в языках программирования стандарта МЭК 61131-3 или отлаживать ма- кеты систем управления. В Ы В О Д Развитие полупроводниковых технологий и технологий встраиваемых операционных систем позволяет разрабатывать систему управления, не вдаваясь в низкоуровневые подробности программирования. Разработчик, проектирующий изделие, может самостоятельно написать программу уп- равления, а обслуживающий персонал – модернизировать ее. Специалист, изучивший стандартные компоненты МЭК на базе обу- чающего комплекса, поддерживающего «открытый» стандарт МЭК 61131- 3, сможет работать с контроллерами многих фирм, поддерживающих этот стандарт. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. П р о г р а м м и р у е м ы е контроллеры. Общие положения и функциональные ха- рактеристики: ГОСТ Р 51840–2001 (МЭК 61131-3–92) Госстандарт России, Москва, БЗ 11 – 2001/301. – Режим доступа: http://standartgost.ru/. – Дата доступа: 09.11.2011. 2. О д н о к р и с т а л ь н ы й компьютер SC143-IEC со встроенной ОС РВ. – Режим доступа: www.prolog-plc.ru/becknew. – Дата доступа: 09.11.2011. 3. Г о р б у н о в, Н. Встраиваемая ОС как основа успеха. – Режим доступа: http://www. swd.ru/index.php3?pid=566. – Дата доступа: 06.05.2011. 4. П е т р о в, И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и инструмен- ты / И. В. Петров; под ред. В. П. Дьяконова. – М.: СОЛОН-Пресс, 2003. – 256 с. 5. I n d u s t r i a l PC to you. – Режим доступа: http://www.ipc2u.by. – Дата доступа: 03.05.2011. 6. S C A D A системы для АСУ ТП. SCADA-SOFTLOGIC-MES-EAM. – Режим доступа: http://www.adastra.ru. – Дата доступа: 06.05.2011. Представлена кафедрой электротехники и электроники Поступила 06.12.2011 УДК 629.7 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ИМПУЛЬСНОГО КОНТРОЛЯ ОБМОТОК АВИАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ШЕЙНИКОВ А. А., канд. техн. наук СУХОДОЛОВ Ю. В. Военная академия Республики Беларусь Описание объекта контроля. Авиационные коллекторные генераторы постоянного тока всех типов (ГСР, ГСР-СТ, СТГ) аналогичны по конст- рукции. Отличие ГСР (генератор самолетный с расширенным диапазоном 25 частот вращения) от ГСР-СТ и СТГ состоит в том, что последние предна- значены для работы в стартерном режиме и используются для запуска авиационных двигателей. Для авиационных генераторов характерна высо- кая удельная мощность. Например, ГСР-18000 (мощность генератора 18 кВт) весит примерно столько же, сколько генератор общепромышленного назначения мощностью 2,5 кВт. Высокая удельная мощность генераторов постоянного тока достигается в результате применения достаточно боль- шой частоты вращения, высококачественных электромагнитных материа- лов и эффективных способов охлаждения. Так, плотность токов в обмотках якоря достигает 20 А/мм2, а под щетками – 25–30 А/см2, в то время как у общепромышленных машин эти величины составляют соответственно не более 7 и 15 А/см2. Повышенная температура обмотки (до 185 °С) и высо- кие плотности тока, несмотря на применение специальных электротехни- ческих материалов, сокращают срок службы авиационных генераторов до 3000 ч, в то время как срок службы генераторов общего назначения состав- ляет десятки лет. Обмотка якоря генератора мощностью менее 6 кВт вы- полняется как простая волновая. У генератора большей мощности обмотка простая петлевая. Причины повреждений обмоток авиационных электрических ма- шин. Известно, что до 30 % преждевременных отказов авиационных элек- трических машин происходит из-за повреждений их обмоток [1], которые вызываются внешними и внутренними механическими воздействиями, имеющими электромагнитную природу [2]. Уязвимость обмоток обуслов- лена, прежде всего, вхождением в электромеханическую систему, состоя- щую из разнородных элементов: медь проводников – полимерные изо- ляционные материалы. Деформации в подобной системе при