Зміст

• 1. Актуальність теми
• 2. Мета та задачі дослідження
• 3. Практичний результат, що планується
• 4. Огляд літератури за тематикою
• 5. Існуючі методи та засоби техничної діагностики електродвигунів
• 6. Заключення
• 7. Перелік посилань

Актуальність теми

Близько 40% електроенергії, що виробляється у світі, споживається електроприводом, основним різновидом якого є асинхронний двигун (АД) із короткозамкненим ротором (КЗР). Така широта застосування пояснюється простотою виробництва та експлуатації, а також наступними перевагами:

• Приблизно постійною швидкістю при різних навантаженнях;
• Можливістю короткочасних механічних перевантажень;
• простотою конструкції;
• простотою пуску та легкістю його автоматизації.

Однак головною проблемою використання АД є їх висока пошкоджуваність, яка, згідно статистики, розподіляється наступним чином:

• пошкодження елементів статора – 38%;
• пошкодження елементів ротора – 10%;
• пошкодження елементів підшипників – 40%;
• інші пошкодження – 12% [1].

Несподіваний вихід з ладу двигуна може призвести до аварій та тривалим простоям виробництва, що в свою чергу призводить до прямих фінансових збитків, які викликані порушенням технологічного процесу та затратами на ремонт двигуна. У зв’язку із цим питання діагностики АД є доволі актуальним. Процес автоматизації управління технологічними процесами шляхом використання діагностики технічного стану обладнання в робочих режимах дозволяє звести до мінімуму збиток від цих наслідків за рахунок виявлення дефектів на ранній стадії їхнього розвитку.

В теперішній час особливу увагу почали приділяти контролю обладнання «за станом», а не за системою планово-попереджувальних ремонтів. Це стало можливим завдяки використанню методів та засобів контролю та аналізу поточного технічного стану. Перевага даного підходу полягає в тому, що ремонт виконується тільки для того обладнання, якому він необхідний, оцінка стану виконується в процесі експлуатації, без будь-яких розбирань та ревізій, на базі контролю та аналізу відповідних параметрів. Також цей підхід є джерелом суттєвого підвищення конкурентоспроможності, рентабельності та прибутковості підприємства. Цьому сприяє розвиток мікропроцесорної та комп’ютерної техніки. Витрати на технічне обслуговування електродвигунів знижуються на 50-75% у порівнянні з обслуговуванням за системою планово-попереджувальних ремонтів [2].

Для впровадження технології обслуговування «за станом» необхідна повна діагностика об’єкту, причому бажано виявляти усі дефекти, що впливають на ресурс, задовго до відмови, щоб підготуватися до ремонту.

Таким чином, із усього вище переліченого видно актуальність проблеми розробки та вдосконалення методів та засобів діагностування технічного стану електродвигунів на основі контролю параметрів робочих режимів.

Мета і задачі дослідження

Метою роботи є розробка методу технічної діагностики, що дозволяє на ранній стадії виявляти дефекти електродвигуна в робочих режимах та забезпечує можливість встановлення ймовірних причин пошкодження, що розвивається.

Задачі дослідження, у відповідності з метою роботи, полягають в наступному:

1. Виконати аналіз результатів фізичного та математичного моделювання робочих режимів АД з КЗР при виникненні різних видів дефектів.
2. Розробити метод технічної діагностики, що дозволяє виявляти дефекти на ранній стадії їхнього розвитку та можливі причини їхнього розвитку.
3. Оцінити економічну ефективність при впровадженні розробленого методу технічної діагностики асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором.

Об'єктом дослідження є стан та параметри робочого режиму АД з КЗР при виникненні дефектів обмоток статора та ротора.

Предметом дослідження є діагностування технічного стану АД з КЗР на основі розпізнавання джерел несиметрії параметрів робочого режиму.

Практичний результат, що планується

Планується перевірка розробленого методу діагностики АД з КЗР на лабораторній моделі для оцінки достовірності методу та перевірки точності вимірювання діагностичних параметрів.

Огляд літературі за тематикою

Дослідженню впливу дефектів електричних машин на їхні параметри та характеристики присвячені роботи М. А. Гашимова, М. З. Дудника, І. П. Копилова, Д. В. Полковниченка, В. Ф. Сивокобиленка, М. П. Костенка та ін. авторів.

Результати робіт показують, що при несправностях обмоток статора і ротора в тому або іншому ступені порушується симетричність та синусоідальність струмів та напруг у фазах, виникає зниження енергетичних показників та погіршення робочих характеристик, виникають вібрації, зміни шуму і т. п.

Огляд існуючих методів технічної діагностики електродвигунів показав, що в теперішній час відсутня єдина концепція діагностування і контроль технічного стану в основному здійснюється під час проведення планових ремонтів, що не дозволяє виявити дефекти в початковій стадії їхнього розвитку та запобігти значного пошкодження електродвигунів або ж їхнього повного виходу з ладу. Але найбільш ефективним та зручним в експлуатації є діагностування в робочому режимі, тобто без відключення електрообладнання. До цього методу діагностування і необхідно переходити для підвищення ресурсу та надійності електрообладнання, скорочення витрат, пов’язаних із ремонтом та простоями.

