Диагностика конденсаторных однофазных асинхронных двигателей с учетом технологических и эксплуатационных факторов
Автор: Исмагилов Флюр Рашитович, Хайруллин Ирек Ханифович, Бойкова Оксана Алексеевна, Пашали Диана Юрьевна
Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power
Рубрика: Электромеханика
Статья в выпуске: 34 (251), 2011 года.
Бесплатный доступ
Рассматриваются вопросы диагностики конденсаторных однофазных асинхронных двигателей по внешнему магнитному полю с учетом возможных отклонений размеров форм и взаимного расположения поверхностей активных частей, вызванных технологическими и эксплуатационными факторами. Обсуждаются полученные результаты, в том числе диагностические признаки и особенности практического применения метода.
Конденсаторный однофазный асинхронный двигатель, диагностика технического состояния, внешнее магнитное поле, точность изготовления, технологические и эксплуатационные факторы
Короткий адрес: https://sciup.org/147158138
IDR: 147158138
Текст научной статьи Диагностика конденсаторных однофазных асинхронных двигателей с учетом технологических и эксплуатационных факторов
Введение. Главной задачей поддержания высокого качества серии конденсаторных однофазных асинхронных двигателей (далее КОАД) в условиях развития производства является диагностирование их технического состояния с учетом технологических и эксплуатационных факторов, на основе которого осуществляется периодический контроль их параметров; формулируются и решаются задачи по доработке конструкций и технологии изготовления изделий [1].
К технологическим факторам, влияющим на техническое состояние КОАД, относятся: специфические дефекты, возникающие при штамповке (наклеп и заусенцы, основной причиной последних является величина зазоров между матрицей и пуансоном и состояние их режущих кромок); погрешности получаемых размеров и формы, возникающие при механической обработке; погрешности взаимного расположения базовых и обрабатываемых поверхностей; погрешности сборки сер- дечников из-за нарушения режима прессовки пакетов и способа их стягивания и крепления; статический эксцентриситет; отклонение комплексного сопротивления обмоток, вызванное ошибками в числе витков, погрешностями формы секции и шага укладки, чрезмерным натяжением провода при намотке секции, отклонением параметров конденсатора.
К эксплуатационным факторам, влияющим на техническое состояние КОАД, относятся погрешности формы поверхностей статора и ротора, образующих воздушный зазор, а также их взаимное расположение в радиальном направлении.
В условиях промышленного производства КОАД, как правило, удается устранить негативные факторы или существенно ослабить их влияние путем совершенствования оборудования, технологических процессов, процессов восстановления электромагнитных свойств материала, методов и средств диагностики КОАД и/или их деталей и узлов, а также совершенствования схем обработки, режимов резания и инструмента.
Техническое диагностирование КОАД в основном [2, 3] осуществляется тепловым, электрическим и виброакустическим методами, которые в определенных ситуациях, таких как низкие температуры, виброакустические помехи и т.д., не применимы или не обеспечивают необходимой достоверности информации. Решение современных задач диагностики требует привлечения принципиально новых методов и средств, например, диагностирование по картине внешнего магнитного поля (далее ВМП). При этом измерение диагностических параметров производится бесконтактным методом и, что важно, в рабочем режиме. Использование ВМП в качестве как основного, так и дополнительного источника диагностической информации позволяет более достоверно оценить техническое состояние и прогнозировать отказы электрических машин. Несмотря на очевидные достоинства, характеристики ВМП как диагностического параметра мало изучены и практически не используются при оценке технического состояния КОАД, поэтому развитие теории и технических средств диагностики по внешнему магнитному полю является актуальной научно-технической задачей.
Внешнее магнитное поле конденсаторных однофазных асинхронных двигателей. В [4] приведена математическая модель для диагностики по ВМП КОАД с магнитной несимметрией поперечного сечения активной части на базе физической модели двигателя со статическим эксцентриситетом. При решении задачи приняты допущения: бесконечная активная длина машины; на сердечниках статора и ротора отсутствуют пазы; обмотка управления представлена в виде бесконечно тонкого токового слоя, покрывающего расточку статора, создающего основную гармонику намагничивающей силы, изменяющуюся по синусоидальному закону вдоль расточки; статор имеет гладкую (отсутствуют концентраторы магнитного поля) наружную цилиндрическую круговую поверхность. С целью повышения точности диагностирования, авторами предложена математическая модель, в которой в отличие от [4] учитывается влияние пазов, насыщение стали сердечника статора и влияние корпуса на ВМП КОАД.
Расчётная схема КОАД приведена на рис. 1.
Полный коэффициент зазора имеет вид [5] к 6 = к к k 6' к 6 , (1)
где к § - ——~
6 t Уз5
to-- з 2
> 1 - коэффициент, учитывающий
влияние пазов; 6 - номинальный воздушный за зор; Y з
(2А Y
(s J ;
5 + 2^ ’
t з - зубцовое деление статора;
Ьп - ширина открытия паза;
к 6
, л:6 sh
2 т
л6
> 1;
2т
_ z 1
т- - полюсное деление; к ---------=- -
2 Р 1 - 0,066
2 c коэффициент ослабления поля; p - число пар полюсов; 2 c - ширина активной зоны КОАД; z - общее число пазов статора и ротора.
С учетом (1) эквивалентная величина воздушного зазора, учитывающая влияние пазов, неоднородность поля в зазоре и насыщение магнитной цепи:
6' = кц кб6, (2)
где кц - коэффициент насыщения, учитывающий что рс ^ ^, при номинальном магнитном потоке кg - 1,2-1,35, для КОАД с P=250 кВт, к^ -1,55.
Влияние корпуса КОАД на ВМП учитывается коэффициентом кэ, который с учетом [6] опреде- ляется следующим выражением:

