автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Техническая диагностика электропривода постоянного тока бумагоделательного оборудования

На правах рукописи

Коновалов Михаил Юрьевич

ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПОСТОЯННОГО ТОКА БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.09.03. - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров» на кафедре автоматизированного электропривода и электротехники.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кулик Валентин Данилович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дмитриев Борис Федорович,

кандидат технических наук, доцент Рудаков Виктор Викторович

Ведущая организация - ОАО «Котласский ЦБК».

Защита состоится « » 2006 г. в /8 ч. О о мин

на заседании диссертационного совета Д 212.229.20 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, главное здание, ауд. № 150.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «' ' » Ст^е/'Я 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Курмашев А.Д.

zoe> сь

2.347

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В начале XXI в. проявляется все больший интерес к разработкам и внедрению средств технической диагностики электротехнических комплексов на предприятиях целлюлозно-бумажной, металлургической, судостроительной и других отраслей промышленности. Применение этих устройств позволяет осуществлять мониторинг и диагностику оборудования и этим повысить экономическую эффективность его использования.

В автоматизированном электроприводе, производимом ведущими зарубежными фирмами Siemens, ABB, MITSUBISHI и др., часто уже предусмотрены устройства и программное обеспечение мониторинга параметров привода и его диагностики. Однако в действующих электротехнических комплексах целлюлозно-бумажной промышленноеiи таких, как бумагоделательные и картоноделательные машины, осталось много устаревших тиристорпых электроприводов постоянного тока с аналоговой системой управления. В настоящее время их, согласно данным статистики целлюлозно-бумажного комбината ОАО «Котласский ЦБК», в нашей стране остаётся более 40 %. Большой вклад в решение задач технической диагностики тиристорных преобразователей, двигателей постоянного тока и систем автоматического управления электроприводом внесли Осипов О.И., Бутаков С.М. и др. К важным работам следует отнести научные труды и практические разработки Барковой H.A., Азовцева А.Ю., Сигачевой В.В. и др. в области вибродиш ностики и мониторинга оборудования целлюлозно-бумажной, судостроительной и текстильной промышленности. Однако способы и устройства диагностики электропривода постоянного тока с аналоговой системой управления требуют дополнительных исследований и новых разработок В первую очередь, это относится к тиристорным преобразователям, диагностика которых отличается сложностью, поскольку основана на регистрации и анализе сигналов датчиков, подключаемых, как правило, непосредственно к полупроводниковым приборам. Современные системы вибрациоппой диагностики широко и успешно применяемые для диагностирования машин и механизмов роторного типа (электродвигатели, редукторы, насосы, вентиляторы и др.), также связаны с необходимостью регистрации и анализа сигналов от датчиков, подключаемых непосредственно к диагностируемому узлу механической части электропривода. В электротехнических комплексах, например, целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности способ вибродиагностики требует замера сигналов в контрольных точках диагностируемого объекта, доступ к которым в ряде случаев оказывается затруднительным.

Поэтому задача разработки и исследования косвенных способов диагностики полупроводниковых преобразователей и узлов механической части электропривода постоянного тока бумагоделательного оборудования, позволяющих исключить подключение датчиков регистрируемых сигналов непосредственно к диагностируемому узлу, является актуальной.

Цели и задачи работы. Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности и расширении глубины косвенных способов диагностики полупроводниковых преобразователей и выявлении по току двигателя нарушений в работе узлов механической части электропривода постоянного тока бумагоделательного оборудования.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

• разработки более эффективных косвенных способов диагностики полупроводниковых выпрямителей;

• определения диагностических признаков на основании разработанных способов и теоретического исследования аномальных режимов работы следующих мостовых выпрямителей трехфазного тока:

неуправляемых выпрямителей с активно-

- полууправляемых выпрямителей с активно-индукгавной нагрузкой и нагрузкой на противо-ЭДС;

- управляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой и с нагрузкой на противо-ЭДС в режимах непрерывного и прерывистого токов.

• экспериментального исследования влияния параметров механической части электропривода постоянного тока бумагоделательного оборудования на гармонический состав тока двигателя с целью выявления узлов кинематической схемы привода с отклонениями от нормальной работы;

• разработки переносного многоканального контрольно-диагностического комплекса, обеспечивающего регистрацию и спектральный анализ аналоговых сигналов датчиков фазных токов и выходного напряжения полупроводниковых выпрямителей и тока двигателей электропривода постоянного тока бумагоделательного оборудования.

Методы исследования. Теоретическое исследование проводилось с использованием методов математического моделирования на персональных ЭВМ с применением программного пакета моделирования ОгС^АЭ и Ма11аЬ. В работе использованы теории автоматизированного электропривода и систем автоматического управления. Экспериментальные исследования проводились с использованием физических макетов малой мощности, лабораторных и производственных установок путем непосредственной регистрации контролируемых параметров и последующей обработкой результатов.

Достоверность полученных научных результатов определялась обоснованностью принятых допущений, а также экспериментальным подтверждением теоретических расчетов при достаточном для инженерной практики совпадением результатов компьютерного моделирования и физического эксперимента.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих её результатах:

• разработаны более эффективные косвенные способы диагностики полупроводниковых выпрямителей трехфазного тока;

• на основании проведенных теоретических исследований аномальных режимов работы выпрямителей трехфазного тока определены диагностические признаки с целью диагностики неуправляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой, полууправляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой и нагрузкой на противо-ЭДС, управляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой и с нагрузкой на противо-ЭДС в режимах непрерывного и прерывистого токов; при этом установлено, что в аномальном режиме работы, связанном с одновременным отказом в работе плеч анодной и катодной групп моста управляемого выпрямителя, при углах управления а = 0° возникают режим рекуперации и режим полууправляемого выпрямителя; в неуправляемом выпрямителе при таких нарушениях в работе в отдельные моменты времени возникают процессы, присущие управляемому выпрямителю с шунтирующим диодом;

• экспериментальным путем выявлено наличие в токе двигателя характерных гармонических составляющих с частотой, соответствующих узлам механической части привода, и определены значения их амплитуд; сравнение амплитуд характерных гармоник спектра тока двигателя при нормальном и аномальном режимах позволяет выявить нарушения в работе узлов кинематической схемы электропривода.

• разработаны структурная схема, аппаратно-программная часть нижнего и верхнего уровней контрольно-диагностического комплекса с учетом требований к быстродействию при заданном числе входов измерительного тракта и необходимостью программного изменения периода выборки;

• диагностика полупроводникового преобразователя и узлов механической части электропривода от одного датчика - датчика тока двигателя.

Практическую ценность диссертационной работы представляют:

• разработанные способы диагностики полупроводниковых выпрямителей;

• диагностические признаки, выявленные в результате теоретического исследования аномальных режимов полупроводниковых выпрямителей;

• методика выявления нарушений в работе узлов механической части электропривода бумагоделательного оборудования, основанная на анализе характерных гармонических составляющих тока двигателя;

• разработка аппаратной и программной частей контрольно-диагностического комплекса бумагоделательного оборудования.

Реализация результатов работы. Результаты представленных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований нашли практическое применение при разработке и изготовлении опытных образцов контрольно-диагностического комплекса, переданных в эксплуатацию целлюлозно-бумажным предприятиям ОАО «Котласский ЦБК» и ОАО «СПбКПК» (акты внедрения прилагаются).

Апробация работы. Осповпые положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на межвузовской научно-технической конференции XXXII недели науки СПб! и У (Санкт-Петербург, 2003 г.), на IV Международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке' пути развития» (Магнитогорск, 2004 г.), на Международной научно-практической конференции по ресурсо- и энергосбережению в целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве (Санкт-Петербург, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, из них - 7 статей и тезисы к 4 докладам на российских и международных научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 80 наименований и 3 приложений; общий объем составляет 253 страницы. Основной текст на 188 страницах иллюстрирован 138 рисунками и имеет 68 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и сформулированы основные задачи диссертационной работы.

В первой главе диссертации проведен анализ состава оборудования электрической и механической частей электротехнического комплекса бумагоделательной машины, включающего в себя многосекционный взаимосвязанный тиристорный электропривод постоянного тока с аналоговой системой регулирования и показано, что электротехнические комплексы такого типа содержат стандартные датчики, которые могут быть использованы при реализации способов и устройств диагностики электрической части с полупроводниковыми выпрямителями и узлов механической части комплекса. Так же отмечено, что из-за многосекционности электропривода в ряде случаев отклонение от нормальной работы одной секции не приводят к полной потере работоспособности всей бумагоделательной машины, но технологический процесс может быть нарушен. Это обстоятельство требует изучения аномальных режимов работы и диагностики отдельной секции привода.

