Пристрій для контролю якості короткозамкненої обмотки ротора асинхронного двигуна

Винахід відноситься до пристроїв контролю якості короткозамкнених обмоток роторів асинхронних двигунів і може бути використаний для контролю та діагностування стану кліток роторів під час їх виготовлення, а також під час проведення ремонту асинхронних машин. Найбільш поширеними приладами для контролю короткозамкнених кліток роторів є пристрої, що базуються на використанні трансформаторного способу отримання первинної інформації про зміну провідності елементів клітки ротора та наявність дефектів у ній. У пристроях, які використовують цей спосіб, за допомогою індуктора джерела магнітного поля - наводяться електрорушійні сили (ЕРС) у стрижнях короткозамкненої (КЗ) клітки ротора. Під дією цих ЕРС у стрижнях та ділянках КЗ кілець клітки протікають струми, величини яких є пропорційними до їх провідностей. За допомогою давачів (давача), розташованих певним чином, безконтактним способом вимірюються згадані вище струми і формується сигнал, параметри якого відображають інформацію про стан КЗ клітки. Аналогом пропонованого пристрою може служити пристрій, описаний в авторському свідоцтві [Устройство для испытаний короткозамкнутых роторов асинхронных электрических машин. А.с. СССР №1396093. МПК G 01 R 31/02, 1988.]. Він містить індуктор, виконаний у вигляді дугового статора, в пазах якого розташована обмотка збудження, а також давач і вузли для кріплення й обертання ротора. Магнітні системи індуктора й давача розташовані біля поверхні досліджуваного ротора і зміщені між собою вздовж контрольованого стрижня. Спільними ознаками для наведеного аналога і пропонованого пристрою є використання для магнітної системи збудження дугового магнітопровода, який переважно виконується на основі статора відповідного асинхронного двигуна, причому в аналога довжина дуги індуктора не перевищує половини довжини дуги цілого статора, а в пропонованому пристрої для індуктора використовується статор, який має лише незначний розрив довжиною менше двох зубцевих поділок. Недоліком аналога є незначна осьова довжина магнітопровода індуктора, яка є меншою за довжину ротора, оскільки біля поверхні ротора крім індуктора знаходиться також давач, причому між ним та лобовими частинами індуктора повинна бути забезпечена певна віддаль, щоб уникнути безпосереднього впливу магнітного поля індуктора на давач. Це не дозволяє отримати значної величини магнітного потоку збудження індуктора і, відповідно, обмежує можливість індукування в стрижнях ротора значних ЕРС, що б дозволило підвищити чутливість під час контролю роторів з закритими пазами. Другим недоліком аналога є використання індуктора одночасно і для приводу контрольованого ротора, що, як показали дослідження, не забезпечує стабільної частоти обертання ротора, а тим самим впливає на точність контролю. Найбільш близьким до пропонованого пристрою є пристрій контролю якості короткозамкненої клітки ротора [Спосіб контролю якості короткозамкненої обмотки ротора і пристрій для його реалізації. Пат. України №27451. МПК G 01 R 31/02, 2000.], який складається з індуктора, що містить магнітопровід, виконаний із осердя статора асинхронного двигуна у вигляді розімкненого циліндра з однофазною обмоткою збудження кільцевого типу, розподіленою вздовж магнітопроводу, вузла для кріплення й обертання ротора, вал якого встановлений на осі магнітопровода і сполучений з привідним двигуном, а також вимірювального давача. Однак, чутливість і точність контролю необроблених роторів з закритими пазами за допомогою згаданого пристрою є нижчою ніж при контролюванні оброблених роторів. Це обумовлено перш за все більшим коливанням висоти феромагнітних мостиків над стрижнями по периметру необробленого ротора, а також їх більшою товщиною, що ослаблює ефект насичення цих мостиків, використаний у згаданому пристрої. В основу винаходу поставлена задача розробки пристрою, який дозволяє підвищити чутливість і точність контролю за рахунок зменшення впливу магнітного поля індуктора на інформативний сигнал давача, зменшення похибки базування давача відносно елементів КЗ клітки ротора та збільшення струму контрольованого стрижня обмотки ротора. В основу створюваного пристрою