Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния обеспечения надежности и методы диагностирования ад 12
1.1. Определение объекта исследований и вопросы надежности АД 12
1.2. Вибродиагностика машин и механизмов 20
1.3. Методы электромагнитной диагностики 22
1.4. Методы тепловой диагностики 24
1.5. Токовая диагностика АД 25
1.6. Устройства защиты и диагностики АД 31
1.7. Выводы 34
2. Гармонический состав и диагностические признаки ад при эксплуатации с неисправностями 36
2.1. Электромагнитные и электродинамические силы в работе АД 36
2.2. Спектр высших пространственных гармоник в АД 37
2.3. Гармонические составляющие токов при работе АД с износом подшипников 42
2.4. Аналитические соотношения токов статора АД при работе с износом подшипников 52
2.5. Анализ огибающих осциллограмм токов статора АД 53
2.6. Гармонические составляющие токов при работе АД с межвитковым замыканием 58
2.7. Анализ обобщенного вектора тока статора АД 64
2.8. Подходы к количественной оценки степени неисправности АД 67
2.9. Вопросы диагностирования АД в составе механизма 73
2.10. Выводы 76
3. Экспериментальные исследования маломощных ад с неисправностями в лабораторных условиях 78
3.1. Стенд для проведения экспериментальных работ АД с неисправностями 78
3.2. Испытание АД с исправными и неисправными подшипниками 80
3.3. Исследование механических потерь АД 86 3.4. Диагностика АД в составе механизма 90
3.5. Испытание АД с межвитковым замыканием 100
3.6. Выводы 106
4. Экспериментальные исследования ад с неисправностями в условиях эксплуатации 108
4.1. Разработка устройства для регистрации потребляемых токов АД 108
4.2. Процесс контроля эксплуатируемых АД
4.2.1. Диагностика АД в составе механизма 115
4.2.2. Диагностика АД в составе механизма
4.3. Оценка степени помех и погрешностей при измерении 121
4.4. Выводы 124
Заключение 126
Список литературы
- Методы тепловой диагностики
- Спектр высших пространственных гармоник в АД
- Испытание АД с исправными и неисправными подшипниками
- Диагностика АД в составе механизма
Введение к работе
Актуальность темы. Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АД) являются наиболее массовой продукцией электромашиностроения, на долю которых приходится свыше половины мирового энергопотребления.
Оценка технического состояния АД представляет собой важную задачу, решение которой способствует повышению надежности, снижению аварийных ситуаций, сокращению расходов и потерь рабочего времени, связанных с внеплановыми ремонтами оборудований. Диагностика технического состояния АД, работающих в качестве ответственных приводов, является важной задачей, авария которых может вызвать задержку технологического процесса. Проблема обеспечения высокой надежности работы двигателей с каждым годом становится все более актуальной в России, так как старение оборудования значительно опережает темпы технического перевооружения.
В целом существует несколько основных методов диагностирования электрических
машин: вибрационные, электромагнитные (на основе измерения электромагнитный
полей) и тепловые. Менее распространен метод токовой диагностики на основе анализа
амплитудно-частотной характеристики потребляемого двигателем тока. В ряде случаев
использование традиционных методов диагностирования (вибрационные и
электромагнитные методы) может быть экономически неоправданным, либо эксплуатируемое оборудование может находиться в труднодоступном месте, в таком случае методика токовой диагностики является альтернативным вариантом, позволяющим выполнить диагностическое обследование без вмешательства в нормальную работу двигателя.
В 2016 году в России был введен в действие международный стандарт ISO 20958-2013 «Condition monitoring and diagnostics of machine systems – Electrical signature analysis of three-phase induction motors», в котором отмечены основные рекомендации и регламенты, касающиеся проведения мониторинга и диагностики асинхронных двигателей на основе анализа токов статора.
