Національний університет “Львівська політехніка”

ХЛІПАЛЬСЬКИЙ ЮЛІАН ЗБІГНЄВОВИЧ

УДК 621.313.333 : 620.179.1

ДІАГНОСТУВАННЯ ДЕФЕКТІВ КЛІТОК РОТОРІВ

АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ З ЗАКРИТИМИ ПАЗАМИ

05.09.01 Електричні машини і апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Яцун Михайло Андрійович,

професор кафедри електричних машин та апаратів

Національного університету “Львівська політехніка”.

Офіційні опоненти:–

доктор технічних наук, с.н.с.

Ставинський Андрій Андрійович

завідувач кафедри електричних машин і суднових

електроенергетичних систем Українського

Державного морського технічного університету–

кандидат технічних наук, доцент

Маляр Василь Сафронович,

доцент кафедри теоретичної і загальної електротехніки

Національного університету “Львівська політехніка”.

Провідна установа:

Інститут електродинаміки НАН України,

відділ електромеханічних систем (м. Київ)

Захист відбудеться “ 02 ” березня 2001 р. о “12 ” год. “00” хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.02 Національного університету “Львівська політехніка” ( 79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 12, ауд 114 ).

З дисертацією можна ознайомитись у науково–технічній бібліотеці Національ-ного університету “Львівська політехніка” ( Львів, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий “ 25 ” січня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д35.052.02 Коруд В. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідний рівень якості асинхронних та інших видів машин закладається, з одного боку, на стадії розробки та проектування виробу, з іншого – безпосередньо в процесі виробництва. Розвиток математичного моделювання електричних машин (ЕМ) та широке застосування систем автоматизованого проектування на базі персональних комп’ютерів дозволили успішно розв’язувати задачі оптимального проектування всіх типів машин. У зв’язку з цим якість ЕМ, що випускаються промисловістю, в основному визначається рівнем технологічних процесів їх виготовлення. Як показує зарубіжний досвід, одним з визначальних факторів, що забезпечують високу якість продукції, є організація системи контролю на виробництві. Її ефективність визначається правильним вибором методології контролю окремих елементів, вузлів і машини в цілому, а також точністю та надійністю контрольно–діагностичних і випробувальних пристроїв.

Розроблені на даний час методи і пристрої неруйнівного контролю (НК) та технічного діагностування (ТД) стану короткозамкнених кліток (КЗ) асинхронних двигунів (АД) не є достатньо ефективними для здійснення потокового контролю якості відлитих роторів, а в багатьох випадках – і для лабораторних досліджень. Відомі з літературних джерел засоби НК та ТД КЗ кліток характеризуються або складністю й тривалістю отримання та обробки первинної інформації, що обумовлює можливість їх використання лише в лабораторних умовах, або недостатньою чутливістю і точністю. Особливо складною в цьому плані є задача діагностування і контролю КЗ кліток роторів з закритими пазами.

Відомо, що навіть для провідних електротехнічних фірм з високим рівнем автоматизації процесу виготовлення АД властиві періодичні порушення технологічних процесів відливання КЗ клітки. Найбільш ефективним способом виявлення таких порушень та швидкого відповідного реагування може бути застосування засобів для контролю та діагностування необроблених КЗ роторів безпосередньо після заливання обмотки. Їх використання дозволить, з одного боку, запобігти подальшій обробці та використанню роторів, технічний стан яких є незадовільним (що виявляється лише на стадії випробувань АД), з іншого боку, отримана при цьому інформація може служити для діагностування відхилень технологічного процесу відливання обмоток роторів.

Доцільність створення таких контрольно–діагностичних пристроїв і систем мотивується перш за все величезним обсягом випуску АД, що особливо стосується виробництва мікромашин та машин малої потужності.

Зв’язок роботи з науковими програмами і темами. Робота виконувалась на основі наступних госпдоговірних робіт (ГР) та держбюджетних програм: ГР № 4719 з Ужгородським заводом “Електродвигун” – для АД серії АИ з висотою осі обертання 56 132 мм; ГР № 8903 з Лунінецьким заводом з виробництва електродвигунів для с./г. (Білорусь) – для АД типу 4А–90; ГР № 5155/МТ-20-ГП з НИИ КМ и ТП МГТУ ім.Баумана (Москва) – за міжвузівською науково–технічною програмою “Неразрушающий контроль и диагностика” Координаційної Ради Держ-комітету СРСР по народній освіті; ГР № 8908 з Полтавським електромеханічним заводом “Електромотор” – для АД серії АИР–71; ГР №5232 з Вільнюським заводом “Elfa” (Литва) – для АД типу ДАО–120 і роторів К 155/154 імпортного виконання; ДК/53.Я Державного комітету України з питань науки і технології за темою 6.8.226 “Розробка автоматичних засобів неруйнівного контролю та діагностики продукції машинобудування” з програми 6.8 “Оновлення та створення сучасної матеріально–технічної бази наукових закладів та провідних вузів України”.

Мета і задачі дослідження. Мета – розробка методу і пристрою діагностування дефектів КЗ кліток роторів неглибокопазних АД потужністю до 100 кВт, придатного для перевірки оброблених і необроблених роторів з закритими пазами й призначеного для використання в умовах масового та серійного виробництва, а також при лабораторних дослідженнях.

