WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

  На правах рукописи

  ПАХОМОВ  Александр  Иванович

  МЕТОДЫ  И  СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ 

ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ  ДВИГАТЕЛЕЙ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 

НА  ОСНОВЕ  ЧАСТИЧНЫХ  РАЗРЯДОВ

Специальность  05.20.02 –  Электротехнологии и  электрооборудование 

в  сельском  хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

  диссертации  на  соискание ученой  степени 

  доктора технических наук

 

  Краснодар,  2008

Работа  выполнена  в  ГНУ  "Всероссийский научно-исследователь­ский и проектно-технологи­ческий институт механизации и  электрификации  сельского хозяй­ства" и ФГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агро­инженерная  академия"

Научный  консультант:  доктор  технических наук,  профессор 

Оськин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

  доктор технических наук  Султанов  Георгий  Ахмедович

  доктор технических наук,  профессор  Ерошенко Геннадий Петрович

  доктор технических наук,  доцент  Льготчиков Владимир Вениаминович

  Ведущая организация:  Всероссийский научно-исследовательский  институт  электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится  29 октября  2008 г.  в 10 часов на  заседании  диссертационного совета Д220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13,  КубГАУ,  корпус  факультета  электрификации,  ауд. № 4

С диссертацией можно ознакомиться в  библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.        

 

Автореферат разослан "___" __________ 2008 г.

Ученый  секретарь диссертационного совета,

  доктор  технических  наук, профессор С.В. Оськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность темы. Дальнейший рост энерговооруженности АПК неизбежно потребует решения проблем надежности и долговечности эксплуатирующегося электрооборудования. Основным потребителем и преобразователем электроэнергии в сельском хозяйстве служит электропривод на базе асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором, от надежности которого зависит нормальное протекание любого технологического процесса. При высокой конструкционной надежности АД серий 4А, АИР, 5А уровень эксплуатационной  надежности в условиях сельскохозяйственного производства оказывается недостаточным, что отрицательно сказывается на общей экономической эффективности работы сельхозпредприятий. Рекомендуемые меры плановой профилактики электроприводов затратны и при нехватке материальных средств, неукомплектованности электротехнических служб, высоких тарифах на электроэнергию имеют ограниченное применение. Проблема эксплуатационной надежности АД является системной и не поддается решению частными мерами в виде отдельных технических средств. Необходим комплексный подход  с использованием методов технической диагно­стики.

Из теории диагностики известно, что сохраняющий работоспособность объект может быть неисправен, т.е. находиться  в состоянии скрытого отказа. Для АД сельскохозяйственного производства указанное состояние наступает задолго до выработки нормативного ресурса и связано с особыми деструктивными изменениями в системе изоляции статорной обмотки. Его выявление представляет собой сложную и наукоемкую задачу, решению которой посвящена основная часть работы.

При условии разработки научно-обоснованных методов и средств диагностики представляется возможным усовершенствовать систему технического сервиса электроприводов путем перехода от стратегии пла­ново-предупреди­тельных ремонтов (ППРЭСХ)  к более эффективной по фактическому состоянию электроизоляционной системы двигателей.  Конечный результат в виде снижения затрат и бесперебойного  выпуска сельскохозяйственной продукции актуален для всех форм сельских товаропроизводителей.

Исследования выполнялись по госбюджетной тематике ФГОУ ВПО АЧГАА "Раз­работать и внедрить новые методы и технические средства электри­фикации сельского хозяйства" (№ ГР 01870025279)  и  в  соответствии  с текущим планом НИР  Россельхозакадемии по ГНУ ВНИПТИМЭСХ  "Разработка ресурсосберегающих  автоматизированных электротехнологий и электрофизических процессов производства, первичной обработки и хранения продукции растениеводства и животноводства"  по проблеме  09.02.02.

Научная про­блема состоит в отсутствии научно-обоснованных мето­дов и средств диагностики асинхронных двигателей,  позволяющих реализовать наиболее эффектив­ную стратегию обслуживания машин по фактическому со­стоянию электроизоляционной системы в эксплуатационных условиях сель­скохозяйственного производства. 

Рабочая гипотеза –  детальное изучение  разрядных процессов в электроизоляционной системе асинхронного двигателя позволит получить эффективные  методы его диагностики.

Целью диссертационной работы  является повышение  эксплуатационной надежности асинхронных  двигателей сельскохозяйственного произ­водства путем раз­вития теории и практики диагностического процесса электроизоляцион­ной системы.

Объект исследования – изоляция статорных обмоток асинхронных двигателей с увеличенным отработанным ресурсом, методы и средства ее диагностирования.

Предмет исследования установление закономерностей предпробойного состояния изоляции статорной обмотки АД по математическим,  компьютерным и натурным  моделям.

Методика  исследований  базировалась на  прикладной теории систем,  теории диагностики и принятия статистических  решений, математическом анализе случайных процессов, компьютерном моделировании и программировании, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации экспериментальных данных. В качестве инструментария применялось следующее программное обеспечение: MS Excel XP,  Micro-Cap 7.1,  MathCAD 2001 Professional,  SpectroLab 3.16. 

Научная новизна работы:

–  впервые научно обосно­ваны диагностические параметры асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

–  разработана теория тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам (ЧР) с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала;

–  создана эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД, разработаны  и исследованы SPICE  модели  корпусной  и  межвитковой изоляции;

–  предложена методика расчета волновых параметров АД с  использованием метода  массивного витка  для обоснования параметров моделей;

–  установлены теоретические закономерности и характеристики диагно­стических сигналов от частичных разрядов.

Практическая  ценность  результатов исследований. Созданы технические средства и технологии реализации страте­гии обслуживания асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства по фактическому состоянию электроизоляционной системы.  При этом получены следующие результаты: 

–  разработан пакет прикладных программ для компьютерного моделирования переходных процессов в различных частях электроизоляционной системы АД  и  волно­вого расчета параметров  моделей;

–  получен массив данных по характеристикам диагностических сигналов от ЧР  на внешнем датчике, необходимый для реализации практических методов  диагностики;

–  обоснована возможность и целесообразность тестовой диагностики  изоляции АД прямой регистрацией ЧР  в режиме импульсной сушки изоляции и  выработаны общие требования  к  диагностическому устройству;

–  предложен  способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ  № 2265949),  обеспечивающий  диагностический контроль корпусной изоляции  АД; 

–  разработан комплекс технических средств по обеспечению эксплуатационной надежности АД:  устройство для управления процессом сушки изоляции (а.с. № 1377971), система энергоснабжения (а.с. 1585862), устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2,  устройство комбинированной защиты  электродвигателей  УКЗ-1.

На  защиту выносятся следующие положения:

–  параметры дихотомии асинхронного двигателя с увеличенным  отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства; 

–  результаты математического анализа стохастической системы тестовой диагностики изоляции  АД по частичным разрядам с определением  алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала по критерию апостериорной дисперсии;

–  алгоритмы прикладных программ расчета волновых параметров АД  и моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной  системе двигателя;

–  результаты экспериментальных исследований свойств сквозного влагозаполненного дефекта  изоляции и измерения диагностических параметров  электродвигателей;

–  технические средства  диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей  сельскохозяйственного производства.

