автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Прогнозирование состояния электродвигателей на основе использования многофакторных моделей старения изоляции

АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ И. И. ПОЛЗУНОВА

На прасах рукописи УДК 621.313.048 : 631.371

Гутов Игорь Алексеевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МНОГОФАКТОРНЫХ МОДЕЛЕЙ СТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

Специальность 05.20.02 - Электрификация сельскохозяйственного

производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 1997

Работа выполнена в Алтайском государственном технически университете им. И. И. Ползунова

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

О.И. Хомутов.

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

А. А. Сошников.

кандидат технических наук, доцент И. П. Выдрин.

Ведущее предприятие : Главное управление сельского хозяйства ^

продовольствия Алтайского края Российски Федерации.

Защита состоится 26 декабря 1997 года в 10 часов на заседании специализированного диссертационного совета К 064.29.03 л Алтайском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, АлтГТУ.

Автореферат разослан "15" ноября 1997 г.

Ученый секретарь Совета кандидат технических наук профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В соответствии с системой планово-предупредительных ремонтов электрооборудования в сельском хозяйстве приходится выполнять большой объем работ, связанных с техническим обслуживанием электродвигателей (ЭД), а в ряде случаев с их разборкой и демонтажем. Периодичность и объем проведения данных работ могут быть недостаточно обоснованными, поскольку система не учитывает индивидуальные особенности эксплуатации конкретных электродвигателей и их реальное состояние. Поэтому работы по техническому обслуживанию части электродвигателей для обеспечения достаточно высокого уровня их эксплуатационной надежности могут производиться необоснованно часто, что повышает общие затраты на эксплуатацию парка ЭД.

В связи с этим проблема совершенствования системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей является актуальной. Одним из путей ее решения является разработка эффективных методов прогнозирования состояния электродвигателей на основе использования достаточно полных многофакторных моделей процесса старения изоляции.

Прогнозирование состояния электродвигателей, как неотъемлемая часть системы обеспечения их эксплуатационной надежности, создает научно обоснованные предпосылки для определения оптимальных сроков проведения профилактических мероприятий и ремонтов. Такое прогнозирование целесообразно проводить на основе использования математических моделей изменения состояния наиболее "слабого" элемента данной электротехнической системы. В подавляющем большинстве случаев отказы асинхронных двигателей (АД) средней мощности происходят из-за повреждения обмоток статора (85-95%), причем значительную часть (30%) из них составляют из-носовые отказы, обусловленные старением изоляции под воздействием множества факторов окружающей среды и режимов работы. Именно поэтому прогнозирование технического состояния АД должно осуществляться с применением многофакторных моделей старения изоляции обмоток статора.

Разработанные к настоящему времени модели старения изоляции электродвигателей не позволяют эффективно прогнозировать изменение ее технического состояния в реальных условиях эксплуатации, так как они либо не полностью учитывают комплекс существенных воздействующих факторов (условий окружающей среды и режимов ра-

боты), либо техническое состояние изоляции описывается информативными параметрами, использование которых приводит к определенным трудностям при адекватном и комплексном описании динамики изменения состояния объекта в процессе эксплуатации.

Таким образом, указанная проблема и сейчас является актуальной, а ее решение способствует повышению уровня эксплуатации и обеспечению надежной работы электродвигателей на сельскохозяйственных предприятиях.

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей в сельском хозяйстве путем использования метода прогнозирования состояния изоляции асинхронных двигателей, основанного на многофакторном моделировании процесса ее старения, и создание информационно-программного сопровождения системы.

Основными задачами исследования являются;

- анализ механизмов влияния окружающей среды и режимов работы асинхронных двигателей (АД) на процессы старения их изоляции и определение комплекса существенных воздействующих факторов;

- выбор вида математических моделей процесса старения изоляции электродвигателей и прогнозирования ее технического состояния;

- обоснование входных и выходных параметров модели старения изоляции электродвигателей;

- экспериментальные исследования процесса старения изоляции

электродвигателей;

- структурная и параметрическая идентификация моделей старения изоляции электродвигателей на основе полученных экспериментальных данных;

- разработка метода и алгоритмов прогнозирования технического состояния изоляции асинхронных двигателей на основе полученных моделей ее старения;

- разработка методики прогнозирования технического состояния изоляции асинхронных двигателей;

- разработка информационно-программного сопровождения системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей.

