автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Методы и средства диагностики изоляции асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства на основе частичных разрядов

На правах рукописи

ПАХОМОВ Александр Иванович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

Специальность 05 20 02- Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

О 2 окт 2008

Краснодар 2008

003447827

Работа выполнена в ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский проектно-технологический институт механизации и электрификации сельского хозяйства» и ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Оськин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты

доктор технических наук Султанов Георгий Ахмедович

доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович

доктор технических наук, доцент Льготчиков Владимир Вениаминович

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский

институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится 29 октября 2008 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д220 038 08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу 350044, г Краснодар, ул Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета электрификации, ауд №4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета

Автореферат разослан "2.2" 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор /У7 — С В Оськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном электрифицированном АПК асинхронный двигатель (АД) является не только основным потребителем и преобразователем электроэнергии, но и элементом, от надежности которого зависит нормальное протекание любого технологического процесса При высокой конструкционной надежности используемых АД с короткозамкнутым ротором серий 4А, АИР, 5А уровень их эксплуатационной надежности в специфических условиях сельскохозяйственного производства недостаточен Рекомендуемые меры его повышения плановой профилактикой затратны и при нехватке материальных средств, неукомплектованности электротехнических служб, высоких тарифах на электроэнергию имеют ограниченное применение В результате в сельском хозяйстве доминирует наименее эффективная стратегия аварийных ремонтов АД

Проблема эксплуатационной надежности АД является системной и не имеет частных решений в виде применения отдельных технических средств При многофакторном воздействии на электродвигатель обеспечение его надежности требует комплексного подхода с использованием методов технической диагностики Из теории диагностики известно, что сохраняющий временную работоспособность объект может быть неисправен, т е находиться в состоянии скрытого отказа Для двигателей сельскохозяйственного производства указанное состояние наступает задолго до выработки нормативного ресурса и связано с особыми деструктивными изменениями в электроизоляционной системе, выявление которых представляет собой сложную и наукоемкую задачу

При условии разработки научно-обоснованных методов и средств диагностики представляется возможным усовершенствовать систему технического сервиса электроприводов путем перехода от стратегии планово-предупредительных ремонтов (ППРЭСХ) к более эффективной по фактическому состоянию электроизоляционной системы АД Конечный результат в виде снижения затрат и бесперебойного выпуска сельскохозяйственной продукции актуален для всех форм сельских товаропроизводителей

Исследования выполнены по госбюджетной тематике ФГОУ ВПО АЧГАА "Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства" (№ ГР 01870025279) и в соответствии с текущим планом НИР Россельхозакадемии по ВНИПТИМЭСХ "Разработка ресурсосберегающих автоматизированных электротехнологий и электрофизических процессов производства, первичной обработки и хранения продукции растениеводства и животноводства" по проблеме 09 02 02

Научная проблема состоит в отсутствии научно-обоснованных методов и средств диагностики асинхронных двигателей, позволяющих реализовать наиболее эффективную стратегию обслуживания машин по фактическому состоянию слабого звена - электроизоляционной системы - в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства

Рабочая гипотеза - детальное изучение разрядных процессов в электроизоляционной системе асинхронного двигателя позволит получить эффективные методы его диагностики

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства путем развития теории и практики диагностического процесса электроизоляционной системы

Объект исследования - изоляция статорных обмоток асинхронных двигателей с увеличенным отработанным ресурсом, методы и средства ее диагностирования

Предмет исследования - установление закономерностей предпробой-ного состояния электроизоляционной системы АД по математическим, компьютерным и натурным моделям.

Методика исследований базировалась на прикладной теории систем, теории диагностики и принятия статистических решений, математическом анализе случайных процессов, компьютерном моделировании и программировании, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации экспериментальных данных В качестве инструментария применялось следующее программное обеспечение MS Excel ХР, Micro-Cap 71, MathCAD 2001 Professional, SpectroLab 3 16

Научная новизна работы

- впервые научно обоснованы диагностические параметры асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства,

- разработана теория тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам (4P) с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала,

- создана эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД, разработаны и исследованы SPICE модели корпусной и межвитковой изоляции,

- предложена методика расчета волновых параметров АД с использованием метода массивного витка для обоснования параметров моделей,

- установлены теоретические закономерности и характеристики диагностических сигналов от частичных разрядов

Практическая ценность результатов исследований. Созданы технические средства и технологии для реализации эффективной стратегии обслуживания асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства по фактическому состоянию электроизоляционной системы. При этом получены следующие результаты

- разработан пакет прикладных программ для компьютерного моделирования 4P в различных частях изоляции и переходных процессов в обмотке, а также волнового расчета АД для обоснования параметров моделей,

- получен массив данных по характеристикам диагностических сигналов на внешнем датчике, необходимый для реализации практических методов диагностики,

- обоснована возможность и целесообразность тестовой диагностики изоляции АД методом прямой регистрации ЧР в режиме импульсной сушки изоляции, выработаны общие требования к диагностическому устройству,

- предложен способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ № 2265949), обеспечивающий диагностический контроль изоляции фаза-корпус АД,

- разработан комплекс технических средств по обеспечению эксплуатационной надежности АД устройство для управления процессом сушки изоляции (а.с № 1377971), система энергоснабжения (ас 1585862), устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2, устройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1

На защиту выносятся следующие положения

- параметры дихотомии асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства,

- результаты математического анализа стохастической системы тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала по критерию апостериорной дисперсии,

- алгоритмы прикладных программ расчета волновых параметров АД и моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе двигателя,

- результаты экспериментальных исследований свойств сквозного вла-гозаполненного дефекта изоляции и измерения диагностических параметров электродвигателей,

- технические средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований используются в областной целевой программе "Производство и использование биотоплива на основе растительных масел в АПК Ростовской области" для повышения надежности электроприводов модульного оборудования "БИОДОН" Техническое предложение по внедрению средств диагностики асинхронных двигателей в сельскохозяйственное производство, содержащее технико-экономическое обоснование и схемотехнические решения устройства УДС-2, а также способ контроля корпусной изоляции на нелинейном датчике (патент РФ № 2265949), переданы предприятию ЗАО "Новороссийский опытно-экспериментальный завод" для организации серийного производства Изготовлена лабораторная установка и выпущены методические указания, которые используются в лабораторном практикуме ФГОУ ВПО АЧГАА Устройство для управления процессом сушки изоляции обмоток электродвигателей (а с № 1377971) испытано в хозяйственных условиях предприятием "Азовагропромэнерго" По ре-

зультатам испытаний дано положительное заключение и принято решение о выпуске опытной партии устройств указанным предприятием Опытный образец автоматического устройства сушки (система энергоснабжения по а с № 1585862) внедрен в УОХ "Зерновое" Устройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1 подготовлено к серийному производству на него утверждено техническое задание и выпущены экспериментальные образцы на Нальчикском заводе полупроводниковых приборов (НЗПП) Опытный экземпляр УКЗ-1 внедрен на предприятии по переработке сельскохозяйственной продукции "Золотой колос" Малым предприятием "МОДУЛЬ" (г Зерноград) при участии автора изготавливались и устанавливались в хозяйствах Ростовской области и Краснодарского края устройства встроенной температурной защиты "Модуль-1"

Апробация работы. Устройство импульсной сушки изоляции электродвигателей экспонировалось на ВДНХ СССР (ВВЦ) (Москва, 1989 г) и на Всероссийской выставке НТТМ-12 (Пермь, 1989 г) Это устройство награждено серебряной медалью ВДНХ СССР (удостоверение № 36065), удостоено почетной грамоты выставки НТТМ-12 Устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2 демонстрировалось на 10-ой Юбилейной международной выставке-агросалоне "Интерагромаш" (г Ростов-на-Дону, 2007 г)

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на

- 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнических изделий сельскохозяйственного назначения" (Москва, 1986 г),

- Закавказской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Научные исследования молодых на службе интенсификации с х производства" (г Ереван, 1986 г),

- итоговых научно-технических конференциях ЧИМЭСХ (Челябинск, 1985, 1986 г), ВНИПТИМЭСХ (г Зерноград, 1987 г), АЧИМСХ (г Зерноград, 1983-1987 г),

- 1-ой межвузовской научной конференции "Многоскоростной и элек-тронизированный электропривод в сельском хозяйстве" (г Зерноград, 1990 г),

- 2-ой международной научно-практической конференции "Проблемы механизации и электронизации АПК" (г Краснодар, 1991 г),

- научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА (г Зерно-град, 2004 - 2005 г),

- международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ (г Зерноград, 2006 г),

- 5-ой Южно-Российской научной конференции "Энерго- и ресурсосберегающие технологии" (г Краснодар, 2007 г),

- международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ "Приоритетные направления исследований и разработка новых технологий и технических средств АПК" (г Зерноград, 2007 г)

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 38 научных трудах, в число которых входят 2 монографии, 8 статей в центральных и ведущих изданиях из перечня ВАК, 4 патента на изобретения

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и глав и приложения Работа изложена на 347 страницах, включая 16 таблиц, 77 рисунков, библиографический список из 226 наименований, из которых 9 на иностранных языках, 47 страниц приложения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель работы, научная проблема, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту Приведены сведения о внедрении результатов работы

В первой главе "Анализ современного состояния проблемы и задачи исследования" выполнен анализ существующего уровня надежности асинхронных электроприводов в сельскохозяйственном производстве, а также известных методов и средств его повышения В разное время свои способы решения эксплуатационных задач были предложены Андриановым В И, Прищепом Л Г, Гольдбергом О Д, Пястоловым А А , Мамедовым Ф А , Тубисом Я Б , Мусиным А М , Ерошенко Г П , Грундулисом А О , Овчаровым В В , Сырых Н Н, Ворониным Е А , Султановым Г А., Казимиром А П , Хомутовым О И , Оськиным С В , Льготчиковым В В, Сомовым И Я , Немировским А Е и другими учеными Ими внесен существенный вклад в повышение эффективности эксплуатации электроустановок, однако проблему эксплуатационной надежности АД нельзя считать окончательно решенной

В условиях рыночной экономики повышение эксплуатационной эффективности оборудования является первоочередной задачей, влияющей на конечные результаты работы предприятия Специфика сельхозпредприятий связана с процессом жизнеобеспечения биологических объектов, при этом срыв технологических операций из-за отказа электропривода приводит к дискомфорту живых организмов, заболеваниям и снижению продуктивности В ряде случаев ущерб такого рода может быть основным и значительно превышать прямые затраты на замену и ремонт отказавшего двигателя

Обработка большого числа статистических данных по отказам электродвигателей позволила получить линейчатую диаграмму, представленную на рисунке 1 На диаграмме горизонтальными столбцами показан средний ресурс АД (математические ожидания) по технологическим процессам и отраслям сельского хозяйства, условной плоскостью - расчетный ресурс, составляющий согласно нормам амортизационных отчислений не менее 8 лет Как видно, по всем отраслям и техпроцессам расчетный ресурс не достигается, при этом средний срок службы АД ниже расчетного в 2,5 3,5 раза Электродвигатель, срок службы которого превышает математическое ожидание, может рассматриваться в состоянии повышенного отработанного ресурса

Для увеличения надежности АД сельскохозяйственного производства существует ряд методов и средств, к которым относятся защита от аварийных режимов работы, профилактическая сушка изоляции и т.п. Однако все они носят частный характер, что в приложении к рассматриваемой комплексной проблеме не дает требуемого результата в виде достижения нормативного ресурса машин.

