автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Исследование и разработка информационно-измерительной системы контроля параметров обмоток электромеханических преобразователей энергии



Винницкий государственный технический университет

иргтаипи/глотг и рдталпгтгд ш^прц/итпшп-^мготтрттшг.тт СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРМЕТРОВ ОБМОТОК ЭЛЕИТОМЕХАНИЧЕСШ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

1пецкальность : 05.11.16 - информационно-измерительные системы

(в нзуке и промышленности)

РТВ шг

На правах рукописи

Раид Абдель Гани Хасан Джарадат

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученей степени кандидата технических нзук

Винница - 1995

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Винницком государственном техническо1 университете на кафедре "Автоматики и информационно-измерительно] техники".

Научный руководитель : доктор технических наук, доцент

Поджаренко Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Скрипник, .Юрий Алексеевич ' кандидат технических наук, доцент Чучтн Юрий Иванович

Ведущая организация : Кснструторское бюро "Шторл", г.Киев.

Защита состоится о С_ 1996 г. в /3 часов на

заседании специализированного ученого совета Д 10.01.01 в Винницком государственном .техническом университете по адресу: 286021, г.Винница, Хмелъницкое ш оссе, 95, ГУК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Винницкого государственного технического университета.

Автореферат разослан "ЦО" П__ 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета

Юхимчук С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Иордания является крупным потребителем различных типов электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ). Поэтому проблема входного и послеремонтного контроля актуальна и для нашего государства. Качество машины в основном определяет качество ее обмоток. В подавляющем большинстве случаев отказы ЭМПЭ происходят из-за повреждения обмоток - 85-95%. Основине отказы обмоток обусловлены междувитковкми замыканиями - 93%.

Разработкой средств измерения параметров обмоток ЭМПЭ занимается в настоящее время большое число организаций. Они проводятся и разработчиками, и потребителями электрических машин с различными целями. Проектирование и изготовление такого оборудования не всегда под силу организациям, разрабатывающим и изготавливающим электродвигатели. Малое число централизованных разработок для электромашиностроения привело к тому, что выделенный класс испытательного оборудования серийно не выпускается.

Промышленные испытания обмоток статоров проводят в производственных условиях, которые характеризуются следующими факторами: проведение испытаний в течение ограниченного промежутка времени; многсканальность измерений; территориальная рассредоточенность средств измерений; накопление, документирование результатов измерений и хранение протоколов испытаний з одном месте. Выделенные факторы существенным образом влияют на архитектуру построения средства измерения (СИ) и предопределяют ее реализацию в виде информационно-измерительной системы (ИИС).

В связи с этим, исследование и разработка средств измерения параметров обмоток электрических машин является задачей важной и весьма актуальной, имеющей важное значение для дальнейшего повышения качества и надежности различных типов ЭМПЭ.

Цель работы - исследование и разработка способов- измерения внутренних параметров обметок электромеханических преобразователей энергии и их программно-аппаратная реализация в микропроцессорном исполнении.

Методы исследований. В работе использованы методы теории измерений и погрешности, теория функций чувствительности, теория дифференциальных уравнений и методы идентификации.

Научная новизна. В работе получены следующие научные резуль

таты:

- исследоЕаны математические модели системы обмоток элект ромеханических преобразователей энергии и разработана математи ческая модель, в которой объект измерения представлен как прос тейшая катушка индуктивности, которая в отличие от известны: учитывает влияние изменения добротности от количества короткозамкнутых витков обмотки статора, что послужило предпосылкой дл: выбора и обоснования информативного параметра измерительного канала системы;

- проведен анализ влияния количества короткозамкнутых витков в обмотке на параметры самой обмотки, установлено, что величина добротности наиболее чувствительна к изменению количеств; короткозамкнутых витков, это позволило выбрать добротность в качестве информативного параметра и послужило теоретической предпосылкой для разработки фазового способа измерения добротности обмоток статора; исследована также возможность применения- идентификации внутренних параметров роторной и статорной цепи (активны« сопротивления, индуктивности и емкости) с помощью метода Н. Диете-фано;

- разработан новый способ измерения добротности обмоток ЭМП! и структурная схема для его реализации, получены основные метрологические характеристики данного средства измерения (СИ): уравнение преобразования; чувствительность; диапазон измерения; быстродействие; погрешность квантования; алгоритмическая и процессорная погрешность, проведена оценка достоверности контроля добротности обмотки и определена необходимая погрешность измеренш при заданном риске изготовителя, которые подтверждают преимущества данного способа измерения в сравнении с известными;

- впервые разработана инженерная методика проектированш измерительного канала добротности в микропроцессорном исполненш и предложена ее программно-аппаратная реализация в виде функциональной схемы, получены аналитические выражения для определена параметров генераторов тестового сигнала и частоты квантования, разрядности двоичного счетчика, длительности сигнала готовности, определяющего режим обмена с персональным компьютером.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов, формулированных в диссертации, подтверждается корректной форму-ировкой задачи, применением современного математического аппара-а и экспериментальным подтверждением разработанных математичес-их моделей и расчетных зависимостей.

