Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы диагностирования электроприводов переменного тока 10
1.1. Тенденции развития электроприводов металлургического производства 10
1.2. Диагностирование электроприводов переменного тока 13
1.3. Физические принципы диагностирования АД 19
1.4. Проблемы диагностирования состояния короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей 21
1.5. Диагностика АД по спектру модуля обобщенного пространственного вектора статорного тока 24
1.6. Постановка задач исследований и выбор методики моделирования. 28
Выводы 30
Глава 2. Разработка конечно-элементной математической модели ад 32
2.1. Теория электромагнитного поля в электротехническом приложении 32
2.2. Основы метода конечных элементов 40
2.3. Конечно-элементная модель АД 45
2.3.1. Базовые уравнения, упрощения и допущения 45
2.3.2. Сетка конечных элементов 48
2.3.3. Электромагнитный вращающий момент двигателя 52
2.3.4. Математическое описание обмоток двигателя 56
2.3.5. Формирование глобального матричного уравнения 69
3.3.1. Обобщенный алгоритм моделирования 71
Выводы 73
Глава 3. Исследование особенностей пусковых режимов ад при повреждении ротора 74
3.1. Основные признаки адекватности модели реальным процессам 74
3.2. Описание экспериментальной установки и исходные данные для моделирования 75
3.3. Исследование процессов в двигателе при заторможенном роторе 79
3.4. Прямой пуск двигателя 81
3.5. Прямой пуск двигателя с обрывом стержней ротора и установление адекватности модели реальным процессам 86
3.6. Основы вейвлетных преобразований 93
3.7. Физические принципы диагностирования обрыва стержня ротора АД по модулю обобщенного вектора пускового тока статора 100
Выводы 102
Глава 4. Практические аспекты диагностирования повреждений ротора ад в пусковых режимах 104
4.1. Общая идея проводимых исследований 104
4.2. Исследование влияния числа оборванных стержней на диагностирование повреждений ротора АД в пусковых режимах 104
4.3. Исследование влияния нагрузки на диагностирование обрыва стержня ротора АД в пусковых режимах 118
4.4. Исследование влияния несимметрии питающего напряжения на диагностирование обрыва стержня ротора АД в пусковых режимах 122
4.5. Использование вейвлет-преобразований для исследования переходных режимов работы АД при наличии неисправностей 125
Выводы 131
Заключение 133
Литература 134
- Тенденции развития электроприводов металлургического производства
- Теория электромагнитного поля в электротехническом приложении
- Основные признаки адекватности модели реальным процессам
- Общая идея проводимых исследований
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях современного производства все большее внимание уделяется решению задач по повышению надежности электроприводов технологических агрегатов. Наиболее массовыми в промышленности являются асинхронные электроприводы. Общеизвестно, что эксплуатация электродвигателей, находящихся в неудовлетворительном техническом состоянии приводит как к прямым финансовым потерям, связанным с непрогнозируемым выходом из строя оборудования, так и к косвенным непродуктивным затратам электроэнергии, а внезапный выход из строя двигателя может привести к более тяжелым последствиям в техносфере.
В целом, следует отметить, что вопросы энерго- и ресурсосбережения в промышленности в значительной степени могут решаться на основе диагностирования оборудования, и в первую очередь, за счет обнаружения дефектов в асинхронных электродвигателях на ранней стадии их возникновения.
Регламентация ремонта электрических машин по системе планово-предупредительных ремонтов (ППР) в настоящее время изживает себя. Основным недостатком данной системы является то, что планирование ремонтов производится исходя из эмпирически подобранных сроков, которые не всегда отражают реальное состояние оборудования и часто научно не обоснованы. Разработка и внедрение современных диагностических систем позволяет перейти на качественно новую основу организации обслуживания и ремонтов, а именно на основе оценки фактического состояния оборудования. Такой подход является наиболее рациональным и позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы и затраты на ремонт оборудования.