¡Растениеводство Водоснабжение кормоцех Коимоцеяи Шерм ПшцеШермы Свнкофеимы Фермы НРС

0.

Рисунок 1 - Срок службы АД в сельском хозяйстве

Известно, что 80...85 % преждевременных отказов двигателей происходит из-за пробоя межвитковой изоляции, являющейся слабым элементом конструкции низковольтных АД. Уязвимость межвитковой изоляции обусловлена ее вхождением в механическую систему, состоящую из разнородных элементов: медь проводников - полимерные изоляционные материалы. Деформации в подобной системе при изменениях температуры, электродинамических усилиях, вибрациях приводят к развитию внутренних напряжений и, как следствие, образованию различных усталостных дефектов изоляции.

Опубликованные в литературе данные микроскопических исследований изоляции в шлифах позволяют сделать вывод о том, что процесс дефектообразо-вания протекает неоднозначно и принципиально может быть разделен на два вида: 1) сквозное трещинообразование, завершающееся электрическим пробоем изоляции и разрушением обмотки; 2) образование несквозных полостей, не критичных с точки зрения надежности машины. Вид развивающихся повреждений зависит как от внешних эксплуатационных факторов, так и от внутренних особенностей конструкции изоляции.

Неоднозначность процесса дефектообразования должна учитываться при диагностике, однако анализ существующих способов показал, что они не обладают избирательной чувствительностью к сквозным повреждениям изоляции, ответственным за электрический пробой, оперируя в большинстве случаев общими характеристиками обмотки, чувствительными к любым неоднородностям диэлектрика. В результате не обеспечивается достоверность диагностики, а методы прогнозирования остаточного ресурса не дают надежных результатов.

2.00 4.00 6 00 3.00 10.00 Срок службы двигателя, годы

В соответствии с целью сформулированы следующие задачи исследования:

- выработать концепцию комплексного диагностического обслуживания асинхронных двигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

- разработать теорию и обосновать параметры тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам (ЧР);

- предложить методику компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД и методику расчета его волновых параметров;

- выполнить экспериментальные исследования явлений ЧР, используемых при диагностике;

- создать комплекс технических средств по обеспечению эксплуатационной надежности АД в сельскохозяйственном производстве;

- провести технико-экономическую оценку результатов исследований.

Во второй главе "Обоснование параметров диагностического процесса

асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве" выполнен анализ функционирования АД в составе сложной системы электропривода сельскохозяйственного производства (рисунок 2).

Низковольтные электрические сети

Рисунок 2 - Структура сложной системы электропривода сельскохозяйственного производства

Межподсистемные взаимодействия в системе определяют внешние по отношению к электрической машине воздействия со стороны сети (отклонения питающего напряжения, потеря фазы), рабочей машины (перегрузка, заклинивание ротора), окружающей среды (влажность, агрессивные газы) При этом состояние АД в любой момент времени можно охарактеризовать набором входных и выходных параметров, для анализа которых составлена параметрическая модель объекта В модели входные воздействия представлены многомерными векторами и классифицированы на частично управляемые В и неуправляемые А Выходной вектор ] отражает эксплуатационные параметры (температура обмотки, ток, напряжение и т п), функция выхода Ъ - внутренние структурные изменения в изоляции При значительной вариабельности указанных параметров сделан вывод о необходимости эксплуатационной и тестовой диагностики изоляции для устранения частично управляемых В и неуправляемых А воздействий средствами защиты АД и специальными диагностическими устройствами

Взаимодействия в системе АД - средства диагностики иллюстрирует разработанная блок-схема, показанная на рисунке 3 В системе предусмотрены две петли регулирования в виде обратных связей (ОС) одна - по эксплуатационным параметрам выхода 3 , другая - по функции внутренних структурных изменений 2 В первой ОС задействованы средства эксплуатационной диагностики, на которые возлагается задача выработки сигнала, уменьшающего или исключающего негативные последствия вектора В частично управляемых внешних воздействий (перегрузка, потеря фазы и т п)

А

2

Я

АД

Рисунок 3 - Блок-схема системы АД - средства диагностики

Вторая петля ОС подразумевает человеко-машинные воздействия в виде периодической проверки состояния изоляции методами тестовой диагностики Результаты диагностики определяют состав мероприятий ТО, представленных вектором С В обеих ОС учтены вектора помех Л/,,

При тестовой диагностике создаются специальные режимы зондирования объекта и анализируется отклик по выходу Z Последний представляет собой один или несколько диагностических признаков, выбор которых чрезвычайно важен для эффективности диагностики Использование неинформативных признаков увеличивает остаточную энтропию системы и создает помехи при распознавании С целью анализа и обоснования диагностических признаков АД составлена структурно-логическая схема, показанная на рисунке 4

Рисунок 4 - Структурно-логическая схема дефектов изоляции и методов диагностики

Отдельной ветвью на схеме представлены конструктивные дефекты изоляции АД проколы, просечки, порывы корпусной и межфазовой изоляции, возможные при невысокой культуре производства, а также после неквалифицированного капитального ремонта Такие дефекты нуждаются в диагностике при вводе машины в эксплуатацию

Эксплуатационные дефекты межвитковой изоляции в схеме подразделены на тепловые и усталостные К первым относятся изменения в изоляционных материалах (спекание, обугливание), являющиеся следствием недопустимого превышения температуры обмотки Они могут быть обнаружены методом 7 или другими аналогичными, но в первую очередь должны устраняться совершенствованием средств эксплуатационной диагностики - защиты АД

Для двигателей с повышенным отработанным ресурсом основное значение имеет диагностика усталостных повреждений межвитковой изоляции Структурным признаком перехода АД в состояние скрытого отказа служит образование сквозных трещин в изоляционной композиции эмаль-изоляция - пропиточный состав Наряду с этим возможны дефекты несквозного характера (отслоения, экструзия эмали), которые практически не снижают пробивного напряжения и не имеют тенденции к быстрому развитию Электродвигатель с такими повреждениями может безаварийно работать длительный период, в то время как диагностика способами 3-6, чувствительными к любым неоднородностям изоляции, покажет отрицательное состояние обмотки и необходимость проведения ремонта

Условию избирательной чувствительности к сквозным повреждениям изоляционного слоя удовлетворяют методы 1, 2, однако метод 1 с зондирующими воздействиями в десятки киловольт небезопасен для изношенной изоляции АД Способ 2 использует относительно безопасную область газового разряда -обратимые частичные разряды (ЧР), но в классическом варианте применим только к высоковольтным двигателям, поскольку рабочих напряжений низковольтных АД недостаточно для образования ЧР в заполненных воздухом полостях изоляции

Как установлено проведенными исследованиями, изоляция низковольтных АД способна генерировать частичные разряды без приложения опасных повышенных напряжений при условии эксплуатационного увлажнения обмотки Обратимые ЧР при рабочем или близком к нему напряжении наиболее достоверно характеризуют состояние обмотки как предпробойное и, следовательно, являются наиболее ценным диагностическим признаком Электрическое сопротивление изоляции не имеет самостоятельной диагностической ценности, но служит вспомогательным признаком при диагностике по ЧР Двухпараметриче-ская диагностика при высокой диагностической ценности основного признака ЧР и относительной простоте измерения сопротивления изоляции удовлетворяет требованиям полноты обследования при минимальных затратах

На основе выполненного анализа предложена концепция комплексного диагностического обслуживания АД, суть которой заключается в реализации единой системы методов и средств, необходимых и достаточных для обеспечения эксплуатационной надежности двигателей сельскохозяйственного производства В комплекс, показанный на рисунке 5, включены эффективные методы пропитки, предложенные профессором О И Хомутовым и профессором А Е Немировским, наличие которых позволяет считать обмотку полностью восстанавливаемым элементом

Для тестовой диагностики изоляции по ЧР предложена система, блок-схема которой показана на рисунке 6 Она представляет собой стохастическую динамическую систему, в которой объект АД преобразует зондирующие сигналы G(t) в наблюдаемые X(t) при помощи системного оператора A(t,U) При выбранном методе диагностики в качестве тест-сигналов используется особым образом подаваемое на обмотки машины сетевое напряжение, в качестве отклика

- высокочастотные импульсные колебания от ЧР

Рисунок 5 - Блок-схема комплекса мероприятий по обеспечению эксплуатационной надежности АД

Общий закон преобразования системы

Х(0 = А Щ в«) + Щ) (1)

Оператор А (1,11) является функцией случайных параметров и, отражающих внутренние структурные изменения в диагностируемом объекте АД -сквозные дефекты изоляции После преобразования в наблюдаемом сигнале Х(() в смеси с помехами N0) присутствует полезный сигнал от ЧР, выделение которого осуществляется системным оператором А у с целью принятия рандомизированного решения У*.

