CC BY
76
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.313.33:62-83
В.Г. Каширских
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ГОРНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ИХ ДИНАМИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
Эффективность работы угледобывающих предприятий в значительной степени определяется надежностью основного технологического оборудования, производящего разрушение и транспортирование угля и горной породы. Для шахт - это очистные и проходческие комбайны, скребковые и ленточные конвейеры, в которых в основном применяется нерегулируемый асинхронный электропривод.
Обеспечение высокой эксплуатационной надежности электроприводов горных машин (ЭПГМ) является трудной задачей в связи с особыми условиями работы в подземных выработках шахт, специфики технологического процесса и случайного характера резкопеременных нагрузок с большим разнообразием режимов работы, сопровождающихся повышенными вибрационной и ударной нагрузками во всех элементах ЭПГМ.
Эксплуатационная надежность ЭПГМ является системным понятием, так как она определяется уровнем надежности при проектировании и изготовлении, условиями эксплуатации и качеством обслуживания. В подавляющем большинстве случаев эксплуатационная надежность отечественных ЭПГМ значительно ниже проектной, что, в основном, обусловлено несоответствием условий эксплуатации и обслуживания требуемым в нормативно-технических документах (НТД) условиям. В результате это ведет к ускоренному исчерпанию ресурса оборудования, поломкам, авариям и большому экономическому ущербу.
Основой технического обслуживания и ремонтов (ТОР) ЭПГМ в настоящее время является система планово-предупредительных ремонтов (ППР), которая устанавливает содержание, объем и периодичность проведения ТОР в соответствии с НТД. Эта система является дорогостоящей и недостаточно эффективной, поэтому необходим переход от нее к более совершенной системе - обслуживанию оборудования по его фактическому состоянию на основе периодического или постоянно действующего функционального диагностирования. Такой переход является очевидным, однако он требует применения достоверной и надежной системы технического диагностирования, позволяющей в процессе работы оборудования обна-
руживать на этапе зарождения возникающие неисправности и заранее принимать необходимые меры по их устранению. При этом исключается необходимость в частичной или полной разборке оборудования для определения его технического состояния.
Известные методы функционального диагностирования, основанные на спектральном анализе токов и напряжений статора, виброакустических и электромагнитных полей АД требуют применения специальной дорогостоящей аппаратуры, поэтому их использование для оперативного контроля состояния АД, работающих в подземных условиях угольных шахт в составе ЭПГМ, крайне ограниченно.
Для функционального диагностирования асинхронных электродвигателей горных машин нами предлагается использовать информацию, которая может быть получена при мониторинге параметров и состояния АД, основанном на его динамической идентификации [1-3 и др.].
Асинхронный электродвигатель при этом представляется в виде компьютерного аналога на основе математической модели АД, позволяющего анализировать процессы, происходящие в двигателе. Для работы моделирующей системы используются измеряемые в процессе работы токи и напряжения статора АД, а также частота вращения ротора в случае использования статического режима.
Для динамической идентификации АД мы использовали модель в виде обобщенной электрической машины [4], уравнения которой в комплексной форме имеют следующий вид:
и1 = 11Я1 +'Т1 + 7 ■ткТ1 ;
и2 = 12Я2 +У/2 + ~ Раг)^2 ;
м = 2р • 1т{^*11); <ъг = 1(М ±мс);
¥1 = 11Ь1 + Ь2Ьт ; ¥2 = 11Ьт + L2L2 ;
Ь1 =1т + Ьи1 ; Ь2 = 1т + Ьи2 ,
где и1, и2, II, 12, ¥1, Ч/2 - соответственно векторы напряжений, токов и потокосцеплений обмоток статора и ротора; сок, <аг - угловые частоты вращения координатных осей и ротора; Я], Я2, Ь], Ь2 -
4
В.Г. Каширских
активные сопротивления и индуктивности обмоток статора и ротора; Ьт - индуктивность цепи намагничивания; Ьа1, Ьа2 - индуктивности рассеяния обмоток статора и ротора; М - электромагнитный момент; Мс - момент сопротивления на валу; / -момент инерции ротора; р - число пар полюсов.
