Спосіб виявлення пошкоджень обмоток короткозамкненого ротора асинхронного двигуна

Спосіб виявлення пошкоджень обмоток короткозамкненого ротора асинхронного двигуна, який полягає у тому, що асинхронний двигун відключають від мережі живлення, за допомогою датчиків напруги, які підключаються до обмоток статора, вимірюють значення електрорушійної сили (е.р.с), що наводиться загасаючими струмами ротора в обмотках статора, перетворюють виміряний сигнал із аналогової форми у цифрову, аналізують виміряний сигнал за допомогою вейвлетперетворення, який відрізняється тим, що враховують нерівномірність магнітного поля в зазорі асинхронного двигуна, проводять вейвлет-аналіз сигналу е.р.с та за наявності характерних ділянок на спектрограмі сигналу е.р.с роблять висновок про наявність пошкодження обмотки ротора та визначають його локалізацію. Винахід відноситься до галузі електромеханіки, а саме до короткозамкнених асинхронних двигунів (АД) і може бути використаний для діагностування їх технічного стану. Відомий спосіб для діагностування стану обмоток короткозамкненого ротора [В.Петухов. Диагностика электродвигателей. Спектральный анализ модулей векторов Парка тока и напряжения // Новости электротехники. -2008. - №4(52).], відповідно до якого на електродвигун, що випробовується, встановлюють датчики струму та дільники напруги, за допомогою яких здійснюють запис миттєвих значень струмів і напруг у трьох фазах статора. Записані сигнали пропускають через низькочастотний фільтр. За допомогою апарату Фур'є формують спектри модулів векторів Парка струму (РІ) і напруги (PU). При наявності гармонік, які присутні у спектрі струму, але не спостерігаються у спектрі напруги, можна зробити висновок про наявність несправності в двигуні. Дефект обмотки ротора виявляється за наявністю двох симетричних відносно частоти мережі живлення піків у спектрі струму. Недоліком способу є те, що використання апарату Фур'є спричиняє розтікання спектру сигналу і не дозволяє адекватно судити про наявність пошкоджень на частотах, відмінних від частоти мережі. Аналіз результатів також ускладнюється через неякісність напруги живлення. Відомий спосіб визначення активних та індуктивних опорів розсіювання обмотки ротора асинхронного двигуна [Способ определения активных и индуктивных сопротивлений рассеяния обмотки ротора асинхронного двигателя: а.с. 1372259 СССР: // Рогозин Г.Г., Печуркин Ю.И., Пятлина Н.Г. Алексеев В.И.], за яким нерухомий асинхронний двигун підключають до однофазного джерела живлення, вимірюють значення напруги, струму статора і кут між ними, відключають джерело живлення у момент переходу струму через нульове значення, вимірюють зміну загасаючої напруги обмотки статора і за отриманими даними визначають активні та індуктивні опори обмотки ротора. Загальними ознаками для приведеного аналога та способу, що заявляється, є використання відключення АД від джерела живлення у момент переходу струму статора через нульове значення та використання сигналу загасаючої напруги обмотки статора для виявлення пошкоджень обмотки ротора. (19) UA (11) 93752 (13) C2 (21) a200905171 (22) 25.05.2009 (24) 10.03.2011 (46) 10.03.2011, Бюл.№ 5, 2011 р. (72) КАЛІНОВ АНДРІЙ ПЕТРОВИЧ, РОДЬКІН ДМИТРО ЙОСИПОВИЧ, УХАНЬ ЖАННА ІВАНІВНА, УРДІН ІГОР ВОЛОДИМИРОВИЧ (73) КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО (56) UA 49334, 16.09.2002 SU 1372259, 07.02.1982 UA 65919, 15.04.2004 RU2178229, 10.01.2002 US 6727725, 27.04.2004 US 5030917, 09.07.1991 GB 2096770, 20.10.1982 3 Недоліком цього способу є те, що дослідження проводять при нерухомому роторі електродвигуна. Крім того, вимірювання зміни сталої часу ротора не несуть прямої інформації про наявність пошкодження. Найбільш близьким до способу, що заявляється, є метод непрямого контролю нерівномірності повітряного зазору та її вплив на електромагнітні параметри та перехідні процеси у роторі при відключенні АД [Рогозин Г.Л., Мироненко И.А. Влияние неравномерности воздушного зазора на электромагнитные параметры и переходные процессы ротора при отключении асинхронных двигателей// Донецкий государственный технический университет. Сборник статей кафедры "Общая электротехника" УДК 621.313.]. Даний спосіб передбачає використання в якості діагностичного сигналу зміни магнітної індукції полів ротора, зумовленої впливом двосторонньої зубчатості машини на основну гармоніку в зазорі електродвигуна. Вимірювання магнітної індукції реалізовано на базі датчика Холла, розміщеного на корпусі двигуна. В момент відключення двигуна від мережі відбувається стрибок струму намагнічування в роторі, зумовлюючи різку зміну індукції магнітних полів ротора поблизу валу машини та зміну напруги на виводах обмотки статора, що характеризується величиною зміни струму ротора в початковий момент і з подальшим загасанням з постійною часу обмотки збудження. Аналіз сигналу зміни напруги на виводах обмоткистатора і зміни індукції магнітних полів ротора після комутації відбувається з однією і тією ж сталою часу. За аналізом зміни значень магнітної індукції та провідностей визначають ступінь дисбалансу ротора. Оцінка ефективності вказаного експресметоду потребує визначення діагностичного параметру машини, вибір можливого діагностичного сигналу та оцінку його чутливості до порушень рівномірності повітряного зазору. Недоліком методу є необхідність використання датчиків Холла, що супроводжується ускладненням технічної реалізації постановки експериментальних досліджень внаслідок малих розмірів повітряного зазору двигуна. Загальними суттєвими ознаками найближчого аналога та способу, що заявляється, є використання перехідного процесу короткочасного відключення АД від мережі в якості тестової дії та врахування впливу нерівномірності повітряного зазору на зміну магнітної провідності. В основу винаходу поставлена задача створення способу діагностики пошкоджень обмоток ротора АД, який дозволив би встановлювати факт та місце пошкодження обмотки ротора двигуна на ранніх стадіях їх розвитку. Поставлена задача досягається тим, що у способі діагностики пошкоджень обмоток ротора АД, який включає відключення АД від мережі живлення, запис значень сигналу е.