Введение к работе
Настоящая диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук подготовлена соискателем на основе совокупности рецензированных научных работ, помещенных в научно-технических журналах или в печатных трудах периодических международных и польских научных конференций в области электрических машин (см. список в конце доклада). В диссертации представлены результаты теоретического анализа неисправностей ротора асинхронных машин, произведенного методом спектрального анализа токов статора. Проведенные на его основании теоретические и экспериментальные исследования явились основой надежной и эффективной неразрушающей системы обнаружения и диагностической оценки повреждений.
Актуальность темы.
Диагностика состояния асинхронного двигателя (АД) - важная практическая задача. Не обнаруженные своевременно нарушения работы отдельных узлов машины, в частности повреждения обмотки ротора или наличие эксцентриситета ротора могут привести к тяжелым авариям на производстве.
Большинство используемых в настоящие время систем диагностики разработано после многолетнего изучения электрических машин, как экспериментально, так и посредством анализа математических моделей. Доступные сегодня измерительные и вычислительные технологии дали возможность использования в диагностике многих, ранее исследованных явлений, а также стали вдохновляющими для поиска новых сигналов, которые обогащают диагностическую информацию. Обзор диагностических сигналов и классификация применяемых методов их обработки представляют в своих работах: Ahmed I., Bellini A., Benbouzid М.Е.Н., Bikfalvi P., Cabanas M.F., Capolino G.A., Casimir R., Filippetti F., GaoX.Z., Gilmore R.J., Habetler T.G., HajiM., Han Y., JungJ.-H., Krai C, Kowalski Cz., LiX., Liang В., MehalaN., Nandi S., NegreaM.D., Rodriguez P.V.J., Siddique A., SinM.L., Singh G.K., SongY.H., TassoniC., Thomson W.Т., ToliyatH.A., Vas P., Verucchi C.J., Барков A.B., Завидей В.И.
На основе проведенных в этих работах исследований можно констатировать, что существуют три группы методов мониторинга, обнаружения и оценки дефектов конструкции обмоток двигателя и асимметрии воздушного зазора:
а) методы, основанные на математическом моделировании и оценке параметров машины, в
том числе метод баланса гармонических и метод конечных элементов;
б) методы, использующие анализ измеряемых сигналов, в том числе:
- метод анализа характерных изменений тока двигателя, в частности диагностическая
процедура Motor Current Signature Analysis - MCSA, спектры (статистики) высшего порядка,
спектральный анализ мгновенной мощности, подход методом вектора Парка, статистический
анализ токов, анализ методом волновых пакетов;
обнаружение дефектов с использованием анализа вибрации, аксиального магнитного потока и электромагнитного момента;
метод частичных разрядов, употребляемый в диагностике обмотки статора высоковольтных машин переменного тока;
в) методы искусственного интеллекта, в том числе искусственные нейронные сети, нечеткая
система гипотетических умозаключений (Fuzzy Inference System), распознавание образов
(Pattern Recognition).
Новые информационные технологии позволяют проводить автоматический мониторинг технического состояния машины и при установке системы оперативной диагностики повысить надежность работы АД. Возможности и преимущества их применения в эксплуатации стимулируют разработку качественно новых математических моделей, которые учитывают асимметрию электрической или магнитной цепей (авторы работ: RawickiS., RusekJ., SobczykT., Андреева О.А., Баширов М.Г., Волохов С.А., ГаджиевГ.А.,
Гашимов M.A., Голубев А.Н., Добродеев П.К, Ефименко Е.И., Кислое АЛ., Курилин СП., Мирзоева СМ., Никиян Н.Г., Новожилов А.Н., Разманов Н.К.).
В отличие от случая короткого замыкания обмотки статора, нарушения электрической или магнитной симметрии ротора развиваются постепенно. Поэтому автоматический мониторинг состояния двигателя с помощью системы оперативной диагностики позволяет в реальном времени выявить первые признаки повреждения ротора, оценить его последствия и принять соответствующие меры. Электромагнитные методы выявления эксцентриситета и повреждения беличьей клетки ротора разработаны в ряде исследований (авторы работ: Скоробогатов А.А., Сурков Д. В., Рогачев В. А.).
Повсеместно применяемой является диагностика состояния ротора АД, основанная на анализе спектра потребляемого тока, так называемый метод MCSA (авторы работ: Thomson W.Т., Грибанов А.А., Ишаев А.Ю., Никитин А.Е., Петухов В.С., Соколов В.А.). Ток статора - это удобный сигнал для мониторинга машины без ее остановки. В спектре тока статора видны все основные признаки нарушений внешней и внутренней симметрии машины. Амплитуды гармоник тока жестко определяются коэффициентами электромагнитных связей между обмотками двигателя, а их частоты связаны с видом дефекта. Однако следует подчеркнуть, что метод MCSA основан на анализе тока только одной фазы статора, и его применение не всегда ведет к правильному обнаружению и оценке повреждения АД, особенно статического эксцентриситета.
