Національна гірнича академія України

Желдак Тімур Анатолійович

УДК 621.341.004.13:621.313.004.67

ідентифікація параметрів асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором без навантаження в складі автоматизованого комплексу

05.09.03 – Електротехнічні комплекси і системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України на кафедрі електропривода.

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, доцент БЕШТА Олександр Степанович, Національна гірнича академія України, завідувач кафедри електропривода, професор

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Коцегуб Павло Харитонович, Донецький державний технічний, завідувач кафедри електропривода та автоматизації промислових установок, професор.

кандидат технічних наук Дерець Олександр Леонідович, Дніпродзержинський державний технічний університет, доцент кафедри електрообладнання.

Провідна установа:

Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти та науки України, кафедра електротехнічних систем електроспоживання та енергозбереження, м. Вінниця.

Захист відбудеться 19 квітня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій при Національній гірничій академії України (49027 м. Дніпропетровськ-27, пр. Карла Маркса, 19, тел. 47-24-11).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної гірничої академії України (49027 м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19)

Автореферат розісланий 18 березня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук, доцент В. Т. Заїка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку вітчизняної та світової науки і техніки усе більша увага приділяється підвищенню якості та економічної ефективності виробництва, які неможливо уявити без використання економних та надійних технологій, автоматизації та комп'ютеризації виробничих процесів. Основною складовою більшості виробничого устаткування є електричний привод, надійність якого має суттєвий вплив на техніко-економічні показники виробництва.

Для надійної та тривалої роботи двигуна необхідно чітко знати велику кількість його технічних параметрів, які складають паспорт виробу, а також характеризують різні режими його роботи. До таких параметрів відносяться як енергетичні дані електродвигуна – втрати в окремих його частинах, коефіцієнт корисної дії, номінальний момент на валу, так і конструктивні, що в більшості своїй і визначають енергетику машини. Ідентифікація параметрів асинхронних двигунів (АД) потребує проведення в тому чи іншому обсязі їх випробувань згідно діючих технічних умов (ТУ) та Державних стандартів України (ДСТУ).

Водночас ідентифікація поточних параметрів асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором пов'язана із низкою складнощів, що обумовлюються широким спектром досліджень та необхідністю використання великої кількості складного та коштовного обладнання. При аналізі існуючих пристроїв для ідентифікації параметрів короткозамкнених АД було виявлено, що вони, як правило, передбачають у тій або іншій формі навантаження двигуна, що випробовується. Це також призводить до великих витрат на устаткування й електроенергію.

У звязку з викладеним виникає проблемна ситуація, коли виготовлені двигуни проходять приймально-здавальні випробуваня в повному обсязі не усі, а вибірково (1-2 із партії), а машини після капітального ремонту (таких зараз більшість - 70-90% парку АД, що експлуатуються) перевіряються тільки в режимі холостого ходу, і їхні параметри залишаються невизначеними.

Сучасні методи ідентифікації параметрів електричних машин без навантаження можуть бути розвинуті за рахунок використання джерела живлення з синусоїдальною амплітудно-керованою напругою, використання ітераційних методів розрахунку параметрів, а також за рахунок зменшення кількості вимірів та зменшення похибки методів досліджень. Це дозволить ідентифікувати саме параметри асинхронного двигуна, відокремлюючи їх від параметрів, що визначаються формою напруги та системою живлення, а також зменшити похибки експрес-методу та покращити його економічні показники.

Для реалізації можливості отримання якомога більш повного набору параметрів асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором та параметрів різних режимів їх роботи актуальною є задача спрощення і автоматизації процедури досліджень. Також актуальним є створення малогабаритного універсального випробувального стенду низької вартості, який дозволив би відмовитися від навантаження двигуна, що випробується.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації знаходяться в рамках Комплексної державної програми енергозбереження (прийнята постановою №911 Верховної Ради України від 15 листопада 1995 р., напрямок НДР Міністерства освіти і науки України 1.9.2.8. – Електромеханічне перетворення енергії) та включені в план бюджетних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України 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").

Мета роботи. Метою роботи є розробка методів ідентифікації параметрів асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором (КЗР) без навантаження та створення автоматизованого електромеханічного комплексу, що їх реалізує.