Объект исследований: процессы старения и прогнозирования состояния изоляции обмоток асинхронных двигателей, эксплуатируемых в условиях сельскохозяйственного производства.

Методы исследования. При решении поставленных задач исполь-

зовались методы математической статистики, анализа временных рядов, математического моделирования и численные методы решения дифференциальных уравнений. Экспериментальные исследования заключались в проведении ускоренных лабораторных и производственных испытаний АД. Для получения практических результатов разработаны базы данных и прикладные программы, по которым проводились расчеты на персональных ЭВМ (ПЭВМ) типа 1ВМ РС/АТ.

Научная новизна исследований заключается: в использовании в качестве выходного параметра модели старения изоляции модифицированного обобщенного диагностического параметра (МОДП), полученного путем объединения ранее известных диагностических параметров, определяемых при тестировании изоляции обмотки статора импульсом напряжения, для прогнозирования технического состояния электродвигателей; получении зависимостей технического состояния изоляции АД, описываемого с помощь» МОДП, от времени эксплуатации, воздействий окружающей среды и режимов их работы в сельскохозяйственном производстве; построении динамической стохастической и детерминированной моделей старения изоляции АД для целей прогнозирования ее технического состояния; разработке метода и алгоритмов прогнозирования технического состояния изоляции обмоток статора низковольтных АД средней мощности на основе предложенных математических моделей ее старения; разработке методики прогнозирования технического состояния изоляции АД, эксплуатируемых в сельскохозяйственной производстве; обосновании и разработке информационно-программного сопровождения системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей.

Практическая ценность работы. Изменение модифицированного обобщенного диагностического параметра технического состояния изоляции асинхронных двигателей позволяет объективно оценить динамику старения данной электроизоляционной системы. Полученные зависимости модифицированного обобщенного диагностического параметра от времени эксплуатации, воздействий окружающей среды и режимов работы дают возможность"охарактеризовать процесс старения изоляции асинхронных двигателей, эксплуатируемых на сельскохозяйственных предприятиях. Построенные модели старения изоляции асинхронных двигателей позволяют учесть широкий комплекс воздействующих факторов и адекватно моделировать данный процесс, что является основой для разработки эффективного метода прогнозирования технического состояния изоляции обмоток. Разработанные метод, алгоритмы и методика прогнозирования обеспечивают доста-

точно высокую точность предсказания изменения технического состояния изоляции асинхронных двигателей в зависимости от условий их работы на сельскохозяйственных предприятиях. Разработанное информационно-программное сопровождение системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей повышает эффективность еэ функционирования и уровень эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены на объектах аграрно-прошшленного комплекса Алтайского края. Методические рекомендации по прогнозированию технического состояния изоляции асинхронных двигателей утверждены и рекомендованы к внедрению главным управлением сельского хозяйства и продовольствия Алтайского края. Разработанная методика прогнозирования технического состояния изоляции асинхронных двигателей и информационно-программное обеспечение внедрены на сельскохозяйственных предприятиях Павловского и Калманского районов Алтайского края. Разработанное программное обеспечение внедрено в учебный процесс на энергетическом факультете Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползу-нова для студентов специальности 10.04 по курсу "Современные технологии обработки информации".

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ) им. И. И. Ползунова в 1994-1997 годах в соответствии с научным направлением "Повышение эксплуатационной надежности электрооборудования в сельскохозяйственном производстве", государственной научно-технической программой на 1986-1990 гг. и до 2000 года 0.51.21 "Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства", в рамках научно-исследовательской работы АлтГТУ им. И.И. Ползунова, финансируемой из средств федерального бюджета по единому заказ-наряду 45.29.33 "Исследование надежности электрооборудования и разработка энергосберегающих, экологически чистых технологий его восстановления" на 1994-1998 гг.

