Диагностика конденсаторных однофазных асинхронных двигателей с учетом технологических и эксплуатационных факторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313.1.004.58

ДИАГНОСТИКА КОНДЕНСАТОРНЫХ ОДНОФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ

Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, О.А. Бойкова, Д.Ю. Пашали г. Уфа, Уфимский государственный авиационный технический университет

THE DIAGNOSTICS OF SINGLE-PHASE CAPACITOR INDUCTION MOTORS BY THE LEVEL OF EXTERNAL MAGNETIC FIELD, WITH ALLOWANCE FOR TECHNOLOGICAL AND OPERATIONAL FACTORS

F.R. Ismagilov, I.H. Hairullin, O.A. Boykova, D.U. Pashali Ufa, State Aviation Technical University

Рассматриваются вопросы диагностики конденсаторных однофазных асинхронных двигателей по внешнему магнитному полю с учетом возможных отклонений размеров форм и взаимного расположения поверхностей активных частей, вызванных технологическими и эксплуатационными факторами. Обсуждаются полученные результаты, в том числе диагностические признаки и особенности практического применения метода.

Ключевые слова: конденсаторный однофазный асинхронный двигатель, диагностика технического состояния, внешнее магнитное поле, точность изготовления, технологические и эксплуатационные факторы.

The problems of diagnostics of single-phase capacitor induction motors by the level of external magnetic field with allowance for possible deviations of the sizes of the forms and relative position of active parts of the surface, caused by technological and operational factors are analyzed. The results obtained, including diagnostic features and characteristics of the practical application of this method are discussed.

Keywords: single-phase capacitor induction motor, diagnostics of technical condition, external magnetic field, the accuracy of production, technological and operational factors.

Введение. Главной задачей поддержания высокого качества серии конденсаторных однофазных асинхронных двигателей (далее КОАД) в условиях развития производства является диагностирование их технического состояния с учетом технологических и эксплуатационных факторов, на основе которого осуществляется периодический контроль их параметров; формулируются и решаются задачи по доработке конструкций и технологии изготовления изделий [1].

К технологическим факторам, влияющим на техническое состояние КОАД, относятся: специфические дефекты, возникающие при штамповке (наклеп и заусенцы, основной причиной последних является величина зазоров между матрицей и пуансоном и состояние их режущих кромок); погрешности получаемых размеров и формы, возникающие при механической обработке; погрешности взаимного расположения базовых и обрабатываемых поверхностей; погрешности сборки сер-

дечников из-за нарушения режима прессовки пакетов и способа их стягивания и крепления; статический эксцентриситет; отклонение комплексного сопротивления обмоток, вызванное ошибками в числе витков, погрешностями формы секции и шага укладки, чрезмерным натяжением провода при намотке секции, отклонением параметров конденсатора.

К эксплуатационным факторам, влияющим на техническое состояние КОАД, относятся погрешности формы поверхностей статора и ротора, образующих воздушный зазор, а также их взаимное расположение в радиальном направлении.

В условиях промышленного производства КОАД, как правило, удается устранить негативные факторы или существенно ослабить их влияние путем совершенствования оборудования, технологических процессов, процессов восстановления электромагнитных свойств материала, методов и средств диагностики КОАД и/или их деталей и

узлов, а также совершенствования схем обработки, режимов резания и инструмента.

Техническое диагностирование КОАД в основном [2, 3] осуществляется тепловым, электрическим и виброакустическим методами, которые в определенных ситуациях, таких как низкие температуры, виброакустические помехи и т.д., не применимы или не обеспечивают необходимой достоверности информации. Решение современных задач диагностики требует привлечения принципиально новых методов и средств, например, диагностирование по картине внешнего магнитного поля (далее ВМП). При этом измерение диагностических параметров производится бесконтактным методом и, что важно, в рабочем режиме. Использование ВМП в качестве как основного, так и дополнительного источника диагностической информации позволяет более достоверно оценить техническое состояние и прогнозировать отказы электрических машин. Несмотря на очевидные достоинства, характеристики ВМП как диагностического параметра мало изучены и практически не используются при оценке технического состояния КОАД, поэтому развитие теории и технических средств диагностики по внешнему магнитному полю является актуальной научно-технической задачей.

