|
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ В КОРПУСЕ ТРЁХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Автор перевода: Прокопец Е.Г. РЕЗЮМЕ В этой статье, мы собираемся представить три метода, посвященные обнаружению обрыва стержней в асинхронном двигателе. Эти методы основаны на спектральном анализе (FFT) скорости и тока статора для того, чтобы определять их состав, частоты, и следовательно обнаруживать линии, связанные с дефектом. Полученные результаты моделирования нам позволили показать интерес этих методов. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА Асинхронные Машины, Беличья клетка, Исследования, Моделирование. 1 ВВЕДЕНИЕ Двигатели применяются во всех отраслях промышленности, таких как аэронавтика, ядерная энергетика, химия. Несмотря на всё это окружающая среда может ограничивать срок эксплуатации электродвигателя. Поэтому нужно создавать системы непрерывного контроля состояния электродвигателя, чтобы избегать неожиданных остановов. Надежное исследование, требует хорошего знания о механизмах и дефектах за которыми надо следить, так как они оказывают влияние на электромагнитные величины машины. Большое развитие техники в области обработки сигналов дало возможность изучать дефекты в электродвигателе. Принцип технических особенностей исследования основан на определении состава частоты сигнала, затем локализации гармонических составляющих, которые характеризуют дефекты. Чтобы осуществить исследование промышленной установки,операторы обслуживания анализируют некоторое количество сигналов, происходящих из машины. Действительно, изменение частоты этих сигналов, может быть использовано, чтобы обнаруживать аномалии, которые затрагивают нормальное функционирование машины. Согласно литературе, главными сигналами машины, использованные чтобы получать информацию о состоянии агрегата следующие: ƒ Ток статора [5], [6], [20]. ƒ электромагнитная пара [15], [21]. ƒ Механическая вибрация [17]. ƒ Мгновенная частота статора [4] [10]. 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ Моделирование
двигателя позволяет нам представить обрыв стержня ротора; для этого мы моделировали
ротор петлями соединенными между собой. Электрически и магнитно связанные, где
каждая связь создана из двух стержней и из двух колец, которые их соединяют 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРЫВА СТЕРЖНЕЙ Констатируем, что присутствие стержня создаёт колебания в паре и в скорости, так же как модуляция статора. Величины колебаний и модуляций увеличиваются с количеством сломанных перекладин. 4 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ДЕФЕКТА Цель этого параграфа, состоит в том, чтобы научиться объяснять колебания, соблюденные на паре и скорости так же как модуляция статора в течение одного обрыва стержня. Это изучение позволяет отобрать среди этих сигналов те, которые существенны и пригодны для эксплуатации и исследования. 4.1 Выражение магнитных полей статора и ротора Присутствие планки, нарушенной в корпусе ротора, приводит к геометрической и электромагнитной асимметрии в оси ротора. Так созданные потоки идут помимо поля, Brd. В точке, связанной со статором, будем иметь: ƒ магнитная индукция статора в точке M, расположенной в воздушном зазоре дан ƒ вращающееся прямое поле ротора, поворачивается со скоростю: ωm+ ωr = (1-g)ωs+ gωs = ωs, следовательно: ƒ вращающееся противодействующее поле ротора, поворачивается со скоростью: ωm-ωr = (1-g)ωs-gωs = (1-2g)ωs, следовательно 4.2 Электромагнитная пара Электромагнитная пара в асинхронной машине возникает из взаимодействия магнитного поля статора и ротора. В конечном счете получаем. Ясно, что электромагнитная пара – сумма постоянной и переменной составляющей. Прямая система потока в роторе ложится в основу постоянной составляющей; в присутствии дефекта системы поток противодействия в роторе производит составляющую колебательных пульсаций 2gωs. 4.3 Скорость Вращения Согласно механическому уравнению, имеем: Пренебрегая коэффициентом трения k0, и предполагая, что в постоянном режиме Cr = Cesrd. Получаем: Выражения (14), можем констатировать, что составляющая колебательний пары, производит колебание пульсации 2gωs в скорости [3]. 4.4 Электродвижущая Сила Можем резюмировать все эти результаты начиная с того, что следует: в присутствии повреждённого стержня в потоке ротора возникает противоположное магнитное поле частота–gfs; следовательно, поток с частотой (1) - 2g fs заключён в сети статора, сопровожденная колебательной парой частота 2gfs в электромагнитной паре. Это провоцирует колебание в скорости. В новых составляющих гармоничных потоков одной частоты (1±2g) fs, в сети статора. Гармоники из той же частоты [(1) - 2g fs] добавляются, чтобы давать единственную возникающую в результате составляющую; в то время как гармоники из потока частоты (1+2g) fs, циркулирующие в статоре заключают течения ±3gfs в роторе (в присутствии дефекта). Следовательно течения частоты (1±4g) fs генерированы одним процессом, идентичным тому, который произвел потоки частоты (1±2g) fs. [3] [9]. 