CC BY
182
проектирующий изделие, может самостоятельно написать программу управления, а обслуживающий персонал - модернизировать ее.
Специалист, изучивший стандартные компоненты МЭК на базе обучающего комплекса, поддерживающего «открытый» стандарт МЭК 61131-3, сможет работать с контроллерами многих фирм, поддерживающих этот стандарт.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. П р о г р а м м и р у е м ы е контроллеры. Общие положения и функциональные характеристики: ГОСТ Р 51840-2001 (МЭК 61131-3-92) Госстандарт России, Москва, БЗ 11 -2001/301. - Режим доступа: http://standartgost.ru/. - Дата доступа: 09.11.2011.
2. О д н о к р и с т а л ь н ы й компьютер SC143-IEC со встроенной ОС РВ. - Режим доступа: www.prolog-plc.ru/becknew. - Дата доступа: 09.11.2011.
3. Г о р б у н о в, Н. Встраиваемая ОС как основа успеха. - Режим доступа: Ы^//^'^^. swd.ru/index.php3?pid=566. - Дата доступа: 06.05.2011.
4. П е т р о в, И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и инструменты / И. В. Петров; под ред. В. П. Дьяконова. - М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 256 с.
5. I п d и s t г i а 1 РС йэ уои. - Режим доступа: http://www.ipc2u.by. - Дата доступа: 03.05.2011.
6. Б С А Б А системы для АСУ ТП. ВСАБА-ВОЕТШаГС-МЕБ-ЕАМ. - Режим доступа: http://www.adastra.ru. - Дата доступа: 06.05.2011.
Представлена кафедрой электротехники и электроники Поступила 06.12.2011
УДК 629.7
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ИМПУЛЬСНОГО КОНТРОЛЯ ОБМОТОК АВИАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
ШЕЙНИКОВ А. А., канд. техн. наук СУХОДОЛОВ Ю. В.
Военная академия Республики Беларусь
Описание объекта контроля. Авиационные коллекторные генераторы постоянного тока всех типов (ГСР, ГСР-СТ, СТГ) аналогичны по конструкции. Отличие ГСР (генератор самолетный с расширенным диапазоном частот вращения) от ГСР-СТ и СТГ состоит в том, что последние предназначены для работы в стартерном режиме и используются для запуска авиационных двигателей. Для авиационных генераторов характерна высокая удельная мощность. Например, ГСР-18000 (мощность генератора 18 кВт) весит примерно столько же, сколько генератор общепромышленного назначения мощностью 2,5 кВт. Высокая удельная мощность генераторов постоянного тока достигается в результате применения достаточно большой частоты вращения, высококачественных электромагнитных материалов и эффективных способов охлаждения. Так, плотность токов в обмотках якоря достигает 20 А/мм2, а под щетками - 25-30 А/см2, в то время как у общепромышленных машин эти величины составляют соответственно не
более 7 и 15 А/см2. Повышенная температура обмотки (до 185 °С) и высокие плотности тока, несмотря на применение специальных электротехнических материалов, сокращают срок службы авиационных генераторов до 3000 ч, в то время как срок службы генераторов общего назначения составляет десятки лет. Обмотка якоря генератора мощностью менее 6 кВт выполняется как простая волновая. У генератора большей мощности обмотка простая петлевая.
Причины повреждений обмоток авиационных электрических машин. Известно, что до 30 % преждевременных отказов авиационных электрических машин происходит из-за повреждений их обмоток [1], которые вызываются внешними и внутренними механическими воздействиями, имеющими электромагнитную природу [2]. Уязвимость обмоток обусловлена, прежде всего, вхождением в электромеханическую систему, состоящую из разнородных элементов: медь проводников - полимерные изоляционные материалы. Деформации в подобной системе при изменении температуры, электродинамических усилиях, вибрациях обмотки приводят к развитию внутренних напряжений в изоляции и, как следствие, образованию дефектов. Наиболее интенсивное воздействие оказывают знакопеременные моменты, возникающие в процессе пуска или реверса электрической машины.
В наиболее сложных условиях эксплуатируется витковая изоляция. Помимо механических воздействий, изоляция обмоток испытывает тепловые, климатические и электрические нагрузки. Тепловые воздействия определяют скорость старения и тепловую деформацию изоляции, которые, в свою очередь, приводят к ухудшению ее механических свойств и накоплению усталостных повреждений. При этом механические воздействия ускоряют процесс образования дефектов.
