Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности работы и методы диагностики асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок 14
1.1. Парк асинхронных двигателей 14
1.2. Эксплуатационные особенности работы асинхронных двигателей 17
1.3. Аварийные режимы работы 21
1.4. Методы диагностического контроля технического состояния сельскохозяйственных машин 23
2. Общие вопросы теории асимметричных асинхронных двигателей сельскохозяйственного назначения 32
2.1. Классификация асимметричных электрических машин 32
2.2. Моделирование асимметричных сельскохозяйственных машин .36
2.3. Основные методы теоретического исследования асинхронных машин сельскохозяйственных электроустановок 39
2.4. Метод эллиптических составляющих 56
3. Определение диагностических параметров 83
3.1. Постановка задачи исследования 83
3.2. Эллиптические составляющие токов асимметричной клетки ротора сельскохозяйственного электродвигателя 85
3.3. Гармонический состав МДС асимметричной клетки 98
3.4. Определение диагностических параметров 101
4. Определение допустимой степени несимметрии асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок 105
4.1. Метод определения номинальной мощности 105
4.2. Экспериментальная проверка адекватности модели 112
4.3. Практические рекомендации 120
4.4. Метод диагностики клеток роторов асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок 122
5. Экономическая эффективность применения метода оценки номинальной мощности 130
Заключение 135
Литература 139
Приложение 151
- Эксплуатационные особенности работы асинхронных двигателей
- Моделирование асимметричных сельскохозяйственных машин
- Эллиптические составляющие токов асимметричной клетки ротора сельскохозяйственного электродвигателя
- Экспериментальная проверка адекватности модели
Введение к работе
Актуальность темы. Сельскохозяйственные машины с асинхронными электродвигателями характеризуются различными условиями работы, которые сказываются на эксплуатационной надежности электродвигателей. Условия работы большого числа электродвигателей в сельском хозяйстве являются тяжелыми из-за воздействия целого ряда внешних факторов: воздействие окружающей среды; факторы электроснабжения; эксплуатационные факторы; воздействия со стороны рабочих машин; факторы эксплуатационного обслуживания [1].
Из-за неблагоприятных условий аварийность электродвигателей в сельском хозяйстве достаточно высока. Различные неисправности, возникающие в электрических машинах, приводят к внезапным отказам в работе и нарушениям сложных и ответственных технологических процессов, в результате которых народному хозяйству наносятся огромные материальные и моральные ущербы.
Очевидно, что неисправности в электрических машинах, используемых в сельском хозяйстве^ не всегда наступают внезапно и возникновение их сопровождается определенными изменениями в процессах функционирования. Наличие эффективных методов диагностического контроля позволит путем целенаправленных действий по выявлению и исследованию информативных параметров, изменение которых может быть связано с возникновением определенных неисправностей, в заданный момент времени оценить техническое состояние сельскохозяйственной машины и заблаговременно обнаружить неисправности.
Результаты диагностического контроля сельскохозяйственных машин и механизмов могут служить основанием для принятия решений о
дальнейшем использовании машины, определения характера ее предстоящего ремонта или технического обслуживания. На их основе могут быть разработаны диагностические процедуры и тесты, а также построены системы контроля неисправностей машины в процессе работы.
Главная трудность в решении данной актуальной проблемы заключается в том, что пока недостаточно исследованы отдельные неисправности электрических машин, используемых в сельском хозяйстве, и не определены специальные диагностические параметры, характеризующие изменение процессов функционирования при возникновении соответствующих неисправностей.
Практика эксплуатации асинхронных машин сельскохозяйственных электроустановок показывает, что одной из наиболее часто встречающихся и трудно поддающихся контролю неисправностей является асимметрия обмотки ротора, вызванная обрывом стержня беличьей клетки короткозамкнутого ротора. При изготовлении ротора с литой клеткой возможны раковины в стержнях и короткозамыкающих кольцах, в сборной клетке возможна слабая пайка стержней к кольцу, либо низкое качество пайки кольца. В эксплуатации при тяжелых условиях пуска возможны разрывы в клетке ротора из-за температурных деформаций. Таким образом, вероятность появления в эксплуатации асинхронных двигателей с нарушениями в короткозамкнутой клетке ротора достаточно высока.
