EnglishРусский
  • Аналіз та синтез нелінійних електричних кіл
  • Метрологія та вимірювання
  • Автоматизований контроль моментних характеристик електричних машин
  • Оптико-електронні вимірювальні перетворювачі параметрів обертального руху
  • Вимірювання моментів інерції тіл обертання
  • Невизначеність вимірювань
  • Вимірювання вологості
  • Вимірювання параметрів крокових двигнів
  • Контроль якості електричної енергії
  • Вібродіагностика електричних машин
  • Силова електроніка та перетворювальна техніка


  •     Наукова діяльність кафедри цікава та різноманітна. Свої зусилля науково-педагогічні працівники кафедри зосереджують і на дослідженні електромагнітних процесів в нелінійних електричних колах,
    первинних вимірювальних перетворювачах, системах та середовищах і на питаннях математичного моделювання та діагностики якості електромеханічних перетворювачів енергії, і на проблемі оптимізації параметрів вторинних джерел живлення, і на розробці та впроваджені математичного, алгоритмічного, апаратного і метрологічного забезпечення сучасних мікропроцесорних засобів вимірювань і контролю електричних та неелектричних фізичних величин.
        Наукові дослідження проводяться за рахунок держбюджетного і госпдоговірного фінансування. Метою цих досліджень є розробка енергозберігаючих методів сертифікаційних випробувань моментних характеристик електричних машин, дослідження впливу факторів непередбачених ГОСТ 30206-94 (МЕК 687-92) режимів електричних мереж на метрологічні характеристики лічильників електричної енергії та розробка оптико-електронних вимірювальних перетворювачів параметрів обертального руху.     Науковим колективом кафедри розроблено та впроваджено у виробництво ряд пристроїв та промислових зразків, які дозволили отримати значний економічний ефект.
        Результатом наукової роботи співробітників кафедри є публікації більш ніж у п’ятистах наукових статтях та трьох монографіях. Науковцями кафедри отримано понад сімдесят авторських свідоцтв та патентів на винаходи як України, так і Російської Федерації.
        Під керівництвом професора Карпова Ю.О. підготовлено одного доктора і п’ятнадцять кандидатів технічних наук. В теперішній час в очній аспірантурі навчається чотири аспіранти. Також працюють над кандидатськими дисертаціями три здобувача.

    Метрологія та вимірювання
        Різноманітні сучасні технології, медицина і екологія вимагають значного збільшення експериментальної інформації про стан матеріальних об'єктів, яку одержують за допомогою спеціальних технічних засобів і методів.
        Експеримент, який вперше поставлений ще Галілео Галілеєм, сьогодні базується на експериментальних методах пізнання і охоплює велику область теорії методів та засобів створення первинної експериментальної інформації. Дану галузь знань називають експериментальною інформатикою. Вона чітко не окреслена, хоча і без неї традиційна інформатика не може існувати.
        Суттєвим для процедур експериментальної інформатики є те, що вони дають можливість в результаті проведення експерименту отримувати інформацію про матеріальні об'єкти.
        Вимірювання і контроль є базовими процедурами експериментальної інформатики, які дають, відповідно, кількісну, у вигляді числа, або якісну, у вигляді висновку, інформацію про стан об'єкта. В основі кожної процедури лежить експеримент, який стає більш складним з ускладненням процедури експериментальної інформатики - випробування, діагностування, дослідження, моніторинг.
        Окремі процедури експериментальної інформатики зі зростанням складності включають в себе процедури цього класу а також математичну та (або) логічну обробку результатів цих процедур. Так, наприклад, вимірювальний контроль включає в себе вимірювання, контрольні випробування включають контроль та вимірювання і т.д. Тому досить важливим є визначення зв'язків між показниками якості складових процедур, що неможливо здійснити без відповідного метрологічного забезпечення.
        Засоби експериментальної інформатики представляють собою технічні засоби, які мають нормовані метрологічні характеристики. Серед засобів створення інформації основними є засоби вимірювань і контролю, значимість яких визначається: по-перше, найбільш високим рівнем точності вимірюваної і вірогідності контрольованої інформації; по-друге, тенденцією не тільки до автоматизації, але й до їх інтелектуалізації; по-третє, їх широким використанням в усіх інших інформаційних процедурах.