Проведен критический обзор существующих способов и устройств диагностики полупроводниковых преобразователей, а также механической части привода, на основании которого показана необходимость их усовершенствования.

В главе приводится описание предложенных автором трех косвенных способов диагностики полупроводниковых выпрямителей. Их сущность заключается в следующем.

Способ спектрального анализа кривой выходного напряжения выпрямителя основан на сравнении гармонического состава кривой выходного напряжения при нормальном и

аномальном режимах работы выпрямителя. Данный способ позволяет установить факт нарушения работы без указания конкретного места неисправности.

Способ диагностики, основанный на гармоническом анализе и визуальной оценке кривых фазных токов. Сущность способа заключается в определении включенного состояния полупроводникового вентиля в любой момент времени по кривым фазных токов при заданных их положительных направлениях и гармоническом анализе данных кривых.

При заданных положительных направлениях фазных токов, направленных к нейтральной точке соединения фазных напряжений (от точек а', Ъ\ с' к точкам а, Ъ, с; рис.1), их совпадение с действительными направлениями соответствует положительным значениям тока полупериода, при не совпадении

- отрицательным. Поскольку ток каждой фазы соответствует конкретной ветви, а направление

- конкретному плечу моста, то при совпадении действительных направлений токов с их условными положительными направлениями будет означать включенное состояние вентилей анодной группы моста, при токах противоположного направления - катодной.

Так, например, при отказе в работе катодной группы вентилей моста (рис.1, ключ К разомкнут) действительное направление тока фазы «а» совпадает с положительным направлением. Это соответствует положительному импульсу тока фазы.

По сравнительному анализу спектров или визуальной оценке формы кривых фазных токов (рис.2) можно определить ветвь и плечо с нарушением в работе.

В рассматриваемом случае (рис.2) ток фазы «а» имеет вид однополярного импульса и амплитуда его первой гармоники значительно меньше амплитуд тока других фаз. Следовательно, диагностическим признаком нарушения работы ветви моста при таком аномальном режиме является наименьшая амплитуда первой гармоники тока фазы. Положительный импульс тока указывает на отказ в работе плеча с вентилем катодной группы моста.

Способ диагностики, основанный на совместном анализе кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения выпрямителя. При известных действительных и заданных условных положительных направлений фазных токов и их анализе совместно с кривой выходного напряжения можно определить момент и продолжительность включения тиристоров всех плеч моста.

Так, например, в выпрямителе (рис.1, ключ К замкнут), согласно кривым фазных токов (рис.3,б) и выходного напряжения (рис.3,а) в промежутке времени 01 - 02, ток фазы «а» имеет отрицательное значение и направлен от точки а к точке а', ток фазы «Ь» положителен и направлен от Ь' к Ъ, ток фазы «с» равен нулю. Это означает, что на рассматриваемом

Рис.1

интервале времени под воздействием напряжения иаь ток протекает через тиристоры Т1, Т2. При этом тиристор Т1 вступает в работу при и = «1 с углом включения

а, = 0°.

Аналогичным образом легко могут быть

определены моменты и продолжительность включения всех тиристоров.

Рассмотренный способ, как и предыдущий способ диагностики, требует знания действительных направлений фазных токов. В работе изложена методика

определения таких

направлений.

В первой главе работы рассмотрены также вопросы диагностики механической части электропривода. Предложена методика выявления нарушений в работе конкретных механических узлов привода бумагоделательного оборудования, заключающаяся в анализе амплитуд характерных гармонических составляющих спектров тока двигателя, соответствующих узлам кинематической цепи электропривода постоянного тока.

Из рассмотрения предложенных косвенных способов диагностики электропривода, следует, что для диагностирования полупроводниковых преобразователей могут быть использованы сигналы, поступающие на вход выпрямителя датчика тока двигателя, а выходной сигнал - для диагностики механических узлов электропривода.

На основании разработанных способов диагностики полупроводниковых выпрямителей и предложенной методики диагностирования состояния узлов механической части электропривода в главе сформулированы основные цели и задачи исследования.

Во второй главе с целью выявления диагностических признаков проведены исследования аномальных режимов работы следующих мостовых выпрямителей трехфазного тока:

- неуправляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой (рис.4,а,б);

- полууправляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой и нагрузкой на противо-ЭДС (рис.4,в);

- управляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой и с нагрузкой на противо-ЭДС в режимах непрерывного и прерывистого токов (рис.4,г).

Под аномальными режимами работы полупроводниковых выпрямителей понимаются такие режимы, при которых функционирование преобразователей протекает при нарушениях, не вызывающих их полного (аварийного) отказа.

Опыт эксплуатации полупроводниковых выпрямителей показал, что наиболее частыми проявлениями таких нарушений являются выход из строя одного или двух вентилей моста; включение тиристоров ложными (аномальными) импульсами, возникающими из-за коммутационных процессов; потеря управляемости тиристоров или их включение импульсами с отличными от заданных значений углами управления, вьпванными нарушениями работы системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Во второй главе приводятся результаты исследования трех видов аномальных режимов и диагностика мостовых выпрямителей трехфазного тока при различных видах

* исЬ йаЬ иц иъ, иь.

Рис.3

нагрузки: при полном отказе в работе одного и двух плеч моста; при нарушениях, связанными с включениями тиристоров аномальным импульсом, опережающим по времени заданное значение импульса или отстающим от него; при асимметрии импульсов управления по причине нарушений в работе СИФУ.

Исследование аномальных режимов во всех случаях проводилось с использованием программы (ЖСАГ) 9.2 по расчетным эквивалентным схемам выпрямителей, приведенными на рис.4 Разомкнутое состояние ключа в схемах соответствует отказу в работе плеча моста выпрямителя.

б

2£ДО АДЗ АД5

2£Д6 25ДО

"л

с' ЖД4

Пч

м

Рис.4

Расчет параметров проводился в относительных единицах при допущении неограниченной мощности питающей сети. За базовое значение напряжения ¡У&„ принималось среднее значение выходного напряжения неуправляемого выпрямителя Vбаз =515 В при фазных напряжениях Щ = 220 В. Базовое значение тока

задавалось равным 1бш ~ 100 А.

Параметры активно-индуктивной нагрузки выпрямителей задавались такими, чтобы получить наименьшую длительность переходного процесса, сохранив прямоугольную форму тока питающей сети: Л = 5,15 Ом и Ь = 100 мГн.

При исследовании аномальных режимов работы выпрямителей с нагрузкой на противо-ЭДС значения активного и индуктивного сопротивлений были приняты близкими к параметрам двигателя постоянного тока секции электропривода производственной установки: Я = 0,23 Ом и Ь = 5,3 мГн. Значение противо-ЭДС Е* задавалось таким, чтобы ток нагрузки выпрямителя 4 был равен номинальному току двигателя 100 А, т.е. соответствовал базовому значению.

При выборе индуктивности 1Г, определяющей угол коммутации у, предварительно исследовалось влияние изменения у в пределах у - 0°...30° на форму и гармонический состав фазных токов и выходного напряжения. В результате было показано несущественное их изменение в указанном диапазоне угла коммутации, и при расчетах параметров схем выпрямителей значение индуктивности Ьг задавалось равным Ьг = 50 мкГн, что соответствовало углу коммутации у = 10° при нормальных режимах.

В соответствии с эквивалентными расчетными схемами (рис.4) были рассчитаны и исследованы три вида аномальных режимов и выявлены диагностические признаки, позволяющие определить причину и место неисправности в выпрямителях. На основании проведенных исследований получены следующие результаты.

При выходе из строя одного плеча моста ветви всех схем выпрямителей при непрерывном и прерывистом токе любого вида нагрузки (КЬ-нагрузка, противо-ЭДС) и одновременного отказа плеч моста анодной и катодной групп вентилей двух ветвей моста при активно-индуктивной нагрузке диагностическим признаком является уменьшение амплитуды первой гармоники тока фазы, примыкающей к соответствующей ветви, по сравнению с аналогичными амплитудами токов других фаз. Признаком отказа в работе конкретного плеча при этом служит, как это было показано в первой главе при рассмотрении второго способа диагностики (рис.2), полярность импульса тока фазы: положительное значение, совпадающее с условным положительным направлением, соответствует отказу в работе плеча катодной группы вентилей, отрицательное - анодной.