Разработки и исследования последних лет по развитию методов и средств контроля и анализа текущего состояния двигателей позволяют реализовать технологию обслуживания «по состоянию», актуальную для российской промышленности, когда можно добиться существенного повышения технико-экономических показателей за счет повышения надежности электромеханического оборудования. В этом случае происходит увеличение времени между текущими и капитальными ремонтами. Кроме того эксплуатация неисправного АД также приводит к косвенным непродуктивным затратам электроэнергии, вызванным снижением коэффициента полезного действия (КПД) ввиду дополнительных потерь, и как следствие повышения потребляемых токов. Вопросы энерго- и ресурсосбережения в промышленности в определенной степени могут решаться на основе диагностирования электромеханического оборудования.
С развитием измерительных и вычислительных технологий, и учетом тенденций методов диагностики, разработка усовершенствованных методов токовой диагностики АД, включающих уточненные диагностические признаки, является актуальной задачей. Диссертационная работа посвящена вопросам разработки и исследования методики токовой диагностики маломощных трехфазных АД.
Актуальность работы направлена на повышение надежности эксплуатации АД и, как следствие, снижение вероятности возникновения внеплановых остановок технологического процесса, сокращение расходов на ремонт электромеханического оборудования и продлению его срока службы.
Степень разработанности темы исследования. Общий вклад в исследование надежности и вопросы диагностирования электрических машин внесли многие ученые, в
том числе: Гольдберг О.Д., Котеленец Н.Ф., Клюев В.В., Муравлев О.П., Никиян Н.Г., Осипов О.И., Bonnett A.H., Habetler T.G. и др.
Вклад в разработку методик диагностирования АД по потребляемому току статора внесли: Барков А.В., Баширов М.Г., Вейнреб К.Б., Гашимов М.А., Глазырина Т.А., Козярук А.Е., Новожилов А.Н., Петухов В.С., Рогачев В.А., Сарваров А.С., Antonino-Daviu J., Bellini A., Benbouzid M.E.H., Blodt M., Cardoso A.J.M., Filippetti F., Hyun D., Mehala N., Obaid R.R., Schoen R.R., Thomson W.T., Toliyat H.A. и др.
Целью диссертационной работы является совершенствование методики токовой диагностики износа подшипников и межвитковых замыканий трехфазных АД.
Задачи, которые были поставлены для достижения указанной цели:
- оценка состояния надежности и анализ методов диагностирования
электромеханического оборудования; аналитический обзор методик токовой диагностики
асинхронных двигателей;
анализ гармонических составляющих токов для некоторых типов АД, обусловленных конструктивными особенностями и неисправностями;
обоснование методики диагностирования износа подшипников АД по спектральному составу огибающей обобщенного вектора тока статора;
- анализ методики диагностирования межвиткового замыкания АД по
спектральному составу обобщенного вектора тока статора;
- проведение сравнительных экспериментальных исследований опытных АД и
механизмов для оценки установленных диагностических признаков.
Областью исследования являются эксплуатационная надежность и
диагностирование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в составе механизмов.
Объектом исследования являются маломощные общепромышленного типа трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:
определены уточненные комплексные диагностические признаки в спектре токов при работе АД с износом подшипников и межвитковым замыканием;
на основании результатов физических экспериментов установлены взаимосвязи: амплитудно-модулированных гармоник в спектре огибающей обобщенного вектора тока статора вследствие износа подшипников и четных гармоник низших порядков в спектре обобщенного вектора тока статора вследствие межвиткового замыкания;
проведены сравнительные экспериментальные исследования до и после ремонтов центробежного вентилятора и консольного насоса для анализа установленных диагностических признаков.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в совершенствовании методики диагностирования износа подшипников и межвитковых замыканий трехфазных АД по потребляемым токам статора.
Работа выполнялась в рамках проведения: НИР «Токовая диагностика эксцентриситета ротора асинхронных двигателей и опытные работы по разработке методики идентификации неисправностей» по договору № 7.2.1.1. д.-13/12 (конкурс «Молодые ученые УрФУ» 2014); НИР «Разработка программного комплекса для диагностики технического состояния асинхронных двигателей» по договорам № 4170ГУ1/2014 и № 10787ГУ2/2016 (конкурс «УМНИК»).
