Диагностические признаки неисправностей в спектре токов статора асинхронного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК. 621.313.333

Омский государственный технический университет

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В СПЕКТРЕ ТОКОВ СТАТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Беляев П.В.

Садаев Д.С.

В настоящее время асинхронные двигатели (АД) являются наиболее многочисленными приемниками электрической энергии. Согласно исследованиям, они потребляют свыше 80 % вырабатываемой электроэнергии. Несмотря на большое количество достоинств, АД обладают также и рядом недостатков, основным из которых является высокая повреждаемость, что препятствует их эффективному применению. С целью своевременного выявления неисправностей в ходе эксплуатации развиваются методы диагностики таких электродвигателей [1].

В настоящее время известно большое количество методов диагностирования АД, начиная с органолептических и тепловых методов и заканчивая виброакустическими и электрическими методами [3].

Проблеме диагностики АД посвящено большое количество монографий, защищается большое количество диссертаций [1 - 9], ведутся интенсивные научные исследования - для решения задач безопасности эксплуатации и экономических задач, снижения затрат на ввод в эксплуатацию новых двигателей взамен отказавших, снижение затрат на ремонт и восстановление двигателей, устранение убытков связанных с простоями производства.

Наиболее перспективными, с нашей точки зрения, являются методы, позволяющие диагностировать состояние двигателей «на лету» - без демонтажа или даже без остановки установки, в состав которой входит АД. Это не только экономит временные и людские ресурсы, снижает простой, а значит и убытки, связанные с ним, и, помимо прочего, позволяет исключить так называемый «человеческий фактор», когда от опытности мастера зависит вероятность обнаружения того или иного дефекта.

Одним из наиболее перспективных и бурно развивающихся методов диагностики АД является электрический. Принцип, положенный в основу этого метода заключается в том, что любые возмущения в работе электрической и/или механической части АД, приведут к изменению магнитного потока в зазоре электродвигателя. [1, 7].

Известно, что потокосцепление связано с током статора (1).

где - ток статора, L- индуктивность обмотки статора.

С учетом нелинейности индуктивных элементов обмоток (2).

где .

Таким образом, данные о возмущениях в магнитном потоке в воздушном зазоре, а значит и неисправностях в работе АД, могут выявляться по гармоническому составу тока статора. При этом, диагностическим признаком, по которому можно констатировать о неисправностях электрической и/или механической части АД, является наличие характерных значений гармонических составляющих в спектре тока. Сбор данных о потребляемом АД токе с последующим выполнением анализа полученного в ходе измерения сигнала позволит зафиксировать наличие неисправностей в работе АД. Непосредственно сбор данных возможен как на вводах клеммной коробки АД, так и на щите электропитания. Этот метод позволяет определять большое количество дефектов в АД [3, 9].

Все неисправности асинхронного двигателя можно условно подразделить на две основные группы (рис. 1): электрические неисправности, механические неисправности. На блок-схеме (рис. 1) не учтены «внешние» неисправности, такие как обрыв фаз питающего напряжения, неправильное подключение двигателя, неисправность пусковой или защитной аппаратуры и иное.

К первой группе относят дефекты, связанные с изоляцией обмоток, а также некоторые неисправности ротора. Вторая группа включает в себя неисправности подшипников, статический и динамический эксцентриситет, неисправности связанного с АД механического устройства.

Рисунок 1 - Блок схема внутренних неисправностей АД.

Рассмотрим причины вызывающие повреждения в АД с короткозамкнутым ротором. Материалы, используемые в электрической изоляции обмоток статора АД подвержены деградации в связи с комбинацией воздействующих на них факторов, таких как: перегрев, вибрация, перенапряжения, механический стресс, загрязнения.

Среди иных причин повреждения обмоток статора выделим их перегрев, так как он считается основной причиной деградации изоляции обмоток статора АД: в случае наличия газовых включений в изоляции, в ней возникает ионизация, заключающаяся в образовании объемных зарядов и последующей их нейтрализации. Нейтрализация этих зарядов связана с рассеянием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик; в результате развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к увеличению диэлектрических потерь и, как следствие, к сокращению срока службы электрической машины. Таким образом, тепловое старение изоляции обусловлено ускорением протекания ионизационных процессов в изоляции обмоток статора АД. Очевидно, что даже самая лучшая изоляция быстро придет в негодность, если условия эксплуатации АД не соответствуют предельно допустимой согласно документации на АД температуре [4].

