Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя в режиме выбега

Александра Олеговна Потапенко1, , Асель Оразовна Юсупова1, , Сергей Ильдусович Латыпов2, , 1 Торайгыров университет, Павлодар, Республика Казахстан

Aleksandra O. Potapenko1, ,

Assel O. Yussupova1, ,

Sergey I. Latypov2, ,

В промышленности, а также на электрических станциях и подстанциях развитых стран, асинхронные двигатели (АД) являются самой распространенной электрической машиной. Они потребляют свыше 80 % всей вырабатываемой электроэнергии. В то же время на их долю приходится до 30 % отказов всего электрического оборудования. При этом доля отказов по причине обрыва стержней короткозамкнутого ротора, по мнению различных авторов, может достигать порядка 5–10 %. Однако экспериментальные исследования на ряде заводов и электрических станций в Павлодарской области (Республика Казахстан) показали, что повреждаемость короткозамкнутого ротора «беличьей клетки» АД значительно выше. В основном ущерб от эксплуатации такого АД выражается в повышенном расходе электроэнергии. Причем год его работы приводит к перерасходу электроэнергии сопоставимому со стоимостью самого АД.

Известные системы диагностики обрыва стержня короткозамкнутой обмотки ротора [1 - 3], которые в качестве источника информации о повреждении используют вибрацию [4 - 7] и температуру элементов АД, ток в обмотке статора [8 - 22] и магнитные поля лобового рассеяния в торцевой зоне в эксплуатационных режимах работы АД [8, с. 60], не способны надежно распознавать повреждение обмотки ротора из-за значительных колебаний параметров питающей сети и приводного механизма. В этом отношении более перспективны те системы, на работу которых не способны влиять эти факторы. Например, системы, которые осуществляют диагностику АД в режиме выбега [23 - 25]. Таким образом, разработка системы диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя по ЭДС обмотки статора в режиме выбега является актуальной задачей.

После отключения АД от сети ток в обмотке статора становится равным нулю, а токи в обмотке вращающегося ротора в первый момент времени остаются такими же, какими были до отключения. Затем эти токи начинают затухать по экспоненте, параметры которой определены величиной активного индуктивного сопротивления обмотки ротора. В свою очередь затухающие токи вращающего ротора индуктируют в обмотке статора ЭДС. И если АД присоединен кабелем, то в обмотке статора также появится ток. В результате в режиме выбега АД источником информации о повреждении обмотки короткозамкнутого ротора может быть ЭДС, индуктируемая в обмотке статора затухающими токами в короткозамкнутой обмотке ротора [26 - 29].

Постановка задачи

Способ диагностики обрыва стержня короткозамкнутой обмотки ротора АД в режиме выбега, в котором источником информации о повреждения ротора является ЭДС, индуктируемая в обмотке статора затухающими токами в короткозамкнутой обмотке ротора, основан на том что:

• 1)    по размыканию блок-контактов выключателя нагрузки определяется начало выбега АД, в результате чего формируется сигнал на измерение ЭДС обмотки статора и осуществляется запись этой ЭДС в виде зависимости е ₁ ( t ) в течение заданного времени t ₄ (рис. 2);

• 2)    по зависимости е ₁ ( t ) и заданным критериям рассчитывается время t ₁ и t ₂ начала и конца зоны диагностирования;

• 3)    из зависимости е ₁ ( t ) в зоне диагностирования выделяется первая гармоника величиной Е_р с частотой f p = f_c (1 - 5 ) и гармоническая величи-

• ной Ер-1 с частотой fp-1 = fс(1 - s)(1 -1/р), где s – скольжение ротора, p – количество пар полюсов;

• 4)    р а с с читыв а е тс я и х от ноше н ие в виде σ р - 1 = Е р - 1 IЕ_р , с ре дне е з на чение этого о тношения σ _ср и сре д не е с корре кт и ров а нное з на чение этого отношения σ ^* _ср в и нте рва л е в ре м е н и от t ₁ до t ₂ . И если σ ^* _ср пре в ы с и т з а да нн у ю в ел ич ин у , то форм ир уе тс я с иг нал об обрыв е с те ржня коро ткозамкнутой обмотки ротора.

