О ВОЗМОЖНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ПАРАМЕТРОВ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ.
, научный руководитель, к. т.н., доцент
Вологодский государственный технический университет
г. Вологда
Асинхронный электродвигатель является самым распространенным типом электромеханических преобразователей энергии. Его простота, надежность, относительно низкая стоимость, эксплуатационная неприхотливость в большинстве случаев определяют выбор именно этого типа электропривода.
Зачастую электродвигатели находятся в сложных эксплуатационных условиях: тяжелые режимы работы, низкое качество электроэнергии, пыль, влажность, агрессивные среды, колебания температуры, низкий уровень квалификации обслуживающего персонала. Все это отрицательно влияет на надежность двигателей и уменьшает срок их исправного функционирования. Отказы двигателей ведут не только к затратам на их восстановление, но и к возможному нарушению технологического процесса. Поэтому задача повышения уровня надежности асинхронных электродвигателей весьма актуальна.
Одним из путей повышения надежности является внедрение в процесс производства современных средств диагностики. На сегодняшний день активно используются методы вибродиагностики, магнитной и звуковой дефектоскопии, тепловизионного контроля. Однако эти методы при диагностировании электродвигателей имеют узкую область применения. Так при помощи вибродианостики можно обнаружить неисправности преимущественно механического характера. Дефектоскопию и тепловизионный контроль внутренних узлов невозможно проводить на двигателях, находящихся в работе.
Активно ведётся разработка диагностических методов на основе анализа величины, формы и спектрального состава тока электродвигателя. Эти методы довольно универсальны и позволяют диагностировать практически любые виды дефектов. Но такие системы применяются, как правило, только в установках средней и большой мощности, а его использование в двигателях малой мощности становится не рентабельным из-за большой стоимости измерительного оборудования.
Альтернативой методу диагностирования на основе анализа тока может быть метод диагностирования электродвигателей на основе зависимости формы, величины и гармонического состава индукции магнитного поля рабочей зоны электродвигателя от степени развития дефекта.
Предполагается, что индукция магнитного поля в зазоре между ротором и статором асинхронного электродвигателя несет в себе информацию, достаточную для достоверного диагностирования технического состояния этого двигателя.
Для проведения исследований на базе лаборатории электропривода создана экспериментальная установка. Она включает в себя: исследуемый электродвигатель (асинхронный с короткозамкнутым ротором основного исполнения 4А100L4У3), датчик магнитной индукции (SS49E, Honeywell), плата аналого-цифрового преобразования (L-783, L-card), персональный компьютер, прикладное программное обеспечение (LGraph 2). Диагностирование двигателя ведется в его рабочем режиме.
На Рис.1 представлен график изменения индукции магнитного поля исправного электродвигателя, а на Рис.2 представлен ее гармонический состав.
Рис.1 – Индукция магнитного поля исправного двигателя
Рис.2 – Гармонический состав индукции магнитного поля исправного двигателя
Магнитное поле электрической машины в значительной мере определяется различными несимметриями обмоток статора и ротора, а также несимметриями магнитной системы. Несимметрии, обусловленные возникшими дефектами, изменяют характер магнитного поля, вызывая спектр пространственных гармоник индукции, что дает возможность использовать индукцию магнитного поля в зазоре для диагностирования электродвигателя.
Таким образом, при возникновении дефектов в статоре нарушается электрическая и магнитная симметрия его обмоток и, как следствие этого - нарушается симметрия индукции третьей гармоники в фазных обмотках. В этом случае индукции третьих гармоник в трех фазах статора представляют уже несимметричную систему, и их сумма не равняется нулю. В результате этого в пространстве воздушного зазора машины появляется результирующая индукция с частотой 3f (f – частота сети).
График изменения индукции при создании в обмотке статора искусственной несимметрии приведён на Рис.3..
Рис.3 – Индукция магнитного поля двигателя с дефектом обмотки статора
При возникновении замыканий в обмотке статора в повреждённых обмотках для токов третьей гармоники образуется отдельный самостоятельный замкнутый контур. В них должна происходить частичная компенсация высших гармонических составляющих, в том числе третьих. Благодаря этому в фазных величинах поврежденных фаз значение данных гармоник должно уменьшаться по мере увеличения тока в короткозамкнутом контуре, т. е. по мере усиления степени тяжести этих повреждений.
Одновременно замыкания должны привести к определенному увеличению значений третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего потока от токов третьей гармоники.
На Рис.4 представлен гармонический состав индукции магнитного поля исправной обмотки двигателя с искусственной несимметрией.
Рис.4 – Гармонический состав индукции магнитного поля двигателя с дефектом обмотки статора
Таким образом, признаком межвитковых и межфазных замыканий является увеличение амплитуды третьей и кратных ей гармоник в магнитном поле электродвигателя.
С помощью данного метода можно диагностировать и другие неисправности электродвигателей, такие как: статический и динамический эксцентриситет ротора, неисправности подшипников, неисправности механической передачи.
