Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние исследуемого вопроса по литературным источникам 9
1.1 Магнитное поле в воздушном зазоре асинхронного двигателя при эксцентриситете ротора и несимметрии обмотки ротора 9
1.1.1 Магнитное поле при эксцентриситете ротора 10
1.1.2 Магнитное поле при несимметрии обмотки ротора 13
1.2 Существующие способы диагностики эксцентриситета ротора асинхронных двигателей и несимметрии обмотки ротора 14
1.3 Выводы. Постановка задач исследования 19
2 Магнитное поле в воздушном зазоре асинхронной машины 21
2.1 Магнитное поле при равномерном воздушном зазоре 24
2.1.1 Магнитная проводимость воздушного зазора 24
2.1.2 Магнитодвижущая сила обмоток статора и ротора 26
2.1.3 Магнитное поле в воздушном зазоре 28
2.2 Магнитное поле при эксцентриситете 29
2.2.1 Воздушный зазор при статическом и динамическом эксцентриситете ротора 29
2.2.2 Проводимость воздушного зазора при статическом эксцентриситете... 32
2.2.3 Проводимость воздушного зазора при динамическом эксцентриситете 35
2.2.4 Магнитная проводимость воздушного зазора при статическом и динамическом эксцентриситете 38
2.2.5 Магнитодвижущая сила обмоток при эксцентриситете 40
2.2.6 Поле в воздушном зазоре при эксцентриситете 41
2.3 Токи статора и ротора при несимметрии короткозамкнутой клетки ротора 58
2.4 Факторы, влияющие на величину гармоник поля 66
2.4.1 Вытеснение магнитного потока по толщине листа стали 66
2.4.2 Глубина проникновения поля в шихтованный магнитопровод 70
2.4.3 Затухание гармоник поля в воздушном зазоре 71
2.4.4 Влияние точности определения скоса пазов 72
2.5 Выводы 74
3 Модернизированные способы диагностики эксцентриситета и повреждений короткозамкнутой клетки ротора 76
3.1 Диагностика эксцентриситета с помощью измерительных катушек 77
3.1.1 Коэффициент распределения измерительной катушки по ширине паза 79
3.2 Диагностика эксцентриситета по величине потенциала нейтральной точки 81
3.2.1 Расчет потенциала нейтральной точки обмотки статора 82
3.2.2 ЭДС обмотки статора от гармоник поля дробного порядка 84
3.2.2 Экспериментальная проверка способа 87
3.3 Описание программы расчета гармонического состава поля в воздушном зазоре и ЭДС измерительных катушек 89
3.4 Диагностика повреждений обмотки ротора 92
3.5 Экспериментальное определение тарировочных функций. Описание экспериментальной установки 93
4 Устройства для диагностики эксцентриситета 97
4.1 Устройство для диагностики эксцентриситета по величине потенциала нейтральной точки обмотки статора 97
4.2 Устройство на базе заложенных измерительных катушек 108
Заключение 114
Список использованных источников 116
Приложение а 123
Приложение б 126
- Существующие способы диагностики эксцентриситета ротора асинхронных двигателей и несимметрии обмотки ротора
- Воздушный зазор при статическом и динамическом эксцентриситете ротора
- Коэффициент распределения измерительной катушки по ширине паза
- Устройство на базе заложенных измерительных катушек
Введение к работе
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 - несоос-ность 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 величиїгу (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 короткозамкігутой 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 короткозамкігутой клетки ротора на основе исследования поля в воздушном зазоре и несимметрии токов обмоток асинхронных двигателей
Основные задачи исследования
разработать методику расчета магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины для расчета величин диагностических сигналов при эксцентриситете ротора,
разработать и модернизировать способы определения величины эксцентриситета ротора и степени повреждения обмотки ротора,
со (дать на основе разработанной методики программное обеспечение для авгоматизировашюго расчета тарировочных зависимостей диапюстігческих сигшчов эксцешриситета и повреждений обмотки ротора,
экспериментально проверить разработанные и модернизированные способы определения величины эксцентриситета ротора и степени повреждения обмотки ротора,
разработать усфойство диагностики относительного эксцентриситета роюра асинхронных двигателей
Методы исследования. В данной работе поле в воздушном зазоре (ВЗ) определялось аналитическими и численными методами с применением ЭВМ Расчет поля при эксценгриситете ротора проводился методом удельной проводимости ВЗ в мгновенной и комплексной форме Расчет поля при несимметрии обмогки рогора проводился методом прямого решения системы уравнений, источающей уравнения для всех стержней обмотки ротора
Изучение работы двигателей при исследуемых неисправностях и экспериментальная проверка разработанной методики проводились с помощью двигателей специальной конструкции, имеющих заданные неисправности
Наущая новизна заключается в следующем
разрабоїана методика расчета поля в ВЗ при эксцоттриситете ротора меюдом удельной проводимости ВЗ с учетом реакции ротора на гармоники поля сі эксцентриситета, с учетом изменения амплитуды зубцовых гармоник при эксцентриситете,
