Зубашова Анна Юріївна

Факультет інтелектуальної електроенергетики та робототехніки (ФІЕР)

Кафедра електричних систем (ЕС)

Спеціальність Електроенергетичні системи і мережі

Удосконалення методів діагностування статорних обмоток асинхронних двигунів

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

Реферат з теми випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Сучасний стан та шляхи вдосконалення діагностування асинхронних двигунів
• 1.1 Аналіз несправностей асинхронних двигунів
• 1.2 Огляд методів та пристроїв діагностування несправностей асинхронних двигунів
• 2. Електромеханічні характеристики асинхронних двигунів при несправності обмотки статора
• Перелік літератури

  Вступ

  Актуальність теми. Асинхронні двигуни (АД) є одними з найпоширеніших електричних машин. Порядку двох третин електричної енергії, що виробляється, споживається електродвигунами, а частка АД становить близько 95% від їх кількості [1]. Висока ушкоджуваність асинхронних машин стає причиною значних збитків. Щорічно виходить з ладу 29-30% двигунів у гірничодобувній промисловості, 20% - у машинобудівній, 13% - у металургійній [2]. На електродвигунів припадає 25-30% загального числа пошкоджень електрообладнання [3].

  Поширеними причинами виходу з ладу АД є несправності обмоток статора - обриви та міжвиткові замикання. Своєчасне виявлення несправностей статорних обмоток дозволяє не допустити більш серйозного пошкодження двигуна, зменшити час відновлення, скоротити витрати на обслуговування та втрати від позапланових простоїв, підвищити ефективність роботи двигунів та виробничих механізмів. Таким чином, подальші дослідження особливостей режимів роботи АД за наявності несправностей для розробки методів та засобів діагностування є актуальними.

  1. Сучасний стан та шляхи вдосконалення діагностування асинхронних двигунів

  1.1 Аналіз несправностей асинхронних двигунів

  Під час експлуатації асинхронних двигунів виникають несправності обмоток статора (обриви, міжвиткові замикання, замикання на корпус, міжфазні замикання, несправності активної сталі статора та ін.), ротора (обриви стрижнів короткозамкнених роторів, пошкодження обмоток фазних роторів. механічні несправності (знос і руйнування підшипників, биття ротора, зачіплення ротора об статор та ін.)

  Дослідники відзначають високий відсоток відмов, пов'язаних із несправностями обмоток статора. Так, у роботі [4] зазначено, що з електродвигунів серій А, А2, АТ, АО2, АОЛ, АОЛ2 та його модифікацій частка несправностей обмоток статора становить 71-100%. Високу ушкоджуваність статорних обмоток відзначають інші дослідники. У роботі [5] зазначено, що 85% двигунів вітчизняного виробництва виходять з ладу через порушення ізоляції в статорній обмотці. За кордоном також відзначають значний відсоток відмов із цієї причини. Так 30-40% від загальної кількості АД, що відмовили, у США виходять з ладу через руйнування ізоляційних матеріалів обмотки статора [6]. Аналогічна картина у розподілі відмов АД має місце у інших країнах [7].

  Дослідники відзначають деякі особливості робочих режимів АД з несправностями обмоток статора [8].

  Найбільш детально дослідженою несправністю є обрив фази. Відомо, що при обриві фази пусковий момент АД дорівнює нулю, а при включенні двигуна має місце режим короткого замикання, струми у справних фазних обмотках багаторазово перевищують номінальні, що призводить до інтенсивного перегріву та швидкого виходу з ладу ізоляційних матеріалів під впливом високих температур та їх градієнтів. Якщо обрив стався під час роботи, двигун може продовжувати обертання, проте величини струмів у фазних обмотках, що працюють, перевищують номінальні, що призводить перегріву ізоляційних матеріалів обмоток і виходу двигуна з ладу [8]. У літературі наведено результати досліджень даного режиму роботи, проте питання визначення величин струмів і температурного стану машини при обертовому та нерухомому роторі потребують додаткового розгляду.

  У ряді випадків обмотки статора підключаються за схемами з паралельними гілками у кожній фазній обмотці. Заслуговує на увагу робота двигуна з урвищем однієї з паралельно з'єднаних гілок. Відомо [9], що струм справних гілок пошкодженої фази може помітно перевищувати номінальну величину, що призводить до виникнення місцевого перегріву. У той самий час фазні струми відрізняються за величиною від номінальних менш значно, що ускладнює виявлення несправності. Особливості режиму роботи АД висвітлені в роботі [9], проте з метою виявлення діагностичних ознак для розробки методів та засобів своєчасного виявлення несправності доцільно провести детальніші дослідження електромеханічних та теплових процесів АД.

  Великий інтерес мають особливості роботи АД за наявності міжвиткових замикань. Відомо, що на ранніх стадіях розвитку міжвиткові замикання не помітно впливають на працездатність машини [10]. Водночас у короткозамкнених витках протікають струми короткого замикання, що може призвести до швидкого виходу з ладу обмоток [11].

