Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния проблемы и задачи исследования 14
1.1. Существующие методы и средства повышения эксплуатационной надежности электродвигателей сельскохозяйственного производства 14
1.2. Конструкция изоляции низковольтных асинхронных двигателей, механизм развития дефектов 37
1.3. Аналитические способы определения срока службы изоляции 42
1.4. Выводы и задачи исследования 49
2. Обоснование параметров диагностического процесса асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве 54
2.1. Общесистемное описание объекта исследования 54
2.2. Выбор и обоснование диагностических параметров асинхронного двигателя с повышенным отработанным ресурсом 61
2.3. Математический анализ системы тестовой диагностики изоляции по частичным разрядам, алгоритм выделения случайного диагностического сигнала 72
2.4. Выводы 88
3. Теоретические предпосылки и компьютерное моделирование методов диагностики изоляции прямой регистрацией частичных разрядов 90
3.1. Общая характеристика переходных процессов в электродвигателе 90
3.2. Компьютерное моделирование частичных разрядов в изоляции фаза-корпус 104
3.3. Метод диагностики корпусной изоляции 117
3.4. Цепная схема замещения секционной структуры обмотки 128
3.5. Волновой расчет продольных и поперечных параметров схемы замещения 137
3.6. Компьютерное моделирование волновых процессов при разрядах в межвитковой изоляции 159
3.7. Метод и устройство диагностики межвитковой изоляции электродвигателей 171
3.8. Выводы 187
4. Методика экспериментальных исследований, предлагаемые средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей 189
4.1. Параметры импульсной сушки изоляции 189
4.2. Экспериментальное исследование свойств сквозных дефектов изоляции 200
4.3. Опытное измерение диагностических параметров электродвигателя 208
4.4. Устройство диагностики и импульсной сушки изоляции электродвигателей 220
4.5. Устройства защиты электродвигателей от аварийных режимов работы 228
4.6. Реализация и внедрение результатов исследований 238
4.7. Выводы 241
5. Технико-экономическая эффективность результатов исследований 242
5.1 Расчет затрат на стадии исследования и разработки, определение себестоимости изделия 242
5.2. Расчет капитальных вложений и общих экономических показателей в сфере производства диагностических устройств 253
5.3. Расчет экономических показателей внедрения средств диагностики асинхронных двигателей в сельскохозяйственное производство 260
5.4. Выводы 272
Общие выводы 273
Литература 278
Приложения 301
- Конструкция изоляции низковольтных асинхронных двигателей, механизм развития дефектов
- Выбор и обоснование диагностических параметров асинхронного двигателя с повышенным отработанным ресурсом
- Компьютерное моделирование частичных разрядов в изоляции фаза-корпус
- Экспериментальное исследование свойств сквозных дефектов изоляции
Введение к работе
Агропромышленный комплекс России - один из наиболее крупных секторов народного хозяйства, оказывающий влияние не только на продовольственную безопасность страны, но и на социальную обстановку в целом. Минсельхозом разработан приоритетный национальный проект "Развитие АПК" [52], реализация которого с 2006 года позволила получить положительные тенденции в развитии земледелия и животноводства. Несмотря на это в сельском хозяйстве сохраняется ряд системных проблем, к которым относятся высокий физический и моральный износ основных фондов, общая техническая и технологическая отсталость отрасли [52].
Для преодоления указанных недостатков и достижения конкретных целевых показателей национального проекта необходима дальнейшая электрификация и электромеханизация всех технологических процессов в АПК, внедрение принципиально новых технологий и оборудования. Рост энерговооруженности неизбежно потребует решения проблем надежности и долговечности электрооборудования, эксплуатирующегося в специфических условиях сельскохозяйственного производства. Основным потребителем и преобразователем электроэнергии в сельском хозяйстве служат электродвигатели, от бесперебойной работы которых зависит нормальное протекание любого технологического процесса.
