Методы и средства диагностики изоляции асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства на основе частичных разрядов

Агропромышленный комплекс России — один из наиболее крупных секторов народного хозяйства, оказывающий влияние не только на продовольственную безопасность страны, но и на социальную обстановку в целом. Минсельхозом разработан приоритетный национальный проект «Развитие АПК» [52], реализация которого с 2006 года позволила получить положительные тенденции в развитии земледелия и животноводства. Несмотря на это в сельском хозяйстве сохраняется ряд системных проблем, к которым относятся высокий физический и моральный износ основных фондов, общая техническая и технологическая отсталость отрасли [52].

Для преодоления указанных недостатков и достижения конкретных целевых показателей национального проекта необходима дальнейшая электрификация и электромеханизация всех технологических процессов в АПК, внедрение принципиально новых технологий и оборудования. Рост энерговооруженности неизбежно потребует решения проблем надежности и долговечности электрооборудования, эксплуатирующегося в специфических условиях сельскохозяйственного производства. Основным потребителем и преобразователем электроэнергии в сельском хозяйстве служат электродвигатели, от бесперебойной работы которых зависит нормальное протекание любого технологического процесса.

Сельскохозяйственный электропривод в подавляющем большинстве случаев базируется на асинхронном двигателе (АД) с короткозамкнутым ротором, который в целом весьма надежен. Однако показатели его конструкционной надежности не достигаются при эксплуатации в сельском хозяйстве. Высокая интенсивность отказов АД, подтвержденная статистическими исследованиями, обусловлена многофакторными воздействиями на электрическую машину со стороны сложной системы сельскохозяйственного производства. При этом отдельные меры по устранению аварийности не приносят желаемого результата в виде нормативного ресурса машин, а существующая система планово-предупредительного обслуживания затратна. Необходим иной подход, сочетающий низкие удельные затраты с обеспечением безаварийной работы АД. Этого можно достичь комплексным подходом с использованием методов технической диагностики.

Техническая диагностика — наука о распознавании состояний системы — включает широкий круг проблем, связанных с получением и оценкой диагностической информации. Практический аспект диагностики связан с определением состояния объекта, которое классифицируется как исправное или неисправное, работоспособное или неработоспособное, правильного или неправильного функционирования. При этом правильно функционирующий и сохраняющий временную работоспособность объект может быть неисправен, т. е. находиться в состоянии скрытого отказа. Это состояние характерно для АД с увеличенным отработанным ресурсом, его выявление представляет собой сложную и наукоемкую техническую задачу.

Крупные электрифицированные предприятия АПК — животноводческие и птицеводческие комплексы, комбикормовые заводы — имеют большое количество электроприводов, входящих в общую систему жизнеобеспечения биологических объектов. Отказы АД в подобных системах приводят не только к прямому ущербу, связанному с затратами на замену и ремонт отказавшего оборудования, но и к технологическим потерям вследствие снижения продуктивности и даже гибели животных. Известно, что отказ системы вентиляции птицеводческих помещений ведет к недопустимому повышению концентрации вредных газов, что в конечном итоге вызывает гибель птицы. Перебои в работе электрооборудования кормоцехов ферм КРС снижают производительность и качество приготовляемого корма. При этом нарушается график кормления животных, уменьшаются удои молока, теряется живой вес. Величина технологического ущерба колеблется в широких пределах. В больших механизированных комплексах этот вид потерь может превышать стоимость отказавшего оборудования [31, 37]. В биотехнических системах по содержанию высокопородных животных, ценность которых многократно превышает стоимость оборудования, потери в жизнедеятельности животных недопустимы. Соответственно требуется близкая к 100%-ой надежность электроприводов, что может быть достигнуто комплексным подходом к обслуживанию асинхронных двигателей с использованием методов технической диагностики.

В электроприводах сельскохозяйственного назначения наибольшее распространение получили АД мощностью от Г до 3 кВт с частотой вращения 1500 мин. В животноводстве используется около 50% всех эксплуатирующихся двигателей, в растениеводстве — 30%, на подсобных предприятиях — 20% [67]. Парк электродвигателей разделен по сериям, исполнениям и модификациям. В эксплуатации находятся двигатели единой серии 4А и АИР. В последние годы выпускается новая серия 5А, технические данные которой приведены в [10]. Электродвигатели этой серии полностью заменимы с соответствующими типами двигателей 4А и АИР.

Сложные условия эксплуатации приводят к тому, что аварийность асинхронных двигателей ^ в сельскохозяйственном производстве остается высокой и достигает уровня 20.25% [135]. При этом профилактическое обслуживание электроприводов чаще всего не проводится вообще, а деятельность энергетической службы сводится только к аварийным ремонтам [185]. Стратегия аварийных ремонтов — худшая из возможных. Срок службы двигателей после капитального ремонта не превышает 50-и процентов срока службы новых машин.

Только незначительная часть электродвигателей в сельском хозяйстве эксплуатируется в сухих отапливаемых помещениях, для остальных нужны специальные мероприятия по поддержанию сопротивления* изоляции на должном уровне. Эту задачу решает профилактическая сушка изоляции. Од нако существующие средства сушки трудоэнергозатратам, не автоматизированы, требуют длительного простоя оборудования. Следовательно, нужны компактные и недорогие устройства, с большей интенсивностью, чем известные восстанавливающие сопротивление отсыревшей изоляции и не требующие присутствия обслуживающего персонала. Учитывая взаимосвязь между увлажнением изоляции и надежностью электрической машины, весьма перспективно совмещение в одном приборе функций сушки и диагностики изоляции. Подобное устройство способно повысить удобство обслуживания АД по месту установки, сократить номенклатуру необходимых для этого технических средств, получить экономический эффект от сокращения эксплуатационных затрат и увеличения надежности привода.

