Введение к работе
Актуальность проблемы. Надежность электрических двигателей общепромышленного применения- по всем отраслям промышленности, включая горную, низка. В отдельных случаях ежегодно выходит из строя и ремонтируется до" 30% парка . используемых. на производстве электрических машин. Техника испытаний в условиях ремонтных предприятий не позволяет определять реальную нагрузочную способность изделия, его фактические параметры. Необходимость их определения вызвана следующими обстоятельствами. Конструктивные материалы по своим характеристикам (сталь, медь), входящие составной частью в отремонтированную машину, как правило, отличаются от тех удельных показателей, которые характерны для электрической машины, выпущенной заводом изготовителем. С одной стороны изменяются характеристики стали в процессе предремонтной термической обработки, а также вследствии проявлений аварийных режимов, .приведших к выходу из строя двигателя. С другой стороны, сопротивления активных элементов отличаются из-за технологических особенностей изготовления обмотки, а также из-за того, что в настоящее время обмоточный провод частично готовится непосредственно на предприятиях путем переплавки меди находившейся в эксплуатации, прокатки, изоляции ее.и т.п., что приводит к увеличению примесей и, как следствие, к .росту удельных потерь. Достаточно часто в процессе ремонта вносят некоторые конструктивные изменения в части крепления сбмоток и т.п., что ухудшает охлаждение. Указанные обстоятельства приводят к необходимости определения реальной нагрузочной способности машин, выходящих из ремонта.
Качественно эта операция. может- быть осуществлена в ходе испытания
под нагрузкой с целью определения температуры обмоток и других частей
машины. "...
Технологический процесс, в условиях элёктроремонтных предприятий отличается поступлением в производство машин самых разнообразных конструкций и мощностей. Испытание под нагрузкой в таких условиях требует создания целого ряда нагрузочных стендов, специализированных устройств оснастки с . целью формирования нагрузки по схемам, находящихся в настоящее время в эксплуатации на (в основном по методу взаимной нагрузки). .
Решение задачи поточной проверки двигателей под нагрузкой возможно
на пути разработки и создания принципиально нового оборудоваши для
нагружения, которое отвечало бы требованиям высокой
производительности,, малого объема ручных операций, высокой энергетической эффективности, отсутствия дополнительной оснастки, универсальности, значительного объема диагностической информации ( высокой информативности ).
Степень исследования тематики диссертации. Научные исследования автора по системам нагружения касаются статических режимов в устройствах взаимного нагружения и с прямым преобразователем энергии. Исследования динамики электромеханических систем сосредоточены в направлении достижения технологического эффекта: быстродействия, точности, плавности, диапазона регулирования. Использование периодических неустановившихся режимов, как средства для создания испытательной нагрузки, а также исследование в этом направлении начаты впервые автором применительно к электроремонтному делу, что закреплено охранными документами и публикациями. Работы других авторов, опубликованные в последние годы отражают интерес к системам динамического нагружения и не содержат сведений об исследованиях, отличающихся глубиной теоретических обобщений, выводов и рекомендаций. ^
Целью работы является разработка способов нагружения электрических машин при послеремонтных испытаниях, отличающихся высокой производительностью п эффективностью, отсутствием операций соединения вала двигателя со вспомагательными машинами и дополнительной механической остнастки, создание на этой основе систем нагружения, обеспечивающих определениг реальных- параметров и рабочих характеристик испытуемых двигателей.
Идеи работы заключается в обосновании возможности использования энергообменных процессов между двигателем и сетью или другими преобразователями энергии при периодических воздействиях на цепи питания и возбуждения, как средства для создания систем динамического нагружения, развития их теории с ' целью выявления закономерностей получения нагрузочных режимов, разработки на ее базе разнообразных методов и средств для формирования требуемых параметров нагрузки промышленных двигателей всех типов, выявления особенностей работы источников питания нагрузочных систем, разработки методов и средств для повышения их энергетических показателей, определения требований и путей создания измерительных комплексов, как составной части создаваемого оборудования.
Научная проблема состоит в обосновании принципа динамического нагружения, разработке способов управления электромеханической системой, установление взаимосвязей между характером энергообменных процессов и параметрами испытуемых электрических машин, разработке на этой основе метода диагностики электродвигателей по энергетическим критериям.
