автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Функциональная диагностика неисправностей электромеханических элементов электротехнических комплексов по внешнему электромагнитному полю

005003813

На правах рукописи

БОЙКОВА Оксана Алексеевна

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПО ВНЕШНЕМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ПОЛЮ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Уфа-2011

005003813

Работа выполнена на кафедре электромеханики ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Хайруллии Ирек Ханифович кафедра электромеханики Уфимского государственного авиационного технического университета

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Костюкова Татьяна Петровна кафедра экономической информатики Уфимского государственного авиационного технического университета кандидат технических наук, доцент Шуляк Александр Анатольевич директор, главный конструктор НКТБ «Вихрь»

Ведущая организация: ОАО «Уфимское агрегатное

производственное объединение»

Защита состоится « 20 » декабря 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.288.02 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, в актовом зале 1-го корпуса УГАТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета

Автореферат разослан « Щ » ноября 2011.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, доцент /2

А.В.Месропян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Современный этап развигия электротехнических комплексов характеризуется сложностью и разнообразием составляющих их элементов, в частности двигателей, генераторов, трансформаторов, электроприводов и т.д., а также повышенными требованиями к их эффективности и надежности. Отказы этих элементов наносят ощутимый материальный ущерб. Поэтому весьма актуальными являются мероприятия по обеспечению их бесперебойной работы, обнаружению и оценке степени развития дефектов, особенно на ранней стадии их развития, предотвращению аварийных отказов и прошозированию технического состояния на длительный период.

Одним из путей решения этой проблемы является функциональная диагностика, позволяющая использовать систему обслуживания и ремонта по фактическому состоянию. В настоящее время разработке теории, методов и средств функциональной диагностики уделяется достаточно много внимания. Большой вклад в развитие диагностики внесли такие ученые, как Йондем М.Е., НикиянН.Г., Клецель МJL, Баширов МТ., Гашимов М.А., Глущенко П.В., Bandler D., Griffin N., William Т. Tomson, Thollon F. и др.

Наиболее популярные методы функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов (ЭМЭЭК) основаны на внешнем осмотре, регистрации тепловых, электрических параметров и вибрации. Однако их применение не всегда возможно в современных технологаческих процессах. В таких случаях наиболее целесообразно применение систем диагностики, основанных на анализе внешних электромагнитных полей (ВМП). При этом определение диагностических параметров производится по результатам измерений бесконтактными методами и без вывода объекта из рабочего режима. Анализ картины ВМП позволяет достоверно и объективно оценить техническое состояние ЭМЭЭК. Проведенный анализ литературы позволил сделать выводы о том, что характеристики ВМП, как диагностического параметра состояния ЭМЭЭК, недостаточно изучены и мало используются при оценке их технического состояния.

Таким образом, исследование и расширение возможностей функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов является актуальной научной задачей.

Основание для выполнения работы. Работа выполнена в рамках:

- проекта «Исследование процессов энергопреобразования в электромеханических колебательных системах с распределенной вторичной средой» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)» Министерства образования и науки РФ;

- научно-исследовательской работы по теме «Исследование электромагнитных полей и процессов в перспективных нанотехнологиях и электротехнических системах авиационно-космической техники», заданной Федеральным агентством по образованию (2009-2011).

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является исследование и расширение возможностей функциональной диагностики ЭМЭЭК за счет выявления связи параметров их ВМП с неисправностями технологического и эксплуатационного характера.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. Анализ современных методов и средств функциональной диагностики ЭМЭЭК.

2. Разработка математической модели ВМП ЭМЭЭК, позволяющей учесть отклонения от номинального режима работы, неисправности, обусловленные влиянием технологических и эксплуатационных факторов па их техническое состояние, а также учесть влияние геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на их ВМП.

3. Оценка влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на уровень их ВМП и выявить связь этих факторов с изменениями в ВМП ЭМЭЭК.

4. Разработка моделирующего диагностического комплекса и проведение экспериментальных исследований для проверки адекватности

полученной математической модели и проверки возможности практического диагностирования ЭМЭЭК по В МП.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены с помощью положений теории электромагнитного поля с использованием принципа суперпозиции. Для исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов на уровень их внешнего электромагнитного поля использовались методы численного моделирования. Для выполнения и документирования инженерных и научных расчетов в программном комплексе МаЛСас/15.

На защиту выносятся: 1. Математическая модель ВМП ЭМЭЭК, позволяющая учесть отклонения от номинального режима работы, неисправности, обусловленные влиянием технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние, а также учесть влияние геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на их ВМП.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на уровень их ВМП с помощью разработанной математической модели.

3. Моделирующий диагностический комплекс для экспериментальных исследований и практического диагностирования ЭМЭЭК по ВМП.