Разработано несколько способов и средств для диагностического контроля обрыва стерлшя короткозамкнутого ротора. Однако они не нашли широкого применения из-за сложности реализации, низкой чувствительности и других существенных недостатков. Общим недостатком практически всех существующих способов диагностического контроля является малоэффективность и непригодность к применению их на работающих машинах.
Эти причины делают актуальным решение задачи по определению специальных диагностических параметров, особенно из числа высших гармонических составляющих, на основе которых можно было бы разработать эффективные способы и средства контроля, позволяющие получать диагностирующую информацию для оценки технического состояния и предупреждения о возникновении неисправностей в процессе функционирования сельскохозяйственной машины.
В настоящее время в сочетании с такими методами, как комплексный, метод симметричных составляющих, метод преобразования координат создан ряд моделей, пригодных для решения задачи по определению специальных диагностических параметров из числа высших гармонических составляющих. В качестве основных можно назвать метод наложения, разработанный К.С. Демирчяном и И.З. Богуславским [3], метод унифицированных элементарных переменных - Е.И. Ефименко [4], метод суммарных комплексных ампер-витков - А.И. Адаменко [5].
Существующие методы, как правило, базируются на непрерывных
функциях, описывающих установившееся пространственное
распределение электромагнитного поля. Такие функции имеют бесконечный спектр, что придает математическому аппарату громоздкость и лишает метод физической наглядности. Таким образом, модели, использующие непрерывные функции, приобретают ярко выраженный расчетный характер, что затрудняет теоретическое исследование объекта в установившихся и переходных состояниях.
Развитием этих методов является метод моделирования, названный «методом эллиптических составляющих» [6]. Метод органично включает в себя методы гармонического анализа и симметричных составляющих, что придает ему большую физическую наглядность. В методе эллиптических составляющих реализована идея использования дискретных функций,
имеющих конечный спектр, что позволяет радикально уменьшить количество переменных модели и облегчает теоретическое исследование объекта в установившихся и переходных состояниях.
В отличие от существующих моделей, метод эллиптических составляющих естественно разделяет математические переменные по физическому принципу и ставит им в соответствие наглядные физические образы - эллиптичные волны. Он позволяет связать внутреннюю асимметрию обмотки с её внешними проявлениями: асимметрией фазных напряжений и токов, генерацией ЭДС дополнительных частот и прочими. В этом отношении метод перспективен для создания теоретических моделей асимметричных сельскохозяйственных машин и разработки эффективных способов и средств диагностического контроля технического состояния электродвигателей сельскохозяйственных электроустановок.
При обрыве стержня беличьей клетки короткозамкнутого ротора в
той или иной степени нарушается симметричность и синусоидальность
токов в фазах, происходит снижение энергетических показателей и
ухудшение рабочих характеристик, возникают вибрации и изменение
шума и так далее. Поэтому актуально расчетным путем уметь
предопределять параметры и характеристики асинхронных машин
сельскохозяйственного назначения с дефектами в клетке
короткозамкнутого ротора. Это дает возможность установить те предельные величины, при которых сельскохозяйственная асинхронная машина с нарушениями целостности клетки ротора может эксплуатироваться в дальнейшем.
Далеко не все сельскохозяйственные предприятия в настоящее время в состоянии заменить асинхронные машины с дефектами короткозамкнутой клетки ротора на новые, полноценные. Поэтому возникает необходимость оставлять в эксплуатации асинхронные машины
с нарушениями целостности клетки ротора, понизив при этом полезную мощность. Эти причины делают актуальным решение задачи по определению допустимой степени несимметрии асинхронного двигателя с дефектами клетки короткозамкнутого ротора с целью использования остаточного ресурса сельскохозяйственной машины.
Объектами диссертационной работы являются асинхронные двигатели сельскохозяйственных электроустановок с произвольной асимметрией стержней клетки короткозамкнутого ротора.
Целью работы является
развитие научных основ диагностики несимметричных клеток роторов асинхронных двигателей используемых в сельском хозяйстве.
разработка метода определения допустимой степени несимметрии сельскохозяйственной асинхронной машины с нарушениями целостности клетки короткозамкнутого ротора.
В рамках заявленных целей были поставлены следующие задачи работы.
Разработка математической модели асимметричной клетки короткозамкнутого ротора сельскохозяйственной асинхронной машины.