Сельскохозяйственный электропривод в подавляющем большинстве случаев базируется на асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором, который в целом весьма надежен. Однако показатели его конструкционной надежности не достигаются при эксплуатации в сельском хозяйстве. Высокая интенсивность отказов АД, подтвержденная статистическими исследованиями, обусловлена многофакторными воздействиями на электрическую машину со стороны сложной системы сельскохозяйственного производства. При этом отдельные меры по устранению аварийности не приносят
желаемого результата в виде нормативного ресурса машин, а существующая система планово-предупредительного обслуживания затратна. Необходим иной подход, сочетающий низкие удельные затраты с обеспечением безаварийной работы АД. Этого можно достичь комплексным подходом с использованием методов технической диагностики.
Техническая диагностика - наука о распознавании состояний системы - включает широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации. Практический аспект диагностики связан с определением состояния объекта, которое классифицируется как исправное или неисправное, работоспособное или неработоспособное, правильного или неправильного функционирования. При этом правильно функционирующий и сохраняющий временную работоспособность объект может быть неисправен, т.е. находиться в состоянии скрытого отказа. Это состояние характерно для АД с увеличенным отработанным ресурсом, его выявление представляет собой сложную и наукоемкую техническую задачу.
Крупные электрифицированные предприятия АПК - животноводческие и птицеводческие комплексы, комбикормовые заводы - имеют большое количество электроприводов, входящих в общую систему жизнеобеспечения биологических объектов. Отказы АД в подобных системах приводят не только к прямому ущербу, связанному с затратами на замену и ремонт отказавшего оборудования, но и к технологическим потерям вследствие снижения продуктивности и даже гибели животных. Известно, что отказ системы вентиляции птицеводческих помещений ведет к недопустимому повышению концентрации вредных газов, что в конечном итоге вызывает гибель птицы. Перебои в работе электрооборудования кормоцехов ферм КРС снижают производительность и качество приготовляемого корма. При этом нарушается график кормления животных, уменьшаются удои молока, теряется живой вес. Величина технологического ущерба колеблется в широких пределах. В больших механизированных комплексах этот вид потерь может
превышать стоимость отказавшего оборудования [31, 37]. В биотехнических системах по содержанию высокопородных животных, ценность которых многократно превышает стоимость оборудования, потери в жизнедеятельности животных недопустимы. Соответственно требуется близкая к 100%-ой надежность электроприводов, что может быть достигнуто комплексным подходом к обслуживанию асинхронных двигателей с использованием методов технической диагностики.
В электроприводах сельскохозяйственного назначения наибольшее распространение получили АД мощностью от Г до 3 кВт с частотой вращения 1500 мин"' . В животноводстве используется около 50% всех эксплуатирующихся двигателей, в растениеводстве - 30%, на подсобных предприятиях - 20% [67]. Парк электродвигателей разделен по сериям, исполнениям и модификациям. В эксплуатации находятся двигатели единой серии 4А и АИР. В последние годы выпускается новая серия 5А, технические данные которой приведены в [10]. Электродвигатели этой серии полностью заменимы с соответствующими типами двигателей 4А и АИР.
Сложные условия эксплуатации приводят к тому, что аварийность асинхронных двигателей > в сельскохозяйственном производстве остается высокой и достигает уровня 20...25% [135]. При этом профилактическое обслуживание электроприводов чаще всего не проводится вообще, а деятельность энергетической службы сводится только к аварийным ремонтам [185]. Стратегия аварийных ремонтов - худшая из возможных. Срок службы двигателей после капитального ремонта не превышает 50-и процентов срока службы новых машин.