Климатические и электрические воздействия способствуют дальнейшему развитию первоначальных дефектов изоляции, образовавшихся при изготовлении генераторов. Климатические факторы, прежде всего перепад температур, увлажнение и загрязнение, создают токопроводящие мостики, способствующие электрической и электрохимической эрозии изоляции. С увеличением температуры сопротивление изоляции уменьшается, а процессы ее разрушения активизируются. Коммутационные перенапряжения, возникающие при включении и отключении, также снижают ресурс изоляции. Дефекты изоляции между витками являются причиной ее пробоя, приводящего в дальнейшем к выгоранию части обмотки.
Характеристика методов диагностирования обмоток электрических машин. Применяемые в эксплуатации методы испытания изоляции обмоток можно разделить на две группы. Первую составляют измерения различных параметров изоляции обмоток, ко второй относятся испытания самой изоляции, например, повышенным напряжением, выпрямленным, импульсным напряжением. Для определения дефектов изоляции между обмоткой и корпусом используются такие методы, как измерение сопротивления изоляции мегаомметром, испытание повышенным напряжением частотой 50 Гц, испытание повышенным выпрямленным напряжением с измерением токов утечки. Характерным недостатком данных методов является невысокая достоверность.
При оценке состояния изоляции путем измерения емкости относительно корпуса в качестве диагностических параметров принимается отношение емкости изоляции при температуре 80-100 °С к емкости при 20 °С [3]. Необходимость нагрева изоляции снижает производительность контроля этим методом. Известен метод проверки состояния изоляции по значению тангенса угла диэлектрических потерь. Однако применение этого метода ограничено необходимостью учета разброса значений параметра при сухой и влажной изоляции.
Широкое распространение в последнее время получил метод определения дефектов изоляции измерением интенсивности частичных разрядов, предполагающий количественную оценку изменений зарядов элементов измерительной схемы, вызываемых частичными разрядами в испытуемой изоляции (ГОСТ 20074-83). Однако имеющиеся в разработанных на сегодняшний день стандартах нормативные характеристики частичных разрядов (кажущийся заряд единичного частичного разряда, частота следования частичных разрядов, средний ток частичных разрядов, квадратичный параметр частичных разрядов, мощность частичных разрядов, суммарный заряд за интервал времени) не позволяют оценить их интенсивность, а, следовательно, делают затруднительным процесс построения диагностических моделей.
Обзор существующих способов контроля изоляции показал, что они не учитывают конструктивные особенности электрических машин. Решение этой задачи возможно при диагностике электрических машин с помощью анализа затухающих колебаний. Так, известен способ, основанный на исследовании характера изменения затухающего переходного процесса в проверяемой обмотке, возникающего при воздействии на объект контроля импульсным испытательным напряжением путем преобразования указанного переходного процесса в прерывистую последовательность импульсов, при сравнении образцовой и сравниваемой последовательностей импульсов и по результатам их сравнения, при определении наличия вит-кового замыкания в обмотке. Однако достоверность этого способа невысока, так как образцовая прерывистая последовательность импульсов формируется из почти затухшего переходного процесса по точкам перехода через ноль, фиксация которых затруднена из-за помех, соизмеримых со значением сигнала. Для стабильной фиксации этих точек необходимо увеличивать чувствительность диагностической системы, а значит, и повышать вероятность ложного заключения о неисправности обмотки якоря. Другими словами, основным недостатком способа является необходимость подавления неинформативных спектральных составляющих и искажений, вызванных нестабильностью параметров испытательного сигнала.
Обеспечение достоверности контроля обмоток якоря коллекторных электрических машин постоянного тока. Эффективность контроля можно повысить, согласуя спектральный состав испытательного сигнала с частотной характеристикой контролируемой обмотки. Это необходимо для создания между витками максимальных испытательных напряжений и их равномерного распределения вдоль обмотки. Схема снятия частотных характеристик обмоток якоря авиационных коллекторных генераторов постоянного тока представлена на рис. 1.
бания, достаточно лишь сохранить закон изменения того параметра, в котором заключена информация. Особенности высокочастотных модулированных сигналов открывают путь к увеличению достоверности импульсных методов контроля обмоток. Значения определенных гармонических составляющих импульсного напряжения в контролируемой обмотке будут зависеть только от ее параметров. При этом сохраняется возможность обеспечения максимальных значений этого напряжения.