5 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В РАМКАХ ИССЛЕДОВАНИЯ Описав результаты, которые могут неожиданно появиться в ответ на обрыв стержня, есть несколько методов исследования. Выражения пары (12) и скорости (14) показывает, что волна скорости и периодическая величина пары, из которых пульсация 2gωs характерна дефекту обрыва стержня. Следовательно, можем извлечься из информации о состоянии, следя за составляющими частоты 2gfs в спектре скорости или пары. Констатируем, что появление гармоник из частот 2kgfs в спектре пары или скорости говорит о присутствии обрыва стержня, более того, величина этих гармоник указывает степень этого дефекта. Отметим также, что спектр пары дает информацию яснее и видимее чем те, данные спектром скорости, так как величина колебаний скорости очень слаба в сравнении со скоростью вращения. Надо заметить, что возможность соблюсти одну колебательную составляющую в скорости или в паре пульсации 2gωs по чисто механическому происхождению может приводить к ошибочному обследованию; с другой стороны, стоимость механических датчиков ограничено использованием этих методов. Все эти причины, делают трудным обнаружение дефектов анализом скорости или пары. Предпочтем следовательно использовать поток статора, который всегда измеримый несколько был условиями установки машины. Мы можем утверждать, что демонстрация линий (1±2kg) fs - знак существования переломов перекладин, больше их величины одно указание степени строгости дефекта. Величина гармоник (1-2g) fs потока всегда превосходит ту гармонику 2gfs пары или скорости этой. Следовательно можем утверждать, что анализ потока статора - метод более надежный для обнаружения обрыва стержней ротора. 6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Аналитическое изучение дефекта нам позволило проанализировать и объяснить влияние обрыва стержней на показатели двигателя. Спектральный анализ разложенный в ряд Фурье применен к сигналам пары, скорости и потока статора, для того, чтобы определять состав частоты эти сигналы и находя гармоничные характеризуют обрывы стержней. Тестируя моделирование, мы имеем право сравнить эти методы. Оказалось, что обнаружение дефектов легче на потоке статора, чем на скорости или на паре. Эта констатация частично объясняется, тем, что поток статора более доступный и измеримый внешне с двигателем и кроме того, гармоники (1) - 2g fs, этого тока чувствительнее к строгости дефекта чем та 2gfs, пара или скорости. RÉFÉRENCES [1] A. Abed, L. Baghli, H. Razik, A. Rezzoug,
"Modelling Induction Motors for Diagnostic Purposes", EPE'99, 7-9
September 1999, 233.pdf, Lausanne, Suisse, pp. 1-9. [2] Alberto Bellini, F. Filippetti, and all,
"Quantitative Evaluation of Induction Motor Broken Bars by Means of
Electrical Signature Analysis," IEEE Trans. On Industry Applications, Vol.
37, No 5, Sept/Oct. 2001, pp. 1248-1255. [3] Andrzej M. Trzynadlowski, Ewen Ritchie,
"Comparative Investigation of Diagnostic Media for Induction Motors : A
Case of Rotor Cage Faults," IEEE Transactions on Industry Electronics,
Vol. 47, No. 5, October 2000, pp. 1092-1099. [4] M. H. Benbouzid, M. Vieira, C. Theys
"Induction Motors Faults Detection and Localization Using Stator Current
Advanced Signal Processing
Techniques", IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol 14, N°1, Jan.
1999, pp. 14-22. [5] R. R. Schoen, T.G. Habetler, F. Kamran and R.
G. Bartheld, "Motor Bearing Damage
Detection Using Stator Current
Monitoring". IEEE, Transactions on Industry Applications, Vol. 31,
No. 6, Nov./Dec. 1995, pp. 1274-1279. [6] D. G. Dorrell, N. C. Paterson, J. F. Watson,
"The Causes and Quantification of Sideband Currents for Use in Rotor
Faults Detection Systems for Cage
Induction Motors", ICEM'96, Vol 3, pp 414-419, Vigo Spain, 1996. [7] S. E. Legowski, A. H. M. Sadrul Ula, Andrzej
M. Trzynadlowski, "Instantaneous Power as Medium for the Signature
Analysis of Induction Motors". IEEE Transactions on Industry Applications,
Vol. 32, No.4, July/August 1996, pp. 904-909. [8] E. Ritchie, X. Deng, T. Jokinen, "Modèle Dynamique d'un Moteur à Cage d'Ecureuil Triphasé avec
Défauts du Rotor", ICEM'94, Paris France, 1994, pp. 694-698. [9] J. S. Hsu, "Monitoring of Defects in
Induction Motors Through Air-Gap Torque Observation", IEEE Transactions on
Industry Applications, Vol. 31, No.5, pp. 1016-1021, Sept./Oct. 1995. [10] J. R.
Cameron and al. "Vibration and
Current Monitoring for Detecting Airgap Eccentricity in Large Induction
Motors", IEE Proceedings, Vol. 133, Pt. B, No. 3, May 1986, pp. 155-163. [11] A. H.
Bonnett and G. C. Soukup, "Cause and Analysis of Stator and Rotor Failures
in Three-Phase Squirrel-Cage Induction Motors", IEEE Transactions on
Industry Applications, Vol. 28, No 4, July/August 1992, pp. 921-937. [12] Y.
Han, Y. H. Song, "Condition Monitoring Techniques for Electrical Equipment
– A Literature Survey", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 18, No.
1, January 2003, pp. 4-13. [13] G.B.
Kliman and J. Stein. "Methods of Motor Current Signature Analysis",
Electric Machines and PowerSystems, Vol. 20, No. 6, 1992, pp. 463-474. [14] A.
Jaco, A. Makki, H. Yahoui, G. Grellet, "Modelling of Three Phase
Asynchronous Motor Aplication to Magnetic Faults Diagnostic", ICEM 98,
Istanbul, Turkey, Vol 1. 1998, pp. 443-447. |