Только незначительная часть электродвигателей в сельском хозяйстве эксплуатируется в сухих отапливаемых помещениях, для остальных нужны специальные мероприятия по поддержанию сопротивления- изоляции на должном уровне. Эту задачу решает профилактическая сушка изоляции. Од-
/'
нако существующие средства сушки трудо- энергозатраты, не автоматизированы, требуют длительного простоя оборудования. Следовательно, нужны компактные и недорогие устройства, с большей интенсивностью, чем известные восстанавливающие сопротивление отсыревшей изоляции и не требующие присутствия обслуживающего персонала. Учитывая взаимосвязь между увлажнением изоляции и надежностью электрической машины, весьма перспективно совмещение в одном приборе функций сушки и диагностики изоляции. Подобное устройство способно повысить удобство обслуживания АД по месту установки, сократить номенклатуру необходимых для этого технических средств, получить экономический эффект от сокращения эксплуатационных затрат и увеличения надежности привода.
Для уменьшения аварийности большое значение имеют средства защиты электродвигателей. Из известных устройств наиболее достоверно оценивают состояние обмотки устройства встроенной температурной защиты серии УВТЗ. Однако и они не лишены серьезных недостатков [136, 137] и нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
Научная проблема состоит в отсутствии научно-обоснованных методов и средств диагностики изоляции асинхронных двигателей, позволяющих реализовать наиболее эффективную стратегию обслуживания машин по фактическому состоянию слабого звена - электроизоляционной системы - в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства.
Острота проблемы в сельском хозяйстве предопределена ускоренным износом межвитковой изоляции под влиянием внешних эксплуатационных факторов. В существующей системе ППРЭСХ это учитывается повышением частоты профилактических ремонтов по мере увеличения отработанного ресурса двигателей, что связано с ростом затрат. Внедрение эффективных методов диагностики позволит перейти к стратегии обслуживания по фактическому состоянию электроизоляционной системы и добиться надежной ра-
боты АД без увеличения частоты профилактики. Конечный результат в виде снижения затрат и бесперебойного выпуска сельскохозяйственной продукции актуален для всех форм сельских товаропроизводителей.
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 и предмет исследования. Объектом исследования являлась изоляция статорных обмоток асинхронных двигателей с увеличенным отработанным ресурсом, методы и средства ее диагностирования. Предмет исследования - установление закономерностей предпробойного состояния электроизоляционной системы 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 ХР, 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 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;
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 эффективной стратегии обслуживания асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства по фактическому состоянию электроизоляционной системы. При этом получены следующие результаты:
разработан пакет прикладных программ для компьютерного моделирования ЧР в различных частях изоляции и переходных процессов в обмотке, а также волнового расчета АД для обоснования параметров моделей;
получен массив данных по характеристикам диагностических сигналов на внешнем датчике, необходимый для реализации практических методов диагностики;
обоснована возможность и целесообразность тестовой диагностики изоляции АД методом прямой регистрации ЧР в режиме импульсной сушки изоляции, выработаны общие требования к диагностическому устройству;
предложен способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ № 2265949), обеспечивающий диагностический контроль изоляции фаза-корпус 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 вла-гозаполненного дефекта изоляции и измерения диагностических параметров электродвигателей;
технические средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства.
Реализанш и внедрение результатов исследований. Результаты исследований используются в областной целевой программе "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 сушки (система энергоснабжения по 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 (удостоверение № 36065) и 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 (Челя
бинск, 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. Зерно-
град, 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.).
Исследования выполнены 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.
Конструкция изоляции низковольтных асинхронных двигателей, механизм развития дефектов
Электроизоляционная система АД состоит из корпусной, междуфазовой и витковой изоляции. Корпусная и междуфазовая изоляции достаточно надежны, поскольку представляют многослойные структуры с применением листовых изоляционных материалов [13, 46].
Наименее надежна межвитковая изоляция, которая фактически определяет срок службы электрической машины. Физико-механические свойства полимерных материалов, входящих в витковую изоляцию, в настоящее время хорошо изучены. Известны методы определения внутренних напряжений, модуля упругости, температуры стеклования, температурного коэффициента линейного расширения и т.д. Имеются данные о влиянии на долговечность изоляции совместимости эмали обмоточного провода и пропиточного лака [21, 46, 217]. При плохом сочетании указанных материалов средний срок службы изоляции уменьшается в несколько раз. Результаты ускоренных испытаний свидетельствуют, что если средний срок службы провода ПЭТВ без пропитки при температуре 170 С составляет 10836 часов, то после пропитки лаком ПЭ-933 он уменьшается до 5050 ч., а при использовании лака КП-34 - до 4032 ч. [46].