Практическая реализация способов диагностики

В соответствии с [30–33 ] уст р о й ст во по этом у с п о со б у р еали з ует ся на б аз е п ер со н аль н о г о компьютера ПК, в кот о р ом в к ач ест ве АЦ П испо ль зу е т ся зв у к о вая к а р т а, д ан н ы е о б р аб ат ы в ают ся в сп ец и аль н о со зд ан н о м п ро г раммно м о б е спечении. В этом случае блок-схема си ст емы д иа г н о ст и к и о б р ы ва ст ер жн я к о р о т к о замк н у т о г о ро т ор а АД в р ежи ме вы б ег а с и ст о ч н и к о м и нформации о поврежд ен ии в ви д е ЭДС о б мо т к и с т ат о р а б у д ет со о т вет с т во ват ь т о й , к о т о рая п р иведена на рис. 1.

Из приведенной блок-схемы (см. рис. 1) видно, что информацию при диагностике повреждения стержня короткозамкнутого ротора система диагностики получает от измерительного трансформатора напряжения TV, который подключается к одной из фаз АД, как показано на рис. 1. Измерительный трансформатор TV является понижающим с коэффициентом трансформации kv. В АД напряжением выше 1000 В в качестве такого трансформатора может использоваться НОМ (трансформатор напряжения однофазный масляный) или НТМИ (трансформатор напряжения трехфазный масляный с дополнительной вторичной обмоткой). Это позволит избавиться от гальванической связи между высоким и низким напряжением. С учетом того, что вторичное напряжение таких трансформаторов равно 100 В, возможно, потребуется промежуточный трансформатор напряжения. Он дает возможность согласовать напряжения на выводах вторичной обмотки НОМ или НТМИ с допустимым напряжением на входе устройства диагностики, которое для звуковой карты не должно превышать 0,9 В. Для более точного сопряжения вторичного напряжения TV с напряжением на входе звуковой карты ПК используется нормирующее устройство НУ, которое через контакты кнопки К может подключаться как к mV – милливольтметру, так и к АЦП. С помощью милливольтметра осуществляется контроль установки на выходе НУ необходимого напряжения. Преобразование ЭДС е1 /kv в цифровую форму осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП звуковой карты.

Запуск режима диагностирования системы осуществляется замыканием блок-контактов БК в момент отключения выключателя Q и перехода АД в режим выбега. В результате начиная с момента времени t ₀ и в течение времени t ₄ ЭДС величиной е ₁ / k_v через нормирующее устройство получает доступ к блоку памяти БП, где и осуществляется запись зависимости е ₁ ^* _з ( t ) в интервале времени от t ₀ до t ₄ , как это показано на рис. 2.

АД – а си н хр о н н ый д ви га т е л ь ; Q – выключатель нагрузки; БКВ – блок-контакт выключателя нагрузки; БОИ – бл о к о бр а бо т ки и н ф о р ма ци и ; T V – измерительный трансформатор напряжения; НУ – нор ми р у ющ е е у стр о й ст во; КУ – кнопка управления; mV – милливольтметр; АЦП – аналого-ци ф р о во й пр е обр а з о ва т е л ь; БП – блок оперативной памяти для записи е ₁^*( t ) = е ₁( t ) k_v в инт е р ва л е вр е ме н и о т t ₀ до t ₄ ; БОЗД – блок определения зоны диагностирования; БВРР – блок выбора режима работы в виде «Настройка» и «Д и а гн о ст и к а » ; ПЭ – по р о го вый эл е ме нт ; М ОН – монитор ПК; БД – база данных; КЛВ – клавиатура ПК

Рис. 1. Блок-схема устройства диагностики АД в котором информацию о повреждении ротора получают из ЭДС статора, а начало выбега определяют по замыканию блок-контактов выключателя

Fig. 1. A block diagram of the IM diagnostic device in which information about the damage to the rotor is obtained from the stator EMF, and the start of the runout is determined by closing the auxiliary contacts of the switch