В настоящее время диагностические процедуры в электротехнических комплексах проводятся после остановки оборудования и традиционно заключаются в измерении сопротивления изоляции и обмоток двигателя. При этом осуществляется контроль смазки подшипниковых узлов и их состояние, а также проводятся другие мероприятия, регламентированные инструкциями по эксплуатации. Для диагностирования в рабочем режиме все большее распространение получают виброакустические методы. Однако создание виброакустических систем диагностирования сопряжено с определенными организационными и техническими трудностями. Они обусловлены тем, что необходимы для этих целей внедрение специальных датчиков и соответствующей измерительной техники.
Альтернативой виброакустическим методам является токовая диагностика, осуществление которой не требует установки дорогостоящих датчиков. Теоретические предпосылки для развития данного направления обусловлены тем, что любое отклонение технического состояния, связанное с развитием дефектов в электромеханической системе, вызывает изменение формы и величины статорного тока АД. Однако вопросы идентифицирования неисправностей по токовым сигналам требуют разработки научно обоснованных методов диагностирования с применением современных математических средств обработки сигналов. При этом особая роль отводится обнаружению дефектов в электродвигателях на ранней стадии их возникновения.
В целом необходимо подчеркнуть, что решение проблем технической диагностики электромеханических систем является важной составной частью государственной программы энерго- и ресурсосбережения в РФ.
Целью работы является повышение эксплуатационной надежности электроприводов переменного тока агрегатов промышленного производства на основе разработки методологической основы для идентификации диагностических признаков неисправностей и дефектов в двигателе.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:
– анализ современного состояния систем и методов диагностирования электроприводов переменного тока и определение перспективных направлений реализации диагностических систем;
– разработка конечно-элементной модели асинхронного двигателя, позволяющей имитировать дефекты в двигателе и исследовать их влияние на электромагнитные и электромеханические процессы в различных режимах работы.
– проведение теоретических и экспериментальных исследований АД в пусковых режимах с заданным дефектом и определение признаков его идентификации.
– разработка метода диагностирования заданного дефекта на основе спектрального анализа временных диаграмм изменения модуля обобщенного вектора тока статора, рассчитанного по мгновенным значениям фазных токов двигателя.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались основные положения теории электромагнитного поля в электротехническом приложении, теория электропривода, методы математической обработки сигналов и математического моделирования, реализованные в современном программном пакете системы Matlab. Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке, позволяющей имитировать обрывы стержней ротора. Обработка расчетных и экспериментальных данных проводилась посредством математических пакетов системы Matlab.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты анализа состояния проблем в области диагностирования асинхронных электродвигателей и обоснование выбора наиболее целесообразного направления исследований;
2. Конечно-элементная модель асинхронного двигателя, позволяющая исследовать электромагнитные и электромеханические процессы в нестационарных режимах при имитации различных дефектов в двигателе на уровне изменения свойств и размеров отдельных конечных элементов.
3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований АД в пусковых режимах и обоснование возможности диагностирования неисправностей асинхронных электродвигателей в динамических режимах работы.
4. Метод диагностирования дефектов в короткозамкнутом роторе на основе обработки токовых осциллограмм АД с использованием вейвлет-преобразований и спектрального анализа.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются возможностью практической реализации разработанного метода диагностирования обрывов стержней ротора по осциллограммам статорного тока АД в пусковом режиме. В основе математической модели АД лежат непосредственно уравнения Максвелла, наиболее точно отражающие процессы в двигателе. По данным экспериментальных исследований установлено, что результаты моделирования типовых электромеханических процессов соответствуют реальных процессам в двигателе. Кроме того, на основе исследований АД в пусковом режиме при наличии обрывов стержней ротора установлено соответствие между результатами моделирования и эксперимента на уровне спектрального анализа временных диаграмм изменения модуля обобщенного вектора тока статора и применения .
Научная значимость и новизна работы.
