На правах рукописи

Сурков Дмитрий Вячеславович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА И НЕСИММЕТРИИ КОРОТКОЗАМКНУТОЙ КЛЕТКИ РОТОРА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Оренбург 2008

Работа выполнена на кафедре «Электромеханика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Никиян Николай Гагикович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Костырев Михаил Леонидович кандидат технических наук, Северин Александр Александрович
Ведущая организация:	ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ», г. Екатеринбург

Защита состоится «26»июня 2008 г. в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 в ауд. 200 главного корпуса Самарского государственного технического университета (СамГТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ, а с авторефератом на официальном сайте www.samgtu.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (8462) 78-44-00; e-mail: [email protected]
Автореферат разослан «___»_______________2008 г.
Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04

кандидат технических наук, доцент Е.А. Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.

При изготовлении и эксплуатации асинхронных двигателей (АД) возникают отклонения параметров двигателя от номинальных значений. Эти отклонения могут быть вызваны как технологическими погрешностями изготовления двигателя, неправильными режимами эксплуатации, так и износом во время эксплуатации.

Одной из возможных неисправностей АД является эксцентриситет ротора. Различают два вида эксцентриситета: статический - несоосность внутренней поверхности статора и внешней поверхности ротора, и динамический - несоосность внешней поверхности ротора и оси его вращения. В большинстве случаев наблюдается небольшая величина динамического эксцентриситета, обусловленная технологическими погрешностями изготовления ротора, и статический эксцентриситет, обусловленный износом подшипников и неточностями изготовления подшипниковых щитов и статора. Статический эксцентриситет может принимать значительную величину (вплоть до задевания ротора о статор), особенно в АД малой мощности.

Наличие эксцентриситета приводит к одностороннему магнитному притяжению и повышенному износу подшипников. Задевание ротора о статор может привести к местному перегреву сердечников и пробою изоляции. По данным различных источников на эксцентриситет приходится от 20 до 40% отказов АД.

Еще одной распространенной неисправностью АД является обрыв или частичное повреждение стержней короткозамкнутой обмотки ротора. Такое повреждение может возникнуть при изготовлении литой обмотки ротора и неравномерном остывании расплавленного алюминия, а также в процессе эксплуатации при тяжелых условиях работы. Кроме того, стержни обмотки ротора, имеющие дефекты после изготовления, например раковины, в процессе эксплуатации могут получить дальнейшие повреждения. В практике эксплуатации известны случаи обрыва нескольких расположенных рядом стержней в двигателях средней мощности. Такое повреждение обмотки ротора может привести к значительному ухудшению характеристик двигателя и, как следствие, полному выходу его из строя.

В связи с вышесказанным возникает необходимость исследовать магнитное поле в воздушном зазоре АД с целью получения диагностических признаков и сигналов для определения указанных неисправностей.

Целью работы разработка способов определения эксцентриситета и несимметрии короткозамкнутой клетки ротора на основе исследования поля в воздушном зазоре и несимметрии токов обмоток асинхронных двигателей.

Основные задачи исследования:

1. 
   разработать методику расчета магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины для расчета величин диагностических сигналов при эксцентриситете ротора;
   
2. 
   разработать и модернизировать способы определения величины эксцентриситета ротора и степени повреждения обмотки ротора;
   
3. 
   создать на основе разработанной методики программное обеспечение для автоматизированного расчета тарировочных зависимостей диагностических сигналов эксцентриситета и повреждений обмотки ротора;
   
4. 
   экспериментально проверить разработанные и модернизированные способы определения величины эксцентриситета ротора и степени повреждения обмотки ротора;
   
5. 
   разработать устройство диагностики относительного эксцентриситета ротора асинхронных двигателей.
   

Методы исследования. В данной работе поле в воздушном зазоре (ВЗ) определялось аналитическими и численными методами с применением ЭВМ. Расчет поля при эксцентриситете ротора проводился методом удельной проводимости ВЗ в мгновенной и комплексной форме. Расчет поля при несимметрии обмотки ротора проводился методом прямого решения системы уравнений, включающей уравнения для всех стержней обмотки ротора.

Изучение работы двигателей при исследуемых неисправностях и экс-периментальная проверка разработанной методики проводились с помощью двигателей специальной конструкции, имеющих заданные неисправности.

Научная новизна заключается в следующем:

1. 
   разработана методика расчета поля в ВЗ при эксцентриситете ротора методом удельной проводимости ВЗ с учетом реакции ротора на гармоники поля от эксцентриситета, с учетом изменения амплитуды зубцовых гармоник при эксцентриситете;
   
2. 
   разработана методика расчета поля в ВЗ при наличии статического и динамического эксцентриситета ротора методом удельной проводимости ВЗ;
   
3. 
   определена зависимость токов прямой и обратной последовательности обмотки статора от степени повреждения обмотки ротора.
   