p
Q \
R нар
R k - d к
+ Q 2
f R нар
IRK - dK кк

, (3)
где Rнар - наружный радиус магнитопровода ста тора КОАД; Rк - радиус корпуса КОАД;
d к - толщина корпуса КОАД;

Рис. 1. Расчетная схема КОАД: 1 – ротор; 2 – воздушный зазор; 3 – немагнитный промежуток между корпусом и поверхностью КОАД; корпус КОАД; S e – смещение оси ротора от оси статора при статическом эксцентриситете
Q i — 2
K 1 ( R к - d к ) P И r к
p И rk
K 1 R к J
sh Kd 1к
-I 1 -
RK - dK | . , | ккchKd ; 1к
R к ) )
H инд — H 8 , (7)
И rR где Rс < R < Rнар, Rнар - наружный радиус магнитопровода статора; иr — f (H) - относительная
— 2
K 1 ( R к - d к ) P И r к
P И r к
| RK - d K | |
+ | 1 + к„ к I ch K i d к I ;
sh K,d K + 1к
магнитная проницаемость материала статора.
Авторами получены соотношения для инженерной методики расчета электромагнитного поля в индукторе при номинальных электромагнитных нагрузках серийных КОАД
где

K — j mиУ к ; И г к
– отно-
'инд — H 8------- —с-------- ~ , (8)
3 И н - 26 ( H - 0,4 H нас ) 2 R
Hнас где Hнас - напряженность насыщения; ин - на- сительная магнитная проницаемость материала корпуса; ук - удельная электрическая проводи- мость материала корпуса.
В неравномерном воздушном зазоре, для случая симметричной трехфазной обмотки статора, и с учётом того, что рабочая гармоника линейной токовой нагрузки с р парами полюсов выражается как
A — A m sin( p а - m t ) (5)
в выражение для оценки магнитного поля в воздушном зазоре с учётом технологической погрешности может быть представлено в виде (при
p
>
1
) rr
_ AmR
с
u
к у
H
-
8 5 ^ 1 k 8 k
cos(( p + 1) а - ( m+m e сm ) t ) + + cos(( p - 1) а- ( m-m e ) t )
e_ А х$ cos(pа - mt)+--- 2и к
, (6)
где A m - амплитуда линейной токовой нагрузки; 1 1 - активная длина КОАД; R с - номинальный радиус внутренней расточки статора; R р – номинальный радиус ротора; а - координата в системе, неподвижной относительно статора; m — 2 n f -угловая частота; f – частота сети; e ст – относительный статический эксцентриситет e ст — Se /8;
mе - частота токов (гармоники), вызванная экс- центриситетом, скорректированная по скольже- m нию me — (1 - 5)—, при заторможенном роторе ст p me — 0 ; 5 - скольжение прямовращающейся вол- ны первой гармоники магнитной индукции отно- сительно ротора; ик
1 1 - J 1 - е с ! т
; А — 2— . \1 - e ст e ст V1 - e ст
Выражение для оценки электромагнитного фона в статоре от технологической погрешности может быть получено из (6) с учётом насыщения стали статора чальная относительная магнитная проницаемость материала статора (при H — 0 ).
Для холостого хода и малых электромагнитных нагрузок
H инд — H 8.------ R c -----— . (9)
I 25 -Ь- H 2 +И н I R V H нас /
В [4] показано, что ВМП КОАД определяется с учетом коэффициента, равного отношению напряженности магнитного поля в первичной среде к напряженности магнитного поля во вторичной среде. При этом рассматриваются радиальные составляющие напряженности – нормальные к наружной поверхности машины. Анализ получаемых таким образом уравнений для зоны перехода от статора к окружающему пространству показал, что ВМП в пространстве под корпусом может быть представлено с учетом (5)–(9) в виде
