UA   EN
ДОННТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Актуальность темы. Асинхронные двигатели (АД) являются одними из наиболее распространенных электрических машин. Порядка двух третей вырабатываемой электрической энергии потpебляется электродвигателями, a доля АД составляет около 95% от их количества [1]. Высокaя повреждаемость асинхронных машин становится причиной значительных убытков. Ежегодно выходит из строя 29-30% двигателей в горнодобывающей промышленности, 20% - в машиностроительной, 13% - в металлургической [2]. На долю электродвигателей приходится 25-30% общего числа повреждений электрооборудования [3].

Распространенными причинами выхода из строя АД являются неисправности обмоток статора - обрывы и межвитковые замыкания. Своевременное выявление неисправностей статорных обмоток позволяет не допустить более серьезного повреждения двигателя, уменьшить время восстановления, сократить затраты на обслуживание и потери от внеплановых простоев, повысить эффективность работы двигателей и производственных механизмов. Таким образом, дальнейшие исследования особенностей режимов работы АД при наличии неисправностей для разработки методов и средств диагностирования являются актуальными.

1. Современное состояние и пути совершенствования диагностирования асинхронных двигателей

1.1 Анализ неисправностей асинхронных двигателей

В ходе эксплуатации асинхронных двигателей возникают неисправности обмоток статора (обрывы, межвитковые замыкания, замыкания на корпус, межфазные замыкания, неисправности активной стали статора и пр.), ротора (обрывы стержней короткозамкнутых роторов, повреждение обмоток фазных роторов и пр.), механические неисправности (износ и разрушение подшипников, биение ротора, задевание ротора о статор и др.).

Исследователи отмечают высокий процент отказов, связанных с неисправностями обмоток статора. Так в работе [4] указано, что для электродвигателей серий А, А2, АО, АО2, АОЛ, АОЛ2 и их модификаций доля неисправностей обмоток статора составляет 71-100%. Высокую повреждаемость статорных обмоток отмечают и другие исследователи. В работе [5] указано, что 85% двигателей отечественного производства выходят из строя из-за нарушений изоляции в обмотке статора. За рубежом также отмечают значительный процент отказов по данной причине. Так 30-40% от общего количества отказавших АД в США выходят из строя по причине разрушения изоляционных материалов обмотки статора [6]. Аналогичная картина в распределении отказов АД имеет место в других странах [7].

Исследователи отмечают некоторые особенности рабочих режимов АД с неисправностями обмоток статора [8].

Наиболее подробно исследованной неисправностью является обрыв фазы. Известно, что при обрыве фазы пусковой момент АД равен нулю, а при включении двигателя имеет место режим короткого замыкания, токи в исправных фазных обмотках многократно превышают номинальные, что приводит к интенсивному перегреву и быстрому выходу из строя изоляционных материалов под воздействием высоких температур и их градиентов. Если обрыв произошел во время работы, двигатель может продолжать вращение, однако величины токов в работающих фазных обмотках превышают номинальные, что приводит перегреву изоляционных материалов обмоток и выходу двигателя из строя [8]. В литературе приведены результаты исследований данного режима работы, однако вопросы определения величин токов и температурного состояния машины при вращающемся и неподвижном роторе требуют дополнительного рассмотрения.

В ряде случаев обмотки статора подключаются по схемам с параллельными ветвями в каждой фазной обмотке. Заслуживает внимания работа двигателя с обрывом одной из параллельно соединенных ветвей. Известно [9], что ток исправных ветвей поврежденной фазы может заметно превышать номинальную величину, что приводит к возникновению местного перегрева. В то же время фазные токи отличаются по величине от номинальных не столь значительно, что усложняет обнаружение неисправности. Особенности режима работы АД освещены в работе [9], однако с целью выявления диагностических признаков для разработки методов и средств своевременного выявления неисправности целесообразно провести более подробные исследования электромеханических и тепловых процессов АД.

Большой интерес представляют особенности работы АД при наличии межвитковых замыканий. Известно, что на ранних стадиях развития межвитковые замыкания не оказывают заметного влияния на работоспособность машины [10]. В то же время в короткозамкнутых витках протекают токи короткого замыкания, что может привести к быстрому выходу из строя обмоток [11].

В общем, в результате возникновения любой неисправности обмоток статора имеет место несимметричный режим работы двигателя, который приводит к перераспределению токов в фазных обмотках. Причем в отдельных фазах (параллельных ветвях фаз, короткозамкнутых витках и т. д.) величины токов заметно превышают номинальные, что вызывает повышенные тепловые потери и превышение температурой изоляционных материалов максимально допустимых значении.