Практическая ценность работы:

1. 
   разработанная методика может быть применена для расчета магнитного поля в ВЗ АМ при эксцентриситете ротора и расчета диагностических сигналов для оценки величины эксцентриситета;
   
2. 
   на основе методики разработано программное обеспечение для расчета магнитного поля в ВЗ при статическом и динамическом эксцентриситете ротора;
   
3. 
   разработано и изготовлено устройство для диагностики относительного эксцентриситета ротора асинхронных двигателей по разности потенциалов нейтральных точек обмотки статора (ОС) и звезды резисторов;
   
4. 
   разработан способ диагностики повреждений обмотки короткозамкнутого ротора без разборки двигателя.
   

На защиту выносятся:

1. 
   уточненный метод расчета гармоник магнитного поля зубцового порядка в воздушном зазоре при статическом и динамическом эксцентриситете ротора;
   
2. 
   методика расчета магнитного поля в воздушном зазоре при эксцентриситете ротора с учетом полного спектра гармоник реакции ротора;
   
3. 
   уточненные способы диагностики эксцентриситета ротора с помощью измерительных катушек и по потенциалу нейтральной точки обмотки статора;
   
4. 
   способ диагностики повреждений стержней короткозамкнутой обмотки ротора.
   

Реализация результатов работы. Разработанное устройство для диагностики эксцентриситета ротора АД принято для пробной эксплуатации на Каргалинской ТЭЦ Оренбургской области.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы в полном объеме докладывались на кафедре “Электромеханика” ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет». Результаты исследований по этапам докладывались на ежегодных региональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов Оренбуржья (Оренбург 2004, 2005, 2007г.), всероссийских конференциях (2004, 2005, 2007г.), международной научно-технической конференции (г. Екатеринбург, 2007г.). По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, получен патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 126 страниц, 48 рисунков, 12 таблиц. Список использованных источников включает 58 наименований. В общее количество листов входят два приложения на 4 листах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы исследования, изложены цель работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава посвящена обзору состояния исследуемого вопроса по литературным источникам. Приводится анализ методов расчета магнитного поля в ВЗ при эксцентриситете ротора и повреждениях короткозамкнутой обмотки ротора, способов диагностики относительного эксцентриситета ротора и несимметрии обмотки ротора асинхронных двигателей.

Во второй главе описана разработанная уточненная методика расчета магнитного поля ВЗ АМ при эксцентриситете ротора. Уточнен расчет гармоник поля зубцового порядка при статическом и динамическом эксцентриситете ротора. Разработан способ расчета гармоник поля в ВЗ от эксцентриситета с учетом взаимного влияния гармоник поля.

Для упрощения выражений введем обозначение произвольной гармонической величины: . (1)

Принимаем следующие допущения: при статическом и динамическом эксцентриситете смещение оси внешней поверхности ротора происходит параллельно оси внутренней поверхности статора; скольжение ротора не изменяется; влияние насыщения на гармоники индукции в ВЗ учитывается коэффициентом насыщения ; индуктивные сопротивления рассеяния ОС и ОР постоянны во всех пазах.
Согласно методу удельной магнитной проводимости ВЗ при допущении, что магнитная цепь машины не насыщена, поле в ВЗ определяется произведением магнитного напряжения ВЗ на удельную магнитную проводимость зазора:

, (2)

где – суммарное магнитное напряжение ВЗ, созданное обмотками статора и ротора; – магнитная проводимость ВЗ (ПВЗ); , – магнитное напряжение ВЗ, созданное обмотками статора и ротора соответственно. Магнитные напряжения , , и ПВЗ представляют собой суммы гармоник. Магнитное напряжение ВЗ рассчитывается по полной МДС обмотки : , где - коэффициент насыщения магнитной цепи для -ой гармоники поля.

При малых зазорах, имеющих место в АМ величину ВЗ при статическом эксцентриситете можно описать формулой: (погрешность относительно точного значения порядка 1%). При наличии статического и динамического эксцентриситета формулой (погрешность порядка 1,5%): .

При наличии статического эксцентриситета формула для ПВЗ имеет вид:, (3)

где – угол, определяющий направление смещения ротора.

При эксцентриситете амплитуды гармоник ПВЗ от эксцентриситета имеют значительную величину по сравнению с постоянной составляющей . Расчетные и экспериментальные данные показали, что при больших значениях эксцентриситета необходимо учитывать не менее десяти гармоник ПВЗ, в то время как при меньших значениях достаточно учитывать три гармоники ПВЗ.

При неравномерности ВЗ, вызванной эксцентриситетом, амплитуда зубцовых гармоник ПВЗ изменяется по окружности статора. При разложении такой кривой зубцовой гармоники ПВЗ в ряд Фурье получаем спектр гармоник:

(4)

где – порядок зубцовой гармоники; – число пазов соответствующего магнитопровода;  – относительная амплитуда зубцовой гармоники ПВЗ; – целое число.