Выявление качественных отличий спектров МДС симметричных и асимметричных клеток и определение информативных диагностических параметров из числа высших гармонических составляющих для разработки на их основе эффективных методов диагностики сельскохозяйственных машин с асинхронными электродвигателями.
Разработка метода ремонтной диагностики несимметричных клеток роторов АД сельскохозяйственного назначения.
Определение номинальной мощности сельскохозяйственной асинхронной машины с дефектами стержней клетки ротора.
Проведение экспериментальных исследований для проверки адекватности результатов теоретических расчетов, выполненных на базе предложенного метода оценки снижения номинальной мощности.
Экономическая оценка эффективности предложенных решений по определению допустимой степени несимметрии асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок.
Результаты решения этих задач дают возможность сформулировать положения, выносимые автором на защиту.
Результаты исследований основных и дополнительных спектров эллиптических составляющих токов асимметричных клеток роторов асинхронных электродвигателей.
Метод оценки снижения номинальной мощности сельскохозяйственного асинхронного двигателя с нарушениями целостности клетки короткозамкнутого ротора.
Метод ремонтной диагностики несимметричных клеток роторов асинхронных двигателей сельскохозяйственного назначения.
Результаты исследований снижения номинальной мощности в зависимости от числа поврежденных стержней для асинхронных двигателей с различным числом пазов и числом пар полюсов.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Определен весь спектральный набор эллиптических составляющих токов. Показано, что четные спектры отражаются на увеличении дифференциального рассеяния, нечетные - на изменении тока обмотки статора.
Установлены зависимости основного и дополнительных спектров эллиптических составляющих и степени их эллиптичности от вида асимметрии фаз клетки асинхронного электродвигателя.
Определены информативные диагностические параметры из числа высших гармонических составляющих для разработки на их основе эффективных методов диагностики сельскохозяйственных машин с асинхронными электродвигателями.
Выявлены зависимости снижения номинальной мощности асинхронного двигателя, от вида асимметрии фаз клетки через спектр эллиптических составляющих и степень их эллиптичности.
Предложен метод оценки снижения номинальной мощности асинхронного двигателя при произвольной асимметрии фаз клетки, не включающий в себя этап расчета рабочих характеристик.
Практическая ценность. Изменение состава эллиптических составляющих и поведение их векторов на комплексной плоскости являются диагностическими параметрами, на основе которых разработан метод проведения ремонтной диагностики клетки короткозамкнутого ротора асинхронных машин сельскохозяйственного назначения, позволяющий сделать заключение о работоспособности клетки ротора.
Предложенный метод оценки снижения номинальной мощности дает возможность расчетным путем установить те предельные величины, при которых сельскохозяйственная асинхронная машина с дефектами клетки короткозамкнутого ротора может эксплуатироваться в дальнейшем. Полученные обобщенные зависимости снижения номинальной мощности позволяют без предварительного этапа расчета рабочих характеристик определить снижение номинальной мощности асинхронного двигателя с нарушениями целостности клетки ротора.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «Сафоновский электромашиностроительный завод» при проведении опытных разработок и натурных испытаний; ОАО «Смоленское ремонтно-техническое предприятие» для определения
допустимой степени несимметрии асинхронного двигателя, при которой сельскохозяйственные асинхронные машины с нарушениями целостности клетки ротора могут эксплуатироваться в дальнейшем; ООО «Ремонтно-механический участок» для определения величины номинальной мощности асинхронного двигателя с дефектами клетки короткозамкнутого ротора, с целью использования остаточного ресурса асинхронной машины.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на молодежной научно - технической конференции технических вузов центральной России (Брянск, 2000 г.), седьмой международной научно - технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001 г.), молодежной научно - технической конференции технических вузов центральной России (Брянск, 2001 г.), научно - технической конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии. Энергетика. Экономика и менеджмент» (Смоленск, 2001 г.), научной конференции РГАЗУ «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства» (Москва, 2004 г.).