Внешнее магнитное поле конденсаторных однофазных асинхронных двигателей. В [4] приведена математическая модель для диагностики по ВМП КОАД с магнитной несимметрией поперечного сечения активной части на базе физической модели двигателя со статическим эксцентриситетом. При решении задачи приняты допущения: бесконечная активная длина машины; на сердечниках статора и ротора отсутствуют пазы; обмотка управления представлена в виде бесконечно тонкого токового слоя, покрывающего расточку статора, создающего основную гармонику намагничивающей силы, изменяющуюся по синусоидальному закону вдоль расточки; статор имеет гладкую (отсутствуют концентраторы магнитного поля) наружную цилиндрическую круговую поверхность. С целью повышения точности диагностирования, авторами предложена математическая модель, в которой в отличие от [4] учитывается

влияние пазов, насыщение стали сердечника статора и влияние корпуса на ВМП КОАД.

Расчётная схема КОАД приведена на рис. 1. Полный коэффициент зазора имеет вид [5]

к ^, (1)

где К = -

У з§

> 1 - коэффициент, учитывающий

влияние пазов; 8 - номинальный воздушный за-

зор; Уз =

2—

8

4 - зубцовое деление статора;

, я8

8П--------

2т

Ьп - ширина открытия паза; ^ > 1;

я8

2т

^ 7 ///

т = — - полюсное деление; k8 = 2 Р

1

1 - 0,066— 2с

коэффициент ослабления поля; р - число пар полюсов; 2с - ширина активной зоны КОАД; ъ - общее число пазов статора и ротора.

С учетом (1) эквивалентная величина воздушного зазора, учитывающая влияние пазов, неоднородность поля в зазоре и насыщение магнитной цепи:

§' = ^ ^8, (2) где кр - коэффициент насыщения, учитывающий что рс Ф ^, при номинальном магнитном потоке кр = 1,2-1,35, для КОАД с Р=250 кВт, кр = 1,55.

Влияние корпуса КОАД на ВМП учитывается коэффициентом кэ, который с учетом [6] определяется следующим выражением:

Г я„ар Р

нар чЯк у

01

Г я

Р

нар

+ 02

Г я

V Р

нар

(3)

где Янар - наружный радиус магнитопровода статора КОАД; Як - радиус корпуса КОАД; dк - толщина корпуса КОАД;

Рис. 1. Расчетная схема КОАД: 1 - ротор; 2 - воздушный зазор; 3 - немагнитный промежуток между корпусом и поверхностью КОАД; корпус КОАД; 5е - смещение оси ротора от оси статора при статическом эксцентриситете

01 = 2

К1(Як - ^ ) Р^п

кЯк

-

(

02 = 2

сЖ^к

К1(Як - dк) + Р^п

(4)

Р^гк Г. Як - dк ^

КЯк.

shK1dк +

1 + -

як

chK1dк

2

где К1 = . К2 +

V Як у

; К = ;юмУк; ^гк - отно-

сительная магнитная проницаемость материала корпуса; ук - удельная электрическая проводимость материала корпуса.

В неравномерном воздушном зазоре, для случая симметричной трехфазной обмотки статора, и с учётом того, что рабочая гармоника линейной токовой нагрузки с р парами полюсов выражается как

А = Ат Бт(ра - ю/) (5)

в выражение для оценки магнитного поля в воздушном зазоре с учётом технологической погрешности может быть представлено в виде (при р > 1)

. АтЯсик „

щ=-

81^к

-X

х| соє(Ра - ш^+2^

соє((р + 1)а - (ш+ш)/) + +соє((р -1)а- (ш-ше У)

(6)

где Ат - амплитуда линейной токовой нагрузки; 11 - активная длина КОАД; Яс - номинальный радиус внутренней расточки статора; Яр - номинальный радиус ротора; а - координата в системе, неподвижной относительно статора; ш = 2п/ -угловая частота; / - частота сети; ест - относительный статический эксцентриситет ест = 8е/8; ше - частота токов (гармоники), вызванная эксцентриситетом, скорректированная по скольже-ш

нию ше = (1 - 5) —, при заторможенном роторе

сг Р

ше = 0 ; 5 - скольжение прямовращающейся волны первой гармоники магнитной индукции отно-

1 1 -Л1 - ес2т

сительно ротора; мк = , ; # = 2--5------

1

Єст д/1 Єст

Выражение для оценки электромагнитного фона в статоре от технологической погрешности может быть получено из (6) с учётом насыщения стали статора

Яинд Я8

(7)

где Яс < Я < Ян

Янар - наружный радиус магни-топровода статора; рг = /(Н) - относительная магнитная проницаемость материала статора.