Об'єктом дослідження у дисертації є процес ідентифікації параметрів асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором, необхідний для тривалої і надійної роботи АД, і водночас пов'язаний із застосуванням великої кількості складного обладнання, значними витратами часу та електроенергії.

Предметом дослідження є автоматизований комплекс, що дозволяє при суттєвому зниженні капітальних витрат скоротити час та вартість випробування одного АД, а також методи роботи комплексу, які б дозволили відмовитися від навантаження двигуна при ідентифікації його параметрів.

Основні задачі дослідження:

- розробка методів визначення енергетичних показників та параметрів схеми заміщення, а також паспортних даних асинхронного двигуна без його навантаження при синусоїдальній напрузі живлення;

- формулювання вимог до структури автоматизованого електромеханічного комплексу для ідентифікації параметрів короткозамкнених асинхронних двигунів та до його елементної бази;

- математичний опис та лінеаризація структурних ланок системи електропривода автоматизованого комплексу;

- розробка закону автоматичного цифрового керування амплітудою синусоїдальної напруги живлення статора двигуна під час ідентифікації його параметрів;

- визначення впливу налагодження цифрового регулятора та параметрів системи автоматичного керування на режими роботи комплексу;

- розробка програми і методики ідентифікації параметрів короткозамкнених асинхронних двигунів за допомогою автоматизованого комплексу;

- експериментальна перевірка методів ідентифікації параметрів АД з КЗР, роботи автоматизованого комплексу, аналіз отриманих експериментальних даних.

В роботі використані наступні методи дослідження: аналіз і узагальнення сучасних літературних джерел та досвіду експлуатації і випробувань асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором щодо визначення їх параметрів; енергетичного балансу та усереднення для поділу складових втрат; моделювання перехідних і усталених процесів та адаптивної параметричної ідентифікації для визначення параметрів схеми заміщення; теплового моделювання та ітерації для прогнозування номінальної навантажувальної здатності АД; цифрової рекурсивної фільтрації вхідних даних; а також теорії лінійної апроксимації та синтезу цифрових регуляторів для визначення закону регулювання напругою під час ідентифікації..

Найбільш суттєві наукові положення та результати, отримані здобувачем, та їх новизна.

Наукові положення:

1.

2.

Наукові результати:

1. Вперше запропоновано метод визначення складових втрат в короткозамкненому АД, параметрів його схеми заміщення, номінальних та паспортних даних ітераційно при використанні лише даних про миттєві значення струму і напруги у фазах статора в режимах прямого пуску та холостого ходу. Це дозволяє, на відміну від відомих раніше методів, відмовитись від навантаження двигуна, що випробується, а також від вимірювання підведеної до двигуна потужності, частоти його обертання та температури обмоток. Ітераційність методу також дозволяє зменшити похибку визначення параметрів АД з КЗР при урахуванні взаємного впливу параметрів один на одного при послідовних розрахунках.

2. В дисертації вперше отримано математичний опис системи електропривода автоматизованого комплексу для ідентифікації параметрів АД з КЗР на основі синусоїдальної напруги живлення за допомогою лінійних ланок першого порядку на робочому відрізку зовнішньої характеристики. Це дозволило, на відміну від відомих раніше реалізацій автоматизованих комплексів, синтезувати цифровий регулятор напруги, що забезпечує автоматичне регулювання напруги статора АД під час ідентифікації його параметрів, передатна функція якого при переключенні з перехідного режиму у режим стабілізації змінюється на коефіцієнт, що дорівнює максимальному коефіцієнту підсилення індукційного регулятора.

Практична цінність отриманих результатів полягає у тому, що:

-

-

-

-

Результати роботи впроваджено в електроремонтну практику ВАТ "Дніпропетровський електромеханічний завод" та ВАТ "Дніпроважпапірмаш ім. Артема" у вигляді методики випробувань асинхронних короткозамкнених двигунів після ремонту та експериментального зразку автоматизованого випробувального комплексу (ВАТ "ДЕМЗ").

