Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ
Зада чи вибрационного контроля силовых трансформаторов в эксплутационных условиях 15
1.1 Методы и средства оценки технического состояния силовых трансформаторов 15
1.2 Методы и средства вибрационной диагностики силовых трансформаторов 26
1.3 Постановка задачи контроля вибрационных характеристик силовых трансформаторов 38
ГЛАВА ВТОРАЯ -
Расчетно-экспериментальные методы оценки собственных частот и амплитуд вынужденных форм колебаний активной части трансформаторов 42
2.1 Источники вибрации силового трансформатора 42
2.2 Расчетно-эксперймеятальиый метод контроля собственных частот магнитопровода с обмотками 46
2.3 Расчетно-экспернмешаяьныи метод оценки амплитуд вынужденных форм колебаний магаитопровода , 57
2.3.1 Силы, действующие на активную часть силового трансформатора 57
2.3.2 Силы, действующие на магнитопровод под действием магнитного поля генерируемого обмотками при наличии несимметрии -. 57
2.3.2 Расчет вынужденных форм колебаний магнитоправода 71 2.4 Анализ технического состояния магнитопроводана основе оценки
собственных частот и вынужденных форм колебаний 79
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
Метод анализа гармонических компонент с высоким разрешением по частоте на фоне широкополосных помех .- 84
3.1 Методы, системы и погрешности оценивания спектральных характеристик вибрационных процессов 84
3.2 Спектральный анализ смеси детерминированной и случайной вибрации 91
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ Аппаратно-программный комплекс определения технического состояния активной части силовых трансформаторов 100
4.1. Реализация аппаратно-программного комплекса на базе персонального компьютера типа NoteBook и стационарного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC и АЦП-ЦАП L-3 05 100
4.2. Алгоритм снятия виброакустического отклика. Программное обеспечение 108
4.3. Порядок проведения экспериментов 111
Заключение ; 113
Список литературы
- Методы и средства вибрационной диагностики силовых трансформаторов
- Расчетно-эксперймеятальиый метод контроля собственных частот магнитопровода с обмотками
- Спектральный анализ смеси детерминированной и случайной вибрации
- Алгоритм снятия виброакустического отклика. Программное обеспечение
Введение к работе
Высокие требования к надежности и экономичности основного оборудования электроэнергетических систем, выполняющего функции преобразования уровня напряжения в электрических сетях (силовые трансформаторы) обуславливают необходимость поиска новых способов оценки их технического состояния. При этом выдвигается требование существенного снижения времени проведения контроля технического состояния при достаточно высокой чувствительности к наиболее вероятным видам повреждений, связанных в рассматриваемом случае с нарушением степени опрессовки активной части трансформатора.
Существующие на сегодняшний день способы диагностики силового оборудования предполагают его частичную или полную разборку, что зачастую приводит к отказам трансформаторам сразу после ввода их в работу. Также необходимо отметить о случаях невозможного вывода оборудования из рабочего режима эксплуатации.
Среди различных методов оценки технического состояния силового электрооборудования одним из наиболее эффективных является метод вибрационной диагностики. Он основывается на: измерении параметров и характеристик вибрации, генерируемых силовым трансформатором; сравнении по определенным критериям экспериментальных оценок параметров и характеристик вибрации с заданными; принятии решения о техническом состоянии.
Установление зависимостей между параметрами дефектов и характеристиками вибрационных процессов для исследуемого силового оборудования и качественный анализ характеристик этих процессов являются важнейшими задачами при оценке его технического состояния.
Для оценки технического состояния активной части силовых трансформаторов возможно применение методов диагностики основанных на оценках собственных частот и амплитуд вынужденных форм колебаний
5 магнитопровода. Однако, потенциальные возможности этих методов не реализованы из-за отсутствия: зависимостей между собственными частотами и амплитудами вынужденных форм колебаний и параметрами активной части силовых трансформаторов.
Качество вибродиагностики во многом определяется достоверностью оценок параметров вибрации на этапе измерения. Вибрационные процессы силовых трансформаторов носят сложный характер, представляют собой совокупность периодических и импульсных процессов, которые зависят от технического состояния магаитопровода, обмотки и режима нагрузки.
Известные методы и средства измерения параметров вибрации активной части силовых трансформаторов, основанные на спектральном анализе, имеют ограничения по разрешающей способности и точности определения частот гармонических составляющих.
