ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Прус В’ячеслав В’ячеславович

УДК 621.313.333

ДІАГНОСТИКА ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОЇ СТАЛІ СТАТОРІВ ТА

ПАСПОРТИЗАЦІЯ АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ В ПРОЦЕСІ РЕМОНТУ

Спеціальність 05.09.01 – електричні машини і апарати

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

иїв – 2003

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент Луговой Анатолій Васильович, проректор з наукової роботи Кременчуцького державного політехнічного університету Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Мішин Володимир Іванович, професор кафедри електричних машин і експлуатації електрообладнання Національного аграрного університету Кабінету Міністрів України;

– кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Саратов Володимир Олексійович, старший науковий співробітник відділу моделювання електричних машин Інституту електродинаміки НАН України.

Провідна установа – Одеський національний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра електричних машин.

Захист відбудеться "_19_" _листопада_ 2003 р. об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.03 в Інституті електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, пр. Перемоги, 56. Тел. 456-91-15

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, пр. Перемоги, 56.

Автореферат розіслано "_15_" __жовтня_ 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.І. Титко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В ході тривалої експлуатації і ремонту асинхронних двигунів (АД) змінюються характеристики електротехнічної сталі (ЕТС) пакетів статорів, що повинно певним чином впливати на зміну параметрів самих двигунів. На сьогодні діагностика стану ЕТС пакетів статорів під час ремонту практично не проводиться, що пояснюється відсутністю ефективних методів контролю та діагностичного устаткування, яке дозволяло б отримати повне уявлення про зміну її властивостей.

Недослідженими залишаються і можливості компенсації наслідків зміни властивостей ЕТС у плані загального підвищення надійності відремонтованих АД.

При вирішенні цих питань можлива розробка методики відбраковування статорів на етапі ремонту перед укладанням нової обмотки і попереднього прогнозування номінальних паспортних даних і робочих характеристик АД з відомим станом ЕТС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основний зміст роботи складається з результатів досліджень, що проводилися протягом 1997-2002 років згідно з тематичними планами виконання НДР у Кременчуцькому державному політехнічному університеті: тема „Дослідження та розробка теорії енергозбереження та енергозберігаючого електромеханічного обладнання”, що виконувалась згідно з Наказом Міністерства освіти України №05-1 від 14.01.99р., 1999р., №ДР0199U004068, де автором були вирішені основні питання метрологічного забезпечення вимірювального комплексу для локального тестування властивостей ЕТС пакетів статорів і проведено аналіз розподілу втрат в сталі статора АД при зміні властивостей ЕТС в ході ремонту та тривалої експлуатації; 2000р., ОК№0200U003722, де автором розроблено спосіб локального тестування ЕТС пакета статора за двома зубцями, методику проведення та математичне забезпечення для обробки результатів експериментальних досліджень; тема „Створення систем контролю та управління енергоспоживанням промислових, комунальних об’єктів і транспортних засобів”, 2002р., №ДР0102U002622, де автором розроблено принципи локального тестування властивостей ЕТС верхньої частини зубців пакетів статорів, доказано його ефективність, визначено набір діагностичних параметрів, сформульовано критерії діагностики, перевірено їх адекватність та розроблено методику визначення паспортних даних, робочих характеристик і припустимих за умовами нагріву експлуатаційних параметрів відремонтованих АД з відомим станом ЕТС пакетів статорів.

Мета та задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці принципів побудови систем діагностики пакетів статорів, а також в розробці і науковому обґрунтуванні заходів щодо підвищення надійності відремонтованих АД, на основі чого можуть бути розроблені методики та технічні засоби для визначення реальних паспортних даних, робочих характеристик і припустимих експлуатаційних параметрів АД, що є основою сертифікації останніх під час ремонту.

Досягнення поставленої мети вимагає розв’язання таких задач дослідження:

- визначення причин високої аварійності АД і з'ясування її зв'язку з процесом погіршення характеристик ЕТС пакетів статорів;

- обґрунтування процесу старіння ЕТС пакетів статорів АД в ході ремонту з зазначенням особливостей і причин зміни її властивостей;

- розробка нового способу діагностики властивостей ЕТС пакетів статорів АД, що дозволяв би точно визначати її реальний стан і основні характеристики, і системи автоматизованої діагностики стану ЕТС пакетів статорів на його основі;

- розробка математичного, включаючи точні алгоритми обробки параметрів і критерії діагностики, та програмного забезпечення для вимірювального комплексу і системи паспортизації й сертифікації АД в процесі ремонту;

- розробка методики розрахунку максимальної температури ізоляції обмотки статора АД з урахуванням реального розподілу властивостей ЕТС пакета статора;

- розробка методики перепроектування обмотувальних даних АД, що ремонтуються, з метою компенсації процесів, обумовлених зміною властивостей ЕТС, з обґрунтуванням її можливостей та ефективності;

- апробація розробленої системи діагностики ЕТС пакетів статорів АД і методики визначення паспортних даних, робочих характеристик і припустимих експлуатаційних параметрів в умовах ремонтного цеху чи підприємства та проведення технологічних досліджень.