Автор работы представляет математическую модель АД, учитывающую все гармоники, связанные как с пространственным расположением обмоток, так и с видом геометрии воздушного зазора или с внутренней асимметрией двигателя. Для решения уравнений модели в нормальных режимах работы машины применен метод баланса гармонических, основы которого изложил в 1977 г. SobczykT. В результате анализа получаются однозначные соотношения между видом асимметрии и спектром Фурье тока обмотки.
Разработанный метод решения уравнений математической модели для установившегося режима работы АД с постоянной частотой вращения является эффективным, поскольку позволяет уже на стадии составления системы уравнений качественно определить частоты гармоник спектров Фурье токов машины. Разработка универсальных компьютерных программ позволила создать на их основе базы образцовых спектров фазных токов статора и их симметричных составляющих для комплексной оценки состояния АД в условиях взаимодействия разных видов дефектов. Анализ гармонических составляющих этих спектров позволяет определить количественные показатели каждого из повреждений, в частности роста сопротивлений стержней клетки вплоть до их обрыва, статического или динамического эксцентриситета ротора в условиях возможной асимметрии напряжения статора. Сравнение проведенных автором расчетов и экспериментов подтверждает эффективность принятого метода анализа. Образцы сигналов, характерных для исправных и поврежденных машин, также использованы для создания диагностических алгоритмов искусственного интеллекта в процессе изучения нейронной сети.
Результаты исследований автора могут быть использованы в современных интеллектуальных электроэнергетических системах типа «Смарт Грид».
Цель и задачи работы.
Целью работы является разработка надежной и эффективной неразрушающей системы обнаружения и диагностической оценки технического состояния асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, основанной на спектральном анализе потребляемого тока.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
1. Классификация типов воздушного зазора в асинхронной машине и определение
влияния вида эксцентриситета ротора на свойства индуктивностей обмоток.
2. Разработка математической модели короткозамкнутого АД, учитывающей
электрическую и магнитную асимметрию ротора.
-
Классификация гармоник спектра тока статора, основанная на анализе уравнений модели поврежденного двигателя в установившемся режиме работы с постоянной частотой вращения.
-
Разработка универсальной программы для вычислений токов АД в установившемся режиме работы с постоянной частотой вращения.
-
Определение на основании численного анализа количественных коэффициентов оценки уровня повреждения беличьей клетки и уровня эксцентриситета ротора.
-
Реализация программы диагностических исследований на лабораторном стенде двигателя малой мощности с заменяемыми роторами, имеющими различный эксцентриситет и вид повреждения беличьей клетки.
-
Проверка эффективности предложенной методики диагностирования технического состояния АД в промышленных условиях.
Методы исследований.
При решении указанных задач использовались методы математического моделирования, аналитические и численные методы расчета параметров машин переменного тока, методы расчета цепных моделей АД в стационарных режимах, методы цифровой фильтрации и обработки сигналов, методы спектрального анализа, теория распознавания образов.
Научная новизна.
1. Математическая модель короткозамкнутого АД, учитывающая все гармоники,
обусловленные как пространственным расположением обмоток, так и геометрией
воздушного зазора.
-
Определение характерных свойств повторяемости гармоник тока статора машины при роторе, обеспечивающем равномерный воздушный зазор, имеющем статический, динамический и смешанный эксцентриситет.
-
Использование метода баланса гармонических составляющих к решению уравнений модели короткозамкнутого АД с эксцентриситетом ротора в установившемся режиме работы с постоянной частотой вращения.
4. Выявлено, что запись уравнений модели с помощью симметричных составляющих
вместо фазных координат позволяет упорядочить структуру уравнений и в зависимости от
вида повреждения может привести к значительному сокращению их числа.
-
Определение частот гармонических составляющих спектров Фурье токов двигателя уже на этапе анализа структуры уравнений.
-
Разработка методических положений реализации комплексной универсальной программы вычислений установившегося режима работы АД с внутренней асимметрией.
-
Создание образцовых спектров токов и определение на их основе количественных показателей оценки повреждений АД.
-
Показано, что при определении вида повреждения АД большей универсальностью и чувствительностью обладают показатели, основанные на оценке симметричных составляющих спектра тока статора, нежели показатели, основанные на оценке гармоник фазного тока.
-
Методы оценки величины динамического эксцентриситета в условиях одновременной асимметрии активных сопротивлений беличьей клетки и статического эксцентриситета при асимметрии напряжения питания.
10. Выявление гармоник тока, являющихся чувствительными к конкретному виду
повреждения.
11. Включение в диагностическую оценку анализа изменений гармоник тока,
генерируемых третьей гармоникой напряжения питания или нелинейностью основной
магнитной цепи.
Практическая значимость работы.
Практическая значимость полученных автором результатов определяется:
разработкой универсальных компьютерных программ и созданием на их основе базы образцовых спектров тока статора для комплексной оперативной диагностики состояния асинхронных электродвигателей;
определением показателей для надежного и эффективного обнаружения неисправности и количественной оценки взаимодействующих видов электромагнитной асимметрии АД;
разработкой программного обеспечения для спектрального анализа измеряемых токов;
- результатами проведенных измерений и диагностических оценок повреждений
асинхронных электродвигателей различной конструкции при разных условиях нагрузки и
питания.