изменении температуры, электродинамических усилиях, вибрациях обмотки приводят к развитию внутренних напряжений в изоляции и, как следствие, образова- нию дефектов. Наиболее интенсивное воздействие оказывают знакопере- менные моменты, возникающие в процессе пуска или реверса электриче- ской машины. В наиболее сложных условиях эксплуатируется витковая изоляция. По- мимо механических воздействий, изоляция обмоток испытывает тепловые, климатические и электрические нагрузки. Тепловые воздействия опреде- ляют скорость старения и тепловую деформацию изоляции, которые, в свою очередь, приводят к ухудшению ее механических свойств и накоп- лению усталостных повреждений. При этом механические воздействия ус- коряют процесс образования дефектов. Климатические и электрические воздействия способствуют дальнейше- му развитию первоначальных дефектов изоляции, образовавшихся при из- готовлении генераторов. Климатические факторы, прежде всего перепад температур, увлажнение и загрязнение, создают токопроводящие мостики, способствующие электрической и электрохимической эрозии изоляции. С увеличением температуры сопротивление изоляции уменьшается, а про- цессы ее разрушения активизируются. Коммутационные перенапряжения, возникающие при включении и отключении, также снижают ресурс изоля- ции. Дефекты изоляции между витками являются причиной ее пробоя, приводящего в дальнейшем к выгоранию части обмотки. 26 Характеристика методов диагностирования обмоток электриче- ских машин. Применяемые в эксплуатации методы испытания изоляции обмоток можно разделить на две группы. Первую составляют измерения различных параметров изоляции обмоток, ко второй относятся испытания самой изоляции, например повышенным напряжением, выпрямленным, импульсным напряжением. Для определения дефектов изоляции между обмоткой и корпусом используются такие методы, как измерение сопро- тивления изоляции мегаомметром, испытание повышенным напряжением частотой 50 Гц, испытание повышенным выпрямленным напряжением с измерением токов утечки. Характерным недостатком данных методов является невысокая достоверность. При оценке состояния изоляции путем измерения емкости относитель- но корпуса в качестве диагностических параметров принимается отноше- ние емкости изоляции при температуре 80–100 °С к емкости при 20 °С [3]. Необходимость нагрева изоляции снижает производительность контроля этим методом. Известен метод проверки состояния изоляции по значению тангенса угла диэлектрических потерь. Однако применение этого метода ограничено необходимостью учета разброса значений параметра при сухой и влажной изоляции. Широкое распространение в последнее время получил метод определе- ния дефектов изоляции измерением интенсивности частичных разрядов, предполагающий количественную оценку изменений зарядов элементов измерительной схемы, вызываемых частичными разрядами в испытуемой изоляции (ГОСТ 20074–83). Однако имеющиеся в разработанных на сего- дняшний день стандартах нормативные характеристики частичных раз- рядов (кажущийся заряд единичного частичного разряда, частота следова- ния частичных разрядов, средний ток частичных разрядов, квадратичный параметр частичных разрядов, мощность частичных разрядов, суммарный заряд за интервал времени) не позволяют оценить их интенсивность, а следовательно, делают затруднительным процесс построения диагности- ческих моделей. Обзор существующих способов контроля изоляции показал, что они не учитывают конструктивные особенности электрических машин. Решение этой задачи возможно при диагностике электрических машин с помощью анализа затухающих колебаний. Так, известен способ, основанный на исследовании характера изменения затухающего переходного процесса в проверяемой обмотке, возникающего при воздействии на объект контро- ля импульсным испытательным напряжением путем преобразования ука- занного