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;

Ь_п - 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

|      R_K - 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 _ ^Am^R с u к _у H           X

• 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 — S_e /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 V^{1 -} 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⁽ ^ r^R 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.