        Прискорений темп розвитку науки про вимірювання та вимірювальну техніку в останні десятиріччя зумовив появу нових термінів та понять, а також нових підходів до принципів побудови засобів вимірювання та контролю.
        В Україні прийнято Закон про мову, згідно з яким необхідне прискорене відновлення української мови також і в галузі науки та техніки. Держстандартом України створюються нові українські термінологічні стандарти для всіх галузей. Розроблено також і єдиний серед них стандарт на терміни та поняття науки а саме, стандарт "Метрологія. Терміни та визначення" - ДСТУ 2681-94, стандарт "Метрологічне забезпечення" - ДСТУ 2682-94, стандарт "Метрологічне забезпечення засобів вимірювальної техніки" - ДСТУ 3215-95 та ін.

    Автоматизований контроль моментних характеристик електричних машин
        Якість електричних машин, як і всіх інших промислових виробів, є вирішальним фактором їх конкурентоспроможності на світовому ринку. Встановлення відповідності стану параметра електричної машини нормативним документам здійснюється під час її випробування за допомогою відповідних засобів контролю в дослідах холостого ходу і короткого замикання.
        В теперішній час, не зважаючи на наявність сучасних приладів вимірювання електричних величин, відсутні відповідні засоби автоматизованого контролю неелектричних величин для здійснення в повному обсязі зазначених вище дослідів.
        Найбільш трудомістким і на сьогодні майже не автоматизованим є контроль моментних характеристик, до яких відносять: залежність пускового моменту від кутового положення ротора; залежність пускового моменту від напруги живлення; номінальний, максимальний, пусковий момент; момент інерції ротора; динамічний момент. Не зважаючи на те, що дані параметри електродвигуна є основними його характеристиками, вони досить часто не підлягають контролю в зв'язку з відсутністю відповідних технічних засобів. Такий стан пояснюється недосконалістю методів контролю моментних характеристик та відсутністю еталону моменту.
        Методи, що покладено в основу побудови сучасних напівавтоматизованих засобів контролю моментних характеристик (МХ), характеризуються низькою швидкодією і невисокою точністю. Наприклад, для отримання залежності пускового моменту від кутового положення ротора необхідно витратити 36 нормо-годин на один електродвигун. Аналогічна трудомісткість характерна і для контролю залежності пускового моменту від напруги живлення.
        Сучасні засоби контролю моменту інерції ротора реалізують опосередковані методи і характеризуються також низькою швидкодією (десятки хвилин на один електродвигун). Опосередкований метод контролю динамічного моменту має невисоку точність, що зумовлена похибкою диференціювання експериментальних даних цифрових тахометрів. Тому до теперішнього часу не сформована теорія контролю МХ, що не дозволяє в повному обсязі розв'язати задачу аналізу даних засобів як в статичному, так і в динамічному режимах роботи, оцінити їх метрологічні характеристики, синтезувати сучасні схеми та алгоритми функціонування мікроконтролерних засобів, здійснити автоматизовану метрологічну атестацію та перевірку експериментальних і промислових зразків.
        Отже, на порядок денний уже сьогодні постає необхідність розробки якісно нових теоретичних підходів до контролю моментних характеристик електричних машин, створення нових методів контролю, синтезу сучасних структурних схем засобів автоматизованого контролю МХ і засобів для їх метрологічної атестації та перевірки, впровадження нового класу засобів контролю у виробництво.

    Оптико-електронні вимірювальні перетворювачі параметрів обертального руху
        Сучасний розвиток промисловості вимагає створення нових високоточних засобів контролю кута повороту та кутової швидкості, здатних здійснювати контроль в широкому діапазоні зміни цих параметрів. Для контролю параметрів обертального руху велике значення має безконтактність засобу контролю. Тому, оптико-електронні пристрої займають чільне місце серед засобів контролю кутових величин об'єктів обертання. Крім високих метрологічних характеристик сучасні засоби контролю повинні мати високу надійність, тривалий термін роботи, стабільність, малі габаритні розміри, масу і енергоспоживання, сумісність з комп'ютерними засобами обробки інформації та доступну вартість.
