Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние и тенденции развития систем мониторинга трехфазных асинхронных электродвигателей 8
1.1 Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность асинхронных электродвигателей 8
1.2 Аналитический обзор существующих принципов мониторинга асинхронных электродвигателей
1.3 Современные средства мониторинга асинхронных электродвигателей
Выводы по первой главе 35
2 Разработка алгоритмов функционирования системы технического мониторинга электропривода 36
2.1 Разработка структуры алгоритмов системы мониторинга электро- двигателей
2.2 Алгоритм самодиагностики 40
2.3 Алгоритмы мониторинга верхнего иерархического уровня 45
2.3.1 Алгоритм выбора проверяемого электродвигателя 45
2.3.2 Алгоритм анализа параметров электродвигателя 48
2.4 Алгоритмы мониторинга нижнего иерархического уровня. 80
Выводы по второй главе 84
3 Разработка методики эксплуатационного определения аварийных режимов 85
3.1 Определение износа изоляции асинхронного двигателя по изменению длительности пуска 85
3.2 Разработка устройства для защиты электрооборудования и измерения длительности пуска асинхронного двигателя 105
Выводы по третьей главе 109
4 Разработка технических средств системы мо ниторинга режимов асинхронных двигателей
4.1 Разработка технических требований к многоканальной системе мониторинга электропривода
4.2 Структура системы сбора данных как системы нижнего уровня 118
4.3 Использование автоматической коррекции аддитивной погрешности 125
4.4 Разработка устройства защиты трехфазных асинхронных электродвигателей в однофазных сетях от анормальных и аварийных режимов 130
Выводы по четвертой главе 134
Заключение 135
Список использованных источников
- Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность асинхронных электродвигателей
- Разработка структуры алгоритмов системы мониторинга электро- двигателей
- Определение износа изоляции асинхронного двигателя по изменению длительности пуска
- Разработка технических требований к многоканальной системе мониторинга электропривода
Введение к работе
Проблема повышения эксплуатационной надежности электрических машин на современном этапе развития промышленного производства приобрела существенное экономическое значение. Это объясняется тем, что электротехническая промышленность в целом, и в особенности электромашиностроение, являются технической базой электрификации всех отраслей производства. В связи с этим технический и технологический уровень производства, при широком применении электрических машин для привода рабочих машин и исполнительных механизмов и систем автоматического управления производственными процессами, в большой степени определяется надежностью этих машин. Основное оборудование электростанций, вспомогательные устройства и механизмы собственных нужд жестко связаны между собой в едином технологическом цикле. Нарушения работы большинства механизмов собственных нужд, особенно отнесенных к группе ответственных, оказывают непосредственное воздействие на работу основного оборудования. Такие нарушения приводят к значительному материальному ущербу, который может доходить до нескольких тысяч долларов от отказа одного электродвигателя.
Практика эксплуатации асинхронных электродвигателей показывает, что увеличение срока службы и повышение надежности их работы дает относительно больший экономический эффект, чем улучшение других технико-экономических показателей: КПД, коэффициента мощности, коэффициента использования и т. д. Так, например, для электродвигателя мощностью 15кВт повышение КПД на 5% при его круглосуточной работе приводит к экономии средств на электроэнергию около 4000 руб. в год. Выход такого электродвигателя из строя повлечет за собой расходы только на его замену около 20000 руб., а затраты от нарушения технологического процесса могут многократно превышать его стоимость.
Таким образом, повышение качества и эксплуатационной надежности электрических машин - одна из наиболее актуальных проблем современного электромашиностроения и эксплуатации электрических машин.
Одним из способов решения данной проблемы является переход от планово-предупредительных ремонтов к обслуживанию по фактическому состоянию, которое в свою очередь будет определять система мониторинга.
