Удосконалення діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

«Донецький національний технічний університет»

УДК 621.313.333

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Ткаченко Андрій Олександрович

Донецьк 2009

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Трифазні асинхронні двигуни (АД) є одними із найбільш поширених електричних машин. Дві третини електроенергії споживається електродвигунами, а доля АД складає близько 95% від їх загальної кількості. Висока пошкоджуваність асинхронних машин стає причиною значних збитків. Щорічно виходить із ладу 29-30% двигунів у гірничодобувній промисловості, 20% - у машинобудівній, 13% - у металургійній. Пошкодження електродвигунів складають 25-30% від загальної кількості пошкоджень електроустаткування.

Розповсюдженими причинами виходу з ладу АД є несправності обмоток статора - обриви фаз, паралельних гілок фазних обмоток та міжвиткові замикання. Своєчасне виявлення несправностей дозволяє уникнути більш серйозного пошкодження двигуна, скоротити витрати на обслуговування та позапланові простої, підвищити ефективність роботи двигунів.

Виявлення несправностей статорних обмоток на стадії виникнення може бути виконане із використанням автоматизованих систем діагностування. Широке використання засобів діагностування можливе за умови розробки ефективних методів, заснованих на використанні інформативних діагностичних показників на основі доступних та легко вимірюваних сигналів електродвигунів.

Таким чином, подальше дослідження особливостей режимів роботи АД при наявності несправностей із метою розробки методів і засобів діагностування є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з планом науково-технічних робіт Донбаської державної машинобудівної академії. Результати досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, включені в держбюджетну науково-дослідну роботу Дк-10-03 «Удосконалення систем автоматичного керування та діагностики електроприводів» (номер держреєстрації 0104U004409). У ролі виконавця автором розроблено методику діагностування несправностей статорних обмоток асинхронних двигунів за діючими величинами та кутами зсуву фаз струмів фазних обмоток статора.

Мета та завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів шляхом розробки нового методу та засобу виявлення обривів і міжвиткових замикань для запобігання подальших пошкоджень двигунів.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні науково-прикладні завдання:

- дослідження особливостей електромагнітних, електромеханічних і теплових процесів асинхронних двигунів при обривах і міжвиткових замиканнях в обмотках статора;

- виявлення діагностичних показників несправностей обмоток статора;

- розробка нового методу і принципу реалізації системи діагностування обривів і міжвиткових замикань в обмотці статора;

- розробка дослідного зразку системи діагностування, оцінка адекватності покладених у його основу методів і принципів побудови шляхом проведення випробувань в лабораторних і виробничих умовах.

Об'єктом дослідження є електромагнітні, електромеханічні та теплові процеси асинхронних двигунів при обривах та міжвиткових замиканнях в обмотках статора.

Предметом досліджень є методи та засоби виявлення обривів і міжвиткових замикань в обмотці статора АД.

Методи досліджень. Дослідження електромеханічних і механічних характеристик виконано методом математичного моделювання з використанням Т-подібних схем заміщення; аналіз сталих несиметричних режимів роботи виконаний із використанням методу симетричних складових; дослідження теплових процесів виконане математичним моделюванням із використанням еквівалентних теплових схем заміщення; експериментальні дослідження проведені з використанням методів планування експерименту, кореляційного та регресійного аналізу; розрахунки виконані в пакетах програм «MatLab», «Statistica».

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

- вперше встановлені залежності, що дозволяють визначити кути зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора при обриві паралельної гілки статорної обмотки за величиною моменту опору на валу двигуна;

- вперше встановлені залежності, що дозволяють визначити кути зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора за величинами діючих значень струмів і кількості замкнутих витків при міжвитковому замиканні в обмотці статора для з'єднання обмоток за схемою «трикутник» і «зірка» з двома паралельними гілками в кожній фазній обмотці статора;

- вперше запропонований метод діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів, що дозволяє виявити обриви та міжвиткові замикання в сталому режимі роботи двигуна шляхом контролю діючих значень і кутів зсуву фаз між струмами фаз статора. В якості показника анормального режиму роботи запропоновано використовувати різницю потенціалів між штучною нульовою точкою та нульовою точкою обмоток двигуна.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій, забезпечується коректним обранням припущень при математичному моделюванні, та підтверджується збігом теоретичних положень з результатами математичного моделювання і експериментальних досліджень.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблено методику діагностування обривів і міжвиткових замикань статорних обмоток асинхронних двигунів;

- розроблено структуру та принципи реалізації системи діагностування обривів і міжвиткових замикань статорних обмоток у сталих режимах роботи АД;

- створено дослідний зразок системи діагностування, що включає в себе датчики, блок перетворення, мікроконтроллер;

- проведено оцінку адекватності методу й принципів побудови системи діагностування шляхом проведення випробувань у лабораторних і виробничих умовах.

- впроваджено методику діагностування технічного стану АД із КЗР у робочому режимі на ВАТ «Краматорський цементний завод - Пушка», АТ «НКМЗ».

