Имеется большое количество электродвигателей, многие из которых устаревшие. Следовательно, можно определить цель работы: Разработать оптимальную защиту, которая бы эффективно защищала электродвигатель от внутренних механических повреждений. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

    Научная новизна работы заключается в разработке нового, современного метода определения механических повреждений электродвигателя. Идея данного метода заключается в выявлении сигналов соответствующих вибрациям при повреждении подшипников электродвигателя, их отсеивании и определении повреждения.


    Результаты исследования связи механических возмущающих воздействий на ротор асинхронного двигателя с током ротора дают основание полагать, что предложенный метод позволяет выявлять дефекты в механической части машины путем частотной фильтрации отдельных составляющих тока статора и контроля их уровня.


    При повреждении подшипников или нарушении центровки валов электродвигателя и приводимого им механизма, момент сопротивления, воздействующий на вал электродвигателя, периодически изменяется с частотой, пропорциональной частоте вращения вала. Периодическое изменение момента сопротивления вызывает появление в токе статора электродвигателя составляющих с частотой, пропорциональной частоте вращения вала. Отделение этих составляющих от составляющих тока основной частоты и контроль их уровня позволяют обнаружить дефекты в механической части машины.

    Связь отдельных составляющих тока статора с характером воздействий на ротор при возникновении механических дефектов можно установить, пользуясь общепринятой эквивалентной схемой замещения асинхронного электродвигателя, приведенной на рис.1.

    Ток фазы статора асинхронного электродвигателя, в соответствии со схемой замещения, при синусоидальном напряжении питания определяется по формуле

где i1 и i'2 — ток намагничивания и ток ротора электродвигателя; Ulm — амплитуда напря­жения питания; х1 и х'2 — индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора; s — скольжение; ω1 — частота питающего напряжения.
    Скольжение асинхронного электродвигателя, в свою очередь, зависит от вращающего момента, а следовательно, от момента сопротивления вращению. Для анализа удобно использовать представление момента сопротивления Мс суммой статической М0 и периодической синусоидальной составляющих (рис.2):
    Здесь Мa и α — амплитуда и круговая частота периодической составляющей момента сопротивления.

Решая уравнение движения ротора электродвигателя:

    Для процесса динамического торможения  получим уравнение:
где        M – вращающий момент

электродвигателя; J — момент инерции агрегата двигатель-механизм; ω0 — синхронная угловая частота вращения ротора; SH и MH — номинальные скольжение и вращающий момент электродвигателя.
    На линейном участке механической характеристики связь скольжения s и вращающего момента можно выразить уравнением:
    Тогда для установившегося режима работы получим:
где  
  Периодическое изменение скольжения вызывает периодическое изменение эквивалентного сопротивления электродвигателя. Изменение этого сопротивления, в свою очередь, вызывает изменение тока статора с частотой α. Однако источник питания имеет частоту , отличную от α, и, следовательно, в токе статора появляются составляющие не только с частотой сети, но и с частотами, определяемыми ме­ханическими возмущениями.
    При реальных соотношениях параметров электродвигателей, когда скольжение не превышает 0,1 [3]:
    Для получения наглядных зависимостей можно принять х1 + х'2 = Rl = 0 и представить ток статора следующим уравнением:
  Подставив в это выражение значение тока намагничивания и разложив произведение синусоидальных функций на две составляющие, получим:
где I0m и ψ — амплитуда и фаза тока намагничивания; β = ω1 - α; γ = ω1 + α.

  Как видно, ток статора при механических повреждениях электродвигателя содержит составляющие с частотами, равными частоте источника питания  , разности частот источника питания и вращения ротора β = ω1 - α и сумме этих частот γ = ω1 + α.
        Если машина имеет р пар полюсов, то частоты составляющих можно рассчитать по формулам:

      Приняв s = s0 и частоту питающей сети равной 50 Гц, можно оценить диапазон изменения β' и γ'. Ограничившись режимами работы электродвигателя, при которых скольжение может изменяться от 0,001 до 0,1, получим для двухполюсной машины (синхронная скорость 3000 об/мин) следующие диапазоны возможных изменений частоты: β' = 0,5+5 Гц, γ' = 99,5+95 Гц.
      Следует отметить, что чем больше полюсов имеет машина, тем меньше изменяются частоты β' и γ' при изменении скольжения и тем ближе они к частоте источника питания. Так, для электродвигателя с р=6 (синхронная скорость 500 об/мин) частоты, соответственно: от 41,75 до 42,5 Гц и от 58,25 до 57,5 Гц.
Амплитуда составляющих тока статора с частотами β и γ зависит не только от напряжения питания и собственных электрических параметров электродвигателя, но и от амплитуды переменной составляющей скольжения, которая, в свою очередь, определяется амплитудой колебаний момента сопротивления вращению вала и инерционностью вращающихся элементов агрегата.