Реализация и  внедрение  результатов исследований.  Результаты исследований используются в рамках областной целевой программы "Произ­водство и использование биотоплива на основе  растительных масел в АПК  Ростовской области" для повышения надежности электроприводов модульного оборудования "БИОДОН". Техническое предложение по внедрению средств диаг­ностики асинхронных двигателей в сельскохозяйственное производство, со­держащее технико-экономическое обоснование и  схемотехнические реше­ния устройства УДС-2, а также способ контроля корпусной изоляции на не­линейном датчике (патент РФ № 2265949), переданы  предприятию ЗАО "Ново­российский опытно-эксперимен­тальный завод" для организации серийного производства. Изготовлена ла­боратор­ная  установка и выпущены методические указания, которые используются в лабораторном практикуме ФГОУ ВПО АЧГАА. Устройство для управления процес­сом сушки изоляции обмоток электродвигателей  (а.с. № 1377971) ис­пытано в хозяйственных условиях предприятием "Азовагропром­энерго". По результатам испытаний дано положительное  заключение и принято решение о выпуске опытной партии устройств указанным предприятием. Опытный об­разец автоматического устройства для управления процессом сушки изо­ляции электродвигателей (а.с. № 1585862) внедрен в УОХ "Зерновое". Уст­ройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1 подго­товлено к серийному производству, на него ут­верждено техническое задание и выпущены экспериментальные образцы на Нальчикском заводе полупро­водниковых приборов (НЗПП). Опытный экземпляр УКЗ-1 вне­дрен на предприятии по переработке сельскохозяйственной продукции "Зо­лотой колос". Малым предприятием  "МОДУЛЬ"  (г. Зерноград)  при участии автора изготавливались и устанавливались в хозяй­ствах Ростовской области и Краснодарского края устройства  встроенной температурной защиты  "Мо­дуль-1". 

Апробация работы. Устройство импульсной сушки изоляции электродвигателей экспонировалось на  ВДНХ СССР (ВВЦ)  (Москва, 1989 г.) и на Всероссийской выставке  НТТМ-12 (Пермь, 1989 г.). Это устройство награждено серебряной медалью ВДНХ СССР (удостоверение № 36065), удостоено почетной грамоты выставки НТТМ-12.  Устройство диагностики и сушки  изоляции  электродвигателей УДС-2  демонстрировалось на 10-ой Юбилейной международной выставке-агросалоне  "Интерагромаш" (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.). 

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось  на:

–  1-ой  Всесоюзной  научно-технической  конференции "Состояние и перспективы развития электротехнических изделий сельскохозяйственного назначения"  (Москва, 1986 г.);

–  Закавказской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Научные исследования молодых на службе интенсификации с.х. производства"  (г. Ереван, 1986 г.);

– итоговых  научно-технических конференциях  ЧИМЭСХ (Челябинск, 1985, 1986 г.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1987 г.),  АЧИМСХ (г. Зерноград, 1983-1987 г.);

–  1-ой межвузовской  научной конференции "Многоскоростной  и электронизированный  электропривод в сельском хозяйстве" (г. Зерноград, 1990 г.);

–  2-ой международной научно-практической конференции  "Проблемы  механизации и  электронизации АПК"  (г. Краснодар, 1991 г.);

– научно-практических конференциях  ФГОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград,  2004 – 2005 г.);

– международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград,  2006 г.);

–  5-ой  Южно-Российской  научной конференции  "Энерго- и  ресурсосберегающие технологии"  (г. Краснодар, 2007 г.);

–  международной научно-технической  конференции ВНИПТИМЭСХ  "Приоритетные направления исследований и  разработка новых технологий и технических средств АПК" (г. Зерноград, 2007 г.).

Публикации. Результаты  исследований  опубликованы  в 37  научных трудах,  в число  которых входят 2 монографии, 7 статей  в центральных и  ведущих  изданиях из перечня ВАК,  4 патента  на изобретения.

Структура и  объем  работы.  Диссертация состоит из введения,  5-и  глав  и приложения. Работа изложена на 347 страницах, включая 16 таблиц,  77  рисунков,  библиографический  список  из  226 наименований,  из  которых  9  на  иностранных языках,  47 страниц  приложения. 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении  раскрывается актуальность темы, сформулированы  цель работы, научная проблема, научная новизна, практическая значи­мость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведе­ния о внедрении результатов работы.

В первой главе  "Анализ современного состояния проблемы и задачи исследования" выполнен анализ существующего уровня надежно­сти асинхронных электроприводов в сельскохозяйственном производ­стве, а также известных методов и средств его повышения. В разное время свои спо­собы решения эксплуатационных задач были предложены Андриановым В.И., Прищепом Л.Г., Гольдбергом О.Д., Пястоловым А.А., Мамедовым Ф.А., Тубисом Я.Б., Мусиным А.М., Ерошенко Г.П., Грундулисом А.О., Овчаровым В.В., Сырых Н.Н., Ворониным Е.А., Султановым Г.А., Казимиром А.П.,  Хомутовым О.И., Льготчиковым В.В., Оськиным С.В., Сомовым И.Я., Немировским А.Е. и другими учеными. Ими внесен существенный вклад в повышение эффективности эксплуатации электроустановок, однако проблему эксплуатаци­онной надежности АД нельзя считать окончательно решенной.

В условиях рыночной экономики повышение эксплуатационной эффективности оборудования является первоочередной задачей, влияю­щей на конечные результаты работы предприятия. Специфика сельскохозяй­ст­венных предприятий связана с процессом жизнеобеспечения биологи­ческих объектов, при этом срыв технологических операций из-за отказа электро­привода приводит к  дискомфорту живых организмов, заболеваниям  и снижению продуктив­ности. Ущерб такого рода может значительно пре­вышать прямые затраты на замену и ремонт  элементов электропривода.

Обработка большого числа статистических данных по отказам  электродвигателей позволила получить линейчатую диаграмму, показанную на ри­сунке 1. Горизонтальными столбцами на ней представлен средний ресурс АД (матема­тические ожидания) по технологиче­ским процессам и отраслям сель­ского хозяйства, условной плоскостью – расчетный ресурс, составляющий согласно нормам амортизационных отчислений не менее 8 лет. Как видно, действительный средний ресурс АД ниже расчетного в  2,5…3,5  раза, при этом двигатель, срок службы которого превышает математическое ожидание, может рассматриваться  в состоянии  повы­шенного отработанного ресурса.

  Для продления срока службы АД  известен ряд методов и средств, к которым относятся  защита от аномальных и аварий­ных режимов работы, профилактическая  сушка изоляции и т.п. Все они носят частный характер, что в приложении к рассматриваемой комплексной про­блеме не дает требуемого результата в виде достижения нормативного ресурса  двигателей.

  Рисунок 1 –  Срок  службы АД  в сельском хозяйстве

Известно, что до 80…85 % преждевременных отказов АД происходит из-за пробоя меж­витковой изоляции, являющейся слабым элементом конструкции низковольтных двигателей. Уязвимость межвитковой  изоляции обусловлена ее вхождением в механическую систему, состоящую из разнородных элементов: медь проводников – полимерные изоляционные материалы. Деформации в подобной системе при изменении температуры, электродинамических усилиях, вибрациях обмотки приводят к развитию внутренних напряжений в изоляции и, как следствие, образованию усталостных дефектов. Установлено, что процесс дефектообразования протекает неоднозначно и принципиально может быть разделен на два вида: 1) сквозное трещинообразование, завершающееся электрическим пробоем изоляции и разрушением обмотки; 2) образование несквозных полостей,  не критичных с  точки  зрения надежности  машины. Вид развивающихся повреждений зависит от внешних эксплуатационных факторов  и внутренних особенностей системы изоляции АД.

Особенности дефектообразования должны учитываться при диагностике изоляции, однако  анализ существующих способов показал, что они не обладают избирательной чувствительностью к потенциально опасным сквозным повреждениям изоляционного  слоя или создают опасные режимы для изоляции двигателей с повышенным отработанным ресурсом. При неоднозначном развитии усталостных дефектов расчетно-аналити­ческие методы определения срока службы изоляции также не могут дать  достоверных результатов.

В соответствии с целью сформулированы следующие задачи  исследования:

–  выработать концепцию комплексного диагностического обслуживания асинхронных двигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного произ­водства;

–  разработать теорию и обосновать параметры тестовой диаг­ностики изоляции  АД  по  частичным  разрядам;

–  предложить методику компьютерного моде­лирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД и методику  расчета  волновых параметров моделей;

–  выполнить экспериментальные исследования явлений ЧР, используемых при диагностике;

–  создать комплекс технических средств по повышению эксплуатационной надежности  АД  в сельскохозяйственном производстве;

– провести технико-экономическую оценку  результатов исследований.

Во второй главе "Обоснование параметров диагностического процесса асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства"  выполнен анализ функционирования АД  в составе сложной сис­темы сельскохозяйственного производства (рисунок 2).

