Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ФИЛЬТРА МИНИМАЛЬНОГО ПОРЯДКА ДЛЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Васильева Ю.З. 1 Елгина Г.А. 1
1 ФГAОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Показаны результаты по разработке полосового фильтра минимального порядка с характеристиками, удовлетворяющими требованиям диагностической системы турбогенератора. Определены параметры выходного сигнала и уровень полезного сигнала с измерительного датчика прибора. Обоснована зависимость между величиной полезного сигнала на выходе датчика и порядком разрабатываемого полосового фильтра. Разработан метод синтеза фильтра минимального порядка, обеспечивающего наилучшее соотношение сигнал/шум. Обоснована зависимость уровня и частоты полезного сигнала и помех диагностической системы синхронного генератора. Приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика разработанного полосового фильтра, которая показывает, что уровень подавления шума на требуемой частоте составил не менее 60 дБ, что полностью удовлетворяет предъявленным к полосовому фильтру требованиям. Экспериментально доказана корректная работа полосового фильтра минимального порядка, обеспечивающего качественное выделение полезного сигнала в составе диагностической системы.
синхронный генератор
диагностический сигнал
спектральный состав
оптимальная фильтрация
1. Гутников В.С. Фильтрация измерительных сигналов. – Л.: Энергоатомиздат, 1992. – 192 с.
2. Полищук В.И. Построение защиты от виткового замыкания в обмотке ротора синхронного генератора на основе индукционного датчика магнитного поля рассеяния // Известия Томского политехнического университета. – 2012. – № 4. – С. 57–61.
3. Полищук В.И, Новожилов А.Н. Устройство защиты синхронной электрической машины от витковых и двойных на землю замыканий в обмотке ротора: пат. 22450 (КZ). № 2008/1073.1 заявл. 29.09.2008; опуб. 15.04.2010, Бюл. № 5. – 4 с.
4. Полищук В.И., Новожилов А.Н., Воликова М.П. Устройство защиты обмотки ротора синхронного генератора от двойных на землю и витковых замыканий // Электричество. – 2012. – № 6. – С. 54–59.
5. Полищук В.И., Новожилов А.Н., Горюнов В.Н. Способ защиты обмотки ротора синхронного генератора от витковых замыканий на двух индукционных преобразователях // Электричество. – 2010. – № 8. – С. 64–67.
6. Роуз. Дж.Д. Теория электрических фильтров. – М.: Сов. радио, 1980. – 240 с.

В рамках разработки функциональной системы диагностики витковых замыканий в обмотке ротора синхронного генератора (СГ) требуется выделить полезный сигнал с датчика магнитного поля рассеяния, пропорциональный величине повреждения [2–5]. Способ, лежащий в основе разрабатываемой системы диагностики, основан на выделении из синусоидального сигнала ЭДС на выходе датчика информационного сигнала путем преобразования ЭДС в однополярный сигнал, из которого отфильтровывается субгармоническая равная частоте вращения ротора СГ (f1 = fs/p, где fs – частота сети; p – количество пар полюсов СГ). Сложность задачи заключается в малой величине полезного сигнала – 1,5…3 % от основной гармоники – и наличии большого количества шумов – высших гармонических, импульсных шумов и т.д.

Целью статьи является изложение методики синтеза цифрового фильтра минимального порядка, необходимого для выделения полезного сигнала системы функциональной диагностики виткового замыкания в обмотке ротора СГ.

Постановка задачи

Требуется синтезировать оптимальный полосовой фильтр, способный надёжно выделить информационную субгармоническую с частотой f1 = fs/p.

Синтез фильтра

Для устройства диагностики требуется низкочастотный полосовой фильтр (ПФ), который эффективно подавляет постоянную составляющую и гармонические удвоенной f1 и выше частоты, а f1 пропускает и усиливает. При этом в соответствии с требованиями необходимо получить наименьший порядок ПФ при заданном уровне подавления.

ПФ выполнен в виде последовательно соединенных фильтра высоких частот (ФВЧ), задача которого состоит в подавлении постоянной составляющей сигнала, и фильтра низких частот (ФНЧ), подавляющего гармонические удвоенной f1 и выше частоты.

Исходя из специфики работы ПФ, в данном случае каких-либо особых требований к порядку ФВЧ не предъявляется.

Оптимизация ПФ производилась путем сравнения порядка ФНЧ фильтров Баттерворта, Чебышева и эллиптического при заданном уровне подавления.