        Для контролю кута повороту та кутової швидкості розроблена велика кількість безконтактних пристроїв, що здійснюють контроль цих параметрів в широкому діапазоні зміни вхідної величини з достатньою точністю. Але переважна більшість відомих засобів здійснюють контроль в статичному режимі. Відкритим залишається питання контролю кутової швидкості в динамічному режимі. Крім того, актуальним є забезпечення вимірювань одним перетворювачем кількох параметрів, наприклад, кута повороту, кутової швидкості, вібрації та биття.
        Тому, актуальним є розробка оптико-електронного засобу контролю кута повороту та кутової швидкості з покращеними метрологічними характеристиками.
        В основі засобу контролю оптико-електронний вимірювальний перетворювач кутових параметрів, побудований на основі методу просторової модуляції випромінювання В якості перетворювача положення запропоновано використати двовимірний позиційно-чутливий детектор (ПЧД). В залежності від перерозподілу випромінювання, що потрапляє на нього в результаті відбивання від об'єкта, ПЧД генерує відповідні струми і перетворює вхідну неелектричну величину (кутовий параметр) в електричну (струм або напругу), що визначає архітектуру побудови аналого-цифрового перетворювача.
        Застосування методу просторової модуляції для контролю параметрів обертального руху дозволяє отримати високу вірогідність контролю за рахунок відсутності похибки ексцентриситету та зменшення динамічної похибки. Застосування двовимірного ПЧД високої швидкодії забезпечує безконтактний контроль лінійних зміщень об'єкта по двох осях координат і відсутність впливу моменту інерції сенсора та розширює область застосування засобу контролю. Розроблений засіб дозволяє здійснювати контроль в ширшому діапазоні зміни кутових параметрів в статичному і динамічному режимах роботи, що є його суттєвою перевагою.
        До переваг також даного підходу відносяться рівномірність дискретизації та можливість одночасного вимірювання таких параметрів як биття, вібрація, нестабільність кутової швидкості.

    Вимірювання моментів інерції тіл обертання
        Вимірювання моменту інерції під час дослідження динаміки механічних та електромеханічних систем з обертальною формою руху являє собою важливу науково-технічну задачу. Пояснюється це кількома причинами:
        - поширеністю подібних систем в науково-дослідницькі та виробничій сферах;
        - важливістю самого вимірювального параметру, який характеризує інерційні властивості системи;
        - відсутністю точної достовірної довідникової інформації на даний параметр.
        Так, наприклад, неможливо розв'язуватити задачі автоматичного управління та оптимізації режимів роботи електричних машин за відсутності точної інформації про моменти інерції їх роторів. З іншого боку в довідниках та технічних умовах на електродвигуни даний параметр подається з великою похибкою (10%), що обумовлює необхідність додаткового, більш точного його визначення.
        На сьогодні сформовані два напрями визначення моменту інерції: розрахунковий та експериментальний. Перший з них не набув достатньої практичної підтримки, оскільки має принципові недоліки, пов'язані з відсутністю достовірної інформації щодо розподілу маси в об'ємі об'єкта дослідження та часто складними зовнішньою та внутрішньою його геометріями. У зв'язку з цим перевагу надають експериментальним методам.
        Питанням експериментального визначення моменту інерції присвячено багато публікацій і розроблено чимало методів. На сьогодні до основних відносять:
        - метод допоміжного маятника;
        - метод крутильних коливань;
        - метод самогальмування;
        - прямий метод.
        Кожний з цих методів, маючи свої переваги, має і свої суттєві недоліки. Огляд та проведений авторами критичний аналіз цих методів довели, що на сьогодні не існує єдиного методу вимірювання моменту інерції, який зміг би задовольнити замовника одночасно за кількома критеріями: універсальністю, діапазоном вимірювань, допустимою невизначеністю результату вимірювання, швидкістю самої процедури вимірювання та її вартістю.
        З іншого боку, проведена авторами систематизація методів та розроблена на підставі рівнянь Лагранжа другого роду і рівнянь Лагранжа-Максвелла узагальнена математична та електричні моделі перетворювача моменту інерції, створюють необхідні сприятливі передумови для розробки нових перспективних методів вимірювання моментів інерції тіл обертання з осьовою симетрією.