 

  Рисунок 2 –  Структурная  схема  сложной системы электропривода

  сельскохозяйственного производства

Межподсис­темные взаимодействия в системе определяют внешние по отношению к элек­трической машине воздействия со сто­роны сети  – отклонения  питаю­щего напряжения, потеря фазы; рабо­чей машины – перегрузка, закли­нивание ротора; окружающей среды  – влаж­ность, агрессивные газы. Состояние АД  при этом в любой момент времени можно охарактеризовать набором входных и выходных параметров, анализ которых выполнен по параметрической мо­дели объекта. Входные воздействия в виде  многомерных векторов  классифицированы на частично управляемые B и неуправляемые А. Выходные параметры подразделены на эксплуатационные  J (температура обмотки, ток, напряжение и т.п.) и внутренние структурные изменения в обмотке, отражаемые функцией  Z. При значительной вариабельности указанных параметров сделан вывод о необходимости эксплуатаци­онной диагностики по параметрам J  средствами защиты АД, системами сбора информации, и  тестовой диагностики с целью определения функции Z  с помощью специальных устройств и  создаваемых ими режимов зондирования.

Взаимодействия в системе АД – средства диагностики иллюстрирует блок-схема на рисунке 3. В системе предусмотрены две петли регулирования в виде обратных связей (ОС): одна – по эксплуатационным параметрам выхода J , другая –  по  выходной функции Z.

Рисунок 3 –  Блок-схема системы  АД – средства  диагностики

В первой ОС задействованы средства эксплуатационной диагностики, на которые возлагается задача выработки сигнала, уменьшающего или исключающего негативные последствия вектора B частично управляемых внешних воздействий (перегрузка, потеря фазы и т.п.). Однако на состоянии изоляции по выходу Z сказывается, в том числе, вектор А внешних неуправляемых воздействий (неблагоприятные условия окружающей среды, несоответствие характеристик питающего напряжения установленным нормам), для чего введена вторая петля ОС, предусматривающая необходимость периодической  проверки изоляции методами тестовой диагностики. Результаты диагностики определяют состав мероприятий ТО, представленных вектором человеко-машинных воздействий С.  Вектора NJ, NZ  – помехи измерительным средствам.

Анализируемый отклик по выходу Z может представлять собой один или несколько диагностических параметров, выбор которых чрезвычайно важен для эффективности диагностики. Известно, что использование неинформативных признаков увеличивает остаточную энтропию системы и создает помехи при распознавании. С целью анализа диагностических признаков АД  и их связи со структурными изменениями дефектной изоляции и методами диагностики составлена структурно-логическая схема, показанная на рисунке 4.

  Рисунок  4 –  Структурно-логическая схема дефектов изоляции

  и методов диагностики

Отдельной ветвью на схеме представлены  конструктивные дефекты: проколы, просечки, порывы корпусной и межфазовой изоляции, которые возможны при невысокой культуре производства, а также после неквалифицированного капитального ремонта. Дефекты такого рода нуждаются в диагностике при вводе машины в эксплуатацию.  Эксплуатационные дефекты межвитковой изоляции подразделены на тепловые и усталостные. К первым относятся изменения (спекание, обугливание), являющиеся следствием недопусти­мого превышения температуры обмотки. Они могут быть обнаружены методом 7 по спектральному составу тока или другими аналогичными способами, однако, в первую очередь, должны предупреждаться эффективными средствами эксплуатационной диагностики – защиты  АД.

Для двигателей  с повышенным отработанным ресурсом основное значение имеет диагностика усталостных повреждений межвитковой изоляции. Структурным признаком наступления фазы критического износа и перехода АД в состояние скрытого отказа служит образование сквозных трещин  в межвитковой изоляционной композиции. Дефекты несквозного характера (отслоения, экструзия) практически не снижают пробивного напряжения изоляции и не имеют тенденции к быстрому развитию. Двигатель с такими повреждениями может безаварийно работать длительное время, тогда как диагностика способами 3–6,  чувствительными к любым неоднородностям изоляции, покажет отрицательное состояние обмотки и необходимость проведения ремонта.

Таким образом, основным условием достоверной диагностики следует считать избирательную чувствительность к сквозным  повреждениям изоляционного слоя, ответственным за электрический пробой. Этому условию удовлетворяют способы 1, 2, однако способ 1 с зондирующими воздействиями в десятки киловольт небезопасен для изношенной изоляции. Метод 2 использует относительно безопасную область газового разряда – обратимые частичные разряды, но  в классическом варианте применим к высоковольтным машинам, поскольку рабочих напряжений низковольтных АД недостаточно для образования ЧР в заполненных воздухом полостях  изоляции.

В настоящей работе установлено, что изоляция низковольтных АД способна генерировать частичные разряды без при­ложения опасных повышенных напряжений при условии эксплуатационного увлажнения обмотки. Обратимые ЧР  при рабочем или близком  к нему напряже­нии наиболее достоверно ха­рактеризуют состояние обмотки как предпробойное и, следовательно, являются наиболее ценным диагностическим признаком. Элек­трическое сопротивление изоляции не имеет самостоятельной диагностической ценности, но служит вспомогательным признаком при диагностике по ЧР. Двух­параметрическая диагностика при  высо­кой диагностической  ценности основ­ного признака ЧР и относительной про­стоте измерения сопротивления изоляции удовлетворяет требованиям полноты обследования при минимальных  затратах.

На основе проведенного анализа предложена концепция  комплексного диагностического обслуживания АД  в виде единой системы методов и средств, необходимых и достаточных для обеспечения эксплуатационной надежности двигателей. Блок-схема комплекса мероприятий показана на рисунке 5. Эффективные методы пропитки, разра­ботанным О.И. Хомутовым  и  А.Е. Немировским, позволяют считать обмотку полностью восстанавливаемым элементом и сосредоточиться в дальнейших исследованиях на методах ее диагностики, что представляется наиболее сложной и наукоемкой частью  проблемы. 

Для тестовой диагностики изоляции АД разработана система, показанная на рисунке 6.  Она представляет собой стохастическую динамическую систему, в которой объект АД преобразует зондирующие сиг­налы G(t)  в наблюдаемые Х(t)  при помощи системного опе­ратора A (t,U). В качестве  тест-сигналов  используется особым образом подаваемое на обмотки машины сетевое напряжение, в качестве отклика – высокочастотные колебания от  ЧР.

 

Рисунок 5 – Блок-схема комплекса по обеспечению эксплуатационной надежности АД

Общий закон преобразования  системы

  Х(t) = A (t, U) G(t) + N(t) (1)

Опе­ратор A (t,U) является функцией случайных параметров U, отражающих структурные изменения в диагностируемом объекте – сквозные дефекты изо­ляции. После преобразования в наблюдаемом сигнале Х(t) в смеси с помехами N(t)  присутствует полезный сигнал ЧР, для выделения которого и принятия ран­домизи­рованного решения Y*  служит оператор  A.

  Рисунок  6 –  Блок-схема  тестовой  диагностики  АД

С информационной точки зрения задача измерения случайного параметра представляет собой  абстрактную задачу преобразования сигнала Х(t)  в  диагностическое решение Y*. При дихото­мии возможны два диагноза: ис­правное со­стояние объекта – при на­личии только помехи,  неисправное – при наличии полезного сиг­нала. По­добную систему функцио­нально можно определить как сис­тему обна­ружения и сформулировать ос­нов­ную диагностическую задачу в виде выделе­ния полезного сиг­нала на фоне по­мех.

Наиболее удобным показателем оп­тимального выделения случайного сигнала является средний квадрат ошибки, являющийся частным случаем среднего риска. Наб­людаемый сигнал при  центрировании

  , (2)

где V 0  – центрированный диагностический параметр –  напряжение ЧР;

  N 0(t)  –  центрированный сигнал помехи.

Помеха представляет собой аддитивную смесь гауссовых шумов измерителя и па­разитного сигнала объекта контроля. Ее корреляционная  функция

    (3)

  где    генераторно-рекомбинационный шум измерителя с дисперсией и показателем времени  жизни носителей  заряда;    периодическая помеха  (гармоника) объекта  контроля;    тепловой  шум  измерителя  интенсивностью Г  при  корреляционной  импульсной  -функции.

