Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОбЪЕКТОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 19
1.1. Абстрактная математическая модель и классификация объектов диагностирования электропривода 20
1.2. Примеры промышленных объектов диагностирования электропривода. 24
1.3. Модели непрерывных комбинационных объектов диагностирования. Модели СИФУ тиристорного преобразователя. 32
1.4. Модели непрерывных последовательностных объектов диагностирования. Модели элементов и системы тиристорного электропривода подчиненного регулирования 45
1.5. Модели дискретных комбинационных объектов диагностирования. Модель одноразрядного комбинационного сумматора 55
1.6. Модели дискретных последовательностных объектов диагностирования. Модель тиристора 60
1.7. Примеры алгоритмов диагностирования комбинационных объектов электропривода 66
Выводы 72
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ТЕСТОВОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫХ ОбЪЕКТОВ ' ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 74
2.1. Таблица чувствительностей функций передачи объекта диагностирования 75
2.2. Определение чувствительностей передаточных функций линейной динамической системы электропривода на ЭВМ... 79
2.3. Структурно-топологические методы определения чувствительностей передаточных функций 85
2.4. Таблица отклонений коэффициентов передачи объекта диагностирования 89
2.5. Математические модели и алгоритмы тестового диагностирования элементов и системы подчиненного регулирования электропривода 94
2.5.1. Модели и алгоритмы диагностирования регуляторов электропривода 95
2.5.2. Модели и алгоритмы диагностирования электродвигателя постоянного тока 99
2.5.3. Модели и алгоритмы диагностирования системы подчиненного регулирования электропривода. 105
Выводы 116
3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ФУНКОДОНАЛЬНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТИРИСТОРНИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА 117
3.1. Математические модели диагностирования силовой части тиристорних преобразователей с однофазной однополупериодной схемой выпрямления 119
3.2. Математические модели диагностирования силовой части тиристорних преобразователей с однофазной двухполупериодной схемой выпрямления. 126
3.3. Математические модели диагностирования силовой части тиристорних преобразователей с трехфазными схемами выпрямления 134
3.4. Математическая модель диагностирования силовой части реверсивного трехфазного мостового тиристорного преобразователя с системой раздельного управления тиристорними группами 142
3.5. Алгоритмы и методы диагностирования тиристорних преобразователей постоянного тока.. 148
Выводы. 162
4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, СИСТЕМЫ И ПРШЕРЫ ДЙАгаОСТИРОВАНЙЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 164
4.1. Технические требования к средствам и устройствам диагностирования электропривода 165
4.2. Измеритель логарифмических частотных характеристик электропривода 170
4.3. методика экспериментального определения частотных характеристик элементов и каскадов замкнутых систем регулирования электроприводом... . 177
4.4. Анализатор электромагнитных помех в схемах управления электропривода... 186
4.5. Система и микропроцессорный комплект диагностирования электропривода 188
4.6. Примеры диагностирования автоматизированных электроприводов промышленных установок... 195
4.6.1. Диагностирование тиристорного преобразователя ТП І600/750-І2Т... Г. 195
4.6.2. Диагностирование тиристорного компенсатора реактивной мощности ТКРМ 20/10 198
4.6.3. Диагностирование тиристорного преобразователя комплектного электропривода КТЭ 320/440 206
4.6.4. Диагностирование тиристорного возбудителя ТЕР 3-100/460 208
4.6.5. Диагностирование электропривода валков клети стана 2500 холодного проката 213
4.6.6. Диагностирование системы автоматического регулирования толщины полосы реверсивного стана холодного проката.. 218
Выводы 227
5. ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВНУТРИСИСТЕМНОЙ ЭМС ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 229
5.1. Основные источники электромагнитных помех в электроприводах 230
5.2. Электромагнитная обстановка в районе расположения элементов электропривода 243
5.3. Основные пути распространения электромагнитных помех... 262
5.4. Влияние электромагнитных помех на работоспособность элементов и систем управления электроприводом. 285
5.4.1. Влияние помех на работу операционных усилителей типа М-ДМ ...286
5.4.2. Влияние помех на работу операционных усилителей интегрального исполнения 296
5.4.3. Влияние помех на работу релейных операционных усилителей ~... 300
5.4.4. Влияние помех на работу управляемых тиристорних преобразователей постоянного тока... 311
5.4.5. Влияние помех на динамические характеристики замкнутой системы регулирования электроприводом 318
5.5. Технические средства и пути обеспечения электромагнитной совместимости элементов и систем управления электроприводом 321
Выводы . 329
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 333
Приложение I. Алгоритм определения ЛАЧХ относительных чувствительностей передаточных функций электропривода 337
Приложение 2. Справки о внедрении результатов работы... 346
ЛИТЕРАТУРА 350
Введение к работе
Развитие автоматизированного электропривода сопровождается ростом сложности и взаимосвязей элементов и систем управления автоматизированного электропривода (АЭП). Эти обстоятельства, обусловленные расширением круга решаемых электроприводом технических задач при одновременном повышении требований к эффективности функционирования, заметно обострили проблему надежности промышленного электропривода. Насыщенность АЭП аналоговыми и дискретными элементами с резко отличающимися по мощности входными и выходными сигналами управления дополнительно усилила эту проблему из-за неблагоприятных электромагнитных воздействий элементов друг на друга, вызвав необходимость обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС).
