхозакадемии по ГНУ ВНИПТИМЭСХ "Разработка ресурсосберегающих автоматизированных электротехнологий и электрофизических процессов производства, первичной обработки и хранения продукции растениеводства и животноводства" по проблеме 09.02.02.

Научная проблема состоит в отсутствии научно-обоснованных методов и средств диагностики асинхронных двигателей, позволяющих реализовать наиболее эффективную стратегию обслуживания машин по фактическому состоянию электроизоляционной системы в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства.

Рабочая гипотеза - детальное изучение разрядных процессов в электроизоляционной системе асинхронного двигателя позволит получить эффективные методы его диагностики.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства путем развития теории и практики диагностического процесса электроизоляционной системы.

Объект исследования - изоляция статорных обмоток асинхронных двигателей с увеличенным отработанным ресурсом, методы и средства ее диагностирования.

Предмет исследования - установление закономерностей предпробойного состояния изоляции статорной обмотки АД по математическим, компьютерным и натурным моделям.

Методика исследований базировалась на прикладной теории систем, теории диагностики и принятия статистических решений, математическом анализе случайных процессов, компьютерном моделировании и программировании, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации экспериментальных данных. В качестве инструментария применялось следующее программное обеспечение: MS Excel XP, Micro-Cap 7.1, MathCAD 2001 Professional, SpectroLab 3.16.

Научная новизна работы:

- впервые научно обоснованы диагностические параметры асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

- разработана теория тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам (ЧР) с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала;

- создана эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД, разработаны и исследованы SPICE модели корпусной и межвитковой изоляции; асинхронный двигатель межвитковый изоляция

- предложена методика расчета волновых параметров АД с использованием метода массивного витка для обоснования параметров моделей;

- установлены теоретические закономерности и характеристики диагностических сигналов от частичных разрядов.

Практическая ценность результатов исследований. Созданы технические средства и технологии реализации стратегии обслуживания асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства по фактическому состоянию электроизоляционной системы. При этом получены следующие результаты:

- разработан пакет прикладных программ для компьютерного моделирования переходных процессов в различных частях электроизоляционной системы АД и волнового расчета параметров моделей;

- получен массив данных по характеристикам диагностических сигналов от ЧР на внешнем датчике, необходимый для реализации практических методов диагностики;

- обоснована возможность и целесообразность тестовой диагностики изоляции АД прямой регистрацией ЧР в режиме импульсной сушки изоляции и выработаны общие требования к диагностическому устройству;

- предложен способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ № 2265949), обеспечивающий диагностический контроль корпусной изоляции АД;

- разработан комплекс технических средств по обеспечению эксплуатационной надежности АД: устройство для управления процессом сушки изоляции (а.с. № 1377971), система энергоснабжения (а.с. 1585862), устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2, устройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1.

На защиту выносятся следующие положения:

- параметры дихотомии асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

- результаты математического анализа стохастической системы тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала по критерию апостериорной дисперсии;

- алгоритмы прикладных программ расчета волновых параметров АД и моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе двигателя;

- результаты экспериментальных исследований свойств сквозного влагозаполненного дефекта изоляции и измерения диагностических параметров электродвигателей;

- технические средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований используются в рамках областной целевой программы "Производство и использование биотоплива на основе растительных масел в АПК Ростовской области" для повышения надежности электроприводов модульного оборудования "БИОДОН". Техническое предложение по внедрению средств диагностики асинхронных двигателей в сельскохозяйственное производство, содержащее технико-экономическое обоснование и схемотехнические решения устройства УДС-2, а также способ контроля корпусной изоляции на нелинейном датчике (патент РФ № 2265949), переданы предприятию ЗАО "Новороссийский опытно-экспериментальный завод" для организации серийного производства. Изготовлена лабораторная установка и выпущены методические указания, которые используются в лабораторном практикуме ФГОУ ВПО АЧГАА. Устройство для управления процессом сушки изоляции обмоток электродвигателей (а.с. № 1377971) испытано в хозяйственных условиях предприятием "Азовагропромэнерго". По результатам испытаний дано положительное заключение и принято решение о выпуске опытной партии устройств указанным предприятием. Опытный образец автоматического устройства для управления процессом сушки изоляции электродвигателей (а.с. № 1585862) внедрен в УОХ "Зерновое". Устройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1 подготовлено к серийному производству, на него утверждено техническое задание и выпущены экспериментальные образцы на Нальчикском заводе полупроводниковых приборов (НЗПП). Опытный экземпляр УКЗ-1 внедрен на предприятии по переработке сельскохозяйственной продукции "Золотой колос". Малым предприятием "МОДУЛЬ" (г. Зерноград) при участии автора изготавливались и устанавливались в хозяйствах Ростовской области и Краснодарского края устройства встроенной температурной защиты "Модуль-1".