Апостериорное математическое ожидание случайного параметра 

  (4)

где ,    (5)

D  –  априорная дисперсия;  M  –  соотношение сигнал/шум;  Q(x)  – наблюдаемый  сигнал; g0 –  весовая  (импульсная переходная) функция; Т –  период наблюдения;    –  момент  приложения  – функции. 

Весовая функция определяется  решением интегрального  уравнения

    (6)

Подставив  корреляционную функцию (3) в интегральное выражение (6),  после  преобразования  получим

  (7)

где  1, 2  – введенные коэффициенты:

  (8) 

Применяя к  уравнению (7)  дифференциальный  оператор ,  получим дифференциальное  уравнение

,  (9)

где введено  обозначение  .

Общее  решение уравнения (9) определяет весовую  функ­цию 

  (10)

где  1 –  4  – коэффициенты.

С  учетом  (4), (5) оптимальная оценка  параметра составит

(11)

где  –  соотношение  сигнал/шум. (12)

 

Весовая функция (10) обладает очевидным свойством непостоянства и сложного характера изменения на интервале наблюдения, что затрудняет  реализацию  алгоритма (11) в технических средствах.  При замене  g0 средним значением по формуле

    (13)

получим субоптимальную  оценку параметра

, (14) 

где –  эквивалентное  соотношение  сигнал/шум  при белом  шуме  интенсивностью ГЭ .

Зависимость (14) задает алгоритм обработки случайного диагностического сигнала в виде измерения среднего значения за период Т  и умножения результат на коэффициент νЭ / νЭ (1+ νЭ). Точность оценки характеризуется апостериорной дисперсией

(15)

С учетом некоторых априорных данных, полученных из предварительных опытов, построены графики апостериорной дисперсии D*, показанные на рисунках 7, 8. График  по рисунку 7 отражает зависимость D* от априорной дисперсии D  и времени наблюдения  Т  при  постоянной  величине  эквивалентного шума  ГЭ  = 0,015 В2 с.  Как видно, с  увеличением  времени  наблюдения  апостериорная дисперсия D*  уменьшается и стремится к  некоторому установившемуся значению, не равному нулю. Одновременно ее  значения все  меньше зависят от  априорной D,  что положительно сказывается  на  качестве  диагностики  объектов с большим  разбросом параметров –  электродвигателей.

Рисунок 7  – Апостериорная дисперсия

  при  ГЭ = 0,015 В2 с

 

Рисунок  8 – Апостериорная

  дисперсия  при  Т =3 с 

Поверхность  по рисунку 8 иллюстрирует влияние  уровня помех ГЭ и априорной дисперсии D на апостериорную  D*  при постоянном времени  наблюдения Т  = 3 с.  Очевидно, чем  выше интенсивность эквивалентного шума ГЭ, тем  больше апостериорная дисперсия, а значит, ниже точность диагностической оценки,  причем крутизна этой зависимости возрастает с  увеличением априорной дисперсии D. Учитывая, что  основную роль в помехах  играет  паразитный сигнал объекта контроля,  следует особое внимание уделить его подавлению при технической реализации. Достаточными  параметрами наблюдения можно считать ГЭ  0,05 В2 с,  Т    3 с,  при  которых  D* < 0, 0015 В2.

При двухполупериодном выпрямлении алгоритм (14) приобретает  вид

, (16)

где  ku –  общий  коэффициент усиления с  учетом  коэффициента помех 

νЭ / νЭ (1+ νЭ).

Полученный алгоритм (16) удовлетворяет требованиям точности и простоты технической реализации. Соответствующий ему измеритель может быть выполнен в виде простого устройства, содержащего усилитель, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стрелочный индикатор, обладающий свойством дополнительного усреднения.

В третьей главе "Теоретические предпосылки и компьютерное моделирование методов диагностики изоляции прямой регистрацией частичных разрядов"  дана оценка переходных процессов в АД  при  внешних и внутренних возмущениях в обмотке. Как показал расчет,  при коммутации электродвигателя на отключение электрические нагрузки на витковую изоляцию в первой секции обмотки способны превышаться  в  34…76 раз.

При внутренних возмущениях от ЧР вторичные колебания в обмотке информативны. С целью их детального изучения предложена методика компьютерного моделирования на основе схемотехнической САПР Micro-Cap 7.1. Составлен обобщенный алгоритм моделирования, включающий участок разработки SPICE модели конкретной части электроизоляционной системы АД, предварительный  анализ с оценкой результатов и уточнением номиналов модели, окончательный анализ при  n-ом  числе моделируемых состояний изоляции.

Согласно алгоритму разработана  SPICE модель корпусной изоляции АД, вариант которой в системе сеть-изоляция-датчик показан на рисунке 9.  Конденсатор С3 замещает емкость дефектной полости, элементы С2, R2 – емкость и сопротивление исправной части изоляции, включенной последовательно с полостью, С1, R3 – емкость и сопротивление остальной части изоляции. Для имитации ЧР введен специально разработанный электронный разрядник  DD1, S1, DD2, S2.  Сеть представлена элементами: R1 – полное сопротивление контура фаза-нуль, R2, R5 – сопротивления повторных заземлений PEN-проводника, R6 – сопротивление возможного соединения корпуса двигателя с землей,  минуя  PEN-проводник, что допускается ПУЭ.  Диоды  VD1, VD2 -  нелинейный датчик.

 

Рисунок 9 – SPICE модель в системе сеть-изоляция-датчик

С настоящей моделью проведен ряд компьютерных экспериментов. При первом ТА анализе задавались параметры: R3 = 10 МОм,  R4 =  120 МОм, С1 = 2700 пФ, С2 = 225 пФ, соответствующие относительно сухой изоляции двигателя  4А90L4. При этом получен сигнал отклика синусоидальной формы амплитудой 2,5 мВ без ЧР. Начальная стадия увлажнения изоляции имитировалась уменьшением резисторов  R3,  R4  в 10 раз и  увеличением емкости  конденсаторов С1, С2  в 1,5 раза. В результате на компьютерном графике появились первые выбросы импульсного напряжения, свидетельствующие о начальном образовании ЧР. В следующем опыте заданы параметры модели R3 = 0,1 МОм,  R4 = 1,2 МОм, С1 = 4950 пФ, С2 = 450 пФ, соответствующих  глубокому увлажнению изоляции. Соответствующий график переходного процесса представлен на рисунке 10, он демонстрирует резкое увеличение числа разрядов, интенсификацию процесса ЧР. Сигнал от тока  утечки также вырос и  достиг  31,5 мВ.

 

  Рисунок 10 – График переходного процесса при глубоком 

увлажнении изоляции

Таким образом, компьютерное моделирование раскрывает механизм образования на нелинейном датчике двух информативных сигналов: низкочастотного (50 Гц) от тока утечки и высокочастотного (импульсного) от ЧР. На практике, разделяя эти сигналы электронными средствами, по первому из них можно судить о степени  увлажнения обмотки, по второму –  о наличии опасных сквозных повреждений изоляции. Простейшим диагности­ческим прибором может слу­жить осциллограф, подключен­ный к датчику  VD1, VD2 на время  пуска и начальной работы двигателя. Метод контроля изоляции на нелинейном датчике является изобретением (патент РФ № 2265949) и, кроме уже отмеченных преимуществ, обладает свойством сохранения защитных свойств сети TN-C, что подтверждено расчетом  токов  короткого замыкания  в контуре фаза-нуль.

Разряды в межвитковой изоляции сопровождаются сложными волновыми явлениями в обмотке, для исследования которых использовано ее представление цепной схемой замещения вида Y/2-Z-Y/2. Схема поддается компьютерному моделированию, при этом необходимо знание ее  продольных Z- и  поперечных Y-параметров. Известные из работ З.Г. Каганова,  Н.Л. Чагина и других исследователей методы расчета волновых параметров сложны, требуют громоздких преобразований и вычислений. В настоящей работе на основе упомянутых первоисточников разработана менее громоздкая и более удобная в практическом применении методика с использованием метода массивного витка.

