Контроль исправности обмоток короткозамкнутых асинхронных электродвигателей

Методы диагностики технического состояния асинхронных электродвигателей, основанные на выполнении мониторинга потребляемого тока с последующим выполнением специального спектрального анализа полученного сигнала, получили в последнее время широкое распространение [1,2].

В Донецком национальном техническом университете предложено [3] для контроля состояния обмоток короткозамкнутых АД использовать функциональные зависимости мгновенных значений фазных токов статора или их соотношений, например зависимость і₁(t)=f[і₂(t)]. При этом і₁ и і₂ определяются как

где і_а(t), і_с(t) – мгновенные значения токов фаз А и С.

Использование токов фаз А и С обусловлено тем, что на большинстве присоединений электродвигателей трансформаторы токи устанавливаются лишь в этих двух фазах.

На рис.1 приведены зависимости і₁(t)=f[і₂(t)], которые получены путем математического моделирования для исправного двигателя и при наличии в нем дефектов обмоток статора и ротора. Моделирование выполнялось для АД типа АНЗ-16-36-12 мощностью 1000 кВт, который имеет сто тридцать два паза обмотки короткозамкнутого ротора, а его фазные обмотки статора выполнены из двух параллельных ветвей. Согласно [4] для этого двигателя несимметрия токов при обрыве одного стрежня короткозамкнутого ротора составляет 5 %, а при обрыве одной параллельной ветви обмотки статора - 25%. При этом частота тока обратной последовательности f_ОП, вызванного обрывом стрежней короткозамкнутого ротора АД, является функцией скольжения s, и определяется по выражению

f_ОП=f₁(1-2s),

где f₁ – частота питающего напряжения.

Исходя из этого, наличие дефекта короткозамкнутого ротора вызывает пульсации тока во всех фазах обмотки статора, а дефекты обмотки статора вызывают несимметрию амплитуд в поврежденной и "здоровых" фазах [5].

Анализ полученных зависимостей показывает, что для полностью исправного двигателя зависимость і₁(t)=f[і₂(t)] представляет собой правильную окружность (рис.1,а). При возникновении дефекта происходит ее искажение. Так возникновение дефекта короткозамкнутого ротора приводит к образованию кольца, толщина которого согласно зависимости і₁(t)=f[і₂(t)] пропорциональна току обратной последовательности и зависит от степени дефекта короткозамкнутого ротора АД (рис.1,б). При возникновении дефекта обмотки статора зависимость і₁(t)=f[і₂(t)] представляет собой эллипс (рис.1,в). При этом по виду эллипса можно определить не только наличие дефекта, а и вид дефекта, его степень и поврежденную фазу. Так степень развития дефекта можно определить по изменению диаметров большой и малой осей эллипса, а от того какая фаза повреждена зависит направление наклона зависимости.

Результаты, полученные путем математического моделирования, подтверждены экспериментальными исследованиями, которые были проведены в лаборатории кафедры <<Электрические станции>> Донецкого национального технического университета.

Исследование витковых замыканий в обмотке статора проведены на экспериментальном АД 0,4 кВ типа 4А112Г4У3 мощностью 5,5 кВт с выведенными в фазе А отпайками, которые позволяют имитировать замыкание витков. На рис.2,а приведена зависимость і₁(t)=f[і₂(t)] при наличии замыкания 16 % витков фазы обмотки статора АД.

Для исследования режимов работы АД при обрыве стрежней короткозамкнутого ротора использовался экспериментальный АД 0,4 кВ типа 4А132Г6У3, ротор которого модернизован с целью обеспечения возможности имитации обрывов стрежней обмотки. Для этого на вынутом роторе отрезаны и заменены боковые короткозамыкающие кольца, а во всех стрежнях с двух сторон выполнены отверстия с резьбой. Выполненная модернизация позволяет имитировать обрывы стрежней короткозамкнутой обмотки ротора. Для этого с помощью отвертки через отверстия в боковых крышках вывинчиваются болты, которые соединяют стрежень с короткозамыкающими кольцами. На рис.2,б приведена зависимость і₁(t)=f[і₂(t)] при наличии трех оборванных стрежней короткозамкнутого ротора АД.

Для внедрения предложенного способа не нужны ни дополнительные датчики, ни сложные устройства и алгоритмы его реализации. Особенно удобным является использования цифровых осциллографов, которые в последнее время широко внедряются на промышленных предприятиях. В этом случае выполняют запись фазных токов двигателей с помощью токоизмерительных клещей, а затем воссоздают функциональные зависимости і₁(t)=f[і₂(t)] на мониторе компьютера.

Перечень ссылок

1. Петухов В.С. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока / В.С. Петухов, В.А. Соколов // Новости электротехники. – 2005. – № 31. – С. 50–52.
2. Assaf T. A spectral method for on-line computation of the harmonics of symmetrical components in induction machines / T. Assaf, H. Henao, G.-A. Capolino // International conference on electrical machines (ICEM-2002), Old St. Jan Conference Center, Brugge, Belgium, Conference Record.
3. Патент на винахід № 83226 (Україна) Спосіб контролю справності стрижнів короткозамкненої обмотки ротора асинхронного двигуна/ В.Ф. Сивокобиленко, Д.В. Полковніченко. – Бюл. № 12, 2008.
4. Полковниченко Д.В. Математическое моделирование установившихся режимов работы асинхронных электродвигателей при наличии в них дефектов / Д.В. Полковниченко // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 28. – Донецк: ДонГТУ. – 2001. – С.100–102.
5. Сивокобыленко В.Ф. Диагностика состояния ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров рабочего режима / В.Ф. Сивокобыленко, Д.В. Полковниченко // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 41. – Донецк: ДонГТУ. – 2002. – С.41–45.