Стартовая >> Оборудование >> Эл. машины >> Испытание электрических машин

Методы частотного анализа спектра - Испытание электрических машин

Оглавление
Испытание электрических машин
Основные вопросы методики испытаний
Измерение электрических величин
Измерение параметров переходных процессов
Статистические исследования результатов испытания
Характеристика электроизмерительных приборов
Приборы для измерения частоты и сопротивления
Регистрирующие приборы
Приборы для исследования формы колебаний, измерения характеристик магнитного поля
Приборы для измерения сдвига фаз
Требования техники безопасности при работе с приборами
Испытания в процессе производства
Испытание электрической прочности изоляции
Контроль обмоток в процессе производства
Контроль магнитной симметрии в процессе производства
Проверка состояния подшипников в процессе производства
Характеристики, параметры
Методы измерения механических величин
Измерение угла дельта между ЭДС и напряжением на зажимах, методы измерения температуры
Общие правила проведения тепловых испытаний
Охлаждение
Токосъем и коммутация
Коммутация электрических машин постоянного тока
Токосъем через контактные кольца
Обеспечение надежной работы щеточного аппарата
Требования к технологии      изготовления и сборки для коммутации
Особенности коммутации коллекторных электрических машин переменного тока
Практические методы исследования и наладки коммутации
Контроль и наладка коммутации с помощью приборов количественной оценки
Источники шума и вибрации
Измерение шума электрических машин
Стандартные методы измерения шума электрических машин
Проведение измерений шума электрических машин, приборы
Измерение вибрации электрических машин
Аппаратура для измерения вибрации
Методы частотного анализа спектра
Выбор вида анализа и параметров анализатора звукового спектра
Допустимые уровни шума и вибрации
Точность измерения шума и вибрации
Радиопомехи
Защита от радиопомех
Автоматизация испытаний
Средства автоматизации испытаний
Литература

МЕТОДЫ ЧАСТОТНОГО АНАЛИЗА СПЕКТРА И ВЫДЕЛЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
В приборах, применяемых для виброакустических измерений, используется преобразование акустических величин (звукового давления) или механических колебаний (колебательного ускорения) в пропорциональные им и соответствующие по частоте значения напряжения и тока. Поэтому приборы для частотного анализа в настоящее время являются чисто радиоэлектронными и производится частотный анализ соответствующих электрических сигналов. Основные положения спектрального анализа гармонических и случайных процессов изложены в [7.2, 7.8,7.12,7.15, 7.19].
Спектральным анализом называется определение амплитуд и частот колебаний, входящих в состав сложного сигнала. При подробном анализе выявляются элементарные частотные составляющие сигнала, а при общем — роль отдельных частотных участков в общем спектре сигнала. С помощью приборов для анализа выявляют в исследуемом сигнале наличие частотных участков с шириной полосы, определяемой поставленной задачей. Проведение спектрального анализа колебательного процесса является сложной задачей, и главную роль в ее решении играет правильная методика измерений и оценка полученных результатов, для чего должны быть четко определены основные параметры анализирующих устройств.

Аналоговые методы анализа.

Анализирующие свойства прибора характеризуются разрешающей способностью, динамическим диапазоном и временем анализа. Разрешающая способность анализатора — это способность разделять смежные частотные составляющие сигнала. Она определяется частотным интервалом, при котором две смежные частотные составляющие разделяются провалом, достигающим 50% максимального значения (рис. 7.12). Разрешающая способность зависит от параметров фильтра и скорости анализу. Максимальная разрешающая способность наблюдается в статическом режиме. Увеличение скорости анализа уменьшает разрешающую способность. При правильном выборе скорости анализа в соответствии с выбранной шириной полосы пропускания изменение разрешающей способности анализатора сравнительно невелико и его можно не учитывать.
Время анализа сигналов, с, имеющих дискретный спектр, в анализаторе со ступенчатым переключением фильтров для каждого фильтра рассчитывается по формуле

где Δf — ширина полосы пропускания фильтра, Гц.
Общее время анализа суммируется для всех полос.
Ширина полосы фильтра определяется разностью высшей и низшей частот, на которых коэффициент передачи фильтра К снижается на 3 дБ, т. е. всех тех частот, где сигнал падает до уровня 0,707 от значения в полосе прозрачности (рис. 7.13). Такое определение вызвано тем, что реальная частотная характеристика фильтра значительно отличается от характеристики идеального прямоугольного фильтра.



