CC BY
49
УДК 621.313.333
М.В. Заприяк, Ж.1. Ромашихша, А.П. Калiнов
Д1АГНОСТИКА ПОШКОДЖЕНЬ СТРИЖН1В РОТОРА АСИНХРОННИХ ДВИГУН1В ЗА АНАЛ1ЗОМ ЕЛЕКТРОРУШ1ЙНО1 СИЛИ В ОБМОТКАХ СТАТОРА
Розроблено метод дшгностики пошкоджень стрижтв ротора асинхронних двигунк на основi вейвлет-анатзу елект-роруш1йноТ сили, яка наводиться в обмотках статора в режимi самовибку двигуна. Розроблено метод декомпозици сигналу електрорушшноИ сили фази обмотки статора асинхронного двигуна на сигнали електрорушшних сил актив-них сторт котушок обмотки з використанням теори 7-перетворення. Ефектившсть запропонованого методу дiаг-ностики пьдтверджена експериментально.
Разработан метод диагностики повреждений стержней ротора асинхронных двигателей на основе вейвлет-анализа электродвижущей силыг, наводящейся в обмотках статора в режиме самовыбега двигателя. Разработан метод декомпозиции сигнала электродвижущей силыг фазы обмотки статора асинхронного двигателя на сигналыг электродвижущих сил активных сторон катушек обмотки с использованием теории 7-преобразования. Эффективность предложенного метода диагностики подтверждена экспериментально.
ВСТУП
Асинхронш двигуни (АД) е важливим елементом бшьшосп електроприводiв промислових механiзмiв. Виявлення несправностей АД на раншх стащях мае виршальне значения для шдвищення надшносп робо-ти виробничих механiзмiв i шшшзацд подальшого виникнення несправностей двигушв. У сучаснш про-мисловосп широко використовуються АД з коротко-замкненим ротором (КЗР). Часто експлуатащя АД су-проводжуеться важкими умовами роботи, що спричи-няе виникнення рiзноманiтних за характером пошкоджень. Анал1з статистичних даних показав, що близько 7 % ввдмов АД ввдбуваються через пошкодження стрижнiв ротора [1]. Пошкодження стрижшв коротко-замкиено! обмотки ротора приводять до викривлення електромагнiтного поля (ЕМП) у повiтряному пром1ж-ку АД, зростання втрат в обмотках статора i ротора, щдвищено! в!браци двигуна, зменшення частоти обер-тання щд навантаженням, виникнення пульсацiй струму статора у вах фазах. Своечасне виявлення пошкоджень дозволить уникнути !х подальшого розвитку, зменшити час ввдновлення, скоротити витрати на об-слуговування, уникнути просто!в обладнання, щдви-щити ефективнiсть роботи двигушв та виробничих механiзмiв. Отже, дiагностика пошкоджень стрижнiв ротора АД е актуальною науково-практичною задачею.
Iнформацiя про викривлення поля внаслщок на-явностi пошкоджень присутня у тому чи шшому ви-глядi у рiзних сигналах: струмах, активнш спожива-нiй потужиосп, електрорушiйнiй силi (ЕРС). На сьо-годнiшнiй день вiдомi рiзнi методи дiагностики пошкоджень стрижнiв ротора АД [1-14]. Широкого ви-користання у сферi дiагностики набули методи спектрального аналiзу сигналiв струмiв статора (MCSA) [1, 4, 12, 13]. Диагностика пошкоджень стрижнiв ротора АД проводиться за наявшстю двох симетричних в!д-носно частоти мереж! живлення пiкiв у спектрi струму. При цьому вказаний метод не дае задовшьних результатiв при проведенш дiагностики в режимi не-робочого ходу та не враховуе вплив неяшсносп на-пруги мереж! живлення на результати дiагностики. Крiм того, використаиня результатiв перетворення Фур'е сигналiв струм!в не дозволяе однозначно визна-чати стушнь пошкодження, кшьшсть та взаемне роз-ташуваиня пошкоджених стрижшв ротора АД.
Кр!м метод1в спектрального аиалiзу струм1в статора АД, широкого застосуваиня набули методи в!брод!аг-ностики пошкоджень стрижшв ротора, метод аналiзу споживаио! потужносп, методи тепловiзiйного контролю. Також у сферi дiагностики пошкоджень стрижшв ротора АД дедалi часпше набувають розвитку методи з використанням вейвлет-перетворення [9, 15].
У робот [16] виконано аиалiз юнуючих методiв дiагностики пошкоджень стрижшв ротора АД та за-пропоновано !х класифiкацiю за рядом ознак: за режимами роботи АД, за ф!зичними величинами, як! використовуються при д!агностищ, за методами об-робки шформацп та прийняття ршення стосовно на-явного пошкодження.
У робот! [2] показано, що анал!з сигналу ЕРС мае певш переваги: вщсутшсть впливу якосп напруги живлення та р!вня наваитаження.
Мета дано! роботи полягае у представленш результата та основних еташв дослвджень щодо розроб-ки методу даагностики пошкоджень стрижшв ротора асинхронних двигушв шляхом анал!зу сигналу елект-рорушшно! сили в обмотках статора в режим! самови-биу двигуна з використанням вейвлет-перетворення та декомпозици на баз! 2-перетворення.