Выбор формы испытательного сигнала. При выборе оптимальной формы испытательного напряжения необходимо, чтобы основная энергия его спектра была сосредоточена в диапазоне резонансных частот контролируемой обмотки. В результате анализа форм спектров различных сигналов установлено, что наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям напряжения в виде отрезков синусоиды, имеющей k периодов
u(t) = sin(ш01) при 0 < t < , причем пик амплитудного спектра S(ш)
<о
единичного отрезка синусоиды на частоте ш выражен тем резче, чем больше число периодов k:
S (ш) =
2к %ш
2 2 <2 -ш
(1)
Рассмотренную форму напряжения можно трактовать как синусоидальное колебание, модулированное прямоугольной функцией. При этом начальная фаза несущего колебания совпадает с фронтом огибающей. Аналитически сигнал можно записать в виде
u (t) = Urect
x
V и
cos
(ш 0t )•
(2)
Спектральная плотность радиосигнала Ср (со) получается путем сдвига спектральной плотности О (со) прямоугольной огибающей по оси частот на ю0 вправо и влево с уменьшением ординат в два раза [4] (рис. 3).
u(t) .
U
1
-Ти/2
U(jw)\/\ Um„(/m)\ 1,0
0,8 0,6 0,4
V2 t
0,2
2 UV 2 UmaxTH
—►
^tó О
п Г\
Л / V ¡<tó \ Л -----
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 f кГц Ю0 - 2п/тн ю0 + 2Птн
Рис. 3. Форма и амплитудный спектр напряжения в виде отрезка синусоиды, соответствующего резонансной частоте обмотки якоря генератора ГСР-СТ-12/40Д
Спектральную плотность рассматриваемого радиосигнала можно записать следующим образом:
и т.,
-81П С
(ю
и т.,
-81П С
(ю + ю0)1
и
ю — юп
-81П
(ю — ю0)1
и
ю + юп
-81П
(ю + ю0)1
(3)
Активную ширину спектра прямоугольного импульса длительностью ти можно представить как полосу частот Лю между значениями частот, при которых спектральная плотность первый раз обращается в нуль (ю-ю0)т (ю + ю0)ти
--— = --— = л. Пользуясь равенством Парсеваля (4), можно
показать, что доля полной энергии рассматриваемого сигнала, заключенная в полосе рассматриваемых частот к > 90 %, будет равна
(ю+ю„ )ти 2
| О2 (ю)^ю = к | О2 (ю)^ю.
(ю-ю0 )ти -М
(4)
Огибающая при периодизации анализируемых радиоимпульсов образует последовательность прямоугольных импульсов. Сигнал при таком режиме работы представляет собой манипулированное колебание [5]. Сравнительные исследования видов манипуляции высокочастотных сигналов показали, что максимальная достоверность контроля обеспечивается при фазовой манипуляции с Лф = п. При этом вся энергия сигнала содержится только в боковых полосах, а составляющая на несущей частоте отсутствует (рис. 4).
ы^), В ,
ио
с
ю, Гц
ы, В ,
3л
Рис. 4. Временная и спектральная характеристики фазоманипулированного сигнала (Лф = п)
2
2
2
2
30
2
л
ю0 — 3П юо - и ©о юо + "
ю + 3и
о
Это объясняется наложением двух спектров - спектра фазоманипули-
2% 2% рованного сигнала (ФМС) О = — и несущей ш0 = —. На интервале, где
Т
Т
-1 С\
колебания синфазны, суммарная амплитуда удваивается, а где фазы противоположны - компенсируется. Двукратное превышение амплитуд спектральных составляющих фазоманипулированного сигнала над составляющими спектра амплитудно-манипулированного сигнала и возможность минимизации составляющей на несущей частоте позволяют увеличить помехоустойчивость.
Выбор диагностических признаков. Проведенные
экспериментальные исследования авиационного стартер-генератора ГСР-СТ-12/40Д показали, что наибольшее изменение при появлении дефекта получает положение резонансного максимума амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) контролируемой обмотки якоря (рис. 5). Это изменение можно легко зафиксировать, выделяя из входного сигнала две близлежащие гармонические составляющие, соответствующие по частоте самому крутому участку АЧХ исправной обмотки (рис. 5а). Несущая частота и частота модуляции О выбираются таким образом, чтобы
обеспечивалась максимальная разность их амплитуд: tg(а)| (рис. 56).