На первом этапе определяется соотношение амплитуд – А полезного к общему уровню сигнала, что позволяет вычислить необходимый уровень подавления RS:

vasilyev01.wmf (1)

Из [2, 5] ясно, что минимально необходимый уровень выделяемого сигнала Δe = 1,5 % от общего уровня. На рис. 1 приведена зависимость необходимого уровня подавления от уровня полезного сигнала. Для минимально возможного Δe = 1,5 % необходим уровень подавления RS = 60 дБ.

pic_1.wmf

Рис. 1. Величина подавления от уровня полезного сигнала

Взяв за основу фильтры Баттерворта, Чебышева и эллиптический фильтр, по формулам (2), (3) и (4) определили порядки фильтров с уровнем подавления RS = 60 дБ. На рис. 2 приведена зависимость необходимого порядка фильтров от уровня полезного сигнала Δe при заданном уровне подавления [1, 6].

Порядок ФНЧ по аппроксимации Баттерворта:

vasilyev02.wmf. (2)

Порядок ФНЧ по аппроксимации Чебышева:

vasilyev03.wmf. (3)

Порядок ФНЧ по аппроксимации Кауэра:

vasilyev04.wmf (4)

где Nb, Nch, Nk – порядок фильтров Баттерворта, Чебышева и эллиптического фильтра; RP – уровень искажения сигнала в полосе пропускания; RS – уровень подавления шума; ω0 – частота пропускания; ω1 – частота подавления; arch – гиперболический арккосинус; К – полный эллиптический интеграл; K′ – комплементарный эллиптический интеграл.

pic_2.wmf

Рис. 2. Зависимость порядка фильтров от уровня полезного сигнала Δe при заданном уровне подавления: 1 – по Баттерворту; 2 – по Чебышеву; 3 – по Кауэру

Исходя из требования наименьшего порядка для минимально возможного ∆е, в качестве оптимального определен эллиптический фильтр.

Для системы диагностики СГ, при заданной величине полезного сигнала на выходе датчика Δe = 1,5 % был разработан эллиптический ПФ, при этом его порядок составил Nk = 5, уровень подавления RS = 60 дБ, уровень искажения сигнала в полосе пропускания RP = 0,5 дБ.

В частном случае в качестве примера строился ПФ, состоящий из ФВЧ и ФНЧ звена для f1 = 50 Гц. На рис. 3 приведена ЛАЧХ разработанного фильтра. Как видно из рис. 3, уровень подавления шума на частоте 2fs = 100 Гц составил не менее 60 дБ, что полностью удовлетворило требованиям, предъявляемым к ПФ.

pic_3.wmf

Рис. 3. ЛАЧХ ПФ

Экспериментальная проверка ПФ проводилась на базе системы диагностики от виткового замыкания обмотки ротора лабораторного синхронного генератора ГАБ-4-Т/230. В качестве источника информации использовался индукционный датчик магнитного поля рассеяния. Сигнал с датчика преобразовывался в однополярный (выпрямлялся) и проходил через разработанный ПФ. В ходе эксперимента проводилось физическое замыкание 2 % витков обмотки ротора. На рис. 4 приведены результаты этого эксперимента. На участке I выпрямленный синусоидальный сигнал симметричен, а на участке II симметрия нарушена вследствие виткового замыкания 2 % витков обмотки ротора. При замыкании обмотки на выходе ПФ (Vвых) наблюдался усиленный в 60 раз полезный сигнал Vвых. ПФ качественно выделил полезный.

pic_4.wmf

Рис. 4. Фильтрация экспериментального сигнала: I – симметричный сигнал, II – сигнал с несимметрией ∆е = 2 %

Выводы

1. В процессе синтеза полосового фильтра получены зависимости, позволяющие строить цифровой фильтр минимального порядка, удовлетворяющий требованиям по уровню подавления неинформативных гармоник.

2. В ходе экспериментальной проверки доказана эффективность работы разработанного фильтра минимального.

Рецензенты:

Хрущев Ю.В., д.т.н., профессор кафедры ЭСиЭ ЭНИН, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;

Лукутин Б.В., д.т.н., профессор кафедры ЭПП ЭНИН, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.

Работа поступила в редакцию 18.11.2014.


Библиографическая ссылка

Васильева Ю.З., Елгина Г.А. МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ ФИЛЬТРА МИНИМАЛЬНОГО ПОРЯДКА ДЛЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАТОРА // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-9. – С. 1897-1900;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35864 (дата обращения: 08.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074