Об'єктом досліджень у дисертаційній роботі є асинхронний двигун.

Предметом досліджень є визначення з урахуванням реального стану ЕТС пакета статора його паспортних даних, робочих характеристик і припустимих за умовами нагрівання експлуатаційних параметрів, а також можливостей підвищення надійності відремонтованих АД в результаті перепроектування обмотувальних даних.

Методи досліджень: аналіз літературних та патентних джерел; теоретичне узагальнення раніше виконаних досліджень; фрагменти теорії функцій комплексної змінної, що стосуються взаємокореляційної обробки миттєвих значень сигналів при отриманні миттєвих значень потужності; теорія рядів Фур’є; чисельні методи розв’язання диференційних та лінійних рівнянь і систем; методи наближення, апроксимації та інтерполяції; методи техніко-економічного аналізу; теорія побудови пристроїв аналогово-цифрового перетворення; перевірка достовірності основних теоретичних виводів та аналітичних розрахунків шляхом експериментальних досліджень та дослідної апробації в промисловості.

Наукова новизна одержаних результатів, що винесені на захист, полягає в подальшому розвитку принципів побудови систем діагностики ЕТС пакетів статорів АД, а також в обґрунтуванні та розробці методології підвищення надійності АД, що ремонтуються.

У роботі отримані наступні наукові результати:

- з’ясовано закономірності й уточнений механізм старіння ЕТС пакетів статорів АД під час капітального ремонту, що полягає в зниженні в ній індукції насичення й у зростанні втрат в сталі внаслідок посилення впливу вихрових струмів через загальне порушення міжлистової ізоляції пакетів в процесі випалювання, а також внаслідок додаткового виникнення значної кількості закорочених ділянок ЕТС у верхній частині зубців пакета в результаті його механічних ушкоджень в ході ремонту;

- в ході наукових досліджень обґрунтоване застосування, з метою визначення реального стану пакетів сталі статорів АД в місцях найбільш пошкодженої під час ремонту верхньої частини зубцевої зони, нового методу локального тестування, що дозволяє досліджувати ЕТС з урахуванням можливого її насичення, в режимах, які відповідають робочим режимам АД за інтенсивністю та направленістю магнітного потоку в зубцях статора, а також розроблені нові критерії діагностики, які суттєво підвищують вірогідність вказаного способу;

- обґрунтовано технологію підвищення надійності АД, що пройшли стадію ремонту, яка полягає в перепроектуванні обмотувальних даних статорів з метою зниження в них загального рівня гріючих втрат, і доведено ефективність цього заходу при припустимій кількості обпалювань пакета ЕТС статора.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці нових пристроїв тестування ЕТС пакетів статорів АД та методик визначення паспортних даних і припустимих експлуатаційних параметрів АД, максимальної температури ізоляції обмоток і перепроектування їх обмотувальних даних в ході ремонту. Розроблено новий спосіб визначення й аналітичного вираження втрат у сталі відремонтованих АД з урахуванням її насичення за результатами випробувань холостого ходу. Використання отриманих у роботі результатів дозволило розробити і впровадити на ділянці випробування електричних машин цеху №5 підприємства АТЗТ „Електромашпромсервіс” (м. Кривий Ріг) систему автоматизованого локального тестування електротехнічної сталі пакетів статорів асинхронних двигунів. Результати роботи були також впроваджені в навчальний процес у Кременчуцькому державному політехнічному університеті при підготовці інженерних кадрів за фахом 7.091401 „Системи управління та автоматики”. Впровадження підтверджуються відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота містить теоретичні положення і результати, отримані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, дисертанту належать: [1] – аналіз статистики відмов АД по промисловим підприємствам Кременчуцького регіону, формування вимог й обґрунтування структури вимірювально-діагностичного комплексу для випробувань АД; [6] – математичне забезпечення для обробки результатів експериментальних досліджень, оцінка отриманих результатів; [7] – методика оцінки похибок вимірювальних каналів вимірювально-діагностичного комплексу, висновки за отриманими результатами; [8] – методика уточненого визначення втрат при дослідженні насиченої сталі, результати експериментальних досліджень і висновки щодо зміни властивостей пакета сталі при послідовності випалювань; [9] – спосіб локального тестування ЕТС пакета статора по двох зубцях та методика проведення досліджень, результати експериментальних досліджень та їх аналіз, в результаті чого було експериментально підтверджено факт нерівномірності розподілу втрат, що гріють, і магнітної індукції в пакеті сталі статора; [10] – підтвердження ефективності локального тестування властивостей ЕТС пакета статора по одному зубцю, обґрунтування вибору ряду діагностичних параметрів і перевірка їх адекватності, результати експериментальних досліджень та висновки, в яких остаточно обґрунтований вибір типу індуктора для реалізації способу локального тестування властивостей ЕТС пакетів статорів АД; [11] – методика визначення паспортних даних, робочих характеристик і припустимих за умовою нагрівання експлуатаційних параметрів відремонтованих АД з відомим станом ЕТС пакета статора, результати лабораторних і промислових випробувань даної методики, в результаті чого вперше отримані закономірності погіршення паспортних даних, робочих характеристик і припустимих експлуатаційних параметрів відремонтованих АД; [12] – визначення повного спектру діагностичних параметрів і остаточне формулювання діагностичних критеріїв для розрізнення видів дефектів зубцевої зони пакета статора при локальному тестуванні, а також спосіб врахування дійсного стану ЕТС верхньої частини зубців при визначенні втрат в сталі пакета статора.

