Содержание

• 1. Актуальность темы
• 2. Цели и задачи исследования
• 3. Планируемый практический результат
• 4. Обзор литературы по тематике
• 5. Существующие методы и средства технической диагностики электродвигателей
• 6. Заключение
• 7. Список источников

Актуальность темы

Около 40 % электроэнергии, вырабатывающейся в мире, потребляется электроприводом, основным видом которого является асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором (КЗР). Такая широта распространения объясняется простотой производства и эксплуатации, а также следующим рядом преимуществ:

• приблизительно постоянной скоростью при разных нагрузках;
• возможностью кратковременных механических перегрузок;
• простотой конструкции;
• простотой пуска и легкостью его автоматизации.

Однако главной проблемой использования АД является их высокая повреждаемость, которая, согласно статистике, распределяется следующим образом:

• повреждения элементов статора – 38%;
• повреждения элементов ротора – 10%;
• повреждения элементов подшипников – 40%;
• другие повреждения – 12% [1].

Внезапный выход из строя двигателя может привести к авариям и длительным простоям производства, что в свою очередь приводит к прямым финансовым потерям, которые вызваны нарушением технологического процесса и затратами на восстановление и ремонт электродвигателя. В связи с этим вопрос диагностики АД весьма актуален. Процесс автоматизации управления технологическими процессами путем использования диагностики технического состояния оборудования в рабочих режимах позволяет свести к минимуму ущерб от этих последствий за счет выявления дефектов на ранней стадии развития.

В настоящее время особое внимание начали уделять контролю оборудования по состоянию, а не по системе планово-предупредительных ремонтов. Это стало возможным благодаря использованию методов и средств контроля и анализа текущего технического состояния. Преимущество данного подхода заключается в том, что ремонт производится только для того оборудования, которому он необходим, оценка состояния производится в процессе эксплуатации, без каких-либо разборок и ревизий, на базе контроля и анализа соответствующих параметров. Также этот подход является источником существенного повышения конкурентоспособности, рентабельности и прибыльности предприятия. Этому способствует развитие микропроцессорной и компьютерной техники. Затраты на техническое обслуживание электродвигателей снижаются на 50-75% по сравнению с обслуживанием по системе планово-предупредительных ремонтов [2].

Для введения технологии обслуживания по состоянию необходима полная диагностика объекта, причем желательно выявлять все дефекты, влияющие на ресурс, задолго до отказа, чтобы подготовиться к ремонту.

Таким образом, из всего вышеперечисленного видна актуальность проблемы разработки и усовершенствования методов и средств диагностирования технического состояния электродвигателей на основе контроля параметров рабочих режимов.

Цели и задачи исследования

Целью работы является разработка метода технической диагностики, позволяющего на ранней стадии выявлять дефекты электродвигателя в рабочих режимах и обеспечивающего возможность установления вероятных причин развивающегося повреждения.

Задачи исследования, в соответствии с целью работы, заключаются в следующем:

1. Выполнить анализ результатов физического и математического моделирования рабочих режимов АД с КЗР при возникновении различных видов дефектов.
2. Разработать метод технической диагностики, позволяющий выявлять возникающие дефекты на ранней стадии их развития и возможные причины их развития.
3. Оценить экономическую эффективность при внедрении разработанного метода технической диагностики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Объектом исследования является состояние и параметры рабочего режима АД с КЗР при возникновении дефектов обмоток статора и ротора.

Предметом исследования является диагностирование технического состояния АД с КЗР на основе распознавания источников несимметрии параметров рабочего режима.

Планируемый практический результат

Планируется проверка разработанного метода диагностики АД с КЗР на лабораторной модели для оценки достоверности метода и проверки точности измерения диагностических параметров.

Обзор литературы по тематике

Исследованию влияния дефектов электрических машин на их параметры и характеристики посвящены работы М. А. Гашимова, М. З. Дудника, И. П. Копылова, Д. В. Полковниченко, В. Ф. Сивокобыленко, М. П. Костенко и др. авторов.