В процессе решения поставленных задач были получены следующие научные результаты:
– Обоснование комплексного подхода к разработке методов диагностирования, который позволяет расширить научную базу для создания современных систем диагностирования электроприводов переменного тока в различных режимах работы АД.
– Разработанная конечно-элементная математическая модель АД, реализованная виде компьютерной программы, позволяет имитировать различные дефекты в АД в стационарных и нестационарных режимах и проводить исследования влияния их на электромагнитные и электромеханические процессы в двигателе.
– На основе теоретических и экспериментальных исследований получены результаты, подтверждающие возможность диагностирования обрывов стержней ротора в пусковых режимах работы с использованием осциллограмм модуля обобщенного вектора тока статора.
– На основе вейвлет–преобразований и спектрального анализа расчетных и экспериментальных осциллограмм модуля обобщенного вектора тока статора установлено, что наиболее характерным признаком обрыва стержней ротора в режиме пуска АД является появление во временных диаграммах модуля обобщенного вектора тока статора дополнительных составляющих в области изменения скольжения двигателя от 1 до 0,5.
Практическая ценность и реализация работы заключается в том, что в результате проведенных исследований:
Разработан метод диагностирования обрывов стержней ротора, который позволяет в отличии от известных идентифицировать данный дефект непосредственно в пусковом режиме АД, независимо от нагрузки на валу двигателя.
Предложенная конечно-элементная математическая модель АД может быть использована в качестве базовой для дальнейших исследований в области разработки новых методов диагностирования АД. Данная модель может быть адаптирована для решения задач проектирования электрических машин.
Работа выполнялась в рамках гранта ФЦП, № НК-66П «Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» в рамках мероприятия 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук» по проблеме «Создание и внедрение энергосберегающих систем управления электроприводами переменного тока оборудования металлургических агрегатов на ОАО «ММК»
Разработанная конечно-элементная математическая модель АД является учебно-научно-практической базой в среде подготовки современных специалистов по направлению «Электроэнергетика и электротехника» по профилю подготовки «Электропривод и автоматика механизмов и технологических комплексов» и может быть рекомендована для внедрения в учебный процесс при изучении дисциплины «Электрические машины» подготовки магистров по проблемам диагностирования электротехнических комплексов и систем. Результаты работы приняты к внедрению в ЛПЦ-9 на стане 5000 для реализации в составе системы диагностирования электроприводов переменного тока и мониторинга их состояния.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы в полном объеме докладывались на объединенном научном семинаре энергетического факультета и факультета автоматики и вычислительной техники ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет». Отдельные разделы работы были представлены для обсуждения на 66-й, 67-й научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ» и ОАО «ММК», 68-й конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2008, 2009, 2010г.), третьем международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2010г.) и Международной научно - практической конференции (Пенза: Приволжский Дом знаний, 2010г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных статей, докладов и тезисов, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 81 наименований и содержит 1 приложение. Работа изложена на 136 страницах, содержит 57 рисунков и 5 таблиц.
Тенденции развития электроприводов металлургического производства
Проведем анализ основных тенденций в электроприводе на примере реверсивного широкополосного стана 5000 девятого листопрокатного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК»). С точки зрения диагностики данный анализ целесообразно проводить с позиций режимов работы электропривода и предъявляемых к нему критериев надежности. Режим работы электропривода напрямую влияет на выбор методики диагностики не зависимо от вида анализируемых диагностических сигналов (токовые, акустические и т.д.). В случае если технологический процесс позволяет выделить участки статического режима в работе электропривода, то есть при постоянной частоте питающего напряжения и постоянной нагрузке на валу двигателя, длительностью от нескольких десятков секунд до нескольких минут для анализа диагностических сигналов применимы алгоритмы быстрого преобразования Фурье. В противном случае, если электропривод постоянно работает в динамических режимах (частые пуски, торможения, ударные приложения нагрузки), применяют другие методы. От надежности электропривода ответственных узлов напрямую зависит качество выпускаемой продукции, число незапланированных простоев оборудования и в конечном итоге прибыль предприятия. Поэтому к диагностике таких электроприводов предъявляются более жесткие требования.