Апробація результатів дисертації. Викладені в дисертації результати досліджень були апробовані на 7 наукових конференціях: НТК „Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 1997р.), Міжнародна НТК „Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика” (м. Харків - Алушта, 1997р.), НТК „Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 1998р.), І Міжнародна НТК „Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 1999р.), ІІ Міжнародна НТК „Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 2000р.), ІІІ Міжнародна НТК „Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 2001р.), Міжнародна НТК „Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації” (м. Кременчук, 2002р.).

Крім вищезгаданих науково-технічних конференцій, починаючи з 1997 року, результати дисертаційної роботи представлялись й обговорювались на науково-технічних семінарах кафедри систем автоматичного управління та електроприводу Кременчуцького державного політехнічного університету, що мають з 2002р. офіційний статус семінарів НАН України при Інституті електродинаміки НАН України.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 10 статтях у збірниках наукових праць, що є фаховими науковими виданнями, та в 2 статтях у збірниках наукових праць науково-технічних конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел (104 бібліографічних посилання, 10 сторінок) і 4 додатків (97 сторінок). Загальний обсяг дисертації становить 288 сторінок, у тому числі 155 сторінок основного тексту, 39 рисунків і 10 таблиць (на 26 сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету і задачі теоретичних і експериментальних досліджень, дана характеристика наукової новизни і практичної цінності одержаних результатів, показано зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами, оцінено особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено аналіз статистичних даних щодо виходу з ладу АД як нових, так і після капітальних ремонтів. В результаті було встановлено, що порівняно з новими двигунами, АД, які пройшли капітальний ремонт, як правило, не відпрацьовують і одного року, а більш третини з них - 37,3% - і трьох місяців.

Аналіз причин виходу з ладу підтвердив низьку надійність статорної обмотки (63,2% від загального числа відмов). У той же час 18,7% виходу з ладу АД обумовлено дефектом підшипникових вузлів, що в 5-10 разів вище даних для нових машин і може бути пояснено виникненням електромагнітних вібрацій внаслідок розвитку магнітної несиметрії через нерівномірність розподілу властивостей сталі зубцевої зони пакета статора, 6,7% АД виходять з ладу через низьку якість виготовлення й укладання корпусної ізоляції, що приблизно в 3-5 разів вище аналогічного показника для нових машин.

Існуючі літературні дані свідчать про різке зростання втрат у сталі пакетів статорів після ремонту. Реальні цифри змінюються в дуже широких межах (від 1,2% до 150,8%) і в середньому складають 51,5%.

Усе це, поряд з істотним збільшенням струму холостого ходу у відремонтованих АД, підтверджує, що зниження їх надійності, разом з іншими причинами, пояснюється зміною властивостей пакета ЕТС статора в ході ремонту.

На підставі проведеного аналізу був обґрунтований і пояснений процес прискореного старіння АД в ході тривалої експлуатації і ремонту в результаті зміни властивостей ЕТС, осідання підшипникових вузлів, примусової зміни властивостей ізоляції і їх взаємного впливу. Було висловлено припущення, що основні зміни в електричній машині відбуваються на етапі ремонту і пов'язані зі змінами в ЕТС, тому що саме остання підлягає найбільш потужним тепловим (до 450-7000С) і механічним (дефектація обмотки статора) впливам у процесі ремонту.

Аналіз впливу низькотемпературного випалювання і механічних пошкоджень на властивості сталі показує, що їх зміна у випадку пакета сталі в ході ремонту в основному обумовлена порушенням міжлистової ізоляції, що приводить до росту втрат від вихрових струмів, і в меншому ступені – ростом втрат на гістерезис у результаті порушення внутрішньої структури самої сталі.

Аналіз аналітичних залежностей для вираження складових втрат у сталі довів практично їх незастосовність для вираження втрат у сталі відремонтованих АД, внаслідок її істотного насичення в робочому режимі. Виключення може скласти лише залежність типу

, (1)

де і – сталі для даного типу сталі; f - частота; - максимальне значення магнітної індукції; тому що вона є найбільш близькою до реальних фізичних основ виникнення втрат у сталі.