Існуючі методи та засоби технічної діагностики електродвигунів.

Найпоширенішим методом діагностики електродвигунів в наш час є вібродіагностика, заснована на вимірі і аналізі вібрацій корпусу двигуна. Комплекс параметрів вібрації практично повністю характеризує технічний стан працюючого агрегату і дозволяє прогнозувати виникнення несправностей і аварій АД і електромеханічного устаткування. Критерії, за допомогою яких оцінюється ефективність вживання тих або інших методів вібродіагностики, а також опис найбільш поширених груп методів вібродіагностики АД приведені в роботі [7].

Не дивлячись на розвиненість технічних засобів виміру вібрацій і методів їх аналізу, вібродіагностика має ряд недоліків, зумовлених контактним способом кріплення датчиків до об'єкту. Додаткову інформацію про технічний стан об'єкту можна отримати на основі вимірів тимчасових і спектральних характеристик фазних струмів і полів розсіяння, що існують поза корпусом двигуна. Дані методи діагностики є безконтактними, що є безперечною їх перевагою перед вібродіагностикою.

Із розвитком обчислювальної техніки з’явилися розробки автоматичних та автоматизованих систем діагностики електродвигунів (наприклад, рис. 1). При цьому для їх реалізації в якості діагностичних параметрів пропонуються різні робочі параметри електродвигуна [3].

В роботі [8] окремо виділена діагностика електродвигунів, для яких характерні часті включення і відключення напруги живлення. Наголошується необхідність діагностування таких двигунів в перехідних режимах роботи. У роботі розглянутий автоматизований вимірювальний комплекс, за допомогою якого виконувалися виміри діагностичних параметрів об'єкту дослідження. До складу комплексу входять: персональний комп'ютер, спеціалізована плата збору даних, що розміщується в роз'ємі системної магістралі комп'ютера, датчики індуктивного типу для виміру фазних струмів і полів розсіяння електродвигуна, програмне забезпечення.

В роботі [9] розглянуто метод діагностики асинхронних двигунів середньої потужності за результатами прийомо-здавальних випробувань. Розроблена і реалізована на ЕОМ математична модель розрахунку конкретних значень показників якості асинхронних двигунів за результатами прийомо-здавальних випробувань, використання якої можливо в технологічному процесі виготовлення асинхронних двигунів. Також в даній роботі розроблена математична модель пошуку причин виходу показників якості за допустимі межі і програма для аналізу даних причин для ЕОМ, створено алгоритм діагностики впливу вхідних параметрів на якість технічних характеристик.

Робота [10] присвячена діагностуванню ексцентрисистету ротора асинхронних двигунів по гармонійному складу струму статора. У ній на підставі результатів математичного моделювання і фізичного експерименту вперше встановлено взаємозв'язок амплітуд гармонійних складових спектру споживаного струму для деяких типів АД з величиною ексцентриситету, що дозволяє оцінювати граничні параметри ексцентриситету ротора в працюючому електродвигуні. Також в роботі запропонована вдосконалена математична модель асинхронного електродвигуна з ексцентриситетом ротора на основі аналітичного виразу величини взаємної індуктивності, що характеризує вплив ексцентриситету ротора на гармонійний склад струму статора, що відрізняється від відомих тим, що дозволяє за допомогою стандартних програм, що використовуються для моделювання роботи асинхронних електродвигунів, для різних типів АД з погрішністю не більше 10% розраховувати порядок і значення вищих гармонік струму статора, що створюються ексцентриситетом. За результатами отриманих в роботі даних зроблено висновок, що при діагностуванні ексцентриситету ротора АД переносними пристроями доцільно використовувати спектральний аналіз струму лише однієї фази, тоді як при діагностуванні потужних і відповідальних АД, в ланцюзі живлення яких встановлені датчики струму в трьох фазах живлення, доцільно використовувати аналіз спектрального складу узагальненого вектора струму статора з метою розпізнавання не лише ексцентриситету ротора, але і інших пошкоджень асинхронного двигуна. Слід зазначити запропонований в даній роботі спосіб автоматичного контролю ексцентриситету ротора АД, що відрізняється від тих, що існують, тим, що порівняння гармонік струму статора, отриманих в результаті спектрального аналізу отримують із заданими значеннями гармонік струму на характерних частотах. Запропонований спосіб дозволяє підвищити надійність і селективність розпізнавання ексцентрісистета на ранній стадії його розвитку. Мікропроцесорний пристрій контролю ексцентриситету ротора, розроблений за результатами роботи, дозволяє виявляти недопустимий рівень ексцентриситету ротора в АД, що перевищує 30% номінального значення повітряного зазору.