Результаты диссертационной работы используются в АО «Кировградский завод твердых сплавов» и в учебном процессе при подготовке студентов специальности «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений» в ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург).
Методология и методы исследований. В работе аналитическим методом рассматривались режимы работы АД с износом подшипников и межвитковым замыканием. В ходе исследования экспериментальным методом поэтапно сравнивались режимы работы АД в исправном состоянии и с приведенными неисправностями. Исходными данными являлись мгновенные значения токов и напряжений маломощных АД, полученных в ходе экспериментальных исследований. В качестве инструмента для обработки полученных данных применялся программный комплекс в пакете Matlab. При выполнении экспериментальных исследований были проведены испытания методики токовой диагностики в реальных условиях эксплуатации АД в составе механизмов.
Положения, выносимые на защиту:
- Диагностические признаки при работе АД с износом подшипников в виде
амплитудно-модулированных гармоник в спектре огибающей обобщенного вектора
тока статора.
- Диагностические признаки при работе АД с межвитковым замыканием в виде
четных гармоник низших порядков в спектре обобщенного вектора тока статора.
- Рекомендации по количественной оценке степени неисправности для
определения момента перехода АД из работоспособного состояния в
неработоспособное, полученные по результатам экспериментальных исследований.
- Результаты исследования по оценке механических потерь и КПД маломощных
АД в зависимости от состояния подшипников.
- Результаты сопоставительных диагностических обследований механизмов в
реальных условиях эксплуатации до и после ремонтов.
Степень достоверности. Достоверность научных положений и выводов в работе, а также результатов исследований обеспечивается согласованием результатов, полученных во время испытаний в лабораторных условиях и на реальных эксплуатируемых объектах.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и
обсуждались на научно-технических конференциях: III Международной конференции
«Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» АПЭЭТ-2014 (г.
Екатеринбург, 2014); 4-й Международной научно-практической конференции
«Эффективное и качественное снабжение и использование электроэнергии» ЭКСИЭ-04
(г. Екатеринбург, 2015); I Международной научно-практической конференции
«Материаловедение. Машиностроение. Энергетика» (г. Екатеринбург, 2015); I
Международной научно-технической конференции (МНТК) «Автоматизация в
электроэнергетике и электротехнике» (г. Пермь, 2015); IX Международной (XX
Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2016,
ICPDS (г. Пермь, 2016); Всероссийской научно-технической конференции,
посвященной 60-летию филиала УГНТУ в г. Салавате «Наука. Технология.
Производство – 2016: Современные методы и средства диагностики
электроэнергетического и электротехнического оборудования, средств и систем автоматики» (г. Салават, 2016); МНТК «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики» IPDME-2017 (г. Санкт-Петербург, 2017).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 19 научных работ, из них 7 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, среди которых 3 статьи, индексируются в международной базе цитирования Scopus, и 1 статья, индексируется в международной базе цитирования Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 191 наименований и 2 приложений. Основной текст содержит 150 страниц, 43 рисунка, 31 таблиц.
Методы тепловой диагностики
Вибродиагностика получила широкое распространение в области диагностирования АД и является одним из основных методов контроля технического состояния машин. Вибродиагностика позволяет анализировать широкий спектр процессов, происходящих в работающих машинах: процессы износа, распространение ударных импульсов и электромагнитные воздействия.
Ведущими мировыми компаниями по производству средств измерений вибрационных характеристик являются [47]: Bruel&Kjaer (Дания), Metravib Instruments (Франция), PCB Piezotronics (США) и др. Средствами реализации отечественных производителей являются виброанализаторы: СД-21 - АО «ВАСТ», АДП-3101 фирмы «ИНТОКЕС», Атлант-8 фирмы «Вибро-Центр» и др. Наряду с этим, также существуют системы [130]: «Паллада +» в основе которой лежат методы спектральной обработки вибрационных сигналов, на основании которых осуществляется экспертное оценивание текущего состояния оборудования и по итогам обработки выдается отчет, включающий интегральные параметры, среднеквадратичные значения виброскорости, перечень имеющихся дефектов; «Аврора» - система осуществляет оценку текущего состояния агрегата, определяет остаточный ресурс и рекомендует сроки планирования ремонта оборудования.