Добиться положительного эффекта пропитки в виде увеличения срока службы обмоточных проводов ПЭТВ и ПЭТ-155 удается применением пропиточных кремнийорганических материалов КО-916К, КО-964Н. Пленка кремнийорганического лака сохраняет высокую эластичность в процессе теплового старения, не создавая значительных напряжений в эмали провода. Это выгодно отличает кремнийорганические лаки от полиэфирных, пленки которых, несмотря на эластичность в исходном состоянии, в процессе старения становятся жесткими и увеличивают напряжения в эмали. Отмеченные обстоятельства следует учитывать при капитальном ремонте двигателей.
Неизбежность, хотя и разная скорость старения изоляционных материалов предопределена тем, что пропиточный лак в отвержденном состоянии, эмалевая пленка и медный проводник обмотки образуют сопряженную механическую систему, элементы которой, существенно отличаясь по физико-механическим свойствам, соединены друг с другом силами адгезии и вынуждены деформироваться вместе. При изменении температуры, вибрациях, электродинамических усилиях в изоляции развиваются значительные внутренние напряжения знакопеременного характера, что приводит к образованию различных усталостных дефектов, показанных на рисунке 1.6. Рисунок 1.6 а иллюстрирует начальный этап трещинообразования, который связан с первичным разрушением пропиточного состава. Этот этап наиболее интенсивно протекает в первые 1000 часов теплового старения, на нем в полной мере проявляются особенности взаимодействия пропиточного материала с эмалевой пленкой проводника. Чаще всего трещины появляются в наиболее напряженном участке материала изоляции - около линии, соединяющей центры соседних проводников. Своими концами они упираются в поверхность эмали, первоначально не повреждая ее на всю глубину.
В дальнейшем участок эмали у острия трещины оказывается в самых неблагоприятных условиях. Во-первых, он контактирует с окружающей средой - кислород и влага, проникая внутрь повреждения, значительно ускоряют процесс разрушения эмали. Во-вторых, наблюдается местное перенапряженное состояние участка в сравнении с другими зонами эмалевого покрытия. При расширении трещины пропиточный материал тянет за собой пленку эмали, вызывая в ней дополнительные растягивающие напряжения. Тепловая деструкция полимера, таким образом, усиливается механическими напряжениями, интенсифицирующими разрушительный процесс.
Скорость разрушения существенно возрастает, если происходит отслоение эмали от проводника в зоне трещины. При этом эмаль подвергается не только растягивающим, но и изгибающим усилиям, что вызывает интенсивное прорастание трещины через эмаль вплоть до токоведущих поверхностей проводников (рисунок 1.6 б).
Рассмотренный механизм дефектообразования не является единственным. В других случаях возможно отслоение пропиточного состава от эмалевой пленки в зоне трещины (рисунок 1.6 в), а также при значительном размягчении эмали ее экструзия внутрь трещины (рисунок 1.6 г). И в том, и другом случаях механические напряжения у острия трещины релаксируют-ся, и разрыва эмали не происходит. Такие дефекты практически не снижают пробивного напряжения изоляции и не имеют тенденции к быстрому развитию [46]. Тот или иной характер дефектообразования зависит от свойств изоляционных материалов и от эксплуатационных режимов АД, причем в силу неравномерности распределения температуры в обмотке не исключено присутствие нескольких видов дефектов одновременно.
Выбор и обоснование диагностических параметров асинхронного двигателя с повышенным отработанным ресурсом
В задачах диагностики выбор диагностических признаков для описания состояний объекта чрезвычайно важен. Использование неинформативных признаков оказывается не только бесполезным, но и снижает эффективность диагностики, создавая помехи при распознавании.
