CC BY
11
Том 161
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1967
АНАЛИЗ И СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ РОТОРНО-ИНДУКТОРНОЙ ЦЕПИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ КОРОТКОЗАМКНУТЫХ РОТОРОВ
А. И. ЗАЙЦЕВ, М. П. ТАБИНСКИЙ
(Рекомендована научным семинаром электромеханического факультета)
Литейные дефекты короткозамкнутого ротора ухудшают рабочие характеристики асинхронного двигателя. Несмотря на строгий пооперационный контроль во время изготовления двигателя, дефект ротора зачастую удается обнаружить только при контрольном испытании собранной машины, когда исправить его уже нельзя, и ротор приходится выбрасывать в утиль. Это приводит к значительной затрате труда, времени и материалов, срывает ритмичность выпуска двигателей. Между тем, бракованный ротор можно перезалить, если обнаружить дефект до механической обработки ротора. По данным завода «Кузбасс-электромотор», дефекты литья роторов причиняют заводу ежегодно убыток около 20 ООО руб. Не исследован еще вопрос, как влияет допустимая по заводским нормам несимметрия ротора на надежность двигателя. Как извечно, допускается несимметрия ротора, приводящая к пятипроцентному колебанию тока статора при опыте короткого замыкания.
По [1], обрыв одного стержня из 46 уже недопустим, а в этом случае, как показывает опыт, колебание тока короткого замыкания не превышает 2%.
В настоящее время отсутствует эффективный контроль качества заливки роторов до механической обработки. Предлагаемые в разное время методы контроля не нашли применения в производстве из-за сложности, низкой чувствительности, или низкой производительности [2, 3].
Авторами предложена, сконструирована и испытана установка для контроля роторов до механической обработки, свободная от этих недостатков. Установку обладает универсальностью, так как на ней можно контролировать ротора различных габаритов, с любой конфигурацией и числом пазов.
Принципиальная схема установки приведена на рис, 1.
Контролируемый ротор 1 помещается на двух параллельных, синхронно вращающихся в одну сторону, стальных цилиндрических валках 2. Под ротором установлен индуктор 3 с Ш-образным сердечником. На среднем магнитопроводе индуктора намотана обмотка возбужде-
ния, которая подключается к сети переменного тока промышленной частоты. На двух крайних магнитопроводах намотаны измерительные обмотки,-соединенные встречно. Индуктор может перемещаться с помощью ходового винта по вертикальным направляющим, что позволяет устанавливать оптимальный зазор между ротором и индуктором при различных диаметрах ротора. Зазор может достигать 2 мм и более.
Ток ¡ь протекающий по обмотке индуктора coi, создает в среднем маг-нитопроводе магнитный поток, который замыкается по крайним магнито-проводам индуктора через два участка ротора I и II и по путям рассеяния-
Магнитные потоки, пронизывающие I и II участок ротора, индуктируют в стержнях этих участков э. д- е., благодаря чему возникают токи ротора 1{и)1 и /<и)2, которые создают свои магнитные потоки, направленные на-встречу возбуждающим потокам. В результате в магнитной цепи потоки распределяются, как указано на рис. 1, где обозначено: ФРиъ Фри2; Фриз - первые, вторые и третьи потоки рассеяния индуктора; Ф\ и ф2 .— потоки, сцепленные со стержнем ротора и обмоткой индуктора coi
Потоки Фх и ФРи2 индуктируют в измерительной обмотке w2 напряжение f/2, потоки Ф2 и Фрнз индуктируют в обмотке w.¿ напряжение í/3.
Измерительные обмотки w2 и w3 соединены по дифференциальной схеме и на выходных зажимах возникает разность напряжений
UВЫХ ~ U2 - U3*
i
Если в I и II контуре ротора находятся стержни с одинаковыми сопротивлениями, то потоки Фх и Ф2 будут одинаковыми. Потоки ФрИ2 и Фриз одинакосые в силу симметричности индуктора. Выходное напряжение в этом случае равно нулю.
Литейные дефекты стержней образуют раковины, сужения и разрывы, что приводит к изменению активного сопротивления стержней. Рассмотрим случай, когда активное сопротивление первого контура ротора больше сопротивления второго контура. В этом случае ток второго контура создает магнитный поток, вытесняющий возбуждающий поток индуктора в первый участок, что приводит к увеличению потока Ф\ (Ф1>Фг). В результате напряжение^ становится больше напряжения í/з, и разность йапряжений U2 — /73 может достигать значительной величины.
Литейный дефект при вращении ротора перемещается с первого участка во второй, поэтому на один дефект литья приходит два максимума напряжения ¿/Вых-
Для определения чувствительности установки к различным литейным дефектам стержней ротора целесообразно представить реальный индуктор вместе с исследуемым ротором схемой замещения. Принцип работы установки и физические процессы, протекающие в ней, не изменятся, если Ill-образный магнитопровод индуктора заменить двумя
Рис. 1.
П-образными магнитопроводами с двумя обмотками возбуждения хя)\ и Шц , имеющими по хюх витков, соединенными последовательно. Таким образом, Ш-образный индуктор вместе с ротором аналогичен по принципу действия двум трансформаторам, у , которых первичные обмотки соединены последовательно, а вторичные обмотки Замкнуты на сопротивления и #р2 Приведенная схема замещения изображена на рис. 2, где обозначено:
> ¿1
Г, /Шрш
4
4
¿о 4
3 и3
-Л.
Рис. 2.
Рис. 3.
