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

В отдельной серии опытов изучались характеристики зондирующего воздействия - тока сушки, для чего между силовыми клеммами устройства УДС-2 и обмоткой двигателя включался низкоомный резистивный датчик, сигнал от которого через развязывающий трансформатор подавался на вход компьютерного АЦП с функцией спектроанализатора. В результате установлена близкая к синусоидальной форма тока сушки и его спектр, распространяющийся до частоты не более 6 кГц. При спектре диагностируемых волновых сигналов свыше 10 кГц это создает предпосылки для частотного разделения информативного и паразитного спектров и решения задачи обнаружения ЧР.

Функциональная схема диагностики представлена на рисунке 15. Устройство диагностики и сушки изоляции УДС-2 (на схеме полностью не показано) подключено к электродвигателю М1 и коммутационному аппарату КМ1. Блок диагностики включает следующие узлы: датчики R1, R2, трансформатор Т1, входной ФВЧ Z1, УВЧ А1, детектор импульсов U1, одновибратор DD1, светодиодный индикатор HL1, двухполупериодный выпрямитель U2, стрелочный индикатор Р1. Светодиодный индикатор реагирует на последовательность прямоугольных импульсов на выходе устройства (см. рисунок 14), стрелочный совместно с драйвером U2 реализует измерительный алгоритм (16).

При снятии диагностических параметров АД по указанной схеме изоляция статорной обмотки подвергалась предварительному увлажнению и последующей импульсной сушке и диагностике. В опытах контролировалось сопротивление изоляции, время сушки, мгновенные и усредненные характеристики диагностических сигналов. Мгновенные сигналы записывались компьютерным АЦП на выходе УВЧ А1 в 1, 5, 10, 20, 40, 80-ю мин. процесса сушки, средние - фиксировались по показаниям индикатора Р1.

Рисунок 15 - Функциональная схема диагностики по ЧР

Фрагменты компьютерной осциллограммы электродвигателя 4А71А4 в первую минуты сушки представлены на рисунке 16. Как видно, динамика развития разрядных процессов близка к ранее исследованным явлениям в отдельно взятом дефекте изоляции. Первоначально также наблюдается период инерционности, когда разряды отсутствуют. Первые импульсы фиксируются в период 11-14 с, при этом их интенсивность значительна уже на 13-ой секунде (рисунок 16 а). Затем процесс ЧР быстро нарастает (рисунок 16 б), однако этот период непродолжителен. На 27-ой секунде интенсивность импульсных сигналов снижается (рисунок 16 в), что в диагностическом устройстве вызывает уменьшение показаний индикатора Р1 и снижение яркости светодиода HL1. Еще через несколько секунд импульсы полностью прекращаются. Остатки неподавленного спектра гармоник (рисунок 16 г) лежат ниже порога срабатывания регистрирующего узла устройства и не вызывают реакции индикаторов, причем такое состояние сохраняется на всем дальнейшем протяжении сушки, что подтверждают осциллограммы, снятые в остальных точках кривой сушки, которые практически совпадают с осциллограммой по рисунку 16 г. Такой же вид имеют осциллограммы новых двигателей с бездефектной изоляцией.

Усредненные значения диагностического сигнала измерялись в двух сериях опытов: при сопротивлении изоляции 0,2 и 1 МОм. Корректность повторных измерений обеспечивалась снятием показаний индикатора Р1 в одни и те же моменты времени, отсчитываемые по секундомеру. После обработки экспериментальных данных в программе Ms Excel получены кривые, показанные на рисунке 17.

Очевидно, что усредненный диагностический сигнал изменяется во времени по характерному экстремальному закону и при этом практически не зависит от сопротивления изоляции. На практике это дает еще один признак, заключающийся в распознавании характера кривой V_СР = f(t) по показаниям индикатора Р1 в процессе диагностики.

Проведенные исследования позволяют определить технологию диагностики, которая заключается в том, что на протяжении первых 30-и секунд процесса импульсной сушки при установленных параметрах _И = _П = 3…4 с о дефектности изоляции АД судят по свечению индикатора HL1 и экстремально изменяющимся во времени показаниям индикатора Р1. Соответствующие диагностические признаки приведены в таблице 1. Процесс диагностики не критичен к сопротивлению изоляции, которое может достигать 1…2 МОм.