Одним из путей повышения надежности работы АЭП является техническое диагностирование (ТД) элементов и систем управления АЭП при обеспечении их ЭМС.
Техническое диагностирование автоматизированного электропривода представляет собой процесс определения его технического состояния, включающего в себя совокупность свойств электропривода, подверженных изменению при производстве или эксплуатации и характеризуемых в определенный момент времени признаками (параметрами), установленными технической документацией на автоматизированный электропривод Г51, 523.
Теоретические основы диагностирования технических систем довольно широко развиты в трудах П.П.Пархоменко, Е.С.Согомоняна, А.В.Мозгалевского, Д.В.Гаркарова, Л.П.Глазунова, С.П.Ксенза и ряда других авторов [33, 38, 46, 49, 59, 89, III, 140, 141, 1613. При этом наиболее глубоко решены проблемы диагностирования комбинационных и последовательностных дискретных устройств систем автоматики и вычислительной техники. Относительно же АЭП, где наряду с перечисленными устройствами сосуществуют и резко отличающиеся по принципам работы такие устройства, как тиристор-ные преобразователи и электрические двигатели, аналоговые и дискретные усилители, функциональные преобразователи и датчики, ф .имеются разомкнутые и замкнутые системы управления, использова ние известных методов диагностирования либо лишь частично решает проблемы диагностирования АЭП, либо оказывается технически не выполнимым.
В области технического диагностирования электромеханических систем, к числу которых относится АЭП постоянного тока, предлагаются методы диагностирования, использующие, например, чувстви Щ тельности функций передач объекта диагностирования (ОД) к изме нению его параметров, области перемещения корней характеристического уравнения ОД в комплексной плоскости при вариации параметров и т.п. [5, 46, 49, 62, 65, 66, III]. Однако эти предложения не подкрепляются общей методологией построения на их основе конкретных и обоснованных математических моделей и алгоритмов ф диагностирования, приспособленных для практического решения проблем диагностирования последовательностных непрерывных ОД электропривода, таких, как типовые регуляторы, электродвигатели, системы подчиненного регулирования АЭП на элементах УБСР.
Применительно к удивляемым тиристорним преобразователям (ТП) постоянного тока, относящихся к классу последовательностных дискретных ОД электропривода, известны математические модели и Ф алгоритмы тестового и функционального их диагностирования [95, 96, 159]. Однако эти модели и алгоритмы рассматриваются вне взаимосвязи между собой силовой части и системы импульсно-фазового управления преобразователей, что ограничивает их практическое использование и делает затруднительным выделение дефектов ТП в промышленных условиях их эксплуатации. Отсутствует представление ТП с "ш" - фазными схемами выпрямления их математическими моделями, адекватные функционированию ТП и приспособленных для алгоритмизации поиска дефектов принятыми в теории диагностирования методами.