Практическое значение работы состоит в программно-аппаратной еализации нового способа измерения параметров обмоток и го: введение в призводство. К разработаным в диссертации конкретным ре-ультатам, которые имеют важное значение и нашли практическую ре-лизацию, относятся:

- внедрение информационно-измерительной системы в практику измерений параметров обмоток ЗМПЭ;

- алгоритм и программное обеспечение идентификации параметров роторной и статорной цепи ЭШ1Э;

- методика и программное обеспечение метрологической аттестации и поверки системы;

- аппаратные средства измерительного канала системы;

- программное (прикладное и функциональное) обеспечения ИИС;

- разработанные в диссертации методики, аппаратные средства, реграммное и метрологическое обеспечение могут быть распростра-ены и на более широкий круг задач проектирования интеллектуальнее средств измерения (частоты, периода, временных интервалов, еэлектрических величин с генераторными датчиками), а предложен-ая методика проектирования может быть положена в основу разра-отки технических средств и программного обеспечения других ИИС.

Реализация и внедрение результатов работы. Основное содержа-ие диссертационной работы составляют результаты исследований, оторые выполнялись на кафедре "Автоматики и информационно-изме-ительной техники" Винницкого государственного технического уни-ерситета в течение 1932-1995 г.г. Результаты диссертационной ра-оты использованы в информационно-измерительной системе парамет-эв катушек зажигания на Винницком заводе "Ореол" и информацион-э-измерительной системе параметров обмоток электрических машин з Винницком электротехническом заводе.

Результаты работы используются также в учебном процессе при зучении курса "Метрология и измерения".

Аппробация работы. Основные результаты диссертационной раб< ты докладывались и обсуждались на: НТК стран СНГ "Контроль и yi равление в технических системах" (Винница, 1993 г.); НТК стрг СНГ "Измерения и вычислительная техника в технологическх процесЕ и конверсии производства" (Хмельницкий, 1993 г.); МНТК "Ilpi менение колебаний в технологиях. Расчет и проектирование мало, для реализации технологий" (Винница, 1994 г.); научных семинарг кафедры автоматики и информационно-измерительной техники и ежегс дных научно-технических конференциях профессорско-преподавател! ского состава Винницкого политехнического института.

Личный вклад автора. Основные положения и результаты диссе! тационной работы получены автором самостоятельно. Из работ, коте рые опубликованы в соавторстве, использованы результаты, получеь ные соискателем лично.

При непосредственном участии автора разработаны, изготовле ны, отлажены и внедрены в производство аппаратно-программные сре детва информационно-измерительной системы параметров обмоток ЭМЕ и катушек зажигания автомобиля.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 пе чатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, приложений включает 144 страницы основного текста, 30 рисунков, бибдиографи из 111 наименований и 6-ти приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирован цель и задачи исследований, определена новизна и практическа ценность работы, изложены основные положения, выносимые на защи ту, а также сведения о аппробации и структуре работы.

В первой главе проведен анализ существующих методов измере ния параметров обмоток ЭМПЭ и предложена новая классификация, которой для полноты и удобства проведения дальнейших исследовани: введены следующие классификационные признаки: по физическом, принципу работы средства измерения ; по виду измеряемой вели чины; по степени влияния СИ на испытуемую обмотку; по виду входного воздействия. В результате проведенного анализа установлено,

что наиболее эффективным для реализации КИС параметров обмоток статора является метод, связанный с измерением добротности обмоток. Сформулированы требования к средствам измерения данного класса : высокая точность измерения (^10); высокая чувствительность к межвитковым замыканиям (от I до 3 витков); малое время измерений и обработки результатов (до 10 сек); возможность автоматизированного проведения измерительного эксперимента. Удовлетворение таких сложных и противоречивых требований приводит к необходимости создания нового способа измерения параметров обмоток и его аппаратно-программной реализации в микропроцессорном исполнении.

Во второй главе исследуются математические модели объекта измерения и обосновывается выбор информативного параметра.