поставлена також задача отримання інформації про зміну провідності ділянок КЗ кілець. Це дає можливість ефективніше здійснювати контроль якості та діагностування дефектів як під час виготовлення обмоток таких роторів, так і під час ремонту асинхронних двигунів. Поставлена задача розв'язується таким чином, що в пристрої контролю якості короткозамкненої клітки ротора, який складається з індуктора, що містить магнітопровід, виконаний із осердя у вигляді розімкненого циліндра з однофазною обмоткою збудження кільцевого типу, розподіленою вздовж магнітопроводу, вузла для кріплення й обертання ротора, вал якого встановлений на осі магнітопровода і сполучений з привідним двигуном, а також вимірювального давача, згідно з винаходом вимірювальний давач розташований між привідним двигуном та індуктором і за допомогою пружин з'єднаний з корпусом двигуна та має можливість переміщатися вздовж вала, містить чутливі елементи у вигляді двох первинних вимірювальних перетворювачів, які закріплені на його основі один відносно другого на віддалі зубцевої поділки ротора, а обмотки первинних вимірювальних перетворювачів сполучені зустрічне. На фіг.1 представлено загальний вигляд пристрою для контролю якості роторів, на фіг.2 - поперечний розріз індуктора із зазначеними для певного моменту часу напрямками протікання струмів у обмотці індуктора та силовими лініями магнітного поля збудження, на фіг.3 - загальний вигляд давача інформативного сигналу, на фіг.4 - схему з’єднання обмоток первинних вимірювальних перетворювачів давача. На фіг.1 та фіг.2 позначено: 1 - привідний двигун, 2 - вал для встановлення контрольованих роторів, 3 -індуктор, 4 - давач, 5 - магнітопровід індуктора; 6 - обмотка збудження; 7 - контрольований ротор. На фіг.4 початки і кінці обмоток первинних вимірювальних перетворювачів позначено, відповідно, П і К. Конструктивно давач складається з двох ідентичних електромагнітних вимірювальних перетворювачів, які розміщені один від одного на віддалі зубцевої поділки ротора. При встановленні контрольованого ротора на валі пристрою магнітні осердя перетворювачів будуть розташовані напроти ділянок короткозамкненого кільця, які прилягають до стрижня, в якому протікатиме максимальний струм (даний стрижень знаходитиметься у зоні розриву магнітопровода індуктора). Обидва перетворювачі кріпляться на спільній ізоляційній основі, що є підпружиненою і має дистанційні упорні елементи, які ковзають по вибраній базовій поверхні КЗ кільця під час його обертання. За базову переважно вибирається одна з поверхонь того КЗ кільця, зі сторони якого здійснюється подача розплавленого алюмінію в осердя під час відливання обмотки. Як показали дослідження, при відливанні такого кільця завжди отримується необхідна якість його поверхні, а саме: точність відтворення форми кільця та шорсткість поверхні. Цим забезпечується необхідна віддаль між торцевими поверхнями осердь первинних вимірювальних перетворювачів та відповідними поверхнями ділянок КЗ кільця під час контролю роторів. При традиційному розташуванні давача над циліндричною поверхнею контрольованого ротора аналогічної стабільності величини повітряного проміжку досягнути практично неможливо. Конструкція упорних елементів та осердь давачів залежить від форми КЗ кілець та наявності на них вентиляційних лопаток. Найвища точність базування досягається при контролюванні роторів з гладкими КЗ кільцями (без вентиляційних лопаток). Таким чином, розроблена конструкція вимірювального давача дає можливість збільшити точність діагностування за рахунок забезпечення більшої стабільності величини повітряного проміжку між давачем і короткозамкненим кільцем, оскільки даний фактор вносить найбільш суттєву похибку в результати контролю. Крім зазначеного, винесення давача інформативного сигналу за межі ротора дозволило зменшити величину розриву магнітопровода індуктора і, відповідно, дещо збільшити кількість витків та намагнічувальну силу обмотки збудження, що, в свою чергу, збільшило струм контрольованого стрижня та ефект насичення феромагнітного мостику над ним. Одночасно, зменшився вплив магнітного потоку індуктора на інформативний сигнал давача, оскільки в конструкції пристрою, представленого в згаданому вище патенті №27451, осердя