Метод диагностики асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве на основе анализа параметров их внешнего магнитного поля
На правах рукописи
Тонких Василий Геннадьевич МЕТОД ДИАГНОСТИКИ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ИХ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Барнаул 2009
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент С.О. Хомутов (ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический универ ситет им. И.И. Ползунова»)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Г.Я. Иванов (ГОУ ВПО «Новосибир ский государственный технический университет») кандидат технических наук, доцент Ю.А. Меновщиков (ФГОУ ВПО «Но восибирский государственный аграр ный университет»)
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Алтайский государст венный аграрный университет»
Защита диссертации состоится 25 июня 2009 года в 14-00 на заседа нии диссертационного совета Д 212.004.02 при Алтайском государствен ном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, факс (3852) 36-71-29.
http://www.altstu.ru, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского госу дарственного технического университета им. И.И. Ползунова.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя уче ного секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан 25 мая 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Л. В. Куликова
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Улучшению экономической эффективности процессов агропромышленного производства посвящено немало научных работ. В последние годы в нашей стране широко обсуждаются пути и ме тоды оптимизации производства, где отдельным аспектом идет внедрение наукоемких технологий в сельское хозяйство.
Неотъемлемым элементом любого технологического процесса явля ется электродвигатель. Именно надежность этого элемента зачастую опре деляет качество и количество выпущенной продукции, так как внезапный выход его из строя может привести к огромному финансовому ущербу.
Асинхронный двигатель является наиболее распространённым силовым элементом сельскохозяйственных приводов. По данным Госкомстата на 2008 год в сельском хозяйстве находилось 16 млн. двигателей, в том числе на хозяйство примерно 400 электродвигателей. Отказы электродвигателей вызывают нарушения технологических процессов, что наносит значитель ный ущерб народному хозяйству из-за недодачи продукции. Кроме того, для восстановления электродвигателей затрачивается большое количество времени.
В сельском хозяйстве электродвигатели находятся в сложных экс плуатационных условиях: тяжелые режимы работы, низкое качество элек троэнергии, пыль, влажность, агрессивные среды, колебания температуры и низкий квалификационный уровень обслуживающего персонала отрица тельно сказываются на их работоспособности. Так, при среднем сроке службы 10 - 15 лет (наработка 40 тысяч часов) около 20% электродвигате лей ежегодно выходят из строя. Средний ущерб от отказа электродвигате ля в сельском хозяйстве достигает порядка 3000 - 3500 руб., в животновод стве с поточным производством до 10000 руб.
Из вышесказанного можно сделать вывод об актуальности пробле мы повышения надежности электродвигателей. Одним из путей достиже ния этого является внедрение в производство современных средств диаг ностики. На сегодняшний день активно ведется разработка диагностиче ских методов, основанных на вибрации различных узлов привода. Однако данное направление не нашло широкого применения в агропромышленном комплексе по следующим причинам: вибродиагностика позволяет опреде лять дефекты подшипникового узла, эксцентриситета, и в меньшей степе ни - дефекты обмотки статора. При этом анализ отказов электродвигателей показывает, что до 80% электродвигателей в сельском хозяйстве выходят из строя из-за дефектов обмотки статора;
сложное и дорогостоящее диаг ностическое оборудование целесообразно использовать для диагностики высоковольтных электродвигателей, применение которых в сельском хо зяйстве невелико;
сложность интерпретации результатов. Поэтому разра ботка недорогих, простых в эксплуатации и точных методов диагностики электродвигателей задача весьма важная.
Таким образом, обозначена проблема низкой надежности электро двигателей в сельском хозяйстве и невозможности ее разрешения средст вами существующих диагностических методов.
Целью настоящей диссертационной работы является: разработка метода диагностики электродвигателей (ЭД), используемых в агропро мышленном производстве, на основе зависимости гармонического состава внешнего магнитного поля (ВМП) от степени развития дефектов.
Объект исследования. Процессы изменения формы внешнего магнит ного поля электродвигателя при развитии в нем различных дефектов.
Предмет исследования. Закономерности возникновения гармоник в спектре внешнего магнитного поля двигателя при развитии дефектов.
