НАЦІОНАЛЬНА ГІРНИЧА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

На правах рукопису

Бешта Олександр Степанович

УДК 62-83-529.015

ІДЕНТИФІКАЦІя ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕКТРОПРИВОДА

в задачах енерго- і ресурсозбереження

(розвиток ТЕОРІї, РОЗРОБКА І впровадження)

Спеціальність

05.09.03 "Електротехнічні комплекси та системи"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ

2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електропривода в Національній гірничій академії України (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант:

академік НАН України, д.т.н., професор

Півняк Геннадій Григорович,

завідувач кафедри систем електропостачання Національної гірничої академії України (м.Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Клепіков Володимир Борисович,

завідувач кафедри автоматизованих електромеханічних систем

Харківського національного політехнічного університету

Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор

Садовий Олександр Валентинович,

завідувач кафедри електрообладнання Дніпродзержинського

державного технічного університету Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор

Коцегуб Павло Харитонович,

завідувач кафедри електропривода і автоматизації промислових

установок Донецького державного технічного університету

Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа:

Інститут електродинаміки НАН України, (м.Київ), відділ “ Перетворення і стабілізація електромагнітних процесів”

Захист відбудеться 04.10.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України (49027, Дніпропетровськ–27, пр. К.Маркса, 19, тел. 47–24–11)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної гірничої академії України за адресою: 49027, Дніпропетровськ–27, пр. пр. К.Маркса, 19

Автореферат розісланий 03.09.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд.техн.наук, доцент Заїка В.Т.

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Сучасний стан промислового сектора економіки України характеризується зношеністю обладнання та застарілими технологіями виробництва. Такий стан речей викликає відчутні енергетичні і ресурсні витрати на виробництво одиниці продукції, що робить її неконкурентною на світових ринках. В цих умовах необхідне оновлення промислового обладнання і технологій виробництва, що потребує суттєвих фінансових інвестицій. Тому основною метою наукових досліджень і розробок в Україні в таких складних економічних умовах повинне бути впровадження технологій найбільш ефективного використання існуючої техніки, її модернізації, підвищення надійності і подовження ресурсу роботи. Це забезпечить зменшення енергетичних і ресурсних витрат на виробництво. Сучасний розвиток інформаційних технологій дозволяє вирішувати проблеми енерго- і ресурсозбереження (ЕРЗ) за рахунок створення єдиної системи інформаційного забезпечення (СІЗ), яка повинна супроводжувати промисловий об’єкт на усіх етапах його життєвого циклу: проектування, створення, експлуатації, ремонту (рис.1). Електромеханічні системи електроприводів (ЕМС ЕП) відносяться до промислових об’єктів і мають відповідний життєвий цикл. При розгляді проблеми ЕРЗ під цим кутом зору необхідно сформулювати вимоги до системи інформаційного забезпечення. Академіком НАН України Г.Г.Счастливим вони визначені у вигляді вимог до перспективної системи забезпечення індивідуальної надійності енергетичних електричних машин. Згідно з цими вимогами були поставлені задачі, що повинні вирішуватися: створення баз даних і баз знань з експлуатаційної надійності; створення САПР конструкцій з імітацією дефектів; проектування контролеспроможних конструкцій і розвиток технології контролю; створення паспорту і бази даних надійності; розвиток технології виробництва і експлуатаційної сертифікації; удосконалення технології системного моніторингу технічного стану машин на експлуатаційному етапі їх життєвого циклу; заводський ремонт, модернізація і подовження ресурсу; розвиток технології прогнозу критичних станів; вирішення проблеми живучості машин. Поставлені вимоги є прийнятними для інформаційних систем будь-якого промислового обладнання, тому їх можна розповсюдити і на СІЗ електроприводів. Виходячи з існуючих умов експлуатації застарілого парку електрообладнання і того, що поставлена проблема є найбільш загальною, обмежимо коло питань, пов’язаних з СІЗ, експлуатацією і ремонтом електропривода.

Встановлено, що умови експлуатації істотно впливають на характеристики електричних двигунів і електропривода. При експлуатації суттєвим є стан навколишнього середовища. Умови експлуатації електроприводів є найменш змінним фактором, що впливає на процес ЕРЗ, тому основна увага звертається на режими роботи систем електропривода.