Электропривод технологического оборудования стана полностью выполнен на базе двигателей переменного тока, преимущественно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Основное оборудование стана, непосредственно задействованное в технологическом процессе, делится на горячую и холодную зоны. К горячей зоне относятся:
Транспортные рольганги района печей, гидросбива, клети и холодильника, предназначенные для транспортировки полосы, а также обеспечения режима "качания полосы", предотвращая, таким образом, перегрев ролика. Электропривод рольгангов включает в себя около трех тысяч двигателей в диапазоне мощностей от 5 до 90 кВт. Режим работы приводов одной секции рольганга (обычно 8-10 роликов) следующий: при приближении полосы к секции производится разгон роликов до определенной скорости; после приема полосы и транспортировки ее до следующей секции ролики останавливаются.
Электропривод поворотных столов включает в себя 37 электродвигателей мощностью от 80 до 90 кВт. Ролики поворотных столов расположены в шахматном порядке и при вращении в противоположные стороны обеспечивают поворот полосы на 90.
Прокатная клеть стана несет на себе основную функцию деформации металла и предания ему необходимого профиля. Главный привод клети (два двигателя мощностью 12 МВт) и привод эджеров (два двигателя мощностью 1250 кВт) выполнены на базе синхронных двигателей. Вспомогательный привод клети - асинхронные двигатели мощностью 150-350 кВт.
Главный привод машины предварительной правки полосы - три двигателя мощностью 750 кВт. Привод системы ускоренного ламинарного охлаждения — 10 тянущих роликов с двигателями мощностью 75,9 кВт каждый. Привод машины горячей правки полосы - три двигателя мощностью 813 кВт каждый. К электроприводу оборудования холодной зоны относится привод ножниц, и машины холодной правки полосы. Главный привод обрезных (концевых) ножниц — два двигателя мощностью 600 кВт, сдвоенных кромкообрезньгх ножниц и ножниц продольной резки - шесть двигателей мощностью 350 кВт и два двигателя по 400 кВт, делительных ножниц - два двигателя мощностью 800 кВт каждый. Вспомогательный электропривод ножниц сравнительно маломощный, это привода тянущих роликов, а также двигатели, обеспечивающие различные перемещения механизмов и выставку необходимых зазоров. Машина холодной правки служит для правки листа после его закалки. Электропривод машины холодной правки — пять двигателей по 239 кВт. Весь выше перечисленный электропривод является управляемым и выполнен на базе преобразователей частоты. Работа электропривода каждого узла производится преимущественно по наличию металла, то есть после выполнения данным узлом своей технологической функции привод, как правило, останавливается до прихода следующей полосы. Это обуславливает преимущественно динамический повторно-кратковременный режим работы данных приводов, что осложняет выделение участков статического режима в работе электропривода.
Помимо горячей и холодной зон отдельно выделяют электропривод вспомогательных систем стана. Весь привод вспомогательных систем выполнен на базе неуправляемых асинхронных двигателей и включает в себя:
Электропривод гидростанций служит для поддержания давления в гидравлических системах стана. Всего на стане насчитывается 11 гидростанций, 4 в горячей и 7 в холодной зоне, в каждой из которых от 4 до 13 двигателей мощностью 132 кВт. Работа стана характеризуется значительными гидроударами в гидравлических системах, что может приводить к значительным колебаниям нагрузки электропривода гидростанций во время прокатки. В свою очередь во время перевалки гидравлические системы стана работают в режиме холостого хода и гидроудары отсутствуют.
Электропривод систем смазок делится на привод систем жидких и густых смазок и систему масло-воздух. Всего на стане 9 систем жидких смазок, 16 систем густых смазок и 2 системы масло-воздух. Каждая система жидкой смазки включает в себя по 2 двигателя мощностью 4-16 кВт, система густой смазки - по одному двигателю мощностью 0,5-1 кВт, система масло-воздух — 2 двигателя по 0,3-0,55 кВт. Данные электроприводы работают преимущественно в длительных режимах с постоянной или слабо меняющейся нагрузкой. Электропривод станций заполнения маслом систем смазок включает в себя 12 двигателей мощностью 0,5-20 кВт.