Апробация работы. Основные результаты исследований долояены и обсуждены на научно-технической конференции "Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование" в Новосибирской государственной академии строительства (Новосибирск, 1994 г.); всероссийской научно-методической конференции "Пути и механизмы повышения мотивации обучения студентов в вузах" (Барнаул, 1994г.); третьей международной конференции "Измерения,

контроль и автоматизация производственных процессов (ИКАПП-94)" (Барнаул, 3394г.); ежегодных научно-технических конференциях АлтГТУ им. И.И.Ползукова и научных семинарах кафедры "Электроснабжение промышленных предприятий" в 3994-1997 годах.

На защиту выносятся: . •

- зависимости технического состояния изоляции электродвигателей от времени эксплуатации, воздействий окружающей среды и режимов работы;

- динамическая стохастическая и детерминированная модели старения изоляции асинхронных двигателей для прогнозирования ее технического состояния;

- метод, алгоритмы и методика прогнозирования технического состояния изоляции АД, разработанные на основе математических моделей;

- комплекс информационно-программного сопровождения системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей.

Публикации. По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из ведения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы, без приложений, составляет 178 страниц машинописного текста, 30 рисунков, 9 таблиц. Список литературы включает 267 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, определена цель работы, указаны научная новизна и практическая ценность работы, приведены сведения об апробации и публикациях основных результатов ваботы.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса и обоснована необходимость исследований. Изучен парк электродвигателей, эксплуатируемых в сельском хозяйстве, и выявлены причины выхода их из строя, описаны особенности эксплуатации электродвигателей. Указаны пути и сформулированы основные задачи совершенствования системы обеспечения эксплуатационной надежное-

ти электродвигателей. Проведены классификация моделей и методов прогнозирования, анализ существующих математических моделей надежности и технического состояния изоляции ЭД, используемых для целей прогнозирования. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Показано, что условия эксплуатации, отличающиеся от нормированных, отрицательно влияют на эффективность и надежность работы ЭД. Средний срок службы ЗД в аграрно-промышленном комплексе не превышает 3 лет и составляет по разным оценкам 1,3-2,7 года. Из проведенного анализа причин выхода из строя ЭД сделан вывод о том, что одним из основных видов отказа является выход из строя обмотки статора (95-98%), причем значительную долю в них составляют износовые отказы (30%) из-за старения изоляции под воздействием влаги, агрессивных сред, тепловых и механических нагрузок. На подшипниковый узел приходится лишь 5-8% отказов, и незначительная часть отказов обусловлена другими причинами.

Прогнозирование технического состояния электродвигателя целесообразно производить на основе использования математических моделей изменения состояния наиболее "слабого" элемента данной электротехнической системы. Состояние именно наиболее "слабого" элемента, которым у АД с короткозамкнутым ротором является изоляция обмоток статора, в основном, определяет работоспособность этой электротехнической системы в целом. Поэтому прогнозирование технического состояния низковольтных АД средней мощности с короткозамкнутым ротором правомерно и целесообразно производить на основе использования многофакторных моделей старения изоляции обмоток.

Обзор и анализ существующих математических моделей надежности и технического состояния изоляции ЗД показывает, что наиболее точными и эффективными с точки зрения прогнозирования являются многофакторные динамические стохастические модели технического состояния. Они учитывают в явном виде целый комплекс внешних и внутренних воздействующих факторов, состояние объекта в предшествующие периоды времени, а также включают случайные воздействия, неучтенные явно в наборе входных параметров модели. Данные модели наилучшим образом подходят для прогнозирования случайных динамических процессов, к которым относится старение изоляции обмоток статоров ЭД в реальных условиях эксплуатации.

Однако разработанные к настоящему времени модели старения изоляции ЭД не позволяют эффективно прогнозировать изменение ее

технического состояния. Рассмотренные надели или не полностью учитывают комплекс существенных воздействующих факторов (условий окружающей среды и режимов работы), или техническое состояние изоляции описывается одним или группой информативных параметров, которые не могут адекватно и комплексно описать динамику изменения состояния объекта в процессе эксплуатации.

Во второй главе приведено обоснование выбора комплекса информативных параметров, описывающих изменение состояния изоляции АД в процессе старения.

В условиях сельскохозяйственного производства изоляция обмоток ЗД подвергается интенсивному старению, которое представляет собой сложный физико-химический деградационный процесс. Основное влияние на старение изоляции низковольтных АД средней мощности оказывают: увлажнение, действие химически агрессивных веществ, тепловые воздействия в реяиме перегрузки, механические и термомеханические нагрузки, вибрации, коммутационные нагрузки. Таким образом, процесс старения изоляции включает в себя механизмы теплового, электрического, механического, влажностного и химического старения.

