Автореферат

Методика измерения вектора полного сопротивления асинхронного двигателя для определения эксцентриситета ротора в рабочем состоянии

         Наиболее важные проблемы электроэнергетики связаны с сокращением потерь энергии и повышением надежности эксплуатации оборудования. В данное время начали особое внимание уделять контролю оборудования по состоянию, а не по системе планово предупредительных ремонтов. Преимущество контроля по состоянию заключается в том, что ремонт производится только того оборудования которому он необходим. Также развиваются методы определения состояния двигателей косвенными методами. В данное время необходимы новые технологии и техники определения начала развития аварийных ситуаций с последующим их неаварийным решением.
         В последнее время за рубежом развиваются методы диагностики состояния электрических машин, основанные на выполнении мониторинга потребляемого тока с последующим выполнением специального спектрального анализа полученного сигнала, что позволяет с высокой степенью достоверности определять состояние различных элементов двигателя. Важным преимуществом такого подхода является то, что проведение мониторинга тока электродвигателя может быть выполнено как непосредственно на нем, так и в электрощите питания (управления) [1].
         Согласно статистики повреждения АД распределяется следующим образом:
             - Повреждения элементов статора - 38%
             - Повреждения элементов ротора - 10%
             - Повреждения элементов подшипников - 40%
             - Другие повреждения - 12%. [1].
         Поскольку воздушный зазор в АД весьма мал, в ряде случаев указанные выше повреждения могут вызывать высокую степень эксцентриситета ротора. Возникновение неравномерности воздушного зазора может быть обусловлено абразивным износом выносных подшипников, деформацией торцевых щитов машины, сдвигом фундаментов выносных подшипников и т.п.
         Известно, что в результате появления значительного эксцентриситета (более 30 %) коэффициент полезного действия АД может снижаться на 2,8 % максимальный и пусковой моменты уменьшаются в пределах 20% и 8% соответственно, а скольжение увеличивается на 10%. В наиболее сложных случаях, возможно зацепление ротора о внутреннюю поверхность статора. Возникающие при этом повреждения, как известно, требуют проведения продолжительного восстановительного ремонта АД. Затраты в этом случае могут быть близки к стоимости новой машины.

Постановка цели и задачи

         К наиболее известным методам косвенного контроля неравномерности воздушного зазора (НВЗ) в данное время можно отнести метод контроля по величине синхронного сопротивления измеряемого на неподвижной машине в опыте затухания постоянного тока[5]; метод контроля по величинам индуктивного сопротивления короткого замыкания и нулевой последовательности[3], исследованных в ДонНТУ. К их недостаткам нужно отнести:
             - Требование отключения АД от сети;
             - Необходимость использования внешних источников постоянного и переменного тока для подачи диагностического воздействия на АД;
             - Значительное время проведения диагностического испытания (до 3-4 ч).
         В настоящее время широко применяется методы диагностирования неравномерности воздушного зазора основанные на гармоническом анализе фазных токов статора АД. Однако на спектр тока оказывают влияние множество факторов, таких как: напряжение источника питания, статические либо динамические нагрузки, геометрия машины и т.п. Эти факторы могут приводить к ошибкам в диагностировании повреждения. [7].
         Также существуют методы вибродиагностики исследованные в СПбГМТУ[6]. К недостаткам этих методов следует отнести:
             - Требование стабильности частоты вращения объекта диагностики, по крайней мере, на время одного измерения;
             - Необходимость базы знаний об исправных двигателях.
Указанные выше методы не нашли широкого применения в промышленности. Известно, что в последнее время стремительно развиваются методы вибродиагностики и спектрального анализа токов двигателей, которые могут в скором времени занять лидирующие позиции.
         Использование переходного процесса кратковременного отключения АД как тестовое воздействие имеет важное преимущество перед известными методами. Оценка эффективности рассматриваемого метода требует установления возможного диагностического сигнала и оценки его чувствительности к нарушению равномерности воздушного зазора.

Научная новизна и практическая ценность

         Научная новизна представляемых методов к решению проблемы состоит в исследовании нового комплекса методик определения НВЗ, исключающего частично или полностью недостатки существующих подходов.
         Практическая ценность состоит в определении НВЗ на ранней стадии ее развития. Эффективность рассматриваемых методик достаточно высока т.к. стоимость ремонта двигателей после аварий связанных с НВЗ сравнима со стоимостью двигателя.