ОБГРУНТУВАННЯ РЕЖИМУ ВИПРОБУВАННЯ ТА Д1АГНОСТИЧНОГО СИГНАЛУ
Одним !з важливих еташв розробки методу д!аг-ностики е виб!р режиму випробування, осшльки в!д цього залежить ефектившсть д!агностики. Для вибору режиму випробування проведено анал!з можливих режим!в роботи АД.
Усталет режимы роботи.
Режим неробочого ходу. При проведенш д!агно-стики у режим! неробочого ходу двигун, як правило, необхвдно вилучати з технолопчного процесу.
Режим роботи щд наваитаженням. На результати д!агностики суттево впливае як р!вень наваитаження двигуна (його змша у час! або коливання), так ! неякь сшсть напруги мереж1 живлення.
Режим короткого замикання. При проведенш до-слщжень у режим! короткого замикання виникають обмеження, обумовлеш тим, що за результатами !ден-
© М.В. Запрняк, Ж.1. Ромашихша, А.П. Калшов
тифкацп пapaметpiв АД мoжнa визначити лише еквь валентний oпip poтopa. Oтже, в тaкoмy pежимi pе-зультати дiaгнoстики мають низьку дoстoвipнiсть.
Динaмiчнi режими роботи.
Пyскoвi pежими. Пpoведення дiaгнoстики у пус-кoвиx pежимax oбмежене чеpез склaднiсть aнaлiзy pезyльтaтiв дiaгнoстики. Кpiм тoгo, yсклaдненo aнaлiз pезyльтaтiв дiaгнoстики чеpез вплив змши електpoмa-гнiтниx пapaметpiв АД тд час пуску.
Pежим сaмoвибiгy. Пpoведення дiaгнoстики у pежимi сaмoвибiгy двигуна, на вiдмiнy вiд вищенаве-денж pежимiв poбoти АД, мае pяд пеpевaг:
а) дoзвoляe пpoвoдити дiaгнoстикy без вилучення двигуна з теxнoлoгiчнoгo пpoцесy та йoгo poзбиpaння;
б) виключае вплив неякiснoстi нaпpyги меpежi живлення та poбoтy теxнoлoгiчнoгo меxaнiзмy на pе-зультати дiaгнoстики;
в) pезyльтaти пpaктичнo не залежать вщ пoпеpе-дньoгo pежимy poбoти двигуна, дoзвoляe пpoвoди-ти дiaгнoстикy як пpи плaнoвo-pемoнтниx зyпинкax АД, так i го зaвеpшенню теxнoлoгiчнoгo пpoцесy;
г) вимipювaнню пiдлягae натуга в oбмoткax стaтopa. Дaтчикoм магштгош пoтoкy пpи вимipювaн-нi е сама oбмoткa стaтopa, пpи цьoмy вимipювaння мaгнiтнoгo пoтoкy е бшьш iнфopмaтивним, нiж вимь pювaння стpyмy. Пpи дiaгнoстицi у pежимi сaмoвибi-гу мaгнiтний пoтiк вимipюeться без викopистaння дoдaткoвo дaтчикiв пoтoкy чи датчиюв Xoллa;
д) pеaлiзaцiя методу не вимагае дoдaткoвиx дже-pел тестoвиx впливiв.
Таким чинoм, пpoведений aнaлiз pежимiв випpoбyвaння АД дoзвoлив визначити, щo нaйбiльш ефективним для дiaгнoстики пoшкoджень стpижнiв poтopa е pежим сaмoвибiгy двигуна.
У xoдi дoслiджень викoнaнo oбrpyнтyвaння дiaгнoстичнoгo сигналу. O^i^ra дoслiдження пpoвoдяться у pежимi сaмoвибiгy АД, тo в я^га вимipювaльниx пapaметpiв недoцiльнo викopистoвyвaти меxaнiчнi, електpoмеxaнiчнi чи темпеpaтypнi величини. Це гояснюеться низьким piвнем aбo вщсутнютю вкaзaниx пapaметpiв у pежимi сaмoвибiгy АД.
Як зaзнaчaлoся вище, iнфopмaцiю пpo викpивлення мaгнiтнoгo пoля унаслдок пoшкoдження poтopa мiстить EPC CTaTOpa. Фopмa сигналу EPC в пpoвiдникax oбмoтки вiдoбpaжae xapaктеp poзпoдiлy магштго'1 iндyкцiï в пoвiтpянoмy пpoмiжкy АД. Як вiдoмo, нaявнiсть пaзiв на CTaTOpi i poтopi АД пpизвoдить дo пoяви зyбцевиx пpoстopoвиx гapмoнiк мaгнiтнoгo пoля [17]. Зyбцевi пульсаци тaкoж пpисyтнi в сигнaлi EPC oбмoтки стaтopa та дають мoжливiсть зпiвстaвлення лiнiй мaгнiтнoгo пoля з геoметpичним poзтaшyвaнням зyбцiв. У свoю чеpгy, пoшкoдження стpижнiв poтopa oбyмoвлюють спoтвopення мaгнiтнoгo пoля в говгфягому пpoмiжкy АД. Тoмy мoжнa зpoбити пpипyщення пpo те, щo сигнал EPC oбмoтки стaтopa мiстить iнфopмaцiю як пpo неpiвнoмipнiсть мaгнiтнoгo голя, oбyмoвленy зyбчaтiстю стaтopa i poTOpa, так i пpo спoтвopення голя, викликаш нaявнiстю пoшкoджень стpижнiв poTOpa. Для пiдтвеpдження цieï гiпoтези пpoвoдилися експеpиментaльнi дoслiдження для АД з гош^дженнями стpижнiв poтopa, в пaзax стaтopa якoгo в межax голюсго'1 пoдiлки була укладена
вимipювaльнa oбмoткa. Pезyльтaти експеpиментiв у pежимi сaмoвибiгy двигуна пoкaзaли, щo в сшгат EPC, яка нaвoдиться у вимipювaльнiй oбмoтцi, пpисyтнi xapaктеpнi спoтвopення, як вiдпoвiдaють пoшкoдженим стpижням poтopa (pro. 1,б), та якi вiдсyтнi в сигнат EPC непoшкoдженoгo АД (pro. 1,а). Oтже, EPC в oбмoткax стaтopa дoцiльнo викopистoвyвaти в я^га дiaгнoстичнoгo сигналу.