С точки зрения теории информации процесс диагностического обследования выглядит следующим образом. Пусть имеется система, которая может находиться с некоторой вероятностью в одном из состояний, заранее неизвестном. Если априорные вероятности состояний P(Di) известны из статистических данных, то энтропия (неопределенность) системы будет [22,26, 206, 216]
При диагностическом обследовании состояние системы определяется, что приводит к уменьшению энтропии. Например, становится известным, что система находится в состоянии Dj, тогда P(D\) - 1 и P(Dj) = О при і = 2, 3, ... N.. В идеальном случае результатом полного диагностического обследования будет энтропия При этом внесенная информация или диагностическая ценность обследования
На практике условие (2.13) выполняется далеко не всегда, часто внесенная информация не приводит к полной определенности системы. Если распознавание носит статистический характер, вероятность одного из состояний всегда меньше единицы, например, P(Di) = 0,95. При этом "остаточная" энтропия
Диагностическая ценность обследования где -коэффициент полноты обследования, 0 9 1. Коэффициент ь зависит от надежности распознавания и для достоверных методов диагностики должен быть близок к единице. Можно дать верхнюю оценку энтропии по числу состояний системы где п - число состоянии системы.
При дихотомии число состояний системы равно двум: исправное и неисправное (скрытого отказа). Соответственно энтропия H(D) 1. При этом задача полноты обследования заключается в получении объема информации, достаточного для уменьшения энтропии до близкой к нулю величины. Учитывая, что затраты на проведение обследования по каждому признаку не равны нулю, указанная задача должна решаться выбором ограниченного числа диагностических параметров, обладающих наибольшей диагностической ценностью.
В теории информации определение диагностической ценности признаков основано на байесовой процедуре вычисления диагностических весов [22, 205]. Такой подход требует значительного объема статистических дан ных, не всегда имеющихся в распоряжении исследователя. При отсутствии необходимой статистики обоснованный выбор диагностических признаков может быть сделан из априорной связи физических процессов, протекающих в изношенном элементе, с откликом в виде тех или иных диагностических параметров, отражающих эти процессы. Используя особенности дефектооб-разования в межвитковой изоляции АД и их связь с электрическими процессами в обмотке и надежностью машины, представляется возможным решить задачу выбора диагностически ценных параметров обобщенным анализом связей между диагностическими и структурными признаками исследуемой системы изоляции.
Трехфазные асинхронные двигатели являются изделиями массового производства и выпускаются после контрольных (неполных) испытаний. Они имеют кривую распределения частоты отказов согласно рисунку 2.3а. Первый участок (0 — t/) - период приработки, на котором распределение отказов происходит по закону Пуассона или Вейбулла. За время tj отказывают машины, имеющие производственные дефекты, пропущенные при выходном контроле, часто из-за несовершенства последнего. При высокой культуре производства этот участок может отсутствовать.
Второй участок (tj -12) — период нормальной эксплуатации. Главной причиной отказов в этот период служат случайные факторы: недопустимые перегрузки двигателя, отсутствие фазы питающей сети и т.п. Распределение вероятности отказов носит экспоненциальный характер, что соответствует постоянной частоте отказов. Большую роль в этот период играет пускозащитная аппаратура, в частности, электронные средства защиты АД. Устройства температурной защиты УВТЗ-5М или более сложные системы [123, 161, 218] ведут непрерывный контроль температуры обмотки и других эксплуатационных параметров, предотвращая тем самым выход машин из строя, т.е. понижая ход кривой f(t).
Третий участок (t t2) — зона критического износа, наступающая при старении наиболее слабого элемента АД - межвитковой изоляции ста-торной обмотки. Степень старения изоляции оценивается по показателю дефектности Хв - числу сквозных дефектов на единицу длины обмоточного провода. Как следует из рисунка 2.3 б, начало нарастания параметра Хв совпадает с ростом частоты отказов f(t) согласно рисунку 2.3 а.