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи були одержані автором самостійно.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи обговорені на науково - технічній конференції професорсько-викладацького складу Донбаської державної машинобудівної академії, Краматорськ, 2004; міжнародних симпозіумах «Проблеми вдосконалення електричних машин та апаратів» SIEMA 2005, 2006 р., Харків; міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання та автоматизації», Кременчук, 2006, розширеному засіданні кафедри «Електромеханіка та теоретичні основи електротехніки» державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2008.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 6 друкованих працях, затверджених ВАК України як фахові, серед них 5 - у збірниках наукових праць, 1 - у науково-практичному журналі, отримано 1 патент України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків і додатків. Основний зміст дисертації викладено на 135 сторінках, з них 6 рисунків і 10 таблиць повністю займають 10 сторінок. Повний обсяг дисертації складає 182 сторінки друкованого тексту, з них 3 додатки на 38 сторінках; 124 найменування використаних джерел на 16 сторінках.

Основний зміст роботи

У першому розділі «Сучасний стан та шляхи вдосконалення діагностування асинхронних двигунів» наведений аналіз ушкоджень АД, виконаний огляд існуючих методів та пристроїв технічної діагностики електродвигунів.

Теоретичному дослідженню особливостей робочих режимів АД із несправностями обмоток статора присвячені роботи Вольдека О.І., Ванєєва Б. Н., Гольдберга О. Д., Домбровського В. В., Казовського Є. Я., Копилова І.П., Костенка М.П., Родькіна Д.Й., Сивокобиленка В.Ф., Сиромятникова І. А., Трещева І.І., Федорова М.М., та інших авторів.

Огляд робіт показує, що значна кількість відмов двигунів пов'язана із несправностями обмотки статора: обривами фаз та паралельних гілок фазних обмоток, міжвитковими замиканнями. Несправності обмоток статора призводять до порушення симетрії струмів фазних обмоток та струмовим перевантаженням. В результаті мають місце перегрів (у тому числі і місцевий) ізоляційних матеріалів обмотки, різке скорочення їх строку служби та подальший розвиток несправностей до міжфазних замикань та замикань на корпус. Своєчасне виявлення обривів та міжвиткових замикань можливо здійснити із застосуванням автоматизованих систем діагностування.

Сучасні методи та засоби діагностування в тій чи іншій мірі виконують поставлені розробниками завдання, проте необхідні подальші дослідження особливостей режимів роботи АД при несправностях статорних обмоток із метою виявлення інформативних та доступних для вимірювання діагностичних показників анормальних режимів роботи, розробки нових методів та засобів для вдосконалення систем діагностування.

У другому розділі «Електромеханічні характеристики асинхронних двигунів при несправностях обмоток статора» проведений аналіз електромеханічних характеристик АД при несправностях обмоток статора: обривах фаз, паралельних гілок фазних обмоток, міжвиткових замиканнях.

Теоретичний аналіз режимів роботи виконаний за методом симетричних складових із застосуванням Т-подібних схем заміщення. Несправності обмотки статора розглядались як джерела поздовжньої несиметрії.

Дослідження механічних характеристик АД із обривом фази підтвердило відомі особливості роботи двигуна та дозволило визначити величини струмів працюючих фаз для подальшого аналізу теплових процесів.

Виконаний аналіз електромеханічних характеристик АД із обривом однієї із двох паралельних гілок обмотки статора. За базові величини прийняті номінальний струм та номінальний момент.

Аналіз отриманих результатів дозволив зробити наступні висновки: обрив однієї з двох паралельних гілок фазної обмотки статора призводить до зменшення пускового моменту на 30% та перевантажувальної здатності на 31%; струми справних фазних обмоток при зниженому моменті навантаження підвищені відносно нормального режиму роботи на (10-15)%, а в пошкодженій обмотці струм знижений. Приймаючі до уваги, що в пошкодженій фазі працює лише одна паралельна гілка, має місце значне струмове перевантаження.

В табл.1 наведені результати досліджень. Із аналізу результатів, наведених в табл.1 випливає, що при обриві паралельної гілки обмоток статора може виникнути ситуація, коли струми фаз статора не перевищують номінальних величин, а в паралельних гілках має місце струмове перевантаження. Так при моменті опору в 0,85Мн струми фазних обмоток статора складають (0,71-0,99)Ін, а струм гілки пошкодженої фази перевищує номінальний на 42%, що викликає значний місцевий перегрів і подальше розвинення несправності.

Таблиця 1. Результати розрахунків відносних величин фазних струмів двигуна АО2-61 при роботі з обривом однієї з двох паралельних гілок обмотки фази А (2р=6)

0	0,2	0,4	0,00	0,27	0,27	0,27	0,27	0,27	0,27
0,5	0,43	0,86	0,00	0,6	0,6	0,6	0,61	0,61	0,61
0,66	0,55	1,1	0,00	0,76	0,76	0,76	0,78	0,78	0,78
0,85	0,71	1,42	0,00	0,98	0,98	0,98	0,99	0,99	0,99
1,38	1,62	3,24	0,00	2,20	2,20	2,20	2,22	2,22	2,22

Аналогічним чином виконане дослідження електромеханічних характеристик АД з КЗР при міжвиткових замиканнях в фазній обмотці статора (табл. 2).