Основные задачи:
- теоретически исследовать принципы диагностирования ЭД на основе анализа параметров его внешнего магнитного поля;
- определить зависимость формы ВМП ЭД от развития различных де фектов в двигателе;
- создать лабораторный стенд, провести экспериментальные исследо вания для обоснования полученных результатов;
- разработать метод диагностики дефектов ЭД на основе анализа его ВМП;
- разработать экспертную систему автоматизированной оценки резуль татов диагностики ЭД.
Методы исследования При выполнении работы использовались методы математического мо делирования, математической статистики, математического анализа. Экс периментальная часть исследования выполнена с помощью компьютерно го моделирования и натурных экспериментов.
Научная новизна:
- теоретически определены зависимости возникновения гармоник в спектре ВМП ЭД в процессе эксплуатации, и обоснована связь между раз витием дефектов обмотки статора, подшипникового узла и характером спектра ВМП;
- экспериментально доказаны закономерности проявления гармоник ВМП при развитии дефектов в двигателе;
- предложен способ расчета весовых коэффициентов гармоник спектра ВМП ЭД при определении гипотезы изменения характера поля и развития дефектов в электродвигателе;
- разработан метод диагностики ЭД на основе связи процессов разви тия дефектов в ЭД и ВМП;
- разработан алгоритм функционирования экспертной системы, позво ляющий интерпретировать результаты диагностики электродвигателя при выявлении в нем дефектов;
- разработан алгоритм адаптации экспертной системы для конкретных производственных процессов с учетом основных воздействующих факто ров.
Практическая значимость. Использование полученных закономерно стей и современных средств вычислительной техники дало возможность изучить динамику процессов изменения спектра ВМП ЭД при развитии в нем дефектов. Разработан метод диагностики ЭД на основе полученных связей между характером ВМП и различными дефектами двигателя, кото рый может успешно использоваться в агропромышленном производстве.
Предложена техническая реализация способа диагностики электродвигате лей по характеру спектра ВМП. Разработана и реализована экспертная сис тема, позволяющая значительно повысить эффективность использования диагностического метода.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты работы использованы и внедрены на объектах агропромышленного ком плекса Алтайского края, а именно: ООО «ТОУРАК» Алтайского района, ООО «Техноград» Первомайского района, ОАО «ФСК ЕЭС» филиале За падно-Сибирского предприятия магистральных электрических сетей, Бар наульским филиалом ОАО «Кузбассэнерго» Барнаульской ТЭЦ-1, Барна ульской ТЭЦ-2, Барнаульской ТЭЦ-3, ООО «Сибпромо».
Апробация. Основные положения были доложены и одобрены на IX Всероссийском семинаре «Нейроинформатика и ее приложения» (Красно ярск, 2003 г.), III Всероссийской научно-технической конференции «Про блемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике» (Пенза, 2003 г.), V Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт - Петербург, 2003 г.), Всероссийской конфе ренции аспирантов и студентов по направлению «Энергетика и энергосбе режение» (Барнаул, 2005 г.), второй Международной научно-технической конференции «Автоматизация машиностроительного производства, техно логия и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2006 г.), четвертой Международной научно-технической конференции «Электриче ская изоляция - 2006 (Санкт-Петербург, 2006 г.), ежегодных научно технических конференциях студентов, аспирантов и профессорско преподавательского состава АлтГТУ (Барнаул, 2003-2007 гг.).
На защиту выносятся:
- закономерности возникновения гармоник в спектре ВМП ЭД при раз витии в нем дефектов;
- способ расчета весовых коэффициентов гармоник спектра ВМП ЭД при определении гипотезы развития дефектов в электродвигателе;
- метод диагностики ЭД на основе анализа их внешнего магнитного поля и его техническая реализация;
- алгоритм функционирования экспертной системы, позволяющий оп ределять состояние электродвигателя по результатам диагностики без вмешательства пользователя.
Публикации. По материалам проведенных исследований опубликова но 19 печатных работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная ра бота состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использо ванной литературы, включающего 82 наименования. Работа изложена на 181 странице машинописного текста, содержит 48 рисунков и 21 таблицу.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформули рованы цель и задачи работы, изложены основные положения диссерта ции, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации основных результатов работы.
В первом разделе приведены результаты анализа современного со стояния электрооборудования в АПК, общие сведения о парке электродви гателей, применяющихся в сельском хозяйстве.
Проанализированы условия работы ЭД в агропромышленном комплек се. Выделены основные факторы, отрицательно воздействующие на про цессы старения изоляции, и как следствие - на срок службы двигателя.