В условиях сложной системы сельскохозяйственного производства переход от участка нормальной эксплуатации к критическому износу наступает задолго до выработки нормативного ресурса АД 20000 часов [93, 128, 208]. В результате значительная часть парка электродвигателей работает в состоянии скрытого отказа, что приводит к общей неблагоприятной ситуации по аварийности сельскохозяйственных электроприводов. Очевидно, что основной эксплуатационной задачей является устранение указанного состояния и продление участка нормальной эксплуатации двигателей. Для этого в первую очередь нужны эффективные методы диагностики электроизоляционной системы.
Сложность выявления состояния скрытого отказа АД заключается в том, что непосредственное измерение показателя дефектности межвитковой изоляции Хв невозможно. Поэтому должны использоваться косвенные диагностические методы, оперирующие диагностическими признаками, отражающими параметр 1в по принципу соответствия. Диагностические параметры могут быть двухразрядными и многоразрядными (кривые 1, 2, рисунок 2.3 в). Многоразрядный признак повышает точность диагностики, но встречает значительные трудности по сопоставлению градаций дефектности со значениями диагностического параметра.
В разработанной структурно-логической схеме, показанной на рисунке 2.4, возможные дефекты изоляции АД подразделяются по роду их происхождения и структурным особенностям. При этом каждому виду дефектов сопоставляются известные способы диагностики, чувствительные к данному виду повреждений.
Компьютерное моделирование частичных разрядов в изоляции фаза-корпус
При исследованиях внутренних процессов в изоляции электрической машины применяются как экспериментальные, так и теоретические методы. К первым относится измерение различных параметров изоляции: объемного электрического сопротивления, емкости, тангенса угла диэлектрических потерь, испытание повышенным напряжением. Последнее проводят плавным или ступенчатым повышением напряжения до тех пор, пока не будут получены относительно стабильные частичные разряды. Этот способ, как и метод импульсных испытаний, обладает чувствительностью к локальным сквозным повреждениям изоляционного слоя, но чреват необратимым пробоем изоляции низковольтных АД.
В аналитических методах рассматривают различные модели системы изоляции, выполненные на основе электрических схем замещения. Схемы замещения поддаются математическому описанию и моделированию в виде реальных электрических схем. Известны параллельные и последовательные схемы, в которых изоляция соответственно представляется звеньями из параллельно и последовательно включенных элементов - резисторов, конденсаторов, а также их комбинации в виде параллельно-последовательных схем [16, 34]. Ту или иную схему замещения выбирают, исходя из конкретных свойств исследуемой системы изоляции. Так, параллельная схема хорошо отражает частотную зависимость физических процессов в изоляции, поэтому при анализе сложных изоляционных систем она наиболее целесообразна.
Использование схем замещения оказалось весьма перспективным для изучения механизма частичных разрядов. Для этого пригодны емкостная и резистивно-емкостная схемы, показанные на рисунке 3.3.
Внутренние разряды в закрытой изоляционной полости чаще всего анализируются при помощи схемы по рисунку 3.3 а. Она содержит следующие элементы: Сс - емкость полости, ( - емкость исправной части изоляции, Са - емкость остальной части изоляции, FV - электрический разрядник.
Резистивно-емкостная схема, показанная на рисунке 3.3 б, позволяет приближенно исследовать режим разрядов на постоянном напряжении. Ее ли к ее входным зажимам приложить постоянное напряжение U, напряже-ниє на полости будет изменяться по закону где Q R[,CC - постоянная времени заряда с учетом реального соотношения между емкостями схемы замещения. Ход разрядных процессов иллюстрируют рисунок 3.4. Пунктирной линией показан процесс заряда полости до напряжения Uc согласно экспоненциальной зависимости (3.16), если бы не было разрядов.