Поэтому возникает актуальная задача оценки собственных частот и амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода, а также их зависимостей от параметров магнитопровода и разрешающей способности, и повышения точности определения частот гармонических составляющих.
Цель диссертационной работы
Цель диссертационной работы заключается в повышении точности контроля вибрационных характеристик силовых трансформаторов для увеличения достоверности определения их технического состояния на основе применения расчетно-экспериментальных методов оценки собственных частот и значений амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода, а также увеличения точности определения частот гармонических составляющих.
Для достижения, поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
Разработка расчетно-экспериментального метода оценки собственных частот магнитопровода.
Разработка расчетно-экспериментального метода оценки значений амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода.
Разработка метода анализа частот- гармонических компонент с высоким разрешением и высокой точностью на фоне широкополосных случайных процессов (помех).
Разработка методики контроля технического состояния магнитопровода с обмоткой силового трансформатора на основе анализа вибрационных характеристик.
Разработка системы контроля вибрационных характеристик силового трансформатора.
Методы исследования
Для решения поставленных задач систематизированы и обобщены знания в области вибрационных исследований силовых трансформаторов и аппаратурного спектрального анализа случайных и детерминированных процессов.
Теоретические исследования базируются на современных методах теории вероятности, теории случайных процессов, математической статистики, спектрального анализа детерминированных и случайных процессов.
Экспериментальные исследования получены при использовании современного вибрационного измерительного оборудования.
. Научная новизна
Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки собственных
частот магнитопровода на основе метода перемещений. Показано, что
собственные частоты определяются степенью запрессовки, при этом
неравномерное усилие запрессовки по длине магнитопровода
7 приводит к модели участка магнитопровода в виде балки переменной жесткости.
Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки значений
амплитуд вынужденных форм колебаний. Показано, что
эквивалентная жесткость активной части определяется по
экспериментальным значениям амплитуд вынужденных форм
колебаний, при этом учитывается влияние магнитного гистерезиса на
форму кривой намагничивающего тока и дополнительные
возмущающие силы на частотах кратных 50 Гц.
Предложен метод анализа гармонических компонент с высоким
разрешением и высокой точностью по частоте на фоне
широкополосных помех, основанный на режекции отдельных
гармоник. Показано, что разрешающая способность определяется
глубиной подавления гармонической компоненты режекториым
фильтром.
Практическая ценность работы
Предложена методика, определения степени запрессовки магнитопровода силового трансформатора на основе оценки собственных частот магнитопровода, а также значений амплитуд вынужденных форм колебаний.
Структура и объем диссертации
Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, иллюстрируется рисунками, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
Во введении обоснована актуальность работы и показано, что целью работы является повышение точности контроля вибрационных
8 характеристик силовых трансформаторов на основе применения расчетно-экспериментальньгх методов оценки собственных частот и оценки значений амнлитуд вынужденных форм колебаний . активной части и увеличения точности определения частот гармонических составляющих, а также представлены задачи, решаемые в диссертации, и методы исследований. Приведены структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены методы и средства оценки технического состояния силовых трансформаторов электроэнергетических систем.
На сегодняшний день, ввиду значительных финансовых вложений на приобретение нового оборудование, проблема увеличения срока службы трансформаторов приобретает все более актуальный характер. В связи с этим возникает необходимость принятия правильных решений о замене трансформаторов или продлении их срока службы, что невозможно без достоверной информации об их техническом состоянии. Анализ внутренних повреждений трансформаторов показал, что надежность современного трансформатора в значительной мере определяется состоянием его изоляции. При протекании токов короткого замыкания возникают динамические усилия, которые приводят к деформации обмоток, что способствует повреждениям изоляции.
В группу экспресс-методов испытаний трансформаторов входят: контроль изоляционного масла, определение наличия растворенных в нем газов, а также индикации частичных разрядов. К группе испытаний, проводимых после экстремальных режимов трансформатора, относятся методы выявления механических деформаций обмоток.
Количественное значение остаточной прессовки обмоток является важным эксплуатационным параметром. Этот параметр определяет динамическую устойчивость обмотки, особенно в переходных и анормальных режимах работы.
Ослабление усилий прессовки приводит к повышенным вибрациям и как следствие к витковым замыканиям из-за истирания изоляции. Вибрация обмотки создает повышенную вибрацию бака трансформатора.