N(0

Рисунок 6- Блок-схема тестовой диагностики АД

С информационной точки зрения задача измерения случайного диагностического параметра представляет собой абстрактную задачу преобразования сигнала Х(1) в диагностическое решение У* При дихотомии возможны два диагноза исправное состояние объекта - при наличии только помехи, и неисправное - в случае присутствия полезного сигнала. Подобную систему функцио-

нально можно определить как систему обнаружения и сформулировать основную задачу в виде выделения полезного сигнала на фоне помех

Наиболее удобным показателем оптимального выделения случайного сигнала является средний квадрат ошибки, являющийся частным случаем метода среднего риска Наблюдаемый сигнал при центрировании

X°(0=V° + Лв(0 (2)

где У0 - центрированный диагностический параметр - напряжение ЧР, №(t) - центрированный сигнал помехи

Помеха представляет собой аддитивную смесь гауссовых шумов измерителя и паразитного сигнала объекта контроля Ее корреляционная функция

KN(x)=DNe~nlт ] +Acos рт + Г8(т; , (3)

где dn е-"1*1 - генераторно-рекомбинационный шум измерителя с дисперсией dn и показателем a=l/t3lc времени жизни носителей заряда, Acos Pt - периодическая помеха (гармоника) объекта контроля, Г8(т) - тепловой шум измерителя интенсивностью/" при корреляционной импульсной 5-функции

Апостериорное математическое ожидание случайного параметра

с)

Т Т

тае M=D¡g(i(T,T)dT> Q(x)= Jg0(r,T)jc2(T)dT' (5)

о о

D - априорная дисперсия, М - соотношение сигнал/шум, Q(x) - наблюдаемый сигнал, go - весовая (импульсная переходная) функция, Т - период наблюдения, X - момент приложения С- функции

Весовая функция определяется решением интегрального уравнения г

\KN(r,a)g,{T,a)da = l (6)

о

Подставив корреляционную функцию (3) в интегральное выражение (6), после преобразования получим т

Dn [e^^g^T, ar)d(T + eosРт + Л2 sinpr+rgü{T,а) =1, (7) о

где >.), Х2 - вновь введенные коэффициенты

Т т

Л,= А ¡go{T,G)cos0o-da; Л2=А jg0(T,cr)sin/3crdcT (8)

о о

Применяя к интегральному уравнению (7) дифференциальный оператор d2 /dz — а2, получим дифференциальное уравнение

<12ёо г а1 + Вг„ . . а . а2

—Т--Г& о=-сое уЗт + Яз вш ^т)—М

(1тг Г2 Г

где введено обозначение у2 =а2+ 2Э111(х/Г

Общее решение уравнения (9) определяет весовую функцию

ё0(Т,т) = ^еУГ+Л4е^+~ - -^^(ЛсозДг+Л^п/?*-), (10) ГТ г (и +г)

где - ^ - коэффициенты

С учетом (4), (5) оптимальная оценка параметра составит

V 1 г, (И)

У'=Т^ 7.- т) йх.

где

- соотношение сигнал/шум (12)

Полученная весовая функция (10) обладает очевидным свойством непостоянства и сложного характера изменения на интервале наблюдения, что затрудняет техническую реализацию алгоритма (11) При замене g(i средним значением по формуле

т

/*о(Г.*)*0(т)А (13)

3 о

получим субоптимальную оценку параметра

т

3 п

0

где V} = ОТ/Гэ=йТ8ср _ эквивалентное соотношение сигнал/шум

при белом шуме интенсивностью Гэ

Зависимость (14) задает алгоритм обработки случайного диагностического сигнала в виде измерения среднего значения за период Т и умножения на коэффициент V) / V-} (1+ \Л3) Точность оценки характеризуется апостериорной дисперсией

0* = Я/(1+ОГ/Гэ) (15)

С учетом априорных данных, полученных из предварительных опытов, построены графики апостериорной дисперсии /)*, показанные на рисунках 7, 8 График по рисунку 7 отражает зависимость Б* от априорной дисперсии £) и времени наблюдения Т при постоянной величине эквивалентного шума Гэ = 0,015 В2 с С увеличением времени наблюдения апостериорная дисперсия £>* уменьшается и стремится к некоторому установившемуся значению, не равному нулю Одновременно ее значения все меньше зависят от априорной X), что

положительно сказывается на качестве диагностики объектов с большим разбросом параметров - электродвигателей.

Поверхность по рисунку 8 иллюстрирует влияние уровня помех Гэ и априорной дисперсии £> на апостериорную 2>* при постоянном времени наблюдения Т = 3 с. Очевидно, чем выше интенсивность эквивалентного шума Гэ, тем больше апостериорная дисперсия, значит, ниже точность диагностической оценки, причем крутизна этой зависимости возрастает с увеличением априорной дисперсии О. Учитывая, что при выбранном методе диагностики АД основную роль в помехах играет паразитный сигнал объекта контроля, следует особое внимание уделить его подавлению при технической реализации способа. Достаточными параметрами наблюдения можно считать Гэ < 0,05 В2 с, Т > 3 с, при которых И* < 0, 0015 В2.

При двухполупериодном выпрямлении алгоритм (14) приобретает вид

У'г=К~)\\xMdt , (16)

1 о

где ки - общий коэффициент усиления устройства с учетом коэффициента УЭ/УЭ (1+Уэ).

Полученный алгоритм (16) удовлетворяет требованиям точности и простоты технической реализации. Соответствующий ему измеритель может быть выполнен в виде простого устройства, содержащего усилитель, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стрелочный индикатор, обладающий свойством дополнительного усреднения.

В третьей главе "Теоретические предпосылки и компьютерное моделирование методов диагностики изоляции прямой регистрацией частичных разрядов" дана оценка переходных процессов в АД при внешних и внутренних возмущениях в обмотке Показано, что максимальные перенапряжения создаются в первой секции обмотки, в которой витковые напряжения превышаются в 34 76 раз при отключении двигателя

При внутренних возмущениях от ЧР образующиеся вторичные колебания информативны и возникает задача их детального исследования С этой целью предложена эффективная методика компьютерного моделирования на основе схемотехнической САПР Составлен обобщенный алгоритм компьютерного моделирования, включающий участок разработки SPICE модели конкретной части электроизоляционной системы двигателя, предварительный анализ модели с оценкой результатов и уточнением ее структуры и номиналов, окончательный анализ при n-ом числе моделируемых состояний изоляции

По настоящему алгоритму разработана SPICE модель корпусной изоляции АД, один из вариантов которой в системе сеть-изоляция-датчик показан на рисунке 9 Конденсатор СЗ замещает емкость дефектной полости, элементы С2, R2 - емкость и сопротивление исправной части изоляции, CI, R3 - емкость и сопротивление остальной части изоляции. Имитацию ЧР осуществляет электронный разрядник DDI, SI, DD2, S2, разработка которого составила основную задачу моделирования Питающая сеть представлена элементами R1 - полное сопротивление контура фаза-нуль, R2, R5 - сопротивления повторных заземлений PEN-проводника, R6 - сопротивление возможного соединения корпуса двигателя с землей, минуя PEN-проводник, что допускается ПУЭ Диоды VD1, VD2- нелинейный датчик

Рисунок 9 - Модель корпусной изоляции в системе сеть-изоляция-датчик

С моделью проведен ряд компьютерных экспериментов При первом ТА анализе задавались параметры ИЗ = 10 МОм, R4 = 120 МОм, С1 = 2700 пФ, С2 = 225 пФ, соответствующие относительно сухой изоляции двигателя 4А90Ь4

При этом получен сигнал отклика синусоидальной формы амплитудой 2,5 мВ без ЧР Начальная стадия увлажнения изоляции имитировалась уменьшением резисторов ЯЗ, Я4 в 10 раз и увеличением емкости конденсаторов С1, С2 в 1,5 раза В результате на компьютерном графике появились первые выбросы импульсного напряжения, свидетельствующие о начальном образовании ЧР В следующем опыте заданы параметры модели, соответствующие глубокому увлажнению изоляции 113 = 0,1 МОм, Ы4 = 1,2 МОм, С1 = 4950 пФ, С2 = 450 пФ Соответствующий график переходного процесса показан на рисунке 10, он иллюстрирует резкое увеличение числа разрядных импульсов и стабилизацию процесса ЧР

Рисунок 10 - График переходного процесса при глубоком увлажнении изоляции

Результаты моделирование раскрывают механизм образования на нелинейном датчике двух информативных сигналов низкочастотного 50 Гц от тока утечки и высокочастотного импульсного от ЧР На практике, разделяя эти сигналы электронными средствами, по первому из них можно судить о степени увлажнения обмотки, а по второму - о наличии опасных сквозных повреждений изоляции Простейшим диагностическим прибором может служить осциллограф, подключенный к датчику \Ю2 на время пуска и начальной работы двигателя Метод контроля изоляции на нелинейном датчике является изобретением (патент РФ № 2265949) и, кроме уже отмеченных преимуществ, обладает свойством сохранения защитных свойств сети та-С, что подтверждено расчетом токов короткого замыкания в контуре фаза-нуль

Внутренние разряды в межвитковой изоляции сопровождаются сложными волновыми явлениями в АД, для исследования которых использовано представление его обмотки цепной схемой замещения вида У/2-2-У/2 Параметры схемы замещения, называемые волновыми, подлежат расчету Известные из работ 3 Г Каганова, Н Л Чагина и других исследователей методы расчета волновых параметров сложны, требуют громоздких преобразований и вычислений В настоящей работе на основе вышеупомянутых первоисточников разработана менее громоздкая и более удобная в практическом применении методика с использованием метода массивного витка

Расчет магнитных г-параметров ведется при замене реального паза (рисунок 11 а) круглым эквивалентным равной площади с послойной концентрической структурой проводников (рисунок 11 б) Индуктивность витка

£ Мь> (17)

1=1

где Ьд, Л£к,- - комплексные параметры собственной индуктивности витка, лежащего в круглом эквивалентном пазу, и взаимной индуктивности к-го и «-го витков, п — число проводников секции

Собственная индуктивность витка

—в ~ —ст + ^из + Ьвн '

(18)

где Г

- слагаемые индуктивности витка, соответственно равные

потокосцеплениям в стали статора и ротора, в изоляции внутри паза и внутри проводника

Слой к

с = о реал же

б)

Рисунок 11 - Реальный (а) и эквивалентный (б) паз в разрезе Полная индуктивность слоя

09)

1=к+1

где Ьвк - собственная индуктивность витка к-го слоя, пк - число проводников &-го слоя, - взаимная индуктивность к-го и 1-го слоев Комплексный параметр взаимоиндуктивности слоев

= (2°)

где АГПк., - взаимоиндуктивность контуров к, I, обусловленная потокосцеплением через пазовую изоляцию, М*стк -I ~~ взаимоиндуктивность контуров к, ц обусловленная потокосцеплением в стали

Для контуров равной длины взаимоиндуктивность ЛГл* -I вычисляется по формуле

(

... Я

M'tfjt-^-m

/dSH

(21)

где </„„ _ диаметр внутреннего контура, (1„ - диаметр внешнего контура, 1П - длина паза, , Р2 - коэффициенты, зависящие от геометрических размеров контуров Взаимоиндуктивность, обусловленная потокосцеплением в стали

дг__2Мо1п , (22)

СТ -к-1 - - - - - - ' 4 '

аш1=\а1 М.