Задачи, решаемые в диссертации. 1. Научное обоснование возможности создания и приминения систем
5 нагружения, базирующихся на периодических энергообменных процессах между двигателем и источником питания для условий электроремонтных предприятий.
-
Исследование процессов преобразования энергии в системах динамического нагружения с целью определения управляющих воздействий, и принципов создания устройств формирования нагрузочных режимов электродвигателей.
-
Исследование энергообменных процессов ме;кду двигателем и сетью для выявления взаимосвязей характеристик энергопроцессов с параметрами испытуемых электрических машин, определения на этой основе их диагностических признаков и рабочих параметров.
-
Разработка методики определения параметров источников питания систем динамического нагружения для различных параметров нагрузочных режимов.
-
Разработка требований и принципов построения измерительно-диагностических комплексов как составной части систем динамического нагружения, позволяющих реализовать измерительные и управляющие функции, осуществить диагностику параметров электродвигателей по энергетическим критериям.
-
Разработка методов и средств улучшения энергетических показателей источников питания, как специфических потребителей в условиях электроремонта и испытания двигателей с различными техническими характеристиками.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту. Положения.
1. Общеизвестно, что низкая надежность электродвигателей,
прошедших стадию электроремонта вызвана тем, что их параметры и
нагрузочная способность отличаются от заводских и расчетных из-за
условий предшествующей эксплуатации и особенностей технологического
процесса ремонта. Наряду с известными, одной из причин низкой
надежности электродвигателей, прошедших стадию электроремонта,
является несоответствие их реальной нагрузочной способности и
фактической эксплуатационной нагрузки,' возникающей вследствие
ухудшения характеристик материалов (преимущественно стали) в ходе
предшествующей эксплуатации или из-за особенностей технологического
процесса ремонта. Коррекция эксплуатационной нагрузки, как
мероприятие для повышения надежности электродвигателей, может быть
осуществлено по результатам испытаний, обеспечивающих определение
реальных характеристик и фиктической нагрузочной способности
электрических машин. '
2. Известно, что на электроремонтных предприятиях ремонтируются электродвигатели различных конструкций,. Диагностика
параметров и определение динамических характеристик электродвигателей в условиях электроремонтных предприятий, характерезующихся разнообразием конструкций и. мощности ремонтируемых электрических машин может быть'осуществлено в схемах нагружения, базирующихся на энергообменных процессах между двигателем и источником питания и исключающих механическое соединение вращающихся частей двигателя со вспомогательными машинами, закрепление электрических машин и дополнительную оснастку.
-
Доказано, что динамическое нагружение электродвигателей заключается в периодическом изменении его энергетического состояния, включающего в себя энегрию вращающихся частей и энергию магнитных полей обмоток. Формирование угфавляющих воздействий, направлеКных на управление энергетическим состоянием, позволяет создать устройства нагружения г отличающиеся своими взможностямн в части нагрузочных режимов и объема инфоомашш для диагностики параметров и определения нагрузочой способности.
-
В основе энергообменных процессов между нагружаемым двигателем и сетью находится баланс мгновенных значений компонент составляющих полной мощности источника питания и элементов схемы замещения электрических 'машин. Уравнения баланса включают информацию о качественных характеристиках нагружаемой машины (ее. неисправностей), позволяют получить показатели режима нагружения без измерения не электрических величин. Уравнения энергобаланса могут быть основой математического аппарата для создания измерительно диагностических комплексов как составной части систем динамического нагружения.
5. Источники питания систем нагружения с вентильными
преобразователями при испытании под нагрузкой двигателей с различными
параметрами должны включать несколько модулей преобразовательных
устройств, что в сочетании с электродвигателями с несколькими каналами
управления позволяет создать системы с активными функциями
формирования режимов электропотребления - параметров потребляемой
реактивной мощности, снижения уровней гармоник тока и напряжения в
питающей сети, взаимной компенсации гармоник тока нескольких,
работающих параллельно от сети, преобразователей. Реализация активнах
функций формирования энергопотребления в сочетании с накопительно-
компенсирующими устройствами >позволяет отказываться от
дополнительных мер по улучшению электромагнитной совместимости
тиристорвых преобразователей и питающей сети при нагружешш
двигателей большой мощности.
Результаты.