разработана методика расчета пота в ВЗ при наличии статического и динамического эксцентриситета ротора методом удельной проводимости ВЗ,
определена зависимость токов прямой и обратной последовательности обмогки статора от степени повреждения обмотки ротора
Праіу-і ичсская ценность работы:
разработанная методика может быть применена для расчета магнитного поля в ВЗ AM при эксцентриситете ротора и расчета диагностических сигна-пов для оценки величины эксцентриситета,
на основе методики разработано программное обеспечение для расчета магнитного поля и ВЗ при сіаіическом и динамическом эксцентриситете ротора,
разрабоїапо и изготовлено устройство для диагностики относительного эксцентриситета ротора асинхронных двигателей по разности потенциалов нейтральных точек обмотки статора (ОС) и звезды резисторов,
разработан способ диагностики повреждений обмотки короткозамкну-іого ротора без разборки двигателя
На защиту выносятся1
уточненный метод расчета гармоник магнитного поля зубцового порядка в воздушном зазоре при статическом и динамическом эксцентриситете ротора,
методика расчет магнитного поля в воздушном зазоре при эксцентри-сш еіе ротора с уче і ом полного спектра гармоник реакции ротора,
уточненные способы диагностики эксцентриситета ротора с помощью нзмериіельиьіх катушек и по потенциалу нейтральной точки обмотки статора,
4) способ диагностики повреждений стержней короткозамкнуїой обмотки ротора
Реализация пс іультатов работы. Разработанное устройство для диагностики эксцентриситета ротора АД принято для пробной эксплуатации на Карга-линской 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 модеіь
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
Существующие способы диагностики эксцентриситета ротора асинхронных двигателей и несимметрии обмотки ротора
К настоящему времени разработано множество различных способов диагностики эксцентриситета ротора асинхронных двигателей. Достаточно подробный их анализ приведен в [1]. Все способы разделены на две группы: - способы, связанные с установкой внутри испытуемых машин до их сборки различных элементов; - способы, позволяющие измерить эксцентриситет без предварительной установки внутри испытуемых машин дополнительных элементов, то есть на собранных электрических машинах. Из рассмотренных в работе [1], наиболее перспективными являются способы второй группы, так как они позволяют осуществлять диагностику без предварительной разборки двигателя, а в некоторых случаях и без отключения испытуемого двигателя от рабочего механизма. Среди этих способов существует много различных методов получения диагностических сигналов: вибро-акустические параметры работы двигателя, электромагнитная диагностика, рентгеновское излучение, характеристики двигателя в переходных режимах (пуск, выбег) или при специальных способах питания.
Способы первой группы, несмотря на свой основной недостаток - необходимость установки внутри испытуемых машин дополнительных устройств, в большинстве случаев позволяют осуществлять более точную диагностику. Это связано как с меньшим количеством шумовых и фоновых сигналов, так и с тем, что не все параметры искаженного эксцентриситетом магнитного поля машины можно измерить внешними устройствами.
Эксцентриситет ротора оказывает влияние в первую очередь на магнитное поле в ВЗ. Поэтому среди рассмотренных методов получения диагностических сигналов наиболее достоверными являются методы электромагнитной диагностики, основанные на измерении величин, непосредственно зависящих от формы кривой магнитного поля в ВЗ.
К способам первой группы относится способ измерительных катушек, разработанный Н. Frohne [21], [22], [23] и уточненный в работе Н.Г. Никияна [1]. Две измерительные катушки устанавливаются в ВЗ и рассчитаны на измерение гармоник поля с числом пар полюсов v = р ± 1 (порядка v = 1 ± 1/р ).
Для измерения гармоник поля порядка р — \ или р + \ необходимо разместить на статоре две измерительные катушки с шагом, равным полюсному делению соответствующей гармоники. Сдвиг между катушками, должен быть таким, чтобы ЭДС от рабочей гармоники поля v = р и гармоники, не подлежащей измерению (порядка соответственно р + 1 или р-1) была равна нулю. Так для двигателей с числом пар полюсов 2р = 2 предлагается измерять ЭДС от гармоники поля v-p + \. При этом шаг измерительных катушек составляет у = г/2, а шаг между катушками укк = т, катушки включены последовательно согласно. Для двигателей 2р 4 целесообразнее измерять ЭДС от гармоники поля v = р -1. При этом параметры измерительных катушек для двигателя 2р = 4: у-2т, Укк= т- В трудах Н. Frohne рассмотрена структура магнитного поля при эксцентриситете ротора АД и предложен способ определения направления смещения ротора по фазам ЭДС двух измерительных катушек, заложенных в пазы статора. Измерительные катушки уложены таким образом, что в них наводится ЭДС от гармоники поля, вызванной эксцентриситетом, и не наводится ЭДС от основной гармоники поля.