Кроме того, некоторые механические воздействия на обмотки статора АД и неисправности АД могут ускорить деградацию изоляцию, включая [6]: движения обмоток; вибрации, связанные с небалансом ротора, ослабление или износ подшипников, эксцентриситет ротора, поломки стержней ротора и другое. асинхронный двигатель электрический ток

Дефекты обмоток статора приводят к росту фазных токов на частоте питающего напряжения по всем трем фазам [3]. Кроме того, учитывая, что межвитковые замыкания фактически уменьшают количество витков в фазной обмотке АД, а также тот факт, что в короткозамкнутых витках протекают токи короткого замыкания, в АД с межвитковым замыканием индуцируется МДС уменьшающая суммарную МДС в фазе двигателя. Гармоники с нижеуказанными частотами указывают на наличие межвитковых замыканий в АД (3).

где - частота питающего напряжения, s - скольжение, p - число пар полюсов в АД, = 1,3,5..., = 1,2,3...

Другой важной составной частью АД является подшипник. Являясь частью опоры, он фиксирует положение вала АД в пространстве, обеспечивает вращение с наименьшим сопротивлением, поэтому от его исправного состояния зависит корректная работа АД в целом. Продолжительные чрезмерные, не предусмотренные конструкцией нагрузки на подшипник приводят к его повреждениям (чаще всего повреждается внутренняя или внешняя поверхность подшипника) и разрушению. Повреждения приводят к затрудненному ходу, к появлению вибраций и шумов. Кроме собственно повреждения может также происходить смещение его оси. Смещение осей подшипников может произойти по различным причинам: перекос валов, наклон наружного кольца подшипника, наклон внутреннего кольца подшипника.

Можно определить связь вибраций в подшипнике со спектром тока статора: так как шарики подшипника по сути своей служат опорой ротора, то любое нарушение в их работе приведет к радиальному движению ротора относительно статора в АД. Эти вибрации генерируют в спектре тока статора частоты:

где n=1,2,3..., - одна из характерных частот, связанная с габаритными размерами составных частей подшипника (3).

где - число шариков в подшипнике, - частота вращения ротора АД, - диаметр шарика подшипника, - расстояние между центрами диаметрально противоположных подшипников, - контактный угол подшипника.

Очевидно, что вышеприведенную формулу использовать можно не всегда, ввиду сложности определения угла , однако для подшипников, содержащих от 6 до 12 шариков можно воспользоваться упрощенными выражениями:

Рисунок 2 - внутренняя структура подшипника.

Ротор АД - это вращающаяся часть АД, передающая связанному с АД устройству механическое вращение и момент. Очевидно, что любые повреждения этой составной части АД отразятся на работе АД в целом. Считается, что до 20 % всех повреждений АД составляет нарушение целостности короткозамкнутых клеток ротора. Существует большое количество причин, которые могут привести к повреждениям ротора. К основным причинам следует отнести [6, 7]:

-недостаток смазки;

-нештатные механические напряжения в металле, вызванные некорректным расположением во время сборки;

-отсутствие свободного продольного хода стержня ротора при воздействии на него температурной перегрузки при пуске АД;

-избыточная масса короткозамкнутого кольца ротора, приводящая к возникновению существенных центробежных сил, которые могут оказывать опасные воздействия на короткозамкнутую решетку.

Известно, что частота вращения магнитного поля в АД определяется (7), где - частота питающего напряжения, - число пар полюсов. Также известно, что разница в частотах вращения магнитного поля статора и ротора в АД характеризуется скольжением (8).

В выражении (8) - частота вращения ротора АД, а () имеет математический смысл частоты скольжения, обозначим её .

Наличие поврежденных стержней в роторе приводит к тому, что ротор наводит магнитное поле, вращающееся в сторону, противоположную вращению магнитного поля статора, скорость вращения этого поля [6]:

Последнее также может быть выражено в виде частоты (10)

Выражение (10) показывает, что вращающееся магнитное поле с частотой наводит в обмотках статора ток с этой же частотой (). Кроме того, в АД присутствуют колебания скорости, что приводит к появлению двух симметричных пиков вокруг питающего напряжения . В таком случае, выражение (10) запишется [6, 7]:

Многочисленные теоретические и экспериментальные работы показывают, что повреждение стержней ротора фактические приводит к росту значения гармонических составляющих тока на группе частот:

, k=1,2,3,4…

Таким образом, данный вид неисправности можно обнаружить по росту тока на симметричных относительно частоты питающего напряжения частотах (например, на частотах и ).

