Автореферат

Методика виміру вектора повного опору асинхронного двигуна для визначення ексцентриситету ротора у робочому режимі

         Найбільш важливі проблеми електроенергетики пов'язані зі скороченням втрат енергії й підвищенням надійності експлуатації устаткування. В останній час почали приділяти особливу увагу контролю встаткування згідно зі станом, а не по системі планово попереджувальних ремонтів. Перевага контролю згідно зі станом полягає в тім, що ремонт робиться тільки того встаткування якому він необхідний. Також розвиваються методи визначення стану двигунів непрямими методами. У даний час необхідні нові технології й техніки визначення початку розвитку аварійних ситуацій з наступним їхнім неаварійним рішенням
         Останнім часом за кордоном розвиваються методи діагностики стану електричних машин, основані на виконанні моніторингу струму статора з наступним виконанням спеціального спектрального аналізу отриманого сигналу, що дозволяє з високим ступенем вірогідності визначати стан різних елементів двигуна. Важливою перевагою такого підходу є те, що проведення моніторингу струму електродвигуна може бути виконане як безпосередньо на ньому, так і в електрощиті живлення (керування) [1].
         Згідно статистики, ушкодження АД розподіляється в такий спосіб:
       - Ушкодження елементів статора - 38%
       - Ушкодження елементів ротора - 10%
       - Ушкодження елементів підшипників - 40%
       - Інші ушкодження - 12%. [1].
         Оскільки повітряний зазор у АД досить малий, то у ряді випадків зазначені вище ушкодження можуть викликати високий ступінь ексцентриситету ротора. Виникнення нерівномірності повітряного зазору може бути обумовлено абразивним зношуванням виносних підшипників, деформацією торцевих щитів машини, зрушенням фундаментів виносних підшипників і т.п.
         Відомо, що в результаті появи значного ексцентриситету (більше 30 %) коефіцієнт корисної дії АД може знижуватися на 2,8 % максимальний і пусковий моменти зменшуються в межах 20% і 8% відповідно, а ковзання збільшується на 10%. У найбільш складних випадках, можливе зачеплення ротора об внутрішню поверхню статора. Виникаючі при цьому ушкодження, як відомо, вимагають проведення тривалого відновлювального ремонту АД. Витрати в цьому випадку можуть бути близькі до вартості нової машини.

Постановка мети й завдання

         До найбільш відомих методів непрямого контролю нерівномірності повітряного зазору (НПЗ) в даний час можна віднести метод контролю по величині синхронного опору виміряного на нерухомій машині в досліді згасання постійного струму[5]; метод контролю по величинах індуктивного опору короткого замикання й нульової послідовності[3], досліджених у ДонНТУ. До їхніх недоліків потрібно віднести:
       - вимогу відключення АД від мережі;
       - необхідність використання зовнішніх джерел постійного і змінного струмів для подачі діагностичного впливу на АД;
       - значний час проведення діагностичного випробування (до 3-4 г).
         У наш час широко застосовуються методи діагностування нерівномірності повітряного зазору засновані на гармонійному аналізі фазних струмів статора АД. Однак на спектр струму впливають безліч факторів, таких як: напруга джерела живлення, статичні або динамічні навантаження, геометрія машини й т.п. Ці фактори можуть приводити до помилок у діагностування ушкодження. [7].
         Також існують методи вібродіагностики досліджені в СПбГМТУ[6]. До недоліків цих методів варто віднести:
       - вимогу стабільності частоти обертання об'єкта діагностики, принаймні , на час одного виміру;
       - необхідність бази знань про справні двигуни.
         Зазначені вище методи не знайшли широкого застосування в промисловості. Відомо, що останнім часом стрімко розвиваються методи вібродіагностики й спектрального аналізу струмів двигунів, які можуть незабаром зайняти лідируючі позиції.
         Використання перехідного процесу короткочасного відключення АД як тестового впливу має важливу перевагу перед відомими методами. Оцінка ефективності розглянутого методу вимагає встановлення можливого діагностичного сигналу й оцінки його чутливості до порушення рівномірності повітряного зазору.