переходного процесса в прерывистую последовательность импуль- сов, при сравнении образцовой и сравниваемой последовательностей им- пульсов и по результатам их сравнения, при определении наличия виткового замыкания в обмотке. Однако достоверность этого способа не- высока, так как образцовая прерывистая последовательность импульсов формируется из почти затухшего переходного процесса по точкам перехо- да через ноль, фиксация которых затруднена из-за помех, соизмеримых со значением сигнала. Для стабильной фиксации этих точек необходимо уве- личивать чувствительность диагностической системы, а значит, и повы- шать вероятность ложного заключения о неисправности обмотки якоря. Другими словами, основным недостатком способа является необходимость 27 подавления неинформативных спектральных составляющих и искажений, вызванных нестабильностью параметров испытательного сигнала. Обеспечение достоверности контроля обмоток якоря коллекторных электрических машин постоянного тока. Эффективность контроля мож- но повысить, согласуя спектральный состав испытательного сигнала с час- тотной характеристикой контролируемой обмотки. Это необходимо для создания между витками максимальных испытательных напряжений и их равномерного распределения вдоль обмотки. Схема снятия частотных характеристик обмоток якоря авиационных коллекторных генераторов по- стоянного тока представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема измерения характеристик обмотки якоря: 1 – генератор сигналов высокой частоты; 2 – активное сопротивление; 3 – обмотка якоря; н, к – начало и конец обмотки якоря; 4 – магнитопровод якоря; 5 – вольтметр Согласно представленной на рис. 1 схеме измерения, вольтметр вклю- чается в цепь параллельно обмотке якоря. При этом напряжения в начале и конце обмотки будут нU и кU соответственно. Под частотной характе- ристикой обмотки понимается резонансная кривая, отражающая зависи- мость ( )к н ,U F f U = где f – частота испытательного сигнала. Частотные характеристики обмоток якоря некоторых авиационных электрических машин постоянного тока, снятые по приведенной выше (рис. 1) схеме из- мерения, представлены на рис. 2. Рис. 2. Частотная характеристика обмотки якоря авиационных электрических машин постоянного тока: 1 – стартер-генератора ГСР-СТ-12/40Д; 2 – двигателя постоянного тока 1 5 3 н к 4 2 4,0 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 200 400 600 800 100 120 140 160 180 220 0 f, кГц Uк /Uн 5,0 4,5 200 3,5 1 3 2 4 28 авиационного электромашинного преобразователя напряжения ПТО-1000/1500М; 3 – ПО-750А; 4 – ПТ-200Ц Максимальную чувствительность контроля можно получить, если о со- стоянии обмотки судить по одной или нескольким составляющим сигнала, которые подвергаются наибольшим изменениям при возникновении де- фекта. Таковыми являются составляющие, соответствующие по частоте резонансной области обмотки. При этом для создания оптимальных испытательных напряжений и по- лучения стабильных параметров подаваемого сигнала целесообразно ис- пользовать последовательность радиоимпульсов. Здесь полезная инфор- мация заключена в одном из нескольких параметров высокочастотного колебания. При этом не обязательно сохранять полностью структуру коле- бания, достаточно лишь сохранить закон изменения того параметра, в ко- тором заключена информация. Особенности высокочастотных модулиро- ванных сигналов открывают путь к увеличению достоверности импульс- ных методов контроля обмоток. Значения определенных гармонических составляющих импульсного напряжения в контролируемой обмотке будут зависеть только от ее параметров. При этом сохраняется возможность обеспечения максимальных значений этого напряжения. Выбор формы испытательного сигнала. При выборе оптимальной формы испытательного напряжения необходимо, чтобы основная энергия его спектра была сосредоточена в диапазоне