Апробация работы. Устройство импульсной сушки изоляции электродвигателей экспонировалось на ВДНХ СССР (ВВЦ) (Москва, 1989 г.) и на Всероссийской выставке НТТМ-12 (Пермь, 1989 г.). Это устройство награждено серебряной медалью ВДНХ СССР (удостоверение № 36065), удостоено почетной грамоты выставки НТТМ-12. Устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2 демонстрировалось на 10-ой Юбилейной международной выставке-агросалоне "Интерагромаш" (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.).

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на:

- 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнических изделий сельскохозяйственного назначения" (Москва, 1986 г.);

- Закавказской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Научные исследования молодых на службе интенсификации с.х. производства" (г. Ереван, 1986 г.);

- итоговых научно-технических конференциях ЧИМЭСХ (Челябинск, 1985, 1986 г.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1987 г.), АЧИМСХ (г. Зерноград, 1983-1987 г.);

- 1-ой межвузовской научной конференции "Многоскоростной и электронизированный электропривод в сельском хозяйстве" (г. Зерноград, 1990 г.);

- 2-ой международной научно-практической конференции "Проблемы механизации и электронизации АПК" (г. Краснодар, 1991 г.);

- научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград, 2004 - 2005 г.);

- международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 2006 г.);

- 5-ой Южно-Российской научной конференции "Энерго- и ресурсосберегающие технологии" (г. Краснодар, 2007 г.);

- международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ "Приоритетные направления исследований и разработка новых технологий и технических средств АПК" (г. Зерноград, 2007 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 37 научных трудах, в число которых входят 2 монографии, 7 статей в центральных и ведущих изданиях из перечня ВАК, 4 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и глав и приложения. Работа изложена на 347 страницах, включая 16 таблиц, 77 рисунков, библиографический список из 226 наименований, из которых 9 на иностранных языках, 47 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель работы, научная проблема, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о внедрении результатов работы.

В первой главе "Анализ современного состояния проблемы и задачи исследования" выполнен анализ существующего уровня надежности асинхронных электроприводов в сельскохозяйственном производстве, а также известных методов и средств его повышения. В разное время свои способы решения эксплуатационных задач были предложены Андриановым В.И., Прищепом Л.Г., Гольдбергом О.Д., Пястоловым А.А., Мамедовым Ф.А., Тубисом Я.Б., Мусиным А.М., Ерошенко Г.П., Грундулисом А.О., Овчаровым В.В., Сырых Н.Н., Ворониным Е.А., Султановым Г.А., Казимиром А.П., Хомутовым О.И., Льготчиковым В.В., Оськиным С.В., Сомовым И.Я., Немировским А.Е. и другими учеными. Ими внесен существенный вклад в повышение эффективности эксплуатации электроустановок, однако проблему эксплуатационной надежности АД нельзя считать окончательно решенной.

В условиях рыночной экономики повышение эксплуатационной эффективности оборудования является первоочередной задачей, влияющей на конечные результаты работы предприятия. Специфика сельскохозяйственных предприятий связана с процессом жизнеобеспечения биологических объектов, при этом срыв технологических операций из-за отказа электропривода приводит к дискомфорту живых организмов, заболеваниям и снижению продуктивности. Ущерб такого рода может значительно превышать прямые затраты на замену и ремонт элементов электропривода.

Обработка большого числа статистических данных по отказам электродвигателей позволила получить линейчатую диаграмму, показанную на рисунке 1. Горизонтальными столбцами на ней представлен средний ресурс АД (математические ожидания) по технологическим процессам и отраслям сельского хозяйства, условной плоскостью - расчетный ресурс, составляющий согласно нормам амортизационных отчислений не менее 8 лет. Как видно, действительный средний ресурс АД ниже расчетного в 2,5…3,5 раза, при этом двигатель, срок службы которого превышает математическое ожидание, может рассматриваться в состоянии повышенного отработанного ресурса.

Для продления срока службы АД известен ряд методов и средств, к которым относятся защита от аномальных и аварийных режимов работы, профилактическая сушка изоляции и т.п. Все они носят частный характер, что в приложении к рассматриваемой комплексной проблеме не дает требуемого результата в виде достижения нормативного ресурса двигателей.