Здесь индекс 1 соответствует принадлежности параметра или переменной к статору, а индекс 2 -к ротору. Индекс (*) показывает, что вектор является сопряженным. Принятые в модели допущения соответствуют стандартным допущениям обобщенной электрической машины. Адекватность такой модели для решения большинства практических задач подтверждается многими исследователями.
Динамическая идентификация АД производится в процессе функционирования путем определения его параметров (Я], Я2, Ь1, Ь2, Ьт, Ьа1, Ьа2) и состояния (¥1, ¥2, ¥п, Мс, сог) на основе методов оценивания - метода наименьших квадратов и расширенного фильтра Калмана. Исходными данными при этом являются параметры цепи намагничивания магнитопровода и момент инерции ротора, определяемые по результатам предварительной идентификации на основе испытания АД на холостом ходе. Использовалась также идентификация АД на основе искусственных нейронных сетей и другие методы.
Математическая модель состояния АД с использованием координатных осей а, р при динамической нагрузке имеет следующий вид:
х(к+1) = К х(к),и(к),а(к),у(к),к);
Х = ¥'2а¥2р(°гЯ-1Я-2Мс Ґ ]
/(х,и,а,у,к) = [Ї1,Ї2,Ї3,Ї4,Ї5,Ї6]Т =
¥2а + (^— Я2^2а — рюг¥2р + ¡1а^Тк
'2р+[- Я^Г2р - Р^г¥2а + ^¡1^
Я2
Т2
1 ( 3Ц
¥
Р(¥2^1р — ¥2р1а — Мс \Тк
Я1
Я2
Мс
где х - вектор состояния системы; и - вектор наблюдаемого входного сигнала; а - вектор параметров объекта; V - вектор входного неизмеряемо-го шума; ¡1а ¡1р- компоненты вектора тока статора; ¥2а, - компоненты вектора потокосцепле-
ния ротора; Тк - период квантования; к = 0, 1, 2 ...
Полученные выражения описывают состояние ротора, вектор которого включает в себя потокос-цепление и частоту вращения ротора, а также расширен параметрами - активными сопротивлениями статора и ротора и внешним воздействием
Мс. Математическая модель состояния АД представлена в виде, необходимом для использования расширенного фильтра Калмана.
Соответствующая ей математическая модель цепи измерения также после преобразований в окончательном виде может быть записана так:
У(к) = £(х(
(к)> и(к), а(к), П(к), к); У = [и1а и1р]
£( х,и,а,п,к) =
£1
£2.
Я2ь,
2^т
2 ^ 2а г~г г
Т 2
^2а— Р^г-Г: *2Р
+
(
+
Я1 + Я
г2 ^
2 7Т
¡1а +
Т1Т2 Тп
'¡1а
Тп
Я-.Т
ЯітГ2р+ рШгТг Г2а +
+
Я
тП ^
+Я2Тгт
Т
2
¡1Р
+
Т1Т2 —Тп
Т
2
-¡1Р
где у - вектор наблюдаемого выходного сигнала; п - вектор помех измерений; и1а и1р - компоненты вектора напряжения статора.
Для работы модели используются измеренные значения токов и напряжений обмотки статора в дискретные моменты времени, преобразованные в составляющие по осям а, ¡.
Эти и другие модели для определения остальных параметров и переменных АД, не представленные здесь из-за ограниченного объема статьи, входят в разработанную нами комплексную систему идентификации АД, которая представляет собой совокупность наблюдающих устройств, реализованных в виде программ, позволяющих путем вычислений определять текущие значения искомых величин, которые обычным образом измерить невозможно. Максимальное время определения одной величины при этом не превышает 20 мс.
В систему идентификации входят два независимых алгоритма - для статического и динамического режимов работы АД.
Первый алгоритм позволяет определить вектор параметров и переменных АД О =[4*1,4*2, ¥м, Я1, Я2, Ь1, Ь2, Тт, Ь^, ¿2а, ], а второй - вектор
О =
¥1, ¥ ¥1т, 12, Я1, Я2, Т*1, Т*2, Ьт, ®г, Мс
Здесь Т*1, Т*2 - переходные индуктивности статора и ротора.
