Содержание к диссертации
Введение
1 Повреждаемость асинхронных электродвигателей и анализ состояния современного уровня их защиты от механических повреждений 12
1.1 Описание объекта исследований 12
1.1.1 Анализ повреждаемости подшипников качения в АД 14
1.1.2 Эксцентриситет статора 15
1.1.3 Неправильный осевой монтаж двигателя 16
1.1.4 Эксцентриситет ротора 18
1.1.5 Обрыв стержней ротора 19
1.1.6 Дефекты зубцово - пазовой структуры и другие повреждения АД 22
1.2 Методы и алгоритмы диагностирования эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей и постановка задачи 24
1.2.1 Вибрационный метод 25
1.2.2 Методы электромагнитной диагностики 28
1.2.3 Тепловой метод 32
1.2.4 Метод спектрального анализа потребляемого тока 33
1.3 Обзор и анализ устройств диагностирования эксцентриситета ротора АД 34
1.4 Выводы 39
2 Критерии распознавания и эффективный набор признаков эксцентриситета ротора в АД 41
2.1 Электромагнитные и электродинамические силы в АД при возникновении эксцентриситета ротора 41
2.1.1 Набор высших гармоник поля в математических моделях электрических машин 44
2.1.2 Высшие пространственные гармоники намагничивающей силы и влияние их на ЭДС секции обмотки статора 48
2.2 Математические модели АД с эксцентриситетом ротора с учетом и без учета конструктивных факторов обмоток статора и ротора 52
2.2.1 Математическая модель АД с эксцентриситетом ротора без учета конструктивных факторов обмоток статора и ротора 52
2.2.2 Математическая модель АД с эксцентриситетом ротора и учетом конструктивных факторов обмоток статора и ротора 69
2.3 Сравнительный анализ спектров модулей обобщенного вектора тока статора и мгновенных значений фазных токов при распознавании эксцентриситета ротора асинхронного электродвигателя 75
2.4 Исследование поведения асинхронного электродвигателя с эксцентриситетом ротора в динамических режимах с учетом условий эксплуатации 81
2.5 Выводы 90
3 Экспериментальные исследования АД с эксцентриситетом ротора 92
3.1. Стенд для экспериментальных исследований эксцентриситета ротора в АД 92
3.2 Обработка экспериментальных данных 102
3.3 Кривая распределения результатов 106
3.4 Расчет погрешности измерительного канала 112
3.5 Выводы 114
4 Разработка устройства диагностирования эксцентриситета ротора АД по гармоническому составу тока статора 114
4.1 Разработка структурной схемы микропроцессорного устройства контроля эксцентриситета ротора АД 118
4.2 Процесс контроля эксцентриситета ротора АД 123
4.3 Разработка функциональной схемы микропроцессорного устройства контроля эксцентриситета ротора АД 126
4.4 Разработка принципиальной схемы устройства контроля эксцентриситета ротора АД 131
4.5 Математическое моделирование канала аналоговой обработки тока микропроцессорного устройства контроля эксцентриситета ротора АД 137
4.6 Выводы 146
Заключение 146
Литература 149
Приложения 160
- Методы электромагнитной диагностики
- Сравнительный анализ спектров модулей обобщенного вектора тока статора и мгновенных значений фазных токов при распознавании эксцентриситета ротора асинхронного электродвигателя
- Стенд для экспериментальных исследований эксцентриситета ротора в АД
- Разработка принципиальной схемы устройства контроля эксцентриситета ротора АД
Введение к работе
Актуальность работы. На надежность работы асинхронных электродвигателей (АД) влияют различные факторы конструкторского и эксплуатационного характера. Опыт эксплуатации и производства АД показывает, что весьма серьезным дефектом электрических машин является эксцентриситет ротора.
Эксплуатация электродвигателя с таким видом дефекта не приводит к немедленному выходу его из строя, но снижает надежность работы, долговечность и другие технико-экономические показатели. Искажается магнитное поле в воздушном зазоре, создается одностороннее магнитное притяжение, КПД снижается на 1,5-2%, появляются дополнительные высшие гармоники поля, снижается пусковой момент на 10-13%, растут местные нагревы на 5-6%.
Эксцентриситет ротора возникает при изготовлении АД, в результате износа подшипников, при смещении опор или прогибах вала. Существует два вида эксцентриситета: статический, обусловленный смещением оси вращения ротора относительно оси расточки статора и динамический, обусловленный биением ротора. На практике динамический эксцентриситет обычно меньше статического, поэтому в данной работе рассматривался статический эксцентриситет.