Научная новизна: 1. Разработана и обоснована математическая модель ВМП ЭМЭЭК, позволяющая учесть влияние технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние при заданных режиме работы, геометрических и физических параметрах ЭМЭЭК.

2. Разработанный моделирующий диагностический комплекс, позволяет определять зоны максимального проявления внутренних дефектов ЭМЭЭК во внешнем электромагнитном поле. Разработанное программное обеспечение позволяет автоматизировать процесс расчета и формирования диагностических критериев ЭМЭЭК.

3. Выявлена четкая связь параметрических отклонений ЭМЭЭК, обусловленных технологическими и эксплуатационными факторами, с изменениями в спектре ВМП ЭМЭЭК.

Новизна основных положений подтверждена патентом РФ на полезную модель № 68700, а также свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ №2010615107, №2010612800, №2010615111.

Реализация и практическая значимость результатов работы подтверждаются их использованием в промышленности и учебном процессе:

1. Результаты исследований, а также программное обеспечение для автоматизированного расчета ВМП ЭМЭЭК внедрены и используются на ОАО «Уфимское агрегатное производственное объединение» при технологическом контроле взрывозащщценных асинхронных двигателей.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований ВМП ЭМЭЭК, программное обеспечение для автоматизированного расчета ВМП, а также моделирующий диагностический комплекс внедрены и используются в учебном процессе на кафедре электромеханики УГАТУ.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов работы подтверждается корректностью поставленных задач; обоснованностью принятых допущений и адекватностью математических моделей и методов, используемых при исследовании; строгостью выполненных математических преобразований и результатами экспериментальных исследований ЭМЭЭК.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, Всероссийских, республиканских научно-технических конференциях, в том числе:

- XXXIV Международная молодежная научная конференция «Гагарин-ские чтения». - г. Москва, МАТИ, 2008 г.

- П Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»,- г. Уфа, УГНТУ, 2009 г.

- IV Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике». - г. Уфа, УГАТУ, 2009 г.

- Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010». -г. Астрахань, АГУ, 2010 г.

- Всероссийская конференция «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения». - г. Уфа, УГАТУ, 2010 г.

- XVI международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - г. Москва, МЭИ, 2010 г.

- Всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения». - г. Уфа, УГАТУ, 2008 - 2010 гг.

- V Всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». - г. Уфа, УГАТУ, 2010 г.

Публикации по теме диссертации. Список публикаций автора по теме диссертации включает 19 научных трудов, в том числе 2 публикации в изданиях перечня ВАК, 1 патент РФ на полезную модель, 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Три публикации выполнены без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 145 страниц машинописного текста и 95 наименований библиографических источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертациошюй работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, отмечена их новизна и практическая значимость. Приведены сведения о внедрении результатов, апробации работы и публикациях.

В первой главе проведен анализ современных методов и средств функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов. Установлено, что уровень В МП является показателем технического состояния ЭМЭЭК. Метод функционального диагностирования, основанный на измерении и анализе внешних электромагнитных полей ЭМЭЭК несет достоверную информацию об их состоянии как основной диагностический признак, а также как дополнительный при диагностировании ЭМЭЭК

диагностическими системами для получения более точной информации об их фактическом состоянии. Приведены основные требования, предъявляемые к системам функциональной диагностики. Дан анализ методов расчета ВМП ЭМЭЭК. На основании проведенного обзора определены цели и задачи работы.

Во второй главе разработана математическая модель ВМП ЭМЭЭК, позволяющая учесть отклонения от номинального режима работы, неисправности, обусловленные влиянием технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние, а также учесть влияние геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на их ВМП. На основе разработанной математической модели получено распределение электромагнитного поля на поверхностях магнитопровода статора ЭМЭЭК и оболочки, имеющей конечную магнитную проницаемость, также исследовано влияние параметров оболочки ЭМЭЭК на уровень его ВМП.

Расчетная схема исследуемого ЭМЭЭК представляет собой расположенные друг над другом цилиндрические слои с различными физическими свойствами (рис. 1).

Рисунок 1 - Расчетная схема ЭМЭЭК:

1 - статор; 2 - ротор; 3 - оболочка ЭМЭЭК; 8 - воздушный зазор между статором и

ротором; Д - немагнитный промежуток между оболочкой и магнитопроводом статора ЭМЭЭК; - смещение оси ротора относительно оси статора (статический эксцентриситет); Ас - радиус мапштонровода статора; Квар - наружный радиус

ЭМЭЭК; й?к - толщина оболочки ЭМЭЭК; Ь - активная длина ЭМЭЭК; Ф - координата в системе, неподвижной относительно статора

Электромагнитные явления в ЭМЭЭК описываются системой уравнений Максвелла для медленно движущихся сред. Для упрощения расчетных выражений используются следующие допущения:

• активная длина ЭМЭЭК принята бесконечно большой;

• на сердечниках статора и ротора отсутствуют пазы;

• оболочка и внешняя поверхность магнитопровода статора имеют гладкую наружную цилиндрическую круговую поверхность;

• магнитная проницаемость немагнитного зазора под оболочкой и внешней среды равна магнитной проницаемости вакуума р0.