Однако полость пробивается при напряжении !/„, и напряжение скачком уменьшается до уровня восстановления UCk . На графике этому процессу соответствует вертикальный участок кривой. Разность напряжений пробоя и восстановления составляет AUC= UCi UCk , время восстановления 10" ... 10"8 с. После этого полость вновь заряжается до напряжения UCi, затем следует новый пробой. Процессы заряда-разряда, таким образом, чередуются, возникают релаксационные колебания. Период следования импульсов определяется формулой [34]
График переходного процесса на переменном напряжении представлен на рисунке 3.5. Пунктирной линией показано синусоидальное напряжение на полости при отсутствии разрядов. При ЧР увеличение напряжения до Uc UCi+ на положительной полуволне приводит к разряду и скачкообразному уменьшению напряжение на AUC+ . Затем напряжение Uc вновь начинает расти, и когда оно достигает уровня /„+, наступает новый пробой. Через четверть периода напряжение Uc уменьшается, а вместе с ним уменьшается и напряжение на полости, что приводит к прекращению разрядов. Следующий пробой произойдет уже на отрицательной полуволне при напряжении /„_ . Разряды, таким образом, чередуются, что приводит к характерному искажению формы результирующей кривой и ее фазовому сдвигу относительно исходной синусоиды.
В установившемся режиме число разрядов за полупериод сетевой частоты составляет 2к при kUci Uc (k+l)Uci [34]. Таким образом, для стабильного периодического процесса ЧР число разрядов за период долж но быть не менее четырех. В противном случае процесс нестабилен: наступает момент, когда амплитуда напряжения на полости не достигает величины Иы, и разряды прекращаются.
Современные методы компьютерного моделирования позволяют виртуально воспроизвести рассмотренные выше процессы, повысив тем самым наглядность и эффективность их исследования. Основой для подобных исследований служит тот факт, что схемы замещения при определенных условиях способны функционировать подобно реальным электрическим схемам, которые в свою очередь поддаются компьютерному моделированию в специальных компьютерных средах. К последним относятся схемотехнические САПР, получившие в последнее время широкое распространение как мощное средство проектирования и анализа электронных схем.
Известны специализированные САПР PSpice, Electronics Workbench, DesignLab, OrCAD и другие, однако наиболее совершенной программой подобного назначения следует считать пакет Micro-Cap фирмы Spectrum Software. Система Micro-Cap базируется на использовании так называемых SPICE моделей, каждая из которых отображает свойства реального электронного компонента. При всем многообразии существующих SPICE моделей их фактическим стандартом стали модели фирмы MicroSim. Точность моделирования достигается внутренним описанием SPICE моделей в виде системы уравнений, которые для нелинейных элементов весьма сложны и насчитывают не один десяток параметров. Часть параметров доступна для редактирования пользователю.
Пакет Micro-Cap 7.1 - одна из последних версий программы, позволяющая моделировать аналоговые, цифровые и аналого-цифровые электронные устройства. Из характерных особенностей этой профессиональной версии следует отметить большую библиотеку SPICE элементов - более 15000 компонентов, развитые средства виртуального анализа, многовариантный анализ Stepping, встроенный модуль оптимизации, усовершенствованные алгоритмы моделирования, повышающие точность и быстродействие системы в целом. Предусмотрено шесть основных видов анализа: Transient Analysis - анализатор переходных процессов; AC Analysis - расчет частотных характеристик; DC Analysis - расчет передаточных функций по постоянному току; Dynamic DC - расчет режима по постоянному току; Sensitivity - расчет чувствительности по постоянному току; Transfer Function -расчет малосигнальных параметров. В отличие от предыдущих версий введен многомерный многовариантный анализ Stepping, который позволяет пошагово изменять несколько параметров одновременно, при этом в качестве индицируемой характеристики можно задавать не только напряжение и ток, но и время нарастания, спада, длительности импульса, максимальное или минимальное значение, период повторения, частоту. Благодаря этим и другим особенностям система Micro-Cap 7.1 представляет собой мощный инструмент научных исследований.