Задачі дослідження:

1) аналіз, класифікація і порівняння ефективності відомих методів та засобів НК і ТД обмоток КЗ роторів АД;

2) виявлення і аналіз похибок процесу діагностування дефектів при застосуванні електромагнітного способу збудження й отримання первинної інформації трансформаторним методом для визначення можливостей їх мінімізації;

3) розробка нових конструкцій індуктора та вимірювального перетворювача (датчика), які дозволять підвищити точність і чутливість контролю та діагностування дефектів, а також забезпечать зручність їх проведення;

4) створення математичної моделі для дослідження запропонованої конструкції системи збудження з метою її оптимізації;

5) розробка алгоритмів обробки інформативних сигналів для підвищення точності контролю та діагностування КЗ кліток трансформаторними пристроями;

6) розробка методик проведення досліджень та визначення метрологічних характеристик пристроїв для НК та ТД КЗ роторів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) Удосконалено існуючу систему класифікації методів НК, які застосовуються для контролю якості та діагностування дефектів КЗ кліток роторів АД.

2) Розроблено трансформаторний спосіб отримання струму значної інтенсивності у контрольованому стрижні КЗ обмотки на основі використання індуктора з розімкненою магнітною системою, який дає можливість підвищити чутливість та точність діагностування дефектів при закритих пазах ротора.

3) Розроблено методику визначення методичних похибок, що виникають при безконтактному електромагнітному контролі та діагностуванні КЗ кліток трансформаторним способом за допомогою локальних датчиків. Розроблено алгоритми обробки контрольованих сигналів, які призначені для підвищення точності діагностування дефектів (зменшення методичної похибки).

4) Створено математичні моделі для дослідження й оптимізації системи збудження з розімкненим магнітопроводом, а також визначення похибки базування у пристроях трансформаторного типу з локальним П-подібним датчиком.

5) Розроблено методики отримання стандартних взірців підприємства (еталонних роторів) та визначення порогу чутливості електромагнітних пристроїв для контролю та діагностування КЗ кліток роторів АД.

Практичне значення одержаних результатів полягає в удосконаленні існуючих та створенні нових конструкцій систем збудження і вимірювальних перетворювачів для пристроїв контролю та діагностування дефектів КЗ кліток роторів АД.

На підставі проведених досліджень розроблено пристрій для контролю якості обмоток короткозамкнених роторів з відкритими пазами, різні варіанти якого впроваджено на 3-х підприємствах: Ужгородському заводі “Електродвигун”, Полтавському електромеханічному заводі “Електромотор”, Лунінецькому заводі з виробництва електродвигунів для с./г. (Білорусь). На дані розробки отримано патент.

Розроблено нові конструкції індуктора й датчика для електромагнітного контролю та діагностування дефектів КЗ обмоток роторів з закритими пазами. На опрацьований спосіб і пристрій отримано позитивне рішення про видачу патенту на винахід України. Створений на основі цих розробок пристрій впроваджено на Вільнюському заводі “Elfa” (Литва).

На базі останнього варіанту приладу для контролю роторів з закритими пазами на кафедрі ЕМ Львівської політехніки впроваджено в навчальний процес лабораторну роботу з курсу діагностування електричних машин.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що становлять головний зміст дисертації, автор отримав особисто. Основні результати дисертації опубліковані у фахових журналах та матеріалах і тезах праць вітчизняних і зарубіжних науково–технічних конференцій (НТК) у співавторстві з проф. М.А. Яцуном 1–10. У цих публікаціях автору належать: в 1 – аналіз методів технічної діагностики КЗ роторів АД, у 2 – розробка конструкції індуктора, моделі для його дослідження, у 3 – розробка алгоритму діагностування дефектів методом розпізнавання образів, у 4 – обробка і аналіз отриманих результатів, у 5 – розробка моделі для дослідження впливу ексцентриситету розташування ротора відносно дугового індуктора на чутливість виявлення дефектів у 6 – розв’язання окремих рівнянь ланцюгових схем, у 7 – участь у дослідженні, розробці, виготовленні та випробуваннях пристрою, у 8 – розробка алгоритму і комп’ютерної програми, у 9,10 – ідея і розробка алгоритму діагностування дефектів КЗ клітки на підставі значень еквівалентних опорів стрижнів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові та практичні результати роботи доповілались і обговорювались на 10-ти міжнародних, всесоюзних, а також державних НТК та семінарах: Всесоюзній НТК “Современные проблемы электромеханики”, м. Москва, 1989р.; XII-й Всесоюзній НТК “Неразрушающие физические методы контроля”, м. Свердловськ, 1990 р.; VI-й республіканській НТК “Неразрушающий контроль–90”, м. Рига, 1990 р.; Всесоюзній НТК “Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов”, м. Бішкек, 1991 р.; XV-ому міжнародному семінарі з основ електротехніки і теорії кіл “SPETO92”, м. Глівіце, Польща, 1992 р.; V-й та VI-й міжвузівських НТК “Современные методы и средства электромагнитного контроля и их применение в промышленности”, м. Могильов, Білорусь, 1992, 1995 рр.; НТК з міжнародною участю, присвяченій 100–річчю від дня народження проф. Т.П. Губенко, м. Львів, 1996р.; наукових семінарах “Моделі та методи комп’ютерного аналізу електричних кіл та електромеханічних систем” Наукової Ради НАН України з комплексних проблем “Наукові основи електроенергетики”, м. Львів, 1998, 2000 рр.