    Из соотношения
следует, что чем больше величина αTп, тем меньше изменяется скольжение при измене­нии момента сопротивления и меньше амплитуда анализируемых составляющих тока.

    Приняв во внимание равенство

где Рн - номинальная мощность двигателя, можно отметить, что инерционные свойства проявляются больше у высокоскоростных двигателей, чем у тихоходных. Кроме того, собственный момент инерции двигателя связан с его номинальной мощностью степенной зависимостью с показателем больше 1, поэтому увеличение номинальной мощности двигателя влечет за собой усиление его инерционности.

    Для электродвигателей общего применения с номинальными мощностями от 2,2 до 22 кВт, работающих в режиме, близком к номинальному отношение   может составлять от


до  . Большее значение соответствует тихоходному (синхронная скорость 500 об/мин) двигателю с меньшей номинальной мощностью, а меньшее значение — быстроходному (синхронная скорость 3000 об/мин) двигателю с большей номинальной мощностью.

    В нормальных эксплуатационных режимах момент сопротивления, а следовательно, и вращающий момент электродвигателя с круговой симметрией ротора не зависит от угла поворота вала и не содержит переменной составляющей момента. Поэтому скольжение не изменяется периодически и в токе статора отсутствуют составляющие с частотами, отличными от .
    На рис.3 представлена осциллограмма тока статора асинхронного электродвигателя номи­нальной мощностью 2,2 кВт и синхронной скоростью 1500 об/мин с нагрузкой в виде суммы постоянной и синусоидальной составляющих, полученная путем математического моделирования. Для проверки адекватности использованной математической модели асинхронного двигателя рассматриваемому процессу проведены исследовательские испытания асинхронных двигателей с искусственно созданными дефектами в механической части. В результате сравнительного анализа осциллограмм токов статора моделируемого и реального объектов установлено, что предложенная математическая модель может быть использована при разработке средств релейной защиты.

Результаты исследования связи механичес­ких возмущающих воздействий на ротор асин­хронного двигателя с током ротора дают осно­вание полагать, что предложенный метод по­зволяет выявлять дефекты в механической части машины путем частотной фильтрации отдельных составляющих тока статора и конт­роля их уровня.

На рис.4 показана структурная схема устрой­ства для выявления дефектов в механической части асинхронного двигателя.

Выделение составляющих тока статора с ча­стотами, отличными от частоты источника пи­тания, осуществляется специальным режекторным (заграждающим) частотным фильтром. Использование здесь высокодобротного филь­тра с фиксированной узкой полосой загражде­ния не позволяет получить достаточной селективности

Рисунок 4. Структурная схема устройства для контроля состоя­ния механической части асинхронного двигателя

Это связано с тем, что при отклоне­нии частоты в сети, питающей защищаемый электродвигатель от номинальной частоты 50 Гц в ту или другую сторону, классический режекторный фильтр не обеспечивает максимально­го ослабления составляющих сигнала с часто­той питающей сети. Кроме того, составляющие тока статора с частотами, кратными частоте ис­точника питания (появление которых не свя­зано с дефектами в узлах электродвигателя, вы­полняющих механические функции), не ослаб­ляются и воспринимаются устройством как по­лезный сигнал. Все это может привести к лож­ным срабатываниям. Поэтому специально для устройства разработан фильтр, в котором час­тота максимального ослабления сигнала строго равна частоте в питающей сети, что достигает­ся путем использования метода синхронного детектирования [4].

Сигнал, пропорциональный напряжению питающей сети, подается от датчика напряже­ния на вход формирователя импульсов, где из синусоидального входного сигнала формируют­ся прямоугольные импульсы длительностью много меньше периода входного сигнала. При­чем частота следования этих импульсов равна частоте напряжения питающей сети.