ЕРЗ вимагає забезпечення оптимального режиму роботи електропривода. Оптимізація режиму роботи виконується через забезпечення паспортних вимог до електродвигуна, системи живлення і керування, що встановлені заводом-виготівником електрообладнання для пускових і усталених режимів. Ці вимоги сформульовані у вигляді даних номінального режиму роботи і пуску. Однак, параметри електропривода, у тому числі і номінальні, з часом експлуатації і кількістю ремонтів погіршуються. Тому проблема ЕРЗ з точки зору формування режимів роботи електропривода повинна вирішуватися через урахування нестаціонарності параметрів електропривода, пов’язаної з експлуатаційним "старінням" електрообладнання і ремонтними заходами, шляхом керування режимами усталеної роботи і пуску, або захисту при перевантаженні. ЕРЗ для етапу ремонту виглядає як покращання якості ремонту і визначення реальних параметрів електричних машин після ремонту і модернізації.

Вирішення сформульованих проблем ЕРЗ на етапах експлуатації може бути забезпечено шляхом моніторингу технічного стану електрообладнання у процесі усталених режимів і пусків шляхом ідентифікації найбільш критичних параметрів, що впливають на довговічність, надійність, безвідмовність роботи. Отримана інформація використовується для корекції режиму роботи чи захисту за допомогою інтегрованих систем або, якщо це не можливо, для визначення залишкового ресурсу працездатності при тепловому перевантаженні, перевищенні напруги живлення або його несиметричності, та ін. СІЗ на етапі ремонту повинна ідентифікувати параметри окремих складових частин електрообладнання, або в цілому, для прогнозу нових номінальних і динамічних параметрів електрообладнання у післяремонтний період.

Питання ідентифікації у СІЗ експлуатації і ремонту необхідно вирішувати експрес-методами, що, безумовно, прискорить процеси моніторингу і захисту, визначення реальних параметрів електропривода. Очевидно, що такі методи при експлуатації і на етапі ремонту не повинні бути пов’язані з механічним сполученням досліджуваних електроприводів з навантажувальними машинами. В режимі експлуатації це не дозволяє технологічний режим і підключення електропривода до технологічного агрегату, а на стадії ремонту при широкій номенклатурі двигунів, що ремонтуються, ідентифікація у вимірювально-діагностичному комплексі (ВДК) суттєво утруднена. Крім того, спрощення процедур ідентифікації параметрів електропривода, збільшення їх точності і швидкості вимагають створення методів, що використовують легко і достатньо точно вимірювані дані струмів і напруги усталених та перехідних режимів роботи.

Таким чином, в дисертації вирішується науково-прикладна проблема, що полягає в розвитку теорії та розробці швидких і простих практичних методів ідентифікації параметрів ЕМС ЕП і автоматизованого комплексу для ідентифікації (АКІ) в межах СІЗ експлуатації і ремонту для підвищення ефективності роботи електропривода, зменшення кількості його відмов і пов’язаних з ними енергетичних і ресурсних витрат. Теоретична сторона проблеми передбачає встановлення закономірностей взаємозв’язку між параметрами електропривода і послідовностями дискретних значень струму і напруги живлення в усталених та перехідних режимах електропривода без навантаження, що дозволяє безпосередньо ідентифікувати параметри електропривода за обмеженою кількістю дискрет окремого часового проміжку його роботи. Така постановка проблеми ідентифікації параметрів електропривода забезпечує спрощення процесу ідентифікації, його прискорення і підвищення достовірності за рахунок отримання аналітичних залежностей параметрів від вимірюваних даних, визначення виду нестаціонарності в усталеному режимі його роботи і нелінійності параметрів у перехідному процесі. Прості і швидкі методи ідентифікації дозволяють встановити постійний моніторинг стану експлуатації електропривода, а також забезпечити умови експлуатації відремонтованих електродвигунів у реальному номінальному режимі. Це підвищить надійність роботи електропривода, зменшить енерго- і ресурсовитрати, пов’язані з відмовами електрообладнання і його ремонтом. Практична сторона полягає у формулюванні вимог до автоматизованих комплексів для ідентифікації на базі ВДК з цифровими керуванням і обробкою даних, створенні експрес-методів ідентифікації номінальних і динамічних параметрів електропривода та їх експериментальній перевірці.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Дослідження відповідають комплексній державній програмі енергозбереження (прийнята постановою Верховної Ради № 911 від 15 листопада 1995 року, напрямок НДР Міністерства освіти і науки України 1.9.2.8 Електромеханічне перетворення енергії) і включені в план бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України на 1998–99 роки рішенням Координаційної ради від 9 грудня 1997 року (тема ГП–227 "Паспортизація тягових двигунів електровозів після їхнього ремонту з використанням методики холостого ходу", № ДР 0198U005632) та на 2000–2001 роки рішенням Координаційної ради від 28 грудня 1999 року (тема ГП–260 "Дослідження закономірностей енергетичних і динамічних процесів в електромеханічних системах змінного струму для розробки теорії і методів ідентифікації їх параметрів", № ДР 0100U001812). Виконана робота базується на договорах про науково-технічне співробітництво між Національною гірничою академією України і ВАТ "Дніпропетровський електромеханічний завод" за 1997 2000 роки.