Для создания эффективных методов определения количества короткозамкнутых витков статора рассмотрены различные схемы замещения обмоток: как с магнитопроводом, так и без него. Анализ показал, что модель для определения добротности обмотки с магнитопроводом эквивалентна модели добротности простейшей катушки индуктивности при частоте тестового сигнала г^ = 50 Гц. Проведен анализ влияния количества короткозамкнутых витков в обмотке на параметры самой обмотки:

- эквивалентное активное сопротивление яэ

- эквивалентная индуктивность обметки 1э

1«г* + 2-<г-к<?-с*.

- добротность обмотки (?

ЬЭ= а-я1>/(1 + + 2-С-к<?-сЮ; (2)

<?с

<? - т-

2 <?с

2 +

«А V2 + к<*&>

I1 +

(3)

ы}счк<1 + адс<?к + ф

а + *<?Л + а\) + <?с<?кГ2 + к<?с<?к;

Изменения сопротивления и индуктивности обмотки от числа короткозамкнутых витков к незначительно, В связи с этим опреде-

1

- в -

ление к по сопротивлению и индуктивности неэффективно. Величин; добротности существенно чувствительна к к, чем I и Это I обосновывает выбор добротности в качестве информативного параметра для построения информационно-измерительной системы.

Исследована возможность применения идентификации внутренни: параметров роторной цепи моделей обмотки с помощью алгоритм; Н.Дистефано. Показано, что такой метод идентификации обладает достаточной сходимостью в широком диапазоне начальных значений параметров роторной и статорной цепи ЭМ11Э.

В третьей главе предложен новый способ измерения и проведе] анализ метрологических характеристик измерительного канала ИИС.

Анализ существующих методов и средств измерения добротност] показывает, что их применение для определения количества коротко-замкнутых витков обмоток статора ЭМПЭ из-за низких метрологических характеристик и невысокой чувствительности ограничено. П< этой причине автором в соавторстве предложен фазовый способ измерения добротности катушек индуктивности на рабочей частоте.

Рассмотрим схему измерительного преобразователя (рис.1), которая содержит следующие элементы: к - разделительный резистор; са- образцовый конденсатор; гх- комплексное сопротивление обмотк! статора; кх, 1х - активное сопротивление и индуктивность обмотш статора соответственно. Используя метод комплексных амплитуд, получено уравнение преобразования представленного преобразователя, показывающее однозначную связь между информативным параметром о I выходной величиной (разность фаз <рх между напряжениями исо и г/г на обмотке статора). Эквивалентное сопротивление преобразовател: определяется

г3 = я + гх - jxc0 + jxLx = ся + гх) + лх^-хсо; =

= + (ХЬх-ХС0)г ехр

Л arctg

К + гх

а эквивалентное сопротивление обмотки составляет

хЬх

(4!

- ]- 2- - 2

Чх = гх + .Ми - л|гх + Хт,у ехр

arctg

{5;

*

Соотношение между напряжениями и = игх + ис и и2х равно

Rx I

Co

Ifc,

Измерительный преобразователь

Fl

F2

S

R

SU

-í

CT

CPU

__L

Прео5разо6агг>9/1ь <Рх —^ Nx

Рис.1. Структурнаа схема измерительного канала ИИС

•

—

-10 -• • • * •

(«г* + ис)/игх = г + ис/и2х • •

Напряжения (/2х и (/со соответственно определяются

хЬх Х

ут-1гхг+хЬхг

Усо

] (К+Гу)2+(Х1х-ХС0)2

итХСО

ехр

arctg--агс^£-

Ьх_ЛСО

К + г\.

!(п+гх)г + (хЬх-хС0)£

ехр

-J

- + а

ХЬХ~ХС0

К + г,.

Разница фаз между напряжениями 1/со и игк составляет

агс^-

Ч.х~ЛСО

Я + г*

7Г 2

ХЬх ХЬх~ХС0 arctg- + агс<£-

= - агс££-

Х1х

Я ТГ

- = аrctg(Q) - - = arcctg(Q).

(7

Разность фаз двух напряжений во временной интервал Гпре образуют посредством двух формирователей и к-и триггера с после дующим квантованием гх импульсами образцовой частоты

Структурная схема измерительного канала ИИС, позволяюща. реализовать предложенный способ, представлена на рис.2. Основным: элементами схемы являются : генератор тестового сигнала с, изме рительный преобразователь, преобразователь разности фаз во време нной интервал, генератор образцовой частоты сп и преобразовател: временного интервала <;х в код нх.

Получены аналитические зависимости для определения основны: метрологических характеристик данного средства измерения:

- уравнение преобразования

=

arcctg(Q), (8!