Цель работы заключается в повышении эффективности эксплуатации асинхронных двигателей электростанций за счет внедрения многоканальных систем мониторинга, для принятия обоснованных решений по их эксплуатации путем выявления аварийных режимов работы, скрытых дефектов и прогнозирования их развития в реальном времени. Основные задачи:
Анализ факторов, влияющих на эксплуатационную надежность асинхронных электродвигателей
Надежность электрических станций в большой степени зависит от безотказной работы электродвигателей собственных нужд. Надежность электрических машин в значительной степени определяется надежностью их обмоток, которая, в свою очередь, зависит от состояния изоляции. Последняя работает в сложных, часто весьма неблагоприятных условиях. В процессе эксплуатации электрических машин, а также во время их хранения и транспортировки она подвергается разнообразным внешним воздействиям, приводящим с течением времени к прогрессирующему ухудшению ее свойств.
Повреждения изоляции обмотки статора являются основной причиной выхода из строя электродвигателей. Анализ причин выхода из строя более 4000 электродвигателей электростанций позволили установить, что 80 % всех повреждений и вызывались нарушением витковой, корпусной и межфазной изоляции [1].
В таблице 1.1 представлены данные об отказах изоляции обмоток электродвигателей собственных нужд электростанций за 2 года наблюдений, в течение которых произошло 214 повреждений.
Приведенные данные показывают, что среднее число отказов изоляции обмоток электродвигателей в работе почти в 2,5 раза больше, чем обнаруженных при профилактических испытаниях.
Собранные статистические данные [2], показывают, что в подавляющем большинстве случаев (85-95%) отказы асинхронных электродвигателей мощностью более 5 кВт происходят из-за повреждения обмоток и распределяются следующим образом: межвитковые замыкания - 93%, пробой межфазной изоляции - 5%, пробой пазовой изоляции - 2%,
Значительная часть повреждений обмоток вызвана снижением электрической прочности изоляции вследствие низкого качества изготовления и плохого обслуживания, приведшего к ускоренному старению и выходу из строя изоляции. Данные о причинах выхода из строя изоляции электродвигателей собственных нужд электростанций в работе за 2 года наблюдений [1] приведены в таблице 1.2 и в виде гистограмм на рисунках 1.2,1.3.
В зависимости от места установки в технологическом цикле наибольший процент всех повреждений приходится на изоляцию следующих двигателей: питательных насосов - 13,3%, мельниц - 17,1%, дымососов - 15,8%, мельничных вентиляторов - 14,6%, дутьевых вентиляторов - 8,7 %. Высокая повреждаемость изоляции обмоток двигателей мельниц и дымососов (32,9 % всех повреждений) объясняется тем, что они находятся в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. Дефекты конструкции и изготовления изоляции, монтажа и ремонта также являются частыми причинами повреждений (31 двигатель, или 19,6 %), в большей степени они проявляются у приводов с тяжелыми условиями работы по механическим усилиям. По этим причинам большую повреждаемость имеют двигатели питательных насосов, у которых число пусков достигает 900 в год. В этих случаях, как и для двигателей насосов гидрозолоудаления, очевидно, основную роль играет несоответствие конструкции электродвигателя условиям работы изоляции обмотки.
Из приведенных данных видно, что основными причинами выхода электродвигателей из строя являются старение изоляции (47 случаев, или 29,7%) и неправильная эксплуатация (53 случая, или 33,5%), Устранить практику непра вильной эксплуатации можно двумя путями - либо допускать к обслуживанию электродвигателей высококвалифицированных специалистов, либо использовать интегрированные в производство системы мониторинга. В настоящее время подготовка специалиста узкого профиля обходится в несколько тысяч долларов, однако, при том количестве электродвигателей, которые эксплуатируются на электростанциях может понадобиться целый штат специализированного персонала, стоимость обучения которого уже сопоставима с приобретением многоканальной системы мониторинга. Проблема учета и понижения скорости старения изоляции электродвигателей стоит еще более остро. Известен способ определения состояния изоляции методами тестовой диагностики, например, методом сопротивления, однако, данный метод подразумевает вывод электродвигателя из эксплуатации на время испытаний, что не всегда допустимо. Таким образом, становится важным учет естественного износа изоляции в процессе эксплуатации электрических машин, что возможно только с использованием современных средств мониторинга и диагностики.