Публикации. Содержание работы отражено в і 0 научных публикациях. В их числе 1 статья в рецензируемом научном журнале, 2 публикации в материалах конференций, совещаний и симпозиумов, имевших статус всесоюзных и международных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объём работы составляет 154 страницы; она содержит 62 рисунка, 9 таблиц и 106 наименований списка литературы на 12 страницах.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность результатов работы, приводятся данные о
реализации и апробации полученных результатов исследований, перечислены основные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ особенностей работы асинхронных двигателей сельскохозяйственных электроустановок, который показал, что из-за неблагоприятных условий аварийность электродвигателей в сельском хозяйстве достигает 30%. Проведен обзор методов диагностического контроля технического состояния сельскохозяйственных машин, по результатам которого делается вывод об актуальности решения задачи по определению специальных диагностических параметров из числа высших гармонических составляющих, на основе которых можно было бы разработать эффективные способы контроля.
Во второй главе проведен обзор основных методов, пригодных для решения задачи по определению специальных диагностических параметров из числа высших гармонических составляющих и показана целесообразность применения метода эллиптических составляющих для разработки способов и средств диагностического контроля технического состояния электродвигателей сельскохозяйственных электроустановок. Детализируется математическая модель асимметричной клетки короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя, являющаяся базой для расчета токов клетки и их эллиптических составляющих.
В третьей главе диссертации представлены результаты исследований по определению спектра эллиптических составляющих токов и гармонического состава МДС асимметричной клетки ротора асинхронного электродвигателя. Показано, что метод эллиптических составляющих позволяет заменить без потери информации анализ бесконечного спектра МДС обмотки на анализ ограниченного спектра эллиптических составляющих ее токов. Выявлены зависимости спектров эллиптических составляющих и степени их эллиптичности от вида
асимметрии фаз клетки. Показано, что изменение состава эллиптических составляющих и поведение их векторов на комплексной плоскости могут служить диагностическими параметрами, для разработки на их основе эффективных способов и средства контроля технического состояния сельскохозяйственных машин.
В четвертой главе представлены результаты исследований по определению допустимой степени несимметрии сельскохозяйственного асинхронного двигателя с нарушениями целостности клетки короткозамкнутого ротора. С целью использования остаточного ресурса асинхронной машины с дефектами клетки ротора, предложен метод оценки снижения номинальной мощности асинхронного двигателя при произвольной асимметрии фаз клетки, не включающий в себя этап расчета рабочих характеристик. Получены обобщенные зависимости снижения номинальной мощности от числа поврежденных стержней для асинхронных двигателей с различным числом пазов и числом пар полюсов. Предложен метод проведения ремонтной диагностики беличьей клетки короткозамкнутого ротора асинхронных машин сельскохозяйственного назначения, позволяющий сделать заключение о работоспособности клетки ротора.
В пятой главе определена эффективность применения разработанного метода оценки номинальной мощности. Результаты экономического расчета показывают, что экономический эффект от применения метода за счет использования остаточного ресурса асинхронной машины с дефектами клетки ротора может составить от 45 до 482 д.е. в год для электродвигателя, применяемого в животноводстве; от 699 до 1030 д.е. - в подсобных помещениях.
Эксплуатационные особенности работы асинхронных двигателей
Сельскохозяйственные машины с асинхронными электродвигателями характеризуются различными условиями работы, которые сказываются на эксплуатационной надежности электродвигателей. Условия работы большого числа электродвигателей в сельском хозяйстве считаются тяжелыми из-за воздействия целого ряда внешних факторов: воздействие окружающей среды; факторы электроснабжения; эксплуатационные факторы; воздействие со стороны рабочих машин и механизмов; факторы эксплуатационного обслуживания. Воздействие окружающей среды. Специфичность окружающей среды обусловлена: присутствием агрессивных газов в животноводческих помещениях (аммиака, углекислого газа, сероводорода); резкими суточными и сезонными перепадами температуры для электродвигателей работающих на открытом воздухе (установки водоснабжения, котельные, зерносушилки и др.); повышенной влажностью воздуха при работе электродвигателей в животноводческих помещениях, цехах по переработке плодов и овощей; запыленностью в помещениях для обработки зерна, на мельницах, в комбикормовых цехах.
Присутствие агрессивных газов, перепады температур, высокая влажность отрицательно сказываются на изоляции электродвигателей (уменьшается сопротивление изоляции и ее электрическая прочность). Высокая запыленность помещений ухудшает охлаждение электродвигателя, так как забиваются вентиляционные отверстия. Особо неблагоприятно действие нескольких факторов одновременно.