Рис. 7.13. Полоса пропускания фильтра
Рис. 7.12. К определению разрешающей способности анализатора

схема гетеродинного анализатора
Рис. 7.14. Структурная схема гетеродинного анализатора:
У В - усилитель входной; С - смеситель; Г - гетеродин; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; Д — детектор; ИВ — выходной индикатор

Время анализа спектра случайного сигнала при постоянной относительной полосе пропускания равно

Динамический диапазон анализатора определяется как отношение максимальных и минимальных значений гармонических составляющих в рабочем диапазоне частот прибора.
Разложение сложного колебания на составляющие его спектра может быть произведено двумя различными способами: последовательным или параллельным (одновременным) анализами колебаний. При последовательном анализе спектр сигнала получается с помощью одного частотно-избирательного элемента (фильтра), параметры которого можно изменять, или с помощью набора избирательных элементов, подключаемых поочередно. Такой анализ не может быть произведен быстро, так как требуется время, чтобы переходные процессы в частотно-избирательном элементе не исказили результат измерений. Последовательный метод спектрального анализа пригоден для стационарных колебаний.
При параллельном анализе используется набор фильтров, настроенных на разные частоты, входы которых соединяются параллельно. Все фильтры вместе охватывают весь необходимый частотный диапазон. На выходах фильтров получают все составляющие исследуемого колебания, что позволяет зафиксировать одновременно все точки спектра. Время анализа всего спектра частот, в основном, определяется временем установившегося процесса в одном фильтре.

схема анализатора с плавно перестраиваемым фильтром
Рис. 7.15. Структурная схема анализатора с плавно перестраиваемым фильтром: УВ — усилитель входной; ФП — фильтр с плавной настройкой; УО — усилитель оконечный; Д — детектор; ИВ — выходной индикатор

Для анализа колебаний (вибрации и шума) применяют два вида аналоговых анализирующих устройств: гетеродинный и фильтровый анализаторы. Гетеродинный анализатор (рис. 7.14) позволяет каждую частоту сложного колебания поочередно подстраивать к частотам вспомогательных колебаний гетеродина. Прибор измеряет разность частот гетеродина и гармоник, причем эта частота меньше частоты режущего фильтра. Гетеродинный анализатор обеспечивает анализ с постоянной полосой пропускания в рабочем диапазоне частот. Краткие характеристики анализаторов гетеродинного типа приведены в табл. П7 приложения. Анализатор типа СК4-56 предназначен для исследования спектров сигналов произвольной формы, а также спектров стационарных шумов в диапазоне частот от 10 Гц до 60 кГц. Гетеродинный частотный анализатор типа 2010 (фирмы ’Брюль и Къер") позволяет проводить исследование звука и механических колебаний, измерять спектральную плотность мощности в диапазоне частот от 2 Гц до 200 кГц. В приборе имеется программное управление шириной полосы пропускания и постоянной времени усреднения, а также автоматическая компенсация ширины полосы пропускания при измерении спектральных плотностей мощности.
В состав фильтровых анализаторов частот входит плавно настраиваемый полосовой фильтр, в котором предусмотрено устройство, изменяющее относительную ширину полосы пропускания фильтра (рис. 7.15). Краткие характеристики анализаторов частот с плавной настройкой и постоянной относительной полосой пропускания приведены в табл. П8 приложения.
В состав другого вида фильтровых анализаторов входит набор электрических фильтров, настроенных на определенную полосу частот. Верхняя и нижняя границы полосы пропускания каждого фильтра последовательно перекрывают рабочий диапазон частот. В зависимости от отношения граничных частот полос пропускания фильтров, анализаторы частот получили названия октавных и третьоктавных (в акустике такие анализаторы называются спектрометрами). Интервал, ограниченный частотами с отношением fв/fш = 2, где fв и fн — верхняя и нижняя граничные частоты, называется октавой.
Средние частоты определяются как среднегеометрические от граничных частот полос, т. е.