Обзор

         Исследованиями данной проблемы занимались на кафедре "Электрические системы и сети" ее преподаватели - Рогозин Г.Г., Пятлина Н.Г., Лапшина Н.С., студенты - Мироненко И.А., Артемчук Д.Г. Ризин С.Л., Петухов А. В. и Лозицкий Ю.В. Петуховым А. В. И Лозицким Ю. В. был предложен способ определения НВЗ при помощи индукционного датчика расположенного перпендикулярно торцу вала. Со всеми материалами вы можете ознакомиться перейдя в раздел "ссылки" на моем сайте.
         Исследованиями занимается также многие исследователи за пределами Украины, особенно исследованиями, касающимися спектрального анализа составляющих тока двигателя. Особое внимание привлекли статьи следующих авторов: Петухов В.С. к.т.н., член IEEE, Центр электромагнитной безопасности, г. Москва; M'hamed Drif and Antonio J. Marques Cardoso is with the University of Coimbra, Department of Electrical and Computer Engineering; Marian Dumitru Negrea and Pedro Jover Rodriguez is with the Laboratory of Electromechanics - Helsinki University of Technology; A. Stavrou is with the Electricity Authority of Cyprus. Со статьями можно ознакомиться в разделе "библиотека".
         Что касается прикладного применения технологий спектрального анализа, то этим занимается фирма "A& Alpha consulting". Направление работы этой фирмы, это комплекс работ по аудиту состояния и условий работы электрической и механической части электродвигателей и связанных с ними механических устройств на основе обработки результатов мониторинга потребляемого тока и приложенного напряжения. Выполнение мониторинга тока работающего двигателя в течение короткого интервала времени, и последующий специальный спектральный анализ полученных данных позволяет определить наличие следующих повреждений:
             - межвитковые замыкания обмоток статора;
             - повреждения подшипников;
             - несоосность валов двигателя и механической нагрузки;
             - повышенный эксцентриситет ротора (статический и/или динамический);
             - дефекты (обрыв стержней, дефекты литья) ротора;
             - задевание ротора о статор;
             - ослабление элементов крепления электродвигателя;
             - дефекты механической части связанных с электродвигателем устройств.
         Что касается направления вибродиагностики исследования и применения этих методов занимается "ВиброАкустические Системы и Технологии Ассоциация предприятий" (ВАСТ). В настоящее время основными направлениями деятельности ВАСТ являются:
             - Производство и поставка систем вибрационного мониторинга, диагностики и балансировки оборудования на месте их эксплуатации;
             - Подготовка специалистов по виброакустической диагностике и балансировке;
             - Исследования в различных областях технической диагностики;
             - Разработка и производство измерительных и анализирующих приборов и систем.
         Кроме ВАСТ вибродиагностикой занимается фирма "Вибро-Центр". Основные направления деятельности фирмы Вибро-Центр:
             - Разработка и производство технических и программных средств вибродиагностики и виброналадки вращающегося оборудования
             - Разработка и производство приборов и программ диагностики электротехнического оборудования
             - Разработка и производство приборов и программ диагностики нефтедобывающего оборудования

Основные понятия и краткое описание работы

         Повышение надежности асинхронных двигателей является одной из актуальных задач промышленной энергетики. Большое значение при этом имеют вопросы обеспечения и контроля допустимой степени неравномерности воздушного зазора. Эксцентриситет определяется как мера нарушения симметрии воздушного зазора по результатам непосредственных его замеров в торцевых частях расточки статора. И рассчитывается по известной формуле:
где δ_max, δ₀ - соответственно средняя и максимальная величины воздушного зазора. [3]
         Из-за относительной малости воздушного зазора этот показатель оказывается весьма чувствительным к деформации замков станины, подшипниковых щитов и выработке подшипников машины в процессе эксплуатации. При наличии несимметрии воздушного зазора, как известно, снижается пусковой момент, растут одностороннее магнитное притяжение и вибрации ротора, снижается, из-за увеличения потерь в стали, к.п.д. асинхронной машины.
         Определение воздушного зазора по оси каждого паза ротора можно рассчитать по выражению:

δ = δ₀(1 - ε cosφ),

где ε - эксцентриситет ротора; φ- пространственная (угловая) координата, отсчитываемая от точки минимального зазора δ_min (см. рис. 1). [4]


Рисунок 1 - Пространственные координаты неравномерного воздушного зазора АД
         Указанные явления обусловливаются неравномерностью распределения приложенного напряжения между катушками фаз и нарушением симметрии фазных токов статора, что приводит к росту высших гармоник в магнитном потоке воздушного зазора и увеличению индуктивностей машины.
         Одно из перспективных направлений эксплуатационного контроля неоднородности воздушного зазора асинхронных машин заключается в установлении и использовании диагностики экспериментальных зависимостей, которые отображают влияние данного явления на электромагнитные параметры машины.
         Использование переходного процесса кратковременного отключения АД в качестве тестового воздействия имеет существенное преимущество перед известными методами контроля. Оценка эффективности рассматриваемого в дипломной работе метода требует установления возможного диагностического сигнала и оценки его чувствительности к нарушению неравномерности воздушного зазора.

Результаты исследований

         В процессе исследований (на данный момент) составлена программа испытаний и проведен эксперимент на базе оборудования кафедры "Электрических Систем" ДонНТУ.
         Исследования проводились на двигателе типа MA36-41/8 с фазным ротором (40 кВт, 380/660 В, 730 оборотов в минуту). При исследовании использовалась возможность равномерно изменять воздушный зазор между обмотками статора и ротора. Схематически установка представлена на рис. 2.


