RU   EN

ДОННТУ   Портал магістрів

Бондар Сергій Валерійович

Факультет інтелектуальної електроенергетики та робототехніки (ФІЕР)

Кафедра електричних систем (ЕС)

Спеціальність Електроенергетичні системи і мережі

Удосконалення методів діагностування асинхронних двигунів з використанням показників якості перетворення енергії

Науковий керівник: к.т.н., доц. Полковніченко Дмитро Вікторович

Резюме Біографія Реферат

Реферат з теми випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Огляд поширених несправностей асинхронних двигунів
• 2. Сучасні методи діагностики асинхронних двигунів
• 2.1. Огляд існуючих методів діагностики АД
• 2.2. Діагностика АД з використанням показників якості перетворення енергії
• Висновки
• Перелік літератури

  Вступ

  Асинхронні електродвигуни (далі АД) є одними з основних перетворювачів електричної енергії в механічну і складають основу електроприводу безлічі механізмів, які використовуються у всіх галузях народного господарства [1 ].

  Якість виготовлення даних електричних машин багато в чому визначає технічний рівень виробленої продукції і в інших галузях промисловості нашої країни [2 ]. Вже багато десятиліть АД необхідні і незамінні в самих різних областях застосування: у вигляді приводів насосів, компресорів, обертових печей і млинів, також в гірничій промисловості, хімічної та нафтохімічної промисловості, нафтогазовому комплексі, в сталеплавильних і прокатних цехах металургійної промисловості, в техніці захисту навколишнього середовища.

  Проте слід пам'ятати, що АД – це електромашина, що складається з безлічі деталей, вузлів і механізмів [3]. Велика кількість різних складових елементів призводить до того, що характеристики всієї машини стають залежними від надійності кожного елемента окремо. Тому завдання по виявленню несправностей в асинхронному двигуні є невід'ємною частиною в його експлуатації.

  1. Огляд поширених несправностей асинхронних двигунів

  Асинхронні двигуни зазвичай розраховані на термін служби 15-20 років [ 4 ] без капітального ремонту, за умови їх правильної експлуатації.

  

  Рисунок 1 - Розріз асинхронного двигуна

  Під правильною експлуатацією двигуна розуміється його робота відповідно до номінальними параметрами, зазначеними в паспортних даних. На практиці АД показують свою витривалість і простоту за відносно низькою вартістю. Однак в реальному житті має місце значний відступ від номінальних режимів експлуатації, тому в процесі роботи АД можуть виникати пошкодження елементів двигуна, що в свою чергу призводить до передчасного виходу його з ладу. Періодична діагностика стану обладнання допомагає своєчасно виявити виникаючі несправності, а також точно визначити причину поломок і дефектів електродвигунів. Досліджено механізми впливу факторів на експлуатаційну надійність та термін служби асинхронних двигунів [5]. Основними з них є наступні:

  • якість активних і конструкційних матеріалів, що використовуються при виготовленні електричних машин;
  • якість виготовлення електричних машин;
  • якість електроенергії;
  • невідповідність умов застосування машин їх виконанню, пусковим і робочим характеристикам;
  • відсутність належного обслуговування машин і низька якість їх ремонту.

  Наслідком цих факторів є аварійні режими роботи АД [6 ]. В даний час більше 70% експлуатованих асинхронних двигунів складають машини, що побували в капітальному ремонті хоча б один раз [7, 8]. Щорічно виходять з ладу і ремонтуються до 30% застосовуваних електродвигунів. Переважна більшість їх після ремонту повертається на підприємство і експлуатується до наступного виходу з ладу. Машина може ремонтуватися 3-4 рази, а час напрацювання на відмову становить 0,5 ... 1,5 року. Вихід з ладу двигуна призводить до важких аварій і великого матеріального збитку, пов'язаного з простоєм технологічних процесів, усуненням наслідків аварій і дорогим ремонтом вийшов з ладу електродвигуна.

  В залежності від способу виконання обмотки ротора асинхронного двигуна поділяються на дві групи: з короткозамкненою обмоткою на роторі і з фазною обмоткою. Двигуни з короткозамкненою обмоткою на роторі дешевші у виробництві, надійні в експлуатації. Більшості асинхронних двигунів випускаються промисловістю з короткозамкненим ротором. У таких роторів обмотки мають вигляд білячої клітини. Всі несправності електродвигунів з короткозамкненим і фазним ротором можна розділити на дві основні групи: механічні та електричні.

  До механічних несправностей відносяться дефекти в корпусі двигуна, крильчатці вентилятора, ослаблення кріплення обмоток статора, деформація вала ротора, знос підшипників. Найбільш часте механічне пошкодження-це безумовно проблема, пов'язана з підшипниками. Типовими ознаками зносу підшипників є збільшення шуму при роботі двигуна і виникнення вібрації, внаслідок чого двигун починає сильніше грітися.

