МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ЧАСТИЧНЫХ

На правах рукописи

ПАХОМОВ Александр Иванович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ

ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

НА ОСНОВЕ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Краснодар, 2008

Работа выполнена в ГНУ "Всероссийский научно-исследователь­ский и проектно-технологи­ческий институт механизации и электрификации сельского хозяй­ства" и ФГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агро­инженерная академия"

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Оськин Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Султанов Георгий Ахмедович

доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович

доктор технических наук, доцент Льготчиков Владимир Вениаминович

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Защита состоится 29 октября 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д220.038.08 при ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета электрификации, ауд. № 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан "___" __________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор С.В. Оськин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дальнейший рост энерговооруженности АПК неизбежно потребует решения проблем надежности и долговечности эксплуатирующегося электрооборудования. Основным потребителем и преобразователем электроэнергии в сельском хозяйстве служит электропривод на базе асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором, от надежности которого зависит нормальное протекание любого технологического процесса. При высокой конструкционной надежности АД серий 4А, АИР, 5А уровень эксплуатационной надежности в условиях сельскохозяйственного производства оказывается недостаточным, что отрицательно сказывается на общей экономической эффективности работы сельхозпредприятий. Рекомендуемые меры плановой профилактики электроприводов затратны и при нехватке материальных средств, неукомплектованности электротехнических служб, высоких тарифах на электроэнергию имеют ограниченное применение. Проблема эксплуатационной надежности АД является системной и не поддается решению частными мерами в виде отдельных технических средств. Необходим комплексный подход с использованием методов технической диагно­стики.

Из теории диагностики известно, что сохраняющий работоспособность объект может быть неисправен, т.е. находиться в состоянии скрытого отказа. Для АД сельскохозяйственного производства указанное состояние наступает задолго до выработки нормативного ресурса и связано с особыми деструктивными изменениями в системе изоляции статорной обмотки. Его выявление представляет собой сложную и наукоемкую задачу, решению которой посвящена основная часть работы.

При условии разработки научно-обоснованных методов и средств диагностики представляется возможным усовершенствовать систему технического сервиса электроприводов путем перехода от стратегии пла­ново-предупреди­тельных ремонтов (ППРЭСХ) к более эффективной по фактическому состоянию электроизоляционной системы двигателей. Конечный результат в виде снижения затрат и бесперебойного выпуска сельскохозяйственной продукции актуален для всех форм сельских товаропроизводителей.

Исследования выполнялись по госбюджетной тематике ФГОУ ВПО АЧГАА "Раз­работать и внедрить новые методы и технические средства электри­фикации сельского хозяйства" (№ ГР 01870025279) и в соответствии с текущим планом НИР Россельхозакадемии по ГНУ ВНИПТИМЭСХ "Разработка ресурсосберегающих автоматизированных электротехнологий и электрофизических процессов производства, первичной обработки и хранения продукции растениеводства и животноводства" по проблеме 09.02.02.

Научная про­блема состоит в отсутствии научно-обоснованных мето­дов и средств диагностики асинхронных двигателей, позволяющих реализовать наиболее эффектив­ную стратегию обслуживания машин по фактическому со­стоянию электроизоляционной системы в эксплуатационных условиях сель­скохозяйственного производства.

Рабочая гипотеза – детальное изучение разрядных процессов в электроизоляционной системе асинхронного двигателя позволит получить эффективные методы его диагностики.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного произ­водства путем раз­вития теории и практики диагностического процесса электроизоляцион­ной системы.

Объект исследования – изоляция статорных обмоток асинхронных двигателей с увеличенным отработанным ресурсом, методы и средства ее диагностирования.

Предмет исследования – установление закономерностей предпробойного состояния изоляции статорной обмотки АД по математическим, компьютерным и натурным моделям.

Методика исследований базировалась на прикладной теории систем, теории диагностики и принятия статистических решений, математическом анализе случайных процессов, компьютерном моделировании и программировании, натурном эксперименте, статистической обработке и графической интерпретации экспериментальных данных. В качестве инструментария применялось следующее программное обеспечение: MS Excel XP, Micro-Cap 7.1, MathCAD 2001 Professional, SpectroLab 3.16.

Научная новизна работы:

– впервые научно обосно­ваны диагностические параметры асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

– разработана теория тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам (ЧР) с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала;

– создана эффективная методика компьютерного моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД, разработаны и исследованы SPICE модели корпусной и межвитковой изоляции;

– предложена методика расчета волновых параметров АД с использованием метода массивного витка для обоснования параметров моделей;

– установлены теоретические закономерности и характеристики диагно­стических сигналов от частичных разрядов.

