Обосновано использование спектра сигнала мощности асинхронного двигателя для диагностики наиболее типичных его дефектов. Экспериментально проверена эффективность его диагностики по спектру мощности.

Введение.

Асинхронные двигатели (АД) широко применяются в промышленности энергетическими потребителями и энергетическими конвертерами. Несмотря на очень простую и надежную конструкцию, в АД могут произойти внезапные неудачи, и они могут повлечь за собой серьезные изменения в работе целой станции. Это несёт за собой серьёзные денежные потери на операции по ремонту оборудования. Таким образом, своевременная диагностика ошибок АД - очень важная задача.

Анализ предыдущих исследований.

Различные обзоры [1] показали, что наиболее часто вызывают дефекты АД, следующее: дефекты отношений (32-52%), дефекты статора (15-47 %), бары/кольца ротора (меньше чем 5%), шахта или дефекты сцепления (приблизительно 2 %), дефекты, вызванные внешним устройством (12-15 %), другие дефекты (10-15 %). Для обнаружения этих ошибок существуют широко используемые методы диагностики вибрации. Таким образом эта работа посвященный обнаружению дефектов статора и ротора. Наиболее распространенные ошибки ротора - отношение ротора к статору и барные поломки ротора. Наиболее распространенные дефекты статора - короткие замыкания а также параметрическая асимметрия.

Есть диапазон методов для обнаружения ошибки. Самый широко используемый, это контроль механических колебаний, тока, обратного полюса последовательности. Цель этих методов состоит в том, чтобы обнаружить отклонения в сигнале спектра.

Известные методы обнаружения ошибок АД успешно используются для больших и средних машин. Однако, есть некоторые ограничения к использованию этих методов для низковольтных машин по экономическим причинам и из-за размеров датчиков.

Анализ существующих диагностических методов АД дает следующие результаты

Текущий анализ статора машины (ТАСМ) очень популярный диагностический метод из-за простоты сигнала записи под режимом функционирования. Есть много работ, посвященных использованию ТАСМ как среды для обнаружения в статоре коротких замыканий, отсутствия равновесия ротора и барные поломки ротора, а также остальные дефекты [2].

Но должно быть упомянуто, что электрические искажения и влияние поставки низкого качества напряжения может привести к появлению гармоники в текущем сигнале на той же самой частоте как и в гармонике ошибки. Это может привести к неправильному диагнозу. Устранить такие недостатки этого метода может дополнительный анализ колебаний или более сложный математический аппарат для анализа. Однако, даже этот дополнительный анализ не защищает от диагностических ошибок. Этот факт является особенно существенный для низковольтных АД на промышленных заводах.

Другой известный диагностический метод – это анализ напряжения [3,4]. Данные проанализированы для любого спектра напряжения нейтральным напряжением [3], или сигнала [4] переноса высокой частоты. Что касается первого упомянутого метода, то диагностический результат значительно зависит от качества напряжения, которое является не всегда идеалом в низковольтной сети с АД. Что касается упомянутого второго метод, есть потребность использования дополнительного оборудования для того, чтобы сделать испытательные сигналы переноса.

Также есть диапазон методов для обнаружений ошибок в переходных процессах, как в [5]. Но эти методы обеспечивают лучшие результаты для анализа старта, торможения, когда сигнал изменяется во времени. Таким образом эти методы менее удобны для устойчивого анализа.

Мгновенный анализ спектров силы позволяет уйти от недостатков вышеупомянутых методов [6]. Мгновенный анализ спектров силы позволяет оба обнаружения из-за присутствия ошибки и оценки уровня повреждения. Таким образом, мгновенный анализ спектров силы позволяет делать оценку энергии ошибки и корреляции этой энергии в дополнительно повреждённых частях АД под влиянием дополнительных колебании, вызванных надлежащей гармоникой. Кроме того, мгновенный анализ спектров власти позволяет анализировать режимы функционирования АД под существенной нелинейностью, когда неправильно использован принцип наложения для тока гармоники. Кроме того, мгновенный анализ силы более надежный, он не зависит от шума и дает дополнительные гармонические компоненты для анализа.

В [7] предлагается обеспечить контроль и оценку эксплуатационных режимов АД мгновенной силой и электромагнитным анализом спектров вращающего момента. Этот анализ основан на развитом в [8] алгоритме. Как было раннее упомянуто, очень важно принять во внимание поставку качества напряжения для того, чтобы поставить надлежащий диагноз низкой силы АД. Много авторов исследовали влияние низкого качества напряжения на параметрах АД. Это приводит к заключению, что необходимо устранить влияние шумов, асимметрии и несинусоидальности напряжения. Это улучшает точность и надежность диагностики.

