Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

RESEARCHING OF SENSORLESS DEVICES FOR DETERMINING THE MAGNETIC CHARACTERISTICS OF ELECTROMAGNET PRODUCTION MANAGEMENT

Shirokov K.M. 1 Grechikhin V.V. 1
1 Federal Public Budgetary Educational Institution оf Higher Education «Southern Russian State Polytechnical University (NPI) of M.I. Platov»
Рассмотрена система управления производством электромагнитов. Показано, что применение бессенсорных устройств для определения вебер-амперных характеристик изделий позволяет повысить ее эффективность. Однако для этих устройств характерна погрешность определения потокосцепления, вызванная изменением активной составляющей сопротивления обмотки электромагнита в процессе испытания. Проведены исследования работы бессенсорных устройств в системе схемотехнического моделирования и получены зависимости изменения приведенной погрешности измерения потокосцепления. Установлено, что погрешности изменяются как по абсолютному значению, так и по знаку и отличаются вследствие разного характера изменения сопротивления обмотки. Разработан алгоритм оценки погрешности измерения потокосцепления. Приведены результаты экспериментального исследования алгоритма с компенсацией погрешности измерения активной составляющей сопротивления обмотки, на основании которых можно сделать вывод, что его применение позволяет создавать оптимальные по точности и производительности бессенсорные устройства.
Considered the system of electromagnet production management. It is shown that the use of sensorless devices for determining flux-current characteristics of products allows to improve its effectiveness. However, these devices are characterized by error in determining the flux caused by a change in the active component of the electromagnet coil resistance during the test. Studies have been conducted of sensorless devices in the circuit simulation system and were obtained dependences of change of reduced error of flux measurement. It was found that the error are different because of different nature of winding resistance change. The algorithm of error estimation of flux measurement was developed. Presented the results of an experimental study of the algorithm with measurement error compensation of active component of winding resistance. Based on these results it can be concluded that its use allows to create optimal for precision and performance sensorless device.
regulation system
electromagnet
weber-ampere characteristic
magnetic linkage
1. Komarov E.V., Pokrovskij A.D., Sergeev V.G. [i dr.] Ispytanie magnitnyh materialov i sistem. M.: Jenergoatomizdat, 1984.
2. Lankin M.V., Shirokov K.M. Kompensacija temperaturnoj pogreshnosti pri bessensornom izmerenii magnitnyh harakteristik ferromagnitnyh materialov // Izvestija vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki. 2009. Spec. vypusk: Informacionno-izmeritel’naja tehnika i tehnologii, pp. 47–52.
3. Sahavova A.A., Shirokov K.M., Janvarev S.G. Primenenie metoda kosvennogo opredelenija veber-ampernyh harakteristik v avtomatizirovannoj sisteme bessensornoj diagnostiki jelektromagnitnyh mehanizmov // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2013, no. 5; URL: www.science-education.ru/ 111-10234.
4. Sergeev V.G., Shihin A.Ja. Magnitoizmeritel’nye pribory i ustanovki. M.: Jenergoatomizdat, 1982.
5. Shirokov K.M. Algoritm opredelenija magnitnyh harakteristik jelektrotehniche-skih izdelij // Izvestija vuzov. Sev.-Kavk. region. Tehn. nauki, 2013, no. 1, pp. 70–73.
6. Shirokov K.M., Grechihin V.V. Analiz temperaturnoj pogreshnosti bessensornyh ustrojstv dlja izmerenija magnitnyh harakteristik jelektrotehnicheskih izdelij // Teorija, metody i sredstva izmerenij, kontrolja i diagnostiki: materialy XIV mezhdunar. nauch.-prakt. konf., g. Novocherkassk, 28 sent. 2013 g. / Juzh.-Ros. gos. politehn. un-t (NPI) imeni M.I. Platova, Novocherkassk: JuRGPU(NPI), 2013, pp. 86–100.
7. Shirokov K.M., Shajhutdinov D.V., Dubrov V.I., Janvarjov S.G., Ahmedov Sh.V., Shajhutdinova M.V. Ustrojstvo magnitnogo kontrolja dlja podsistemy upravlenija proizvodstvom jelektrotehnicheskih izdelij // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2013. no. 6; URL: www.science-education.ru/ 113-11665.
8. Patent DE 10 2006 043 239 A1. Glet U.: Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln von magnetischen Kenngrößen.