где ц.0 =4тс-107 - магнитная проницаемость вакуума, /„ - длина паза,

¡1, а, - средняя длина и ширина участка магнитной линии, я - количество расчетных участков магнитной цепи, 8в, а, - толщина и ширина воздушного зазора под зубцом статора, к, - коэффициент расширения магнитного потока в зазоре, ц, ш - относительная комплексная магнитная проницаемость пакета шихтованной стали

(23)

Lcm=4j (О&Р, Gcm , (24)

где 2bi,2b2 - толщины листов стали и изоляционного зазора между ними, 4т = 7,14 См/м - удельная проводимость стальных листов, рг= 180 - относительная магнитная проницаемость стали на частотах волновых процессов, со - круговая эквивалентная частота

Предварительным расчетом в системе MathCAD 2001 установлено, что взаимоиндуктивность ЛГя ы представляет собой величину 3 5-го порядков по сравнению с взаимоиндуктивностью ЛГст ы > что позволяет пренебречь первой составляющей Тогда, учитывая только основную составляющую М~сты и переходя от взаимоиндуктивности массивного витка к расчетной катушке, получим

где пк - числа витков соответственно fc-ro и i-го слоев Число витков i-ro слоя геометрической равно

я, = 2 Ki (26)

Рассматривая зависимость (26) общим членом рекурсивной последовательности, составлен циклический программный блок МшИСАй 2001, распределяющий общее число проводников по слоям эквивалентного паза

Мр(1о\л/,ирр) =

шс1 -е- о

for I е 1о1л/ ирр Эта 2711 тс1 тс1 + 1

(27)

Индуктивность центрального проводника в среде изоляция

Ьиз = ВгЬцпР™

2л

(28)

где 1в - длина витка обмотки, - диаметр эквивалентного паза, (I -диаметр проводника без изоляции

Внутренняя индуктивность цилиндрического проводника

Ьт =— Ьп т (О

к1в • (Л г,)

ам 2яй11(кгх)\' (29)

где ам - удельная проводимость меди, г, - радиус проводника без изоляции, 1й(кгх), 7, (к^ ) - функции Бесселя 1-го рода порядков нуль и один, к = ^-усоцо ам ~ коэффициент

Индуктивность центрального слоя (витка) с учетом взаимоиндуктивности с другими слоями

Ц = ¡¿СТ +Ца + Ц,„ + СМо-1 + Мо-2 + • • М^п ) <30>

Для других слоев расчет усложняется, поскольку необходимо учесть удаление с проводника от центра эквивалентного паза Для этого проводится конформное преобразование, суть которого сводится к отображению проводника — эксцентрического кольца в ^-плоскости, концентрическим кольцом в плоскости согласно рисунку 12

Математически конформное преобразование выполняется с помощью дробно-линейной функции

со=А,-

(31)

где

г-хг

абсциссы симметричных точек относительно окружностей Сь С2, определяемые из характеристического уравнения

сх2-(И^-г^+с2 )х+сК12 = 0

(32)

Рисунок 12 - Конформное отображение проводника

При конформном отображении окружности Ch С2 перейдут в некоторые окружности С/ и С2 в плоскости W Пусть окружность С/ имеет единичный радиус, тогда

X=Rl~*2 (33)

Ri-xi

Радиус окружности С/ - радиус проводника

(i^-jJ-fri+C-S,)

р =

(34)

Используя формулу (26), найдем

L ~ l,j 1 = M« 1П < ~ ) <Г1 +с ~ Х2 )

изпр 271 р 2л (Rt-x2) (rj+e-Xj) W

Индуктивность к-го слоя по формуле (19) составит

п

—к =( Lct + LU3 „р _k+Leu) 4+ Y.M-k-1 (36)

i=*+l

Комплексный параметр полная индуктивность секции Lg определится как сумма индуктивности отдельных слоев

Lc=tLk ^

к=1

Индуктивность и активное сопротивление секции

Lc = Re( Lc ) Rc= со Im( Lc )

(38)

(39)

По настоящей методике составлен алгоритм и полная программа волнового расчета в системе МшкСАй 2001 Приемлемая точность расчетной методики подтверждена методом снятия АЧХ электродвигателя и его компьютерной модели в режимах КЗ и XX

Дальнейшие исследования выполнены разработкой и анализом волновых SPICE моделей на основе цепной схемы замещения секционной структуры обмотки с блоком Т-ключей имитации ЧР В результате получены закономерности и характеристики диагностических сигналов от ЧР на внешнем датчике в зависимости от расположения дефекта, при замыкании разного числа витков секции в рабочем режиме двигателя и при импульсной сушке изоляции Показаны преимущества последнего режима как диагностического, что обеспечивается совмещением двух операций, лучшими характеристиками тока сушки, уменьшением амплитуды информативных импульсов не более чем на 20 %, экспоненциальным законом распределения получаемых от секций с номером N сигналов

UUII = 14,88 e-°-88N, (40)

согласно которому максимальные из них будут получены от первых секций, что требуется для корректной диагностики

По результатам исследований выработаны общие требования к диагностическому устройству и выполнено его компьютерное проектирование в САПР Micro-Cap На рисунке 13 показана SPICE модель блока диагностики в совокупности с волновой моделью 4-х полюсного двигателя, которая содержит восемь последовательно включенных звеньев, что соответствуют схеме включения фазных обмоток при импульсной сушке изоляции Первое звено выполнено активно-индуктивным делителем напряжения LI, R2, L2, R4, соотношение плеч которого определяется числом замкнутых при разряде витков к общему в секции В блоке ключей S1-S9 использованы специальные SPICE модели - Т-ключи, не имеющие реальных электронных прототипов Каждый ключ, управляемый по временным характеристикам, имитирует ЧР в свой момент времени, замыкая одно плечо L2, R4 делителя LI, R2, L2, R4 на интервал, соответствующий времени протекания ЧР

Входной ФВЧ С19, С20, L10 блока диагностики синтезирован программой Design - приложением к системе Micro-Cap 71 Вопросы согласования ФВЧ с трансформатором Т1 решались компьютерным АС анализом с применением степпинга согласующего резистора R21 Дифкаскад VT1, VT2 подвергался компьютерной оптимизации с целью получения максимального усиления В результате достигнуты требуемые для достоверной диагностики характеристики устройства подавление паразитного спектра гармоник составило 168 дБ (10960 раз) на частоте 50 Гц и не менее 30 дБ на частоте 3,5 кГц, коэффициент усиления аналоговой части тракта 40 дБ, ФЧХ близка к линейной

ТА анализ, результаты которого представлены на рисунке 14, отражает реальный процесс диагностики по ЧР Импульсы волнового тока на верхнем графике пронумерованы 1 9 по числу создающих их Т-ключей SPICE модели двигателя Импульс под номером 5 увеличен электронной лупой его форма свидетельствует о максимальном первом выбросе импульсного напряжения, соответствующего пробегу прямой волны и определяющего видимую в масштабе основного графика амплитуду всплесков на основной синусоиде Согласно нижнему графику устройство штатно реагирует на каждый из импульсов, вырабаты-

вая на выходе прямоугольные сигналы амплитудой 8 В и длительностью 0,2 мс Максимальная чувствительность устройства определяется реакцией на импульс 2, амплитуда которого 1 мВ

L1 R2 L2 R4

L3 R6 L4 R8 L5 ЯШ

С1 = г

Я1

f

С2

•к

S1

C3=J=|IR5 м C5=j=||R7 С7=т= |IR9 RllM =рС9

S2

«К

'К

К

S3

¡К Пк

^ S4 k

S5

■К I ¡К I "К I ¡к

S6 ^ S7 ^ 38 ^ S9

'К

•К

«К

>К

R21

R29

R24_| R2s[|j (—— PJOi

И T— T VD1 У

V С23=Ь 5 С 1Ш,

I C19 C20

Ш :

VT1

С2Г

VT2

С23

1

ъ

Kont

Пеззп

DD1 555

RESElf

Det

R5l[|

R23|| R25|j R27||

C24

C25

vcc

C26

ТНИЕЗ 01Л ТИ|® [НБСН

t Out

GND

HL1

param v555_vdd=9

Рисунок 13 - Объединенная SPICE модель АД - блок диагностики

№иО, В,-,-,-,-,-

8 000---.......""¡""П"~ТГ..... — — —.....-тг.....ц—ц--......

6000.............[............................ ................

4000---..........¡-...........--■.....-................ .......

2000.............г.............................................