Термические нагрузки являются основной причиной снижения электрической прочности изоляции [12]. Характеристиками термических перегрузок являются величина температуры, длительность ее воздействия и скорость нарастания (градиент). ГОСТ 8865-70 предусмотрено семь классов нагревостойкости изоляционных материалов. Каждому классу соответствует допустимая температура, при которой изоляция электрической машины сохраняет механические и электрические свойства в течение расчетного срока службы (10000 - 20000 ч.) [1]. При превышении температурой допустимой величины происходит сокращение срока службы изоляции вследствие «теплового старения». Срок службы изоляции при постоянной на протяжении всего времени эксплуатации температуре для известных номинального срока службы изоляции Dн и допустимой температуры определяется уравнением Вант-Гоффа и Аррениуса [13]:

(1.1)

где Еа - энергия активации для данного типа изоляционного материала;

R - универсальная газовая постоянная;

D - расчетный срок службы.

В табл. 1.1 приведены расчеты величины уменьшения срока службы изоляционного материала класса F в функции τ/τH в относительных единицах [14].

Таблица 1.1 - Зависимость уменьшения срока службы изоляционных материалов D/DH класса F от отношения температур τ/τH в относительныx единицах.

τ/τH 1 1,1 1,2 1,3 1,4
D/DH 1 0,48 0,25 0,15 0,1

Из табл. 1.1 следует, что незначительное превышение допустимого значения температуры вызывает заметное сокращение срока службы. Так работа АД c постоянной температурой, превышающей номинальную величину на 10%, приводит к сокращению срока службы изоляционных материалов более чем в два раза, что говорит o необходимости контроля температуры обмоток.

1.2 Обзор методов и устройств диагностирования неисправностей асинхронных двигателей

С целью анализа методов диагностирования целесообразно осуществить классификацию существующих подходов. На рис. 1.1 приведена классификация методов диагностирования по используемым параметрам [15]. Анализ методов и средств диагностики осуществляется далее в соответствии с приведенной классификацией.

Классификация методов диагностики по диагностическим параметрам

Рисунок 1.1 – Классификация методов диагностики по диагностическим параметрам.

Исторически первый подход к обслуживанию АД - метод плановых осмотров, суть которого состоит в периодической разборке и визуальной оценке износа элементов конструкции АД. В случае необходимости осуществляется замена деталей, отработавших средний срок безотказной работы. Частота осмотров и периодичность замены узлов определяются на основании статистической обработки эксплуатационной информации, полученной в результате наблюдения за большим количеством образцов данных типоразмеров, серийного выпуска и в данных условиях работы. Рассматриваемый подход имеет следующие достоинства:

Однако рассматриваемый метод имеет и определенные недостатки:

Обслуживание АД методом плановых обследований не утратило своей актуальности при использовании большого количества малоответственных двигателей в силу минимальных затрат на диагностическое оборудование. Однако в настоящее время возрастает интерес к обслуживанию по текущему состоянию. Особенностью данного метода является осмотр и ремонт машины только в случае необходимости. Средством обслуживания по состоянию являются системы технического диагностирования, выполняющие непрерывные или периодические диагностические замеры с необходимым интервалом в автоматическом режиме. Значительное внимание к обслуживанию по текущему состоянию вызвано следующими достоинствами метода [16]:

По данным Института исследований энергетической промышленности США [17] удельные затраты на техобслуживание электродвигателей составляют $18 на лошадиную силу (л.с.) - при работе до выхода из строя; $13 на л.с. - при обслуживании по регламенту; $9 на л.с. - при обслуживании по текущему состоянию. Таким образом, целесообразность использования данных систем экономически оправдана.

В настоящее время существует множество подходов к построению автоматических систем технического диагностирования неисправностей АД. Значительное количество диагностических систем используют данные о мгновенных значениях токов статора. Это связано с высокой информативностью и доступностью сигналов, возможностью проведения диагностирования в ходе эксплуатации.

Определение технического состояния электродвигателя и наличие дефектов обмоток статора, стержней ротора, неравномерности воздушного зазора, неисправностей редукторов и т. д. авторы работ [18, 19] получают с помощью гармонического анализа тока статора. Проявлениями наличия неисправностей считают появление выраженных высших гармонических составляющих тока, характерных для каждой указанной неисправности. Известно множество устройств, осуществляющих гармонический анализ фазных токов и представляющих информацию в удобном для пользователя виде. В качестве такого прибора может быть применен анализатор спектра (Microlog data collector, EPRI Monitoring and Diagnostic Center at Eddystone, PA и др.).