С учетом этих допущений получены выражения результирующих напря-женностей магнитных полей для соответствующих областей:

В области I, i?nap < z <оэ:

¿-Я2/-а3Я2/=0; (1)

dz

В области II, RHSp —dK<z< Rmp:

~HzU-X2Hül= 0; (2)

dz

В области III ,Rc<z< i?nap - dK:

0, (3)

где Hzj, Hzjj, H7m - амплитуды результирующих напряженностей электромагнитных полей соответственно на поверхности оболочки ЭМЭЭК, в оболоч-

Я ^ ,2 „ .,2 Y^O

ке и под ней; а=—; т =--полюсное деление; А. -(1 + ;е)а ; е---маг-

т 2 р а

нитное число Рейнольдса, характеризующее интенсивность электромагнитных

процессов; у - удельная проводимость среды; и = 2я/ - угловая частота сети;

/ - частота сети.

Далее определялись выражения для нормальных и тангенциальных составляющих напряженностей результирующего поля с постоянными

интегрирования для соответствующих областей. Из условий йхчН = 0, а также равенства нормальных и тангенциальных составляющих поля на границах раздела сред (областей I, II и III) определены постоянные интегрирования и результирующие напряженности магнитных полей в определенных выше областях. Таким образом, ВМП ЭМЭЭК определяется выражением:

Явмп =Н1

(сЬ(а-Днар)-8Ь(а-Лнар))

+ д|зЬ(Я.-ЛИЧ)) +

А

V ;

(4)

где Нпст - напряженность электромагнитного поля на внешней поверхности магнитопровода статора ЭМЭЭК, учитывающая его техническое состояние;

; |1К - магнитная проницаемость материала оболочки ЭМЭЭК;

Для оценки влияния оболочки ЭМЭЭК на уровень его ВМП вводится коэффициент экранирования электромагнитного поля, который определяется отношением напряженности электромагнитного поля в заданной точке внешнего относительно оболочки пространства при ее наличии к напряженности электромагнитного поля в той же точке при ее отсутствии:

■ _ (вЦа • г) + сЬ(а • г))

к--

~ + Я ■ Лнар) + ^ + Л ■ Днар)

(5)

В третьей главе теоретически исследовано влияние технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на уровень их ВМП с помощью разработанной математической модели. Произведена оценка возможности применения формулы (5), определяющей коэффициент экранирования, для учета влияния оболочки ЭМЭЭК на уровень его ВМП.

В четвертой главе проведена проверка теоретических положений по результатам анализа ВМП ЭМЭЭК и возможности использования параметров их ВМП в качестве диагностических признаков неисправностей, обусловленных технологическими и эксплуатационными факторами. Разработан диагностический комплекс для экспериментальных исследований и проведены экспериментальные исследования для оценки влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на уровень их ВМП и выявления связи этих факторов с изменениями в спектре ВМП ЭМЭЭК. Общий вид экспериментальной установки приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Общий вид экспериментальной установки: 1 - исследуемый объект (ЭМЭЭК); 2 - устройство изменения эксцентриситета ротора; 3 - датчик внешнего электромагнитного поля; 4 - ПК; 5 - блок преобразования сигнала; б - спектроанализатор Handy scope #S3-25; 7 - цифровой фототахометр АКТАКОМ АТТ - 6006; 8 - мультиметр

Исследования ЭМЭЭК проводились в типовых режимах (холостого хода, нагрузки и короткого замыкания). Сигналы с датчика ВМП усиливались и фильтровались в блоке преобразования сигнала и передавались на

спектроанализатор Напйуясоре ШЗ и компьютер. Анализ распределения ВМП проводился по данным, полученным при расположении датчика ВМП на расстоянии 0,1 мм от внешней поверхности ЭМЭЭК. Эксцентриситет моделировался в пределах от нуля до максимально допустимого значения эксцентриситета для исследуемого ЭМЭЭК. Гармонический состав ВМП ЭМЭЭК, полученный в результате эксперимента при наличии и отсутствии эксцентриситета, приведен в относительных единицах на рисунке 3.

