автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Спектрально-импульсные методы повышения разрешающей способности информационно-измерительных систем контроля асинхронных микродвигателей

На правах рукописи

СИЛЬВАШКО Сергей Анатольевич

СПЕКТРАЛЬНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ АСИНХРОННЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ

05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 7 1"0Н 2013 005062339

Оренбург-2013

005062339

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

Булатов Виталий Николаевич

Официальные оппоненты: Батищев Виталий Иванович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой информационных технологий;

Борисов Владимир Валерьевич,

кандидат технических наук, доцент, филиал ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» в г. Оренбурге, заведующий центром информационных технологий

Ведущая организация- ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)»

Защита состоится 1 июля 2013 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.181.07, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», по адресу: 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13, ауд. 6205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Автореферат разослан ^ мая 2013 г.

Ученый секретарь , .

диссертационного совета гаК-а В.И. Рассоха

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Из всех видов электрических машин существенную долю выпуска составляет группа асинхронных электродвигателей с номинальной мощностью, не превышающей 600 Вт (далее - асинхронные микродвигатели (АМД)), номенклатура которых составляет более 70 типов. Они находят применение в различных технических системах, в том числе функционирующих в экстремальных ситуациях, поэтому проблема обеспечения надежности названных технических систем непосредственно связана с необходимостью повышения качества АМД и, в первую очередь - их надежности.

Среди дефектов, существенно снижающих надежность АМД. следует выделить повреждения фазных обмоток статоров, на долю которых (по данным известных работ) приходится от 85 % до 95 % всех отказов. Основной причиной отказов АМД являются межвитковые замыкания (МВЗ) в фазных обмотках статоров - 93 % отказов, связанных с повреждениями фазных обмоток. Несвоевременное выявление МВЗ влечет за собой отказ АМД на стадии испытаний готовой продукции или, что еще хуже, на стадии эксплуатации. Таким образом, своевременное выявление короткозамкнутых витков в фазных обмотках статоров АМД является одной из важнейших задач. Причем для снижения себестоимости производства АМД необходимо обеспечить выявление обмоток с короткозамкнутыми витками на ранних стадиях технологического процесса.

При массовом производстве АМД для контроля обмоток статоров применяют комплексы типовых аппаратных средств в виде информационно-измерительных систем (ИИС). Реализованные в них методы диагностирования МВЗ в обмотках статора обеспечивают разрешающую способность обнаружения МВЗ не менее трех-пяти короткозамкнутых витков. Вместе с тем, наличие даже одного, не выявленного при проведении контроля, короткозамкнутого витка приводит к существенному нагреву провода как в самом замкнутом витке, так и в рядом расположенных витках, в процессе эксплуатации электродвигателя. Это влечет за собой ухудшение свойств изоляции провода, преждевременное ее старение и разрушение, что, в конечном счете, приводит к постепенному отказу АМД.

Анализ публикаций последних лет, содержащих результаты исследований других авторов, позволяет сделать вывод о том, что задача повышения разрешающей способности ИИС контроля АМД по отношению к МВЗ остается актуальной.

Цель работы - повышение разрешающей способности ИИС контроля АМД на основе использования свойств фазовых спектров измерительных сигналов специально выбранной формы.

В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:

1) исследовать частотные характеристики статоров АМД для выявления частотного диапазона, в пределах которого реактивная составляющая тока, протекающего в обмотке, слабо зависит от технологического разброса параметров обмоток, но обладает высокой чувствительностью к МВЗ;

2) разработать модель статора АМД как средство исследования и метрологическое средство для аттестации диагностического оборудования, предназначенного для контроля МВЗ в фазных обмотках статоров АМД;

3) сформулировать требования к испытательным сигналам, предназначаемым для комплексного контроля обмоток статоров АМД, и разработать метод синтеза таких сигналов;

4) разработать метод обнаружения МВЗ в фазных обмотках статоров АМД, основанный на использовании свойств фазовых спектров испытательных сигналов и обеспечивающий выявление одного короткозамкнутого витка на 2000 ... 3000 витков обмотки;

5) разработать способы диагностирования фазных обмоток статоров АМД, основанные на предложенном методе обнаружения МВЗ.

Объект исследования - класс ИИС, применяемых при межоперационном контроле асинхронных микродвигателей.

Предмет исследования в данном классе ИИС — разрешающая способность обнаружения межвитковых замыканий в фазных обмотках статоров асинхронных микродвигателей.

Методы исследований: методы математического моделирования, спектральный метод, приложения теории функции комплексного переменного, методы аппроксимации, регрессионный анализ, методы статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1) разработана эмпирическая модель статора АМД, базирующаяся, в отличие от известных, на аппроксимации усредненной частотной характеристики однотипных статоров АМД совокупностью передаточных функций типовых элементов электрических цепей;

2) разработана схемотехническая математическая модель статора АМД для области низких частот, позволяющая, в отличие от известных, установить зависимость частотных характеристик статора от технологического разброса параметров фазных обмоток и наличия короткозамкнутых витков в обмотках, а также выявить условия обеспечения экстремальной чувствительности фазового спектра измерительного сигнала к появлению МВЗ для установленной области информативных частот фазочастотной характеристики (ФЧХ) статора;

3) предложена модель синтеза амплитудно-импульсно-модулированных сигналов (АИМ-сигналов), содержащих гармонические составляющие с требуемыми параметрами в заданных областях частот, на основе которой разработан метод синтеза испытательных АИМ-сигналов с заданными метрологическими характеристиками, имеющий преимущества перед известными методами, реализуемыми на основе аналоговых перемножителей;

4) разработан метод диагностирования фазных обмоток статоров АМД с установленной методической погрешностью на наличие в них МВЗ, основанный, в отличие от известных, на использовании свойств фазовых спектров испытательных сигналов и состоящий в измерении угла фазового сдвига (УФС) информативных колебаний, пропорционального числу короткозамкнутых витков.

Практическую значимость имеют:

— способ диагностирования фазных обмоток статоров АМД на наличие в них МВЗ с высокой разрешающей способностью, основанный на использовании свойств фазовых спектров испытательных сигналов и состоящий в измерении

УФС информативных колебаний, пропорционального числу короткозамкнутых витков;

- способ повышения разрешающей способности разработанного способа диагностирования, обеспечивающий обнаружение одного короткозамкнутого витка при числе витков в обмотке 2000 ... 3000 и более.

