МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРАДЖЯН Олександр Агасійович

УДК 621.313.2.017

ПІСЛЯРЕМОНТНА ДІАГНОСТИКА ТА ПАСПОРТИЗАЦІЯ
МАШИН ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З УРАХУВАННЯМ
СТАНУ ПАКЕТА СТАЛІ ЯКОРЯ

Спеціальність 05.09.01 – Електричні машини і апарати

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Кременчук – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

РОДЬКІН Дмитро Йосипович, завідувач кафедри систем автоматичного управління та електропривода Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:– | доктор технічних наук, професор

СІНЧУК Олег Миколайович, технічний директор товариства з обмеженою відповідальністю Торговий Дім “Електричні машини” Міністерства промислової політики України (м. Харьків);–

кандидат технічних наук, доцент

БІЛИЙ Павло Миколайович, доцент кафедри електротехніки Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Провідна установа: | Інститут електродинаміки НАН України (м. Київ), відділ електричних машин.

Захист відбудеться “ 9 ” листопада 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .052.01 Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20, корп. 1-й, ауд. 1211.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України (39614, Полтавська обл., м. Кременчук, вул. Першотравнева, 20).

Автореферат розісланий “__7__” жовтня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. техн. наук, доц. А.В. Некрасов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Економічна ситуація, яка склалася у країні, зумовлює те, що електрообладнання промислових підприємств на сьогодні характеризується високим ступенем зношеності. Відновлення працездатності електричних машин виконується шляхом їх капітального ремонту. Відремонтована електрична машина в умовах експлуатації повинна забезпечити необхідний рівень надійності. Вважатють, що отримана з ремонту електрична машина має такі самі характеристики, як і до ремонту. Результати досліджень за останні роки свідчать, що в процесі тривалої експлуатації та, особливо, під час проведення ремонтних операцій відбуваються незворотні зміни властивостей пакета електротехнічної сталі якоря машини постійного струму (МПС) у результаті замикання кромок її листів на поверхні зубцевої зони. Досвід електроремонтних підприємств свідчать, що якір МПС після 4-5 капітальних ремонтів із заміною обмотки стає непридатним до використання через істотне погіршення властивостей пакета сталі в результаті збільшення втрат на вихрові струми, що врешті-решт впливає на тепловий режим обмотки якоря. Кожний ремонт призводить до зміни властивостей пакета сталі якоря, внаслідок чого необхідно виконувати паспортизацію машин після ремонту для забезпечення її експлуатації в оптимальному режимі.

Існуючі методи випробовування МПС після ремонту ґрунтуються на роботах Г.Н. Петрова, І.П. Копилова, Д. Уайта, які присвячені загальним питанням визначення характеристик електричних машин, а також на роботах Н.В. Астахова, Г.В. Нюрнберга, Г.К. Жерве, Р.І. Гемке, присвячених промисловим випробуванням електричних машин. Однак ці методи передбачають ситуації, коли пакет сталі якоря МПС є однорідним і не має локальних поверхневих пошкоджень, що не відповідає практиці післяремонтних випробувань.

Питання підвищення продуктивності випробувань різнотипних МПС під навантаженням шляхом динамічного навантаження розглянуті в роботах Д.Й. Родькіна, метою яких є розробка систем динамічного навантаження як ефективного засобу навантаження, тому питання паспортизації та діагностики машин не розглядались. У роботах С.М.Н. Аль-Батайнеха розглянуто методи паспортизації МПС, які не враховують нелінійну залежність індукції в магнітній системі від струму збудження, а також у тепловій моделі втрати в сталі взяті зосередженими. Загальні питання ідентифікації параметрів електричних машин розглянуто в роботах О.С. Бешти, однак, питання паспортизації розглянуто для машин змінного струму.

Тому актуальною задачею під час випробовування МПС є врахування погіршення властивостей пакета електротехнічної сталі якоря при визначенні післяремонтних параметрів.