ч

уравнение погрешности квантования

5 =

гпг, 100%-2пГч

г К

(9)

(10]

- чувствительность

Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемо! средство измерения в сравнении с известными имеет более высоки порог чувствительности (I виток) и точность (Ю2). Произведен; оценка достоверности контроля добротности обмоток и определена необходимая точность измерений при заданном риске изготовителя

р

В четвертой главе разработана инженерная методика проектирования измерительного канала ИИС. Предлагаемая методика проектирования состоит из трех основных этапов: разработка аппаратных средств (АС); разработка блока сопряжения с персональным компьютером; разработка программного обеспечения.

В части разработки технических средств получены следующие результат:

- аналитическая зависимость определения частоты тестового сигнала для измерительного преобразователя

I агсс1в <?

= аГ--' *0 ' (Ш

где г0 - частота квантующее импульсов; ых - количество импульсов;

- формула для определения частоты квантования генератора образцовой частоты преобразователя <?х во временной интервал гг

Г0 * "<»» . ; ' (12)

а„, агсс^ д

- зависимость разрядности двоичного счетчика от диапазона изменения информативного параметра

1 *

п = 1п

2п Т * аГССЬ8 9х

(13)

- формула для определения длительности сигнала готовности, позволяющая обосновать режим работы персонального компьютера

2п Ях агссЬ£ <? 1

^ = гя - ^ = • Т0 - 2п • -Тя • (14)

Предложены следущие эдапы разработки блока сопряжения : вы-5ор адресного пространства и синтез дешифратора управляющих сиг-галов; определение формата байта состояния для реализации программного режима работы; формирование управляющих слов для АС.

Принципы построения программного обеспечения составляют пос-ьедний этап разработки измерительных каналов.

Используя результаты данной методики, разработана структур-!ая схема многоканальной ИКС, которая представлена на рис.3. Ко-гичество каналов для данной системы определяется количеством мест юпытания обмоток статоров ЭМПЭ.

Результаты настоящих исследований могут быть распространены ! на более широкий круг задач проектирования интеллектуальных

средств измерения, а предложенная методика проектирования может быть положена в основу разработки технических средств и програм-ного обеспечения широкого класса измерительных задач.

Пятая глава посвящена практическому использованию результатов выполненных исследований.

На базе структурных схем и расчетных зависимостей инженерной методики проектирования разработаны схемы электрические принципиальные измерительного преобразователя добротности, устройства сопряжения с персональным компьютером IBM рс 286/287 и информационно-измерительной системы в целом.

Реализованное взаимодействие аппаратных и программных модулей явилось предпосылкой для разработки методики автоматизированной метрологической аттестации и поверки системы, которая осуществлена комплектно. В результате аттестации установлены основные метрологические характеристики (таблица). Ка метрологически ат-

Я Наименование характеристики Значение

I. Диапазон измерения: 0,1

- нижнии предел измерения

2. - верхний предел измерения 10

Максимальная относительная погрешность « 0,15

3. измерения, %

Время измерения, сек < 5

4. Количество измеренных значений 500

Ь. Количество измерительных каналов в, 16

тестованном экспериментальном образце ИИС проведены экперимента-льные исследования обмоток статоров асинхронных машин малой и средней мощности, которые подтвердили хорошую сходимость теоретических и экспериментальных исследований (рис.2), правильность предположения, что информативный параметр и погрешность измерительного канала системы подчинены нормальному закону.

Предложенный способ измерения и его программно-аппаратная реализация позволили создать ИИС для испытания электрических машин в промышленных условиях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основными результатами исследований, проведенных в диссертационной работе, являются:

В части теоретических и экспериментальных исследований: I. Теоретически и экспериментально исследован объект изме-

рения (обмотки роторной и статорной цепи) и предложена математическая модель обмотки статора в виде простейшей катушки индуктивности, позволившая учитывать изменение добротности обмотки от количества короткозамкнутых витков.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что величина добротности обмотки наиболее чувствительна к изменению количества короткозамкнутых витков, что позволило выбрат! добротность в качестве информативного параметра измерительное канала ИЙС.

3. Исследована возможность применения идентификации внутренних параметров моделей обмотки с помощью метода Н.Дистефано. Показано, что такие алгоритмы идентификации обладают досаточно! сходимостью в широком диапазоне начальных значений параметров роторной к статорной цепи.

4. Разработан новый способ и алгоритм определения параметров обмоток ЭМПЭ. Предложена структурная схема и алгоритм функционирования измерительного какала добротности системы, получены е< основные метрологические характеристики, проведена оценка достоверности контроля добротности обмотки и определена необходима: погрешность измерения при заданном риске изготовителя.