Цель работы.

Исследование метода диагностики АД, основанный на мгновенном анализе спектров силы.

Материал и результаты исследования

Проверить мгновенный анализ спектров силы, как метод для обнаружение ошибки АД экспериментальными тестами. Самые частые нанесенные ущербы, как бар ротора ломаются и статор был выбран, чтобы быть исследованным. Диагностика АД 3-фазным мгновенным двигателем анализ спектров власти выполнен на основе измерений тока и напряжения статора. В случае, когда напряжение поставляется низкого качества, возникает несинусоидальность и диссимметрия гармоники в текущих спектрах сигнала. Таким образом, диагностический АД основанный на ТАСМ может привести к неправильному результату. Возможно увеличить надежность диагностических методов, рассчитанных по току и анализ спектров силы устранением влияния на напряжение, как это было предположено в [9].

Испытательный двигатель использованный в экспериментальном исследовании был трехфазным, тип индукции АИР80В4У2, 50 Гц, с 4 полюсами, 1,5 кВт, 1395 об/мин; 3,6 А. Поскольку исследование от поворота к повороту срывает в статоре, сигналы были обеспечены в одном из статора вьющиеся фазы, чтобы подражать этому типу повреждения (Рис. 1, Стол 1). Для сломанного барного исследования там использовались два ротора идентичного типа, которыми можно обменяться. В одном из роторов высверлили отверстие, чтобы подражать разрыву одного ротора. Генератор обеспечил механическую загрузку.

Рисунок 1 - Фаза статора, показывающая кругооборот сигналов

Следующие предположения были приняты для экспериментального исследования. Возможность изменения нагрузки не был принят во внимание. Это изменение может привести к появлению низкочастотной гармоники в спектрах силы. Межгармоника не делает существенными влияние на информативную гармонику, которая используется для анализа. Влияние низкочастотной гармоники могло дать компенсацию анализ трехфазных АД . Влияние нагревания появляется в изменениях активных сопротивлений. В этом случае нагревание активных сопротивлений изменится симметрично. Неоднородное нагревание, главным образом, приводит к демонстрации асимметрии. Это могло наблюдаться различием между гармоникой амплитуды и фазами. Исследования [7] показали, что главное влияние насыщенности появляется на 6-ой гармонике. Однако, гармоника более низких частот также использовались для анализа в этой работе. Это должно быть упомянуто, тот предлагаемый метод мог использоваться оба раза для переменной двигателя скорости и для неподвижного двигателя скорости, основанного на инверторе напряжения (инверторы напряжения с PWM).

Анализ был выполнен оба раза для АД, были раздные условия и для половины условий была нагрузка. Предварительные данные показали, что эти дефекты проявляются в нагруженном состоянии двигателя. Таким образом следующий анализ представлен для половины нагруженных условий. Анализ экспериментальных данных ведет к заключению, что устранение напряжения нисинусоидальности и нессимметрии, используя предложение в методе [9], позволяет удалять гармоники с низким качеством напряжения. Это упрощает анализ и улучшает результаты диагностики [9].

Анализ экспериментальных данных показал что следующие дефекты присутствовали в основном варианте АД (Рисунки 2,3):

– гармоника скорости вращения (24,8 Гц для проверенного АД) и многократность в токе и спектрах силы;

– удвоение частоты в трехфазных двигателях (на 100 Гц) показывает двигательную несимметрию. Его низкая стоимость подтверждает хорошее состояние двигателя;

– гармоника силы, показывает нелинейность АД и влияние намагничивающей кривой;

– гармоника силы, многократно из гармоники питающего кабеля и моторной нелинейности и нессимметрии, появляется как результат умножения гармоники тока и гармоники напряжения.

Выбор гармоники для основного АД не существенный. Этот выбор составляет менее 2% от номинальных значений. Это показывает хорошее состояние двигателя. Анализ экспериментальных данных для ротора с одним сломанным ротором приводит к следующим заключениям (Рисунок 4,5).

Два компонента боковой полосы появляются в токе вокруг фундаментального компонент на следующих частотах (Рисунок 4)

где fn - номинальная частота, S - скольжение, n - 1,2,…

Когда появляется низкокачественное влияние питающих кабелей на ток, сигнал устраняется, компоненты боковой полосы становятся более ясно видимы (Рисунок 4, b).