Результаты работ показывают, что при неисправностях обмоток статора и ротора в той или иной степени нарушается симметричность и синусоидальность токов и напряжений в фазах, происходит снижение энергетических показателей и ухудшение рабочих характеристик, возникают вибрации, изменение шума и т. п.

Обзор существующих методов технической диагностики электродвигателей показал, что в настоящее время отсутствует единая концепция диагностирования и контроль технического состояния в основном осуществляется во время проведения плановых ремонтов, что не позволяет обнаружить дефекты в начальной стадии развития и предотвратить значительное повреждение электродвигателей или же их полный выход из строя. Но более эффективным и удобным в эксплуатации является диагностирование в рабочем режиме, то есть без отключения электрооборудования. К этому методу диагностирования и необходимо переходить для повышения ресурса и надежности электрооборудования, сокращения затрат, связанных с ремонтом и простоями.

Существующие методы и средства технической диагностики электродвигателей

Самым распространенным методом диагностики электродвигателей в настоящее время является вибродиагностика, основанная на измерении и анализе вибраций корпуса двигателя. Комплекс параметров вибрации практически полностью характеризует техническое состояние работающего агрегата и позволяет прогнозировать возникновение неисправностей и аварий АД и электромеханического оборудования. Критерии, с помощью которых оценивается эффективность применения тех или иных методов вибродиагностики, а также описание наиболее распространенных групп методов вибродиагностики АД приведены в работе [7].

Несмотря на развитость технических средств измерения вибраций и методов их анализа, вибродиагностика имеет ряд недостатков, обусловленных контактным способом крепления датчиков к объекту. Дополнительную информацию о техническом состоянии объекта можно получить на основе измерений временных и спектральных характеристик фазных токов и полей рассеяния, существующих вне корпуса двигателя. Данные методы диагностики являются бесконтактными, что является несомненным их преимуществом перед вибродиагностикой.

С развитием вычислительной техники появились разработки автоматических и автоматизированных систем диагностики электродвигателей (например, рис. 1). При этом для их реализации в качестве диагностических параметров предлагаются различные рабочие параметры электродвигателя [3].

В работе [8] отдельно выделена диагностика электродвигателей, для которых характерны частые включения и выключения напряжения питания. Отмечается необходимость диагностирования таких двигателей в переходных режимах работы. В работе рассмотрен автоматизированный измерительный комплекс, с помощью которого производились измерения диагностических параметров объекта исследования. В состав комплекса входят: персональный компьютер, специализированная плата сбора данных, размещаемая в разъеме системной магистрали компьютера, датчики индуктивного типа для измерения фазных токов и полей рассеяния электродвигателя, программное обеспечение.

В работе [9] рассмотрен метод диагностики асинхронных двигателей средней мощности по результатам приемо-сдаточных испытаний. Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель расчета конкретных значений показателей качества асинхронных двигателей по результатам приемо-сдаточных испытаний, использование которой возможно в технологическом процессе изготовления асинхронных двигателей. Также в данной работе разработана математическая модель поиска причин выхода показателей качества за допустимые пределы и программа для анализа данных причин для ЭВМ, создан алгоритм диагностики влияния входных параметров на качество технических характеристик.