Для целей прогнозирования технического состояния ЭД процесс старения его изоляции целесообразно представить в виде математической модели изменения состояния системы во времени, входами которой являются воздействующие факторы окружающей среды и режимов работы, а выходами - параметры, с помощью которых можно оценить техническое состояние изоляции.

Условия окружающей среды описывались параметрами микроклимата: температурой окружающей среды TB03ä, относительной влажностью окружающего воздуха феоза. концентрацией агрессивных примесей Narp „р и пыли N„HJi„.

Режимы работы описывались с помощью интегральных эксплуатационных характеристик (ИЗХ) двигателя: тепловой ИЗХ Тоби; влаж-ностной ИЗХ Фобм; вибрационной ИЗХ Vct; коммутационной ИЗХ Кп.

Эти характеристики вычислялись на основе учета процесса изменения соответствующих параметров температуры обмотки Тобм, вибрационной скорости статора ЭД öct, относительной влажности воздуха ФВ03Д и их предельно допустимых значений Тлоя, üsan, <рл0п в виде

■ , 0, при Ho6g<Haon

Нобм = { Т t , (1)

IS ИНо5а (t)-H.0„)dt 4=3 О

где Нобм - интегральная эксплуатационная характеристика, принимающая одно из значений Тобм, Vct, Фобм; Ho6u - параметр эксплуатации, принимающий соответственно одно, из значений Т0бы, i>CT, Фвозг1; Ндоп - предельно допустимое значение параметра эксплуатации по техническим условиям (ТУ) для конкретного типа ЗД, принимающее соответственно одно из значений Тда[[, 0яаг!, <рйоп; t -время воздействия фактора; Т - время эксплуатации ЭД.

Коммутационная ИЭХ Кп представляла собой суммарное количество коммутаций за время эксплуатации.

Исходя из требований прогнозирования состояния изоляции ЭД, была сформирована система критериев выбора выходного параметра модели старения изоляции низковольтных ЭД. В данной главе показано, что при прогнозировании технического состояния изоляции обмоток ЗД целесообразно использовать модифицированный обобщенный диагностический параметр (МОДП), полученный путем следующего объединения ранее известных диагностических параметров, определяемых при тестировании изоляции обмотки статора импульсом напряжения,

F =5/Т , (2)

где б - декремент затухания; Т - период затуханий.

Для унификации значений МОДП произведено его нормирование в

виде

^норк = FBom/F, (3)

где FHopM - нормированный МОДП; F - измеренное значение МОДП; Fhqm - номинальное значение МОДП, заложенное на стадии изготовления электродвигателя.

Безразмерная нормированная величина FHop„, начальное значение которой равно 1, стремится к 0 в процессе старения изоляции обмотки электродвигателя. Это отражает трансформацию переходного процесса из периодического в апериодический при старении изоляции.

Для подтверждения обоснованности использования МОДП F в качестве выходного параметра модели старения изоляции АД проводилось имитационное моделирование состояний изоляции путем варьирования параметров ее электрической схемы замещения обмотки статора с использованием разработанной программы "Testsignal" (ПЭВМ типа IBM PC/AT, операционная система MS-DOS). Численные эксперименты позволили определить общие тенденции изменения МОДП при старении изоляции обмотки АД. Результаты численного моделирования подтвердили эффективность использования МОДП F в качест-

ве интегральной характеристики межвитковой и корпусной изоляции обмоток ЭД. Иллюстрация имитационного моделирования состояний изоляции АД приведена на рис. 1.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса старения изоляции низковольтных АД средней мощности, которые заключались в проведении ускоренных лабораторных и производственных испытаний.

