Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
7.1. Информационное содержание внешних магнитных полей электротехнических устройств
Ещё одним моментом, относящимся к информационным технологиям, обеспечивающим переход к инновационной экономике, является автоматизация диагностических процессов в радиотехнических системах. Рассмотрим применение в диагностике технического состояния объекта информационного содержания создаваемых объектом внешних магнитных полей.
Процесс определения технического состояния объекта с определенной точностью называется техническим диагностированием [7.1]. Данный процесс реализуется в системе технического диагностирования (СТД), представляющей совокупность средств, объекта диагностирования и исполнителей, подготовленных к проведению диагностирования по определенным методам к правилам, устанавливаемым в технической документации, базирующимся на результатах исследований в области диагностики и их внедрении в практику эксплуатации.
В настоящее время вопросы оценки технического состояния электротехнических устройств решаются двумя видами диагностики: тестовой или функциональной. Тестовое диагностирование широко представлено, например, в работе [7.1] и связано с применением генератора импульсов тестовых сигналов, который подключается к отдельным участкам электрической цепи объекта контроля. Анализ откликов на его тестовые воздействия позволяет последовательно выявлять дефектность состояния объекта. Несмотря на преимущества, данный способ диагностики не может быть использован для выявления аномальных режимов работы объекта для случая машин непрерывного производственного цикла, так как для проведения процедуры тестового диагностирования требуется вывод объекта из эксплуатации.
К группе функционального диагностирования электротехнических устройств относятся способы диагностики косвенными методами [7.2, 7.3]. Их сущность заключается в регистрации изменения во времени внешнего магнитного поля индукционных элементов в питающей цепи (трансформаторы, дроссели сглаживающих фильтров и т. д) при фиксированном положении датчика магнитного поля. В дальнейшем для краткости изменение во времени магнитного поля или же тока будем называть кинетикой соответствующей величины. На основании анализа информации, полученной с датчика магнитного поля, делают заключение о техническом состоянии объекта контроля. Отклонение параметров электромагнитного поля от нормального значения свидетельствует о нарушении работы. При этом диагностическую информацию несут как усредненные величины параметров электромагнитного поля, так и кинетика их изменения. В данной работе основным носителем диагностической информации рассматривается кинетика параметров внешнего магнитного поля (ВМП) электротехнических устройств. Под кинетикой магнитного поля в дальнейшем будем понимать зависимость индукции магнитного поля в данной точке пространства x, y, z от времени – 
. В данном случае координаты точки являются параметрами. Если речь будет идти о некоторой фиксированной точке, то для краткости координатные параметры будут опускаться. Решение задач функциональной диагностики подразумевает регистрацию кинетики магнитного поля в выбранной точке пространства с помощью специальных датчиков магнитного поля. Использованию внешнего магнитного поля электротехнических устройств для диагностики и прогноза последнее время уделяется все больше внимания, например, [7.4, 7.5]. Внешнего магнитного поля позволяет развить методики перехода от контроля по регламенту к контролю по состоянию, что является весьма актуальной задачей.
Любая реальная электрическая машина, потребляющая электрический ток, создает в окружающем пространстве магнитное поле. Описать его конфигурацию и свойства можно с помощью уравнений Максвелла и соответствующих методик. Однако этот путь хотя и строг, но необходимость учета всех токов, имеющих место в машине, может привести к снижению точности выводов, так как учесть все токи и нюансы конструкции затруднительно. Поэтому, на данном этапе предпочтительными являются экспериментальные исследования, так как в этом случае рейтинги физических процессов в объекте диагностики устанавливаются естественным путем.
Магнитное поле электрической машины создается одновременно как токами в обмотках и вихревыми токами в магнитопроводе, так и намагничиваемым железом. Для машин переменного тока эти поля являются переменными, имеющими частоту питающей сети. Кроме того, магнитные поля различных частей электрической машины по-разному зависят от расстояния до точки наблюдения. Теоретически в любой точке окружающего пространства результирующее магнитное поле может быть найдено по принципу суперпозиции магнитных полей указанных выше элементов. Эту задачу автоматически выполняет измерительный преобразователь (датчик) магнитного поля.