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював мету, задачі досліджень та наукові положення, виконав теоретичну частину роботи, взяв безпосередню участь у здійсненні лабораторних та виробничих досліджень. Зміст дисертації викладений автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Апробація положень та результатів, викладених у дисертаційній роботі, була здійснена на семінарі "Напівпровідникові перетворювачі в гірничій промисловості" в Науковій Раді НАН України з промислових проблем "Наукові основи енергетики" при Національній Академії наук (Київ, Інститут електродинаміки, 1998), а також на наукових конференціях "Автоматика-98" (Київ, НТУУ "КПІ", 1998), "Современные технологии экономичного и безопасного производства и использования электроэнергии" (Дніпропетровськ, НГАУ, 1997), "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика" (Алушта, ХДПУ, 1997).

Публікації. За основними результатами дисертації опубліковано 11 друкованих робіт (із них 9 у співавторстві), в тому числі 1 журнальна публікація (одна – у іноземному виданні) та 10 статей у збірниках наукових праць вузів України.

Структура та обсяг роботи. Повний обсяг дисертації становить 194 сторінки друкованого тексту, до складу якого входять 154 сторінок основної частини, що містить вступ, чотири розділи та висновки по роботі, список використаних літературних джерел та вісім додатків. Список використаних джерел містить 93 найменування та займає 9 сторінок. В дисертації налічується 22 малюнки та 17 таблиць, які займають повністю 10 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми та показано її зв'язок з науковими програмами та темами, сформульовані мета та головні наукові і практичні задачі дослідження, викладені наукові положення, що захищаються, показані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, а також показано рівень апробації результатів роботи, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі розглянуто вплив окремих параметрів асинхронного двигуна на його навантажувальну спроможність, зміну цих параметрів під час ремонту, довгої експлуатації та при збиранні з використанням матеріалів, що не відповідають технічним умовам. Проаналізовано відомі методики визначення параметрів асинхронних короткозамкнених двигунів при їх випробуваннях. Розглянуті ряд пристроїв, що використовуються для ідентифікації параметрів АД, їх режими роботи та експлуатаційні характеристики. В результаті аналізу поточного стану об'єкту дослідження, виконаного в першому розділі, були обрані тема даної роботи, а також поставлені наукові і практичні задачі дослідження.

В ході аналізу життєвого циклу АД, було визначено, що машини, які випускаються, експлуатуються та проходять ремонт, можуть мати конструктивні та енергетичні параметри, технічні характеристики і паспортні дані, які в тій чи іншій мірі відрізняються від закладених згідно конструкторської документації. Актуальною є задача їх поточної ідентифікації на кожному з етапів експлуатації.

До параметрів, які мають визначатися, потрібно віднести параметри номінального режиму роботи асинхронного двигуна, тобто номінальні напругу, струм статора, потужність та момент на валу, ковзання, частоту обертання, коефіцієнти потужності та корисної дії. Крім того, для роботи АД в автоматизованому електроприводі необхідно знати також його робочі характеристики, параметри динамічного та статичного режиму роботи, що визначаються параметрами схеми заміщення. Також для роботи електроприводі з короткозамкненим АД ключове значення має його температурний режим роботи при номінальному навантаженні, який повинен відповідати припустимим перевищенням температур для встановленого на машину класу ізоляції.

В ході аналізу методики приймально-здавальних випробувань АД для визначення його параметрів в обсязі, регламентованому відповідними ДСТУ було визначено, що випробування є громіздкими, тривалими та неповними. Так визначення механічної характеристики асинхронного двигуна та перевірка його за нагріванням потребують його навантаження тим чи іншим чином, для чого необхідна наявність великої кількості спеціалізованого обладнання та значні витрати часу і електроенергії. Крім того, розрахунок деяких параметрів АД з КЗР в ході приймально-здавальних випробувань (втрати в сталі, температура обмотки статора) виконується непрямими методами не досить точно.

Більшість літературних джерел містить відомості про методики випробувань, та автоматизовані комплекси, що їх реалізують, орієнтовані на визначення якогось окремого параметру АД чи їх набору. Такі комплекси не визначають всіх необхідних характеристик машини одночасно. Крім того, більшість відомих автоматизованих комплексів та стендів для випробувань асинхронних двигунів мають високу вартість та складні у роботі. Очевидна необхідність спрощення процедури випробувань, а також застосування нових технічних рішень і наукових підходів до вирішення даної проблеми, а саме: мінімізація витрат матеріальних ресурсів, електричної енергії та часу на проведення випробувань; використання замість безпосередніх досліджень математичних моделей, методів математичного аналізу та індукції; використання новітніх технологій в галузі збору та обробки даних для створення автоматизованого комплексу по ідентифікації параметрів електромеханічних систем.

