АЛИ ДЖАССЕЬ-АФТОРЕФЕРАТ-ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПЕРЕХОДА ОТ СИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫХ РЕМОНТОВ К СИСТЕМЕ ОБСЛУЖИВАНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ПО СОСТОЯНИЮ

АЛИ ДЖАМАЛЬ ДЖАССЕМ

Специальность: Электрические сети и системы

Руководитель: Полковниченко Дмитрий Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПЕРЕХОДА ОТ СИСТЕМЫ ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНЫХ РЕМОНТОВ К СИСТЕМЕ ОБСЛУЖИВАНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ПО СОСТОЯНИЮ

В настоящее время асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими машинами. Они потребляют около 40% электроэнергии, производимой в мире. Такое обширное распространение они получили из-за своей конструктивной простоты, низкой стоимости, высокой эксплуатационной надежности.

Наряду с большими достоинствами асинхронные двигатели имеют и некоторые недостатки - в процессе эксплуатации возможны повреждения элементов двигателя, что в свою очередь приводит к преждевременному выходу его из строя.

Основными причинами выхода из строя двигателей переменного тока являются: повреждения элементов статора и ротора, подшипников и другое. Это приводит к нарушению непрерывности технологических процессов с последующим браком продукции, затратами на восстановление и ремонт электродвигателей, а также на восстановление нормальных технологических процессов производства. Процесс автоматизации управления технологическими процессами путем использования диагностирования технического состояния электродвигателей в рабочих режимах позволяет до минимума снизить ущерб от этих последствий за счет раннего обнаружения дефектов.

Эксплуатация находящихся в аварийном техническом состоянии электродвигателей приводит к прямым финансовым потерям, связанным с непрогнозируемым выходом из строя оборудования и вызванным этим нарушением технологического процесса, и к значительным дополнительным затратам электроэнергии, обусловленным повышенным электропотреблением. В связи с этим вопрос диагностики асинхронных двигателей весьма актуален.

Процесс автоматизации управления технологическими процессами путем использования диагностирования технического состояния оборудования, в том числе и электродвигателей, в рабочих режимах позволяет до минимума снизить ущерб от этих последствий за счет раннего обнаружения дефектов. Контроль и анализ текущего технического состояния позволяют внедрить технологию обслуживания электродвигателей «по состоянию». То есть обслуживание и ремонт выполняются в зависимости от реального текущего технического состояния электродвигателя, который находится в работе.
Таким образом, актуальной является проблема разработки и совершенствования методов и средств диагностирования технического состояния электродвигателей на основе контроля параметров рабочих режимов.

Исследовать возможности перехода от системы предупредительных ремонтов к системе обслуживания асинхронных электродвигателей и технологию обслуживания и ремонта в зависимости от технического состояния электродвигателя, то есть «по состоянию».

Несмотря на то, что асинхронные двигатели очень просты в применении, на предприятиях не достаточно времени уделяется для диагностирования и межремонтного обслуживания, о чем свидетельствует частая повреждаемость этих двигателей. Учитывая это, необходимо разработать такие методы, которые позволяли бы диагностировать состояние двигателей в рабочих режимах и не допускали бы аварий и крупных ремонтов. Такой метод уже разработан – это метод «по состоянию», поэтому в работе мы хотим акцентировать внимание на нем и постараться произвести наиболее точные подсчеты.

Будет разработан метод для обнаружения сломанных ребер в мощных двигателях, который основан на контроле плотности магнитного потока около ребер ротора (обычно они немного выступают за пределы ротора в этих двигателях).

Одним из методов исследования является диагноз сломанных брусков в больших двигателях индукции волнением потока утечки. Существует возможность обнаружить наличие сломанных ребер, исследуя спектр тока статора. Сломанное ребро приводит к тому, что компоненты тока, который индуцирован на обмотке статора при частотах:

fsb= второстепенные частоты из-за сломанных ребер ротора, Гц

Более подробно рассмотрим метод, основанный на контроле плотности магнитного потока около ребер.