н.о.с.,

I

0.75 0.5 0.25 0

fí.oc ; 1

0.75 0,5

«as о

50 100 150 200 250 /,Ги

50 100 150 200 250 / Гц

а б

Рисунок 3 - Гармонический состав ВМП ЭМЭЭК, полученный в результате эксперимента: а - при отсутствии эксцентриситета; б - при наличии эксцентриситета

40-

30

20

10

расчет //

ч v /v' у.-' /у

\

ЭКСПЕ римент

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ест

Рисунок 4 - Экспериментальная и расчетная зависимости изменения напряженности АНвмп ЭМЭЭК при изменении значения величины относительного статического эксцентриситета ест

и

На рисунке 4 представлены экспериментальная и расчетная зависимости изменения напряженности Л#ВШ1 ЭМЭЭК при изменении значения величины относительного эксцентриситета ее.

Экспериментальные исследования подтвердили справедливость принятых допущений и достоверность основных теоретических положений и выводов, полученных в работе. Расхождение расчетных и экспериментальных данных находится в пределах типовой погрешности эксперимента в исследуемой области.

В заключении сформулированы основные научные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Диссертационная работа является результатом теоретических и экспериментальных исследований автора в области функциональной диагностики ЭМЭЭК. Работа выполнялась в рамках тем аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ и научно-исследовательской работы кафедры электромеханики УГАТУ.

1. Проведен анализ современных методов и средств функциональной диагностики ЭМЭЭК.

Выявлено, что в определенных условиях применение известных методов диагностирования ЭМЭЭК затруднительно или невозможно.

Выявлено, что характеристики В МП, как диагностического параметра состояния ЭМЭЭК, мало используются при оценке их технического состояния. В основном характеристики ВМП исследуются с целью обеспечения электромагнитной совместимости ЭМЭЭК с другими электротехническими объектами и оценки воздействия их ВМП на персонал.

Выявлено, что в известных работах, посвященных функциональной диагностике ЭМЭЭК по ВМП, не учитываются отклонения от номинального режима работы, неисправности, обусловленные влиянием технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние, не оценивается влияние оболочек ЭМЭЭК на уровень их ВМП.

2. Разработана математическая модель ВМП ЭМЭЭК, позволяющая учесть влияние технологических и эксплуатационных факторов, а также влияние геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на их ВМП.

Выявлено, что эксцентричное расположение магнитопроводов ЭМЭЭК приводит к искажению синусоидальности формы кривой напряженности электромагнитного поля, а также увеличению ее амплитуды, причем большему значению эксцентриситета соответствует большее значение амплитуды ВМП ЭМЭЭК.

Выявлено, что оболочка ЭМЭЭК ослабляет уровень ВМП до 90 % и более в зависимости от ее электромагнитных свойств и геометрических параметров.

3. Исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на уровень их ВМП с помощью разработанной математической модели показали, что:

- в качестве диагностического признака технического состояния ЭМЭЭК может быть использована огибающая функции их ВМП - #вмп(р);

- при наличии статического эксцентриситета - ест Ф 0 огибающая кривой ВМП ЭМЭЭК - Явмп(ф) имеет периодичность 2тг, которая не зависит от р- числа пар полюсов ЭМЭЭК, а её амплитуда растет от 5 % до 30 % с увеличением числа пар полюсов ЭМЭЭК от р= 1 до р=4 и значения величины эксцетриситета от е^ =0,1 до <?ст =0,5;

- наличие статического эксцентриситета в исследуемом классе ЭМЭЭК приводит к увеличению амплитуды их основной гармоники напряженности ВМП, в зависимости от величины статического эксцентриситета, до 60 %, а в зависимости от числа пар полюсов исследуемого ЭМЭЭК - до 20%;

- на уровень ВМП ЭМЭЭК оказывают влияние электромагнитные свойства материалов их оболочек, а также их геометрические параметры, причем первые ослабляют поле вдвое сильнее, чем вторые.

4. Разработан моделирующий диагностический комплекс и проведены экспериментальные исследования для проверки адекватности полученной

математической модели и проверки возможности практического диагностирования ЭМЭЭК по ВМП.

В результате экспериментальных исследований установлено, что:

- спектральные характеристики ВМП ЭМЭЭК содержат в себе информацию об их техническом состоянии, т.е. имеется четкая связь параметрических отклонений ЭМЭЭК, обусловленных технологическими и эксплуатационными факторами с изменениями в спектре их ВМП;

- влияние эксцентриситета и локальных дефектов магнитопроводов роторов ЭМЭЭК проявляется в изменении форм и амплитуд основной гармоники и появлении в спектре ВМП третьей гармошки значительной амплитуды;

- третья гармоника в спектре ВМП ЭМЭЭК с эксцентрично расположенным ротором или локальным дефектом магнитопровода ротора является наиболее информативной, так как изменение степени развития этих неисправностей оказывает на ее уровень значительно большее влияние, чем на уровень основной гармоники ВМП;

