Донецький національний техніЧний університет

Полковніченко Дмитро Вікторович

УДК 621.313

Вдосконалення діагностування обмоток

короткозамкнених асинхронних електродвигунів

на основі контролю параметрів робочого режиму

Спеціальність 05.09.01 - "Електричні машини і апарати"

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник - | кандидат технічних наук, доцент

Гребченко Микола Васильович,

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електричних станцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Родькін Дмитро Йосипович,

Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри систем автоматичного управління і електроприводу

кандидат технічних наук, доцент Федоров Михайло Михайлович,

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри електромеханіки і теоретичних основ електротехніки

Провідна установа

Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут Міністерства освіти і науки України, кафедра електричних машин, м. Харків

Захист відбудеться "23" "жовтня" 2003 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К.11.052.02 в Донецькому національному технічному університеті за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, I навчальний корпус, ауд. 201.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ДонНТУ за адресою: Україна, 83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, II навчальний корпус

Автореферат розісланий "16" "вересня" 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К11.052.02, к.т.н., доцент А.М. Ларін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним видом електропривода робочих механізмів виробничих об'єктів, завдяки простоті виробництва й експлуатації, є асинхронні двигуни (АД) з короткозамкненим ротором (КЗР). Широта застосування АД з КЗР підтверджується тим, що такими електроприводами споживається до 40 % електроенергії, виробляємої у світі.

Однак оптимальному використанню таких електродвигунів перешкоджує їхня висока пошкоджуваність (щорічно ушкоджуються 20-25 % від загальної кількості встановлених АД з КЗР). Це приводить до порушення безперервності технологічних процесів з наступним браком продукції, витратами на відновлення і ремонт електродвигунів, а також на відновлення нормальних технологічних процесів виробництва. Ушкодження двигунів власних потреб (в.п.) електростанцій може привести до зупинки блоку і тим самим уплинути на стійкість роботи енергосистеми.

Процес автоматизації керування технологічними процесами шляхом використання діагностування технічного стану обладнання, у тому числі й електродвигунів, у робочих режимах дозволяє до мінімуму знизити збиток від цих наслідків за рахунок раннього виявлення дефектів, що зароджуються.

Використання методів і засобів контролю й аналізу поточного технічного стану також дозволяє впровадити технологію обслуговування електродвигунів “по стану”, що є джерелом істотного підвищення конкурентноздатності, рентабельності і прибутковості підприємства. Цьому сприяє бурхливий розвиток мікропроцесорної і комп'ютерної техніки.

Суть технології обслуговування “по стану” полягає в тому, що обслуговування і ремонт виконуються в залежності від реального поточного технічного стану електродвигуна, контрольованого в процесі експлуатації без яких-небудь розбирань і ревізій на базі контролю й аналізу відповідних параметрів. При цьому витрати на технічне обслуговування електродвигунів знижуються на 50-75 % в порівнянні з обслуговуванням “по регламенту” (система планово-попереджувальних ремонтів).

Для впровадження технології обслуговування “по стану” необхідна повна діагностика об’єкту, причому бажано виявляти всі дефекти, що впливають на ресурс, задовго до відмови, щоб підготуватися до ремонту.

Таким чином, проблема розробки й вдосконалення методів і засобів діагностування технічного стану електродвигунів на основі контролю параметрів робочих режимів є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації зв'язана з планом науково-технічних робіт Донецького національного технічного університету. Результати дисертації використовувались при виконанні держбюджетної науково-дослідної роботи Н-7-96 “Розробка системи діагностики електрообладнання електростанцій”, науково-дослідних робіт (автор брав в них участь у якості молодшого наукового співробітника) Г-7-97 “Розробка методів і засобів автоматичної діагностики, контролю і захисту електродвигунів власних потреб електричних станцій” (номер держреєстрації 0197U009304), Г-18-2000 “Вдосконалення схем запуску, захисту і управління синхронними двигунами великої потужності” (номер держреєстрації 0100U001328), Д5-03 “Централізована захисно-діагностуюча автоматика вузлів електричних систем з двигунами” (номер держреєстрації 0103U001578).

Мета та задачі дослідження. Метою роботи є підвищення надійності роботи АД з КЗР за рахунок вдосконалення методів і засобів технічної діагностики на основі контролю параметрів робочого режиму електродвигуна і забезпечення вірогідності постановки діагнозу.

Задачі досліджень відповідно до мети роботи полягають у наступному:

1. Виконати аналіз результатів фізичного і математичного моделювання сталих режимів роботи АД з КЗР при завданні різних видів дефектів, на підставі чого виявити найбільш інформативні діагностичні параметри, що характеризують зміну параметрів стану робочого режиму електродвигуна при виникненні дефектів обмоток статора і ротора.

2. Розвинути метод автоматизованого діагностування технічного стану АД з КЗР, заснований на контролі параметрів робочого режиму, для чого розробити: методологію, алгоритмічне і програмне забезпечення, принципи побудови і структурну схему системи технічної діагностики.

3. Обґрунтувати вимоги до точності виміру й обробки параметрів робочого режиму електродвигуна.

