МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В начале работы задается количество факторов, соответствующее эксперименту во вкладке «Исходные данные», после чего формируется таблица исходных данных, где необходимо задать центр плана, интервал варьирования и пределы изменения факторов. Из введенных исходных данных программа составляет схему симплекса. Далее проводится планирование эксперимента во вкладке «Эксперимент», где указываются результаты отклика, при заданном критерии поиска (минимум или максимум функции) и среднеквадратичном отклонении СКО с достижением которого движение по симплексу заканчивается. На каждом шаге программа автоматически выбирает «наихудшую» точку и указывает пользователю какой эксперимент необходимо провести далее. Во вкладке «Протокол» в качестве статистики отражаются все пройденные шаги.

На разработанной программе был проведен ряд экспериментов, доказывающих ее работоспособность и эффективность для решения оптимизационных задач, а так же подтверждающих уменьшение затрат времени на достижение оптимума.

Результаты работы получены при поддержке проекта № 1.2690.2014/К «Методы решения обратных задач диагностики сложных систем (в технике и медицине) на основе натурно-модельного эксперимента», выполняемого в рамках проектной части государственного задания с использованием оборудования ЦКП "Диагностика и энергоэффективное электрооборудование" ЮРГПУ (НПИ).

Литература

1. К. Хартман Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. - М.: Издательство «МИР», 1977. 328с.

2. Ланкин А.М., Ланкин М.В. Решение обратной задачи метода гармонического баланса // Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики Материалы 4-й научно-практической ^ете^конференции. Ульяновск, 2014. С. 117-122.

3. Ланкин А.М., Ланкин М.В. Метод измерения вебер-амперной характеристики электротехнических

устройств // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1; URL: http://www.science-education.ru/115-12186

4. Lankin A.M., Lankin M.V Getting weber - voltage characteristics using the method of harmonic balance// The Second International Conference on Eurasian scientific development Proceedings of the Conference. 2014. С. 264-270.

5. Ланкин А.М., Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д., Наугольнов О.А. Управление магнитным состоянием изделий из магнитомягких материалов // Фундаментальные исследования. 2014. № 11-5. С. 1005-1009.

6. Ланкин А.М., Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д. Метод измерения вебер - амперной характеристики базирующийся на решении обратной задачи мгб // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 4. С. 167.

7. Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д., Ланкин А.М. Топография магнитного поля в окрестностях образца из магнитомягкого материала // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 178.

8. Наракидзе Н.Д., Ланкин А.М., Ланкин М.В. Адаптивный алгоритм управления магнитным состоянием изделия из магнитомягкого материала при определении основной кривой намагничивания // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 181.

9. Lankin A. M., Lankin M. V., Aleksanyan G. K., Narakidze N. D. Development Of Principles Of Computer Appliance Functioning, Determination Of Characteristics Of The Biological Object // International Journal of Applied Engineering Research. Volume 10, Number 3 (2015) pp. 6489-6498; Research India Publications.

10. Gorbatenko N. I., Lankin A. M., Lankin M. V., Shayhutdinov D. V. Determination Of Weber-Ampere Characteristic For Electrical Devices Based On The Solution Of Harmonic Balance Inverse Problem // International Journal of Applied Engineering Research. Volume 10, Number 3 (2015) pp. 6509-6519; Research India Publications.

МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Ланкин Антон Михайлович

лаборант-исследователь, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический

университет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск

Ланкин Михаил Владимирович

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск

METHOD OF DIAGNOSTICS ELECTRICAL SYSTEMS

Lankin Anton Michailovich, assistant - researcher, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Educational "Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)", Novocherkassk

Lankin Michail Vladimirovich, candidate of Science, docent, Federal State Budget Educational Institution of Higher Professional Educational "Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)", Novocherkassk

АННОТАЦИЯ

В статье описан метод диагностики электротехнических систем по вебер-амперных характеристик рабочего цикла с помощью алгоритма натурно-модельных испытаний.