Проведений аналіз підтвердив доцільність і необхідність діагностики ЕТС і реальної паспортизації АД на етапі ремонту.

У другому розділі з метою визначення зміни реальних властивостей пакета сталі після послідовності випалювань було обґрунтовано доцільність застосування індукційного методу контролю, а також розроблені алгоритми і математичний апарат для обробки миттєвих значень, що дозволяють проводити вимірювання при несинусоїдальності контрольованих параметрів. Це підвищує точність вимірювання напруженості магнітного поля , амплітуди магнітної індукції і втрат у сталі при врахуванні можливого насичення сталі.

З метою діагностики стану ЕТС пакетів статорів АД автором було науково обґрунтовано і вперше запропоновано спосіб локальної діагностики, що пояснюється рис.1-2.

Сутність способу полягає в тому, що властивості сталі пакета статора визначаються за допомогою індуктора П - образної форми, на який рівномірно нанесені обмотка, що намагнічує , і вимірювальна обмотка .

Рис. 1. Діагностика пакета статора

по двох зубцях | Рис. 2. Діагностика пакета статора

по одному зубцю

При пересуванні індуктора в зубцях пакета статора наводиться необхідний магнітний потік. Спосіб відрізняється від існуючих тим, що властивості сталі визначаються не на кінцевому числі ділянок, а безперервно по довжині всіх зубців пакета, як по двох сусідніх зубцях при замиканні магнітного потоку через ярмо пакета статора в умовах, що відповідають робочому режиму електричної машини по інтенсивності і спрямованості магнітного потоку в зубцях (рис. 1), так і по одному з зубців (рис. 2) при середній інтенсивності магнітного потоку (). При наявності діагностичних критеріїв це дозволяє, поряд з вимірюванням втрат у сталі і величини магнітної індукції на досліджуваній ділянці в робочому режимі, визначати точне місце розташування і характер ушкодження електротехнічної сталі верхніх частин зубців пакета сталі.

Для реалізації вимірювань за зазначеним способом було розроблено структуру комп'ютеризованого вимірювального комплексу (ВК), що дозволяє підвищити точність і вірогідність діагностики, аналізуючи миттєві значення контрольованих величин з використанням для їх обробки методів гармонійного аналізу (рис. 3).

ЕТС статора досліджуваного асинхронного двигуна діагностується за допомогою індуктора (І). Параметри, що характеризують режим діагностики – струм і напруга з І надходять на датчики струму і напруги ДТ і ДН2 відповідно.

Датчики перетворюють зазначені величини в напругу, що змінюється в діапазоні, припустимому на вході АЦП (-5...5В), і здійснюють гальванічну розв'язку МВВ від силової частини ВК. К-розрядний вихід МВВ підключається до вхідного порту ЕОМ. МВВ поєднує в собі аналоговий комутатор, АЦП, і, якщо це необхідно, блоки гальванічної розв'язки вхідних сигналів. ЕОМ виконує функції збору, збереження й обробки інформації, прийнятої від датчиків і формування керуючого впливу аналоговим комутатором. Результати і протокол проведення діагностики виводяться на принтер.

Рис. 3. Блок-схема ВК для діагностики пакетів статорів АД

Застосування розробленої методики оцінки загальної похибки вимірювальних каналів ВК на підставі її окремих складових на основі співвідношення

, (2)

де - похибка аналогового вимірювального перетворювача (датчика); - похибка квантування; - похибка дискретизації; - похибка від неточності завдання тимчасового інтервалу; - похибка дискретизації другого роду; - похибка ослаблення спектральних складових, дозволило визначити значення похибок вимірювання , і , що склали 1,34, 1,21 і 1,97% відповідно.

Відповідно до ГОСТ 12119-80 похибки вимірювання цих величин повинні бути не вище 3% для , для и для , тобто в розробленому ВК може бути досягнута необхідна величина похибки виміру параметрів.

Спеціальне програмне забезпечення ВК дозволяє здійснювати вимірювання й проводити діагностику стану сталі пакетів статорів у режимі реального часу при загальній простоті в експлуатації. При цьому був запропонований спосіб зниження похибки вимірювання малих значень втрат у сталі при використанні ВК, що полягає в урахуванні зсувів опитувань вимірювальних каналів у межах періоду дискретизації при їх послідовному опитуванні і переносі початкової точки для перетворення Фур'є в точку реального перетинання кривими струму і напруги осі часу, що дозволяє отримати необхідну величину вимірювання втрат у сталі, маючи миттєві значення зазначених величин усього на 1-2 періодах базової частоти.

У третьому розділі наведено результати діагностики стану ЕТС в ході ремонту.

З метою дослідження впливу температури на властивості сталі пакета статора були отримані технічні криві намагнічування і криві зміни втрат у результаті послідовності випалювань для ряду температур та тривалостей випалювання. Результати отримані для одного з режимів випалювання (4000С, 4 години) і представлені на рис. 4-5 (крива до випалювання позначена цифрою 1, а криві після першого-третього випалювань – цифрами 2-4).