  До електричних пошкоджень можна віднести міжвиткові замикання, обрив обмоток, пробій ізоляції на корпус, зниження опору ізоляції, пошкодження ізоляції, порушення контактів і з'єднань, порушення межлистовой ізоляції магнітопроводів, знос щіток, пошкодження контактних кілець. Очевидно, що ефективність діагностики може забезпечуватися тільки комплексним характером результатів контролю.

  Розглянемо найбільш поширені несправності асинхронних електродвигунів (табл. 1) [9].

  Таблиця 1 - несправностей асинхронного електродвигуна.

  №	Несправності	Фото	Статистика
  1	Перевантаження або перегрів статора електродвигуна	Рисунок 2 – Статор	31 %
  2	Міжвиткове замикання	Рисунок 3 – Замикання між витками (статор)	15 %
  3	Пошкодження підшипників	Рисунок 4 - Демонтований пошкоджений підшипник	12 %
  4	Пошкодження обмоток статора або ізоляції	Рисунок 5 – Згоріла обмотка статора (ізоляція оплавлена)	11 %
  5	Нерівномірний повітряний зазор між статором і ротором	Рисунок 6 – Повітряний зазор	9 %
  6	Робота електродвигуна на двох фазах (обрив однієї з фаз)	Рисунок 7 - Обрив фази	8 %
  7	Обрив або ослаблення кріплення стрижнів в білячій клітці	Рисунок 8 – Тип ротора "Біляча клітка"	5 %
  8	Ослаблення кріплення обмоток статора	Рисунок 9 – Ослаблене кріплення	4 %
  9	Дисбаланс ротора електродвигуна	Рисунок 10 - Порушення балансу ротора	3 %
  10	Неспіввісність валів	Рисунок 11 – види неспіввісності	2 %

  Вищевказані несправності завдають шкоди підприємству. В основному цей збиток пов'язаний з простоєм обладнання, порушенням технологічного процесу або псування продукції, що випускається. Додатково до збитків можна віднести зниження електро - і пожежної безпеки, пов'язане з можливими короткими замиканнями в обмотках статора і ротора двигуна. До того ж, при експлуатації електродвигунів, що знаходилися в незадовільному стані, може призвести до фінансових втрат:

  • прямим, пов'язаним з непрогнозованим виходом з ладу обладнання і викликаним цим порушенням технологічного процесу;
  • значним (до 5-7%) непрямим непродуктивним витратам електроенергії, обумовленим підвищеним електроспоживанням. [10]

  Звідси гостро постає питання про необхідність діагностики стану двигуна в процесі його роботи.

  2. Сучасні методи діагностики асинхронних двигунів

  2.1. Огляд існуючих методів діагностики АД

  Виявлення несправностей в працюючому електродвигуні на ранній стадії їх розвитку не тільки попередить раптову зупинку виробництва в результаті аварії, але і значно знизить витрати на ремонт електродвигуна і збільшить термін його служби.

  Застосовувані пристрої захисту електродвигуна не забезпечують його збереження і знижують ймовірність виникнення лише частини з перерахованих вище несправностей.

  Сучасні системи і методи діагностики асинхронних двигунів можна розділити на дві групи.

  До першої групи належать методи тестової діагностики. Це вимірювання опору ізоляції, струмів витоку, внутрішнього опору обмоток, тангенса кута діелектричних втрат обмоток, метод високовольтного імпульсу і ін. Така діагностика сприяє не тільки попередження розвитку різних дефектів, але і їх появи.

  Друга група включає в себе методи функціональної діагностики. Вони економічно найбільш переважні, так як не вимагають тимчасового виведення електрообладнання з експлуатації, дозволяють виявити всі дефекти, що впливають на ресурс, задовго до відмови [11-13].

  Ідеальний сучасний спосіб діагностування електродвигунів повинен відповідати наступним вимогам [ 14]:

  • висока достовірність і точність виявлення несправностей і пошкоджень електродвигуна;
  • можливість виявлення всіх або значної частини електричних і механічних пошкоджень електродвигуна і пов'язаних з ним механічних пристроїв;
  • проведення діагностичних вимірювань дистанційно, що актуально в тих випадках, коли доступ до обладнання ускладнений;
  • низька трудомісткість діагностичних робіт (вимірювань) і простота проведення вимірювань;
  • можливість проведення аналітичної обробки отриманих результатів вимірювань за короткий час, із застосуванням обчислювальних і програмних засобів [15].