Обычно [3] под диагностированием понимается процедура получения и обработки информации о состоянии технических систем или объектов с целью обнаружения их неисправностей и выявления тех элементов, ненормальное функционирование которых привело (или может привести) к возникновению аварий. При этом решается задача определения технического состояния объекта на настоящий момент времени. Решение задачи диагностирования предполагает построение математической модели объекта, выбор и оптимизацию диагностических процедур и их реализацию аппаратным или программным путем [3]. Для рациональной, безопасной и эффективной эксплуатации энергооборудования и перехода к планированию его ремонта по фактическому состоянию требуются существующие системы диагностики дополнить рядом специальных методов и технологий, позволяющих вести статистику состояний конкретного оборудования, имея в виду конечную цель: определение фактического износа, оценку остаточного ресурса для составления прогноза и выработку стратегии эксплуатации и ремонтов для продления срока службы и, в крайнем случае, полной его замены [4].
Переход от простых традиционных технологий контроля и диагностики, позволяющих локализовать дефекты, к системе мониторинга как средству не только обнаружения и предупреждения дефекта, но и прогноза безаварийной работы оборудования, является объективным процессом, подготовленным уровнем современного состояния компьютерных технологий, интеллектуальных средств контроля и измерения, а также успешным применением экспертных систем в энергетике [4, 5].
Задача прогноза безаварийной работы оборудования к настоящему времени находится на стадии поиска вариантов решений и требует изучения как факторов старения изоляции, так и механизмов развития дефектов.
Первые публикации по вопросам надежности асинхронных электродвигателей начали появляться в 60-х годах прошлого века, их авторами являются Тищенко Н.А. [24], Хвальковский А. В. [23], Пястолов А. А. [9], Прищеп Л.Г. и др. [8]. Данные публикации носили в основном аналитический характер и касались всего парка электрических машин. В 70-х годах XX века опубликованы первые работы по анализу причин повреждаемости асинхронных электродвигателей собственных нужд электростанций авторами Сивокобыленко В.Ф., Костенко В.И. [13], затем Иноземцевым Е.К. [45]. Первые целенаправленные исследования по вопросам диагностики асинхронных электродвигателей по параметрам эксплуатационных режимов были проведены Овчаровым В.В. [79], затем Минаковым В.Ф., Редькиным В.М., Науменко А.Г. [78] и Минаковой Т.Е. [93], а в части вибродиагностики, проведены Барковым А.В., Барковой Н.А., Азовцевым А.Ю. [80].
Разработка структуры алгоритмов системы мониторинга электро- двигателей
Технический мониторинг электропривода представляет собой процесс контроля параметров и характеристик объекта с целью определения его технического состояния, включающего в себя совокупность свойств электропривода, подверженных изменению при производстве или эксплуатации и характеризуемых в каждый момент времени признаками (параметрами), установленными ГОСТами, техническими условиями, техническими требованиями и другой нормативно-технической документацией на электропривод [45,46].
Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии электропривода с идентификацией и указанием места, вида и причин дефекта. Поиск дефекта осуществляется при помощи тех или иных средств технического мониторинга путем различного рода экспериментов с измерением параметров объекта мониторинга. Некоторый минимальный (не подлежащий расчленению в данных конкретных условиях) эксперимент над объектом диагностирования, характеризующийся определенным рабочим или тестовым воздействием, поступающим или подаваемым на объект, а также составом признаков (параметров), образующим ответ объекта на соответствующее воздействие, представляет собой элементарную проверку. Конкретные значения признаков (параметров), получаемые при диагностировании, являются результатами элементарных проверок или значениями ответов объекта. Совокупность элементарных проверок, последовательность (или последовательности) их реализации, а также правила получения и анализа результатов реализуемых элементарных проверок представляют собой алгоритм диагностирования [47].