0 000ООООт 6 000т 12 000т 18 000т 24 000т Т мс

Рисунок 14 - Моделируемый процесс диагностики

В четвертой главе "Методика экспериментальных исследований, предлагаемые средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей" обоснованы параметры импульсной сушки изоляции АД Суть импульсного способа сушки заключается в подаче в обмотку коротких нагревающих импульсов переменного тока частотой 50 Гц, после чего следуют более длинные паузы - "отлежки" Временными параметрами импульсного нагрева служат длительность токового импульса ти, длительность паузы тп и период следования импульсов Т Значения указанных параметров, обеспечивающих интенсификацию процесса сушки в 1,3-1,6 раза и сокращение в такой же мере расхода электроэнергии, найдены расчетно-экспериментальным путем и представлены в виде номограммы

С целью изучения свойств сквозного влагозаполненного дефекта изоляции разработана специальная экспериментальная методика, включающая предварительное изготовление моделей - скруток из обмоточного провода ПЭТВ с искусственным дефектом изоляции Предусмотрено заполнение дефекта влагой, имитирующее реальный процесс неактивированной сорбции, и последующее снятие его электрических характеристик По настоящей методике получены ВАХ дефекта, свидетельствующие о его низком пробивном напряжении 11В при температуре 25 °С и 3 В при температуре 80 °С Зона частичных разрядов, как предшествующих пробою, лежит в области еще меньших напряжений, напряжения начала ЧР соответственно равны 8 и 1 В Проводились опыты по записи переменного тока через дефект компьютерным АЦП В результате подтверждена генерация ЧР дефектом при низком испытательном напряжении (-ЮВэфф), а также установлена особая динамика развития разрядных процессов Первые им-

пульсы ЧР появляются после периода инерционности (15 17 с), затем процесс быстро интенсифицируется (1 с), после чего прекращается из-за полного испарения влаги в дефекте

В отдельной серии опытов изучались характеристики зондирующего воздействия - тока сушки Для этого между силовыми клеммами устройства УДС-2 и обмоткой двигателя включался низкоомный резистивный датчик, сигнал которого через развязывающий трансформатор подавался на вход компьютерного АЦП с функцией спектроанализатора В результате установлена близкая к синусоидальной форма тока сушки и его спектр, распространяющийся до частоты не более 6 кГц При спектре диагностируемых волновых токов свыше 10 кГц это создает предпосылки для частотного разделения информативного и паразитного спектров и решения задачи обнаружения ЧР

Функциональная схема диагностики по ЧР представлена на рисунке 15 Устройство диагностики и сушки изоляции УДС-2 (на схеме полностью не показано) содержит блок диагностики, который включает следующие узлы датчики Ш, И2, трансформатор Т1, входной ФВЧ XI, УВЧ А1, детектор импульсов Ш, одновибратор светодиодный индикатор Н1Л, двухполупериодный выпря-

митель Ш, стрелочный индикатор Р1 Светодиодный индикатор НЬ1 реагирует на последовательность мгновенных импульсов, стрелочный Р1 - фиксирует среднее значение случайного диагностического сигнала по алгоритму (16)

При снятии диагностических характеристик АД изоляция статорной обмотки подвергалась предварительному увлажнению и последующей импульсной сушке и диагностике В ходе опытов контролировалось несколько выходных параметров- сопротивление изоляции, время сушки, мгновенные и усредненные характеристики диагностического сигнала Мгновенные сигналы записывались компьютерным АЦП на выходе УВЧ в моменты времени, соответствующие 1, 5, 10, 20, 40, 80-ой мин процесса сушки, средние - фиксировались по показаниям стрелочного индикатора Р1

Фрагменты компьютерной осциллограммы первой минуты сушки электродвигателя 4А71А4 представлены на рисунке 16. Динамика разрядных процессов близка к ранее исследованным явлениям в отдельно взятом дефекте изоляции. Первоначально также наблюдается период инерционности, когда разряды отсутствуют. Первые импульсы волнового тока фиксируются в период 11-14 с, при этом их интенсивность значительна уже на 13-ой секунде (рисунок 16 а). Затем процесс быстро нарастает (рисунок 16 6), однако уже на 27-ой секунде интенсивность импульсных сигналов снижается (рисунок 16 в). В диагностическом устройстве вызывает уменьшение показаний индикатора Р1 и снижение яркости светодиода НЫ.

в) г)

Рисунок 16- Импульсные диагностические сигналы

"1д1 Д Д

13.170 13.180 13.180 1 3.200 1 3 210 1 3 230 1 3230 1 3.240 1 3.250 1 3.360

-I -Я

¡6133 26 40 23.150 26 163 Ж170 36 130 26 190 26 200

Еще через несколько секунд информативные импульсы полностью прекращаются. Остатки неподавленного спектра гармоник (рисунок 16 г) лежат ниже порога срабатывания реагирующего узла устройства и не вызывают реакции индикаторов НЬ1, Р1, причем такое состояние сохраняется на всем дальнейшем протяжении сушки, что подтверждают осциллограммы, снятые в остальных точках кривой сушки: они практически одинаковы и совпадают с осциллограммой по рисунку 16 г. Аналогичный вид имеют осциллограммы новых двигателей с бездефектной изоляцией.

Усредненные значения диагностического сигнала измерялись в двух сериях опытов: при сопротивлении изоляции 0,2 и 1 МОм. Корректность повторных измерений обеспечивалась снятием показаний индикатора Р1 в одни и

те же моменты времени После обработки экспериментальных данных в Ms Excel получены графики, показанные на рисунке 17

мВ 1 6

1 2

08 04 0

0 5 10 15 20 25 30 с

Рисунок 17 - Усредненные значения диагностического сигнала

Из рисунка 17 следует, что усредненный диагностический сигнал изменяется во времени по характерному экстремальному закону и при этом мало зависит от сопротивления изоляции На практике это дает еще один признак, заключающийся в распознавании характера кривой VCp = f(t) по показаниям индикатора Р1 в процессе диагностики, что повышает достоверность распознавания

Проведенные эксперименты позволяют определить диагностический период как первую минуту процесса импульсной сушки изоляции, на протяжении которой при установленных регуляторами устройства УДС-2 параметрах Тц= ib = 3 4с о дефектности изоляции АД судят по свечению индикатора HL1 и экстремально изменяющимся во времени показаниям индикатора Р1 Соответствующие диагностические признаки представлены в таблице 1 Процесс диагностики не критичен к сопротивлению изоляции, которое может достигать 1 2 МОм

Таблица 1 - Распознавание состояния скрытого отказа АД по показаниям индикаторов устройства УДС-2

Индика- Номер периода наблюдения (рисунок 17)

тор 1 2 3 4 5 6

HL1 (0/1)* 0 1 1 1 1 0

Р1 (V„) У1 = 0 V2>0 V3 >У2 V4> У3 v5<v4 у6=о

* 0 - отсутствие свечения индикатора (или единичные вспышки), 1 - непрерывное свечение индикатора

Устройство УДС-2 выполнено в виде малогабаритного переносного прибора, представляющего собой комбинацию устройства импульсной сушки изоляции и рассмотренного выше блока диагностики. На рисунке 18 показан блок диагностики в сборе, на рисунке 19- внешний вид прибора УДС-2.

Рисунок 18 - Блок диагностики в сборе

Рисунок 19 - Внешний вид прибора УДС-2

В качестве средств эксплуатационной диагностики АД широко распространена встроенная температурная защита, к основным недостаткам которой относится высокая вероятность несрабатывания при заторможенном роторе. Применение дополнительных аппаратов защиты, в частности, реле тока, понижает коэффициент готовности электропривода в целом. Для совершенствования защиты АД разработано устройство комбинированной защиты, которое может выполняться в двух вариантах: 1) с отдельным блоком токовой защиты, подключаемым к УВТЗ-5М; 2) полнофункциональное устройство УКЗ-1. Наиболее совершенным является последний вариант, имеющий средства самоконтроля (коэффициент самоконтроля 0,82), удобную светодиодную индикацию штатного и аварийных режимов работы двигателя. Устройство УКЗ-1 подготовлено к серийному производству на Нальчикском заводе полупроводниковых приборов, внешний вид опытного образца показан на рисунке 20.

Рисунок 20 - Внешний вид устройства комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1

В пятой главе " Технико-экономическая эффективность результатов исследований" выполнен расчет технико-экономических показателей в сфере производства и использования средств диагностики Производство прибора УДС-2 эффективно по следующим экономическим показателям ЧДД = 8920 руб , ВНД = 28,4 %, Т = 2,2 года При внедрении в сельскохозяйственное производство расчетный экономический эффект составляет ЧДД = 70423 руб на одно устройство УДС-2 за 4 года эксплуатации

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Решение комплексной проблемы эксплуатационной надежности асинхронных двигателей в сельском хозяйстве совершенствованием защитных устройств, сушкой изоляции и другими частными мерами не приводит к достижению нормативного ресурса машин (средний ресурс в 2,5 3,5 раза ниже расчетного), что делает актуальным разработку комплекса мероприятий с использованием методов эксплуатационной и тестовой диагностики изоляции для устранения частично управляемых и неуправляемых внешних воздействий

2 Обобщенный структурно-логический анализ по разработанной схеме дефектов изоляции АД и методов диагностики не выявил достоверных и безопасных способов диагностики, чувствительных к потенциально опасным сквозным повреждениям изоляционного слоя При установленном неоднозначном характере дефектообразования и возможном наличии в межвитковой изоляции как сквозных, так и несквозных полостей общие характеристики обмотки не обладают диагностической ценностью, а расчетно-аналитические методы определения срока службы изоляции не дают достоверных результатов При диагностике должно учитываться состояние изоляции наиболее критичных первых секций обмотки, где, как показал расчет, витковые напряжения способны превышаться в 34 76 раз при отключении двигателя

3 Диагностику изоляции АД с повышенным отработанным ресурсом целесообразно проводить дихотомией по диагностически ценным параметрам Установлено, что наибольшей диагностической ценностью обладают частичные разряды, протекающие в дефектной изоляции низковольтных двигателей при наличии дополнительного признака - эксплуатационного увлажнения обмотки Двухпараметрическая диагностика при высокой диагностической ценности основного признака ЧР и относительной простоте измерения сопротивления изоляции удовлетворяет требованиям полноты обследования при минимальных затратах

4 Разработана система тестовой диагностики изоляции по ЧР, представляющая собой стохастическую динамическую систему, выходной сигнал которой структурно-детерминирован и имеет случайные характеристики Математическим анализом системы с применением метода весовых функций получен алгоритм выделения случайного диагностического сигнала по минимуму среднего