Эксцентриситет является типичной неисправностью в асинхронном двигателе. Он приводит к появлению вибраций и шумов.

Существует несколько видов эксцентриситета [5]:

-статический (когда ось вращения ротора совпадает с его осью симметрии и не совпадает с осью симметрии статора);

-динамический (когда ось вращения ротора не совпадает с его собственной осью симметрии и совпадает с осью симметрии статора);

-смешанный (когда ось вращения ротора не совпадает с его собственной осью симметрии и не совпадает с осью симметрии статора).

В исправной машине ротор центрирован в расточке статора, а центр вращения ротора и центр расточки статора совпадают. Если ротор не отцентрирован, то радиальные силы могут привести к трению ротора о статор. На самом деле, идеальное центрирование ротора практически невозможно достичь. Таким образом, определенная величина эксцентриситета является неотъемлемой часть даже исправного асинхронного двигателя [5, 6].

Эксцентриситет - один из наиболее сложных дефектов АД для достоверного его распознавания. Диагностическим признаком наличия эксцентриситета является увеличение тока на одной из нижеследующих частот [5]:

где - частота напряжения питающей сети, - число стержней в беличьей клетке АД, - скольжение, - число пар полюсов, = 0 для статического эксцентриситета, = 1 для динамического эксцентриситета, n= 1,2,3...

Таким образом, вышеуказанные и другие «характерные» частоты являются диагностическими признаками, позволяющими определять неисправность в АД и ее тип.

Библиографический список

1. Петухов В.С. Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального анализа потребляемого тока / В.С. Петухов - центр электромагнитной безопасности.

2. Глазырина, Т.А. Совершенствование методов диагностики асинхронных двигателей на основе анализа потребляемых токов [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.12.02) / Глазырина Татьяна Анатольевна; ТПУ. - Томск, 2012. - 18 с.

3. Л.Г. Сидельников. Обзор методов контроля технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации/ Афанасьев Д.О., Сидельников Л.Г. //Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело 2013, №7. - Пермь, 2013 - с. 127-137.

4. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий/ И.В. Жежеленко. -М.: Энегроатомиздат, 2004.-358.

5. Вейнреб К.Б, Диагностика неисправностей ротора асинхронного двигателя методом спектрального анализа токов статора [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук (05.09.01) / защищена 29.05.2013/Вейнреб Конрад Беноневич - Москва, 2012. - 44 с.

6. Neelam Mehala, Condition monitoring and fault diagnosis of induction motor using motor current signature analysis [Текст]: дис. на соиск. учен. степ. Ph. D. / Neelam Mehala - Kurukshetra, 2010. - 194 с.

7. Thomson W.T. , On-Line MCSA to diagnose shorted turns in low voltage stator windings of 3-phase induction motor prior to failure/ Thomson W.T. - IEEE conference on electrical machines and drives - Massachusetts institute of technology, Boston, Massachusetts

8. Barna D, Rotor faults detection in squirrel cage induction motors by current signature analysis/ Barna D, Lorand S. - International conference on Automation, Quaility and Testing, Robotics - May 2004 - Cluj-Napoca, Romania, 2004.

9. Беляев П.В. Комплекс для анализа параметров и условий работы АД / Беляев П.В., Лысенко О.А., Садаев Д.С. // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: матер. IV Всерос. Молодежи. Науч.-техн. Конф. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. - Кн. 2. - С. 11-14.

Аннотация

Одним из наиболее значимых недостатков асинхронных двигателей является их повреждаемость. Для эффективного применения асинхронных двигателей в народном хозяйстве требуется развитие методов их диагностики для обеспечения своевременного ремонта и/или замены. Одним из наиболее перспективных и бурно развивающихся методов диагностики асинхронного двигателя является электрический. В данной статье приведены основные причины, вызывающие те или иные повреждения АД, а также диагностические признаки, позволяющие определить наличие тех или иных повреждений АД или его составных частей.

Ключевые слова: токовая диагностика, дефекты ротора, дефекты обмотки статора

Размещено на Allbest.ru