Факторы электроснабжения. Неблагоприятное воздействие при эксплуатации электродвигателей оказывает колебание питающего напряжения. Из-за длинных линий электропередачи и недостаточного сечения проводов нередко отклонение питающего напряжения за пределы установленные ГОСТ 13109-97. Снижение напряжения приводит к уменьшению момента, развиваемого двигателем, что неблагоприятно для механизмов с тяжелыми условиями пуска (молочные сепараторы, лесопильные рамы, приводы сенных прессов и т.д.). Кроме того, в сельских электрических сетях наблюдается неравномерная нагрузка по фазам, что вызывает несимметрию питающих напряжений. Все это приводит к тепловым перегрузкам электродвигателя.
Эксплуатационные факторы. К эксплуатационным факторам, воздействующим на работу асинхронных двигателей, относятся продолжительность работы двигателей в течение года, характер загрузки по мощности, эксплуатационные и аварийные режимы работы. Статистические данные свидетельствуют, что уровни использования электродвигателей достаточно разнообразны [10,21]. Отдельные из двигателей нагружены всего на 10%, а некоторые перегружены на 5-15%. Самую высокую среднюю нагрузку имеют электродвигатели, используемые в животноводстве, а наименьшую - в подсобных помещениях. Нагрузки электродвигателей обычно не согласованы с условиями применения, т.е. электроприводы комплектуются не оптимально. Низкий уровень использования мощности электродвигателей в растениеводстве обусловлен недогрузкой двигателей малой мощности.
В среднем количество электродвигателей в животноводстве составляет 43%, в растениеводстве - 17%, в мастерских и на ремонтных участках - 30%, на прочих участках - 10% [11]. По другим данным [20] количество электродвигателей в- животноводстве - 50,4%, в растениеводстве - 24,2%, в мастерских и на ремонтных участках - 25,4% (рис. 1.1). Для сельского хозяйства характерными являются сезонная исуточная неравномерность работ, что резко ограничивает занятостьэлектродвигателей. Коэффициент сезонности при использованиидвигателей в животноводстве составляет 0,7; растениеводстве - 0,3;подсобных предприятий 0,9. Сезонная неавномерностьсельскохозяйственных работ и занятости электродвигателей в течение года приводит к тому, что большую часть календарного времени электродвигатели простаивают. В это время они хранятся без консервантов, непосредственно на рабочих машинах.
Суточная продолжительность работы составляет 1,5 - 2,0 часа у 50% двигателей; 4,0 - 5,0 часов у 30%; 8,0 - 14,0 часов у 20%) (рис. 1.2).
Воздействие со стороны рабочих машин. Особенности работы асинхронных двигателей в сельском хозяйстве также связаны с характером воздействия со стороны рабочих машин и механизмов [20]. Переменная и случайного характера нагрузка вызывает постоянные электромагнитные, электромеханические и тепловые переходные процессы в асинхронных двигателях, которые оказывают отрицательное влияние на их эксплуатационную надежность. На работе электродвигателей сказывается также несовершенство рабочих машин и механизмов, связанное с отсутствием средств автоматизации и контроля над нагрузкой, что ведет к перегрузкам двигателей, затяжным пускам, к работе в режиме опрокидывания. Ряд механизмов часто включаются под нагрузкой, зимой из-за смерзания подвижных частей рабочих машин возможно заклинивание ротора электродвигателя при пуске. Ненормальная работа электродвигателей имеет место при неудачной конструкции и неисправностях со стороны рабочих машин и механизмов (перекосы, износы трущихся частей, ухудшение смазки и др.). Перечисленные причины приводят к отказам электродвигателей ранее нормативного срока. Факторы эксплуатации}шого обслуживания. Большое значение для нормальной работы электродвигателей в сельском хозяйстве имеет уровень технического обслуживания. Недостаточная квалификация обслуживающего персонала, территориальная разбросанность объектов обслуживания, отсутствие достаточного количества запасных частей, нарушение сроков проведения технического обслуживания оказывают отрицательное влияние на эксплуатационную надежность асинхронных электродвигателей.