В качестве примеров электротехнических систем можно привести: электроприводы колодочных тормозов на транспорте и в лифтах, запорные устройства, электромагниты гидроклапанов и высоковольтных силовых выключателей, электромагнитные муфты и т.п. Целью исследования является разработка методики диагностики электротехнических систем, привод которых представляет собой электромагнит, состоящий из подвижной и неподвижной частей магнитопровода и катушки. Для диагностики использован метод натурно-модельных испытаний, объединяющий измерение на физическом объекте датчиками напряжения и тока и моделирование в персональный компьютер при помощи специального программного оборудования, базирующегося на решении обратной задачи гармонического баланса для вычисления вебер-амперной характеристикой рабочего цикла.

ABSTRACT

The article describes a method for the diagnosis of electrical systems for the Weber-voltage characteristics of the cycle using the algorithm natural-model tests.

As examples of electrical systems can cause: electric drum brakes on transport and in the elevators, locking devices, electromagnets and hydraulic valves high volt circuit breakers, electromagnetic coupling, etc. The aim of the research is to develop methods of diagnostics of electrical systems, the drive of which is an electromagnet consisting of fixed and movable parts of the magnetic core and the coil. For diagnostic method used natural-model testing, combining the physical object measurement of voltage and current sensors, and modeling in a personal computer with special software, power equipment based on the solution of the inverse problem of harmonic balance to compute the weber-ampere characteristic of the operating cycle.

Ключевые слова: вебер-амперная характеристика рабочего цикла, электротехническая система, электромагнит, натурно-модельные испытания

Keywords: Weber-voltage characteristic of the operating cycle, electrical system, an electromagnet, natural-model tests

Главной частью электротехнической системы является её привод -, электромагнит. Электромагниты содержат подвижную и неподвижную части магнитопровода и рабочую катушку. В ходе их эксплуатации в рабочей катушке протекает ток, создается рабочий магнитный поток в неподвижной части магнитопровода, приводящий в движение подвижную его часть. Величина магнитного потока определяется магнитными свойствами и конструкцией частей магнитопровода, количеством витков в рабочей катушке и величиной протекающего тока. В настоящее время для диагностики электромагнитов проводят

измерения их механических, электрических и магнитных характеристик. Каждая характеристика требует применения своих средств испытания. Предлагается использовать всего одну интегральную характеристику - зависимость магнитного потока в магнитопроводе от тока катушке в ходе выполнения им стандартной операции. Эта характеристика называется вебер-амперной характеристикой (ВАХ) рабочего цикла [1-8], в зависимости от вида которой, можно идентифицировать тип неисправности (рисунок 1).

0.018 V» 0,015

0.0« 0.003

ь J

О 0,08 0,1 0,1 S O.Z 0,23 0,Э А 0,35 о 0,Об 0,1 0,15 0,2 0.25 0,3 А 0,35

;Т

\f

Vs 0.015

Г" 1 0,009 Р 0,006

N >

0 0,05 0,1 0,15 0.2 0,25 0.3 А 0,35

о 0.03 0.0« 0.09 0.12 0.15 0,10 А 0.21

0 0.Q3 0.0S 0 09 0,12 0,15 0.1В А 0.21 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 А 0,36

д) е) ж) з)

Рисунок 1. Деформация ВАХ при различных дефектах электромагнитов: а) межвитковое короткое замыкание; б) засорение на верхней поверхности якоря; в) дефект пружины; г) изменение магнитных характеристик магнитопровода; д) глубокая запрессовка вентиля; е) повреждение уплотнительного элемента; ж) залипание якоря в начальном положении; з) залипание якоря в притянутом положении

Для определения ВАХ рабочего цикла будем использовать метод натурно-модельных испытаний, объединяющий измерение на физическом объекте и моделирование в персональном компьютере при помощи специального программного обеспечения. Алгоритм натурно-модельных испытаний применительно к нашей задаче состоит в следующем: на электромагнит подается синусоидальное напряжение и с помощью датчиков напряжения и тока производятся измерения входного (напряжение) и выходного (ток) сигналов электромагнита. Эти данные поступают в персональный компьютер, где в модель задаются входные данные и получают выходные данные модели, а с помощью оптимизационного алгоритма добиваются совпадения выходных данных электромагнита и его модели.

Для получения модели описывающей работу электромагнита, запишем уравнение цепи:

ы(г ) = Яг +-

¿г .