Система вибродиагностики должна быть максимально специализирована для конкретных машин и оборудований [47]. К достоинствам вибрационных методов можно отнести возможность определения точечных дефектов подшипников (дефекты внешней и внутренней обойм, сепаратора и тел качения), ослабление крепления опор, дефекты электромагнитной системы (обрыв стержней ротора) и т.д. К недостаткам реализации вибрационного метода относятся необходимость установки датчиков непосредственно на объект диагностирования (Рисунок 1.2.1) и жесткое требование к условию крепления датчиков [7, 31, 41]. В работе [83] отмечается, что не всегда бывает возможным отстроиться от вибраций, вызванных соседним оборудованием. Вибрация, измеряемая в контрольных точках работающего оборудования, является результатом колебательных сил в разных узлах оборудования. Максимальный объем диагностической информации, содержащейся в структуре колебательных сил, можно получить, разделив сигнал на составляющие (периодические, случайные и ударные) и анализируя их отдельно [94].
Кроме того, существуют экспертные системы виброакустического контроля технического состояния [95]. Достоинствами виброакустических методов неразрушающего контроля являются относительно высокая чувствительность к мелким дефектам и оперативность индикации. Недостатками являются необходимость высокой чистоты обработки поверхностности контролируемого объекта и наличие мертвых зон, также в работе [117] отмечается, что методы акустической эмиссии недостаточно чувствительны к электрическим повреждениям низковольтных двигателей. Следует отметить, что система виброакустического контроля при непосредственной установке пьезодатчиков на объект диагностирования обеспечивает надежное обнаружение дефектов. При появлении или росте дефектов в изоляции наблюдается акустическая эмиссия, которая регистрируется пьезодатчиками, установленными на изоляции. Датчики фиксируют амплитуду и частоту импульсов эмиссии. По амплитуде импульсов акустической эмиссии можно судить о размерах дефектов в изоляции, а по частоте – об их числе. Этим критерием пользуются при диагностике состояния изоляции машин большой мощности – турбо- и гидрогенераторов, синхронных компенсаторов и др. [53].
Результаты измерений шума в значительной мере зависят от акустических свойств помещения. Излучаемый испытуемой машиной шум может отражаться от пола, стен, потолка помещения, а также от различных предметов, расположенных в помещении. В этом случае при измерениях будет фиксироваться суммарный шум прямой и отраженной звуковой волны [126]. В работе [82] отмечается, при виброакустической диагностики существует проблема локализации и идентификации источников повышенной виброактивности. Для точных проведений акустических измерений рекомендуются специально оборудованные помещения, обеспечивающие образование звуковых полей самых простых конфигураций [48].
Методы электромагнитной диагностики АД основаны на измерении электрических и магнитных величин, зависящих от прогрессивности дефекта. Данные методы позволяют обеспечить точную диагностику, так как измеряемые величины непосредственно зависят от дефекта [94].
Одним из методов электромагнитной диагностики является метод ЭСК, при котором эксцентриситет определяют по величине ЭДС, посредством двух измерительных катушек, устанавливаемых на статоре (в воздушном зазоре) и рассчитаны на измерение гармоник поля с числом пар полюсов v = p±1. Для двигателей с числом пар полюсов 2p=2 предлагается измерять ЭДС от гармоники поля v = p+1. При этом шаг измерительных катушек составляет y=/2, а шаг между катушками ykk = , включение катушек последовательное [123]. Метод ЭСК требует установку измерительных катушек при изготовлении двигателя, либо при очередном ремонте.