Моделирование асимметричных сельскохозяйственных машин
Современный этап развития теории электрических машин характеризуется разработкой специальных моделей, ориентированных на применение численных методов и вычислительной техники. Возросшие вычислительные возможности позволяют применять такие математические модели, которые учитывают все существенные особенности реальных конструкций, электромагнитного состояния материалов, поведения электрических машин при автономной работе и при работе в системах. Важное значение приобретают методы рациональной организации вычислительного процесса, логические методы оптимизации, как самой машины, так и систем в целом.
Эволюция методов построения математических моделей в направлении формализации составления и численного решения систем уравнений обернулась, как теперь стало ясно, и своей негативной стороной - отставанием в развитии аналитических и численно-аналитических методов, Между аналитическими и численными решениями задач есть принципиальное различие. Аналитическое решение несет информацию о поведении множества физических объектов, описываемых однотипными уравнениями, но отличающихся значениями параметров или даже природой явлений. Аналитическое исследование можно рассматривать как высшую форму математического моделирования, как творческий процесс переработки информации без ее потерь и искажения. Невозможность провести весь процесс преобразования информации аналитически не исключает аналитических преобразований на отдельных его этапах; при этом сокращается доля численной переработки, что приводит к уменьшению расхода машинного времени и накоплению ошибок.
Классическая теория идеализированной электрической машины ограничивается анализом тех процессов, которые описываются линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами, и может считаться линейной теорией электрических машин. машин, записанные в естественных (фазных) координатах, всегда включают в себя переменные коэффициенты. Только для полностью симметричных машин или машин с односторонней несимметрией и при условии неизменности магнитных свойств сердечника дифференциальные уравнения с помощью известных линейных преобразований удается привести к уравнениям с постоянными коэффициентами. При этом в машинах с неравномерным зазором (явнополюстностью) удается учесть действие только одной пространственной гармонической МДС обмоток и индукции магнитного поля. Оговоренные условия определяют идеализированную машину и границы применимости линейной теории машин.
При рассмотрении механических переходных процессов математическая модель идеализированной машины включает в себя и нелинейные уравнения и перестает быть линейной теорией в математическом смысле. Однако этот термин можно сохранить, имея в виду, что такая теория не учитывает нелинейных свойств сердечников.
При учете дискретного размещения обмоток, неравномерности зазора, а также в случае асимметрии обмоток уравнения машин путем известных линейных преобразований не удается привести к уравнениям с постоянными коэффициентами даже в пренебрежении нелинейными свойствами магнитопровода. В этих случаях решение уравнений в общем виде становятся невозможными и приходится прибегать к численным методам. Однако в развитии аналитических методов исследования электрических машин исчерпаны далеко не все возможности.
Объекты, описываемые дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами, можно разделить на два типа:параметрические (коэффициенты зависят от аргумента уравнений);нелинейные (коэффициенты зависят от искомых функций).
Основное внимание в литературе, уделяется нелинейной теории электрических машин, учитывающей насыщение сердечников и ориентированной, как правило, на численные работы. Наиболее эффективными оказались те работы, где совершенствование численных методов достигнуто в результате развития аналитического аппарата и аналитических преобразований. При моделировании нелинейных явлений в электрических машинах, как правило, законы пространственного распределения МДС и полей рассматриваются упрощенно, структура обмоток и конфигурация магнитопровода идеализируются.
Суть параметрических явлений заключается в генерировании в машине ЭДС и токов частот, отличающихся от частоты питания. Эти частоты можно назвать комбинационными, так как они являются комбинациями частоты питания и частот, представляющих собой кратные частоты вращения. Параметрические явления наблюдаются в любой системе координат, вращающейся с любой скоростью. Поэтому путем известных линейных преобразований не удается избавиться от переменных коэффициентов, появляющихся в математическом описании параметрических явлений.
Особенность того или иного метода исследования асимметричных сельскохозяйственных машин состоит в способе включения функции F(x) в математическую модель. Существует принципиальная разница в подходах к математическому описанию вращающихся и линейных электрических машин. У вращающихся машин функция F(x) всегда имеет период равный 2ж геометрических радиан при любом её распределении
Эллиптические составляющие токов асимметричной клетки ротора сельскохозяйственного электродвигателя
В этом параграфе приводятся результаты расчетов ЭС токов стержней клетки при различном характере ее асимметрии. Базовый расчет был проведен для симметричной клетки имеющейклетка возбуждалась двухполюсной симметричной волнойэдс На рис.3.4 представлены токи симметричной клеткикороткозамкнутого ротора. Ві данном случае имеется однаэллиптическая составляющая. Это будет первая пространственная гармоника тока в обмотке (рис.3.5). Этой эллиптической составляющей соответствует пара сопряженных изображающих векторов (рис.3.6), траектория которых представлена на рис.3.7. Из рисунка видно, что изображающий вектор описываетна комплексной плоскости окружность, а множество комплексных векторов функций токов представляют собой систему прямой последовательности.