Аналітичний спосіб розрахунку струмів і моментів при дефекті одного стрижня короткозамкнутої клітки ротора приведений в роботі [11]. У цьому способі використано поняття векторів, що зображуюють, введена у функціональні зв'язки характеристика намагнічування магнітного ланцюга машини і врахований електромагнітний зв'язок МДС різних послідовностей ротора з обмоткою статора. Також в цій роботі розвинено метод симетричних складових стосовно електричних машин. Показано, що кожна послідовність струмів ротора створює МДС, число періодів і напрям обертання якої залежить від порядку послідовності. Виконані дослідження АД з симетричною і несиметричною клітками ротора в тривалому режимі під навантаженням. При незмінній потужності на валу визначені перевищення температури обмотки статора і ротора і показано, що через обрив одного стрижня клітки ротора перевищення температури обмотки статора і ротора може збільшуватися на декілька градусів.

В роботі [4] пропонується роботоспроможність асинхронних електродвигунів визначати за їхнім функціональним станом. Цей стан представлений трьома варіантами – двома функціональними (номінальним та неномінальним) та одним нефункціональним – і охарактеризований за допомоги таких показників, як корисна потужність на валу електродвигуна та швидкість витрати ресурсу обмотки статора. Визначено, що змінення швидкості витрати ресурсу за умов незмінної потужності на валу електродвигуна зумовлено виникненням пошкоджень в його вузлах. Встановлений взаємозв’язок між зміненнями втрат активної потужності ті зміненням функціонального стану АД, на основі якого розроблений новий метод діагностування, який дає можливість контролювати роботоспроможність двигуна в процесі виробничої експлуатації та знаходити пошкоджені вузли.

В роботі [2] розроблено метод діагностування обмоток статора і ротора асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором за даними контролю миттєвих значень фазних струмів та напруг в робочих режимах, який відрізняється від відомих методів тим, що для оцінки технічного стану електродвигуна використовується комплексний критерій справності, що оснований на використанні симетричних складових струму статора та кута нахилу механічної характеристики АД в області робочих ковзань. З ціллю врахування впливу несиметрії напруги живлення на результати діагностики, розроблено метод, оснований на порівнянні величин фазних опорів електродвигуна, які розраховуються за даними контролю миттєвих значень фазних струмів та напруг. Запропоновані узагальнені залежності комплексного критерію справності для АД з КЗР різних типів при різних видах дефектів обмоток статора і ротора, які використовуються для визначення граничних значень цього критерію.

На рисунку 2 показані зміни залежностей i1(t)=f[i2(t)] за різних видів пошкоджень.

В роботі [5] розроблені засоби та пристрої, що не тільки визначають факт замикання витків в робочому режимі АД, але й дозволяють виявляти без розбирання двигуна пошкоджену секцію обмотки статора, виявляти ексцентриситет ротора на працюючому двигуні. Крім того, захист АД був доповнений блоками , що дозволяють виявляти пуск, що затягнувся, опрокидування, заклинювання ротору.

Опис багатофункціонального пристрою захисту та експлуатаційної діагностики асинхронних та синхронних електродвигунів наведений в роботі [6].Набір функцій захисно-діагностичного пристрою залежить від ступеню відповідальності агрегату із електродвигуном в технологічному процесі, виду електродвигуна, конструкції обмоток статора і ротора, номінальної швидкості та напруги. Так, пристрій для відповідального одношвидкісного АД напругою вище 1 кВ потужністю до 2000 кВт повинний реагувати на короткі замикання обмотки статора, включаючи замикання витків однієй фази, замикання на землю обмотки статора, симетричні та несиметричні перевантаження, зниження опору ізоляції обмотки статора, обрив стрижнів ротора, пуски, що не відбулися або затягнулися, заклинювання ротора працюючого АД, старіння ізоляції; знаходити пошкодження підшипників, ексцентриситет ротора, перекіс вісей ротора АД і механізма, обрив зв’язку між АД та механізмом. Незважаючи на очевидні достоїнства описного пристрою, недоліком слід признати те, що для його реалізації потрібно внести зміни у конструкцію електродвигуна.

Заключення

Існуючі методи діагностики асинхронних двигунів є застарілими та малоефективними, тому що не дозволяють виявити пошкодження та дефекти елементів електродвигуна на їх початковій стадії виникнення та потребують відключення обладнання для проведення огляду. Це призводить до несподіваного виходу з ладу двигунів та тягне за собою збитки, пов’язані із простоєм обладнання, порушенням технологічного процесу та витратами на ремонт або заміну обладнання.

Розроблений метод дозволить проводити діагностування електродвигуна без його відключення за допомогою контролю значень струмів та напруг в робочому режимі. Використання методу повинно призвести до підвищення рентабельності та прибутковості підприємства, на якому він буде застосовуватися.

Перелік посилань

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

Під час написання автореферату магістерська робота не закінчена. Остаточний варіант роботи можна отримати у автора або научного керівника після грудня 2012 року.