Выявление эксцентриситета ротора АД под рабочим напряжением, без отрыва от производственного процесса и транспортировки на специализированные стенды, представляет собой весьма актуальную проблему и является сложной инженерной задачей, от эффективности решения которой зависит долговечность и безопасность эксплуатации АД.
В настоящее время для диагностирования эксцентриситета ротора АД применяют различные устройства на основе вибрационных, тепловых, электромагнитных и других методов. Недостатки этих методов заключаются в сложности их реализации, связанных с применением датчиков температуры, вибрации и магнитного поля, которые предъявляют жесткие требования к месту их крепления и требуют укладки дополнительных кабельных линий для связи с устройством обработки информации. Современные устройства диагностирования эксцентриситета ротора АД на основе вибрационных, тепловых и электромагнитных методов не во всех случаях позволяют обеспечить необходимый уровень зашиты, соответствующий степени износостойкости механических узлов АД. В ряде случаев, таких как погружные насосы, агрегаты систем безопасности АЭС практически невозможно использовать вибрационные, тепловые и др. методы диагностирования АД. Менее распространен метод диагностирования эксцентриситета ротора на основе анализа амплитудно-частотной характеристики потребляемого тока. Несмотря на то, что данный метод по информативности не уступает вибродиагностике, тепловым и другим методам соответствующие приборы промышленностью не выпускаются.
Для решения указанной задачи необходимо иметь информационно-измерительные методы и средства, выявляющие эксцентриситет ротора в АД в процессе эксплуатации на ранней стадии его развития. Таким образом, выявление эксцентриситета ротора АД по параметрам тока статора представляет научный и практический интерес.
Приведенные соображения объясняют актуальность исследования эксцентриситета ротора в ЛД по гармоническому составу тока статора и разработку средств для его распознавания.
Целью работы является разработка способов и устройств, обеспечивающих повышение надежности и селективности распознавания эксцентриситета ротора в АД по гармоническому составу тока статора путем применения предложенного математического описания и результатов анализа электромагнитных процессов в данном объекте.
Задачи исследования:
1. Исследование и анализ существующих методов и устройств выявления
эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей в процессе их работы;
Теоретические и экспериментальные исследования эксцентриситета ротора в АД, анализ особенностей тока статора АД при возникновении эксцентриситета ротора;
Выявление наиболее информативных признаков эксцентриситета ротора АД в спектре потребляемого тока;
Разработка математических моделей АД с эксцентриситетом ротора и оценка эффективности разработанных математических моделей на основе экспериментальных исследований;
Разработка алгоритма функционирования микропроцессорной системы диагностирования эксцентриситета ротора АД, основанного на анализе спектрального состава тока статора;
6. Разработка устройства, реализующего предложенный алгоритм.
Методы исследований и достоверность результатов. Поставленные в
диссертации задачи решены с использованием методов теории электрических цепей, электрических машин, математического моделирования и др.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также результатов аналитических исследований обеспечивается согласованием результатов, полученных во время испытаний в лабораторных условиях, с результатами математического моделирования. Расхождение результатов экспериментальных данных с результатами математического моделирования не превышало 10%.
Научная новизна работы. В работе содержатся следующие новые научные результаты:
На основании результатов математического моделирования и физического эксперимента впервые установлена взаимосвязь амплитуд гармонических составляющих спектра потребляемого тока для некоторых типов асинхронных электродвигателей от величины эксцентриситета, позволяющая оценивать предельные параметры эксцентриситета ротора АД в процессе эксплуатации.
Предложена усовершенствованная математическая модель асинхронного электродвигателя с эксцентриситетом ротора относительно расточки статора, отличающаяся от известных тем, что позволяет для различных типов электродвигателей рассчитывать порядок и значение высших гармоник тока статора АД, создаваемых эксцентриситетом ротора.
3. Разработан способ автоматического контроля эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей, отличающийся от существующего тем, что сравнение гармоник тока статора, полученных в результате спектрального анализа, производят с заданными значениями гармоник тока на характерных частотах. Предложенный способ позволяет повысить надежность и селективность распознавания эксцентриситета на ранней стадии его развития.
Способ защищен положительным решением ФГУ ФИПС о выдаче патента на изобретение (решение о выдаче патента приведено в приложении к диссертации).
Обоснованность н достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработаны методика, алгоритм и соответствующее программное обеспечение, позволяющие анализировать амплитудно-частотную характеристику потребляемого тока при возникновении эксцентриситета ротора в АД.
Разработан и изготовлен автоматизированный стенд для экспериментальных исследований эксцентриситета ротора АД, позволяющий имитировать в работающем АД эксцентриситет ротора в заданном диапазоне значений от 10% до 90% путем смещения ротора в расточке статора в вертикальном направлении.