Обрыв стержня клетки является максимальной степенью ее асимметрии, связанной с одним из стержней. В данном случае обрывался стержень с условным номером 4, а параметры остальных стержней сохраняли свои симметричные значения. Токи клетки представлены на рис.3.8. Обращает на себя внимание тот факт, что токи ближайших к оборванному стержней почти вдвое превышают симметричные значения. В отличие от ситуации с симметричной клеткой, в Рис.3.8. Токи клетки при обрыве одного стержня асимметричной беличьей клетке имеется спектр эллиптических составляющих, включающий в себя ЭС с номерами п 1...6 (рис.3.9). На рис.3.10 эллиптические составляющие токов представлены в виде траекторий изображающих векторов. Пять из них А] - Аз можно назвать прямовращающимися, понимая под этим то, что в ЭС преобладает прямовращающаяся составляющая. Шестая - А б пульсирует по действительной оси. ЭС имеют различную степень эллиптичности (рис.3.11 - рис.3.13). Например, у 11 обратная составляющая около 20%, у Із — около 50%, у Is - около 8%, а у 1б - 100%. Составляющая // трансформируется в обмотку статора в виде токов частот // и fi(l- 2s). Вопрос о трансформации других ЭС может быть решен после конкретизации данных обмотки статора. Картина явления в данной ситуации подобна рассмотренной выше. Обрыв первого и шестого стержней клетки короткозамкнутого ротора вызывает резкий рост токов в стержнях с номерами 12, 2, 5, 7. Об этом свидетельствует рис.3.14. Спектр эллиптических составляющих токов представлен на рис.3.15. На рис.3.16 эллиптические составляющие токов представлены в виде траекторий изображающих векторов. Рис.3.14. Токи клетки при обрыве двух Аналю з.8 - рис.3.9 и стержней рис.3.15 - рис.3.16 свидетельствует о качественной близости физических процессов при обрывах одной и двух фаз клетки. Наиболее заметным отличием является тот факт, что эллиптическая составляющая с п=2 изменила направление вращения. Это может иметь значение в том случае, когда обмотка статора выполнена с дробным q, В противном случае изменится лишь характер полей дифференциального рассеяния. По сравнению с предыдущей ситуацией (рис.3.11) амплитуда главной ЭС снизилась, а эллиптичность ее увеличилась (рис.3.17). Своеобразие этого спектра заключается в том, что изображающие векторы эллиптических составляющих содержат компоненты только прямой последовательности (рис.3.19). При этом стоит отметить значительное снижение амплитуды главной эллиптической составляющей. Кроме того, в отличие от предыдущих ситуаций, в данном случае спектральная функция не содержит третью и шестую составляющие. Результаты расчета эллиптических составляющих токов стержней клетки при различном характере ее асимметрии сведены в таблицу 3.1. В целом можно сделать вывод о том, что как при обрыве одного, двух или нескольких стержней ротора спектр ее эллиптических составляющих резко меняется. На это указывают достаточно большие амплитуды эллиптических составляющих с п 1. пониженные значения Мп, Мтах, /„, coscp\ пульсирующая составляющая электромагнитного момента. Данные изменения, их интенсивность могут служить диагностическими параметрами, на основе которых можно разработать эффективные способы и средства контроля технического состояния сельскохозяйственных машин.
Экспериментальная проверка адекватности модели
Для проверки адекватности модели помимо сравнения известного спектра МДС симметричной клетки ротора и спектра МДС, рассчитанного с помощью метода эллиптических составляющих (параграф 3.3.) был проведен сравнительный анализ результатов расчетов на базе предложенного метода оценки номинальной мощности и данных, полученных в ходе экспериментальных исследований. Объектом исследования являлся асинхронный двигатель 4А10034УЗ (2.2 кВт, 1400 об/мин, z = 28).