Публікації. Основний зміст дисертації відображено в 14 публікаціях, із них 5 статей в наукових фахових виданнях, 2 статті та 6 тез доповідей в матеріалах НТК і семінарів, 1 патент Росії на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і п’яти додатків. Загальний обсяг дисертації становить 143 сторінки, список використаних літературних джерел із 133 найменувань займає 15 сторінок, додатки викладені на 46 сторінках. Основна частина роботи містить 19 рисунків і 3 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дається короткий аналіз проблем контролю якості у електромашинобудуванні та обгрунтовано важливість і актуальність питання розробки засобів для діагностування дефектів та НК КЗ кліток роторів АД, сформульовано мету і основні задачі досліджень, наукову новизну роботи, практичну цінність одержаних результатів, наведені відомості про апробацію роботи.

В першому розділі здійснений огляд методів і розроблених на їх основі засобів для контролю та діагностування дефектів КЗ кліток АД, а також окреслено можливі напрямки їх подальшого розвитку і вдосконалення. Проведено аналіз класифікацій методів і пристроїв НК КЗ роторів, відомих з літературних джерел. Показано, що ці класифікації не є достатньо повними і строгими з точки зору принципів, які лежать в основі їх побудови. Крім цього, загальним недоліком розглянутих класифікацій є те, що у них в значній мірі переважає опис конструктивних особливостей окремих приладів без необхідних узагальнень.

Для класифікації методів НК КЗ кліток автор використав принципи, викладені у державному стандарті ДСТУ 2865–94 “Контроль неруйнівний. Терміни та визначення”. З окреслених у стандарті тринадцяти видів НК для діагностування дефектів КЗ кліток знайшли практичне застосування наступні п’ять видів: електричний, магнітний, вихрострумовий (електромагнітний), радіаційний і тепловий. Серед ознак, що використовуються для диференціації методів кожного із зазначених видів НК, при побудові класифікації вибрано спосіб отримання первинної інформації, оскільки він визначає чутливість та точність відповідних засобів контролю, а також можливість їх автоматизації і складність обробки інформації.

Здійснено аналіз переваг і недоліків методів і пристроїв НК КЗ кліток, які були згруповані відповідно до запропонованої класифікації. Аналіз показав, що електромагнітні пристрої на основі трансформаторного методу є найбільш ефективними за сукупністю таких показників, як точність, чутливість до дефектів, можливість автоматизації, тривалість діагностування. Серед засобів, розроблених на основі цього методу, своєю ефективністю виділяються пристрої з індуктором та датчиком локальних типів, які мають П-подібну конструкцію й розташовані лише над контрольованим стрижнем.

Дослідження, проведені в лабораторії Львівської політехніки, показали, що індуктор на основі дугового статора з ексцентричним розташуванням ротора відносно розточки індуктора забезпечує таку ж чутливість при діагностуванні дефектів, що й П-подібний індуктор. Перевагою дугостаторного індуктора з трифазною обмоткою є можливість виконання ним функції приводу, тобто обертання контрольованого ротора. На основі дугостаторного індуктора Д. Теодореску був розроблений пристрій для виявлення дефектів у КЗ клітці, який використовує зміну фази вібрацій статора при його взаємодії з ротором. Слід підкреслити, що згаданий метод не відображений в переліку всіх відомих методів НК, класифікованих ДСТУ 2865–94.

Вдосконалення засобів на основі даного методу НК може здійснюватись шляхом: 1) опрацювання нових конструкцій індукторів та датчиків, які забезпечуватимуть вищу точність і чутливість до дефектів; 2) застосування мікропроцесорної техніки для обробки контрольованих сигналів.

Застосування мікропроцесорних засобів обробки інформації дасть можливість вирішити наступні питання: при контролюванні роторів – підвищити достовірність контролю на основі створення алгоритмів, які використовуватимуть більш точні критерії розбракування роторів; при діагностуванні роторів – отримувати уточнену картину розподілу дефектів та їх величин на підставі аналізу значень параметрів контрольованих сигналів; визначати найбільш імовірні причини порушень технологічного процесу відливання КЗ кліток на підставі картини розподілу дефектів; здійснювати накопичення даних та їх статистичний аналіз з метою визначення змін (тенденцій зміщення) параметрів технологічного процесу виготовлення КЗ роторів для завчасного реагування.

Другий розділ присвячений розгляду основних похибок процесу діагностування дефектів КЗ кліток. За основу для аналізу було вибрано пристрій трансформаторного типу з П-подібними індуктором і датчиком, оскільки за даними літературних джерел він дозволяє досягати найвищої серед безконтактних методів чутливості при діагностуванні КЗ роторів з закритими пазами. Проаналізовано наступні фактори, які визначають точність процесу діагностування дефектів на етапі отримання первинної інформації: 1) точність базування (позиціонування) ротора; 2) методичну похибку; 3) стабільність параметрів мережі живлення приладу; 4)вплив зміни температури обмоток збудження й контрольованого ротора.