Об’єкт дослідження. Зниження експлуатаційного ресурсу і високий рівень енерговтрат в електроприводі через відсутність достатньої інформації про відповідність його параметрів параметрам, при яких електропривод повинний експлуатуватися у заданому режимі.

Предмет дослідження. Автоматизована на основі ЕОМ аналітична ідентифікація номінальних і динамічних параметрів електропривода в режимах без навантаження для задач інформаційного забезпечення.

Науково-прикладна проблема. Розвиток теорії аналітичної ідентифікації з метою створення експрес-методів моніторингу технічного стану електропривода, розробки і впровадження автоматизованого комплексу для їх реалізації, що збільшить період безвідмовної роботи електропривода і зменшить енергетичні і ресурсні витрати, пов’язані з експлуатацією і ремонтом.

Мета роботи. Створення інформаційного забезпечення процесу експлуатації і ремонту електропривода на основі автоматизованих алгоритмів ідентифікації параметрів і автоматизованого комплексу з ЕОМ для зменшення ресурсних і енергетичних витрат цих процесів.

Наукові задачі:

-

-

-

-

-

-

На захист виносяться наукові положення:

-

-

-

Наукова новизна отриманих результатів.

1.

2.

3.

4.

Практична цінність отриманих результатів:

-

-

-

-

-

-

Результати дисертаційної роботи впроваджені у вигляді методик, алгоритмів і програм, а також рекомендацій щодо структури, елементної бази, принципів роботи автоматизованої системи ідентифікації параметрів електропривода на підприємствах ВАТ "Дніпроважпапермаш" ім. Артема, ВАТ ДЕМЗ, державному підприємстві "Дніпроміськелектротранс", АОЗТ "Атом" та ін. На основі проведених досліджень на виробничій базі ВО "Індустріал-сервіс" (м. Дніпропетровськ) створюється промисловий автоматизований вимірювально- діагностичний комплекс для дослідів відремонтованих електричних машин. Запропоновані методи ідентифікації використовуються в учбовому процесі при виконанні лабораторних робіт з дисципліни "Основи автоматизованого проектування електромеханічних систем та електропривода" та ін.

Впровадження системи інформаційного забезпечення на основі запропонованих методів автоматизованої ідентифікації на ВАТ "Дніпроважбуммаш" ім. Артема дозволить забезпечити економію експлуатаційних витрат у 52378,8 грн на рік. Впровадження АКІ на ВАТ ДЕМЗ замість існуючого ВДК дасть річний економічний ефект 84972,7 грн., дозволить скоротити експлуатаційні витрати на 70,36%, витрати на електроенергію на 95,4%, на повторний ремонт електродвигунів на 75%, на заробітну плату робітників на 49, 75%.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані науково-прикладна проблема, мета і задачі досліджень, наукові положення , висновки та рекомендації, виконана теоретична частина роботи. Усі експериментальні роботи виконані при безпосередній участі здобувача як наукового керівника і виконавця. Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів, які виносяться на захист:

-

-

-

-

Апробація результатів дисертаційної роботи здійснена на 12 наукових конференціях: "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (Алушта, ХДПУ, 1996 2000); "Проблемы создания новых машин и технологий" (Кременчук, 1997 2001); "Автоматика–98" (Київ, НТУУ "КПІ", 1998); "Современные технологии экономичного и безопасного производства и использования электроэнергии" (Дніпропетровськ, НГАУ, 1997).

Публікації. Основні наукові положення та результати дисертації опубліковано в 35-х роботах, з яких 29 у наукових фахових виданнях. З числа останніх 13 одноосібних.

Структура і обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації становить 344 сторінки друкованого тексту, до складу якого входять 307 сторінок основної частини, що містить вступ, сім розділів та висновки по роботі, список використаних літературних джерел та двадцять три додатки, які займають 37 сторінок. Список використаних джерел містить 204 найменування та займає 24 сторінки. В дисертації налічується 121 малюнок і 20 таблиць, із них малюнки і таблиці складають повністю 41 сторінку.