1. Способы и устройства нагружения с одновременным воздействием на напряжение питания и ток возбуждения двигателей
постоянного тока, совместного нагружения нескольких электродвигателей, асинхронных двигателей с модуляцией напряжения,, синхронных двигателей в естественной схеме включения с модуляцией возбуждения и в схеме вентильного двигателя.
-
Способы и устройства формирования момента вентильного двигателя путем регулирования тока якоря на межкоммутационном интервале инвертора, позволяющие реализовать квазидинамическое нагружение, изменять эксплуатационные характеристики двигателей.
-
Описание процессов нагружения с воздействием на поток двигателей постоянного тока, позволившее выявить закономерности преобразования энергии и связь их с диагностическими признаками нагружаемых машин.
-
Основные принципы построения и требования к измерительно-диагностическому комплексу, включаещему функции измерения параметров нагрузочного режима, управления нагрузочным режимом и диагностики параметров электродвигателей при максимальном информационном обеспечении и по энергетическим критериям.
-
Методы и устройства улучшения энергетических показателей источников питания систем нагружения, базирующихся на глубоком реактировании и последовательном включении вентильных групп преобразователей, геометрическом суммировании и взаимной компенсации гармоник тока в питающей сети.
Научная новизна работы состоит:
1. В выявлении причинно-следственных связей между надежностью
электрических машин, прошедших стадию элекгроремонта и особенностями
технологии ремонта. Выявленные связи положены в основу научных
положений, обоснования разработки нагрузочных систем, базирующихся
на энергообменньгх процессах между двигателем и источником питания.
2. В теоретическом обосновании и разработке метода качественной
оценки эффективности динамического нагружения, базирующегося на
изменении энергетического состояния двигателя путем формирования
управляющих воздействий на источники питания силовых цепей и
возбуждения. Обоснование позволило выявить особенности формирования
режимов нагружения и явилось предпосылкой создания способов и-
устройств динамического нагружения двигателей постоянного и
переменного тока.
3. В развитии теории энергообменных процессов между нагружаемым
двигателем и источником питания, позволившей выявить связь между
показателями энергопроцессов и параметрами нагружаемых машин, создать
на этой базе, математический аппарат для измерительно-диагностического
комплекса, обеспечивающего определение параметров и работоспособности
электродвигателей по энегетическим критериям, без датчиков
механических величин.
4. В выявлении особенностей нагружения асинхронных двигателей
путем модуляции напряжения и частоты, позволивших установить границы
равной эффективности этих методов и доказать перспективность
применения систем нагружения с регуляторами напряжения в цепи статора
при общей Модулирующей функции на входах регулирующих модулей
трех фаз.
5. В доказательстве специфических характеристик источников
питания систем динамического нагружения как потребителей энергии
позволившем обосновать возможность применения нетрадиционных
техничческих решений для улучшения электромагнитной совместимости
преобразовательных устройств систем динамического нагружения с
промышленной сетью без дополнительного оборудования.
6. В доказательстве необходимости придания системам, включающим
преобразовательные устройства и электродвигатели с несколькими
каналами управления активных функции формирования режимов
энергопотребления для снижения пределов измерения реактивной
мощности, регулирования составляющей мощности искажения, взаимной
компенсации гармоник сети нескольких параллельно работающих
потребителей. .
7. В обосновании требований к технической реализации и
програмному обеспечению к измерительно-диагностических комплексов как
составной части систем динамического нагружения, обеспечивающих
функции измерения параметров нагрузочного режима, формирования
управляющих воздействий, диагностики нагружаемых электродвигателей
по измеренным характеристикам энергопотребления.