Данный способ является достаточно надежным и точным. Однако в работах [1], [21], [22], [23] учитываются только гармоники поля с числом пар полюсов v = р ± 1 и не учитываются гармоники поля более высокого порядка, что приводит к значительной погрешности при высоких значениях эксцентриситета. Кроме того, в этих работах не учитываются высшие гармоники поля, созданные МДС реакции ротора.
Недостатком способа является необходимость установки измерительных катушек при изготовлении двигателя или при очередном его ремонте.
В работах [1], [24] предложен способ диагностики эксцентриситета ротора по потенциалу нейтральной точки О звезды обмотки статора относительно нейтральной точки О і симметричной звезды резисторов. Схема измерения диагностического сигнала приведена на рисунке 1.2. Способ относится ко второй группе рассмотренной классификации.
В процессе работы асинхронного двигателя в обмотках статора индуцируются высшие гармоники, обусловленные различными причинами (насыщение магнитной цепи, зубчатость статора и ротора, дискретное расположение обмоток, неравномерный воздушный зазор и др.). Высшие гармоники ЭДС, возникающие независимо от наличия эксцентриситета создают мешающий сигнал, а гармоники, возникающие при эксцентриситете - полезный сигнал.
Преимуществом данного способа является также возможность диагностирования эксцентриситета без остановки двигателя и без установки в него каких-либо дополнительных устройств. Недостатком данного способа является относительная сложность расчета величины эксцентриситета по измеренному значению диагностического сигнала, относительная сложность расчета тарировочной зависимости для определения эксцентриситета по измеренному значению диагностического сигнала, большая зашумленность сигнала. Измерение действующего значения ЭДС по данному способу показало, что диагностический сигнал практически остается постоянным при изменении относительного эксцентриситета от 0 до 0,3. Измерения проводились при пониженном напряжении для исключения гармоник, вызванных насыщением магнитной цепи.
Воздушный зазор при статическом и динамическом эксцентриситете ротора
Поле в ВЗ описывается выражением (2.5). Каждая гармоника поля B5v с числом пар полюсов v создает ток ротора и МДС ротора, содержащую исходную гармонику с числом пар полюсов v и зубцовые гармоники МДС ротора vr-v + Z2c . Без учета зубцовых гармоник ротора получаем, что каждая гармоника поля порядка v = р±к содержит следующие составляющие: 1) основную гармонику поля, вызванную МДС статора и постоянной составляющей ПВЗ B5v = FSAS cos(cot (р± к)(р); 2) гармоники реакции ротора, определяемые по (2.14); 3) гармоники поля от гармоник МДС ротора с числом пар полюсов v" Ф v (реакция ротора на другие гармоники поля), умноженных на гармоники ПВЗ Я3 и результирующим порядком v.
Реакцию ротора на гармонику поля B5v можно учесть коэффициентом демпфирования Д, по [4], [1]. Для гармоник поля зубцового порядка и основной гармоники при холостом ходе (скольжение ротора относительно которой мало) Dv близок к единице. В симметричной ненасыщенной асинхронной машине без дефектов в ВЗ существуют основная и зубцовые гармоники поля, поэтому приближенные расчеты поля в ВЗ можно проводить без учета демпфирования поля клеткой ротора. Учет демпфирования производится умножением основной гармоники на Dv.
Из-за наличия дополнительного слагаемого погрешность (2.19) относительно (2.17) возрастает до 1,4% для того же двигателя. Таким образом, формулу (2.19) можно применять для определения величины ВЗ, кроме того, она позволяет сравнительно просто описывать ВЗ при других видах отклонения поверхности ротора от концентричного цилиндра. Например, при эллиптичном роторе можно записать: S((p) = S0[l-scos((p-(p)-s1cos2((p-(p%
При наличии статического эксцентриситета вместо постоянной составляющей Л0 [8] в формуле ПВЗ (2.11) появляется спектр гармоник ПВЗ: Л0 =ле0 + 2Х Л cos кя( р- рв), (2.20) где (рє — угол, определяющий направление смещения ротора и соответственно положение минимального ВЗ при статическом эксцентриситете.
Амплитуды гармоник ПВЗ при эксцентриситете Аек имеют значительную величину по сравнению с постоянной составляющей Л0. На рисунке 2.5 показаны амплитуды гармоник ПВЗ опытного двигателя АД №2 при различных значениях эксцентриситета. Из этого рисунка видно, что при больших значениях эксцентриситета є 0.8 необходимо учитывать не менее десяти гармоник ПВЗ, в то время как при меньших значениях є достаточно учитывать три гармоники ПВЗ.