Існуючі методи визначення втрат у сталі якоря МПС характеризуються рядом недоліків: математична модель втрат побудована для дослідного зразка сталі, а не пакета сталі якоря; не враховуються ймовірні пошкодження поверхні зубців, зміна співвідношення втрат від вихрових струмів та від перемагнічування. Крім того, ці моделі не дозволяють враховувати нелінійність кривої намагнічування.

Розробка вдосконалених моделей і методів визначення втрат дає змогу з більшим ступенем імовірності визначати втрати в сталі та на їх підставі тепловий стан обмотки якоря і реальну навантажувальну здатність електричної машини. Використання розроблених методів дозволяє розробити універсальні комплекси для післяремонтної діагностики і паспортизації МПС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складається з результатів досліджень, що проводилися з 1999 до 2004 року згідно з тематичними планами виконання НДР кафедри систем автоматичного управління та електропривода у Кременчуцькому державному політехнічному університеті за темами: “Дослідження та розробка теорії енергозбереження та енергозберігаючого електромеханічного обладнання” (№0199U004068), де автором виконане дослідження енергоперетворення в сталі якоря МПС; “Розробка та впровадження післяремонтної та експлуатаційної діагностики електричних двигунів в умовах електроремонтного цеху нафтопереробного заводу” (№0102U005792), де автором виконана розробка методів діагностики електричних машин і на їх підставі розроблено прикладне програмне забезпечення; “Розробка методичного і метрологічного забезпечення для комп'ютеризованих електромеханічних комплексів, впровадження в навчальний процес та дослідницьку практику” (№0103U003993), де автором виконана розробка структури лабораторних стендів і програмного забезпечення до них.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – удосконалення методів діагностики та паспортизації машин постійного струму при врахуванні післяремонтного стану пакета сталі якоря.

Для досягнення мети поставлені й вирішені наступні задачі:

?

?

?

?

?

?

?

?

?

Об'єкт дослідження – процес визначення параметрів і характеристик електричної машини постійного струму після капітального ремонту.

Предмет дослідження – діагностика і паспортизація машин постійного струму з урахуванням зміни електричних і магнітних властивостей пакета сталі якоря.

Методи дослідження – аналіз літературних і патентних джерел, метод балансу потужності під час визначення параметрів, методи аналітичного обчислення електромагнітного поля, метод балансу сил та моментів під час визначення вібраційних параметрів, регресійний аналіз при відокремленні втрат, спектральний аналіз ЕРС якоря, метод частотного синтезу регуляторів системи керування.

Ідея роботи полягає у визначенні втрат у сталі з урахуванням нелінійності кривої намагнічування та поверхневих пошкоджень зубцевої зони якоря з метою визначення післяремонтних паспортних даних.

Основні наукові положення і результати дослідження, їх новизна

Наукові положення

1.

2.

Наукові результати

1. Науково обґрунтовані принципи та підходи до діагностики машин постійного струму з урахуванням стану пакета сталі якоря, які на відміну від відомих підходів, дозволяють врахувати реальний стан електричної машини.

2. Уточнена математична теплова модель машини постійного струму, яка, на відміну від відомих моделей, враховує локальну неоднорідність розподілу втрат на поверхні зубцевої зони якоря.

3. Уперше визначено ступінь впливу локальних пошкоджень пакета сталі якоря, що виникають під час ремонту, на величину додаткової вібрації підшипникових вузлів і полюсів машини.

4. Запропоновано та науково обґрунтовано новий метод визначення післяремонтних паспортних даних машини постійного струму на підставі карти розподілу пошкоджень за результатами локальної діагностики пакета сталі якоря з урахуванням параметрів теплових режимів при динамічному навантаженні.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю припущень, прийнятих у математичних моделях, збігом теоретичних положень з результатами математичного моделювання і даними експериментальних досліджень, позитивним упровадженням результатів роботи.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані теоретичні результати покладено в основу розробок сучасних універсальних автоматизованих комплексів для дослідження властивостей і характеристик МПС та їх післяремонтної паспортизації.

Теоретичні дослідження, виконані в роботі, дозволили розробити:

?

?

?

?

Результати досліджень використано:

?

?

?