3. На основании результатов исследований разработано и практически
реализовано микропроцессорное устройство диагностирования эксцентрисите
та ротора АД, позволяющее выявлять в работающем АД эксцентриситет, пре
вышающий 30% от номинального значения воздушного зазора.
Реализация результатов работы.
В ООО «ПК НЭВЗ» (г. Новочеркасск) внедрено устройство диагностирования эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей. Устройство используется для предварительного контроля уровня допустимого эксцентриситета в АД перед монтажом электродвигателя на электровоз.
Результаты диссертационной работы использованы в НИР (Государственный контракт № 12.06 от 20.02.06), выполненной по заданию Секции прикладных проблем при Президиуме Российской академии наук.
Основные положення, выносимые на защиту.
Критерии распознавания и эффективный набор признаков эксцентриситета ротора в потребляемом токе АД.
Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований токов статора АД с эксцентриситетом ротора.
Результаты математического моделирования спектрального состава мгновенных значений потребляемого тока и модуля обобщенного вектора тока статора АД с эксцентриситетом ротора.
Математические модели и способ автоматического контроля эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей на основе спектрального анализа тока статора.
Устройство диагностирования эксцентриситета АД по гармоническому составу тока статора.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
V Международной научно-технической конференции: «Моделирование. Теория, методы и средства», (г. Новочеркасск 2005);
V Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», (г. Новочеркасск 2005);
VI Международной научно-практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими», (г Новочеркасск 2006);
Научно-технической конференции студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) «Студенческая научная весна -2006», (Новочеркасск 2006 г);
XXVIII сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования», (Новочеркасск 2006г)
Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007», (Ростов-на-Дону 2007 г);
Научно-практической конференции «Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики» (Ростов-на-Дону 2008 г);
Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008», (Ростов-на-Дону 2008 г).
Публикации, По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 13 печатных работ, в том числе 3 работы в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 173 страницах, содержит 63 рисунка, 10 таблиц и 111 литературных источников.
Методы электромагнитной диагностики
Электромагнитные методы диагностики АД основаны на измерении электрических и магнитных величин, зависящих от прогрессивности дефекта. Эти методы позволяют обеспечить более точную диагностику, так как измеряемые величины непосредственно зависят от дефекта [28].
В воздушном зазоре машины существует бесконечный спектр поля, который можно разбить на множества гармоник. Это деление можно производить по их происхождению. Сложившееся деление гармоник на временные и пространственные достаточно условно. Все гармоники связаны с энергией поля и не могут рассматриваться вне пространства и времени [29]. Анализ магнитного поля в воздушном зазоре и вблизи электрической машины и исследование его гармонического состава позволяет сделать заключение о его техническом состоянии [30].
Информацию о техническом состоянии объекта можно получить на основе метода измерения характеристик поля рассеяния, существующего вблизи электрической машины, и являющегося частью общего магнитного потока. Использование поля рассеяния в качестве основного или дополнительного источника диагностической информации позволяет повысить достоверность диагностических оценок. Поскольку поле рассеяния создается фазными токами в обмотках электрической машины, то возникновение дефектов в АД приводит к изменениям в его спектре. Имеется ряд работ [31-32], посвященных влиянию дефектов в АД на характеристики его поля рассеяния. Как показано в [19, 33] с увеличением дисбаланса ротора происходит уменьшение объемной плотности энергии, излучаемой объектом в спектральной полосе гармоники скольжения. При этом частота самой гармоники увеличивается. Это позволяет, контролируя динамику изменения скольжения, обнаруживать данный механический дефект на ранней стадии его развития.
На базе вышеуказанного метода разработано устройство диагностики и защиты АД от повреждений - кольцевой индукторный преобразователь (КИП) для измерения и выявления величины несимметрии магнитных полей лобового рассеяния обмоток машины [32,38]. Магнитное поле вала ротора в торцевой зоне обусловлено токами в проводниках пазовой и лобовых частей обмоток статора и ротора. Их моделируют отдельно а затем суммируют. Так как секции статора одинаковы и обладают круговой симметрией, то поле ротора определятся как поле от одной секции статора. Лобовая часть секции с МДС F0Ke заменяется на эквивалентный кольцевой проводник с током 10Кв. Рассчитывается
распределение нормальной составляющей магнитной индукции Вп по поверхности и тангенциальной Вп внутри пограничных поверхностей торцевой зоны АД. По известному распределению Вп рассчитывается магнитный поток.
КИП размещается в торцевой зоне АД соосно с валом так, чтобы его плоскость была перпендикулярна оси вращения ротора. КИП крепится к подшипниковому щиту, корпусу, лобовой части обмотки статора или бандажному кольцу АД.