В самом простом случае динамический эксцентриситет появляется при параллельном смещении оси внешней поверхности ротора относительно оси его вращения, при этом поверхность ротора остается цилиндрической.
В дальнейшем будем рассматривать динамический эксцентриситет цилиндрического ротора при параллельном смещении оси поверхности ротора относительно оси вращения ротора. При таком рассмотрении форма ВЗ остается такой же, как при статическом эксцентриситете, но положение минимального ВЗ изменяется и определяется частотой вращения ротора. Динамический эксцентриситет є может существовать параллельно со статическим эксцентриситетом є.
На практике динамический эксцентриситет имеет небольшие значения и обусловлен технологическими погрешностями при изготовлении ротора. Кроме того, если внешняя поверхность ротора протачивается после заливки обмотки, величина динамического эксцентриситета определяется только неточностью данного вида обработки. В процессе эксплуатации величина динамического эксцентриситета не изменяется, так как это возможно только при пластических деформациях ротора, которые в обычных режимах эксплуатации маловероятны.
Коэффициент распределения измерительной катушки по ширине паза
Основным недостатком рассмотренного выше метода является необходимость разборки двигателя для установки измерительных катушек на поверхности статора. Поэтому перспективным является метод определения относительного эксцентриситета ротора без разборки АД посредством измерения потенциала нейтральной точки звезды обмотки статора [5], [11]. В дан 82 ном методе измеряется ЭДС ooi 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. Схема измерения показана на рисунке 3.5.
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.
«Полезные» гармоники несут информацию о величине относительного эксцентриситета, а «мешающие» создают шум и снижают чувствительность метода. Для увеличения чувствительности необходимо выделять из ЭДС Е001 отдельные гармоники или группы гармоник в определенной полосе частот.
В [24], [1] приведено описание способа диагностики относительного эксцентриситета ротора АД по потенциалу нейтральной точки ОС относительно нейтральной точки симметричной звезды резисторов (рисунок 3.5). Рисунок 3.5 - Схема измерения потенциала нейтральной точки ОС
Расчеты показывают, что величина Е00 практически не зависит от сопротивления вольтметра и сопротивлений лучей звезды резисторов при условии Rz» Rf и RB Rz, где RB — сопротивление вольтметра. 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 (глава 4).
Для расчета ЭДС Е001 необходимо определить, какие гармоники поля наводят ЭДС в обмотке статора. В работе [5] приведены зависимости для расчета ЭДС обмотки статора только от гармоник поля целого порядка Vх. В работе [1] проводится анализ, какие гармоники поля наводят ЭДС в неподключенной обмотке статора двухскоростного АД с помощью векторной диаграммы ЭДС.
В формуле (3.4) принято, что в воздушном зазоре существуют только гармоники поля с числом пар полюсов, кратным числу пар полюсов основной гармоники, т.е. с порядком v , равным целому числу (при этом фазы ЭДС от таких гармоник в различных катушечных группах будут одинаковые).
При наличии эксцентриситета ротора и других неисправностей в воздушном зазоре возникают гармоники поля с числом пар полюсов v = р ± п и порядком v = 1 ± п/р, где р - число пар полюсов основной гармоники поля, п — целое число. Такие гармоники могут иметь четный и нечетный целый порядок v\ а в АД с числом пар полюсов 2р 2 - дробный порядок. При дробном v гармоники поля не наводят ЭДС в обмотке статора, хотя формула (3.4) дает отличное от нуля значение.
Из выражения (3.7) следует, что гармоники поля с дробным порядком v не наводят ЭДС в обмотке статора, а для гармоник с целым порядком v1 коэффициент распределения ОС на катушечные группы может принимать значения ± 1. В двухполюсном двигателе (р = 1, одна катушечная группа) все гармоники имеют целый порядок v1 и могут наводить ЭДС в обмотке статора. При эксцентриситете ротора с ростом п амплитуда гармоник порядка к = 1 ± п/р быстро снижается. В многополюсных двигателях кргу Ф 0 для основной гармоники к =1 и гармоник высокого порядка, амплитуда которых относительно мала по сравнению с основной гармоникой. Поэтому в таких двигателях ЭДС обмотки статора определяется основной гармоникой поля порядка v =l.
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 математической модели.
Схема размещения активных частей измерительных катушек показана на рисунке 4.9. В таблице 4.5 приведены параметры измерительных катушек, установленных в опытных двигателях АД №1 и АД №2.
Измерение ЭДС измерительных катушек производиться электронным вольтметром ВЗ-38. Спектральный анализ гармонического состава ЭДС проводился с помощью анализатора гармоник (АГ) низких частот С5-3.
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 - 0.8 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 [3];
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.