Практическое значение работы и использование ее результатов
Практическая ценность работы заключается в следующем:
новое испытательное оборудование, каким являются устройства и системы динамического нагружения, позволяет реализовать нагружение испытуемых двигателей различных типоисполнений при питании от одного источника без механической оснастки и механического соединения вала испытуемого двигателя с валом вспомогательных нагрузочных машин, получить диагностическую информацию для определения их работоспособности, причем ряд важных диагностических признаков, получаемых в соответствии с результатами работы, в системах статического нагружения недоступен для определения;
результаты работы применимы практически на любом электроремонтном предприятии, так как создание нагрузки по методу динамического нагружения осуществимо для двигателей любой мощности. Оборудование станций испытания системами динамического нагружения не требует дополнительных площадей;
- методика определения параметров источников питания, принципы
создания устройств формирования режимов нагружения позволяют
реализовать результаты при проектировании систем динамического
нагружения и разработки програмного обеспечения при их освоении;
принципиальне вопросы построения' измерительно-
диагностических комплексов позволяют осуществить их реализацию, создать програмное обеспечение для определения характеристик режима нагружения и определения диагностических признаков и параметров испытуемых двигателей;
- исследование процессов формирования энергопроцессов в не
установившихся режимах могут быть использованы при практическом
формировании режимов энергопотребления источников питания
нагружающих устройств, для разработки принципиальных решений с
целью уменьшения влияния их на другие потребители;
- полученные результаты могут использоваться в учебном процессе.
Системы динамического нагружения используются на 12
электроремонтных предприятиях Украины. Для систем нагружения разработаны и изготовлены измерители ( завод "Электрон" г. Желтые Воды), измерительно-диагностические комплексы на базе серийных ЭВМ.
Научная значимость работы состоит в развитии вопросов теории энергообменных процессов, разработки методов и средств формирования периодических динамических режимов между вращающими электромеханическими преобразователями и источниками питания, позволивших поставить ^ и решить научно-техническую задачу создания эффективного высокопроизводительного электрооборудования для нагружения электродвигателей с целью определения их работоспособности при послеремонтных испытаниях.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов
основана на корректности исходных посылок и допущений,
использовавшихся известными ученными в области теории электропривода, физики, механики. Теоретические выводы подтверждены результатами моделирования на ЭВМ, экспериментальньп&а исследованиями в лабораторных и производственных условиях систем 'нагружения для электродвигателей постоянного и переменного тока, разработанных под руководством автора. Разработанные измерительные устройства прошли инструментальную поверку и обеспечивают точность измеряемых параметров, отвечающую требованиям действующих стандартов. Определение параметров двигателей с использованием энергетических критериев диагностики осуществляется с. ошибкой 5-5-13%, что вполне удовлетворяет требованиям.
При выполнении диссертационной работы использовалась классическая теория исследования неустановившихся процессов электро-
механических систем, методы анализа энергетических процессов устройств преобразовательной техники, методы . моделирования электромеханических систем с использованием ЭВМ, микроэлектронная техника для измерения параметров нагрузочных устройств, экспериментальные исследования на лабораторных макетах и промышленных установках систем динамического нагружения с тиристорными и мотор -генераторными преобразователями.
Апробация работы.
По результатам работы опубликовано 46 печатных работ, 14'отчетов по научно - исследовательским работам, получено 31 авторское свидетельство на изобретение.
Настоящая работа проводилась в соответствии с комплексной программой "Автоэлектропривод" Минвуза УССР, а также по комплексной'проблеме "Научные основы электроэнергетики" АН Украины в части разработки устройств для энергетических режимов вентильных электроприводов с меняющейся нагрузкой, формирования динамических режимов вентильных двигателей путем модуляции тока главной цепи.
Результаты работы экспонировались на выставке ВДНХ УССР в 1989-
1990 гг. v
Результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по
итогам развития преобразовательной техники в 1974, 1979, 1983 и 1987
гг.; на Всесоюзных конференциях по автоматизированному электроприводу
и проблемам энергосбережения в 1989 и 1990 гг., на 11й Всесоюзной
конференции по автоматизированному электроприводу в г.Суздаль в 1992
г., на 2й международной конференции "Актуальные проблемы
фундаментальных наук" в Москве в 1994 г.; на Всесоюзном совещании
при Московском доме научно-технической пропаганды в 1988 г., на
конференциях по автоматизированному электроприводу в
г.Днепродзержинск (1986 г.), г.Челябинск (1984 г.), г.Тольятти (1987 г.); на семинаре АН Украины "Научные проблемы преобразовательной техники" в г.Киев и г.Кривой Рог в 1985-1992 гг., на ежегодных конференциях по итогам научно-исследовательских работ Криворожского горнорудного института.
Структура диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из 9 глав на 306 стр., приложения на 220 стр., включающего результаты разработки и внедрения нагрузочных устройств, программ для расчета нагрузочных характеристик, определения параметров нагрузочного режима, документы, подтверждающие использование результатов диссертационной работы.