Различают две группы электромагнитных методов диагностики эксцентриситета ротора:
- методы, связанные с установкой различных датчиков внутри испытуемых машин до их сборки;
- методы, позволяющие измерять эксцентриситет без предварительной установки внутри испытуемых машин дополнительных элементов. Методы второй группы являются наиболее перспективными, так как позволяют измерять величину эксцентриситета без демонтажа двигателя и без отключения рабочего механизма, что особенно важно для двигателей большой мощности и для установок с непрерывным технологическим процессом. Следует отметить, что методы с установкой внутри машин датчиков позволяют более точно определить величину эксцентриситета.
В одном из методов первой группы (установка внутри машин датчиков) эксцентриситет определяют по ЭДС системы измерительных катушек (метод ЭСК) уложенных в воздушном зазоре. В другом методе (относится ко второй группе) эксцентриситет определяют по значению потенциала нейтральной точки (ПНТ) звезды обмотки статора относительно нейтральной точки звезды резисторов [20].
Метод ЭСК
В данном методе относительный эксцентриситет определяется по величине ЭДС, наведенной гармониками поля порядка/? ±7. Для измерения гармоник поля порядка/?-/ или/?+7 необходимо разместить на статоре две измерительные катушки (ИК) с шагом, равным полюсному делению соответствующей гармоники и таким сдвигом между катушками, чтобы ЭДС от рабочей гармоники поля и гармоники, не подлежащей измерению (порядка соответственно/? + 7 или/? -7) была равна нулю. Метод ПТН
Основным недостатком рассмотренного выше метода является необходимость разборки двигателя для установки измерительных катушек на поверхности статора. Поэтому более перспективным является метод определения относительного эксцентриситета ротора без разборки АД посредством измерения потенциала нейтральной точки звезды обмотки статора. В данном методе измеряется ЭДС между нейтральной точкой звезды обмотки статора и нейтральной точкой звезды резисторов, подключенной к питающим зажимам двигателя (звезда резисторов создает «эталонный» нулевой потенциал). Схема измерения показана на рис. 1.2.2.
Потенциал нейтральной точки обмотки статора складывается из гармоник ЭДС обмотки статора кратных трем, индуцированных соответствующими гармониками поля в ВЗ. С точки зрения диагностики относительного эксцентриситета эти гармоники можно разделить на две группы:
а) «полезные» - гармоники поля, амплитуда которых увеличивается при увеличении эксцентриситета.
б) «мешающие» - гармоники поля, амплитуда которых при увеличении эксцентриситета остается постоянной или уменьшается.
«Полезные» гармоники несут информацию о величине относительного эксцентриситета, а «мешающие» создают шум и снижают чувствительность метода. Для увеличения чувствительности необходимо выделять из ЭДС отдельные гармоники или группы гармоник в определенной полосе частот.
Сравнительный анализ спектров модулей обобщенного вектора тока статора и мгновенных значений фазных токов при распознавании эксцентриситета ротора асинхронного электродвигателя
Токи АД можно представить обобщенным пространственным вектором на комплексной плоскости, т.е. вектором, представляющим собой геометрическую сумму отрезков, построенных на пространственных осях фазных обмоток. При этом проекции обобщенного вектора на оси фазных обмоток в любой момент времени будут соответствовать мгновенным значениям соответствующих величин. [109, ПО].
При симметричной трехфазной системе обмоток обобщенный вектор тока представляется в виде
В дальнейшем формируется модуль обобщенного вектора тока по следующему выражению с последующим разложением его в ряд Фурье
Полученный модуль обобщенного вектора тока подвергается спектральному анализу. При наличии соответствующих гармоник в спектре делается вывод о техническом состоянии асинхронного электродвигателя. С целью получения диагностической информации эксцентриситета ротора в АД проводится сравнительный анализ спектрального состава тока в фазе и модуля обобщенного вектора тока. Решение поставленной задачи производится путем математического моделирования АД с эксцентриситетом ротора [111]. Для реализации математической модели использовалась интегрированная система автоматизации математических расчетов MATLAB 6.5. С целью анализа спектра обобщенного вектора тока статора и мгновенных значений фазных токов АД и оценки результатов расчета средствами библиотеки Simulink (Sim Power Systems) была собрана схема АД с эксцентриситетом ротора. Величина эксцентриситета выбиралась в диапазоне 6= =0...1 относительных единиц.
Модель позволяет исследовать АД с механическим повреждением (эксцентриситет ротора) с использованием спектрального анализа потребляемого тока в фазах АД и модулей обобщенных векторов тока и напряжения. Схема модели АД в среде MATLAB приведена на рисунке 2.4.1 Параметры исследуемого АД приведены в табл. 2.4.