р.с, яка наводиться в обмотках статора загасаючими струмами ротора, перетворення записаного сигналу із аналогової форми у цифрову, вейвлет-аналіз перетвореного сигналу, додатково виконують оцінку просторового розташування пошкоджень обмоток 93752 4 за геометричними параметрами спотворення магнітного поля у зазорі АД. Процес діагностики при відключенні АД від мережі дозволяє уникнути негативного впливу мережі живлення на результати досліджень та не вимагає виведення двигуна з робочого процесу. За рахунок використання лише датчиків напруги процес діагностики характеризується простотою реалізації. Вейвлет-аналіз сигналу е.р.с. дає можливість уникнути похибок, пов'язаних з особливостями перетворення Фур'є. Запропонований спосіб пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 приведена питома відносна провідність зазору АД, на Фіг.2 - магнітна індукція в зазорі АД при відключенні його від мережі, на Фіг.3 - експериментальна та апроксимуюча криві згинаючої е.р.с. фаз статора, на Фіг.4 - сигнал е.р.с. фази статора та його вейвлет-перетворення. Суть запропонованого способу полягає в наступному: АД відключають від мережі живлення, за допомогою датчиків напруги, що підключаються до обмоток статора, фіксують значення е.р.с, яка наводиться в обмотках статора загасаючими струмами ротора. Записані сигнали перетворюють із аналогової форми у цифрову та піддають вейвлетаналізу. Наявність пошкоджень обмотки ротора та місце його розташування визначають за наявністю характерних зон в сигналі е.р.с, яка наводиться в статорі загасаючими струмами ротора. З метою врахування високочастотної складової в сигналі е.р.с, зумовленої нерівномірністю магнітного поля в зазорі АД, у випробовуваному двигуні на статорі укладають додаткову вимірювальну обмотку з 8-ми витків, за допомогою якої фіксують магнітний потік в зазорі машини. Імітацію пошкоджень ротора виконують за допомогою 4-ох отворів на роторі, чим створюється штучне пошкодження з'єднання короткозамкненого стрижня із замикаючим кільцем, та болтів, які дають змогу відновити порушення контакту. З метою врахування впливу нерівномірності повітряного зазору на зміну магнітного поля в зазорі використовується метод питомої магнітної провідності. Відносні провідності статора та ротора АД у початковий момент перехідного процесу в роторі визначаються за виразами: iZ  1  1   i  cos 1 (1) p i  2  1   j  cos j j  Z2    (  2t ) p (2) де  1 ,   2 - відносні провідності статора та ротора АД відповідно,  i ,  j - відносні провідності i-ої та j-ої гармонік, i, j - номери гармонік провідностей статора та ротора, Z1, Z2- кількість зубців статора і ротора АД,  - початок координати, р- кількість пар полюсів АД, 2 - електрична кутова швидкість ротора. 5 93752 6 Загальна відносна питома провідність зазору АД обчислюється за виразом: i  Z        1   2  1   i  cos 1   1   p  i Відносна магнітна індукція, показана на Фіг.2, обчислюється за виразом: B*     cos(1t   ) (4) j  Z2      j  cos  (а  2t )  p   j 2 =(1-S) 1 . (3)      Z2  2t    cos( jZ 2  iZ1)   j  p p 1         i j   . 2 i j cos( jZ  iZ )    j  Z2   t   1 2    2  p p     Перший член правої частини даного виразу визначає провідність еквівалентного рівномірного зазору, другий член - гармоніки провідності статора, третій - гармоніки провідності ротора і останній член - інтерференційні гармоніки провідності, обумовленої взаємним впливом статора і ротора. На Фіг.1 приведена загальна відносна питома провідність зазору, яка має вигляд синусоїди, що ніяк не відображає нерівномірність магнітного поля в зазорі. Помножене значення повної провідності зазору на намагнічувальну силу машини дозволяє отримати нескінченні ряди гармонік поля, з яких деякі справляють істотний вплив на роботу двигуна. де 1 знаходиться згідно співвідношення При використанні в якості діагностичного сигналу е.р.с. обмоток статора виникають ускладнення, які пов'язані з низьким рівнем складової сигналу, що містить корисну інформацію, у порівнянні із всім сигналом. Для виділення корисної складової здійснюється аналіз різниці експериментальної та апроксимуючої кривих згинаючої е.р.с. фаз статора, які приведені на Фіг.3, та аналіз е.р.с. фази статора на ділянці з низьким рівнем сигналу, що наводиться в обмотці (Фіг.4). Вейвлет-аналіз сигналу е.р.с. фази статора АД з використанням комплексного вейвлету Морле із центральною частотою 0,8125Гц в якості базисного вейвлету дозволяє за наявністю характерних ділянок на спектрограмі вейвлет-перетворення (Фіг.4), що співпадають з просторовим розташуванням штучно здійснених обривів стрижнів ротора, виявити вказані дефекти з високою точністю та локалізувати їх у просторі. 7 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 93752 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601