H bmhv — H инд х
V 'к н^ к в exp (2 n m ^ ( ^ н -^ в ))
X-----------------'----------:-------:------------------------------:-------:X
Г вн ( 'к н + 'к в )сЬ( ^ н - ^ в ) + (1 + 'к н' к ) s h( ^ н - ^ в )
X

n
Hвмп — Hвмпу ,
V— 1
где гвн ^ R нар; nm — 4; кн— —н"; к к—
? н И r ? в И r
. л(2 п -1) . . „ л . г- '
^ r ——-—; n —1,2, 3...; ^ н — bjj m p v Z Wc R h ар +? н ; l 1
5 н — V( ^ rR нар ) 2 + P 2i ; ^ в — j^j m P V i ИУ с R н 2 ар + ? 2 ;
5в — V(^rRB )2 - PVi ; PVi - число пар полюсов произвольной гармоники МДС статора; для основной гармоники pVi — p; ус - удельная элек- трическая проводимость материала статора.
Внешнее поле КОАД с учетом экранирования корпуса H вмп к может быть представлено в виде
Н _ H инд 4 ИЛ в ex P ( 2 n m Л^н Лв )) ( (2 R нap + Г вн )дЙс Н г + 242 )
в™_к 2 4 ™№ г ( Г вн (И н +V в ) ch (£ И Ч в ) + (1+V н Ч в )sh(^ И Ч в ))
Z
2 p
X
( 2 R K ( R к - d к ) p
+2
RK - dK ) p кк
p I
R нар )
K 1 ( R k - d к ) . P H r к
p H r k
K 1 R к
sh Kd 1к
R - d I кк ch Kd 1к
R к )
+
K 1 ( R к - d к ) . p H г к
I
-p ^ sh Kd + 1 + R к d к I ch Kd
KRK 1 K ( RK J 1 к I
1кк
)
На рис. 2 приведена зависимость изменения напряженности ВМП от угла а и эксцентриситета ротора вдоль расточки статора КОАД для холостого хода при p _ 1; L 1 /R с _ 1,1; ц r _ 800; Y с _ 1,7^10 7 ; R иap _ 64 мм.
При смещении ротора относительный рост амплитуды напряженности ВМП при эксцентриситете равном e ст _ 0,1 и р =1 составляет 6 %.
Относительное приращение напряженности ВМП А Н при увеличении эксцентриситета монотонно возрастает (рис. 3). Предел роста А Н определяется жесткостью системы статор–ротор или максимально допустимым смещением оси ротора относительно оси статора.
Для аппаратной реализации метода разработана программа [7], которая позволяет оператору:
-
• производить автоматизированный расчет электромагнитного поля в рабочем зазоре и ВМП КОАД в реальном времени;
-
• формировать базы данных диагностических
критериев и отображать результаты контроля с учетом степени развития дефекта в режиме онлайн;
-
• отображать информацию о состоянии объекта диагностирования на видеокадрах монитора;
-
• непрерывно и циклически измерять параметры ВМП (напряженности электромагнитного поля) с идентификацией диагностических признаков дефектов (повреждения подшипников, статического эксцентриситета, осевых сдвигов вала, относительного расширения ротора, овальности поля в воздушном зазоре и т.д.);
-
• оценивать магнитную совместимость.
Программа реализована на языке Visual Basic 6.0. Персональный компьютер, рабочая станция оперативного контроля и рабочая станция диагностирования ВМП работают под управлением операционной системы Microsoft не ниже версии XP . База данных реализована в редакторе MS Excel . Динамическая информация о состоянии КОАД отображается на мониторе ПК.