Сложность конструкций электротехнических изделий (ЭТИ), тенденции миниатюризации и снижения материалоёмкости предъявляют все более высокие требования к качеству комплектующих деталей и ЭТИ в целом. Для увеличения выхода годных изделий, как правило, используются системы управления производством ЭТИ с применением межоперационного технологического контроля магнитных, геометрических и др. характеристик и параметров комплектующих деталей. Недостатком такого контроля являются значительные экономические и временные затраты на его организацию. В то же время технические характеристики целого ряда ЭТИ, к которым относятся пропорциональные электромагниты, электрические машины, трансформаторы и др., во многом зависят от взаимного влияния свойств комплектующих деталей. Как правило, выявить бракованные изделия в этом случае удается лишь после испытаний готовых изделий. Перспективным направлением таких испытаний является определение наиболее информативных характеристик изделий, по которым можно судить о характере неисправности и диагностировать бракованные комплектующие изделия. Задача усложняется тем, что для их определения необходимо специальное оборудование и использование дополнительных сенсоров. Поэтому целесообразно использовать технологии испытаний ЭТИ, основанные на использовании «внутренних сенсорных» свойств испытуемых изделий. Например, управляющий и информационный сигналы подаются и снимаются с обмотки электромагнита, являющейся его составной частью. Определяется вебер-амперная характеристика (ВАХ), анализируя характерные точки и сегменты которой, судят о состоянии электромагнита. В этой связи актуальным является разработка теоретических основ создания бессенсорных устройств определения характеристик изделий и построение на их основе эффективных систем управления производством ЭТИ.

Цель работы: Разработка алгоритма оценки погрешности измерения потокосцепления для создания оптимальных по точности и быстродействию бессенсорных устройств определения ВАХ систем управления производством электромагнитов.

Материал и методы исследований: методы теории автоматического управления, элементы теории планирования эксперимента, теории измерений.

Результаты исследований и их обсуждение

Рассмотрим систему управления производством электромагнитов, использующую бессенсорные устройства определения ВАХ (рис. 1). Система обеспечивает управление операциями изготовления магнитопроводов (ИМ), дополнительных комплектующих (ИДК) (корпусов, крепежей, пружин, уплотнительных элементов), обмоток электромагнитов (ИОЭ) и сборкой электромагнитов. В комплекс технических средств подсистемы входят бессенсорные устройства определения ВАХ, устройства управления технологической операцией (УУТО) (параметрами механической обработки, параметрами укладки обмотки, скорости нагрева и охлаждения, температуры нагрева при термической обработке, подбор комплектующих деталей и др.), устройства ввода-вывода (УВВ) информации, устройства моделирования технологического процесса (УМТП). Система управления функционирует следующим образом. На этапах ИМ, ИДК, ИОЭ изготовляются необходимые комплектующие, из которых потом собираются электромагниты. Бессенсорные устройства определяют ВАХ готовых изделий и передают эти данные УМТП, которые анализируют ВАХ электромагнитов и принимают решение об их браке/годности, а также выявляют дефекты электромагнитов, частоту их обнаружения и на основании этого управляют технологическим процессом и корректируют его. На основании определенных ВАХ УМТП принимают решение направить n1 групп электромагнитов, признанных исправимым браком (замена дефектных деталей которых обеспечит их переход в разряд годных), n2 групп годных электромагнитов отправляется на консервацию и упаковку, n3 групп электромагнитов составляют неисправимый брак. После замены дефектных деталей проводятся повторные испытания электромагнитов, бессенсорными устройствами определяются ВАХ с последующим анализом УМТП полученных данных и сортировкой на группы годных n4 и бракованных n5 изделий.