Авторами получены соотношения для инженерной методики расчета электромагнитного поля в индукторе при номинальных электромагнитных нагрузках серийных КОАД

Яс

Яинд Я8

3цн - 26(Я - 0,4Янас )2 Я

(8)

Я,

где Янас - напряженность насыщения; цн - начальная относительная магнитная проницаемость материала статора (при Я = 0).

Для холостого хода и малых электромагнитных нагрузок

Яинд Я8 Г

Яс

25 Я2- Я 2 + ^н

л

(9)

Я

В [4] показано, что ВМП КОАД определяется с учетом коэффициента, равного отношению напряженности магнитного поля в первичной среде к напряженности магнитного поля во вторичной среде. При этом рассматриваются радиальные составляющие напряженности - нормальные к наружной поверхности машины. Анализ получаемых таким образом уравнений для зоны перехода от статора к окружающему пространству показал, что ВМП в пространстве под корпусом может быть представлено с учетом (5)-(9) в виде

ТТ _ ТТ у

вмш _ линд

ЄХР(2пт ^ -(эв ))

Гвн « + Vв )с^£„ - ) + (1 + ¥нЖ^Йн - 4в)

2Янар + гвн

л/2

л/шу

-^вмп ^в:

где

у=1

г > Я

вн _ нар •

с^г у

(10)

(11)

_к.

^г

5вМг

. ТТ(2п-1) 3 і ■ Г- п2 Г

Лг=— --------; п = 1,2,3...; £н = ід/./шр„-МУсЯтр +с

гЯнар )' + руг ; ^в ]^]шруі^усЯнар + ?в ;

с;в = ^(ХгЯв )2 - ріі ; руг- - число пар полюсов произвольной гармоники МДС статора; для основной гармоники РУг- =р ; ус - удельная электрическая проводимость материала статора.

Внешнее поле КОАД с учетом экранирования корпуса Явмп к может быть представлено в виде

,)2 + Р2

в

Hинд^/'ІvІ'BexP (2nm^н - ?в)) ((ар + Гвн

2^

( )p Г

нар

^r (Гвн(( + ()ch(|н -|в) + (1 + ¥н¥в)sh(|н -|в) K1(RK - dK) p^

2Rp ((к - d

p

к) v

p^r

shK1dK -

+2

Г Rк - dк УГ V Лнар у

K1(R - dк) + p^

p^n

KlR

KlR

shKd +

1 - Rк - dк Rк

chK1dK

Rк

chK1dK

(12)

На рис. 2 приведена зависимость изменения напряженности ВМП от угла а и эксцентриситета ротора вдоль расточки статора КОАД для холостого хода при р = 1; Ь1/Яс = 1,1; цг = 800;

У с = 1,7'1°7; Янар = 64 мм.

При смещении ротора относительный рост амплитуды напряженности ВМП при эксцентриситете равном ест = 0,1 и р=1 составляет 6 %.

Относительное приращение напряженности ВМП АН при увеличении эксцентриситета монотонно возрастает (рис. 3). Предел роста АЯ определяется жесткостью системы статор-ротор или максимально допустимым смещением оси ротора относительно оси статора.

Для аппаратной реализации метода разработана программа [7], которая позволяет оператору:

• производить автоматизированный расчет электромагнитного поля в рабочем зазоре и ВМП КОАД в реальном времени;

• формировать базы данных диагностических

критериев и отображать результаты контроля с учетом степени развития дефекта в режиме онлайн;

• отображать информацию о состоянии объекта диагностирования на видеокадрах монитора;

• непрерывно и циклически измерять параметры ВМП (напряженности электромагнитного поля) с идентификацией диагностических признаков дефектов (повреждения подшипников, статического эксцентриситета, осевых сдвигов вала, относительного расширения ротора, овальности поля в воздушном зазоре и т.д.);

• оценивать магнитную совместимость.

Программа реализована на языке Visual

Basic 6.0. Персональный компьютер, рабочая станция оперативного контроля и рабочая станция диагностирования ВМП работают под управлением операционной системы Microsoft не ниже версии XP. База данных реализована в редакторе MS Excel. Динамическая информация о состоянии КОАД отображается на мониторе ПК.

В главное окно пользователь вводит основные геометрические размеры КОАД, нажимает кнопку «Рассчитать», после чего запускается основной алгоритм, в результате работы которого на экран выводится результат расчета диагностического параметра и отображается окно «Результаты диагностики», в котором наглядно отображается степень развития дефекта. После нажатия кнопки «Записать в БД» в окне «Результаты диагностики» сохраняются текущее значение внешнего магнитного поля КОАД и соответствующее ему значение диагностического параметра, дата и время измерения, типоразмер КОАД.

