Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором находят широкое применение в различных областях промышленности. Это стало возможным, благодаря высокой надежности и простоте конструкции этих двигателей. Часто для приведения во вращательное движение таких рабочих механизмов как насосы, вентиляторы, компрессоры и т. д., используют асинхронные двигатели, при этом, в ряде случаев, необходимо осуществлять постоянный контроль за работой двигателя этих механизмов с помощью методов идентификации параметров.
Зачастую возникает необходимость проводить мониторинг состояния асинхронного двигателя и присоединенного механизма, либо его диагностирование. Особенно часто такая необходимость возникает при работе машин большой мощности, либо там, где бесперебойная работа двигателя и присоединенного механизма связана с безопасностью жизнедеятельности. Обычно в таких случаях применяют методы спектр-токового, либо вибрационного диагностирования. Для корректной работы подобных систем диагностирования необходимо точное определение угловой скорости вращения двигателя с целью вычисления частот сигналов, указывающих на дефекты двигателя и присоединенного механизма. Как правило текущую скорость вращения получают с помощью датчика оборотов, установленного на валу привода, либо размещенного в непосредственной близости от вращающихся частей механизма. Однако применение датчиков оборотов снижает технологичность проведения диагностирования – зачастую соединяющие провода датчика оборотов рвутся по вине персонала, а также сам датчик оборотов может выйти из строя из-за его неправильной установки. Кроме того, необходим определенный опыт по выбору места установки датчика и его настройке. Установка датчика оборотов также увеличивает время оперативного диагностирования объекта. Использование датчиков оборотов существенно снижает главное преимущество систем спектр-токового диагностирования – установку в любом месте на линии питания двигателя, так как необходим дополнительный провод, идущий от диагностируемого устройства. Зачастую необходимо проводить диагностирование двигателя во время эксплуатации без его остановки, при этом обычно оператору необходимо установить датчик оборотов в непосредственной близости от вращающихся частей, что влечет за собой угрозу здоровью.
Решением данных проблем в этом случае является применение бездатчиковых методов определения частоты вращения вала асинхронных двигателей.
Степень разработанности проблемы. Существенный вклад в разработку методов идентификации параметров асинхронных двигателей и определения частоты вращения ротора внесли российские ученые: В. З. Ковалев, Ю. З. Ковалев, А. С. Глазырин, В. Г. Макаров, В. Я. Беспалов, А. В. Вейнмейстер, Г. Г. Соколовский, А. И. Вольдек, С. Г. Герман-Галкин, Г. Г. Рогозин, В. М. Терехов, В. И. Ключев, И. П. Копылов, В. С. Петухов, С. А. Ковчин, Ю. А. Сабинин, В. В. Рудаков, Г. К. Жерве, А. Б. Виноградов, Д. Б. Изосимов, Б. В. Сидельников, и зарубежные: K. D. Hurst, T. G. Habetler, M. Aiello, A. Cataliotti, D. Schroeder, J. Holz, P. Vas, W. Leonhard, К. Matsue, H. Kubota, T. Lipo, В. Bose и другие.
Применение бездатчиковых способов определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей в системах диагностирования означает, что данные способы должны сохранять свою работоспособность даже при возникновении дефектов в процессе эксплуатации. Это влечет за собой необходимость учитывать влияние
различных физических явлений, возникающих из-за неисправностей асинхронного двигателя. Поэтому требуется проведение исследований и анализ влияния возможных дефектов асинхронного двигателя на точность и работоспособность бездатчиковых способов определения частоты вращения. Результат этого анализа должен учитываться при разработке способа бездатчикового определения частоты вращения и построении алгоритма его реализации в составе микропроцессорного измерительного комплекса.
Совершенствование способов бездатчикового определения частоты вращения вала асинхронных двигателей связано с необходимостью разработки алгоритмов, дающих возможность повысить точность и скорость работы этих способов на микропроцессорных устройствах. Применение современных методов цифровой обработки сигналов позволяет повысить достоверность получаемых этими алгоритмами данных.
Таким образом, проблема совершенствования существующих способов бездатчикового определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей актуальна, и требует новых решений по широкому кругу вопросов:
– изучение физических процессов, протекающих в двигателе и влияющих на работу исследуемых способов;
– повышение точности и скорости работы алгоритмов существующих способов;
– разработку эффективных алгоритмов обработки сигналов.
Объектом исследования данной работы является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Предметом исследования являются способы и алгоритмы бездатчикового определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей.