Д

анный спектр содержит основную зубцовую гармонику , а также боковые гармоники ПВЗ, появляющиеся при эксцентриситете ротора (рисунок 1). Условно будем называть указанные гармоники «спектр -ой зубцовой гармоники при эксцентриситете». Наиболее выраженными являются гармоники при (основная зубцовая гармоника), , .

Рисунок 1 – Спектр первой зубцовой гармоники ПВЗ ротора опытного двигателя АИР100S4 () при эксцентриситете ротора . За единицу принята амплитуда гармоники при

На практике динамический эксцентриситет имеет небольшие значения и обусловлен технологическими погрешностями при изготовлении ротора.

При динамическом эксцентриситете возникают пульсации ПВЗ, частота которых определяется частотой вращения ротора. При числе пар полюсов появляются дробные гармоники частоты, кратной , где – частота питающей сети. При в ВЗ появляется множество гармоник поля, индуцирующих в обмотках статора ЭДС различных частот, что является выраженным признаком наличия динамического эксцентриситета.

ПВЗ при наличии только динамического эксцентриситета определяется по формуле, аналогичной ПВЗ при статическом эксцентриситете, но гармоники ПВЗ, вызванные наличием эксцентриситета ротора, вращаются с частотой, равной частоте вращения ротора.

ПВЗ при статическом и динамическом эксцентриситете:

(5)

где – направление смещения ротора относительно оси его вращения в момент времени t; – направление смещения ротора относительно оси его вращения в момент времени .

В (5) в сумме по индексу каждое слагаемое представляет собой сумму гармоник. Расчеты показали, что при динамическом эксцентриситете и условии достаточно учитывать составляющие при . При необходимо увеличивать  . Например, при необходимо брать .

Выражение для расчета гармоники поля в ВЗ с числом пар полюсов :

. (6)

Первое слагаемое в (6) представляет собой гармонику поля, вызванную основной гармоникой МДС ОС и гармоникой ПВЗ при эксцентриситете порядка . Второе слагаемое представляет собой гармонику поля, вызванную МДС реакции ротора на гармонику поля с числом пар полюсов и гармоникой ПВЗ при эксцентриситете порядка которые вместе дают гармонику поля с числом пар полюсов .

Гармоника МДС ротора является реакцией ротора на гармонику индукции и ее можно с учетом фазы рассчитать через комплексный коэффициент демпфирования гармоники поля клеткой ротора:

, (7)

где – постоянная составляющая ПВЗ при эксцентриситете; – результирующая гармоника поля в ВЗ, рассчитываемая по (6).

Из (6) и (7) видно, что результирующие гармоники поля при эксцентриситете ротора зависят друг от друга, поэтому для нахождения их величины необходимо решить систему уравнений, в которую входят уравнения (6) для каждой рассчитываемой гармоники .

В наиболее распространенном случае соединения ОС в звезду без нулевого провода токи нулевой последовательности отсутствуют, тогда по ОС могут протекать токи прямой и обратной последовательностей.

При отсутствии насыщения магнитной цепи согласно методу наложения уравнение (2) можно разложить на систему уравнений, каждое из которых содержит в левой части одну гармонику индукции. Чтобы рассчитать все гармоники поля в ВЗ при эксцентриситете с учетом их взаимного влияния необходимо решить систему уравнений вида (6), каждое из которых составлено для определенного порядка гармоники индукции .

При постоянном скольжении гармоники МДС ОР (7) линейно зависят от вызвавших их гармоник поля в ВЗ, ПВЗ зависит только от конфигурации магнитной цепи. Таким образом, уравнение вида (6), записанное для одной гармоники индукции, является линейным уравнением относительно :

(8)

Известно, что если не учитывать гармоники МДС, ПВЗ и индукции вызванные зубчатостью магнитопроводов и распределением обмоток по пазам, то в ОС будут наводиться только ЭДС частоты питающей сети, а также все зависящие от времени гармонки в (8) будут иметь одинаковую круговую частоту. На основе этого систему уравнений вида (8) можно записать в символической форме. Уравнение (8) получает вид:

(9)

Расчет гармоник индукции по заданным гармоникам МДС ОС и производится решением системы, состоящей из уравнений (9) для каждой рассчитываемой гармоники. Для нахождения токов ОС прямой и обратной последовательностей необходимо решить систему уравнений:

, (10)

где – фазные напряжения питания;

, , – суммарные ЭДС фаз от всех гармоник индукции; – ток фазы А статора; – полное сопротивление фазы А ОС.

На рисунке 2 показаны зависимости тока намагничивания от относительного эксцентриситета двигателя АИР100S4, рассчитанные по разработанной методике.

Из этого рисунка видно, что при эксцентриситете ток обратной последовательности практически отсутствует, что также хорошо согласуется с экспериментом. Опытное значение тока обратной последовательности лежит в пределах погрешности эксперимента.