Средние частоты фильтров выбираются согласно предпочтительному ряду частот, для акустических измерений. Распределение частот для октавных и третьоктавных фильтров в герцах приведено в табл. 7.2.
Частотные характеристики идеального и реального полосового фильтров показаны на рис. 7.16.

Октавные частотные полосы

Третьоктавные частотные полосы

Среднегеометрические частоты

Граничные
частоты

Среднегеометрические частоты

Граничные
частоты

 

 

6300

5600-7200

8000

5600-11 200

8000

7200-9000

 

 

10 000

9000-11200

 

 

12 500

11 200-14 000

16 000

11 200-22400

16 000

14 000-18 000

 

 

20 000

18 000-22 400

Характеристики октавных и треть-октавных фильтров должны удовлетворять требованиям ГОСТ 17168-82 (СТ СЭВ 1807-79). Структурная схема спектрометра приведена на рис. 7.17.
В настоящее время получил распространение модульный принцип конструирования измерительной аппаратуры, поэтому аналоговый спектрометр собирается из двух модулей: измерительного усилителя и набора полосовых фильтров, каждый из которых может при необходимости функционировать самостоятельно. Технические характеристики некоторых спектрометров, измерительных усилителей и полосовых фильтров приведены в [7.1,7.13,7.21,7.22].

Цифровые методы анализа позволяют вести обработку сигнала в реальном масштабе времени, получать аналого-цифровое отображение информации на экране дисплея, повысить точность и стабильность измерений, анализировать стационарные, нестационарные и импульсные процессы. Применение процессоров и цифровых методов обработки сигнала расширяет функциональные возможности приборов и дает возможность использовать приборы совместно с ЭВМ и в автоматизированных измерительных системах.


Рис. 7.16. Характеристики полосовых фильтров 2-го класса для измерений нормальной точности:
а - октавный фильтр; б — третьоктавный фильтр

схема спектрометра с полосовыми фильтрами
Рис. 7.17. Структурная схема спектрометра с полосовыми фильтрами:
УВ - усилитель входной; ПФ1, ПФ2 ПФЗ, . . ., ΠΦΝ - полосовые фильтры; УО — усилитель оконечный; Д — детектор; ИВ - выходной индикатор

Рис. 7.18. Дискретное преобразование Фурье сложной функции времени (действительная часть)

от —до °° непрерывных функций F(co) и /(ί) учитываются образуемые дискретными значениями функции F (к) и / (н).
Приращение в частотной области равно Δ/, т. е. интервал между смежными дискретными значениями, и At — приращение во временной области; соответствующая дискретному значению F (к) частота равна kAf, а соответствующее дискретному значению f(ri) время составляет nAt. Определяемое выражением (7.6) преобразование называется прямым ДПФ, а выражение (7.7) является определением обратного ДПФ. ДПФ делает возможным применение вычислительных машин. Однако численное ДПФ является процессом трудоемким и малоэффективным, так как при преобразовании N значений нужно N2 умножений комплексных чисел. Более эффективным является быстрое преобразование Фурье (БПФ), выражаемое аналогичным ДПФ алгоритмом, но уменьшающим число необходимых умножений до Mog2iV(MnA). В процессе прямого преобразования Фурье 7V дискретных значений во временной области преобразуются в N комплексных значений в частотной области. Число дискретных значений N равно 2 в определенной степени. Дискретные значения в комплексной частотной области расположены на равных расстояниях в частотном диапазоне от нуля до частоты выборки. Кроме того, результирующий спектр является периодическим с равным частоте выборки периодом, т. е. N комплексных дискретных значений повторяются вдоль оси частот с периодом, равным частоте выборки дискретных значений. Из периодичности спектров (рис. 7.18), получаемых в процессе^прямого преобразования, следует, что дискретные значения, находящиеся между частотой выборки fs и fN =/5/2 (частота Найквиста), являются представлением отрицательных частотных составляющих, а представлением положительных частотных составляющих являются дискретные значения, находящиеся между нулем и частотой Найквиста. Если предположить, что большинство физических процессов происходит в действительной области, процесс преобразования значительно упростится. В этом случае получаемые частотные спектры являются сопряженными и четными, а их составляющие с положительными и отрицательными частотами имеют определенную взаимосвязь.
схема узкополосного частотного анализатора
Рис. 7.19. Упрощенная структурная схема узкополосного частотного анализатора типа 2031