Известно, что до 80…85 % преждевременных отказов АД происходит из-за пробоя межвитковой изоляции, являющейся слабым элементом конструкции низковольтных двигателей. Уязвимость межвитковой изоляции обусловлена ее вхождением в механическую систему, состоящую из разнородных элементов: медь проводников - полимерные изоляционные материалы. Деформации в подобной системе при изменении температуры, электродинамических усилиях, вибрациях обмотки приводят к развитию внутренних напряжений в изоляции и, как следствие, образованию усталостных дефектов.

Рисунок 1 - Срок службы АД в сельском хозяйстве

Установлено, что процесс дефектообразования протекает неоднозначно и принципиально может быть разделен на два вида: 1) сквозное трещинообразование, завершающееся электрическим пробоем изоляции и разрушением обмотки; 2) образование несквозных полостей, не критичных с точки зрения надежности машины. Вид развивающихся повреждений зависит от внешних эксплуатационных факторов и внутренних особенностей системы изоляции АД.

Особенности дефектообразования должны учитываться при диагностике изоляции, однако анализ существующих способов показал, что они не обладают избирательной чувствительностью к потенциально опасным сквозным повреждениям изоляционного слоя или создают опасные режимы для изоляции двигателей с повышенным отработанным ресурсом. При неоднозначном развитии усталостных дефектов расчетно-аналитические методы определения срока службы изоляции также не могут дать достоверных результатов.

В соответствии с целью сформулированы следующие задачи исследования:

- выработать концепцию комплексного диагностического обслуживания асинхронных двигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

- разработать теорию и обосновать параметры тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам;

- предложить методику компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД и методику расчета волновых параметров моделей;

- выполнить экспериментальные исследования явлений ЧР, используемых при диагностике;

- создать комплекс технических средств по повышению эксплуатационной надежности АД в сельскохозяйственном производстве;

- провести технико-экономическую оценку результатов исследований.

Рисунок 2 - Структурная схема сложной системы электропривода сельскохозяйственного производства



Во второй главе "Обоснование параметров диагностического процесса асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства" выполнен анализ функционирования АД в составе сложной системы сельскохозяйственного производства (рисунок 2).

Межподсистемные взаимодействия в системе определяют внешние по отношению к электрической машине воздействия со стороны сети - отклонения питающего напряжения, потеря фазы; рабочей машины - перегрузка, заклинивание ротора; окружающей среды - влажность, агрессивные газы. Состояние АД при этом в любой момент времени можно охарактеризовать набором входных и выходных параметров, анализ которых выполнен по параметрической модели объекта. Входные воздействия в виде многомерных векторов классифицированы на частично управляемые B и неуправляемые А. Выходные параметры подразделены на эксплуатационные J (температура обмотки, ток, напряжение и т.п.) и внутренние структурные изменения в обмотке, отражаемые функцией Z. При значительной вариабельности указанных параметров сделан вывод о необходимости эксплуатационной диагностики по параметрам J средствами защиты АД, системами сбора информации, и тестовой диагностики с целью определения функции Z с помощью специальных устройств и создаваемых ими режимов зондирования.

Взаимодействия в системе АД - средства диагностики иллюстрирует блок-схема на рисунке 3. В системе предусмотрены две петли регулирования в виде обратных связей (ОС): одна - по эксплуатационным параметрам выхода J , другая - по выходной функции Z.

В первой ОС задействованы средства эксплуатационной диагностики, на которые возлагается задача выработки сигнала, уменьшающего или исключающего негативные последствия вектора B частично управляемых внешних воздействий (перегрузка, потеря фазы и т.п.). Однако на состоянии изоляции по выходу Z сказывается, в том числе, вектор А внешних неуправляемых воздействий (неблагоприятные условия окружающей среды, несоответствие характеристик питающего напряжения установленным нормам), для чего введена вторая петля ОС, предусматривающая необходимость периодической проверки изоляции методами тестовой диагностики.

Рисунок 3 - Блок-схема системы АД - средства диагностики

Результаты диагностики определяют состав мероприятий ТО, представленных вектором человеко-машинных воздействий С. Вектора NJ, NZ - помехи измерительным средствам. Анализируемый отклик по выходу Z может представлять собой один или несколько диагностических параметров, выбор которых чрезвычайно важен для эффективности диагностики. Известно, что использование неинформативных признаков увеличивает остаточную энтропию системы и создает помехи при распознавании. С целью анализа диагностических признаков АД и их связи со структурными изменениями дефектной изоляции и методами диагностики составлена структурно-логическая схема, показанная на рисунке 4.