Расчет магнитных Z-параметров ведется  при замене реального паза (рисунок 11 а) круглым эквивалентным  (рисунок 11 б) равной площади с послойной  концентрической структурой проводников.

Индуктивность  витка по  методу суммирования

  , (17)

где LвMki  –  комплексные параметры собственной  индуктивности  витка, лежащего в  круглом эквивалентном пазу, и взаимной индуктивности  k-го и  i-го  витков;  n  –  число  проводников  секции.

Собственная индуктивность  витка

  , (18) 

где  ,, – слагаемые индуктивности витка, соответственно равные потокосцеплениям  в стали  статора и  ротора,  в изоляции внутри  паза и  внутри  проводника.

а) б)

Рисунок 11 – Реальный (а)  и эквивалентный (б) паз  в  разрезе

В структуре эквивалентного паза (см. рисунок 11 б) полная индуктивность слоя  может быть представлена  как

,

где    -  собственная  индуктивность витка  k-го слоя;  nk –  число  проводников k-го  слоя;  -  взаимная индуктивность k-го  и  i-го  слоев. 

Комплексный параметр взаимоиндуктивности  слоев 

  ,  (20) 

где М`П k -i  - взаимоиндуктивность контуров k,  i,  обусловленная

потокосцеплением через  пазовую изоляцию;

  М`СТ k -i  -  взаимоиндуктивность контуров k ,  i, обусловленная

потокосцеплением  в стали.

Для  контуров  равной  длины  взаимоиндуктивность  М`П k  -i вычисляется  по  формуле 

, (21)

где  dвн – диаметр  внутреннего  контура;  dн  –  диаметр внешнего контура; 

lП  –  длина  паза; F1 , F2  –  коэффициенты,  зависящие от  геометрических  размеров контуров.

Взаимоиндуктивность  М`СТ k  -i  определяется по формуле

где  = 4π •10-7  - магнитная проницаемость вакуума;  lп -  длина паза; 

li ,  ai -  средняя длина и  ширина  участка магнитной  линии; n  -  количество  расчетных участков магнитной цепи;  δв , aв  -  толщина и  ширина воздушного зазора под зубцом статора;   kв – коэффициент расширения магнитного потока в зазоре;  μ ш  - относительная комплексная магнитная  проницаемость  пакета шихтованной стали:

 

где 2b1 , 2b2  -  толщины листов стали и изоляционного зазора между  ними; δст = 7,14  См/м  -  удельная  проводимость стальных листов;  r = 180 -  относительная  магнитная проницаемость стали  на  частотах  волновых  процессов; -  круговая  эквивалентная  частота. 

Предварительным  расчетом  в  системе MathCAD  2001 установлено,  что  взаимоиндуктивность М`П k-i представляет собой величину 3…5-го порядков по сравнению с взаимоиндуктивностью М`СТ k-i , что позволяет пренебречь первой составляющей формулы (20).  Учитывая только основную составляющую М`СТ k-i и переходя от  взаимоиндуктивности  массивного витка к  расчетной  катушке,  получим

  ,  (25)

где nk  , ni  - числа  витков  соответственно k-го  и i-го слоев.

Число витков i-го слоя геометрической равно

(26)

Рассматривая зависимость (26) общим членом рекурсивной последовательности, составлен циклический программный блок  MathCAD 2001, распределяющий общее число витков по слоям  эквивалентного паза:

Индуктивность центрального проводника в среде изоляция

  ,  (28) 

где  -  длина витка  обмотки;  Dэкв , -  диаметр эквивалентного паза;  d  - диаметр проводника без изоляции.

Внутренняя  индуктивность цилиндрического проводника

 

где  -  удельная  проводимость  меди; r1  - радиус проводника без изоляции;

  , -  функции  Бесселя 1-го рода порядков нуль и  один;

  - коэффициент. 

Индуктивность  центрального слоя (витка) с учетом взаимоиндуктивности с другими слоями

  (30)

Для других слоев  расчет усложняется, поскольку необходимо учесть удаление с проводника от центра эквивалентного паза. С этой целью проводится  конформное преобразование, суть которого сводится к отображению проводника – эксцентрического кольца в  Z-плоскости,  концентрическим кольцом в  W-плоскости (рисунок 12).

 

Рисунок 12 –  Конформное отображение проводника

Математически конформное преобразование выполняется с помощью дробно-линейной функции 

    (31)

где , -  абсциссы  симметричных  точек относительно окружностей

С1, С2 ,  определяемые из  характеристического  уравнения: 

  (32)

При конформном отображении окружности  С1, С2 перейдут в некоторые окружности  С1'  и  С2' в  плоскости W. Пусть окружность С2'  имеет единичный  радиус.  Тогда 

  (33)

Радиус окружности С1'  –  радиус проводника 

Используя формулу  (26),  найдем

Индуктивность  k-го  слоя  по  формуле (19) составит

 

Комплексный  параметр полная индуктивность секции LC  определится как сумма  индуктивности отдельных  слоев

Индуктивность и активное сопротивление секции

 

 

По настоящей методике составлен алгоритм и полная  программа волнового расчета в системе  MathCAD 2001. Приемлемая точность расчетной методики подтверждена снятием АЧХ электродвигателя и его компьютерной модели с расчетными параметрами.

Дальнейшая разработка волновых SPICE моделей АД велась по обобщенному алгоритму на основе цепной схемы замещения с блоком Т-ключей имитации ЧР. В результате компьютерного анализа получены характеристики диагностических сигналов на внешнем датчике в зависимости от расположения дефекта и при замыкании разного числа витков секции обмотки двигателя. Показаны преимущества режима импульсной сушки изоляции как диагностического, что обеспечивается совмещением двух операций, лучшими спектральными характеристиками тока сушки, уменьшением амплитуды информативных импульсов не более чем на 20 % по сравнению с рабочим режимом, экспоненциальным законом распределения получаемых от секций с номером  N сигналов

  Uим = 14,88 е - 0, 88 N  (40)

По результатам исследований выработаны требования к диагно­стическому устройству и выполнено его компьютерное проектирование в САПР Micro-Cap. Разработанная SPICE модель блока диагностики в совокупности с волновой моделью 4-х полюсного двигателя представлена на рисунке 13.

 

Рисунок  13 –  Объединенная  SPICE модель АД –  блок диагностики

Модель содержит восемь последовательно включенных звеньев, что соответствуют схеме включения обмоток АД при импульсной сушке изоляции. Первое звено выполнено активно-индуктив­ным делителем напряжения L1, R2, L2, R4, при этом соотношение его плеч опреде­ляется числом замкнутых при разряде витков к общему в секции. Частичные разряды имитируются блоком быстродействующих  Т-ключей  S1-S9. Компьютерным АС анализом уточнялись характеристики входного фильтра C19, C20, L10, решались вопросы его согласования с трансформатором Т1, опти­мизировался режим работы дифкаскада. В результате достигнуты требуемые  для достоверной диагностики характеристики устройства: подавление паразитного спектра гармоник составило 168 дБ (т.е. в 10960 раз) на частоте 50 Гц и не менее  30 дБ на частоте 3,5 кГц, ко­эффициент усиления аналоговой части тракта  40 дБ,  ФЧХ близка к линейной.

ТА анализ модели, результаты которого представлены на рисунке 14,  эквивалентен реальному процессу диагностики по ЧР. Импульсы сигналов волнового тока на датчике R1 (рисунок 14, верхний график) пронумерованы как 1…9  по числу создающих  их  Т-ключей. Импульс под номером 5 увеличен электронной лупой, его форма свидетельствует о максимальной величине первого выброса импульсного напряжения, соответствующего пробегу прямой волны и определяющего видимую в масштабе основного графика амплитуду всплесков на основной синусоиде. Согласно нижнему графику устройство штатно реагирует на каждый из импульсов, вырабатывая на выходе прямоугольные сигналы постоянных параметров: амплитудой 8 В и длительностью 0,2 мс. Максимальная чувствительность устройства определяется реакцией на  импульс 2, амплитуда которого 1 мВ. 