б
Pис. 1. EPC у вимipювaльнiй oбмoтцi непoшкoдженoгo АД (а) та АД з гош^дженням тpьox стpижнiв poтopa (б) у pежимi сaмoвибiгy двигуна
МАТЕМАТИЧН1 МOДEЛI ДЛЯ ДOCЛIДЖEННЯ МEТOДУ ДIАГНOCТИКИ Для дoслiдження метoдy дiaгнoстики гош^-джень стpижнiв poтopa АД за aнaлiзoм EPC в oбмoт-кax ^aTOpa зaстoсoвyвaвся pяд мaтемaтичниx мoде-лей: кoлoвi мaтемaтичнi мoделi АД та математична мoдель з викopистaнням методу кшцевж елементiв (МКЕ). Зв'язoк мiж математичними мoделями, вxiднi дaнi для мoделювaння та виxiднi пapaметpи наведеш у виглядi стpyктypнoï сxеми на pro. 2.
Pro. 2. Зв,язoк м1ж математичними мoделями пpи дoслiдженнi метoдy дiaгнoстики пoшкoджень стpижнiв poTOpa АД
Для визначення пoчaткoвиx значень стpyмiв у стpижняx poтopa в мoмент вiдключення двигуна вiд меpежi живлення poзpoбленa математична мoдель АД
у трифазнш системi координат шляхом представлення ротора у виглядi системи короткозамкнених стрижнiв, к1льк1сть яких можна задавати при дослiдженнях. Перевагою математично! моделi е можливiсть досль дження рiзних режимiв роботи АД з будь-яким числом пошкоджених стрижшв ротора.
За результатами моделювання для дослщжувано-го АД типу АИР80В4У2 (Рн=1,5 кВт, пн=1395 об/хв, П=77 %, cosф = 0,81) наведено перехвдш процеси стру-мiв у шлькох стрижнях ротора АД:
• при пуску без навантаження та самовибну дви-гуна (рис. 3,а);
• при пуску без навантаження, накидi навантаження (г = 0,3 с) та самовибну двигуна (г = 0,5 c) (рис. 3,б).
Аналiз результатiв моделювання показав, що у момент ввдключення як навантаженого, так i ненаван-таженого АД вщ мереж1 живлення спостерiгаеться значний стрибок струмiв у стрижнях ротора. У пода-льшому струми у стрижнях ротора змiнюються за експоненцшним законом. Наведена математична модель АД у трифазнш системi координат дозволяе отримати розподiл миттевих значень струмiв у стрижнях ротора у режимi самовибiгу АД. Але математи-чна модель не дозволяе розглядати окремо, як елеме-нти обмоток, стрижень та частину короткозамкненого шльця, та не враховуе шльшсть пар полюсiв статора.
б
Рис. 3. Перехщт процеси струмш у стрижнях ротора АД:
при пуску без навантаження та самовибиу двигуна (а); при накидi навантаження (Г = 0,3 о) та самовибггу двигуна (Г = 0,5 с) (б)
Для уточнення початкових значень струмiв у стрижнях ротора у момент вщключення двигуна ввд мереж1 з урахуванням опорiв стрижшв 2ст,- та короткозамкнених к1лець 2к{ розроблена колова модель АД, в якш к1льк1сть електричних к1л ротора вщповвдае кiлькостi стрижнiв. Заступна схема ротора дослвджуваного АД наведена на рис. 4.
Рис. 4. Заступна схема ротора АД
Пошкодження стрижня ротора задавалось як по-вне порушення електричного контакту з короткозам-кненим кшьцем ротора. При цьому розподш миттевих значень струмiв у стрижнях непошкодженого ротора мае вигляд синусо!ди. При наявностi пошкодження струм у пошкодженому стрижнi дорiвнюе нулю, а в шших стрижнях ротора ввдбуваеться такий перероз-подiл струмiв, який забезпечуе виконання першого закону Юрхгофа (рис. 5).
Розроблена колова математична модель дозволила отримати значення струмiв у стрижнях ротора АД у момент ввдключення двигуна вщ мереж1 живлення з рiзним числом пошкоджених стрижшв та з урахуван-ням геометричного розташування пошкодження. Отримаш значення струмiв у стрижнях ротора в момент ввдключення двигуна вщ мереж1 живлення вико-ристовувалися для розрахунку ЕМП АД.
Для розрахунку ЕРС в обмотках статора розроблена математична модель двовимiрного ЕМП у поперечному перерiзi АД, яка базуеться на МКЕ. Розроб-лена математична модель АД дозволила виконати розрахунок ЕМП у поперечному перерiзi АД в режимi самовиб^ двигуна.