основний Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, зв’язок роботи з науковими програми, планами і темами, сформульовані науково-прикладна проблема, мета і задачі досліджень, викладена наукова новизна, практична значимість одержаних результатів.

У першому розділі виконано аналітичний огляд систем діагностики, методів ідентифікації і моделей систем, що досліджуються. В ньому також розглядаються питання вибору вектора параметрів ЕМС ЕП, визначення яких необхідне з точки зору поставлених в роботі задач.

Встановлено, що існуючі системи дослідження номінальних параметрів і характеристик систем електропривода базується, в основному, на навантаженні електропривода за допомогою механічно сполучених електричних навантажувальних машин. Для ідентифікації динамічних параметрів ЕМС ЕП запропоноване широке різноманіття способів, що використовують дані неперервних перехідних процесів струмів, напруги, швидкостей. При цьому поширеними є способи, основані на графо-аналітичних засобах ідентифікації. Відсутні узагальнені методики ідентифікації параметрів електромеханічних систем електропривода в режимі їх експлуатації. Запропоновані способи ідентифікації не враховують сучасного розвитку електронно-обчислювальної техніки і, здебільшого, не можуть бут автоматизованими.

Парк електрообладнання в сучасних умовах практично не оновлюється. Тому все частішими стають аварії на підприємствах, пов’язані з відмовами електрообладнання, зокрема електропривода і електричних двигунів. Найбільш поширеним в Україні і СНД засобом подовження строку служби електрообладнання є його ремонт. Вигідність електроремонту суттєво збільшується з ростом потужності електрообладнання. Тому ремонт потужних електричних машин і машин середньої потужності стає економічно вигідним навіть у високо розвинутих країнах. Якість електроремонту через комплекс причин в Україні невисокого рівня, а відремонтоване електрообладнання має параметри, що відрізняються від доремонтних. Тому актуальною є задача прогнозування номінального режиму електричної машини після ремонту. Доцільною є модернізація електричної машини в процесі ремонту. У зв’язку з цим постає проблема прогнозування номінального режиму електричної машини на цій стадії.

На основі виконаного аналізу етапу експлуатації і ремонту ЕМС ЕП визначено, що науково-прикладна проблема, яка поставлена у дисертаційній роботі, вимагає вирішення у двох напрямках: 1) розробка методу автоматизованої ідентифікації параметрів номінального режиму та інших параметрів електричного двигуна в усталених режимах без навантаження; 2) розробка методу ідентифікації динамічних параметрів ЕМС ЕП в режимах без навантаження.

Метод ідентифікації параметрів номінального режиму та інших параметрів електричного двигуна в усталених режимах без навантаження передбачає використання теплової моделі, в яку входять в якості джерел тепла втрати електричної енергії, що живить двигун. В зв’язку з цим постає питання автоматизованого розділу втрат в електродвигуні і вибору теплової моделі. Найбільш доцільним для розділу втрат є метод балансу потужності в режимі холостого ходу, тому що вся енергія, яку використовує електричний двигун, йде на втрати. Розділ втрат повинен супроводжуватися визначенням параметрів електропривода, які пов’язані з втратами (наприклад, активний опір). Активний опір залежить від температури, тому схильний до зміни при коливаннях температурного режиму. Метод балансу потужності дозволяє виконувати періодичну ідентифікацію цього критичного параметра і корегувати режим роботи електропривода. При прогнозуванні теплового режиму двигуна слід враховувати вплив неякісності напруги живлення електропривода, що може бути одним із засобів інтегрального захисту електродвигуна і збільшить строк безвідмовної роботи системи електропривода.

Другим напрямком досліджень є автоматизована ідентифікація динамічних параметрів електропривода. Для цього необхідно розробити відповідний алгоритм ідентифікації параметрів двигуна в динамічному режимі його роботи в АКІ. Ідентифікація динамічних параметрів вимагає побудування динамічних моделей системи. Використання неперервних моделей при моделюванні у інверсному напрямку супроводжується процедурами інтерполяції для виконання чисельного диференціювання. Цей метод, як правило, призводить до збільшення розрахункових похибок і часу обчислень. Тому в даній роботі розглядаються дискретні динамічні моделі. Основною вимогою до динамічних дискретних моделей є використання вхідних і вихідних сигналів, які достатньо просто вимірюються, наприклад, напруги і струму.

Поставлена проблема практично вирішуються шляхом створення АКІ, математичного і програмного забезпечення процесу ідентифікації. В зв’язку з цим постає питання формулювання вимог до структури АКІ, його складу, технічних характеристик складових частин.