Розрахунок похибки базування ротора відносно датчика проводився для радіальної складової похибки, яка визначається відхиленням величини повітряного проміжку між ротором (над контрольованим стрижнем) та датчиком від номінального значення і є значно більшою за осьову та кутову складові похибки.

Визначення похибки базування проведено у наступній послідовності:

1)

2)

Розрахунок магнітного кола, яким проходить магнітний потік, що зв’язує контрольований стрижень і датчик, проводився з врахуванням насичення феромагнітних ділянок за допомогою основної кривої намагнічування, а магнітне поле між торцевою поверхнею датчика та поверхнею ротора розглядалось як поле в повітряному проміжку між полюсом і площиною. Визначення провідності повітряного проміжку датчик – ротор з врахуваннням полів випинання, що проходять через бічні грані та ребра торцевої поверхні осердя датчика, виконано на основі методики, розробленої Б. К. Булем, яка базується на експериментально дослідженому розподілі об’ємного поля та магнітних напруг між полюсами скінченних розмірів при різних повітряних проміжках та формах полюсів.

Викладений алгоритм обчислення похибки базування та наведені результати її розрахунку на прикладі діагностування КЗ роторів типу ДАО–120. Дослідження показало, що на значення цієї похибки значний вплив має вибір оптимальної величини повітряного проміжку між датчиком та ротором. Внаслідок наявності технологічних відхилень у пристроях, що виконані на П-подібних індукторі та датчику, не можна досягнути значення відносної похибки вимірювання струму контрольованого стрижня, меншого за 4–5%. На етапі отримання контрольованого сигналу частка похибки базування у сумарній похибці є домінуючою (переважно перевищує 70–80%). Дана похибка має випадковий характер, а тому не може бути врахована введенням поправок до результатів вимірювань.

Методична похибка діагностування дефектів визначається впливом провідностей решти елементів КЗ клітки на струм у контрольованому стрижні. Вона залежить від параметрів елементів клітки, взаємного розташування дефектних стрижнів відносно контрольованого і величин дефектів, а також від типу індуктора (способу індукування струмів у КЗ обмотці). Аналіз впливу решти схеми на струм контрольованого стрижня проведено на основі рівнянь однорідних ланцюгових схем для КЗ клітки, в якій кожна з m фаз ротора представлена комплексним опором стрижня Zс і прилеглими до нього з двох боків чотирма комплексними опорами КЗ кілець, значення кожного з яких становить Zк/2, де Zк – комплексний опір ділянки КЗ кільця, розташованої між двома сусідніми стрижнями (рис.1).

Відносна похибка від впливу опору решти схеми за відсутності дефекту (при цьому на схемі рис.1 додатковий опір Zdk= 0) визначалась наступним чином:

(1)

де Ic0 – значення струму стрижня за умови, що опір решти елементів КЗ клітки дорівнює нулеві (Ic0 = E01/Zс, E01 – ЕРС, наведена індуктором у контрольованому стрижні); Ic10 – значення струму стрижня з врахуванням опорів решти елементів КЗ обмотки; 1 – стала передачі ланки

.

Розрахунок за виразом (1) для КЗ кліток з різною кількістю стрижнів m у випадку трьох різних співвідношень комплексних опорів (Z=5, =100; Z=10, =200; Z=20, =300) показав, що при m=30 похибка знаходиться у межах відповідно 31%, 22% та 16%.

При наявності дефекту визначення струму контрольованого стрижня здійснено з використанням принципу суперпозиції і теореми компенсації. Відносна похибка від решти схеми у випадку, коли дефект розташований у контрольованому 1-му стрижні визначається виразом

(2)

де Icd – значення струму контрольованого дефектного стрижня за умови, що опір

решти елементів КЗ обмотки дорівнює нулеві:, Ic1 – значення струму контрольованого стрижня (першого) з врахуванням опору решти схеми.

Відносна похибка визначення провідності контрольованого стрижня, обумовлена впливом решти схеми за наявності дефекту (додаткового опору) в іншому (k-му) стрижні, обчислюється за виразом

. (3)

Розрахунок за формулою (3) показав, що максимальна похибка при визначенні провідності стрижня буде у випадку, коли поряд з ним розташований обірваний стрижень. Її значення для згаданих вище співвідношень опорів КЗ клітки при m=30 не перевищуватиме 34%. Вирази (1)–(3) дозволяють вносити відповідні поправки в результати діагностування дефектів стрижнів приладами з локальним індуктором.

У випадку диференціальної схеми вимірювання, коли контрольований сигнал отримується з використанням еталонного ротора або його еквівалента, вплив решти елементів КЗ клітки еталонного й контрольованого роторів в значній мірі зрівноважується. Зокрема, якщо всі неконтрольовані стрижні досліджуваного ротора є бездефектні, то таке зрівноваження є повним. При дифереціальній схемі значення методичної похибки суттєво зменшується, наприклад, максимальна похибка визначення провідності бездефектного стрижня, розташованого поряд з обірваним, для випадку, розглянутого вище, зменшується до 5,3%.