  Сьогодні [ 16] можна виділити наступні методи контролю стану двигуна:

  1. Вібраційний метод окремих вузлів агрегату
  2. Аналіз акустичних коливань, створюваних працюючим агрегатом.
  3. Вимірювання та аналіз магнітного потоку в зазорі двигуна та зовнішнього магнітного поля.
  4. Діагностика стану ізоляції.
  5. Вимірювання та аналіз температури на окремих ділянках агрегату.
  6. Діагностика підшипників, заснована на аналізі масла на предмет вмісту заліза.
  7. Аналіз електричних параметрів машини.

  2.2. Діагностика АД з використанням показників якості перетворення енергії

  Останнім часом широко розвиваються методи, засновані на контролі електричних параметрів двигунів з подальшим аналізом. Необхідність розробки і впровадження нових методів оцінки як технічного стану електромеханічних перетворювачів, так і енергоефективності їх роботи обумовлена наступними причинами:

  • зважаючи несинусоїдальності струмів і напруг і неоднонаправленості потоків енергії оцінка енергоефективності роботи електромеханічного обладнання на основі класичних показників ККД і коефіцієнта потужності є неадекватною;
  • проведення операцій діагностики та моніторингу електромеханічного обладнання як в стаціонарних, так і в польових умовах базується на спрощених залежностях і математичних моделях без урахування енергетичного режиму роботи;
  • існує необхідність визначення залишкового ресурсу електромеханічного обладнання для підвищення ефективності ведення енергогосподарства;
  • існує необхідність регламентування якості виконання технологічних операцій електроприводом і оцінки негативного впливу неякісного перетворення енергії на живильну мережу і обслуговуючий персонал.

  Оцінка стану АД за аналізом процесу перетворення енергії є перспективною, оскільки не вимагає великих апаратних ресурсів для реалізації [17 ]. Досить використовувати датчики струмів і напруги, інші параметри розраховується непрямими методами. Такий підхід не вимагає виведення обладнання з виробничого процесу, тобто може використовуватися в якості системи моніторингу поточного стану.

  Для використання даної діагностики вводиться поняття показників якості перетворення енергії (ПЯПЕ). При визначенні ПЯПЕ варто дотримуватися наступних вимог [ 18]:

  • прозорий і чіткий зміст коефіцієнтів;
  • однозначний зв'язок з певними видами дефектів;
  • чіткі граничні значення та обґрунтовані характерні значення;
  • спостережуваність вихідних даних для коефіцієнтів.

  У роботах [ 19, 20] були сформовані окремі ПЯПЕ, які умовно можна розділити на коефіцієнти, засновані на аналізі споживаної потужності, струму і електромагнітного моменту АД.

  Показники по перших двох розглянутих групах є легко визначаються зважаючи на простоту вимірювання миттєвих значень струмів і напруг. Третя група показників базується на аналізі складових електромагнітного моменту, пряме вимірювання якого важко. При цьому визначення миттєвих значень електромагнітного моменту дозволяє отримати ряд важливих енергетичних показників.

  Для аналізу енергетичних показників роботи асинхронних машин пропонується метод, який базується на основі експериментальних сигналів фазних струмів і напруг статора АД. Застосування цього методу обумовлено перш за все тим, що в більшості випадків в промислових умовах єдиними параметрами, які можна досить просто виміряти, зафіксувати і оцінити, є фазні струми і напруги статора двигуна. Інші параметри, що характеризують енергетичну ефективність і якість перетворення енергії, можуть бути визначені побічно. В якості додаткових параметрів, необхідних для реалізації запропонованого методу, виступають значення активних опорів (R_А, R_B, R_С) і індуктивностей розсіювання (L_А, L_B, L_С) обмоток фаз статора, а також момент інерції ( J ) електромеханічної системи. Зазначені параметри можуть бути отримані за допомогою ряду стандартних або альтернативних методів ідентифікації параметрів АД. Алгоритм визначення електромагнітного моменту, моменту на валу і енергетичних параметрів наведено на рис.12 [21].

  

  Рисунок 12 – Алгоритм визначення ПЯПЕ.

  Аналіз сформульованих значень показників, а також частотний аналіз спектра сигналу споживаної потужності можуть бути використані для процедур діагностики та моніторингу технічного стану АД. Проте, зміна технічного стану АД при розвитку різних видів дефектів по-різному відбивається на значеннях різних показників, тобто різні показники можуть бути в більшій чи меншій мірі інформативними для виявлення певних видів дефектів АД або для визначення можливості подальшої роботи (моніторингу). Інформативність показника для виявлення певного виду пошкодження або дефекту полягає в інтенсивності зміни його значення при розвитку дефекту.

  Висновки

  На сьогоднішній день методи діагностики не дозволяють повноцінно діагностувати обладнання у всіх умовах експлуатації, а значить, не впливають на скорочення витрат, пов'язаних з виходом з ладу електродвигуна. Тому актуальна розробка будь-яких нових методів, або використання методів, що раніше не використовувалися в діагностиці.

  Перелік літератури

  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.