После нажатия кнопки «Построить эскиз» в главном меню отображается окно «Эскиз», в котором наглядно показано развитие дефекта (например, текущее положение ротора при оценке статического эксцентриситета).

Экспериментальное исследование внешнего магнитного поля конденсаторных однофазных асинхронных двигателей. На основе результатов, полученных в работе, для проверки возможности использования ВМП как диагностического сигнала разработан диагностический комплекс (ДК), предназначенный для экспериментальных исследований и диагностики КОАД, оценены его метрологические характеристики. ДК позволяет задавать различные режимы работы, определять характеристики КОАД в рабочих режимах; моделировать с количественной оценкой технически неисправное состояние, обусловленное технологическими отклонениями или эксплуатационными факторами; измерять как диагностический параметр внешнее магнитное поле исследуемого объекта; проводить обработку данных измерений, записывать результаты и выдавать информации на экран персонального компьютера (ПК). Структурная схема диагностического комплекса для исследования КОАД приведена на рис. 4.

Исследуемый объект диагностировался в заданных режимах работы. Сигналы с датчика сети и индукционного датчика внешнего магнитного по-

ля (ДВМП) усиливались и фильтровались блоком предварительной обработки сигнала (БПОС) и передавались на аналого-цифровую измерительную приставку к ПК - Нandyрrobe.

Получаемые таблицы данных спектроанализатора (формат частота - падение напряжение канала 1 - падение напряжения канала 2) вводились для последующей обработки в пакет электронных таблиц Microsoft Excel. Определялось математическое ожидание значения напряжения для каждой частоты в спектре напряжения при одном и том же положении ДВМП и затем, после отбрасывания промахов, по значению напряжения проводился расчет напряженности внешнего магнитного поля с использованием пакета Microsoft Excel. Погрешность измерения не превышала 5 %. Число повторных опытов - 16. Данные спектроанализатора записывались в файл на жесткий диск компьютера в следующем формате: число выборок сигнала 512, диапазон частот 250 Гц. Амплитудное значение электродвижущей силы ДВМП автоматически корректировалось в зависимости от изменения данных датчика сети (ДС), что позволило при анализе осциллограмм исключить из рассмотрения сетевые помехи. Гармонический состав ВМП определялся по опытной кривой его распределения. Исследования проводились для КОАД с различным числом пар полюсов в режимах: холостого хода, под нагрузкой и короткого замыкания. Анализ распределения поля в основном проводился по данным замеров при расположении ДВМП на расстоянии 0,2 мм от поверхности КОАД. Эксцентриситет моделировался в пределах от нуля до 0,38.

Кривые функции диагностических параметров для КОАД, работающих в режиме под нагрузкой, при наличии и отсутствии дефекта приведены на рис. 5.

Анализ полученных зависимостей показывает, что в спектральном составе ВМП содержится диагностический сигнал в виде изменения амплитуды напряженности ВМП, позволяющий оценить

Л

f U

К1 ^

БПОС К2

і і

спектроанализатор Handyprobe

N. ПК

г'

Рис. 4. Структурная схема экспериментальной установки для исследования ВМП КОАД: М - исследуемая машина; ДВМП - датчик индукционный внешнего магнитного поля; СЗУ - система задания углового положения ДВМП; ДС - датчик сети; БПОС - блок предварительной обработки сигнала (усилитель сигнала ДВМП и режекторный фильтр); ПК - персональный компьютер

Индукция ВМП

1

: N Ии

|Кд/ 1

Частота,

а)

Гц

Рис. 5. Спектральный состав радиальной составляющей ВМП КОАД: а - при отсутствии дефекта; б - при наличии дефекта

качество изготовления КОАД после его сборки и/или осуществлять мониторинг его технического состояния при работе.

Анализ полученных данных показывает удовлетворительную сходимость с расчетными: для р=1 расхождение составляет не более 14 %, в модели [4] - 20 %, для машин с р=2-3 %. Таким образом, учет влияния пазов, насыщения стали сердечника статора и влияния корпуса на ВМП КОАД позволяет повысить сходимость расчетных и экспериментальных данных в 1,7 раз. Наиболее информативной при диагностике асинхронных двигателей является третья гармоника.