Многообразие функций, которые должны выполнять устройства диагностирования (измерение контрольных сигналов, анализ их допустимых уровней, вынесение решений о техническом состоянии объекта, выдача информации о результатах диагностирования и т.п.), в совокупности с широким классом совместно работающих непрерывных и дискретных объектов диагностирования электропривода создает большие трудности при разработке и технической реализации средств диагностирования. Указанная проблема усугубляется и тем, что конструктивные решения, принятые для схем управления АЭП, как правило, мало учитывают потребности их диагностирования, часто затрудняя доступ к наиболее информационным сигналам управления. В этих условиях остро стоит вопрос о разработке средств диагностирования и путях их сочленения с объектом диагностирования .
Практика наладки и эксплуатации АЭП показала, что к числу основных и наиболее часто встречающихся причин появления дефектов в АЭП относится электромагнитная несовместимость его элементов [37, 124, 126, 130, 1433. Существенные изменения в АЭП, связанные с широким применением силовых полупроводниковых устройств и высокочувствительных устройств управления АЭП привели к тому, что резко возросли не предусмотренные при разработке АЭП элект ромагнитные взаимодействия между его элементами. Сигналы элект Щ ромагнитных помех (3МБ), обусловленные этими взаимодействиями, оказались соизмеримыми с полезными сигналами управления. ЭМП стали вызывать изменение статических и динамических характеристик отдельных элементов и контуров регулирования АЭП, перегрузку по току источников их питания и даже полную неработоспособность электропривода CI2I, 130, 131, 136, 144]. Поэтому решение проб w лем диагностирования АЭП неразрывно связано с проблемами обеспечения ЗМС элементов электропривода. Актуальность этой проблемы отражена в создании подкомитета ПК 77 Б Международной электротехнической комиссии (МЭК) по ЭМС электротехнического оборудования.
Способствует обострению проблемы обеспечения работоспособ ности АЭП и ее недооценка со стороны специалистов, непосредст венно отвечающих за разработку АЭП. Технические и конструктивные решения, принимаемые для схем управления АЭП, как правило, мало учитывают потребности их диагностирования, часто затрудняя доступ к наиболее информационным сигналам управления и ограничивая тем самым возможность оперативного обеспечения их работоспособности. В результате решение проблем практически переносится на Ш период наладки и эксплуатации АЭП, когда в сжатые сроки и при ограниченных технических возможностях приходится обеспечивать работоспособность АЭП отнюдь не лучшими мерами, нередко снижая эксплуатационные характеристики и надежность электропривода. При этом не только затягиваются сроки ввода в эксплуатацию и сроки простоя технологического оборудования, но и серьезно растут материальные, трудовые и интеллектуальные затраты на обеспечение работоспособности АЭП.
Диссертационная работа направлена на разработку и совершенствование методов и средств технического диагностирования элементов и систем управления АЭП, включая обеспечение их ЭМС, и, в результате, на повышение эксплуатационной надежности АЭП. В работе обобщены итоги более 25-летней деятельности автора по вышеуказанным проблемам в качестве исполнителя, ответственного исполнителя, руководителя работ, члена Постоянной Советской Части подкомитета ПК 77 Б МЭК по ЭМС. Работы выполнялись в соответствии с хоздоговорными научно-исследовательскими работами, проводимыми Челябинским государственным техническим университетом по следущим координационным планам: комплексный план КШ-2000 по приказу Минвуза СССР N485 от 6.07. 1987г. по проблеме 05.21 -"Разработка методики и средств диагностирования вентильных преобразователей и электроприводов технологических объектов и технических средств обучения"; план НИР и ОКР по автоматизации технологических процессов и управлению производством в черной металлургии на I987-1988г. по проблеме "Техническое диагностирование вентильных электроприводов прокатных станов с применением внешних автоматизированных средств на ЭЦВМ".
Объектом исследования настоящей работы является АЭП постоянного тока. Предмет исследования - диагностирование и обеспечение работоспособности промышленного электропривода.
Цель работы - решение важной научно-технической проблемы диагностирования АЭП постоянного тока, связанной с обеспечением работоспособности и повывшем его эксплуатационной надежности.