а) б)

в) г)

Рисунок 16 - Импульсные диагностические сигналы АД

Рисунок 17 - Усредненные значения диагностического сигнала

Таблица 1 - Распознавание состояния скрытого отказа АД по показаниям индикаторов устройства УДС-2

* 0 - отсутствие свечения индикатора (или единичные вспышки);

1 - непрерывное свечение индикатора.

Устройство УДС-2 представляет собой комбинацию рассмотренного блока диагностики и устройства импульсной сушки изоляции. Блок диагностики в сборе показан на рисунке 18, внешний вид прибора УДС-2 - на рисунке 19.

Рисунок 19 - Внешний вид прибора УДС-2

Рисунок 18 - Блок диагностики в сборе

В средствах эксплуатационной диагностики широко распространена встроенная температурная защита, к недостаткам которой следует отнести высокую вероятность несрабатывания при заторможенном роторе. Применение дополнительных аппаратов защиты, в частности, реле тока, понижает коэффициент готовности электропривода в целом. Отмеченные недостатки устранены в разработанном устройстве комбинированной защиты, которое может выполняться в двух вариантах: 1) с отдельным блоком токовой защиты, подключаемым к УВТЗ-5М; 2) как полнофункциональное устройство УКЗ-1. Устройство УКЗ-1 (рисунок 20) выполнено на современной цифровой элементной базе, имеет средства самоконтроля (коэффициент самоконтроля 0,82), удобную светодиодную индикацию штатного и аварийных режимов работы двигателя.

Рисунок 20 - Внешний вид устройства

В пятой главе " Технико-экономическая эффективность результатов исследований" выполнен расчет технико-экономических показателей в сфере производства и использования средств диагностики. При производстве устройства УДС-2 расчетный ЧДД составил 8920 руб., срок окупаемости капиталовложений 2,2 года. Внедрение прибора УДС-2 в сельскохозяйственное производство исключает затраты на аварийный капитальный ремонт двигателей и технологический ущерб. Расчетный ЧДД составляет 70423 руб. на одно устройство УДС-2 за 4 года эксплуатации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Решение комплексной проблемы эксплуатационной надежности асинхронных двигателей в сельском хозяйстве совершенствованием защитных устройств, сушкой изоляции и другими частными мерами не приводит к достижению нормативного ресурса машин (средний ресурс в 2,5…3,5 раза ниже расчетного), что делает актуальным разработку комплекса мероприятий с использованием методов эксплуатационной и тестовой диагностики изоляции для устранения частично управляемых и неуправляемых внешних воздействий.

2. Обобщенный структурно-логический анализ по разработанной схеме дефектов изоляции АД и методов диагностики не выявил достоверных и безопасных способов диагностики, чувствительных к потенциально опасным сквозным повреждениям изоляционного слоя. При неоднозначном процессе дефектообразования общие характеристики обмотки не обладают диагностической ценностью, а расчетно-аналитические методы определения срока службы изоляции не дают достоверных результатов. При диагностике должно учитываться состояние изоляции первых секций фазных обмоток статора, где, как показал расчет, коммутационные перенапряжения способны превышаться в 34…76 раз при отключении двигателя.

3. Для диагностики изоляции АД с увеличенным отработанным ресурсом целесообразна дихотомия по диагностически ценным параметрам. Установлено, что наибольшей диагностической ценностью обладают частичные разряды, протекающие в дефектной изоляции низковольтных двигателей при наличии дополнительного признака - эксплуатационного увлажнения обмотки. Двухпараметрическая диагностика при высокой ценности основного признака ЧР и относительной простоте измерения сопротивления изоляции удовлетворяет требованиям полноты обследования при минимальных затратах.

4. Система тестовой диагностики изоляции по ЧР представляет собой стохастическую динамическую систему, в которой выходной сигнал структурно-детерминирован и имеет случайные характеристики. Математическим анализом системы с применением метода весовых функций получен алгоритм выделения случайного диагностического сигнала по минимуму среднего квадрата ошибки. Найдены параметры наблюдения - время наблюдения Т 3 с, интенсивность эквивалентного шума ГЭ 0,05 В² с, обеспечивающие низкую апостериорную дисперсию D* < 0, 0015 В² и малый риск принятия диагностического решения.