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі досліджень, наукові положення і результати, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок дисертанта в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] – систематизація та аналіз припущень в електроприводі постійного струму; [3] – постановка задачі, розробка методу визначення параметрів, перевірка працездатності методу; [4] – розробка моделі й аналіз результатів моделювання системи вимірювання параметрів при живленні від тиристорного перетворювача, розробка алгоритму запобігання фазовій нестабільності вимірювання; [5] – систематизація існуючих систем випробувань електричних МПС й обґрунтування принципів побудови універсальних випробувальних комплексів; [7] – розробка системи для визначення електромеханічних параметрів під час випробування генераторів постійного струму; [9] – обґрунтування принципів обробки експериментальних даних при живленні системи від тиристорного перетворювача, аналіз отриманих результатів; [11] – патентний пошук, розробка методу визначення втрат у сталі якоря МПС, формула винаходу; [12] – розробка способу визначення параметрів МПС і аналіз отриманих результатів; [13] – постановка задачі, систематизація методів апроксимації кривих струму та напруги тиристорних перетворювачів, аналіз отриманих результатів, розробка рекомендацій з використання методів апроксимації; [14] – постановка задачі, побудова моделі електричної машини.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Проблеми створення нових машин і технологій”, м. Кременчук, 1999, 2000, 2001 р.р., “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації”, м. Кременчук, 2002, 2003, 2004 р.р. та на Всеукраїнській науково-методичній конференції “Теорія та методика навчання математики, фізики, інформатики”, м. Кривий Ріг, 2002 р.

Робота обговорювалася на семінарі “Електромеханіка, проблеми енергоперетворення та енергоресурсозбереження” наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові проблеми електроенергетики”.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 15 друкованих працях, з них сім – у виданнях, затверджених ВАК України, і в одному деклараційному патенті України на винахід. Шість наукових праць опубліковано без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації складає 263 сторінок друкованого тексту та містить вступ, п’ять розділів, висновки з роботи, список використаних джерел і десять додатків. Основна частина роботи викладена на 155 сторінках. Список використаних джерел складається зі 149 найменувань і розміщено на 14 сторінках. Дисертація містить 46 рисунків і 19 таблиць, з них 12 рисунків і 10 таблиць розміщено на 22 повних сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи і відображено її зв’язок з науковими програмами, сформульовано мету й основні наукові та практичні задачі дослідження, наведено наукові положення, що виносяться на захист, вказано наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, а також рівень апробації результатів роботи, зазначено кількість публікацій за темою й особистий внесок автора.

У першому розділі виконано огляд літератури за темою дисертації та аналіз сучасного стану проблеми. Виконаний аналіз причин зниження ресурсу відремонтованих МПС дозволив виявити, що воно зумовлене, переважним чином, поверхневими пошкодженнями пакета сталі якоря. Пошкодження зубцевої зони пакета якоря являють собою локальні замикання кромок листів електротехнічної сталі, що виникають під час експлуатації та виконання ремонтних операцій. При зміні магнітного потоку крізь ці пошкодження в них виникають вихрові струми, що призводить до збільшення втрат у пакеті сталі та пов’язаного з цим зростання температури зубцевої зони пакета якоря та відповідно скорочення терміну служби ізоляції.

Відомі способи визначення втрат у сталі якоря МПС ґрунтуються на класичних залежностях, отриманих у працях Р. Штейнметца, Л.М. Піотровського, А.В. Іванова-Смоленського тощо, і мають наступний вигляд:

ДPст.я.=kдp0(f/50)б(Bс.я.2mс.я.+Bз.я.2mз.я.), (1)

де kд – коефіцієнт, що враховує збільшення втрат, зумовлене дефектами під час механічної обробки та нерівномірним розподілом магнітної індукції; p0 – питомі втрати в сталі при частоті 50 Гц та індукції 1 Тл; f – частота перемагнічування; б – коефіцієнт, що враховує співвідношення втрат від перемагнічування та вихрових струмів (б=1,3…1,5); Bс.я., Bз.я. – індукція в спинці та зубцях якоря; тс.я, тз.я. – маса спинки та зубців якоря.