Для уточнения расчета гармоник поля зубцового порядка в ВЗ, в данной работе был проведен анализ влияния различных факторов на величину этих гармоник.

Вытеснение магнитного потока по толщине листа стали. Для диагностики наиболее ценными являются гармоники поля от зубчатости ротора, т.к. они наводят в обмотках статора ЭДС повышенной частоты, отличной от частоты питания.

Расчеты показали, что отношение средней индукции в листе к индукции в поверхностном слое листа составляет при частоте гармоники  Гц. Расчеты с учетом магнитного напряжения ВЗ показали, что влияние вытеснения потока по толщине листа для гармоники первого и второго зубцового порядков ( и ) является небольшим и при снижение индукции составляет не более 10% при постоянной МДС. Однако при в зоне минимального зазора демпфирование зубцовых гармоник поля достигает 30%.

Уменьшение глубины проникновения поля в шихтованный магнитопровод, вызванное демпфированием высших гармоник поля. Однако согласно экспериментальным исследованиям Данилевича глубина переменного магнитного потока в пакет шихтованной стали практически не зависит от проникновения частоты потока при толщине листов  мм и частотах потока Гц, а зависит только от полюсного деления гармоники. Расчеты показали, что

- относительное опытное значение тока намагничивания; - расчет по известной методике с учетом гармоник поля с.54; - расчет предлагаемым способом. Рисунок 2 - Зависимости тока намагничивания от относительного эксцентриситета двигателя АИР100S4 ()

глубина проникновения зубцовых гармоник в магнитопровод составляет несколько миллиметров. При этом средняя индукция гармоники в поверхностном слое магнитопровода примерно 10% от индукции в зубце. Так как в ВЗ имеется достаточно большое количество зубцовых гармоник поля, то в сумме они могут привести к насыщению поверхностного слоя магнитопровода.

Таблица 1 – Расчетные значения погрешности коэффициента скоса относительно его номинального значения , о.е., при варьировании величины скоса для двигателя АИР100S4
		Погрешность
		±5%	±1%	±0,1%
28	-0.011	4.3	0.89	0.09
54	-0.026	1.9	0.39	0.04
-8	0.868	0.015	0.003	0.0003
14	0.630	0.052	0.010	0.0010
-12	0.719	0.036	0.007	0.0007
Примечание – Число пар полюсов гармоники означает, что гармоника вращается в ВЗ в направлении обратном основной гармонике .

При малом полюсном делении гармоники в магнитном потоке этой гармоники появляется значительная тангенциальная составляющая, в результате чего часть потока не достигает противоположного магнитопровода и не сцепляется с обмоткой статора или измерительной катушкой. Коэффициент затухания поля в ВЗ . Его значение уменьшается при увеличении порядка . Для гармоник порядка и в зоне максимального зазора при эксцентриситете ротора коэффициент затухания поля .

В большинстве АМ скос пазов ротора выбирают таким, чтобы коэффициент скоса для зубцовых гармоник был минимальным. Если величина скоса

выбрана такой, чтобы для определенной гармоники коэффициент скоса , то при погрешности выполнения скоса или погрешности его измерения возникают значительные отклонения коэффициента скоса для данной гармоники – таблица 1.

Для гармоник, имеющих , коэффициент скоса может иметь очень большую погрешность относительно своего реального значения. Такие гармоники поля нецелесообразно выбирать в качестве диагностического сигнала, так как их расчетное значение может иметь значительную погрешность.

Выводы: Разработана методика для расчета магнитного поля в ВЗ при наличии статического и динамического эксцентриситета ротора. Она позволяет рассчитать гармонический состав поля в ВЗ с учетом реакции ротора, изменения амплитуды зубцовых гармоник ПВЗ при эксцентриситете ротора.

Токи статора и ротора при несимметрии короткозамкнутой клетки ротора. При наличии в ОР оборванных стержней в ОС появляются дополнительные токи, обусловленные симметричными составляющими МДС ОР. Эти составляющие появляются при разложении МДС несимметричной клетки по методу симметричных составляющих.

Присутствие токов обратной последовательности в ОС позволяет определить существование оборванных стержней в ОР. Частота токов -ой последовательности определяется выражением: . Для токов обратной последовательности и . Таким образом частота токов обратной последовательности зависит от скольжения и равна нулю при и . При скольжении частота токов обратной последовательности равна частоте питающей сети . Это позволяет применять устройства диагностики, показания которых зависят от частоты тока.

Рисунок 3 ­– Зависимость тока прямой (сплошная линия) и обратной (прерывистая линия) последовательности статора от числа оборванных стержней двигателя АИР100S4 (2р=4, , , ). Сопротивление оборванного стержня принято , где – активное сопротивление исправного стержня

На рисунке 3 приведена расчетная зависимость токов прямой (основной ток статора) и обратной последовательности ОС от числа оборванных стержней опытного двигателя АИР100S4 (принято, что оборванные стержни расположены рядом).