Отдельной ветвью на схеме представлены конструктивные дефекты: проколы, просечки, порывы корпусной и межфазовой изоляции, которые возможны при невысокой культуре производства, а также после неквалифицированного капитального ремонта.



Рисунок 4 - Структурно-логическая схема дефектов изоляции и методов диагностики

Дефекты такого рода нуждаются в диагностике при вводе машины в эксплуатацию. Эксплуатационные дефекты межвитковой изоляции подразделены на тепловые и усталостные. К первым относятся изменения (спекание, обугливание), являющиеся следствием недопустимого превышения температуры обмотки. Они могут быть обнаружены методом 7 по спектральному составу тока или другими аналогичными способами, однако, в первую очередь, должны предупреждаться эффективными средствами эксплуатационной диагностики - защиты АД.

Для двигателей с повышенным отработанным ресурсом основное значение имеет диагностика усталостных повреждений межвитковой изоляции. Структурным признаком наступления фазы критического износа и перехода АД в состояние скрытого отказа служит образование сквозных трещин в межвитковой изоляционной композиции. Дефекты несквозного характера (отслоения, экструзия) практически не снижают пробивного напряжения изоляции и не имеют тенденции к быстрому развитию. Двигатель с такими повреждениями может безаварийно работать длительное время, тогда как диагностика способами 3-6, чувствительными к любым неоднородностям изоляции, покажет отрицательное состояние обмотки и необходимость проведения ремонта.

Таким образом, основным условием достоверной диагностики следует считать избирательную чувствительность к сквозным повреждениям изоляционного слоя, ответственным за электрический пробой. Этому условию удовлетворяют способы 1, 2, однако способ 1 с зондирующими воздействиями в десятки киловольт небезопасен для изношенной изоляции. Метод 2 использует относительно безопасную область газового разряда - обратимые частичные разряды, но в классическом варианте применим к высоковольтным машинам, поскольку рабочих напряжений низковольтных АД недостаточно для образования ЧР в заполненных воздухом полостях изоляции.

В настоящей работе установлено, что изоляция низковольтных АД способна генерировать частичные разряды без приложения опасных повышенных напряжений при условии эксплуатационного увлажнения обмотки. Обратимые ЧР при рабочем или близком к нему напряжении наиболее достоверно характеризуют состояние обмотки как предпробойное и, следовательно, являются наиболее ценным диагностическим признаком. Электрическое сопротивление изоляции не имеет самостоятельной диагностической ценности, но служит вспомогательным признаком при диагностике по ЧР. Двухпараметрическая диагностика при высокой диагностической ценности основного признака ЧР и относительной простоте измерения сопротивления изоляции удовлетворяет требованиям полноты обследования при минимальных затратах.

На основе проведенного анализа предложена концепция комплексного диагностического обслуживания АД в виде единой системы методов и средств, необходимых и достаточных для обеспечения эксплуатационной надежности двигателей. Блок-схема комплекса мероприятий показана на рисунке 5. Эффективные методы пропитки, разработанным О.И. Хомутовым и А.Е. Немировским, позволяют считать обмотку полностью восстанавливаемым элементом и сосредоточиться в дальнейших исследованиях на методах ее диагностики, что представляется наиболее сложной и наукоемкой частью проблемы.

Для тестовой диагностики изоляции АД разработана система, показанная на рисунке 6.

Она представляет собой стохастическую динамическую систему, в которой объект АД преобразует зондирующие сигналы G(t) в наблюдаемые Х(t) при помощи системного оператора A (t,U). В качестве тест-сигналов используется особым образом подаваемое на обмотки машины сетевое напряжение, в качестве отклика - высокочастотные колебания от ЧР.

Рисунок 5 - Блок-схема комплекса по обеспечению эксплуатационной надежности АД

Общий закон преобразования системы

Х(t) = A (t, U) G(t) + N(t) (1)

Оператор A (t,U) является функцией случайных параметров U, отражающих структурные изменения в диагностируемом объекте - сквозные дефекты изоляции. После преобразования в наблюдаемом сигнале Х(t) в смеси с помехами N(t) присутствует полезный сигнал ЧР, для выделения которого и принятия рандомизированного решения Y* служит оператор A_Y .