Інші відомі в літературі способи визначення втрат у сталі якоря МПС базуються на використанні залежностей вигляду

, (2)

де ж – коефіцієнт втрат у сталі; Iз – струм збудження; щ – частота обертання якоря; щн – номінальна частота обертання якоря.

Моделі втрат (1, 2) побудовані на основі припущень, що сталь є однорідною і співвідношення втрат на гістерезис та вихрові струми фіксоване. Існуючі методи відокремлення втрат у сталі від механічних втрат на підставі моделей (1, 2) не враховують нелінійну залежність магнітної індукції та струму збудження, тому використання цих моделей під час післяремонтної діагностики призводить до похибок, які досягають 20% (рис. , табл. ). Тому використання цих моделей під час діагностики машин є не бажаним. У табл. використано наступні позначення: n – частота обертання якоря; ?Pмех.е. – механічні втрати, які визначені експериментально; ?Pмех. – механічні втрати, які визначені за моделлю (2); е – похибка визначення втрат.

Типові програми випробувань не дозволяють з достатньою достовірністю визначити післяремонтний ресурс електричної машини та її номінальні параметри, тому що визначення втрат у пакеті сталі якоря та їх відокремлення не передбачене реґламентом випробувань. Таким чином, під час післяремонтних випробувань необхідним є достовірне визначення втрат у пакеті сталі якоря.

У другому розділі вирішено питання розробки математичного опису процесів у пакеті електротехнічної сталі якоря МПС та розподілу втрат у ній. З метою розробки методу визначення реального розподілу втрат у МПС після ремонту побудовано модель втрат у сталі якоря, яка відрізняється від існуючих тим, що враховує зміну магнітного потоку в пошкоджених ділянках на поверхні якоря під час його обертання та пульсації струму якоря і збудження.

Для побудови моделі втрат у сталі були аналітично визначені наступні складові:–

втрати в якорі від вихрових струмів, спричинені його обертанням

;–

втрати в якорі від вихрових струмів, спричинені пульсацією струму якоря при живленні МПС від тиристорного перетворювача (ТП)

;–

втрати в якорі від перемагнічування, спричинені його обертанням

;–

втрати в якорі від перемагнічування, спричинені пульсацією струму якоря

,

де K1, K2, K3, K4, А1, А2, А3 – коефіцієнти, що залежать від конструктивних параметрів машини; щп – частота зміни потоку на поверхні якоря; Iя – струм якоря; щя – частота зміни струму якоря; kпз – коефіцієнт пульсації струму збудження; kпя – коефіцієнт пульсації струму якоря.

За відсутності пульсацій у напрузі живлення МПС під час її експлуатації складові втрат у сталі, спричинені пульсацією струму якоря, не враховуються.

Доведено, що під час визначення параметрів МПС, неприпустимо нехтувати нелінійністю кривої намагнічування. Функціональний зв'язок між індукцією і струмом збудження має вигляд:

, (3)

де a0, ..., a3 – коефіцієнти апроксимуючої функції.

На підставі виконаного в роботі аналізу та з урахуванням (3), а також залежності частоти обертання від напруги якоря , отримана узагальнена реґресійна модель втрат у сталі

, (4)

де kв, kп – відповідно коефіцієнти, які враховують втрати від вихрових струмів та перемагнічування; kч – коефіцієнт пропорційності між напругою якоря та частотою обертання; Uя – напруга якоря; p – ступінь апроксимуючого поліному (0<p=3); an – коефіцієнти поліному.

Як вихідні дані для визначення коефіцієнтів реґресійної моделі використовуються результати досліду при неробочому ході та незмінній частоті обертання, що забезпечує сталі механічні втрати. Дослід виконують за різної напруги якоря, змінюючи при цьому струм збудження для підтримання незмінної частоти обертання. Параметри, що вимірюються: напруга якоря Uя=||Uя.1 ... Uя.N||; струм якоря Iя=||Iя.1 ... Iя.N||; струм збудження Iв=||Iв.1 ... Iв.N||, де N – кількість вимірів.

