Диагностика неисправностей ротора асинхронного двигателя методом спектрального анализа токов статора

• Автор: Вейнреб, Конрад Беноневич
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 31 с. : 12 ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Математическая модель АД
Цифровые расчеты диагностических образцов
Количественная оценка повреждений ротора
Теоретические предпосылки обнаружения вида повреждения ротора
Выбор гармоник тока статора для надежной диагностической оценки
Диагностическая система
Диагностика повреждений обмотки ротора
Диагностика эксцентриситета - метод анализа спектра фазного тока статора
Результаты лабораторных тестов асинхронного двигателя малой мощности
Анализ спектра тока статора крупного электродвигателя
Заключение
Список публикаций

ВВЕДЕНИЕ
Настоящая диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук подготовлена соискателем на основе совокупности рецензированных научных работ, помещенных в научно-технических журналах или в печатных трудах периодических международных и польских научных конференций в области электрических машин (см. список в конце доклада). В диссертации представлены результаты теоретического анализа неисправностей ротора асинхронных машин, произведенного методом спектрального анализа токов статора. Проведенные на его основании теоретические и экспериментальные исследования явились основой надежной и эффективной неразрушающей системы обнаружения и диагностической оценки повреждений.
Актуальность темы.
Диагностика состояния асинхронного двигателя (АД) - важная практическая задача. Не обнаруженные своевременно нарушения работы отдельных узлов машины, в частности повреждения обмотки ротора или наличие эксцентриситета ротора могут привести к тяжелым авариям на производстве.
Большинство используемых в настоящие время систем диагностики разработано после многолетнего изучения электрических машин, как экспериментально, так и посредством анализа математических моделей. Доступные сегодня измерительные и вычислительные технологии дали возможность использования в диагностике многих, ранее исследованных явлений, а также стали вдохновляющими для поиска новых сигналов, которые обогащают диагностическую информацию. Обзор диагностических сигналов и классификация применяемых методов их обработки представляют в своих работах: Ahmed. /., Bellini A., Benbouzid M.E.H., Bikfalvi P., Cabanas M.F., Capolino G.A., Casimir R., Filippetti F., GaoX.Z., Gilmore R. J, Habetier T.G., Haji M., Han Y., Jung J.-H., Kral C., Kowalski Cz., LiX., Liang B., MehalaN., NandiS., Negrea M.D., Rodriguez P.V.J., Siddique A., SinM.L., Singh G.K., Song Y.H., TassoniC., Thomson W. T., Toliyat H.A., Vas P., Verucchi C.J., Барков A.B., Завидей В. И.
На основе проведенных в этих работах исследований можно констатировать, что существуют три группы методов мониторинга, обнаружения и оценки дефектов конструкции обмоток двигателя и асимметрии воздушного зазора:
а) методы, основанные на математическом моделировании и оценке параметров машины, в том числе метод баланса гармонических и метод конечных элементов;
б) методы, использующие анализ измеряемых сигналов, в том числе:
- метод анализа характерных изменений тока двигателя, в частности диагностическая процедура Motor Current Signature Analysis - MCSA, спектры (статистики) высшего порядка, спектральный анализ мгновенной мощности, подход методом вектора Парка, статистический анализ токов, анализ методом волновых пакетов;
- обнаружение дефектов с использованием анализа вибрации, аксиального магнитного потока и электромагнитного момента;
- метод частичных разрядов, употребляемый в диагностике обмотки статора высоковольтных машин переменного тока;
в) методы искусственного интеллекта, в том числе искусственные нейронные сети, нечеткая система гипотетических умозаключений (Fuzzy Inference System), распознавание образов (Pattern Recognition).
Новые информационные технологии позволяют проводить автоматический мониторинг технического состояния машины и при установке системы оперативной диагностики повысить надежность работы АД. Возможности и преимущества их применения в эксплуатации стимулируют разработку качественно новых математических моделей, которые учитывают асимметрию электрической или магнитной цепей (авторы работ: RawickiS., RusekJ., SobczykT., Андреева O.A., Баширов М.Г., Волохов С.А., ГаджиевГ.А

Из табл.6 видно, что наибольшие значения ку„ и клу„з находятся в полосе частот ниже 500 Гц для случаев повреждений стержней. В табл.7 даются частоты и амплитуды выбранных гармоник тока статора для указанных выше роторов при номинальном скольжении ротора. Принято, что амплитуда основной гармоники тока при частоте /о равна 100 дБ. Показатель повреждения (асимметрии) клетки кгь в отличие от кг (40) вычисляется относительно амплитуды основной гармоники тока:
** = юо /12,)Л //£,(%) (61)
Показатель клупз определяет относительное значение суммы амплитуд гармоник фазного тока, свойственных динамическому эксцентриситету и вызванных третьей гармоникой напряжения питания или насыщением основной магнитной цепи.
Гармоника тока с частотой (1-2з)/о является малочувствительным показателем динамического эксцентриситета, а также не всегда правильно определяет уровень повреждения клетки. Ее амплитуда может уменьшиться с повышением числа или расположением оборванных стержней (ротор № 4). Тогда полезно анализировать изменение амплитуд добавочных гармоник тока, а именно гармоник, ближайших к основной пазовой гармонике, и с частотами, связанными с числом пазов статора.
Наблюдаемые гармоники и полосы спектра тока сравнены, соответственно, в табл.7, на рис. 18 и рис. 19, откуда видны существенные различия амплитуд гармоник при повреждении стержней клетки ротора и при динамическом эксцентриситете.

Рис. 18. Спектр фазного тока в случае обрыва двух Рис. 19. Спектр фазного тока в случае
поочередных стержней клетки динамического эксцентриситета
Асимметрия напряжений делает практически Таблица 8. Соотношения
невозможной оценку уровня статического симметричных составляющих тока, эксцентриситета на основе изменений амплитуд гармоник БЕН. В этом случае следует анализировать соотношения амплитуд 1 и /г симметричных составляющих гармоники прямой «1» и обратной «2» последовательности.
В табл. 8 представлены соотношения амплитуд симметричных составляющих: основной, РЕН и ЕН (табл. 4) гармоник тока статора испытуемого двигателя.
Сравнение амплитуд гармоник и их симметричных составляющих при различных повреждениях приводит к следующим выводам:
а) амплитуды двух гармоник, ближайших к гармонике РЕН, вследствие повреждения клетки или динамического эксцентриситета существенно увеличены, но для асимметрии
1г Гармоника тока с
№ Ки [%] 50 Гц 622 Гц | 722 Гц
1г //,[%] /,//2 [%]
1 0.57 0.58
2 0.61 1.62
3 0.72 1.76
4 0.82 0.89
5 0.64 0.95
6 0.91 1.17
7 1.24 8.61
Ротор №
!Гц]
Ротор №