Трёхфазные спектры силы, в дополнение к двум боковым полосам компонентов вокруг двойного фундаментального компонента, содержат компонент в частоте модуляции (Рисунок 5). Этот компонент предоставляет дополнительную диагностическую информацию об условиях двигателя, и позволяет улучшать надежность и точность диагностики.

Когда короткое замыкание от поворота к повороту появляется, так же как когда в статоре есть асимметрия, амплитуда из гармоники частоты увеличенная на 100 Гц значительна. Разделение этих дефектов возможно когда коэффициент мощности вычислен.

Рисунок 2 - Текущие спектры АД без искусственных убытков: основной сигнал (a) и сигнал после низкокачественного устранения поставки (b)

Рисунок 3 - Трёхфазные спектры силы АД без искусственных убытков: основной сигнал (a) и сигнал после низкокачественного устранения поставки (b)

Рисунок 4 - Текущие спектры АД с одним сломанным баром: основной сигнал (a) и сигнал после низкокачественного устранения поставки (b)

Рисунок 5 - Трёхфазные спектры силы АД с одним сломанным баром: основной сигнал (a) и сигнал после низкокачественного устранения поставки (b)

Заключение.

Диагностический метод АД, основанный на определении мгновенном анализе спектров силы, был тщательно продуман. Использовалось устранение низкокачественного напряжения поставки, этот метод позволяет проанализировать спектр потребления мгновенной силы без компонентов вызванных низкокачественными параметрами питающих кабелей. Этот метод обеспечивает улучшенную точность и информационную ценность диагностики АД на основе анализа спектра потребляемой трехфазной мгновенной силы.

Метод диагностики АД на основе анализа трехфазной мгновенной силы был проверенный экспериментально и его применимость для определения дефектов статора и ротора была доказана. Возможность оценки степени развития дефектов согласно амплитуде потребляемой гармоники был показана.

Список использованой литературы

1. M. E. H. Benbouzid and G. B. Kliman, “What stator current processing-based technique to use for induction motor rotor faults diagnosis”, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 18, no. 2, pp. 238–244, Jun. 2003.
2. C.H. De Angelo, G.R. Bossio, S.J. Giaccone, M.I. Valla, J.A. Solsona and G.O. Garcia, “Online Model-Based Stator-Fault Detection and Identification in Induction Motors”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 11, pp. 4671–4680, Nov. 2009.
3. A. Khezzar, M. El Kamel Oumaamar, M. Hadjami, M. Boucherma and H. Razik, “Induction Motor Diagnosis Using Line Neutral Voltage Signatures”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 11, pp. 4581– 4591, Nov. 2009.
4. F. Briz, M.W. Degner, P. Garcia and A.B. Diez, “High-Frequency Carrier-Signal Voltage Selection for Stator Winding Fault Diagnosis in Inverter-Fed AC Machines”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 12, pp. 4181–4190, Dec. 2008.
5. M. Riera-Guasp, J.A. Antonino-Daviu, M. Pineda-Sanchez, R. Puche-Panadero and J. Perez-Cruz, “A General Approach for the Transient Detection of Slip- Dependent Fault Components Based on the Discrete Wavelet Transform”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 55, no. 12, pp. 4167–4180, Dec. 2008.
6. M. Drif and A.J.M.Cardoso, “The Use of the Instantaneous- Reactive-Power Signature Analysis for Rotor- Cage-Fault Diagnostics in Three-Phase Induction Motors”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 11, pp. 4606–4614, Nov. 2009.
7. Dmytro Mamchur, Andriy Kalinov “Diagnostics of Asynchronous Motors Based on Spectra Analysis of Power Consumption,” in Proc. XI International Ph Workshop OWD’2009, Poland, Gliwice, 2009, pp. 434-439. Available: http://mechatronika.polsl.pl/owd/pdf2009/434.pdf
8. Andriy Kalinov, Dmitriy Mamchur, Anna Chumachova, “Research of the Asynchronous Motor’s Observability for Estimation Operating Conditions and Energy Efficiency,” in Proc. X International Ph Workshop OWD’2008, Poland, Gliwice, 2008, pp. 357-362.
9. M.V. Zagirnyak, D.G. Mamchur, A.P. Kalinov, “Elimination of the Influence of Supply Mains Low- Quality Parameters on the Results of Induction Motor Diagnostics,” in Proc. XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, Rome. IEEE Catalog Number: CFP1090B-CDR. ISBN: 978-1-4244-4175-4. Library of Congress: 2009901651. RF-009474