- с увеличением числа пар полюсов влияние статического эксцентриситета на значения величин основной и третьей гармоник в спектре ВМП проявляется больше до 20 %. Большее увеличение амплитуд этих гармоник соответствует большему числу пар полюсов р;

- влияние эксцентриситета ротора ЭМЭЭК в зависимости от режима работы и степени развития дефекта проявляется в увеличении до 50 % уровня основной гармоники в спектре ВМП ЭМЭЭК, и появлению третьей гармоники значительной амплитуды, составляющей до 60 % от уровня основной гармоники;

- влияние локального дефекта магнитопровода ротора ЭМЭЭК в зависимости от режима работы и степени развития дефекта проявляется в уменьшении до 10 % уровня основной гармоники в спектре ВМП ЭМЭЭК, и появлению третьей гармоники значительной амплитуды, составляющей до 65 % от уровня основной гармоники;

- независимо от режима работы ЭМЭЭК, локальный дефект его магнито-провода ротора характеризуется наличием двух пиков, симметричных относительно нечетных гармоник;

- наличие оболочки оказывает значительное влияние на уровень напряженности ВМП ЭМЭЭК, причем в режиме холостого хода ее влияние сильнее, чем в режиме короткого замыкания, на 14%.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ: В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Бойкова, O.A. Обзор современных методов и средств оперативной диагностики электромеханических преобразователей энергии / Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова // Вестник УГАТУ: науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2010. - Т. 14, № 4(39). - С. 73-79.

2. Бойкова, O.A. Разработка и повышение эффективности диагностических систем электромеханических преобразователей энергии / Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова // Вестник УГАТУ: науч. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та, 2010. - Т. 15, № 1(41). - С. 134-137.

В других изданиях:

3. Бойкова, O.A. Влияние физических и геометрических факторов поверхностного слоя магнитопроводов на внешнее магнитное поле / И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, Ю.В. Афанасьев, O.A. Бойкова // Электротехнические комплексы и системы: Межвузовский научный сборник. - Уфа: Изд-во УГАТУ - 2007. - С.221-225.

4. Бойкова, O.A. Распределение внешнего магнитного поля индукционных электрических машин в области под электромагнитным экраном // Мав-лютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. - Уфа: УГАТУ, 2008. - Т. 2. - С. 21-22.

5. Бойкова, O.A. Накладной электромагнитный преобразователь для контроля оболочек электрических машин / И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, Ю.В. Афанасьев, O.A. Бойкова // Электронные устройства и системы: Межвузовский научный сборник. - Уфа: УГАТУ - 2008. - С. 137-140.

6. Бойкова, O.A. Неразрушающий контроль магнитопроводов электрических машин / Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова // XXXIV Гагаринские чтения: Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции. - М.: МАГИ, 2008. - Т. 2.- С. 39-41.

7. Бойкова, O.A. Повышение достоверности диагностической информации при оценке технического состояния экранированных электрических машин / Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова II Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий: Сборник научных трудов П Всероссийской научно-технической конференции. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - Т. 2 - С. 68-71.

8. Бойкова, O.A. К вопросу разработки средств контроля электромеханических преобразователей энергии / И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова // Актуальные проблемы в науке и технике: Сборник трудов IV всероссийской зимней школы семинара аспирантов и молодых ученых. - Уфа: Изд-во «Диалог», 2009. - Т. 2. - С. 36-40.

9. Бойкова, O.A. Методы и средства функциональной диагностики электромеханических преобразователей энергии / И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова // Электронные устройства и системы: Межвузовский научный сборник. - Уфа, УГАТУ - 2010. - С. 290-294.

10. Бойкова, O.A. Аппаратно-программные комплексы диагностики электромеханических преобразователей энергии / Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова и др.// Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности АСИНТЕХ-2010: Материалы Международной научной конференции: в 3 т. - Астрахань: Изд-во «Астраханский университет», 2010. - Т. 2. - С. 15-17.

11. Бойкова, O.A. Система контроля приводов запорной арматуры нефтяной и газовой промышленности / Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова и др. // Повышение надежности и энергоэффекгивности электротехнических систем и комплексов: Межвузовский сборник научных трудов. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2010. - С. 25-30.

12. Бойкова, O.A. Расширение функциональных возможностей контроля электрических машин / O.A. Бойкова, В.Е. Вавилов // Мавлютовские чтения: Всероссийская молодежная научная конференция. - Уфа: УГАТУ, 2010. -Т. 2.-С. 30-31.

13. Бойкова, O.A. Повышение эффективности диагностирования роторного оборудования энергетических систем / Д.Ю. Пашали, O.A. Бойкова, В.Е. Вавилов // Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: Материалы всероссийской конференции. - Уфа: УГАТУ, 2010-С. 16-18.