Модель асинхронной машины включает в себя модель электрической части, представленной моделью пространства состояний четвертого порядка и модель механической части в виде системы второго порядка. Все электрические переменные и параметры машины приведены к статору. Исходные уравнения электрической части машины записаны для двухфазной (сф-оси) системы координат. Для удобства извлечения переменных асинхронной машины, в том числе проекций токов статора на оси а и /5 из обобщенного вектора, в библиотеке SimPowerSystems предусмотрен блок Machines Measurement Demux [71].
На рис.2.4.2-2.4.3 приведены спектральные составы мгновенных значений потребляемого тока фазы АД с эксцентриситетом ротора значением =0,3, а также спектральный состав модуля обобщенного вектора тока при том же значении эксцентриситета ротора.
Из результатов математического моделирования токов АД с эксцентриситетом ротора (таблица 2) следует, что данное механическое повреждение про 80 является как в спектре фазного тока, так и в спектре модуля обобщенного вектора тока. В общем случае результаты моделирования спектров тока фазы статора и модуля обобщенного вектора тока статора близки по обоим методам, но при этом есть некоторые различия. При увеличении уровня эксцентриситета в спектре тока фазы АД растет уровень высших гармоник в полосе частот от 0-250 Гц, с шагом f3hC= 23 Гц, при этом амплитуды гармоник тока на частотах 27 Гц и 72 Гц и е=0.8 не хуже -24 дБ, кроме гармоники на частоте 50Гц (основная гармоника сети). В спектре модуля обобщенного вектора тока также наблюдается рост высших гармоник в полосе частот 0-150 Гц с шагом f3hC= 23 Гц, при этом амплитуда гармоники тока на частоте 23 Гц и 6=0.8 не хуже -31 дБ, что на 7 дБ меньше чем та же гармоника в спектре фазного тока. Кроме этого, в спектре тока фазы статора содержится значительно большее количество характерных частот (0Гц...4Гц; 68Гц...72Гц; 91Гц...95Гц), а в спектре модуля обобщенного вектора тока содержатся характерные частоты (23Гц...27Гц; 46Гц...50Гц и при =0,8 91Гц...95Гц). Однако информативным является только диапазон частот 23Гц...27Гц. Это обстоятельство прежде всего связано с возможностью влияния электромагнитных помех на устройство диагностирования на частоте питающей сети 50Гц, что объясняет отказ от использования частот 46Гц...50Гц. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что основное различие результатов анализа спектра модуля обобщенного вектора тока и спектра потребляемого тока заключается в отсутствии в спектре модуля обобщенного вектора тока гармоники на частоте питающей сети 50 Гц, что может приводить к исключению наложения друг на друга информативных гармоник при распознавании механических (и электрических) повреждений. Таким образом при распознавании эксцентриситета ротора АД наиболее эффективно использовать результаты спектрального анализа тока фазы статора. Очевидно, что в переносных устройствах диагностирования эксцентриситета ротора АД целесообразно использовать спектральный анализ тока только одной фазы. При диагностировании мощных и ответственных АД, в цепи питания которых установлены датчики тока в трех фазах питания, возможно может ока 81 заться целесообразным анализ спектрального состава обобщенного вектора тока с целью распознавания не только эксцентриситета ротора но и других повреждений АД.
Стенд для экспериментальных исследований эксцентриситета ротора в АД
В АД В соответствии с заданием секции прикладных проблем при президиуме Российской Академии наук г. Москва, государственный контракт № 12.06, с целью проверки адекватности математических моделей и исследования эксцентриситета ротора относительно расточки статора в АД, установления критериев и причинно-следственных связей между эксцентриситетом ротора и спектром потребляемого тока, определения диагностических признаков, контроль которых позволял бы выявлять данный механический дефект на ранней стадии развития, был разработан и изготовлен стенд для экспериментальных исследований эксцентриситета ротора в асинхронном электродвигателе. Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. С.Л. Кужекова. Разработанный стенд позволяет имитировать эксцентриситет ротора в АД в заданном диапазоне значений 0%...80%, путем смещения ротора в расточке статора в вертикальном направлении. Схема стенда приведена на рис.3.1
Стенд представляет собой электромеханическую систему, состоящую из системы двигатель - генератор с нагрузкой, кабелями, и измерительными приборами, позволяющими осуществлять контроль за работой двигателя по параметрам спектрального состава тока статора и наблюдать процессы изменения указанных параметров при создании эксцентриситета ротора.