Практическая ценность результатов исследований. Созданы технические средства и технологии реализации страте­гии обслуживания асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства по фактическому состоянию электроизоляционной системы. При этом получены следующие результаты:

– разработан пакет прикладных программ для компьютерного моделирования переходных процессов в различных частях электроизоляционной системы АД и волно­вого расчета параметров моделей;

– получен массив данных по характеристикам диагностических сигналов от ЧР на внешнем датчике, необходимый для реализации практических методов диагностики;

– обоснована возможность и целесообразность тестовой диагностики изоляции АД прямой регистрацией ЧР в режиме импульсной сушки изоляции и выработаны общие требования к диагностическому устройству;

– предложен способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ № 2265949), обеспечивающий диагностический контроль корпусной изоляции АД;

– разработан комплекс технических средств по обеспечению эксплуатационной надежности АД: устройство для управления процессом сушки изоляции (а.с. № 1377971), система энергоснабжения (а.с. 1585862), устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2, устройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1.

На защиту выносятся следующие положения:

– параметры дихотомии асинхронного двигателя с увеличенным отработанным ресурсом в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного производства;

– результаты математического анализа стохастической системы тестовой диагностики изоляции АД по частичным разрядам с определением алгоритма и параметров наблюдения случайного диагностического сигнала по критерию апостериорной дисперсии;

– алгоритмы прикладных программ расчета волновых параметров АД и моделирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе двигателя;

– результаты экспериментальных исследований свойств сквозного влагозаполненного дефекта изоляции и измерения диагностических параметров электродвигателей;

– технические средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований используются в рамках областной целевой программы "Произ­водство и использование биотоплива на основе растительных масел в АПК Ростовской области" для повышения надежности электроприводов модульного оборудования "БИОДОН". Техническое предложение по внедрению средств диаг­ностики асинхронных двигателей в сельскохозяйственное производство, со­держащее технико-экономическое обоснование и схемотехнические реше­ния устройства УДС-2, а также способ контроля корпусной изоляции на не­линейном датчике (патент РФ № 2265949), переданы предприятию ЗАО "Ново­российский опытно-эксперимен­тальный завод" для организации серийного производства. Изготовлена ла­боратор­ная установка и выпущены методические указания, которые используются в лабораторном практикуме ФГОУ ВПО АЧГАА. Устройство для управления процес­сом сушки изоляции обмоток электродвигателей (а.с. № 1377971) ис­пытано в хозяйственных условиях предприятием "Азовагропром­энерго". По результатам испытаний дано положительное заключение и принято решение о выпуске опытной партии устройств указанным предприятием. Опытный об­разец автоматического устройства для управления процессом сушки изо­ляции электродвигателей (а.с. № 1585862) внедрен в УОХ "Зерновое". Уст­ройство комбинированной защиты электродвигателей УКЗ-1 подго­товлено к серийному производству, на него ут­верждено техническое задание и выпущены экспериментальные образцы на Нальчикском заводе полупро­водниковых приборов (НЗПП). Опытный экземпляр УКЗ-1 вне­дрен на предприятии по переработке сельскохозяйственной продукции "Зо­лотой колос". Малым предприятием "МОДУЛЬ" (г. Зерноград) при участии автора изготавливались и устанавливались в хозяй­ствах Ростовской области и Краснодарского края устройства встроенной температурной защиты "Мо­дуль-1".

Апробация работы. Устройство импульсной сушки изоляции электродвигателей экспонировалось на ВДНХ СССР (ВВЦ) (Москва, 1989 г.) и на Всероссийской выставке НТТМ-12 (Пермь, 1989 г.). Это устройство награждено серебряной медалью ВДНХ СССР (удостоверение № 36065), удостоено почетной грамоты выставки НТТМ-12. Устройство диагностики и сушки изоляции электродвигателей УДС-2 демонстрировалось на 10-ой Юбилейной международной выставке-агросалоне "Интерагромаш" (г. Ростов-на-Дону, 2007 г.).

Основное содержание работы докладывалось и обсуждалось на:

– 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнических изделий сельскохозяйственного назначения" (Москва, 1986 г.);

– Закавказской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Научные исследования молодых на службе интенсификации с.х. производства" (г. Ереван, 1986 г.);

– итоговых научно-технических конференциях ЧИМЭСХ (Челябинск, 1985, 1986 г.), ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 1987 г.), АЧИМСХ (г. Зерноград, 1983-1987 г.);

– 1-ой межвузовской научной конференции "Многоскоростной и электронизированный электропривод в сельском хозяйстве" (г. Зерноград, 1990 г.);

– 2-ой международной научно-практической конференции "Проблемы механизации и электронизации АПК" (г. Краснодар, 1991 г.);

– научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА (г. Зерноград, 2004 – 2005 г.);

– международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ (г. Зерноград, 2006 г.);

– 5-ой Южно-Российской научной конференции "Энерго- и ресурсосберегающие технологии" (г. Краснодар, 2007 г.);

– международной научно-технической конференции ВНИПТИМЭСХ "Приоритетные направления исследований и разработка новых технологий и технических средств АПК" (г. Зерноград, 2007 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 37 научных трудах, в число которых входят 2 монографии, 7 статей в центральных и ведущих изданиях из перечня ВАК, 4 патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и глав и приложения. Работа изложена на 347 страницах, включая 16 таблиц, 77 рисунков, библиографический список из 226 наименований, из которых 9 на иностранных языках, 47 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы, сформулированы цель работы, научная проблема, научная новизна, практическая значи­мость и основные положения, выносимые на защиту. Приведены сведе­ния о внедрении результатов работы.