Любая элементарная проверка технического состояния объекта диагностирования требует временных, материальных, энергетических и других затрат. Эти затраты необходимы для выработки и подачи на объект различного рода воздействий (импульсных, гармонических и т. п.), а также приема, измерения, анализа ответов на эти воздействия. Те или иные учитываемые при конкретном рассмотрении затраты называют ценой c(z) элементарной проверки (например, в качестве цены может выступать время, затраченное на реализацию проверки). Каждому техническому состоянию є,- єЕ, i=l,2,...,N, объекта диагностирования можно приписать некоторое положительное число pi, называемое весом технического состояния е, и определяющее "значимость" состояния et среди остальных состояний множества Е [48], Примером веса технического состояния является вероятность, с которой объект диагностирования может находиться в этом техническом состоянии.
Известно большое число различных методов реализации элементарных проверок [48, 49, 50, 51, 52], обеспечивающих требуемую глубину диагностирования: методы последовательного функционального анализа, половинного разбиения, времявероятностные, с использованием информационных критериев и т.д.
Рассмотрим существующие методы реализации элементарных проверок для определения того метода, применение которого при диагностике асинхронных электродвигателей, позволит наиболее эффективно использовать ресурсы системы мониторинга.
Метод последовательного функционального анализа основан на применении функциональной, структурной или логической модели объекта диагностирования и осуществляется путем последовательной, начиная с выходного элемента объекта, проверки технических состояний отдельных его функциональных элементов. Метод половинного разбиения предполагает при N функциональных (логических) элементах с равными вероятностями технических СОСТОЯНИЙ и равными ценами элементарных проверок принять первым тот контролируемый элемент, элементарная проверка которого дает уменьшение энтропии объекта в два раза. Каждая последующая проверка выбирается таким же образом. Времявероятностньш метод построения алгоритма диагностирования [51] предполагает при различных вероятностях технических состояний р(е/)
элементов объекта и разных ценах их элементарных проверок, например, времени на реализацию проверок t(ej), устанавливать последовательность проверок в порядке уменьшения соотношения:
WW 4) c Информационный метод построения алгоритма диагностирования [53] предполагает при N функциональных (логических) элементах с равными вероятностями технических состояний р(бдг j-1/N и равными ценами элементарных проверок выбирать первой проверку zt, дающую максимальное количество информации относительно технического состояния объекта диагностирования.
Автором предлагается использовать информационный метод при создании алгоритма диагностирования электродвигателя, но с обоснованием выбора параметров, обеспечивающих максимальное количество информации и одновременно снижающих число ветвлений алгоритма.
Предлагается в первую очередь исследовать тот параметр, информация которого не нуждается в уточнении с помощью других элементарных проверок. Т.е. первым анализируется изменение того параметра, от которого зависят наибольшее количество изменений остальных параметров. Например, для асинхронного двигателя целесообразно анализировать вначале изменение напряжения на обмотке статора, а затем ток в обмотке. Так, увеличение напряжения на обмотках говорит об изменении параметров питающей сети и, имея эту информацию, можно сделать вывод, что пропорциональное уменьшение тока статора вызвано именно изменением параметров сети. Наоборот, если исследовать вначале ток, то без дополнительных проверок, влияющих на него параметров, невозможно однозначно установить причину изменения величины тока. Таким образом, данный метод, будучи использованный в системах микропроцессорного мониторинга и диагностики, позволит уменьшить число ветвлений алгоритма диагностирования.
Определение износа изоляции асинхронного двигателя по изменению длительности пуска
Повышенный износ изоляции, вызванный нарушением режима эксплуатации электродвигателя, в частности механической перегрузкой, является распространенным явлением на промышленных предприятиях, по причине отсутствия, в большинстве случаев, средств технического контроля. В этой связи требуется разработка методов определения анормальных режимов АД в период эксплуатации, что позволит повысить как срок их службы, так и надежность всего технологического процесса.
Интенсивность теплового износа изоляции как реакция на превышение тока в обмотках ЭД определяется тепловой инерцией деталей конструкции. Наибольшие значения постоянных времени нагрева имеют сердечники статора и ротора. Существенно меньшая инерция у обмоток, по которым проходит ток.