Аналіз найбільш сучасних методик випробувань без навантаження, що відповідають згаданим вимогам, показав необхідність великої кількості перехідних процесів, які можуть призвести до суттєвої зміни температури обмотки і її активного опору під час досліджень, а також можливі проблеми при ідентифікації, пов’язані з виникненням незначущих коефіцієнтів регресії. Аналітичні методи визначення параметрів номінального режиму роботи та динамічних характеристик електропривода з АД мають кінцеву точність, що визначається зробленими припущеннями та можливість попадання в локальні мінімуми обраного критерію якості. Існуючі діагностичні комплекси передбачають використання вентильних керованих електроприводів, що вносить додаткові похибки за рахунок несинусоїдальності напруги та струму живлення. До того ж, неможливо розділити параметри електропривода, що відносяться безпосередньо до асинхронного двигуна, та таких, що визначаються системою електропривода та формою напруги і струму живлення.

В результаті аналізу відомих шляхів перевірки короткозамкнених АД за нагріванням виявлено, що при поточній діагностиці цей процес ускладнений і виконується лише непрямими методами. Найбільш точним з таких методів є моделювання усталеного теплового режиму при номінальному навантаженні за допомогою теплових схем заміщення (ЕТС). При цьому розрахунок може вестися прямим шляхом, коли за відомими складовими втрат в АД визначаються температури його окремих частин, та зворотнім – обчислення припустимої номінальної навантажувальної спроможності за величиною припустимої максимальної температури ізоляції обмотки статора для даного класу ізоляції. Показано, що наведені відомі ЕТС мають певні недоліки, тому є актуальною розробка більш раціональної теплової моделі.

Другий розділ присвячено пошукам шляхів ідентифікації параметрів асинхронних короткозамкнених двигунів без навантаження. Запропоновані методи визначення складових втрат в АД в режимі холостого ходу шляхом рішення ненадлишкової системи рівнянь енергетичного балансу, визначення параметрів схеми заміщення, номінальних та паспортних даних двигуна шляхом моделювання перехідних процесів струму у фазах статора при прямому пуску без навантаження, а також перевірки навантажувальної спроможність машини з використанням розробленої теплової схеми заміщення.

Баланс потужності АД в режимі холостого ходу має вигляд

, (1)

де - загальні втрати, що дорівнюють всій потужності, підведеній від джерела живлення ( - значення напруги та струму фази статора; - коефіцієнт потужності); - активні втрати в колі статора; - активний опір обмотки фази статора; - втрати в сталі пакета статора ( - коефіцієнт, що враховує дефекти при обробці, марку сталі, масу магнітопроводу; - поточне значення ЕРС двигуна; - номінальна напруга фази статора; та - відповідно поточна та номінальна частота живлячої мережі; - показник ступеня, що залежить від марки сталі, ); - сума механічних втрат.

Коефіцієнт потужності при синусоїдальному характері напруги живлення визначається шляхом виміру фазового зсуву між напругою і струмом статора. Фіксуючи проміжок часу між нульовими значеннями кривих струму та напруги, знак їх похідних в цей момент, ми можемо отримати коефіцієнт потужності за формулою

, (2)

де - крок квантування, сек.; - порядкові номери квантів струму статора та напруги, що дорівнюють нулю; - частота живлячої напруги, Гц.

Складаючи ненадлишкову систему рівнянь вигляду (1) при трьох рівнях напруги живлення, та приймаючи за припущення, що в цьому режимі частота обертання двигуна не змінюється, вирішуємо цю систему відносно невідомих - , та . Замінюючи , отримуємо вирази для невідомих

, (3)

, (4)

. (5)

де та - поточні значення відповідно напруги, струму статора, коефіцієнта потужності та підведеної потужності при тому вимірі.

Параметри схеми заміщення, в якій ланка намагнічування, представлена двома паралельними опорами та , визначається шляхом порівняння перехідних процесів струму статора, що мають місце в двигуні під час його прямого пуску без навантаження, та результатів моделювання. Останнє виконується за допомогою системи рівнянь Парка-Горєва, що описує в результуючих просторово-часових комплексах перехідні процеси в асинхронних машинах.