резонансных частот контро- лируемой обмотки. В результате анализа форм спектров различных сигна- лов установлено, что наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям напряжения в виде отрезков синусоиды, имеющей k периодов ( ) ( )0sinu t t= ω при 0 20 ,kt π≤ ≤ ω причем пик амплитудного спектра ( )S ω единичного отрезка синусоиды на частоте ω выражен тем резче, чем больше число периодов k: ( ) 2 2 0 2 .kS πωω = ω −ω (1) Рассмотренную форму напряжения можно трактовать как синусоидаль- ное колебание, модулированное прямоугольной функцией. При этом на- чальная фаза несущего колебания совпадает с фронтом огибающей. Анали- тически сигнал можно записать в виде ( ) ( )0cos . и tu t Urect t   = ω τ  (2) Спектральная плотность радиосигнала ( )рG ω получается путем сдвига спектральной плотности ( )G ω прямоугольной огибающей по оси частот на 0ω вправо и влево с уменьшением ординат в два раза [4] (рис. 3). 29 Рис. 3. Форма и амплитудный спектр напряжения в виде отрезка синусоиды, соответствующего резонансной частоте обмотки якоря генератора ГСР-СТ-12/40Д Спектральную плотность рассматриваемого радиосигнала можно запи- сать следующим образом: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) р 0 0 0 и 0 ии и 1 1 2 2 sin sin 2 2 2 2 G G G U Uc c ω = ω−ω + ω+ω =  ω−ω τ   ω+ ω τ τ τ = + =           ( ) ( )0 и 0 и 0 0 sin sin . 2 2 U U ω−ω τ   ω+ ω τ  = +   ω−ω ω+ω    (3) Активную ширину спектра прямоугольного импульса длительностью иτ можно представить как полосу частот ∆ω между значениями частот, при которых спектральная плотность первый раз обращается в нуль ( ) ( )0 и 0 и . 2 2 ω−ω τ ω+ω τ = = π Пользуясь равенством Парсеваля (4), можно показать, что доля полной энергии рассматриваемого сигнала, заключенная в полосе рассматриваемых частот 90 %,k > будет равна ( ) ( ) ( ) ( ) 0 и 0 и 2 2 2 2 .G d k G d ω+ω τ ∞ ω−ω τ −∞ ω ω = ω ω∫ ∫ (4) Огибающая при периодизации анализируемых радиоимпульсов образу- ет последовательность прямоугольных импульсов. Сигнал при таком ре- жиме работы представляет собой манипулированное колебание [5]. Срав- нительные исследования видов манипуляции высокочастотных сигналов показали, что максимальная достоверность контроля обеспечивается при 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2200 0 f, кГц 2000 │U(jω)│/│U (jω)│ u(t) t ∆ω –τи/2 τи/2 U 2Uτи/2Umaxτи ω0 – 2π/τи ω0 + 2π/τи ω0 ∆t 0 3ω − Ω 0ω −Ω 0ω 0ω +Ω 0 3ω + Ω 02 3 U π 02U π T0 U0 T u(t), t, с 30 фазовой манипуляции с ∆φ = π. При этом вся энергия сигнала содержится только в боковых полосах, а составляющая на несущей частоте отсутствует (рис. 4). Рис. 4. Временная и спектральная характеристики фазоманипулированного сигнала (∆φ = π) Это объясняется наложением двух спектров – спектра фазоманипули- рованного сигнала (ФМС) 2 T π Ω = и несущей 0 0 2 . T π ω = На интервале, где колебания синфазны, суммарная амплитуда удваивается, а где фазы противоположны – компенсируется. Двукратное превышение амплитуд спектральных составляющих фазоманипулированного сигнала над состав- ляющими спектра амплитудно-манипулированного сигнала и возможность минимизации составляющей на несущей частоте позволяют увеличить помехоустойчивость. Выбор диагностических признаков. Проведенные эксперименталь- ные исследования авиационного стартер-генератора ГСР-СТ-12/40Д пока- зали, что наибольшее изменение при появлении дефекта получает по- ложение резонансного максимума амплитудно-частотной характеристи- ки (АЧХ) контролируемой обмотки якоря (рис. 5). Это изменение можно легко зафиксировать, выделяя из входного сигнала две близлежащие гармонические составляющие, соответствующие по частоте самому крутому участку АЧХ исправной обмотки (рис. 5а). Несущая частота 0ω и частота модуляции Ω выбираются таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная разность их амплитуд: ( ) 2tg ∆ω= Ωα = max (рис. 5б). Рис. 5. Частотные характеристики обмотки якоря авиационного стартер-генератора ГСР-СТ-12/40Д с различным техническим состоянием: 1 – АЧХ исправной обмотки; 2 – то же при замыкании одного витка; 3 – то же при замыкании двух витков 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 200 400 600 800 100 120 140 160 180 220 0 f, кГц Uк /Uн 1 2 5,0 4,5 200 0,5 0,2 ∆u = 1,7 3 ∆ω 0ω −Ω 0ω 0ω +Ω ∆ω/2 ∆u α а б ω, Гц u, В 31 Номера выделяемых близлежащих гармоник выбираются таким обра- зом, чтобы обеспечивалась максимальная разность их амплитуд :u∆ ( ) ( )0 0 2 2 max,U Uu K K∆ = ω −ω + ω +ω = π π (5) где ( )K ω – АЧХ обмотки якоря. Сумма выделенных гармонических составляющих будет представлять балансно-модулированное колебание, по форме огибающей которого мож- но судить о разности амплитуд выделяемых гармоник и о состоянии обмотки (рис. 6). Рис. 6. Результирующий сигнал для обмотки с различным техническим состоянием: 1 – огибающая результирующего сигнала (балансно-модулированного колебания) для исправной обмотки; 2 – то же для обмотки с одним витковым замыканием; 3 – то же для обмотки с двумя витковыми замыканиями При отсутствии дефекта разность амплитуд гармонических составляю- щих будет максимальной. Следовательно, величина минимума огибающей результирующего сигнала имеет предельное значение, отличное от нуля (рис. 6, кривая 1). По мере развития витковых замыканий величина мини- мума огибающей стремится к нулю, что подтверждается результатами экс- периментов на обмотке якоря авиационного стартер-генератора постоянно- го тока ГСР-СТ-12/40Д (рис. 7). 1 u, В 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 3 4 0 n, витковые замыкания 2 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 u, В 2 1 3 0,2 0,5 1,7 t, с 32 Рис. 7. Зависимость между количеством витковых замыканий обмотки якоря генератора ГСР-СТ-12/40Д и значением минимума огибающей результирующего балансно-модулированного колебания В Ы В О Д Таким образом, сущность диагностирования обмотки якоря заключает- ся в формировании фазоманипулированного испытательного сигнала и выделении из выходного сигнала двух гармонических составляющих, первая из которых соответствует по частоте верхней, а вторая – нижней границам разброса значений первых максимумов амплитудно-частотной характеристики исправной обмотки электрической машины. Результатом сложения этих спектральных составляющих является балансно-модулиро- ванное колебание с низкочастотной периодической огибающей, параметры которой чувствительны к дефектам изоляции обмотки. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. З о н т о в, А. В. Системы электроснабжения летательных аппаратов / А. В. Зонтов. – М.: ВВИА им. Н. Е. Жуковского, 1986. – 420 с. 2. Г е м к е, Р. Г. Неисправности электрических машин / Р. Г. Гемке. – Л.: Энергия, 1969. – 272 с. 3. Ж е р в е, Г. К. Промышленные испытания электрических машин / Г. К. Жерве. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959. – 504 с. 4. Р а д и о т е х н и ч е с к и е цепи и сигналы: учеб. пособие для вузов / К. А. Самойло [и др.]. – М.: Радио и связь, 1982. – 528 с. 5. Г о н о р о в с к и й, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. – М.: Дрофа, 2006. – 719 с. Представлена кафедрой авиационной техники и вооружения Поступила 17.05.2012 УДК 621.311.7:621.382 СИНТЕЗ НАПРЯЖЕНИЙ МНОГОКРАТНЫХ ШИМ, СОЗДАННЫХ ПО ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОЙ И СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФУНКЦИЯМ ПОСТРОЕНИЯ Канд. техн. наук, доц. СТРИЖНЕВ А. Г., инж. РУСАКОВИЧ А. Н. НПООО «ОКБ ТСП» Для управления электроприводом, содержащим электродвигатель пе- ременного тока, используют частотные преобразователи, которые фор- мируют напряжения в виде многократной широтно-импульсной моду- ляции (ШИМ). Принято считать [1], что указанные выходные ШИМ-напря- 33