ы(г) = и 8т(юг)

где а - напряжение приложенное к

катушке электромагнита, иа - амплитуда напряжения,

i(t)=X1 (2m-i) sin((2m -1)ш0

т=1 - ток протекающий в ра-

бочей катушке электромагнита, I(2m-1) - амплитуда (2т-1) - ой гармоники тока, п - количество гармоник тока,

Ф(0 = £ *(2m-1)

I

т=1 - представленная в виде поли-

нома ВАХ электромагнита.

Перепишем его с учетом выражений для тока, напряжения и ВАХ:

Ua sin cot =R£ I(2m ,1)sin((2m-1)©t )

m=1

" n

d £ k(2m-i)( X I(2 m-1) sin ((2m - 1)œt))2m-

m=1

m=1

dt

Модель электромагнита построена в программном пакете Labview, внешний вид пользовательского интерфейса программы приведен на рисунке 2.

Для работы модели необходимо ввести исходные данные: амплитуду Ш, и частоту ш входного напряжения,

а так же коэффициенты аппроксимации ВАХ (2т-1). На выходе программы-эмулятора формируются значения

гармоник тока I(2m-1), изображения графиков изменения напряжения u(t), тока i(t), потока psi(t), ВАХ XY Graph и спектрограмма тока Waveform Graph.

При использовании данной программы в нее заносятся полученные на физической объекте данные: амплитуда и частота питающего напряжения, сопротивление катушки и начальные значения коэффициентов аппроксимации ВАХ k2m-1.

Рисунок 2 - Пользовательский интерфейс программы-эмулятора

Оптимизационный алгоритм управляющей программы использует метод симплекс-оптимизации. Программа симплекс-оптимизации построена в программном пакете Turbo Delphi. Она расчитана на работу с 2-5

факторами. Интерфейс программы с примером решения двухфакторной задачи представлен на рисунке 3.

Во вкладке «Исходные данные» задается количество факторов, на основании чего формируется таблица исходных данных, где необходимо задать центр плана,

интервал варьирования и пределы изменения факторов. После чего программа составляет схему симплекса в нормированных еденицах. Во вкладке «Эксперимент» выводятся координаты проведения эксперимента в физических величинах и заносятся его результаты, задается цель поиска (минимум или максимум) и значение различий отклика в вершинах симплекса, с достижением которого

движение симплекса заканчивается. На каждом шаге программа определяет «наихудшую» точку и указывает пользователю условия следующего эксперимента. В случае вращения симплекса вокруг одной из вершин, интервал варирования уменьшется на величину заданную в поле «уменьшить интервал варьирования на» значение. Во вкладке «Протокол» отражаются все пройденные шаги.

ф Симплекс-метод

Ис*адч>едэннь1? | Эксперимент | Протокол

Количество факторов 2 т Введите количество факторов, запоппиге таблицу , межмиге кнопку.

-|П|Х

[[[ Принять

Значение\Ф актор Фактор№1 Фактор№2

Центр 0,5 0,5

Интервал 0,5 0,5

Минимальное 0 н

Максимальное 2 2

Схема симплекса:

№0пьгта\Фактор | Фактор№1 Фактор№2

1 0.5 0,2887

2 -0,5 0,2887

3 0 ■0,5774

ф Симплекс-метод

Исходные данные Эксперимент | Протокол | Уменьшать интервал варьирования на 1 ^

|0Л25

Ер5= |0,0001

Критерий поиска тип так

№0пьгта\ Фактор№1 | Фактор№2 | | Прогноз [ Отклик

1 0 0,2113 1-11 0,73

2 0.25 0.6443 0.86 0.86

3 0.5 0.2113 0,98 0,98

Проведите эксперимент с указанными данными, введите значения отклика, нажмите кнопку (точка N'1 ] | [_____Ор^нэть___|

ф Симплекс-метод

И сходные данные | Эксперимент Протокол |

М- Итерации 1

1 0 0,2113 111 0.73

2 [125 0.6443 0 86 0.86

11.1 0,2113 о.эе о.®

Рисунок 3 - Программа симплекс-планирования

Факторами являются коэффициенты аппроксимации ВАХ к2т-1, а функцией цели - площадь разности то-

Iэ О) Iм (й

ков - экспериментально полученного и - по-

лученного из модели за половину периода. При минимуме этой разность коэффициенты к2т-1 будут описывать искомую ВАХ.