Быстрый дополнительный нагрев обмотки может привести к опасным последствиям из-за разных коэффициентов расширения металла обмоток, изоляции и стали, вредного действия тепловых расширений на пайки обмотки, опасности деформации витков обмотки ротора и т.д. [95].
Перегрузки по току, вызывающие перегрев обмоток ЭД, различаются как по кратности тока по отношению к номинальному значению, так и по их длительности [96].
Различают восемь режимов работы асинхронных двигателей. Из них наиболее распространены три основных - продолжительный, кратковременный и периодический кратковременный режимы, номинальные данные на которые включаются отечественными электромашиностроительными заводами в каталоги и паспорт машины. Работа двигателя в режиме, на который он не рассчитан, вызывает либо его нерациональное использование, либо превышение температуры обмоток сверх номинальной, что ускоряет процесс старения изоляции [97]. Но даже при работе двигателя в соответствующем режиме возможны перегрузки, связанные с увеличением кратности тока по отношению к номинальному.
Основными причинами возникновения перегрузки по току являются следующие.
- Нарушение технологического процесса. Оно возможно для механизмов, у которых интенсивность технологического процесса может меняться в широких пределах, что имеет место, например, в технологии подачи топлива в топки котлов электростанций.
- Неисправность приводного механизма или вращающейся части электродвигателя. Сюда относятся случаи выхода из строя подшипников, увеличения трения при отсутствии или застывании смазки, поломки отдельных узлов. Предельными случаями в указанных ситуациях являются неисправности, приводящие к заклиниванию ротора, когда электродвигатель остановлен и его ток длительно равен начальному пусковому.
- Низкое качество электроэнергии, в частности по параметру напряжения питающей сети. Вращающий момент АД пропорционален квадрату приложенного напряжения. Поэтому при снижении напряжения электродвигатель переходит на работу с большим скольжением, вследствие чего потребляемый им ток увеличивается. Время пуска АД при пониженном питающем напряжении увеличивается по сравнению с временем пуска для нормальных условий. Такой режим, в частности, может иметь место при самозапуске ЭД собственных нужд электростанций. Если пуск ЭД при пониженном напряжении совпал с неблагоприятным отклонением от нормальных условий технологического процесса, то процесс пуска затягивается, а худшем случае электродвигатель может вообще не запуститься. Такое же явление может иметь место при самозапуске ответственных ЭД в случае отказа в действии защиты минимального напряжения, отключающей неответственные двигатели. Тогда из-за повышенного падения напряжения в элементах сети напряжение, под водимое к ЭД, может оказаться недостаточным для создания пускового вращающего момента или пуск может недопустимо затянуться. В случае повышения напряжения ток АД наиболее часто снижается. Однако если сталь статора используется в режиме, близком к насыщению, то при повышении напряжения резко возрастает намагничивающий ток и ток статора в целом. По приведенным в [98] данным в случае повышения напряжения до 1.3-UH0M ток статора может составлять 1,25-1ном, а при повышении напряжения до 1.4-UHmi этот ток возрастает до 1.5-1ном,
Изменение частоты в нормальных режимах работы энергосистемы сравнительно мало влияет на тепловой режим АД.