Проведен анализ основных причин отказов ЭД. Выявлено, что основ ной причиной отказов являются дефекты обмотки статора ЭД.
Проведен обзор существующих методов диагностики электродвигате лей. Показаны их сильные и слабые стороны, и сделан вывод о причине отсутствия массового внедрения их в производство.
В результате проведенного комплексного анализа проблемной ситуа ции, обусловленной незначительным использованием новейших средств диагностики электродвигателей, сделан вывод о том, что существующие методы диагностики по тем или иным причинам не могут широко исполь зоваться в сельскохозяйственных предприятиях. Наряду с этим обозначены предпосылки создания нового метода диагностики, позволяющего повы сить экономическую эффективность технологических процессов.
Второй раздел посвящен определению источников внешнего магнит ного поля электродвигателя и теоретическим основам диагностики ЭД с помощью анализа изменения магнитной индукции ВМП. Обосновано, что ВМП ЭД – это суммарное магнитное поле, создаваемое различными час тями двигателя и экраном. Доказано, что основными первичными источни ками переменного ВМП асинхронных двигателей являются обтекаемые током обмотки статора и ротора.
Вращающееся магнитное поле электрической машины было пред ставлено в виде двух пульсирующих во взаимно перпендикулярных на правлениях полей:
M MX (2.1) M MY M M cos(t M ) M MZ M M sin( t M ).
Для простоты рассмотрим ВМП по одной оси (например, Z).
Текущее значение магнитной индукции в зазоре машины B F, (2.2) F где – текущее значение магнитодвижущей силы, – текущее значение магнитной проводимости элемента воздушного зазора.
Считаем, что ротор расположен симметрично относительно статора, тогда k k, (2.3) где к – коэффициент воздушного зазора (коэффициент Картера);
к – коэффициент, учитывающий насыщение зубцовой зоны.
Основная гармоника намагничивающей силы в машине переменного тока F F0 cos t p, (2.4) где – частота вращения магнитного поля статора.
Получаем выражение B B m cos t p, (2.5) где B m Fm 0 – максимальное значение основной гармоники магнитной индукции при симметричном приведенном зазоре.
Появление спектра гармоник магнитной индукции в воздушном за зоре приводит к появлению аналогичного спектра во внешнем магнитном поле машины. Учитывая то обстоятельство, что индукция внешнего маг B, n R нитного поля с удалением от источника спадает по закону где n – порядок гармонической составляющей индукции ВМП ЭД. Считаем, что можно пренебречь гармониками частотой выше 600 Гц в связи с их быстрым спаданием. Так как ВМП машины экранируется корпусом, это должно быть учтено, например, с помощью коэффициента экранирования kэ. Тогда радиальную индукцию ВМП машины можно записать в виде:
B R B 0 cos t p, где B 0 k э B m.
Таким образом, можно предположить, что индукция ВМП безде фектного двигателя изменяется по синусоидальному закону во времени.
Был произведен ряд опытов на новых электродвигателях различных пара метров и получены следующие зависимости изменения индукции ВМП во времени (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Качественная картина изменения индукции ВМП бездефектного двигателя во времени Теоретические исследования впоследствии были подтверждены экспери ментом.
Магнитная индукция внешнего магнитного поля электрических ма шин в значительной мере определяется различного рода несимметриями обмоток и магнитной системы. Это в первую очередь относится к много полюсным машинам, собственное магнитное поле которых имеет мульти польный характер, определяемый числом пар полюсов. Несимметрии на рушают этот мультипольный характер индукции внешнего магнитного по ля, вызывая спектр ее пространственных гармоник.
Одной из несимметрий, существенно влияющих на уровень внешне го магнитного поля электрических машин, является несимметрия основно го воздушного зазора, вызванная, в частности статическим эксцентрисите том ротора. Статический эксцентриситет ротора является наиболее часто встречающимся видом несимметрии в электрической машине. Причины его появления – неточность установки ротора относительно расточки ста тора и выработка подшипников в процессе эксплуатации. Анализ (2.6) по казывает, что наличие статического эксцентриситета ротора приводит к появлению в зазоре электрической машины спектра гармоник магнитной индукции с порядком выше и ниже основной.
B B m cos(t p ) 1 0.5 2...