квадрата ошибки Найдены параметры наблюдения время наблюдения Т > 3 с, интенсивность эквивалентного шума Гэ < 0,05 В2 с, обеспечивающие низкую апостериорную дисперсию D* < 0,0015 В2 и малый риск принятия решения

5 Предложена эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД на основе схемотехнической САПР Составлен обобщенный алгоритм компьютерного моделирования, согласно которому разработана SPICE модель корпусной изоляции с электронным разрядником Анализом модели в системе сеть - изоляция - датчик выявлен механизм образования ЧР в различных состояниях изоляции, предложен и запатентован метод диагностического контроля корпусной изоляции на нелинейном датчике

6 Для исследования разрядных процессов в межвитковой изоляции и вторичных волновых явлений в обмотке двигателя созданы и подвергнуты компьютерному анализу волновые SPICE модели на основе цепной схемы замещения с блоком Т-ключей, имитирующих ЧР В результате установлены характеристики и закономерности диагностических сигналов на внешнем датчике в рабочем режиме двигателя и при импульсной сушке изоляции Показаны преимущества последнего режима как диагностического, что обеспечивается совмещением двух операций, лучшими характеристиками тока сушки, уменьшением амплитуды информативных импульсов не более чем на 20 %, экспоненциальным законом распределения получаемых от разных секций обмотки сигналов, при котором максимальные из них будут получены от первых секций, что требуется для корректной диагностики

7 С целью обоснования параметров моделей разработана методика волнового расчета АД с применением метода массивного витка Составлены алгоритм и программа волнового расчета в системе MathCAD 2001 Приемлемая точность расчетной методики подтверждена снятием АЧХ электродвигателя и его компьютерной модели, при этом относительное отклонение опытных данных от моделированных не превысило 21 и 22 % в режимах КЗ и XX на частоте 200 кГц

8 Выработаны общие требования к диагностическому устройству межвитковой изоляции и выполнено его компьютерное проектирование в САПР Micro-Cap Полученная SPICE модель блока диагностики в совокупности с волновой моделью двигателя подвергнуты двум видам компьютерного анализа, подтвердившим требуемые характеристики устройства Подавление паразитного спектра гармоник составило 168 дБ на частоте 50 Гц и не менее 30 дБ частоте 3,5 кГц, чувствительность по входу - не хуже 2 мВ

9 Выполнены экспериментальные исследования, в результате которых - получены ВАХ сквозного влагозаполненного дефекта изоляции, свидетельствующие о его низком пробивном напряжении 11В при температуре 25 °С и 3 В при температуре 80 °С Напряжения начала ЧР, как предшествующих пробою, лежат ниже указанных и составляют 8 и 1 В В опытах переменного тока

подтверждена генерация частичных разрядов дефектом при низком испытательном напряжении (10 Вэфф), а также установлена особая динамика их развития,

- определены характеристики зондирующего воздействия - тока сушки его форма близка к синусоидальной, спектр распространяется до частоты не более 6 кГц, что при спектре диагностируемых волновых сигналов свыше 10 кГц создает предпосылки для частотного разделения информативного и паразитного спектров и решения задачи обнаружения ЧР,

- измерены мгновенные (импульсные) и усредненные диагностические сигналы реальных АД Статистическая средняя максимального усиленного импульсного сигнала составила 0,39 В при статистической дисперсии 0,03 и стандарте 0,18, что в пересчете на вход тракта соответствует амплитуде входного сигнала 4,1 мВ, отличаясь от результатов компьютерного моделирования не более чем на 6,5 % Усредненный сигнал изменяется во времени по характерному экстремальному закону, представляющему собой дополнительный диагностический признак, повышающий достоверность распознавания

10 В результате исследований созданы технические средства и технологии, используемые в рамках областной целевой программы "Производство и использование биотоплива на основе растительных масел в АПК Ростовской области" для повышения надежности электроприводов модульного оборудования "БИОДОН" Запатентован способ контроля и защиты изоляции (патент РФ № 2265949), обеспечивающий эффективный диагностический контроль корпусной изоляции АД при сохранении защитных характеристик сети Т1Ч-С Создан переносной прибор сушки и диагностики изоляции электродвигателей УДС-2, техническое предложение на который передано предприятию ЗАО "Новороссийский опытно-экспериментальный завод" для организации серийного производства Для импульсной сушки изоляции разработаны устройство управления процессом сушки (а с № 1377971) и система энергоснабжения (а с № 1585862) В качестве средств эксплуатационной диагностики предложено два варианта устройства комбинированной защиты электродвигателей 1) с отдельным блоком токовой защиты, подключаемым к устройству УВТЗ-5М, 2) полнофункциональное устройство УКЗ-1 Последний вариант является наиболее совершенным и подготовленным к серийному производству на него утверждено техническое задание и выпущены экспериментальные образцы на Нальчикском заводе полупроводниковых приборов

11 Проведен технико-экономический анализ, подтвердивший эффективность производства и использования средств диагностики изоляции электродвигателей в АПК Производство прибора УДС-2 эффективно по следующим экономическим показателям ЧДД= 8920 руб , ВНД= 28,4 %, Т = 2,2 года При внедрении в сельскохозяйственное производство экономический эффект возникает от исключения затрат на аварийный капитальный ремонт двигателей и технологического ущерба и составляет ЧДД = 70423 руб на одно устройство УДС-2 за 4 года эксплуатации

Основные публикации по теме диссертации:

Монографии

1 Пахомов А И Диагностика асинхронных двигателей в сельскохозяйственном производстве / А И Пахомов - Краснодар, 2008 -241 с ил

2 Пахомов А И Энергосберегающие асинхронные машины для АПК / ВН Ванурин, А И Пахомов, КБ Пономаренко - Зерноград, 2008 - 100с ил

Статьи в журналах из перечня ВАК

3 Пахомов А И Эксплуатационная надежность асинхронных двигателей / А И Пахомов, И А Переверзев, А Ф Кроневальд // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2008 - № 3 - С 24-25

4 Пахомов А И Методика и результаты экспериментальных исследований свойств сквозного дефекта изоляции электродвигателей / С В Оськин, А И Пахомов // Труды Кубанского государственного аграрного университета - 2008 -№ 1 -С 78-81

5 Пахомов А И Метод контроля изоляции электродвигателей с использованием частичных разрядов // Механизация и электрификация сельского хозяйства -2005 - №7 -С 21-24

6 Пахомов А И Диагностика межвитковой изоляции электродвигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2005, №6, С 21-23

7 Пахомов А И Компьютерное моделирование частичных разрядов в изоляции // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2003 - № 6 -С 12-14

8 Пахомов А И Фазовый регулятор мощности // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2004- № 1 -С 21-23

9 Пахомов А И Автоматическое устройство для контроля и сушки изоляции электродвигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства -1989 -№ 3 -С 30-31

10 Пахомов А И Сушка электродвигателей импульсами тока / А И Пахомов, ВН Ванурин // Техника в сельском хозяйстве - 1986 - №6 - С 28-29

Статьи в сборниках научных трудов, материалах научных конференций и прочие публикации

И Ас № 1377971 МКИЗ Н02К 15/12 Устройство для управления процессом сушки изоляции обмоток электродвигателей / Пахомов А И - № 3923768, Заяв 27 08 85// БИ №8,1988

12 Ас № 1585862 МКИЗ Н02К 15/12 Система энергоснабжения / Пахомов А И -№4258102,-Заяв 08 06 87// БИ №30, 1990

13 Пат С2 № 22659491Ш Н 02 М 7/08 Способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью / Пахомов А И -№ 2003103638/28 Заяв 06 02 2003 // Изобретения (заявки и патенты) - 2005 -№34

14 Ac 1653112, МКИЗ H02P 1/42 Устройство для пуска однофазного конденсаторного электродвигателя / Пахомов А И , Данилов В Н , Крумецадик Г А и др - №4634731/07 Заяв 30 05 91// БИ- №20

15 Пахомов А И К обоснованию параметров тестовой диагностики электродвигателей / С В Оськин, А И Пахомов // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки - Краснодар КубГАУ, 2007 - С 45-49

16 Пахомов А И Математическая модель нагревания асинхронного электродвигателя в режиме токовой сушки изоляции /Б А Карташов, А И Пахомов, В К Горбенко // Комплексная механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства - Ростов на Дону РИСХМ, 1984 - С 146-151

17 Пахомов А И Для сушки асинхронных электродвигателей / Б А Карташов, А И Пахомов, ОН Лавринченко//Сельские зори - 1984 -№12 - С 36

18 Пахомов А И Определение комплексного показателя надежности электропривода в сельском хозяйстве / С В Оськин, А Э Калинин, А И Пахомов, Т Я Наухацкая//Рукопись деп в ВНИИТЭИагропроме 04 09 92, №104ВС-92

19 Пахомов А И Определение экономического эффекта от модернизации электропривода в сельскохозяйственном производстве / С В Оськин, А Э Калинин, А И Пахомов, Т Я Наухацкая // Рукопись деп в ВНИИТЭИагропроме 04 09 92, № 103 ВС-92

20 Пахомов А И Причины низкой надежности электропривода / С В Оськин, А Э Калинин, А И Пахомов, Т Я Наухацкая // Рукопись депонирована в ВНИИТЭИагропроме 04 09 92, №105 ВС-92

21 Пахомов А И Алгоритм выделения случайного диагностического сигнала при тестовой диагностике электродвигателей / А И Пахомов // Инновационные процессы в животноводстве на современном этапе - Зерноград, 2007 -С 118-124

22 Пахомов А И Импульсный способ сушки отсыревшей изоляции электродвигателей, используемых в сельском хозяйстве I А И Пахомов // Научные исследования молодых на службе интенсификации с/х производства - Ереван АрмСХИ, 1986 -С 136

23 Пахомов А И К обоснованию параметров импульсного способа сушки отсыревшей изоляции электродвигателей в сельском хозяйстве // Рукопись деп в Информэлектро 18 И 86 , № 589-ЭТ

24 Пахомов А И Методика компьютерных исследований изоляции / А И Пахомов // Электрооборудование и электротехнологии в сельскохозяйственном производстве Том II -Зерноград, ВГОУ ВПОАЧГАА, 2005 - С 14-17

