Μοντελοποίηση έλεγχος και διάγνωση σφαλμάτων κινητήριου συστήματος αποτελούμενου από δύο ασύγχρονες μηχανές με κοινό φορτίο κλίβανο τσιμεντοβιομηχανίας

Abstract

This thesis deals with the modeling, the control and the diagnosis of mechanical faults in a dual ac drive with common mechanical load. Chapter 1 constitutes an introduction of the reader to the electrical drive systems. Initially, a short historical retrospection of these systems is realized, while afterwards the thematic units that constitute the contributions of the present thesis, which can be summarized as the control of a dual cement kiln drive and the diagnosis of mechanical gear faults using the ac motor as a sensor, are presented. In chapter 2 the specifications and the operational characteristics of the kiln drive system are presented based on the industrial requirements and the existing references. Particularly the torque – speed characteristic load curve of the kiln, the advantages of upgrading the dc drives with ac ones, the parameters which determine the decision of installing a single or a dual transmission system and the need of uninterrupted operation of the kiln drive are underlined. In addition the step by step development of a simulating model of the under study system in the Matlab/Simulink environment is presented in chapter 3. Particularly the equations of motion for the kiln and the transmission system, the dynamic model equations of the asynchronous motor, the power electronics converters and the control strategy based on the Direct Torque Control have been incorporated in the Matlab/Simulink environment through which a theoretical investigation is realized. Moreover, the design and the development of an under scale laboratory simulating system of the kiln drive has been realized and the characteristics of the design specifications of the laboratory system are presented in chapter 4. Using the theoretical model developed in the Matlab/Simulink environment and the laboratory simulating system, a comparison of the existing control methods used for the electric drive systems (speed control and torque control) is being presented (chapter 5), focusing at specific malfunctions which can be caused by the application of these controls at a dual cement kiln drive. Taking into account these malfunctions, a novel hybrid control method is being presented whose operation is based on the application of a parallel-hybrid speed and torque control, simultaneously at both electric motors. In this way an equal load distribution can be achieved, obviating at the same the appearance of mechanical malfunctions. In chapter 6, the fault diagnosis of electromechanical drives is referenced, focusing on the identification of mechanical faults appeared in the pinion/girth gear coupling using the ac motor as a sensor. The proposed diagnostic method is based on the detection of multiples of the defective frequency at both phase current and electromagnetic torque frequency spectrum. The effectiveness of the proposed method is verified using experimental results from the laboratory simulating system, operating as a single drive. Finally, chapter 7, 8 and 9 include an estimation of the thesis contribution, a summary and the reference part respectively.

Η παρούσα διατριβή πραγματεύεται τη μοντελοποίηση, τον έλεγχο και τη διάγνωση μηχανολογικών σφαλμάτων σε διπλό κινητήριο σύστημα αποτελούμενο από ασύγχρονες μηχανές και κοινό μηχανικό φορτίο. Το κεφάλαιο 1 αποτελεί εισαγωγή του αναγνώστη σε θέματα που αφορούν τα ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα. Αρχικά πραγματοποιείται μια σύντομη ιστορική αναδρομή και περιγραφή της εξέλιξης αυτών, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι θεματικές ενότητες που αποτελούν τη συμβολή της παρούσας διατριβής όπως ο έλεγχος των κινητήριων συστημάτων και η διάγνωση σφαλμάτων σε αυτά. Τέλος, υπογραμμίζονται οι στόχοι που ορίστηκαν και εκπληρώνονται στο πλαίσιο της εργασίας αυτής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια γενική περιγραφή των σταδίων παραγωγής τσιμέντου, παρουσιάζεται η χαρακτηριστική ροπής-στροφών του κλιβάνου με βάση τη διαθέσιμη βιβλιογραφία, αναλύονται λεπτομερώς οι τοπολογίες συστημάτων μετάδοσης που εγκαθίστανται σε κλιβάνους μικρής και μεγάλης παραγωγικής δύναμης, αναδεικνύονται οι προδιαγραφές που υφίστανται κατά την επιλογή των ηλεκτρικών κινητήριων μηχανών και τέλος τονίζονται οι απαιτήσεις του ελέγχου των κινητήριων μηχανών, έτσι όπως τίθενται από τη βιομηχανία τσιμέντου. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται το μαθηματικό μοντέλο που αναπτύχθηκε και χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος και το οποίο απαρτίζεται από τα επιμέρους μοντέλα του κλιβάνου, του συστήματος μετάδοσης της κίνησης, των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών, των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος καθώς και του ελέγχου των κινητήριων μηχανών. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφονται τα υποσυστήματα του υπό κλίμακα συστήματος με σκοπό την εξομοίωση, που κατασκευάστηκε στο εργαστήριο με στόχο την επαλήθευση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται λεπτομερής αναφορά στις υφιστάμενες τεχνικές ελέγχου των τριφασικών ασύγχρονων μηχανών και στις εφαρμογές αυτών σε μονά και διπλά κινητήρια συστήματα. Στη συνέχεια πραγματοποιείται σύγκριση δύο εκ των επικρατέστερων μεθόδων ελέγχου διπλών κινητήριων συστημάτων και παρουσιάζονται ενδεχόμενες δυσλειτουργίες αυτών λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση του συστήματος και τα οποία πιστοποιούνται μέσω της πειραματικής διαδικασίας αλλά και της διαθέσιμης βιβλιογραφίας. Στη συνέχεια προτείνεται ένας καινοτόμος υβριδικός έλεγχος που, όπως αποδεικνύεται μέσω προσομοίωσης αλλά και πειραματικών αποτελεσμάτων, αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τις προαναφερθείσες δυσλειτουργίες οδηγώντας σε ομαλή λειτουργία του συστήματος. Στο κεφάλαιο 6 προτείνεται, αντί των υφιστάμενων μεθόδων που περιλαμβάνουν την εγκατάσταση επιταχυνσιομέτρων, τη χρήση ακουστικών σημάτων και άλλων παρόμοιων μεθόδων, η χρήση της ηλεκτρικής κινητήριας μηχανής (τριφασικής ασύγχρονης μηχανής στην προκειμένη περίπτωση) ως αισθητήριο μέσο για τη διάγνωση μηχανολογικών σφαλμάτων στις οδοντώσεις γραναζιών. Συγκεκριμένα, εξετάζεται η επίδραση των εν λόγω σφαλμάτων στο φάσμα συχνοτήτων του φασικού ρεύματος και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής της τριφασικής ασύγχρονης μηχανής, αποδεικνύεται η δυνατότητα διάγνωσης του σφάλματος ανιχνεύοντας την ύπαρξη πολλαπλών αρμονικών στο φάσμα τόσο του φασικού ρεύματος όσο και της ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Στο κεφάλαιο 7 γίνεται μια εκτίμηση σε ό,τι αφορά τη συμβολή της διδακτορικής διατριβής, το κεφάλαιο 8 περιλαμβάνει μία ανά κεφάλαιο περίληψη της παρούσας διατριβής ενώ το κεφάλαιο 9 περιέχει τη διαθέσιμη βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία κατά τη σειρά αναφοράς της στο κείμενο.