Данный вывод справедлив при любых значениях угла управления полууправляемых и управляемых выпрямителей В диссертации приводятся результаты исследований для двух значений углов управления: а = 0° и а = 30°.

На рис.5,а,б, в качестве примера, приведены кривые относительных мгновенных * * » • •

значений фазных токов 1а, 'Ь, 1с, тока нагрузки Ы и выходного напряжения при нормальной работе и а.] 6 - 30° (рис.5,а) и отказе в работе тиристора Т1 (рис.5,б) управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС (рис.4,г; ключ К1 разомкнут, К2, КЗ - замкнуты). В таблице представлен спектр гармоник указанных кривых.

На рис.5,в показаны расчетные кривые токов и выходного напряжения управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС, соответствующие аналогичному аномальному режиму его работы при прерывистом токе.

04 0

4505

ч

шшшш

1<Ю 17В 110 190 200 ^ИС

1«

^МС

ч-ггтгтт

1«0 170 180 190 200 ^ ИС

160 170 1Ю 190

^ МС

*

'</ _

160 170 110 190 ис

щ

ы

110 ^ мс

180 1,ИС

гХТП~ГЗТТТГ7!ПТТТГТГЗПТГ

№

170 1Ю 190 200

^МС

Ы

160 170 100 190 200

^ МС

Таблица

Отказ в работе плеча моста с Т1 при 01 в = 30й

Частота, Гц 0 50 100 150 200 250 300 350 400

№ гармоники 0 1 2 3 4 5 6 7 8

« а » 0,137 0,224 0,120 0,023 0,065 0,069 0,036 0,010 0,015

м а © ь • Ьт 0,010 0,340 0,167 0,094 0,081 0,082 0,042 0,018 0,020

с * 1пяу 0,143 0,357 0,103 0,073 0,071 0,092 0 0 0

• и Ля» 0,801 0,084 0,072 0,043 0,075 0,108 0,098 0,047 0,028

4 0,274 0,258 0,111 0,045 0,058 0,066 0,050 0,021 0,011

Из рассмотрения представленных в таблице данных наглядно видно, что амплитуда первой гармоники тока фазы «а» по сравнению с амплитудами первой гармоники фазных токов двух других фаз имеет наименьшее значение.

Анализ электромагнитных процессов в выпрямителях при аномальных режимах, вызванных полным отказом одного или двух плеч моста, позволил выявить ряд режимов не характерных для преобразователей при их нормальной работе.

Так, например, при одновременном отказе в работе плеч анодной и катодной групп вентилей в выпрямителях с активно-индуктивной нагрузкой в управляемом выпрямителе (рис.4,г; ключ К2 замкнут, К1, КЗ -разомкнуты) при угле управления <Х1 6 = 0° на участке из - 04 (рис.6,а) возникает режим рекуперации, который возможен при нормальной работе лишь при ах 6 > 90°. Отрезок времени 04 - и? характеризуется режимом полууправляемого

выпрямителя.

В полууправляемом

выпрямителе (рис.4,в; ключ К2 замкнут, К1, КЗ - разомкнуты) при угле управления <11,3,5 = 0° на интервале о4 - 05 (рис.6,б) протекают процессы, которые возможны при нормальной работе при углах управления 04,3,5 > 60°.

В неуправляемом выпрямителе (рис.4,б; ключи К1, К2 - разомкнуты) на участке времени из - 04 (рис 6,в) возникают процессы, присущие управляемому выпрямителю с шунтирующим диодом.

Второй вид аномальных режимов, связанный с включением ложными импульсами тиристора одного плеча выпрямителей, исследовался при изменении угла включения тиристора Т1 с нарушением в работе в пределах а] = 0° -100°.

Результаты исследования таких аномальных режимов, возникающих, как правило, из-за коммутационных процессов, показали следующее.

При аномальных импульсах, опережающих по фазе нормальные (заданные) импульсы

»1 °2 »1 °4 "5 »(

1 н и та ТЗ 1

и 1» Т4 т \

11с* 11сЬ и«Ь ии ЫЪс и»!

»1 "1 Ч) »1

I а | и Г и—пп 1*1*1_» 1*1

Рис.6

управления, диагностическим признаком нарушения работы ветви моста является наибольшее значение амплитуды первой гармоники тока фазы, примыкающей к данной ветви, по сравнению с аналогичными амплитудами тока других фаз. При отставании аномального импульса от заданного значения диагностическим признаком нарушения работы ветви является наименьшее

значение амплитуды первой гармоники тока фаз.

Сказанное наглядно

иллюстрируется представленными на рис.7 зависимостями амплитуды первой гармоники тока фаз при нормальном значении углов управления «1 6 = 30° от угла аномального импульса а\.

Аномальные импульсы, как показали исследования, в значительной степени влияют на величину постоянной

составляющей выходного напряжения • •

и тока нагрузки /лягт выпрямителя, а также на амплитуды их

нормальный режим

«1.л=30а

(XI, град

20 30 « 50

Рис.7

высших гармоник Ц>тт и ^лг.

Степень такого влияния характеризуется представленными на рис. 8,а зависимостями

Ч/тЯп =/(а1), ¡¿¡т(0) =/(а1), а также зависимостями 1йтч =/(а1) (рис.8,б).

я б

^¿Иф) Щяф)

<ЦВ

режим

£■

=30"

^Ля»

нормальньй

режим 01 ¿«30°

т- г щ—' .....-

Ч»

--А..... ..... .А 1 ________

; Щ, град

• . /» . ■ 1

, "7Г ¡^ . ^

сч-

ГТ. 1

V - •

40 50 Е

Яь град

70 80 90 100

Рис.8

Из рис.8,а видно, что при углах аномального импульса <*ь не превышающих

нормальные значения углов управления (а] < 30°), значение постоянной составляющей *

тока нагрузки /ая(0) может значительно превышать номинальные значения тока.

т

Зависимости амплитуд гармоник тока нагрузки Цту (рис.8,б), кроме амплитуды шестой гармоники, присутствующих при всех режимах, показывают, что любое отклонение аномального импульса от заданных значений импульсов управления приводят к

генерированию новых гармоник. Аналогичный вид имеют зависимости амплитуд гармоник

*

кривой выходного напряжения Наличие данных гармоник служит диагностическим

признаком отклонения от нормальной работы выпрямителя, что подтверждает справедливость первого способа диагностики, изложенного в первой главе.

Исследования третьего вида аномальных режимов, вызванных нарушениями в работе СИФУ и сопровождающихся отклонениями нескольких импульсов управления (двух и более) от заданных значений показали возможность их диагностики с применением способа, основанного на совместном анализе кривых мгновенных значений фазного тока и выходного напряжения, подробно изложенного в первой главе (рис.3). С использованием данного способа диагностики в рассматриваемой главе показана возможность определения конкретного места неисправности в мосту при аналогичных аномальных режимах управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС с прерывистым током.

Допустимость применения разработанных способов диагностики в замкнутых системах автоматизированного управления электроприводом была показана на примере аномального режима, обусловленного выходом из строя одного плеча моста при заданных значениях углов управления а1 6 = 30° выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС. Проявление обратной связи заключалось в изменении угла управления а) в до таких значений, при которых восстанавливалась величина тока нагрузки, соответствующая нормальному режиму.

а идт щ. «в __

lillJ|nil|lü)iiiiijUi

2tw

41*28

/Г®:

3f„

hwiiuiu.in

in«

0 W 7.« 12.7 Щ 2Zi Щ Hl Vi 42,0 51,! S6.6 «1,5 Н.4 71.3 76.2 «1.1 ЦдТЩ, MB

i ;

: : : : : : ■ :

J..1 ...L.x...

' '

j , - 1*—Г"' г ' i----1---¡----г- -•{---•

fei -j—.LJ-:.-J...i—L—!-

llUil iiiiiiiiiij,iiiui iiUi.iiuu^.,!,—U-iw-i- ...i—

В 3,9 7г 12,7 17,8 ГЦ Vi ВД 374 <2,0 46.) ¡1.1 54.6 61.5 «.4 71J 76,2 »1.1

иЯтт.мВ

А

Ы1Й

■3f>

..4f„

ш

№

О 3.) 7.« 12,7 17jl Щ rn Ш 37,1 42,0 46,9 51.« 56 6 61.5 66,4 71,3 76.2 «1,1

Рис.9

Третья глава

посвящена исследованию

влияния изменения

параметров узлов механической части электропривода

постоянного тока на

гармонический состав тока двигателя с целью определения характерных частот,

соответствующих частотам

механических частей

кинематической цепи привода, и по изменению их амплитуд выявить отклонение от нормальной работы

соответствующего узла.