0.5 B m cos(t p 1 ) 1 0.75 2...
0.5 B m cos(t p 1 ) 1 0.75 2... (2.6) 0.25 B m cos(t p 2 ) 2 1 2...
0.25 B m cos(t p 2 ) 2 1 2......
Наиболее ярко выраженными являются гармоники порядка (р-1) и (р+1), где p – основная гармоника индукции ВМП ЭД (50 Гц). Теоретиче ские выкладки подтверждаются экспериментальными данными. Чем больше отличие порядка гармоники от основной, тем меньше её уровень, что связано с числовым коэффициентом при Bm и с возрастающей степе нью относительного эксцентриситета, который всегда меньше единицы.
Таким образом, наличие дефектов статора, а также дефектов под шипникового узла приводит к появлению во внешнем магнитном поле электрических машин пространственных гармоник, порядок которых ниже порядка основной пространственной гармоники и которые в значительной мере определяют характер изменения индукции внешнего магнитного поля электрической машины во времени.
Наряду с нарушением эксцентриситета ротора в работе были рас смотрены дефекты обмотки статора ЭД. При возникновении данных неис правностей нарушаются электрическая и магнитная симметрии обмоток статора и, как следствие этого - нарушается симметрия индукции третьей гармоники в фазных обмотках.
В этих случаях индукции третьих гармоник в трех фазах статора представляют уже несимметричную систему и их сумма не равняется ну лю. В результате этого в пространстве воздушного зазора машины появля ется результирующая индукция частоты 3f1, (f1 – частота сети).
При возникновении межвитковых и межфазных замыканий в об мотке статора в повреждённых фазных обмотках для токов третьей гармо ники образуется отдельный самостоятельный замкнутый контур, где они будут циркулировать. Подобно эффекту, получаемому при соединении об мотки в треугольник, в поврежденных фазных обмотках должна происхо дить частичная компенсация высших гармонических составляющих, в том числе третьих гармонических. Благодаря этому в фазных величинах по врежденных фаз значение данных гармоник должно уменьшаться по мере увеличения тока в короткозамкнутом контуре, т. е. по мере усиления сте пени тяжести этих повреждений.
Одновременно электрические замыкания в фазных обмотках долж ны привести к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом кон туре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту резуль тирующего потока от токов третьей гармоники.
Зная, что появление спектра гармоник магнитной индукции в воз душном зазоре приводит к появлению аналогичного спектра во внешнем магнитном поле машины, можно сделать вывод, что признаком межвитко вых и межфазных замыканий является наличие третьей и кратных ей гар моник во ВМП ЭД.
В третьем разделе проведен комплекс экспериментальных исследо ваний, направленных на обоснование зависимостей между характером из менения индукции ВМП ЭД во времени и степенью развития различных дефектов.
Для достижения цели была создана лабораторная установка, вклю чающая в себя:
Асинхронный двигатель;
Датчик;
Экранированный кабель;
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
Персональный компьютер (ПК);
Программное обеспечение на ПК.
Структурная схема лабораторной установки изображена на рисунке 3.1.
Персональный компьютер устрой- устройство Датчик ЭД ство за АЦП обработки писи Рисунок 3.1 – Структурная схема экспериментального стенда Магнитная индукция ВМП ЭД воздействует на первичный преобра зователь (датчик), в результате чего в датчике генерируется аналоговый сигнал. Аналоговый сигнал с датчика подается на вход АЦП. Во время аналого-цифрового преобразования дискретные отсчеты преобразуются в последовательность чисел, причем поток цифровых данных, представ ляющий сигнал, включает как полезные, так и нежелательные высокочас тотные компоненты и помехи. Для фильтрации высокочастотных помех полученные цифровые данные пропускаются через цифровой фильтр.
Оцифрованный сигнал характеризуется такими величинами, как частота дискретизации и величина квантования. Для записи и предварительной оценки сигнала был использован программный продукт CoolEdit Pro 2.1.
Для анализа гармонического состава сигнала была использована програм ма PowerGraph 3.3 (рисунок 3.2). Для спектрального анализа в программе «PowerGraph» используется алгоритм «Быстрое преобразование Фурье».
Спектроанализатор позволяет строить различные типы спектральных гра фиков, проводить дополнительные статистические вычисления в заданных частотных полосах.
Для изучения процессов изменения ВМП ЭД применялось модели рование дефектов изоляции статора ЭД.