Для суттєвого зменшення методичної похибки запропоновано здійснювати обробку контрольованих сигналів методом розпізнавання образів. Даний метод базується на експериментально отриманих еталонних дефектограмах, які відображають зміну амплітуди контрольованого сигналу у дефектному та сусідніх з ним стрижнях порівняно з бездефектним стрижнем взірцевого ротора. Процес визначення уточненої картини розподілу дефектів полягає в порівнянні дефектограм, отриманих при контролюванні досліджуваного ротора, з еталонними дефектограмами ітераційним методом.

Наведено також рекомендації щодо необхідності врахування та способів зменшення похибок діагностування дефектів, спричинених нестабільністю параметрів мережі живлення і нагріванням обмотки збудження індуктора та КЗ клітки контрольованого ротора в процесі діагностування.

У третьому розділі розглянуто запропонований спосіб діагностування дефектів, представлена конструкція індуктора та модель для його дослідження, а також описана будова пристрою для діагностування КЗ клітки.

Недостатня чутливість трансформаторних пристроїв при діагностуванні роторів з закритими пазами обумовлена тим, що магнітний потік контрольованого стрижня, який використовується для отримання інформації про значення струму в ньому, замикається в основному через феромагнітний мостик, що з’єднує коронки зубців і є своєрідним шунтом, який не дозволяє магнітному потоку стрижня проникати в осердя датчика, розташованого біля поверхні ротора. Крім цього, значний індуктивний опір закритих пазів суттєво зменшує чутливість струму стрижня до дефектів, оскільки останній залежить від його повного опору, а дефекти змінюють, в основному, активний опір.

Для збільшення чутливості при діагностуванні закритих пазів запропоновано здійснювати насичення мостика, який закриває паз над контрольованим стрижнем, в результаті чого проявляється ефект “розкриття паза” і значно зростає інформативний магнітний потік, який зчеплюється з вимірювальною обмоткою датчика. При цьому спостерігається підвищення відносної чутливості даного інформативного потоку і, відповідно, контрольованого параметра вихідного сигналу датчика до дефектів, а також значно зменшується вплив відхилень висоти мостиків на результати контролю окремих стрижнів.

З метою забезпечення згаданого насичення розроблено конструкцію індуктора, який дозволяє отримувати в контрольованому стрижні струм значної інтенсивності (у 1,5–2,0 рази більший за номінальний струм стрижня відповідного АД). Такий індуктор (рис.2) виконується на основі осердя статора відповідного АД, в якому робиться розрив у магнітопроводі. Обмотка збудження індуктора виконана однофазною кільцевою (тороїдного типу). При її живленні змінним синусоїдним струмом в осерді індуктора виникає пульсуючий магнітний потік, що індукує у стрижнях ротора, охоплених осердям індуктора, ЕРС, які практично співпадають за фазою. Викликані ними струми замикаються через ділянки КЗ кілець і стрижні, розташовані в зоні розриву магнітопровода.

На етапі попереднього розрахунку пристрою для наближеного визначення режиму роботи індуктора (значення струму в обмотці збудження), що забезпечує насичення феромагнітного містка над контрольованим стрижнем, використовується лінійна модель. В цій моделі нехтується насиченням феромагнітних ділянок магнітного кола і приймається, що в повітряному проміжку магнітна індукція має тільки радіальну складову, а векторний потенціал магнітного поля А – тільки осьову і залежить лише від кутової координати x() вздовж розгортки індуктора. Тоді за законом повного струму для розрахункової моделі (рис.2) при усталеному синусоїдному режимі в комплексній формі одержимо рівняння Пуассона

, (4)

де о – магнітна стала; J1 і J2 – відповідно лінійні навантаження індуктора та ротора; = k – розрахункове значення довжини повітряного проміжку між індуктором та ротором, k – коефіцієнт Картера.

На основі рівняння (4) з врахуванням граничних умов (при x=0 напруженість магнітного поля H=0, а при x= ) отримано вираз для визначення струму в стрижні, розташованому на віддалі x від осі симетрії індуктора:

. (5)

де ; ; ;

– колова частота змінного струму збудження; l – осьова довжина магнітної системи збудження; D – зовнішній діаметр осердя ротора; 1 – довжина розриву магнітопровода індуктора; Zе – еквівалентний комплексний опір, який складається з комплексного опору одного стрижня та опору решти КЗ обмотки відносно цього стрижня, а Re і Xe – відповідно його активна та реактивна складові; I1 – діюче значення струму в обмотці збудження; w1 – кількість витків обмотки збудження. Похибка визначення струму в стрижнях клітки на основі (5) знаходиться в межах 1015%, що є достатнім на етапі попереднього розрахунку індуктора.

Для уточненого розрахунку системи збудження з розімкненим магнітопроводом розроблено нелінійну математичну модель, яка дозволяє визначати вплив геометричних розмірів та обмоткових даних індуктора на точність процесу діагностування дефектів. Магнітне поле індуктора досліджується за допомогою одновимірної моделі, при цьому не враховується вплив явищ гістерезису і вихрових струмів на електромагнітні процеси та нехтується витісненням струму в стрижнях обмотки ротора.

Рівняння електричного стану для однофазної обмотки індуктора, розподіленої у ms пазах осердя, згідно з другим законом Кірхгофа та законом електромагнітної індукції записано у вигляді

, (6)

де wSi – кількість витків i-ої котушки, розташованої в i-му пазу індуктора; ФSаi – основний магнітний потік i-ої ділянки ярма індуктора; Si –потокозчеплення від потоків розсіяння i-ої котушки індуктора; uS , iS – відповідно напруга й струм в обмотці індуктора; RS – опір обмотки індуктора.