(6)

де - відповідно узагальнені комплекси напруги, струму і потокозчеплення статора в осях, що обертаються з довільною швидкістю ; - відповідно просторово-часові комплекси струму і потокозчеплення ротора в тих же осях; і - активний опір і індуктивність фази відповідно статора і ротора; - частота обертання ротора; - головна взаємна індуктивність між фазою статора і фазами ротора; індуктивності статора та ротора містять головну індуктивність фази та відповідно індуктивності розсіювання фаз статора і ротора . Індуктивності фаз пов'язуються з індуктивними опорами схеми заміщення рис. 1 виразами

, , . (7)

В пам'ять ЕОМ знімаються пускові характеристики фазних струмів статора реального двигуна , , , при його пуску на номінальну напругу, та відповідних напруг , та . За цими даними обчислюється перехідний процес для узагальнених векторів в реальному двигуні та . У той же час, маючи відомим за описаною вище методикою активний опір фази статора , маємо для (6)-(7) чотири невідомих - , , та , які підбираються в ході ітераційного розрахунку.

Перебираючи послідовно величини та в обраному діапазоні з кроком від каталожного значення, моделюємо пускову характеристику . Відповідно для кожної комбінації та (де - номер поточного значення підібраних опорів) знаходимо суму квадратів відхилень поточних значень змодельованого струму від реальних

, (8)

де - кількість значень, знятих під час перехідного процесу в реальному двигуні; - поточний номер значення струму; - значення струму статора під час перехідного процесу в реальному двигуні на крокові ; - теж саме для перехідного процесу а результатами моделювання з підібраними параметрами.

Методом найменших квадратів знаходимо такі значення невідомих опорів, які найближче відповідають реальним. Результатом підбору параметрів повинна служити така ситуація, коли величина буде мати мінімальне значення.

Ітераційність процесу полягає в тому, що на другому і подальших кроках ітерації на визначення активного опору обмотки статора впливатиме визначення ЕРС за відомими параметрами схеми заміщення. І навпаки, від визначення буде залежати точність визначення інших параметрів СЗ при моделюванні за (6).

Під час перехідного процесу необхідно визначати два набори параметрів – звичайні при ковзанні, близькім до номінального (наприкінці перехідного процесу), та пускові , які враховують ефект витіснення струму (на самому початку пуску).

Перевірка АД з КЗР закритого виконання за нагріванням виконується шляхом моделювання з використанням раціональної еквівалентної теплової схеми (ЕТС), яка відрізняється від відомих тим, що вона враховує підігрів охолоджуючого повітря і водночас в ході її раціоналізації були прийняті, перевірені, та оцінені ряд припущень. Вони стосуються неврахування впливу механічні втрат на загальний тепловий баланс АД; вилучення теплового опору між зубцевою зоною та спинкою пакета статора, а також неврахування теплопередачі через вал двигуна та через вентилятор і кришку вентилятора. Загальна похибка, що вноситься до моделі за прийняття цих припущень, не перевищує припустимої у 5%.

Розроблена ЕТС використовується під час прямого і зворотного розрахунків. В першому випадку за відомими складовими втрат та конструктивними параметрами АД визначаються перевищення температури 16-ти ключових точок над температурою зовнішнього повітря. Під час зворотного розрахунку, який застосовується в разі, якщо якась із частин АД перегрівається в номінальному режимі над припустиме значення, обчислюється припустима номінальна навантажувальна спроможності за величиною припустимої максимальної температури ізоляції обмотки статора. Номінальний навантажувальний момент і струм статора, що пов'язані виразом

, (9)

знижують поступово до тих пір, поки втрати в АД стануть меншими припустимого рівня.

В третьому розділі сформульовані вимоги до структури та елементної бази автоматизованого комплексу для ідентифікації параметрів АД з КЗР. Також у розділі виконана лінеаризація нелінійних ланок комплексу, синтезовано цифровий регулятор напруги зі змінною передатною функцією та проведені дослідження щодо визначення його найбільш раціональних настроювань.

Головні вимоги, що їх висуває запропонована методика до автоматизованого комплексу, на якому будуть проводитися випробування, – це наявність синусоїдального амплітудно-керованого джерела живлення, компактність, низька вартість та простота у використанні, мінімізація витрат матеріальних ресурсів, електричної енергії та часу на проведення випробувань. Ці вимоги реалізуються за рахунок використання новітніх технологій в галузі збирання та обробки даних, уніфікації головних складових агрегатів та визначення раціональної організації системи діагностування.