^ри
гу— суммарное активное сопротивление обмоток возбуждения хюх и хюц индуктора; ¿Ри2 ; ¿риз — первая, вторая и третья индуктивность рассеяния обмоток возбуждения ха)\ и шц индуктора;
Ми М2— взаимоиндуктивности обмоток возбуждения индуктора и ^п с роторными контурами I и II;
Ьрр 1 ¿РР2—приведенные индуктивности рассеяния роторных контуров I и И;
Яр ь Яр 2— приведенное активное сопротивление обмотки ротора.
Схему замещения рис. 2 можно преобразовать к последовательному соединению эквивалентных сопротивлений (рис. 3):
г2 = /о>£
/о)/,ри
21 = Г1 + Д0)1ри 1 . , + /^¿рр!)
(«¿2+ /а
ри 2
*р2 + /*(М2+^рр2)
Напряжение на измерительных обмотках равно:
(1) (2)
(3)
Ог =
и,
ил
н>з
иг.
1^2»
(4)
(5)
Так как измерительные обмотки соединены последовательно-встречно, то выходное напряжение Овых равно разности напряжений Ог и £/а.
73.
= 11—
XVI
(6)
IV и
№ вых =
Учитывая, что а;я ="а*3 = а;и , и что Ш] из формул (4) и (5)
следует:
ивых = - иг = ~ ¿1 (г, — г3) =
( ^р! + /т£рр1 ) №р2 + /мЧр2 ) /шЛ*»
лр1+/<о ¿рр|) /?р2 + /.о (уи2 + ¿рр2)
В силу симметричности электромагнитной цепи установки при отсутствии дефектов литья обмотки ротора справедливы равенства:
М, = М2 = М, (7)
I I I
=/?;. до
I
В таком случае, согласно формуле (6)
¿вых^О.
Рассмотрим случай, когда литейные дефекты приводят к изменению сопротивления стержня на первом участке ротора на величину
и допустим, что равенства (7) и (8) при этом не изменилось. На измерительных обмотках появится напряжение:
+ дя' + Ь1РР) ¡ш ьм 1
VI I я; м' + ММ + ) /?р + /о, СМ + Лрр ) _г
Сопротивлениями и А/?' в знаменателях дробей можно пренебречь, так как их величины намного меньше по сравнению с индуктивными сопротивлениями схемы замещения. После несложных преобразований получим
и ^ ' пп
^вых^/1 —- 77—р • М1;
Эта формула хорошо согласуется с опытом, если
и Д/Г + К^ОЛММ + ^р).
Аналогично выводится формула для расчета выходного напряжения при обрыве одного стержня на первом участке ротора (:>/? = оо):
(12)
Необходимо отметить, что в действительности МХ>М2, так как на величину взаимоиндуктивности влияет вытеснение магнитного потока с участка ротора, где стержень целый, в участок с оборванным стержнем. Поэтому замеренная опытным путем величина 0ВЫХ на 20-^-30% больше расчетной при принятии равенства М\=М2.
На рис. 4 приведена осциллограмма выходного напряжения индуктора ¿/вых при проверке ротора двигателя КО 22-4 с одним оборванным стержнем. Ротор необработанный. Для осциллографирования напряжение выпрямлялось и сглаживалось.
На рис. 5 приведена осциллограмма напряжения 0ВЫХ при исследовании на установке ротора двигателя КО 22-4, забракованного испытательной станцией по 5%-му колебанию тока короткого замыкания. На осциллограмме отчетливо виден характер литейного брака: два оборванных стержня, расположенные рядом (а) и два оборванных стержня, размещены по окружности ротора (б, б).
Л4
Экспериментальная проверка предлагаемого способа определения литейных дефектов проводилась в производственных условиях на Кемеровском электромоторостроительном заводе «Кузбассэлектромотор».
Шьа
> о до* Iво° 2Ж зыг^
4 (/да»
•¡О
а
а «
цг шг гиг
Рис.
Рис. 5.
Основные технические данные проверяемых роторов даны в табл. 1.
Пазы роторов закрытые. Ротора испытывались необработанными, непосредственно после заливки на центробежной машине и остывания до температуры ок. 100°С.
Таблица 1
Тип двигателя Диаметр ротора Длина ротора Форма паза Количество
КО-12—4 180 200 Двухклеточный 46
КО-12-6 185 200 » 46
К 0-22—4 205 230 » 46
КОФС-21—2 195 165 Глубокий 28
В результате испытаний установлено, что на установке четко фиксируются линейные дефекты стержней, приводящие к 2%-му колебанию тока при опыте короткого замыкания собранного двигателя
/ Укс-^ин в шо ^ 2о£
^макс
Выходное напряжение при прохождении над индуктором участка ротора с оборванным стержнем на 50% больше, чем при нормальном стержне (25 в и 5 в соответственно). При наличии литейного дефекта, приводящего к изменению активного сопротивления стержня на 40%, выходное напряжение становится на 100% больше, чем при нормальном стержне (10 и 5 в соответственно).
Процесс контроля, установки и снятия ротора диаметром 200 мм и весом 50 кг занимает не более 30 сек. времени.
Испытания показали, что шероховатость и местные загрязнения ротора толщиной до 2 мм не оказывают заметного влияния на работу установки.
Выводы
Предложенная установка для определения литейных дефектов при заливке ротора простая в изготовлении и эксплуатации, обладает большой чувствительностью. Простота эксплуатации и измерения позволяет легко автоматизировать операцию контроля качества заливки рс. торов асинхронных двигателей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hiller, Ute — Maria: Einfluß fehlender Läuferstäbe auf die elektischen Eigenschaften von Kurzschlußlaufermotoren. ETZ — A, 1962, № 4.
2. А. В. С а ф p о н о в. Методы обнаружения дефектов роторов асинхронных двигателей, ЦБТИ, Москва, 1959.
3. Дан Теодореску. Новый способ определения литейных дефектов стержней короткозамкнутых роторов. ВЭП, 1963, № 7.
ч