Выводы. С целью повышения точности диагностики исследовано ВМП КОАД, разработаны математические модели как функции параметров, сопоставление которых определяет диагностические признаки состояния, учитывающие влияние геометрических соотношений активных элементов конструкции, технологических и эксплуатационных факторов, реальные особенности конструкции КОАД, в том числе влияние пазов; насыщения стали сердечника и влияние корпуса КОАД на его техническое состояние.

Разработан диагностический комплекс, на котором проведены экспериментальные исследования спектральных характеристик внешнего магнитного поля КОАД с имитацией технологических и эксплуатационных дефектов. При несоосности статора и ротора КОАД амплитуда основной гармоники индукции ВМП в зависимости от числа пар полюсов возрастает на 15-20 %.

Разработанное авторами оригинальное программное обеспечение позволяет оценить степень развития дефекта в процентном отношении к исправному состоянию КОАД, а также прогнозиро-

вать и своевременно производить ремонт и/или замену элементов КОАД, что в итоге позволяет сократить затраты на плановый ремонт, избежать экономических убытков.

Литература

1. Пашали, Д.Ю. Повышение эффективности диагностирования роторного оборудования энергетических систем / О.А. Бойкова, Д.Ю. Пашали, В.Е. Вавилов // Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения: материалы всероссийской конференции. - Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 16-18.

2. Григорьев, В.И. Приборы и средства диаг-

ностики электрооборудования и измерений в системах электроснабжения: справ. пособие /

В.И. Григорьев. - М.: Колос, 2006. - 272 с.

3. Обзор современных методов и средств оперативной диагностики электромеханических преобразователей энергии / Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, О.А. Бойкова//Вестник УГАТУ. -2010. - № 4(39), Т. 14. - С. 73-79.

4. Хайруллин, И.Х. Диагностика электромеханических преобразователей по внешнему магнитному полю / И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали // Вестник УГАТУ. - 2006. - № 1(14), Т. 7. - С. 165-169.

5. Теория электромеханических демпфирую-

щих преобразователей с распределенной вторичной средой: монография / Ф.Р. Исмагилов,

И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Пашали, Р.Р. Саттаров. -М.: Машиностроение, 2010. - 327 с.

6. Романов, В. В. Расчет индукции на внешней поверхности корпуса турбогенератора / В.В. Романов, В.А. Смирнов // Электричество. -№ 8. - 1984. - С. 8-13.

7. Свидетельство о государственной регист- хронных двигателей / И.Х. Хайруллин, Д.Ю. Паша-

рации программы для ЭВМ № 2010615107. Про- ли, О.А. Бойкова. - 2010.

грамма расчета внешнего магнитного поля асин

Поступила в редакцию 01.04. 2011 г.

Исмагилов Флюр Рашитович - докт. техн. наук, профессор, проректор, заведующий кафедрой «Электромеханика», Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа. Область научных интересов - электромеханические преобразователи энергии. Контактный телефон: 8 (347) 273-77-87.

Ismagilov Flur Rashitovich - Doctor of Science (Engineering), Professor, pro-rector, Head of the Department of Electromechanics of Ufa State Aviation Technical University, Ufa. Research interests: electromechanical converters of energy. Tel.: 8 (347) 273-77-87.

Хайруллин Ирек Ханифович - докт. техн. наук, профессор кафедры электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа. Область научных интересов - электромеханические преобразователи энергии. Контактный телефон: 8 (347) 273-77-87.

Hairullin Irek Hanifovich - Doctor of Science (Engineering), Professor of the Department of Electromechanics of Ufa State Aviation Technical University. Research interests: electromechanical converters of energy. Tel.: 8 (347) 273-77-87.

Пашали Диана Юрьевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электромеханика», Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа. Область научных интересов - надежность электромеханических систем. Контактный телефон: 8-(917) 345-95-88.

Pashali Diana Yurievna - Cand. Sc. (Engineering), an assistant professor of the Department of Electromechanics of Ufa State Aviation Technical University, Ufa. Research interests: electromechanical converters of energy. Tel.: 8 (917) 345-95-88.

Бойкова Оксана Алексеевна - аспирант кафедры «Электромеханика», Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа. Область научных интересов -электромеханические преобразователи энергии. Контактный телефон: 8 (917) 400-52-30.

Boykova Oksana Alexeyevna - a postgraduate student of the Department of Electromechanics of Ufa State Aviation Technical University, Ufa. Research interests: electromechanical converters of energy. Tel.: 8 (917) 400-52-30.