Из рисунка 3 видно, что при увеличении количества оборванных стержней ток статора прямой последовательности снижается, т.к. уменьшается размагничивающее действие реакции ротора. Ток обратной последовательности с увеличением сначала возрастает, а затем начинает снижаться, имея максимум при обрыве примерно 20% стержней ротора.

На рисунке 4 представлено отношение в зависимости от числа оборванных стержней. В данной зависимости также наблюдается максимум при 23% оборванных стержней. При различных сопротивлениях стержня и небольших значениях числа оборванных стержней при одних и тех же значениях и возможно различное количество поврежденных стержней (рисунок 4) в зависимости от степени их повреждения. Поэтому для определения несимметрии ОР целесообразно исполь

зовать зави­симость тока обратной последовательности от тока прямой последовательности (рисунок 5). Повреждение стержня можно смоделировать, добавив к сопротивлению стержня добавочное активное сопротивление . Для стержня без повреждений , для оборванного стержня .

Рисунок 4 – Отношение тока обратной последовательности к току прямой последовательности в зависимости от числа оборванных стержней двигателя АИР100S4 (, ). Добавочное сопротивление оборванного стержня

Так как заранее не известно количество поврежденных стержней и степень их повреждения, то при малых значениях возможно лишь определение степени повреждения ОР , которая является некоей функцией числа поврежденных стержней и степени их повреждения . При достаточно большом количестве поврежденных стержней () возможно более точное определение количества и степени повреждения стержней.

На рисунке 6 приведены зависимости токов прямой и обратной последовательности ОС от смещения между группами оборванных стержней (в каждой группе оборванные стержни расположены рядом). Ток ОС обратной последовательности снижается практически до нуля с периодом, равным полюсному делению двигателя.

Рисунок 5 – Зависимость тока обратной последовательности от тока статора двигателя АО 41/4 (2р=4, , ). Точкой обозначены экспериментальные данные (, )

Это связано с тем, что при смещении групп оборванных стержней на половину полюсного деления основной магнитный поток двигателя максимально сцеплен с одной группой стержней и минимально с другой группой.

Рисунок 6 – Зависимость токов прямой и обратной последовательности от смещения групп оборванных стержней (двигатель АИР100S4 , , ). В каждой группе оборвано стержней

Выводы:

- Наличие в ОС токов обратной последовательности позволяет обнаружить дефекты обмотки ротора, не прибегая к разборке двигателя.

- При смещении групп оборванных стержней на угол величина токов обратной последовательности ОС стремится к нулю. Однако вероятность такого расположения поврежденных стержней должна быть достаточно низкой.

- Величина токов обратной последовательности зависит от числа и расположения поврежденных стержней, а также от степени их повреждения. Поэтому при небольшом количестве поврежденных стержней возможно определить только степень повреждения обмотки, например, при одинаковых диагностических сигналах может быть оборван один стержень или частично повреждены несколько стержней.

- Анализ токов статора и ротора при повреждении клетки ротора показал, что при этом возникает значительная амплитуда токов обратной последовательности при определенных режимах работы АД. Это позволяет проводить диагностику повреждений обмотки ротора без разборки двигателя в режиме короткого замыкания.

Третья глава посвящена исследованию способов диагностики эксцентриситета ротора и несимметрии обмотки ротора, а также получению тарировочных зависимостей диагностических сигналов для различных способов диагностики.

Способы диагностики эксцентриситета и повреждений короткозамкнутой клетки ротора основываются на гармоническом составе магнитного поля в ВЗ при наличии указанных неисправностей. Многие способы, в частности рассматриваемые здесь, позволяют осуществлять диагностику по двум типам методик:

1. 
   С помощью известной тарировочной зависимости по величине диагностического сигнала можно определить степень неисправности. Тарировочные зависимости могут быть получены расчетным или экспериментальным путем для данной модели двигателя.
   
2. 
   При неизвестной заранее зависимости диагностического сигнала от степени неисправности можно осуществлять контроль изменения состояния АД во времени. В этом случае предполагается, что в начале периода контроля машина имеет исправное состояние, либо степень неисправности лежит в допустимых пределах. Если в последующие контрольные моменты времени диагностические сигналы определенной неисправности значительно изменяются, то можно говорить о развитии данной неисправности и проводить более точную диагностику машины.
   

Диагностика эксцентриситета методом измерительных катушек.

В данном методе относительный эксцентриситет определяется по величине ЭДС, наведенной гармониками поля в измерительных катушках, расположенных на активной поверхности статора. К таким методам относятся метод измерительных катушек по H. Frohne.

Измерительные катушки рассчитаны на измерение гармоник поля порядка . Для измерения гармоник поля порядка или необходимо разместить на статоре две измерительные катушки (ИК) с шагом, равным полюсному делению соответствующей гармоники и с таким сдвигом между катушками, чтобы ЭДС от рабочей гармоники поля и гармоники, не подлежащей измерению (соответственно или ) была равна нулю.