Другий розділ присвячений методології автоматизованої ідентифікації номінальних і динамічних параметрів ЕМС ЕП без навантаження двигуна.

Проблему ідентифікації номінальних параметрів ЕМС ЕП пропонується виконувати шляхом ідентифікації складових втрат потужності і активного опору силового кола електропривода за допомогою моделі лінійної регресії для рівняння балансу потужності електропривода. На основі розподілу втрат і теплової моделі двигуна отримують аналітичні залежності для прогнозу номінального навантаження у довготривалому і повторно-короткочасному режимах роботи електропривода та з урахуванням неякісності напруги живлення двигуна.

Енергетичний баланс втрат в режимі холостого ходу має загальний вигляд для різного типу двигунів (постійного струму (ДПС), синхронних (СД) і асинхронних (АД))

, (1)

де – втрати холостого ходу; – втрати у міді статора (якоря); – втрати у міді ротора (обмотки збудження); – механічні і додаткові втрати; – втрати у сталі.

Для двигунів постійного струму і синхронного втрати в обмотці збудження враховуються окремо від втрат холостого ходу , тому для цих двигунів дійсний окремий випадок рівняння (1) при .

Розглядаючи рівняння (1) як модель лінійної регресії, приймаємо втрати як функцію відгуку, а струми або напруги як фактори. Параметри при факторах є невідомими коефіцієнтами регресійної моделі, що знаходяться методами регресійного аналізу. При одночасному вимірюванні відповідних струмів і напруги можна скласти бажану кількість рівнянь балансу потужності за формулою (1). Тоді для вектора функцій відгуку і матриці виміряних факторів вектор невідомих коефіцієнтів визначається як

. (2)

Складові втрат в електричному двигуні отримують через коефіцієнти статистичної моделі.

Запропонований методологічний підхід є загальним для розглянутих типів електричних двигунів (ЕД). Він дозволяє на основі існуючої закономірності взаємозв’язку між складовими втрат потужності в режимі холостого ходу електропривода постійного і змінного струму та параметрами лінійної регресійної моделі, що описує баланс потужності в електроприводі у цьому режимі, визначати і розділяти втрати при роботі ЕД. Основною умовою реалізації експерименту є сталість кутової швидкості ЕД, що повинно забезпечуватися системою регулювання джерел живлення. У двигуна постійного струму домогтися розділу втрат можна в системі живлення з каналами стабілізації швидкості і регулювання збудження. При цьому зниження напруги збудження призводить до зменшення потоку та при стабілізації кутової швидкості двигуна викликає зміну напруги живлення і струму якоря для збереження загального балансу енергії холостого ходу в системі електропривода. Поділ втрат у асинхронного двигуна можна здійснити в системі “перетворювач частоти – асинхронний двигун” (ПЧ АД) із незалежними каналами регулювання частоти і напруги та замкнутій по швидкості. Можна, також, реалізувати поставлену мету і в системі “регулятор напруги – асинхронний двигун” (РН АД). При незалежному регулюванні напруги в обох системах електропривода можна не замикати їх по швидкості, тому що в режимі холостого ходу в цьому випадку кутова швидкість двигуна змінюється незначно. При зміні напруги статора або частоти живлення вимірюються струми фаз статора і напруга живлення та складаються системи рівнянь балансу потужності. У синхронній машині домогтися зміни складових рівняння балансу потужності в режимі холостого ходу можна зміною струму збудження при сталості параметрів живильної напруги статора.

На основі розподілу втрат в електроприводі і теплової моделі двигуна запропонований метод прогнозування його номінальної навантажувальної здатності. Можливі два підходи до визначення номінального навантажувального режиму двигуна в залежності від виконання або невиконання умов перегріву обмоток. Першою задачею є визначення номінального режиму навантаження електродвигуна, при якому температура обмоток не перевищує допустимої. При цьому номінальний струм дорівнює

, (3)

де визначник матриці теплових провідностей ; допустиме для даного класу перевищення температури ізоляції; алгебраїчне доповнення елемента матриці ; мінор елемента матриці ; втрати в і-му елементі двигуна; кількість елементів теплової моделі двигуна;

порядковий номер елемента теплової моделі двигуна, де сконцентровані втрати, що пов’язані зі струмом; активний опір - ї частини обмотки.