Рисунок 6 - Блок-схема тестовой диагностики АД

С информационной точки зрения задача измерения случайного параметра представляет собой абстрактную задачу преобразования сигнала Х(t) в диагностическое решение Y*. При дихотомии возможны два диагноза: исправное состояние объекта - при наличии только помехи, неисправное - при наличии полезного сигнала. Подобную систему функционально можно определить как систему обнаружения и сформулировать основную диагностическую задачу в виде выделения полезного сигнала на фоне помех.

Наиболее удобным показателем оптимального выделения случайного сигнала является средний квадрат ошибки, являющийся частным случаем среднего риска. Наблюдаемый сигнал при центрировании

, (2)

где V ⁰ - центрированный диагностический параметр - напряжение ЧР; N ⁰(t) - центрированный сигнал помехи.

Помеха представляет собой аддитивную смесь гауссовых шумов измерителя и паразитного сигнала объекта контроля. Ее корреляционная функция

(3)



где - генераторно-рекомбинационный шум измерителя с дисперсией и показателем времени жизни носителей заряда; - периодическая помеха (гармоника) объекта контроля; - тепловой шум измерителя интенсивностью Г при корреляционной импульсной д-функции.

Апостериорное математическое ожидание случайного параметра

(4)

где , (5)

D - априорная дисперсия; M - соотношение сигнал/шум; Q(x) - наблюдаемый сигнал; g₀ - весовая (импульсная переходная) функция; Т - период наблюдения; - момент приложения - функции.

Весовая функция определяется решением интегрального уравнения

(6)

Подставив корреляционную функцию (3) в интегральное выражение (6), после преобразования получим

(7)

где л₁, л₂ - введенные коэффициенты:

(8)



Применяя к уравнению (7) дифференциальный оператор , получим дифференциальное уравнение

, (9)

где введено обозначение .

Общее решение уравнения (9) определяет весовую функцию

(10)

где л₁ - л₄ - коэффициенты.

С учетом (4), (5) оптимальная оценка параметра составит

(11)

где - соотношение сигнал/шум. (12)

Весовая функция (10) обладает очевидным свойством непостоянства и сложного характера изменения на интервале наблюдения, что затрудняет реализацию алгоритма (11) в технических средствах. При замене g₀ средним значением по формуле

(13)



получим субоптимальную оценку параметра

, (14)

где - эквивалентное соотношение сигнал/шум при белом шуме интенсивностью Г_Э .

Зависимость (14) задает алгоритм обработки случайного диагностического сигнала в виде измерения среднего значения за период Т и умножения результат на коэффициент _Э / _Э (1+ _Э). Точность оценки характеризуется апостериорной дисперсией

(15)

С учетом некоторых априорных данных, полученных из предварительных опытов, построены графики апостериорной дисперсии D*, показанные на рисунках 7, 8. График по рисунку 7 отражает зависимость D* от априорной дисперсии D и времени наблюдения Т при постоянной величине эквивалентного шума Г_Э = 0,015 В² с. Как видно, с увеличением времени наблюдения апостериорная дисперсия D* уменьшается и стремится к некоторому установившемуся значению, не равному нулю.

Рисунок 7 - Апостериорная дисперсия при Г_Э = 0,015 В² с



Одновременно ее значения все меньше зависят от априорной D, что положительно сказывается на качестве диагностики объектов с большим разбросом параметров - электродвигателей.

Рисунок 8 - Апостериорная дисперсия при Т =3 с

Поверхность по рисунку 8 иллюстрирует влияние уровня помех Г_Э и априорной дисперсии D на апостериорную D* при постоянном времени наблюдения Т = 3 с. Очевидно, чем выше интенсивность эквивалентного шума Г_Э, тем больше апостериорная дисперсия, а значит, ниже точность диагностической оценки, причем крутизна этой зависимости возрастает с увеличением априорной дисперсии D. Учитывая, что основную роль в помехах играет паразитный сигнал объекта контроля, следует особое внимание уделить его подавлению при технической реализации. Достаточными параметрами наблюдения можно считать Г_Э ? 0,05 В² с, Т ? 3 с, при которых D* < 0, 0015 В².

При двухполупериодном выпрямлении алгоритм (14) приобретает вид

, (16)

где k_u - общий коэффициент усиления с учетом коэффициента помех

_Э / _Э (1+ _Э).



Полученный алгоритм (16) удовлетворяет требованиям точности и простоты технической реализации. Соответствующий ему измеритель может быть выполнен в виде простого устройства, содержащего усилитель, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стрелочный индикатор, обладающий свойством дополнительного усреднения.