Як видно з рис. 4-5, температурне випалювання пакета сталі приводить до зниження значення магнітної індукції, при якій відбувається насичення сталі, і зростання втрат у сталі. Вважаючи на те, що напруга живлення є незмінною, у випадку випаленої сталі відзначається приріст споживаного струму, що приводить до зсуву робочої точки на кривій намагнічування в зону насичення, як видно з рис. 4 (точки A, B, C, D).

Рис. 4. Технічні криві намагнічування при послідовності випалювань з температурою 4000С |

Рис. 5. Криві зміни втрат у сталі

при послідовності випалювань з температурою 4000С

Отримані результати дозволяють стверджувати, що при кількості випалювань менше трьох тривале випалювання при меншій температурі (4 години, 4000С) є найменш впливовим з позицій зміни властивостей сталі. Крім цього, після третього випалювання для будь-якої температури, що зустрічається в ремонтній практиці, погіршення властивостей сталі носить вже глобальний характер і використовувати її далі за призначенням практично недоцільно.

Зіставлення результатів досліджень зі змінами властивостей листової ЕТС під впливом температури дають всі підстави вважати, що зміни, які спостерігаються, є наслідком посилення впливу вихрових струмів у пакеті ЕТС у результаті руйнування під дією температури в ході випалювання міжлистової ізоляції сталі.

Проведене в лабораторних умовах локальне тестування пакета статора АД типу 4А90L4У3 підтвердило нерівномірність розподілу втрат у сталі і магнітної індукції по довжині пакета статора внаслідок виникаючих під час ремонту теплових і механічних впливів.

Аналіз зміни властивостей сталі ярма пакета статора в процесі ремонту підтвердив значно менший вплив температури та механічних ушкоджень на зміну в ньому магнітної індукції та втрат, ніж в зубцевій зоні. Тому, враховуючи гармонійний склад магнітної індукції в ярмі, ідентичний індукції в зубцях, можна легко розділяти втрати в ярмі та зубцях статора, з метою подальшого врахування впливу обертального перемагнічування на втрати в ярмі.

В результаті аналізу впливу різних видів пошкоджень пакету сталі статора, а саме закорочування та розпушення (послаблення посадки), на зміну контрольованих електричних величин для різних конфігурацій та типорозмірів індукторів, був визначений набір інформативних параметрів, до числа яких було включено:

- діюче значення струму в обмотці, що намагнічує ;

- магнітну індукцію і втрати в сталі ;

- коефіцієнти гармонік кривих струму і напруги ;

- повний магнітний опір індуктора і досліджуваної ділянки сталі

, (3)

де - площа перетину зубця індуктора.

- активний опір контуру, що намагнічує, по першій гармоніці

, (4)

де и - відповідно амплітуди і фази перших гармонік напруги і струму , отримані в результаті розкладання кривих даних величин у ряд Фур'є.

Так як всі інформативні параметри змінюються на дефектних зонах в різну сторону щодо їх значень на нормальній ділянці, критерії діагностики були однозначно сформовані у вигляді

і, (5)

де - параметр, що розглядається; - значення цього параметра на нормальній ділянці сталі; - нижня межа зони чутливості.

У ході експериментальних досліджень була обґрунтована оптимальна конструкція індуктора для локального тестування, визначені його типорозміри та доведено, що необхідно одночасно застосовувати обидва варіанти діагностики (рис. 1-2), тобто індуктор повинен бути складеним.

При цьому врахування зміни властивостей сталі ярма виконується на основі експериментальних кривих, які відображують зміну втрат в сталі в ході випалювань, нижньої частини зубців – безпосередньо за результатами локального тестування по двох зубцях, а верхньої частини зубців – на основі розрахункової електромашинної методики для визначення втрат у сталі

, (6)

де - питомі втрати в сталі при магнітній індукції 1 Тл на частоті 50 Гц; - частота; - магнітна індукція на ділянці магнітної системи, що розглядається.

З урахуванням (1) можна отримати систему рівнянь

. (7)

Знаючи, що і коефіцієнт для застосовуваних в єдиних серіях АД марок сталі відомі, можна отримати значення і , тобто розділити втрати в сталі.

Закорочування верхніх частин зубців враховується введенням поправочного коефіцієнта

, (8)

де - загальна кількість листів сталі пакета, що тестуються; - відповідно кількість ділянок з різною кількістю закорочених листів сталі і число листів у закороченій області відповідно (для незакорочених ділянок ). За допомогою цього коефіцієнта коректується значення коефіцієнта втрат у сталі на вихрові струми :

(9)

і визначаються уточнені значення питомих втрат у сталі і ступеня частоти, що використовуються надалі для визначення втрат у сталі у верхній частині досліджуваних зубців.