25 Пахомов А И Оптимизация усилительных трактов с помощью Micro-Cap 7 0// Радиоаматор -2004 - №5-С 2-4

26 Пахомов А И Повышение эффективности токовой сушки изоляции электродвигателей в сельском хозяйстве /А И Пахомов // Опыт электрификации сельского хозяйства на основе ускорения научно-технического прогресса - Л , 1987 - С 87-88

27 Пахомов А И Тепловой расчет электродвигателей в режиме токовой сушки изоляции //Рукопись деп в Информэлектро, N195-OT, 14 01 86

28 Пахомов А И Устройство автоматической сушки электродвигателей // Радио -2002 - №6 - С 32-33

29 Пахомов А И Устройство для импульсной сушки изоляции электродвигателей с защитой силового блока / А И Пахомов // Многоскоростной и электронизи-рованный электропривод в сельском хозяйстве -Зерноград, 1992 -С 10-12

30 Пахомов А И Устройство импульсной сушки изоляции электродвигателей // Информационный листок - №222-89 - 1989

31 Пахомов А И Электронное управление фазовым регулятором КР1182ПМ1 // Радио - 2002 -№9 -С 55

32 Пахомов А И Устройство комбинированной защиты электродвигателей / А И Пахомов, С В Оськин // Рукопись деп в Информэлектро 09 07 96, № 2267-В96

32 Разработка переносного устройства для импульсной сушки изоляции электродвигателей Отчет о НИР / АЧИМСХ, Руководитель А И Пахомов - № ГР 01870025279 - Зерноград, 1989 -56 с

34 Пахомов А И Интенсификация токовой сушки изоляции электродвигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства - Дисс канд техн наук 05 20 02 - Защищена 01 02 88 Утверждена 06 07 88 № 110563 -Киев, 1987 - 177 с ил

35 Пахомов А И Светодиодная шкала на К1003ПП1//Радио -2001 -№3 -С 43-44

36 Пахомов А И Сушка изоляции электродвигателей импульсным способом Методические указания к выполнению лабораторной работы / А И Пахомов - Зерноград УРП АЧИМСХ, 1986 - 6 с

37 Пахомов А И Преобразователь К1003ПП1 в устройствах автоматики // Радио -2004 -№4 -С 36-37

38 Пахомов А И Индикаторы уровня сетевого напряжения // Радио - 2001 -№ 2 - С 36 - 37

Подписано к печати 12 09 08 г Формат 60x84 1/16

Объем 2 п л Тираж 100 экз Заказ 25-2008 Печатно-множительная группа ВНИПТИМЭСХ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Существующие методы и средства повышения эксплуатационной надежности электродвигателей сельскохозяйственного производства

1.2. Конструкция изоляции низковольтных асинхронных двигателей, механизм развития дефектов

1.3. Аналитические способы определения срока службы изоляции

1.4. Выводы и задачи исследования

2. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

2.1. Общесистемное описание объекта исследования

2.2. Выбор и обоснование диагностических параметров асинхронного двигателя с повышенным отработанным ресурсом

2.3. Математический анализ системы тестовой диагностики изоляции по частичным разрядам, алгоритм выделения случайного диагностического сигнала

2.4. Выводы

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ И КОМПЬЮТЕРНОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ ПРЯМОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ

ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

3.1. Общая характеристика переходных процессов в электродвигателе.

3.2. Компьютерное моделирование частичных разрядов в изоляции фаза-корпус

3.3. Метод диагностики корпусной изоляции

3.4. Цепная схема замещения секционной структуры обмотки

3.5. Волновой расчет продольных и поперечных параметров схемы замещения

3.6. Компьютерное моделирование волновых процессов при разрядах в межвитковой изоляции.

3.7. Метод и устройство диагностики межвитковой изоляции электродвигателей.

3.8. Выводы

4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ И ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ

НАДЕЖНОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

4.1. Параметры импульсной сушки изоляции

4.2. Экспериментальное исследование свойств сквозных дефектов изоляции

4.3. Опытное измерение диагностических параметров электродвигателя

4.4. Устройство диагностики и импульсной сушки изоляции электродвигателей

4.5. Устройства защиты электродвигателей от аварийных режимов работы

4.6. Реализация и внедрение результатов исследований

4.7. Выводы

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1 Расчет затрат на стадии исследования и разработки, определение себестоимости изделия

5.2. Расчет капитальных вложений и общих экономических показателей в сфере производства диагностических устройств

5.3. Расчет экономических показателей внедрения средств диагностики асинхронных двигателей в сельскохозяйственное производство

5.4. Выводы

Агропромышленный комплекс России - один из наиболее крупных секторов народного хозяйства, оказывающий влияние не только на продовольственную безопасность страны, но и на социальную обстановку в целом. Минсельхозом разработан приоритетный национальный проект "Развитие АПК" [52], реализация которого с 2006 года позволила получить положительные тенденции в развитии земледелия и животноводства. Несмотря на это в сельском хозяйстве сохраняется ряд системных проблем, к которым относятся высокий физический и моральный износ основных фондов, общая техническая и технологическая отсталость отрасли [52].

Для преодоления указанных недостатков и достижения конкретных целевых показателей национального проекта необходима дальнейшая электрификация и электромеханизация всех технологических процессов в АПК, внедрение принципиально новых технологий и оборудования. Рост энерговооруженности неизбежно потребует решения проблем надежности и долговечности электрооборудования, эксплуатирующегося в специфических условиях сельскохозяйственного производства. Основным потребителем и преобразователем электроэнергии в сельском хозяйстве служат электродвигатели, от бесперебойной работы которых зависит нормальное протекание любого технологического процесса.

Сельскохозяйственный электропривод в подавляющем большинстве случаев базируется на асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором, который в целом весьма надежен. Однако показатели его конструкционной надежности не достигаются при эксплуатации в сельском хозяйстве. Высокая интенсивность отказов АД, подтвержденная статистическими исследованиями, обусловлена многофакторными воздействиями на электрическую машину со стороны сложной системы сельскохозяйственного производства. При этом отдельные меры по устранению аварийности не приносят желаемого результата в виде нормативного ресурса машин, а существующая система планово-предупредительного обслуживания затратна. Необходим иной подход, сочетающий низкие удельные затраты с обеспечением безаварийной работы АД. Этого можно достичь комплексным подходом с использованием методов технической диагностики.

Техническая диагностика - наука о распознавании состояний системы - включает широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации. Практический аспект диагностики связан с определением состояния объекта, которое классифицируется как исправное или неисправное, работоспособное или неработоспособное, правильного или неправильного функционирования. При этом правильно функционирующий и сохраняющий временную работоспособность объект может быть неисправен, т.е. находиться в состоянии скрытого отказа. Это состояние характерно для АД с увеличенным отработанным ресурсом, его выявление представляет собой сложную и наукоемкую техническую задачу.

Крупные электрифицированные предприятия АПК - животноводческие и птицеводческие комплексы, комбикормовые заводы - имеют большое количество электроприводов, входящих в общую систему жизнеобеспечения биологических объектов. Отказы АД в подобных системах приводят не только к прямому ущербу, связанному с затратами на замену и ремонт отказавшего оборудования, но и к технологическим потерям вследствие снижения продуктивности и даже гибели животных. Известно, что отказ системы вентиляции птицеводческих помещений ведет к недопустимому повышению концентрации вредных газов, что в конечном итоге вызывает гибель птицы. Перебои в работе электрооборудования кормоцехов ферм КРС снижают производительность и качество приготовляемого корма. При этом нарушается график кормления животных, уменьшаются удои молока, теряется живой вес. Величина технологического ущерба колеблется в широких пределах. В больших механизированных комплексах этот вид потерь может превышать стоимость отказавшего оборудования [31, 37]. В биотехнических системах по содержанию высокопородных животных, ценность которых многократно превышает стоимость оборудования, потери в жизнедеятельности животных недопустимы. Соответственно требуется близкая к 100%-ой надежность электроприводов, что может быть достигнуто комплексным подходом к обслуживанию асинхронных двигателей с использованием методов технической диагностики.

В электроприводах сельскохозяйственного назначения наибольшее распространение получили АД мощностью от Г до 3 кВт с частотой вращения 1500 мин. В животноводстве используется около 50% всех эксплуатирующихся двигателей, в растениеводстве - 30%, на подсобных предприятиях - 20% [67]. Парк электродвигателей разделен по сериям, исполнениям и модификациям. В эксплуатации находятся двигатели единой серии 4А и АИР. В последние годы выпускается новая серия 5А, технические данные которой приведены в [10]. Электродвигатели этой серии полностью заменимы с соответствующими типами двигателей 4А и АИР.

Сложные условия эксплуатации приводят к тому, что аварийность асинхронных двигателей ^ в сельскохозяйственном производстве остается высокой и достигает уровня 20.25% [135]. При этом профилактическое обслуживание электроприводов чаще всего не проводится вообще, а деятельность энергетической службы сводится только к аварийным ремонтам [185]. Стратегия аварийных ремонтов - худшая из возможных. Срок службы двигателей после капитального ремонта не превышает 50-и процентов срока службы новых машин.

Только незначительная часть электродвигателей в сельском хозяйстве эксплуатируется в сухих отапливаемых помещениях, для остальных нужны специальные мероприятия по поддержанию сопротивления* изоляции на должном уровне. Эту задачу решает профилактическая сушка изоляции. Од нако существующие средства сушки трудо- энергозатратам, не автоматизированы, требуют длительного простоя оборудования. Следовательно, нужны компактные и недорогие устройства, с большей интенсивностью, чем известные восстанавливающие сопротивление отсыревшей изоляции и не требующие присутствия обслуживающего персонала. Учитывая взаимосвязь между увлажнением изоляции и надежностью электрической машины, весьма перспективно совмещение в одном приборе функций сушки и диагностики изоляции. Подобное устройство способно повысить удобство обслуживания АД по месту установки, сократить номенклатуру необходимых для этого технических средств, получить экономический эффект от сокращения эксплуатационных затрат и увеличения надежности привода.