Способ электромагнитной диагностики - метод ПНТ, позволяет измерить
эксцентриситет без предварительной установки внутри двигателей дополнительных элементов. В данном методе измеряется ЭДС между нейтральной точкой звезды обмотки статора и нейтральной точкой звезды резисторов, подключенной к питающим зажимам двигателя. Звезда резисторов создает «эталонный» нулевой потенциал [64]. Достоинством метода является отсутствие дополнительных устройств, встраиваемых в двигатель, недостатком является относительная сложность расчета тарированной зависимости для определения эксцентриситета по измеренному значению сигнала.
Информацию о техническом состоянии объекта можно получить на основе метода измерения характеристик поля рассеяния, существующего вблизи работающей машины, и являющегося частью общего магнитного потока [82]. Использование поля рассеяния в качестве основного или дополнительного источника диагностической информации позволяет повысить достоверность диагностических оценок [94]. При этом в случае наружного измерения поля рассеяния в лобовых частях машины необходимо иметь в виду возможность определенного нарушения магнитной симметрии из-за появления в путях силовых линий данного потока крепительных лап, торцевых крышек, подшипниковых щитов и др., изменяющих магнитное сопротивление [18]. Таким образом, внешнее магнитное поле машины частично экранируется корпусом, и индукция внешнего магнитного поля по мере удаления от источника спадает.
Существует также способ электромагнитной диагностики в виде встраиваемого в АД кольцевого измерительного преобразователя (КИП), который представляет собой катушку индуктивности, размещенную в торцевой зоне двигателя. КИП измеряет и выявляет величины несимметрии магнитных полей лобового рассеяния обмоток машины [40]. В этом случае обеспечивается достаточная достоверность результатов диагностирования, но требуется разборка и сборка машины с установкой КИП. Их использование наиболее целесообразно для мощных и ответственных машин.
Спектр высших пространственных гармоник в АД
Радиальным зазором gr (Рисунок 2.3.1) в подшипнике является расстояние, при котором внешняя обойма подшипника смещается в сторону внутренней обоймы. При этом номинальный радиальный зазор является необходимым для предотвращения нежелательного натяга между обоймами и телами качения. Возрастание величины радиального зазора подшипников свидетельствует об изнашивании беговых дорожек, и как следствие износа самого подшипника в целом, также на рисунке 2.3.1 приведены: d – диаметр тела качения; – контактный угол; D – диаметр делительный окружности; dn – смещение оси вращения ротора относительно оси статора; n – номинальный воздушный зазор. С периодом эксплуатации, любые возникающие дефекты внутри подшипника способствуют к определенным радиальным движениям между статором и ротором.
Возникающие возмущения в работе электрической или механической части машины и связанного с ним механизма приводят к изменениям магнитного потока в зазоре машины и последующей слабой модуляции потребляемого тока. Преобразование Фурье позволяет сопоставить сигналу, заданному во временной области (осциллограмме тока) за определенный промежуток времени, его эквивалентное представление в частотной области [113]. На рисунке 2.3.2 показана амплитудная модуляция тока статора при возникновении колебаний в работе машины, обусловленных механическим дефектом. В приведенном рисунке: огибающая осциллограммы тока (а) показана штрихпунктирной линией, глубина модуляции m отмечена штриховой линией; (б) в спектре амплитудной модуляции основную частоту f1 условно можно назвать несущей, а частоты (f1 – fr) и (f1 + fr) -боковыми полосами. Таким образом, в случае возникновения дефекта на потребляемый двигателем ток модулируются дополнительные гармонические составляющие, соответственно в частотной области появляются дополнительные гармоники на различных частотах. Рисунок 2.3.2 - Периодическая амплитудная модуляция токов: а) амплитудная модуляция тока во временном диапазоне; б) амплитудная модуляция тока в частотном диапазоне.
Амплитуды колебания боковых полос при амплитудно-модулированном колебании зависят от глубины модуляции m (от степени дефекта). Ширина полосы частот (Рисунок 2.3.2), занимаемой амплитудно-модулированным колебанием не зависит от глубины модуляции, а зависит от частоты составляющего возмущения, в частности fr.