4. Оцінити технічну ефективність розробленого методу діагностування АД з КЗР шляхом проведення експериментальних досліджень з використанням макета системи технічної діагностики.

Об'єктом дослідження є стан і параметри робочого режиму АД з КЗР при виникненні дефектів обмоток статора і ротора.

Предметом досліджень є діагностування технічного стану АД з КЗР на основі розпізнавання джерел несиметрії параметрів робочого режиму.

Методи досліджень. Експериментальні дослідження сталих режимів роботи АД з КЗР проведені із застосуванням теорії планування експерименту, апробованих методів виміру параметрів і обробки даних. Теоретичні дослідження базуються на загальній теорії перехідних процесів машин змінного струму, а також на методах математичного моделювання, обчислювальної математики, симетричних складових і спектрального гармонійного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено новий метод діагностування обмоток статора і ротора АД з КЗР за даними контролю миттєвих значень фазних струмів і напруг у робочих режимах, що відрізняється від відомих методів тим, що для оцінки технічного стану електродвигуна використовується комплексний критерій справності, заснований на використанні симетричних складових струму статора і кута нахилу механічної характеристики АД в області робочих ковзань.

2. Для урахування впливу несиметрії напруги живлення на результати діагностики розроблений новий метод, заснований на порівнянні величин фазних опорів електродвигуна, що розраховуються за даними контролю миттєвих значень фазних струмів і напруг.

3. Уперше запропоновані узагальнені залежності комплексного критерію справності для АД з КЗР різних типів при різних видах дефектів обмоток статора і ротора (виткові замикання у фазі статора, обриви паралельних гілок обмотки статора і одного стрижня обмотки ротора), які використовуються для визначення граничних значень цього критерію.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Створено методику автоматизованого діагностування технічного стану АД з КЗР, що дозволяє виявляти основні дефекти електродвигунів у робочому режимі.

2. Розроблено вимоги до точності апаратури і програмного комплексу системи технічної діагностики АД з КЗР і умови її забезпечення. Для реалізації цих вимог запропонований комплексний підхід до забезпечення вірогідності оцінки технічного стану електродвигунів, заснований на розроблених і досліджених методах та засобах підвищення точності виміру й обробки параметрів робочого режиму АД з КЗР.

3. Розроблено алгоритмічне і програмне забезпечення, структуру і принципи реалізації технічної діагностики АД 6-10 кВ із КЗР, що мають режим роботи S1-S3.

4. Виконано оцінку технічної ефективності розробленого методу автоматизованої діагностики технічного стану АД з КЗР шляхом проведення лабораторних і промислових досліджень.

Розроблена методика діагностування технічного стану АД 6-10 кВ із КЗР у робочому режимі впроваджена на Кураховській ТЕС, а також прийнята до використання на електростанціях ВАТ “Донбасенерго” і на ТЕЦ Донецького металургійного заводу.

Розроблене програмне забезпечення використовується в навчальному процесі і науково-дослідній роботі студентів.

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи повідомлені й обговорені на II і Ш Міжнародних науково-технічних конференціях “Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці” (м. Львів, 1997, 1999 р.р.), на сесіях Всеросійського семінару РАН “Кібернетика електричних систем” по тематиці “Діагностика електрообладнання” (Росія, м. Новочеркаськ, 1998-2000 р.р.), на V Міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в складних системах” (м. Вінниця, 1999 р.), на IV Міжнародній науковій конференції “Ефективність і якість електропостачання промислових підприємств” (м. Маріуполь, 2000 р.), на І і ІІ Міжнародних науково-технічних конференціях “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем” (м. Донецьк, 2000, 2002 р.р.), на Всеросійській науково-технічній конференції “Енергосистема: керування, якість, безпека” (м. Екатеринбург, 2001 р.) і на розширеному засіданні кафедри електричних систем (м. Донецьк, 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 12 друкованих праць, у тому числі 8 в збірниках наукових праць, 1 в журналі і 3 в збірниках наукових праць конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і 3 додатків. Основний зміст роботи викладений на 148 сторінках, містить 48 рисунків, 18 таблиць, список використаних джерел з 126 найменувань. Загальний обсяг дисертації 202 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі досліджень і розробок, приведена загальна характеристика роботи.

У першому розділі проаналізовані причини і види ушкоджень АД з КЗР, виконаний огляд існуючих методів технічної діагностики електродвигунів.

Теоретичному дослідженню впливу несправностей на параметри і характеристики електричних машин присвячені роботи О.І. Вольдека, М.А. Гашимова, І.О. Глєбова, Я.Б.Данілевича, М.З.Дудніка, Е.Я. Казовського, І.П. Копилова, М.П. Костенка, С.Л. Кужекова, Д.Й. Родькіна, В.Ф. Сивокобиленка й ін. авторів.

Окремі аспекти впливу цих несправностей на основні електромагнітні параметри й енергетичні показники електричних машин досліджені в роботах І.О. Біргера, О.Д. Гольдберга, О.І. Іоффе, Г.Г. Рогозіна, В.П. Тарана, Г.М. Федоренка, В.А. Цвєткова й ін. авторів.