Целью работы является повышение точности и технологичности определения
частоты вращения асинхронных двигателей путем применения сигнатурного способа
с использованием алгоритма на основе комбинации спектрального и
корреляционного методов анализа.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
– провести анализ существующих методов бездатчикового контроля асинхронных двигателей;
– уточнить математическую модель асинхронного двигателя с учетом физического процесса изменения магнитной проводимости в воздушном зазоре, приводящего к появлению зубцовых гармоник в спектре тока статора;
– провести теоретическое и экспериментальное исследования влияния на спектр тока статора наиболее распространенных дефектов двигателя, таких как дефекты ротора, дефекты статора, эксцентриситет ротора, дефекты подшипников, неисправности присоединенных механизмов;
– сформировать имитационную модель асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором с учетом влияния на спектр тока статора наиболее распространенных дефектов двигателя;
– разработать методику определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей с помощью сигнатурного анализа тока статора, обеспечивающую повышение точности вычисления частоты вращения с помощью корреляционного метода анализа;
– разработать устройство для бездатчикового определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей и провести экспериментальное исследование разработанного устройства в различных режимах работы асинхронных двигателей.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались
экспериментальные и теоретические методы исследований. В качестве теоретических
методов применялись: основные положения теории электрических машин, методы
спектрального анализа, теория информации, линейная алгебра, численные методы,
корреляционный анализ. Имитационное моделирование произведено с
использованием графической среды имитационного моделирования динамических систем Simulink для MATLAB. Экспериментальные исследования проведены на базе научной лаборатории ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта».
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием фундаментальных положений теории электрических машин, теории спектрального анализа, сходимостью результатов теоретических исследований с экспериментальными результатами исследования. Относительная погрешность предлагаемого способа не превышает 0.5% в системах частотно-регулируемого привода и 0.1% при работе двигателя в промышленной сети 50 Гц.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Сформирована математическая модель асинхронного двигателя, отличающаяся тем, что в ней учтены физические процессы, приводящие к появлению зубцовых гармоник в спектре тока статора. На ее основе разработана имитационная модель асинхронного двигателя, учитывающая влияние на зубцовые гармоники несинусоидальности питающего напряжения, различных дефектов электромагнитной, механической системы асинхронного двигателя, а также дефектов присоединенных механизмов.
-
Усовершенствован сигнатурный способ определения частоты вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, отличающийся тем, что в нем использован алгоритм поиска зубцовых гармоник в спектре тока статора на основе комбинации спектрального и корреляционного методов анализа.
-
Разработана методика бездатчикового определения частоты вращения ротора на основе предложенного способа.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Сформированная математическая модель асинхронного двигателя и разработанная на ее основе имитационная модель позволяют исследовать влияние на спектр тока двигателя различных дефектов, а также проводить исследования работы бездатчиковых способов определения частоты вращения ротора, использующих сигнатурный анализ спектра тока.
-
В результате исследований доказана независимость работы усовершенствованного сигнатурного бездатчикового способа определения частоты вращения ротора асинхронных двигателей от дефектов в двигателе и подключенных нагрузок.
-
Разработан алгоритм поиска зубцовых гармоник в спектре тока статора обеспечивающий возможность корректного определения частоты вращения ротора при питании двигателя от частотного преобразователя, вычисление с высокой точностью частоты вращения ротора при малых выборках сигнала.
-
Сформированы технические требования к измерительным преобразователям и структуре измерительного комплекса для определения частоты вращения вала асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
-
Разработан измерительный комплекс, реализующий предложенную методику определения частоты вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Структура измерительного комплекса защищена патентами РФ на изобретение и полезную модель.
-
Разработано устройство для определения числа зубцов сердечника ротора асинхронных двигателей без разбора корпуса, структура которого защищена патентом РФ на полезную модель.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследования влияния дефектов асинхронных двигателей, разработанный бездатчиковый способ определения частоты вращения ротора, а также программное обеспечение измерительного комплекса для бездатчикового определения частоты вращения ротора асинхронного двигателя внедрены на предприятии города Омска - в ОАО «НИИТКД» при разработке и производстве комплексов вибродиагностирования для асинхронных двигателей, и ООО «Транспроект – автоматика» на испытательных станциях для асинхронных вспомогательных машин. Разработанная имитационная модель асинхронного двигателя и методика бездатчикового определения частоты вращения ротора внедрена в учебном процессе на кафедре «Электрические машины и общая электротехника» ОмГУПСа.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Усовершенствованный сигнатурный способ бездатчикового определения частоты вращения вала асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
-
Математическая модель асинхронного двигателя и разработанная на ее основе имитационная модель, учитывающие влияние на спектр тока статора наиболее распространенных дефектов двигателя.
-
Методика и алгоритм работы измерительного комплекса на основе предложенного сигнатурного способа бездатчикового определения частоты вращения вала асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы
докладывались на всероссийской научно-технической конференции с
международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава», г. Омск, 2015 г., всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте», г. Омск, 2016 г., всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов», г. Омск, 2016 г., XI Международной IEEE научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», г. Омск, 2016 г., международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», г. Томск, 2017 г., научной конференции «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте», г. Омск, 2018 г.
Личный вклад. Постановка научно-исследовательских задач и их решение, разработка комплекса программ и приборов, научные положения, выносимые на защиту, основные выводы и рекомендации диссертации, результаты моделирования принадлежат автору. Личный вклад в каждой работе, опубликованной в соавторстве, составляет более 50%.
Публикации. Положения диссертации и основные результаты исследования опубликованы в 17 научных работах, из которых шесть статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, два патента РФ на полезную модель,
один патент РФ на изобретение, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 196 страницах основного текста, содержит 24 таблицы, 111 рисунков, список использованных источников из 112 наименований и 11 приложений.