Для диагностики механических деформаций обмоток трансформаторов применяются следующие методы:
метод измерения сопротивления короткого замыкания Zk;
метод низковольтных импульсов (метод НВИ);
по вибрации на поверхности бака;
метод частотных характеристик.
Анализ существующих методов позволил сделать заключение, что наиболее оптимальный с точки зрения достоверности диагностики без вывода из эксплуатации, а также простоты процедуры измерения является метод вибрационных характеристик,
В условиях эксплуатации активная часть трансформаторов практически не контролируется, т.к. все существующие методы требуют вывода трансформатора в ремонт. Одним из основных методов диагностики состояния активной части, а в эксплуатации - единственно возможной, является вибродиагностика трансформаторов.
Существующие на сегодняшний день методы вибродиагностики позволяют контролировать процессы развития дефектов следующих составных частей силового трансформатора:
РПН (регулирование под нагрузкой).
Обмотка и сердечник.
Маслонасос (для маслонаполненного оборудования).
Рассмотрены процессы* вибродиагностирования каждого из представленных составных частей, а также приведены наиболее совершенные приборы для виброконтроля.
На сегодняшний день в процессе вибродиагностического контроля для осуществления возбуждения вибраций используются следующие методы:
электрическое воздействие;
импульсное механическое воздействие.
Необходимо отметить, что вибродиагностика трансформаторов производится достаточно быстро и за сравнительно короткое время можно составить компьютерную базу данных виброграмм трансформаторов, на основании которой быстро прогнозировать развитие вибрации до недопустимых пределов, приводящих к аварии.
При замере вибраций магнитопровода для исключения влияния вибрации обмоток необходимо снять нагрузку с трансформатора, т.к. ток холостого хода составляет доли процента, а динамические усилия на обмотку пропорциональны квадрату тока, то его влияние можно не учитывать. Вибрация опрессованного магнитопровода происходит из-за эффекта магнятострикции - изменения размеров и формы материала под влиянием магнитного поля. Для увеличения точности измерения вибрации обмоток замеры должны производится при максимально возможной в условиях эксплуатации нагрузке.
Поскольку активная часть (машитопровод и обмотки) силового трансформатора предназначены для энергопреобразовательного процесса, то техническое состояние этой части оборудования должно контролироваться особенно тщательно.
Во второй главе рассматриваются вопросы анализа технического состояния силового трансформатора вибрационным методом.
Для достоверной оценки степени запрессовки магнитопровода был предложен расчет собственных частот колебаний магнитопровода трансформатора на основе способа расчета рам методом перемещений.
Для получения полного набора частот, соответствующих свободным колебаниям магнитопровода, рассмотрены три системы представления магнитопровода в виде двухпролетной рамы (симметричные, обратно симметричные и ассиметричные колебания).
Решение данных систем уравнений, для каждого вида колебаний, дают выражения для расчета собственных частот.
Получено математическое выражение, для расчета собственных форм колебаний, которое учитывает геометрические размеры магнитопровода и характеристики его материала.
По найденным значениям корней определены значения собственных частот магнитопровода силового трансформатора.
Найдена зависимость значений собственных частот магнитопровода от его жесткости. При уменьшении степени запрессовки магнитопровода, снижается общая жесткость магнитопровода, что приводит к уменьшению значений его собственных частот.
Значение текущей жесткости сравнивается с "эталонной" и принимается решение о текущем техническом состоянии магнитопровода.
При рассмотрении вынужденных форм колебаний магнитопровода, рассчитаны силы, действующие на его элементы.
Рассматриваются силы, возникающие в активной части силового трансформатора при протекании по обмоткам электрического тока, а также влияние гистерезиса на форму кривой намагничивающего тока.
Работа силовых трансформаторов в течение длительного периода времени приводит к возникновению геометрической несимметрии обмоток относительно магнитопровода,.
Приводится описание природы возникновения сил на вещество находящееся под влиянием магнитного поля внутри катушки с током, и проводится аналогия с магнитопроводом и намотанной на него обмоткой.
Расчет вынужденных форм колебаний проводится с помощью метода перемещений и при этом определяются силы действующие на различные части магнитопровода. Составлена и решена система уравнений для расчета вынужденных форм колебаний, которая учитывает не только частоту вынуждающей силы и геометрические размеры обмоток, но и величину протекающего по ним электрического тока.