Целью ускоренных лабораторных испытаний, выполненных по известным методикам, явилось получение в сокращенные сроки информации об изменении технического состояния изоляции АД и процессе ее старения, аналогичном тем процессам, которые происходят при их длительной эксплуатации в реальных условиях применения. Испытания имели циклический характер. Воздействие эксплуатационных факторов на изоляции имитировалось приложением тепловых, вибрационных, коммутационных нагрузок, воздействием влаги и химически агрессивных сред. В качестве базового цикла ускоренных испытаний был принят календарный год реальной эксплуатации. Цикл делился на двенадцать периодов, к&здый из которых соответствовал месяцу эксплуатации. После каждого периода базового цикла испытаний производились необходимые измерения параметров технического состояния изоляции. Для проведения ускоренных испытаний по старению изоляции АД использовалась экспериментальная лабораторная установка, состоящая из климатической камеры, вибрационного стенда и измерительной аппаратуры. Данная лабораторная установка позволяла воспроизводить основные эксплуатационные нагрузки и форсировать режимы нагружения.

Производственным испытаниям подвергались низковольтные АД средней мощности, используемые в различных технологических процессах на сельскохозяйственных предприятиях. На каждый электродвигатель составлялась эксплуатационная карта, содеряащая информацию о технических данных АД, условиях окружающей среды и параметрах режимов работы, результатах оценки состояния изоляции.

В результате проведенных исследований были определены номинальные и допустимые значения параметра Р и выявлена динамика его изменения для различных условий эксплуатации в сельском хозяйстве. Установлено, что выход из строя обмотки статора АД по причине разрушения ее изоляции наиболее вероятен при Рнорм<0,25. Обобщая результаты экспериментальных исследований, можно сделать вывод о том, что временная зависимость изменения параметра Рйори

Иллюстрация метода имитационного моделирования состояний изоляции обмотки АД

1 - исходное состояние изоляции; 2 - состаренная изоляция Рис. 1

Изменение параметра г норы в процессе старения изоляции АД

окружающей среды и режимов работы, превышающих предельно допустимые значения по ТУ

Рис.2

является нелинейной и в общем случае аппроксимируется логистической (S-образной) кривой (рис. 2). Реализация самого процесса старения изоляции под воздействием факторов, окружающей среды и режимов работы ЭД в реальных условиях эксплуатации имеет случайный характер. Временная зависимость изменения параметра F на стадии интенсивного старения изоляции ЭД носит ярко выраженный экспоненциальный характер.

Четвертая глава посвящена построению математических моделей старения изоляции обмоток статоров АД, разработке метода и методики прогнозирования технического состояния изоляции АД на основе использования предложенных моделей старения.

Процессы старения изоляции ЭД можно описать с высокой степенью точности многофакторной динамической стохастической моделью, которая учитывает влияние на изоляцию комплекса воздействующих Факторов, описывает изменение параметров состояния изоляции в зависимости от их предыдущих значений, включает случайные воздействия и учитывает детерминированный тренд самого процесса старения. Предлагаемая модель старения описывается стохастическим разностным уравнением:

rot n Sj ш3

fnopat' £ a^opm-i ЕЬдХц-! * + EMt-i + Щ. (4) 1=1 j=l 1=0 1=1 где FBop!,t ~ значение нормированного МОДП F в момент времени t; XJt - значения параметров вектора X учтенных воздействующих факторов в момент времени t; п - размерность вектора X: а;, bj -оценки авторегрессионных процессов входных и выходного параметров модели; ?(t) - функция детерминированного временного тренда процесса старения; wt - шум, который представляет собой последовательность независимых случайных величин с нулевым средним и независящим от w, при t^i, причем шум wt не зависит от прошлых значений FHOpMt.j, Xjt_j при i>l; d, - оценки процесса скользящего среднего шума; mlf и2, в3 - первичные параметры модели.

Уравнение (4) моано записать в компактном виде с использованием оператора единичной задержки Z, определяемого соотношением ZFHopl(t =FHop((t. i:

А(2)Ряор-1 = B(Z)Xt + ?(t) + D(Z)wt (5)

Dl| ®2

где A(Z) = 1 - E a, t ; B(Z) = Z bt Zf; D(Z) =1 +Edj Z1. i=l 1=0 1=1

Данное описание модели приводит в дальнейшем к удобному использованию полученных уравнений для прогнозирования технического состояния изоляции обмоток ЭД.