Таблиця 2. Відносні струми фазних обмоток при замиканні секції фазної обмотки

0	0,88	0,87	0,76
0,56	0,95	0,9	0,82
0,68	0,98	0,92	0,86
1	1,02	1,1	1

Із результатів, наведених в табл. 2 випливає, що міжвиткове замикання на початкових стадіях розвитку не призводить до погіршення механічних характеристик АД, струми фазних обмоток незначно (на 2ч10%) підвищуються.

Розгляд електромеханічних характеристик АД при несправностях обмотки статора виконано із припущенням щодо еліпсоїдального розподілу поля впродовж повітряного зазору статора. Відомо, що несправності обмоток статора призводять до зміни величини та форми електромагнітного поля статора. Наявність додаткових гармонійних складових поля свідчить про необхідність розрахунків для кожної складової.

Аналіз характеру розподілення електромагнітного поля уздовж повітряного зазору АД виконано шляхом розрахунку магніторушійної сили за відомими схемами обмоток та величинами і початковими фазами струмів обмоток статора. Результати досліджень показали, що міжвиткові замикання та обриви паралельних витків супроводжуються появою додаткових складових в розподілі поля і можна очікувати появи прямих та зворотних складових для кількості пар полюсів, що відрізняється від кількості пар полюсів справного двигуна.

Оскільки розрахунок величин додаткових гармонійних складових поля викликає значні труднощі, розрахунок електромеханічних характеристик АД при наявності несправностей обмоток статора методом симетричних складових потребує додаткового підтвердження іншими методами.

Результати аналітичних досліджень підтверджені експериментальним шляхом. В якості експериментального використовувався спеціально підготовлений чотиришвидкісний електродвигун АО2-61 (2р=12/8/6/4), який має дві незалежні обмотки, кожна з яких може бути підключена за схемами «трикутник» й «зірка» з двома паралельними гілками в кожній обмотці статора. Така конструкція АД дозволяє провести дослідження особливостей електромеханічних і теплових процесів при обривах паралельних гілок обмоток статора та міжвиткових замикань для різних варіантів підключення статорних обмоток. Серед внесених до конструкції машини змін для імітації обривів фазних обмоток, паралельних гілок фазних обмоток та міжвиткових замикань на комутаційну панель виведені клеми фазних обмоток, паралельних гілок фазних обмоток, окремих витків, котушок та котушкових груп. В кожний паз статора вмонтовано провідники, ЕРС самоіндукції яких дозволяє оцінити розподіл електромагнітного поля.

Середня розбіжність результатів теоретичних та експериментальних досліджень склала (8ч10)%.

Експериментальне дослідження також дозволило виявити додаткові особливості робочих режимів АД при несправностях в обмотках статора.

З'ясовано, що обрив паралельної гілки обмотки статора призводить до нерівномірного розподілу струмів в паралельних гілках як в обмотках із несправностями, так і в справних фазних обмотках, що необхідно враховувати при розрахунку температурного поля.

Обриви паралельних гілок і міжвиткові замикання супроводжуються несиметрією струмів фазних обмоток статора за початковою фазою, що може бути використано як показник анормального режиму роботи.

У третьому розділі «Математичне моделювання асинхронних двигунів при обривах паралельних гілок та міжвиткових замиканнях в обмотках статора» проведений аналіз роботи АД з КЗР при несправностях обмоток статора шляхом математичного моделювання в трифазних неперетворених координатах; обрані діагностичні показники несправностей та виявлений характер їх залежності від навантаження двигуна та ступеню розвитку несправності.

Із метою дослідження режимів роботи АД при складанні математичних моделей виділені окремі ділянки статорних обмоток: паралельні гілки фазних обмоток статора, короткозамкнуті витки.

Так для обмоток статора із двома паралельними гілками в кожній фазній обмотці, складена система диференційних рівнянь (1).

(1)

де uA, uB, uC - фазні напруги, - активні опори паралельних гілок обмоток статора, - потокозчеплення гілок фазних обмоток статора, - струми паралельних гілок обмоток статора.

Диференційні рівняння фазних обмоток ротора мають вигляд

(2)

де - активні опори обмоток ротора, - потокозчеплення фазних обмоток ротора, - струми обмоток ротора.

Потокозчеплення в рівняннях (1), (2) визначаються як добуток власного потокозчеплення обмотки j (ijLj) та потокозчеплень із іншими обмотками . В якості приклада потокозчеплення для фази А статора визначаються як:

(3)

де - власні індуктивності обмоток статора та ротора, - взаємні індуктивності обмоток (заголовними індексами позначені величини, які мають відношення до обмоток статора, прописними - ротора).