12 Рассматриваются продольные и поперечные силы, влияющие на магнитопровод, и определяются амплитуды этих сил. По значениям этих амплитуд определяется техническое .состояние активной части трансформатора, при этом используются статистические данные предыдущих измерений.
В конце главы приводится методика определения технического состояния магнитопровода и обмоток трансформаторов, включающая в себя расчеты собственных частот и амплитуд.
Третья глава посвящена повышению качества оценивания спектральных характеристик вибрационных процессов силовых трансформаторов.
Рассматриваются вопросы измерения параметров гармонических колебаний при наличии широкополосной случайной составляющей. Точности оценок амплитуды и частоты гармонических компонент являются метрологическими характеристиками средств спектрального анализа, определяющими качество измерения.
Предлагается метод для анализа гармонических компонент с высоким разрешением и высокой точностью по частоте на фоне широкополосных помех, основанный на режекции отдельных гармоник. Показано, что разрешающая способность и точность определяется глубиной подавления гармонической компоненты режекторным фильтром. Рассматриваются возможности уменьшения случайной погрешности измерения амплитуды гармонического сигнала за счет дополнительного усреднения по множеству откликов анализирующих фильтров с учетом коэффициентов передачи на частоте гармонического сигнала.
В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и применения системы вибрационной диагностики технического состояния силовых трансформаторов.
Основными параметрами системы являются разрядность АЦП, время дискретизации измеряемого сигнала, частота дискретизации, количество
13 датчиков. Определены структуры стационарной и переносной вибрационных диагностических систем.
По результатам изложенных выше, теоретических исследований разработана вибрационная система определения технического состояния силовых трансформаторов.
В данной главе изложен принцип работы системы и ее технические характеристики.
В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.
В приложениях приведены экспериментальные данные, внешний вид системы оценки технического состояния силовых трансформаторов, акты использования результатов диссертационной работы.
На защиту выносятся:
Расчетно-экспериментальный метод оценки собственных частот магнитопровода силового трансформатора.
Расчетно-экспериментальный метод оценки значений амплитуд вынужденных форм колебаний магнитопровода силового трансформатора.
Метод анализа гармонических компонент с высоким разрешением и высокой точностью по частоте на фоне широкополосных помех.
Методика определения степени запрессовки магнитопровода и обмоток силового трансформатора на основе оценки собственных частот и амплитуд вынужденных форм колебаний.
Реализация резул ыпатое работы
Теоретические и практические результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре теоретических основ электротехники Казанского государственного энергетического университета, на кафедре
14 электропривода и электротехники Казанского государственного технологического университета при подготовке специалистов по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнология».
Методы и средства вибрационной диагностики силовых трансформаторов
Недостаточная электродинамическая стойкость обмоток трансформатора при протекании токов короткого замыкания, приводящая к механическим деформациям обмоток, является одной из основных причин аварийного выхода трансформатора из строя. Эта проблема усугубляется тем, что в настоящее время состояние трансформаторного парка в энергосистемах характеризуется значительной долей изношенного оборудования, нормируемый срок службы которых уже истек или близок к этому.
Периодически перед обслуживающим персоналом возникает вопрос: нужно ли выводить трансформатор для капитального ремонта или его эксплуатация может быть продолжена. Продление жизни трансформатора в значительной степени зависит от стабильности механических характеристик его обмоток. Однако даже в правильно спроектированном трансформаторе заложены предпосылки его будущих проблем применительно к электродинамической стойкости при КЗ. Причиной этих предпосылок является технология изготовления обмоток, из-за чего обмотки нового трансформатора с самого начала имеют некоторые неправильности: неплотность намотки, неравномерная запрессовка и т.п.
Обмотки трансформаторов стараются делать магнитосимметричными, что позволяет минимизировать электродинамические силы, действующие в обмотках и на опоры: прессующие кольца, ярмовые балки. В новом трансформаторе эта несимметрия невелика и не представляет опасности для трансформатора. Однако, чем старше трансформатор, тем больше электродинамических воздействий при КЗ, толчках нагрузки он получает, тем больше меняются физико-химические свойства изоляции, тем больше меняются ее механические свойства.
Из сил электромагнитного происхождения в трансформаторах следует выделить[34, И]: электродинамические силы, определяемые взаимодействием магнитного поля с электрическим током; магнитострикционные силы, определяемые эффектом магнитострикции, т.е. изменением линейных размеров магнитного материала под действием магнитного поля.