Статические режимы работы характерны для таких горных установок, как, например, вентиляторы, насосы, подъемные машины, а динамические - для очистных и проходческих комбайнов, скребковых конвейеров, работающих со случайной резкопеременной нагрузкой.
Комплексная система идентификации АД является хорошей основой для создания устройства
2
компьютерного мониторинга, результаты которого далее могут быть использованы для решения ряда задач в асинхронном электроприводе горных машин. В структуру экспериментального образца этого устройства входит совокупность наблюдателей, объединенных управляющим устройством, производящим сканирование параметров и переменных АД, накапливающая матрица, анализатор текущих значений и их приращений относительно значений предыдущих тактов и матрица с набором эталонных значений, которые вводятся в нее в начале эксплуатации заведомо исправного АД. Отличительной особенностью данного устройства является то, что оно реализовано в основном программным образом, а физически состоит лишь из ноутбука с измерительной системой, в которую входят датчики тока, напряжения, частоты вращения и плата аналого-цифрового преобразования.
Устройство позволяет осуществлять функциональное диагностирование и прогнозирование состояния АД, а также может быть использовано для превентивной защиты АД от аварийных ситуаций. При использовании в составе горных машин частотно-регулируемого электропривода оно может быть использовано в качестве его информационной части. В этом случае могут использоваться лишь часть компонентов векторов 08 и .
Таким образом, применение современных компьютерных технологий, в том числе с использованием представленных в данной статье решений, может перевести эксплуатацию и обслуживание асинхронных электроприводов горных машин на более высокий качественный уровень и повысить тем самым их функциональную надежность и эффективность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каширских В.Г. Определение в реальном времени активного сопротивления и потокосцепления ротора асинхронного двигателя при его работе в установившемся режиме / В.Г. Каширских, В.М. Завьялов // Вестн. КузГТУ, 2003. - №1. - С. 21-24.
2. Каширских В.Г. Оценка активного сопротивления ротора асинхронного электродвигателя с помощью нейронной сети / В.Г. Каширских, А.В. Нестеровский // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-17: Сб. трудов 17-й Международ. науч. конф.: В 10 т. Т. 5 Секция 5 / Под общ. ред. В.С. Балакирева. - Кострома: изд-во Костромского Гос. технол. ун-та, 2004. - С. 161-163.
3. Каширских В.Г. Динамическая идентификация асинхронных электродвигателей с учетом значимости параметров / В.Г. Каширских, А.В. Нестеровский // Вестн. КузГТУ, 2005. - С. 73-74.
4. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. для вузов. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энерго-атомиздат, 2001. - 704 с.
□ Автор статьи :
Каширских Вениамин Георгиевич
- канд. техн. наук, доц., зав. каф. электропривода и автоматизации
УДК 621.313.33
Е.В. Каширских, М.В. Бердников
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Для эффективного управления асинхронными электродвигателями (АД) и двигателями постоянного тока (ДПТ) необходимо знать их реальные параметры, поскольку данные из каталогов являются проектными. Для нахождения значений параметров, а также для комплексных исследований различных режимов работы двигателей с целью оптимизации систем защиты, управления и диагностики необходим испытательный стенд с универсальным нагрузочным
устройством.
Разработанный и изготовленный нами для этих целей стенд позволяет:
- испытывать любые двигатели постоянного тока и асинхронные двигатели мощностью до 5 кВт, со скоростью вращения до 6000 об/мин и обеспечивать при этом значения момента сопротивления на валу испытуемого двигателя в пределах до 25 Нм с возможностью изменения характеристик нагружения как автоматически, так и
вручную;
- проводить испытания различных режимов и устройств пуска АД при разных условиях нагружения;
- проводить испытания устройств для мониторинга параметров и состояния АД и ДПТ в процессе работы;
- проводить исследования регулируемых электроприводов на основе АД и ДПТ с различными преобразователями и системами управления для разных режимов нагружения.