У четвертому розділі розроблено і досліджено методику оцінки паспортних даних, параметрів холостого ходу і робочих характеристик АД за результатами діагностики стану сталі їх пакетів статорів, що базується на стандартній методиці проектування асинхронних машин, видозміненій за умов відомих конструкційних розмірів та вихідних паспортних даних. Достовірність методики перевірялась на етапі визначення приведених опорів схеми заміщення та на кінцевому етапі визначення паспортних даних шляхом порівняння їх зі значеннями, наведеними в каталогах виробників, що дало припустиму розбіжність результатів. На відміну від базової методики, в модифікованій враховувались реальні зміни властивостей ЕТС пакета статора.

Було з'ясовано, що поряд з погіршенням паспортних даних, зміни, що відбуваються в сталі пакетів статорів АД в ході ремонту, приводять до різкого приросту втрат, що гріють (як у сталі, так і в міді статора). Це обумовлює необхідність визначення реальної температури обмотки статора з метою коректування значень номінального струму, а також потужності на валу АД з умов припустимого нагріву у вигляді

(10)

, (11)

де ,- максимальна і припустима температури для класу ізоляції обмотки статора; , - струм статора і потужність на валу відремонтованого АД, що дозволяє дати оцінку реальної працездатності АД.

В ході аналізу отриманих результатів було зроблено висновок, що зміна властивостей ЕТС пакета статора при суттєвому впливі на номінальні параметри, не приводить до зміни пускових та перевантажувальних характеристик відремонтованих АД.

Максимальна температура ізоляції обмотки визначається по розробленій модифікованій методиці з урахуванням нерівномірності нагрівання обмотки статора у випадку реального розподілу втрат в його сталі, в основу якої покладено сумісне використання аналітичного методу і методу еквівалентних теплових схем заміщення, при застосуванні яких визначаються граничні умови для розв’язання одномірного диференційного рівняння теплопровідності для стрижня постійного перерізу. Особливістю знаходження максимуму температури у випадку нерівномірного розподілу втрат є те, що розрахунок для пазової частини обмотки необхідно проводити з урахуванням реального розподілу втрат, що гріють, та температур ділянок пакета сталі, необхідних для розрахунку теплового навантаження .

В результаті було доведено, що номінальну потужність АД серії 4А потужністю до 30 кВт з урахуванням перегріву обмотки, потрібно знижувати на величину, що у 4-8 разів перевищує її дійсні втрати в ході ремонту. Це поставило задачу пошуку шляхів компенсації перегріву обмоток статорів АД з метою підвищення їх надійності і подовження міжремонтного періоду, у результаті чого науково обґрунтована, розроблена і випробувана методика перепроектування обмотувальних даних АД на стадії ремонту. Вона полягає в зміні обмотувальних даних при виконанні умови сталості лінійного навантаження

,

звідки

, (12)

де - старий і новий перетини ефективного провідника; , - число ефективних провідників у пазу статора до і після перепроектування.

При цьому, за умови сталості напруги живлення, магнітна індукція в повітряному зазорі зворотно пропорційна числу ефективних провідників у пазу, тобто справедливий вираз

, (13)

де - відповідно магнітна індукція в повітряному зазорі АД до і після перепроектування.

Зміни , і параметрів, що розраховуються по (10)-(11) при перепроектуванні обмотувальних даних, відображені на рис. 6-7 (криві 1-3 відповідають першому-третьому випалюванню пакета сталі, причому безперервні графіки відповідають номінальній потужності на валу, а штрихові – припустимій , аналогічно для струму статора).

Рис. 6. Залежності номінальної і припустимої потужності на валу при зміні обмотувальних даних |

Рис. 7. Залежності номінального і припустимого струму статора при зміні обмотувальних даних

Результати досліджень підтвердили ефективність даної методики перепроектування для АД з одношаровою всипною обмоткою, для яких можна досягти зниження рівня втрат, що гріють, у статорі при числі випалювань не більше трьох до припустимого значення при втраті потужності на валу АД від 5,82 до 9,25% щодо значення після відповідного ремонту, що є більш ефективним, ніж зниження навантаження на валу і дозволяє отримати кращі результати при нагріві обмотки статора не вище номінального. При цьому до припустимого рівня знижуються параметри холостого ходу, а коефіцієнт потужності, як холостого ходу, так і номінальний, зростає.

Перспективною є й можливість незначного зниження кількості витків обмотки статора при збільшенні перетину ефективного провідника, при якому потужність на валу зростає швидше, ніж нагрів обмотки, що при умові відсутності локальних перегрівів дає можливість одержати припустиму потужність на валу АД не нижче номінальної при гірших значеннях коефіцієнта потужності і додатковому перевищенні параметрів холостого ходу.

Кратності максимального та пускового моменту, а також кратність пускового току при зміні обмотувальних даних статора АД, як в сторону збільшення, так і в сторону зменшення числа ефективних провідників в пазу, знаходиться в межах, припустимих за ГОСТ 19523-74, що свідчить про коректність застосування розробленої методики перепроектування та працездатність АД зі зміненими в ході ремонту обмотувальними даними статора.