Результати робіт показують, що при несправностях обмоток статора і ротора у тому чи іншому ступені порушується симетричність і синусоїдальність струмів і напруг у фазах, відбувається зниження енергетичних показників і погіршення робочих характеристик, виникають вібрації, зміна шуму і т.д. У несиметричному режимі струми статора електродвигуна можна розкласти на симетричні складові прямої послідовності (ПП) і зворотної послідовності (ЗП). Таким чином, симетричні складові струму статора можуть використовуватися для виявлення багатьох видів дефектів.

Огляд існуючих методів технічної діагностики електродвигунів показав, що в даний час на практиці контроль технічного стану в основному здійснюється під час проведення планових ремонтів, що не дозволяє знайти дефекти, що зароджуються, і запобігти значному ушкодженню електродвигунів аж до їхнього повного виходу з строю. Одним з основних шляхів розробки систем діагностування дотепер був шлях одержання таких змін діагностичних параметрів, що надійно перевищували б значення цих параметрів при відсутності дефекту і з урахуванням можливих перешкод (наприклад, для діагностування пропонується використання режиму пуску). Більш зручним в експлуатації є діагностування в робочому режимі, тобто без відключення електрообладнання. Здійснювати діагностування в робочому режимі дозволяє рівень розвитку сучасних засобів вимірювальної й обчислювальної техніки за рахунок істотного підвищення точності виміру й обробки параметрів режиму (струмів і напруг) електродвигуна.

В другому розділі проведене математичне моделювання сталих режимів роботи АД з КЗР із метою дослідження окремих видів дефектів обмоток статора і ротора (виткових замикань в обмотці статора, обривів паралельних гілок в обмотці статора і стрижнів КЗР), а також дефектів механічної частини, на предмет одержання діагностичної інформації і визначення спеціальних інформативних параметрів чи ознак (діагностичних параметрів), що характеризують зміну величин і характеристик параметрів робочого режиму АД при виникненні відповідних несправностей.

Аналіз залежностей, отриманих шляхом математичного моделювання сталих режимів роботи АД, показав ефективність використання в якості діагностичного параметра струму ЗП, а також його універсальність, що полягає в можливості використання для виявлення різних видів дефектів. Ще одним вагомим аргументом на користь використання струму ЗП є те, що для його визначення не потрібна установка додаткових давачів.

Для відбудови від конструктивної несиметрії АД (струм ЗП двигуна при відсутності явних дефектів) і несиметрії напруги живлення як діагностичний параметр зручніше використовувати відносне значення струму ЗП у струмі статора АД - коефіцієнт ЗП по струму k2i, розраховуємий за виразом:

, (1)

де I1, I2 - діючі чи амплітудні значення складових струму відповідно ПП і ЗП.

Крім того, запропоновано згаданий вище критерій (1) доповнити ще одним – критерієм нахилу характеристики kp, що характеризує крутість механічної характеристики АД в області робочих ковзань. Тому що при наявності обірваних стрижнів КЗР ковзання s АД збільшується при тій же величині навантаження, то зазначене відношення буде зменшуватися в порівнянні з його значенням для справного двигуна. Такий же характер зміни крутості зазначеної характеристики буде мати місце і при зниженні напруги. Тому вводиться корекція пропонованого критерію з урахуванням квадрата відношення номінальної напруги і напруги статора в експерименті. У відносних одиницях вираз для критерію нахилу характеристики має вигляд

, (2)

де Pном, sном, Uном – номінальні значення відповідно споживаної АД активної потужності, ковзання і напруги статора АД;

P, s, U – розраховані за результатами контролю параметрів робочого режиму відповідно споживана АД активна потужність, ковзання і напруга статора АД.

Запропоновано також для діагностування дефектів обмоток АД з КЗР використовувати комплексний параметр діагностування – критерій справного стану, розраховуємий як

, (3)

де - коефіцієнт несиметрії струмів;

сi, cp – вагові коефіцієнти, рівні 13, що надалі можуть бути уточнені на основі досвіду експлуатації електродвигуна.

Для справного двигуна kд=1. Відхилення цього параметра у напрямку зниження від одиниці свідчить про наявність дефектів обмоток статора або ротора.

На підставі результатів математичного моделювання сталих режимів роботи АД з КЗР різних типів отримані узагальнені залежності комплексного критерію справності kд від ступеня розвитку дефектів (рис.1-3). Узагальнена залежність kд від кількості витків обмотки статора, що замкнулися, (рис.3) отримана шляхом усереднення для АД наступних серій і типів: ДАЗО2 16-го і 18-го габаритів, ДАЗО4, АТД2, АТД4, А і АЗ 12-го та 13-го габаритів, АВ і АВК і справедлива на початковій стадії розвитку виткового замикання (тобто в області дії системи технічної діагностики).

Аналіз отриманих залежностей критерію kp від кількості обірваних стрижнів КЗР показав, що значення kp при обриві одного стрижня КЗР не залежить від коефіцієнта навантаження АД і може розраховуватися за виразом:

,

z2 – число пазів КЗР АД, шт.