Для уменьшения аварийности большое значение имеют средства защиты электродвигателей. Из известных устройств наиболее достоверно оценивают состояние обмотки устройства встроенной температурной защиты серии УВТЗ. Однако и они не лишены серьезных недостатков [136, 137] и нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Научная проблема состоит в отсутствии научно-обоснованных методов и средств диагностики изоляции асинхронных двигателей, позволяющих реализовать наиболее эффективную стратегию обслуживания машин по фактическому состоянию слабого звена - электроизоляционной системы - в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства.

Острота проблемы в сельском хозяйстве предопределена ускоренным износом межвитковой изоляции под влиянием внешних эксплуатационных факторов. В существующей системе ППРЭСХ это учитывается повышением частоты профилактических ремонтов по мере увеличения отработанного ресурса двигателей, что связано с ростом затрат. Внедрение эффективных методов диагностики позволит перейти к стратегии обслуживания по фактическому состоянию электроизоляционной системы и добиться надежной работы АД без увеличения частоты профилактики. Конечный результат в виде снижения затрат и бесперебойного выпуска сельскохозяйственной продукции актуален для всех форм сельских товаропроизводителей.

Рабочая гипотеза - детальное изучение разрядных процессов в электроизоляционной системе асинхронного двигателя позволит получить эффективные методы его диагностики.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства путем развития теории и практики диагностического процесса электроизоляционной системы.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являлась изоляция статорных обмоток асинхронных двигателей с увеличенным отработанным ресурсом, методы и средства ее диагностирования. Предмет исследования - установление закономерностей предпробойного состояния электроизоляционной системы АД по математическим, компьютерным и натурным моделям.

Методика исследований базировалась на прикладной теории систем, теории диагностики и принятия статистических решений, математическом анализе случайных процессов, компьютерном моделировании и программировании, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации экспериментальных данных. В качестве инструментария применялось следующее программное обеспечение: MS Excel ХР, Micro-Cap 7.1, MathCAD 2001 Professional, SpectroLab 3.16.

Научная новизна работы'.

- впервые научно обоснованы диагностические параметры асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

- разработана теория тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала;

- создана эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД, разработаны и исследованы SPICE модели корпусной и межвитковой изоляции;

- предложена методика расчета волновых параметров АД с использованием метода массивного витка для обоснования параметров моделей;

- установлены теоретические закономерности и характеристики диагностических сигналов от частичных разрядов.

Практическая ценность результатов исследований. Созданы технические средства и технологии реализации эффективной стратегии обслуживания асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства по фактическому состоянию электроизоляционной системы. При этом получены следующие результаты:

- разработан пакет прикладных программ для компьютерного моделирования ЧР в различных частях изоляции и переходных процессов в обмотке, а также волнового расчета АД для обоснования параметров моделей;

- получен массив данных по характеристикам диагностических сигналов на внешнем датчике, необходимый для реализации практических методов диагностики;

- обоснована возможность и целесообразность тестовой диагностики изоляции АД методом прямой регистрации ЧР в режиме импульсной сушки изоляции, выработаны общие требования к диагностическому устройству;

- предложен способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ № 2265949), обеспечивающий диагностический контроль изоляции фаза-корпус АД;

- разработан комплекс технических средств по обеспечению эксплуатационной надежности АД: устройство для управления процессом сушки изоляции (а.с. № 1377971), система энергоснабжения (а.с. 1585862), устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2, устройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1.

На защиту выносятся следующие положения:

- параметры дихотомии асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

- результаты математического анализа стохастической системы тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала по критерию апостериорной дисперсии;

- алгоритмы прикладных программ расчета волновых параметров АД и моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе двигателя;

- результаты экспериментальных исследований свойств сквозного вла-гозаполненного дефекта изоляции и измерения диагностических параметров электродвигателей;

- технические средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства.

Реализация и внедрение результатов исследований♦ Результаты исследований используются в областной целевой программе "Производство и использование биотоплива на основе растительных масел в АПК Ростовской области" для повышения надежности электроприводов модульного оборудования "БИОДОН".

Техническое предложение по внедрению средств диагностики асинхронных двигателей в сельскохозяйственное производство, содержащее технико-экономическое обоснование и схемотехнические решения устройства УДС-2, а также способ контроля корпусной изоляции на нелинейном датчике патент РФ № 2265949), переданы предприятию ЗАО "Новороссийский опытно-экспериментальный завод" для организации серийного производства.

Изготовлена лабораторная установка и выпущены методические указания, которые используются в лабораторном практикуме ФГОУ ВПО АЧГАА. Устройство для управления процессом сушки изоляции обмоток электродвигателей (а.с. № 1377971) испытано в хозяйственных условиях предприятием "Азовагропромэнерго". По результатам испытаний дано положительное заключение и принято решение о выпуске опытной партии устройств указанным предприятием. Опытный образец автоматического устройства сушки (система энергоснабжения по а.с. № 1585862) внедрен в УОХ "Зерновое".

Устройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1 подготовлено к серийному производству: на него утверждено техническое задание и выпущены экспериментальные образцы на Нальчикском заводе полупроводниковых приборов (НЗПП). Опытный экземпляр УКЗ-1 внедрен на предприятии по переработке сельскохозяйственной продукции "Золотой колос". Малым предприятием "МОДУЛЬ" (г. Зерноград) при участии автора изготавливались и устанавливались в хозяйствах Ростовской области и Краснодарского края устройства встроенной температурной защиты "Модуль-1".

Апробация работы. Устройство импульсной сушки изоляции электродвигателей экспонировалось на ВДНХ СССР (ВВЦ) (Москва, 1989 г.) и на Всероссийской выставке НТТМ-12 (Пермь, 1989 г.). Это устройство награждено серебряной медалью ВДНХ (удостоверение № 36065) и удостоено почетной грамоты выставки НТТМ-12. Устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2 демонстрировалось на 10-ой Юбилейной международной выставке-агросалоне "Интерагромаш" (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.).

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на:

- 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнических изделий сельскохозяйственного назначения" (Москва, 1986 г.);

- Закавказской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Научные исследования молодых на службе интенсификации с.х. производства" (г. Ереван, 1986 г.);

- итоговых научно-технических конференциях ЧИМЭСХ (Челябинск, 1985, 1986 г.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1987 г.), АЧИМСХ (г. Зерноград, 1983-1987 г.);

- 1-ой межвузовской научной конференции "Многоскоростной и электронизированный электропривод в сельском хозяйстве" (г. Зерноград, 1990 г.);

- 2-ой международной научно-практической конференции "Проблемы механизации и электронизации АПК" (г. Краснодар, 1991 г.);

- научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА (г. Зерно-град, 2004 - 2005 г.);

- международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 2006 г.);

- 5-ой Южно-Российской научной конференции "Энерго- и ресурсосберегающие технологии" (г. Краснодар, 2007 г.);

- международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ "Приоритетные направления исследований и разработка новых технологий и технических средств АПК" (г. Зерноград, 2007 г.).

Исследования выполнены по госбюджетной тематике ФГОУ ВПО АЧГАА "Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства" (№ ГР 01870025279) и в соответствии с текущим планом НИР Россельхозакадемии по ГНУ ВНИПТИМЭСХ "Разработка ресурсосберегающих автоматизированных электротехнологий и электрофизических процессов производства, первичной обработки и хранения продукции растениеводства и животноводства" по проблеме 09.02.02.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ,

907 г*

-.зШШВ г, , t, : £

А К Г

ШШЮВШШ1# ОООШЙШШ HSQSÖÄS SH£ В ЧЗр разрабешаш s 4ШШ0Х шштшшз цодашшцж ua yaspoüotm да ШфотвВ оуша 2эд2шш по зояшш Сшгор ¿шо<5рО~ шнш à*ihlmm&mè шродша в 0орйог|дажоб ИШ "Р&&грсшршэпэр~ ю* 15 войодьзуошх дш ощ'ажвштт йршэздшш тттй т$тш

У0«Гр0&й!®#

Гл» ШШОШр Ш1Э0 ;

Лошраш* кофеди и жяатесаои i шетв»й аэт в тч, sougoporc&ju P 414/1Л арекда ÍIÜIS» тутом 1:эхпшз&шш сохатого ш?^!!з?2а Породам «»л» ^ аг^эг^ж:жэт;г0 оо^даи к: '¡/чгзи-яозипадсвш ¡vu: зшгшв! офкдоз mf3!X€K3Pö узт^ойстэа ддл ша^/ж;» гтагсэтслз'Д, тагкгдашзш! о eô#œwjsf!tf ti

I С»'.

- а-окнвчвеяшх до^/кизтаюя m fasfsooTi чертежей УЛС 1,00,000) - I псгакспт

- ir^fcii отче? r'Pa3£ï£ù rù \ т.эх»ж чей сул:л паолмнш: шттездвогатевэй i чте? sa и^льсI

I î»'W * t JU» никак*»»» f ¿ШЯ

K-сэ frttrff-irtrUTpy^Ttlltrr V

I Qyi.yf'd

1ÔÎ4F

I ! 2 f 3 Î 4 ± .

К73П-3-0,05 ИТ» 30 0-IÖ 5-40

К73П-3-0,о ВТ. 40 0-37 Х4»ао

К ДЮЗА ffif . 100 0-07 7*00

КТ502Г да» 20 0-21 4-20

КТЗ 4Ш да. 50 0-12 6-00

КТ34Ш ВТ. 50 0-12 6-00

Щ405А шт. 70 0-20 14»« шт. 30 4-07 122-10

TÖJ—122—26—10 m?. 10 4-û0 454Ю

КС-630А ■f. 30 0-30 3~qo

АЛ-307 AM ». 40 0-15 6-00

АД-307 БЫ НУ. 40 0-21 8-40

АЛ-307 Ш ВТ. 40 0-12 4-80

KT-3IÔ В ш. 100 0-07 7-00

Старятй шуодяй еотдоотк НИС АЧШСХ, »ад. т*т$ж Ç А.Я.Дщщш®

Ведущий шшздр Азомгрщромэнодго mjuj^^j^^^ Наведав

Gmrsmommms rivmmmx Л). И»Димм/

УТВЕРЗВДАЮ

Директор Контантиновского. ПО нерго" нерго"