Диференціальні рівняння для кожного з незалежних контурів КЗ клітки, кількість яких дорівнює кількості стрижнів m обмотки, записано на основі методу контурних струмів.

Значення магнітних потоків на всіх ділянках магнітного кола індуктор – ротор визначаються на основі методу контурних магнітних потоків, при цьому загальна кількість незалежних контурів заступної схеми для основного магнітного потоку становить NK = m + ms. Наведено методики розрахунку магнітних опорів повітряних проміжків для основного магнітного потоку та потоків розсіяння.

Описано алгоритм розрахунку усталеного режиму роботи індуктора, який проводиться в режимі заданого струму і будується на основі числового методу послідовних інтервалів, при якому диференціальні рівняння замінюють звичайними алгебричними рівняннями, що містять скінчені прирости відповідних величин за достатньо малі інтервали часу. При розрахунку задається струм намагнічування, що протікає в обмотці індуктора. В результаті розрахунку в індукторі визначаються: активна складова струму, повний струм, а також напруга збудження і втрати; в роторі – струми в елементах його обмотки.

Розрахунок індуктора, дослідження режимів його роботи і статичних характеристик здійснюються ітераційним методом в ручному режимі. Основними величинами, які початково задаються (наближено) а остаточно визначаються в результаті розрахунку, є: струм збудження та обмоткові дані індуктора, довжина розриву в осерді індуктора, величина повітряного проміжку між індуктором і ротором. Наводяться рекомендації з вибору початкових значень зазначених величин та послідовність етапів їх уточнення.

Оптимальна довжина повітряного проміжку між ротором та індуктором визначається за мінімумом похибки базування ротора відносно індуктора

min, (7)

де Іс.екс – струм в контрольованому стрижні при ексцентричному положенні ротора;

Іс.баз – струм в стрижні при симетричному положенні ротора. При цьому зміна струму контрольованого стрижня, обумовлена можливими технологічними відхиленнями поверхні ротора відносно індуктора, буде мінімальною.

Описані алгоритми реалізовані у вигляді комп’ютерної програми, за допомогою якої здійснено визначення похибки базування роторів типу ДАО–120 відносно індуктора з розімкненим магнітопроводом. Розрахунок показав, що порівняно з П–подібним індуктором локального типу похибка базування при використанні індуктора з розімкненим магнітопроводом зменшується майже удвічі. Це пояснюється тим, що у стрижнях КЗ клітки, охоплених магнітною системою індуктора, при ексцентричному положенні ротора відбувається перерозподіл струмів, але струм у стрижнях, розташованих в зоні розриву, змінюється незначно.

Наведено алгоритм розрахунку відносної статичної чутливості діагностування дефектів при використанні запропонованого індуктора та локального П–подібного датчика. Статична чутливість пристрою до дефектів у скінчених приростах визначалась за виразом

, (8)

де E – зміна ЕРС в обмотці датчика, викликана збільшенням активного опору контрольованого стрижня на значення R внаслідок появи у ньому дефекту;

Eн – ЕРС в обмотці датчика при контролюванні стрижня бездефектної обмотки;

Rсн – активний опір бездефектного стрижня.

З розрахункових кривих Sd= Sd(Rcd) (рис.3), де Rcd=(Rcн+R)/Rcн – відносне значення активного опору дефектного стрижня, отриманих при різних значеннях струму в контрольованому стрижні, видно, що із збільшенням струму відносна чутливість зростає нелінійно. Для роторів ДАО–120 у діапазоні значень Rcd = (01), що відповідають дефектам, які найчастіше зустрічаються на практиці, збільшення струму, індукованого в стрижні еталонного бездефектного ротора, від значення (1/3)Iсн (Iсн – номінальний струм стрижня для даного АД) до значення (5/3)Iсн, тобто у

Рис.3 Залежність відносної чутливості виявлення дефекту локальним

П-подібним датчиком від відносної величини дефекту при різних значеннях струму в контрольованому стрижні КЗ клітки

1 – Ic=(1/3)Icн; 2 – Ic=(2/3)Icн; 3 – Ic=(5/3)Icн

п’ять разів, дозволяє підвищити відносну чутливість діагностування дефектів у 3,5 рази. При відносних величинах дефектів Rсd* 5 збільшення струму в стрижні майже не призводить до зростання відносної статичної чутливості їх діагностування.

На основі конструкції індуктора з розімкненою магнітною системою розроблено й випробувано пристрій для діагностування дефектів КЗ обмоток роторів з двома варіантами конструкцій локального датчика інформативного сигналу: традиційного П-подібного типу та торцевого, розташованого біля ділянок КЗ кілець.

У торцевій конструкції датчика для отримання інформативного сигналу використовуються магнітні потоки ділянок КЗ кілець, прилеглих до контрольованого стрижня. В роторах типу ДАО–120 одне з КЗ кілець виконується гладким – без вентиляційних лопаток. Випробування показали, що при цьому можна звести до мінімуму складову похибки базування, обумовлену відхиленнями величини повітряного проміжку між ротором та торцевим датчиком.