pic_30.wmf

Рис. 1. Структурная схема системы управления производством электромагнитов

Важными элементами системы управления (рис. 1) являются бессенсорные устройства определения ВАХ электромагнитов. От времени и погрешности определения ВАХ во многом зависит эффективность системы управления производством этих изделий. В таких устройствах рабочая обмотка испытуемого электромагнита, при протекании в ней тока I, служит в качестве источника магнитного поля. Активную составляющую сопротивления обмотки Rоб предварительно измеряют и затем используют как постоянную величину при вычислении магнитного потокосцепления [1, 4, 8]. Действительное значение потокосцепления yд определяют по формуле

shipok01.wmf (1)

где U – напряжение на обмотке испытуемого изделия; ΔRоб – абсолютная погрешность определения активной составляющей сопротивления обмотки; t – время испытания; С – постоянная.

Величина ΔRоб зависит от погрешности измерения Rоб в начале испытаний, обусловленной как наличием методических и инструментальных погрешностей устройства, так и изменением Rоб в процессе испытаний из-за нагрева обмотки.

В [6] установлено, что в процессе испытания электромагнитов из-за изменения ΔRоб возникает погрешность измерения потокосцепления и, как следствие, погрешность определения ВАХ бессенсорными устройствами [1, 4, 8]. При этом зависимости погрешностей разных устройств отличаются вследствие разного характера ΔRоб(t). Для учета данной особенности предлагается использовать следующие коэффициенты. Весовой коэффициент j учитывает среднюю значимость влияния ΔRоб:

shipok02.wmf (2)

где Ik – значение тока в обмотке; Uk – значение напряжения на обмотке; ΔRобk – активная составляющая сопротивления обмотки в момент времени tk, k = 1, 2, ..., N – количество временных отсчетов при определении ВАХ.

Коэффициент p вычисляется по формуле

shipok03.wmf (3)

где δRоб – относительная погрешность определения активной составляющей сопротивления обмотки; δRобk – относительная погрешность определения активной составляющей сопротивления обмотки на k-м шаге определения ВАХ, и позволяет учитывать характер изменения δRоб в ходе испытаний.

С целью анализа погрешности измерения потокосцепления проведено исследование работы бессенсорных устройств [1, 4, 8] в системе схемотехнического моделирования Micro-Cap 9 для параметров обмотки: начальное значение активной составляющей сопротивления shipok04.wmf; индуктивность L = 1,148 Гн; число витков обмотки w = 196, и характере изменения δRоб при определении ВАХ: постоянное значение (δRоб = const); линейное изменение (δRоб = linear).

На рис. 2 показаны зависимости изменения приведенной погрешности измерения потокосцепления в ходе испытаний γψ(t) при δRоб = 5 % (линейный режим): бессенсорное устройство [1] – 1; бессенсорное устройство [4] – 2; бессенсорное устройство [8] – 3. Как следует из рисунка, погрешность изменяется как по абсолютному значению, так и по знаку.

pic_31.wmf

Рис. 2. Зависимости приведенной погрешности измерения потокосцепления бессенсорных устройств

В табл. 1 приведены результаты моделирования работы бессенсорных устройств, где shipok05.wmf – средняя приведенная погрешность определения потокосцепления; pg – коэффициент, определяемый по формуле shipok06.wmf.

Таблица 1

Результаты моделирования бессенсорных устройств

δRоб = const

δRоб, %

Бессенсорное устройство [1]

Бессенсорное устройство [4]

Бессенсорное устройство [8]

j

γψ, %

pγ

j

γψ, %

pγ

j

γψ, %

pγ

0

4,44

0,1

-

4,83

0,1

-

0,97

0,1

-

0,3

4,45

1,2

0,92

4,84

1,3

0,92

0,98

0,3

0,86

1,0

4,49

4,3

0,95

4,87

4,6

0,95

0,99

0,9

0,94

3,0

4,59

13,0

0,95

4,97

14,1

0,95

1,04

2,9

0,94

5,0

4,69

21,9

0,93

5,07

23,6

0,93

1,10

5,1

0,92

δRоб = linear

δRоб, %

Бессенсорное устройство [1]

Бессенсорное устройство [4]