5. Предложена эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД на основе схемотехнической САПР. Составлен обобщенный алгоритм моделирования, согласно которому разработана SPICE модель корпусной изоляции с электронным разрядником. Анализом модели в системе сеть - изоляция - датчик установлен механизм образования частичных разрядов в различных состояниях изоляции, предложен и запатентован метод диагностического контроля изоляции на нелинейном датчике.

6. Для исследования ЧР в межвитковой изоляции и вторичных волновых процессов в обмотке созданы и подвергнуты компьютерному анализу волновые SPICE модели АД на основе цепной схемы замещения с блоком Т-ключей имитации ЧР. В результате установлены характеристики и закономерности диагностических сигналов на внешнем датчике в рабочем режиме двигателя и при импульсной сушке изоляции. Показаны преимущества последнего режима как диагностического, что обеспечивается совмещением двух операций, лучшими характеристиками тока сушки, уменьшением амплитуды информативных импульсов не более чем на 20 %, экспоненциальным законом распределения получаемых от разных секций обмотки волновых сигналов, при котором максимальные из них будут получены от первых секций, что требуется для корректной диагностики.

7. Для обоснования параметров моделей разработана методика волнового расчета АД с использованием метода массивного витка. Составлены алгоритм и программа волнового расчета в системе MathCAD 2001. Приемлемая точность расчетной методики подтверждена снятием АЧХ электродвигателя и его компьютерной модели, при этом относительное отклонение опытных данных от моделированных составило не более 20,6% и 21,9% в режимах КЗ и ХХ на частоте 200 кГц.

8. Выработаны требования к диагностическому устройству межвитковой изоляции и выполнено его компьютерное проектирование. Полученная SPICE модель блока диагностики в совокупности с волновой моделью двигателя подвергнута двум видам компьютерного анализа, подтвердившим требуемые характеристики устройства. Подавление паразитного спектра гармоник составило 168 дБ на частоте 50 Гц и не менее 30 дБ частоте 3,5 кГц, чувствительность по входу не хуже 2 мВ.

9. Выполнены экспериментальные исследования, давшие следующие результаты:

- получены ВАХ сквозного влагозаполненного дефекта изоляции, свидетельствующие о его низком пробивном напряжении, не превышающем 11 В при температуре 25 ⁰С и 3 В при температуре 80 ⁰С. Напряжения начала частичных разрядов, как предшествующих пробою, составляют 8 и 1 В. В опытах переменного тока подтверждена генерация ЧР дефектом при низком испытательном напряжении (10 Вэфф), а также установлена особая динамика развития разрядных процессов;

- определены характеристики тока сушки: его форма близка к синусоидальной, спектр распространяется до частоты не более 6 кГц. При спектре диагностируемых волновых сигналов свыше 10 кГц это создает предпосылки для частотного разделения информативного и паразитного спектров и решения задачи обнаружения ЧР;

- измерены мгновенные (импульсные) и усредненные характеристики диагностических сигналов АД. Статистическая средняя максимального импульсного сигнала на выходе УВЧ составила 0,39 В при статистической дисперсии 0,03 и стандарте 0,18, что в пересчете на вход тракта соответствует амплитуде входного сигнала 4,1 мВ, отличаясь от результатов компьютерного моделирования не более чем на 6,5 %. Усредненный диагностический сигнал изменяется во времени по характерному экстремальному закону, представляющему собой дополнительный диагностический признак, повышающий достоверность распознавания.

10. Предложен способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ № 2265949), обеспечивающий диагностический контроль изоляции фаза-корпус АД при сохранении защитных характеристик сети TN-C. Разработан переносной прибор сушки и диагностики изоляции электродвигателей УДС-2, техническое предложение на который передано предприятию "Новороссийский опытно-экспериментальный завод" для организации серийного производства. Для импульсной сушки изоляции созданы устройство управления процессом сушки (а.с. № 1377971) и система энергоснабжения (а.с. № 1585862). В качестве средств эксплуатационной диагностики предложены два варианта устройства комбинированной защиты электродвигателей: 1) с отдельным блоком токовой защиты, подключаемым к устройству УВТЗ-5М; 2) полнофункциональное устройство УКЗ-1. Последний вариант подготовлен к серийному производству, на него утверждено техническое задание и выпущены экспериментальные образцы на Нальчикском заводе полупроводниковых приборов. Практические 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".