Взаємні індуктивності, які входять до рівнянь (3) визначені експериментальним шляхом.

Електромагнітний момент АД визначається як частинна похідна за кутом повороту ротора від загального запасу електромагнітної енергії машини. Електромагнітна енергія обмоток асинхронної машини визначається зі співвідношення:

. (4)

Звідси електромагнітний момент АД дорівнює:

, (5)

де Zp - число пар полюсів.

Рівняння руху приводу має вигляд:

, (6)

де щ - кутова швидкість обертання ротора; J - момент інерції електропривода, наведений до вала двигуна; MC - статичний момент навантаження.

Рівняння (1), (2), (6) разом із рівняннями зв'язку (3) - (5) складають математичну модель асинхронної машини в трифазних неперетворених (природних) координатах, яка дозволяє досліджувати роботу машини в симетричних та несиметричних режимах роботи. Зокрема, для моделювання роботи АД при обриві однієї з паралельних гілок обмотки статора необхідно прийняти нульовий струм в пошкодженій гілці. Решта рівнянь математичної моделі складається аналогічно зазначеного вище підходу.

Аналогічним чином розроблена математична модель двигуна із міжвитковим замиканням в фазній статорній обмотці. В якості приклада на рис. 3 зображена розрахункова схема для з'єднання фазних обмоток статора трикутником і міжвиткового замикання n-ної частки витків в обмотці АВ.

Аналіз результатів моделювання показав, що при обриві однієї з двох паралельних гілок фазної обмотки статора має місце нерівномірний розподіл струмів як у фазах, так і в паралельних гілках справних фазних обмоток, що пов'язане із неоднаковою взаємною індуктивністю гілок фазних обмоток.

Найбільш навантаженою є паралельна гілка ушкодженої фази. Струмове перевантаження зростає зі збільшенням механічного навантаження двигуна. Так для момента опору, близького до номінального, має місце майже дворазове перевищення струма номінальної величини. При цьому фазний струм пошкодженої обмотки не перевищує номінального.

З метою оцінки часу пуску та величини середніх пускових струмів проведений аналіз пускових режимів роботи двигуна АО2-61 (2р=4, 6) при обриві першої паралельної гілки обмотки фази А. Результати наведені в табл. 3.

Таблиця 3. Відносні величини середніх пускових струмів паралельних гілок фазних обмоток статора і часу пуску

Кількість пар полюсів
2р=4	0	3,62	2,47	2,95	2,43	3,04	1,25
2р=6	0	3,5	2,3	2,56	2,3	2,89	1,3

Із аналізу табл. 3 випливає, що під час пуску мають місце багатократні струмові перевантаження та збільшений на (25-30)% час пуску, що може викликати неприпустимий перегрів обмоток машини внаслідок дії підвищених за величиною та часом дії джерел теплової енергії.

Важливою особливістю режиму роботи з обривом паралельної гілки є характер несиметрії струмів фазних обмоток за початковою фазою. Із результатів моделювання випливає, що характер несиметрії струмів за різницею початкових фаз зберігається зі зміною навантаження (табл. 4), що може бути використане як показник наявності несправності.

діагностування обмотка асинхронний двигун

Таблиця 4. Відносні струми фазних обмоток статора двигуна АО2-61, кути зсуву фаз між струмами фазних обмоток при обриві паралельної гілки фази А

		ДшAB		ДшBC		ДшCA
0,40	0,37	111,02	0,54	111,78	0,56	137,2
0,66	0,54	111,69	0,87	110,81	0,81	137,5
0,87	0,75	111,54	1,1	111,06	1,12	137,4

Виникнення міжвиткового замикання супроводжується незначною несиметрією струмів фазних обмоток статора за величиною. Так при номінальному навантаженні струми фазних обмоток перевищують номінальні величини на 2-10%. При цьому має місце помітна несиметрія струмів за початковою фазою (кут зсуву початкових фаз струмів фазних обмоток відрізняється від 1200 на величину до 18,40). Струм у короткозамкнених витках перевищує номінальний в 2,7-3 рази і змінюється зі зміною момента опору від нуля до МН на 5,7%. Таким чином, міжвиткове замикання приводить до багатократного струмового перевантаження та швидкого зростання температури в зоні несправності, поширенню несправності та виходу двигуна з ладу. Величини фазних струмів можуть не перевищувати номінальних значень, а виявлення несправності доцільно виконувати за величинами кута зсуву фаз між струмами фазних обмоток.

З метою оцінки точності математичного моделювання виконане експериментальне дослідження режимів роботи АД при несправностях в обмотці статора. Середня розбіжність результатів складає (8,2-9,32)%.

Виходячи із вищезазначеного, виявлення несправностей обмотки статора доцільно виконувати шляхом контролю зсувів за фазою струмів обмоток статора. У випадку обриву фази зсув струмів справних обмоток за початковою фазою становить 1800. Відомий ряд пристроїв, використання яких дозволяє виявити аварійний режим і з високою швидкодією вимкнути електродвигун.