  Рисунок 14 – Моделируемый процесс диагностики 

В четвертой  главе "Методика экспериментальных исследований,  предлагаемые средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей" обоснованы параметры импульсной сушки изоляции АД. Суть импульсного способа сушки заключается  в подаче в обмотку коротких нагревающих импульсов переменного тока частотой 50 Гц, после чего следуют более длинные паузы – "отлежки". Времен­ными параметрами импульсного нагрева служат длительность токового им­пульса τИ,  длительность паузы τП  и период следования Т.  Значения указанных параметров, обеспечивающие интенсификацию процесса сушки в 1,3–1,6 раза по сравнению с обычной непрерывной  сушкой и сокращение в такой же мере расхода электроэнергии, найдены расчетно-экспериментальным путем и представлены в виде номограммы.

Свойства сквозного влагозаполненного дефекта изоляции исследовались по специальной методике, включающей предварительное изготовление моделей – скруток из обмоточного провода ПЭТВ с искусственным дефектом изоляции. Дефект заполнялся влагой, после чего снимались его электрические характеристики при помощи измерительных схем. В опытах постоянного тока получены ВАХ, свидетельствующие о низком пробивном напряжении влагозаполненного дефекта изоляции: 11 В при  температуре  25 0С  и  3 В при температуре 80 0С. Зона частичных разрядов, как предшествующих  пробою, лежит  в области напряжений, меньших указанных; напряжения начала ЧР составляют 8 и 1 В. Опыты переменного тока проводились путем записи сквозного тока через дефект компьютерным АЦП. Они подтвердили генерацию ЧР дефектом при низком испытательном напряжении (10 Вэфф),  а также особую динамику развития разрядных процессов: первые импульсы ЧР появляются после периода инерционности (15…17 с), после чего процесс быстро интенсифицируется (1 с)  и прекращается  из-за испарения влаги в дефекте.

В отдельной серии опытов изучались характеристики зондирующего воздействия – тока сушки, для чего между силовыми клеммами устройства УДС-2 и обмоткой двигателя включался низкоомный резистивный датчик, сигнал от которого через развязывающий трансформатор подавался на вход компьютерного АЦП с функцией спектроанализатора. В результате установлена близкая к синусоидальной  форма тока сушки и его спектр, распространяющийся до частоты не более 6 кГц. При спектре диагностируемых волновых сигналов свыше 10 кГц это создает предпосылки для частотного разделения информативного и паразитного спектров и  решения задачи обнаружения ЧР.

Функциональная схема диагностики представлена на рисунке 15. Устройство диагностики и сушки изоляции УДС-2 (на схеме полностью не показано) подключено к электродвигателю М1 и коммутационному аппарату  КМ1. Блок диагностики включает следующие узлы: датчики R1, R2, трансформатор Т1, входной  ФВЧ  Z1,  УВЧ  А1,  детектор импульсов U1,  одновибратор DD1,  светодиодный индикатор HL1, двухполупериодный  выпрямитель U2,  стрелочный индикатор  Р1. Светодиодный индикатор реагирует на последовательность прямоугольных импульсов на выходе устройства  (см. рисунок 14), стрелочный совместно с драйвером  U2  реализует измерительный алгоритм (16).

При снятии диагностических параметров АД по указанной схеме изоляция статорной обмотки подвергалась предварительному увлажнению и последующей  импульсной сушке и диагностике. В опытах контролировалось сопротивление изоляции,  время сушки, мгновенные и усредненные характеристики диагностических сигналов. Мгновенные сигналы записывались компьютерным АЦП  на выходе УВЧ  А1  в 1, 5, 10, 20, 40, 80-ю мин. процесса сушки, средние – фиксировались по показаниям  индикатора  Р1.

 

  Рисунок 15 – Функциональная схема  диагностики по  ЧР

Фрагменты компьютерной осциллограммы электродвигателя  4А71А4 в первую минуты сушки представлены на  рисунке 16.  Как видно, динамика развития  разрядных процессов близка к ранее  исследованным явлениям в отдельно взятом дефекте изоляции. Первоначально также наблюдается период инерционности, когда разряды отсутствуют. Первые импульсы фиксируются в период  11-14 с,  при этом их  интенсивность значительна уже на  13-ой  секунде (рисунок 16 а). Затем процесс ЧР быстро нарастает (рисунок  16 б), однако этот период непродолжителен. На  27-ой секунде интенсивность импульсных сигналов снижается  (рисунок 16 в), что в  диагностическом устройстве вызывает уменьшение показаний  индикатора Р1 и снижение яркости светодиода  HL1. Еще через несколько секунд импульсы полностью прекращаются. Остатки неподавленного спектра гармоник (рисунок 16 г) лежат ниже порога срабатывания регистрирующего узла устройства и не вызывают реакции индикаторов, причем такое состояние сохраняется на всем дальнейшем протяжении сушки, что подтверждают осциллограммы, снятые в остальных точках кривой сушки, которые практически совпадают с осциллограммой по рисунку  16 г.  Такой же вид имеют осциллограммы новых двигателей с бездефектной изоляцией.

Усредненные значения  диагностического сигнала измерялись в двух сериях опытов: при сопротивлении изоляции  0,2  и  1 МОм.  Корректность повторных измерений обеспечивалась снятием показаний  индикатора  Р1 в одни и те же моменты времени, отсчитываемые по секундомеру. После обработки экспериментальных данных в программе Ms Excel получены кривые, показанные на рисунке 17.

 

а)  б)

 

в)  г)

Рисунок  16 –  Импульсные диагностические  сигналы  АД

 

  Рисунок  17  –  Усредненные значения  диагностического 

сигнала 

Очевидно, что усредненный диагностический сигнал изменяется во времени по характерному  экстремальному закону и при этом практически не зависит от сопротивления изоляции. На практике это дает еще один признак,  заключающийся в  распознавании характера кривой VСР  = f(t)  по показаниям индикатора  Р1  в процессе диагностики.

Проведенные исследования позволяют определить технологию диагностики,  которая заключается  в том, что на протяжении первых 30-и секунд процесса импульсной сушки при установленных параметрах τИ = τП = 3…4 с  о дефектности изоляции АД судят по свечению индикатора HL1 и экстремально изменяющимся во времени показаниям индикатора Р1. Соответствующие диагностические признаки приведены в таблице 1. Процесс диагностики не критичен к сопротивлению изоляции, которое может достигать 1…2  МОм.

Таблица  1 – Распознавание состояния скрытого отказа  АД  по  показаниям 

  индикаторов  устройства УДС-2

Индикатор 

Номер периода  наблюдения (рисунок 17)

1

2

  3

4

  5

6

HL1 (0/1)*

0

1

  1

  1

  1

0

P1  (Vn)

V1 = 0

V2 > 0

V3  > V2

V4 >  V3

V5 < V4

V6 = 0

*  0 –  отсутствие свечения индикатора (или единичные вспышки); 

  1 – непрерывное свечение индикатора.

Устройство УДС-2 представляет собой комбинацию рассмотренного блока диагностики и устройства импульсной сушки изоляции. Блок диагностики  в сборе показан на рисунке 18,  внешний вид  прибора УДС-2 – на  рисунке 19.

Рисунок 18 – Блок  диагностики

  в сборе

В средствах эксплуатационной диагностики широко распространена встроенная температурная защита,  к недостаткам которой следует отнести высокую вероятность несрабатывания при  заторможенном роторе. Применение дополнительных аппаратов защиты, в частности, реле тока,  понижает коэффициент готовности электропривода в целом. Отмеченные недостатки устранены в разработанном устройстве комбинированной защиты, которое может выпол­няться в двух вариантах: 1) с отдельным блоком токовой защиты, подключаемым к  УВТЗ-5М; 2) как полнофункцио­нальное устройство УКЗ-1. Устройство УКЗ-1 (рисунок 20) выполнено на современной цифровой элементной базе, имеет средства  самокон­троля  (коэффициент самоконтроля 0,82),  удобную светодиодную ин­дикацию штатного и аварийных режимов работы двигателя.