На рис.3.1.1-3.1.2 показан общий вид стенда. Тип применяемого АД -«Урал» Р42-4. Номинальная мощность двигателя 5,8 кВт, номинальная скорость вращения вала 1480 об/мин, cos =0,85, т/=86%, Нагрузкой АД являлся ге 94 нератор постоянного тока, нагруженный на магазин сопротивлений. Ниже представлено описание работы лабораторного стенда и методики испытаний, сделаны выводы о целесообразности продолжения исследований в выбранном направлении.
В соответствии с рис. 3.1 стенд работает следующим образом. При замыкании автоматического выключателя QS производится запуск АД. После разворота АД включением R4 нагружается генератор. Через трансформаторы тока ТА4-ТА6 начинает протекать ток. Сигнал, снимаемый с резисторов R1-R3, подается на цифровой осциллограф, обладающего функцией быстрого преобразования Фурье (БПФ) [77,78], измерения гармонических составляющих и искажений в различных системах, передачу данных на персональный компьютер для более детальной обработки. Согласно рис.3.1.1 генератор 1, соединенный с АД муфтой 8 закреплен на неподвижной платформе 3. АД 2 закреплен на подвижной металлической пластине 5, которая с одной стороны петлями соединена с неподвижной платформой, а с другой позволяет двигаться в вертикальном направлении. Механизм движения АД относительно неподвижного генератора устроен следующим образом. При повороте рукоятки 4 происходит вращение эксцентричного вала 6, который толкает вверх подвижную металлическую пластину 5 с закрепленным на ней АД 2. Пружина 7 предназначена для фиксации АД 2 в поднятом состоянии. Рукоятка имеет пять фиксированных положений, соответствующие уровням эксцентриситета 0%, 20%, 40%), 60%, и 80%) соответственно. Конструкция подшипниковых щитов устроена таким образом, что щиты вместе с ротором имеют возможность двигаться в корпусе статора АД в вертикальном направлении. В результате, поворачивая рукоятку 4, дискретно изменяется уровень эксцентриситета ротора в заданном диапазоне значений 0%...80% с шагом 20%. Изменение уровня эксцентриситета в воздушном зазоре измерялось с помощью специальных щупов. Некоторые из результатов экспериментальных исследований приведены на рис. 3.1.3-3.1.4. Амплитуды гармоник представлены в логарифмическом масштабе.
Анализ экспериментальных данных позволил сделать следующий вывод. При изменении величины относительного эксцентриситета ротора в расточке статора в диапазоне значений от 10% до 80% для данного типа двигателя амплитуды гармоник тока на частотах f3KC, в частности 25 Гц и 75 Гц, изменяются в пределах от 1% до 6% от амплитуды основной гармоники тока статора.
Помимо эксцентриситета ротора на стенде были проведены испытания АД с различными видами механических дефектов, таких как дисбаланс ротора, ослабление муфты, расцентровка валов двигателя и нагрузки (сдвиг и перекос осей), повреждение подшипника, ослабление креплений двигателя, одиночный удар по статору. Все перечисленные дефекты вызывали изменение спектрального состава тока статора. Перед исследованиями роторы двигателя и нагрузки центровались. Дефект подшипника имитировался путем повреждения сепаратора. Для введения дисбаланса ротора, к одному из болтов, соединяющего две полумуфты, добавлялся груз (металлическая втулка рис.3.1.5) массой 130 г.
Одиночный удар по статору наносился по корпусу АД перпендикулярно оси вращения ротора деревянным молотком, несоосность валов эмитировалась подкладкой тонких шайб под задние крепления АД, толщина шайб составляла 8 =0,8 мм.(рис. 3.1.5).
Исследования проводились в режимах холостого хода и различных режимах загрузки генератора. Все проведенные испытания и виды дефектов были связаны с нарушением равномерности воздушного зазора в АД. После проведения испытаний все исследуемые дефекты были устранены и двигатель был приведен в работоспособное состояние. Полученные осциллограммы тока статора при наличии дефектов сравнивались с исходными с целью отыскания различий, определяемых тем или иным дефектом.
Исследования АД проводились в режимах холостого хода и различных режимах загрузки генератора. Некоторые из результатов экспериментальных исследований приведены на рис. 3.1.6.1-3.1.6.5. Амплитуды гармоник тока представлены в логарифмическом масштабе.
На рис.3.1.7 приведена амплитудно-частотная характеристика напряжения сети во время работы АД с механическим повреждением, из которой следует, что гармоники, которые появляются в потребляемом токе, практически отсутствуют в напряжении питания.