2. Электромеханические характеристики асинхронных двигателей при неисправностях обмотки статора

Обрывы фаз, параллельных ветвей фазных обмоток и межвитковые замыкания приводят к возникновению продольной несимметрии, представленной в общем виде на рис. 2.1, а. Используя теорему компенсации, источник несимметрии можно заменить эквивалентной системой несимметричных напряжений, которую затем представляют как систему симметричных составляющих: нулевой (U(0) A, U(0)B, U(0)C), прямой (U(1)A, U(1)B, U(1)C) и обратной (U(2)A, U(2)B, U(2)C) (рис. 2.1, б).

Расчетная схема для АД с обрывом фазы согласно метода симметричных составляющих

Рисунок 2.1 – Расчетная схема для АД с обрывом фазы согласно метода симметричных составляющих.

Расчет и анализ неизвестных токов рис. 2.1, б возможен при известных входных сопротивлениях АД для всех последовательностей. Для расчета входных сопротивлений АД целесообразно использовать Т-образную схему замещения для прямой (рис. 2.2, а) и обратной (рис. 2.2, б) последовательностей [20].

Т-образная схема замещения фазы А (с обрывом) асинхронной машины

Рисунок 2.2 – Т-образная схема замещения фазы А (с обрывом) асинхронной машины:
а) для прямой последовательности; б) для обратной последовательности.

В схемах замещения рис. 2.2 приняты обозначения:

R1 и X1 - активное сопротивление обмотки статора и индуктивное сопротив-ление рассеяния соответственно;

R0 - активное сопротивление, учитывающее потери в стали;

X0 - индуктивность цепи намагничивания;

X'2, R'2 - приведенные к статору индуктивности рассеяния и активного сопро-тивления ротора соответственно;

s - скольжение;

I(1)A, I(2)A - токи фазной обмотки прямой и обратной последовательностей со-ответственно;

U(1)A, U(2)A - напряжения прямой и обратной последовательностей, введенных в место обрыва.

Для расчетных схем рис. 2.2 составляют уравнения (2.1).

(2.1)

где - сопротивление АД прямой последовательности;

где - сопротивления АД обратной последовательности.

Уравнения (2.1) дополняются тремя уравнениями, описывающими наличие неисправности. Так для обрыва фазы данные уравнения составляются из условий IA=0, UB= 0, UC=0 и имеют вид:

(2.2)

(2.3)

(2.4)

В результате уравнения (2.1 - 2.4) образуют систему из пяти уравнений с пятью неизвестными: U(1), U(2), U(0), I(1), I(2) [21].

Из анализа зависимостей (2.1) следует, что расчет входных сопротивлений АД выполняется для заданного скольжения. Величина скольжения двигателя зависит от момента сопротивления. Для определения скольжения, соответствующего произвольному моменту сопротивления, использовался следующий алгоритм.

  1. Величина скольжения s принимается равной нулю.
  2. Для заданного скольжения выполнялся расчет токов и моментов прямой, обратной последовательностей (2.5 - 2.12) и суммарный электромагнитный момент M∑ = M(1) - M(2).

    3. (2.5)

    (2.6)

    (2.7)

    (2.8)

    (2.9)

    (2.10)

    (2.11)

    (2.12)

    где U(1)A2, U(2)A2 - напряжения на участке 1-2 схем замещения фазы А;

    P(1)ЭМ, P(2)ЭМ - полная мощность на валу двигателя прямой и обратной последовательности соответственно;

    ω1, ω2 - угловая частота вращения для прямой и обратной последовательности соответственно.

  3. Суммарный электромагнитный момент сравнивался с моментом сопротивления. В случае, если результирующий электромагнитный момент двигателя больше, чем момент Mi, величина скольжения изменяется на шаг Δs: si+1= si + Δs, расчет по-вторяется с пункта 2. В расчетах скольжения при моменте, близком к номинальному, Δs принято равным 0,001, что обеспечило погрешность расчетов не более 5%.