Для определения таких спектров нужны лишь составляющие с положительными или отрицательными частотами. Поэтому N действительных значений во временной области можно преобразовать в Nj2 комплексных значений в частотной области.
При обработке результатов учитывается преобразование исходных функций времени в спектр с частотами от нуля до частоты Найквиста. Дискретные значения в частотной области, определяемые в процессе описанного выше преобразования Фурье, имеют вид

Каждой составляющей F (г) с положительной частотой +/ соответствует составляющая с отрицательной частотой — ϊ , т. е. F(—г ) = dj-ibi.
Относящаяся к частоте г мощность определяется суммой мощностей составляющих с положительной и отрицательной частотами, т. е. 2(а2 + b2). Соответствующие значения нескольких спектров можно подвергать усреднению с целью определения средних значений мощности, а затем после извлечения квадратного корня — определения СКЗ отдельных составляющих.
Упрощенная структурная схема узкополосного частотного анализатора типа 2031 фирмы "Брюль и Къер" в реальном масштабе времени показана на рис. 7.19. Электронное устройство прибора 2031 образует шесть блоков: аналоговый входной блок процессора (АВБП), центральный процессор (ЦП), дисплей (Д), блок универсального устройства сопряжения (УУС), блок аналогового выхода (БАВ) и блок управления (БУ). В приборе используются две 16-разрядные соединительные магистрали (Y и 27), способствующие обмену информацией между указанными выше блоками. Посредством универсальной соединительной магистрали (УСМ) через УУС осуществляется ввод (вывод) данных, дистанционное управление, индикация и связь с другими цифровыми приборами. Общее время управляемого главной программой цикла обработки информации, т. е. коррекции, преобразования Фурье, вычисления значения спектральной мощности и усреднения, составляет 200 мс. Благодаря применению буферных памятей, способствующих одновременному вводу и преобразованию информации, прибор работает в реальном масштабе времени от 0—10 Гц до 0—2 кГц. Разрешение по частоте β анализатора 2031 равно 1/400 его верхнего предела рабочего диапазона. Верхние пределы рабочего частотного диапазона 10 Гц — 20 кГц, а дискретная настройка по порядку 1—2—5. Краткие характеристики узкополосных анализаторов в реальном масштабе времени приведены в табл. П9 приложения.
Узкополосные частотные анализаторы в реальном времени обеспечивают: спектральный и статистический анализы сигналов, изменяющихся во времени; измерения амплитудного спектра мощности, плотности распределения амплитуд; анализ периодических, случайных и однократных процессов; выделение сигналов из шумов, порядковый анализ (с применением дополнительных блоков), допусковый контроль по спектрам, сличение спектров; выбор и запоминание максимальных значений, линейное и экспоненциальное усреднения спектров. Имеют цифровой отсчет основных параметров спектра, выход на аналоговые и цифровые регистрирующие устройства и связь с внешней ЭВМ.
Цифровые частотные анализаторы (спектрометры) измеряют и отображают на экране октавные и третьоктавные частотные спектры в реальном времени. Работа приборов основывается на применении цифровой техники, в частности цифровых методов частотной фильтрации, определении СКЗ значения и усреднения.
Рассмотрим принцип работы двухполюсного цифрового фильтра, обобщенная схема которого приведена на рис. 7.20. Этот фильтр относится к группе рекурсивных фильтров, т. е. к фильтрам, обратная связь которых гарантирует выходной сигнал фильтра в определенный момент времени в форме явной функции предшествующих этому моменту значений входных и выходных сигналов. Характеристика такого фильтра, т. е. форма его частотной кривой, относительная ширина полосы пропускания и конфигурация — фильтр нижних частот, фильтр верхних частот, полосовой или заграждающий фильтр — зависит от коэффициентов умножительных устройств А0, А\, А2, Ви В2.