Эксперименты проводились на испытательном стенде (рис.4.5) при пониженном линейном напряжении 240 В для симметричной клетки ротора, а также для случаев обрыва соседних стержней от 1 до 11. В качестве нагрузки асинхронного двигателя использовался электромагнитный тормоз (ЭМТ). Обрыв стержня осуществлялся высверливанием участка стержня длиной 5 мм, примерно посередине длины пакета ротора. В опытах измерялись напряжения, токи и мощности с помощью измерительного комплекта К505 (класс точности 0,5).По построенным рабочим характеристикам определялась номинальная мощность асинхронного двигателя с несимметричной клеткой ротора.
В качестве примера на рис.4.6 - рис.4.9 показаны рабочие характеристики двигателя 4A100S4Y3 при симметричной клетке ротора (zo6=0) и при разных числах оборванных соседних стержней теоретического расчета, проведенного по описанной выше методике моделирования на базе математической модели клетки ротора, заданной (2.48), (2.49), (2.61) и экспериментальных данных (табл.4,2, табл.4.3) не превышает 6.5%.Рис.4.16. Обобщенные зависимости снижения номинальной мощности.
Проведен расчет снижения номинальной мощности для ряда электродвигателей мощностью Р? =0.37...22 кВт при различном количестве поврежденных стержней, не включающий в себя этап расчета рабочих характеристик. Получены обобщенные зависимости снижения номинальной мощности от числа поврежденных стержней для асинхронных двигателей с различным-числом пазов и числом пар полюсов (рис.4.16).
В результате проведенного теоретического расчета установлена степень влияния количества оборванных стержней на снижение номинальной мощности в зависимости от числа пазов и числа пар полюсов асинхронного двигателя. Анализ результатов исследований показал, что пусковые и энергетические показатели АД не выходят за пределы допустимых значений и сельскохозяйственная асинхронная машина с нарушениями целостности клетки ротора может эксплуатироваться в дальнейшем при обрыве5-6% (в процентном отношении к общему количеству пазов ротора) стержней для двигателей с 2р=2;7-8% (в процентном отношении к общему количеству пазов ротора) стержней для двигателей с 2р=4; 12-13% (в процентном отношении к общему количеству лазов ротора) стержней для двигателей с 2р=8.
Обоснованность выводов и рекомендаций по использованию сельскохозяйственных асинхронных двигателей с дефектами клетки ротора подтверждается результатами экспериментальных исследований и их сравнением с расчетными данными.
Предложен метод проведения ремонтной диагностикинесимметричных клеток роторов асинхронных машинсельскохозяйственного назначения. Принципиальная схема устройства дляпроведения диагностики клетки короткозамкнутого ротора асинхронногодвигателя представлена на рис.4.18. В качестве базового используетсяустройство для защиты трехфазного электроприводасельскохозяйственного механизма от работы в аварийных режимах [106]. Отличительной особенностью предложенного устройства является наличие блока определения тока ротора. На рис.4.19 представлена схема преобразователя тока (поз.2 рис.4 Л 8); на рис.4.20 - схема преобразователя напряжения (поз.З рис.4.18); на рис.4.21 - схема блока определения электромагнитного момента; на рис.4.22 - схема блока определения тока ротора (поз.4 рис.4.18). Устройство работает следующим образом.Преобразователь тока (рис.4.19) преобразует реальные токи, протекающие по обмотке статора с помощью датчиков тока 5 в токидвухфазной системы операционными усилителями 6 и 7 на основе уравнений преобразования координат, если ось а принять по оси фазы А статора1 / і Преобразование трехфазного напряжения в двухфазное (рис.3) проводится с помощью датчиков напряжения 8 на основе уравнений, решаемых с помощью операционных усилителей 9 и 10, выполняющих роль сумматора и интегратора на основе:
Полученные двухфазные значения токов и напряжений подаются на входы интеграторов 11 и 12 (рис.4.21) с помощью которых определяются потокосцепления статора по осям а,$ на основе обобщенной теории электромеханического преобразования энергииЗначения активного сопротивления обмотки статора берется либо из справочной литературы, либо измеряется известными способами.Определение электромагнитного вращающего момента производится на основе выражения