Математична модель враховуе геометрш двигуна, магнiтнi та електричш властивостi його активних матерiалiв. Розрахунок ЕМП АД проводився для двох повних оберпв ротора iз кроком повороту в один еле-ктричний градус. При цьому враховано зниження час-тоти обертання ротора в режимi самовибiгу двигуна.
При моделюванш враховувалися конструктивнi особливостi дослщжуваного АД: кожна фаза розподь лено! обмотки складаеться з двох котушкових груп, кожна з яких, у свою чергу, мiстить по три котушки.
Котушка фази обмотки утворена групою послщовно з'еднаних виткiв, укладених в одш й tí ж пази. З ура-хуванням цього в робот було розглянуто формування ЕРС одше! активно! сторони котушки, котушки, котушково! групи i фази обмотки статора дослщжуваного АД.
Розрахунок ЕМП у поперечному перерiзi АД проведено в автоматизованому режимi з використан-ням мови програмування LUA. Для цього розроблено програмний модуль за допомогою LUA-скрипта. Отримана модель може бути використана для розра-хунку ЕМП АД будь-яко! потужностi та рiзних дина-мiчних режимiв роботи. Послщовшсть дiй при розра-хунку ЕМП у поперечному перерiзi АД в режимi са-мовибiгу двигуна наведено на рис. 6.
^Завдання початкових значень струм1в у стрижнях ротора ^
^Завдання параметр! в для розрахунку моделк часу »зрахунку модел1, величини^ута повороту ротора, крокуу
^~Початок циклу для розр^унку"режиму самовиб1гу АД^^
Вщкриття файлу з геометркю АД та збереження тимчасового файлу модел!
^ Поворот ротора на вибрану величину кута повороту ^ ^ ^ ^ ^
ГРозрахунок струм1в у стрижнях ротора за експоненцшнимЛ V законом та покрокове присвоения Тх величин )
" Чисельне розв'язання системи р1внянь електромагштного Л поля_J
Кшець циклу для розрахунку режиму самовиб1гу АД ^
Рис. 6. Послщовшсть дш при розрахунку ЕМП у поперечному перерiзi АД
У результат розрахунку ЕМП в режимi самови-бiгу двигуна фжсувалися миттeвi значення векторного магнггного потенцiалу на кожному кроцi обертання ротора та отримувався розподш лшш магнiтного потоку (рис. 7) у момент вщключення АД вщ мережi живлення для непошкодженого двигуна i з пошко-дженнями стрижшв ротора (на рис. 7,б пошкоджеш стрижнi позначенi чорним кольором). Вибiр номерiв i розташування пошкоджених стрижшв здшснювався у прив'язцi до фiзичного дослiджуваного АД зi штучно внесеними пошкодженнями ротора.
Результати аналiзу показали, що у непошкоджено-му АД спостерГгаеться симетричний розподгл лiнiй ЕМП. При наявносл пошкоджених стрижнгв ротора змшюеться iнтенсивнiсть розподглу лiнiй магнггного поля. Вгдповгдно магнггне поле АД стае несиметричним.
б
Рис. 7. Лши магнггного потоку непошкодженого (а) i АД з пошкодженням стрижшв ротора (б)
За результатами розрахунку ЕМП [18] виконува-вся розрахунок ЕРС в елементах обмотки статора. Отримаш в результат розрахунку ЕРС одше! активно! сторони котушки, котушки, котушково! групи та фази обмотки статора АД з пошкодженням стрижшв ротора наведеш на рис. 8.
Аналiз отриманих результат показав, що в ЕРС одше! активно! сторони котушки присутш як зубцевГ пульсацп, так i спотворення форми сигналу, виклика-ш наявнiстю пошкоджень стрижшв ротора.
Вiзуальний аналГз отриманих сигналГв показав, що в ЕРС котушки (рис. 8,б) шформацшш ознаки, як про-являються у виглядГ спотворень форми сигналу, стають важко помггними, а в сигналах ЕРС котушково! групи i фази обмотки (рис. 8,в,г) - практично вщсутш.
Для тдтвердження ушверсальностГ розроблено! математично! моделГ дослщження проводилися для двохполюсного АД потужшстю 1,5 кВт та для однополюсного АД потужшстю 75 кВт (рис. 9).
0 1 1 1 0,02 1 1 0,03 ! 0,04 и с
Рис. 8. ЕРС вщповщно одше! активно!' сторони котушки (а),
котушки (б), котушково! групи (в) та фази (г) обмотки статора двохполюсного АД з пошкодженням стрижшв ротора
Дослщження проводилися з урахуванням р1зно-го числа пошкоджених стрижшв та !х взаемного роз-ташування. Анал1з результат1в моделювання однополюсного АД (рис. 9) також показав, що в сигнал! ЕРС присутш шформацшш ознаки пошкоджень стрижшв ротора.
Таким чином, розроблеш математичш модел1 дозволили дослщити спотворення форми сигналу ЕРС обмоток статора АД для розробки методу д1агностики пошкоджень стрижшв ротора.