Результаты, выносимые на защиту:

[) эмпирическая модель статора АМД, базирующаяся на аппроксимации усредненной частотной характеристики однотипных статоров АМД совокупностью передаточных функций типовых элементов электрических цепей;

2) схемотехническая математическая модель статора АМД для области низких частот, позволяющая установить зависимость частотных характеристик статора от технологического разброса параметров фазных обмоток и наличия короткозамкнутых витков в обмотках, а также выявить условия обеспечения экстремальной чувствительности фазового спектра измерительного сигнала к появлению МВЗ для установленной области информативных частот ФЧХ статора;

3) метод синтеза испытательных АИМ-сигналов с заданными метрологическими характеристиками;

4) метод диагностирования фазных обмоток статоров АМД с установленной методической погрешностью на наличие в них МВЗ, основанный на использовании свойств фазовых спектров испытательных сигналов и состоящий в измерении УФС информативных колебаний, пропорционального числу короткозамкнутых витков.

Реализация работы. Результаты работы приняты к использованию:

- в ЦЗЛ ОАО «Уралэлектро» (г. Медногорск Оренбургской обл.) - для модернизации стенда испытаний асинхронных электродвигателей;

- в учебном процессе кафедры «Промышленная электроника и информационно-измерительная техника» ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и получили одобрение на всероссийской научно-практической конференции «Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства» (г. Оренбург, 2003); на межвузовском научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы интеллектуального управления в человеко-машинных системах» (г. Оренбург, 2004); на III, IV, VI - IX всероссийских научно-практических конференциях (с международным участием) «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2004, 2005, 2007 - 2010); на всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение, электрооборудование, электроника» (г. Оренбург, 2005); на VII всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (г. Чебоксары, 2007); на всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2007, 2010, 2012); на научно-практической конференции «Управление созданием и развитием систем, сетей и устройств телекоммуникаций» (г. С.-Петербург, 2008).

Публикации. Положения диссертации нашли отражение в 23 публикациях, в числе которых 2 статьи в журналах, включенных в «Перечень ...» ВАК и 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из списка сокращений и условных обозначений, введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 117 наименований и трех приложений. Основная часть изложена на 154 страницах, содержит 40 рисунков, 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель работы, объект и предмет исследования, дана общая характеристика работы и изложено ее краткое содержание, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, определены их научная новизна и практическая значимость, приведены сведения об использовании результатов работы.

В первом разделе проанализированы существующие методы диагностирования МВЗ в намоточных узлах. Установлено, что среди известных методов диагностирования обмоток электрических машин на стадии производства наиболее приемлемыми являются спектрально-импульсные методы, основанные на анализе параметров гармонических составляющих амплитудных спектров импульсных последовательностей. Основными недостатками существующих методов являются относительная сложность их практической реализации и чувствительность к флуктуациям информативного параметра (амплитуд гармонических составляющих спектра анализируемого сигнала). Наличие второго недостатка снижает разрешающую способность известных спектрально-импульсных методов к числу ко-роткозамкнутых витков, вследствие чего диагностическое оборудование, реализованное на их основе, не обеспечивает обнаружения одного короткозамкнутого витка, приходящегося на 1000 и более витков в обмотке.

На основании результатов проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования. Выдвинута гипотеза о возможности диагностирования статоров АМД с использованием в качестве информативного параметра УФС в фазной обмотке.

Во втором разделе приведены результаты экспериментальных исследований амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных (ФЧХ) характеристик выборки однотипных статоров трехфазных АМД, на основе которых разработаны эмпирическая и схемотехническая математические модели статора АМД.

Установлено, что в диапазоне частот от 1 до 5,5 кГц на АЧХ исследованных статоров АМД имеет место участок, в пределах которого крутизна наклона АЧХ составляет около 20 дБ/дек, а УФС тока в фазных обмотках и напряжения на их выводах — около 80 градусов. Это свидетельствует об индуктивном характере реактивного сопротивления фазных обмоток статора в указанном диапазоне частот.

В диапазоне частот от 1 до 4 кГц относительное изменение УФС 5$, обусловленное технологическим разбросом параметров обмоток, не превышает 0,025 %. Увеличение разброса УФС в диапазоне частот от 4 до 8 кГц обусловлено различиями значений резонансных частот параллельных резонансов в фазных обмотках

выборки статоров.

Для аппроксимации частотных характеристик статора в области низких частот выбрана функция:

» = 1945 + -

0)

7,414-10-7-ш2+2,168-Ю5-

1-Шг ю?

+ 3-

ю?

(1)

3,703-10"12-ш2+1,084

1_0>2 ш?

где: со - текущая частота, рад/с; ом - частота, на которой достигает первого максимума АЧХ статора (гср), построенная с использованием выборочных средних полных сопротивлений обмоток на 1-х дискретных частотах, рад/с.

На рис. 1, а представлена аппроксимация модулем :м„) выражения (1) АЧХ статора, а на рис. 1,6- аппроксимация аргументом (фжи) змп) выражения (1) ФЧХ статора в сравнении, соответственно, с АЧХ (:ср) и ФЧХ (фсД построенным с использованием выборочных средних значений, полученных при экспериментальном исследовании выборки статоров. Погрешность бф аппроксимации ФЧХ в установленном диапазоне частот от 1 до 3 кГц не превышает 0,001%, что позволяет принять выражение (1) в качестве оценочной модели.

0

1

~ср -Г

■■:--" --.......' :

~моЬ.змп

о .... 2

Частота Гц Частота, Гц

а) б)

Рисунок 1 - Кривые зависимости полного сопротивления (:) обмотки статора

и УФС (ф) от частоты

Представление обмотки статора электрической схемой замещения в виде двухполюсника позволило вывести выражение схемотехнической модели статора:

1-Ш:

Шг

(2)

_0У

) К 1.

где: гк - активное сопротивление фазной обмотки статора; g„ - проводимость потерь в колебательном контуре; /,„ - распределенная индуктивность фазной обмот-

ки статора; со1 =

1

V ^КСК

— резонансная частота колебательного контура; С, - рас-

пределенная емкость фазной обмотки статора.

Аргумент выражения (2) позволяет исследовать ФЧХ исправного статора при различных значениях параметров его обмоток. В диапазоне частот от 900 Гц до 4 кГц аргумент выражения (2) схемотехнической модели адекватно с установленной относительной погрешностью Бф < 0,001 % отображает ФЧХ статоров АМД, выбранных для проведения исследований. Устройство, реализующее модель, описываемую выражением (2), может быть рекомендовано в качестве метрологического средства для аттестации диагностического оборудования, предназначенного для контроля МВЗ в фазных обмотках статоров АМД.

Численные значения параметров гк, и со, при использовании выражения (2) определяют экспериментально для статора конкретного типа АМД. Сопротивление потерь в обмотке гп находят из выражения:

гя,.=Яе{2,.( ю„)}-гга., (3)

где Z¡(йi¡i) — комплексное сопротивление /'-ой фазной обмотки статора на соответствующей ей частоте резонанса.