14. Бойкова, O.A. Анализ методов функциональной диашостики электромеханических преобразователей энергии // Актуальные проблемы науки и техники: Материалы^ Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. Уфа: УГАТУ, 2010 -Т. 2. - С. 88-91.

15. Бойкова, O.A. Зависимость внешнего магнитного поля от параметров поверхностного слоя магнитопроводов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Материалы XVI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Москва, МЭИ, 2010 г. - Т. 2. - С.10-11.

16. Накладной электромагнитный преобразователь / И.Х. Хайруллин, Ф.Р. Исмагилов, Ю.В. Афанасьев, Д.Ю. Пашали, О.А. Бойкова // Патент РФ на полезную модель № 68700. Опубл. 27.11.2007. БИ-№ 33.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010612800. Per. 23.04.2010 / Расчет внешнего магнитного шля электродинамического демпфера // ИХ Хайруллин, ДЮ. Пашали, OA Бойкова, В.Е. Вавилов

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615107. Per. 9.08.2010. / Программа расчета внешнего магнитного поля асинхронных двигателей // И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, О.А. Бойкова и др.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615111. Per. 9.09.2010 / Программа формирования диагностических критериев электромеханического демпфирующего преобразователя с распределенной вторичной средой с учетом технологических и эксплуатационных факторов // ИХ Хайруллин, Ф.Р. Исмагилов, Ю.В. Афанасьев, ДЮ. Пашали, О.А. Бойкова и др.

Авторские свидетельства и патенты

Диссертант

O.A. Бойкова

БОЙКОВА Оксана Алексеевна

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПО ВНЕШНЕМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ПОЛЮ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени канди дата технических наук

Подписано в печать 9.11.2011. Формат 60x80 1/16 Бумага офисная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 358.

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

61 12-5/826

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

БОЙКОВА ОКСАНА АЛЕКСЕЕВНА

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПО ВНЕШНЕМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ПОЛЮ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Хайруллин Ирек Ханифович

Уфа-2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список использованных сокращений 5

Введение 6

ГЛАВА 1. Функциональная диагностика электромеханических 14 элементов электротехнических комплексов

1.1 Современные требования, предъявляемые к системам 14 функционального диагностирования электромеханических элементов электротехнических комплексов

1.2 Обзор современных методов функциональной 15 диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов

1.3 Современное состояние вопроса расчёта внешних 27 электромагнитных полей электромеханических элементов электротехнических комплексов

1.4 Обзор современных аппаратно - программных 46 комплексов для диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов

Основные результаты и выводы по первой главе 55

Постановка задач исследования 56

ГЛАВА 2. Электромагнитное поле на поверхности 57 электромеханических элементов электротехнических комплексов с учётом влияния технологических, эксплуатационных и конструктивных факторов

2.1 Исходные положения для разработки математической 60 модели

2.2 Определение электромагнитного поля на поверхностях 66 оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов

2.3 Определение постоянных интегрирования 69

2.4 Определение электромагнитных полей 74 электромеханических элементов электротехнических комплексов

2.5 Погрешности, вносимые принятыми допущениями 77

Основные результаты и выводы по второй главе 79

ГЛАВА 3. Исследование влияния технологических, 80 эксплуатационных и конструктивных факторов на электромагнитное поле на поверхности электромеханических элементов электротехнических комплексов

3.1 Исследование влияния технологических и 80 эксплуатационных факторов на внешнее электромагнитное поле электромеханических элементов электротехнических комплексов

3.2. Исследование влияния неоднородностей поверхностного 86 слоя магнитопроводов электромеханических элементов электротехнических комплексов на внешнее электромагнитное поле

3.3. Влияние оболочки электромеханических элементов 91 электротехнических комплексов на уровень их внешнего электромагнитного поля

3.4. Оценка возможности применения коэффициентов 95 экранирования при диагностике электромеханических элементов электротехнических комплексов по внешнему электромагнитному полю

Основные результаты и выводы по третьей главе 100

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование внешнего 102 электромагнитного поля электромеханических элементов электротехнических комплексов

4.1 Оборудование для экспериментальных исследований и 102 функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов

4.2 Экспериментальное исследование внешнего 103 электромагнитного поля электромеханических элементов электротехнических комплексов

4.3 Моделирующий комплекс для проведения диагностики 105 электромеханических элементов электротехнических комплексов

4.4 Обработка результатов исследований внешнего 109 электромагнитного поля электромеханических элементов электротехнических комплексов

4.5 Описание эксперимента по определению внешнего 111 электромагнитного поля электромеханических элементов электротехнических комплексов