В третьей главе "Теоретические предпосылки и компьютерное моделирование методов диагностики изоляции прямой регистрацией частичных разрядов" дана оценка переходных процессов в АД при внешних и внутренних возмущениях в обмотке. Как показал расчет, при коммутации электродвигателя на отключение электрические нагрузки на витковую изоляцию в первой секции обмотки способны превышаться в 34…76 раз.

При внутренних возмущениях от ЧР вторичные колебания в обмотке информативны. С целью их детального изучения предложена методика компьютерного моделирования на основе схемотехнической САПР Micro-Cap 7.1. Составлен обобщенный алгоритм моделирования, включающий участок разработки SPICE модели конкретной части электроизоляционной системы АД, предварительный анализ с оценкой результатов и уточнением номиналов модели, окончательный анализ при n-ом числе моделируемых состояний изоляции.

Согласно алгоритму разработана SPICE модель корпусной изоляции АД, вариант которой в системе сеть-изоляция-датчик показан на рисунке 9. Конденсатор С3 замещает емкость дефектной полости, элементы С2, R2 - емкость и сопротивление исправной части изоляции, включенной последовательно с полостью, С1, R3 - емкость и сопротивление остальной части изоляции.

Для имитации ЧР введен специально разработанный электронный разрядник DD1, S1, DD2, S2. Сеть представлена элементами: R1 - полное сопротивление контура фаза-нуль, R2, R5 - сопротивления повторных заземлений PEN-проводника, R6 - сопротивление возможного соединения корпуса двигателя с землей, минуя PEN-проводник, что допускается ПУЭ. Диоды VD1, VD2 нелинейный датчик.

Рисунок 9 - SPICE модель в системе сеть-изоляция-датчик

С настоящей моделью проведен ряд компьютерных экспериментов. При первом ТА анализе задавались параметры: R3 = 10 МОм, R4 = 120 МОм, С1 = 2700 пФ, С2 = 225 пФ, соответствующие относительно сухой изоляции двигателя 4А90L4. При этом получен сигнал отклика синусоидальной формы амплитудой 2,5 мВ без ЧР. Начальная стадия увлажнения изоляции имитировалась уменьшением резисторов R3, R4 в 10 раз и увеличением емкости конденсаторов С1, С2 в 1,5 раза.

В результате на компьютерном графике появились первые выбросы импульсного напряжения, свидетельствующие о начальном образовании ЧР. В следующем опыте заданы параметры модели R3 = 0,1 МОм, R4 = 1,2 МОм, С1 = 4950 пФ, С2 = 450 пФ, соответствующих глубокому увлажнению изоляции. Соответствующий график переходного процесса представлен на рисунке 10, он демонстрирует резкое увеличение числа разрядов, интенсификацию процесса ЧР. Сигнал от тока утечки также вырос и достиг 31,5 мВ.



Рисунок 10 - График переходного процесса при глубоком увлажнении изоляции

Таким образом, компьютерное моделирование раскрывает механизм образования на нелинейном датчике двух информативных сигналов: низкочастотного (50 Гц) от тока утечки и высокочастотного (импульсного) от ЧР. На практике, разделяя эти сигналы электронными средствами, по первому из них можно судить о степени увлажнения обмотки, по второму - о наличии опасных сквозных повреждений изоляции. Простейшим диагностическим прибором может служить осциллограф, подключенный к датчику VD1, VD2 на время пуска и начальной работы двигателя. Метод контроля изоляции на нелинейном датчике является изобретением (патент РФ № 2265949) и, кроме уже отмеченных преимуществ, обладает свойством сохранения защитных свойств сети TN-C, что подтверждено расчетом токов короткого замыкания в контуре фаза-нуль.

Разряды в межвитковой изоляции сопровождаются сложными волновыми явлениями в обмотке, для исследования которых использовано ее представление цепной схемой замещения вида Y/2ZY/2. Схема поддается компьютерному моделированию, при этом необходимо знание ее продольных Z- и поперечных Y-параметров. Известные из работ З.Г. Каганова, Н.Л. Чагина и других исследователей методы расчета волновых параметров сложны, требуют громоздких преобразований и вычислений. В настоящей работе на основе упомянутых первоисточников разработана менее громоздкая и более удобная в практическом применении методика с использованием метода массивного витка.

Расчет магнитных Z-параметров ведется при замене реального паза (рисунок 11 а) круглым эквивалентным (рисунок 11 б) равной площади с послойной концентрической структурой проводников.

Индуктивность витка по методу суммирования

, (17)

где L_в, M_ki - комплексные параметры собственной индуктивности витка, лежащего в круглом эквивалентном пазу, и взаимной индуктивности k-го и i-го витков; n - число проводников секции.