Для отримання нової номінальної навантажувальної здатності двигуна через попередню при зміні в ньому в загальному випадку втрат (при зміні опору обмоток і втрат у сталі , або інших) та класу ізоляції, що призводить до зміни на і на , визначена залежність

. (4)

Для повторно-короткочасних режимів роботи (S3–S5) вводиться поправний коефіцієнт, що залежить від еквівалентних втрат за цикл роботи.

Друга задача встановлення часу роботи електродвигуна без теплового пробою ізоляції з відомим навантаженням, при якому існує перегрів обмоток. Маючи температуру усталеного теплового режиму двигуна, можна без ускладнень встановити строк служби ізоляції за умови, що двигун постійно працює з однаковим навантаженням, по одній із статистичних залежностей часу безвідмовної роботи ізоляції даного класу відносно її температури. При цьому температура ізоляції може бути визначена за тепловою моделлю. У повторно-короткочасному режимі вводиться поправка на перевищення температури ізоляції.

При неякісності напруги живлення (полігармонійне живлення) і значному ефекті витіснення струму в обмотках статора і ротора визначена модель для автоматизованої статистичної ідентифікації втрат у режимі холостого ходу. Для гармонік струму і напруги з відносною частотою рівняння балансу потужності асинхронного двигуна має вигляд

, (5)

де активний опір постійному струму в обмотці, коефіцієнт пропорційності у виразі для коефіцієнта Фільда , коефіцієнти.

Змінюючи амплітуду напруги і враховуючи ту ж саму кількість гармонік, отримуємо рівнянь для знаходження коефіцієнтів , , , . Перерахування додаткових втрат при номінальній напрузі виконується з урахуванням відомих формул.

Для ДПС врахування впливу неякісності напруги живлення пов’язане, здебільшого, з пульсаціями випрямленої напруги. Визначення втрат від вищих гармонік пропонується виконувати шляхом розрахунку середнього і діючого значень струмів якоря і обмотки збудження через дискрети цих струмів за період коливань напруги живлення змінного струму.

Проблему автоматизованої ідентифікації динамічних параметрів ЕМС ЕП пропонується вирішувати за допомогою дискретних моделей відносно достатньо просто вимірюваних параметрів, наприклад, струму. Через те, що ставиться задача ідентифікації параметрів з використанням ЕОМ, оцінювання параметрів дослідної системи електропривода повинно виконуватися за вхідними і вихідними даними у табличному виді. В рамках неперервної моделі у цьому випадку необхідне використання методів інтерполяції, що потребує додаткового машинного часу і часто призводить до зростання похибок обчислень. Тому важливим є пошук адекватної дискретної моделі об’єкта. У розділі виконаний аналіз методів переходу від неперервної моделі об’єкта до дискретного аналогу. Розглядались методи: 1) упорядкування різницевих рівнянь; 2) введення фіктивних пристроїв вибірки і збереження; 3) чисельного інтегрування; 4) апроксимації методом підстановки; 5) переобладнання неперервних систем; 6) Башаріна. Аналіз наведених методів показав, що найбільш прийнятним є метод трапецій для систем, що можуть бути структурно перетворені у структури, які містять лише інтегральні ланки. У протилежному випадку, або для систем високого порядку найбільш прийнятною є апроксимація за допомогою методу підстановок. Дискретна апроксимація, наприклад, аперіодичної ланки методом підстановки Тастіна співпадає з методом трапецій і дає похибку 0,123%. У той же час інші методи призводять до похибки від 3,4% до 6,92%. Точне рішення за методом Фаулера практично зовсім не дає похибки, але дискретна апроксимація при цьому включає трансцендентність у вигляді експоненціальних залежностей параметрів електропривода, що утруднює їх ідентифікацію. У разі використання моделей, що описуються диференційними рівняннями не вище першого порядку, цифрова апроксимація таких моделей може бути виконана за допомогою метода введення фіктивних пристроїв вибірки і збереження.

У третьому розділі на основі встановлених у другому розділі закономірностей і залежностей визначені формули для ідентифікації номінальних параметрів та виконаний їх аналіз для двигунів постійного і змінного струму найбільш поширених виконань.

Схемі заміщення асинхронного двигуна, що вміщує у гілці намагнічування опір , еквівалентний втратам у сталі, відповідає система рівнянь у просторово-часових комплексах усталеного режиму холостого ходу, що отримана з системи рівнянь Парка-Горева з урахуванням опору . Така відповідність дозволяє визначити рівняння балансу потужності режиму холостого ходу через параметри схеми заміщення і залежність коефіцієнта втрат у сталі через опір і індуктивність гілки намагнічування. Після розподілу втрат за формулою (1) активний опір гілки намагнічування знаходиться як , де струм фази статора у режимі холостого ходу. Головна взаємна індуктивність між фазою статора і фазами ротора знаходиться через отримані залежності

, (10)

, (11)

де кут на просторово-часовій діаграмі асинхронної машини між векторами ЕРС статора і струму намагнічування; синхронна кутова швидкість; коефіцієнт втрат у сталі.