Электропривод системы гидросбива, предназначенной для сбива окалины с полосы водой под большим давлением, состоит из четырех двигателей мощностью 250 кВт. Режим работы непрерывный со слабо меняющейся нагрузкой.
Исходя из сказанного выше, основные тенденции в развитии электроприводов металлургического производства с точки зрения их диагностики можно охарактеризовать следующим образом: Основной тип применяемых электродвигателей - асинхронные с короткозамкнутым ротором; С увеличением требований к надежности приводов (электропривод основного оборудования) растет число приводов работающих преимущественно в динамических режимах; В управляемом электроприводе преобладает доля приводов на базе преобразователей частоты. Непостоянство частоты питающего напряжения и большое число дополнительных гармоник в питающем напряжении осложняет диагностику таких электроприводов.
Теория электромагнитного поля в электротехническом приложении
Электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах связано с электромагнитным полем. Поэтому анализ электромагнитного поля имеет важное значение для понимания процессов, протекающих в электрических машинах. Для развития теории электрических машин решающее значение имели работы М. Фарадея и его физические представления о магнитном поле. В 60-х годах девятнадцатого столетия Дж. Максвелл, основываясь на идеях Фарадея об электрическом и магнитном полях, обобщил законы, установленные экспериментальным путем, и разработал законченную теорию единого электромагнитного поля.
Второе уравнение выражает закон электромагнитной индукции, согласно которому всякое изменение индукции магнитного поля в во времени возбуждает вихрь напряженности электрического поля Е в этой же точке. Третье уравнение описывает связь между напряженностью и индукцией магнитного поля. В ферромагнетиках эта связь является нелинейной. Четвертое уравнение представляет собой закон Ома в дифференциальной форме и связывает плотность тока проводимости с напряженностью электрического поля в данной точке. Последнее уравнение описывает непрерывность силовых линий магнитного поля. Непосредственное решение системы уравнений (2.2) связано с большими математическими трудностями в связи со сложной конфигурацией разнородных сред и сложной картиной распределения токов в активном пространстве электрической машины. Задачу упрощают использованием дополнительных функций - электродинамических потенциалов. Вектор индукции магнитного поля принято определять как вихрь некоторого вектора А, называемого векторным потенциалом магнитного поля:
Поскольку для любой векторной функции и = и(г) или u-u{r, t) справедливо div(rot(u)) = 0 [50], то выражение (2.3) удовлетворяет уравнению Максвелла для дивергенции вектора магнитной индукции системы (2.2).
Первое слагаемое в (2.6) обусловлено вихревыми токами проводимости, которые возникли в исследуемой области в результате явления электромагнитной индукции. Второе слагаемое обусловлено сторонними токами проводимости безвихревого электрического поля, источник которого лежит вне исследуемой точки пространства.
В большинстве случаев электромагнитное поле в пределах активного пространства двигателя можно считать плоскопараллельным, то есть в любом поперечном сечении машины картина поля остается неизменной. Если ориентировать оси X и Y системы координат в плоскости поперечного сечения машины, а ось Z - по оси ее вала, то векторный магнитный потенциал и вектор плотности тока будут направлены параллельно оси вала машины, а вектор индукции магнитного поля будет лежать в плоскости ее поперечного сечения.
При использовании уравнений (2.16)-(2.17) для расчета магнитного поля конкретного физического устройства необходимо отыскивать не всю совокупность решений, которых бесконечное множество, а лишь частные решения при определенных дополнительных условиях, которые делают решение однозначным. К таким условиям относятся начальные условия, задающие значения искомой функции или ее производной в начальный момент времени и дополнительные условия на границе исследуемой области для искомой функции, называемые граничными условиями. Задачи по отысканию решения уравнений с заданными граничными условиями называются краевыми задачами. Различают следующие виды граничных условий:
Граничные условия первого рода — это такие граничные условия, когда на границах исследуемой области заданы значения искомой функции. Граничные условия первого рода называются условиями Дирихле.