Исследования проводилось экспериментальным путем,

поскольку выявление

диагностических признаков механических узлов

осуществляется, как правило, на основе опытных данных и их статистической обработки.

Решение поставленной задачи основывалось на исследованиях гармонического состава тока двигателя лабораторной установки

постоянного тока «двигатель-рабочий механизм» и на натурных испытаниях электропривода постоянного тока секции

бумагоделательной машины с

использованием разработанного контрольно-диагностического комплекса (КДК), технические характеристики которого приводятся в гл.4.

Исследование на лабораторной установке показало возможность выделения в токе двигателя гармонику с характерной частотой, соответствующей частоте вращения двигателя ^ = 10,7 Гц, и определения значепия её амплитуды при различных значениях несоосности валов двигателя и механизма. На рис 9 в качестве примера приведены спектры кривых тока двигателя, записанные с помощью КДК после обработки фильтром низких частот: а - при нормальном режиме работы двигателя и отсутствии несоосности; б - при несоосности валов, равной двум градусам; в - при несоосности валов, равной четырем градусам.

иДТП)>мВ На рис.10 приведены зависимости

16 т.......у.............;.......■; амплитуд гармоник, соответствующих

К.........;.......у-.....частоте двигателя f = ^ = 10,7 Гц и

12.........у.......двойной частоте £ = в зависимости от

ю.........;.....—; — значений несоосности.

8-.......\ - \.....- - , 2£ Представленные на рис.10

6......./К--—.....да зависимости показывают, что нарушения в

4 —| -. - - -;.......^ работе узла приводят к изменению

2 у'.—;— - -;.......:.......i амплитуды характерной гармоники тока.

о -[_;_I-1_' град. Это даёт возможность установить

□ 1 2 3 4 факт отклонения параметров

несоосность валов механического узла от нормальных

Рис.10 значений.

Возможность выявления в спектре тока двигателя характерных частот и значений их амплитуд была подтверждена натурными испытаниями секции электропривода бумагоделательной машины, функциональная схема механической части которого приведена на рис.11. Обозначенным на схеме (рис.11) четырем узлам соответствуют характерные частоты: узлу 1 - частота, соответствующая частоте вращения двигателя Гш = 10,9 Гц; узлу 2 - частота ^ = 7 Гц; узлу 3 - частота = 1,2 Гц; ухчу 4 - частота, соответствующая частоте вращения сушильных цилиндров = 0,34 Гц.

©

двигатель

редуктор -Р1 ¡5=1.56

]

©

ч

ни

редуктор-Р2 ¡2-5.88

Г ®\

^шестерня

сушильного цилиндра -10 шт. ©

■ fсц

открытая < передача

ведущая шестерня

= — 2 ¿2 ij.i2.j3 О-номер узла

Рис.11

На рис 12,а приведена экспериментальная кривая напряжения датчика тока двигателя секционного электропривода постоянного тока, зарегистрированная контрольно-диагностическим комплексом (КДК). Кривая тока двигателя после применения фильтра низких частот представлена на рис. 12,6.

< 5

Рис.12

На рис.13 показан спектр гармоник кривой тока двигателя (рис.12,6), с выделенными в нем характерными частотами. ит,нв

120 100 80 60 40 20

Н

10.9 Гд

0.25 Гц

/Э

м

^/1.23 Гц \ 7.1 Гц

идв

............................

1|||1.ч^ ГЦ

и 0,98 2,2 3,424,« 5,86 7,1 8,3 9,5 10,74 12,2 13,6715,14 14,6 18,1 19,53 21 22,46 23,93

Рис.13

Сравнение амплитуд, выделенных гармоник спектра тока двигателя, со значениями амплитуд аналогичных гармонических составляющих, полученных после ремонтно-профилактических работ, позволяет выявить узлы механической части электропривода с отклонениями параметров от нормальных значений.

В настоящее время с помощью контрольно-диагностического комплекса на предприятиях ОАО «Котласский ЦБК» и ОАО «СПбКПК» производится запись и накопление экспериментальных данных для их дальнейшей статистической обработки.

Четвертая глава посвящена разработке контрольно-диагностического комплекса (КДК), предназначенного для практического осуществления рассмотренных в предыдущих I лавах способов диагностики полупроводниковых преобразователей и узлов механической части электропривода постоянного тока бумагоделательного оборудования. Необходимость в разработке такого устройства обусловлена рядом предъявляемых к нему специфических требований, комплексное выполнение которых с помощью выпускаемых промышленностью контрольно-измерительных приборов из-за необходимости их программной и аппаратной доработки нецелесообразно.

К таким требованиям, в первую очередь, следует отнести необходимость изменения периода дискретизации (выборки) регистрируемых аналоговых сигналов датчиков тока и напряжения ввиду большого различия длительности протекания переходных процессов в схемах полупроводниковых выпрямителей и в системах автоматического управления электроприводом бумагоделательного оборудования.

В первом случае для регистрации углов коммутации, изменяющихся в пределах у = 10°...30°, период выборки исчисляется микросекундами (100...200 мкс). В системах управления электроприводом минимальное время регистрации переходных процессов составляет 10... 15 с.

К числу важных требований, предъявляемых к КДК, относится его мобильность. Это объясняется высокой стоимостью стационарных систем диагностики многосекционных электроприводов.

К требованиям, предъявляемым к контрольно-диагностическому комплексу при его разработке, также относятся: регистрация переходных процессов с предысторией и постисторией с последующим переходом в режим непрерывной записи сигналов датчиков и временным хранением информации с целью поиска их устойчивого отклонения; одновременная регистрация не менее 32 аналоговых сигналов для диагностирования электроприводов нескольких смежных секций; цифровая фильтрация зарегистрированных с помощью контрольно-диагностического комплекса сигналов с целью исключения в них высокочастотных помех; спектральный анализ экспериментальных кривых тока и напряжения; возможность интеграции КДК в локальную сеть предприятия с доступом в Internet для удаленного управления и мониторинга.

Контрольно-диагностический комплекс, удовлетворяющий перечисленным выше требованиям, представляет собой двухуровневую систему. Структурная схема разработанного контрольно-диагностического комплекса представлена на рис.14.

К нижнему уровню контрольно-диагностического комплекса относится устройство сбора данных, в состав которого входят: одноплатная мшсроЭВМ, предназначенная для управления процессами сбора, обработки и временного хранения информации; сетевой адаптер; модуль аналогового ввода, обеспечивающий аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов датчиков; коммутатор для увеличения количества измерительных входов до 32. В блоке элементы согласования сигналов, основными являются модули гальванической развязки. Верхний уровень КДК включает в себя персональную ЭВМ (ПЭВМ), с подключенными к нему периферийными устройствами. Сетевые адаптеры NIC1, NIC2, включенные в состав ПЭВМ, служат для связи с устройством сбора данных и интеграции КДК в локальную сеть предприятия и выход в «Internet».

Программное обеспечение

нижнего уровня КДК осуществляет регистрацию переходных процессов с их предысторией и постисторией.

Программное обеспечение верхнего уровня решает стандартные задачи визуализации накопленной

информации в виде трендов и вывода их на печать, а также выполняет фильтрацию и спектральный анализ зарегистрированных устройством сбора данных аналоговых сигналов.

Для подавления высокочастотных помех регистрируемых сигналов предусмотрена подпрограмма цифровой фильтрации, реализованная на основе фильтра низких частот Баттерворта (рис.12). Спектральный анализ сигналов датчиков тока и напряжения осуществляется с использованием подпрограммы быстрого преобразования Фурье (рис.13;15,в).

Два комплекта опытных образцов контрольно-диагностического комплекса, разработанных и изготовленных в рамках хоздоговорных работ, переданы в эксплуатацию целлюлозно-бумажным предприятиям ОАО «Котласский ЦБК» и ОАО «СПб КПК» (акты внедрения прилагаются).

В пятой главе приводятся результаты экспериментальной поверки достоверности расчетных данных компьютерного моделирования полупроводниковых преобразователей и производственных испытаний контрольно-диагностического комплекса (КДК).

Экспериментальные исследования физического макета малой мощности (0,2 кВт) выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой в аномальных режимах показали полное совпадение форм токов, выходного напряжения и спектров их гармоник, полученных в результате компьютерного моделирования, физического эксперимента и регистрации данных контрольно-диагностическим комплексом.