Проанализируем выражение функции цели:

т/.2 п п

Б = | (1э (г) - Iм тх = { ( X 1э^т((2т-1)ш0-X Iм^ зт((2т

0 0 т=1 Произведя преобразования получим:

Б = Х (I'

т=1

(2т -1)

-1э

(2т -1)

) • (2т -1).

Значит в качестве функции цели следует взять сумму разности гармоник умноженную на коэффициент 2т-1.

На рисунке 4 приведены истинная и полученная ВАХ на первой итерации симплекс-оптимизации. Видно, что формы тока физического объекта и эмулятора существенно различны.

Рисунок 4 -и ВАХ и токи полученные на первой итерации

После 72 итерации, форма тока в эмулятора приближалась к форме тока физического объекта. При этом различия ВАХ составили 0,1%, следовательно полученная на последней итерации характеристика и является иско-

мом.

Проведены исследования влияния погрешности измерения гармоник тока на погрешность ВАХ. С использованием теории планирования многофакторного эксперимента, получена зависимость погрешности алгоритма от значений первых пяти нечетных гармоник тока:

y = 281,52 - 44,37/ + 5,16/2 + 52,92/32 + 429,52/52 - 8,09/7 - 351,59/9 + 1247,54/92

Значения гармоник тока варьировались в интервале ±4,41%, погрешность получения ВАХ не превысила 1%. Обработка результатов эксперимента осуществля- 5.

лась с помощью программного продукта Statistica 10.

Литература

1. Ланкин А.М., Ланкин М.В. Решение обратной задачи метода гармонического баланса // Междис- 6. циплинарные исследования в области математического моделирования и информатики Материалы

4-й научно-практической internet-конференции. Ульяновск, 2014. С. 117-122. 7.

2. Ланкин А.М., Ланкин М.В. Метод измерения вебер-амперной характеристики электротехнических устройств // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1; URL: http://www.science-education.ru/115-12186

3. Lankin A.M., Lankin M.V Getting weber - voltage 8. characteristics using the method of harmonic balance// The Second International Conference on Eurasian scientific development Proceedings of the Conference. 2014. С. 264-270.

4. Ланкин А.М., Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д., Наугольнов О.А. Управление магнитным состоянием изделий из магнитомягких материалов //

Фундаментальные исследования. 2014. № 11-5. С. 1005-1009.

Ланкин А.М., Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д. Метод измерения вебер - амперной характеристики базирующийся на решении обратной задачи мгб // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 4. С. 167.

Ланкин М.В., Наракидзе Н.Д., Ланкин А.М. Топография магнитного поля в окрестностях образца из магнитомягкого материала // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 178. Наракидзе Н.Д., Ланкин А.М., Ланкин М.В. Адаптивный алгоритм управления магнитным состоянием изделия из магнитомягкого материала при определении основной кривой намагничивания // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 5. С. 181.

Gorbatenko N. I., Lankin A. M., Lankin M. V., Shayhutdinov D. V. Determination Of Weber-Ampere Characteristic For Electrical Devices Based On The Solution Of Harmonic Balance Inverse Problem // International Journal of Applied Engineering Research. Volume 10, Number 3 (2015) pp. 6509-6519; Research India Publications.

ИНВАРИАНТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОГО ПАРАМЕТРА ИНДУКТИВНЫХ

И ЕМКОСТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Мамиконян Борис Мамиконович

доктор техн. наук, профессор, Национальный политехнический университет Армении, Гюмрийский

филиал, г. Гюмри Мамиконян Хорен Борисович кандидат техн. наук, доцент, Национальный политехнический университет Армении,

Гюмрийский филиал, г. Гюмри

INVARIANT MEASUREMENT OF THE INFORMATIVE PARAMETER OF THE INDUCTIVE AND CAPACITY TRANSDUCERS Mamikonyan Boris, Doctor of Techn. Sciences, professor, National Polytechnical University of Armenia, Gyumri Branch, Gyumri