UA   EN
ДОННТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Асинхронные электродвигатели (далее АД) являются одними из основных преобразователей электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода множества механизмов, которые используются во всех отраслях народного хозяйства [1].

Качество изготовления данных электрических машин во многом определяет технический уровень произведённой продукции и в других отраслях промышленности нашей страны [2]. Уже многие десятилетия АД необходимы и незаменимы в самых различных областях применения: в виде приводов насосов, компрессоров, вращающихся печей и мельниц, также в горной промышленности, химической и нефтехимической промышленности, нефтегазовом комплексе, в сталеплавильных и прокатных цехах металлургической промышленности, в технике защиты окружающей среды.

Однако следует помнить, что АД – это электромашина, состоящая из множества деталей, узлов и механизмов [3]. Большое количество различных составных элементов приводит к тому, что прочностные характеристики всей машины становятся зависимыми от надёжности каждого элемента по отдельности. Поэтому задача по выявлению неисправностей в асинхронном двигателе является неотъемлемой частью в его эксплуатации.

1. Обзор распространённых неисправностей асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели обычно рассчитаны на срок службы 15—20 лет [4] без капитального ремонта, при условии их правильной эксплуатации.

Рисунок 1 - Разрез асинхронного двигателя

Под правильной эксплуатацией двигателя понимается его работа в соответствии с номинальными параметрами, указанными в паспортных данных. На практике АД показывают свою выносливость и простоту по относительно низкой стоимости. Однако в реальной жизни имеет место значительное отступление от номинальных режимов эксплуатации, поэтому в процессе работы АД могут возникать повреждения элементов двигателя, что в свою очередь приводит к преждевременному выходу его из строя. Периодическая диагностика состояния оборудования помогает своевременно выявить возникающие неисправности, а также точно определить причину поломок и дефектов электродвигателей. Исследованы механизмы влияния факторов на эксплуатационную надежность и срок службы асинхронных двигателей [5]. Основными из них являются следующие:

Последствием этих факторов являются аварийные режимы работы АД [6]. В настоящее время более 70% эксплуатируемых асинхронных двигателей составляют машины, побывавшие в капитальном ремонте хотя бы один раз [7, 8]. Ежегодно выходят из строя и ремонтируются до 30% применяемых электродвигателей. Подавляющее большинство их после ремонта возвращается на предприятие и эксплуатируется до следующего выхода из строя. Машина может ремонтироваться 3-4 раза, а время наработки на отказ составляет 0,5 ... 1,5 года. Выход из строя двигателя приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологических процессов, устранением последствий аварий и дорогостоящим ремонтом вышедшего из строя электродвигателя.

В зависимости от способа исполнения обмотки ротора асинхронного двигателя разделяются на две группы: с короткозамкнутой обмоткой на роторе и с фазной обмоткой. Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе более дешевы в производстве, надёжны в эксплуатации. Большинства асинхронных двигателей выпускаются промышленностью с короткозамкнутым ротором. У таких роторов обмотки имеют вид беличьей клетки. Все неисправности электродвигателей с короткозамкнутым и фазным ротором можно разделить на две основные группы: механические и электрические.

К механическим неисправностям относятся дефекты в корпусе двигателя, крыльчатке вентилятора, ослабление крепления обмоток статора, деформация вала ротора, износ подшипников. Наиболее частое механическое повреждение — это безусловно проблема, связанная с подшипниками. Типичными признаками износа подшипников являются увеличение шума при работе двигателя и возникновение вибрации, вследствие чего двигатель начинает сильнее греться.

К электрическим повреждениям можно отнести межвитковые замыкания, обрыв обмоток, пробой изоляции на корпус, снижение сопротивления изоляции, повреждение изоляции, нарушение контактов и соединений, нарушение межлистовой изоляции магнитопроводов, износ щеток, повреждение контактных колец. Очевидно, что эффективность диагностики может обеспечиваться только комплексным характером результатов контроля.

Рассмотрим наиболее распространённые неисправности асинхронных электродвигателей (табл. 1) [9].

Таблица 1 - Неисправностей асинхронного электродвигателя.

№ Неисправности Фото Статистика
1 Перегрузка или перегрев статора электродвигателя

Рисунок 2 – Статор

 31 %
2 Межвитковое замыкание

Рисунок 3 – Замыкание между витками (статор)

 15 %
3 Повреждения подшипников

Рисунок 4 – Демонтированный повреждённый подшипник

 12 %
4 Повреждение обмоток статора или изоляции

Рисунок 5 – Сгоревшая обмотка статора (изоляция оплавлена)

 11 %
5 Неравномерный воздушный зазор между статором и ротором

Рисунок 6 – Воздушный зазор

 9 %
6 Работа электродвигателя на двух фазах (обрыв одной из фаз)

Рисунок 7 – Обрыв фазы

 8 %
7 Обрыв или ослабление крепления стержней в беличьей клетке

Рисунок 8 – Тип ротора "Беличья клетка"

