Usage of frequency-domain analysis methods for estimation of variation dynamics of parameters of electrical machines windings

ISSN 2223–5620 (Print), ISSN 2411–1554 (Online) Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті, 2013, № 5 УДК 681.518.54 : 621.313.13 А. Ю. ЛЕБЕДЕВ, аспирант, Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Статью представил д. т. н., проф. А. П. Разгонов со временем ухудшается за счет изменения макронеоднородности диэлектрика (растрескивание, насыщение влагой и др.). Зная динамику ухудшения макронеоднородности, можно судить о состоянии электрической изоляции обмоток, а, следовательно, и о предполагаемом остаточном сроке службы электродвигателя. Полученные в работе [1] результаты оценки параметров элементов эквивалентной схемы замещения диэлектрика электрических машин показали, что критерием степени изменения изоляции диэлектрика может служить величина его суммарной емкости, обусловленная геометрией диэлектрика и сопротивлением, связанным с явлением абсорбции неоднородностей. Оказалось, что величины этих параметров напрямую влияют на состояние изоляции диэлектрика. Основными недостатками предложенного импульсного метода, по моему мнению, являются технические трудности оценки малых значений емкостей (нФ, пФ), заключающиеся в необходимости использования сравнительно сложной измерительной техники. Это, в свою очередь, приводит к относительно высоким погрешностям измерения и оценки состояния изоляции обмоток машин. Целью работы является разработка более универсального частотного метода для диагностирования состояния электродвигателей, который будет положен в основу построения автоматизированного диагностического компьютерного комплекса. Введение В связи с возрастающими скоростями и объемами железнодорожных перевозок, с каждым годом к железнодорожным устройствам ставятся все более высокие требования по безопасности и надежности функционирования. Увеличивается разнообразие устройств, которые построены на различной элементной базе, но продолжают одновременно эксплуатироваться на сети железных дорог. В сложившейся ситуации поиск и устранение неисправностей в устройствах железнодорожной автоматики, приводящих к задержке поездов и снижению пропускной способности дороги, становится весьма важной проблемой. Поиск и устранение неисправностей в системах ЖАТ и электрооборудовании локомотивов – достаточно длительный и сложный процесс. С учетом изложенного раннее, становится очевидной необходимость создания систем автоматизированного диагностирования и контроля названных объектов. Использование технических средств не только ускорит поиск и устранение отказов, но и поможет заранее прогнозировать возможные отказы. Постановка задачи Срок службы электродвигателей существенно зависит от условия их эксплуатации (перегрузки, нагрев обмоток и т.д.). В свою очередь, неправильная эксплуатация приводит к значительному ухудшению параметров диэлектрического материала обмоток. Установлено, что качество изоляции © А. Ю. Лебедев, 2013 19 ISSN 2223–5620 (Print), ISSN 2411–1554 (Online) Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті, 2013, № 5 Предлагаемый частотный метод оценки времени старения изоляции электродвигателей по емкости диэлектрика более эффективный, чем упомянутый выше импульсный метод, поскольку оценка параметров обмоток основана на применении высокоточной измерительной техники (цифровых амперметров, вольтметров, АЦП и др.). Известно, что обмотки электрических машин относятся к двухпроводным длинным линиям. В таком случае первичные параметры пассивных схем замещения линии ( R , L , C и G ), отнесенные к единице длины обмоток, используют при выборе структуры Т- и П-образных схем замещения. Для бесконечно малого элемента схемы замещения линии можно получить уравнения типа Гельмгольца [2]: d 2U dx 2   2U  0 ; d 2 I dx 2   2 I  0 , Амплитудно-частотная характеристика является носителем важной информации о свойствах и параметрах цепей. По ее виду можно определить характер входного сопротивления цепи (емкостной или индуктивный). Обычно частотные характеристики цепей с распределенными параметрами исследуют в граничных режимах – короткого замыкания (КЗ) и холостого хода (ХХ) [4]: Z х  Z х () ;  х   х () ; Z к  Z к () ; к  к () . (5) Опытами установлено, что если в цепи еще не возникли резонансные явления, то Z вх обмотки электродвигателя в режиме КЗ, как правило, имеет индуктивный характер, а в режиме ХХ – емкостной. Минимумы Zвх на АЧХ соответствуют резонансу напряжения (РН), а экстремумы – резонансу тока (РС). Если с ростом частоты схема переходит из колебательного режима в апериодический, то число резонансов может быть 23. При этом наблюдается рост активного сопротивления rакт , что объясняется свойством собственных чисел. Зная частотную характеристику обмоток электродвигателя, можно вычислить первичные и вторичных параметры ЦРП. Эти параметры можно найти, используя одну точку на АЧХ. Но, поскольку параметры обмоток электродвигателей зависят от частоты, лучше брать ряд точек. Для построения АЧХ необходимо провести измерение комплексных сопротивлений Z () , учитывая, что длинные линии обмоток электродвигателя П- и Т-звеньями относятся к так называемым минимальнофазовым звеньям [5]. Их основным признаком является расположение всех нулей передаточной функции в левой полуплоскости p    j . Для таких цепей существует однозначное и взаимное комплексное соответствие между их АЧХ и ФЧХ. Например, комплексная передаточная функция однород- (1) где   коэффициент распространения линии. Для стационарного режима процессов и гармонического сигнала на входе линии уравнения (1), после преобразований сводятся к уравнениям передачи четырехполюсника вида [3]: U1  U 2ch l  Zc I2 sh l ; U2 (2) sh  l  I2ch  l , Zc где U1 , I1  напряжение и ток в начале лиI1  нии, Z c  характеристическое сопротивление линии. Для определения частотных характеристик (ЧХ) цепей с распределенными параметрами (ЦРП) обычно используют зависимости входных сопротивлений от частоты: Zвх  Zвх  e jвх  Z ( j) . (3) Уравнения для определения входного сопротивления расписываются по двум составляющим АЧХ и ФЧХ: Zвх  mod Zвх  Z () ; вх  arg Zвх  () . (4) © А. Ю. Лебедев, 2013 20 ISSN 2223–5620 (Print), ISSN 2411–1554 (Online) Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті, 2013, № 5 ной цепной схемы (ОЦС) определяется по отношению напряжения K u или тока K i : Ku U 2 I1 Z 2 ,   Ki U1I 2 Z вх откуда Ki (6) Z вх  Z2 , Ku Коэффициент распространения отыскивается: Zk , thl  Te j , T  Zx 1 (9)   ( к   х ) . 2 Установлено, что для обмоток электродвигателей обычно T  1 , для arg  ограничений нет. Известно: 2T cos  2T sin  , th2l  . (10) th2l  2 1 T 1 T 2 Полученное из (10) значение 2l в силу периодичности функции тангенса, должно  соответствовать условию 2l  2 l c  (Нп/км), где c   фазовая скорость, l   длина провода фазовой обмотки статора. Угол  мо (...truncated)