Виявлення обривів паралельних гілок обмотки статора також супроводжується несиметрією струмів фазних обмоток. З метою використання даної ознаки в системі діагностування з'ясовано характер залежності показника від момента опору на валу двигуна.

(8)

Незначні величини коефіцієнтів при відносному моменті опору свідчать про малий нахил залежностей ДШj відносно осі моментів. Так зі зростанням момента опору від 0 до МН максимальна зміна кута зсуву фаз становить 1,210 (максимальне відхилення від нормального кута зсуву фаз в 1200 становить 170). Таким чином можна вважати, що кути зсуву фаз між струмами статора для даної несправності не змінюються зі зміною навантаження.

Кути зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора при міжвитковому замиканні залежать як від величини навантаження, так і від кількості короткозамкнених витків.

Шляхом регресійного аналізу встановлені залежності кутів зсуву фаз від навантаження відносного струму фазних обмоток статора та відносної кількості короткозамкнених витків для випадків з'єднання обмоток статора трикутником (9) та зіркою із двома паралельними гілками в кожній фазній обмотці статора (10).

(9)

(10)

У четвертому розділі «Тепловий стан асинхронних двигунів при обривах і міжвиткових замиканнях в обмотці статора» проведений аналіз теплових процесів АД при несправностях обмоток статора із застосуванням еквівалентних теплових схем заміщення (ЕТС). Отримані раніше результати досліджень показали, що кожна несправність обмотки статора супроводжується характерним тільки для даного випадку розподілом струмів, а отже і теплових втрат. Дослідження теплових процесів машини слід виконувати із застосуванням спеціально розроблених для кожної несправності ЕТС. Так для дослідження теплових процесів, що протікають в АД при обриві паралельної гілки фазної обмотки статора, розроблена ЕТС, в якій виділені паралельні гілки обмоток статора. В еквівалентній тепловій схемі для дослідження теплового поля машини із міжвитковим замиканням окремо виділені короткозамкнені витки.

За допомогою ЕТС виконаний розрахунок сталих температур обмоток для різних значень коефіцієнта навантаження. Аналіз отриманих даних показав, що найбільш нагрітими є лобові частини паралельних гілок фазних обмоток статора, тому далі оцінювались лише температури лобових частин обмоток.

При номінальному моменті опору температура працюючої паралельної гілки ушкодженої фази перевищує номінальну в 4,43 рази, що призводить до швидкого виходу з ладу ізоляційних матеріалів обмотки. При навантаженні в 64% від номінальної температури обмоток не перевищують максимально припустимих значень, двигун може працювати тривалий час.

Окрім сталих температур обмоток також становить інтерес динаміка зміни температур.

Найбільш нагрітою є лобова частина паралельної гілки ушкодженої фази. Підвищені температури мають місце і в інших паралельних гілках фазних обмоток. Температура паралельної гілки пошкодженої фази досягає максимально допустимої через 2-3 хвилини після ввімкнення двигуна.

Дослідження температурного поля також виконане для випадку роботи із міжвитковим замиканням в обмотці статора. В табл. 4 показані сталі температури лобових частин короткозамкненої частини обмотки при різних величинах навантаження.

Таблиця 4. Відносний перегрів пазових та лобових частин короткозамкнених частин обмоток

	0	0,48	0,64	0,83	1,07
	3,4	3,69	3,74	3,82	4,1
	3,32	3,62	3,67	3,76	4,22

Із аналізу табл. 4 випливає, що температури короткозамкнених витків багатократно перевищують номінальні величини. На холостому ході температура перевищує номінальну в 3,4 і 3,32 рази для лобових і пазових частин відповідно. Із підвищенням момента опору стала температура короткозамкнених витків збільшується. Так при зміні навантаження від нуля до номінальної температури лобових частин обмотки зросли на 17%, пазових - на 27%.

Дослідження динаміки температурного поля показало, що за перші 16 секунд після ввімкнення двигуна температура зросла на 680С, що відповідає градієнту 4.250С/с. Температура досягла максимально допустимої на протязі 30с.

З метою експериментального дослідження теплових процесів, що протікають у АД при несправностях в обмотці статора, в паралельні гілки статорних обмоток, окремих котушкових груп і котушок двигуна АО2-61 вбудовані температурні індикатори - термопари хромель-копель, що мають малу теплову інерцію й дозволяють із достатньою точністю судити про перевищення температур ізоляційних матеріалів обмоток.

У зв'язку із тим, що експериментальне дослідження пов'язане із риском виходу із ладу двигуна, експеримент продовжувався до моменту досягнення температурою обмоток максимально допустимої величини.

Таким чином, несправності обмоток статора приводять до багатократних місцевих перегрівів. Швидкість наростання температури досить висока для обох розглянутих випадків. Так при обриві паралельної гілки температура ушкодженої гілки перевищує номінальну через 2-3 хвилини після ввімкнення, при міжвитковому замиканні температура короткозамкнених витків досягає номінальної за 30 с. Оскільки несправність може виникнути і під час роботи, своєчасне виявлення несправностей можливе лише із застосуванням системи безперервного діагностування.