Рис. 9. ЕРС вщповщно одше! активно!' сторони котушки (а), котушки (б) та фази (в) обмотки статора однополюсного АД з пошкодженням стрижшв ротора
РОЗРОБКА МЕТОДУ Д1АГНОСТИКИ ПОШКОДЖЕНЬ СТРИЖН1В РОТОРА АД ЗА АНАЛ1ЗОМ ЕРС В ОБМОТКАХ СТАТОРА З ВИКОРИСТАННЯМ ВЕЙВЛЕТ-ПЕРЕТВОРЕННЯ Одним 1з найбшьш поширених метод1в визна-чення пошкоджень е спектральний анал1з сигнал1в з використанням перетворення Фур'е. Як зазначалося вище, ознакою наявност пошкоджень стрижшв е осо-бливост сигналу ЕРС обмотки статора, як виявля-ються у спотворенш його форми. Оскшьки у режим1 самовибпу частота обертання ротора знижуеться, зм1нюеться пер1од загасання сигналу. Використання перетворення Фур'е для анал1зу нестац1онарних сиг-нал1в можливе лише на дшянках, на яких не змшю-еться пер1од сигналу. У ход1 досл1джень [18] доведено, що використання метод1в спектрального анал1зу не дозволяе однозначно визначати кшьюсть та взаем-не розташування пошкоджених стрижн1в ротора. На-ведених недол1к1в дозволяе уникнути використання вейвлет-перетворення (ВП), що, на вщмшу вщ перетворення Фур'е, дае можливють проводити анал1з сигнал1в як у частотнш, так 1 в часовш областях.
У робот1 [19] виконувалися досл1дження по вибору функцГ! вейвлет-базису (ВБ). Як в1домо, при вейвлет-перетворенш сигналу в1дбуваеться масштабування вейвлету в певне постшне число раз1в 1 його змщення у час1 на фжсовану в1дстань, яка залежить вщ масштабу. Досл1дження показали, що для анал1зу сигнал1в ЕРС в обмотках статора АД доцшьно використовувати ортогональш вейвлети
г
з компактним ношем, наприклад, вейвлети Симлета та Койфлетса.
З використанням вщповщних вейвлет-базисiв було виконано неперервне вейвлет-перетворення (НВП) сигналiв ЕРС для АД з пошкодженням стрижшв ротора (рис. 10).
ö 49 'б 41
В 33
Wwww\
Scale of colors from MIN to MAX ПОШКОДЖЁННЯ
Scale of colors from MIN to MAX Cb Coefficients
Рис. 10. Сигнали та вейвлет-спектри ЕРС одше! активно! сторони котушки (а), котушки (б), котушково! групи (в) та фази (г) обмотки статора АД з пошкодженням стрижшв ротора
Анаиз результат показав, що на вейвлет-спектрi сигналу ЕРС одше!' активно!' сторони котушки (рис. 10,а) в областi високих та середшх частот спо-стерiгаються зубцевi гармонiки, кiлькiсть яких вщпо-
вщае числу стрижшв ротора. Також анал1з вейвлет-спектру на рис. 10,а показав, що характерш дшянки, видшеш пунктиром, вщповщають м1сцезнаходженню пошкоджених стрижшв.
Для ктькюно! оцшки впливу пошкоджень стрижшв ротора запропоновано використовувати анал1з зна-чень коефщентш вейвлет-розкладу на спектрах з хара-ктерними дшянками, як вщповщають мюцезнахо-дженню пошкоджених стрижшв. Для цього при анал1з1 умовно вщскаються високочастотна область спектру, на якш проявляються зубцев1 частоти, та низькочасто-тна область. Характерш дшянки з1 сплесками вейвлет-коефшдентш знаходяться в област1 середшх частот, на яких проявляються пошкодження стрижшв. Тому запропоновано використовувати коефщент, який визна-чае середне значення суми коефщентш вейвлет-розкладу для обласл середтх частот [18]:
I к
KI а =-
(1)
де ка - значення коефщентш вейвлет-розкладу, а i A -початкове i кшцеве значення масштабiв вейвлет-спектру вiдповiдно, n - число коефщенлв вейвлет-розкладу.
Вщповщно побудованi коефiцiенти вейвлет-розкладу К^а для непошкодженого АД та АД з пошкодженням стрижшв ротора. Розраховано рiзницю отриманого коефщенту та апроксимованого загасаю-чою синусо!'дою для АД з рiзним числом пошкоджених стрижшв (рис. 11).
156,1
К2;
Рис. 11. Рiзниця коефщенлв вейвлет-розкладу для областi середнiх частот
Результати аналiзу показали, що величина ампль туди сплеску отриманого коефщенту К^а вiдображае ступiнь пошкодження ротора. Так, в мгсщ знаходжен-ня двох пошкоджених стрижнiв поруч величина кое-фiцiенту Кяг зростае у два рази (з 78,21 до 156,1 та з -100,53 до -202,82) у порiвняннi iз випадком пошкодження одного стрижня.
Отже, у результат проведених дослщжень на ос-новi вейвлет-аналiзу сигналу ЕРС в обмотках статора у режимi самовибну АД розроблено метод дiагности-ки пошкоджень стрижнiв ротора АД, який дозволяе визначати юльюсть та взаемне розташування пошкоджених стрижшв ротора.