 

 

В  пятой  главе " Технико-экономическая эффективность результатов исследований"  выполнен расчет технико-экономических показателей в сфере производства и использования  средств диагностики. При производстве устройства УДС-2 расчетный ЧДД составил 8920 руб., срок окупаемости капиталовложений 2,2 года. Внедрение прибора УДС-2 в сельскохозяй­ственное производство ис­ключает затраты на аварийный капитальный ремонт двигателей и технологический  ущерб.  Расчетный ЧДД  составляет 70423  руб. на  одно устройство УДС-2  за  4 года эксплуатации.

ОБЩИЕ  ВЫВОДЫ

1. Решение комплексной проблемы эксплуатационной надежности асинхронных двигателей в сельском хозяйстве совершенствованием защитных устройств, сушкой изоляции и другими частными мерами не приводит к достижению нормативного ресурса машин (средний ресурс в 2,5…3,5 раза ниже расчетного), что делает актуаль­ным разработку комплекса мероприятий с использованием методов эксплуатационной и тестовой диагностики изоляции для устране­ния частично управляемых и неуправляемых внешних воздействий.

2. Обобщенный структурно-логический анализ по разработанной схеме дефектов изоляции АД и методов диагностики  не выявил достоверных и безопасных способов диагностики, чувствительных к потенциально опасным сквозным повреждениям изоляционного слоя. При неоднозначном  процессе дефектообразования общие характеристики обмотки не обладают диагностической ценностью, а расчетно-аналити­ческие методы определения срока службы изоляции не дают достоверных результатов. При диагностике должно учитываться состояние изоляции первых секций фазных обмоток статора, где, как показал расчет, коммутационные перенапряжения способны превышаться в 34…76 раз при отключении двигателя.

3.  Для диагностики изоляции АД  с  увели­ченным отрабо­танным ресурсом целесообразна дихото­мия по диагностически ценным параметрам. Установлено, что наибольшей  диагностической ценностью обладают частичные разряды, протекающие в дефектной изоляции низковольтных двигателей при наличии дополнительного признака – эксплуатационного увлажнения  обмотки.  Двухпараметрическая диагностика при высокой ценности основного признака ЧР и относительной простоте измерения сопротивления изоляции удовлетворяет требованиям полноты обследования при минимальных  затратах.

4. Система тестовой диагностики изоляции по ЧР представляет собой стохастическую динамическую систему, в которой выходной сигнал структурно-детерминирован­ и имеет случайные характеристики. Математическим анализом системы с применением метода весовых функций получен  алгоритм  выделения случайного диагностического сигнала по минимуму среднего квадрата ошибки. Найдены параметры наблюдения – время наблюдения Т  ≥ 3 с,  интенсивность эквивалентного шума  ГЭ ≤  0,05 В2 с,  обеспечивающие низкую  апостериорную дисперсию D* < 0, 0015 В2 и  малый риск принятия  диагностического решения.

5. Предложена эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД на основе схемотехнической САПР. Составлен обобщенный алгоритм моделирования, согласно которому разработана SPICE модель корпусной изоляции с электронным разрядником. Анализом модели в системе сеть – изоляция – датчик установлен механизм образования частичных разрядов в различных состояниях изоляции, предложен и  запатентован метод  диагностического контроля изоляции на  нелинейном  датчике.

6. Для исследования ЧР в межвитковой изоляции и вторичных волновых процессов в обмотке созданы  и подвергнуты компьютерному анализу  волновые SPICE модели АД на основе цепной схемы замещения с блоком Т-ключей имитации ЧР. В результате установлены характеристики и закономерности диагностических сигналов на внешнем датчике в рабочем режиме двигателя и при импульсной сушке изоляции. Показаны преимущества последнего режима как диагностического, что обеспечивается совмещением двух операций, лучшими характеристиками тока сушки, уменьшением амплитуды информативных импульсов не более чем на 20 %,  экспоненциальным  законом распределения получаемых от разных секций обмотки волновых сигналов, при котором максимальные из них будут получены от  первых секций, что требуется для  корректной диагностики.

7. Для обоснования параметров моделей разработана методика волнового расчета АД с использованием метода массивного витка. Составлены  алгоритм  и программа волнового расчета в системе  MathCAD 2001. Приемлемая точность расчетной методики подтверждена снятием АЧХ  электродвигателя  и его компьютерной модели, при этом относительное отклонение опытных данных от моделированных составило не более  20,6%  и  21,9%  в режимах КЗ и  ХХ на частоте 200 кГц. 

8. Выработаны требования к  диагностическому  устройству межвитковой изоляции и выполнено его компьютерное проектирование. Полученная SPICE модель блока диагностики в совокупности с волновой моделью двигателя подвергнута двум видам компьютерного анализа, подтвердившим требуемые характеристики устройства. Подавление паразитного спектра гармоник составило 168 дБ  на частоте 50 Гц и не менее 30 дБ частоте 3,5 кГц,  чувствительность по входу  не хуже 2 мВ. 

9. Выполнены экспериментальные исследования, давшие следующие результаты:

–  получены ВАХ сквозного влагозаполненного дефекта изоляции, свидетельствующие о его низком пробивном напряжении, не превышающем 11 В при  температуре 25 0С  и 3 В при температуре 80 0С. Напряжения начала частичных разрядов, как предшествующих пробою, составляют 8 и 1 В. В опытах переменного тока подтверждена генерация  ЧР дефектом при низком испытательном напряжении (10 Вэфф),  а также установлена особая  динамика развития разрядных процессов;

– определены  характеристики тока сушки: его форма близка  к синусоидальной, спектр распространяется до частоты не более 6 кГц.  При спектре диагностируемых волновых сигналов свыше 10 кГц это создает предпосылки для  частотного  разделения  информативного и паразитного  спектров и  решения задачи обнаружения ЧР;

– измерены мгновенные (импульсные) и усредненные характеристики диагностических сигналов АД. Статистическая средняя макси­мального импульсного сигнала на выходе УВЧ составила 0,39 В  при статистической дисперсии 0,03 и стандарте 0,18, что в пере­счете на вход тракта соответствует ампли­туде входного сиг­нала 4,1 мВ, от­личаясь от результатов компьютерного моделирова­ния не более чем на  6,5 %. Усредненный диагностический сигнал изменя­ется во времени по ха­рактерному экстремальному закону, представляющему собой до­полнитель­ный диагно­стический  признак, повышающий достоверность распознавания.

10. Предложен способ контроля и защиты изоляции электропо­требите­лей в сетях с глу­хозаземленной нейтралью (патент РФ № 2265949),  обеспечивающий ди­агностический контроль изоляции фаза-корпус АД при сохранении защитных характеристик сети TN-C. Разработан переносной прибор сушки и диагностики изоляции элек­тродвигателей УДС-2, техни­ческое пред­ложение на который передано предприятию "Ново­российский опытно-эксперимен­таль­ный завод" для организации серий­ного производства. Для импульсной сушки изоляции созданы устройство управле­ния процес­сом сушки (а.с. № 1377971) и сис­тема энерго­снабжения (а.с.  № 1585862). В качестве средств экс­плуатационной диагностики предложены два варианта устройства комбиниро­ванной защиты электродвигателей: 1) с отдельным блоком токовой защиты, под­ключаемым к устройству  УВТЗ-5М; 2) полнофункциональное устройство УКЗ-1. Последний вариант подготовлен к серийному производству, на него ут­верждено техни­ческое задание и выпущены экспе­риментальные образцы на Нальчикском за­воде полу­проводниковых при­боров. Практические результаты исследований используются в рамках областной целевой программы "Производство и использование биотоплива на основе  растительных масел в АПК  Ростовской области" для повышения надежности электроприводов  модульного оборудования  "БИОДОН". 

11. Выполнен технико-экономический анализ, показавший  эффективность производства и использования средств диагностики. В сфере производства прибора УДС-2  дос­тигаются экономические показатели: ЧДД = 8920 руб.,  ВНД = 28,4 %,  Т  = 2,2 года.  При внедрении в сельскохозяйственное производство расчетный  ЧДД  составляет  70423  руб. на  одно устройство УДС-2  за  4 года эксплуатации.

  Основные  публикации по  теме  диссертации:

Монографии

1. Пахомов А.И.  Диагностика асинхронных двигателей  в сельскохозяйственном производстве / А.И. Пахомов. – Краснодар, 2008. – 241 с.:  ил.