Оцінювання коефіцієнтів моделі виконано методами реґресійного аналізу. Порівняння моделей вигляду (4) з різною кількістю коефіцієнтів дозволило встановити, що при відокремленні втрат з урахуванням нелінійності кривої намагнічування найбільш раціональна модель має вигляд:

(5)

де b1, ..., b6 – коефіцієнти моделі.

У разі малого діапазону зміни струму збудження доцільно використовувати модель вигляду:

. (6)

На підставі наведених у табл. 2, 3 результатів визначення втрат у сталі двигуна постійного струму типу П31 з параметрами Pн=1,5 кВт; Uя=220 В; Iя=8 А; nн=1500 об/хв установлено, що використання моделей (5, 6) зумовлене тим, що вони забезпечують менше середньоквадратичне відхилення від експериментальних даних і, відповідно, більш точно описують зміну втрат у сталі. Крім того, ці моделі містять невелику кількість коефіцієнтів, що забезпечує високу вірогідність визначення втрат за невеликої кількості вимірювань (15...20).

Визначення залежності коефіцієнтів bi та механічних втрат ?Pмех від частоти обертання виконується при різних частотах щ1, щ2,…, щn.

У табл. 2, 3 використовуються наступні позначення: номери стовпців 1, 2, 3 відповідають залежностям (2, 6, 5); ?Pмех.р – механічні втрати, визначені на основі реґресійного аналізу; s – середньоквадратичне відхилення експериментально визначених втрат від розрахованих за моделлю; R – коефіцієнт достовірності моделі.

Експериментальні дослідження і обробка результатів запропонованим методом та їх порівняння зі стандартними для ряду випробуваних машин дали припустиму збіжність результатів, підтвердивши достовірність методу.

Таблиця 2

Втрати, визначені за моделями (2, 6, 5)

n,

об/хв | ДPмех.е.,

Вт | ДPмех.р, Вт | е,%

1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3

1000 | 45,18±1,32 | 51,32±1,49 | 47,14±1,26 | 43,23±2,90 | 13,59 | 4,34 | 4,32

1250 | 59,61±1,21 | 69,88±1,73 | 63,16±0,96 | 59,09±3,40 | 17,23 | 5,96 | 0,87

1500 | 81,04±1,25 | 91,87±1,46 | 85,66±0,95 | 85,57±4,78 | 13,36 | 5,70 | 5,59

Таблиця 3

Статистичні характеристики моделей (2, 6, 5)

n,

об/хв | s2 | R2

1 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3

1000 | 4,692 | 0,454 | 0,187 | 0,796 | 0,983 | 0,995

1250 | 8,633 | 0,379 | 0,227 | 0,785 | 0,991 | 0,996

1500 | 5,407 | 0,218 | 0,162 | 0,814 | 0,993 | 0,996

У розділі доведено, що пошкодження поверхні зубцевої зони якоря зумовлюють додаткову вібрацію електричної машини. Експериментальне визначення стану поверхні якоря після демонтажу обмотки якоря проводиться з використанням методу локального тестування. Це дозволяє визначити розподіл пошкоджень та частку втрат ?Pвп.jk в j-му, k-му пошкодженні. Магнітна індукція в локальних ділянках визначається із залежності:

,

де j – номер зубця; k – номер елемента зубця по довжині; мr – відносна магнітна проникність сталі; м0 – магнітна стала; r – еквівалентний радіус пошкодженої ділянки; R – опір пакету сталі.

Неоднорідна індукція зумовлює неоднорідне розподілення сил по довжині пазів, а під час обертання якоря – вібрацію переважно підшипникових вузлів. Аналіз реакції підшипникових опор дозволив виявити змінні складові сил, які є причиною вібрації в підшипникових вузлах:

; ;

; ,

де l1k=lя/N; l2k=lя–l1k; lя – загальна довжина якоря; N – кількість елементів зубця по його довжині; Z – кількість зубців; бj – кут між віссю полюса та пошкодженням.

Аналіз результатів моделювання свідчить, що сили в підшипникових опорах змінюються з подвоєною частотою обертання якоря. При цьому симетричні пошкодження, зсунуті на 180?, не призводять до виникнення змінних некомпенсованих сил, а додаткова вібрація полюсів на порядок менша від вібрації якоря.