Крім дослідження дефектів обмоток статора і ротора АД з КЗР, досліджені дефекти механічної частини електродвигуна, що також можна виявляти на основі контролю миттєвих значень фазних струмів і напруг.

В роботах Ваніна В.К. і Буличова О.В. показано, що у сталих режимах роботи АД при наявності механічних ушкоджень струм статора містить складові з частотами, рівними частоті джерела живлення 1, різниці частот джерела живлення й обертання ротора =1- і сумі цих частот =1+. Частоти цих складових залежать від конструкції АД (числа пар полюсів p) і визначаються за виразами:

(4)

де щ0 – кутова частота мережі.

У роботах вітчизняних (Рогозін Г.Г.) і закордонних авторів (H. Meshgin-Kelk, J. Milimonfared) показано, що коли зростає рівень динамічного і статичного ексцентриситету, збільшуються середні значення власних індуктивностей, що приводить до зміни коефіцієнта потужності двигуна. Цей факт дозволяє на основі контролю величини коефіцієнта потужності виявляти ексцентриситет АД з КЗР.

У третьому розділі приведені результати експериментальних досліджень, проведених на лабораторному стенді кафедри електричних станцій ДонНТУ для оцінки можливості виявлення виткових замикань в обмотці статора й обривів стрижнів обмотки КЗР із використанням обраних діагностичних параметрів без відключення АД, а також для перевірки адекватності розглянутих математичних моделей і принципів побудови системи діагностики.

Аналіз отриманих експериментальним шляхом залежностей (рис.4) показав, що по величині струму ЗП можна надійно виявляти виткові замикання в обмотці статора АД, починаючи з 3-5 % витків, що замкнулися (частота струму ЗП при витковому замиканні дорівнює частоті напруги живлення f1). Це дозволяє запобігти подальшому розвитку ушкодження, однак при цьому потрібна висока швидкодія системи діагностики і навіть виконання нею функцій релейного захисту (відключення ушкодженого приєднання).

Для оцінки можливості виявлення обривів стрижнів КЗР проведена серія лабораторних досліджень. У результаті обробки експериментальних даних з використанням розроблених алгоритмів, покладених в основу автоматизованої системи технічної діагностики (АСТД), отримані залежності коефіцієнта ЗП по струму k2i від кількості обірваних стрижнів в обмотці КЗР при різній величині навантаження на валу АД (рис.5).

Для використання в якості діагностичного параметра коефіцієнта ЗП за струмом k2i в системі діагностики його критичне значення необхідно автоматично змінювати в залежності від величини повного струму. Аналіз результатів розрахунків для різних коефіцієнтів навантаження АД kнав=(0,5ч1,0) показав, що величина k2i приблизно прямо пропорційна kнав.

Частота струму ЗП f2, викликаного обривом стрижнів КЗР, є функцією ковзання s, і визначається за виразом

f2=f1(1-2s), (5)

де f1 – частота напруги живлення.

Залежність критерію нахилу характеристики kp від числа обірваних стрижнів (рис.6) має більший нахил до осі ординат, чим залежність відносного значення струму ЗП у фазних струмах двигуна. Тому по зниженню величини цього критерію можна вірогідно виявляти появу дефекту одного і більш стрижнів обмотки ротора незалежно від навантаження двигуна. При цьому величина kp в області робочих ковзань практично не залежить від коефіцієнта навантаження АД.

На основі теорії планування експерименту отримані аналітичні залежності, що зв'язують діагностичні параметри (k2i і kp) з величиною навантаження АД Рнав., кількістю обірваних стрижнів КЗР nоб.ст. і коефіцієнтом несиметрії напруги живлення k2u. У табл.1 приведені середні і граничні рівні факторів для дослідження залежностей діагностичних параметрів.

Таблиця 1

Рівні обраних факторів

Істині фактори | Рнав, о.е. | nоб.ст, шт. | k2u, %

Верхній рівень (+1) | 1 | 2 | 2

Середній рівень (0) | 0,5 | 1 | 1

Нижній рівень (-1) | 0 | 0 | 0

Отримані поліноми мають вид:

k2i = 1,840 + 0,825Рнав + 0,720 nоб.ст. + 0,993k2u + 0,158Рнав 2 +

+ 0,078 nоб.ст.2 + 0,066k2u 2 + 0,561Рнав nоб.ст. - 0,001Рнавk2u;

kp = 0,954 + 0,0006Рнав - 0,035nоб.ст. – 0,001k2u + 0,0036 Рнав 2 +

+ 0,0057 nоб.ст.2 + 0,0024k2u2 – 0,0004Рнав nоб.ст. – 0,0004Рнавk2u – 0,0001nоб.ст.k2u.

Адекватність використовуваних математичних моделей, а також можливість побудови принципів діагностики з їхнім використанням підтверджені задовільним збігом результатів експериментальних досліджень і математичного моделювання. Відхилення результатів експериментальних досліджень і математичного моделювання сталих режимів роботи при наявності дефектів обмоток статора і ротора АД з КЗР не перевищує 10 %.

У четвертому розділі проведені дослідження з підвищення вірогідності оцінки технічного стану при діагностуванні АД з КЗР.