  Загалом, внаслідок виникнення будь-якої несправності обмоток статора має місце несиметричний режим роботи двигуна, який призводить до перерозподілу струмів у фазних обмотках. Причому в окремих фазах (паралельних гілках фаз, короткозамкнених витках тощо) величини струмів помітно перевищують номінальні, що викликає підвищені теплові втрати та перевищення температурою ізоляційних матеріалів максимально допустимих значень.

  Термічні навантаження є основною причиною зниження електричної міцності ізоляції [12]. Характеристиками термічних навантажень є величина температури, тривалість її впливу та швидкість наростання (градієнт). ГОСТ 8865-70 передбачено сім класів нагрівальної стійкості ізоляційних матеріалів. Кожному класу відповідає допустима температура, за якої ізоляція електричної машини зберігає механічні та електричні властивості протягом розрахункового терміну служби (10000 - 20000 год.) [1]. При перевищенні температури припустимої величини відбувається скорочення терміну служби ізоляції внаслідок «теплового старіння». Термін служби ізоляції при постійній протягом усього часу експлуатації температурі для відомих номінального терміну служби ізоляції D_н та допустимої температури визначається рівнянням Вант-Гоффа та Арреніуса [13]:

  (1.1)

  

  де Еа - енергія активації для цього типу ізоляційного матеріалу;

  R - універсальна газова постійна;

  D - розрахунковий термін служби.

  У табл. 1.1 наведено розрахунки величини зменшення терміну служби ізоляційного матеріалу класу F функції τ/τ_H у відносних одиницях [14].

  Таблиця 1.1 - Залежність зменшення терміну служби ізоляційних матеріалів D/D_H класу F від відношення температур τ/ τ_H у відносних одиницях.

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

  З табл. 1.1 слід, що незначне перевищення допустимого значення температури викликає помітне скорочення терміну служби. Так робота АД з постійною температурою, що перевищує номінальну величину на 10%, призводить до скорочення терміну служби ізоляційних матеріалів більш ніж удвічі, що говорить про необхідність контролю температури обмоток.

  1.2 Огляд методів та пристроїв діагностування несправностей асинхронних двигунів

  З метою аналізу методів діагностування доцільно здійснити класифікацію існуючих підходів. На рис. 1.1 наведено класифікацію методів діагностування за використовуваними параметрами [15]. Аналіз методів та засобів діагностики здійснюється далі відповідно до наведеної класифікації.

  

  Рисунок 1.1 – Класифікація методів діагностики за діагностичними параметрами.

  Історично перший підхід до обслуговування АД - метод планових оглядів, суть якого полягає в періодичній розбиранні та візуальній оцінці зносу елементів конструкції АД. У разі потреби здійснюється заміна деталей, які відпрацювали середній термін безвідмовної роботи. Частота оглядів та періодичність заміни вузлів визначаються на підставі статистичної обробки експлуатаційної інформації, отриманої в результаті спостереження за великою кількістю зразків даних типорозмірів, серійного випуску та в умовах роботи. Цей підхід має такі переваги:

  • періодично очищаються від пилу та бруду;
  • візуально оцінюються ознаки, які найчастіше неможливо виявити іншими методами: зміна кольору ізоляційних матеріалів, забрудненість олії тощо;
  • можливість контролю двигунів довільного типу;
  • низькі витрати на діагностичне обладнання.

  Однак метод, що розглядається, має і певні недоліки:

  • висока вартість обслуговування, пов'язана з необхідністю використання додаткового персоналу, зупинкою обладнання та проведення огляду часто без необхідності;
  • заміна вузлів часто передчасна, у той же час не виключено виникнення позапланової відмови (під впливом аномальних режимів роботи, через низьку якість комплектуючих тощо);
  • періодичне розбирання машини знижує її надійність.

  Обслуговування АД методом планових обстежень не втратило своєї актуальності при використанні великої кількості маловідповідальних двигунів через мінімальні витрати на діагностичне обладнання. Однак нині зростає інтерес до обслуговування за поточним станом. Особливістю даного методу є огляд та ремонт машини тільки у разі потреби. Засобом обслуговування за станом є системи технічного діагностування, що виконують безперервні або періодичні діагностичні виміри з необхідним інтервалом в автоматичному режимі. Значна увага до обслуговування за поточним станом викликана такими перевагами методу [16]:

  • несправності фіксуються, як правило, до повної відмови, на ранніх стадіях розвитку, що дозволяє скоротити кількість раптових відмов у десятки разів, а витрати від позапланових простоїв у кілька разів;
  • затрати на оцінку стану мінімальні, більшість операцій виконується в автоматичному режимі;
  • є можливість враховувати різкі зміни зовнішніх факторів випадкового характеру;
  • є можливість діагностування важкодоступних двигунів, відсутня потреба в частому необґрунтованому розбиранні машин.

  За даними Інституту досліджень енергетичної промисловості США [17] питомі витрати на техобслуговування електродвигунів становлять $18 на кінську силу (к.с.) – при роботі до виходу з ладу; $13 на к.с. - під час обслуговування за регламентом; $9 на к.с. - під час обслуговування за поточним станом. Таким чином, доцільність використання цих систем є економічно виправданою.