Модель статора АМД с короткозамкнутыми витками в одной из фазных обмоток получена на основе электрической схемы замещения трансформатора с корот-козамкнутой вторичной обмоткой. Выражение схемотехнической модели статора с МВЗ в фазной обмотке имеет вид:

<*2М1гк2 , gnLlУ

^мод кз

= гкХ +

к2 к2

+ 7

со?

св'-'к 2

(4)

где: гк\, ¿«1, g„ - соответственно активное сопротивление, Ом, индуктивность, Гн, проводимость потерь незамкнутой части обмотки статора, См; гк2, ¿,2 - активное сопротивление, Ом, и индуктивность замкнутой части обмотки статора, Гн; Мсв = — взаимная индуктивность катушек Ьк1 и Ьа, Гн; кс, - коэффи-

----резонансная частота

циент связи двух магнитосвязанных катушек; Ю[ =

■[ЬК\СК

колебательного контура, рад/с.

Выражение (4) позволило оценить влияние наличия короткозамкнутых витков в фазной обмотке статора на величину УФС в обмотке. Как видно из (4), наличие короткозамкнутых витков вызывает увеличение активной составляющей и уменьшение реактивной составляющей комплексного сопротивления фазной обмотки, что приводит к уменьшению УФС по сравнению с аналогичным параметром исправной обмотки.

На основе результатов экспериментальных исследований разработан метод диагностирования. При реализации метода используется измерительная схема, которая представляет собой одинарный мост (рис. 2), к одной диагонали которого приложено напряжение от генератора испытательного сигнала (О) с частотой диагностирования ю0 (выбирают в диапазоне частот, в пределах которого реактивная составляющая комплексного сопротивления обмотки носит явно индуктивный характер), а во вторую диагональ включен измеритель разности фаз (Дер).

образцовая обмотка

диагностируемая обмотка

Рисунок 2 - Схема реализации метода диагностирования статора

При наличии МВЗ в диагностируемой фазной обмотке статора УФС напряжения, снимаемого с резистора П2, изменяется на некоторую величину Дф по сравнению с УФС напряжения, снимаемого с резистора Л,, что будет зарегистрировано с помощью измерителя разности фаз. Установлено, что максимальная чувствительность измерительного моста к МВЗ в фазной обмотке имеет место при выполне-

нии условия /?, = Л2 = ^ к ~ Г1

а обр. >

где: XI = <ай1 - модуль индуктивного

сопротивления исправной обмотки на частоте а>0; га абР. ~ активная составляющая комплексного сопротивления исправной обмотки. В диапазоне частот от 1 до 3 кГц реактивная составляющая комплексного сопротивления фазной обмотки (X,) в несколько раз превышает активную составляющую (г„). Вносимое реактивное сопротивление (АХе„) также в несколько раз превышает вносимое активное сопро-

тивление (ДО- в частности на частоте 3 кГц -уг- ~ 10 и ность фаз двух напряжений составит:

М м

АХ„,

2Х,

. (рад).

; 10. Тогда раз-

(5)

то есть пропорциональна вносимому реактивному сопротивлению АХе„. Представляя АХен через число витков в незамкнутой части фазной обмотки (и1,) и число замкнутых витков (м<2), выражение (5) можно привести к виду:

2 и/2г2

(6)

Как следует из (6), разность фаз напряжений, снимаемых на резисторах и Яг, пропорциональна квадрату числа короткозамкнутых витков. Использование схемы сравнения, на один вход которой подают измеренное значение УФС |Дср|, а

на второй - пороговое значение УФС по величине на 10 ... 20 % больше предельных значений отклонения УФС от выборочных средних значений на частоте диагностирования о0 (обусловленного разбросом параметров обмоток), позволяет установить факт наличия МВЗ в фазной обмотке.

Чувствительность разработанного метода к числу короткозамкнутых витков в обмотке определяется выражением:

Например, если число витков в фазной обмотке статора составляет и», = 1000, коэффициент связи ксв = 0,98, то на частоте диагностирования со0 = 3000 Гц при замыкании одного витка 1|/(и>2) « 0,000096 рад/вит. к 0,0055 град/вит. Полученное значение превышает изменение УФС, вызванное замыканием одного витка и равное I Дф I я 0,00005 рад « 0,003 град. Таким образом, разработанный метод диагностирования статоров АМД обладает чувствительностью, достаточной для обнаружения одного короткозамкнутого витка, если число витков в фазной обмотке не превышает 1000.

В третьем разделе сформулированы требования к испытательным сигналам, применяемым в ИИС контроля статоров АМД, предложена модель синтеза АИМ-сигналов, на основе предложенной модели разработан метод синтеза испытательных АИМ-сигналов с высокими метрологическими характеристиками. Разработана методика оценки методической погрешности измерения фазы, обусловленной флуктуациями фазы измерительного сигнала.

Испытательные сигналы должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокими метрологическими характеристиками в установленных частотных областях; содержать в спектре гармоники с высокой энергетикой на частоте напряжения питания АМД (для создания электромагнитной среды, близкой к эксплуатационной) и в специально выделенной области частот, используемой для диагностирования МВЗ в обмотках АМД; не содержать постоянной составляющей.

Наилучшим образом изложенным требованиям удовлетворяют АИМ-сигналы, позволяющие синтезировать спектры с заданными свойствами в определенных частотных областях. Особый вклад в разработку теории синтеза сигналов с заданными свойствами спектров внесли ученые Шевеленко В. Д., Булатов В. Н., Скрипник Ю. А., Слепов Н. Н.

С целью выявления и обобщения свойств спектров АИМ-сигналов при модуляции импульсными когерентными сигналами рассмотрены импульсные последовательности, модулированные базовыми когерентными сигналами: последовательность треугольных импульсов, модулированных по амплитуде сигналом прямоугольной формы; последовательности прямоугольных импульсов, модулированные по амплитуде сигналами пилообразной, треугольной формы и гармоническим сигналом. Для каждого случая в соответствии с нормированным во времени модуляционным процессом определены передаточные функции математических моделей параметрических фильтров.

(7)

На рис. 3 в качестве примера приведена импульсная последовательность е{1) треугольных импульсов, модулированная по амплитуде когерентным прямоугольным сигналом.