Рисунок 7 – Зависимость ЭДС системы измерительных катушек от направления смещения ротора опытного двигателя АИР100S4

Н а рисунке 7 приведена зависимость ЭДС измерительных катушек по H. Frohne опытного двигателя АИР100S4 при различном положении катушек относительно минимального ВЗ при эксцентриситете ротора . Величина ЭДС измерительных катушек зависит от взаимного расположения оси ИК и направления смещения ротора при эксцентриситете. Эта зависимость рассчитана с учетом полного спектра гармоник поля в ВЗ.

Относительное изменение ЭДС при изменении эксцентриситета от 0 до 1 составляет 7,76 для двигателя АИР100S4 и 7,2 для двигателя АИР100S2 (рисунок 8), что позволяет говорить о достаточной чувствительности и надежности метода. Отличные от нуля значения при обусловлены наличием в ВЗ гармоник зубцового порядка и некоторой геометрической погрешностью концентричной установки ротора. Измерительные катушки уложены в пазы статора поверх клина – рисунок 9. При таком расположении необходимо учитывать распределение катушки по ширине паза.

	АИР100S4 АИР100S2
Рисунок 8 – Экспериментальные значения ЭДС измерительных катушек при фазном питающем напряжении

Расчеты показали, что коэффициент распределения по ширине паза необходимо учитывать только для гармоник поля зубцового порядка. Коэффициент существенно зависит от ширины активной части измерительной катушки. Так для гармоники при .

Диагностика эксцентриситета по величине потенциала нейтральной точки. Основным недостатком рассмотренного выше метода является необходимость разборки двигателя. В данном методе измеряется ЭДС между нейтральной точкой звезды обмотки статора и нейтральной точкой звезды резисторов, подключенной к питающим зажимам двигателя. Звезда резисторов создает искусственный нулевой потенциал, относительно которого измеряется потенциал нейтральной точки обмотки статора (рисунок 10).

Рисунок 9 – Расположение активной стороны измерительной катушки в пазу

Потенциал нейтральной точки (ПНТ) обмотки статора складывается из гармоник ЭДС обмотки статора, индуцированных соответствующими гармониками поля в ВЗ. С точки зрения диагностики относительного эксцентриситета эти гармоники можно разделить на две группы: а) «полезные» – гармоники поля, амплитуда которых увеличивается при увеличении эксцентриситета. б) «мешающие» – гармоники поля, амплитуда которых при увеличении эксцентриситета остается постоянной или уменьшается. В случае симметричных обмоток и звезды резисторов комплекс напряжения рассчитывается по формуле: . Расчеты показывают, что величина практически не зависит от сопротивления вольтметра и сопротивлений лучей звезды резисторов при условии и . Данные условия практически всегда можно соблюсти. Вместе с тем, погрешность определения потенциала нулевой точки обмотки статора в значительной степени зависит от неравенства сопротивлений звезды резисторов и фазных обмоток статора. Данная зависимость предъявляет повышенные требования к качеству изготовления устройств, использующих рассматриваемый способ диагностики.

Рисунок 10 – Схема измерения потенциала нейтральной точки ОС

Рисунок 11 – Зависимость ЭДС АИР100S4 от эксцентриситета (сплошные линии – расчет, пунктирные – эксперимент)

ЭДС обмотки статора индуцированные гармониками поля дробного порядка. Для расчета ЭДС необходимо определить, какие гармоники поля наводят ЭДС в обмотке статора. Проведем более подробный анализ, определив коэффициент распределения катушечных групп для гармоник широкого спектра. Данный коэффициент показывает, какие именно гармоники поля наводят ЭДС в обмотке статора, имеющей несколько катушечных групп.

При наличии эксцентриситета ротора и других неисправностей в воздушном зазоре возникают гармоники поля с числом пар полюсов и порядком , где – число пар полюсов основной гармоники поля, – целое число. Такие гармоники могут иметь четный и нечетный целый порядок , а в АД с числом полюсов – дробный порядок. При дробном гармоники поля не наводят ЭДС в обмотке статора. По аналогии с коэффициентом распределения обмотки по пазам получаем коэффициент распределения обмотки статора на катушечные группы:

, (11) где – число катушечных групп в обмотке статора.

В симметричных обмотках кратно , поэтому числитель в (11) всегда равен нулю. Тогда отличен от нуля, если знаменатель (11) равен нулю. В итоге получаем следующее выражение для коэффициента распределения ОС на катушечные группы: (12)

Из выражения (12) следует, что гармоники поля с дробным порядком не наводят ЭДС в обмотке статора, а для гармоник с целым порядком коэффициент распределения ОС на катушечные группы может принимать значения равные . Физически значение указывает на чточточточточточточто.