У четвертому розділі описано методики і результати експериментальних досліджень пристроїв для діагностування КЗ кліток роторів АД. Представлено розроблені та випробувані в промислових умовах методики отримання взірцевих роторів: бездефектного еталонного ротора і еталонного ротора з обірваним стрижнем, необхідних для періодичного відлагоджування пристроїв діагностування чи контролю роторів. Описано використану на практиці методику штучного створення дефектів у досліджуваних зразках роторів, яка застосовується при визначенні чутливості пристрою до дефектів.

Проведена перевірка адекватності нелінійної моделі індуктора з розімкненою магнітною системою шляхом експериментального визначення розподілу струмів у стрижнях обмотки ротора АД типу ДАО–120 (рис.4). Порівняння експериментальних і розрахункових даних показало, що відносна похибка, яка характеризує точність моделі, становить 5%. Досягнута точність є достатньою для проектування та оптимізації з використанням розглянутої моделі індукторів з розімкненим магнітопроводом, виконаних на основі осердь статорів відповідних асинхронних двигунів.

Запропоновано здійснювати порівняння чутливості пристроїв НК та діагностування дефектів стрижнів КЗ обмотки на основі визначення їх порогу чутливості. За розробленою методикою визначено поріг чутливості пристрою для діагностування дефектів КЗ кліток роторів типу ДАО–120, який виконано на базі індуктора з розімкненим магнітопроводом з використанням торцевого датчика. Результати дослідження показали, що пристрій забезпечує виявлення дефектів, які еквівалентні збільшенню активного опору стрижня на 10% – при перевірці оброблених роторів з закритими пазами (товщина металевого містка над стрижнем 0,4 мм), на 15% – при перевірці необроблених роторів з закритими пазами (товщина металевого містка над стрижнем 0,8 мм).

Порівняння отриманих результатів з чутливістю до дефектів подібних пристроїв, відомих з літературних джерел, показало, що розроблений автором прилад забезпечує порівняно з ними у 23 рази вищу чутливість. Представлено методику експериментального дослідження чутливості пристроїв (системи індуктор – датчик), а також алгоритм наближеного розрахунку порогу чутливості пристрою.

ВИСНОВКИ

1. Найбільш ефективними засобами для НК і ТД КЗ кліток при масовому та серійному виробництві АД за основними критеріями оцінки діагностування (точність, чутливість до дефектів, тривалість діагностування, можливість автоматизаціїї) є електромагнітні пристрої трансформаторного типу.

2. Запропоновано спосіб діагностування дефектів стрижнів КЗ кліток роторів АД з закритими пазами, який базується на насиченні феромагнітних містків над стрижнями і дозволяє суттєво підвищити чутливість та точність виявлення дефектів. Для реалізації даного способу діагностування дефектів розроблено конструкцію індуктора з розімкненим магнітопроводом, виконаним на базі осердя статора АД.

3. На основі індуктора з розімкненим магнітопроводом створено пристрої для діагностування КЗ кліток, в яких для отримання первинної інформації використано: 1) локальний індукційний датчик П-подібного типу, розташований над поверхнею контрольованого стрижня, 2) датчик торцевого типу. Результати експериментальних досліджень показали, що торцевий датчик дозволяє в поєднанні з розробленим індуктором добитись вищої у 2–3 рази чутливості діагностування необроблених та оброблених роторів з закритими пазами.

4. Розроблено наближену лінійну і уточнену нелінійну (з врахуванням насичення) математичні моделі запропонованого індуктора, а на їх основі – комп’ютерну програму для проектування пристрою, яка дозволяє досліджувати вплив геометричних розмірів та обмоткових даних індуктора на точність процесу діагностування дефектів. Експериментальні дослідження показали, що програма забезпечує точність розрахунку порядку 5 %.

5. Досліджено залежність точності процесу діагностування дефектів стрижнів КЗ клітки на етапі отримання первинної інформації від впливу основних факторів: похибки базування ротора, методичної похибки, стабільності параметрів мережі живлення приладу, температурної стабільності обмоток збудження й контрольованого ротора. Найбільш суттєвою похибкою, яка впливає на результати діагностування дефектів у стрижнях КЗ обмоток трансформаторними пристроями є похибка базування досліджуваного ротора відносно датчика та індуктора. Проаналізовано залежність цієї похибки при локальному діагностуванні від вибору величини повітряного проміжку між ротором, датчиком та індуктором, що дозволяє визначати оптимальне значення останнього за мінімумом похибки базування. Показана можливість підвищення точності діагностування залежно від способу отримання контрольованого сигналу за рахунок зменшення чи усунення окремих похибок.

6. Розроблено та випробувано в промислових умовах методику отримання взірцевих роторів: бездефектного еталонного ротора і еталонного ротора з обірваним стрижнем; а також методику штучного створення дефектів у досліджуваних взірцях роторів та визначення порогу чутливості пристрою для діагностування дефектів.

7. Удосконалено класифікацію методів і засобів неруйнівного контролю та діагностування КЗ кліток роторів АД, що застосовуються в процесі їх виробництва та ремонту. З метою полегшення порівняльного аналізу методів, а також виявлення можливих напрямків розвитку засобів НК та діагностування класифікацію побудовано за способом отримання первинної інформації.