Плотность магнитного тока в датчике хола вычислена, применяя закон Biot Savart 's для каждого ребра, и для токов статора. Рис. 1 показывает моделирование, предложенным методом.

Доля ротора в результате плотности магнитного потока в датчике определяется:

d_n= расстояние между датчиком и центром ребра

BR_r= плотность результирующая магнитный поток на роторе

g= расстояние между датчиком и центром ребра

Для определения доли статора, закон Biot Savart 's был применен в каждом лазу статора, как показано в формуле (8).

В формуле (6) показана матрица расстояния между щелями статора и осью датчика.

Рис. 2 структура, используемая в моделировании токов статора.

Результирующая плотность магнитного потока в датчике хола за счет токов ротора и токами статора приводится в формуле (8):

BT= результирующая плотность магнитного потока на датчике.

Математическая модель была осуществлена в программном обеспечении MATLAB/SIMULINK. Модель моделировалась для исправного и неисправного ротора. В целях моделирования использовались параметры, которые показаны в таблице 1, для гипотетического двигателя. На рис. 3 возможно наблюдать получающуюся плотность магнитного поля относительно датчика хола, полученного для исправного двигателя, без поломанных ребер ротора. На рис. 4 показано моделирование с двумя поломанными ребрами ротора. В течение моделирования было замечено изменение плотности магнитного поля, в местах сломанных ребер, они были ближе к датчику. Для моделирования поломки, ток поломанного ребра равнялся нулю в модели MATLAB.

Экспериментальные тесты были сделаны, чтобы оценить достоверность математического моделирования. Рис. 5 показывает установку датчика хола между двумя катушками статора в двигателе. Его ротор состоит из 58 ребер.

На рис. 6, можно наблюдать начальные экспериментальные результаты, полученные от непрерывного ротора с двумя поломанными ребрами. В этом случае, замечалось, что плотность магнитного поля в датчике имеет подобное поведение с результатами моделирования.

Рис. 6 показывает хорошее совпадение между результатами моделирования и экспериментальными. В этом случае, доля статора, применяя закон Biot Savart для тока каждого лаза статора.

На рис. 7 возможно наблюдать изменение плотности магнитного потока в датчике хола более детально, в отрицательном цикле. Рис. 8 и рис. 9 показывают распределение тока на ребре.

Рис. 10 показывает изменение плотности магнитного потока в положительном цикле. Рис. 11 показывают распределение потока ребра для положительного цикла.

Мы рассмотрели один из методов исследования - диагноз сломанных брусков в больших двигателях индукции волнением потока утечки. Хочется отметить, что с развитием вычислительной техники появились разработки автоматических и автоматизированных систем диагностики электродвигателей (например, на рис.12). При этом для их реализации в качестве диагностических параметров предлагаются различные рабочие параметры электродвигателя.

Исследование поведения двигателя индукции стало фундаментальным, потому что нужно стремиться избегать потери производства в промышленности. Трехфазные двигатели с беличьей клеткой широко используются в производстве. В настоящее время, очень важно знать эксплуатационные условия двигателя в режиме реального времени, уменьшать непредвиденные поломки, время простоя и эксплуатационные затраты. Во время работы двигателя, многих поломок можно избежать, учитывая электрические и механические поломки.

Итак, одним из методов исследования является метод контроля и плотности магнитного потока около ребер ротора. Мы произвели подсчеты и убедились в необходимости данного метода.

1. C. Kral, F. Pirker, G. Pascoli, H. Oberguggenberger, Influence of rotor cage design on rotor fault detection by means of the Vienna Monitoring Method. International conference on electrical machines (ICEM-2002), Old St. Jan Conference Center, Brugge, Belgium, Conference Record.

2. C. Kral, F. Pirker, Vienna monitoring method – detection of faulty rotor bars by means of a portable measurement system. International conference on electrical machines (ICEM-2000), Helsenki University of technology, Espoo, Finland, p.873-877.