>ы '71 А А <\ А А- А-

п /л/л

'»¿е - *

ела Л РТе А

" Г, 'А АЛАЛ АЛЛЛЛ АЛ *

^^^ *

3 с

Рисунок 3 - Амплитудная модуляция импульсной последовательности прямоугольными импульсами

Амплитудный спектр сигнала е(/) описывается выражением:

зт(т»ПГ0)„-/ I 0 , _2_) '[ 2 ]

— Аоп.

(8)

где: и = 1, 2, 3,... - номер гармоники; А0„п - амплитудный спектр опорного сигна ла еоп(1), вычисляемый из выражения

{ФУ

А

О"" 2т

БШ

пО.Тп

,пС1Т0 „ 1 2

(9)

Ео - амплитуда импульсов опорного сигнала; т = р = д - регулируемый параметр (р,д- целые числа); П = - частота модулирующего сигнала; Т = 2тТ0 - период модулирующего сигнала; Т0 - период повторения импульсов импульсной последовательности г(/); М = - коэффициент амплитудной модуляции.

Слагаемые в скобках выражения (8) представляют собой передаточные функции четырехполюсников, соответственно:

i , . sin(mnQr0i -j Ф0(п,т) = —V e

яОГп

(2т-1)пПГ0 2

Ф|(и,m,M) = 2M ■

г^тпОТр

'Ж

U

тс-(2ст-1)дП7о I

(11)

Полученная модель АИМ-сигнапа с синтезируемым спектром согласно (8) может быть представлена структурной схемой, приведенной на рис. 4, где элементы 1 и 2 - четырехполюсники с передаточными функциями, представленными, соответственно, выражениями (10) и (11), а элемент 3 - сумматор. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 3.

Рисунок 4 - Структурная схема модели синтеза АИМ-сигнала

Амплитудный спектр АИМ-сигнала е(/), полученный на основе (8), при Е0 = 100 В, m = 30, М= 0,5, представлен на рис. 5. Приведенный пример подтверждает возможность синтеза спектра с заданными характеристиками (наличие гармоник с повышенной энергетикой на частотах Q и со0) с помощью схемы, приведенной на рис. 4, подачей на ее вход опорного сигнала erm(t) в виде последовательности импульсов треугольной формы с частотой Q. Применение высокостабильного источника сигнала e0„(t) и линейных четырехполюсников с передаточными функциями Фо(п,т) и Фх(п,т,М) обеспечивает формирование испытательного сигнала с высокими метрологическими характеристиками.

з е-

I 3.

Номер гармоники

Рисунок 5 — Амплитудный спектр сигнала e{t)

Размещение гармоники с повышенной энергетикой в установленной области частот, выбранной для диагностирования статора, обеспечивается изменением регулируемого параметра т четырехполюсников. С помощью регулируемого параметра М четырехполюсника 2 задают уровень гармоники с частотой П.

Установлено, что с увеличением коэффициента модуляции M амплитуды гармоник с частотами Q и со0 ± Q также увеличиваются, причем указанная зависимость является практически линейной. Величина регулируемого параметра m оказывает влияние на соотношение уровней гармоник с частотами (м0 - Q) и (ю0 + £2). С ростом параметра m различия в уровнях указанных гармоник уменьшаются.

Различие в уровнях боковых гармоник приводит к флуктуациям фазы выделяемого колебания на частоте со0, а, следовательно, к наличию методической погрешности измерения фазы. Получено приближенное выражение для оценки методической погрешности измерения фазы в радианах:

кос.чкпод _ (12)

где: кпг, =

A U UmO

коэффициент ослабления паразитной составляющей напряже-

ния и(1), выделенного на частоте <й0; АС/ — разность амплитуд боковых гармоник; ито - амплитуда гармоники на частоте ш0", Код - коэффициент подавления избирательного фильтра на частоте ш0 - П, выраженный в относительных единицах.

На рис. 6 представлены зависимости коэффициента ослабления к^ от регулируемого параметра т для четырех видов АИМ-сигналов при коэффициенте модуляции М = 0,5. С увеличением регулируемого параметра т численное значение коэффициента ослабления кжл уменьшается, и, как следствие, уменьшается методическая погрешность измерения фазы выделяемого колебания на частоте ©0-Приведенные графики могут быть использованы при практической оценке методической погрешности измерения фазы при использовании в качестве испытательных АИМ-сигналов рассмотренных видов.

АИМПр

АИМС

Значение параметра т

Рисунок 6 — Зависимость коэффициента ослабления от параметра т АИМ-сигналов с разными видами огибающей: АИМПр - прямоугольная;

АИМТ - треугольная; АИМП - пилообразная; АИМС - гармоническая

В четвертом разделе разработан способ диагностирования статоров АМД с высокой разрешающей способностью, обеспечивающий обнаружение одного ко-роткозамкнутого витка, приходящегося примерно на 1000 витков в фазной обмотке статора [3]. На основе разработанного способа диагностирования разработан способ повышения разрешающей способности обнаружения МВЗ в фазных обмотках статоров АМД, обеспечивающий обнаружение одного короткозамкнутого

витка, приходящегося на 2000 ... 3000 витков фазной обмотки [4]. Разработана структурная схема ИИС с повышенной разрешающей способностью к МВЗ в фазных обмотках статоров АМД.

Способ диагностирования статоров АМД реализован на основе метода диагностирования, разработанного во втором разделе. Способ состоит в подаче испытательного АИМ-сигнала на образцовую и диагностируемую обмотки, выделении колебаний на установленной частоте <в0 в цепях обмоток, сравнении фаз выделенных колебаний с помощью фазового детектора и принятии решения о наличии МВЗ в случае превышения разностью фаз! Дер I некоторой заранее заданной величины.

Как показано ранее, разность фаз выделяемых колебаний пропорциональна вносимому реактивному сопротивлению в комплексное сопротивление обмотки с МВЗ. При замыкании одного витка в фазной обмотке с количеством витков 1000 значение фазового сдвига составит: | Дер I « 0,00005 рад и 0,0029 град. При коэффициенте передачи фазового детектора 0,4 В/град (типовое значение) напряжение на выходе фазового детектора составит ивм фд я 0,4-0,0029 я 1,2-10"3 В и, следовательно, может быть измерено стандартными средствами.

Повышение разрешающей способности обнаружения МВЗ в фазных обмотках статоров АМД основано на учете особенностей фазовых спектров последовательностей импульсов прямоугольной формы, полученных по точкам перехода напряжений к-х гармоник, выделенных на частоте ш0 = Ш = через ноль [14]. С помощью формирователей (например, «ноль-компараторов») напряжения выделенных к-х гармоник по точкам перехода этих напряжений через ноль преобразуются в последовательности прямоугольных импульсов — колебания типа «меандр».

Временной сдвиг t^ напряжения к-н гармоники, выделенной в цепи обмотки с короткозамкнутыми витками, пропорционален фазовому сдвигу, поэтому амплитудный спектр колебания типа «меандр» с периодом Т0, задержанного на время 1эад, можно описать выражением:

Таким образом, амплитудный спектр колебания типа «меандр» содержит фазовый множитель, величина которого пропорциональна как времени задержки колебания /и<), так и номеру гармоники п. Для гармоник, выделенных на частоте

ш = Ш = = выражение (5) можно записать в виде: 1 -<о

(14)

Следовательно, на частоте п-х гармоник, где п - 2р - 1, р = 1, 2, 3, ..., выделенных из спектров двух колебаний типа «меандр», полученных по точкам перехода напряжений к-х гармоник, выделенных на частоте о0 = Ш = в цепях образцовой и диагностируемой обмоток, разность фаз выделенных гармоник составит:

|Дф|=2(15)

Таким образом, предложенный способ позволяет увеличить разность фаз выделенных одноименных гармоник в п раз, что обеспечивает повышение разре-

шающей способности способа диагностирования фазных обмоток статоров АМД. Например, при выделении из спектров колебаний типа «меандр» гармоник с номером п = 3 с периодом 7'3 сдвиг фаз между колебаниями, выделенными в

2шзад _ 3-2лгМ()

цепях образцовой и диагностируемой обмоток, составит

|Дф| ---

что в три раза превышает разность фаз колебаний, выделенных на частоте

ю = 2Ьг = 2л При соотношении ~ 0,000024, что соответствует замыканию

0 Т Т(у л и

одного витка в фазной обмотке с количеством витков около 2000, значение разности фаз составит: |Д(р3| « 3 • 0,000012 рад « 0,0021 град. Если коэффициент передачи фазового детектора равен 0,4 В/град, то значение напряжения на его выходе составит и,Ы1 ~ 0,4-0,0021 ~ 0,84-103 В, и, следовательно, может быть измерено

стандартными средствами.

Структурная схема ИИС диагностирования статоров АМД на наличие в них МВЗ с повышенной разрешающей способностью к числу короткозамкнутых витков в фазных обмотках (обеспечивает выявление одного замкнутого витка при числе витков в обмотке 1000), реализованной на основе разработанного метода диагностирования, представлена на рис. 7.

УУ

Рисунок 7 - Структурная схема ИИС диагностирования статоров АМД

ИИС содержит следующие структурные элементы: генератор испытательного сигнала (ГИС), исполнительное устройство (ИУ), полосовые фильтры (ПФ), фазовый детектор (ФД), меру (М), схему сравнения (СС), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровое устройство (ЦУ), систему отображения информации (СОИ) и устройство управления (УУ).

Испытательный сигнал с заданными свойствами спектра, содержащий гармонику на частоте диагностирования со0, с выхода ГИС подают на диагностируемую фазную обмотку статора (Ст) и на образцовую обмотку (ОО). ИУ предназначено для выполнения необходимых коммутаций, связанных, например, с поочередным подключением в измерительную схему обмоток статора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе результатов исследования частотных характеристик множества статоров типового АМД разработаны эмпирическая и схемотехническая математические модели статора АМД, позволяющие установить зависимость частотных характеристик статора от технологического разброса параметров фазных обмоток и наличия короткозамкнутых витков в обмотках.

Установлено, что в диапазоне частот от 1 до 3 кГц в исследованных статорах типового АМД УФС тока в фазной обмотке и напряжения на ее выводах при наличии МВЗ в обмотке превышает максимальный разброс УФС, вызванный технологическим разбросом параметров обмоток. Полученный результат подтвердил возможность повышения разрешающей способности ИИС, предназначенных для диагностирования статоров АМД при межоперационном контроле на наличие в них короткозамкнутых витков, на основе использования свойств фазовых спектров испытательных сигналов.

2. Разработан метод диагностирования фазных обмоток статоров АМД, чувствительность которого обеспечивает выявление, в том числе, одного короткоза-мкнутого витка, приходящегося на 1000 витков фазной обмотки.

3. Предложена модель синтеза АИМ-сигналов, содержащих гармонические составляющие с требуемыми параметрами в заданных областях частот, и на основе предложенной модели разработан метод синтеза испытательных АИМ-сигналов с заданными метрологическими характеристиками.

Метод состоит в суммировании колебаний, выделяемых с помощью четырехполюсников с заданными передаточными функциями из спектра сигнала, представляющего собой последовательность импульсов заданной формы, формируемую с помощью высокостабильного источника, и обладает преимуществами перед известными методами формирования АИМ- колебаний на основе перемножителей.

4. Разработана методика оценки методической погрешности измерения фазы информативного колебания, выделенного из измерительного АИМ-сигнала в процессе диагностирования фазных обмоток статора АМД на наличие в них МВЗ.

На основе разработанной методики установлена зависимость погрешности измерения фазы от величины регулируемого параметра т (с ростом параметра т погрешность измерения фазы уменьшается), что позволяет формировать испытательные АИМ-сигналы с наперед заданными метрологическими характеристиками.

5. На основе разработанного метода диагностирования разработаны: способ диагностирования фазных обмоток статоров АМД, обеспечивающий обнаружение одного короткозамкнутого витка, приходящегося на 1000 витков в обмотке; способ повышения разрешающей способности разработанного способа диагностирования фазных обмоток АМД, обеспечивающий обнаружение одного короткозамкнутого витка при числе витков в обмотке 2000 - 3000 и более.

6. Разработана структурная схема ИИС контроля АМД, обладающей лучшей разрешающей способностью, по сравнению с известными ИИС, в части обнаружения короткозамкнутых витков - вплоть до одного короткозамкнутого витка, приходящегося на 1000 витков в фазной обмотке АМД.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В изданиях из «Перечня...» ВАК:

1. Сильвашко, С.А. Методы повышения чувствительности средств диагностики малогабаритных асинхронных двигателей / С.А. Сильвашко // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2008. - № 3. - С. 180 - 186.

2. Сильвашко, С.А. Синтез свойств спектров испытательных сигналов для диагностики обмоток статоров электрических машин / С.А. Сильвашко, В.Н. Булатов // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2011. -№ 5. - С. 132-137.

Патенты на изобретения:

3. Пат. 2289143 Российская Федерация, МПК6 G 01 R 31/06. Способ комплексного контроля трехфазной обмотки электрической машины / Сильвашко С. А., Булатов В.Н., Шевеленко В.Д.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Оренб. гос. ун-т». -№ 2005107405/28; заявл. 16.03.05; опубл. 10.12.06, Б юл. № 34.

4. Пат. 2339962 Российская Федерация, МПК G 01 R 31/06. Способ контроля трехфазной обмотки электрической машины / Сильвашко С. А., Булатов В. Н.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Оренб. гос. ун-т». - № 2007121097/28; заявл. 05.06.07; опубл. 27.11.08, Бюл. № 33.

В прочих изданиях:

5. Сильвашко, С.А. Компьютерная диагностика в производстве малогабаритных асинхронных электродвигателей / С.А. Сильвашко, В.Н. Булатов, С.В. Дегтярев // Современные аспекты компьютерной интеграции машиностроительного производства: сборник статей всерос. науч.-практ. конф. - Оренбург: РИК ГОУ ОГУ, 2003. - С. 236 - 238.

6. Сильвашко, С.А. Совершенствование методики диагностики малогабаритных асинхронных электродвигателей с целью повышения разрешающей способности / С.А. Сильвашко // Актуальные проблемы интеллектуального управления в человеко-машинных системах: материалы межвузовского науч.-практ. семинара. - Оренбург: ФВУ В ПВО ВС РФ, 2004. - С. 44 - 47.

7. Сильвашко, С.А. Упрощенная модель статора трехфазного асинхронного электродвигателя / С.А. Сильвашко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы всерос. науч.-практ. конф. (с международным участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2004. - С. 46 - 49.

8. Сильвашко, С.А. Способ контроля трехфазной обмотки электрической машины / С.А. Сильвашко, В.Н. Булатов, Д.А. Даминов // Энергосбережение, электрооборудование, электроника: материалы всерос. науч.-техн. конф. - Оренбург: ОГУ, 2005. -С. 1680.

9. Сильвашко, С.А. Об одном из подходов к формированию математической модели статора трехфазного электродвигателя / С.А. Сильвашко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы четвертой всерос. науч.-практ. конф. (с международным участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. - С. 83 - 87.

10. Сильвашко, С.А. Повышение достоверности контроля трехфазной обмотки электрической машины / С.А. Сильвашко // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы VII всерос. науч.-техн. конф. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2007. - С. 119 - 123.

11. Сильвашко, С.А Повышение чувствительности способа контроля трехфазной обмотки электрической машины / С.А. Сильвашко, В.Н. Булатов // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: труды всерос. науч.-техн. конф. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007.-С. 314-319.

12. Сильвашко, С.А. Математическая модель для исследования электрических свойств обмоток статоров малогабаритных асинхронных электродвигателей / С.А. Сильвашко //

Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: труды всерос. науч.-техн. конф. -Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. - С. 319 - 323.

13. Сшхьвашко, С.А. Математическое моделирование в технологическом процессе производства малогабаритных асинхронных электродвигателей / С.А. Сильвашко, А.Г. Матвеев // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VI всерос. науч.-практ. конф. (с международным участием). - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007.-С. 118-121.

14. Сильвашко, С.А. Способ обнаружения короткозамкнутых витков в обмотках статора малогабаритного асинхронного электродвигателя / С.А. Сильвашко, В.Н. Булатов, В.Д. Шевеленко // Интеграция науки и образования как условие повышения качества подготовки специалистов: материалы всерос. науч.-практ. конф. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2008. - С. 55 - 59. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

15. Сильвашко, С.А. Способ извлечения информации о наличии дефектов в обмотках асинхронных двигателей / С.А. Сильвашко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VII всерос. науч.-практ. конф. (с международным участием). - Оренбург: ОГУ, 2008. - С. 50 - 52.

16. Сильвашко, С.А. Вариант использования результатов математического моделирования при контроле исправности катушек статора асинхронного двигателя / С.А. Сильвашко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VII всерос. науч.-практ. конф. (с международным участием). - Оренбург: ОГУ, 2008.-С. 74-76.

17. Сильвашко, С.А. Анализ информационной чувствительности спектров сигналов к изменению контролируемого параметра / С.А. Сильвашко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы VIII всерос. науч.-практ. конф. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2009. - С. 63 - 65.

18. Сильвашко, С.А. Свойства спектров импульсно-модулированных по амплитуде сигналов когерентным гармоническим сигналом / С.А. Сильвашко, В.Н. Булатов, Д.А. Да-минов // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: труды всерос. науч.-техн. конф. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2010. - С. 250 - 254.

19. Сильвашко, С.А. Выбор образцового сигнала для реализации способа контроля обмотки статора электрической машины / С.А. Сильвашко // Интеграция науки и практики в профессиональном развитии педагога: материалы всерос. научн.-практ. конф. — Оренбург: ОГУ, 2010. - С. 2571-2574. - 1 электрон, опт. диск (CD-R).

20. Сильвашко, С.А. Учет конструктивных особенностей и магнитных свойств материала статора в математической модели обмотки асинхронного двигателя / С.А. Сильвашко // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: труды всерос. науч.-техн. конф. - Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2010. - С. 265 г 268.

21. Сильвашко, С.А. Эмпирическая математическая модель статора асинхронного двигателя малой мощности / С.А. Сильвашко // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: материалы IX всерос. науч.-практ. конф. (с международным участием). - Оренбург: ООО «КОМУС», 2010. - С. 20-23.

22. Сильвашко, С.А. Разработка математической модели статора асинхронного микродвигателя на основе экспериментальных данных / С.А. Сильвашко И Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: труды всерос. науч.-техн. конф. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012. - С. 371 -376.

23. Сильвашко, С.А. Аналитическая математическая модель статора асинхронного микродвигателя / С.А. Сильвашко, А.С. Сильвашко // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: труды всерос. науч.-техн. конф. - Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2012.-С. 405-410.

Подписано в печать 17.05.2013 г. Формат 60х84'Лб, бумага офсетная, гарнитура «Тайме». Усл. печ. листов 1,13. Тираж 110 экз. Заказ 101.

Участок оперативной полиграфии ОГУ 460018, г. Оренбург, пр-т Победы 13, Оренбургский государственный университет

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

На правах рукописи

0420*359^53

СИЛЬВАШКО Сергей Анатольевич

СПЕКТРАЛЬНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ АСИНХРОННЫХ МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ

05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д-р техн. наук, профессор Булатов В. Н.

Оренбург - 2013

Содержание

Перечень сокращений и условных обозначений..................................................4

Введение...................................................................................................................5

1. Анализ существующих методов и средств диагностики намоточных узлов........................................................................................................................17

1.1. Функциональные методы диагностирования..............................................18

1.2. Методы тестового диагностирования намоточных узлов..........................23

1.2.1. Электрорезистивные методы диагностирования.....................................24

1.2.2. Импедансные методы диагностирования.................................................28

1.2.3. Резонансный метод диагностирования.....................................................31

1.2.4. Импульсные методы диагностирования...................................................32

1.2.5. Спектрально-импульсные методы.............................................................38

1.3. Постановка научных задач исследования....................................................43

1.4. Выводы............................................................................................................45

2. Разработка математической модели статора асинхронного микродвигателя......................................................................................................47

2.1. Исследование частотных характеристик статоров трехфазных асинхронных микродвигателей............................................................................48

2.2. Разработка эмпирической математической модели статора микродвигателя......................................................................................................53

2.3. Схемотехническая модель статора асинхронного микродвигателя..........58

2.3.1. Модель статора при отсутствии межвитковых замыканий в фазных обмотках.................................................................................................................58

2.3.2. Модель статора при наличии межвитковых замыканий в фазных обмотках.................................................................................................................61

2.4. Выводы............................................................................................................73

3. Синтез испытательных сигналов с заданными свойствами спектров.........75

3.1. Общие принципы формирования импульсно-модулированных испытательных сигналов......................................................................................76

3.2. Амплитудная модуляция импульсной последовательности когерентными импульсными сигналами.............................................................78

3.2.1. Амплитудная модуляция импульсной последовательности треугольной формы сигналом прямоугольной формы......................................80

3.2.2. Амплитудная модуляция импульсной последовательности прямоугольной формы линейно изменяющимся сигналом..............................90

3.3. Амплитудная модуляция импульсной последовательности когерентным гармоническим сигналом............................................................104

3.4. Оценка методической погрешности, обусловленной флуктуациями фазы испытательного сигнала............................................................................112

3.5. Выводы..........................................................................................................121

4. Разработка способов повышения разрешающей способности средств диагностирования асинхронных микродвигателей.........................................123

4.1. Способ обнаружения межвитковых замыканий в фазных обмотках статора асинхронного микродвигателя.............................................................123

4.2. Способ повышения разрешающей способности обнаружения межвитковых замыканий....................................................................................129

4.3. Структурная схема информационно-измерительной системы контроля обмоток статоров асинхронных микродвигателей..........................135

4.4. Выводы..........................................................................................................137

Основные результаты и выводы........................................................................138

Список использованных источников................................................................140

Приложение А Результаты исследования частотных характеристик

статоров................................................................................................................155

Приложение Б Акт об использовании результатов кандидатской

диссертационной работы в ЦЗЛ ОАО «Уралэлектро»....................................158

Приложение В Акт об использовании результатов кандидатской диссертационной работы на кафедре промышленной электроники и информационно-измерительной техники ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».........................................................................159

Перечень сокращений и условных обозначений

АИМ - амплитудно-импульсная модуляция.

АМД - асинхронный микродвигатель.

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика.

ИИС - информационно-измерительная система.

ИМ-сигналы - импульсно-модулированные сигналы.

МВЗ - межвитковые замыкания.

ФЧХ - фазочастотная характеристика.

5(со) - спектральная плотность апериодического сигнала.

Z(со) - комплексное сопротивление обмотки статора.

г((й) = - полное сопротивление фазной обмотки статора.

2р - множество целых положительных чисел.

ф(со) - угол фазового сдвига тока в фазной обмотке статора и напряжения на ее выводах (аргумент комплексного сопротивления), ф - угол фазового сдвига двух напряжений.

О - номинальная угловая частота напряжения питания микродвигателя.

соо _ угловая частота, на которой производится диагностирование обмотки

статора.

Введение

Электрические машины являются одним из основных узлов различных технических систем, функционирующих в экстремальных условиях и на ответственных объектах (космос, глубины мирового океана, Арктика и Антарктика, летательные объекты, вооружение и военная техника и другие). Поэтому проблема обеспечения надежности технических систем непосредственно связана с необходимостью повышения качества электрических машин [47].

Одним из важнейших свойств, существенно влияющих на качество электрической машины, является ее надежность [26, 50, 51], в качестве основных показателей которой ГОСТ 4.330-85 установлены средний срок службы и установленная безотказная наработка [32]. Как отмечено в [50, 51], повышение надежности дает больший народнохозяйственный эффект, чем улучшение других технико-экономических показателей, таких как коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и других.

Из всех видов электрических машин существенную долю выпуска составляет группа асинхронных электродвигателей с номинальной мощностью, не превышающей 600 Вт (далее - асинхронные микродвигатели (АМД)), номенклатура которых составляет более 70 типов [51, 62]. Однако, как показывает практика их применения, надежность АМД, по сравнению с остальными группами электродвигателей, остается недостаточной. Основным видом отказа асинхронных микродвигателей является повреждение фазной обмотки статора, на долю которого приходится от 85 % до 95 % всех отказов [26]. В свою очередь отказы, связанные с повреждениями фазной обмотки, по характеру повреждения распределяются следующим образом: межвитковые замыкания (МВЗ) - 93 %, повреждение и пробой пазовой изоляции - 2 %, пробой межфазной изоляции - 5 %. Таким образом, основной причиной низкой надежности асинхронных

микродвигателей являются межвитковые замыкания в фазных обмотках статоров.

Возникновение МВЗ в фазных обмотках статоров АМД связано, в основном, с особенностями их конструкции и технологии сборки. В качестве фазных обмоток статоров АМД применяют всыпные обмотки, для изготовления которых используют, как правило, тонкий изолированный медный провод (диаметром менее 0,8 мм) круглого сечения. Обмотки наматывают на станках на специальные шаблоны, после чего укладывают в полуоткрытые пазы сердечника статора. Намотку катушки производят с натяжением провода для придания ей формы, близкой к форме шаблона. При сильном натяжении провод вытягивается, что может привести к ухудшению свойств его изоляции в результате ее локального утоныпения и появления точечных повреждений [62, 63, 67].

Изоляция провода может разрушаться как в процессе намотки обмоток, так и в процессе укладки их в пазы сердечника статора. Кроме этого нарушение изоляции обмоточного провода может происходить из-за несоблюдения температурного режима его хранения (появление мелких трещин) [72]. Повреждение изоляции провода, как правило, приводит к МВЗ, несвоевременное выявление которых влечет снижение надежности АМД и, как следствие, повышение их себестоимости и увеличение расходов на их обслуживание в процессе эксплуатации.

С целью повышения качества АМД необходимо совершенствовать межоперационный контроль обмоток их статоров [26, 51]. При массовом производстве АМД на электромашиностроительных заводах контроль обмоток статоров на наличие в них дефектов проводят на нескольких стадиях технологического процесса: после изготовления элементов обмотки; после укладки обмотки в пазы сердечника статора и его сборки; по окончании сборки микродвигателя в процессе приемо-сдаточных испытаний [18, 25, 48, 63]. Во всех случаях в целях уменьшения трудоемкости и стоимости испытаний, увеличения точности и достоверности их результатов,

уменьшения времени получения результатов применяют средства автоматизации испытаний электрических машин, которые, как правило, встраиваются в технологические участки производства отдельных узлов, в участок сборки и согласуются с ними по производительности [24, 25, 44, 48].

В общем случае в качестве средств испытаний и контроля применяют комплекс типовых аппаратных средств в виде информационно-измерительных систем (ИИС), являющихся, как правило, частью автоматизированной системы управления (АСУ) предприятия [48]. Обобщенная структурная схема подобной ИИС показана на рисунке В.1.

Рисунок В. 1 — Обобщенная структурная схема ИИС: ОИ - объект испытаний; ИУ - исполнительные устройства; 1111 - первичный преобразователь; АП - аналоговые преобразователи; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ЦУ - цифровое устройство; ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; УУ - устройство управления

Процесс испытания статоров после сборки осуществляется следующим образом. В автоматическом режиме измеряется активное сопротивление фазных обмоток и проверяется правильность маркировки выводных проводов, испытывается изоляция обмоток на электрическую прочность относительно корпуса и между обмотками, импульсным напряжением

производится испытание межвитковой изоляции.

Измерительная информация о состоянии обмоток статора (ОИ, рисунок В.1), снятая с датчиков (1111), поступает на измерительные преобразователи (объединены в виде структурного элемента АП на рисунке В.1), где осуществляется их нормировка и коммутация, и далее на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифровая информация далее поступает на цифровое устройство (ЦУ), с помощью которого обеспечивается ее обработка, хранение и отображение. При необходимости цифровая информация может быть преобразована в аналоговый сигнал в форме тока или напряжения с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

Согласованное функционирование всех структурных элементов ИИС обеспечивается подачей управляющих команд от устройства управления (УУ) к соответствующим блокам ИИС. Управление объектом испытаний (ОИ) в процессе контроля осуществляется с помощью исполнительных устройств (ИУ).

Реализованные в существующих ИИС контроля статоров АМД методы измерения контролируемых параметров обмотки обеспечивают обнаружение не менее трех-пяти короткозамкнутых витков. Вместе с тем наличие даже одного, не выявленного при проведении контроля, короткозамкнутого витка приводит к тому, что в процессе эксплуатации электродвигателя в таком витке протекает значительный ток, вызывающий существенный нагрев провода, как в самом замкнутом витке, так и в рядом расположенных витках. Это влечет за собой ухудшение свойств изоляции провода, преждевременное ее старение и разрушение. Следствием этого процесса является повреждение фазной обмотки (имеет место постепенный отказ) и, следовательно, выход из строя электродвигателя.

Как показывает практика, отказы асинхронных микродвигателей, прошедших приемо-сдаточные испытания, но имеющих МВЗ в фазных обмотках статора, наступают, как правило, в первые 200 ... 300 часов эксплуатации изделия [51].

Таким образом, своевременное выявление короткозамкнутых витков в фазных обмотках статоров АМЗ является одной из важнейших задач. Причем для снижения себестоимости производства АМЗ, потерь из-за простоев оборудования и расходов на капитальный ремонт статоров двигателей, необходимо обеспечить надежную выбраковку статоров на ранних стадиях технологического процесса, в частности после укладки фазных катушек в пазы сердечника статора.

Анализ публикаций последних лет позволяет сделать вывод о том, что задача повышения разрешающей способности ИИС, используемых для контроля МВЗ в фазных обмотках статоров АМД, остается актуальной. Следовательно, требуется разработка новых методов диагностирования фазных обмоток статоров, обеспечивающих повышение указанной разрешающей способности ИИС, применяемых при межоперационном контроле статоров АМД.

В настоящей работе объектом исследования является класс ИИС, применяемых при межоперационном контроле асинхронных микродвигателей. Предмет исследования в данном классе ИИС -разрешающая способность обнаружения межвитковых замыканий в фазных обмотках статоров асинхронных микродвигателей.

Целью работы является повышение разрешающей способности ИИС контроля асинхронных микродвигателей на основе использования свойств фазовых спектров измерительных сигналов специально выбранной формы.

Методы исследований: методы математического моделирования, спектральный метод, приложения теории функции комплексного переменного, методы аппроксимации, регрессионный анализ, методы статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1) разработана эмпирическая модель статора АМД, базирующаяся, в

отличие от известных, на аппроксимации усредненной частотной характеристики однотипных статоров АМД совокупностью передаточных функций типовых элементов электрических цепей;

2) разработана схемотехническая математическая модель статора АМД для области низких частот, позволяющая, в отличие от известных, установить зависимость частотных характеристик статора от технологического разброса параметров фазных обмоток и наличия короткозамкнутых витков в обмотках, а также выявить условия обеспечения экстремальной чувствительности фазового спектра измерительного сигнала к появлению МВЗ для установленной области информативных частот фазочастотной характеристики (ФЧХ) статора;

3) предложена модель синтеза амплитудно-импульсно-модулированных сигналов (АИМ-сигналов), содержащих гармонические составляющие с требуемыми параметрами в заданных областях частот, на основе которой разработан метод синтеза испытательных АИМ-сигналов с заданными метрологическими характеристиками, имеющий преимущества перед известными методами, реализуемыми на основе аналоговых перемножителей;

4) разработан метод диагностирования фазных обмоток статоров АМД с установленной методической погрешностью на наличие в них МВЗ, основанный, в отличие от известных, на использовании свойств фазовых спектров испытательных сигналов и состоящий в измерении угла фазового сдвига (УФС) информативных колебаний, пропорционального числу короткозамкнутых витков.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

1) разработан способ диагностирования фазных обмоток статоров АМД на наличие в них МВЗ с высокой разрешающей способностью, основанный на использовании свойств фазовых спектров испытательных сигналов и состоящий в измерении угла фазового сдвига информативных колебаний, пропорционального числу короткозамкнутых витков;

и

2) на основе разработанного способа диагностирования фазных обмоток статоров АМД разработан способ повышения разрешающей способности разработанного способа диагностирования, обеспечивающий обнаружение одного короткозамкнутого витка при числе витков в обмотке 2000 ... 3000 и более.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 117 наименований, включает три приложения. Основная часть изложена на 154 страницах, содержит 40 рисунков, 7 таблиц.

В первом разделе приведены результаты анализа известных методов диагностирования МВЗ в намоточных узлах. Установлено, что в современных системах диагностирования асинхронных электродвигателей находят применение, в основном, методы �