  Сьогодні існує безліч підходів до побудови автоматичних систем технічного діагностування несправностей АД. Значна кількість діагностичних систем використовують дані про миттєві значення струмів статора. Це пов'язано з високою інформативністю та доступністю сигналів, можливістю проведення діагностування під час експлуатації.

  Визначення технічного стану електродвигуна та наявність дефектів обмоток статора, стрижнів ротора, нерівномірності повітряного зазору, несправностей редукторів тощо. Проявами наявності несправностей вважають появу виражених вищих гармонійних складових струму, притаманних кожної зазначеної несправності. Відомо безліч пристроїв, що здійснюють гармонійний аналіз фазних струмів і представляють інформацію у зручному для користувача вигляді. Як такий прилад може бути застосований аналізатор спектру (Microlog data collector, EPRI Monitoring and Diagnostic Center в Eddystone, PA та ін.).

  2. Електромеханічні характеристики асинхронних двигунів при несправності обмотки статора

  Обриви фаз, паралельних гілок фазних обмоток та міжвиткові замикання призводять до виникнення поздовжньої несиметрії, представленої у загальному вигляді на рис. 2.1 а. Використовуючи теорему компенсації, джерело несиметрії можна замінити еквівалентною системою несиметричної напруги, яку потім представляють як систему симетричних складових: нульової (U⁽⁰⁾ _A, U⁽⁰⁾ _B, U⁽⁰⁾_C), прямий (U⁽¹⁾ _A, U⁽¹⁾_B, U⁽¹⁾_C) та зворотній (U ⁽²⁾_A, U⁽²⁾_B, U⁽²⁾ _C) (рис. 2.1, б).

  

  Рисунок 2.1 – Розрахункова схема для АД з обривом фази згідно з методом симетричних складових.

  Розрахунок та аналіз невідомих струмів рис. 2.1 б можливий при відомих вхідних опорах АД для всіх послідовностей. Для розрахунку вхідних опорів АД доцільно використовувати Т-подібну схему заміщення для прямої (рис. 2.2 а) і зворотної (рис. 2.2 б) послідовностей [20].

  

  Рисунок 2.2 - Т-подібна схема заміщення фази А (з обривом) асинхронної машини:
  а) для прямої послідовності; б) для зворотної послідовності.

  У схемах заміщення рис. 2.2 прийнято позначення:

  R₁ та X₁ - активний опір обмотки статора та індуктивний опір розсіювання відповідно;

  R₀ - активний опір, що враховує втрати в сталі;

  X₀ - індуктивність ланцюга намагнічування;

  X'₂, R'₂ - приведені до статора індуктивності розсіювання та активного опору ротора відповідно;

  s - ковзання;

  I⁽¹⁾_A, I⁽²⁾_A - струми фазної обмотки прямої та зворотної послідовностей відповідно;

  U⁽¹⁾_A, U⁽²⁾_A - напруги прямої та зворотної послідовностей, введених у місце обриву.

  Для розрахункових схем рис. 2.2 становлять рівняння (2.1).

  (2.1)

  

  де - опір АД прямій послідовності;

  де - опір АД зворотній послідовності.

  Рівняння (2.1) доповнюються трьома рівняннями, що описують наявність несправності. Так для обриву фази дані рівняння складаються з умов I_A=0, U_B= 0, U_C=0 і мають вигляд:

  (2.2)

  

  (2.3)

  

  (2.4)

  

  У результаті рівняння (2.1 - 2.4) утворюють систему з п'яти рівнянь із п'ятьма невідомими: U⁽¹⁾, U⁽²⁾, U^{(0 )}, I⁽¹⁾, I⁽²⁾ [21].

  З аналізу залежностей (2.1) випливає, що розрахунок вхідних опорів АД виконується для заданого ковзання. Величина ковзання двигуна залежить від моменту опору. Для визначення ковзання, що відповідає довільному моменту опору, використовувався наступний алгоритм.

  1. Величина ковзання s приймається рівною нулю.
  2. Для заданого ковзання виконувався розрахунок струмів та моментів прямої, зворотної послідовностей (2.5 - 2.12) та сумарний електромагнітний момент M_∑ = M ₍₁₎ - M₍₂₎.

  (2.5)

  

  (2.6)

  

  (2.7)

  

  (2.8)

  

  (2.9)

  

  (2.10)

  

  (2.11)

  

  (2.12)

  

  де U⁽¹⁾_A2, U⁽²⁾_A2 - напруги на ділянці 1-2 схем заміщення фази А;

  P⁽¹⁾_ЕМ, P⁽²⁾_ЕМ - повна потужність на валу двигуна прямої та зворотної послідовності відповідно;

  ω₁, ω₂ - кутова частота обертання для прямої та зворотної послідовності відповідно.

  3. Сумарний електромагнітний момент порівнювався з моментом опору. У випадку, якщо результуючий електромагнітний момент двигуна більший, ніж момент M_i, величина ковзання змінюється на крок Δs: s_i+1= s_i + Δs, розрахунок повторюється з пункту 2. У розрахунках ковзання при моменті, близькому до номінального, Δs прийнято рівним 0,001, що забезпечило похибку розрахунків не більше 5%.

  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. 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 мащин / 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