Собственная индуктивность витка

, (18)

где ,, - слагаемые индуктивности витка, соответственно равные потокосцеплениям в стали статора и ротора, в изоляции внутри паза и внутри проводника.

а) б)

Рисунок 11 - Реальный (а) и эквивалентный (б) паз в разрезе



В структуре эквивалентного паза (см. рисунок 11 б) полная индуктивность слоя может быть представлена как

,

где собственная индуктивность витка k-го слоя; n_k - число проводников k-го слоя; - взаимная индуктивность k-го и i-го слоев.

Комплексный параметр взаимоиндуктивности слоев

, (20)

где М`_{П k -i} взаимоиндуктивность контуров k, i, обусловленная потокосцеплением через пазовую изоляцию;

М`_{СТ k -i} взаимоиндуктивность контуров k , i, обусловленная потокосцеплением в стали.

Для контуров равной длины взаимоиндуктивность М`_{П k -i} вычисляется по формуле

, (21)

где d_вн - диаметр внутреннего контура; d_н - диаметр внешнего контура;

l_П - длина паза; F₁ , F₂ - коэффициенты, зависящие от геометрических размеров контуров.

Взаимоиндуктивность М`_{СТ k -i} определяется по формуле



где = 4 10^-7 магнитная проницаемость вакуума; l_п длина паза;

l_i , a_i средняя длина и ширина участка магнитной линии; n количество расчетных участков магнитной цепи; _в , a_в толщина и ширина воздушного зазора под зубцом статора; k_в - коэффициент расширения магнитного потока в зазоре; _ш относительная комплексная магнитная проницаемость пакета шихтованной стали:

где 2b₁ , 2b₂ толщины листов стали и изоляционного зазора между ними; _ст = 7,14

См/м удельная проводимость стальных листов; м_r = 180 относительная магнитная проницаемость стали на частотах волновых процессов; щ круговая эквивалентная частота.

Предварительным расчетом в системе MathCAD 2001 установлено, что взаимоиндуктивность М`<sub>П k-i</sub> представляет собой величину 3…5-го порядков по сравнению с взаимоиндуктивностью М`_{СТ k-i} , что позволяет пренебречь первой составляющей формулы (20).

Учитывая только основную составляющую М`_{СТ k-i} и переходя от взаимоиндуктивности массивного витка к расчетной катушке, получим

, (25)



где n_k , n_i числа витков соответственно k-го и i-го слоев.

Число витков i-го слоя геометрической равно

(26)

Рассматривая зависимость (26) общим членом рекурсивной последовательности, составлен циклический программный блок MathCAD 2001, распределяющий общее число витков по слоям эквивалентного паза:

Индуктивность центрального проводника в среде изоляция

, (28)

где длина витка обмотки; D_{экв ,} диаметр эквивалентного паза; d диаметр проводника без изоляции.

Внутренняя индуктивность цилиндрического проводника

где удельная проводимость меди; r₁ радиус проводника без изоляции;

, функции Бесселя 1-го рода порядков нуль и один;

коэффициент.

Индуктивность центрального слоя (витка) с учетом взаимоиндуктивности с другими слоями

(30)

Для других слоев расчет усложняется, поскольку необходимо учесть удаление с проводника от центра эквивалентного паза. С этой целью проводится конформное преобразование, суть которого сводится к отображению проводника - эксцентрического кольца в Z-плоскости, концентрическим кольцом в W-плоскости (рисунок 12).

Рисунок 12 - Конформное отображение проводника

Математически конформное преобразование выполняется с помощью дробно-линейной функции

(31)

где , - абсциссы симметричных точек относительно окружностей

С₁, С₂ , определяемые из характеристического уравнения:

(32)



При конформном отображении окружности С₁, С₂ перейдут в некоторые окружности С₁' и С₂' в плоскости W. Пусть окружность С₂' имеет единичный радиус. Тогда

(33)

Радиус окружности С₁' - радиус проводника

Используя формулу (26), найдем

Индуктивность k-го слоя по формуле (19) составит

Комплексный параметр полная индуктивность секции L_C определится как сумма индуктивности отдельных слоев

По настоящей методике составлен алгоритм и полная программа волнового расчета в системе MathCAD 2001. Приемлемая точность расчетной методики подтверждена снятием АЧХ электродвигателя и его компьютерной модели с расчетными параметрами.