Разница между моделью и реальным процессом заключается в про должительности развития дефекта. Ухудшение изоляции статора ЭД про исходит при продолжительной эксплуатации, перегрузках и прочих не нормальных режимах. Процесс этот может растягиваться на долгое время, что значительно затрудняет исследования. Искусственные замыкания в обмотках статора создавались при помощи специальных предварительно выведенных из лобовой части обмотки статора выводов. Для имитации пе реходного сопротивления изоляционного слоя в точке замыкания эти вы воды замыкаются через регулируемое активное сопротивление.
Это позволяет регулировать значение тока в короткозамкнутом кон туре и получать различные степени тяжести исследуемых повреждений, которые создаются путем изменения тока в короткозамкнутом контуре. Ре зультаты проведенных экспериментов приведены на рисунках 3.3 – 3.5.
Рисунок 3.2 – Основное рабочее окно программы PowerGraph 3. Рисунок 3.3 – Гармонический состав индукции ВМП ЭД без дефекта Рисунок 3.4 – Гармонический состав индукции ВМП ЭД в точке наибольшей амплитуды сигнала при межвитковом замыкании Рисунок 3.5 – Гармонический состав индукции ВМП ЭД в точке данного раздела является нахождение зависимостейзамыкании наибольшей амплитуды сигнала при межфазном между показ В ходе описанных лабораторных исследований, проведенных в Алтай ском государственном техническом университете им. И. И. Ползунова пу тем ускоренного старения изоляции ЭД, моделирования витковых и меж фазных замыканий обмоток, была доказана зависимость между спектром гармоник индукции внешнего магнитного поля электрического двигателя и видом дефекта. Результаты данных исследований позволили установить, что анализ спектра индукции внешнего магнитного поля асинхронного двигателя дает возможность получить достоверную информацию не только о виде дефекта, но и о степени его развития.
Четвертый раздел посвящен формализации метода диагностирования ЭД и экспертной системы, позволяющей определять характер повреждения двигателя по результатам диагностики. В разработанном методе диагно стики использованы принципы зависимости изменения индукции внешне го магнитного поля электродвигателя от развития в нем дефектов.
При обследовании двигателей производились замеры общего уровня индукции внешнего магнитного поля ЭД, регистрировался ее спектраль ный анализ и фиксировались формы полученных сигналов. Средствами информационно-логического анализа строились каналы связи и оценива лось количество информации о дефектах ЭД, содержащейся в гармониках ВМП ЭД.
На основе информационного анализа удалось получить следующие результаты:
- построить оптимальную «классификацию» явлений и параметров для данных исследований (величина шага ранга, количество рангов и т.д.);
- выявить область значений параметра, где явление устойчиво (ин вариантно);
- определить меру зависимости явления от каждого состояния па раметра, от параметра в целом и от совокупности состояний параметров;
- исключить параметры, связанные с явлением косвенно, в основ ном в результате взаимной связи с некоторым третьим явлением;
- на основании выявленных связей создать возможность для науч ной постановки опытов по изучению данного явления.
Информационный анализ является лишь первым шагом в обработке материала. Но установление формы логической зависимости явления от рассматриваемого набора параметров разрешается с применением функ ций многозначной логики. В результате обработке данных, полученных экспериментальным путем, информационно - логическим анализом были получены следующие зависимости: для межфазного замыкания f=Kf9 Kf1 V (Kf3 Kf7) Kf5 (4.1) для междувиткового замыкания f=Kf9 V (Kf1 Kf5) Kf3 V Kf7 (4.2) Заключительным этапом стало сопоставление теоретических и на блюдаемых распределений частот различных значений. Результатом ис следований является алгоритм, где входными параметрами будут некото рые значения различных факторов (Kfi), а выходным параметром будет значение функции.
Полученные зависимости легли в основу метода диагностики. Уда лось добиться диагностирования неисправностей подшипникового узла ЭД, а также определения дефектов обмотки статора двигателя. Весь воз можный диапазон значений уровня дефектности разбит на четыре ранга (I ранг – дефект отсутствует;
II ранг – незначительный уровень развития дефекта;
III ранг – высокий уровень развития дефекта, необходимо сроч ное ТО;
VI ранг – критическое развитие дефекта, не допустима дальнейшая эксплуатация). Используя полученные зависимости, был проведен ряд ис пытаний и получена значительная база знаний, достаточная для построе ния на ее основе экспертной системы. На рисунке 4.1 приведена блок – схема экспертной системы. В аналитическом блоке, на основе полученных в третьем разделе зависимостей на базе информационно-логического ана лиза, разработан алгоритм построения канала связи между развитием де фектов ротора и статора электродвигателя и спектром его внешнего маг нитного поля.