Запропоновані вирази у сукупності з методом автоматизованого розділу втрат дозволяє знайти параметри схеми заміщення асинхронної машини через складові втрат в асинхронному двигуні в режимі холостого ходу без складної системи діагностики і навантаження.

Теоретично обґрунтований у другому розділі метод прогнозування навантажувальної здатності електричного двигуна був використаний для ідентифікації номінального струму найбільш розповсюджених варіантів двигунів: асинхронного серії 4А закритого виконання і двигуна постійного струму 2П нормального виконання з висотою осі обертання до 200 мм і аксіальною вентиляцією. Як базова прийнята чотиримасова теплова модель електродвигуна, що дає перевірену експериментально похибку визначення температури ізоляції обмотки не більше 5,5%. Використання такої моделі дозволяє отримати прості залежності прогнозу номінального струму відносно теплових втрат, що гріють двигун, і його конструктивними параметрами.

Аналіз формули (12) показав, що необхідне прогнозування номінального струму двигуна з урахуванням напрямку теплових потоків. Ускладнення теплової моделі двигуна з використанням теплових провідностей навіть на середньому рівні значень, без урахування їх розбіжностей для окремих екземплярів, дасть більш точний результат відносно теплової моделі у вигляді одного однорідного і ізотропного тіла. Модернізація двигуна під час його ремонту повинна передбачати покращання систем вентиляції і теплової провідності між сталлю статора і станиною двигуна, використання міді з вищою, ніж була, аксіальною тепловою провідністю і меншим опором, встановлення датчика температури внутрішнього повітря. Наведені заходи дозволять збільшити номінальне навантаження на двигун. Подальше збільшення навантаження на двигун пов’язане з підвищенням класу ізоляції.

Якість комутації значно впливає на роботу двигуна. Тому важливим є настроювання комутації машин постійного струм після їх виготовлення і ремонту. Встановлена принципова можливість автоматизованого настроювання комутації за допомогою експериментального зняття зон безіскрової роботи в режимі динамічного навантаження без механічного сполучення дослідної машини і навантаження. Запропоновано спосіб настроювання комутації, захищений патентом.

Розділ четвертий присвячений ідентифікації сталих часу системи електропривода постійного струму на основі розробки дискретних моделей електропривода.

Поставлена проблема інформаційного забезпечення експлуатації і ремонту ЕМС ЕП вирішується, у тому числі, через створення простих у реалізації, швидких і збігових алгоритмів ідентифікації. Впровадження сучасних цифрових інформаційних технологій передбачає використання дискретних моделей у алгоритмах ідентифікації. У цій площині постає питання отримання цифрової моделі електропривода постійного струму з двигунами незалежного і послідовного збудження. Забезпечення простоти реалізації, швидкості збігання алгоритмів ідентифікації виконується завдяки, по-перше, створенню дискретних моделей відносно струмів якоря і збудження, що можуть вимірюватися достатньо просто і точно, по-друге, отриманню аналітичних залежностей параметрів, що ідентифікуються, відносно даних перехідного процесу. Це дозволяє ідентифікувати динамічні параметри ЕМС ЕП безпосередньо через дискретні значення перехідних процесів струмів і усереднювати їх на певному відрізку часу, або визначати початкові значення параметру при використанні градієнтних методів ідентифікації, що фактично призводить до досягнення області глобального мінімуму критерію якості і швидкого збігання алгоритму.

Згідно з методом, що запропонований у другому розділі, отримані дискретні моделі струмів якоря і збудження двигунів постійного струму незалежного збудження (ДПСНЗ) з урахуванням і без урахування вихрових струмів та лінеаризовані дискретні моделі струму якоря двигунів постійного струму послідовного збудження (ДПСПЗ) з шунтуванням якоря або обмотки збудження виду (7) при живленні від джерела регульованої напруги.