Индуктивность и активное сопротивление секции

Дальнейшая разработка волновых SPICE моделей АД велась по обобщенному алгоритму на основе цепной схемы замещения с блоком Т-ключей имитации ЧР. В результате компьютерного анализа получены характеристики диагностических сигналов на внешнем датчике в зависимости от расположения дефекта и при замыкании разного числа витков секции обмотки двигателя. Показаны преимущества режима импульсной сушки изоляции как диагностического, что обеспечивается совмещением двух операций, лучшими спектральными характеристиками тока сушки, уменьшением амплитуды информативных импульсов не более чем на 20 % по сравнению с рабочим режимом, экспоненциальным законом распределения получаемых от секций с номером N сигналов

U_им = 14,88 е ^{- 0, 88 N} (40)

По результатам исследований выработаны требования к диагностическому устройству и выполнено его компьютерное проектирование в САПР Micro-Cap. Разработанная SPICE модель блока диагностики в совокупности с волновой моделью 4-х полюсного двигателя представлена на рисунке 13.

Модель содержит восемь последовательно включенных звеньев, что соответствуют схеме включения обмоток АД при импульсной сушке изоляции. Первое звено выполнено активно-индуктивным делителем напряжения L1, R2, L2, R4, при этом соотношение его плеч определяется числом замкнутых при разряде витков к общему в секции.



Рисунок 13 - Объединенная SPICE модель АД - блок диагностики

Частичные разряды имитируются блоком быстродействующих Т-ключей S1-S9. Компьютерным АС анализом уточнялись характеристики входного фильтра C19, C20, L10, решались вопросы его согласования с трансформатором Т1, оптимизировался режим работы дифкаскада. В результате достигнуты требуемые для достоверной диагностики характеристики устройства: подавление паразитного спектра гармоник составило 168 дБ (т.е. в 10960 раз) на частоте 50 Гц и не менее 30 дБ на частоте 3,5 кГц, коэффициент усиления аналоговой части тракта 40 дБ, ФЧХ близка к линейной.

ТА анализ модели, результаты которого представлены на рисунке 14, эквивалентен реальному процессу диагностики по ЧР. Импульсы сигналов волнового тока на датчике R1 (рисунок 14, верхний график) пронумерованы как 1…9 по числу создающих их Т-ключей. Импульс под номером 5 увеличен электронной лупой, его форма свидетельствует о максимальной величине первого выброса импульсного напряжения, соответствующего пробегу прямой волны и определяющего видимую в масштабе основного графика амплитуду всплесков на основной синусоиде. Согласно нижнему графику устройство штатно реагирует на каждый из импульсов, вырабатывая на выходе прямоугольные сигналы постоянных параметров: амплитудой 8 В и длительностью 0,2 мс. Максимальная чувствительность устройства определяется реакцией на импульс 2, амплитуда которого 1 мВ.

Рисунок 14 - Моделируемый процесс диагностики

В четвертой главе "Методика экспериментальных исследований, предлагаемые средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей" обоснованы параметры импульсной сушки изоляции АД. Суть импульсного способа сушки заключается в подаче в обмотку коротких нагревающих импульсов переменного тока частотой 50 Гц, после чего следуют более длинные паузы - "отлежки". Временными параметрами импульсного нагрева служат длительность токового импульса _И, длительность паузы _П и период следования Т. Значения указанных параметров, обеспечивающие интенсификацию процесса сушки в 1,3-1,6 раза по сравнению с обычной непрерывной сушкой и сокращение в такой же мере расхода электроэнергии, найдены расчетно-экспериментальным путем и представлены в виде номограммы.

Свойства сквозного влагозаполненного дефекта изоляции исследовались по специальной методике, включающей предварительное изготовление моделей - скруток из обмоточного провода ПЭТВ с искусственным дефектом изоляции. Дефект заполнялся влагой, после чего снимались его электрические характеристики при помощи измерительных схем. В опытах постоянного тока получены ВАХ, свидетельствующие о низком пробивном напряжении влагозаполненного дефекта изоляции: 11 В при температуре 25 ⁰С и 3 В при температуре 80 ⁰С. Зона частичных разрядов, как предшествующих пробою, лежит в области напряжений, меньших указанных; напряжения начала ЧР составляют 8 и 1 В. Опыты переменного тока проводились путем записи сквозного тока через дефект компьютерным АЦП. Они подтвердили генерацию ЧР дефектом при низком испытательном напряжении (10 Вэфф), а также особую динамику развития разрядных процессов: первые импульсы ЧР появляются после периода инерционности (15…17 с), после чего процесс быстро интенсифицируется (1 с) и прекращается из-за испарения влаги в дефекте.

...