Раздел априорных данных является основой при построении канала связи. Сбор данных проводился на различных предприятиях Калманского, Первомайского и Алтайского районов аграрного комплекса Алтайского края, а также при моделировании развития дефектов в лаборатории. Пра вильное ранжирование – разбиение всей совокупности данных на отдель ные сегменты (ранги) - ключевой момент в определении точности и досто верности прогноза. Однако эти показатели имеют между собой обратную зависимость, т.е. увеличение точности прогноза неизменно приведет к снижению его достоверности. Поиск оптимального соотношения является отдельной проблемой, требующей разработки дополнительных алгорит мов, реализованных, например, при помощи нейросетей. На сегодняшний день в системе реализована возможность изменения рангов вручную на усмотрение пользователя.
Еще одним важным разделом предлагаемого алгоритма является анализ данных – это раздел предлагаемой системы, в котором производит ся оценка информативности гармоник спектра и определение рабочей ги потезы. Для оценки рабочей гипотезы необходима контрольная выборка (КВ), которая должна обладать необходимым разнообразием (быть пред ставительной), а также эти данные не должны входить в априорную базу данных. Если результаты расчета при помощи рабочей гипотезы не опро вергают данные КВ, то гипотеза утверждается. Иначе необходимо произ вести изменения рабочей гипотезы.
Рассмотренная система позволяет оценить количественно гармоники спектра, определяющие развитие того или иного дефекта. Большую слож ность при этом вызывает ограниченное количество априорных данных, по этому в системе реализована возможность адаптации, алгоритм которой изображен на рисунке 4.2. Данная возможность позволяет накапливать опыт, автоматически анализировать данные при изменении базы априор ных значений, и как следствие - изменять рабочую гипотезу без вмеша тельства пользователя.
Практическая реализация алгоритма осуществлена средствами языка программирования Delphi 2006.
Определение ранжирования Аналитический блок Априорные дан Анализ дан ные Рабочая ных гипотеза Контрольная выборка Изменение гипо тезы в ручную Производится оценка состояния электродвигателя расчета данные Исходные для Спектр ВМП Рабочий блок Рисунок 4.1 - Блок – схема экспертной системы Добавление информации в апри- Анализ изменения дан орную базу данных ныхизменение коэффициен тов Да/нет Изменение гипотезы Да/нет Контрольная выборка (про верка) Рабочий блок Рисунок 4.2 - Алгоритм адаптации экспертной системы Таким образом, при анализе ситуации, сложившейся в агропромыш ленном комплексе, было выявлено, что показатели надежности установ ленного в данном секторе производства электрооборудования являются неудовлетворительными, планирование отсутствует, а ремонты происхо дят на 85 % по факту выхода из строя электродвигателей, что влечет за со бой значительные убытки от простоя оборудования. Наиболее рациональ ным путем решения сложившейся ситуации является разработка метода, позволяющего наиболее точно и всесторонне оценить фактическое состоя ние электродвигателя при наименьших затратах, а также создание эксперт ных систем для оценки результатов диагностики, с целью повышения эф фективности использования метода.
Основные выводы и результаты исследований 1. Установлено, что внешнее магнитное поле электрических машин в значительной мере определяется различного рода несимметриями обмоток статора и магнитной системы. Несимметрии, обусловленные возникшими дефектами, изменяют характер внешнего магнитного поля, вызывая спектр пространственных гармоник индукции, что дает возможность использо вать индукцию ВМП для диагностирования ЭД.
2. Теоретически доказана зависимость между наличием в двигателе дефектов и проявлением определенных гармоник в спектре ВМП ЭД, а именно:
1) наличие статического эксцентриситета ротора приводит к появ лению во внешнем магнитном поле электрических машин пространствен ных гармоник, порядок которых ниже порядка основной пространственной гармоники и которые в значительной мере определяют уровень внешнего магнитного поля электрической машины;
2) наличие во ВМП ЭД гармоник k-1 и k+1, где k – основная гармо ника, может служить диагностическим признаком выработки подшипни ков;
3) наличие во ВМП ЭД гармоник 3k может служить диагностиче ским признаком межвитковых и межфазных замыканий обмотки статора.