Розроблено методику вираження втрат у сталі АД під час післяремонтних випробувань, що дозволяє оцінити їх реальне значення для відремонтованих машин за умови додаткового насичення магнітної системи, з можливістю поділу по гармонійним складовим втрат на гістерезис і вихрові струми за даними випробувань холостого ходу на основі співвідношення

, (14)

де - відповідно діючі значення гармонік фазного струму і частоти їх зміни; - значення активного опору обмотки статора для значень частот, що відповідають частотам гармонійних складових; - механічні втрати.

Невідомі коефіцієнти знаходяться при зміні амплітуди і частоти напруги живлення.

Похибка визначення в даному випадку істотно нижче, ніж за методикою, передбаченої ГОСТом, зв'язана в першу чергу з неможливістю безпосередньої оцінки втрат у роторі і складає для АД загальнопромислового призначення різної потужності біля .

Методика може бути покладеною в основу розробки систем післяремонтної паспортизації і сертифікації відремонтованих АД.

У п’ятому розділі дисертації представлені результати промислової перевірки отриманих положень в умовах виробництва. Зокрема, було підтверджено високу ефективність застосування системи локального тестування пакетів стали статорів.

Крім цього, були підтверджені такі фактори, як зростання втрат і зниження результуючої магнітної індукції в сталі статорів відремонтованих АД, а також нерівномірність їх розподілу в обсязі пакета.

Були отримані кількісні оцінки погіршення паспортних даних і припустимих робочих характеристик відремонтованих АД за результатами випробувань ряду АД серії 4А потужністю до 30 кВт.

Результати післяремонтної діагностики відремонтованих АД підтвердили факти насичення сталі в режимі холостого ходу при напрузі живлення ; значного (до 25-40%) росту струму холостого ходу , причому несуттєве збільшення втрат у роторі на холостому ході при роботі АД в зоні насичення дозволяє користуватися розробленою методикою для вираження втрат у сталі АД при цих умовах (15).

Результати досліджень зміни параметрів, отримані в ході після ремонтних випробувань для АД, аналогічного дослідженому в лабораторних умовах – 4A90L6У3, статор якого примусово піддавався трикратному випалюванню в промислових умовах, підтвердили основні результати розрахунків за розробленою методикою.

Економічний ефект від впровадження системи тестування ЕТС в процесі ремонту досягається в основному за рахунок зниження витрат на ремонт АД з незадовільним станом ЕТС і становить 9364,52грн. при середніх витратах на виготовлення 15264 грн.

Додатки містять результати розрахунків і моделювання, технічні фрагменти, особливості розробки системи діагностики і програмного забезпечення до неї, акти впровадження результатів роботи і техніко-економічні розрахунки.

ВИСНОВКИ

Врахування дійсного стану електротехнічної сталі пакетів статорів, поряд з комплексом додаткових заходів, спрямованих на підвищення надійності АД, що ремонтуються, дозволяє вирішити по суті залишену недослідженою проблему зміни їх паспортних даних у ході тривалої експлуатації і ремонту.

Складність і деяка невідповідність результатів прогнозування працездатності реальним практично легко пояснюється тим, що існуючі електромашинні методики розрахунку і проектування, а також схеми заміщення на сьогоднішній день вимагають значного уточнення, що викликано, зокрема, неможливістю врахування в стандартних методиках повною мірою зміни параметрів ЕТС.

Основні наукові і практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Доведено, що висока аварійність АД, що ремонтуються, поряд з іншими причинами, переважно обумовлена погіршенням властивостей ЕТС їх пакетів статорів.

2. З'ясовано закономірності й уточнений механізм старіння ЕТС пакетів статорів АД, що полягає в зниженні в ній індукції насичення й у збільшенні втрат у сталі внаслідок посилення впливу вихрових струмів через загальне порушення міжлистової ізоляції пакетів у процесі випалювання, а також внаслідок додаткового виникнення значного числа закорочених ділянок ЕТС у верхній частині зубців пакета в результаті його механічних ушкоджень в ході ремонту.

3. Розроблено й науково обґрунтовано новий спосіб локального тестування ЕТС пакетів статорів, що дозволяє, поряд з вимірюванням величин магнітної індукції і втрат в сталі зубців в умовах, що відповідають робочим умовам АД по інтенсивності і спрямованості магнітного потоку, визначати реальний стан ЕТС верхньої частини зубців пакетів статорів, з урахуванням можливості її насичення, у рамках якого розроблені уточнені алгоритми визначення втрат у сталі.

4. Розроблено методику визначення максимальної температури обмотки статора з урахуванням нерівномірності її розподілу для випадку реальної зміни втрат у ЕТС статора по довжині пакета, обумовленої локальним погіршенням її властивостей. Методика визначення максимальної температури дозволяє прогнозувати розташування місць найбільшого перегріву обмотки в пакеті, з урахуванням чого можна коректувати показники працездатності відремонтованих двигунів.