Основные положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие основные положения:
цепная математическая модель короткозамкнутого АД для анализа внутренней асимметрии активных сопротивлений и эксцентриситета ротора в установившемся режиме;
- теоретические соотношения, определяющие частоты гармоник тока статора,
характеризующие данный тип эксцентриситета;
методы анализа спектра Фурье тока статора, являющиеся основой создания количественных показателей повреждений АД;
- вычислительные программы для комплексного анализа спектра измеренного
потребляемого тока, предоставляющие возможность однозначного обнаружения
асимметрии ротора и степени повреждения;
результаты испытаний и диагностической оценки технического состояния ротора.
Реализация результатов работы.
Представленные в научном докладе результаты теоретических и экспериментальных исследований автора использовались при выполнении проектов:
-
«Применение методов распознавания образов в диагностике электрических машин переменного тока, базирующихся на доступных для измерений токах» (Грант KBN № РВ - 8 Т10А 03311,1998 -1999), автор - главный исполнитель.
-
«Базы данных для применения методов искусственного интеллекта в неразрушающей диагностике роторов асинхронных двигателей» (Грант KBN №РВ - 1696/Т10/201/21, 2001-2003), автор - главный исполнитель.
-
«Распределенная система диагностики для асинхронных двигателей большой мощности» (Грант MNil, № З ТІ 0А 007 28, 2005-2007), автор - главный исполнитель. В рамках проекта была выполнена пилотная установка распределенной системы диагностики роторов асинхронных электродвигателей на электростанции Серша (вблизи Кракова).
-
«Диагностика повреждений ротора асинхронной машины методом спектрального анализа токов статора» (№ E-2/BW/522/07, Краков, 2007), автор - руководитель проекта.
По заказу ремонтного предприятия «МЭГА-РЭМ» в Кракове в 1999-2002 гг. автором выполнялись диагностические оценки технического состояния роторов высоковольтных АД на заводах, а также на электростанциях, в частности в Кракове и Катовице, на Металлургическом заводе им. Сэндзимира в Кракове.
5. Результаты работы используются в учебном процессе: учебных пособиях, в
содержании лекций и дипломных работ, выполняемых на факультете электрической и
компьютерной инженерии Краковской политехники по специальности «Мониторинг и
диагностика электрических систем».
Апробация работы.
Результаты исследований соискателя по теме диссертации были доложены и обсуждены на международных и отечественных конференциях и научных семинарах, в том числе на сессиях:
- Международной конференции по электрическим машинам ICEM в Мюнхене в 1986 г., в
Пизе в 1988 г., в Бостоне в 1990 г., в Париже в 1994 г., в Стамбуле в 1998 г.;
- на сессии Эгейской конференции по электрическим машинам АСЕМР в Кушадасы
(Турция) в 1992 г.;
Международного симпозиума по диагностике электрических машин, силовой электроники и приводов IEEE SDEMPED в Хихон (Испания) в 1999 г., в Гориции (Италия) в 2001 г., в Атланте в 2003 г., в Вене в 2005 г.;
Международного симпозиума по электрическим машинам SME в: Кракове (1989, 1996, 2006 гг.), Шклярской Порембе (1993 г.), Казимире Дольном (1994 г.), Вроцлаве (2000 г.), Гливицах (2001 г.), Хайнувке (2004 г.), Ярнолтувке (2005 г.) и Красичине (2009 г.);
Международного научного семинара по электрическим машинам (организованного кафедрами электрических машин Краковской политехники, Технического университета в Будапеште и Политехнического университета СПбГПУ в Санкт-Петербурге), в Яновицах (Польша) в 1998 г., в Будапеште в 1999 г. и в Санкт-Петербурге в 2000 г.;
Научно - технического семинара «Проблемы эксплуатации асинхронных двигателей и электропривода в энергетике» в Ополе (Польша) в 1996 г.;
Международного научно - технического семинара по проблемам эксплуатации машин и электропривода-BOBRME Komel, Катовице в 1997,1998, 2000,2001,2003 и 2005 гг.
Работа «Диагностика неисправностей ротора асинхронных машин методом спектрального анализа токов статора» была представлена и обсуждена:
- в 2006 г., на научном семинаре академика Я.Б. Данилевича «Актуальные проблемы
энергетики», в ОЭЭП РАН в Санкт-Петербурге;
- в 2007 г., на научном заседании Кафедры электрических машин на Электромеханическом
факультете СПбГПУ в Санкт-Петербурге;
- в 2012 г., на научном заседании Института электромеханического преобразования энергии
Краковской политехники.
Публикации.
Основные положения настоящей диссертации в виде научного доклада опубликованы в монографии и в 67 сборниках и статьях в научно-технических журналах, список которых приведен в конце доклада.