Каждый из главных элементов подшипника имеет свою характерную частоту, на которой концентрируется вибрационная энергия в результате циклический напряжений и периодических ударов. Колебания частот подшипников определяются по следующим формулам [171]: - частота перекатывания тел качения по внутренней обойме f = (nf /2)(1 + (d /D) cos( 9)), (2.3.1) - частота перекатывания тел качения по внешней обойме f = (nf /2)(1-(d/D)cos(0)), (2.3.2) - частота вращения тела качения f =(Df/2d){1-(dcos(e)/D)2), (2.3.3) где n - число тел качений; f - частота вращения ротора, Гц; d - диаметр тела качения, мм; D - диаметр делительной окружности, мм; - контактный угол тела качения (условно 0) [175]. Непосредственную статическую нагрузку в процессе работы машины попеременно получают только несколько тел качений подшипника, в то время как остальные прокатываются между обоймами. Переменные нагрузки достигают своего максимума и минимума в верхних и нижних точках тела качения. Эти внутренние колебания машины, обусловленные дефектными подшипниками, вызывают в спектре токов статора АД определенные гармонические составляющие, выражающиеся соотношением [180, 183]: fbng=\A+k-fd\, (2.3.4) где fd - одна из характерных частот fi, f0, fi, соответствующих колебаний подшипников (2.3.1) - (2.3.3), Гц; к = ± 1, 2, 3 … (целые числа).
Как правило, на реальных объектах эксплуатируются АД разной высоты оси вращения и мощности, следовательно, в них используются различные типоразмеры подшипников, поэтому использование вышеприведенных выражений (2.3.1) -(2.3.3) требует постоянный перерасчет подшипниковых частот, с учетом конструктивных особенностей для каждого типоразмера. В то же время ряд авторов [139, 168] приводят упрощенные формулы для расчета характерных частот:
Вышеприведенные формулы (2.3.5) и (2.3.6) являются приближенными и могут использоваться, когда подшипник имеет от шести до двенадцати тел качений [139]. В работах [83, 94] отмечается, что в ситуации, когда токовая диагностика показала повреждения на «подшипниковых частотах», то дальнейшее определение дефектов подшипников (передний, задний или оба) рекомендуется выполнять с помощью вибродиагностики. Вместе с этим, можно отметить, что в большинстве случаев износ подшипников происходит со стороны привода, в виду неуравновешенного распределения нагрузки.
Таким образом, полагаем, что основным и надежным признаком износа подшипников двигателя является модуляция тока статора частотой вращения ротора [1]. При повреждении подшипников или нарушении центровки валов двигателя и приводимого им механизма, момент сопротивления, воздействующий на вал двигателя, периодически изменяется с частотой, пропорциональной частоте вращения вала. Периодическое изменение момента сопротивления вызывает появление в токе статора двигателя составляющих с частотой, пропорциональной частоте вращения вала (/1 - fr) и (/1 +/r) [10, 110].
Как правило, износ подшипников приводит к эксцентриситету воздушного зазора в АД. В работе [64] отмечается, при подработке подшипников возникает статический эксцентриситет, когда ось вращения ротора совпадает с его осью симметрии и не совпадает с осью симметрии статора. Вследствие этого в воздушном зазоре появляются дополнительные поля, что вызывают в обмотках АД дополнительные токи [71]. В таком случае необходимо рассмотреть влияние эксцентриситета на режим работы АД.
Испытание АД с исправными и неисправными подшипниками
Следует уточнить, что рост четных гармоник, также может быть частично обусловлен другими неисправностями (эксцентриситет, обрыв стержней ротора). Тем не менее, основным признаком несимметрии обмотки статора является рост основной гармоники f1, и последующая модуляция четных гармоник на частотах f2f10. В ходе экспериментов было установлено, что другие неисправности, не приводят к возникновению четных гармоник.
При симметричной обмотке статора токи в обмотках имеют форму, приближенную к синусоидальной, и, как следствие, постоянная составляющая отсутствует. При несимметрии обмотки статора, вызванной межвитковым замыканием, токи в обмотках отклоняются от синусоидальной формы. Появляются четные гармоники ввиду появления постоянной составляющей фазных токов.