Для ДПСНЗ у першому припущенні прийнято, що в напрузі живлення відсутні полігармонійні складові, а система керування електроприводом безінерційна; дія реакції якоря скомпенсована, а індуктивність якірного кола і кола збудження постійна. Для ДПСПЗ прийнято, що для режиму роботи з незначним навантаженням крива намагнічування апроксимується прямою лінією. Отримані лінеаризовані моделі двигуна з шунтованим якорем і шунтованою обмоткою збудження у межах, що дозволяють приймати незмінною кутову швидкість обертання, шляхом заміни у рівняннях, що описують двигун, добутку абсолютних змінних на суму відповідних прирощень. Такі припущення є лінеаризацією моделі ДПС в малому і підтверджуються інформацією про сучасні конструкції двигунів. Нелінійність індуктивності і кривої намагнічування може бути визначена методом, представленим у другому розділі.

На основі дискретних моделей струмів і визначених з цих моделей закономірностей виду (6) отримані формули для ідентифікації електромагнітних сталих часу якірного кола , кола збудження та електромеханічної сталої часу електропривода через дискретні значення перехідних процесів струмів якоря при стрибку напруги якоря, а також при довільній дії напруги живлення в режимі холостого ходу.

Встановлено, що існують викиди похибки ідентифікації у моменти переключення вентилів тиристорного перетворювача. Наприклад, для кута регулювання тиристорів =/6 і кута комутації =0,04 похибка ідентифікації сталої часу якірного кола у функції миттєвої напруги живлення двигуна має вигляд (рис.2).

Здійснена оцінка похибки ідентифікації за допомогою отриманих формул (23) і (24). Зокрема встановлено, що амплітуда коливань похибки зменшується зі зменшенням кроку дискретизації (для електропривода потужністю 10 кВт при h=0,0001с на інтервалі 3-ої пульсації похибка ідентифікації сталої часу якірного кола =0,037...0,873%, а при h=0,00001с =3,4710-4...7,2210-3 %.

Дані рекомендації щодо значень кута регулювання наруги . Ідентифікація сталих часу може бути реалізована в широкому діапазоні зміни , але слід виконувати вибір найменшого за умовами проведення ідентифікації кута . Також необхідне визначення початкового кута зрушення напруги живлення відносно кута природної комутації вентилів в момент подачі напруги, що дозволить вибрати такий відрізок часу перехідного процесу напруги і струму, в якому похибка ідентифікації буде мінімальною.

Ідентифікація сталих часу затухання перехідного процесу струму секцій якоря при подачі імпульсу напруги з крутим фронтом із подальшим зрівнянням їх з еталонним дозволяє визначити наявність виткових і корпусних замикань секцій та перевірити якість ізоляції обмоток (котушок).

Запропонований спосіб автоматизованої ідентифікації параметрів секцій обмоток двигунів, захищений патентом.

У п’ятому розділі розглядаються питання ідентифікації сталих часу систем електропривода змінного струму на основі розробки дискретних моделей електропривода. Найбільш доцільними є дискретні моделі відносно струму фаз статора в системі РНАД. Це пояснюється простотою і точністю виміру цих параметрів режиму роботи електропривода. Дискретне представлення струму статора дозволяє отримати аналітичну залежність динамічних параметрів ЕМС ЕП відносно даних перехідного процесу струму при східчастій зміні напруги живлення за методом, що розглянутий у другому розділі. Таким чином, реалізується аналітична ідентифікація сталих часу асинхронного електропривода безпосередньо через послідовності дискретних значень струму статора з подальшим усередненням отриманих параметрів на певному проміжку часу перехідного процесу. Використання аналітичних залежностей дозволяє дослідити нелінійність параметрів ЕМС ЕП впродовж перехідного процесу або отримати початкове значення параметру, що ідентифікується, градієнтними методами.

За допомогою розробленої моделі струму статора досліджено вплив параметра на динаміку пуску і зміни напруги. Встановлено, що збільшення активного опору , еквівалентного втратам у сталі статора, незначно зменшує коливальність перехідного процесу при пуску і практично не впливає на тривалість перехідних процесів. Введення параметра в модель струмів необхідне для усталеного режиму.

При регулюванні напруги в системі електропривода РН – АД в режимі холостого ходу кутова швидкість обертання ротора практично не змінюється і її значення близьке до кутової швидкості обертання ідеального холостого ходу . У цьому випадку моделі струмів спрощуються.

Визначені особливості ідентифікації параметрів електропривода з асинхронним двигуном з фазним ротором (АДФР). Іспити електропривода з АДФР принципово не відрізняються від іспитів електропривода з АДКЗР і всі наведені раніше формули можуть бути використані для ідентифікації параметрів електропривода, що розглядається. Фази двигуна у цьому випадку