б

-; иг ГС г г»г г ННЙ;:

&ШШ

* н

112С 3 . - Ей 15 "У! I т 11 ---Т--1"-

100 200 300 400 500 600

Г, Гц

О 5,7! 11,42 17,3 22,84 28,55 34,26 39.97 45,68

53.7 1113 181« «90 3173 3857

На рис.15 в качестве примера приведены кривые фазных токов и спектры их гармоник трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя с ЯЬ-нагрузкой при отказе в работе одпого плеча моста анодной группы, где: а - осциллограммы физического макета; б - расчетные кривые компьютерного моделирования; в - кривые токов и спектры их гармоник физического макета, зарегистрированные КДК.

Экспериментальные исследования аномальных режимов проводилось также на промышленной установке выпрямителя мощностью 4 кВт с трансформаторами тока в питающей сети. Результаты эксперимента подтвердили возможность диагностики полупроводниковых выпрямителей предложенными способами.

Представленные в пятой главе результаты производственных испытаний опытного образца контрольно-диагностического комплекса, проведенные на предприятии ОАО «Котласский ЦБК», показали работоспособность аппаратной части КДК и его программного обеспечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований систем диагностики электропривода постоянного тока бумагоделагельного оборудования получены следующие результаты:

1. Разработаны более эффективные косвенные способы диагностики полупроводниковых выпрямителей трехфазного тока:

- способ спектрального анализа кривой выходного напряжения выпрямителя, позволяющий по изменению ей гармонического состава установить отклонение режима его работы от нормального;

- способ диагностики с использованием кривых фазных токов сети, позволяющий определить конкретно ветвь и плечо моста выпрямителя с нарушением их нормальной работы;

- способ совместного анализа кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения, позволяющий при асимметрии нескольких импульсов управления определить плечо моста выпрямителя с отклонением от нормальной работы.

2. На основании проведенных теоретических исследований аномальных режимов работы выпрямителей трехфазного тока был выявлен ряд особенностей протекающих в них электромагнитных процессов и определены диагностические признаки полупроводниковых преобразователей. Основными из них являются:

- любое отклонение от нормальной работы выпрямителей (отказ в работе одного или нескольких плеч моста, асимметрия импульсов управления и т.п.) приводит к изменению гармонического состава выходного напряжения; данный диагностический признак даёт возможное™ установить наличие отклонения от нормальной работы выпрямителя без указания конкретного места неисправности в мосту;

- диагностическим признаком выхода из строя плеча ветви моста выпрямителей при непрерывном токе любого вида нагрузки (КЬ-нагрузка, противо-ЭДС) и одновременного отказа плеч анодной и катодной групп вентилей двух ветвей моста при активно-индуктивной нагрузке является уменьшение амплитуды первой гармоники тока фазы, примыкающей к соответствующей ветви, по сравнению с аналогичными амплитудами первых гармоник токов других фаз; при этом признаком отказа в работе конкретного плеча служит полярность импульса тока фазы: положительное его значение, совпадающее с условным положительным направлением, соответствует отказу в работе плеча катодной группы вентилей, отрицательное - анодной;

- независимо от вида нагрузки при аномальном режиме полууправляемого и управляемого выпрямителей, характеризующимся асимметрией одного импульса по отношению к остальным заданным импульсам управления, диагностическим признаком

нарушения работы ветви моста является наибольшая амплитуда первой гармоники тока фазы при значениях углов аномального импульса более низких по сравнению с заданными значениями углов управления и наименьшая амплитуда первой гармоники тока фазы при значениях углов аномального импульса, превышающих заданные значения углов управления;

- при аномальном режиме работы, связанным с одновременным отказом в работе плеч анодной и катодной групп моста управляемого выпрямителя, при углах управления а = 0° возникают режим рекуперации и режим полууправляемого выпрямителя. В неуправляемом выпрямителе при таких нарушениях в работе в отдельные моменты времени возникают процессы, присущие управляемому выпрямителю с шунтирующим диодом;

- исследование аномальных режимов работы с нагрузкой на противо-ЭДС при непрерывном токе показало, что при включении одного плеча моста аномальным импульсом с углом отпирания тиристора, не превышающим нормальные значения углов управления тиристорами остальных плеч, среднее значение тока может превышать номинальные значения в К1... 1>5^аза щв о^отременном^овышевмн его пульсаций;

мос^^радляемого^)^ при непрерывном

токе осуществление диагностики возможно способом, основанным на совместном анализе кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения;

- исследование аномальных режимов управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС при непрерывном токе с учетом обратной связи по току показало, что при её наличии могут быть использованы те же диагностические признаки, что и при её отсутствии;

- исследование аномальных режимов работы управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС при прерывистом токе показало, что диагностирование может быть осуществлено с помощью тех же способов диагностики, что и при непрерывном режиме.

3. Проведенные экспериментальные исследования гармонического состава тока двигателя лабораторной установки и электропривода постоянного тока секции бумагоделательной машины предприятия ОАО «Котласский ЦБК» с применением контрольно-диагностического комплекса показали возможность выявления в токе характерных гармонических составляющих с частотами, соответствующих узлам механической части привода, и определения значений их амплитуд. Сравнение амплитуд характерных гармоник спектра тока двигателя с амплитудами аналогичных гармоник, полученных при нормальных режимах работы механических узлов привода, позволяет выявить узлы кинематической схемы электропривода с отклонениями их параметров от нормальных значений.

4 Разработаны структурная схема, аппаратная и программная части нижнего и верхнего уровней контрольно-диагностического комплекса, позволяющие осуществлять диагностику полупроводниковых преобразователей и узлов механической части электропривода постоянного тока.

5. Экспериментальные исследования физического макета выпрямителя малой мощности подтвердили правильность расчетных данных компьютерного моделирования и достоверность разработанных способов диагностирования выпрямителей. При этом было показано полное совпадение форм токов, напряжений и спектров их гармоник осциллограмм физического макета, расчетных данных и данных, полученных с помощью контрольно-диагностического комплекса.

6. Производственные испытания контрольно-диагностического комплекса на целлюлозно-бумажных предприятиях ОАО «Котласский ЦБК» и ОАО «СПб КПК» (акты внедрения прилагаются) и демонстрация его макета на VIII Международной выставке «РАР-РОК 2004» (справка прилагается) показали полную работоспособность комплекса.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Коновалов, M Ю. Диагностика аномальных режимов работы полупроводниковых преобразователей / М.Ю, Коновалов, В.Д. Кулик, В.И. Королёв, H.H. Зорин // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях ТЭС: межвуз. сб. науч. тр. -СПб. : СПбГТУРП, 2004. - С. 211-230.

2. Коновалов, М.Ю. Исследование аномальных режимов работы полупроводниковых выпрямителей / М.Ю. Коновалов, A.B. Мусеев, Д.А. Широкин // Тез. докл. межвуз. науч -технич. конф. XXXII недели науки СПбГПУ, 24-29 ноября 2003 г. - СПб. : СПбГПУ, 2004. -С. 120.

3. Кулик, В.Д. Диагностирование аномальных режимов работы трехфазного мостового несимметричного выпрямителя / В.Д. Кулик, М.Ю. Коновалов, C.B. Ширяев, В.Ю. Филиппов // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: межвуз. сб. науч. тр. -СПб. : СПбГТУРП,2004.-С. 121-123.

4 Кулик, В.Д. Мобильная система мониторинга электропривода машин бумагоделательного производства / В.Д. Кулик, М.Ю. Коновалов, В.И. Королёв, С В Ширяев // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз. сб. науч. тр. - СПб. : СПбГТУРП, 2004. - С. 116-120.

5. Коновалов, М.Ю. Диагностирование постепенных отказов электропривода / М.Ю. Коновалов, В.И. Королёв, С.В Ширяев // Труды IV Межд. науч.-техн. конф. по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке-пути развития", 14-17 сентября 2004 г. - Магнитогорск, 2004. - 4.1. - С. 301-303

6. Коновалов, М.Ю. Диагностирование полупроводниковых преобразователей / М.Ю. Коновалов [и др.] // Труды IV Межд. науч.-техн. конф. по автоматизированному электроприводу "Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития", 14-17 сентября2004 г. -Магнитогорск, 2004,-4.1. - С. 304-306.

7. Коновалов, М.Ю. Контрольно-диагностический комплекс электропривода бумагоделательного оборудования / M Ю. Коновалов [и др.] // Инф. сооб VIII Межд. науч -техн. конф. PAP-FOR 2004, 22-23 ноября 2004 г. - СПб., 2004 - С. 110-113.