Из результатов экспериментальных данных (рис. 3.1.6.1-3.1.6.5) следует, что механические повреждения такие как (разрушение подшипников, несоосность двигателя и нагрузки, дисбаланс ротора и др.) приводят к возникновению дополнительных гармоник в спектре потребляемого тока, амплитудно-частотная характеристика потребляемого тока АД при возникновении этих повреждений во многом совпадает с амплитудно-частотной характеристикой потребляемого тока при эксцентриситете ротора. При отсутствии механических повреждений в спектре потребляемого тока уровень высших гармоник тока в полосе частот от 0-300 Гц не превышает -40 дБ (соотношение амплитуд основ 101 ной гармоники тока статора к гармонике тока на частоте /экс равно 31), кроме гармоник на частотах 50Гц (основная гармоника сети) и 250 Гц (пятая гармоника сети).
При появлении механических повреждений в АД в диапазоне частот 25-150 Гц наблюдается рост числа высших гармоник тока, а также возрастает их амплитуда, уровень составляет у -30 дБ.
По данным эксперимента была построена таблица уровней амплитуд гармонических составляющих при различных механических повреждениях, из которой видно, что при отсутствии механических повреждениях в спектре потребляемого тока уровень высших гармоник в полосе частот от 0-300 Гц не превышает -45 дБ, кроме гармоник на частотах 50Гц (основная гармоника сети) и 250 Гц (пятая гармоника сети).
Разработка принципиальной схемы устройства контроля эксцентриситета ротора АД
Разработка принципиальной схемы является основным этапом создания микроэлектронного устройства. Разработка принципиальной схемы невозможна без обоснованного, оптимального как с технической, так и с экономической точек зрения выбора электронных компонентов принципиальной схемы, так и выбора других компонентов системы. Поэтому на начальном этапе разработки принципиальной схемы микропроцессорного устройства контроля эксцентриситета ротора АД произведен выбор измерительных преобразователей и адаптера питания. В ходе разработки микропроцессорного устройства контроля эксцентриситета ротора АД представляется целесообразным применить относительно недорогой высокопроизводительный микроконтроллер, что позволит с одной стороны существенно удешевить устройство, с другой упростить схемотехнические решения.
В результате анализа различных типов датчиков тока был выбран измерительный преобразователь Miniclamp 4. Выбранная модель имеет токовый выход, диапазон измерения от 2 до 150 А, что соответствует мощности трехфазных двигателей 0,4кВ от 1,3 до 98 кВт при coscp=0,95. Коэффициент трансформации измерительного преобразователя 1000:1. Относительно низкая точность измерений 2,5% является менее значимым параметром по сравнению с более широким линейным диапазоном преобразований в области низких частот (30Гц... 1000Гц), что соответствует контролируемому диапазону частот потребляемого тока (50Гц... 150Гц.) Основные параметры датчиков тока приведены в приложении 1.
Ниже приведено описание принципиальной схемы микропроцессорного устройства контроля эксцентриситета ротора АД:
Электрическая принципиальная схема микропроцессорного устройства контроля эксцентриситета ротора АД была разработана на основе функциональной схемы и представлена на рис. 4.4.
На резисторе R1 построен преобразователь «ток-напряжение». Защитный стабилитрон типа 1,5КЕ12СА защищает вход устройства от перенапряжений, при этом указанный защитный стабилитрон имеет ток утечки не более 5 мкА, что практически не влияет на точность преобразования ток-напряжение. Расчет резистивного преобразователя ток-напряжение:
Коэффициент передачи аналогового канала задается, исходя из следующих соображений:
1. Коэффициент усиления выбранного входного дифференциального усилителя AD629 фиксирован производителем и равен 1.
2. В качестве схемы формирования напряжения смещения применен усилитель AD629 — имеющий вывод опорного напряжения и позволяющий с высокой точностью задавать смещение сигналов, необходимых для входов АЦП.
3. Коэффициент усиления фильтра нижних частот (расчет фильтра приведен ниже) применен равным 1, что приведет к упрощению его схемной реализации в ИНУН (источник напряжения управляемый напряжением).
Таким образом, суммарный коэффициент передачи аналогового канала равен 1.
Примененный в микропроцессорном блоке источник опорного напряжения, равный 2,5В использован встроенный в микроконтроллер ADuC841. Ниже приводится краткое описание микроконтроллера.
При разработке устройства ставилась задача обеспечения его надежности, эффективности, низкой стоимости, удобства настройки и эксплуатации. Все эти условия сравнительно легко достижимы при применении микроконтроллеров в качестве центрального элемента цифровой схемы.
