Диагностика элементов электромеханических систем переменного тока на основе использования теории мгновенной мощности
Уточненный расчет характеристик элементов электромеханической системы позволяет выполнять адекватный анализ энергетических режимов работы в любой момент времени. Известно, что к существенному повышению энергопотребления приводит работа системы с имеющимися дефектами. К тому же наличие дефекта одного из элементов системы приводит к ускоренному износу и выходу из строя других элементов. Таким образом, создание эффективных и недорогих систем диагностики дефектов составляющих электропривода переменного тока (прежде АД, как основного элемента), которая могла бы быть применена без вывода машины из производственного процесса и позволяла диагностировать дефекты на стадии развития, является чрезвычайно важной задачей.
В странах Западной Европы и Северной Америки для решения указанной проблемы в последнее время широко применяются методы, основанные на анализе спектра тока. Однако такой подход не учитывает влияния некачественных параметров сети, и может приводить к ошибочному диагнозу. Итак, для всестороннего анализа енергопроцесив, необходимо использовать сигнал мощности, который по сути является произведением сигналов тока и напряжения и содержит характерные признаки обоих указанных сигналов.
В работах отечественных ученых предложено использовать в атметрографични методы диагностирования штанговых глубинно-насосных установок с анализом спектров мгновенной мощности асинхронного двигателя, которые используют для диагностики технологического оборудования: дефектов редуктора, скважинного оборудования (поломка каналов, обрыв штанг). При этом указывается на возможность определения дефектов электромагнитного оборудования, а именно асинхронного двигателя, но существенных исследований теоретического и прикладного характера не выполнены.
Эффективное решение этих задач возможно на основе использования математического аппарата теории мгновенной мощности, поскольку в большинстве случаев в промышленных условиях единственными параметрами, которые можно достаточно просто измерить, зафиксировать и оценить, являются токи и напряжения статора двигателя, по которым можно рассчитать мгновенные значения мощности.
Разработка мероприятий своевременной диагностики дефектов электромеханических систем на стадии зарождения позволила получить следующие научные результаты:
- для определения диагностических признаков дефектов АД была усовершенствована математические модели асинхронного двигателя в трехфазной системе координат. Данные модели позволяют анализировать работу АД: с динамическим дисбалансом - путем учета влияния на электромагнитные параметры изменения интегральной величины воздушного промежутка на Полюсной делении при вращении ротора, с некачественными креплениями - путем учета влияния колебаний статора на мгновенный угол поворота ротора относительно статора, с повреждением обмоток статора и ротора - путем введения соответствующих контуров, которые моделируют данные дефекты;
- впервые разработан метод диагностики дефектов и оценки общего технического состояния асинхронных двигателей по анализу частотного спектра и интегральных характеристик потребляемой трехфазным АД мощности, который формализован в виде логических правил для определения дефектов и повреждений;
- впервые разработан метод отделения влияния некачественных параметров напряжения питания на формирование сигнала потребляемой мощности в точке подключения АД на основе анализа уравнений баланса составляющих мощности позволяет повысить точность диагностики путем исключения из анализа частотных составляющих, которые обусловлены несинусоиднистю и несимметрии напряжения питания.
Исследование использования математического аппарата теории мгновенной мощности в задачах диагностики дефектов электромеханических систем дали следующие выводы:
- С формулируемых диагностические показатели на основе анализа изменения характеристик сигнала мгновенной мощности при появлении и развития дефектов. Эти показатели могут использоваться как для оценки общего технического состояния, так и для определения вида имеющегося дефекта АД;
- Обосновано использование спектра сигнала потребляемой трехфазным двиг в ном мощности для диагностики дефектов АД, что, в отличие от спектров сигналов токов и огибающих токов фаз статора, не только позволяет выявить факт наличия соответствующего повреждения или дефекта, а т а также позволяет оценить степень повреждения по величине мощности соответствующей гармонической составляющей, позволяющий оценить энергетики ч на составляющую повреждения и прямо связать его с дополнительным разрушением составных частей электромех а ночного преобразователя, вызванное нагревом и вибрациями под действием соответствующей составляющей мощности;
- С помощью аналитических символьных в иразив формирования гармонических составляющих мощности на основе гармонических составляющих токов и напряжений установлено соответствие наличия дефектов АД конкретным частотам спектра мощности учитывается коэффициентом высших гармоник частотного диапазона мощности;
- На основе совокупного анализа спектра мощности трех фаз и сформированных диагностических показателей разработаны логические правила для определения общего технического состояния АД и диагностики таких дефектов, как: некачественного крепления АД к основанию, статического, динамического и смешанного дисбалансов ротора, витковых замыканий и несимметрии обмоток статора, обрывов стержней ротора;
- С целью повышения точности диагностики по анализу спектра потребляемой мощности разработан метод определения источника формирования высших гармонических составляющих сигнала на основе уравнений баланса мощности в точке подключения потребителя путем анализа компонент постоянной составляющей потребляемой мощности;
- Для отделения влияния параметров несимметричной несинусоидальном сети питания на результаты диагностики обоснован метод пересчета мгновенных значений токов статора на основе известных параметров схемы замещения АД с учетом ЭДС, приводится в обмотках статора на разных гармониках. Экспериментальные исследования показали, что после выполнения процедуры отделения в сигналах мгновенной мощности и тока исключаются гармонические составляющие, вызванные некачественными параметрами сети, причем повышается уровень амплитуд гармонических составляющих, вызванных дефектами АД, что позволяет повысить точность диагностики;
- Экспериментальная проверка разработанных методов подтвердила результаты теоретических исследований и показала возможность проведения диагностики на основе анализа сигнала потребляемой трехфазным АД мощности по сформулированными логическими выражениями. В частности, исследования для АД типа АО90 S -4 показали, что для неповрежденного двигателя вклад низкочастотной составляющей сигнала потребляемой мощности трех фаз в суммарное значение высших гармоник сигнала составляет 0,8 %, В то время как при обрыве четырех стержней ротора доля низкочастотной составляющей повышается до 8 %. Наличие витковых замыканий 2,74 % Обмотки одной из фаз статора для этого же АД приводит к изменению процентного вклада в суммарное значение высших гармоник потребляемой мощности: значение амплитуд частотного промежутке гармоники основной частоты сети питания уменьшается в 5 раз, при этом возрастает в 2 раза значения амплитуд гармоник частотного промежутке двойной частоты сети питания, совпадает с результатами, полученными на математических моделях.