Исходя из указанной цели в работе решались следующие основные задачи:
- разработка математических моделей, методов и алгоритмов тестового диагностирования аналоговых элементов и замкнутых систем управления электропривода;
- разработка математических моделей, методов и алгоритмов функционального диагностирования тиристорних преобразователей электроприводов постоянного тока;
- разработка технических средств и устройств диагностирования промышленного электропривода;
- исследование, разработ: методов и средств обеспечения внутрисистемной ЭМС элементов и систем управления электропривода.
Основные проблемы диагностирования АЭП, решаемые в работе, представлены на рис. В.І. методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием теории электрических цепей, операторного метода, аппарата передаточных функций и частотных характеристик, функций чувствительностей, аппарата булевой алгебры и структурных конечных автоматов, теории электромагнитного поля, методов математической статистики. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными исследованиями на лабораторных стендах и промышленных АЭП при их наладке и эксплуатации.
Научная новизна работы состоит в том, что:
I. Развита теория и разработаны математические модели, методы и алгоритмы тестового диагностирования аналоговых элементов и замкнутых систем управления электропривода. В качестве математических моделей предложены таблицы ЛАЧХ относительных чувствительностей функций передач ОД к отклонению его параметров и таблицы отклонений коэффициентов передаточных функций ОД на фиксированном наборе частот тестового гармонического сигнала. Разработаны методы анализа чувствительности систем управления электроприводом на базе ее структурных схем.
2. Разработаны математические модели функционального диагностирования управляемых ТП постоянного тока с "пГ - фазными .схемами выпрямления в форме структурных конечных автоматов и их логических сетей. Предложены методы функционального диагностирования ТП с учетом взаимосвязей их силовой части и СИФУ.
3. Предложена методика определения частотных характеристик отдельных элементов, звеньев и контуров замкнутых систем регулирования промышленного электропривода, базирующая на выделении сигнала ошибки системы регулирования.
4. Разработана обобщенная модель источника ЭМП (эквивалентный излучатель Гюйгенса) в системах АЭП, для которой получены аналитические соотношения напряженности электрического и магнитного полей в ближней зоне ее пространства. Даны теоретические соотношения напряженности электрического и магнитного полей для основных источников ЭМП электропривода.
5. Дана теоретическая оценка влияния ЭМП на работоспособность основных элементов электропривода.
6. Разработаны и научно обоснованы методы и средства обеспечения ЗМС элементов и систем управления электропривода.
7. Предложен принцип построения операционных усилителей, функциональных преобразователей, датчиков тока и напряжения, системы импульсно-фазового управления тиристорними преобразователями на основе частотно-широтно-импульсного преобразования сигналов управления, отличающихся высокой помехоустойчивостью и простотой технического их диагностирования.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что осуществлено комплексное решение крупной научно-технической проблемы диагностирования АЭП постоянного тока, способствующее обеспечению его работоспособности и повышению эксплуатационной надежности.
Разработаны инженерные методы и алгоритмы диагностирования основных элементов электропривода (регуляторов, двигателя постоянного тока, тиристорних преобразователей) и типовой системы подчиненного регулирования электропривода на элементах УБСР, позволяющие выделять дефекты электропривода в условиях его промышленной эксплуатации.
Разработаны технические средства диагностирования промышленного электропривода (измеритель логарифмических частотных характеристик ИЛЧХ-5М и микропроцессорный комплект диагностирования МПКД).
Определены спектральные характеристики напряженностей электрического и магнитного полей в пространстве расположения электрооборудования прокатных станов, позволяющие прогнозировать ЭМС элементов электропривода.
Выделены основные источники, рецепторы, пути распространения ЭМТ1 и их параметры в промышленных электроприводах.
Определены допустимые уровни ЭМП на входе основных элементов электропривода и степень влияния ЭМП на его работоспособность .
Разработаны способы обеспечения ЭМС элементов АЭП и дана оценка их реальной эффективности. Предложены пути подавления низкочастотных биений выходных напряжений для ряда типовых устройств электропривода.
Разработаны операционные усилители, функциональные преобразователи, датчики тока и напряжения, системы импульсно-фазового управления тиристорними преобразователями, имеющие высокую помехоустойчивость и простоту технического их диагностирования.