На основе проведенного анализа, взаимной корреляционной функции выходного FBopU и входных параметров модели X=[TSo3i, Ч'ВОЗД' Narp. пр' W Ф0бы' Кп, ^ст 1 выбраны два набора входных параметров модели, представленных в виде соответствующих векторов, с помощью которых можно адекватно описать условия эксплуатации (окружающей среды и режимов работы АД) и процессы старения изоляции АД. При этом учитывались только существенные воздействующие факторы. При значениях интегральных эксплуатационных характеристик работы двигателя То6ы1С0 и Фобиь^О получен вектор Xi = [TB03a, Narp.np. Фобы- К". Vct], а при Фобм<0 и Тоби>0-Хг^'Рвозл' ^агр.пр• ^обм» Кп, VCT].

Для оценки параметров моделей использовался алгоритм идентификации на основе метода наименьших квадратов. Структурная идентификация модели заключалась в выборе оптимальной модели среди множества возможных и производилась путем сравнения остаточной дисперсии б2 и ошибки одношагового прогноза ö(t+l|t) моделей. Адекватность выбранной модели оценивалась путем проверки справедливости сделанных предположений о входном шуме wt (остатках) модели с помощью теории проверки гипотез.

В результате проведенной идентификации выбрана оптимальная динамическая стохастическая модель, которая, с одной стороны, относительно проста по структуре и содержит минимальное количество оцениваемых коэффициентов уравнения, а, с другой, адекватна моделируемому процессу и обеспечивает достаточную точность прогнозирования (рис.3).

Выбранная модель содержит авторегрессионный процесс выходной переменной модели первого порядка и регрессионные процессы входных переменных, процесс скользящего среднего шума первого порядка и экспоненциальную функцию временного тренда: п

н о рм t "alf"HopMt-l + Е tyoXjt + Со^Р(Cjt) + djWt.! + wt, (6)

J-l

где ait b-j0, c0, cb dt - коэффициенты разностного стохастического уравнения модели.

Данная модель использована для кратко- и среднесрочного прогнозирования технического состояния изоляции обмоток ЗД. При этом ошибка прогнозирования в среднем составила 2-5%. Для прак-

Структура многофакторной динамической стохастической модели старения изоляции электродвигателя

X,

Г,!

Teni.t

B(Z)X,* 4(t)+D(Z)w,

A(Z)

F,

Рис. 3

Состав информационно-программного сопровождения системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей

Программное обеспечение

Бааы данных по электродвигателям и условиям их эксплуатации Motor - Microclimate

Информационно-справочная система Научно-исследовательский программный комплекс- Прикладной программный комплекс

Прикладные программы дня имитационного моделирования состояний изоляции АД

Testsignal; оценки коэффициентов уравнений, моделей старения изоляции АД Model

База данных для контроля технического состояния АД Control

Рис.4

тического использования модели необходимо применение специального программного обеспечения на ПЭВМ.

Исследование динамики изменения состояния изоляции обмоток статора АД позволило выделить тренд процесса старения в виде логистической (Б-образной) кривой (рис. 2) и представить модель в виде простой стандартной функции, содержащей детерминированную (трендовую) и случайную составляющие процесса старения:

1

РаорыШ = - + , (7)

1 + Ь*ехр(-с*1) где Ь, с - параметры модели; t - время эксплуатации.

При использовании детерминированной модели для прогнозирования технического состояния изоляции АД ошибка прогноза находилась в пределах 10-15%, что достаточно для инженерных расчетов на практике.

В результате математической обработки экспериментальных данных ускоренных лабораторных и производственных испытаний получены оценки параметров динамической стохастической модели и детерминированной модели на основе логистической функции для типичных условий эксплуатации в сельскохозяйственном производстве.

При построении математических моделей была произведена группировка наборов входных параметров модели старения изоляции в зависимости от интенсивности воздействия факторов окружающей среды и режимов работы.

На основе предложенных моделей старения изоляции разработаны метод, алгоритмы и методика прогнозирования технического состояния изоляции обмоток статора АД.

В пятой главе обоснована необходимость создания информационно-программного сопровождения системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей, приведена структура и назначение ее составных частей.

Предлагаемое информационно-программное сопровождение состоит из трех подсистем (рис. 4): информационно-справочной системы, включающей в себя базы данных по АД и условиям их эксплуатации в сельском хозяйстве; научно-исследовательского программного комплекса, предназначенного для имитационного моделирования состояний изоляции АД и оценки коэффициентов уравнений моделей старения изоляции ЭД; прикладного программного комплекса, в который входит база данных для ведения контроля технического состояния АД.