4.6 Исследование влияния технического состояния 118 магнитопровода ротора на внешнее электромагнитное поле электромеханических элементов электротехнических комплексов

4.7 Исследование влияния оболочек электромеханических 124 элементов электротехнических комплексов на уровень их внешнего электромагнитного поля

Основные результаты и выводы по четвертой главе 129

Заключение 132

Список литературы 136

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

1. АД - асинхронный двигатель

2. АПДК - аппаратно - программный диагностический комплекс

3. БД - база данных

4. ВМП — внешнее электромагнитное поле

5. ДК - диагностический комплекс

6. ДП - диагностический параметр

7. ДС - диагностическая система

8. ПК - персональный компьютер

9. ПО - программное обеспечение

10. СФД - система функционального диагностирования

11. ЭД - электродвигатель

12. ЭМ - электрическая машина

13. ЭМПЭ - электромеханический преобразователь энергии

14. ЭК - электротехнический комплекс

15. ЭМЭЭК - электромеханический элемент электротехнического комплекса

16. ФД - функциональная диагностика

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития электротехнических комплексов характеризуется сложностью и разнообразием составляющих их элементов, в частности двигателей, генераторов, трансформаторов, электроприводов и т.д., а также повышенными требованиями к их эффективности и надежности. Отказы этих элементов наносят ощутимый материальный ущерб. Поэтому весьма актуальными являются мероприятия по обеспечению их бесперебойной работы, обнаружению и оценке степени развития дефектов, особенно на ранней стадии их развития, предотвращению аварийных отказов и прогнозированию технического состояния на длительный период.

Одним из путей решения этой проблемы является функциональная диагностика, позволяющая использовать систему обслуживания и ремонта по фактическому состоянию. В настоящее время разработке теории, методов и средств функциональной диагностики уделяется достаточно много внимания. Большой вклад в развитие диагностики внесли такие ученые, как ЙондемМ.Е., НикиянН.Г., Клецель М.Я., Баширов М.Г., Гашимов М.А., Глущенко П.В., BandlerD., Griffin N., William T. Tomson, Thollon F. и др.

Наиболее популярные методы функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов (ЭМЭЭК) основаны на внешнем осмотре, регистрации тепловых, электрических параметров и вибрации. Однако их применение не всегда возможно в современных технологических процессах. В таких случаях наиболее целесообразно применение систем диагностики, основанных на анализе внешних электромагнитных полей (ВМП). При этом определение диагностических параметров производится по результатам измерений бесконтактными методами и без вывода объекта из рабочего режима. Анализ картины ВМП позволяет достоверно и объективно оценить техническое состояние ЭМЭЭК. Проведенный анализ литературы позволил сделать

выводы о том, что характеристики ВМП, как диагностического параметра состояния ЭМЭЭК, недостаточно изучены и мало используются при оценке их технического состояния.

Таким образом, исследование и расширение возможностей функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов является актуальной научной задачей.

Основание для выполнения работы. Работа выполнена в рамках

проекта «Исследование процессов энергопреобразования в электромеханических колебательных системах с распределенной вторичной средой» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 - 2011 годы)» Министерства образования и науки РФ;

научно исследовательской работы по теме «Исследование электромагнитных полей и процессов и процессов в перспективных нанотехнологиях и электротехнических системах авиационно-космической техники», заданной Федеральным агентством по образованию (2009-2011).

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и расширение возможностей функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов за счет выявления связи параметров их внешнего электромагнитного поля с неисправностями технологического и эксплуатационного характера.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. Анализ современных методов и средств функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов.

2. Разработка математической модели внешнего электромагнитного поля электромеханического элемента электротехнического комплекса, позволяющей учесть отклонения от номинального режима работы, неисправности, обусловленные влиянием технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние, а также учесть влияние геометрических и физических параметров оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов на их внешнее электромагнитное поле.

3. Оценка влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов на уровень их внешнего электромагнитного поля и выявить связь этих факторов с изменениями во внешнем электромагнитном поле электромеханических элементов электротехнических комплексов.

4. Разработка моделирующего диагностического комплекса и проведение экспериментальных исследований для проверки адекватности полученной математической модели и проверки возможности практического диагностирования электромеханических элементов электротехнических комплексов по внешним электромагнитным полям.

В первой главе проведен анализ современных методов и средств функциональной диагностики электромеханических элементов электротехнических комплексов. Установлено, что уровень ВМП является показателем технического состояния ЭМЭЭК. Метод функционального диагностирования, основанный на измерении и анализе внешних электромагнитных полей ЭМЭЭК несет достоверную информацию об их состоянии как основной диагностический признак, а также как дополнительный при диагностировании ЭМЭЭК диагностическими системами для получения более точной информации об их фактическом

состоянии. Приведены основные требования, предъявляемые к системам функциональной диагностики. Дан анализ методов расчета внешних электромагнитных полей ЭМЭЭК. На основании проведенного обзора определены цели и задачи работы.