8. Коновалов, М.Ю. Контрольно-диагностический комплекс электропривода бумагоделательного оборудования / М.Ю. Коновалов [и др.] // Журн. целлюлоза, бумага, картон. - 2005. - №2. - С.58,59.

9 Коновалов, М.Ю. Диагностика полупроводниковых преобразователей методом спектрального анализа фазных токов питающей сети / M Ю. Коновалов [и др ] // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях ТЭС: межвуз. сб науч. тр. -СПб. : СПбГТУРП, 2005. - С. 286-307.

10. Коновалов, М.Ю. Контрольно-диагностический комплекс электропривода бумагоделательного оборудования / М.Ю. Коновалов (и др.] // Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на предприятиях ТЭС: межвуз. сб. науч. тр. - СПб. : СПбГТУРП, 2005. - С. 274-286.

11. Кулик, В.Д. Диагностика полупроводниковых выпрямителей методом совместного анализа кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения / В.Д. Кулик, C.B. Ширяев, М.Ю. Коновалов // Тез. докл. Межд. науч.-практ. конф. по ресурсо- и энергосбережению целлюлозно-бумажной промышленности и городском коммунальном хозяйстве, 27-28 октября 2005 г. - СПб. : СПбГТУРП, 2005. - С. 209-211.

Подписано в печать 14.04.2006 г. Заказ № 99

Тираж 100 экз. Отпечатано в ООО «КОПИ-Р» пр.Стачек, 8-а Тел.786-09-05

83 47

Введение.

1. Обзор литературы и постановка задач исследования.

1.1. Основные определения и виды технической диагностики.

1.2. Объект исследования.

1.3. Обзор существующих способов диагностики полупроводниковых преобразователей.

1.4. Разработка новых способов диагностики полупроводниковых выпрямителей.

1.4.1. Способ диагностики выпрямителей спектральным анализом выходного напряжения.

1.4.2. Разработка способа диагностики выпрямителей с использованием кривых мгновенных значений фазных токов.

1.4.3. Способ диагностики, основанный на совместном анализе кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения выпрямителя.

1.5. Обзор существующих способов диагностики механической части электропривода.

1.6. Цели и задачи исследования.

2. Исследование аномальных режимов работы и диагностика полупроводниковых выпрямителей.

2.1. Исследование аномальных режимов работы и диагностика неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя.

2.1.1. Исследование аномальных режимов и диагностика выпрямителя при отказе в работе одного плеча моста.

2.1.2. Исследование аномальных режимов и диагностика при отказе в работе двух и трех плеч моста выпрямителя.

2.2. Исследование аномальных режимов работы и диагностика трехфазного мостового полууправляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке.

2.2.1. Аномальные режимы и диагностика выпрямителя при отказе в работе одного или нескольких плеч моста выпрямителя.

2.2.2. Аномальные режимы и диагностика выпрямителя при заданных значениях углов управления тиристорами, равных нулю, и асимметрии импульса одного плеча.

2.2.3. Аномальные режимы и диагностика выпрямителя при заданных значениях углов управления, отличных от нуля, и асимметрии импульса одного плеча.

2.3. Исследование аномальных режимов работы и диагностика трехфазного мостового полууправляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС.

2.3.1. Аномальные режимы выпрямителя при отказе в работе одного или нескольких плеч моста выпрямителя.

2.3.2. Аномальные режимы выпрямителя при асимметрии импульсов управления.

2.4. Исследование аномальных режимов работы и диагностика трехфазного мостового управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой.

2.4.1. Аномальные режимы выпрямителя при отказе в работе одного или нескольких плеч моста выпрямителя.

2.4.2. Аномальные режимы выпрямителя при заданных значениях углов управления, равных нулю, и асимметрии импульса одного плеча.

2.4.3. Аномальные режимы выпрямителя при заданных значениях углов управления, отличных от нуля, и асимметрии импульса одного плеча.

2.5. Исследование аномальных режимов работы и диагностика трехфазного мостового управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС при непрерывном токе.

2.5.1. Аномальные режимы и диагностика выпрямителя при отказе в работе одного и двух плеч моста.

2.5.2. Исследование влияния аномального импульса включения тиристора одного плеча моста на работу выпрямителя.

2.5.3. Исследование аномальных режимов работы выпрямителя при асимметрии импульсов управления в двух и более плечах моста выпрямителя.

2.5.4. Исследование влияния замкнутой системы автоматического регулирования электроприводом постоянного тока на характеристические признаки диагностики выпрямителя.

2.6. Исследование аномальных режимов трехфазного мостового управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС при прерывистом токе.

3. Экспериментальные исследования влияния параметров узлов механической части электропривода бумагоделательного оборудования на гармонический состав тока двигателя.

3.1. Экспериментальные исследования влияния отклонений параметров механической части лабораторной установки двигатель — рабочий механизм» на гармонический состав тока двигателя.

3.1.1. Исследование гармонического состава тока двигателя, отключенного от нагрузки.

3.1.2. Исследование влияния отклонения параметров механической части установки «двигатель - рабочий механизм» па гармонический состав тока двигателя.

3.2. Экспериментальное исследование гармонического состава тока двигателя секционного электропривода пресспата № предприятия ОАО «Котласский ЦБК».

4. Разработка контрольно-диагностического комплекса электропривода бумагоделательного оборудования.

4.1. Технические требования, предъявляемые к контрольно-диагностическому комплексу.

4.2. Разработка аппаратных средств контрольно-диагностического комплекса.

4.3. Разработка программных средств контрольно-диагностического комплекса.

5. Экспериментальная проверка способов и работы устройств диагностики.

5.1. Экспериментальная проверка расчетных данных компьютерного моделирования преобразователей и работы контрольно-диагностического комплекса.

5.1.1. Экспериментальные исследования нормальных режимов работы физического макета выпрямителя.

5.1.2. Экспериментальные исследования аномальных режимов работы физического макета выпрямителя.

5.2. Экспериментальные исследования выпрямителя промышленного исполнения с трансформаторами тока в питающей сети.

5.2.1. Экспериментальные исследования нормальных режимов работы выпрямителя.

5.2.2. Экспериментальные исследования аномальных режимов работы выпрямителя.

5.3. Производственные испытания контрольно-диагностического комплекса.

За последние годы проявляется все больший интерес к разработкам и внедрению средств технической диагностики электротехнических комплексов предприятий целлюлозно-бумажной, металлургической, судостроительной и других отраслей промышленности. Применение диагностических устройств позволяет производить мониторинг и диагностику оборудования и перейти с обслуживания и ремонта по регламенту на ремонт и обслуживания по техническому состоянию оборудования и этим повысить экономическую эффективность его использования.

В современном автоматизированном электроприводе с цифровой системой управления в большинстве случаев уже предусмотрены мониторинг параметров и диагностика оборудования. В действующих электротехнических комплексах тиристорный электропривод постоянного тока имеет аналоговую систему управления и согласно статистическим данным составляет около 40 % всех видов существующих приводов. Способы и устройства их диагностики требуют дополнительных исследований и новых разработок. В первую очередь, это относится к тиристорным преобразователям, диагностика которых отличается сложностью, поскольку основана на регистрации и анализе сигналов датчиков, подключаемых, как правило, непосредственно к полупроводниковым приборам. Современные системы вибрационной диагностики, широко и успешно применяемые для диагностирования машин и механизмов роторного типа (электродвигатели, редукторы, насосы, вентиляторы, и др.), также связаны с необходимостью регистрации и анализа сигналов от датчиков, подключаемых непосредственно к диагностируемому узлу механической части электропривода. В ряде электротехнических комплексах, например, целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности способ вибродиагностики требует замера сигналов в контрольных точках диагностируемого объекта, доступ к которым в ряде случаев оказывается затруднительным.

Поэтому задача разработки и исследования новых косвенных способов диагностики полупроводниковых преобразователей и узлов механической части электропривода постоянного тока, позволяющих исключить подключение датчиков регистрируемых сигналов непосредственно к диагностируемому узлу, является актуальной.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выводы

1. Экспериментальные исследования физического макета выпрямителя малой мощности подтвердили правильность расчетных данных компьютерного моделирования и достоверность разработанных способов диагностирования выпрямителей. При этом было показано полное совпадение форм токов, напряжений и спектров их гармоник осциллограмм физического макета, расчетных данных и данных, полученных с помощью контрольно-диагностического комплекса.