Рабочий частотный диапазон фильтра определяется задержкой z_1. Задержка z_1 идентична элементарному интервалу выборки при предположении мгновенного выполнения операций сложения и умножения. Следовательно, рабочий диапазон фильтра можно регулировать путем настройки интервала выборки, например увеличения интервала· выборки вдвое приводит к сдвигу рабочего частотного диапазона фильтра на октаву ниже при сохранении относительной  ширины полосы пропускания. Свойства и параметры цифрового фильтра, относящиеся к времени реакции и сдвигу фазы, практически идентичны соответствующим характеристикам аналогового фильтра.

Время, затрачиваемое реальными цифровыми фильтрами в процессе умножения, играет важную роль при сравнении с интервалом выборки z-1. Поэтому время задержки подбирается таким, чтобы оно вместе с временем умножения равнялось интервалу выборки. На вход цифрового фильтра подается последовательность дискретных данных, представляющая собой временную функцию анализируемого сигнала. Цифровой фильтр обрабатывает эти данные и выдает на выход соответствующую последовательность дискретных данных, представляющих собой временную функцию сигнала после фильтрации

схема двухполюсного цифрового фильтра анализатора
Рис. 7.21. Упрощенная схема двухполюсного цифрового фильтра анализатора типа 2131
схема цифрового частотного анализатора (спектрометра)
Рис- 7.22. Упрощенная структурная схема цифрового частотного анализатора (спектрометра) типа 2X31

.
Упрощенная структурная схема цифрового частотного анализатора 2131 приведена на рис. 7.22.
В соответствии с этой схемой можно выделить три основные секции прибора 2131: входной усилитель и блок фильтра, детектор СКЗ с устройством усреднения и выходной блок с устройствами управления и индикации. Входной усилитель и блок фильтра обеспечивают формирование, аналого-цифровое преобразование и частотный анализ поступающего на вход сигнала. Цифровой сигнал от блока фильтра возводится в квадрат, усредняется и логарифмически преобразуется в уровни СКЗ (в децибелах) во второй секции прибора, содержащей детектор СКЗ и устройство усреднения. Выходная секция, содержащая устройство управления, индикации и изображения данных, управляет изображением проанализированных и усредненных данных электронно-лучевой трубки и выдачей спектральных данных на внешние приемники информации. Эта секция также управляет вводом цифровых данных от внешней аппаратуры. Интервал времени между двумя очередными цифрами обмена информацией (44 мс) обеспечивает возобновление изображаемого на экране злектронно-лучевой трубки спектра. В табл. П10 приложения даны основные характеристики цифровых частотных анализаторов (спектрометров). Эти приборы применяются для частотного анализа стационарных и импульсных процессов в реальном масштабе времени, анализа и регистрации данных для их последующей цифровой обработки, анализа спектров шума и вибраций, при измерениях спектра электромагнитных полей и др.
Существует новый класс приборов для частотного анализа, основой которого является процессор. Все необходимые программы хранятся либо в памяти системы, либо могут храниться отдельно на кассетах или магнитных дисках. Комплекс программ позволяет сочетать в системе практически все функциональные возможности, необходимые для всестороннего анализа различных сигналов.



 
« Испытание синхронных двигателей на нагревание   Испытание электрических машин после ремонта »
электрические сети