3. Создан лабораторный стенд, реализующий физическую модель процессов дефектообразования в ЭД. Проведены экспериментальные ис следования, подтвердившие полученные зависимости формы ВМП ЭД от развития различных дефектов в двигателе. Экспериментально доказано, что наличие во ВМП АД гармоник, кратных 3k, где k – основная гармони ка, является диагностическим признаком межвитковых и межфазных за мыканий обмотки статора;
проявление гармоник кратных 2k является при знаком эксцентриситета ротора двигателя. Обосновано, что ВМП АД наи более сильно проявляется в плоскости, перпендикулярной оси вала ротора.
4. На основе полученных результатов разработаны основные принци пы регистрации ВМП двигателей, интерпретации полученных результатов и суждения о наличии в двигателе дефектов. Данные принципы явились основой нового метода диагностики асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве на основе анализа параметров их внешнего магнитного поля. Достоверность результатов диагностики данного метода составляет 92 %.
5. На базе информационно-логического анализа разработан алгоритм экспертной системы, позволяющей интерпретировать результаты диагно стики, а также алгоритм адаптации диагностического метода под различ ные производственные процессы в сельском хозяйстве. Данные алгоритмы были реализованы в виде программного продукта, который сделал воз можным использовать результаты исследования на практике.
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК России для публикации научных результатов диссертационных исследований 1. Хомутов С. О. Пути дальнейшего развития системы организацион но-технических мероприятий обеспечения эксплуатационной надежности электродвигателей [Текст] / С. О. Хомутов, В. Г. Тонких // Ползуновский вестник. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2005. – № 4. – Ч. 3. – С. 223-229.
2. Хомутов, С. О. Количественная оценка вероятности безотказной ра боты электрического двигателя с учетом влияния условий его эксплуата ции [Текст] / С. О. Хомутов, В. Г. Тонких // Ползуновский вестник. – Бар наул : Изд-во АлтГТУ, 2005. – № 4. – Ч. 3. – С. 276-280.
3. Хомутов, С. О. Применение информационно-логического анализа при изучении влияния дефектов асинхронного двигателя на спектр его внешнего магнитного поля [Текст] / С. О. Хомутов, В. Г. Тонких // Соци альные, информационные и энергетические проблемы региона : Бюллетень оперативной научной информации. Приложение к журналу «Вестник Том ского государственного университета». – Томск : ТГУ, 2006. – С. 32-38.
Статьи в других изданиях 4. Рыбаков, В. А. Система оценки и повышения надежности электро двигателей [Текст] / В. А. Рыбаков, В. Г. Тонких // Нейроинформатика и ее приложения : материалы XI Всероссийского семинара. – Красноярск : Изд во СО РАН, 2003. – С. 135-136.
5. Хомутов, С. О. Автоматическая система планирования ремонта электродвигателей с использованием элементов экспертной системы диаг ностики и моделирования их технического состояния [Текст] / С. О. Хому тов, В. А. Рыбаков, В. Г. Тонких // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : Сборник статей III Всероссийской на учно-технической конференции. – Пенза : Приволжский дом знаний, 2003.
– С. 38-40.
6. Хомутов, С. О. Применение информационно-логического анализа при изучении стохастических систем на примере оценки надежности меж витковой изоляции асинхронных двигателей [Текст] / С. О. Хомутов, В. Г. Тонких // Научно-технические проблемы прогнозирования надежно сти и долговечности конструкций и методы их решения : труды V Между народной конференции – СПб. : изд-во СПбГПУ, 2003. – С. 545-548.
7. Рыбаков, В. А. Создание модели надежности электрооборудования в зависимости от условий эксплуатации [Текст] / В. А. Рыбаков, В. Г. Тонких // XV Международная интернет-конференция молодых уче ных, аспирантов и студентов по современным проблемам машиноведения.
– М., 2004. – Режим доступа: //www.imash.ru/conf/tesys/sec8/Rybakov.doc. – Загл. с экрана.
8. Хомутов, С. О. Моделирование стохастических процессов в слож ных системах на примере оценки надежности межвитковой изоляции асинхронных двигателей [Текст] / С. О. Хомутов, В. Г. Тонких // Пробле мы информатики в образовании, управлении, экономике и технике : сбор ник статей III Всероссийской научно-технической конференции. – Воро неж: Изд-во "Научная книга" 2004. – С. 206.