 5 %
8 Ослабление крепления обмоток статора

Рисунок 9 – Ослаблено креление

 4 %
9 Дисбаланс ротора электродвигателя

Рисунок 10 – Нарушение баланса ротора

 3 %
10 Несоосность валов

Рисунок 11 – Виды несоосности

 2 %

Вышеуказанные неисправности наносят ущерб предприятию. В основном этот ущерб связан с простоем оборудования, нарушением технологического процесса или порче выпускаемой продукции. Дополнительно к убыткам можно отнести снижение электро- и пожаробезопасности, связанное с возможными короткими замыканиями в обмотках статора и ротора двигателя. К тому же, при эксплуатации электродвигателей, находившихся в неудовлетворительном состоянии, может привести к финансовым потерям:

Отсюда остро встаёт вопрос о необходимости диагностики состояния двигателя в процессе его работы.

2. Современные методы диагностики асинхронных двигателей

2.1. Обзор существующих методов диагностики АД

Обнаружение неисправностей в работающем электродвигателе на ранней стадии их развития не только предупредит внезапную остановку производства в результате аварии, но и значительно снизит расходы на ремонт электродвигателя и увеличит срок его службы.

Применяемые устройства защиты электродвигателя не обеспечивают его сохранность и снижают вероятность возникновения лишь части из вышеперечисленных неисправностей.

Современные системы и методы диагностики асинхронных двигателей можно разделить на две группы.

К первой группе относятся методы тестовой диагностики. Это измерение сопротивления изоляции, токов утечки, внутреннего сопротивления обмоток, тангенса угла диэлектрических потерь обмоток, метод высоковольтного импульса и др. Такая диагностика способствует не только предупреждению развития различных дефектов, но и их появлению.

Вторая группа включает в себя методы функциональной диагностики. Они экономически наиболее предпочтительны, так как не требуют временного вывода электрооборудования из эксплуатации, позволяют обнаружить все дефекты, влияющие на ресурс, задолго до отказа [11-13].

Идеальный современный способ диагностирования электродвигателей должен отвечать следующим требованиям [14]:

На сегодняшний день [16] можно выделить следующие методы контроля состояния двигателя:

  1. Вибрационный метод отдельных узлов агрегата
  2. Анализ акустических колебаний, создаваемых работающим агрегатом.
  3. Измерение и анализ магнитного потока в зазоре двигателя и внешнего магнитного поля.
  4. Диагностика состояния изоляции.
  5. Измерение и анализ температуры на отдельных участках агрегата.
  6. Диагностика подшипников, основанная на анализе масла на предмет содержания железа.
  7. Анализ электрических параметров машины.

2.2. Диагностика АД с использованием показателей качества преобразования энергии

В последнее время широко развиваются методы, основанные на контроле электрических параметров двигателей с последующим анализом. Необходимость разработки и внедрения новых методов оценки как технического состояния электромеханических преобразователей, так и энергоэффективности их работы обусловлена следующими причинами:

Оценка состояния АД по анализу процесса преобразования энергии является перспективной, поскольку не требует больших аппаратных ресурсов для реализации [17]. Достаточно использовать датчики токов и напряжения, остальные параметры рассчитывается косвенными методами. Такой подход не требует вывода оборудования из производственного процесса, то есть может использоваться в качестве системы мониторинга текущего состояния.

Для использования данной диагностики вводится понятие показателей качества преобразования энергии (ПКПЭ). При определении ПКПЭ стоит придерживаться следующих требований [18]:

В работах [19, 20] были сформированы отдельные ПКПЭ, которые условно можно разделить на коэффициенты, основанные на анализе потребляемой мощности, тока и электромагнитного момента АД.

Показатели по первым двум рассмотренным группам являются легко определяемыми ввиду простоты измерения мгновенных значений токов и напряжений. Третья группа показателей базируется на анализе составляющих электромагнитного момента, прямое измерение которого затруднительно. При этом определение мгновенных значений электромагнитного момента позволяет получить ряд важных энергетических показателей.

Для анализа энергетических показателей работы асинхронных машин предлагается метод, который базируется на основе экспериментальных сигналов фазных токов и напряжений статора АД. Применение этого метода обусловлено прежде всего тем, что в большинстве случаев в промышленных условиях единственными параметрами, которые можно достаточно просто измерить, зафиксировать и оценить, являются фазные токи и напряжения статора двигателя. Остальные параметры, характеризующие энергетическую эффективность и качество преобразования энергии, могут быть определены косвенно. В качестве дополнительных параметров, необходимых для реализации предложенного метода, выступают значения активных сопротивлений (RA, RB, RC) и индуктивностей рассеяния (LA, LB, LC) обмоток фаз статора, а также момент инерции ( J ) электромеханической системы. Указанные параметры могут быть получены с помощью ряда стандартных или альтернативных методов идентификации параметров АД. Алгоритм определения электромагнитного момента, момента на валу и энергетических параметров приведен на рис.12 [21].