11. Выполнен технико-экономический анализ, показавший эффективность производства и использования средств диагностики. В сфере производства прибора УДС-2 достигаются экономические показатели: ЧДД = 8920 руб., ВНД = 28,4 %, Т = 2,2 года. При внедрении в сельскохозяйственное производство расчетный ЧДД составляет 70423 руб. на одно устройство УДС-2 за 4 года эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пахомов А.И. Диагностика асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве / А.И. Пахомов. - Краснодар, 2008. - 241 с.: ил.

2. Пахомов А.И. Энергосберегающие асинхронные машины для АПК / В.Н. Ванурин, А.И. Пахомов, К.Б. Пономаренко. - Зерноград, 2008. - 100 с.: ил.

Статьи в журналах из перечня ВАК

3. Пахомов А.И. Сушка электродвигателей импульсами тока / А.И Пахомов, В.Н Ванурин // Техника в сельском хозяйстве. - 1986. - № 6. - С. 28-29.

4. Пахомов А.И. Автоматическое устройство для контроля и сушки изоляции электродвигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1989. - № 3. - С. 30-31.

5. Пахомов А.И. Компьютерное моделирование частичных разрядов в изоляции // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2003. - № 6. - С. 12-14.

6. Пахомов А.И. Метод контроля изоляции электродвигателей с использованием частичных разрядов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2005. - № 7. - С. 21-24.

7. Пахомов А.И. Диагностика межвитковой изоляции электродвигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2005, № 6, С. 21-23.

8. Пахомов А.И. Фазовый регулятор мощности // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004 - № 1. - С. 21-23.

9. Пахомов А.И. Эксплуатационная надежность асинхронных двигателей / А.И.Пахомов, И.А. Переверзев, А.Ф. Кроневальд // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. - № 3. - С. 24-25.

Статьи в сборниках научных трудов, материалах научных

конференций и прочие публикации

10. А.с. № 1377971 МКИ3 Н02К 15/12. Устройство для управления процессом сушки изоляции обмоток электродвигателей / Пахомов А.И. - № 3923768; Заяв. 27.08.85 // БИ N8, 1988.

11. А.с. № 1585862 МКИ3 Н02К 15/12. Система энергоснабжения / Пахомов А.И. - № 4258102; - Заяв. 08.06.87 // БИ N30, 1990.

12. Пат. С2 № 2265949 RU H 02 M 7/08. Способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью / Пахомов А.И. - № 2003103638/28. Заяв. 06.02.2003. // Изобретения (заявки и патенты) - 2005. - № 34.

13. А.с. 1653112, МКИ3 Н02Р 1/42. Устройство для пуска однофазного конденсаторного электродвигателя / Пахомов А.И., Данилов В.Н., Крумецадик Г.А. и др. - № 4634731/07. Заяв. 30.05.91 // БИ - № 20.

14. Пахомов А.И. К обоснованию параметров тестовой диагностики электродвигателей / С.В. Оськин, А.И. Пахомов // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки. - Краснодар: КубГАУ, 2007. - С. 45-49.

15. Пахомов А.И. Математическая модель нагревания асинхронного электродвигателя в режиме токовой сушки изоляции / Б.А. Карташов, А.И. Пахомов, В.К. Горбенко // Комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства. - Ростов на Дону: РИСХМ, 1984. - С. 146-151.

16. Пахомов А.И. Для сушки асинхронных электродвигателей / Б.А. Карташов, А. И. Пахомов, О.Н. Лавринченко // Сельские зори. - 1984. - № 12. - С. 36.

17. Пахомов А.И. Определение комплексного показателя надежности электропривода в сельском хозяйстве / С.В. Оськин, А.Э Калинин, А.И. Пахомов, Т.Я. Наухацкая // Рукопись деп. в ВНИИТЭИагропроме 04.09.92, № 104 ВС92.