В соответствии с [68] и [107] для диагностирования межвитковых замыканий в АД с 2p=2 по спектрам токов необходимо проанализировать четные гармоники низших порядков v = 210 ввиду их наибольших амплитуд и, как следствие, более чувствительных к межвитковым замыканиям по сравнению с гармониками высоких порядков. На основании изложенного можно допустить, что межвитковые замыкания в обмотке статора приводят к появлению дополнительных токов на частотах f1v210.
Ввиду того, что основным признаком неисправности обмотки статора АД является модуляция тока частотой питающей сети f1, при диагностировании межвитковых замыканий исследуется спектр на основе исходной осциллограммы тока. При этом спектр тока следует выполнять в логарифмическом масштабе dB/Гц вследствие доминирующей составляющей тока на частоте питающей сети f1.
При питании исправного двигателя переменного тока симметричным трехфазным напряжением синусоидальной формы величина потребляемого тока в силовых обмотках определяется режимом его работы, а форма при номинальной нагрузке в небольших пределах отличается от формы гармонического сигнала [1]. В работе [11] отмечается, что в случае асимметрии напряжений или эксцентриситета те же самые гармоники токов статора имеют разные амплитуды в каждой фазе. По мере увеличения эксцентриситета увеличиваются сопротивления в фазных обмотках, в частности сопротивления взаимоиндукции (xad, xaq) [22]. Кроме того, происходит неравномерное изменение сопротивлений катушечных групп при последовательном соединении их в фазных обмотках, что объясняется неравномерным распределением индукции между полюсами. Происходит сгущение магнитных силовых линий в полюсах, под которыми воздушный зазор минимален [23].
Исходя из этого следует учитывать, что при диагностировании необходимо измерение спектров тока во всех фазах обмотки машины. При этом гармонические составляющие, характеризующие износ подшипников, и межвитковые замыкания могут несколько отличаться между фазами в статоре машины. В таком случае возможно рассмотреть метод симметричных составляющих, который используется для исследования несимметричных режимов работы машин. Составляющие токов прямой, обратной и нулевой последовательностей записываются в матричном виде: где /о - составляющие токов нулевой последовательности, А; I 1+ - составляющие токов прямой последовательности, А;I2- составляющие токов обратной последовательности; а = о12/3 иа2 = о 4/3- операторы; іа, іь, U - мгновенные значения токов соответствующих фаз, А.
Анализ составляющих токов обратной последовательности позволяет диагностировать межвитковые замыкания обмоток статора. При этом увеличение составляющих токов обратной последовательности является также общим признаком нарушения внутренней несимметрии машины, что может быть вызвано другими неисправностями.
В этой работе диагностирование неисправностей основывается на спектральном анализе токов статора и исследуются амплитуды гармонических составляющих в спектре тока. В связи с этим полагается, что целесообразно формировать обобщенный вектор тока статора [56, 190]. Мгновенные значения токов трех фаз статора следует преобразовать одним обобщенным вектором тока в виде: Is = -(ia+a-ib+a 2-ic). (2.7.2) Периодическая амплитудная модуляция тока вследствие неисправности может быть незначительной по сравнению с амплитудой тока одной фазы, поэтому более информативным является анализ обобщенного вектора тока статора (2.7.2). На рисунке 2.7.1 приведен спектральный состав токов для АИР71В2У2 (1,1 кВт; 2800 об/мин) в исправном (новом) состоянии.
Диагностика АД в составе механизма
При диагностических обследованиях могут иметь влияние сетевые помехи, вызванные высшими временными гармониками, степень которых зависит от ряда факторов. Как правило, основными источниками высших гармоник в сетях электроснабжения являются [90]: электрическая дуга, насыщение трансформаторов, электронные регуляторы и ограничители напряжения, высокочастотная пускорегулирующая аппаратура и электронные трансформаторы. Наиболее серьезные нарушения из-за больших амплитуд гармоник в электрической сети получаются при работе мощных управляемых вентильных преобразователей.