Рисунок 12 – Алгоритм определения ПКПЭ.

Анализ сформулированных значений показателей, а также частотный анализ спектра сигнала потребляемой мощности могут быть использованы для процедур диагностики и мониторинга технического состояния АД. Тем не менее, изменение технического состояния АД при развитии различных видов дефектов по-разному отражается на значениях разных показателей, то есть разные показатели могут быть в большей или меньшей степени информативными для выявления определенных видов дефектов АД или для определения возможности дальнейшей работы (мониторинга). Информативность показателя для выявления определенного вида повреждения или дефекта заключается в интенсивности изменения его значения при развитии дефекта..

Выводы

На сегодняшний день методы диагностики не позволяют полноценно диагностировать оборудование во всех условиях эксплуатации, а значит, не влияют на сокращения затрат, связанных с выходом из строя электродвигателя. Поэтому актуальна разработка каких-либо новых методов, либо использование методов, ранее не использовавшихся в диагностике.

Список литературы

  1. Справочник по электрическим машинам: в 2т. / [под ред. Копылова И.П., Клокова Б.К.]. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Т. 1.- 1988.-456 с.
  2. Электрические машины: Асинхронные машины: Учеб. Для электромех. спец. Вузов / В.И. Радин, Д.Э. Брускин, А. Е. Зорохович; Под ред. И.П. Копылов-М.: Высшая школа, 1988,-328 с.
  3. Е. И. Забудский Электрические машины. Асинхронные машины: учебное пособие для вузов / Е. И. Забудский. М.: ООО «Мегаполис», 2017. ? Ч. 2. 304 с.
  4. А.А. Радионов, Е.К. Семенова Методы современной диагностики неисправностей высоковольтных асинхронных двигателей// Научно-практический электронный журнал Аллея Науки, №5(21) 2018
  5. В.Е. Воробьев, В.Я. Кучер Прогнозирование срока службы электрических машин: Письменные лекции. – СПб.: СЗТУ, 2004. – 56 с
  6. 6. М. Соркинд Асинхронные электродвигатели 0,4 кв. Аварийные режимы работы// Новости электротехники. №2(32), 2005
  7. А.С. Бешта, Т.А. Желдак Определение потерь в стали асинхронного двигателя по методике холостого хода // Сб. Статей «Проблемы создания новых машин и технологий», в.1. – Кременчуг, 1998.
  8. Н.М. Слоним Испытания асинхронных двигателей. – М., Энергия, 1980.
  9. Elecrtic-Blogger.ru. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://electric-blogger.ru.
  10. В. Петухов Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости Электротехники. – 2005. – № 1 (31). – С. 23–28.
  11. М.Г. Баширов Спектральный метод диагностики насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом / М.Г. Баширов, И.В. Прахов // Научные труды SWORLD. – 2010. – №3. – С.14-15.
  12. M.E.H. Benbouzid, M. Vieira, C. Theys “Induction motor’s faults detection and localization using stator current advanced signal processing techniques” IEEE Transactions on power electronics. Vol.14(1) January 1999, p.14-22;
  13. W.T. Thomson, M. Fenger “Current signature analysis to detect induction motor faults” IEEE Industry Application Magazine. July/August 2001
  14. В.А. Шевчук, А.С. Семёнов Сравнение методов диагностики асинхронного двигателя // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-4.
  15. В. Петухов Диагностика электродвигателей. Спектральный анализ модулей векторов Парка тока и напряжения // Новости электротехники. – 2008. – № 1 (50). – С. 33–37.
  16. А.М. Седунин, Д.О. Афанасьев, Л.Г. Сидельников Методы диагностики асинхронных двигателей, с.2
  17. А.П. Черный Определение снижения ресурса асинхронных двигателей по показателям качества преобразования энергии. // Сборник науч. трудов КНТУ. - 2004, вып.15 – С. 160-168.
  18. А.П. Калинов, Д.Г. Мамчур Обоснование показателей качества преобразования энергии для мониторинга и диагностики асинхронных двигателей// Электромеханические и энергосберегающие системы. Выпуск 1/2010 (9)
  19. Д.И. Родькин, А.П. Чёрный, В.А. Мартыненко Обоснование критериев качества преобразования энергии в электромеханических системах// Проблемы создания новых машин и технологий. Сб. научных трудов КГПУ: Вып. 1. – Кременчуг. – 2002. – С.81-85.
  20. А.П. Чёрный, А.П. Калинов, Д.Г. Мамчур Применение показателей качества преобразования энергии для оценки состояния и надёжности электромеханических систем// Науч. труды ДГТУ (техн. науки): Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика». – Днепродзержинск: ДДТУ. – 2007. – С.519-523.
  21. Д.И. Родькин, А.П. Калинов, Ю.В. Ромашихин Энергетический метод идентификации параметров асинхронных двигателей// Вестник КГПУ: Науч. труды КГПУ. – Вып. 3 (44). Ч.2 – Кременчуг: КГПУ. – 2007. – С.130-136.