Выходные импульсы формирователя импуль­сов подаются на управляющий вход электрон­ного ключа в коммутаторе. Ключ находится в разомкнутом состоянии и периодически крат­ковременно замыкается под действием управ­ляющих импульсов, соединяя информационный вход коммутатора с выходом. Таким образом, с выхода датчика тока на вход запоминающего элемента подаются выборки значений тока ста­тора защищаемого электродвигателя с частотой, равной частоте напряжения питающей сети.

В нормальных условиях, при исправных под­шипниках, ток статора асинхронного двигателя

Рисунок5. Временные диаграммы, соответствующие нормально­му состоянию механической части машины

имеет синусоидальную (или близкую к ней) форму. Поэтому выборки значений тока, соот­ветствующие определенной фазе сигнала, в ус­тановившемся режиме (когда амплитуда тока не изменяется) имеют одинаковые значения (рис.5). В результате, на выходе аналогового запоминающего элемента устанавливается сиг­нал постоянного уровня. Этот выходной сиг­нал подается на вход фильтра верхних частот. Поскольку входной сигнал фильтра имеет по­стоянное значение, то сигнал на его выходе равен нулю.

Далее выходной сигнал фильтра последова­тельно обрабатывается формирователем моду­ля, фильтром нижних частот и пороговым эле­ментом. Поскольку уровень сигнала равен нулю, он не изменяет состояния выхода поро­гового элемента и, следовательно, не вызывает срабатывания исполнительного органа.

При возникновении механического дефекта в подшипнике или нарушении центровки ва­лов двигателя и приводимого им механизма момент сопротивления вращению становится зависимым от угла поворота вала. В этих усло­виях при вращении вала момент сопротивле­ния периодически изменяется. Следовательно, скольжение, связанное с вращающим момен­том линейной зависимостью, периодически из­меняется с частотой, равной частоте вращения вала. Периодическое изменение скольжения вызывает периодическое изменение эквивален­тного входного электрического сопротивления электродвигателя. Изменение этого сопротив­ления, в свою очередь вызывает изменение тока статора с частотой вращения вала

Рисунок 6. Временные диаграммы при наличии дефекта в меха­нической части электродвигателя

В этих условиях выборки тока статора, по­даваемого на вход запоминающего элемента, отличаются одна от другой, и уровень сигнала на выходе запоминающего элемента изменяет­ся (рис.6). Этот переменный сигнал проходит через фильтр верхних частот, выпрямляется формирователем модуля, усредняется фильтром нижних частот и поступает на вход порогового элемента. Если уровень сигнала выше порога срабатывания, то пороговый элемент воздей­ствует на исполнительный орган, который фор­мирует сигнал, информирующий о появлении дефекта или отключающий защищаемый элек­тродвигатель.

• Обоснована возможность выявления дефектов в подшипниковых узлах асинхронных электродвигателей по току статора.
• Результаты исследования связи механических возмущающих воздействий на ротор асинхронного двигателя с током ротора дают основание полагать, что предложенный метод позволяет выявлять дефекты в механической части машины путем частотной фильтрации отдельных составляющих тока статора и контроля их уровня.

1. Булычев А.В., Ванин В.К. Метод контроля состояния механической части асинхронного электродвигателя // Электротехника. - 1997. - № 10.

2. Гейлер Л. Б. Основы электропривода. Минск: Высшая школа, 1972.

3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболевская. М.: Энергоатомиздат, 1982.

4. Гребченко  Н.В.  Определение  параметров  изоляции  с  учетом  статической  и  динамической  несимметрии нагрузки / Н.В. Гребченко, Д.В. Полковниченко, А.А. Сидоренко // Наукові праці Донецького нац. тех. університету. Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ». -  2007. - С. 241-244.

5. Свириденко П.А., Шмелев А.Н.  Основы автоматизированного электропривода. М.: Высшая школа, 1970.

6. Сивокобыленко В.Ф., Нури Абделбассет. Диагностика состояния короткозамкнутых роторов асинхронных машин // Электричество. - 1997. - № 3.

7. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Экспериментальные исследования установившихся режимов работы асинхронных электродвигателей при наличии в них дефектов // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 17. - Донецк: ДонГТУ. - 2000.

8. Гашимов М.А. Логические методы диагностики технического состояния электрических машин // Электричество. - 1999. - № 7.

9. Гармаш В.С. Метод контроля исправности стержней ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя // Энергетика. - 1990. - № 10.

10. http://www.vibration.ru/osn_vibracii.shtml
Даётся пояснение - что такое вибрация, как она возникает и как её измерять.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 1 декабря 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.