    Невизначеність вимірювань
        Оцінка точності засобу вимірювання є одним з основних етапів його метрологічної атестації та повірки, значення якої безпосередньо визначає його якість та ціну. Поряд з чинною концепцією похибки вимірювання, що передбачає оцінку систематичних і випадкових складових, існує підхід, який ґрунтується на відмові від понять істинне значення виміряної величини та похибка вимірювання, заміняючи їх на відповідні альтернативи: оцінене значення і невизначеність, а складові похибки - на компоненти типу А та В. Разом з тим дана концепція не відмовляється від існуючих методів математичної статистики, але при цьому використовується інша інтерпретація закону розподілу вимірюваної величини. Відповідно до рекомендацій Міжнародної організації стандартизації (ISO) характеристикою точності вимірювання є інтервал, що містить задану частину розподілу значень, які могли б обґрунтовано приписані вимірюваній величині (суб'єктивна інтерпретація ймовірності), на відміну від довірчого інтервалу, що містить істинне значення виміряної величини з заданою довірчою ймовірністю (частотна інтерпретація ймовірності).
        Крім того, використання невизначеності при поданні результату вимірювань забезпечує їх єдність в умовах загальносвітових тенденції в галузі метрології.
        Така задача існує для багатьох засобів вимірювання, що потребують встановлення класу точності. Відповідно до рекомендацій Міжнародної організації стандартизації, його оцінкою є комбінована і (або) розширена невизначеність.
        Для оцінки невизначеності застосовуються ряд методів, порядок і методики використання яких залежать від конкретного засобу і умов вимірювання. Оцінка невизначеності по категоріям А та В вимагає проведення специфічного аналізу експериментальних даних і теоретичних засад вимірювального перетворення. В загальному такий набір математичних засобів слід називати моделлю оцінки невизначеності вимірювання, що є сукупністю критеріїв, методів і особливостей їх застосування.

    Вимірювання вологості
        Роботу присвячено дослідженню проблемних питань, пов'язаних з удосконаленням методів та розробкою на їх основі нових інфрачервоних засобів контролю вологості порошкоподібних матеріалів, а також підвищенням швидкодії та вірогідності контролю. В роботі представлено порівняльний аналіз відомих методів та засобів вимірювання вологості, виявлено їх переваги та недоліки, обґрунтовано доцільність використання інфрачервоних засобів для автоматизованого контролю вологості порошкоподібних матеріалів. Досліджено об'єкт контролю та удосконалено математичну модель процесу конвективної сушки порошкоподібних матеріалів.
        Вдосконалено математичну модель первинного вимірювального перетворювача та отримано рівняння перетворення. Проведено оцінювання його основних статичних метрологічних характеристик. На основі отриманого рівняння перетворення модифіковано метод безпосереднього контролю та вперше розроблено відносний метод контролю вологості, а також структурні схеми для їх реалізації. Отримано аналітичну залежність для корекції мультиплікативної складової похибки. Запропоновано методику оцінювання комбінованої невизначеності вимірювань.
        Створено експериментальний зразок двоканального засобу контролю вологості в автоматичному режимі роботи у реальному часі, який реалізує відносний метод, та отримано залежності для оцінювання основних статичних метрологічних характеристик. Проведено метрологічні дослідження експериментального зразка, встановлено нормовані значення абсолютної, відносної та зведеної похибок. Досліджено закони розподілу контрольованої величини та похибки вимірювання. На основі розрахованих помилок першого і другого роду оцінено вірогідність контролю темогравіметричним методом, методом безпосередньої оцінки та відносним методом.
    Вимірювання параметрів крокових двигнів
        Крокові двигуни мають ряд, відмінних від інших електричних машин, властивостей (в першу чергу висока надійність, точність позиціонування та регулювання швидкості, можливість прямого керування від ЕОМ та мікроконтролерів), що сприяє їх широкому впровадженню в різних галузях промисловості.