Граничные условия второго рода - это такие граничные условия, когда на границах исследуемой области заданы значения производных искомой функции по нормалям к границам исследуемой области. Граничные условия второго рода называются условиями Неймана. Граничные условия третьего рода — это такие граничные условия, когда на границах области задана линейная комбинация условий первого и второго рода.
Все методы решения уравнений электромагнитного поля подразделяются на две категории: аналитические и численные [52-53]. В первой категории решением является алгебраическое уравнение, в которое подставляют значения параметров, определяющих поле. Во второй категории решение имеет вид совокупности численных значение описывающей поле функции для одной частной совокупности значений параметров. Достоинство аналитических методов заключается в возможности получить общее решение, которое позволяет составить полное представление о влиянии различных параметров. В противоположность этому при использовании численных методов необходимо выполнить расчет для каждой совокупности значений параметров и их недостаток состоит в том, что общая картина часто может быть получена только ценой большого количества расчетов. Однако в некоторых задачах, где можно применить аналитические методы, решение с их помощью может быть настолько сложным, а расчеты настолько трудоемкими, что численные методы окажутся более простыми и быстрыми. К наиболее распространенным аналитическим методам относятся метод разделения переменных (метод Фурье) и метод конформных отображений [53]. Из численных методов наибольшее распространение получили метод конечных разностей [53] и метод конечных элементов [54-55]. Для расчета установившихся и переходных режимов работы электрических машин широко применяется также метод зубцовых контуров [56].
Основные признаки адекватности модели реальным процессам
Главным признаком доказательства адекватности предложенной модели АД является установление сходства качественных и количественных характеристик, полученных на основе модели и результатов натурного эксперимента или полученных на основе проверенных моделей, в которых реализованы аналогичные процессы. Существует достаточно много типовых процессов, в которых отражены основные расчетные показатели и временные диаграммы изменения токов, напряжений, электромагнитного момента, мощности, угловой скорости вращения в таких режимах, как например, пуск электродвигателя, ударное приложение нагрузки, а также стационарные процессы, протекающие при различных моментах сопротивления АД. Каждая из указанных кривых, полученных на модели, является типовой в том смысле, что характер изменения их во времени не зависит от параметров отдельного двигателя, а является характерной для любого электродвигателя этого класса.
Целью проводимых исследований является выявление особенностей переходных режимов пуска АД при наличии обрывов стержней ротора по результатам моделирования и физического эксперимента. Параллельно планируется провести сравнение экспериментальных и расчетных данных с целью установления адекватности предложенной модели реальному двигателю посредством проведения цепочки исследований, в которой осуществляется переход от простейших процессов к более сложным. Таким образом, в рамках данных исследований предлагается последовательно провести моделирование процессов, начиная от расчетов режимов короткого замыкания двигателя и заканчивая расчетом пусковых режимов АД при различном числе оборванных стержней ротора и сравнить их с экспериментальными данными.