Для уменьшения аварийности большое значение имеют средства защиты электродвигателей. Из известных устройств наиболее достоверно оценивают состояние обмотки устройства встроенной температурной защиты серии УВТЗ. Однако и они не лишены серьезных недостатков [136, 137] и нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

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

Острота проблемы в сельском хозяйстве предопределена ускоренным износом межвитковой изоляции под влиянием внешних эксплуатационных факторов. В существующей системе ППРЭСХ это учитывается повышением частоты профилактических ремонтов по мере увеличения отработанного ресурса двигателей, что связано с ростом затрат. Внедрение эффективных методов диагностики позволит перейти к стратегии обслуживания по фактическому состоянию электроизоляционной системы и добиться надежной работы АД без увеличения частоты профилактики. Конечный результат в виде снижения затрат и бесперебойного выпуска сельскохозяйственной продукции актуален для всех форм сельских товаропроизводителей.

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 и предмет исследования. Объектом исследования являлась изоляция статорных обмоток асинхронных двигателей с увеличенным отработанным ресурсом, методы и средства ее диагностирования. Предмет исследования — установление закономерностей предпробойного состояния электроизоляционной системы 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 ХР, 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 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 эффективной стратегии обслуживания асинхронных двигателей сельскохозяйственного производства по фактическому состоянию электроизоляционной системы. При этом получены следующие результаты:

— разработан пакет прикладных программ для компьютерного моделирования ЧР в различных частях изоляции и переходных процессов в обмотке, а также волнового расчета АД для обоснования параметров моделей;

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

— обоснована возможность и целесообразность тестовой диагностики изоляции АД методом прямой регистрации ЧР в режиме импульсной сушки изоляции, выработаны общие требования к диагностическому устройству;

— предложен способ контроля и защиты изоляции электропотребителей в сетях с глухозаземленной нейтралью (патент РФ № 2 265 949), обеспечивающий диагностический контроль изоляции фаза-корпус АД;

— разработан комплекс технических средств по обеспечению эксплуатационной надежности АД: устройство для управления процессом сушки изоляции (а.с. № 1 377 971), система энергоснабжения (а.с. 1 585 862), 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 вла-гозаполненного дефекта изоляции и измерения диагностических параметров электродвигателей;

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

Реализация и внедрение результатов исследований&diamsРезультаты исследований используются в областной целевой программе «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 № 2 265 949), 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. № 1 377 971) 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 сушки (система энергоснабжения по а.с. № 1 585 862) 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 (удостоверение № 36 065) и 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. Зерно-град, 2004 — 2005 г.);

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

— 5-ой Южно-Российской научной конференции «Энергои 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.).

Исследования выполнены по госбюджетной тематике ФГОУ ВПО АЧГАА «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства» (№ ГР 1 870 025 279) 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

907 г*.

-.зШШВ г,, t,: ?

А К Г.

ШШЮВШШ1# ОООШЙШШ HSQSOAS SH? В ЧЗр разрабешаш s 4ШШ0Х шштшшз цодашшцж ua yaspouotm да ШфотвВ оуша 2эд2шш по зояшш Сшгор? шо<5рО~ шнш a*ihlmm&me шродша в 0орйог|дажоб ИШ «Р&&грсшршэпэр~ ю* 15 войодьзуошх дш ощ’ажвштт йршэздшш тттй т$тш.

У0"Гр0&й!®#.

Гл" ШШОШр Ш1Э0 ;

Лошраш* кофеди и жяатесаои i шетв"й аэт в тч, sougoporc&ju P 414/1Л арекда IIUIS" тутом 1: эхпшз&шш сохатого ш?^!!з?2а Породам «„л“ ^ аг^эг^ж:жэт-г0 оо^даи к: '?/чгзи-яозипадсвш ?vu: зшгшв! офкдоз mf3! X€K3Po узт^ойстэа ддл ша^/ж-» гтагсэтслз’Д, тагкгдашзш! о eo#?wjsf!tf ti.

I С"'.

— а-окнвчвеяшх до^/кизтаюя m fasfsooTi чертежей УЛС 1,00,000) — I псгакспт.

— ir^fcii отче? r’Pa3?i?u ru т. эх"ж чей сул: л паолмнш: шттездвогатевэй i чте? sa и^льсI.

I i"'W * t JU" никак*""" f ¿-ШЯ.

K-сэ frttrff-irtrUTpy^Ttlltrr V.

I Qyi. yf'd.

1OI4 °F.

I ! 2 f 3 I 4 ± .

К73П-3−0,05 ИТ" 30 0-IO 5−40.

К73П-3−0,о ВТ. 40 0−37 Х4"ао.

К ДЮЗА ffif. 100 0−07 7*00.

КТ502Г да" 20 0−21 4−20.

КТЗ 4Ш да. 50 0−12 6−00.

КТ34Ш ВТ. 50 0−12 6−00.

Щ405А шт. 70 0−20 14″" шт. 30 4−07 122−10.

TOJ—122—26—10 m?. 10 4-u0 454Ю.

КС-630А ¦f. 30 0−30 3~qo.

АЛ-307 AM «. 40 0−15 6−00.

АД-307 БЫ НУ. 40 0−21 8−40.

АЛ-307 Ш ВТ. 40 0−12 4−80.

KT-3IO В ш. 100 0−07 7−00.

Старятй шуодяй еотдоотк НИС АЧШСХ, «ад. т*т$ж C А.Я.Дщщш®.

Ведущий шшздр Азомгрщромэнодго mjuj^^j^^^ Наведав.

Gmrsmommms rivmmmx Л). И"Димм/.

УТВЕРЗВДАЮ.

Директор Контантиновского. ПО нерго" нерго" .