        Якість крокових двигунів, як і всіх інших промислових виробів, є вирішальним фактором їх конкурентоспроможності на світовому ринку. Встановлення відповідності стану параметрів крокових двигунів нормативним документам здійснюється під час його випробування за допомогою відповідних засобів контролю. В теперішній час, не зважаючи на наявність сучасних приладів вимірювання електричних величин, відсутні відповідні засоби автоматизованого контролю неелектричних величин для здійснення випробувань в повному обсязі.
        Найбільш трудомістким і на сьогодні майже не автоматизованим є контроль кута повороту та обертового моменту ротора. Не зважаючи на те, що дані параметри крокових двигунів є основними його характеристиками, вони досить часто не підлягають контролю в зв'язку з відсутністю відповідних технічних засобів. Такий стан пояснюється недосконалістю методів контролю моменту і кута повороту та відсутністю відповідних еталонів. Методи, що покладено в основу побудови сучасних напівавтоматизованих засобів контролю цих фізичних величин, характеризуються низькою швидкодією і невисокою точністю. Наприклад, для отримання залежності обертового моменту від кутового положення ротора необхідно витратити 36 нормо-годин на один двигун. Аналогічна трудомісткість характерна для сучасних засобів контролю кута повороту [1], що реалізують опосередковані методи і характеризуються низькою швидкодією (1-2 години на один електродвигун).
        Тому до теперішнього часу не існує конкретних методик, які б давали можливість в повному обсязі розв'язати задачу аналізу даних засобів як в статичному, так і в динамічному режимах роботи, оцінити їх метрологічні характеристики, здійснити автоматизовану метрологічну атестацію та перевірку експериментальних і промислових зразків.
        Отже, на порядок денний уже сьогодні постає необхідність розробки якісно нових теоретичних підходів до контролю параметрів крокових двигунів, створення нових методів контролю, синтезу сучасних структурних схем засобів автоматизованого контролю і засобів для їх метрологічної атестації та перевірки, впровадження нового класу засобів контролю у виробництво.
        Для дослідження особливостей роботи двигуна в процесі вимірювання, застосовуються відповідні математичні моделі. Проте цілісного опису динаміки взаємодії об'єкта дослідження та вимірювального перетворювача не існує. Тому важливо приділити увагу розробці математичних моделей вимірювальних каналів параметрів крокових двигунів. Суттєвим аспектом при цьому є перевірка адекватності розроблених моделей. Для цього не можливо обійтись без експериментальних досліджень.
        Тому дана проблематика потребує не лише теоретичних досліджень, а й практичної реалізації спроектованих пристроїв.

    Вібродіагностика електричних машин
        В теперішній час все чіткіше виділяються відмінності між системами управління та контролю складного електрообладнання, з однієї сторони, та системами їхньої діагностики, з другої сторони. Системи контролю є складовими частинами сучасних систем моніторингу і використовують, як правило, прості способи та засоби вимірювання фізичних величин. Діагностичні системи будують з врахуванням необхідності отримання максимального об'єму вимірювальної інформації, яка зосереджена перш за все в сигналах вібрації. Тому для систем технічної діагностики використовують нові інформаційні технології, які засновані на більш складних методах вимірювання та аналізу інформативного сигналу. Основною складовою таких систем є вимірювальний канал вібрації, від нормованих метрологічних характеристик якого в основному залежить вірогідність контролю і діагностики.
        Метою роботи є розробка та впровадження вимірювального каналу, що забезпечує реєстрацію значень вібрації, попереднє оброблення цієї інформації та її передачу для наступного аналізу і прийняття рішення.
        Найбільш доступним засобом вимірювання та аналізу вібросигналів можна вважати вимірювальний канал на основі мікроконтролера з необхідною кількістю первинних вимірювальних перетворювачів, оперативною і постійною пам'яттю та послідовним інтерфейсом для зв'язку з персональним комп'ютером системи моніторингу. Конструктивно вимірювальний канал вібрації складатися із двох функціонально закінчених блоків: первинного вимірювального перетворювача (сенсора) вібрації і мікроконтролера. Сенсор перетворює значення вібрації в електричний сигнал і передає його в мікропроцесорний пристрій, який здійснює його масштабування, квантування по рівню, запам'ятовує двійковий код, виконує числове перетворення, порівнює отриманий результат з заданою нормою вібрації і передає його по послідовному інтерфейсу в систему моніторингу.