База данных "Motor-Microclimate" составляет информационную основу программного обеспечения, комплексно представляя данные об АД и условиях их эксплуатации в сельскохозяйственном производстве. База данных "Control" обеспечивает удобную форму ведения эксплуатационной документации, оперативность контроля, диагностирования и прогнозирования технического состояния АД, автоматизирует трудоемкий процесс сбора, хранения и обработки информации. Предложенный программный комплекс ножет использоваться и на производстве,, и в научных исследованиях для сбора статистических данных по надежности электрических машин. Разработанные базы данных предназначены для использования на ПЭВМ типа IBM PC/AT в операционной системе MS-DOS.

В шестой главе приведен расчет экономической эффективности внедрения разработанной методики прогнозирования технического состояния изоляции АД. Годовой экономический эффект внедрения методики прогнозирования состояния изоляции низковольтных ЗД средней мощности, который определялся в соответствии с действующими методическими указаниями, составил Эг=293,59 рублей на один двигатель. В качестве базовых взяты цены и тарифы на 3985 год.

В приложениях содержатся материалы проведения экспериментальных исследований, результаты математической обработки экспериментальных данных, структурные схемы алгоритмов «идентификации моделей, прогнозирования технического состояния изоляции АД, описание программного обеспечения, акты о внедрении результатов работы, протоколы о проведении производственных испытаний.

Основные выводы и результаты исследований.

1. Анализ условий эксплуатации ЭД в сельскохозяйственном производстве показал, что они отличаются от нормированных. Это приводит к интенсивным процессам старения изоляции и, как следствие, сокращению срока службы и низкой надежности работы ЗД. В результате теоретического исследования установлено, что основное влияние на старение изоляции низковольтных двигателей в условиях сельскохозяйственного производства оказывапт: увлажнение, действие химически агрессивных веществ, тепловые воздействия в режиме перегрузки, механические и термомеханические нагрузки, вибрация, коммутационные нагрузки. При этом старение изоляции в основном обусловлено воздействием влаги, тепловых нагрузок и вибрации , а воздействия коммутаций и химически агрессивной среды

только стимулируют данный процесс. На основании этого определен комплекс существенных воздействующих факторов для условий работы ЭД в сельскохозяйственном производстве.

2. Анализ существующих математических моделей и результаты выполненных исследований показали, что для целей прогнозирования технического состояния изоляции АД наиболее эффективными являются многофакторные динамические стохастические модели (для точных расчетов) и детерминированные модели на основе простых стандартных функций (для приближенных инженерных расчетов).

3. Для целей прогнозирования технического состояния ЭД процесс старения его изоляции можно представить в виде математической модели изменения состояния системы во времени, входами которой являются воздействующие факторы окружающей среды и режимов работы, а выходами - параметры, с помощью которых можно оценить техническое состояние изоляции.

4. Сформированная система критериев выбора выходного параметра модели старения изоляции для целей прогнозирования состояния низковольтных ЗД позволила обосновать использование модифицированного обобщенного параметра Р технического состояния изоляции. Данный параметр является интегральной характеристикой состояния межвитковой и корпусной изоляции обмоток статора, с его помощью можно адекватно описать динамику изменения состояния изоляции в процессе эксплуатации ЭД и эффективно прогнозировать состояние данной электротехнической системы.

5. Проведенные экспериментальные исследования комплексного влияния факторов окружающей среды и режимов работы АД на техническое состояние изоляции обмоток статора позволили определить номинальные и допустимые значения модифицированного обобщенного параметра Р и выявить динамику его изменения для различных условиях эксплуатации АД в сельском хозяйстве.

