Введение

Электромагнитные механизмы являются одними из основных узлов многих устройств управления и защиты и широко используются в автоматических выключателях и в системах дистанционного привода. При этом они служат для управления электрическими контактами непосредственно или через промежуточные устройства. Такая служебная функция электромагнитного механизма часто незаслуженно ставит его в ряд второстепенных узлов, характеристикам которых не всегда уделяют достаточно внимания. Между тем эти характеристики существенно влияют на рабочие параметры устройства в целом, на его работоспособность и другие технико-экономические показатели [1].

Цель исследования

В последнее время разрабатывается система бессенсорной диагностики и контроля магнитных и механических свойств электромагнитных механизмов с идентификацией их возможных неисправностей [4]. Главное преимущество такой системы заключается в использовании внутренних «сенсорных» свойств электромагнита, когда не требуются подключения дополнительных магнитометрических датчиков, а первичным источником информации служит собственная обмотка электромагнитного механизма. Таким образом, его вебер-амперная характеристика определяются не в результате прямых измерений магнитного потока, а косвенным образом с применением специальных вычислений.

Аппаратной компонентой системы бессенсорной диагностики электромагнитных механизмов служит автоматизированная измерительная система (АИС) MagHyst, разработанная Штанбайc-центром Мехатроники (г. Ильменау, Германия) совместно с кафедрой информационных и измерительных технологий (ИИСТ) ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова.

С помощью АИС MagHYST осуществляется определение вебер-амперной характеристики электромагнитного механизма (зависимости магнитного потокосцепления от тока – Ψ(I)) путем измерения временных зависимостей напряжения, тока и активной составляющей сопротивления обмотки электромагнитного механизма. Различают два режима измерения:

• квазистатическое измерение QSM (quasistatische Messung), при котором значение напряжения Uинд, индуцированного на обмотке электромагнитного механизма, поддерживается постоянным по модулю;
• реакция на ступенчатое возмущение – SA (Sprungantwort), при котором на обмотку электромагнитного механизма подается положительный импульс напряжения.

В обоих случаях измеряются входное напряжение U(t), ток I(t), протекающий в цепи электромагнитного механизма, и индуцированное напряжение Uинд(t).

Недостатком АИС MagHYST является наличие погрешности при определении вебер-амперных характеристик электромагнитных механизмов, вызванной изменением активной составляющей сопротивления обмотки.

Цель исследования заключается в повышении точности определения вебер-амперных характеристик электромагнитных механизмов в автоматизированной системе бессенсорной диагностики электромагнитных механизмов.

Материал и методы исследования

Математической основой вычислительного модуля программного обеспечения автоматизированной системы бессенсорной диагностики является «энергетический» метод определения магнитных (вебер-амперных) характеристик электротехнических изделий [2].

Суть метода заключается в определении вебер-амперной характеристики с учетом изменяющейся активной составляющей сопротивления R обмотки электромагнитного механизма в зависимости от тепловой энергии, выделяемой в образце при измерении. При этом вычисляется коэффициент p соответствия приращения активной составляющей сопротивления DR и вызвавшей это приращение суммарной тепловой энергии WS:

.

Далее вычисляются значения приращений DRk, соответствующие каждому шагу k измерения:

.

Значения Rk, соответствующие каждому шагу k измерения, определяются следующим образом:

, при этом , (при k = 1).

Значения потокосцепления находятся по формуле:

,

где , , – значения напряжения, тока и времени при каждом k измерении; – сопротивление измерительного шунта; – сопротивление соединительных проводов, которым при малом значении R пренебрегать нельзя.

Результаты исследования и их обсуждение

Метод косвенного определения вебер-амперных характеристик испытуемых электромагнитных механизмов реализован в программном обеспечении для персонального компьютера, включенного в автоматизированную систему диагностики. Программное обеспечение разработано в среде графического программирования LabVIEW и обладает следующей функциональностью:

• считывание предварительно измеренных и сохраненных на жестком диске компьютера с помощью АИС MagHYST данных (I(t), U(t), Uинд(t)), полученных в режиме одного измерения (QSM или SA) или в режиме серии измерений (SA1, QSM, SA2) [5];
• расчет активной составляющей сопротивления обмотки образца (в режиме измерения SA);
• интерполяция функции изменения в процессе измерения величины активной составляющей сопротивления обмотки испытуемого образца;
• расчет характеристики Ψ(I) - с возможностью настроек различных вариантов расчета;
• визуальное отображение всех измеренных и рассчитанных характеристик в виде графиков на мониторе персонального компьютера.

Базовые значения активной составляющей сопротивления R1 и R2 обмотки испытуемого образца, используемые при расчете его вебер-амперной характеристики согласно описанному выше методу, могут быть введены пользователем в специальном диалоговом окне, которое открывается после выбора соответствующего пункта меню (рис. 1). При измерениях в режиме SA базовые значения активной составляющей сопротивления будут автоматически вычислены по напряжению и току.

Рисунок 1 – Задание пользователем базовых R1 и R2 значений активной составляющей сопротивления обмотки электромагнитного механизма

В настройках расчета вебер-амперных характеристик имеется возможность выбора способа интерполяции функции изменения в процессе измерения величины активной составляющей сопротивления обмотки испытуемого образца: постоянное, линейное или согласно «энергетическому» методу, когда изменение учитывается в зависимости от выделяемой тепловой энергии (рис. 2).

Рисунок 2 – Различный характер изменения активной составляющей сопротивления обмотки электромагнитного механизма, принимаемый при расчете его вебер-амперной характеристики (1 - постоянное сопротивление, 2 - линейное сопротивление, 3 – сопротивление, изменяющееся в зависимости от выделяемой тепловой энергии)

Включенные настройки «Центровать», «Замыкать» (рис. 3) дают возможность с помощью дополнительных математических преобразований в некоторой степени компенсировать влияние «оффсетов» на рассчитываемые вебер-амперные характеристики. Понимание точного характера влияния таких погрешностей и разработка способов их полной компенсации является следующей задачей исследований в этом направлении.

Рисунок 3 – Вебер-амперные характеристики электромагнитного механизма с включенными настройками «Центровать» и «Замыкать» (1 - с учетом неизменяющейся активной составляющей сопротивления обмотки, 2 – с учетом изменяющейся в зависимости от выделяемой тепловой энергии активной составляющей сопротивления обмотки)

Выводы

Метод косвенного определения вебер-амперных характеристик электромагнитных механизмов был экспериментально проверен на электромагните Staiger, при этом были измерены базовые значения активной составляющей сопротивления: R1 = (17,728 ± 0,0001) Ом; R2 = (17,780 ± 0,0001) Ом; Rш = (0,2 ± 0,0001) Ом; Rпр = (0,01 ± 0,0001) Ом. Измерения проводились цифровым мультиметром Tektronix DMM4050.

Результаты показали, что предложенный алгоритм обеспечивают повышение точности за счет снижения погрешности, вызванной изменением активной составляющей сопротивления обмотки [3].

Таким образом, применение метода косвенного определения вебер-амперных характеристик при разработке программного обеспечения для автоматизированной системы бессенсорной диагностики электромагнитных механизмов подтверждает практическую направленность проведенных ранее теоретических исследований.

Статья подготовлена в рамках государственного задания на 2013-2014 год (проект № 11.7199.2013).

Рецензенты:

Гречихин В.В., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии», ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск.

Кириевский Е.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии», ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова», г.Новочеркасск.