У п'ятому розділі «Розробка методу та пристрою діагностування обривів і міжвиткових замикань в статорних обмотках асинхронних двигунів» за результатами дослідження робочих режимів АД при несправностях обмоток статора розроблено методику та дослідний зразок системи діагностики; виконана перевірка методу та принципів реалізації системи діагностики в лабораторних та промислових умовах.

При розробці дослідного зразка системи діагностування прийнято до уваги, що зміна діагностичного показника може бути викликана як несправністю двигуна, так і несиметрією живлячих напруг. З метою зменшення кількості помилкових спрацьовувань системи діагностування необхідно передбачити пристрій виявлення анормального режиму роботи двигуна в умовах можливої несиметрії мережі. Анормальний режим роботи двигуна запропоновано виявляти шляхом контролю напруги між штучною нульовою точкою напруг статора та нульовою точкою обмоток статора.

Принципи побудови системи діагностування наступні:

1. Виявлення анормального режиму роботи двигуна виконується шляхом контролю різниці напруг між нульовою точкою двигуна та штучною нульовою точкою напруг живлення. Перевищення напругою граничного значення служить сигналом до початку діагностування. Граничне значення напруги визначається на етапі встановлення системи діагностування і враховує конструктивну несиметрію двигуна.

2. Виявлення обривів і міжвиткових замикань здійснюється шляхом контролю величин і зсувів за фазою струмів обмоток статора.

2.1 Ознаками обриву фази є відсутність струму в одній з фаз, струми працюючих фаз мають зсув по фазі в 1800.

2.2 Ознакою обриву паралельних гілок фазних обмоток є зсув по фазі струмів обмоток статора відповідно до залежностей (8).

2.3 Виявлення міжвиткових замикань здійснюється шляхом контролю діючих величин і зсувів за фазою струмів обмоток статора відповідно до залежностей (9), (10).

3. Діагностування несправностей статорних обмоток АД виконується автоматично за допомогою мікроконтролера в процесі експлуатації двигуна. Період діагностування визначається швидкодією мікроконтролера та становить величину порядку 0,25 - 0,5 с.

4. З метою підвищення точності виявлення несправностей передбачена фільтрація сигналів струмів, вимір сигналів протягом десяти періодів і подальше обчислення середніх значень.

5. Вимірювання зсувів за фазою виконується шляхом перетворення синусоїдальних сигналів до сигналів прямокутної форми, за величиною узгодженою із рівнем цифрових входів мікроконтролера. Стан цифрових входів контролюється мікропроцесором одночасно, що дозволяє зменшити похибку вимірювань.

6. Система діагностування може бути додатково розширена контролером і бездротовим приймально-передавальним пристроєм, для зв'язку із пристроями вищого рівня.

Відповідно до принципів побудови система діагностування містить у собі наступні складові частини:

1. Фільтр нульової послідовності та блок обробки напруг для формування цифрового сигналу для запуску системи діагностування.

2. Датчики струмів, що забезпечують вимір миттєвих значень фазних струмів.

3. Фільтри виділення основної гармонійної складової.

4. Перетворювач рівнів напруг для підготовки сигналів до виду, придатному до обробки мікроконтроллером.

5. Мікропроцесорний пристрій, що виконує виявлення несправностей за величинами кутів зсуву фаз та діючих величин струмів фазних обмоток.

6. Блок живлення пристроїв системи діагностування.

7. Пристрій індикації.

Лабораторні та промислові експериментальні дослідження показали працездатність розробленого методу та принципів діагностування.

У додатках наведені матеріали, що підтверджують використання і впровадження результатів роботи.

Висновки

В дисертаційній роботі на основі отриманих теоретичних та експериментальних результатів розв'язано актуальну науково-прикладну задачу вдосконалення діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів шляхом розробки нового методу та засобу виявлення обривів і міжвиткових замикань.

Запропоновано новий метод та засіб діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів, що на відміну від відомих використовують для виявлення несправностей статорних обмоток діючі величини та кути зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора.

Дослідження, виконані в дисертаційній роботі, дозволяють сформулювати наступні висновки:

1. Проведено аналіз сталих режимів роботи електродвигунів який дозволив оцінити зміну перевантажувальної здатності, пускового момента АД, визначити діючі величини і зсуви за фазою струмів у фазних обмотках при міжвиткових замиканнях та обривах паралельних гілок фазних обмоток статора.

2. Встановлено залежності кутів зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора при обриві однієї із двох паралельних гілок фазної обмотки від величини момента опору на валу двигуна.

3. Встановлено залежності, що дозволяють визначити величини кутів зсуву фаз між струмами фазних обмоток від кількості замкнених витків і діючих величин струмів статорних обмоток при міжвитковому замиканні в сталому режимі роботи двигуна для з`єднання статорних обмоток трикутником і зіркою із двома паралельними гілками в кожній фазній обмотці.