Для экспериментальных исследований особенностей процессов пуска асинхронного двигателя при наличии в нем обрывов стержней ротора, а также для установления адекватности разработанной модели исследуемому АД была изготовлена экспериментальная установка, схема которой изображена на рис. 3.1. Двигатель питается от трехфазной сети 380В. Нагрузкой двигателя служит сопряженный с его валом вентилятор. Сигналы фазных токов снимаются с шунтов 75ШСММЗ-20-0,5 и подаются на модуль гальванической развязки. Фазные напряжения АД снимаются с делителей, выполненных на резисторах Ri - R , с коэффициентом деления 1/20. Модули гальванической развязки выполнены на базе операционных усилителей с оптоизолированным входом и служат для предотвращения попадания высоких потенциалов на входы АЦП. Одновременно модули гальванической развязки выполняют роль низкочастотных фильтров сигналов с частотой среза 240Гц для предотвращения появления дополнительных составляющих в сигналах токов и напряжений при их оцифровке [71]. С модулей гальванической развязки сигналы подаются на аналоговые входы многоканального АЦП J1A-20USB, где они оцифровываются с частотой опроса 8кГц. Кроме того в экспериментальной установке предусмотрен датчик скорости, представляющий собой инфракрасный диод с фотоприемником и соответствующей схемой обвязки. Диод и фотоприемник устанавливаются по разные стороны лопастей вентилятора таким образом, что при вращении двигателя на выходе датчика формируются импульсы близкие по форме к прямоугольным. Импульсы с датчика скорости также подаются на один из аналоговых входов АЦП. С выхода АЦП оцифрованные данные по интерфейсу USB передаются в персональный компьютер с установленным специализированным программным обеспечением ADCLab для записи и отображения оцифрованных данных.
В качестве базового для проведения экспериментальных исследований и расчетов на модели был принят асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4АХ80А4КУЗ, основные параметры которого приведены в табл. 3.1 [41]. На рис. 3.2 приведены используемые при моделировании геометрические размеры поперечного сечения исследуемого АД.
Одним из типовых процессов, используемым при последовательном установлении адекватности работы модели реальным процессам в двигателе, является «опыт короткого замыкания». Исследование процессов в двигателе при заторможенном роторе позволяет установить правильность отражения электромагнитных процессов и связей между обмотками двигателя через магнитное поле отдельно от электромеханических процессов, возникающих при вращении ротора. На рис. 3.3 представлены экспериментальные и расчетные кривые фазного напряжения и тока для одной фазы исследуемого АД, полученные в ходе опыта короткого замыкания при кратковременном включении двигателя в сеть на полное напряжение. Как видно из приведенных осциллограмм, полученных как экспериментально, так и с помощью модели, после окончания короткого переходного процесса характер изменения тока в фазе двигателя соответствует характеру процессов в RL-цепи. Это говорит о правильном качественном отражении моделью электромагнитных процессов в заторможенном двигателе. Основные результаты, показывающие количественное соответствие рассматриваемых процессов сведены в табл. 3.2. Кроме того, в таблице показана величина ошибки между значениями.
Общая идея проводимых исследований
Вейвлетные преобразования позволяют отдельно рассмотреть составляющие сигнала модуля обобщенного вектора тока статора, лежащие в разных частотных областях. Для этого исходный сигнал был подвергнут разложению с помощью вейвлета Добеши (рис. 3.16), а затем отдельные составляющие сигнала были восстановлены с помощью процедуры обратного вейвлет-преобразования из коэффициентов декомпозиции соответствующих уровней. Результаты разложения на составляющие расчетных осциллограмм обобщенного вектора тока статора (рис. 3.10) приведены на рис. 4.1-4.5. На рис. 4.6-4.8 приведены соответствующие результаты для экспериментальных осциллограмм (рис. 3.13).
На данных рисунках изображены графики составляющих сигнала, восстановленных из коэффициентов декомпозиции уровней D5-D8, D4, D3 и D1-D2, а также исходный сигнал и тренд сигнала, полученный вычитанием из исходного сигнала составляющих, восстановленных по коэффициентам разложения D1-D8. Проанализируем поведение отдельных составляющих модуля обобщенного вектора тока статора при обрыве различного числа стержней ротора.
