УДК 620.179
ДИАГНОСТИКА ОБРЫВОВ СТЕРЖНЕЙ ОБМОТКИ РОТОРА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ТОКА СТАТОРА
А.Н. Назарычев, А.А. Скоробогатов, Е.М. Новоселов
Рассмотрена актуальная проблема контроля целостности стержней обмотки ротора электродвигателей. Дана оценка существующих методов выявления обрыва стержней и предложен альтернативный метод, основанный на анализе тока статора.
Ключевые слова: диагностика, обрыв стержней, контроль целостности стержней, обмотка ротора, асинхронный электродвигатель, спектральная плотность мощности.
В настоящее время в быту и в промышленности используется огромное количество электродвигателей, основная масса которых является асинхронными. Асинхронный двигатель (АД) — достаточно надежное и простое по конструкции устройство. Однако ввиду того, что данный тип двигателей распространен повсеместно и используется очень широко, то нередки случаи отказов.
Как показывает практика, у АД, которые эксплуатируются с тяжелыми условиями пуска, часто бывают отказы, вызванные повреждением обмотки ротора, которую иногда называют "беличья клетка". На начальной стадии обрыв стержней ротора незначительно сказывается на эксплуатационных характеристиках электродвигателя и может быть обнаружен не сразу. При обрыве стержня нагрузка перераспределяется на здоровые проводники. Основная нагрузка ложится на стержни, соседствующие с оборванным. Таким образом, обрыв одного проводника чаще всего приводит к повреждению и других стержней. Со временем оборванный стержень может отогнуться и повредить обмотку статора, что приведет к фатальным последствиям для двигателя.
В качестве реального примера последствий обрыва стержней обмотки ротора далее представлено подробное описание отказа двигателя молотковой дробилки АНЗ-4-16-45-10 мощностью 1200 кВт на одной из ТЭЦ города Иваново, где подобная проблема носит систематический характер.
В ходе осмотра машины было установлено следующее:
оборваны четыре стержня "беличьей клетки" ротора (два стержня — в месте впайки в короткозамыкающее кольцо со стороны свободного конца вала, сломаны зубцы полузакрытых пазов этих стержней на 1/2 длины сердечника; два стержня — с двух сторон в месте впайки в корот-козамыкающие кольца, сломаны зубцы полузакрытых пазов данных стержней на 2/3 длины сердечника (рис. 1));
зубцы первого полузакрытого паза сломаны на 1/2 длины сердечника, по остальной длине паза зубцы выгнуты в сторону воздушного зазора;
Александр Николаевич Назарычев, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой "Электрические станции, подстанции и диагностика электрооборудования" Ивановского государственного энергетического университета. Тел. (4932) 38-57-94. E-mail: www.nazarythev@mail.ru
Андрей Александрович Скоробогатов, канд. техн. наук, доцент кафедры "Электрические станции, подстанции и диагностика электрооборудования" Ивановского государственного энергетического университета. Тел. (4932) 38-57-94. E-mail: www.aaskor@yan-dex.ru
Евгений Михайлович Новоселов, аспирант, инженер кафедры "Электрические станции, подстанции и диагностика электрооборудования" Ивановского государственного энергетического университета. Тел. (4932) 38-57-94. E-mail: www.captain.udgin@gmail.com
повреждена изоляция внутренней стороны лобовых частей обмотки статора в месте выхода из пазов по всей окружности со стороны механизма (рис. 2);
Рис. 1. Фотография обмотки ротора в месте повреждения.
выгорела изоляция трех секций в верхней части обмотки статора в месте выхода обмотки из пазов;
на стержнях трех верхних секций имеются следы короткого замыкания;
Рис. 2. Фотография поврежденной обмотки статора.
лобовая часть одной секции обмотки статора сильно погнута в месте выхода из паза в сторону направления вращения ротора.
На основании выясненных при расследовании фактов установлено:
повреждение изоляции лобовых частей обмотки статора электродвигателя произошло вследствие обрыва стержня "беличьей клетки" ротора и задевания его за обмотку статора;
обрыв стержней произошел в результате больших динамических усилий, возникающих при пуске электродвигателя молотковой дробилки.
При стоимости самого двигателя порядка 3,5 млн руб. стоимость ремонта составила около 800 тыс. руб. В случае своевременного обнаружения обрыва потребовался бы только небольшой ремонт обмотки ротора силами самого предприятия.
Существуют различные способы защиты электродвигателей. В настоящее время получили распространение защиты, реагирующие на изменение тока (токовые) — это предохранители и токовые реле, а также на изменение температуры (температурные). Однако все эти средства не способны выявить повреждения обмотки ротора на работающей машине.
Существующие методы проверки исправности стержней ротора АД основаны на фиксации пульсаций основной гармоники в пусковом токе двигателя [1] или в токе продолжительного режима работы [2], либо пульсаций третьей гармоники фазного тока статора в продолжительном режиме работы [3]. Обнаружение неисправности по данным диагностическим признакам малоэффективно из-за их слабого проявления и возможности влияния внешних помех, поэтому выявление наиболее информативных диагностических признаков, характеризующих данные повреждения, на работающем двигателе является актуальной задачей.