Рис. 2. Зависимость изменения напряженности ВМП от эксцентриситета ротора вдоль расточки статора

Рис. 3. Зависимость А Н от e ст для серийных бес-корпусных КОАД с высотами вращения до 100 мм
В главное окно пользователь вводит основные геометрические размеры КОАД, нажимает кнопку «Рассчитать», после чего запускается основной алгоритм, в результате работы которого на экран выводится результат расчета диагностического параметра и отображается окно «Результаты диагностики», в котором наглядно отображается степень развития дефекта. После нажатия кнопки «Записать в БД» в окне «Результаты диагностики» сохраняются текущее значение внешнего магнитного поля КОАД и соответствующее ему значение диагностического параметра, дата и время измерения, типоразмер КОАД.
После нажатия кнопки «Построить эскиз» в главном меню отображается окно «Эскиз», в котором наглядно показано развитие дефекта (например, текущее положение ротора при оценке статического эксцентриситета).
Экспериментальное исследование внешнего магнитного поля конденсаторных однофазных асинхронных двигателей. На основе результатов, полученных в работе, для проверки возможности использования ВМП как диагностического сигнала разработан диагностический комплекс (ДК), предназначенный для экспериментальных исследований и диагностики КОАД, оценены его метрологические характеристики. ДК позволяет задавать различные режимы работы, определять характеристики КОАД в рабочих режимах; моделировать с количественной оценкой технически неисправное состояние, обусловленное технологическими отклонениями или эксплуатационными факторами; измерять как диагностический параметр внешнее магнитное поле исследуемого объекта; проводить обработку данных измерений, записывать результаты и выдавать информации на экран персонального компьютера (ПК). Структурная схема диагностического комплекса для исследования КОАД приведена на рис. 4.
Исследуемый объект диагностировался в заданных режимах работы. Сигналы с датчика сети и индукционного датчика внешнего магнитного по- ля (ДВМП) усиливались и фильтровались блоком предварительной обработки сигнала (БПОС) и передавались на аналого-цифровую измерительную приставку к ПК – Нandyрrobe.
Получаемые таблицы данных спектроанализатора (формат частота – падение напряжение канала 1 – падение напряжения канала 2) вводились для последующей обработки в пакет электронных таблиц Microsoft Excel. Определялось математическое ожидание значения напряжения для каждой частоты в спектре напряжения при одном и том же положении ДВМП и затем, после отбрасывания промахов, по значению напряжения проводился расчет напряженности внешнего магнитного поля с использованием пакета Microsoft Excel. Погрешность измерения не превышала 5 %. Число повторных опытов – 16. Данные спектроанализатора записывались в файл на жесткий диск компьютера в следующем формате: число выборок сигнала 512, диапазон частот 250 Гц. Амплитудное значение электродвижущей силы ДВМП автоматически корректировалось в зависимости от изменения данных датчика сети (ДС), что позволило при анализе осциллограмм исключить из рассмотрения сетевые помехи. Гармонический состав ВМП определялся по опытной кривой его распределения. Исследования проводились для КОАД с различным числом пар полюсов в режимах: холостого хода, под нагрузкой и короткого замыкания. Анализ распределения поля в основном проводился по данным замеров при расположении ДВМП на расстоянии 0,2 мм от поверхности КОАД. Эксцентриситет моделировался в пределах от нуля до 0,3 8 .
Кривые функции диагностических параметров для КОАД, работающих в режиме под нагрузкой, при наличии и отсутствии дефекта приведены на рис. 5.
Анализ полученных зависимостей показывает, что в спектральном составе ВМП содержится диагностический сигнал в виде изменения амплитуды напряженности ВМП, позволяющий оценить
Л