Однак у ходi дослщжень з'ясовано, що при ана-лiзi сигналiв ЕРС котушки, котушково!' групи та фази обмотки виникають ускладнення. Так, на вейвлет-спектрi ЕРС котушки (рис. 10,б) спостерiгаеться
а
n
"дублювання" дшянок, якi вiдповiдають мюцезнахо-дженню пошкоджених стрижнiв. Це пояснюеться до-даванням ЕРС двох активних сторш котушки, якi зсу-нутi в просторi на кут, рiвний п/2 (для АД з двома парами полюсiв). Тому на вейвлет-спектрi дшянки з вейвлет-коефщентами, якi характеризують пошкодження, також зсуну^ на цей просторовий кут. Анаиз вейвлет-спектрiв сигнатв ЕРС котушково!' групи (рис. 10,в) i фази обмотки в цшому (рис. 10,г) показав, що внаслщок додавання сигналiв ЕРС вiдбуваеться накладення iнформацiйних ознак пошкоджень. Таким чином, при визначенш ЕРС фази обмотки статора АД шформацшт ознаки накладаються одна на одну i ускладнюють достовiрне визначення взаемного роз-ташування пошкоджених стрижнiв ротора. Тому за-пропоновано виконувати аналiз сигналу ЕРС одше!' активно!' сторони котушки обмотки статора, видшено-го iз сумарного сигналу ЕРС фази обмотки з викорис-танням теорп Z-перетворення [20]. При цьому сигнал ЕРС фази обмотки статора спочатку роздшяеться на сигнали ЕРС котушкових груп ще!' обмотки. Далi сигнал ЕРС одше'1 з котушкових груп при вщомих кутах зсуву мiж котушками в пазах статора роздшяеться на сигнали ЕРС котушок, який, у свою чергу, роздшяеться на сигнали ЕРС двох активних сторш котушки. В якост вихщного сигналу для моделювання викорис-товувався сигнал ЕРС фази обмотки статора, отрима-ний в результат розрахунку ЕМП АД з пошкодженням стрижшв ротора (рис. 8,г).
Аналiз сигналiв ЕРС (рис. 12) показав, що отри-маний в результат видшення iз сумарного сигналу ЕРС фази обмотки статора сигнал ЕРС одше'1 активно!' сторони котушки вщповщае аналопчному сигналу ЕРС, отриманому в результат розрахунку ЕМП.
Рис. 12. Пор1вняння вихщного та видшеного сигнал1в ЕРС одше!' активно!' сторони котушки
Результати порiвняння вейвлет-спектрiв (рис. 13) показали, що спотворення сигналу ЕРС, як вщповь дають мiсцерозташуванню пошкоджених стрижшв, вщображаються на вейвлет-спектрi у виглядi характе-рних дiлянок з вейвлет-коефщентами.
Для пiдтвердження ефективностi методу декомпозицп сигналу ЕРС фази обмотки статора на сигнали ЕРС активних сторш котушки проводилися досль дження для АД з пошкодженням двох стрижшв ротора, як зсуну^ один вщносно одного на рiзнi величини кута. Результати дослiдження показали, що використання методу декомпозицп' сигналу ЕРС фази обмотки на сигнали ЕРС активних сторш котушки дозволяе видшити шформацшш ознаки пошкоджень стрижшв, як неможливо виявити у сигналi ЕРС фази.
б
Рис. 13. Вихщний (а) та видшений в результат! декомпозицп (б) сигнали ЕРС одше'! активно! сторони котушки обмотки статора АД та !'х вейвлет-спектри
Таким чином, розроблено метод декомпозицп' сигналу ЕРС фази обмотки статора АД на сигнали ЕРС активних сторш котушок обмотки з використанням теорп' Z-перетворення, який за рахунок видшення ш-формацшних ознак, присутшх у сигналi ЕРС одше!' активно!' сторони котушки, дозволяе шдвищити досто-в1ршсть дiагностики пошкоджень стрижшв ротора АД.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ПЕРЕВ1РКА РОЗРОБЛЕНОГО МЕТОДУ Д1АГНОСТИКИ Для експериментально!' перевiрки розробленого методу дiагностики пошкоджень стрижшв ротора АД використовувався комп'ютеризований лабораторний стенд (рис. 14), який мютить дослщжуваний АД типу АИР80В4У2, блок датчиюв напруги для вимiрювання миттевих значень напруги у фазах АД, аналогово-цифровий перетворювач та персональний комп'ютер.
Рис. 14. Зовн1шн1й вигляд вим1рювального комплексу
При проведеннi експерименту використовували-ся три однакових ротори, яю можуть бути замiненi один одним. Мтацш пошкоджень стрижн!в створено шляхом висвердлювання отвор1в на одному ротор!в в м!сцях кршлення стрижн!в до короткозамкнених кiлець (рис. 15).
Рис. 15. Розташування пошкоджених стрижшв на ротор1
Анаиз експериментального сигналу ЕРС фази обмотки статора показав, що на вейвлет-спектрi вщ-сутн характерш дшянки, як вiдповiдають мюцероз-ташуванню пошкоджених стрижшв ротора. Тому з експериментального сигналу ЕРС фази обмотки був видшений сигнал ЕРС однiеï активно!' сторони коту-шки обмотки статора та виконано його вейвлет-
перетворення (рис. 16).
?
50 100 150 200 250 300
Scale of colors from MIN to MAX ПОШКОДЖвННЯ Cb Coefficients стрижшв
Рис. 16. Вейвлет-спектр сигналу ЕРС одше!' активно'1 сторони котушки, видшеного 1з експериментального сигналу ЕРС фази обмотки статора
Отримаш результати показали, що за вейвлет-аналiзом видiленого сигналу ЕРС одше'1 активно'1 сто-рони котушки обмотки можна визначити взаемне роз-ташування пошкоджених стрижшв ротора.