В результате этих воздействий происходит снижение запрессовки обмоток, увеличение начальной магнитной несимметрии, которая всегда стремится в сторону увеличения. При снижении усилия запрессовки обмоток, при увеличении их магнитной несимметрии растут электродинамические силы, что приводит к еще большему снижению запрессовки и увеличению несимметрии. И так до тех пор, пока электродинамические силы не возрастут настолько, что разрушат трансформатор. Естественно, в эксплуатации этот процесс очень растянут во времени и зависит от условий эксплуатации, тем не менее, он представляет реальную опасность и к этому надо быть готовым. Механические напряжения, возникающие под действием результирующих сил, нередко выходят за пределы упругости. Остаточные деформации катушек и элементов опорных конструкций приводят к изменению изоляционных расстояний и местным повреждениям изоляции.
Проявляющиеся при этом внутренние замыкания приводят к целой лавине разрушений, взрыву или пожару. Чаще бывает, когда пробой деформированной изоляции происходит не сразу после КЗ, а через некоторое время при перенапряжениях или перегрузках.
Однако истинная оценка механического состояния обмоток трансформатора в эксплуатации довольно трудна и не всегда возможна даже при визуальном осмотре активной части.
Динамические силы в машинах возбуждают вибрацию либо непосредственно, либо силы возбуждают шум, а шум - вибрацию корпуса. Вибрация, в зависимости от природы возбуждающих ее сил, может быть либо детерминированной (чаще периодической), либо случайной. Один из простейших примеров детерминированного сигнала вибрации гармоническое колебание (см. рис.1 Л). "-ПИК; Оно характеризуется амплитудой (пиковое значение Хп среднеквадратичное значение Хскз или среднее значение Хф продетектированного сигнала), частотой f=l/T и начальной фазой.
Случайный сигнал (см.рис.1,2) может принимать любое значение в определенном диапазоне, поэтому его характеризуют не амплитудой, частотой и фазой, а пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением (продетектированного сигнала) и значением от пика до пика.
Расчетно-эксперймеятальиый метод контроля собственных частот магнитопровода с обмотками
В настоящее время, человек не мыслит свою деятельность и отдых без электричества. Поэтому, силовые трансформаторы нашли свое применение, во всех сферах жизни и работы человека. Как и большинство электротехнического оборудования, силовой трансформатор является источником вибрации и как ее следствие - акустического шума.
Вредное влияние шума и вибрации на организм человека известно, но в отличие от влияния виброакустических колебаний на организм людей во время их работы, .их действие во время отдыха наиболее чувствительны и опасны. Трансформаторы, обслуживающие жилые помещения человека, располагаются в непосредственной близости от них, и поэтому вопрос об уменьшений шума и вибрации силовых трансформаторов приобрела первостепенное значение во всем мире.
Для успешного проведения мероприятий по снижению вибрационных колебаний трансформаторов, необходимо проанализировать причины и источники трансформаторных вибраций, способы их измерения и анализа. Источники трансформаторных вибрационных колебаний можно разделить на следующие группы. Первая (основная) группа вибраций обусловлена главным образом явлением магнитострикции. Данная группа колебаний присутствует всегда при эксплуатации трансформатора.
Вторая группа вызвана электродинамическими силами и обусловлена режимом нагрузки и наличием несимметрии. Третья (непостоянная) группа связана с наличием таких источников вибраций (особенно у больших трансформаторов), как вентиляторы систем охлаждения, масляные .насосы для форсированного охлаждения, различного рода коммутаторов.
Таким образом, главными причинами возникновения вибрационных колебаний активной части трансформатора являются магнитострикция и электродинамические силы.
Следует отметить, что вибрационные процессы, излучаемые силовым трансформатором во время своей работы, также сильно зависят от электромагнитных нагрузок, от электрической мощности трансформатора и от его размеров.
Существуют эмпирические формулы для определения уровня Lj первой гармоники виброакустических шумов трансформатора [106]. I, =73 + 20lg +201g# + 201g-106; 15 (2.1) где /- частота сети, Н— высота сердечника трансформатора, є - относительное удлинение используемого листа стали. Приняв, НкКі/S (2.2) где S- мощность трансформатора, К - постоянная, получаемая экспериментально для известных параметров/и є. получим выражение для определения акустической мощности трансформатора: L=51gS+K (2.3) . Если считать, магнитострикцию - основным и единственным источником вибрации трансформатора, то лучше пользоваться следующим выражением [72] L=20lgS+Ki (2.4) где К] - некоторая постоянная, сохраняющая свое значение для серии трансформаторов, у которых конструкция и технология одинакова. Также существуют расчетные формулы, для трансформаторов с разным испытательным напряжением.