Бессенсорное устройство [8]

j

γψ, %

pγ

j

γψ, %

pγ

j

γψ, %

pγ

0

4,44

0,1

-

4,83

0,1

-

0,97

0,1

-

0,3

4,45

0,6

0,43

4,84

0,6

0,41

0,98

0,1

0,35

1,0

4,49

2,0

0,44

4,87

2,0

0,42

0,99

0,4

0,40

3,0

4,59

5,9

0,44

4,97

6,1

0,42

1,04

1,3

0,42

5,0

4,69

9,7

0,43

5,07

10,0

0,41

1,09

2,3

0,43

Из табл. 1 следует, что коэффициент j фактически остается постоянным при разных значениях δRоб. Коэффициент pγ хорошо коррелируется с коэффициентом p, поскольку для режима δRоб = const коэффициент pγ = 1, для δRоб = linear – pγ = 0,5.

На основании проведенных исследований предлагается следующий алгоритм оценки погрешности измерения потокосцепления бессенсорными устройствами в ходе испытаний электромагнитов.

  1. Осуществляется измерение активной составляющей сопротивления обмотки в начале и конце испытаний.
  2. Вычисляется относительная погрешность определения активной составляющей сопротивления обмотки δRоб.
  3. Вычисляется весовой коэффициент j по формуле (2).
  4. Вычисляется коэффициент p, учитывающий характер изменения δRоб в ходе испытаний, по формуле (3).
  5. Оценивается средняя приведенная погрешность измерения потокосцепления в соответствии с выражением

shipok07.wmf

В настоящее время разработаны методы определения ВАХ электромагнитов с компенсацией погрешности измерения активной составляющей сопротивления обмотки, основанные на периодическом измерении Rоб(t) с последующей корректировкой его значения в выражении (1) [2]; периодическом измерении Rоб(t) с последующей линейно-ступенчатой аппроксимацией значения активной составляющей сопротивления обмотки в выражении (1) [7]; на учете, выделенной в обмотке тепловой энергии [5].

С помощью предложенного алгоритма выполнялась оценка погрешности измерения потокосцепления с применением компенсации и без нее. Испытания производились на кольцевом образце и электромагните с применением бессенсорного устройства для определения ВАХ MagHyst [8]. Изделия специально оснащались дополнительной измерительной обмоткой для получения образцовых ВАХ. Был реализован квазистатический режим, при котором поддерживается постоянное значение ЭДС Uind, индуцируемой в рабочей обмотке, в течение всего цикла перемагничивания. Также осуществлялось измерение тока I в рабочей обмотке и напряжения U на ней для определения активной составляющей сопротивления обмотки непосредственно до начала испытаний shipok08.wmf и после shipok09.wmf. Для считывания и обработки измеренных MagHyst данных, визуализации и сохранения результатов использовалось программное обеспечение в среде графического программирования LabVIEW [3]. Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 2, где shipok10.wmf – максимальная приведенная погрешность измерения потокосцепления; tи – время испытания.

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований

Электромагнит без компенсации δRоб

Номер опыта

shipok11.wmf, Ом

shipok12.wmf, Ом

δRоб, %

j

I, А

Uind, В

tи, с

shipok13.wmf, %

pγ

shipok14.wmf, %

1

49,134

49,170

0,07

8,9

0,5

1,00

1,170

0,7

1,085

2,1

2

49,170

49,226

0,11

17,8

0,5

0,50

2,354

1,2

0,576

2,2

3

48,713

48,828

0,24

29,3

0,5

0,30

3,930

3,0

0,438

5,9

4

49,572

49,861

0,58

28,3

1,0

0,50

2,919

8,1

0,493

14,6

Кольцевой образец C45 без компенсации δRоб

Номер опыта

shipok11.wmf, Ом

shipok12.wmf, Ом

δRоб, %

j

I, А

Uind, В

tи, с

shipok13.wmf, %

pγ

shipok14.wmf, %

5

1,078

1,079

0,05

3,6

7

0,50

0,134

0,5

2,724

1,0

6

1,075

1,079

0,41

20,2

7

0,08

0,819

4,1

0,494

8,0

Электромагнит с компенсацией δRоб, учитывающей выделенную в обмотке тепловую энергию