Экспериментальное исследование свойств сквозных дефектов изоляции
Для испытаний системы изоляции электрических машин существуют различные методы. Испытания могут быть проведены как на макетах, так и непосредственно на электродвигателях. Согласно РТМ 16.688.024-74 ускоренные испытания изоляции на надежность проводят на макетах, имитирующих обмотку статора. Корпусом макета могут служить статоры реальных машин или их сегменты, изготовленные с соблюдением геометрии реального паза. В корпус укладывают специально изготовленные пары проводников - скрутки из обмоточного провода, диаметр которого не должен отличаться от диаметра провода реальной машины более чем на 5%. Количество скруток определяется коэффициентом заполнения паза. Так как це лью испытаний является, в том числе, оценка совместимости эмалированного провода с пропиточным лаком, пропитка производится исследуемыми материалами по технологии, максимально приближенной к реальному производству. Имитация внешних воздействий осуществляется в циклах, каждый из которых состоит из теплового старения в течение 500 ч, механических воздействий и увлажнения. Суммарное время теплового старения должно составлять не менее 5000 ч. После каждых двух циклов из общей партии образцов отбирается необходимое число макетов, на которых определяется пробивное напряжение межвитковой изоляции. Общее число пробоев - не менее 100. Пробивное напряжение определяется при комнатной температуре непосредственно после увлажнения макета. Дальнейшая обработка результатов проводится по математической модели надежности межвитковой изоляции [46].
Известны и другие аналогичные методики [101], однако в данном случае оказалось целесообразным отойти от них и исследовать свойства отдельно взятого дефекта. Поскольку выделить его в реальной обмотке АД не представляется возможным, опыты проводились на физических моделях -скрутках из обмоточного провода с искусственным дефектом изоляции Су, показанным на рисунке 4.6 в разрезе.
Скрутки изготавливались из отрезков провода ПЭТВ-0,5 с последующей пропиткой меламиноглифталиевым лаком МЛ-92. Искусственный дефект создавался путем прожига полимерной изоляции острой стальной иглой. Настоящая модель имитирует плотное касание двух проводников всыпной обмотки с минимальным разрядным промежутком в зоне дефекта. В реально изготовленных скрутках он составлял АХ = 70-80 мкм.
На первом этапе исследовалась ВАХ сквозного влагозаполненного дефекта. Для этого скрутка подключалась к измерительной схеме, показанной на рисунке 4.7, имеющей регулируемый блок питания (БП) с вольтметром; дроссель L1; конденсатор С1, имитирующий распределенную емкость изоляции; измерительный резистор R1; цифровой вольтметр PV1; осциллограф VL1 для визуального контроля частичных разрядов. Предусмотрен также нихромовый нагреватель скрутки (на схеме не показан), питаемый от отдельного источника (понижающего трансформатора).
Методика проведения экспериментов включала предварительное заполнение дефекта Сх влагой. Для этого использовалась дистиллированная вода, которая вводилась в дефект стеклянной палочкой. Учитывая инерционность разрядных процессов в жидкости, напряжение на скрутке повышалось ступенчато, при этом измерения на каждой ступени проводились после одинаковой выдержки времени. Измеряемой величиной служило падение напряжения на резисторе R1, пересчитываемое затем в ток через дефект.
Опыты проводились при разных температурах скрутки, контролируемых в зоне дефекта термопарой. В таблице 4.1 приведены сквозные токи Іь І2, Із , представляющие повторности измерений, и средний ток I, рассчитанный в табличном процессоре Ms Excel. Средствами Ms Excel также построены графики ВАХ, показанные на рисунке 4.8. Кривые получены как линии тренда с указанными в верхней их части аппроксимирующими полиномами и коэффициентами достоверности аппроксимации.
Похожие диссертации на Методы и средства диагностики изоляции асинхронных двигателей сельскохозяйтвенного производства на основе частичных разрядов