9. Тонких, В. Г. Определение надежности обмотки статора асинхрон ного двигателя методом анализа его внешнего электромагнитного поля [Текст] / В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Автоматизированная подготовка машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы Международной научно технической конференции. – Вологда : ВоГТУ, 2005. – С. 243.
10. Веденев, В. Н. Оценка технического состояния электрических дви гателей на основе системного анализа характеристик их магнитного поля [Текст] / В. Н. Веденев, В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Измерение, кон троль, информатизация: материалы Седьмой Международной НТК. – Бар наул : АлтГТУ, 2006. – С. 255.
11. Алексеенко, А. Ю. Моделирование внешнего магнитного поля асинхронного двигателя с учетом процессов дефектообразования [Текст] / А. Ю. Алексеенко, В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Измерение, контроль, информатизация : материалы Седьмой Международной НТК. – Барнаул:
АлтГТУ, 2006. – С. 256.
12. Алексеенко, А. Ю. Диагностика и прогнозирование состояния асинхронных двигателей на основе использования параметров их внешне го электромагнитного поля [Текст] / А. Ю. Алексеенко, О. В. Бродский, В. Н. Веденев, В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Надежность работы электри ческих машин: Вестник Алтайского государственного технического уни верситета им. И.И. Ползунова №2. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2006. – С.
24-27.
13. Тонких, В. Г. Информативность спектра внешнего магнитного по ля асинхронного двигателя [Текст] / В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Авто матизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы второй Международной на учно-технической конференции. Т. II. – Вологда : Изд-во ВоГТУ, 2006. – С. 217-218.
14. Алексеенко, А. Ю. Диагностика асинхронных двигателей на осно ве использования параметров спектра их внешнего магнитного поля [Текст] / А. Ю. Алексеенко, О. В. Бродский, В. Н. Веденев, В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Наука и молодежь : Труды 3-й Всероссийской научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых – Го ризонты образования. – Барнаул, 2006. –Вып.8.–Режим доступа : http :
//edu.secna.ru /main/review/2006 /n8/nim2006 /nim2006.htm – Загл. с экрана.
15. Веденев, В. Н. Методика диагностики асинхронных электродвига телей с короткозамкнутым ротором на основе анализа их внешнего маг нитного поля [Текст] / В. Н. Веденев, М. Ю. Кононенко, В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Наука и молодежь : Труды 3-й Всероссийской научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых – Го ризонты образования. – Барнаул, 2006. – Вып.8. – Режим доступа : http :
//edu.secna.ru /main/review/2006 /n8/nim2006 /nim2006.htm – Загл. с экрана.
16. Тонких, В. Г. Повышение эффективности ремонтов электродвига телей путем создания экспертной системы оценки их состояния и остаточ ного ресурса на основе использования результатов диагностики [Текст] / В. Г. Тонких, С. О. Хомутов // Вузовская наука – региону: материалы 4-й всероссийской научно-технической конференции. – Вологда : ВоГТУ, 2006. – С. 145-146.
17. Тонких, В. Г. Исследование влияния параметров изоляции обмоток статора асинхронного двигателя на характер его внешнего магнитного по ля [Текст] / В. Г. Тонких, В. Н. Веденев, С. О. Хомутов // Электрическая изоляция – 2006 : труды четвертой Международной научно-технической конференции. – СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2006. – С. 228-230.
18. Тонких, В. Г. Исследование процессов изменения формы внешнего магнитного поля электродвигателя при развитии в нем различных дефек тов [Текст] / В. Г. Тонких // Измерение, контроль, информатизация : мате риалы Девятой Международной НТК. – Барнаул: АлтГТУ, 2006. – С. 56.
19. Хомутов, С. О. Ситуационное планирование ремонтов электродви гателей на основе их электромагнитной диагностики [Текст] / С. О. Хомутов, В. А. Рыбаков, В. Г. Тонких. – Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2007. – С. 226.
Подписано в печать 22.05.2009. Формат 60х84 1/16.
Печать – цифровая. Усл.п.л. 1,16.
Тираж 100 экз. Заказ 2009 - Отпечатано в типографии АлтГТУ, 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, тел.: (8–3852) 36–84– Лицензия на полиграфическую деятельность ПЛД №28–35 от 15.07.97 г.