2. Экспериментальные исследования установки выпрямителя промышленного исполнения с использованием в качестве датчиков тока трансформаторов тока подтвердили полученные расчетным путем выводы о наличии постоянной составляющей в фазных токах при аномальных режимах. При этом было показано незначительное влияние токов подмагничивания на форму и гармонический состав токов и напряжений силового трансформатора, но существенное влияние на форму токов трансформаторов тока. Однако при этом была выявлена возможность диагностирования выпрямителя по первой гармонике тока во всех рассмотренных аномальных режимах.

3. Производственные испытания контрольно-диагностического комплекса на целлюлозно-бумажном предприятии ОАО «Котласский ЦБК» (акт внедрения прилагается) и внедрение на предприятии ОАО «СПбКПК» (акт внедрения прилагается) подтверждают работоспособность комплекса в соответствии с разработанным программным обеспечением сбора информации, её фильтрации и спектрального анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований систем диагностики электропривода постоянного тока бумагоделательного оборудования получены следующие результаты:

1. Предложены более эффективные косвенные способы диагностики полупроводниковых выпрямителей трехфазного тока: способ спектрального анализа кривой выходного напряжения выпрямителя, позволяющий по изменению её гармонического состава установить отклонение режима его работы от нормального; способ диагностики с использованием кривых фазных токов сети, позволяющий определить конкретно ветвь и плечо моста выпрямителя с нарушением их нормальной работы; способ совместного анализа кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения, позволяющий при асимметрии нескольких импульсов управления определить плечо моста выпрямителя с отклонением от нормальной работы.

2. На основании проведенных теоретических исследований аномальных режимов работы выпрямителей трехфазного тока был выявлен ряд особенностей протекающих в них электромагнитных процессов и определены диагностические признаки полупроводниковых преобразователей. Основными из них являются: любое отклонение от нормальной работы выпрямителей (отказ в работе одного или нескольких плеч моста, асимметрия импульсов управления и т.п.) приводит к изменению гармонического состава выходного напряжения; данный характеристический признак даёт возможность установить наличие отклонения от нормальной работы выпрямителя без указания конкретного места неисправности в мосту;

- диагностическим признаком выхода из строя плеча ветви моста выпрямителей при непрерывном токе любого вида нагрузки (RL-нагрузка, противо-ЭДС) и одновременного отказа плеч анодной и катодной групп вентилей двух ветвей моста при активно-индуктивной нагрузке является уменьшение амплитуды первой гармоники тока фазы, примыкающей к соответствующей ветви, по сравнению с аналогичными амплитудами первых гармоник токов других фаз; при этом диагностическим признаком отказа в работе конкретного плеча служит полярность импульса тока фазы: положительное его значение, совпадающее с условным положительным направлением, соответствует отказу в работе плеча катодной группы вентилей, отрицательное - анодной; независимо от вида нагрузки при аномальном режиме полууправляемого и управляемого выпрямителей, характеризующимся асимметрией одного импульса по отношению к остальным заданным импульсам управления, диагностическим признаком нарушения работы ветви моста является наибольшая амплитуда первой гармоники тока фазы при значениях углов аномального импульса более низких по сравнению с заданными значениями углов управления и наименьшая амплитуда первой гармоники тока фазы при значениях углов аномального импульса, превышающих заданные значения углов управления; при аномальном режиме работы, связанным с одновременным отказом в работе плеч анодной и катодной групп моста управляемого выпрямителя, при углах управления а = 0° возникают режим рекуперации и режим полууправляемого выпрямителя. В неуправляемом выпрямителе при таких нарушениях в работе в отдельные моменты времени возникают процессы, присущие управляемому выпрямителю с шунтирующим диодом; исследование аномальных режимов работы с нагрузкой на противо-ЭДС при непрерывном токе показало, что при включении одного плеча моста аномальным импульсом с углом отпирания тиристора, не превышающим нормальные значения углов управления тиристорами остальных плеч, среднее значение тока может превышать номинальные значения в 1,1. 1,5 раза при одновременном повышении его пульсаций;

- при асимметрии импульсов управления в двух и более плечах моста управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС при непрерывном токе осуществление диагностики возможно способом, основанным на совместном анализе кривых мгновенных значений фазных токов и выходного напряжения;

- исследование аномальных режимов управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС при непрерывном токе с учетом обратной связи по току показало, что при её наличии могут быть использованы те же характеристические признаки, что и при её отсутствии; исследование аномальных режимов работы управляемого выпрямителя с нагрузкой на противо-ЭДС при прерывистом токе показало, что диагностирование может быть осуществлено с помощью тех же способов диагностики, что и при непрерывном режиме.

3. Проведенные экспериментальные исследования гармонического состава тока двигателя лабораторной установки и электропривода постоянного тока секции бумагоделательной машины предприятия ОАО «Котласский ЦБК» с применением контрольно-диагностического комплекса показали возможность выявления в токе характерных гармонических составляющих с частотами, соответствующих узлам механической части привода, и определения значений их амплитуд. Сравнение амплитуд характерных гармоник спектра тока двигателя с амплитудами аналогичных гармоник, полученных при нормальных режимах работы механических узлов привода, позволяет выявить узлы кинематической схемы электропривода с отклонениями их параметров от нормальных значений.

4. Разработаны структурная схема, аппаратная и программная части нижнего и верхнего уровней контрольно-диагностического комплекса, позволяющие осуществлять диагностику полупроводниковых преобразователей и узлов механической части электропривода постоянного тока.

5. Экспериментальные исследования физического макета выпрямителя малой мощности подтвердили правильность расчетных данных компьютерного моделирования и достоверность разработанных способов диагностирования выпрямителей. При этом было показано полное совпадение форм токов, напряжений и спектров их гармоник осциллограмм физического макета, расчетных данных и данных, полученных с помощью контрольно-диагностического комплекса.

6. Производственные испытания контрольно-диагностического комплекса на целлюлозно-бумажных предприятиях ОАО «Котласский ЦБК» и ОАО «СПбКПК» (акты внедрения прилагаются) и демонстрация его макета на VIII Международной выставке «PAP-FOR 2004» (справка прилагается) показали полную работоспособность комплекса.

1. Бригер, И.А. Техническая диагностика / И.А. Бригер. М.: Машиностроение, 1978. -240 с.

2. Гаскаров, Д.В. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры / Д.В. Гаскаров, Т.А. Голинкевич, А.В. Мозгалевский. М.: Советское радио, 1969. - 272 с.

3. Карибский, В.В. Техническая диагностика объектов контроля / В.В. Карибский, П.П. Пархоменко, Е.А. Согомонян М.: Энергия, 1967. - 80 с.

4. Ксенз, С.П. Диагностика и ремонтопригодность радиоэлектронных средств / С.П. Ксенз. М.: Радио и связь, 1989. - 284 с.

5. Мозгалевский, А.В. Техническая диагностика / А.В. Мозгалевский, Д.В. Гаскаров. -М.: Высшая школа, 1975. 207 с.

6. Основы технической диагностики. В 2 т. Т. 1. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза) / под ред. П.П. Пархоменко. М.: Энергия, 1967. - 464 с.

7. Основы технической диагностики. В 2 т. Т. 2. Оптимизация алгоритмов диагностирования, аппаратурные средства / под ред. П.П. Пархоменко. М. : Энергия, 1981.-320 с.

8. Согомонян, Е.С. Слабаков Е.В. Самопроверяемые устройства и отказоустойчивые системы / Е.С. Согомонян, Е.В. Слабаков. М.: Радио и связь, 1989. - 208 с.

9. Бутаков, С.М. Методы и технические средства диагностирования автоматизированных электроприводов прокатных станов : дис. . канд. техн. наук : 05.09.03. Челябинск: ЮУГУ, 1998 - 226 с.

10. Глазунов, Л.П. Проектирование технических систем диагностирования / Л.П. Глазунов, А.Н. Смирнов. -J1.: Энергоатомиздат, 1982. 168 с.

11. Дмитриев, А.К. Основы теории построения и контроля сложных систем / А.К. Дмитриев, П.А. Мальцев. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с.

12. Осипов, О.И. Техническое диагностирование автоматизированного электропривода постоянного тока : дис. док. техн. наук : 05.09.03 М: МЭИ, 1994. - 373 с.

13. ГОСТ 20911 89. Техническая диагностика. Термины и определения. - Введ. 01-0191. - М.: Издательство стандартов, 1990. - 15 с.

14. Белоглазов, И.Н. Диагностика и надежность автоматизированных систем / И.Н. Белоглазов и др.. СПб. : ФГПУ «Издательский дом «Руда и металлы», 2004. -167 с.

15. Технические средства диагностирования: справочник / под общ. ред. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1989. 672 с.