5. З використанням розробленої методики паспортизації і сертифікації вперше отримані кількісні і якісні закономірності погіршення паспортних даних, робочих характеристик і припустимих експлуатаційних параметрів відремонтованих АД, обумовлені зміною властивостей ЕТС пакета статора. Для АД серії 4А потужністю до 30 кВт зміни параметрів становлять для: потужності на валу АД -1,23-5,11%; струму статора +1,52-4,81%; коефіцієнта потужності -1,12-3,36%; коефіцієнта корисної дії -1,54-4,58%; струму холостого ходу +7,51-28,3%; втрат холостого ходу +12,3-41,2%; втрат у сталі статора +10,13-42,51%; втрат у міді статора +2,52-5,79%; припустимих по нагріванню струму статора і потужності на валу АД відповідно -2,73-10,24% і -10,45-24,3%. Методика дозволяє прогнозувати доцільність подальшого ремонту асинхронних двигунів з незадовільним станом ЕТС статора, а також надавати рекомендації щодо можливості поліпшення стану пакета шляхом видалення чи ремонту пошкоджених ділянок.

6. Розроблено і обґрунтовано методологію підвищення надійності відремонтованих АД в результаті зниження до припустимого рівня втрат статора, що гріють, при перепроектуванні обмотувальних даних для обмотки статора і доведена ефективність цього заходу при припустимому числі випалювань пакета статора.

7. Запропоновано новий спосіб визначення й аналітичного вираження втрат у сталі відремонтованих АД за результатами досліду холостого ходу, що відрізняється більш високою точністю і вірогідністю при умові насичення ЕТС.

8. Розроблено схему й алгоритми роботи багатоканального модуля аналогово-цифрового перетворення, який відрізняється від промислових зразків більш високою швидкодією і простотою програмування, що дозволяє більш ефективно використовувати його при проведенні автоматизованих вимірів у режимі реального часу.

9. Розроблено пакет прикладних програм для обробки миттєвих значень контрольованих величин за приведеними в роботі діагностичними критеріями, а також програмне забезпечення для системи діагностики і сертифікації, що спрощує процедуру навчання обслуговуючого персоналу ремонтних цехів і підприємств роботі з даною системою.

10. Розроблено і впроваджено в практику випробувань електричних машин комп’ютеризовану систему діагностики для проведення автоматизованого локального тестування ЕТС пакетів статорів і методики сертифікації й оцінки реальної працездатності відремонтованих АД на етапі ремонту, що дозволяє прогнозувати реальну працездатність електричних машин, збільшити швидкодію і підвищити ефективність дослідження властивостей ЕТС пакетів статорів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Прус В.В., Родькин Д.И. Обоснование необходимости и требования к измерительно-диагностическому комплексу для послеремонтных испытаний асинхронных двигателей // аучные труды Кременчугского государственного политехнического института “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг: КГПИ. - 1997. - 1/1997 (4) - С. 115-119.

2. Прус В.В. Автоматическая система диагностики состояния электротехнической стали в процессе ремонта асинхронных двигателей // Труды Харьковского государственного политехнического университета “Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика”. – Харьков: Основа. – 1997. – C.355-356.

3. Прус В.В. Процесс старения электротехнической стали электродвигателей переменного тока во время ремонта // Научные труды Кременчугского государственного политехнического института “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг: КГПИ. - 1998. - Вып.1. - С.92–93.

4. Прус В.В. Метод локального предремонтного тестирования электротехнической стали электродвигателей // Научные труды Кременчугского государственного политехнического института “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг: КГПИ. - 1998. - Вып.2. - С. 120-124.

5. Прус В.В. Исследование потерь в стали АД при работе в зоне насыщения // Научные труды Кременчугского государственного политехнического института “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг: КГПИ. - 1999. - Вып.1. - С. 123-126.

6. Прус В.В., Барвинок Д.В. Влияние основных видов повреждений пакетов стали статоров АД на магнитные и электрические свойства стали// Научные труды Кременчугского государственного политехнического института “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг: КГПИ. - 1999. - Вып.2. - С. 86 -91.

7. Прус В.В., Палиивец В.И. Основные вопросы метрологического обеспечения измерительного комплекса для локального тестирования стали пакетов статоров АД и оценка погрешности измерения контролируемых величин // Научные труды Кременчугского государственного политехнического института “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг: КГПИ. - 1999. - Вып.2/1999 (7) - С. 92 -96.

8. Прус В.В., Родькин Д.И. Исследование электрических и магнитных свойств электротехнической стали после температурных воздействий // Научные труды Кременчугского государственного политехнического университета “Проблемы создания новых машин и технологий”. - Кременчуг: КГПУ. - 2000. - Вып.2. - С.-228-234.

9. Прус В.В., Цыганов С.И. Определение свойств стали статоров методом локального тестирования и прогнозирование новых паспортных данных асинхронных двигателей на этапе ремонта