Рис. 2. Блок-схема устройства диагностики АД

Fig. 2. Block diagram of an induction motor (IM) diagnostic device

Далее данные в виде зависимости е1*з (t) поступают в блоки определения зоны диагностирования БОЗД и обработки информации БОИ. В блоке БОЗД по зависимости е1*з(t) и заданному отношению σt1 =Em*1з(t1) Еm*1з(t0) и σt2 =Em*1з(t2) Еm*1з(t0) (см. рис. 2) определяется время t1 начала и t2 конца зоны диагностирования, где Еm*1з(t0) , Еm*1з(t1) и Еm*1з(t2) – амплитуды зависимости е1*з (t) при времени t0 , t1 и t2 . Как показали мно- этого отношения σ*ср . С учетом того, что в процессе выбега под влиянием сопротивления скольжения подшипников и вентилятора охлаждения скорость вращения ротора падает, частоты гармоники Ер и гармонической Ер -1 уменьшаются. Поэтому для их выделения используется оконное преобразование Фурье с «адаптирующимся окном». При этом ширину окна принимают равной величине р периодов, а шаг окна равным величине одного периода. Среднее значение отношения σср и среднее скор- гочисленные результаты эксперимента, величины σt1 и σt2 рекомендуется принимать равными 0,08–0,1 и 0,03–0,04. Эти величины определены многочисленными экспериментальными исследованиями и тоже заносятся в базу данных БД.

В блоке БОИ из зависимости е1*з (t) в зоне диагностирования выделяют гармонику Ер и гармоническую Ер-1 , а также их отношение в виде ректированное значение этого отношения σ*ср ределяются по математическим выражениям:

N

σср = ∑ σ(р-1)n /N, n =1

где σ _{( р - 1) n} – среднее значение отношения σ _{р - 1}

оп-

для

неповрежденного АД в точке n , N = ( t ₂ - t ₁ ) I ∆ t .

Это среднее значение σ _ср рассчитано с уче-

Рис. 3. Зависимость отношения дискретных значений дополнительной гармонической ЭДС обмотки статора с частотой 33,33Гц к основной гармонике целого и поврежденного АД 4АМ100L6Y3 в режиме выбега

Fig. 3. Dependence of the ratio of discrete values of the additional harmonic EMF of the stator winding with a frequency of 33.33 Hz to the fundamental harmonic of the whole and damaged IM 4AM100L6Y3 in the rundown mode

броски вызваны неточным определением длительности текущего периода, величина которого под влиянием различных факторов может изменяться случайным образом и, следовательно, искажать результаты разложения в ряд Фурье ЭДС на выходе обмотки статора. Для того чтобы уменьшить их влияние на расчет среднего значения σ ₃₃ , все его значения, которые превышают величину σ _ср приравниваются σ _ср . А затем определяется его среднее, но скорректированное значение как

N

σ ср = ∑ σ ( р - 1) n / N , (2) n = 1

где σ _{( р - 1) n} – откорректированное среднее значение отношения σ _{р - 1} для неповрежденного АД в точке n , N = ( t ₂ - t ₁ ) I ∆ t .

Далее величина σ ^*_ср используется как один из критериев для оценки состояния обмотки ротора.

Рассчитанное среднее скорректированное значение этого отношения σ ^*_ср поступает в блок выбора режима работы БВРР.

Блок выбора режима работы БВРР диагностической системы предполагает ее работу в режимах «Настройка» и «Диагностика». Режим работы БВРР задается с клавиатуры и контролируется по показаниям монитора МОН. В свою очередь БВРР управляет работой блока памяти БП, порогового элемента ПЭ, базой данных БД и отражает результаты этой работы на мониторе МОН.

В режиме «Настройка» осуществляется подготовка системы диагностики к работе. Она производится в режиме холостого хода АД соединенного с приводимым механизмом. Например, в случае вентилятора или водяного насоса для этого перекрываются необходимые вентили и задвижки. При этом первичная и вторичная обмотки измерительного трансформатора присоединяются к сети и нормирующему устройству так, как показано на рис. 1. В режиме «Настройка» первоначально выставляется безопасное напряжение на входе звуковой карты. Для этого выход нормирующего элемента НУ с помощью кнопки управления КУ присоединяют к милливольтметру переменного тока mV с большим входным сопротивлением, а затем с помощью элементов регулировки НУ на нем устанавливается напряжение U _зк в пределах 0,2–0,8 В. После этого выход НУ с помощью кнопки КУ от милливольтметра отсоединяется и присоединяется к входу звуковой карты в виде гнезда «Микрофон». Данные операции вызваны необходимостью отстройки от колебаний напряжения сети из-за изменения нагрузки в электрической системе, которая зависит от времени суток и времени года.

После этого ПК подключается к сети или блоку питания, в него загружается Windows и через «Панель управления» в соответствии с [12] осу- ществляется настройка звукового канала. После чего устанавливается программное обеспечение ALEX-M. После всего этого система диагностики готова к работе.