3. Хлипальський Ю.З. Диагностирование дефектов клеток роторов асинхронных двигателей с закрытыми пазами: Автореф.дис… канд.техн.наук. Львов, 2000.

4. Сборник директивных материалов по эксплуатации энергосистем: (Электротехническая часть)/ Минэнерго СССР. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981. - 632 с.

5. Рогозин Г.Г., Рындин А.В., Баранов Г.Л., Новиков И.В. Устройство для косвенного контроля неравномерности воздушного зазора асинхронного двигателя // Открытия. Изобретения. - 1986. - № 20.

6. Рогозин Г.Г. Контроль равномерности воздушного зазора асинхронной машины по значению синхронного индуктивного сопротивления // Электричество. - 1981. - № 5. - С. 44-46.

7. Никиян Н.Г., Саликов М.П. Способ и установка для диагностики короткозамкнутых клеток электрических машин // Электрические станции. – 1999. - № 3. – С. 60-62.

8. Williamson S, Smith A.C.: "Steady-state analysis of 3-phase cage motors with rotor-bar and end-ring faults", IEE Proceedings, Vol. 129, Pt. B, No. 3, pp 93-100, May 1982.

9. Siyambalapitiya D.J.T, McLaren P.G, Acarnley P.P.: "A Rotor Condition Monitor for Squirrel-Cage Induction Machines", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-23, No. 2, pp 334-340, March/April 1987.

10. Kliman G.B, Koegl R.A.: "NonInvasive Detection of Broken Rotor Bar in Operating Induction Motors", IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 3, No. 4, pp 873-879, December 1988.

11. Thomson, W.T.: "On Line Current Monitoring The Influence on Mechanical Load or an Unique Design on the Diagnosis of Broken Bars in Induction Motors", Proceedings of the International Conference on Electrical Machines, Manchester (UK), Vol.3, pp 1236-1240, 1992

12. Cho, K.R, Lang J.H, Umans S.D.:" Detection of Broken Rotor Bars in Induction Motors Using State and Parameter Estimation", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 28, No 3, pp 702-709, May/June 1992.

13. Walliser R.F, Landy C.F.: "The Influence of Interbar Currents on the Detection of Broken Rotor Bars" Proceedings of the International Conference on Electrical Machines, Manchester (UK), Vol.3, pp 1246-1250, 1992

14.Toliyat H.A, Lipo T.A.: "Transient Analysis of Cage Induction Machines Under Stator, Rotor Bar and End Ring Faults", IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.10, No.2, pp 241-247, June 1995. 1234567891011121314151617181920-400-2000200400Rotor BarsCurrent (A)

15. Luo X, Liao Y, Toliyat H.A, Antably A.E, Lipo T.A.: "Multiple Coupled Circuit Modeling of Induction Machines", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.31, No. 2, pp 311-318, March/April 1995.

16. Penman, J, Stavrou, A.: "Broken rotor bars: their effect on the transient performance of induction machines" IEE Proc.-Electr. Power Applications, Vol. 143, No. 6, pp 449 - 457, November 1996.

17. Fiser R, Ferkolj S.: "Modelling of Failure States of Induction Machines", Proceedings of the IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, Bari (Italy), Vol. 3, pp 1195-1198, 1996

18. Manolas S.T, Tegopoulos J, Papadopoulos M.: " Analysis of Squirrel Cage Induction Motors With Broken Rotor Bars", Proceedings of the International Conference on Electrical Machines, pp 19-23, 1996.

19. Fiser R, Ferkolj S.: "Calculation of Magnetic Field Asymmetry of Induction Motor with Rotor Faults", Proceedings of the IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, Tel Aviv (Israel), Vol.2, pp 1175-1179, 1998 Figure 13. Bar current distribution (in details for positive cycle)

20. Thomson W.T, Rankin D, Dorrell D.G.: "On-Line Current Monitoring to Diagnose Airgap Eccentricity in Large Three-phase Induction Motors - Industrial Case Histories Verify the Predictions" IEEE.