Опасным режимом является пуск или самозапуск ЭД с подсоединенным нагруженным механизмом, если электродвигатель на такой режим не рассчитан. В этих случаях ЭД не может развернуться, а ток с пусковой кратностью только разрушает обмотку. Нагрев обмотки происходит не только за счет потерь от тока в самой обмотке, ко и за счет потерь в активной части статора и нагрева от трения о воздух. Поэтому строгий анализ процесса нагревания при относительно длительных перегрузках требует учитывать, что тепловые параметры обмотки, изоляции и стали неодинаковы, вследствие чего внутри ЭД, особенно в изоляции, имеютЕштвдвпгалзажвмпе туррнктеризуется непрерывным взаимодействием между металлом обмоток, изоляцией, сталью сердечников статора и ротора, элементами крепления обмоток, охлаждающей средой. На процессы нагрева влияют разные условия охлаждения стержней обмотки и эффект вытеснения тока, вызываемого полями рассеяния. Полный учет всех факторов практически невозможен. Поэтому анализ нагревания и охлаждения обмоток основывается на ряде допущений, основными из которых являются [99]: - температура окружающего воздуха неизменна в течение всего неустановившегося теплового режима;
Разработка технических требований к многоканальной системе мониторинга электропривода
Знание основных параметров, текущих режимов и условий эксплуатации асинхронного двигателя является обязательным условием для определения его технического состояния. Важнейшим параметрами АД являются токи и напряжения трех его фаз. Информация об их форме и амплитуде позволяет косвенно определить несимметрию токов и напряжений, температуру обмоток двигателя, напряженность электрического поля, воздействующую на изоляцию обмоток, нагрузку двигателя. Важной характеристикой условий эксплуатации АД служит температура окружающей среды, ограничивающая его полную мощность при гарантированных показателях надежности.
Определим основные требования к системе сбора данных. Модуль системы сбора данных должен выполнять следующие функции: - использовать сигналы трансформаторов тока (ТТ); - использовать сигналы трансформаторов напряжения (ТН); - использовать сигналы датчика температуры; - использовать сигналы датчика вибрации; - аналого-цифровое преобразование входных аналоговых сигналов; - восстановление формы сигнала при погрешностях первичных ТТ; - расчет действующих значений первой гармонической составляющей входных сигналов; - расчет действующих значений токов с учетом гармонических составляющих входных сигналов; - обслуживание логической схемы устройства; - индикация состояния устройства; - опрос управляющих кнопок; - обслуживание каналов связи; - непрерывный оперативный контроль работоспособности (самодиагностику) в течение всего времени работы; - блокировку всех выходов при неисправности устройства для исключения ложных срабатываний.
Элементная база входных и выходных цепей должна обеспечивать совместимость устройства с любыми устройствами защиты и автоматики разных производителей - электромеханическими, электронными, микропроцессорными (КМОП совместимые по уровню), а также сопряжение со стандартными каналами телемеханики (например, RS-485).
На рисунке 4.2 приведена структурная схема микропроцессорной системы сбора данных, которая является низшим звеном в автоматизированной многоканальной системе мониторинга асинхронных двигателей.
Данное устройство располагается в непосредственной близости от асинхронного двигателя. Датчики устанавливаются на АД в отключенном состоя ний, но без демонтажа последнего. Датчиками тока являются трансформаторы тока, рассчитанные на ток, равный 5 1НШ. Это необходимо для точного измерения тока в режиме пуска, при сохранении достаточной точности измерения тока в номинальном режиме работы, используя программное переключение внутреннего опорного напряжения АЦП перед пуском двигателя (при условии, что пусковой ток не превышает 8 1НШ).
Датчиками напряжения могут являться как трансформаторы напряжения, так и резистивные делители (1:240), при условии, что их максимальные выходные сигналы будут сопоставимы с максимальными сигналами датчиков тока (при максимальном протекающем токе, выходной сигнал датчика 1В), иначе необходим дополштгельный блок согласования уровней. Для получения информации об окружающей среде используется интегральный датчик температуры (AD22100AT). Для измерения вибрационного состояния электрического двигателя - интегральный датчик вибрации (датчик ускорения ММЛ220 фирмы Motorola),
Выходные сигналы всех датчиков по уровню не должны превышать опорного напряжения АЦП (1В). Принципиальная электрическая схема системы сбора данных представлена на рисунке 4.3.
Первичная информация о двигателе и окружающей среде поступает с датчиков на входы мультиплексора [74НС405Щ, каналы которого переключаются по команде микроконтроллера, С мультиплексора сигнал с выбранного датчика поступает на вход блока согласования уровней (БСУ), имеющего большое входное сопротивление, для уменьшения погрешности, вызванной падением напряжения внутри мультиплексора, внутреннее сопротивление канала которого имеет конечное значение.