2. Пахомов А.И.  Энергосберегающие асинхронные  машины для АПК / В.Н. Ванурин,  А.И. Пахомов,  К.Б. Пономаренко. – Зерноград, 2008. – 100 с.: ил.

Статьи  в  журналах из  перечня  ВАК 

3. Пахомов А.И.  Сушка  электродвигателей  импульсами  тока / А.И Пахомов,  В.Н  Ванурин  //  Техника в сельском хозяйстве. – 1986. –  № 6. –  С. 28-29.

4. Пахомов А.И. Автоматическое устройство для контроля и сушки изоляции электродвигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 1989. – № 3. – С. 30-31.

5. Пахомов А.И. Компьютерное моделирование частичных разрядов в изоляции //  Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2003. –  № 6. – С. 12-14.

6. Пахомов А.И.  Метод контроля  изоляции  электродвигателей с использованием частичных разрядов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2005. – № 7.  – С. 21-24.

7. Пахомов А.И. Диагностика межвитковой изоляции электродвига­телей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2005, № 6,  С. 21-23.

8.  Пахомов А.И.  Фазовый регулятор мощности //  Механизация и  электрификация  сельского хозяйства. –  2004 –  № 1.  – С. 21-23.

9. Пахомов А.И. Эксплуатационная надежность асинхронных двигателей / А.И.Пахомов,  И.А. Переверзев, А.Ф. Кроневальд //  Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2008. – № 3. –  С. 24-25.

  Статьи  в  сборниках научных трудов, материалах научных

  конференций  и прочие публикации

10.  А.с. № 1377971  МКИ3  Н02К  15/12.  Устройство для  управ­ления процессом сушки  изоляции обмоток элек­тродвигателей / Пахомов А.И. – № 3923768;  Заяв. 27.08.85 //  БИ  N8, 1988.

11.  А.с. № 1585862 МКИ3 Н02К  15/12.  Система энергоснабжения  /  Пахомов А.И. – № 4258102; – Заяв. 08.06.87 //  БИ  N30, 1990.

12.  Пат. С2 № 2265949  RU  H 02 M  7/08.  Способ контроля и  защиты изоляции  электропотребителей  в  сетях с глухозаземленной  нейтралью  / Пахомов А.И. –  № 2003103638/28. Заяв. 06.02.2003.  // Изобретения (заявки и патенты) –  2005. –  № 34.

13. А.с. 1653112, МКИ3 Н02Р 1/42.  Устройство для пуска однофазного конденсаторного электродвигателя / Пахомов А.И., Данилов В.Н.,  Крумецадик Г.А. и  др. –  № 4634731/07. Заяв. 30.05.91 //  БИ –  № 20.

14. Пахомов А.И. К обоснованию параметров тестовой диагностики электродвигателей / С.В. Оськин,  А.И. Пахомов // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки. –  Краснодар: КубГАУ, 2007. – С. 45-49.

15. Пахомов А.И.  Математическая  модель нагревания асинхронного электродвигателя в режиме  токовой  сушки изоляции / Б.А. Карташов, А.И. Пахомов,  В.К. Горбенко // Комплексная  механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства. – Ростов на Дону:  РИСХМ,  1984. – С. 146-151.

16.  Пахомов А.И.  Для  сушки асинхронных электродвигателей  /  Б.А. Карташов, А. И. Пахомов, О.Н. Лавринченко // Сельские зори. –  1984. – № 12. – С. 36.

17. Пахомов А.И. Определение комплексного показателя  надежности электропривода  в сельском  хозяйстве / С.В. Оськин, А.Э Калинин, А.И. Пахомов, Т.Я. Наухацкая // Рукопись деп. в  ВНИИТЭИагропроме  04.09.92,  № 104 ВС-92. 

18. Пахомов А.И. Определение экономического эффекта от модернизации электропривода в сельскохозяйственном производстве / С.В. Оськин, А.Э. Калинин, А.И. Пахомов, Т.Я. Наухацкая // Рукопись деп. в  ВНИИТЭИагропроме  04.09.92,  № 103 ВС-92. 

19. Пахомов А.И. Причины низкой надежности электропривода /  С.В. Оськин, А.Э. Калинин, А.И. Пахомов, Т.Я. Наухацкая // Рукопись депонирована в ВНИИТЭИагропроме  04.09.92,  №105  ВС-92.

20. Пахомов А.И.  Алгоритм  выделения случайного диагностического сигнала при  тестовой  диагностике  электродвигателей / А.И. Пахомов // Инновационные процессы в  животноводстве на  современном  этапе. –  Зерноград,  2007. – С. 118-124.

21. Пахомов А.И.  Импульсный  способ сушки отсыревшей изоляции  электродвигателей,  используемых в  сельском  хозяйстве  /  А. И. Пахомов // Научные  исследования молодых на службе интенсификации с/х производства. - Ереван: АрмСХИ,  1986. - С. 136.

22. Пахомов А.И.  К обоснованию параметров импульсного способа сушки отсыревшей изоляции электродвигателей в сельском хозяйстве  // Рукопись деп. в  Информэлектро  18.11.86.,  № 589-ЭТ.

23. Пахомов А.И.  Методика компьютерных  исследований  изоляции / А.И. Пахомов // Электрооборудование и электротехнологии  в сельскохозяйственном  производстве. Том. II. – Зерноград,  ВГОУ  ВПО АЧГАА,  2005. –  С. 14–17.

24. Пахомов А.И. Оптимизация усилительных трактов с помощью Micro-Cap 7.0 //  Радиоаматор. – 2004. –  № 5 – С. 2 – 4.

25. Пахомов А.И. Повышение эффективности токовой  сушки  изоляции  электродвигателей  в сельском хозяйстве /А. И. Пахомов // Опыт электрификации сельского хозяйства на основе ускорения научно-технического прогресса. - Л., 1987. - С. 87-88.

26. Пахомов А.И. Тепловой расчет элек­тродвигателей в режиме токовой сушки изоляции. // Рукопись деп. в в Информэлектро, N195-ОТ, 14.01.86.

27. Пахомов А.И. Устройство автоматической сушки  электродвигателей. // Радио. – 2002. – № 6.  –  С. 32-33.

28. Пахомов А.И. Устройство для импуль­сной сушки изоляции электродвигателей с защитой силового блока / А.И. Пахомов // Многоскоростной и  электронизированный электропривод  в сельском хозяйстве. - Зерноград,  1992. – С. 10-12.

29. Пахомов А.И. Устройство импульсной сушки изоляции элект­родвигателей //  Информационный  листок.  –  № 222-89. –  1989.

30. Пахомов А.И. Электронное управление  фазовым регулятором  КР1182ПМ1  //  Радио.  –  2002. – № 9  – С. 55.

31. Пахомов А.И. Устройство комбинированной защиты электродвигателей / А.И. Пахомов, С.В. Оськин //  Рукопись деп. в Информэлектро  09.07.96, № 2267-В96.

32. Разработка переносного устройства для импульсной сушки изоляции электродвигателей:  Отчет о НИР / АЧИМСХ; Руководитель  А.И. Пахомов. – № ГР  01870025279. –  Зерноград, 1989. – 56 с.

33. Пахомов А.И.  Интенсификация  токовой  сушки изоляции электродвигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства: –  Дисс. канд. техн. наук: 05.20.02.  –  Защищена 01.02.88. Утверждена  06. 07. 88  № 110563. – Киев,  1987. – 177 с.:  ил.

34. Пахомов А.И.  Светодиодная шкала на  К1003ПП1 // Радио. – 2001. – № 3. – С. 43-44.

35. Пахомов А.И.  Сушка изоляции элект­родвигателей импульс­ным способом:  Методические указания  к  выполнению лабораторной работы / А.И. Пахомов. – Зерноград:  УРП АЧИМСХ, 1986. – 6 с.

36.  Пахомов А.И. Преобразователь К1003ПП1 в устройствах автоматики //  Радио. – 2004. – № 4. – С. 36 – 37 

37. Пахомов А.И. Индикаторы  уровня сетевого напряжения //  Радио. – 2001. – № 2. – С. 36 – 37. 






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.