Работа [10] посвящена диагностированию эксцентрисистета ротора асинхронных двигателей по гармоническому составу тока статора. В ней на основании результатов математического моделирования и физического эксперимента впервые установлена взаимосвязь амплитуд гармонических составляющих спектра потребляемого тока для некоторых типов АД с величиной эксцентриситета, позволяющая оценивать предельные параметры эксцентриситета ротора в работающем электродвигателе. Также в работе предложена усовершенствованная математическая модель асинхронного электродвигателя с эксцентриситетом ротора на основе аналитического выражения величины взаимной индуктивности, характеризующего влияние эксцентриситета ротора на гармонический состав тока статора, отличающаяся от известных тем, что позволяет с помощью стандартных программ, применяемых для моделирования работы асинхронных электродвигателей, для различных типов АД с погрешностью не более 10% рассчитывать порядок и значение высших гармоник ток статора, создаваемых эксцентриситетом. По результатам полученных в работе данных сделан вывод, что при диагностировании эксцентриситета ротора АД переносными устройствами целесообразно использовать спектральный анализ тока только одной фазы, в то время как при диагностировании мощных и ответственных АД, в цепи питания которых установлены датчики тока в трех фазах питания, целесообразно использовать анализ спектрального состава обобщенного вектора тока статора с целью распознавания не только эксцентриситета ротора, но и других повреждений асинхронного двигателя. Следует отметить предложенный в данной работе способ автоматического контроля эксцентриситета ротора АД, отличающийся от существующих тем, что сравнение гармоник тока статора, полученных в результате спектрального анализа производят с заданными значениями гармоник тока на характерных частотах. Предложенный способ позволяет повысить надежность и селективность распознавания эксцентрисистета на ранней стадии его развития. Микропроцессорное устройство контроля эксцентриситета ротора, разработанное по результатам работы, позволяет выявлять недопустимый уровень эксцентриситета ротора в АД, превышающий 30% номинального значения воздушного зазора.

Аналитический способ расчета токов и моментов при дефекте одного стержня короткозамкнутой клетки ротора приведен в работе [11]. В этом способе использовано понятие изображающих векторов, введена в функциональные связи характеристика намагничивания магнитной цепи машины и учтена электромагнитная связь МДС различных последовательностей ротора с обмоткой статора. Также в этой работе развит метод симметричных составляющих применительно к электрическим машинам. Показано, что каждая последовательность токов ротора создает МДС, число периодов и направление вращения которой зависит от порядка последовательности. Выполнены исследования АД с симметричной и несимметричной клетками ротора в длительном режиме под нагрузкой. При неизменной мощности на валу определены превышения температуры обмотки статора и ротора и показано, что из-за обрыва одного стержня клетки ротора превышение температуры обмотки статора и ротора может увеличиваться на несколько градусов.

В работе [4] предлагается работоспособность асинхронных электродвигателей определять по их функциональному состоянию. Это состояние представлено тремя вариантами – двумя функциональными (номинальным и неноминальным) и одним нефункциональным – и охарактеризовано с помощью таких показателей, как полезная мощность на валу электродвигателя и скорость затраты ресурса обмотки статора. Определено, что изменение скорости затраты ресурса при условиях неизменной мощности на валу электродвигателя обусловлено возникновением повреждений в его узлах. Установлена взаимосвязь между изменениями потерь активной мощности и изменением функционального состояния АД, на основании которой разработан новый метод диагностирования, который дает возможность контролировать работоспособность двигателя в процессе производственной эксплуатации и находить поврежденные узлы.

В работе [2] разработан метод диагностирования обмоток статора и ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором по данным контроля мгновенных значений фазных токов и напряжений в рабочих режимах, который отличается от известных методов тем, что для оценки технического состояния электродвигателя используется комплексный критерий исправности, основанный на использовании симметричных составляющих тока статора и угла наклона механической характеристики АД в области рабочих скольжений. С целью учета влияния несимметрии напряжения питания на результаты диагностики, разработан метод, основанный на сравнении величин фазных сопротивлений электродвигателя, которые рассчитываются по данным контроля мгновенных значений фазных токов и напряжений. Предложены обобщенные зависимости комплексного критерия исправности для АД с КЗР разных типов при разных видах дефектов обмоток статора и ротора, которые используются для определения граничных значений этого критерия.

На рисунке 2 показаны изменения зависимостей i1(t)=f[i2(t)] при различных видах повреждений.

В работе [5] разработаны способы и устройства не только определяющие факт замыкания витков в рабочем режиме АД, но и позволяющие выявлять без разбора двигателя поврежденную секцию обмотки статора; выявлять эксцентриситет ротора на работающем двигателе. Кроме того, защита АД была дополнена блоками, позволяющими выявлять затянувшийся пуск, опрокидывание, заклинивание ротора.