До складу автоматизованого комплексу повинні входити: кероване джерело живлення змінного струму, персональний комп'ютер, блок сполучення, програмне забезпечення. Методика проведення випробувань та вимоги до автоматизованого комплексу визначають такі вимоги до джерела живлення: керування напругою живлення плавно або дискретно в межах з дискретністю, не більшою 10В; стабілізація напруги живлення на заданому рівні; синусоїдальний характер напруги при всіх її діючих значеннях в діапазоні керування; незмінність під час випробувань зовнішніх параметрів для АД, що випробовується, наприклад, частоти живлячої напруги, температури повітря; максимальний припустимий струм джерела повинен бути не менший, ніж пусковий струм найпотужнішого з двигунів, що проходять випробування.

Робота автоматизованого комплексу повинна бути цілком підпорядкована ПЕОМ, на яку покладені функції керування процесом випробувань, розрахунків та аналізу результатів. Вимоги до комп'ютера: тип IBM PC з процесором Intel80486 чи вище; наявність операційних систем MS-DOS та Windows'95; наявність не менше ніж 8 Мб оперативної пам'яті та 100 Мб вільного місця на жорсткому дискові.

Для здійснення багатофункціонального зв'язку між комп'ютером і електроприводом використовується блок сполучення. Вимоги до блоку сполучення: сумісність зі стандартами персональних комп'ютерів типу IBM PC; частота зчитування аналогових сигналів - не менше ніж 150кГц на канал; кількість каналів опитування АЦП - не менше 6; відносна похибка цифро-аналогового та аналого-цифрового перетворення - не більше ніж 0,1%; наявність гальванічної розв'язки між каналами та аналогової частини каналів від системної шини ПК.

З огляду на перелічені вимоги до структури та елементної бази автоматизованого комплексу, він міститиме індукційний регулятор напруги (ІРН), що приводиться у рух короткозамкненим асинхронним двигуном, який живиться від перетворювача частоти з широтно-імпульсною модуляцією, персональної ЕОМ з встановленими платами ЦАП і АЦП, блоку датчиків і гальванічної розв'язки. Для поліпшення якості роботи автоматизованого комплексу введено регулятор вихідної напруги ІРН, який, по-перше, прискорює перехід двигуна з одного рівня живлячої напруги на інший, а, по-друге, точно відпрацьовує поточне завдання на напругу статора АД, компенсуючи при цьому коливання та відхилення в амплітуді живлячої мережі.

Система електропривода комплексу містить дві суттєво нелінійні ланки: виконавчий двигун (ВД) і силове коло індукційного регулятора напруги (ІРН). Динаміка ВД характеризується електромагнітною та електромеханічною сталими часу. В нашому випадку розглядається електропривод ІРН з великим моментом інерції, , тому при вивченні динаміки роботи ВД нехтуємо впливом електромагнітних перехідних процесів.

Згідно з рівнянням механічної характеристики за формулою Клосса момент на валу двигуна є нелінійною функцією від напруги та частоти мережі, а також частоти обертання. Якщо лінеаризувати цю залежність на лінійному відрізку механічної характеристики АД, то можна записати

, (10)

де - коефіцієнт передачі по напрузі живлення статора; , - критичне ковзання та критичний момент при номінальних напрузі статора та частоті живлення ; - коефіцієнт, що характеризує відношення активних опорів статора і ротора; - зміна напруги статора ВД; - коефіцієнт передачі по частоті живлення статора; - зміна частота живлення статора ВД; - коефіцієнт передачі по частоті обертання двигуна; - зміна частоти обертання ротора ВД.

Рівнянням руху електропривода виконавчого двигуна має вигляд

, (11)

де - відхилення статичного моменту навантаження; - зведений до валу ВД сумарний момент інерції валів ВД та ІРН; - коефіцієнт передачі редуктора ІРН.

Рис. 1. Структурна схема асинхронного двигуна: а) лінеаризована за (10)-(11);

б) зведена з урахуванням та .