Из расчетных осциллограмм видно, что при появлении обрыва одного стержня значительно повышается амплитуда колебаний на уровнях декомпозиции D1-D4, причем увеличение числа оборванных стержней не ведет к дальнейшему значительному увеличению амплитуды данных колебаний. Данную особенность можно объяснить следующим образом: токи в пазах статорной обмотки и в стержнях ротора стремятся к тому, чтобы создаваемые ими магнитные поля были направлены встречно и компенсировали друг друга. Прохождение оборванного стержня (без тока в нем) вблизи определенного паза статора приводит к увеличению магнитного поля, создаваемого током этого паза. Ток в пазе статора несколько уменьшается, противодействуя по закону Ленца увеличению магнитного поля. Далее, при прохождении вслед за оборванным стержнем вблизи рассматриваемого паза статора первого исправного стержня происходит обратный процесс - некоторое увеличение тока в пазе противодействует уменьшению магнитного поля вблизи паза полем тока стержня. При этом амплитуда данных пульсаций статорного тока будет главным образом определяться токами в последнем исправном стержне, следующем перед первым оборванным стержнем, и в первом исправном стержне, следующем за последним оборванным стержнем, а не числом оборванных стержней. Для экспериментальных осциллограмм составляющие на уровнях разложения D1-D4 имеют значительную амплитуду и для исправного двигателя. Это объясняется неизбежным присутствием в двигателе незначительных конструктивных отклонений, например небольших отклонения размеров пазов статора и ротора, что не было учтено при моделировании исправного двигателя, а также наличием в сигнале помех. Все это говорит о том, что среди составляющих модуля обобщенного вектора статорного тока на уровнях разложения D1-D4 не удается выделить диагностических признаков обрыва стержня ротора.
Рассмотрим составляющие сигнала на уровнях D5-D8 вейвлет-разложения. Будем условно называть данные составляющие сигнала низкочастотной областью или низкочастотными составляющими модуля обобщенного вектора тока статора. В данный частотный диапазон попадает и рассмотренная ранее дополнительная составляющая в модуле обобщенного вектора статорного тока,, вызванная обратным полем поврежденного ротора (рис. 3.17). Из приведенных графиков видно, что сигнал в низкочастотной области однозначно реагирует на увеличение числа оборванных стержней ротора увеличением амплитуды пульсаций. Это справедливо как для расчетных, так и для экспериментальных данных. Для того чтобы количественно проанализировать данные пульсации предлагается воспользоваться установленным в предыдущем разделе фактом изменения поведения сигнала при прохождении им момента времени, когда скольжение достигает значения 0,5. То есть будем отдельно анализировать спектральный состав низкочастотной составляющей в области I, где 1 S 0,5, и в области II, где 0,5 S Sycm. На рис. 4.9 и 4.10 представлены соответствующие спектры для расчетных и экспериментальных данных.
Как видно из представленных спектров изменение частотных характеристик осциллограмм модуля обобщенного вектора тока статора при повреждении ротора наиболее значимо проявляется в диапазоне изменения скольжений 1 S 0,5. В связи с чем, в качестве диагностического признака повреждений ротора предлагается использовать отношение величины максимума в спектре на частоте /в, обусловленного повреждением ротора, к величине максимума на частоте питающего напряжения//.
Анализ спектрального состава низкочастотных составляющих временных диаграмм изменения модуля обобщенного вектора тока статора пуска АД, полученных восстановлением из коэффициентов 5-8-го уровней вейвлет разложения сигнала, показывает качественное соответствие экспериментальных и расчетных данных. Что касается количественной оценки, то здесь выявлены некоторые несоответствия — отличия величин максимумов в соответствующих спектрах. Это объясняется, прежде всего, тем, что токи через высверленные в роторе стержни не равняются нулю. Это вызвано появлением дополнительных контуров роторных токов в реальном двигателе, проходящих по оборванным стержням и замыкающихся через пластины стали ротора. Практически измерить величину данных токов не представляется возможным. Поэтому в модели был произведен достаточно грубый учет этих токов изменением проводимости оборванных стержней. Величина дополнительных токов в оборванных стержнях может значительно отличаться для каждого конкретного случая, поэтому цель достижения количественного соответствия на данном уровне между результатами расчетов и экспериментов не ставилась.
Похожие диссертации на Разработка метода диагностирования АД на основе конечно-элементной модели
