CC BY
67
ЯлГЙОяО/
Уфа : УГАТУ. 2011_______________________________^______________________________Т. 15, № 1 (41). С. 134-137
ЭНЕРГЕТИКА, ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.313.1.004.58
Ф. Р. Исмагилов, И. X. Хайруллин, Д. Ю. Пашали, 0. А. Бойкова
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ
Предложены оригинальные конструкции средств оперативной диагностики. Оперативная диагностика технического состояния, диагностический комплекс; электромеханический преобразователь энергии', диагностический параметр; диагностический критерий
Оперативная диагностика (ОД) электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) необходима для обеспечения бесперебойной работы ЭМПЭ, обнаружения дефектов и их координат, оценки степени развития дефектов.
Для получения наиболее достоверной информации при оперативной диагностике технического состояния ЭМПЭ необходимо применять диагностические комплексы.
Проведенный обзор современных диагностических комплексов позволил выявить, что:
• отсутствуют диагностические комплексы (ДК), позволяющие проводить оперативную диагностику тепловым, вибрационным, электрическим и магнитным методами [3];
• часть ДК промышленно не выпускается, т. е. имеют место только опытные образцы;
• не позволяют диагностировать экранированные ЭМПЭ;
• выдают однозначные результаты: «годен» - «брак»;
• оценивают не функциональное состояние ЭМПЭ, а выявляют только последствия неисправностей.
Таким образом, для повышения достоверности оперативной диагностики технического состояния ЭМПЭ выявлена необходимость
• совершенствования существующих и разработки новых методов и средств оперативной диагностики ЭМПЭ;
• разработки средств комплексной диагностики ЭМПЭ средней и малой мощности, на основе магнитного (по внешнему магнитному полю), теплового, электрического и вибрационного методов.
Контактная информация: (347) 273-77-87 Статья подготовлена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
В связи с этим предлагается разработанное авторами оригинальное устройство контроля подшипников [4], которое может быть использовано при ремонте, диагностике и эксплуатации ЭМПЭ, в специализированных или универсальных ДК.
Структурная схема этого ДК приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема ДК
Спектр электрического сигнала с датчика внешнего магнитного поля (ДВМП), установленного на поверхности ЭМПЭ, поступает в перестраиваемый режекторный фильтр, (в качестве ДВМП использован индукционный датчик), режекторный фильтр перестраивается в зависимости от того, увеличилась или уменьшилась частота основной гармоники источника питания электрической машины, с режекторного фильтра сигнал поступает на усилитель (усилитель реализован на базе микросхемы К140УД6 в инвертирующем включении с коэффициентом усиления - 10) и далее в цифровой спектральный анализатор. В качестве цифрового спектрального анализатора использовано многофункциональное измерительное устройство аналого-цифрового преобразования и ввода данных - Напс1ургоЬе НР-2 (фирма производитель Тле-Р1е, Голландия) и персональный компьютер. Спектр сигнала с ДВМП отображается на экране монитора спектрального анализатора. ДК позволяет сравнивать сигнал, полученный с диагностируемого ЭМПЭ, и сигнал-эталон, полученный с исправного ЭМПЭ. Также возможно указание спектральных компонент (выделение другим цветом на экране), появление
которых в спектре внешнего магнитного поля (ВМП) ЭМПЭ свидетельствует о наличии и степени развития дефекта(ов) подшипников (рис. 2, а и б). В цифровом спектральном анализаторе процесс сравнения сигнала, полученного с объекта диагностирования, и сигнала эталона производится как визуально, так и с помощью программы обработки и контроля, которая по результатам сравнения спектрограмм выдает информацию: «исправен» («неисправен») и вид имеющегося дефекта(ов).
Индукция ВМП
0,1
0,09
0,00
0,07
1
1
і л ; // № 1
і кЛ/ і 1 1
%чік / 1. І,
1, ІІІІІІ
100 150 200
Частота, Гц
а
100 150 мо
Частота, Гц
б
Рис. 2. Спектральный состав радиальной составляющей ВМП ЭМПЭ: а - при отсутствии дефекта; б - при наличии дефекта
Устройство позволяет упростить процесс диагностики ЭМПЭ за счет исключения разборки машины для установки датчиков.
Авторами при разработке устройства [4] не исследовалось влияние физических и геометрических факторов поверхностного слоя на изменение ВМП как диагностического параметра, отражающего изменение поля в рабочем зазоре машины, вызванное влиянием технологических и эксплуатационных факторов.
Для повышения достоверности диагностики ЭМПЭ средней и малой мощности, на основе вышеописанного устройства авторами разработан диагностический комплекс, позволяющий диагностировать ЭМПЭ магнитным (по внешнему полю), тепловым, электрическим и вибрационным методами, и программное обеспечение для него.
Структурная схема ДК приведена на рис. 3.