Рис. 4. Структурная схема экспериментальной установки для исследования ВМП КОАД: М – исследуемая машина;
ДВМП - датчик индукционный внешнего магнитного поля; СЗУ - система задания углового положения ДВМП; ДС – датчик сети; БПОС – блок предварительной обработки сигнала (усилитель сигнала ДВМП и режекторный фильтр); ПК – персональный компьютер

а)
Рис. 5. Спектральный состав радиальной составляющей ВМП КОАД: а – при отсутствии дефекта; б – при наличии дефекта

б)
качество изготовления КОАД после его сборки и/или осуществлять мониторинг его технического состояния при работе.
Анализ полученных данных показывает удовлетворительную сходимость с расчетными: для р =1 расхождение составляет не более 14 %, в модели [4] - 20 %, для машин с р =2-3 %. Таким образом, учет влияния пазов, насыщения стали сердечника статора и влияния корпуса на ВМП КОАД позволяет повысить сходимость расчетных и экспериментальных данных в 1,7 раз. Наиболее информативной при диагностике асинхронных двигателей является третья гармоника.
Выводы. С целью повышения точности диагностики исследовано ВМП КОАД, разработаны математические модели как функции параметров, сопоставление которых определяет диагностические признаки состояния, учитывающие влияние геометрических соотношений активных элементов конструкции, технологических и эксплуатационных факторов, реальные особенности конструкции КОАД, в том числе влияние пазов; насыщения стали сердечника и влияние корпуса КОАД на его техническое состояние.
Разработан диагностический комплекс, на котором проведены экспериментальные исследования спектральных характеристик внешнего магнитного поля КОАД с имитацией технологических и эксплуатационных дефектов. При несоосности статора и ротора КОАД амплитуда основной гармоники индукции ВМП в зависимости от числа пар полюсов возрастает на 15-20 %.
Разработанное авторами оригинальное программное обеспечение позволяет оценить степень развития дефекта в процентном отношении к исправному состоянию КОАД, а также прогнозиро- вать и своевременно производить ремонт и/или замену элементов КОАД, что в итоге позволяет сократить затраты на плановый ремонт, избежать экономических убытков.
Список литературы Диагностика конденсаторных однофазных асинхронных двигателей с учетом технологических и эксплуатационных факторов
- Пашали, Д.Ю. Повышение эффективности диагностирования роторного оборудования энергетических систем/О.А. Бойкова, Д.Ю. Пашали, В.Е. Вавилов//Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: материалы всероссийской конференции. -Уфа: УГАТУ, 2010. -С. 16-18.
- Григорьев, В.И. Приборы и средства диагностики электрооборудования и измерений в системах электроснабжения: справ. пособие/В.И. Григорьев. -М.: Колос, 2006. -272 с.
- Обзор современных методов и средств оперативной диагностики электромеханических преобразователей энергии/Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, О.А. Бойкова//Вестник УГАТУ. -2010. -№ 4(39), Т. 14. -С. 73-79.
- Хайруллин, И.Х. Диагностика электромеханических преобразователей по внешнему магнитному полю/И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали//Вестник УГАТУ. -2006. -№ 1(14), Т. 7. -С. 165-169.
- Теория электромеханических демпфирующих преобразователей с распределенной вторичной средой: монография/Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, Р.Р. Саттаров. -М.: Машиностроение, 2010. -327 с.
- Романов, В. В. Расчет индукции на внешней поверхности корпуса турбогенератора/В.В. Романов, В.А. Смирнов//Электричество. -№ 8. -1984. -С. 8-13.
- Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010615107. Программа расчета внешнего магнитного поля асинхронных двигателей/И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, О.А. Бойкова. -2010.