18. Пахомов А.И. Определение экономического эффекта от модернизации электропривода в сельскохозяйственном производстве / С.В. Оськин, А.Э. Калинин, А.И. Пахомов, Т.Я. Наухацкая // Рукопись деп. в ВНИИТЭИагропроме 04.09.92, № 103 ВС92.

19. Пахомов А.И. Причины низкой надежности электропривода / С.В. Оськин, А.Э. Калинин, А.И. Пахомов, Т.Я. Наухацкая // Рукопись депонирована в ВНИИТЭИагропроме 04.09.92, №105 ВС-92.

20. Пахомов А.И. Алгоритм выделения случайного диагностического сигнала при тестовой диагностике электродвигателей / А.И. Пахомов // Инновационные процессы в животноводстве на современном этапе. - Зерноград, 2007. - С. 118-124.

21. Пахомов А.И. Импульсный способ сушки отсыревшей изоляции электродвигателей, используемых в сельском хозяйстве / А. И. Пахомов // Научные исследования молодых на службе интенсификации с/х производства. Ереван: АрмСХИ, 1986. С. 136.

22. Пахомов А.И. К обоснованию параметров импульсного способа сушки отсыревшей изоляции электродвигателей в сельском хозяйстве // Рукопись деп. в Информэлектро 18.11.86., № 589-ЭТ.

23. Пахомов А.И. Методика компьютерных исследований изоляции / А.И. Пахомов // Электрооборудование и электротехнологии в сельскохозяйственном производстве. Том. II. - Зерноград, ВГОУ ВПО АЧГАА, 2005. - С. 14-17.

24. Пахомов А.И. Оптимизация усилительных трактов с помощью Micro-Cap 7.0 // Радиоаматор. - 2004. - № 5 - С. 2 - 4.

25. Пахомов А.И. Повышение эффективности токовой сушки изоляции электродвигателей в сельском хозяйстве /А. И. Пахомов // Опыт электрификации сельского хозяйства на основе ускорения научнотехнического прогресса. Л., 1987. С. 8788.

26. Пахомов А.И. Тепловой расчет электродвигателей в режиме токовой сушки изоляции. // Рукопись деп. в в Информэлектро, N195-ОТ, 14.01.86.

27. Пахомов А.И. Устройство автоматической сушки электродвигателей. // Радио. - 2002. - № 6. - С. 32-33.

28. Пахомов А.И. Устройство для импульсной сушки изоляции электродвигателей с защитой силового блока / А.И. Пахомов // Многоскоростной и электронизированный электропривод в сельском хозяйстве. - Зерноград, 1992. - С. 10-12.

29. Пахомов А.И. Устройство импульсной сушки изоляции электродвигателей // Информационный листок. - № 222-89. - 1989.

30. Пахомов А.И. Электронное управление фазовым регулятором КР1182ПМ1 // Радио. - 2002. - № 9 - С. 55.

31. Пахомов А.И. Устройство комбинированной защиты электродвигателей / А.И. Пахомов, С.В. Оськин // Рукопись деп. в Информэлектро 09.07.96, № 2267-В96.

32. Разработка переносного устройства для импульсной сушки изоляции электродвигателей: Отчет о НИР / АЧИМСХ; Руководитель А.И. Пахомов. - № ГР 01870025279. - Зерноград, 1989. - 56 с.

33. Пахомов А.И. Интенсификация токовой сушки изоляции электродвигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства: - Дисс. канд. техн. наук: 05.20.02. - Защищена 01.02.88. Утверждена 06. 07. 88 № 110563. - Киев, 1987. - 177 с.: ил.

34. Пахомов А.И. Светодиодная шкала на К1003ПП1 // Радио. - 2001. - № 3. - С. 43-44.

35. Пахомов А.И. Сушка изоляции электродвигателей импульсным способом: Методические указания к выполнению лабораторной работы / А.И. Пахомов. - Зерноград: УРП АЧИМСХ, 1986. - 6 с.

36. Пахомов А.И. Преобразователь К1003ПП1 в устройствах автоматики // Радио. - 2004. - № 4. - С. 36 - 37

37. Пахомов А.И. Индикаторы уровня сетевого напряжения // Радио. - 2001. - № 2. - С. 36 - 37.

Размещено на Allbest.ru