Основными способами борьбы с высшими гармониками являются [6]: применение специальных разделительных трансформаторов, включение линейных дросселей, применение пассивных фильтров, применение активного кондиционера гармоник и магнитных синтезаторов. Разделительный трансформатор с обмотками «треугольник-звезда» позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют «перекрестную» зигзагообразную систему обмоток [9].
Для оценки наведенных помех на измерительный преобразователь в точке его установки внешними электромагнитными полями и другими потребителями электроэнергии, подключенными к щиту, необходимо периодически измерять спектры наведенных помех при выключенном двигателе. При появлении наведенных спектральных составляющих величиной более 10-3 от номинального тока АД, их наличие и величина должны учитываться при определении пороговых значений и при количественных оценках неисправностей [1].
На данный момент, полностью исключить сетевые искажения напряжения не представляется возможным. Использование разделительного трансформатора способствует изоляции электрической сети и электрооборудования от взаимного влияния высших гармоник. При диагностировании электрооборудования на основе анализа содержания высших гармоник возможно исключить помехи, вызванные работой другого электрооборудования [9]. Входные аналоговые каналы используемых АЦП являются дифференциальными. Дифференциальное подключение источника сигнала снижает уровень синфазных помех. Дифференциальные входы позволяют подключать источники сигнала таким образом, чтобы токи сигнальных цепей не протекали через один общий провод, что повышает корректность измерений.
По возможности для повышения точности при измерениях датчиками бесконтактного типа, рекомендуется позиционировать токовый преобразователь перпендикулярно проводнику с током в центре зажима [1].
Для повышения помехозащищенности при измерениях были использованы токовые преобразователи с экранированными кабелями.
Для достоверности результатов диагностирования время начала и окончания снятия измерений необходимо производить при установившемся режиме работы электромеханического оборудования.
В соответствии с ГОСТ 32144-2013 допускается отклонение основной гармоники f1 частоты питающего напряжения в пределах - 49,850,2 Гц и предельно допустимом – 49,650,4 Гц. Для учета возможного отклонения частоты основной гармоники f1 питающего напряжения, период t1 определялся по методу «нулевых точек» и соответствовал - 0,02 c.
При проведении экспериментальных исследований, в зависимости от точности приборов и методики измерений до определенной степени возникают неизбежные погрешности. Под погрешностью понимают возможное отклонение измеренного значения от истинного значения измеряемой величины. В силу несовершенства измерительной техники и иных факторов, существует возможность такого отклонения в определенном диапазоне.
По причине возникновения выделяют случайные (стохастические) и систематические (имеется в виду, инструментальные и методологические) погрешности [57]. Величина погрешности инструментального типа может быть оценена путем статистической обработки большого количества повторяющих опытов. В технической документации на средства измерения погрешность как правило задается в виде диапазона, без информации о доверительной вероятности и статистических параметрах. Для инструментальной погрешности доверительную вероятность обычно принимают равной P = 0,95.
Малая величина инструментальной погрешности характеризуемая относительно высокой степенью повторяемости при измерениях, которая была достигнута для измерительной аппаратуры в лабораторных условиях.
Результирующая погрешность измерения обычно выражается в виде [160]: А д/А2+А2 , (4.3.1) где - общая погрешность измерений; Д - результирующая стохастическая погрешность; B - результирующая систематическая погрешность. При условии, что величина Д на порядок меньше величины B, при в выражении (4.3.1) можно учитывать только величину B. При таком подходе погрешность измерений зависит только от величин инструментальной погрешности приборов. При этом общая погрешность может рассчитываться на основе погрешностей отдельных приборов в зависимости от расчетной схемы измеряемой величины: y = f(X1,x2,...,xn), (4.3.2) В рассматриваемом случае (4.3.2) измеряемая величина «у» измеряется косвенно, посредством величин Х\, Х2… х„. При проведении экспериментальных исследований в производственных условиях эксплуатации возможно лишь определить приближенную оценку погрешности измерений.