В третьому розділі розроблено та досліджено метод визначення номінальних післяремонтних паспортних даних МПС, який ґрунтується на побудові статичних та динамічних теплових моделей з урахуванням розподілу втрат у машині після ремонту.

Розроблено просторову теплову модель структури “зубець – пазова мідь – зубець”, що наведена на рис. 2. Зубець і пазова частина обмотки розділені по довжині якоря на елементарні ділянки з номерами i=1, ... N, де N – кількість елементів якоря по його довжині.

Рис. 2. Просторова теплова схема заміщення структури
“зубець – пазова мідь – зубець”

Загальна кількість вузлів у схемі M=3N+3. Вузол з номером M відповідає зосередженим втратам у сталі сердечника якоря, вузли з номерами M+1, M+2 відповідають лобовим частинам обмотки.

Втрати у вузлах теплової схеми заміщення визначаються на підставі наступних залежностей:–

втрати в міді пазової частини обмотки якоря ;–

втрати в міді лобової частини обмотки якоря ,

де ?Pмя – потужність втрат у міді паза; ?Pст.з1, ДPст.з2 – потужність втрат в елементі зубця по довжині якоря; ?Pст.т – потужність втрат у тілі якоря; – коефіцієнт лобової частини обмотки; lл – довжина лобової частини обмотки; lя – довжина пазової частини обмотки.

Теплові опори мають такі позначення: Rсп – опір “зубець – повітря”; Rмп – опір “активна мідь – повітря”; Rмс – опір “активна мідь паза – сталь зубця”; Rзт – опір “сталь зубця – сталь тіла якоря”; Rмм – опір при теплопередачі від міді одного елемента до міді іншого елемента по довжині провідника; Rсс – опір при теплопередачі від сталі одного елемента до сталі іншого елемента по довжині якоря; Rмпл1, Rмпл2 – опір “мідь лобових частин обмотки – повітря”; Rммл1, Rммл2 – опір “мідь лобових частин – пазова мідь”.

Для визначення втрат ?Pм в активному опорі обмотки якоря з урахуванням локальних пошкоджень на поверхні якоря при заданій температурі пазової ізоляції ип визначені модифіковані матриці Л?, P', які отримані шляхом перетворення системи рівнянь теплового балансу таким чином, щоб температура міді була заданою, а в результаті розв’язання системи знаходились допустимі втрати в елементі секції якоря.

Розроблена модифікована матриця теплових провідностей має вигляд:

Л'=||Л1 … Лi Ei+1 Лi+2…ЛM  EM+1 EM+2||,

де Л1, … ЛM+2 – матриці-стовпці вигляду Лi=||л1 … лM+2||T; i=1, 3, …, M-1; , при k=1…M+2.

Матриці Лi, Лi+2 містять теплові провідності, пов'язані зі сталлю зубців і сердечника якоря; матриці Лi+1 – з міддю обмотки якоря; матриця ЛM – із сердечником якоря; матриці ЛM+1, ЛM+2 – з лобовими частинами обмотки якоря.

У модифікованій матриці втрат елементи, що відповідають втратам у міді, дорівнюють нулю

P'=||ДP1 … ДPi  ДPi+2 … ДPM    ||T.

У матрицю параметрів, які визначаються, додатково введені втрати в міді

И'=||и1 … иi ДPi+1 иi+2 … иM ДPM+1 ДPM+2||T.

Визначення втрат у міді виконується на підставі залежності

, (7)

де ипов – температура повітря в зазорі машини; идоп – допустима температура ізоляції; Л0=||л10 … л(M+2)0||T – матриця теплових провідностей до базової площини температур. k=2, 5, …, M-2 – набуває значення індексів стовпців із втратами в міді.

Розв’язання системи рівнянь дозволяє визначити допустимі втрати в кожному елементі пазової частини обмотки якоря. Для запобігання перегріву локальних ділянок ізоляції допустима потужність втрат в елементі обмотки ?Рм.д. береться мінімальною з отриманих значень

ДРм.д.=min{Иґk}, (8)

де k=2, 5, 8, ..., M+1, M+2.