В настоящее время производители однокристальных микроконтроллеров (ОМК) предлагают разработчикам большой выбор микроконтроллеров с самими разнообразными характеристиками и возможностями. После анализа существующих моделей было решено остановиться на микроконтроллере из серии MS-51. Это широко выпускаемые и применяемые микроконтроллеры. В настоящее время большинство микроконтроллеров этого семейства, в отличии от классической структуры MS-51, имеют расширения на кристалле в виде различных периферийных устройств, например, дополнительную память, аналого-цифровой и цифро-аналоговый пребразователи, SPI, I2C контроллеры и. др. Быстродействие современных микроконтроллеров этого семейства составляет в пике IMPS на 1 МГц.
Среди MS-51 контроллеров существует множество устройств с различным набором функциональных блоков. После анализа состава серии MS-51 -контроллеров, в качестве основного узла цифрового модуля обработки сигналов, был выбран контроллер фирмы Analog Devises наиболее полно удовлетворяющий требованиям разрабатываемого проекта - это ADuC841. Этот ОМК использует усовершенствованную MS-51 - архитектуру, благодаря которой, обеспечивается высокая производительность. Данный контроллер относится к семейству КМОП - контроллеров. Память программ микроконтроллера выполнена по Flash - технологии, что существенно снижает время разработки.
Высокая производительность третьего поколения микроконтроллеров семейства ADuC, к которым относится ADuC841, обусловлена большим числом архитектурных особенностей, не характерных для MS-51 микропроцессоров.
ADuC841 используют модифицированную Гарвардскую архитектуру, для которой характерно разделение памяти программ и памяти данных и отдельные шины для доступа к ним. По сравнению с традиционной архитектурой фон Неймана, в которой программы и данные выбираются из единой памяти по одной шине, что снижает пропускную способность шины и быстродействие в целом.
Для ввода двухполярных сигналов применено смещение на половину опорного напряжения (1,25В), формируемое цифро-аналоговым преобразователем и подаваемое в аналоговом блоке обработки сигналов на схему формирования смещения, выполненную на усилителях AD629. Таким образом, максимальное значение амплитуды входных синусоидальных сигналов, которое может быть измерено при помощи АЦП, составляет 1,25В.
Основываясь на характеристиках выбранного измерительного преобразователя токовых клещей типа Miniclamp 4, коэффициенте передачи аналогового канала измерений тока, а также максимального уровня аналогового сигнала преобразуемого АЦП микроконтроллера в цифровой код произведен расчет входного преобразователя ток-напряжение: Коэффициент передачи аналогового канала равен 1.
Максимальное значение амплитуды входных синусоидальных сигналов, которое может быть измерено при помощи АЦП, составляет 1,25В. Максимальный ток преобразуемый Miniclamp 4 равен 150А, коэффициент трансформации датчика 1000:1, тогда выходной ток будет равен 150мА. Сопротивление шунта для измерения тока действующего значения токаї 50мА будет равно
Основой микропроцессорного блока устройства контроля является микроконтроллер ADuC841 со встроенным аналого-цифровым преобразователем.
К линии 0..3 порта Р1 подключен аналоговый сигнал канала измерения тока, а также канал изменения напряжения встроенной батареи для контроля ее напряжения.
К линиям 0, 1 порта РЗ подключен преобразователь уровней TTL/RS232 типа AD202EARW (микросхема DD1). Конденсаторы в схемах питания, умножителя напряжения и инвертора данной микросхемы выбраны в соответствии с техническим описанием на данную микросхему.
Линия Р3.5 используется для управления светодиодом «Контроль работы». Потребляемый ток светодиода ЮмА а сопротивление токоограничи-вающего резистора R21= 330 Ом.
На резисторе R19, сопротивлением ЮОкОм; конденсаторе типа С50 емкостью 0,1мкФ; кнопочном выключателе SB2 реализована схема сброса микроконтроллера, выбранная на основании технической документации микроконтроллера ADuC841.
На резисторе R24, сопротивлением 1кОм и кнопочном выключателе SB9 реализована схема перевода микроконтроллера в режим программирования, выбранная на основании технической документации микроконтроллера ADuC841. Программирование микроконтроллера осуществляется по СОМ-порту персонального компьютера в режиме программирования (перевод микроконтроллера ADuC841 в режим программирования осуществляется удержанием кнопки SB9 в нажатом состоянии при сбросе микроконтроллера) через преобразователь уровней RS232 (микросхема DD1).
Порты РО и Р2 сконфигурированы для работы с внешней памятью и к ним подключены регистры-защелки адреса DD4, DD5, а также микросхема статического ОЗУ емкостью 512 кбайт типа К6Х8008С2В производства Samsung. Управление чтением записью шины управляют сигналы ALE и notWR, notRD сконфигурированные на выводах 6, 7 порта РЗ.
Основой блока питания является DC/DC TMH-0905D - представляющий собой гальванически изолированный преобразователь из +9В в ±5В.