Реализация результатов работы. Основные научные положения и практические рекомендации диссертационной работы внедрены в промышленность, использованы в научно-исследовательских, проектных и учебных институтах.
Эффективность методики и технических средств диагностирования электроприводов подтверждена опытом обеспечения работоспособности автоматизированных электроприводов 2-х и 5-ти клетьевых станов "630", стана "700 3", стана "2500" холодного проката, электроприводов кислородно-конверторного цеха ККЦ, слябинга Магнитогорского меткомбината (ММК), блюминга "1120" и механизма главного подъема доменной печи Орско-Халиловского меткомбината (ОХМК), электроприводов стана "720" холодного проката и толстолистового стана "2850" горячего проката Ашинского метзавода (АМЗ).
Разработанные МПКД и ИЛЧХ-5М внедрены в практику работы Пуско-наладочного управления треста Южуралэлектромонтаж Минмон-тажспецстроя, электротехнических лабораторий ММК, АМЗ, специального конструкторского бюро ОКБ "Ротор".
Основные научные разработки и рекомендации по обеспечению ЭМС АЭП вошли в предложения Постоянной Советской Части подкомитета ПК 77 Б технического комитета ТК 77 МЭК, приняты Всесоюзными научно-исследовательскими, проектными и проектно-конструктор-скими институтами Тяжпромэлектропроект, Проектэлектромонтаж, НПО "Черметавтоматика" в качестве инструктивных указаний по проектированию и монтажу электроустановок, а также использованы при разработке комплектных электроприводов типа КТЭ, КТЭУ.
Рекомендации по обеспечению ЭМС электропривода были внедрены при наладке электроприводов калибровочного стана "140" и летучих ножниц цеха N6 Челябинского трубопрокатного завода (ЧТПЗ), привода ножниц и тиристорного компенсатора реактивной мощности блюминга "1120", стана "800" ОХМК, тиристорних преобразователей фирмы Вестингауз Брэнд энд Сигнал (Англия) электроприводов цеха покрытия жести и ККЦ МНК.
Разработанные при непосредственном участии автора операционные усилители, функциональные преобразователи, датчики тока и напряжения, системы импульсно-фазового управления тиристорних преобразователей, имеющие высокую помехоустойчивость и простоту технического их диагностирования легли в основу систем управления электроприводами многоклетьевого стана холодного проката на Орском заводе по обработке цветных металлов (030ЦМ), компрессорной станции газопровода "Союз" г.Оренбурга, серии следящих электроприводов малой и средней мощности разработок СКБ "Ротор".
Изданы учебные пособия "Основы технической диагностики автоматизированных электроприводов", "Техническая диагностика замкнутых систем автоматизированного электропривода", на базе которых ведется учебный курс "Специальные вопросы автоматизированного электропривода" для студентов специальности "2105" Челябинского государственного технического университета. Технические средства и методы диагностирования электроприводов используются при выполнении лабораторных работ по указанному курсу.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на IX Международном Вроцлавском симпозиуме по ЭМС (Вроцлав, ПНР, 1988); VIII, IX, XI Всесоюзных научно-технических конференциях :- - проблемам автоматизированного электропривода (Ташкент, 1979; Алма-Ата, 1983; Суздаль, 1991); Всесоюзной научно-технической конференции с международным участием "Методы и средства технической диагностики высокоавтоматизированного технологического оборудования" (Ленинград, 1991);
III Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей" (Таллин, 1986), Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения" (Куйбышев, 1989); III Всесоюзной научно-технической конференции "Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве" (Миасс, 1989); III Республиканской научно-технической конференции "Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости" (Винница, 1991); Республиканской научно-методической конференции "Применение ЭВМ в учебном процессе высших и средних учебных заведений" (Душанбе, 1987); заседании секции средств электропривода и электроавтоматики НТО ВНИИЭлектропривод (Москва, 1984); а также на 15 региональных конференциях, семинарах и совещаниях.
Основное содержание диссертации опубликовано в 71 печатной работе, в том числе две книги, два методических пособия, 46 статей и докладов, 21 авторское свидетельство.