давача відігравало роль шунта, через який замикалась певна частина магнітного потоку індуктора. Для зменшення цього впливу необхідно було б збільшувати віддаль між бічними поверхнями осердя давача і торцевими поверхнями осердя індуктора в зоні його розриву, що зменшувало б ефективну поверхню індуктора та струми в контрольованих стрижнях ротора. Пристрій для контролю якості КЗ клітки ротора складається з привідного редукторного двигуна 1 (фіг.1), механічно сполученого з валом 2 для встановлення контрольованих роторів, індуктора 3, який містить кільцевий розімкнений магнітопровід 5 (фіг.2) прямокутного поперечного перерізу, виконаний з феромагнітного матеріалу, і обмотку збудження 6. Контрольований ротор 7 встановлюється на вал 2, співвісно розташований з магнітопроводом індуктора. Давач 4 знаходиться біля торцевої поверхні ротора поряд з КЗ кільцем в області розриву магнітопровода. Обмотка збудження 6 намотана навколо ізольованого магнітопровода і розподілена по його довжині, причому зі сторони контрольованого ротора вона укладена в пази внутрішньої циліндричної поверхні магнітопровода. Величина розриву в магнітопроводі індуктора виконується не більшою за дві зубцеві поділки ротора виходячи з умови, щоб магнітний потік індуктора майже повністю проходив через тіло осердя ротора і не замикався через торцеві поверхні осердя індуктора в зоні розриву. Пристрій працює наступним чином. Після встановлення контрольованого ротора 7 на вал 2 пристрою на обмотку збудження 6 подається живлення від джерела однофазної змінної напруги. При цьому виникає змінний магнітний потік, який проходить по кільцевому осерді магнітопровода 5 індуктора, повітряному проміжку між індуктором і ротором та осерді контрольованого ротора 7. Розподіл магнітної індукції в повітряному проміжку між індуктором 3 і ротором 7 є нерівномірним. Посередині магнітопроводу (на його осі симетрії) магнітна індукція дорівнює нулеві, а при наближенні до його країв вона поступово зростає, приймаючи максимальне значення на краях розриву осердя. Індуковані цим потоком ЕРС у стрижнях ротора також відрізняються за величиною, проте у всіх стрижнях, о хоплених осердям індуктора, напрямки ЕРС практично співпадають за фазою. Викликані ними струми замикаються через ділянки КЗ кілець і стрижні, розташовані в зоні розриву магнітопровода. Таким чином, сума струмів у стрижнях в зоні розриву наближено дорівнює сумі струмів решти стрижнів ротора. При протіканні значного струму в контрольованому стрижні ротора з закритими пазами відбувається насичення феромагнітного мостика, який закриває паз, і його індуктивний опір значно зменшується та, відповідно, зростає активна складова повного опору стрижня. Поява дефектів спричиняє, передусім, зміну активного опору елементів КЗ клітки. Отже, при менших значеннях індуктивного опору контрольованого стрижня поява дефектів у ньому викличе більшу зміну стр уму, ніж у випадку ненасиченого стану феромагнітного мостика. Таким чином, вища чутливість до дефектів при отриманні інформативного сигналу, який базується на зміні струму контрольованого стрижня, забезпечується при більших значеннях стр уму стрижня. При протіканні струмів в ділянках КЗ кільця, прилеглих до контрольованого стрижня, навколо них виникнуть магнітні потоки, які замикатимуться через осердя вимірювальних перетворювачів давача. Оскільки зазначені магнітні потоки пропорційні до величин струмів, то індуковані ними відповідні ЕРС в обмотках перетворювачів також залежатимуть від струмів ділянок КЗ кільця. За першим законом Кірхгофа сума струмів у вузлі, утвореному стрижнем та двома прилеглими ділянками КЗ кільця, дорівнює нулеві, тому при зустрічному включенні обмоток (1-3) та (2-3) вимірювальних перетворювачів (фіг.4), сигнал, отриманий у точках (1-2) буде пропорційний струмові стрижня, а отже, його провідності. За один оберт ротора 7, який приводиться в рух двигуном 1, послідовно всі ділянки КЗ кільця клітки проходять під вимірювальним давачем і при цьому отримується інформація про провідності стрижнів обмотки та ділянок КЗ кілець, на основі якої визначають технічний стан контрольованого ротора. Після цього двигун 1 зупиняють, вимикають живлення обмотки індуктора і проводять зміну ротора 7.