З урахуванням розв’язання (7) і (8) визначається потужність втрат у міді обмотки, що забезпечує задану температуру ізоляції обмотки. З отриманого значення потужності втрат ?Рм.д. визначається післяремонтний номінальний струм:

, (9)

де R0 – початковий опір обмотки якоря; б – температурний коефіцієнт опору матеріалу обмотки якоря; kп – коефіцієнт, що враховує вплив пульсації струму якоря.

Для режимів роботи S1-S3 розроблено метод визначення паспортних даних МПС. Так, залежність втрат у міді для повторно-короткочасного режиму S3 має вигляд:

(10)

де ?Pм1, ДPст1 – втрати в міді та сталі при навантаженні; б1, б2 – коефіцієнти тепловіддачі з поверхні якоря в процесі навантаження та в номінальному режимі (враховується їх зміна від частоти обертання); tp1, tп1 – час роботи та паузи при навантаженні; tp, tп – час роботи та паузи в номінальному режимі; TН, TО – сталі часу нагрівання та охолодження; ?д – допустима температура ізоляції; ?max1 – температура в кінці періоду навантаження; ?0 – температура навколишнього середовища; ?Pст н – номінальні втрати в сталі.

Запропонований у роботі загальний алгоритм визначення післяремонтного номінального струму має наступні операції:

–

–

–

–

–

–

–

Під час визначення післяремонтної потужності електричної машини беремо, що номінальна напруга якірного кола Uян дорівнює доремонтній, що є умовою забезпечення електричної міцності ізоляції обмотки якоря.

Післяремонтні номінальні параметри визначаються наступним чином:–

електрична потужність | Pне=UянIян;–

частота обертання якоря | ;–

потужність електричних втрат | ДPел.н=Iян2RяУ;–

сумарні втрати | ДPн=ДPст.н(щн,Iвн)+ДPмех.н(щн)+ДPел.н;–

механічна потужність | Pнм=Pне – ДPн;–

коефіцієнт корисної дії | ,

де kФ – коефіцієнт потоку.

У випадку, якщо номінальна механічна потужність менша, ніж потрібно для робочого механізму, то необхідно вжити додаткових заходів щодо зниження робочої температури ізоляції обмотки якоря:

1)

2)

Залежність для перерахунку тривалості вмикання для режиму S3:

; ,

де tц=tр+tп – час циклу.

У четвертому розділі виконано розробку та аналіз алгоритмів керування випробувальним обладнанням. Загальна ідея побудови системи керування полягає у тому, що система повинна розраховувати параметри регуляторів на підставі попереднього визначення параметрів випробуваної машини.

В основу визначення електромагнітних параметрів та сталих часу випробуваної машини покладено модель МПС другого порядку:

де uя – миттєве значення напруги якоря; iя – миттєве значення струму якоря; RяУ – опір якірного кола; LяУ – індуктивність якірного кола; ?Pст – втрати в сталі; Mнх – момент неробочого ходу; JУ – сумарний момент інерції якоря.

Аналіз функцій чутливості під час моделювання системи дало можливість установити, що індуктивність визначається при мінімальному рівні пульсації напруги якоря, а для визначення активного опору та коефіцієнта kЦ2/JУ необхідно підвищити значення амплітуди пульсації. Достовірність визначення параметрів погіршується при зростанні частоти пульсації більше 300-350 Гц.

Аналіз розроблених методів для визначення втрат та післяремонтних паспортних даних машини дозволив обґрунтувати вимоги до побудови системи керування комплексом діагностики, яка повинна мати контури стабілізації: струму збудження в усіх режимах роботи з похибкою не більше 0,5%, частоти обертання в режимі визначення втрат у сталі з похибкою не більше 0,2%, діючого струму якоря при навантаженні з похибкою не більше 0,5%.

Особливістю системи регулювання швидкості обертання є те, що зворотний зв’язок виконується на основі спектрального аналізу ЕРС якоря, а використання уніфікованих пропорційно-інтегрально-диференціальних регуляторів дає можливість компенсувати затримку сигналу зворотного зв’язку за частотою.