= тах
Рис. 5. Частотные характеристики обмотки якоря авиационного стартер-генератора ГСР-СТ-12/40Д с различным техническим состоянием: 1 - АЧХ исправной обмотки; 2 - то же при замыкании одного витка; 3 - то же при замыкании двух витков
Номера выделяемых близлежащих гармоник выбираются таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная разность их амплитуд Аы:
. 2и , , ,
Аы =-К (ш0 - ш) +--К (ш0 + а) = тах,
% %
где К (ш) - АЧХ обмотки якоря.
Сумма выделенных гармонических составляющих будет представлять балансно-модулированное колебание, по форме, огибающей которого можно судить о разности амплитуд выделяемых гармоник и о состоянии обмотки (рис. 6).
Рис. 6. Результирующий сигнал для обмотки с различным техническим состоянием: 1 - огибающая результирующего сигнала (балансно-модулированного колебания) для исправной обмотки; 2 - то же для обмотки с одним витковым замыканием; 3 - то же для обмотки с двумя витковыми замыканиями
При отсутствии дефекта разность амплитуд гармонических составляющих будет максимальной. Следовательно, величина минимума огибающей результирующего сигнала имеет предельное значение, отличное от нуля (рис. 6, кривая 1). По мере развития витковых замыканий величина минимума огибающей стремится к нулю, что подтверждается результатами экспериментов на обмотке якоря авиационного стартер-генератора постоянного тока ГСР-СТ-12/40Д (рис. 7).
и, В 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0 1 2 3 4 п, витковые замыкания
Рис. 7. Зависимость между количеством витковых замыканий обмотки якоря генератора ГСР-СТ-12/40Д и значением минимума огибающей результирующего балансно-модулированного колебания
В Ы В О Д
Таким образом, сущность диагностирования обмотки якоря заключается в формировании фазоманипулированного испытательного сигнала и выделении из выходного сигнала двух гармонических
составляющих, первая из которых соответствует по частоте верхней, а вторая - нижней границам разброса значений первых максимумов амплитудно-частотной характеристики исправной обмотки электрической машины. Результатом сложения этих спектральных составляющих является балансно-модулированное колебание с низкочастотной периодической огибающей, параметры которой чувствительны к дефектам изоляции обмотки.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. З о н т о в, А. В. Системы электроснабжения летательных аппаратов / А. В. Зонтов. -М.: ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1986. - 420 с.
2. Г е м к е, Р. Г. Неисправности электрических машин / Р. Г. Гемке. - Л.: Энергия, 1969. - 272 с.
3. Ж е р в е, Г. К. Промышленные испытания электрических машин / Г. К. Жерве. -М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959. - 504 с.
4. Р а д и о т е х н и ч е с к и е цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов / К. А. Самойло [и др.]. - М.: Радио и связь, 1982. - 528 с.
5. Г о н о р о в с к и й, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. -М.: Дрофа, 2006. - 719 с.
Представлена кафедрой авиационной техники
и вооружения Поступила 17.05.2012
УДК 621.311.7:621.382
СИНТЕЗ НАПРЯЖЕНИЙ МНОГОКРАТНЫХ ШИМ,
СОЗДАННЫХ ПО ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОЙ И СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФУНКЦИЯМ ПОСТРОЕНИЯ
Канд. техн. наук, доц. СТРИЖНЕВ А. Г., инж. РУСАКОВИЧ А. Н.
НПООО«ОКБТСП»
Для управления электроприводом, содержащим электродвигатель переменного тока, используют частотные преобразователи, которые формируют напряжения в виде многократной широтно-импульсной модуляции (ТТТИМ) Принято считать [1], что указанные выходные ШИМ-напря-жения Ццых образуются в результате сравнения различных модулирующих, аппроксимирующих синусоиду эталонных напряжений Ц,т и пилообразных опорных напряжений £/<ш. Такой способ формирования напряжения Цых требует большой вычислительной мощности и приводит к необходимости использования специализированных и относительно дорогих микроконтроллеров. Значительно проще можно сформировать многократную ШИМ табличным или индексным табличным способом [2]. Однако для этого нужно аналитически определить параметры импульсов ТИМ и качественно оценить гармонический состав напряжений многократных ШИМ, созданных с использованием различных форм эталонного напряжения. 32