В первой главе "Анализ современного состояния проблемы и задачи исследования" выполнен анализ существующего уровня надежно­сти асинхронных электроприводов в сельскохозяйственном производ­стве, а также известных методов и средств его повышения. В разное время свои спо­собы решения эксплуатационных задач были предложены Андриановым В.И., Прищепом Л.Г., Гольдбергом О.Д., Пястоловым А.А., Мамедовым Ф.А., Тубисом Я.Б., Мусиным А.М., Ерошенко Г.П., Грундулисом А.О., Овчаровым В.В., Сырых Н.Н., Ворониным Е.А., Султановым Г.А., Казимиром А.П., Хомутовым О.И., Льготчиковым В.В., Оськиным С.В., Сомовым И.Я., Немировским А.Е. и другими учеными. Ими внесен существенный вклад в повышение эффективности эксплуатации электроустановок, однако проблему эксплуатаци­онной надежности АД нельзя считать окончательно решенной.

В условиях рыночной экономики повышение эксплуатационной эффективности оборудования является первоочередной задачей, влияю­щей на конечные результаты работы предприятия. Специфика сельскохозяй­ст­венных предприятий связана с процессом жизнеобеспечения биологи­ческих объектов, при этом срыв технологических операций из-за отказа электро­привода приводит к дискомфорту живых организмов, заболеваниям и снижению продуктив­ности. Ущерб такого рода может значительно пре­вышать прямые затраты на замену и ремонт элементов электропривода.

Обработка большого числа статистических данных по отказам электродвигателей позволила получить линейчатую диаграмму, показанную на ри­сунке 1. Горизонтальными столбцами на ней представлен средний ресурс АД (матема­тические ожидания) по технологиче­ским процессам и отраслям сель­ского хозяйства, условной плоскостью – расчетный ресурс, составляющий согласно нормам амортизационных отчислений не менее 8 лет. Как видно, действительный средний ресурс АД ниже расчетного в 2,5…3,5 раза, при этом двигатель, срок службы которого превышает математическое ожидание, может рассматриваться в состоянии повы­шенного отработанного ресурса.

Для продления срока службы АД известен ряд методов и средств, к которым относятся защита от аномальных и аварий­ных режимов работы, профилактическая сушка изоляции и т.п. Все они носят частный характер, что в приложении к рассматриваемой комплексной про­блеме не дает требуемого результата в виде достижения нормативного ресурса двигателей.

Рисунок 1 – Срок службы АД в сельском хозяйстве

Известно, что до 80…85 % преждевременных отказов АД происходит из-за пробоя меж­витковой изоляции, являющейся слабым элементом конструкции низковольтных двигателей. Уязвимость межвитковой изоляции обусловлена ее вхождением в механическую 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 усталостных дефектов. Установлено, что процесс дефектообразования протекает неоднозначно и принципиально может быть разделен на два вида: 1) сквозное трещинообразование, завершающееся электрическим пробоем изоляции и разрушением обмотки; 2) образование несквозных полостей, не критичных с точки зрения надежности машины. Вид развивающихся повреждений зависит от внешних эксплуатационных факторов и внутренних особенностей системы изоляции АД.

Особенности дефектообразования должны учитываться при диагностике изоляции, однако анализ существующих способов показал, что они не обладают избирательной чувствительностью к потенциально опасным сквозным повреждениям изоляционного слоя или создают опасные режимы для изоляции двигателей с повышенным отработанным ресурсом. При неоднозначном развитии усталостных дефектов расчетно-аналити­ческие методы определения срока службы изоляции также не могут дать достоверных результатов.

В соответствии с целью сформулированы следующие задачи исследования:

– выработать концепцию комплексного диагностического обслуживания асинхронных двигателей в эксплуатационных условиях сельскохозяйственного произ­водства;

– разработать теорию и обосновать параметры тестовой диаг­ностики изоляции АД по частичным разрядам;

– предложить методику компьютерного моде­лирования внутренних разрядных процессов в электроизоляционной системе АД и методику расчета волновых параметров моделей;

– выполнить экспериментальные исследования явлений ЧР, используемых при диагностике;

– создать комплекс технических средств по повышению эксплуатационной надежности АД в сельскохозяйственном производстве;

– провести технико-экономическую оценку результатов исследований.

Во второй главе "Обоснование параметров диагностического процесса асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства" выполнен анализ функционирования АД в составе сложной сис­темы сельскохозяйственного производства (рисунок 2).

Рисунок 2 – Структурная схема сложной системы электропривода