8. Оскільки методи НК КЗ кліток роторів є складовою частиною методів НК, визначених і класифікованих ДСТУ 2865–94, доцільно внести у даний державний стандарт наступні зміни та доповнення: 1) замінити у п.5.2 ДСТУ термін “вихрострумовий неруйнівний контроль” на термін “електромагнітний (вихрострумовий) неруйнівний контроль”. Така термінологія є узагальненою (відома з літератури) і краще відображає суть фізичних явищ, що відбуваються у засобах для електромагнітного контролю КЗ кліток АД; 2) доповнити п.6.3 ДСТУ електромагнітно–вібраційним методом, відомим з практики НК КЗ роторів і не охопленим наведеною там класифікацією.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Хліпальський Ю.З., Яцун М.А. Розвиток методів і засобів технічної діагностики короткозамкнених роторів асинхронних двигунів // Вісник Львівського політехн. інс-ту №253. Електроенергетичні та електромеханічні системи. – Львів: Світ. – 1991. – С. 97-99.

2. Яцун М.А., Хліпальський Ю.З., Стасьо Р.І. Аналіз магнітного поля при розімкненій магнітній системі індуктора для діагностики якості заливки короткозамкнених роторів // Вісник ДУ “Львівська політехніка” №279. Електроенергетичні та електромеханічні системи. – Львів: Вид-во ДУ “Львівська політехніка”. – 1994. – С. 105-108.

3. Хліпальський Ю.З., Яцун М.А. Діагностування розподілу і значень дефектів у короткозамкненій обмотці ротора асинхронного двигуна методом розпізнавання образів // Вісник ДУ “Львівська політехніка” №288. Електроенергетичні та електромеханічні системи. – Львів: Вид-во ДУ “Львівська політехніка”. – 1995. – С.91-93.

4. Яцун М.А., Яцун А.М., Хліпальський Ю.З. Розподіл струму у короткозамкненій обмотці ротора асинхронного двигуна, чутливість і похибки при локальному визначенні дефектів електромагнітним способом // Вісник ДУ “Львівська політехніка” №347. Електроенергетичні та електромеханічні системи. – Львів: Вид-во ДУ “Львівська політехніка”. – 1998. – С.147–154.

5. Яцун М.А., Селепина Р.А., Хлипальский Ю.З. Особенности электромагнитного расчета дугового асинхронного электродвигателя при эксцентричном расположении ротора // Вестник Львовского политехнического инс-та. №244. Электроэнергетические и электромеханические системы. – Львов: Свит. – 1990. – С. 141-144.

6. Яцун М., Яцун А., Хліпальський Ю. Розподіл струму в короткозамкненій обмотці ротора асинхронного двигуна за наявності дефектів у ній // Електромеханіка. Теорія і практика. Праці наук.-техн. конференції, присвяченої 100-річчю від дня народження проф. Тихона Губенка. – Львів: Вид-во ДУ “Львівська політехніка”.– 1996. – С.203–206.

7. Пат. № 2074400 С1 Российской Федерации, МКИ G 01 R 31/06. Устройство контроля роторов короткозамкнух асинхронных двигателей / Селепина Р.А., Хлипальский Ю.З., Яцун М.А. (Украина); Луцкий индустр. инс-т. – № 4929895 /09; Заявл. 19.04.91; Опубл. 27.02.97; Бюл. №6.

8. Яцун М.А., Хлипальский Ю.З. Математическая модель асинхронного двигателя при несимметрии в цепи короткозамкнутого ротора // Тезисы докладов Всесоюзной науч.–техн. конф. “Современные проблемы электромеханики”. – Часть I. – М: МЭИ. – 1989. – С.182 - 183.

9. Яцун М.А., Хлипальский Ю.З. Разработка устройства для контроля качества заливки и диагностики короткозамкнутой обмотки асинхронных двигателей // Тезисы докладов XII Всесоюзной науч.–техн. конф. “Неразрушающие физические методы контроля” – Том IV. – Свердловск: СФ ЦИТП. – 1990. – С.231 - 232.

10. Хлипальский Ю.З., Яцун М.А. Диагностическая модель для контроля короткозамкнутой обмотки асинхронных двигателей // Тезисы докладов VI Республиканской науч.–техн. конф. “Неразрушающий контроль–90”. – Рига: Рижский технич. унив-т. – 1990. – С.114.

АНОТАЦІЯ

Хліпальський Ю. З. Діагностування дефектів кліток роторів асинхронних двигунів з закритими пазами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01 – електричні машини і апарати. – Національний універ-ситет “Львівська політехніка”, Львів, 2000 р.

Дисертаційна робота присвячена питанням розробки пристрою для діагностування дефектів кліток короткозамкнених (КЗ) роторів асинхронних двигунів (АД) потужністю до 100 кВт. Проведено аналіз та порівняння ефективності відомих методів та засобів неруйнівного контролю (НК) та технічного діагностування (ТД) обмоток КЗ роторів АД, здійснено їх класифікацію. На основі аналізу похибок процесу діагностування КЗ кліток запропоновано способи їх зменшення та усунення як на етапі розробки пристрою, так і при обробці контрольованих сигналів. Розроблено новий трансформаторний спосіб і