5. Разработана инженерная методика проектирования измерительного канала добротности обмоток ЭМПЭ с наперед заданными нормируемыми метрологическими характеристиками.

6. Разработана методика автоматизированной метрологическое аттестации и поверки системы.

В част практического использовании результатов работы:

1. Разработаны и реализованы структурная, функциональная: схемы электрические принципиальные, а также функциональное программное обеспечение (драйвер обмена, подпрограммы измерен® запоминания, обработки и представления результатов измерения) информационно-измерительной системы.

2. Разработаны технические средства и программное обеспечение для автоматизированной метрологической аттестации и поверю ЩС (алгоритмическое, техническое, методическое, программное).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В ТАКИХ РАБОТАХ:

1. Кучерук В.Ю., Джарадат Р.X., Поджаренко В.О. Динам!чний метод визначення параметр!в обмоток електричних машин //В!сник ВП1М, 1993.-С.59-61.

2. Джарадат Р.Х., Поджаренко В.О., Кухарчук В.В., Кучерук В. Ю. Фазовий метод м!кропроцесорного вим!рювання добротност! обмоток електричних машин // Вимрювальна тех!ка та метролог!я.--М!жв!домчий науково-тематичний зб!рник.-№51.- 1995.-СЛ9-21.

3. Поджаренко В.А., Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Джарадат Р.Х. Микропроцессорная система для испытаний обмоток электрических двигателей-вибраторов. //В кн."Применение колебаний в технологиях. Расчет и проектирование машин для реализации технологий".- Винница, 1994.-С.121-122.

4. Джарадат Р.Х., Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Поджаренко В. А. Микропроцессорная система контроля параметров обмоток электрических машин //В кн."Вим!рювальна та обчислювальна техшка в технолог!чних процесах ! конверсп виробництва".Тезисы докладов НТК, Хмельницкий, 1993.-С.22-23.

5. Джарадат Р.Х., Кухарчук В.В., Кучерук В.Ю., Поджаренко В.А. Микропроцессорная система контроля параметров обмоток электрических машин //В кн."Контроль и управление в технических системах". Тезисы докладов НТК стран СНГ. -Винница,1993.- С.127-128.

Автор выражает благодарность и признательность кандидату технических наук, доценту Кухаргуку Василию Васильевичу, который консультировал по смежным вопросам.

АН0ТАЦ1Я

Рзгд Абдель Ган! Хасан Лжарадат. Досл1дження та розробка I рт Формац!йно-вим!рювально! системи контроля параметр1в обмото ёлектромехан1чних перетворювачг в енериI.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техк1чни наук за спецтальн!стю 05.II.16 - 1нформац!йно-вим1рювальн1 систе ми (в науц! та промнсловостП; Вгнницький державний техн!чни университет, В1нниця, 1995.

Захищаеться 5 наукових праць, що мЮтять теоретичш та екс периментальн! досл!дження об'екту вим1рюзання, метод1в та проце сорних засоб!в вим1рювання параметр!в обмоток електромехан!чни перетворювач!в енергп, метролог!чних характеристик вим!рввально го каналу 1Кформац!йнно-вим!рювально1 системи. Розроблено нови спос!б вим!рюзання добротноси обмоток статор!в електричних ма шин, зопропонована 1нформац!йно~вим1рювальна система для його ре ал!зацН, розроблена 1нженерна методика проектування та автомата зовано! метролог!чяо! атестаци ! перев!рки, зд!йснено промисло ве зпровадження.

ANNOTATION

Raed Abdel Ghani. Hasan Jaradat. The interstigotion and ela boration of information - measuring system contrjl of winding o electro-- mechanics energy converter* parametrs.

The dissertation for competition of the scientific degree o Doctor of philosophy infield of technical science on specialit 05.11.16 - information - measuring systems (in science an industry); Vinnitsa State Tech-nical University, Vinnitsa, 19955 scientific works, which contain theoretical and experimen tal investigation of the object of measurement, method and pro cessing means of measurement of the winding of electro- mechanic energy transformation, parameters and metrological characteristi of IMS measurement channal. New methods of measuring of the elec trie machine stator durability is proposed. Information measuring system for realization of his, engeneering project' methodica and methodica of metrological certification of an calibration CMS, their industrial installation vias performed.

Ключевые слова: измерительный канал, информационно-измерите льная система, добротность обмоток статора, измерительный преоб разователь, идентификация, электромеханический преобразовател энергии, микропроцессорное средство измерения, метрологическа аттестация.