В двухполюсном двигателе (, одна катушечная группа) все гармоники имеют целый порядок и могут наводить ЭДС в обмотке статора. При эксцентриситете ротора с ростом амплитуда гармоник порядка быстро снижается. В многополюсных двигателях для основной гармоники и гармоник высокого порядка, амплитуда которых относительно мала по сравнению с основной гармоникой. Поэтому в таких двигателях ЭДС обмотки статора определяется гармоникой поля .

Для расчета тарировочных зависимостей диагностических сигналов эксцентриситета рассмотренных способов разработано программное обеспечение. Расчет поля производится на основе метода удельной магнитной проводимости ВЗ. С помощью программы получаются тарировочные зависимости для диагностики эксцентриситета ротора указанными выше способами. Имея рассчитанную тарировочную зависимость, можно по заданному диагностическому сигналу определить величину эксцентриситета ротора.

Диагностика повреждений обмотки ротора. При эксцентриситете ротора токи обратной последовательности обмотки статора имеют пренебрежимо малое значение по сравнению с токами прямой последовательности. Вместе с тем при повреждениях обмотки ротора появляются значительные токи обратной последовательности. Наличие этих токов позволяет осуществлять достаточно простой способ диагностики данной неисправности. При этом наличие тока обратной последовательности будет свидетельствовать именно о наличии повреждений обмотки ротора.

Согласно данным второй главы наиболее удобным режимом для диагностики повреждений обмотки ротора является режим короткого замыкания. В этом режиме ток обратной последовательности имеет значительную амплитуду по сравнению с режимом холостого хода. Кроме того, в режиме холостого хода ток обратной последовательности в значительной степени зависит от величины скольжения, что налагает дополнительное требование – наличие достаточно точного устройства для измерения скольжения.

Для измерения токов обратной последовательности можно применить различные устройства:

1) фильтры обратной последовательности, вырабатывающие на выходе сигнал, пропорциональный току обратной последовательности;

2) проводить непосредственные измерения токов (с учетом фазы) обмотки статора с последующей их обработкой на ЭВМ.

Первый способ позволяет получить достаточно простое устройство для диагностики. Однако основным недостатком фильтров обратной последовательности является невозможность измерения токов обратной последовательности произвольной частоты. Так как частота токов обратной последовательности зависит от скольжения, то такой фильтр можно применить только в определенном режиме работы АД.

Второй способ позволяет создать автоматизированный стенд для достаточно простой диагностики АД, а для измерения токов статора использовать аналого-цифровые преобразователи.

В четвертой главе описаны устройства для диагностики эксцентриситета и повреждений обмотки ротора. Описано разработанное устройство для диагностики эксцентриситета ротора (патент на полезную модель № 55995).

Устройство для диагностики эксцентриситета по величине потенциала нейтральной точки обмотки статора (УДЭ) предназначено для определения величины относительного эксцентриситета ротора асинхронных двигателей. Принцип действия УДЭ основан на измерении действующего значения ЭДС между нулевыми точками ОС и звезды резисторов. Эта ЭДС обусловлена высшими гармониками поля в ВЗ, амплитуда которых зависит от величины эксцентриситета. Измерение производится при холостом ходе АД или под нагрузкой.

УДЭ состоит из следующих узлов: а) блока резисторов, соединенных в звезду и подключаемых к питающим выводам и нулевой точке ОС; б) фильтра зубцовых гармоник ЭДС.

Фильтр зубцовых гармоник ЭДС (ФЗГ) предназначен для выделения из общего сигнала отдельных гармоник, обладающих наиболее выраженной зависимостью от эксцентриситета. ФЗГ имеет девять полос пропускания, охватывающих частоты 1000÷4500 Гц. Максимальный уровень входного сигнала 50 В в положении делителя 1:10. Шумовой сигнал на выходе фильтра, не более 5 мВ.

Фильтр состоит из трех каскадов, собранных по схеме активного полосового фильтра с двумя операционными усилителями. Используемая схема полосового фильтра позволяет производить настройку коэффициента передачи, центральной частоты и добротности передаточной характеристики, что облегчает настройку фильтра. Каскады ФЗГ соединены последовательно для получения плоской амплитудно-частотной характеристики фильтра в полосе пропускания.

Устройство на базе заложенных измерительных катушек. Измерительные катушки предназначены для определения магнитного потока, проходящего через ВЗ в некоторой области окружности статора. Измерительные катушки позволяют также проводить измерение определенных гармоник поля в ВЗ для экспериментальной проверки разработанной методики. Измерительные катушки устанавливаются в пазах статора (рисунок 9), их концы выведены в коробку выводов АД.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
На основе исследований асинхронной машины с эксцентриситетом ротора и повреждениями обмотки ротора получены следующие результаты:

1. 
   Разработана методика, которая может быть применена для расчета магнитного поля в воздушном зазоре АД при эксцентриситете ротора и расчета диагностических сигналов для измерения величины эксцентриситета. Методика учитывает изменение амплитуды зубцовых гармоник ПВЗ при эксцентриситете, позволяет производить расчет поля в воздушном зазоре при наличии одновременно статического и динамического эксцентриситета. Установлено, что для получения приемлемой точности расчета поля в воздушном зазоре при эксцентрисите необходимо учитывать не менее 10 гармоник проводимости воздушного зазора.
   