Рис. 3. Диагностический комплекс: ЭМПЭ -исследуемый преобразователь; ДЭ - датчик тока питающей сети; ДТ - датчик температуры; ДВ - датчик вибрации; ДВМП - датчик внешнего магнитного поля; НЭП - накладной электромагнитный преобразователь; АЦП - аналого-цифровой преобразователь (Иа^уртвЬе НР-2), БПОС -блок предварительной обработки сигнала (усилитель сигнала ДВМП и режекторный фильтр); ПК - персональный компьютер
Предлагаемый ДК позволяет:
• контролировать тепловое и вибрационное состояние ЭМПЭ;
• фиксировать частотные всплески в спектре ВМП;
• измерять основные механические или электромеханические характеристики ЭМПЭ;
• задавать определенный режим работы;
• моделировать неисправные состояния ЭМПЭ;
• измерять внешнее магнитное поле в окружающем объект пространстве в заданных координатах и рабочих режимах ЭМПЭ;
• проводить в режиме непрерывного мониторинга неразрушающий контроль всей поверхности деталей и узлов ЭМПЭ, диагностику внутренних дефектов, обусловленных фазовой,
структурной и геометрическими неоднородностями;
• обрабатывать данные измерений, проводить спектральный анализ, сохранять результаты.
При этом, в отличие от [4], с целью повышения достоверности оперативной диагностики ЭМПЭ ДК оснащен накладным электромагнитным преобразователем (НЭП) [1, 2], позволяющим проводить в режиме непрерывного мониторинга оперативную диагностику поверхности внешнего магнитопровода ЭМПЭ, диагностику внутренних дефектов, в том числе обусловленных фазовой, структурной и геометрическими неоднородностями.
Наличие данных неоднородностей является причиной снижения магнитной проницаемости слоев внешнего магнитопровода ЭМПЭ и усиления ВМП над поверхностью электрической машины при отсутствии явновыраженных магнитопроводящих элементов конструкции.
Разработана оригинальная конструкция НЭП с расширенными функциональными возможностями [5], позволяющая проводить диагностику по всей длине внешнего магнитопрово-да ЭМПЭ и точно определять месторасположение дефектного слоя.
Конструкция накладного электромагнитного преобразователя приведена на рис. 4.
НЭП содержит возбуждающую и измерительные обмотки, т П-образных магнитопрово-дов, установленных друг за другом и разделенных по периметру немагнитными зазорами. Магнитопровода выполнены составными из п П-образных элементов, установленных один в другом и разделенных по периметру немагнитными зазорами, при этом возбуждающая обмотка является общей для всех П-образных элементов накладного электромагнитного преобразователя, а количество измерительных обмоток соответствует числу П-образных элементов накладного электромагнитного преобразователя. Каждая обмотка охватывает один П-образный элемент, а общая ширина составного магнитопровода больше максимального значения контролируемых глубины упрочненного слоя, дефекта или магнитной неоднородности контролируемых элементов конструкции ЭМПЭ. Принцип действия НЭП заключается в следующем: переменный ток, подаваемый от источника, создает магнитный поток во всех девяти элементах составного П-образного маг-нитопровода и в контролируемом изделии. Поскольку магнитные силовые линии не пересекаются между собой, то величина магнитного потока в каждом элементе, а следовательно,
и ЭДС всех девяти измерительных обмоток будут зависеть от магнитных свойств контролируемых элементов конструкции на выбранной глубине и по всей длине изделия. Общая ширина составного магнитопровода больше заданного значения контролируемой толщины поверхностного слоя (упрочненного слоя, дефекта или магнитной неоднородности) элементов конструкции ЭМПЭ.
8 4
Рис. 4. Накладной электромагнитный преобразователь: 1, 2, 3 - П-образные элементы, 4 - немагнитный зазор, 5, 6, 7-
измерительные обмотки, 8 - возбуждающая обмотка преобразователя, 9 -контролируемое изделие
Авторами составлен алгоритм и разработана оригинальная программа [6], позволяющие оператору:
• производить автоматизированный расчет электромагнитного поля в рабочем зазоре и внешнего магнитного поля ЭМПЭ в реальном времени;
• формировать базы данных диагностических критериев и отображать результаты контроля с учетом степени развития дефекта в режиме онлайн;
• отображать информацию о состоянии ЭМПЭ на видеокадрах монитора;
• непрерывно и циклически измерять параметры внешнего магнитного поля ЭМПЭ (напряженности электромагнитного поля) с идентификацией диагностических признаков дефектов (повреждения подшипников, статического эксцентриситета, осевых сдвигов вала, относительного расширения ротора и т. д.);
• оценивать магнитную совместимость ЭМПЭ, применяемых в сложных навигационных системах.