Висунуто вимогу до точності системи технічної діагностики електродвигунів – сумарна похибка вимірювального каналу системи діагностики й алгоритмів визначення діагностичних параметрів, закладених у цю систему, не повинна перевищувати мінімально можливу зміну діагностичних параметрів. Аналіз результатів експериментальних досліджень і математичного моделювання робочих режимів АД з КЗР (граничних значень діагностичних параметрів) показав, що для розглянутих видів дефектів сумарна похибка системи діагностики не повинна перевищувати 1 %.

Похибка системи діагностики обумовлена похибкою виміру й обробки параметрів робочого режиму електродвигуна, впливом перешкод на канал виміру системи діагностики, конструктивною несиметрією електродвигуна і мережі живлення, несиметрією напруги живлення. Неврахування цих причин при діагностуванні приводить до можливості неправильної оцінки технічного стану електродвигуна.

Розроблена методика діагностування АД з КЗР заснована на безпосередньому виміру фазних струмів. При цьому зміна величини струму чи його складових, відповідна виникненню ушкодження на ранній стадії, як правило, не велика і порівняна з величиною похибки каналу виміру. Для підвищення точності виміру струму електромагнітними трансформаторами струму (ТС) розроблений алгоритм відновлення первинного струму ТС по відомому вторинному. Алгоритм заснований на обчисленні струму намагнічування з урахуванням конструктивних особливостей конкретного ТС. Його перевагою є розрахунок первинного струму шляхом автоматичної корекції вторинного.

Експериментальні дослідження, проведені для ТС типу УТТ-5, показали, що застосування розробленого алгоритму дозволило зменшити похибку ТС у нормальному режимі роботи (0,37I1ном.тс) на 92,3 %.

Розроблено алгоритм обробки параметрів робочого режиму (струмів і напруг) електродвигуна, що має наступну послідовність:

1. Розрахунок періоду T1 і частоти f1 напруги живлення, початкових фаз струмів і напруг ц0, а також кута між струмом і напругою ц (для визначення коефіцієнту потужності cos ц). Визначається тривалість часу шляхом підрахунку числа періодів дискретизації протягом заданої кількості періодів сигналу, що потім уточнюється з урахуванням поправки переходу сигналу через нуль.

2. Визначення амплітуди фазних струмів у кожен момент часу їхньої фіксації. Виконується на основі визначення середньоквадратичного значення струму для кількості дискретних точок, що відповідають періоду сигналу номінальної частоти й узятих ліворуч і праворуч від поточної i-тої точки:

. (6)

3. Визначення векторів фазних струмів, що відповідають кожному моменту часу фіксації миттєвих значень фазних струмів електродвигуна:

.

4. За значеннями векторів фазних струмів електродвигуна, розраховуються симетричні складові ПП і ЗП для кожного моменту часу ti:

; .

5. Амплітуди складових струмів ПП I1m і ЗП I2m за повний час контролю визначаються за виразами:

; ,

де , – миттєві значення складових струмів відповідно ПП і ЗП.

6. Величина споживаної електродвигуном активної потужності р визначається на основі контролю фазних струмів і фазних чи лінійних напруг

або .

7. Для визначення величини ковзання АД використовується крива зміни амплітуди фазного струму в часі Imi(t), знайдена за виразом (6) і зміщена вниз до перетинання з віссю часу t (рис.7):

,

де - середнє значення амплітуди фазного струму АД.

Користуючись методикою визначення періоду і частоти напруги живлення знаходиться період коливань tкол амплітуди фазного струму (рис.7) і розраховується величина ковзання s АД за виразом:

,%. (7)

8. За виразами (1-3) розраховується величина діагностичних параметрів.

Для поліпшення відносини корисний сигнал/перешкода при обробці вимірюваних вибірками сигналів застосовується цифровий фільтр.

Виникнення складової струму ЗП, що має частоту мережі, викликано або несиметрією обмоток статора, або несиметрією напруги живлення. Таким чином, для достовірного діагностування дефектів обмотки статора потрібно чітко виявляти причину виникнення такої несиметрії параметрів робочого режиму електродвигуна (струмів і напруг).

Розроблений метод урахування впливу несиметрії напруги живлення на результати діагностики заснований на визначенні фазних опорів АД і має наступну послідовність:

- на основі контролю миттєвих значень фазних струмів і напруг електродвигуна визначаються діючі значення струмів і напруг фаз

; ,

де , – миттєві значення відповідно фазних струмів і напруг;

nk – кількість вибірок сигналу за повний час контролю;

- розраховується величина опорів фаз обмотки статора електродвигуна

; ; ;

- на підставі порівняння величини фазних опорів електродвигуна робиться висновок про причини виникнення несиметрії параметрів робочого режиму. Так, якщо Za = Zb = Zc (з урахуванням конструктивної несиметрії), то причина несиметрії – мережа живлення. Якщо ж опори відрізняються по величині, то причина несиметрії – несиметрія обмоток статора.

Розроблено структурну схему вимірювального комплексу АСТД електродвигунів з паралельним перетворенням контрольованих струмів і напруг, що включає в себе блок трирівневої нормалізації сигналу, АЦП і ПЕОМ.