6. Построенная многофакторная динамическая стохастическая модель старения изоляции представляет собой смешанную модель авторегрессии со скользящим средним шума и временной'функцией тренда и описывается стохастическим разностным уравнением. Она обеспечивает высокую точность прогнозирования технического состояния изоляции обмоток на основе параметра Ряорн, при этом ошибка прогноза в среднем составляет 2-5% Построенная детерми-нированая модель старения изоляции на основе логистической (8-образной) функции описывает трендовую составляющую процесса старения. Она предложена для использования в инженерных расчетах

по прогнозированию технического состояния изоляции ЭД и обеспечивает точность прогноза в пределах 10-15%. В результате математической обработки экспериментальных данных ускоренных лабораторных и производственных испытаний получены оценки параметров динамической стохастической модели и детерминированной модели на основе логистической функции для типичных условий эксплуатации ЭД в сельскохозяйственном производстве.

7. Разработанные метод, алгоритмы и методика прогнозирования технического состояния изоляции обмоток статора низковольтных АД средней мощности позволяют с высокой точностью предсказывать изменение технического состояния изоляции в зависимости от условий эксплуатации, при условии достаточно полного банка данных по параметрам окружающей среды и режимов работы АД.

8. Разработанное информационно-программное сопровождение системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей повышает эффективность ее функционирования и обеспечивает комплексное решение проблемы контроля технического состояния электродвигателей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

\. Гутов И. А., Хсмутов 0.И. Обоснование необходимости информационно-программной поддержки системы обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей //Научно-техническое творчество студентов: Сборник тезисов докладов 53-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ. Часть 2. . /АлтГТУ им. И. И. Ползунова. -Барнаул: Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 1995.- С. 91.

2. Гутов И. А., Хомутов 0. И. Базы данных и их значение при эксплуатации электрических машин // Там же. - С.90.

3. Гутов И. А., Хомутов 0. И. База данных по параметрам микроклимата сельскохозяйственных помещений // Там же. - С.92.

4. Гутов И.А., Хомутов 0.И. Исследование волновых процессов в обмотках электрических машин с помощью ЭВМ // Там же. - С.93.

5. Гутов И.А. Выбор диагностического параметра изоляции обмоток низковольтных асинхронных двигателей //Научно-техническое творчество студентов: Сборник тезисов докладов 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-пропо-давательского состава АлтГТУ. Часть 2. /АлтГТУ им. И.И. Ползунова. -Барнаул: Изд-во Алт. гос. тех. ун-та, 1996.-С. 70.

6. Гутов И.А. Динамические стохастические модели старения изоляции электродвигателей // Там же. - С. 69.

7. Гутов И.А. База данных по ведению диагностики изоляции электродвигателей // Там же. - С. 68.

8. Гутов И. А., Хомутов 0.И. Ускоренные лабораторные испытания по старению изоляции электродвигателей //Научно-техническое творчество студентов: Сборник тезисов докладов 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава АлтГТУ. Часть 2. /АлтГТУ им. И. И. Лолзуно-ва. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997.-С. 82.

9. Гутов И. А., Кузнецов A.B., Хомутов О.И. Экспериментальные исследования и оборудование для проведения ускоренных испытаний по старению изоляции // Там же. -С. 83.

10. Гутов И. А., Петухов К. Й., Хомутов О.И. Подконтрольная эксплуатация и диагностика электродвигателей // Tain же. - С. 84.

11. Гутов И.А., Хомутов О.И. Модель старения изоляции электродвигателей на основе трендовой составляющей процесса // Там же. - С. 78-79.

12. Ромашкин C.B., Гутов И. А. Оценивание параметров моделей на основе простых стандартных функций // Там же. -С.80.

13. Ромашкин C.B., Гутов И. А., Хомутов О.И. Расчет волновых процессов в обмотках электродвигателей // Там se. - С.81.

14. Хомутов 0. И., Гутов И. А., Хомутов С. 0. Информационное обеспечение системы эксплуатационной надежности электрооборудования //Труды Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова. Выпуск 7: Наука, практика, образование. /Алт. гос. техн. университет им. И..И. Ползунова. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. - С. 145-148.

15. Хомутов О.И., Гутов И.А. Модели прогнозирования технического состояния изоляции обмоток статора низковольтных электродвигателей // Тал же. - С. 129-136.

Подписано в печать 20.11.97 г. Формат 60x84 1/16. Печать - ризография. Усл.п.л. 1,16. Тираж 100 экз.

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И. И. Ползунова. 656099, г.Барнаул, пр.Ленина, 46.

Лицензия на издательскую деятельность ЛР N 020822 ОТ 21.09.93