Особливістю контуру стабілізації діючого струму в миттєвих значеннях є його нелінійність, оскільки обчислення сигналу зворотного зв’язку виконується згідно із залежністю

,

де Iя.еф – ефективний струм якоря за період модулюючого сигналу; T – тривалість періоду модулюючого сигналу при динамічному навантаженні, на якому обчислюється діюче значення; t – поточний час.

Для побудови регуляторів та аналізу контур стабілізації діючого струму лінеаризується відносно квадрату струму якоря (рис. 3):

де Iнх – струм неробочого ходу; ; Щ=1/T – частота модуляції напруги; U1 – діюче значення змінної складової напруги.

Рис. 3. Структурна схема контуру стабілізації діючого струму

На рис. 3 використано такі позначення: Iз.еф. – завдання ефективного струму якоря; WРЕС(z) – функція регулятора ефективного струму; – затримка сигналу на період модулюючого сигналу; Td – період дискретизації.

У розділі розглянуто альтернативний спосіб зменшення температури ізоляції обмотки якоря та підвищення надійності МПС, який полягає в мінімізації втрат під час експлуатації машини шляхом перерозподілу втрат, що залежать та не залежать від навантаження. При цьому використання отриманої моделі втрат у сталі з урахуванням нелінійності кривої намагнічування дозволяє зменшити втрати в якорі на 10...15% порівняно з відомими способами. Оптимальне значення струму збудження, при якому сумарні втрати мінімальні:

,

де M – момент на валі МПС; kз – коефіцієнт пропорційності між струмом збудження та магнітним потоком; C1, C2, C3 – коефіцієнти втрат у сталі; Rв – опір обмотки збудження.

У п’ятому розділі вирішено питання розробки апаратної та програмної частини випробувального обладнання. Розроблений алгоритм визначення післяремонтних номінальних параметрів МПС передбачає використання методу динамічного навантаження, що потребує формування складних завдань напруги якоря та струму збудження. Реалізація таких завдань та регуляторів можлива тільки при використанні сучасного комп’ютеризованого обладнання.

У роботі сформульовано основні вимоги до функцій, які виконує апаратна частина обладнання:

?

?

?

Програмне забезпечення, крім загальносистемних алгоритмів, що відповідають за функціонування системи в цілому, включає до свого складу підпрограми:

?

?

?

?

Структурна схема вимірювально-діагностичного комплексу, яка відповідає висунутим вимогам, зображена на рис. .

Рис. 4. Структурна схема вимірювально-діагностичного комплексу

На рис. 4 використано наступні позначення: Т1, Т2 – трансформатори; ТП1, ТП2 – тиристорні перетворювачі; СІФК1, СІФК2 – системи імпульсно-фазового керування; ОЗ – обмотка збудження.

У розділі обґрунтовано вибір випробувального обладнання (блока гальванічного розділення, аналого-цифрового перетворювача тощо), розроблено алгоритм роботи випробувальної станції, що включає наступні операції:

?

?

?

?

?

?

?

?

У розділі також наведено результати розрахунку економічної доцільності використання діагностичного комплексу. Розрахунковий річний економічний ефект від впровадження системи діагностики і паспортизації машин постійного струму складає 350 тис. грн. при строку окупності нового обладнання 1,5 року, що зумовлено зменшенням повторних ремонтів електричних машин протягом гарантійного терміну.

ВИСНОВКИ

У дисертації вирішено актуальну наукову задачу підвищення якості післяремонтної діагностики та паспортизації МПС на підставі визначення втрат у сталі з урахуванням нелінійності кривої намагнічування та поверхневих пошкоджень зубцевої зони якоря. Результати математичного моделювання з використанням ЕОМ і експериментальні дослідження в лабораторних умовах підтвердили основні теоретичні положення, сформульовані в роботі, й можливість за допомогою незначного ускладнення існуючих систем випробування подовжити час безвідмовної роботи МПС. Виконані теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють сформулювати наступні висновки:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Основні наукові положення і результати дисертації опубліковані в наступних роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.