У цілому всі розроблені і прийняті до використання заходи, спрямовані на зменшення похибки, дозволяють забезпечити необхідну точність і високу вірогідність оцінки технічного стану електродвигуна.

У п'ятому розділі розроблений метод діагностування обмоток статора і ротора АД 6 - 10 кВ із КЗР у робочому режимі. Розроблений метод діагностики застосовується для АД з КЗР, що працюють у режимах S1-S3.

Алгоритм діагностування заснований на тому, що поява дефекту електродвигуна супроводжується зміною одного з параметрів режиму понад припустиму чи відбувається незначна зміна декількох параметрів режиму, але їхні взаємні зміни не відповідають зміні робочого режиму, тобто є неспільними.

Метод діагностування ушкоджень АД з КЗР полягає у виконанні наступних операцій.

1. При проведенні обстеження на працюючих двигунах виконується осцилографування фазних струмів АД і фазних напруг секції за допомогою пристрою реєстрації параметрів режиму (ПРПР), виконаного на базі ПЕОМ (рис.8).

2. З використанням розробленого програмного забезпечення розраховується величина діагностичних параметрів (величина і частота струму ЗП, критерії kp і kд).

3. Визначається величина фазних опорів електродвигуна, на підставі чого виконується урахування впливу несиметрії напруги живлення на результати діагностики.

4. Граничні значення діагностичних параметрів для кожного обстежуваного електродвигуна визначаються за результатами математичного моделювання на основі результатів експлуатації обстежуваних електродвигунів. Використання узагальнених залежностей критерію справності від ступеня розвитку дефектів (рис.1-3) полегшує дану процедуру.

5. Висновок про технічний стан електродвигуна дається на основі аналізу сукупності зміни діагностичних параметрів і параметрів робочого режиму електродвигуна (табл.2), а також порівнюються розрахункові і граничні значення діагностичних параметрів. Проведений аналіз величини і характеру зміни діагностичних параметрів і параметрів робочого режиму дозволяє установити причину цих змін: виникнення ушкодження чи зміна режиму роботи.

Таблиця 2

Характер зміни параметрів робочого режиму роботи АД з КЗР при виникненні дефектів

Дефект | Симптом

k2i, % | Частота струму ЗП f2 | Струм в пошкодженій фазі

Iпошк | Струм в “здоровій” фазі Iздор

Виткове замикання у фазі обмотки статора | 3 | f1 | 1,1Iном | 1,05Iном

Обрив гілки обмотки статора | m=1 | 100 | f1 | 0 | 0,86Iном

m=2 | 25 | 0,6Iном | 0,92Iном

m=3 | 14 | 0,75Iном | 0,94Iном

m=4 | 10 | 0,82Iном | 0,96Iном

Обрив стрижня КЗР | 3 | f1(1-2s) | Пульсації струму статора

Дефекти підшипників | 3 | + | Пульсації струму статора

Ексцентриситет | Зростає cos ц

Також вимірювальний комплекс (на основі ПЕОМ), що використовується для реалізації приведеного вище методу діагностування АД з КЗР, дозволяє шляхом контролю фазних струмів і напруг електродвигуна виявляти дефекти механічної частини електродвигуна, реагувати на короткі замикання обмотки статора, симетричні і несиметричні перевантаження, заклинювання ротора працюючого двигуна; робити автоматичне осцилографування пуску електродвигуна чи коротких замикань.

Про наявність дефектів механічної частини АД діагноз ставитися за величиною і частотою складових струму статора, отриманих після відбудування від струму основної гармоніки за виразами (4).

Збільшення нерівномірності повітряного зазору (ексцентриситету) діагностується на підставі контролю коефіцієнта потужності АД по зросту його величини.

Експериментальні дослідження, проведені на електродвигунах в.п. Зуєвської ТЕС, показали працездатність розробленого метода діагностування АД 6-10 кВ у робочому режимі і правильність принципів діагностування, закладених у нього.

У додатках приведені статистичні дані пошкоджуваності електродвигунів в.п. електростанцій ВАТ “Донбасенерго”, представлені матеріали, що підтверджують використання і впровадження результатів роботи, а також приведена інформаційна таблиця бази даних АД 6 кВ із КЗР.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі дані теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає в удосконалюванні технічного діагностування АД з КЗР промислових об'єктів за рахунок розпізнавання причин несиметрії параметрів робочого режиму, підвищення вірогідності оцінки технічного стану й автоматизації процесу діагностування.

1. Розроблено метод діагностування обмоток статора і ротора АД 6-10 кВ із КЗР, заснований на контролі миттєвих значень фазних струмів і напруг електродвигуна. По вимірюваним даним з використанням розробленого алгоритму визначаються симетричні складові ПП і ЗП, споживана активна потужність, ковзання АД і формується комплексний критерій діагностування. По величині цього критерію, а також шляхом аналізу характеру зміни параметрів робочого режиму АД (фазних струмів, частоти струму ЗП), виконується оцінка технічного стану електродвигуна (наявність і вид дефекту, ступінь його розвитку).