Во второй главе разработана математическая модель внешнего электромагнитного поля ЭМЭЭК, позволяющая учесть отклонения от номинального режима работы, неисправности, обусловленные влиянием технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние, а также учесть влияние геометрических и физических параметров оболочек ЭМЭЭК на их внешнее электромагнитное поле. На основе разработанной математической модели получено распределение электромагнитного поля на поверхностях магнитопровода статора ЭМЭЭК и оболочки, имеющей конечную магнитную проницаемость, также исследовано влияние оболочки ЭМЭЭК на уровень его ВМП.

В третьей главе теоретически исследуется влияние технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов на уровень их внешнего электромагнитного поля с помощью разработанной математической модели. Произведена оценка возможности применения выражения, определяющего коэффициент экранирования для учета влияния оболочки ЭМЭЭК на уровень его ВМП.

В четвертой главе проведена проверка теоретических положений по анализу ВМП ЭМЭЭК и возможности использования параметров ВМП в качестве диагностических признаков неисправностей, обусловленных технологическими и эксплуатационными факторами. Разработан диагностический комплекс для экспериментальных исследований и проведены экспериментальные исследования.

Методы исследований. Теоретические исследования проведены с помощью положений теории электромагнитного поля с использованием принципа суперпозиции. Для исследования влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов на уровень их внешнего электромагнитного поля использовались методы численного моделирования. Для выполнения и документирования инженерных и научных расчетов в программном комплексе МшкСай15.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель внешнего электромагнитного поля электромеханического элемента электротехнического комплекса, позволяющая учесть отклонения от номинального режима работы, неисправности, обусловленные влиянием технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние, а также учесть влияние геометрических и физических параметров оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов на их внешнее электромагнитное поле.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния технологических и эксплуатационных факторов, а также геометрических и физических параметров оболочек электромеханических элементов электротехнических комплексов на уровень их внешнего электромагнитного поля с помощью разработанной математической модели.

3. Моделирующий диагностический комплекс для экспериментальных исследований и практического диагностирования по внешним электромагнитным полям электромеханических элементов электротехнических комплексов.

Научная новизна:

1. Разработана и обоснована математическая модель внешнего электромагнитного поля электромеханического элемента электротехнического комплекса, позволяющая учесть влияние технологических и эксплуатационных факторов на их техническое состояние, при заданных режиме работы, геометрических и физических параметрах электромеханического элемента электротехнического комплекса, таким образом повысить эффективность его работы и увеличить срок его службы.

2. Разработанный моделирующий диагностический комплекс, позволяет определять зоны максимального проявления внутренних дефектов электромеханических элементов электротехнических комплексов во внешнем электромагнитном поле. Разработанное программное обеспечение позволяет автоматизировать процесс расчета и формирования диагностических критериев электромеханических элементов электротехнических комплексов.

3. Выявлена четкая связь параметрических отклонений ЭМЭЭК, обусловленных технологическими и эксплуатационными факторами с изменениями в спектре внешнего электромагнитного поля электромеханических элементов электротехнических комплексов.

Новизна основных положений подтверждена патентом РФ на полезную модель № 68700, а также свидетельствами о государственной регистрации программ для ЭВМ №2010615107, №2010612800, №2010615111.

Реализация и практическая значимость результатов работы подтверждаются их использованием в промышленности и образовании:

1. Результаты исследований, а также программное обеспечение для автоматизированного расчета внешнего электромагнитного поля электромеханических элементов электротехнических комплексов внедрены и используются на ОАО «Уфимское агрегатное производственное

объединение» при технологическом контроле взрывозащищенных асинхронных двигателей.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внешнего электромагнитного поля электромеханического элемента электротехнического комплекса, программное обеспечение для автоматизированного расчета внешнего электромагнитного поля, а также моделирующий диагностический комплекс внедрены и используются в учебном процессе на кафедре «Электромеханика» УГАТУ.

Достоверность и обоснованность научных положений, результатов и выводов работы подтверждается корректностью поставленных задач; обоснованностью принятых допущений и адекватностью математических моделей и методов, используемых при исследовании; строгостью выполненных математических преобразований и результатами экспериментальных исследований электромеханических элементов электротехнических комплексов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, республиканских научно-технических конференциях, в том числе:

- XXXIV Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения». - г. Москва, МАТИ, 2008 г.

II Всероссийская научно-техническая конференция «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий».-г. Уфа, УГНТУ, 2009 г.

- IV всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике», - г. Уфа, УГАТУ, 2009 г.

- Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, пром