Использование внешнего магнитного поля для решения задач диагностики электротехнических устройств позволяет реализовать функциональное диагностирование объекта в штатном режиме, без снятия защитного кожуха. Такая технология диагностики может быть отнесена к неразрушающей. В целях облегчения анализа удобно ВМП электротехнического устройства условно разделить на две области: ближнюю и дальнюю, как показано на рис. 7.1. В ближней области магнитное поле имеет сложную пространственно-временную конфигурацию и определяется конструкцией и компоновкой объекта. Небольшое изменение положения или ориентации датчика в этой области, в соответствии с принципом суперпозиции, сопровождается сильным изменением формы выходного сигнала датчика. Существенным становится и собственный размер датчика. Все это затрудняет идентификацию регистрируемой кинетики магнитного поля с искомой диагностической информацией. В дальней области магнитное поле электротехнического устройства сглаживается и приближается по форме к магнитному полю некоторого соленоида с нелинейным сердечником [7.6]. Это позволяет упростить анализ кинетики ВМП применительно к задачам диагностики. Как отмечалось выше, деление области ВМП на «ближнюю» и «дальнюю» является условным, и четкая граница между ними отсутствует. В первом приближении можно считать, что «дальняя» область начинается с расстояния равного линейному размеру электротехнического устройства.
Если в качестве примера электротехнического устройства выбрать трансформаторно-выпрямительный блок (ТВБ), содержащий трансформатор, выпрямительные диоды (мостовая схема), конденсатор фильтра и потребитель, то кинетика ВМП, создаваемого трансформатором в дальней области оказывается связанной как с его техническим состоянием, так и с состоянием элементов его нагрузки (диоды, конденсатор фильтра). Кроме того, для исправного ТВБ кинетика ВМП должна зависеть от напряжения на первичной обмотке трансформатора и тока во вторичной обмотке. Поэтому, регистрируя кинетику ВМП в дальней области индуктивного элемента электротехнического устройства, можно осуществлять диагностику его элементов, не прерывая работу объекта, питающегося данным ТВБ. В некоторых случаях для этого не потребуется даже вскрывать корпус объекта.
Рис. 7.1. Области внешнего магнитного поля трансформаторно-выпрямительного тока силового трансформатора
Рассмотрим источники аномалий в кинетике ВМП электротехнического устройства, которые связаны с техническим состоянием объекта контроля и могут быть выделены из нее в процессе диагностирования. В общем случае они состоят из функционально законченных частей: магнитопровода, входной обмотки и выходного узла [7.7]. В качестве выходного узла может выступать как вторичная обмотка, так и некоторый механический элемент (подвижная часть магнитопровода в реле или электродвигателе). На рис. 7.2 представлена модель электротехнического устройства.
На рисунке используются следующие обозначения:
i1(t), i2(t) – токи в первичной и вторичной обмотках;
L1(t, i1(t), i2(t)), L2(t, i1(t), i2(t)) – индуктивности первичной и вторичной обмоток;
M1,2(t, i1(t), i2(t)) – взаимная индукция обмоток;
h(t) – воздушный зазор.
Рис. 7.2. Обобщенная модель электротехнического устройства
В каждой части электротехнического устройства развиваются физические процессы, которые дают вклад в кинетику магнитного поля в точке размещения датчика. Эти процессы можно рассматривать как основу информационного содержания кинетики ВМП.
1 – ток первичной обмотки i1(t) создает магнитное поле, обеспечивающее работу всего электротехнического устройства: намагничивание магнитопровода, индуцирование электрического поля во вторичной обмотке, создание механического движения в магнитопроводе h(t).
2 – Материал магнитопровода электрической машины существенно нелинеен. Его магнитная проницаемость зависит от величины напряженности магнитного поля, создаваемого как входной так и выходной обмотками μ = μ(t, i1(t), i2(t)). Сложное доменное строение ферромагнетиков, приводящее к гистерезису свойств, обеспечивает зависимость магнитной проницаемости при данном мгновенном значении силы тока от предистории. Поэтому, с диагностической точки зрения, работу электротехнического устройства на переменном токе можно рассматривать как своеобразное непрерывное сканирование технического состояния с частотой сети питающего напряжения, происходящее независимо от решаемых диагностических задач. Доменная структура ферромагнетиков очень чувствительна к внешнему воздействию, например, появлению в одной из обмоток постоянной составляющей тока, приводящей к намагничиванию.
Кроме доменной структуры магнитопровод, как основа магнитной цепи электротехнического устройства, характеризуется магнитным сопротивлением, зависящем от взаимного положения его элементов. Следовательно, движение элементов электротехнического устройства h(t) в процессе штатного функционирования также найдет отражение в кинетике ВМП и обеспечит возможность реализации диагностирования.
3 – магнитное поле вторичной обмотки несет дополнительную информацию о техническом состоянии элементов нагрузки.
Таким образом, регистрируя кинетику ВМП в определенной точке окружающего электротехническое устройство пространства, можно реализовать бесконтактную функциональную диагностику. Решая обратную задачу из регистрируемой кинетики тока можно выделить информацию о протекающих в соответствующих частях электротехнического устройства процессах и осуществлять диагностический прогноз.