Программа реализована на языке Visual Basic 6.0; персональный компьютер, рабочая стан-
ция оперативного контроля и рабочая станция диагностирования ВМП работают под управлением операционной системы Microsoft не ниже версии XP. База данных реализована в редакторе MS Excel. Динамическая информация о состоянии ЭМПЭ отображается на мониторе ПК.
В главное окно пользователь вводит основные геометрические размеры ЭМПЭ, нажимает кнопку «Рассчитать», после чего запускается основной алгоритм, в результате работы которого на экран выводится результат расчета диагностического параметра и отображается окно «Результаты диагностики», в котором наглядно отображается степень развития дефекта. После нажатия кнопки «Записать в БД» в окне «Результаты диагностики» сохраняется текущее значение внешнего магнитного поля ЭМПЭ и соответствующее ему значение диагностического параметра, дату и время измерения, типоразмер ЭМПЭ. После нажатия кнопки «Построить эскиз» в главном меню отображается окно «Эскиз», в котором наглядно показано развитие дефекта (например, текущее положение ротора при оценке статического эксцентриситета).
Разработанное авторами оригинальное программное обеспечение позволяет оценить степень развития дефекта в процентном отношении к исправному состоянию ЭМПЭ, контролировать развитие дефекта, а также прогнозировать и своевременно производить ремонт и/или замену элементов ЭМПЭ, что в итоге позволяет сократить затраты на плановый ремонт, избежать экономических убытков.
ВЫВОДЫ
На основе проведенного обзора современных методов и средств оперативной диагностики выявлено, что:
• необходима разработка диагностических комплексов для ЭМПЭ средней и малой мощности;
• необходима разработка программного обеспечения диагностических комплексов, осуществляющих формирование диагностических критериев, для повышения достоверности диагностической информации на основе теплового, вибрационного, электрического и магнитного (по картине ВМП) методов.
Для упрощения процесса оперативной диагностики разработана оригинальная конструкция устройства контроля подшипников ЭМПЭ.
Для повышения достоверности диагностической информации разработана оригинальная конструкция датчика внешнего магнитного поля - накладного электромагнитного преобразователя. Разработаны алгоритм и программа на
языке У18иа1Ва8Ю, осуществляющая: автоматизированный расчет магнитного поля в рабочем зазоре и внешнего магнитного поля исправного и неисправного ЭМПЭ, сравнение полученных результатов и выдачу информации о наличии и степени развития дефекта оператору для формирования диагностических критериев технического состояния электромеханических преобразователей энергии по внешнему магнитному полю.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пашали Д. Ю., Бойкова О. А. К вопросу разработки средств контроля электромеханических преобразователей // Актуальные проблемы науки и техники: Сб. тр. IV всероссийск. зимн. шк.-семинара аспирантов и молодых ученых. Т. 2. Уфа: Диалог, 2009. С. 36-39.
2. Хайруллин И. Х., Пашали Д. Ю., Бойкова О. А. Накладной электромагнитный преобразователь для контроля оболочек электрических машин // Электронные устройства и системы: Сб. науч.-техн. тр. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 137-139.
3. Хайруллин И. Х., Пашали Д. Ю. Диагностика электромеханических преобразователей по внешнему магнитному полю // Вестник УГАТУ. 2006. Т. 7, № 1(14). С. 165-170.
4. Устройство для диагностики подшипников электрической машины / Д. Ю. Пашали [и др.] // Патент КИ № 68802, 2007. Бюл. № 33.
5. Хайруллин И. Х., Пашали Д. Ю., Бойкова О. А. Накладной электромагнитный преобразователь // Патент КИ № 68700, 2007. Бюл. № 33.
6. Хайруллин И. Х., Пашали Д. Ю., Бойкова О. А. Программа расчета внешнего магнитного поля асинхронных двигателей: Свид-во о гос. рег. программы для ЭВМ № 2010615107, 2010.
ОБ АВТОРАХ
Исмагилов Флюр Рашитович, проф., зав. каф. электромеханики, проректор УГАТУ. Дипл. инж.-элетромех. (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по элементам и устройствам управления (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. электромеханических преобразователей энергии.
Хайруллин Ирек Ханифович, проф. той же каф. Дипл. инж.-элетромех. (Ивановск. энергетич. ин-т, 1963). Д-р техн. наук по элементам и устройствам управления (УАИ, 1981). Иссл. в обл. электромеханических преобразователей энергии.
Пашали Диана Юрьевна, доц. той же каф. Дипл. инженер по приборостроению (УГАТУ, 1994). Канд. техн. наук по электромех. и электрич. аппаратам (УГАТУ, 2004). Иссл. в обл. надежности электромех. систем.
Бойкова Оксана Алексеевна, асп. той же каф. Дипл. магистр техники и технологий (УГАТУ, 2008). Иссл. в обл. электромеханических преобразователей энергии.