2. 
   Разработана методика расчета магнитного поля в воздушном зазоре с учетом реакции ротора на все гармоники поля в воздушном зазоре. Данная методика позволила значительно повысить точность расчета тока намагничивания при эксцентриситете ротора;
   
3. 
   На основе созданной методики разработано программное обеспечение для расчета магнитного поля в воздушном зазоре при статическом и динамическом эксцентриситете ротора. Программное обеспечение позволяет рассчитывать полный гармонический спектр индукции в воздушном зазоре двигателя и на основе его тарировочные зависимости диагностических сигналов различных устройств диагностики.
   
4. 
   Разработано и изготовлено устройство для диагностики относительного эксцентриситета ротора асинхронных двигателей по разности потенциалов нейтральных точек обмотки статора и звезды резисторов. Устройство позволяет проводить измерение указанной разности потенциалов в нескольких частотных диапазонах, что позволяет повысить точность диагностики и исключить мешающие сигналы. На разработанное устройство получен патент на полезную модель.
   
5. 
   Опытный образец устройства для диагностики эксцентриситета ротора, изготовленный в рамках договора «Диагностика относительного эксцентриситета ротора асинхронных двигателей», передан для пробной эксплуатации на Каргалинскую ТЭЦ Оренбургской области;
   
6. 
   Разработан способ диагностики повреждений короткозамкнутой клетки ротора без разборки двигателя, основанный на измерении токов обратной последовательности ОС при заторможенном роторе. Данный способ позволяет оценить степень повреждения обмотки ротора, то есть степень повреждения и количество поврежденных стержней.
   

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

- из списка ВАК:

1. 
   Сурков, Д.В. Освоение и оценка методов электромагнитной диагностики эксцентриситета ротора асинхронных двигателей [Текст] / Н.Г. Никиян, Д.В. Сурков // Вестник ОГУ.– 2005.– №2.– С.163-166.
   
2. 
   Сурков, Д.В. Экспериментальная установка для исследования диагностических сигналов при эксцентриситете ротора [Текст] / Д.В. Сурков // Вестник ОГУ, 2006.– №13.– С.102..
   

- остальные:

3. 
   Сурков, Д.В. Электромагнитная диагностика эксцентриситета ротора асинхронных двигателей [Текст] / Д.В. Сурков // Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области. Часть 2. Оренбург, РИК ГОУ ОГУ, 2004. – С.87-88.
   
4. 
   Сурков, Д.В. Экспериментальное исследование способов диагностики эксцентриситета ротора асинхронных двигателей [Текст] / Н.Г. Никиян, Д.В. Сурков // «Модернизация образования: проблемы, поиски, решения». Материалы всероссийской научно-практической конференции. В 2-х частях. Ч. 1. – Оренбург: РИК ГОУ ОГУ, 2004. – С.300.
   
5. 
   Сурков, Д.В. Возможность получения диагностической информации с помощью гармонических составляющих магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя [Текст] / Д.В. Сурков // Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области. Часть 2. – Оренбург, ИПК ГОУ ОГУ, –2005.– С.218-219.
   
6. 
   Сурков, Д.В. Уточнение методики расчета тарировочных зависимостей для диагностики эксцентриситета ротора асинхронных двигателей [Текст] / Н.Г. Никиян, Д.В. Сурков // «Энергосбережение, электрооборудование, электроника». Материалы Всероссийской научно-технической конференции. – Оренбург: ОГУ. – 2005. – С.57-60.
   
7. 
   Сурков Д.В. Исследование возможности диагностики несимметрии клетки ротора асинхронных двигателей [Текст] / Н.Г. Никиян, Д.В. Сурков // «Элекромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы»: труды III Международной научно-технической конференции / Екатеринбург: УГТУ-УПИ. – 2007. – С.186-189.
   
8. 
   Сурков Д.В. Методика расчета магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя при статическом эксцентриситете ротора [Текст] / Н.Г. Никиян, Д.В. Сурков // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» – Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2007. – С.191-200.
   
9. 
   Пат. 55995 Российская Федерация, МПК⁷ G 01 R 31/34. Устройство для диагностики относительного эксцентриситета ротора асинхронных двигателей [Текст] / Никиян Н.Г., Сурков Д.В.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет». – №2004137249/28; заявл. 20.12.2004 ; опубл. 27.08.2006, Бюл. № 24 (II ч.). – 3 с.: ил.
   

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах написанных в соавторстве автору принадлежит разработка математических моделей [1, 4, 7, 8], расчетная часть [1, 7, 8], экспериментальная часть [1, 4, 6-9].

Разрешено к печати диссертационным советом Д 212.217.04. Протокол №7 от 13 мая 2008 г.