На рис.2 Л. представлена зависимость изменения уровня акустической мощности трансформатора в зависимости от его электрической мощности. Зависимость изменения уровня акустической мощности трансформатора в зависимости от его электрической мощности.
Итак, сердечник трансформатора является основным источником возникновения вибрационных колебаний, которые распространяются через масло, заполняющее внутренность бака, к корпусу трансформатора и порождают акустические колебания - трансформаторный шум. Под действием переменного магнитного поля, возникающего вследствие протекания по обмоткам трансформатора электрического напряжения, возникает эффект магнитостршщии, т.е. изменение формы и размеров ферромагнитного материала из которого сделан сердечник.
При симметричном трехфазном возбуждении сердечника трансформатора в местах стыковки ярм и стержней возникают эквивалентные силы, показанные на рис.2,2. При этом, возникают колебания сердечника показанные на рис 2.3. Следует отметить, что для симметричной конструкции сердечника и симметричной трехфазной системы возбуждения могут быть возбуждены только два вида собственных колебаний ss и su, симметричных относительно направления ярма [72]. т Т Т
Силы при симметричном трехфазном возбуждении сердечника трансформатора в местах стыковки ярм и стержней Виды свободных колебаний магнитопровода трехфазного трансформатора. 2.2. Расчетно-экспериментальный метод контроля собственных частот магнитопровода с обмотками.
Для успешной виброакустической диагностики силового трансформатора необходимо знать частоты, соответствующие собственным формам колебаний магнитопровода как основного источника колебаний в трансформаторе (рис.2.4).
Спектральный анализ смеси детерминированной и случайной вибрации
Широко распространенным видом вибрации является модель в виде смеси детерминированных и случайных колебаний. Подобной моделью хорошо описываются многие вибрационные процессы, характерные для различных объектов электроэнергетики, например, силовые трансформаторы, генераторы, электродвигатели и т.д.
Вопросы получения экспериментальных норм допустимой вибрации подобного вида связаны с измерением спектра случайной составляющей вибрации и параметров отдельных гармонических компонент.
Методы и техника оценки параметров гармонических колебаний известны [86] . и успешно применяются в практике вибрационных исследований, в том числе и при нормировании вибраций [55] .Вопросы же измерения параметров гармонических колебаний при наличии широкополосной случайной составляющей с целью последующей выработки допустимых норм вибрации разработаны не в полной мере. При экспериментальном анализе подобной вибрации исследователей интересуют амплитуда и частота каждой гармонической компоненты, а также вид спектра широкополосной случайной вибрации.
Точности оценок амплитуды и частоты гармонических компонент являются метрологическими характеристиками средств спектрального анализа, определяющими качество измерения.
Известные методы спектрального анализа [67, 68, 88, 89] построены на разделении за счет фильтрации широкополосной случайной вибрации от гармонической и последующей оценке их параметров. Получаемые при этом л оценки амплитуд А(юк) гармонических колебаний оказываются смещенными и имеют значительную дисперсию. Точность оценки частоты также невысока из-за присутствия случайной составляющей и нечеткой фиксации максимума отклика на выходе анализирующего фильтра. Для гармонических компонент, расположенных близко по оси частот, вознюсает задача их разрешения с помощью средств спектрального анализа. Поэтому разрешающая способность также является одной из важнейших метрологических характеристик при спектральном анализе смеси широкополосной случайной и гармонической вибрации. Известно [32], что разрешающая способность средств анализа может быть сколь угодно высокой при точной оценке параметров сигнала на выходе измерительного прибора и знании его передаточной функции.
Наличие случайной составляющей ограничивает разрешающую способность средств анализа. В такой ситуации на разрешающую способность значительное влияние оказывают другие факторы: вид АЧХ анализирующих фильтров и соотношения частотных полос исследуемой вибрации и анализирующего фильтра.