Згідно з (10) та (11) структурна схема ВД має вигляд рис. 1 а). Зауважимо, що частота живлячої мережі в дослідженні не змінюється, а статичний момент навантаження в динаміці набагато менший, ніж динамічний, пов'язаний із поворотом значної маси ротора ІРН, тому ним можна знехтувати. З огляду на це можна звернути структурну схему на рис. 1 а) до вигляду рис. 1 б), де

- зміна кутового положення вала індукційного регулятора; - зведений коефіцієнт підсилення ВД, ; - механічна стала часу ВД, що знаходиться як

Силова частина індукційного регулятора являє собою нелінійну ланку. Це пов’язано із синусоїдальним характером залежності вихідної напруги від кута повороту ротора

, (12)

де - коефіцієнт підсилення ІРН, який в залежності від типу і конструкції може становити від до ; - кут повороту осі обмотки ротора відносно статора ІРН.

Ввівши такі позначення: - збурення, низькочастотні коливання напруги статора ІРН; - коефіцієнт передачі ІРН за керуючим впливом; - коефіцієнт передачі ІРН за збуренням, розглянемо систему керування при виконанні двох задач – регулюванні вихідної напруги ІРН за потрібним алгоритмом та підтримці її на заданому рівні при коливаннях вхідної напруги. Переходячи від (12) до рівнянь у відхиленнях, маємо залежність від коливань

, (13)

де - коефіцієнт підсилення, який дорівнює при ; - електромагнітна стала часу.

Регулювальна характеристика ІРН на відрізку може бути лінеаризована прямою . Середньоквадратична похибка такої лінеаризації становить 0,38%, а максимальне відхилення значення лінеаризованої функції від оригіналу – 2,03%. Перехідна функція індукційного регулятора за керуючим впливом має вигляд

. (14)

З урахуванням лінеаризованих ланок передатна функція розімкненої цифрової системи керування напругою за збуренням і керуючим впливом має вигляд (відповідно: - за керуючим впливом, - за збуренням)

, (15)

, (16)

де - передатна функція цифрового регулятора напруги (ЦРН); - передатна функція фіксатора (екстраполятора); - стала часу, що враховує дискретність керуючого впливу; та - сталі часу інтегрування відповідно ЦАП та АЦП; - некомпенсовані малі сталі часу відповідно ПЧ статора ВД та датчика напруги статора АД; та - відповідно код завдання на напругу за програмою та код зворотного зв'язку; - напруга відповідно збурення на вході ІРН та на статорі АД.

Відповідно до передатних функцій (15) синтезовані декілька передатних функції цифрового регулятора напруги за умови інтегрального та аперіодичного характеру бажаної розімкненої передатної функції. За найкращими показниками якості перехідних процесів при переході з одного рівня напруги на інший та в режимі стабілізації напруги під час вимірів отримано передатну функцію цифрового регулятора із зміною при переході від режиму регулювання в режим стабілізації

(16)

де , , та - безрозмірні коефіцієнти.

Також в ході моделювання отримані найбільш раціональні настроювання цифрового регулятора – частота його дискретизації, величини некомпенсованих сталих часу та бажаного перерегулювання в системі

; ; , (17)

де - бажана величина перерегулювання, що визначає коливальність розімкненої системи і бажану частоту зрізу системи , - сумарна некомпенсована стала часу.

Для автоматизації процесу керування електроприводом і опрацювання даних необхідне програмне забезпечення (ПЗ). Основними вимогами до програмного забезпечення є точність і швидкість розрахунків, зручність у користуванні (програма повинна бути гнучкою і застосовною до будь-якого двигуна даного типу, введення даних і одержання результатів доступні для користувачів різної кваліфікації). До основних задач, які виконує розроблене ПЗ, відносяться: ініціалізація плат ЦАП і АЦП, настроювання їх на необхідний режим роботи; видача завдання на напругу в статорі АД у визначені проміжки часу; знімання даних, пропорційних напрузі статора АД та струмові у його фазах синхронно по шести каналах; реалізація цифрового регулятора напруги зі змінною передатною функцією в перехідних і усталених режимах; обчислення складових втрат в машині, параметрів її схеми заміщення та паспортних даних; моделювання усталеного теплового режиму роботи АД при номінальному навантаженні; вивід та збереження результатів у печатному вигляді чи в файлі.