Было проведено исследование влияния обрывов стержней короткоза-мкнутой обмотки ротора АД в продолжительном режиме на гармонический состав тока статора с целью определения временных гармоник фазного тока, резко изменяющих свою амплитуду при появлении оборванного стержня.
Обрыв стержня клетки ротора вне зависимости от полюсности машины приводит к перераспределению тока по стержням. Новое распределение тока, согласно [4, 5], можно представить в виде суммы первоначального тока (при отсутствии обрыва стержня) и фиктивного тока от оборванного стержня, причем в оборванном стержне фиктивный ток равен и противонаправлен первоначальному, что обеспечивает равенство нулю тока в оборванном стержне. Из сказанного следует, что любую реальную обмотку ротора (РОР) с поврежденными стержнями можно заменить двумя обмотками. Одна из них является исправной обмоткой ротора (ИОР), другая — фиктивной обмоткой ротора (ФОР), в которой по оборванным стержням протекают рассмотренные выше фиктивные токи, далее замыкающиеся по исправным стержням. В [5] было установлено, что ФОР является генератором гармоник, которые несут в себе информацию о состоянии стержней обмотки ротора.
В [6] получена общая формула, определяющая величины частот энергетического спектра магнитного поля от ФОР при любом числе оборванных стержней и расположении их по отношению друг к другу. Формула имеет вид
(1 - \
■> фор ->с п
V у У
где V = 1, 2, 3, ... — порядок пространственной гармоники, генерируемой ФОР /с — частота сети; 5 — скольжение; р — число пар полюсов.
Каждому порядку гармоник энергетического спектра диагностического сигнала, генерируемого токами ФОР, принадлежат две гармоники, значения которых отличаются на величину А/(Л,). Этот параметр прямо пропорционален скольжению, от других величин он не зависит. Зависимость А/ (^(5) выглядит следующим образом:
Можно предположить, что гармоники ФОР проявляются не только в магнитном поле воздушного зазора двигателя, но и в токе статора. Процесс появления в токе статора частот, отличных от 50 Гц, при обрывах стержней обмотки ротора представлен на рис. 3.
Рис. 3. Генерация в сеть асинхронным двигателем с обмоткой ротора, имеющей оборванные стержни, токов, вызванных токами ФОР (ОС — обмотка
статора).
Асинхронный двигатель, подключенный к сети, заменяется ФОР и обмоткой статора, при этом ФОР является генератором гармоник, которые описываются формулой (1). Обмотка статора при магнитной и электрической симметрии машины для этих частот является фильтром, который пропускает только гармоники, порядок которых удовлетворяет условию
Можно предположить, что наиболее выраженными при повреждении "беличьей клетки" будут гармоники, генерируемые ФОР, имеющие порядки, удовлетворяющие условию (3), поэтому данные гармоники являются наиболее пригодными для контроля наличия оборванных стержней. Для доказательства данного предположения было проведено испытание АД мощностью 250 Вт, обмотка ротора которого имела девятнадцать стержней. С трансформатора тока, установленного в фазе обмотки статора АД, снимали сигнал при различной нагрузке на валу машины. Было проведено две группы экспериментов: в первой группе обмотка ротора являлась исправной, а во второй она имела два оборванных стержня с номерами 1 и 5. Обрыв моделировали путем высверливания стержня в середине его длины. Так как обработка аналоговых сигналов является более сложной задачей, чем обработка цифровых, то в стенде применялся АЦП в виде платы Ь-780. Сигналы от трансформаторов тока подавались на АЦП, далее преобразовывались в цифровой код. Обработку и вывод информации производил компьютер с помощью программного пакета МАТЬАБ. Зарегистрированные с трансформаторов тока сигналы подвергали обработке, в результате которой определяли их спектральные плотности мощности
А/М = 2 • /с • 5.
(2)
V = 6 • с ± 1, с = 0, 1, 2, ...
(3)
(СПМ).
На рис. 4—11 приведены графики СПМ тока статора испытываемого АД, снятые при различных нагрузках на валу машины.
а
Ш, о.е. ~1017
15 10 5 0
/(5) /нас —1- - - — / / (Л}'" нас
1-1-1—. - - - -1
. Л5пг). /ФОР
=ь
• ¡/нас.....
ш
■ >(5п+)-/ФОР
/ФОР
■
/ФОР
=Ь
=ь
=ь
1
/н(а7с) нас
=ь
=ь
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
/, Гц
Рис. 4. СПМ тока статора АД на отрезке от 200 до 400 Гц при нагрузке 0:
а — обмотка ротора исправна; б — обмотка ротора имеет два оборванных стержня (< 1 и < 5).
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:
при обрывах проводников гармоники, порядок которых удовлетворяет условию (3) (рассматривались только гармоники пятого, седьмого,
а
Ш, о.е. х1016
/ (6) /нас
-г
/н(а7с)
8
6
4
2
0 500
520
540 560 580 600 620 640 660 680 700
/, Гц
Рис. 5. СПМ тока статора АД на отрезке от 500 до 700 Гц при нагрузке 0:
а — обмотка ротора исправна; б — обмотка рот
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.