Описание многофункционального устройства защиты и эксплуатационной диагностики асинхронных и синхронных электродвигателей приведено в работе [6]. Набор функций защитно-диагностического устройства зависит от степени ответственности агрегата с электродвигателем в технологическом процессе, вида электродвигателя, конструкции обмоток статора и ротора, номинальной мощности и напряжения. Так, в частности, устройство для ответственного односкоростного АД напряжением выше 1 кВ мощностью до 2000 кВт должно реагировать на короткие замыкания обмотки статора, включая замыкания витков одной фазы, замыкания на землю обмотки статора, симметричные и несимметричные перегрузки, снижение сопротивления изоляции обмотки статора, обрыв стержней ротора, несостоявшийся и затянувшийся пуски, заклинивание ротора работающего АД, старение изоляции; обнаруживать повреждения подшипников, эксцентриситет ротора, перекос осей ротора АД и механизма, обрыв связи между АД и механизмом. Несмотря на очевидные достоинства описанного устройства, недостатком следует признать то, что для его реализации требуется внести изменения в конструкцию электродвигателя.

Заключение

Существующие методы диагностики асинхронных электродвигателей являются устаревшими и малоэффективными, так как не позволяют выявить повреждения и дефекты элементов электродвигателя в начальной стадии их возникновения и требуют отключения оборудования для проведения осмотра. Это приводит к неожиданному выходу двигателей из строя и влечет за собой убытки, связанные с простоем оборудования, нарушением производственного технологического процесса и затратами на ремонт или замену оборудования.

Разработанный метод позволит проводить диагностирование электродвигателей без его отключения с помощью контроля значений токов и напряжений в рабочем режиме. Использование метода должно привести к повышению рентабельности и прибыльности предприятия, на котором он будет использоваться.

Список источников

1. Сайт магистра ДонНТУ Шевцова А. В. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/2009/eltf....
2. Полковниченко Дмитрий Викторович. Совершенствование диагностирования обмоток короткозамкнутых асинхронных электродвигателей на основе контроля параметров рабочего режима: Дис... канд. техн. наук: 05.09.01 / Донецкий национальный технический ун-т. – Донецк, 2003. – 202л. – Библиогр.: л. 136-148.
3. Сайт магистра ДонНТУ Маруневича А. И. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.masters.donntu.ru/2006/eltf....
4. Вовк Александр Юрьевич. Эксплуатационный контроль работоспособности асинхронных электродвигателей по их функциональному состоянию: Дис... канд. техн. наук: 05.09.16 / Таврическая гос. агротехническая академия. – Мелитополь, 2003. – 172л. – Библиогр.: л. 128-140.
5. Ляткер И.И., Мордкович А.Г., Несвижский А.М. Система непрерывного контроля и диагностики синхронных машин // Электротехника. – 1996. – № 3. – С. 44-47.
6. Мануковский А.В. Совершенствование защит асинхронных двигателей от внутренних повреждений: Автореф. дис... канд.техн.наук. Павлодар, 1995.
7. Браташ О. В., Калинов А. П., Кременчугский государственный университет имени Михаила Остроградского, статья Анализ методов вибродиагностики асинхронных двигателей [Электронный ресурс] . – Режим доступа: http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural....
8. Чернов, Дмитрий Владимирович Функциональная диагностика асинхронных электродвигателей в переходных режимах работы: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.11.01 / Ульян. гос. техн. ун-т
9. Молодых, Павел Анатольевич Диагностика асинхронных двигателей средней мощности по результатам приемо-сдаточных испытаний: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.09.01
10. Рогачев, Вячеслав Анатольевич Диагностирование эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей по гармоническому составу тока статора: диссертация ... кандидата технических наук: 05.09.01 / Рогачев Вячеслав Анатольевич; [Место защиты: Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (Новочеркас. политехн. ин-т)
11. Саада Гургес Исследование влияния повреждений короткозамкнутого ротора на работу асинхронного двигателя: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.09.01

Во время написания автореферата магистерская работа не завершена. Окончательный вариант работы можно получить у автора или научного руководителя после декабря 2012 года.