16. Эйдлин, И. Я. Бумагоделательные и отделочные машины / И. Я. Эйдлин. М. : Лесная промышленность, 1970. - 624 с.

17. Чичаев, В.А. Оборудование целлюлозно-бумажного производства, в 2 т. Т. 2. Бумагоделательные машины / В.А. Чичаев и др.. М. : Лесная промышленность, 1981.-264 с.

18. Ковчин, С.А Теория электропривода / С.А. Ковчин, Ю.А. Сабинин. СПб. : Энергоатомиздат, 1994. - 496 с.

19. Барышников, В.Д. Автоматизированные электроприводы машин бумагоделательного производства / В.Д. Барышников, С.Н. Куликов. Л. : Энергоатомиздат, 1982. — 144 с.

20. Шестаков, В.М. Системы электропривода бумагоделательного производства / В.М. Шестаков. М.: Лесная промышленность, 1989. — 240 с.

21. Комплектные тиристорные электроприводы: справочник / И. X. Евзеров и др. ; под ред. В.М. Перельмутер. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 319 с.

22. Руденко, B.C. Основы преобразовательной техники / B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. М.: Высшая школа, 1980 - 420 с.

23. Бардин, В.М. Надежность силовых полупроводниковых приборов / В.М. Бардин. -М.: Энергия, 1978.-96 с.

24. Маркин, В.В. Техническая диагностика вентильных преобразователей / В.В. Маркин, В.Н. Миронов, С.Г. Обухов. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 152 с.

25. Оре, О. Теория графов / О. Ope. М.: Наука, 1980. - 336 с.

26. Макаров, Р.А. Средства технической диагностики машин / Р.А. Макаров. М. : Машиностроение, 1981.-223 с.

27. Неразрушающий контроль элементов и узлов радиоэлектронной аппаратуры / под ред. Б.Е. Бердического. М.: Сов. радио, 1976. - 296 с.

28. Коновалов, М.Ю. Исследование аномальных режимов работы полупроводниковых выпрямителей / М.Ю. Коновалов, А.В. Мусеев, Д.А. Широкин // Тез. докл. межвуз. науч.-технич. конф. XXXII недели науки СПбГПУ, 24-29 ноября 2003 г. СПб. : СПбГПУ, 2004.-С. 120.

29. Поссе, А.В. Схемы и режимы электропередач постоянного тока / А.В. Поссе. — Л. : Энергия, 1973.-303 с.

30. Разевиг, В. Д. Система проектирования Oread 9.2 / В.Д. Разевиг. М. : Солон-Р, 2003.-528 с.

31. Мынцов, А.А. Инвариантность методики диагностирования к конструктивным особенностям объектов Электронный документ. / А.А. Мынцов. 2004 г. (www.vibration.ru / imd-koo / imd-koo.shtml). Проверено 10.12.2005.

32. Обнаружение дефектов подшипников качения Электронный документ. / Перевод материалов фирмы IRD. 2003 г. - (www.vibration.ru / obnardefekt.shtml). Проверено 10.12.2005.

33. Азовцев, Ю.А. Диагностика и прогноз технического состояния оборудования целлюлозно-бумажной промышленности в рыночных условиях / Ю.А. Азовцев, Н.А. Баркова, В.А. Доронин // Журн. целлюлоза, бумага, картон. 1999. - №5. - С. 39-43.

34. Марченко, Б.Г. Вибродиагностика подшипниковых узлов электрических машин / Б.Г. Марченко, М.В. Мыслович. Киев : Наук. Думка, 1992. - 195 с.

35. Генкин, М.Д. Виброакустическая диагностика состояния машин и механизмов / М.Д. Генкин, А.Г. Соколова. М.: Машиностроение, 1987. - 282 с.

36. Герике, Б.Л. Диагностирование технических устройств опасных производственных объектов / Б.Л. Герике и др.. Новосибирск : Наука, 2003. - 244 с.

37. Барков, А.В. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: учебное пособие / А.В. Барков, Н.А. Баркова, А.Ю. Азовцев. СПб. : СПбГМТУ, 2000. -158 с.

38. Сигачёва, В.В. Технические средства и методы виброакустической диагностики обрудования текстильной и легкой промышленности / В.В. Сигачёва, и др. ; под ред. В.А. Климова. М.: Легпромбытиздат, 1993. - 160 с.

39. Балицкий, Ф.Я. Современные методы и средства виброакустического диагностирования машин и конструкций / Ф.Я. Балицкий и др. ; под ред. К.В. Фролова. М., 1990. - 252 с.

40. Kliman, G.B. Induction Motor Fault Detection Via Passive Current Monitoring / G.B. Kliman, J. Stein // Proc Int Conf MIT (ICEM'90). Boston, USA, 1990. - P. 13-17.

41. Thomson, W.T. Case Histories of Rotor Winding Fault Diagnosis in Induction Motors / W.T. Thomson, D. Rankin // 21"1 Int Conf Proc on Condition Monitoring. University College Swansea, 1987, March.

42. Thomson, T.W. Current Signature Analysis to Detect Induction Motor Faults / T.W. Thomson, M. Fenger // IEEE Industry Application Magazine. 2001, July/August.

43. Thorsen, V. Dalva M. Condition Monitoring Methods, Failure Identification and Analysis for High Voltage Motors in Petrochemical Industry / V. Thorsen, M. Dalva // Proc 8a I EE Int Conf, EMD'97. University of Cambridge, 1997. -No.444. - P. 109-113.

44. Сергиенко, А.Б. Цифровая обработка сигналов / А.Б. Сергиенко СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

45. Хемминг, Р.В. Цифровые фильтры / Р.В. Хемминг М.: Недра, 1987. - 221 с.

46. Диагностический комплекс Импульс-8 Электронный документ. / ГУП ВЭИ им. В.И. Ленина. (http://www.vei.ru/ products / impuls / impuls.htm). Проверено 10.12.2005.

47. Звонарёв, С. Стендовый комплекс диагностики авиационных двигателей / С. Звонарёв, В. Поклад, А. Потапов // Журн. современные технологии автоматизации. -2002.-Вып. 1.-С. 42-47.

48. Система мониторинга работы управляемого электропривода бумагоделательной машины: инструкция по эксплуатации / ООО «Лаборатория автоматизированных систем» Москва.

49. Приводной преобразователь : инструкция по эксплуатации. SEWEURODRIVE, 08/1999.-С. 65-81.

50. Передовые технологии автоматизации : краткий каталог продукции. — ProSoft, 2001.- Вып. 6.0. 224 с.

51. Передовые технологии автоматизации : краткий каталог продукции. ProSoft, 2002.- Вып. 8.0. 272 с.

52. Носик, Л.А. Аварийный регистратор БАРС : характеристики и опыт эксплуатации / Л.А. Носик, Т.В. Собакарь, Э.А. Кондрычин // Журн. современные технологии автоматизации. 2001. - Вып. 3. - С. 52-57.

53. Прибор контроля силовых полупроводниковых приборов (ПКСПП) Электронный документ. / ГУП ВЭИ им. В.И.Ленина. (http://www.vei.ru / products / pkspp / pkspp.htm). Проверено 10.12.2005.

54. Система контроля и диагностики электронных устройств "КРОНА-5И" Электронный документ. // Научно-производственный комплекс КРОНА. -(http://www.npk-krona.ru /product / k51 l.htm). Проверено 10.12.2005.

55. Преобразователи частоты : технический каталог. Mitsubishi Electric, 2003/2004. -С. 15-23.

56. Хабенков, В.Г. Система контроля и диагностики электронных устройств / В.Г. Хабенков, А.А. Дружаев // Журн. промышленные контроллеры и АСУ. 2000. -№12.-С. 53-55.

57. Коновалов, М.Ю. Контрольно-диагностический комплекс электропривода бумагоделательного оборудования / М.Ю. Коновалов и др. // Инф. сооб. VIII Межд. науч.-техн. конф. PAP-FOR 2004,22-23 нояб. 2004 г. СПб., 2004 - С. 110-113.

58. Коновалов, М.Ю. Контрольно-диагностический комплекс электропривода бумагоделательного оборудования / М.Ю. Коновалов и др. // Журн. целлюлоза, бумага, картон. 2005. - №2. - С.58,59.

59. Дочвири, Дж. Н. Исследование динамики автоматизированных двухдвигательных электроприводов прессов бумагоделательных машин с учетом характеристик механических передач и обрабатываемого полотна : дис. канд. техн. наук: 05.09.03: Л.: ЛЭТИ, 1977.-254 с.

60. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. СПб.: Питер, 2002. - 668 с.