4. Розроблено метод діагностування статорних обмоток АД на основі контролю діючих величин і кута зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора. Розроблено структуру та алгоритм роботи системи діагностування несправностей статорних обмоток АД.

Результати дисертаційної роботи в цілому дозволяють вчасно виявити обриви та міжвиткові замикання в обмотках статора, що дозволяє уникнути подальшого їхнього розвитку та більш серйозного ушкодження двигуна.

Публикації за темою дисертації

1. Панкратов А. И. Проблемы диагностики асинхронных машин / А. И. Панкратов, А. А. Ткаченко, Н. В. Ивченков // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - Харьков 2004. - № 43. - С. 182-183.

2. Федоров М. М. К вопросу построения систем диагностики неисправностей асинхронных электродвигателей / М. М. Федоров, А. А. Ткаченко // Электротехніка и електромеханіка. - Харков: НТУ «ХПІ», 2006. - №2. - С. 59-61.

3. Федоров М. М. Режимы работы асинхронных электродвигателей при неисправностях обмотки статора / М. М. Федоров, О. И. Толочко, А. А. Ткаченко // Сборник научных трудов УкрНИИВЭ: Взрывозащищенное электрооборудование. - Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2006. - C. 320 - 325.

4. Федоров М. М. Особенности распределения магнитного поля асинхронного электродвигателя при неисправностях в обмотках статора / М. М. Федоров, А. А. Ткаченко // Вісник Кременчуцького Державного політехнічного Университета. - 2006. - №3(38), ч.2. - C. 96-98.

5. Федоров М. М. Особенности электромеханических и тепловых процессов в асинхронных электродвигателях при аномальных режимах работы / М. М. Федоров, А. А. Ткаченко // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: «Електротехніка і енергетика» - 2006. - №112. - C. 29-32.

6. Вареник Е. А. Математическое моделирование асинхронных электродвигателей в несимметричных режимах работы / Е. А. Вареник, М. М. Федоров, О. И. Толочко, А. А. Ткаченко // «Електротехніка і електромеханіка», Харков: НТУ «ХПІ», 2006.

7. Пат. U200706611 Україна, МПК Н02Н7/00. Пристрій діагностики трифазних електричних машин: Пат. U200706611 Україна, МПК(2006) Н02Н7/00 / Панкратов А. І., Федоров М. М., Ткаченко А. О., Побочій В. Г.; Заявлено 13.06.2007, опубл. 12.11.07, Бюл. № 18.

Анотацiя

Ткаченко А.О. Вдосконалення діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України, Донецьк, 2009.

Дисертація присвячена вдосконаленню діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів (АД) шляхом розробки нового методу та засобу діагностування обривів та міжвиткових замикань в обмотках статора. На основі аналізу електромагнітних, електромеханічних і теплових процесів, що протікають в АД при несправностях обмоток статора, виявлені діагностичні показники, сформульовані вимоги до системи діагностики, запропоновано новий метод та засіб діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів, що на відміну від відомих використовують для виявлення несправностей статорних обмоток діючі величини та кути зсуву фаз між струмами фазних обмоток статора.

Ефективність методу діагностики ушкоджень АД з КЗР обґрунтовані теоретично і підтверджені експериментально. Основні результати роботи впроваджені на ТОВ «Краматорський цементний завод - Пушка», АТ «Новокраматорський машинобудівний завод».

Ключові слова: асинхронний двигун, технічне діагностування, діагностичний параметр, несправність, обрив фази, обрив паралельної гілки статорної обмотки, міжвиткове замикання.

Аннотация

Ткаченко А. А. Совершенствование диагностирования статорных обмоток асинхронных двигателей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - Электрические машины и аппараты. - Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет» министерства образования и науки Украины, Донецк, 2009.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи совершенствования диагностирования асинхронных двигателей (АД) путем разработки новых метода и средства диагностирования обрывов и межвитковых замыканий в обмотках статора.

На основе анализа установившихся режимов работы электродвигателей с использованием метода симметричных составляющих выполнена оценка перегрузочной способности, пускового момента АД и действующих величин токов в фазных обмотках при межвитковых замыканиях и обрывах параллельных ветвей фазных обмоток статора.

Анализ результатов исследований показал, что при обрыве одной из двух параллельных ветвей фазной обмотки статора при нагрузке (0.7ч0.8)MH токи фазных обмоток не превышают номинальных, однако ток исправной ветви поврежденной фазы в полтора раза превышает номинальную величину.

Замыкания нескольких витков практически не отражаются на работоспособности машины, при номинальной нагрузке токи поврежденных фазных обмоток превышают номинальные на 1-5%, однако ток короткозамкнутых витков превышает номинальный более чем в два раза.

