Δυναμική ανάλυση και ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτων ελεγχόμενου κινητήριου συστήματος αποτελούμενου απο ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος
Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση της στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος αποτελούμενου από ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος συνδεδεμένους στο δρομέα αυτής, γνωστού ως «Υποσύγχρονη Κασκάντε», το οποίο χρησιμοποιείται σε κινητήρια συστήματα ισχύος της τάξης 1-20 MW. Ιδιαίτερα εστιάστηκε στη μελέτη των ταλαντώσεων της ηλεκτρομαγνητικής ροπής, οι οποίες οφείλονται στην ύπαρξη του ανορθωτή στο κύκλωμα του δρομέα, και το πώς επηρεάζονται ποσοτικά οι ταλαντώσεις αυτές από την ταχύτητα περιστροφής και τα παραμετρικά στοιχεία της μηχανής. Ακόμα, διερευνάται η ταλάντωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής στην περίπτωση ανοιχτοκυκλωμάτων ή βραχυκυκλωμάτων στις διόδους του ανορθωτή στο κύκλωμα του δρομέα. Μελετούνται οι ενδεχόμενες επιπτώσεις των ταλαντώσεων της ροπής στο μηχανικό σύστημα, καθώς και το πώς θα πρέπει να σχεδιασθεί το μηχανικό σύστημα προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα και αστοχίες λόγω στρεπτικών ταλαντώσεων. Επιπλέον γίνεται μια συστηματική διερεύνηση μεθόδων επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος για τη διάγνωση σφαλμάτων σε ασύγχρονες μηχανές ή ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος, προτείνονται βελτιωμένες μέθοδοι και μελετάται η δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή ή τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος της υποσύγχρονης Κασκάντε μέσω της ανάλυσης του ρεύματος του δρομέα. Πιο αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή και αναφέρονται οι στόχοι και η γενική δομή της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια σύντομη περιγραφή της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας και ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της υποσύγχρονης Κασκάντε, αναδεικνύοντας και τις ομοιότητες και διαφορές αυτής με την ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης του υπό διερεύνηση κινητήριου συστήματος σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος και περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά του καθώς και ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται ο έλεγχος της ροπής και των στροφών της ασύγχρονης μηχανής. Επιπλέον γίνεται και μια βιβλιογραφική διερεύνηση σχετικά με τις παραλλαγές του συστήματος αυτού, δηλαδή κάποιες τροποποιήσεις του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ή/και της ασύγχρονης μηχανής που έχουν προταθεί κατά καιρούς, καθώς και ποιες από τις τοπολογίες χρησιμοποιούνται στην πράξη στην πλειοψηφία των εγκατεστημένων συστημάτων. Στο κεφάλαιο 3 διερευνάται μέσω προσομοίωσης στο Matlab/Simulink η λειτουργική συμπεριφορά ενός συστήματος ισχύος 4 MW, εγκατεστημένου σε ελληνική τσιμεντοβιομηχανία. Αρχικά γίνεται η διατύπωση των εξισώσεων για την μοντελοποίηση της ασύγχρονης μηχανής στο φυσικό σύστημα a-b-c καθώς και στο σύστημα d-q-o. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης του συστήματος d-q-o για την προσομοίωση της ασύγχρονης μηχανής αλλά και για τη θεωρητική διερεύνηση των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών αυτής. Για το σύστημα που εξετάζεται επιλέγεται ένα σύστημα d-q-ο στερεωμένο στο δρομέα, αφού εκεί βρίσκεται ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, ώστε να διευκολυνθούμε στην ανάλυση της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος. Στη συνέχεια, παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διάφορες τιμές της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα της ασύγχρονης μηχανής. Αφού αναλύεται η γενική συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών της ασύγχρονης μηχανής, γίνεται ιδιαίτερη αναφορά, θεωρητική διερεύνηση και συζήτηση σχετικά με τη συμπεριφορά του συστήματος σε ολισθήσεις πολλαπλάσιες του 1/6. Ακόμα, διερευνώνται οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την ταλάντωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής και το μέγεθος αυτής της ταλάντωσης σε όλο το εύρος της συνήθους περιοχής ταχυτήτων όπου λειτουργεί το σύστημα. Τέλος, γίνεται διερεύνηση της προαναφερθείσας ταλάντωσης όταν μεταβάλλονται τα παραμετρικά στοιχεία της ασύγχρονης μηχανής από την οποία προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη βέλτιστη επιλογή των παραμέτρων αυτών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου 3 διατυπώνονται οι εξισώσεις που περιγράφουν το μηχανικό τμήμα του υπό διερεύνηση κινητήριου συστήματος, θεωρώντας ένα μοντέλο τεσσάρων μαζών και γραμμικότητα του μηχανικού συμπλέκτη. Γίνεται μια θεωρητική διερεύνηση των στρεπτικών ταλαντώσεων από την οποία προκύπτουν χρήσιμες γενικές κατευθύνσεις με βάση τις οποίες θα πρέπει να σχεδιασθεί το μηχανικό τμήμα. Κατόπιν παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του εγκατεστημένου συστήματος. Στη συνέχεια διατυπώνονται οι εξισώσεις που περιγράφουν το μηχανικό τμήμα αν ληφθεί υπόψη και η μη γραμμικότητα της στιβαρότητας του μηχανικού συμπλέκτη και παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με βάση τις εξισώσεις αυτές. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται πειραματική διερεύνηση χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ισχύος 5,5 kW στο εργαστήριο. Στην πειραματική διερεύνηση χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες μέτρησης όλων των ηλεκτρικών μεγεθών και επιπλέον αισθητήρες μέτρησης της ροπής (επιμηκυνσιόμετρο) αλλά και των κραδασμών του κινητήρα (επιταχυνσιόμετρο). Αφού περιγράφεται η δομή του εργαστηριακού συστήματος, παρατίθενται τα αποτελέσματα της πειραματικής διερεύνησης, τα οποία επιβεβαιώνουν τα βασικά συμπεράσματα του προηγούμενου κεφαλαίου, όσον αφορά τη συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών της ασύγχρονης μηχανής. Από την μέτρηση των κραδασμών της μηχανής προέκυψαν επιπλέον κραδασμοί που σχετίζονται με τη λειτουργία του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος της υποσύγχρονης Κασκάντε. Στο κεφάλαιο 5 εξετάζεται η δυνατότητα ανίχνευσης προβλημάτων στη λειτουργία ασύγχρονων μηχανών μέσω της ανάλυσης του ρεύματος αυτών. Για το σκοπό αυτό διερευνώνται αρχικά σε μια συγκριτική μελέτη διάφορες μέθοδοι ανάλυσης του ρεύματος του στάτη μιας ασύγχρονης μηχανής. Οι μέθοδοι αυτοί συγκρίνονται όσον αφορά τη διάγνωση δύο χαρακτηριστικών σφαλμάτων σε ασύγχρονες μηχανές, που είναι η εκκεντρότητα ή/και αζυγοσταθμία, καθώς και η ύπαρξη ασυμμετρίας στο δρομέα της μηχανής. Τα δύο σφάλματα αυτά επιλέχθηκαν για τη συγκριτική μελέτη, διότι η φύση του προβλήματος από πλευράς επεξεργασίας σήματος παρουσιάζει μια σημαντική διαφορά. Τα πρώτα δημιουργούν αρμονικές συνιστώσες στο ρεύμα του στάτη, οι οποίες απέχουν αρκετά στο πεδίο της συχνότητας από τη βασική αρμονική. Τα δεύτερα προκαλούν αρμονικές συνιστώσες, των οποίων η συχνότητα βρίσκεται πάρα πολύ κοντά σε αυτή της βασικής αρμονικής του ρεύματος. Αρχικά περιγράφεται πώς γίνεται ο υπολογισμός των απαραίτητων πινάκων των επαγωγιμοτήτων και των ωμικών αντιστάσεων της ασύγχρονης μηχανής στο φυσικό σύστημα a-b-c στην περίπτωση εκκεντρότητας ή σφάλματος στο δρομέα, καθώς και το πώς εξομοιώθηκαν τα σφάλματα αυτά στην πειραματική διάταξη. Κατόπιν γίνεται μια σύντομη αναφορά σε μεθόδους επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των προαναφερθέντων σφαλμάτων. Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα από την διερεύνηση των διαφόρων μεθόδων μέσω προσομοίωσης και πειράματος. Από τη διερεύνηση αυτή προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα για τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου και για τις εφαρμογές καθεμιάς εξ’ αυτών. Ιδιαίτερα μελετήθηκε μια μέθοδος που βασίζεται στο όρισμα του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίου ή/και του παραθυρικού μετασχηματισμού Fourier, η οποία αποδείχθηκε ότι υπό ορισμένες προϋποθέσεις πλεονεκτεί ως προς την καλύτερη ανίχνευση της συχνότητας και του πλάτους των αρμονικών συνιστωσών στο ρεύμα της ασύγχρονης μηχανής και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και κατά τη διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων λειτουργίας. Ακόμα προτάθηκε και διερευνήθηκε μια νέα βελτιωμένη μέθοδος για την ανίχνευση αρμονικών συνιστωσών, που βρίσκονται κοντά σε ισχυρές αρμονικές, η οποία βασίζεται στη συνέλιξη του σήματος του ρεύματος με το μιγαδικό κυματίδιο Morlet. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε για την περισσότερο αξιόπιστη ανίχνευση και την ακριβέστερη αποτίμηση σφαλμάτων στο δρομέα ασύγχρονων μηχανών, μέσω ανάλυσης του ρεύματος του στάτη. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται μια προκαταρκτική διερεύνηση σχετικά με τη δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή μέσω της ανάλυσης του ρεύματος του δρομέα. Προτείνονται μέθοδοι επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος του κυκλώματος του δρομέα ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αρμονικές που προέρχονται από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, για να είναι ευκολότερη η ανίχνευση αρμονικών που οφείλονται σε σφάλματα στην ασύγχρονη μηχανή. Ακόμα, μελετούνται σφάλματα στον ηλεκτρονικό μετατροπέα, ήτοι ανοιχτοκυκλώματα και βραχυκυκλώματα στις διόδους του ανορθωτή, και το αν και πώς αυτά μπορούν να επηρεάσουν δυσμενώς τις ταλαντώσεις της ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Γίνεται διερεύνηση μέσω προσομοίωσης και πειράματος της συμπεριφοράς του συστήματος στην περίπτωση τέτοιου είδους σφαλμάτων. Στη συνέχεια, και αφού γίνεται μια σύντομη αναφορά και διερεύνηση μεθόδων για την ανίχνευση σφαλμάτων σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν, προτείνεται μια βελτιωμένη μέθοδος ανίχνευσης τέτοιου είδους σφαλμάτων η οποία βασίζεται στον υπολογισμό της γωνίας και της στιγμιαίας συχνότητας του διανύσματος χώρου του ρεύματος του δρομέα. Η μέθοδος αυτή δίνει την δυνατότητα άμεσης ανίχνευσης και τον ακριβούς εντοπισμού των σφαλμάτων στον μετατροπέα σε πραγματικό χρόνο.
Διάγνωση σφαλμάτων, Δυναμική ανάλυση κινητήριου συστήματος, 621.46
Networked Digital Library of Theses and Dissertations