Как правило, диагностика конкретного двигателя осуществляется в два этапа следующим образом. На первом этапе в базу данных БД помещаются параметры нового с завода или после ремонта АД в виде паспортных данных, места размещения этого АД на предприятии, времени, результатов первичной диагностики и коэффициента отстройки k _отс . К требуемым для диагностики параметрам АД относится номинальные ток и напряжение, число пар полюсов, время начала и конца зоны диагностирования и так далее. При этом результат первичной диагностики в виде среднего скорректированного значение отношения целого двигателя σ ^*_ср,ц заносится в базу данных БД в качестве эталонного. В дальнейшем отношение σ ^* ср,ц используется для определения порога срабатывания порогового элемента ПЭ. На этом режим «Настройка» завершается. При этом на экране автоматически отражаются как параметры нового АД, так и результаты расчета в виде среднего скорректированного значение отношения σ ^*_ср,ц .

Режим «Диагностика» осуществляется аналогично режиму «Настройка» вплоть до определения среднего скорректированного значение отношения, которое в режиме «Диагностика» помечается как σ*ср,п , поврежденного двигателя. Однако затем по соответствующей команде с клавиатуры КЛВ из базы данных БД извлекается эталонное значение среднего скорректированного отношения σ*ср,ц , которое в пороговом элементе ПЭ сравнивается с полученной величиной σ*ср,п . И если при этом величина σ*ср,п превысит порог срабатывания, определяемый как σ*сраб = kотс σ*ср,ц , то ПЭ формирует для монитора сигнал – «Повреждение ротора». Если величина σ*   окажется меньше σ*   = k σ* , ср,п                              сраб отс ср,ц то ПЭ формирует сигнал – «Ротор целый». При этом время диагностики, результаты диагностики и полученные значения σ*ср,п заносятся в базу данных БД.

Рассмотренная система диагностики позволяет достаточно просто осуществлять диагностику АД напряжением до 1000 В. Однако необходимость подключения для диагностики к блок контактам высоковольтных АД, например, в ячейках КРУ значительно усложняет процесс диагностики и по технологическим причинам может применяться не на всех АД. Этого в значительной мере можно избежать, если начало режима выбега АД определять по разности амплитуд зависимости

АД – аси н хр о н н ый д ви га т е л ь ; Q – выключатель нагрузки; БКРВ – блок контроля режима выбега; TV – и з ме р и т е л ьн ый т р а нсф о рма т о р н а пр яж е н и я; НУ – нормирующее устройство; КУ – кнопка управления; mV – ми л л иво л ь т м е т р ; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; БП – блок опе р а т и вн о й па мят и д л я з а пи си е ₁ ^* ( t ) = е ₁ ( t )/ k_v в интервале времени от t ₀ до t ₄ ; БОЗД – блок о пр е д е л е н и я з о н ы д и а гн о ст и р о ва н и я; Б В РР – блок выбора режима работы в виде «Настройка» и «Диагностика»; ПЭ – п о ро говый эле мент ; М ОН – монитор ПК; БД – база данных; КЛВ – клавиатура ПК

Рис. 4. Блок-схема устройства диагностики АД в котором информацию о повреждении ротора получают из ЭДС статора, а начало выбега определяют по разности ее амплитуд Fig. 4. Block diagram of the IM diagnostic device in which information about the damage to the rotor is obtained from the stator EMF, and the start of the rundown is determined by the difference in its amplitudes е1*(t) = е1(t)/ kv . На рис. 4 приведена блок-схема устройства диагностики начало режима выбега, в котором определяется блоком контроля режима выбега БКРВ.

В соответствии с рис. 2 режим выбега в отличие от режима до выбега имеет характерную разность амплитуд в зависимости е1 (t) в каждом периоде. Именно это предлагается использовать для определения времени перехода АД в режим выбега. Запуск режима диагностирования осуществляется с помощью блока БКРВ. Этот блок представляет собой замкнутый цикл с входными данными в виде зависимости е1*(t) длительностью в один период, в котором определяется положительная * или отрицательная величина амплитуды е1 и сравнивается с предыдущей ее величиной. И если предыдущая амплитуда будет больше следующей за ней, то происходит выход из цикла и формируется сигнал в виде t0 о начале диагностики АД, который поступает в блок памяти БП.

Заключение

Опытный образец системы диагностики обрыва стержней ротора показал, что такая ее реализация способна достаточно эффективно выявлять обрыв стержня ротора в режиме выбега АД. Ее стоимость невысока и определена в основном стоимостью ПК и программного обеспечения, что делает ее доступной для практически любого промышленного предприятия и некоммерческих организаций.