Выполнено математическое моделирование асинхронного двигателя с неисправностями обмоток статора. Получены величины токов фазных обмоток, параллельных ветвей фазных обмоток, короткозамкнутых витков. Показано, что неисправности статорных обмоток сопровождаются изменением углов сдвига фаз между токами фазных обмоток статора.

Показано, что углы сдвига фаз между токами фазных обмоток статора при обрыве одной из двух параллельных ветвей фазной обмотки незначительно изменяются с изменением нагрузки. Так с возрастанием момента сопротивления от 0 до МН максимальное изменение угла сдвига фаз составляет 1,210 при максимальном отклонении от угла сдвига фаз исправного двигателя в 170.

Углы сдвига фаз между токами фазных обмоток статора при межвитковых замыканиях зависят от количества замкнутых витков и нагрузки двигателя.

Установлены зависимости углов сдвига фаз между токами фазных обмоток статора при обрыве одной из двух параллельных ветвей фазной обмотки от величины момента сопротивления на валу двигателя.

Установлены зависимости величин углов сдвига фаз между токами фазных обмоток от количества замкнутых витков и действующих величин токов статорных обмоток при межвитковом замыкании в установившемся режиме работы двигателя для соединения статорных обмоток треугольником и звездой с двумя параллельными ветвями в каждой фазной обмотке.

Выполнен анализ установившихся температур обмоток асинхронных двигателей с использованием эквивалентных тепловых схем замещения.

Показано, что обрыв одной из двух параллельных ветвей обмотки статора приводит к многократной (до 4,43иН) тепловой перегрузке работающей параллельной ветви поврежденной фазы при номинальной нагрузке. С уменьшением момента сопротивления токовая и тепловая перегрузки снижаются, при нагрузке 0,64МН двигатель может длительное время работать без перегрева. Межвитковые замыкания в обмотке статора сопровождаются значительным перегревом короткозамкнутых витков. На холостом ходу имеет место более чем трехкратный перегрев в поврежденном участке обмотки, с увеличением нагрузки перегрев увеличивается.

Выполнен анализ переходных процессов температур обмоток асинхронных двигателей. Показано, что при включении двигателя и работе с номинальным моментом сопротивления, температура лобовых частей обмоток статора достигает максимально допустимой за 2,3 мин. при обрыве параллельной ветви и за 31 с. при межвитковом замыкании.

Разработан метод диагностирования, структура и алгоритм системы диагностирования статорных обмоток АД на основе контроля действующих величин и угла сдвига фаз между токами фазных обмоток статора.

Обнаружение анормального режима работы двигателя выполняется путем контроля разности напряжений между нулевой точкой двигателя и искусственной нейтралью напряжений сети. Превышение напряжением порогового значения служит сигналом к началу диагностирования.

Выявление обрывов и межвитковых замыканий осуществляется путем контроля величин и сдвигов по фазе токов обмоток статора.

Диагностирование неисправностей статорных обмоток АД выполняется автоматически с помощью микроконтроллера в процессе эксплуатации двигателя. Период диагностирования определяется быстродействием микроконтроллера и составляет величину порядка 0,25 - 0,5с.

С целью повышения точности обнаружения неисправностей предусмотрены фильтрация сигналов напряжений и токов, измерение сигналов в течение десяти периодов и последующее усреднение.

Эффективность метода диагностики повреждений АД с КЗР обоснована теоретически и подтверждена экспериментально.

Результаты диссертационной работы в целом позволяют своевременно выявить обрывы и межвитковые замыкания в обмотках статора и избежать дальнейшего их развития и более серьезного повреждения двигателя.

Основные результаты работы приняты к использованию на ОАО «Краматорский цементный завод - Пушка», АО «Новокраматорский машиностроительный завод».

Ключевые слова: асинхронный двигатель, техническое диагностирование, диагностический параметр, неисправность, обрыв фазы, обрыв параллельной ветви статорной обмотки, межвитковое замыкание.

Abstract

Tkachenko А. А. Perfecting of asynchronous engine diagnosing. - Manuscript.

Dissertation submitted for a scientific degree of the Master of Technical Sciences on specialty 05.09.01 - Electrical machines and devices. - Donetsk State Technical University, Donetsk, 2009.

Dissertation is devoted to the improvement of the asynchronous engines diagnosing systems and methods due to the revealing informative indices of malfunctions presence. On the basis of the analysis electromagnetic, electromechanical and thermal processes in the induction motors with malfunctions of stator windings are formulated diagnostic parameters and requirements to system of diagnostics. The method of diagnosing by the control of a phase currents lag and mean values phase windings currents is developed. Efficiency of the diagnosing method has been proved theoretically and confirmed practically. The basic results of work are entered at joint-stock companies JSC “Novokramatorsky Mashinostroitelny Zavod”, OJSC “Kramatorsky tsementny kombinat - Pushka”.

Keywords: asynchronous engine, technical diagnosing, diagnostic parameter, malfunction, breakage of a phase, breakage of a stators windings parallel branch, inter-turn fault.

Размещено на Allbest.ru

...