Таким чином, результати експериментальних до-слщжень (рис. 16) вщповщають результатам, отрима-ним в результат моделювання (рис. 13,a). Деяк вщ-мшност видiленого сигналу ЕРС одше'1 активно'1 сторони котушки, отриманого в результат експеримен-тальних дослiджень та моделювання, пов'язан з бага-торазовими перетвореннями дискретних сигналiв.
ВИСНОВКИ
У результатi виконаних дослiджень виртено ак-туальну науково-практичну задачу шдвищення ефек-тивност дiагностики пошкоджень стрижшв ротора асинхронних двигушв шляхом вейвлет-аналiзу сигналу електрорушiйно'í сили в обмотках статора в режимi самовибпу двигуна.
Розробленi колов! математичнi моделi АД дозволили отримати розподш миттевих значень струм!в у стрижнях ротора у режимi самовибiгу для двигушв з р!зним числом пошкоджених стрижшв та з урахуван-ням геометричного розташування пошкодження.
Запропонована методика розрахунку ЕМП у поперечному nepepÍ3Í АД з використанням колових моделей та моделi на основi МКЕ дозволила оцшити вплив пошкоджень стрижнiв ротора на сигнал ЕРС в обмотках статора в режимi самовибпу двигуна.
Розроблений метод декомпозицп' сигналу ЕРС фази обмотки статора АД на сигнали ЕРС активних сторш котушок з використанням теорп' Z-перетворення дозволив шдвищити достовiрнiсть дiаг-ностики пошкоджень стрижшв ротора АД за рахунок видшення шформацшних ознак, присутшх у сигналi ЕРС однie'í активно'1 сторони котушки.
Запропонований метод дiагностики пошкоджень стрижшв ротора АД у режимi самовибпу двигуна на основi вейвлет-аналiзу сигналу ЕРС в обмотках статора дозволив визначити кшьюсть та взаемне розташування пошкоджених стрижшв ротора.
Ефектившсть запропонованого методу дiагнос-тики пошкоджень стрижнiв ротора АД шдтверджена експериментальним шляхом.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Котеленец Н.Ф., Кузнецов Н.Л. Испытания и надежность электрических машин. - М.: Высш. шк., 1988. - 232 с.
2. Yazidi A., Henao H., Capolino G-A. Broken rotor bars fault detection in squirrel cage induction machines. International conference "Electric machines and drives". 2005, IEEE, pp. 741-747.
3. Nemec M., Drobnic K., Nedeljkovic D., Fiser R., Ambrozic V. Detection of broken bars in induction motor through the analysis of supply voltage modulation. IEEE transactions on industrial electronics, 2010, no.8, pp. 2879-2888.
4. Imeryuz M., Mergen A.F., Ustun O. A method to analyze asynchronous machines with broken rotor bars. International symposium on power electronics, Electrical drives, Automation and motion. 2010, pp. 269-272.
5. Cabanas F., Pedrayes Glez F., González Ruiz M., Melero M.G., Orcajo G.A., Cano J.M., Rojas C.H. A new on-line method for the early detection of broken rotor bars in asynchronous motors working under arbitrary load conditions, IEEE, 2005, pp. 662-669.
6. Douglas H., Pillay P., Ziarani A.K. Broken rotor bar detection in induction machines with transient operating speeds. IEEE transactions on energy conversion, 2005, no 1, pp. 135-141.
7. Drobnic K., Nemec M., Fiser R., Ambrozic V. Simplified detection of broken rotor bars in induction motors controlled in field reference frame. Control engineering practice, 2012, vol.20, pp. 761-769.
8. Faiz J., Ebrahimi B.M. A new pattern for detecting broken rotor bars in induction motors during start-up. IEEE Transactions on magnetics, 2008, vol.44, no.12, pp. 4673-4683.
9. Neelam M., Ratna D. Rotor faults detection in induction motor by wavelet analysis. International journal of engineering science and technology, 2009, vol.1(3), pp. 90-99.
10. Vaimann T., Kallaste A. Detection of broken rotor bars in three-phase squirrel-cage induction motor using fast Fourier transform. 10th international symposium "Topical problems in the field of electrical and power engineering", Parnu, Estonia, 2011, pp. 52-56.
11. Zagirnyak M., Mamchur D., Kalinov A. Comparison of induction motor diagnostic methods based on spectra analysis of current and instantaneous power signals. Przeglad elektrotech-niczny (Electrical review), 2012, no.12b, pp. 221-224.
12. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости электротехники. - 2005. - №1(31). -С. 50-52.
13. Aküner C., Temiz I. Symmetrically broken rotor bars effect on the stator current of squirrel-cage induction motor. Przegl^d elektrotechniczny (Electrical review), 2011, no.3, pp. 313-314.
14. Сивокобыленко В.Ф., Полковниченко Д.В., Кукуй К.А. Диагностика асинхронного электропривода по данным измерений рабочего режима // Вгсник НТУ "ХПГ. - 2003. -№10. - С. 502-505.
15. Zagirnyak M., Romashihina Zh., Kalinov A. Diagnostic of broken rotor bars in induction motor on the basis of its magnetic field analysis. Acta Technica Jaurinensis, 2013, vol.6, no.1, pp. 115-125.
16. Ухань Ж.1., Калiнов А.П. Класифжащя методiв дiагнос-тики пошкоджень обмоток ротора асинхронних двигушв // Вюник КДУ iм. М. Остроградського. - 2010. - №3(62). -Ч.2. - С. 138-144.
17. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х томах. Том 1: Учебник для вузов. М.: Издательство МЭИ, 2004. - 656 с.
18. Загирняк М.В., Ромашихина Ж.И., Калинов А.П. Диагностика повреждений стержней ротора в асинхронном двигателе на основании анализа его магнитного поля // Вюник НТУ "ХПГ. - 2012. - №49(955). - С. 38-48.
19. Ромашихша Ж.1., Андрусенко О.М., Оксанич А.П., Петренко В.Р. Застосування вейвлет-аналiзу для дiагностики обривш стрижшв роторiв асинхронних двигушв // Вiсник КрНУ iм. М. Остроградського. - 2012. - №2(73). - С. 24-28.
20. Ромашихша Ж.1., Калшов А.П., Луценко 1.А. Декомпо-зицiя сигналу електрорушiйноi сили обмоток статора для дiагностики пошкоджень стрижшв ротора асинхронного двигуна // Електромеханчш i енергозберiгаючi системи. -2013. - №4(22). - С. 27-36.
REFERENCES: 1. Kotelenec N.F., Kuznecov N.L. Ispytanija i nadezhnost' elektricheskih mashin [Reliability and testing of electrical machines]. Moscow, Vyssh. shk. Publ., 1988. 232 p. 2. Yazidi A., Henao H., Capolino G-A. Broken rotor bars fault detection in squirrel cage induction machines. Int. Conf. "Electric machines and drives", IEEE, 2005, pp. 741-747. 3. Nemec M., Drobnic K., Nedeljkovic D., Fiser R., Ambrozic V. Detection of broken bars in induction motor through the analysis of supply voltage modulation. IEEE transactions on industrial electronics, 2010, no.8, pp. 2879-2888. 4. Imeryuz M., Mer-gen A.F., Ustun O. A method to analyze asynchronous machines with broken rotor bars. Int. Symposium on power electronics, electrical drives, automation and motion, 2010, pp. 269-272. 5. Cabanas F., Pedrayes Glez F., González Ruiz M., Melero M.G., Orcajo G.A., Cano J.M., Rojas C.H. A new on-line method for the early detection of broken rotor bars in asynchronous motors working under arbitrary load conditions. IEEE, 2005, pp. 662-669. 6. Douglas H., Pillay P., Ziarani A.K. Broken rotor bar detection in induction machines with transient operating speeds. IEEE transactions on energy conversion, 2005, no.1, pp. 135-141. 7. Drobnic K., Nemec M., Fiser R., Ambrozic V. Simplified detection of broken rotor bars in induction motors controlled in field reference frame. Control engineering practice, 2012, vol.20, pp. 761-769. 8. Faiz J., Ebrahimi B.M. A new pattern for detecting broken rotor bars in induction motors during start-up. IEEE transactions on magnetics, 2008, vol.44, no.12, pp. 4673-4683. 9. Neelam M., Ratna D. Rotor faults detection in induction motor by wavelet analysis. International journal of engineering science and technology, 2009, vol.1(3), pp. 90-99. 10. Vaimann T., Kallaste A. Detection of broken rotor bars in three-phase squirrel-cage induction motor using fast Fourier transform. 10th Int. symposium "Topical problems in the field of electrical and power engineering", Parnu, Estonia, 2011, pp. 52-56.
11. Zagirnyak M., Mamchur D., Kalinov A. Comparison of induction motor diagnostic methods based on spectra analysis of current and instantaneous power signals. Przeglad Elektrotechniczny — Electrical Review, 2012, no.12b, pp. 221-224. 12. Petuhov V.S., Sokolov V.A. Diagnostics of the state motors. The method of spectral analysis of current consumption. Novosti elektrotehniki — Electrical engineering news, 2005, no.31, pp. 50-52. 13. Akûner C., Temiz I. Symmetrically broken rotor bars effect on the stator current of squirrel-cage induction motor. Przeglqd Elektrotechniczny — Electrical Review, 2011, no.3, pp. 313314. 14. Sivokobylenko V.F., Polkovnichenko D.V., Kukuj K.A. Diagnostics of engine motors from data of operating condition measuring. Visnyk NTU "KhPI" - Bulletin of NTU "KhPI", 2003, no.10, pp. 502505. 15. Zagirnyak M., Romashihina Zh., Kalinov A. Diagnostic of broken rotor bars in induction motor on the basis of its magnetic field analysis. Acta Technica Jaurinensis, 2013, vol.6, no.1, pp. 115-125. 16. Uhan' Zh.I., Kalinov A.P. Classification of the methods of the rotor damages diagnostics of inductions motors. Visnyk KDU im. M. Os-trohradskoho — Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 2010, no.3(62), ch.2, pp. 138-144. 17. Ivanov-Smolenskij A.V. Elektricheskie mashiny [Electrical machines]. Moscow, MEI Publ., 2004. 656 p. 18. Zagirnyak M.V., Romashykhina Zh.I., Kalinov A.P. Diagnostic of broken rotor bars in induction motor on the basis of its magnetic field analysis. Visnyk NTU "KhPI" - Bulletin of NTU "KhPI", 2012, no.49(955), pp. 38-48. 19. Romashykhina Zh.I., Andrusenko O.M., Oksanych A.P., Petrenko V.R. Using of wavelet-analysis for diagnosics of the rotor bars damages of induction motors. Visnyk KrNU im. M. Ostrohradskoho — Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 2012, no.2(73), pp. 24-28. 20. