автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Автоматизированная система контроля технического состояния асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором

На правах рукописи

На^иу

МАРДАНОВ РЕНАТ РАСУЛЕВИЧ

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005534019

Казань - 2013

005534019

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет» (ФГБОУ ВПО «КГЭУ»), на кафедре «Информатика и информационно-управляющие системы»

Научный руководитель: Шаров Валерий Васильевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «КГЭУ», доцент кафедры «Информатика и информационно-управляющие системы»

Официальные оппоненты: Евдокимов Юрий Кириллович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ», заведующий кафедрой «Радиоэлектроника и информационно-измерительная техника»

Корнилов Владимир Юрьевич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «КГЭУ», профессор кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Казанский национальный

исследовательский технологический университет», г. Казань

Защита состоится 25 октября 2013 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.082.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет» (420066 г Казань

ул. Красносельская, 51, тел./факс (843)562-43-30.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения просим направлять по адресу: 420066, г.Казань, ул. Красносельская, 51, КГЭУ Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.082.01.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного энергетического университета

Автореферат разослан «20» сентября 2013г. Ученый секретарь П

диссертационного совета, д.ф.-м.н. Калимуллин Рустем Ирекович

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Трехфазные асинхронные электродвигатели с коротко-замкнутым ротором (АЭД) используются для приведения в движение механизмов собственных нужд электростанций типа ТЭЦ. Доля АЭД в общей численности электрооборудования ТЭЦ превышает 50%. При этом ответственные АЭД, отключение которых влечет за собой снижение рабочей мощности основных агрегатов электростанции, не имеют резерва. Особо ответственные АЭД резервируются, что позволяет сохранить работоспособность основных агрегатов и станции в целом при аварийных отключениях АЭД. Поскольку работа механизмов собственных нужд во многом зависит от надежности применяемых АЭД, разработка автоматизированной системы контроля технического состояния (АСКТС) для решения проблемы осуществления мониторинга технического состояния АЭД в условиях эксплуатации является актуальной.

На основе анализа актуальности темы работы определены объект и предмет исследования. Объектом исследования является АСКТС. Предметом исследования являются процессы мониторинга технического состояния АЭД в условиях эксплуатации.

Исследование по вопросам разработки и реализации современных систем мониторинга, позволяющих осуществлять централизованный контроль работоспособности АЭД собственных нужд электростанций путем прогнозирования износа и срока службы, проводилось Пустохайловым С.К. Исследование по разработке автоматизированной системы оценки состояния электродвигателей постоянного тока проводилось Веселовым А.О. Однако вопрос разработки и реализации систем, позволяющих оценивать техническое состояние электродвигателей в условиях эксплуатации, этими авторами не рассматривался. К настоящему времени промышлен-но реализованы программно-аппаратные комплексы для проведения технического диагностирования различных типов и видов электродвигателей. В этом ряду можно выделить системы КОМПАКС-РПЭ и ЯШМА-ЭД, представляющие собой стендовые комплексы. Ограничение систем оценки технического состояния стендовыми комплексами не способствует повышению надежности электродвигателей, поскольку отсутствует информация о том, что происходит с ними во время работы.

Исходя из анализа научных работ по теме исследования и промышленно реализованных близких по назначению программно-аппаратных комплексов, определена цель исследования, которая заключается в разработке АСКТС, способной осуществлять мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи.

1. Сформулировать и обосновать требования, которым должна соответствовать стационарная АСКТС, способная осуществлять мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации.

2. Разработать виртуальные приборы для измерения и проверки соответствия значений параметров АЭД требованиям технической документации в условиях эксплуатации.

3. Разработать алгоритм работы АСКТС АЭД.

4. Разработать и реализовать на основе технологии виртуальных приборов АСКТС АЭД.

Теоретические и методологические основы исследования. Задачи, поставленные в диссертационной работе, решались с использованием теории контролеспо-собности, теории проектирования технических систем контроля и диагностирования, теории информационно-измерительной техники и точности информационно-измерительных систем, теории шумов, методов цифровой обработки сигналов с проведением натурных экспериментов, измерений и наблюдений.

Научная новизна определяется получением следующих научных результатов

1. Разработана оригинальная электрическая схема формирования сигнала для измерения температуры с использованием термистора в цепи обратной связи операционного усилителя в схеме неинвертирующего усилителя, применяемого в качестве источника тока.

д Сработан виртуальный прибор для измерения частоты вращения ротора АЭД, в котором впервые использован алгоритм устранения влияния шума магнито-резисторов на измерительный процесс, основанный на оценке коэффициента амплитуды Ка выходного сигнала датчика.

3. На основе технологии виртуальных приборов разработана АСКТС которая подключается к АЭД на постоянной основе и осуществляет мониторинг технического состояния АЭД, а также влияющих на это состояние факторов в условиях эксплуатации.

4. Разработан алгоритм работы АСКТС АЭД и на его основе программное обеспечение под названием АСКТС АЭД.ук

Достоверность полученных результатов подтверждается многократными исследованиями функциональных параметров АЭД; сходимостью результатов измерении с результатами, полученными другими авторами; воспроизводимостью результатов измерений серийно выпускаемыми физическими приборами; непротиворечивостью экспериментальных результатов известным теоретическим положениям

На защиту выносятся

1. Разработанная АСКТС, позволяющая измерять и контролировать следующие параметры АЭД и влияющие на его состояние факторы: величины статор-ных токов и их соответствие номинальному значению, наличие тока в питающих проводах, короткое замыкание между фазами, наличие напряжения на корпусе АЭД температура статорных обмоток, температура подшипников, симметричность нагрева подшипников, частота вращения ротора, заклинивание ротора, нестабильность вращения ротора, интенсивность вибрации, влажность воздуха, отклонение частоты питающеи сети, искажение синусоидальности кривой статорных токов и отклонение коэффициента амплитуды Ка статорных токов от номинального значения.

2. Алгоритм и компьютерная программа, определяющая логику работы автоматизированной системы контроля технического состояния асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

3. Оригинальная электрическая схема формирования сигнала для измерения температуры с использованием термистора, позволившая согласовать входные и выходные сопротивления подключаемых устройств, устранить необходимость контроля величины тока, протекающего через термистор, и упростить процесс расчета погрешности измерения, вызванной явлением саморазогрева термистора.

4. Метод устранения влияния шума магниторезистивного датчика на процесс измерения частоты вращения ротора АЭД, основанный на оценке коэффициен-

2

та амплитуды Ка выходного сигнала датчика.

Практическая ценность результатов работы. Определены требования для АСКТС (состав датчиков и их размещение в АЭД, источник бесперебойного питания, выделенная шина, контроль качества электроэнергии, защитное отключение при аварийной ситуации), осуществляющей мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации, на основе которых разработана и реализована АСКТС, позволяющая эффективно обнаруживать признаки нарушения работоспособности АЭД (отсутствие тока в одной или двух обмотках статора, короткое замыкание, замыкание на корпус, перегрузка, перегрев обмоток статора и подшипников, заклинивание, нестабильность вращения ротора, высокий уровень вибрации), что подтверждается экспериментально. АСКТС создает условия для перехода к стратегии технического обслуживания и ремонта АЭД по фактическому состоянию и позволяет штатному оперативному персоналу принимать обоснованные эксплуатационно-технические решения, что способствует повышению надежности АЭД.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе КГЭУ при изучении дисциплины «Измерительные информационные системы», а также реализованы в территориальной генерирующей компании ТГК-16.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XIII всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии» (Н. Новгород, 2008 г.); IV и V международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009, 2010 гг.); межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Камские чтения» (Н. Челны, 2009 г.); XXVI всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. Новгород, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» (Йошкар-Ола, 2009 г.); V международной научно-технической конференции ИНФОС-2009 (Вологда, 2009 г.); II и III всероссийских межвузовских научных конференциях «Зворыкинские чтения» (Муром, 2010, 2011 гг.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 8 материалов докладов на всероссийских и международных научных конференциях, получен патент РФ на полезную модель № 111684 и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011616536.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложения, содержит 149 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 90 рисунков. Библиографический список включает 114 наименований.

Основное содержание работы

Во введении представлена общая характеристика работы и структура диссертации.

В первой главе представлен анализ надежности АЭД, применяемых в установках собственных нужд ТЭЦ, исходя из существующих на ТЭЦ условий эксплуатации и применяемой стратегии технического обслуживания и ремонта. Показано, что условия эксплуатации АЭД являются тяжелыми и в определенной степени зависят от используемого на ТЭЦ топлива, а планово-предупредительная стратегия тех-

нического обслуживания и ремонта в ряде случаев является не эффективной в отношении АЭД, так как имеет плановый характер и предусматривает проведение одного и того же объема работ независимо от технического состояния. Поскольку

^спо^ГрГ^Т С0СТ0ЯНИЯ ЯВЛЯеТСЯ °СН0В0Й эФФе™ого функционального использования АЭД, предложен переход к стратегии технического обслуживания и

ремонта по фактическому состоянию. Однако для получения положительного эффекта требуется развитие и внедрение автоматизированных систем, способных осуществлять мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации

Проведен анализ существующих методов и средств, позволяющих контролировать параметры технического состояния АЭД в условиях эксплуатации Инфоп-

м^Ип0Нл°;ИггЗМеРИТеЛЬНЫе техноло™и' объединяя различные методы контроля параметров АЭД в едином комплексе, позволяют значительно упростить процесс оценки технического состояния. На основании анализа обоснован выбор среды графическо-гс» программирована^ШЕЪ в качестве инструмента для работки и реализа-

схояГЛТпарН0И АСКТС' СП0С0бН0Й осуществлять мониторин? технического состояния АЭД в условиях эксплуатации.

Во второй главе диссертации представлена концепция разработки АСКТС АЭД Разработка системы имеет определенные особенности, связанные с условиями эксплуатации и характером выполняемых задач. Исходя из этого, определены и обоснованы решения на аппаратном, программно-аппаратном и профаммном уровнях, которыми характеризуется АСКТС АЭД. На аппаратном уровне система вГю-

к~аРнаТНЫЙ С0СТЗВ ™УСМЫХ ДЗТЧИК0В' ^ К0Т°Р- установлен внутри корпуса на составных частях АЭД в требуемых местах. Кроме того, система осна-

Г™"™ беСПереб°ЙН0Г0 П™' П0СК0ЛЬКУ в случаях кратковременных провалов напряжения на шинах собственных нужд должна сохранять рабо'оспосоТ ное состояние и продолжать выполнение задачи или корректно завершить работу

от™иГаН?ТоТТН°М УР°ВНе-СИСТеМа °снащена ФУ"^ией автоматического отключения АЭД от сети на случай возникновения аварийной ситуации а также

средствами контроля качества электроэнергии, подаваемой в АЭД^что позволяет разделять признаки действительного нарушения работоспособности АЭД от признаков, вызванных несоответствием электроэнергии требованиям качества. На программном уровне система ориентирована на осуществление мониторинга технического состояния АЭД в условиях эксплуатации техниче

Особенностью разработки АСКТС АЭД является процедура совмещения аппа ратных частей виртуальных приборов и интегрирования'их программных™^с"йв

ГП°:ГНЫХ М0ДУЛ£Й В ПР°фаММНуЮ часть ,, предстаменную виртуальным прибором верхнего уровня, на основе заданного алгоритма.

АСКТС АЭД на практике обеспечивает необходимый уровень достовеоности

контроля, являющейся характеристикой эффективности. Достоверность к™я

обеспечивается на основе критерия полноты контроля Пк, которая определяетсГкГк

отношение „ количества контролируемых параметров к общему количеству пар^

метров /V, характеризующих техническое состояние АЭД. При решеТГп^авлен ной задачи иасчеты П д^п " ничавлен-

Пк=«//= 15/17 = 0 882 Д П0КаЗШ,И СЛеДУЮЩее ЗНаЧ£НИе:

приведеГТ ТГ^ ^ ПОДЛежаи™ контролю в условиях эксплуатации, приведен в нормативно-технической документации. Состав датчиков

4

разработанной АСКТС и перечень контролируемых ею параметров АЭД представлен в табл. 1.

Таблица 1

Параметры АЭД, контролируемые АСКТС

Параметры Датчики

датчик тока датчик температуры акселерометр датчик влажности датчик частоты вращения

Превышение тока +

Наличие тока +

Межфазное короткое замыкание +

Замыкание фазы на корпус +

Частота вращения ротора +

Заклинивание ротора +

Стабильность частоты вращения ротора +

Превышение температуры обмоток +

Превышение температуры подшипников +

Симметричность температуры подшипников +

Превышение влажности воздуха +

Отклонение частоты питающей сети +

Искажение синусоидальности кривой тока +

Отклонение Ка тока от номинального +

Превышение допустимого уровня вибрации +

Апробация АСКТС осуществлялась на АЭД модели Дт-75М, адаптированной к работе от однофазной сети с помощью конденсатора; исходя из этого, подбор датчиков производился на основе возможности их применения в данной модели АЭД.

В диссертации представлена методика разработки виртуального прибора для измерения и контроля температуры подшипников и фазных обмоток статора АЭД, в основу которой положено изменение величины сопротивления термистора от температуры. Значение температурного коэффициента сопротивления а выбранного для использования термистора В578615303Р40 меняется в пределах от -2,3% в зоне высоких температур шкалы до -7% в зоне низких температур шкалы, что свидетельствует о высокой чувствительности элемента, на порядок превосходя-

щей чувствительность резистивного датчика температуры.

Для практического применения термистора его передаточная характеристика описывается аналитически. В качестве модели использовано соотношение Стейн-

харта-Харта: т = \/(а + Л + С • (1п я)3), где а, в, и С - коэффициенты, значения которых позволяет получить решение системы уравнений. Модель Стейнхарта -Харта обеспечивает высокую точность в определении температуры и положена в основу промышленного стандарта для калибровки прецизионных термисторов

Разработана аппаратная часть виртуального прибора, предназначенного для измерения и контроля частоты вращения ротора АЭД (рис. 1).

Датчик частоты вращения РШ)5СМ21А1*

МЯ1

\tJt2

1

л т

Персональная ЭВМ

ч

и„нт 5 В

Устройство сбора А1+ данных ШВ-бООв

А1-

СГЛ)

<

Интерфейс

Шина и$В

Рис. 1. Аппаратная часть прибора для измерения и контроля частоты вращения ротора АЭД

РКоАТлТеНИЯ ПРИб°Ра ИСПОЛЬЗОван бесконтактный датчик частоты вращения ^05СМ21АЯ, выполненный на основе магниторезисторов. Датчик работает в паре с шестерней, как показано на рис. 2. н паре

Для оцифровки выходного сигнала датчика и передачи его в ПЭВМ использовано устройство сбора данных (УСД) N1 и8В-6008 (рис. I).

В ходе исследований установлено, что при отсутствии вращения шестерни, когда полезный сигнал дат___чика является постоянным,

Рис. 2. Принцип работы датчика РИ05СМ21АК ' Н3 СГ° Ф0Не наблюДается

анализ шума показывает зависимость его амплитуды отТо^ия ^ьГГт^ относительно датчика, и таким образом от величины сопротивления"магниторезис

паоаме™ "е"°ДВИЖН°Й ШеСТеРне частота воспринимается как информативный параметр. Для устранения влияния шума на измерительный процесс принято решение использовать программные средства цифровой обработки сигн1в на бГе ПЭВМ При эксплуатации АЭД возникает задача контроля влажности воздуха ввиду ее

ВЛИЯНИЯ На,С°СТ0ЯНИе ИЗ°ЛЯЦИИ °бм0™' Д™ построения аппаратной части виртуального прибора использован^датчик 808Н5У6, обладающий практичес-

ки линейной характеристикой преобразования: влажность - емкость - напряжение. С целью измерения выходного напряжения датчика и передачи данных в ПЭВМ использовано УСД NI USB-6008.

Для реализации программной части виртуального прибора в среде программирования LabVIEW разработано приложение под названием Hygrometer.vi. Суммарная расчетная погрешность виртуального прибора при измерении влажности в диапазоне от 30 до 80 % составляет ±4,1%.

С целью оснащения АСКТС функцией защиты АЭД разработан программно-аппаратный механизм включения и выключения АЭД. Аппаратная составляющая механизма представлена на рис. 4.

Рис. 3. Шум магниторезистивного датчика FR05CM21AR

Рис. 4. Аппаратная реализация механизма включения-выключения АЭД

Она включает в себя ПЭВМ, УСД и8В-6008, реле ТЯН05УОС и МОП-транзистор 1НТ1310М Для программного управления подачей электропитания в АЭД задействован канал цифрового порта УСД иБВ-6008.

В третьей главе представлены результаты реализации измерительных приборов и АСКТС АЭД. В процессе реализации виртуального прибора, предназначенного для измерения и контроля температуры, установлено, что величина входного сопротивления УСД и8В-6008 не достаточна для подключения термистора. Исходя из этого, для измерения температуры с использованием термистора разработана оригинальная электрическая схема формирования сигнала. Она представлена на рис. 5 в составе аппаратной части виртуального прибора.

Рис. 5. Аппаратная часть виртуального прибора для измерения и контроля температуры

7

Схема формирования сигнала представляет собой неинвертирующий усилитель резистор в цепи обратной связи которого заменен термистором. В составе схемы термистор служит нагрузкой для источника тока, который лишен недостатков присущих схемам, выполненным на биполярных транзисторах. Предложенная схема позволила согласовать входные и выходные сопротивления подключаемых устройств. Величина тока, протекающего через термистор, поддерживается постоянной, поэтому отпадает необходимость его контроля, а также упрощается расчет погрешности измерения температуры, вызванной явлением саморазогрева

Для реализации программной части виртуального прибора разработано приложение под названием ТЪегтопШег.у! (рис. 6).

I Thermometer.« Block Diagram

Edit View Project Operate loob Window Help rzO^Aoplkation Fnn.iH

Рис. 6. Блок-диаграмма приложения Thermometer.vi

, ппсгв"ртуальный приб0р обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 0 до 100 С. Суммарная расчетная погрешность прибора для температуры 100°С находится в диапазоне: от плюс 1,63 до минус 1,53°С.

В процессе реализации виртуального прибора, предназначенного для измерения и контроля частоты вращения ротора АЭД, с целью устранения влияния шума магниторезистивного датчика на измерительный процесс предложено предотвращать работу программной части виртуального прибора с сигналом, поступающим от

ГкоЧХ?,ДрМ°МеНТ ПреКраЩения чтения шестерни. Поскольку датчик В Пр0ЦеССе вращения шестерни генерирует периодический сигнал момент начала и прекращения вращения шестерни предложено определять путем оценки коэффициента амплитуды ка выходного сигнала датчика. Коэффициент к для переменного напряжения определяется как отношение амплитудного значения" напряжения ит к действующему значению напряжения С/: ка=и /v Экспери

от7ГоН4ГГ°ВЛеН0, ЧТ° К° ШУМЗ ДаТЧИКЭ РК05СМ2'АЯ изменяется в диапазоне от 0 до 0,45, ка полезного сигнала в процессе вращения шестерни составляет I 3 а в

момент начала или прекращения вращения шестерни составляет 0,7 Исходя из этого, для вычисления значения ка выходного сигнала датчика разработано приложе-леИнаПнТрГВ7аНИеМ С°П1Г01 °Г * ^ блок-диаграмм'а которого прТтав-

С целью реализации программной части виртуального прибора, предназначенного для измерения и контроля частоты вращения ротора АЭД разработано

ГрТПпТ НаЗВаНГьТаСЬ°теГеГЛ"' ^—грамма которого п едстаГен е™ * *„ "р1иГОжение ТасЪопиЛег.у,, получая информацию о значении коэффициента ка выходного сигнала датчика РК05СМ21АК. осуществляет контроль вращения

a Rotation control of a gear.vi E'le Edrt View Project Operate loots L

Input Signal

ija^j) i I ; frequency

errar in error out

error in

Рис. 7. Блок-диаграмма приложения Rotation control of a gear.vi

шестерни. В момент остановки шестерни Tachometer.vi прекращает измерение частоты вращения.

Испытания показали эффективность предложенного метода устранения влияния шума на процесс измерения частоты вращения ротора. Использование приложения Rotation control of а gear.vi в составе приложения Tachometer.vi в качестве подпрограммы (рис. 8) не оказывает негативного влияния на быстродействие прибора.

У'"» Effect Operate loots Window Help'

....... - »........ .........—ii _____

оЪ/ттш

Rotation control of a gear.vi

Alarm

error in

----

----------

Рис. 8. Блок-диаграмма приложения Tachometer.vi

„ Стат°Рные токи характеризуют состояние АЭД. С целью построения аппаратной части виртуального прибора, позволяющего измерять и контролировать вели-потРебляемого АЭД, использован составной датчик тока открытого типа CSLW6B5 на базе интефального датчика Холла SS 490, поскольку он общедоступен, компактен и имеет естественную гальваническую развязку.

И пеРедачи выходного сигнала в ПЭВМ датчик подключен к УСД N1 PCI-6024E посредством шасси SCXI-1000, которое включает в себя 32-канальныи модуль аналогового ввода SCXI-1102В. Шасси SCXI-I000 обеспечивает vrTp'r^nC^i1"11028 И доставляет ему аппаратный интерфейс для связи с с Модуль SCXI-1102B выполняет задачи мультиплексирования и

масштабирования входных сигналов, а также задачи согласования устройств Блок SCXM300' последовательно подключенный к входу модуля s.CAl-1102В, обеспечивает электрическое соединение с сигнальными выводами датчиков тока. Структура аппаратной части виртуального прибора представлена на рис 9

Для реализации программной части виртуального прибора разработано приложение под названием Ampermeter.vi, блок-диаграмма которого представлена на рис. 10. Виртуальный прибор позволяет измерять действующее значение переменного тока в пределах ±3,54 А.

Рис. 9. Аппаратная часть прибора для измерения и контроля статорных токов электродвигателя

■ Ampermeter.vi Blodc Diagram " File Edit View Project Operate Tools Window Help

MM *ПЦ 13MЩЩ 20ot Application Font iШЗШЦЩ Input /1-й ток, A

вывод предусмотренный для передачи измерительной информации ВП Quality of power supply.vi _

ЯШИ- - -

Рис. 10. Блок-диаграмма приложения Атреппе1ег.у|

Вибрационные процессы, сопровождающие работу АЭД, отражают его состояние, что используется в целях оценки. Для построения виртуального прибора, позволяющего измерять интенсивность вибрации АЭД и диагностировать его состояние по параметрам вибрации, в качестве датчика использован емкостной акселерометр ЛОХЬ 202, имеющий две измерительные оси. Зависимость выходного напряжения датчика от ускорения практически линейна. Типовая погрешность нелинейности составляет 0,2%. Акселерометр позволяет измерять виброускорение в диапазоне ±2g. Для измерения выходного напряжения датчика использовано УСД N1 РС1-6024Е. Подключение АБХЬ 202 к УСД N1 РС1-6024Е произведено посредством шасси 8СХМ000. Структура аппаратной части виртуального прибора представлена на рис. 11.

ADXL 202

л о

ш о о

о с 2

ïr л .

х о."

О о И

С Ь

32-канальный модуль аналогового ввода SCXI-1102B

УСД PCI-6024E (плата сбора данных встраиваемая в PCI слот ПЭВМ)

Рис. 11. Аппаратная часть прибора для измерения и анализа параметров вибрации

Для реализации программной части виртуального прибора разработано приложение под названием Vibration analyzer.vi (рис. 12).

Поскольку для измерения интенсивности вибрации используется частотный диапазон от 10 до 1000 Гц, полученный от акселерометра сигнал подвергается фильтрации.

Для получения величины виброускорения приложение Vibration analyzer.vi производит серию преобразований измерительного сигнала сначала в единицы g -ускорения свободного падения, а затем в м/с2. С целью получения численного

10

значения виброускорения производится вычисление среднеквадратического значеНИЯ (L-Ko).

Рис. 12. Лицевая панель приложения Vibration analyzer.vi

Для визуального анализа измеренный сигнал подается на графический индикатор (рис. 12). Анализ сигнала, представленного функцией времени, позволяет выявлять биения. Для перехода к функции частоты использована подпрограмма Spectral measurement express.vi. Результат отображается в линейном масштабе и логарифмическом, отградуированном в дБ (рис. 12). Д^я перехода к виброскорости сигни виброускорения интегрируется с использованием подпрограммы Time domain math ех-press.v,. Виброскорость измеряется в мм/с. Для оценки интенсивности вибрации АЭД приложение V.bration analyzer.vi вычисляет СКЗ виброскорости. Для перехода к виброперемещению производится еще одна операция интегрирования. Для оценки интенсивности виорации АЭД по параметру виброперемещения используется двойная амплитуда колебания, измеренная в мкм.

АСКТС осуществляет свои функции преимущественно во время работы АЭД поэтому некачественное электропитание приводит к появлению ложных признаков нарушения работоспособности АЭД. Исходя из этого, АСКТС оснащена виртуальным прибором контроля качества электроэнергии, подаваемой в АЭД. С целью реализации прибора разработано приложение под названием Quality of power supply vi Измерительную информацию оно получает от виртуального прибора, предназначенного для измерения и контроля величины статорных токов АЭД. Приложение Quality of power supply, vi вычисляет коэффициент искажения синусоидальности кривои тока К, каждой фазы АЭД с помощью подпрограммы Harmonic distortion значением " ПР°ИЗВ°ДИТ сРавнение полученного значения с предельно допустимым

Коэффициент амплитуды Ка переменного тока не является показателем каче-

от1Г:ГЧеСК°Й ЭНеР™И' Н0' ТШ Не М£Нее' К0СВСНН0 свидетельствует о степени отклонения кривои тока от синусоидальной формы. Для синусоидального тока

Ка -V2 . Исходя из этого, приложение Quality of power supply.vi вычисляет абсолютное отклонение \АКа\ измеренного значения коэффициента Ка от значения, определенного для синусоидального тока.

Кроме того, приложение Quality of power supply, vi производит измерение отклонения частоты сети Df = fy - /ном , где fy _ результат усреднения N наблюде-

ний частоты сети на интервале времени равном 20 с, /ном - номинальное значение частоты сети.

На основе представленных виртуальных измерительных приборов реализована АСКТС АЭД. Ее структура показана на рис. 13.

Источник бесперебойного питания

ЗЕ

АСКТС АЭД.\л

ПЭВМ

Сеть 220 В

Сеть 220 В

О *

УСД ивВ-бООв

Датчик враще

УСД РС1-6024Е

акселеро метры

Блок включения/

выключения электропитания

ЗЕ

I

Блок винтовых ЭСХ!- ЭСХ1-

терминалов ЭСХМЗОО -> 1102В -> 1000

Схемы формирования сигналов

Датчики тока

Датчик влажное

Датчики темпера туры

АЭД

сирена

Блок включения/ выключения сирены

Рис. 13. Структура АСКТС АЭД

Система оснащена тремя датчиками температуры фазных обмоток статора АЭД, двумя датчиками температуры подшипников, датчиком влажности, датчиком частоты вращения ротора АЭД, четырьмя акселерометрами, тремя датчиками тока, программно-аппаратным механизмом включения и выключения электропитания АЭД, генератором сирены и программно-аппаратным механизмом автоматического включения и выключения сирены.

Программное обеспечение системы под названием АСКТС АЭД.у1 разработано в среде графического программирования ЬаЬУ1Е\У. Лицевая панель АСКТС АЭД.у1 (рис. 14), представляет виртуальную приборную панель системы, на которой размещены средства отображения разработанных измерительных приборов и информационное табло, отображающее текстовую информацию о результате контроля технического состояния АЭД контроля качества электроэнергии, подаваемой в АЭД и текущий статус АЭД.

Помимо вывода информации, лицевая панель АСКТС АЭД.у1 предоставляет оператору интерфейс для интерактивного взаимодействия с системой при включении и выключении электропитания АЭД с помощью виртуального тумблера.

12

Рис. 14. Лицевая панель программы АСКТС АЭД.у1

Графические индикаторы приборов для измерения и анализа параметров виб-

дг£тгл^ТТ' В Л?ДУЛЬ " Размещены «а второй странице лицевой панели АСК1С АЭД.У1 (рис. 15).

Рис. 15. Модуль анализа параметров вибрации

13

Кроме того, на второй странице лицевой панели АСКТС АЭД-vi размещены числовые индикаторы, отображающие собственные частоты вращения конструктивных элементов подшипников качения АЭД. Переключение между страницами осуществляется с помощью вкладок.

В состав системы помимо измерительных приборов включены приложения Power down.vi, Power indication.vi, Control KZ.vi, которые по информации, поступающей от приборов для измерения статорных токов, осуществляют контроль наличия питания, обрыва токоведущих проводов и межфазного короткого замыкания.

Приложение Isolation control before start.vi по информации, поступающей от акселерометра, осуществляет контроль пробоя изоляции обмоток на корпус АЭД.

Для контроля стабильности вращения ротора и с целью защиты АЭД в случае падения оборотов ротора, при котором статорные токи возрастают до уровня пусковых или заклинивания ротора разработано приложение Tachometer analysis.vi.

Информация о результатах контроля функциональных параметров АЭД поступает в узел контроля технического состояния, представляющий собой функцию логического сложения. Для вывода текстового сообщения о результате контроля технического состояния АЭД системой используется приложение Information message, vi. Система определяет состояние АЭД как неработоспособное, если хотя бы один из его параметров, характеризующих способность выполнять заданную функцию, выйдет за допустимые границы. При этом разработанное приложение Report generator.vi формирует отчет о возникшей проблеме. Блок-диаграмма программы АСКТС АЭД-vi представлена в диссертации.

Апробация АСКТС на АЭД модели Дт-75М позволила получить следующие результаты контроля технического состояния. Трехфазный Дт-75М адаптирован к работе от однофазного источника электроэнергии с помощью конденсатора, поэтому фазные токи статора не могут быть симметричными, что подтверждается информацией, получаемой от АСКТС. Номинальная величина тока Дт-75М составляет 0,4 А. При этом АСКТС сообщает, что Дт-75М во время работы потребляет большой ток: основная фаза - 1 А, вспомогательная фаза - 0,7 А, конденсаторная фаза 1,4 А. Это связано с трехкратным превышением рекомендуемой величины емкости применяемого конденсатора. Температура обмоток при этом постоянно растет и тенденции к ее стабилизации не наблюдается.

Анализ вибрации АЭД Дт-75М показал, что ее амплитуда на частоте вращения ротора в радиальных направлениях колеблется в диапазоне от 0,039 до 4,06 м/с2. Данное обстоятельство свидетельствует о дисбалансе ротора. При этом доминирующими в радиальных направлениях являются колебания, проявляющиеся на удвоенной частоте сети, что указывает на проблемы электромагнитной природы. В осевом направлении доминирует вибрация на частоте вращения ротора.

АСКТС определяет вид состояния АЭД согласно ГОСТ Р 27.002-89, ГОСТ 20911-89, а также с учетом инструкции по эксплуатации АЭД, СО 34.45.509-2005 и правил технической эксплуатации электрических станций и сетей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

I. В рамках проведения исследований по созданию виртуального прибора, предназначенного для измерения и контроля температуры фазных обмоток статора

и подшипников АЭД, разработана оригинальная схема формирования сигнала для измерения температуры с использованием термистора. Предложенная схема позволяет согласовать внутреннее сопротивление термистора с низкоомной нагрузкой устраняет необходимость контроля величины протекающего через термистор тока и упрощает расчет погрешности измерения температуры, вызванной явлением саморазогрева термистора.

2. Разработан и реализован метод, позволяющий устранить влияние шума маг-ниторезистивного датчика на процесс измерения частоты вращения ротора АЭД Метод основан на оценке коэффициента амплитуды Ка выходного сигнала датчика Значение Ка используется для определения момента начала и прекращения вращения шестерни, что позволяет решить проблему, связанную с некорректным измерением частоты вращения неподвижного ротора. Метод разработан в рамках проведения исследований по созданию виртуального прибора, предназначенного для измерения и контроля частоты вращения ротора АЭД.

3. Разработана АСКТС, позволяющая осуществлять мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации. АСКТС разработана с учетом определенных в процессе проведения исследования требований относительно состава датчиков, их физического размещения внутри или на внешней стороне корпуса АЭД наличия источника бесперебойного питания, наличия средств контроля качества электроэнергии, подаваемой в АЭД, необходимости электроснабжения от отдельной шины, наличия функции защитного отключения АЭД от электропитания и осуществления мониторинга АЭД в условиях эксплуатации.

4. Разработано программное обеспечение АСКТС АЭД в виде виртуального прибора верхнего уровня под названием АСКТС АЭД.vi.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Мардаиов P.P., Петрушенко Ю.Я., Шаров В.В. Метод определения погрешностей виртуального прибора при измерении температуры обмоток электродвигателей в условиях эксплуатации//Датчики и системы. - 2011 -*8-С 59-61 — ISSN

1992-7185. "

2. Мардаиов P.P., Шаров В.В. Автоматизированная система контроля технического состояния электродвигателей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.-2011.-№3-4-С. 117-121.-ISSN 1998-9903.

Авторские свидетельства, патенты:

3. Автоматизированная система контроля технического состояния электродвигателя: пат. 111684 Рос. Федерация: МПК G0IR 31/00 (2006.01) / Мардаиов РР Шаров В.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет» (КГЭУ). - №2011130084/28; заявл. 19.07.11- опубл 20.12.11, Бюл. № 35. 2 с. '

4. Свидетельство № 2011616536 Российская Федерация. Регистрация параметров технического состояния электродвигателей в условиях эксплуатации- свидетельство^ государственной регистрации программы для ЭВМ / Марданов Р.Р Шаров В.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное

15

учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный энергетический университет» (КГЭУ). - №2011614750; заявл. 29.07.11; опубл. 19.08.11.

Материалы конференций:

5. Шаров В.В., Марданов P.P. Стратегия обслуживания электрооборудования по фактическому состоянию // Материалы XIII всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии». - Нижний Новгород: ННИМЦ «Диалог», 2008. - С. 12.

6. Марданов P.P. Влияние эксплуатационных факторов на техническое состояние электродвигателей // Материалы докладов IV международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Т. 1. - Казань: КГЭУ, 2009. - С. 114-115.

7. Шаров В.В., Марданов P.P. Неразрушаюший контроль электродвигателей собственных нужд // Материалы XXVI всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве». -Нижний Новгород: ННИМЦ «Диалог», 2009. - С. 22.

8. Марданов P.P., Шаров В.В. Система технического диагностирования электродвигателей на базе компьютерной системы сбора данных // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе». Ч. 2. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 65-68.

9. Марданов P.P., Шаров В.В. Построение системы мониторинга и технического диагностирования в среде LabVIEW для измерения частоты вращения электродвигателя // Материалы 5-й международной научно-технической конференции «ИНФОС-2009». Вологда: ВоГТУ, 2009. - С. 170-172.

10. Марданов P.P., Шаров В.В. Система мониторинга температуры обмоток электродвигателя на основе резистивного датчика // Сборник докладов 2-й всероссийской межвузовской научной конференции «Зворыкинские чтения». Муром: Изд-во МИ ВлГУ, 2010. - С. 633-635. URL: http://www.mivlgu.ru/conf/zvorvkin2010/works/ index.html, (дата обращения 11.09.2013).

11. Марданов P.P. Автоматизированная система контроля технического состояния электродвигателей // Материалы докладов 5-й международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». Т. 1.-Казань: КГЭУ, 2010.-С. 105-106.

12. Марданов P.P., Шаров В.В. Система контроля технического состояния электродвигателей собственных нужд станций и подстанций на основе технологии виртуальных приборов // Сборник докладов 3-й всероссийской межвузовской научной конференции «Зворыкинские чтения». Муром: Изд-во МИ ВлГУ, 2011. - С. 391392. URL: http://www.mivlgu.ru/conf/zvorykin2011/works/index.html. (дата обращения 11.09.2013).

Подписано к печати 06.09.2013 г. Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Вид печати РОМ Бумага офсетная

Физ.печ.л. {,25 Усл.печ.л. 1,15~- Уч.-изд.л. /

Тираж 100 экз._Заказ №

Издательство КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

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

На правах рукописи

Марданов Ренат Расулевич

Автоматизированная система контроля технического состояния асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,

материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Шаров Валерий Васильевич

Казань-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Список сокращений................................................................. 4

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ И СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.................................................................. 10

1.1. Анализ надежности асинхронных электродвигателей применяемых в механизмах собственных нужд станций и подстанций.. 10

1.2. Анализ безразборных методов оценки технического состояния асинхронных электродвигателей................................................... 18

1.3. Использование современных измерительных информационных систем для контроля технического состояния электрических двигателей.............................................................................. 24

1.4. Обоснование выбора инструмента для решения задачи оценки технического состояния электродвигателей в условиях эксплуатации... 31

1.5. Особенности построения измерительной информационной

системы с применением среды разработки Lab VIEW........................ 32

Выводы по первой главе............................................................ 38

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.............................. 41

2.1. Особенности разработки стационарной системы контроля технического состояния асинхронных электродвигателей................. 41

2.2. Обеспечение достоверности контроля при оценке состояния........ 46

2.3. Прибор для измерения и контроля температуры подшипников и фазных обмоток статора электродвигателя..................................... 48

2.4. Прибор для измерения и контроля частоты вращения ротора Д

ч i"»? J.

электродвигателя..................................................................... 55 |

nt'

ч

2 » «/¿V*

2.5. Прибор для измерения и контроля влажности воздуха..................................62

2.6. Программно-аппаратный механизм включения и отключения

электродвигателя..........................................................................................................................................65

Выводы по второй главе........................................................................................................................68

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ................................................................................................................71

3.1. Реализация прибора для измерения и контроля температуры..................71

3.2. Реализация прибора для измерения и контроля частоты вращения ротора электродвигателя..........................................................................................................................79

3.3. Реализация прибора для измерения и контроля статорных токов электродвигателя..........................................................................................................................................84

3.4. Реализация прибора для измерения и анализа параметров

вибрации..............................................................................................................................................................88

3.5. Реализация прибора контроля качества электроэнергии..............................98

3.6. Автоматизированная система контроля технического

состояния асинхронных электродвигателей........................................................................101

Выводы по третьей главе..........................................................................................................................129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................133

Библиографический список............................................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ. Патенты и свидетельства............................................................148

Список сокращений

АСКТС — автоматизированная система контроля технического состояния; АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

АЭД - асинхронный электрический двигатель с короткозамкнутым ротором; ИИС - измерительная информационная система; МОП - метал-оксид-полупроводник; ОУ - операционный усилитель;

ПЭВМ - персональная электронная вычислительная машина;

СКЗ - среднее квадратическое значение;

УСД - устройство сбора данных;

ФБ - функциональный блок;

ФНЧ - фильтр нижних частот;

ЭДС - электродвижущая сила;

N1 - National Instruments;

ВВЕДЕНИЕ

Трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АЭД) используются для приведения в движение механизмов собственных нужд электростанций типа ТЭЦ. Доля АЭД в общей численности электрооборудования ТЭЦ превышает 50 %. При этом ответственные АЭД, отключение которых влечет за собой снижение рабочей мощности основных агрегатов электростанции, не имеют резерва. Особо ответственные АЭД резервируются, что позволяет сохранить работоспособность основных агрегатов и станции в целом при аварийных отключениях АЭД. Поскольку работа механизмов собственных нужд во многом зависит от надежности применяемых АЭД, разработка автоматизированной системы контроля технического состояния (АСКТС) для решения проблемы осуществления мониторинга технического состояния АЭД в условиях эксплуатации является актуальной.

На основе анализа актуальности темы работы определены объект и предмет исследования. Объектом исследования является АСКТС. Предметом исследования являются процессы мониторинга технического состояния АЭД в условиях эксплуатации.

Исследование по вопросам разработки и реализации современных систем мониторинга, позволяющих осуществлять централизованный контроль работоспособности АЭД собственных нужд электростанций путем прогнозирования износа и срока службы, проводилось Пустохайловым С.К. Исследование по разработке автоматизированной системы оценки состояния электродвигателей постоянного тока проводилось Веселовым А.О. Однако вопрос разработки и реализации систем, позволяющих оценивать техническое состояние электродвигателей в условиях эксплуатации, этими авторами не рассматривался. К настоящему времени промышленно реализованы программно-аппаратные комплексы для проведения технического диагностирования различных типов и видов электродвигателей. В этом ряду можно выделить системы КОМПАКС-РПЭ и ЯШМА-ЭД, представляющие собой стен-

довые комплексы. Ограничение систем оценки технического состояния стендовыми комплексами не способствует повышению надежности электродвигателей, поскольку отсутствует информация о том, что происходит с ними во время работы.

Исходя из анализа научных работ по теме исследования и промышлен-но реализованных близких по назначению программно-аппаратных комплексов, определена цель исследования, которая заключается в разработке АСКТС, способной осуществлять мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи.

1. Сформулировать и обосновать требования, которым должна соответствовать стационарная АСКТС, способная осуществлять мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации.

2. Разработать виртуальные приборы для измерения и проверки соответствия значений параметров АЭД требованиям технической документации в условиях эксплуатации.

3. Разработать алгоритм работы АСКТС АЭД.

4. Разработать и реализовать на основе технологии виртуальных приборов АСКТС АЭД.

Теоретические и методологические основы исследования. Задачи, поставленные в диссертационной работе, решались с использованием теории контролеспособности, теории проектирования технических систем контроля и диагностирования, теории информационно-измерительной техники и точности информационно-измерительных систем, теории шумов, методов цифровой обработки сигналов, с проведением натурных экспериментов, измерений и наблюдений.

Научная новизна определяется получением следующих научных результатов.

1. Разработана оригинальная электрическая схема формирования сиг-

нала для измерения температуры с использованием термистора в цепи обратной связи операционного усилителя в схеме неинвертирующего усилителя, применяемого в качестве источника тока.

2. Разработан виртуальный прибор для измерения частоты вращения ротора АЭД, в котором впервые использован алгоритм устранения влияния шума магниторезисторов на измерительный процесс, основанный на оценке коэффициента амплитуды Ка выходного сигнала датчика.

3. На основе технологии виртуальных приборов разработана АСКТС, которая подключается к АЭД на постоянной основе и осуществляет мониторинг технического состояния АЭД, а также влияющих на это состояние факторов в условиях эксплуатации.

4. Разработан алгоритм работы АСКТС АЭД и на его основе программное обеспечение под названием АСКТС АЭД.уь

Достоверность полученных результатов подтверждается многократными исследованиями функциональных параметров АЭД; сходимостью результатов измерений с результатами, полученными другими авторами; воспроизводимостью результатов измерений серийно выпускаемыми физическими приборами; непротиворечивостью экспериментальных результатов известным теоретическим положениям.

На защиту выносятся

1. Разработанная АСКТС, позволяющая измерять и контролировать следующие параметры АЭД и влияющие на его состояние факторы: величины статорных токов и их соответствие номинальному значению, наличие тока в питающих проводах, короткое замыкание между фазами, наличие напряжения на корпусе АЭД, температура статорных обмоток, температура подшипников, симметричность нагрева подшипников, частота вращения ротора, заклинивание ротора, нестабильность вращения ротора, интенсивность вибрации, влажность воздуха, отклонение частоты питающей сети, искажение синусоидальности кривой статорных токов и отклонение коэффициента амплитуды Ка статорных токов от номинального значения.

2. Алгоритм и компьютерная программа, определяющая логику работы автоматизированной системы контроля технического состояния асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

3. Оригинальная электрическая схема формирования сигнала для измерения температуры с использованием термистора, позволившая согласовать входные и выходные сопротивления подключаемых устройств, устранить необходимость контроля величины тока, протекающего через терми-стор, и упростить процесс расчета погрешности измерения, вызванной явлением саморазогрева термистора.

4. Метод устранения влияния шума магниторезистивного датчика на процесс измерения частоты вращения ротора АЭД, основанный на оценке коэффициента амплитуды Ка выходного сигнала датчика.

Практическая ценность результатов работы. Определены требования для АСКТС (состав датчиков и их размещение в АЭД, источник бесперебойного питания, выделенная шина, контроль качества электроэнергии, защитное отключение при аварийной ситуации), осуществляющей мониторинг технического состояния АЭД в условиях эксплуатации, на основе которых разработана и реализована АСКТС, позволяющая эффективно обнаруживать признаки нарушения работоспособности АЭД (отсутствие тока в одной или двух обмотках статора, короткое замыкание, замыкание на корпус, перегрузка, перегрев обмоток статора и подшипников, заклинивание, нестабильность вращения ротора, высокий уровень вибрации), что подтверждается экспериментально. АСКТС создает условия для перехода к стратегии технического обслуживания и ремонта АЭД по фактическому состоянию и позволяет штатному оперативному персоналу принимать обоснованные эксплуатационно-технические решения, что способствует повышению надежности АЭД.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе КГЭУ при изучении дисциплины «Измерительные информационные системы», а также реализованы в территориальной генерирующей компании ТГК-16.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XIII всероссийской научно-технической конференции «Современные промышленные технологии» (Н. Новгород, 2008 г.); IV и V международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009, 2010 гг.); межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Камские чтения» (Н. Челны, 2009 г.); XXVI всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. Новгород, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в профессиональной деятельности и научной работе» (Йошкар-Ола, 2009 г.); V международной научно-технической конференции ИНФОС-2009 (Вологда, 2009 г.); II и III всероссийских межвузовских научных конференциях «Зворыкинские чтения» (Муром, 2010, 2011 гг.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК, 8 материалов докладов на всероссийских и международных научных конференциях, получен патент РФ на полезную модель № 111684 и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011616536.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка и приложения, содержит 149 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 90 рисунков. Библиографический список включает 114 наименований.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ И СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

1.1. Анализ надежности асинхронных электродвигателей применяемых в механизмах собственных нуяед станций и подстанций

Нормальная работа основного технологического электрооборудования ТЭЦ обеспечивается механизмами собственных нужд [5, 6]. Для приведения в движение большинства этих механизмов используются, как правило, АЭД [7], которые составляют более 50 % от общего числа электрооборудования. При этом работа механизмов собственных нужд во многом зависит от надежности применяемых АЭД, которая закладывается на этапе производства. Однако показатели надежности АЭД со временем неизбежно снижаются под воздействием внутренних процессов старения и условий эксплуатации, несоответствующих требованиям инструкции.

Условия, в которых АЭД собственных нужд приходится работать, в определенной степени зависят от применяемого на ТЭЦ топлива. Это хорошо видно на примере ТЭЦ, работающих на твердом топливе, так как создают для АЭД самые жесткие условия. Данное обстоятельство связано с тем, что АЭД задействованные в механизмах разгрузки, транспортировки, дробления и распределения топлива по бункерам котельной работают в условиях сильного загрязнения. Анализ работы [8] показывает, что механизмы системы топ-ливоподачи преимущественно используют АЭД мощностью до 300 кВт. Механизмы топливоподачи работают в условиях высокой концентрации пыли, поэтому для них выбирают АЭД в закрытом исполнении.

Системы пылеприготовления, использующиеся для размола топлива и подачи пыли в топку, включают в себя питатели сырого угля, мельницы, мельничные вентиляторы, шнеки и питатели пыли. АЭД, приводящие в дви-

жение большинство этих механизмов, эксплуатируются в условиях сильного запыления. Однако данная ситуация дополнительно усложняется высокой температурой среды, связанной с близким расположением котла. По этой причине в системах пылеприготовления используют АЭД в закрытом, обдуваемом исполнении [8]. И все же, охлаждение АЭД путем обдува воздухом при сильном загрязнении не дает желаемого результата, поскольку угольная пыль в этом случае исполняет роль теплоизолятора.

Кроме того в любой ТЭЦ используются тягодутьевые механизмы. АЭД, применяемые в этих механизмах, обеспечивают работу дымососов, отводящих из топки котла продукты, образующиеся при сгорании топлива и создающих разряжение в топке, а также вентиляторов вторичного воздуха, подающих воздух в топку. При остановке тягодутьевых механизмов нарушается нормальный режим работы станции, поэтому они относятся к группе ответственных. Для привода дымососов и вентиляторов используются АЭД типа ДАЗО - двигатель асинхронный, закрытый, обдуваемый. АЭД тягодутьевых механизмов работают в условиях высокой температуры среды, поэтому для обеспечения расчетного срока их службы применяют дополнительный обдув или подвод холодного воздуха, забираемого снаружи. Однако при использовании такого способа охлаждения существует вероятность конденсации влаги на обмотках не работающих АЭД. Отпотевание обмоток может привести к повреждению АЭД при включении [8].

Питательные насосы используются для подачи воды в котлы. Сбой в работе питательных насосов может привести к аварии котла, поэтому они отно