Рассмотрим метод повышения качества оценки параметров гармонических колебаний на фоне широкополосной случайной вибрации. В известных методах и аппаратуре гармонического анализа [35] для определения частоты гармонического сигнала фиксируется максимум отклика сигнала на выходе акализируещего фильтра (рис.3Л) и определяется соответствующее ему значение частоты настройки fo анализирующего фильтра. При этом точность оценки частоты гармонического сигнала определяется точностью фиксации максимума отклика, которая из-за слабого изменения амплитуды отклика в окрестности максимума получается малой.
Пусть A/min - минимальная расстройка по частоте от частоты /о (соответствующей моменту максимума), при которой фиксируется разница AG(/) между G(/0)n. G(/0 +4/ )- Тогда относительная величина &G/ G„, может быть представлена следующим образом: h = AG G(foyG{f0+Afmia) (ЗЛІ) Учитывая, что спектр на выходе анализирующего фильтра G(f)=A(f) Gm, где A(f) квадрат нормированной амплитудно-частотной характеристики анализирующего фильтра и 4(/0)=1, можно записать:
Алгоритм снятия виброакустического отклика. Программное обеспечение
1. NoteBook позволяет использовать весь спектр программ, работающих шІЖшшІВМРС. 2. Плата АЦП-ПАП обеспечивает преобразование аналоговой информации в цифровую. 3. Сменные модули сопряжения с датчиками подразделяются на следующие типы: аналоговые программируемые фильтры ФНЧ; набор программируемых усилителей; аналоговый коммутатор. 4. Крейтовая структура дает возможность менять/развивать аналоговый интерфейс. 5. В данном программном обеспечении используются алгоритм и вычислительная программа по спектральному анализу с отображением результатов спектрального анализа на экране монитора. Программа позволяет выбирать заданный диапазон анализируемых частот. В зависимости от конкретных задач программное обеспечение может быть дополнено.
Стационарный вибрационный комплекс на базе персонального компьютера типа IBM PC и АЦП-ЦАП L-305 решает аналогичные задачи. Структурная схема комплекса представлена на рис. 4.3.
Универсальная плата ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов L-305 имеет возможность цифровой обработки в реальном времени измеряемых сигналов. Сигнальный процессор платы осуществляет тактирование и синхронизацию работы АЦП и ЦДЛ, организует буферизацию и обмен данных с PC. Переключение каналов при многоканальном режиме сбора данных автоматическое, с произвольным порядком выборки канала и коэффициента усиления. 106 Объект исследования ГТХГ и Ді Д2 Дп Компьютер типа IBM PC Рис. 43. Структурная схема комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC и АЩЩАП L-305 Состав комплекса на базе компьютера типа IBM PC Компьютер IBM PC; Тип Intel Pentium II 2000 Мгц Память 128 Mb Винчестер 20 ГЬ плата АХЩ-ЦАП серии L - 305 с процессором ЦОС ADSP 2185М; АЦП Число каналов 32 Частота преобразования 300 кГц Входной диапазон +1.,5 В Разрядность 14 бит Межканальное прохождение - 70 дБ Внутреннее ОЗУ данных 16 кСлое ЦАП Разрядность 12 бит Выходной диапазон + 5 В Время установления 10 мкс 107 Число каналов 2 Шина Тип ISA (16 бит) Энергопотребление бмА/15В
Для снятия виброакустического отклика применялся виброизмерительный комплекс на базе персонального компьютера, Алгоритм компьютерной программы, примененный в экспериментах, приведен на рис.4.4.
В начале работы программы происходит программирование фильтров и усилителей, входящих в состав крейта. Подготавливается плата АЦП к приему сигнала.
Дальше на этапе ожидания команд от оператора происходит отображение сигнала, поступающего на вход платы АЦП через систему усилитель - фильтр. После поступления команды "Запись сигнала" происходит заполнение внутренней памяти АЦП отсчетами сигнала и после заполнения - сброс данных на машинный носитель (винчестер).
Пропускание введенного сигнала через аппарат БПФ и построение спектров введенных сигналов может происходить как и в ходе эксперимента, так и позже в лаборатории.
Данная структура программы позволяет запомнить и впоследствии оценить полученные в результате эксперимента сигналы, а также подготовить их к различным обработкам и операциям.
Пример работы программного обеспечения представлен на рис 4.5 (на входе комплекса тестовый синусоидальный сигнал с частотой 500 Гц) и рис 4.6 (отклик магнитопровода на импульсно - механическое воздействие).