Список источников

  1. Справочник по электрическим машинам: в 2т. / [под ред. Копылова И.П., Клокова Б.К.]. - М.: Энергоатомиздат, 1988. Т. 1.- 1988.-456 с.
  2. Родькин, Д. И. К определению послеремонтной работоспособности асинхронных двигателей / Д.И. Родькин, А.П. Черный // Вiсник Кременчуцького Державного політехнiчного Університета. - 2001. - №2. - С. 40-47.
  3. Федоров, М. М. Особенности теплового состояния асинхронных двигателей при несимметричном питающем напряжении / М. М. Федоров, О.Г. Пинчук // Вісник Кременчуцького Державного полiтехнiчного Унiверситета. - 2004. - №2. - С. 122 - 125.
  4. Надежность асинхронных электродвигателей / [Б.Н. Ванеев В.Д. Главный, В.М. Гостищев, Л.И. Сердюк]; под ред. Б.Н. Ванеева. - К.: Техника, 1983. - 143 с.
  5. Родькин, Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях / Д.И. Родькин. - М: Недра, 1992. - 190 с.
  6. Kliman, G. В. A new approach to on-line fault detection in ac motors / [G. B. Kliman, W. J. Premerlani, R. A. Koegl and D. Hoeweler], IEEE-IAS Annual Meeting Confemce. - San Diego, CA. - 1996. - P. 687-693.
  7. Arthur Neil. Supply Invariant Induction Machine Condition Monitoring / Neil Arthur, Jim Penman // Proc. International Conf, on Electrical Machines and Drives. - Cam-bridge, 1997. - P. 341-345.
  8. Трещев, И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока / И.И. Трещев. - Л.: Энергия, 1980. - 344 с.
  9. Федоров, М. М. Тепловое состояние электродвигателей переменного тока при об-рывах параллельных ветвей статорных обмоток / М.М. Федоров, В.Ф. Денник // Сборник научных трудов ДонгНТУ. Серия «Электротехника и энергетика». - № 17. - Донецк, ДонГТУ, 2000. - С. 87-91.
  10. Bonnett, А. Н. Cause and analysis of stator and rotor failures in three-phase squirrel-cage induction motors / A.H. Bonnett, G.C. Soukup // IEEE Transactions on Industry Applications. - USA, 1992. - № 28. - P. 921-937.
  11. Diagnosis of stator winding inter-turn shorts in induction motors fed by PWM-Inverter drive systems using a time-series data mining technique / ChiaChou Yeh, Richard J. Povinelli, Behrooz Mirafzal, Nabeel A.O. Demerdash // International Conference on Power System Technology. - Singapore, 2004. - P. 854-860.
  12. Казарновский, Д.M. Испытание электроизоляционных материалов и изделий / Д.М. Казарновский, В.М. Тареев. - Л.: Энергия, 1980.-213 с.
  13. Ермолин, Н. П. Надежность электрических машин / Н.П. Ермолин, И.П. Жерихин. - Л.: Энергия, 1976. - 247 с.
  14. Федоров, М.М. К вопросу построения систем диагностики неисправностей асинхронных электродвигателей / М.М. Федоров, А.А. Ткаченко // Электротехника и электромеханика. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2006. - №2. - С. 59-61.
  15. Панкратов, А.И. Проблемы диагностики асинхронных машин / А.И. Панкратов, А.А. Ткаченко, Н.В. Ивченков //Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - Харьков . - 2004. - № 43. - С. 182-183.
  16. Барков, А.В. Интеллектуальные системы мониторинга и диагностики машин по вибрации / А.В. Барков, Н.А. Барков // Труды Петербургского энергетического института повышения квалификации Минтопэнерго Российской Федерации и Института вибрации США (Vibration Institute, USA). - Санкт-Петербург, 1999. - № 9. - С. 102-105.
  17. Барков, А.В. Сервис технологических машин. Технология обслуживания по фактическому состоянию. [Электронный ресурс] / А.В. Барков, П.П. Якобсон. - Название с заголовка страницы. - Режим доступа к ресурсу: littp://vdmk.com/information/tofs.htm.
  18. Thomson, W.T. Current signature analysis to detect induction motor faults / W.T. Thomson, Mark Fenger // IEEE Industry Applications Magazine. - 2001. -№ 7. -P. 26-34.
  19. Kliman, G. B. Induction motor fault detection via passive current monitoring / G. B. Kliman, J. Stein // Proc Int. Conf. MIT. - Boston, USA, 1990. - P. 13-17.
  20. Копылов, И. П. Электрические машины / И. П. Копылов. - М.: «Высшая школа», 2000. - 607 с.
  21. Федоров, М. М. Режимы работы асинхронных электродвигателей при неисправностях обмотки статора / М.М. Федоров, О. И. Толочко, А.А. Ткаченко // Сборник научных трудов УкрНИИВЭ: Взрывозащищенное электрооборудование. - Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2006. - С. 320 - 325