Рисунок 2 - Экспериментальная установка (А - устройство, изменяющее эксцентриситет двигателя, B - дополнительные щетки).
         Для измерений использовался высокоточный измерительный аналогово-цифровой прибор РЕКОН - 08МС.
         В качестве тестового воздействия был использован переходный процесс кратковременного отключения АД от сети.
         Опыт проведен с целью:
             - оценки гармонических составляющих в напряжении и токе статора;
             - оценки гармонических составляющих в напряжении по концам вала;
             - анализа изменения значения полного сопротивления в комплексной плоскости.
         В результате исследования были получены качественные зависимости напряжения и тока статора, а также падения напряжения вдоль вала.
         На выводах машины было измерялись фазные мгновенных токи и напряжения. Далее, используя известное преобразование Парка переходим к величинам токов и напряжений по D-Q осям:
              Iq=√(2/3)*(-)√(3)*Ib/2)+√(3)*Ic/2))
              Id=√(2/3)*(Ia-(Ib/2)-(Ic/2))
              Ud=√(2/3)*(Ua-(Ub/2)-(Uc/2))
              Uq=√(2/3)*(-)√(3)*Ub/2)+√(3)*Uc/2))
         Действительное Rе(Z) и комплексное значение Im(Z) части мгновенного полного сопротивления машины могут быть вычислялись следующим образом:


         Первичная оценка изменения полного сопротивления в комплексной плоскости показала, что происходит разброс значений сопротивления вдоль окружности рис. 3. Количественно оценить степень НВЗ пока не удалось.


Рисунок 3 - Изменение полного сопротивления в комплексной плоскости (Красный - ε =42,5%, Синий - ε = 65%, Зеленый - ε = 85% Розовый - ε =95% ).

         Оценка гармонических составляющих в напряжении по концам вала показала изменение составляющих при различных значениях НВЗ но четкой зависимости еще не получено.

Выводы

         Таким образом, данная методика дает теоретические посылки для разработки прибора для контроля неоднородности воздушного зазора промышленных двигателей. Данное устройство позволит за непродолжительный период измерений и обработки данных дать оценку неоднородности воздушного зазора и принять меры по устранению неравномерности, что в промышленных условиях неоценимо. Однако влияние неоднородности воздушного зазора на изменения полного сопротивления в комплексной плоскости и напряжении по концам вала нуждаются в дальнейшем анализе.

         При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Полный текст работы и все материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после завершения исследований в IV квартале 2009 года.

Литература

1. Петухов В.С., к.т.н., член IEEE, Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального анализа потребляемого тока. Журнал "Новости Электротехники" № 1(31) 2005. стр. 23.
2. Рогозин Г.Г. Контроль равномерности воздушного зазора асинхронной машины по значению синхронного индуктивного сопротивления. - Электричество. 1981 г, № 5. - с. 44-46.
3. Рогозин Г.Г., Лапшина Н.С. Косвенный контроль неравномерности воздушного зазора асинхронных машин. - ДГТУ, Электротехника №3, 1980.
4. Рогозин Г.Г., Мироненко И.А. Влияние неравномерности воздушного зазора на электромагнитные параметры и переходные процессы ротора при отключении асинхронных двигателей", ДГТУ.
5. Рогозин Г. Г, канд. техн. наук, Н. С. Лапшина, инж. ДПИ. Косвенный контроль неравномерности воздушного зазора асинхронной машины по значению синхронного индуктивного сопротивления.
6. А.В. Барков, В.С. Никитин. Современные возможности вибродиагностики машин и оборудования.
7. Marian Dumitru Negrea Pedro Jover Rodriguez Antero Arkkio Laboratory of Electromechanics, Helsinki University of Technology. A comparative investigation of different diagnostic media for identifying specific faults in an induction motor.
8. A. Stavrou is with the Electricity Authority of Cyprus. Impedance vector monitoring strategy for on-line detection of eccentricity in induction motors
9. M'hamed Drif and Antonio J. Marques Cardoso is with the University of Coimbra, Department of Electrical and Computer Engineering. Instantaneous Real Power Signature Analysis as a Tool for Airgap Eccentricity Diagnostics in Three-Phase Induction Motors
10. G. G. Rogozin, "Impact of the air gap eccentricity on the leakage flux change outside the IM frame during run-out of the motor after disconnection from the supply", SPEEDAM Symposium 2004, June 16-18, 2004, pp. 31-37.
11. Ермолин Н.П., Жерихин И.П. Надежность электрических машин. М.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1976, с.248.
12. "A& Alpha consulting" http://mcsa.electrik.org/
13. "Вибро Акустические Системы и Технологии Ассоциация предприятий" http://www.vibrotek.com/russian/index.htm
14. "Вибро-Центр". http://www.vibrocenter.ru/about.htm