2. Виконано математичне моделювання сталих режимів роботи АД з КЗР при наявності різних видів дефектів (виткові замикання у фазі обмотки статора, обриви паралельних гілок обмотки статора і стрижнів КЗР, дефекти механічної частини). Проведений аналіз дозволив установити, що інформативними діагностичними параметрами, що характеризують виникнення розглянутих видів дефектів, є відносний зміст струму ЗП у струмі статора електродвигуна, кут нахилу механічної характеристики АД з КЗР в області робочих ковзань і формований на основі цих параметрів комплексний критерій справності.

На підставі результатів математичного моделювання отримані узагальнені залежності комплексного критерію справності від ступеня розвитку дефекту при витковому замиканні у фазі обмотки статора, обриві паралельних гілок обмотки статора й одного стрижня КЗР для різних типів АД з КЗР, що можуть використовуватися для визначення величини граничних значень цього критерію.

3. Для визначення принципів побудови системи технічної діагностики і перевірки адекватності використовуваних математичних моделей АД з КЗР проведені експериментальні дослідження сталих режимів роботи електродвигунів. Встановлено основні співвідношення діагностичних параметрів (струму ЗП і відношення активної споживаної потужності АД до ковзання (критерій кута нахилу механічної характеристики АД)) і ознак, що характеризують зміну параметрів робочого режиму АД з КЗР при виткових замиканнях у фазі обмотки статора і при обриві стрижнів КЗР, що відрізняються від відомих більшою чутливістю до виникнення дефектів.

Порівняння результатів фізичного і математичного моделювання сталих режимів роботи АД з КЗР підтвердили адекватність використовуваних математичних моделей електродвигуна. Відхилення результатів не перевищує 10 %.

4. Обґрунтовані вимоги до точності системи діагностики АД з КЗР і умови її забезпечення. Аналіз результатів математичного моделювання й експериментальних досліджень сталих режимів роботи АД з КЗР показав, що для забезпечення вірогідності оцінки технічного стану сумарна похибка системи діагностики не повинна перевищувати 1 %.

Розроблено алгоритм визначення діагностичних параметрів по параметрах робочого режиму електродвигуна (миттєвим значенням струмів і напруг), реалізований у виді програми на ПЕОМ. Алгоритм дозволяє підвищити точність визначення діагностичних параметрів шляхом урахування похибки виміру струмів ТС, дійсної частоти мережі і несиметрії напруги живлення, відбудування від перешкод, підвищення точності розрахунку симетричних складових струму статора, а також за рахунок можливості введення результатів експлуатації і профілактичних іспитів електродвигунів, що дозволяє використовувати їх при діагностиці (наприклад, для відбудування від конструктивної несиметрії електродвигуна).

5. Запропоновані і пройшли перевірку в реальних умовах виробництва алгоритм, програмне забезпечення, структура і принципи побудови системи технічної діагностики АД 6-10 кВ із КЗР.

6. Результати дисертаційної роботи в цілому дозволяють підвищити надійність роботи електропривода основних механізмів великих промислових об'єктів, що, як наслідок, дозволяє підвищити ефективність і техніко-економічні показники їхньої роботи.

ПУБЛИКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦії

1. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Автоматизация диагностирования технического состояния собственных нужд электрических станций // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 2. – Донецк: ДонГТУ. – 1998. – С. 30-33.

2. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В., Нуайми Абделали. Программное восстановление первичного тока электромагнитных трансформаторов тока // Технічна електродинаміка. – 1998. - Спеціальний випуск. - С.123-126.

3. Полковниченко Д.В. Оперативная диагностика асинхронных электродвигателей собственных нужд ТЭС // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 4. – Донецк: ДонГТУ. – 1999. – С. 227-232.

4. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Экспериментальные исследования установившихся режимов работы асинхронных электродвигателей при наличии в них дефектов // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 17. – Донецк: ДонГТУ. – 2000. – С. 110-114.

5. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Математическая обработка результатов обследования электродвигателей собственных нужд ТЭС // Вісник національного університету “Львівська політехніка”. Електроенергетичні та електромеханічні системи, № 403 – Львів. – 2000. – С. 28-33.

6. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Обеспечение достоверности оценки технического состояния при диагностировании асинхронных электродвигателей // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 21. - Донецк: ДонГТУ. – 2000. –С. 153-157.

7. Полковниченко Д.В. Математическое моделирование установившихся режимов работы асинхронных электродвигателей при наличии в них дефектов // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 28. - Донецк: ДонГТУ. – 2001. – С.100-102.

8. Сивокобыленко В.Ф., Полковниченко Д.В. Диагностика состояния ротора асинхронного электродвигателя на основе контроля параметров рабочего режима // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 41. - Донецк: ДонГТУ. – 2002. – С.41-45.

9. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Принципы автоматической диагностики состояния изоляции системы собственных нужд электрических станций // Сборник научных трудов ДонГТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 2. – Донецк: ДонГТУ. – 1998. – С. 24-29.

10. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Определение диагностических параметров для системы диагностики повреждений роторов асинхронных двигателей // Книга за матеріалами п’ятої міжнародної науково-технічної конференції “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-99). - Том 3. - м. Вінниця. - 1999.- Вінниця: “УНІВЕРСУМ-Вінниця”. – 1999. - С. 243-247.

11. Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Определение симметричных составляющих параметров рабочего режима для диагностики электродвигателей // Збірник наукових праць IV Міжнародної наукової конференції “Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств”. – Мариуполь. – 2000. – С. 183-186.

12. Сивокобыленко В.Ф., Гребченко Н.В., Полковниченко Д.В. Оценка технического состояния высоковольтных электродвигателей в рабочем режиме // Сборник трудов научно-технической конференции “Энергосистема: управление, качество, безопасность”. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ. – 2001. – С.425-427.

Особистий внесок: у [1,9] – розробка принципів побудови АСТД електродвигунів; у [2] – розробка алгоритму і програми відновлення первинного струму ТС по відомому вторинному; у [4,10,11,12] – проведення експериментальних досліджень і обробка отриманих даних; у [5,8] – розробка алгоритму і програми обробки параметрів робочого режиму електродвигунів; у [6] – розробка методів підвищення точності оцінки технічного стану АД з КЗР і їхня перевірка на математичній моделі; у [11,12] – виконання промислових випробувань розробленої АСТД електродвигунів.

АНОТАЦIЯ

Полковніченко Д.В. Вдосконалення діагностування обмоток короткозамкнених асинхронних електродвигунів на основі контролю параметрів робочого режиму. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 - Електричні машини і апарати. - Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена питанням вдосконалення методів діагностування асинхронних електродвигунів (АД) з короткозамкненим ротором (КЗР) за рахунок підвищення точності розпізнавання джерел несиметрії параметрів робочого режиму електродвигуна. Розроблений метод діагностування заснований на визначенні по запропонованому алгоритму симетричних складових струму статора, кута нахилу механічної характеристики АД в області робочих ковзань і формуванні на підставі цих параметрів комплексного критерію справності. Для підвищення достовірності оцінки технічного стану АД розроблений комплексний підхід що до зменшення похибок вимірювального каналу і похибок опрацювання даних. Ефективність запропонованого методу діагностики ушкоджень АД з КЗР обґрунтовані теоретично і підтверджені практично. Основні результати роботи впроваджені на електростанціях Донбасу.

Ключові слова: технічне діагностування, параметри робочого режиму, діагностичний параметр, асинхронний двигун із короткозамкненим ротором, аналого-цифровий перетворювач, експеримент, математична модель, несиметрія, точність, достовірність.

Аннотация

Полковниченко Д.В. Совершенствование диагностирования обмоток короткозамкнутых асинхронных электродвигателей на основе контроля параметров рабочего режима. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 – Электрические машины и аппараты. – Донецкий национальный технический университет, Донецк, 2003.

Асинхронный электропривод получил широкое применение во многих отраслях народного хозяйства, благодаря простоте производства и эксплуатации. Это подтверждается тем, что асинхронным электроприводом потребляется до 40 % электроэнергии, производимой в мире. Однако оптимальному использованию асинхронных электродвигателей (АД) препятствует их высокая повреждаемость (ежегодно повреждаются 20-25 % от общего количества установленных электродвигателей). Это приводит к нарушению непрерывности технологических процессов с последующим браком продукции, затратами на восстановление и ремонт электродвигателей, а также на восстановление нормальных технологических процессов производства.

Процесс автоматизации управления технологическими процессами путем использования диагностирования технического состояния электродвигателей в рабочих режимах позволяет до минимума снизить ущерб от этих последствий за счет раннего обнаружения зарождающихся дефектов.

Анализ существующих методов технической диагностики электродвигателей показывает, что существуют два направления их развития. К первому направлению относятся методы, осуществляемые при проведении профилактических испытаний и ремонтов (т.е. на неработающих электродвигателях) и позволяющие выявлять практически все возможные виды повреждений. Ко второму направлению относятся экспресс-методы, используемые на работающих электродвигателях, но направленные на выявление одного определенного вида дефектов.

Известно, что наиболее часто повреждаются обмотки статора и ротора АД, для диагностирования которых предложено ряд методов, к недостаткам которых можно отнести следующее: погрешности диагностирования при наличии пульсаций и гармонических составляющих в питающем напряжении, а также трудности, связанные с оценкой технического состояния электродвигателя с использованием известных критериев.

В процессе выполнения диссертационной работы решены следующие задачи:

- разработан метод диагностирования обмоток статора и ротора АД с короткозамкнутым ротором (КЗР) в рабочих режимах, основанный на контроле мгновенных значений фазных токов и напряжений электродвигателя. По измеренным данным с использованием предложенного алгоритма определяются симметричные составляющие прямой и обратной последовательностей тока статора, потребляемая активная мощность, скольжение электродвигателя и формируется комплексный критерий диагностирования;

- путем математического моделирования установившихся режимов работы разных типов АД с КЗР получены обобщенные зависимости комплексного критерия диагностирования от степени развития дефекта при витковом замыкании в фазе обмотки статора, обрыве