В четвертому розділі наведено результати експериментальних випробувань двигунів різних типів за запропонованим методом, програма і методика випробувань з використанням розробленого автоматизованого комплексу, результати напівпромислових випробувань АД та аналіз отриманих даних.

Експериментальні дослідження щодо ідентифікації параметрів АД з КЗР проводилися в умовах електромашинної лабораторії ВАТ "Дніпропетровський електромеханічний завод" на спеціалізованій ділянці. Вимірювалися напруги і струми у фазах статора, а також підведена до двигуна потужність в режимі холостого ходу при трьох рівнях напруги живлення, і за (3)-(5) виконувався поділ втрат холостого ходу. Також в ході експериментальних досліджень проводилася перевірка усталеного теплового режиму роботи асинхронних двигунів з використанням розробленої теплової схеми заміщення. Показана принципова застосовність запропонованих методів визначення параметрів АД в режимі холостого ходу, які дають порівняні результати з випробуваннями за традиційною методикою, частина параметрів за якою теж визначається не безпосередньо.

Для проведення напівпромислових випробувань експериментального зразку автоматизованого комплексу в умовах виробництва були розроблені програма і методика досліджень, які визначають перелік обладнання, що повинен входити до автоматизованого комплексу, порядок дій оператора при зборці, наладці та тестуванні обладнання, під час випробувань та після їх закінчення, регламентують умови проведення досліджень, величини, які знімаються у ході дослідження, та ті, що обчислюються, а також перелік документів і записів, які дозволяють зробити висновки про якість та надійність електричних машин, що пройшли випробування. Тривалість повного циклу випробування одного двигуна за викладеною методикою – 3…5 хвилин, тривалість знімання даних – 15…30 секунд.

В ході аналізу отриманих за допомогою автоматизованого комплексу експериментальних даних статистично визначено середні похибки кожного із запропонованих методів по відношенню до даних, отриманих безпосередніми вимірами. Величини похибок становлять: для поділу втрат в режимі холостого ходу – 6,9%; для визначення параметрів схеми заміщення за кривою струму статора під час прямого пуску – 2,7%; для теплового моделювання усталеного режиму АД з КЗР – 3,5%. Також була обчислена середня похибка експерименту, що становить 1,8%.

В ході аналізу результатів випробувань також було встановлено, що найбільш суттєвий вплив на параметри і навантажувальну спроможність АД з КЗР відіграє активний опір обмотки статора, а також подовжні теплові провідності міді обмотки статора та сталі пакету статора, що обумовлює необхідність якомога точнішого визначення цих параметрів в ході випробувань АД.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішена науково-практична задача удосконалення методів параметрів асинхронних двигунів без навантаження, що полягає у визначенні аналітичних залежностей між параметрами асинхронних двигунів та миттєвими значеннями фазних струмів та напруг в режимах без навантаження. Використання ітераційних методів ідентифікації і змінного алгоритму цифрового керування синусоїдальною напругою живлення двигуна під час дослідження дозволяє зменшити похибку визначення параметрів асинхронних двигунів, скоротити витрати робочого часу та матеріальні затрати на обладнання та електроенергію, що реалізовано за допомогою розробленого автоматизованого комплексу з синусоїдальною амплітудно-керованою напругою.

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дали змогу зробити наступні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Основні наукові положення та результати дисертації відображені в наступних роботах:

1. Бешта А.С., Аль-Батайнех С.М., Желдак Т.А. Определение класса изоляции обмоток двигателей в процессе ремонта // Zeszyty naukowe, NR 112, Elektryka 16, wydavnictwo Politechniki Zielonogorsk, Polska. - 1997. - c. 221-225.

2. Воробьев А.А., Бешта А.С., Желдак Т.А. Экспериментальное разделение потерь в асинхронном электроприводе по методике холостого хода // Вестник ХГПУ "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". - Харьков, Основа. - 1998. - с. 229-231.

3. Выбор частоты среза автоматизированного комплекса по паспортизации электрических машин / А.А. Воробьев, А.С. Бешта, Т.А. Желдак и др. // Вестник ХГПУ "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика". - Харьков, Основа. - 1999. - с. 351-356.

4. Определение параметров схемы замещения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором по переходному процессу в обмотке статора / А.С. Бешта, Ю.В. Куваев, Т.А. Желдак, Ю.М. Макуха, А.В. Балахонцев