Номер опыта

shipok11.wmf, Ом

shipok12.wmf, Ом

δRоб, %

j

I, А

Uind, В

tи, с

shipok13.wmf, %

pγ

shipok14.wmf, %

1

49,134

49,170

0,07

8,9

0,5

1,00

1,170

0,7

1,247

2,2

2

49,170

49,226

0,11

17,8

0,5

0,50

2,354

0,7

0,346

1,9

3

48,713

48,828

0,24

29,4

0,5

0,30

3,930

0,7

0,108

2,2

4

49,572

49,861

0,58

28,3

1,0

0,50

2,919

1,1

0,066

2,5

Кольцевой образец с компенсацией δRоб, учитывающей выделенную в обмотке тепловую энергию

Номер опыта

shipok11.wmf, Ом

shipok12.wmf, Ом

δRоб, %

j

I, А

Uind, В

tи, с

shipok13.wmf, %

pγ

shipok14.wmf, %

5

1,078

1,079

0,05

3,6

7,0

0,50

0,134

0,4

2,508

1,1

6

1,075

1,079

0,30

20,3

7,0

0,08

0,819

0,9

0,106

2,1

Электромагнит с линейно-ступенчатой аппроксимацией δRоб

Номер опыта

shipok11.wmf, Ом

shipok12.wmf, Ом

δRоб, %

j

I, А

Uind, В

tи, с

shipok13.wmf, %

pγ

shipok14.wmf, %

1

49,134

49,170

0,07

8,9

0,5

1,00

1,170

0,8

1,272

2,2

2

49,170

49,226

0,11

17,8

0,5

0,50

2,354

0,8

0,366

2,1

3

48,713

48,828

0,24

29,4

0,5

0,30

3,930

0,9

0,128

2,6

4

49,572

49,861

0,58

28,3

1,0

0,50

2,919

1,3

0,081

3,8

Кольцевой образец C45 с линейно-ступенчатой аппроксимацией δRоб

Номер опыта

shipok11.wmf, Ом

shipok12.wmf, Ом

δRоб, %

j

I, А

Uind, В

tи, с

shipok13.wmf, %

pγ

shipok14.wmf, %

5

1,078

1,079

0,05

3,6

7

0,50

0,134

0,4

2,573

1,1

6

1,075

1,079

0,30

20,3

7

0,08

0,819

1,1

0,128

2,6

Из табл. 2 видно, что применение методов компенсации погрешности δRоб обеспечивает повышение точности измерения потокосцепления электромагнитов. Использование метода, учитывающего выделенную в обмотке тепловую энергию, позволяет добиться лучших результатов: средняя приведенная погрешность не превысила 1,1 %; максимальная приведенная погрешность – 2,5 %. Если shipok35.wmf %, то коэффициент pγ ≈ 0,5, что подтверждает возможность использования предложенного алгоритма для оценки погрешности измерения потокосцепления. Если shipok36.wmf, то коэффициент pγ > 1. Следовательно, можно сделать вывод, что погрешность δRоб не является основной при измерении потокосцепления, а основной вклад вносят погрешности напряжения смещения нуля, интегрирования, преобразования аналоговых и цифровых сигналов. В этом случае осуществлять компенсацию δRоб нецелесообразно ввиду ее незначительности, и, как следствие, введение режима компенсации δRоб может привести к снижению точности определения ВАХ при увеличении времени испытания электромагнитов. Таким образом, применение разработанного алгоритма оценки погрешности измерения потокосцепления позволяет создавать оптимальные по точности и производительности бессенсорные устройства и тем самым повысить эффективность системы управления производством электромагнитов.

Результаты работы получены при поддержке проекта № 2833 «Теоретические основы моделирования, диагностики и информационного обеспечения сложных технических систем», выполняемого в рамках базовой части государственного задания № 2014/143, с использованием оборудования ЦКП «Диагностика и энергоэффективное электрооборудование» ЮРГПУ(НПИ) им. М.И. Платова.

Рецензенты:

Горбатенко Н.И., д.т.н., профессор, первый проректор, ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», г. Новочеркасск;

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

Работа поступила в редакцию 30.04.2014.