Наукова новизна й практична цінність

         Наукова новизна методів, що представляються, до рішення проблеми складається в дослідженні нового комплексу методик визначення НПЗ, що виключає частково або повністю недоліки існуючих підходів.
         Практична цінність складається у визначенні НПЗ на ранній стадії її розвитку. Ефективність методик, що розглядаються досить висока тому, що вартість ремонту двигунів після аварій пов'язаних із НПЗ порівнюється з вартістю двигуна.

Огляд

         Дослідженнями даної проблеми займаються на кафедрі "Електричні системи й мережі", її викладачі - Рогозин Г.Г., Пятлина Н.Г., Лапшина Н.С., студенти - Мироненко И.А., Артемчук Д.Г. Різін С.Л., Пєтухов А. В. И Лозіцкий Ю.В. Пєтуховим А. В. И Лозіцким Ю. В. був запропонований спосіб визначення НПЗ за допомогою індукційного датчика валу, що розташовується перпендикулярно торцю. З усіма матеріалами ви можете ознайомитися, перейшовши в розділ "посилання" на моєму сайті.
         Також дослідженнями займається багато дослідників за межами України, особливо дослідженнями, що стосуються спектрального аналізу складових токів двигуна. Особлива увага залучили статті наступних авторів: 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. Зі статтями можна ознайомитися у розділі "бібліотека".
         Що стосується прикладного застосування технологій спектрального аналізу, то цим займається фірма "A& Alpha consultіng". Напрямок роботи цієї фірми, це комплекс робіт з аудита стану й умов роботи електричної й механічної частини електродвигунів і пов'язаних з ними механічних пристроїв на основі обробки результатів моніторингу струму статора й прикладеної напруги. Виконання моніторингу струму працюючого двигуна протягом короткого інтервалу часу, і наступний спеціальний спектральний аналіз отриманих даних дозволяє визначити наявність наступних ушкоджень:
             - міжвиткові замикання обмоток статора;
             - ушкодження підшипників;
             - неспіввісність валів двигуна й механічного навантаження;
             - підвищений ексцентриситет ротора (статичний і/або динамічний);
             - дефекти (обрив стрижнів, дефекти лиття) ротора;
             - зачіпання ротора об статор;
             - ослаблення елементів кріплення електродвигуна;
             - дефекти механічної частини пов'язаних з електродвигуном пристроїв.
         Що стосується напрямку вібродіагностики дослідження й застосування цих методів займається "Виброакустичні Системи й Технології Асоціація підприємств" (ВАСТ). У цей час основними напрямками діяльності ВАСТ є:
             - виробництво й поставка систем вібраційного моніторингу, діагностики й балансування встаткування на місці їхньої експлуатації;
             - підготовка фахівців з віброакустичної діагностики й балансування;
             - дослідження в різних областях технічної діагностики;
             - розробка й виробництво вимірювальних приладів і систем.
         Крім ВАСТ вібродіагностикою займається фірма " Вибро-Центр". Основні напрямки діяльності фірми Вибро-Центр:
             - розробка й виробництво технічних і програмних засобів вібродіагностики й віброналадки обертового устаткування;
             - розробка й виробництво приладів і програм діагностики електротехнічного встаткування ;
             - розробка й виробництво приладів і програм діагностики нафтовидобувного встаткування.

Основні поняття й короткий опис роботи

         Підвищення надійності асинхронних двигунів є однієї з актуальних завдань промислової енергетики. Велике значення при цьому мають питання забезпечення й контролю припустимого ступеня нерівномірності повітряного зазору. Ексцентриситет визначається як міра порушення симетрії повітряного зазору за результатами безпосередніх його вимірів у торцевих частинах розточення статора. І розраховується по відомій формулі:
де δ_max, δ₀ - відповідно середня й максимальна величини повітряного зазору. [3]
        Через відносну малість повітряного зазору цей показник виявляється досить чутливим до деформації замків станини, підшипникових щитів і виробленню підшипників машини в процесі експлуатації. При наявності несиметрії повітряного зазору, як відомо, знижується пусковий момент, ростуть однобічне магнітне притяжіння й вібрації ротора, знижується, через збільшення втрат у сталі, к.к.д. асинхронної машини.
         Визначення повітряного зазору по осі кожного паза ротора можна розрахувати по формулі:

δ = δ₀(1 - ε cosφ),

де ε - ексцентриситет ротора; φ- ппросторова (кутова) координата, розрахована від точки мінімального зазору δ_min (див. рис. 1). [4]


Рисунок 1 - Просторові координати нерівномірного повітряного зазору АД
         Зазначені явища обумовлюються нерівномірністю розподілу прикладеної напруги між котушками фаз і порушенням симетрії фазних струмів статора, що призводять до росту вищих гармонік у магнітному потоці повітряного зазорі й збільшенню індуктивностей машини.
         Один з перспективних напрямків експлуатаційного контролю неоднорідності повітряного зазору асинхронних машин полягає у встановленні й використанні діагностики експериментальних залежностей, які відображають вплив даного явища на електромагнітні параметри машини.
         Використання перехідного процесу короткочасного відключення АД як тестовий вплив має істотні переваги перед відомими методами контролю. Оцінка ефективності розглянутого в дипломній роботі методу вимагає встановлення можливого діагностичного сигналу й оцінки його чутливості до порушення нерівномірності повітряного зазору.

Результати досліджень

         У процесі досліджень (на даний момент) складена програма випробувань і проведений експеримент на базі встаткування кафедри "Електричних Систем" ДонНТУ.
         Дослідження проводилися на двигуні типу MA36-41/8 з фазним ротором (40 кВт, 380/660 У, 730 оборотів у хвилину). При дослідженні використовувалася можливість рівномірно змінювати повітряний зазор між обмотками статора й ротора. Схематично установка представлена на рис. 2.


Рисунок 2 - Експериментальна установка (А - пристрій, що змінює ексцентриситет двигуна, B - додаткові щітки)
         Для виміру використовувався високоточний вимірювальний аналогово-цифровий прилад РЕКОН - 08МС.
         Як тестовий вплив був використаний перехідний процес короткочасного відключення АД від мережі.
         Досвід проведений з метою:
             - оцінки гармонійних складових напруги й струму статора;
             - оцінки гармонійних складових напруги по кінцям вала;
             - аналізу зміни значення повного опору в комплексній площині.
         У результаті дослідження були отримані якісні залежності напруги й струму статора, а також напруга уздовж вала.
         На виводах машини можна легко виміряти три фазних миттєвих струми й напруги. Далі використовуючи відоме перетворення Парка переходимо до величин струмів і напруг по D-Q осях:
              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))
         Крім того, дійсне Rе(Z) і комплексне значення Іm(Z) частини миттєвого повного опору машини можуть бути обчислені в такий спосіб


         Первинна оцінка зміни повного опору в комплексній площині показало, що відбувається розкид значень опору уздовж окружності рис. 3, але кількісно оцінити ступінь НПЗ поки не вдалося.


Рисунок 3 - Зміна повного опору в комплексній площині (Червоний - ε =42,5%, Синій - ε = 65%, Зелений - ε = 85% Рожевий - ε =95% ).

         Оцінка гармонійних складових у напруги по кінцям вала показала зміну складових при різних значеннях НПЗ але чіткої залежності ще не отримано.

Висновки

         Дана методика дає теоретичні посилки для розробки приладу для контролю неоднорідності повітряного зазору промислових двигунів. Даний пристрій дозволить за нетривалий період вимірів і обробки даних дати оцінку неоднорідності повітряного зазору й вжити заходів по усуненню нерівномірності, що в промислових умовах неоціненно. Однак вплив неоднорідності повітряного зазору на зміни повного опору в комплексній площині й напрузі по кінцях вала мають потребу в подальшому аналізі.

         При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Повний текст роботи і всі матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після завершення досліджень в IV кварталі 2009 року.

Література

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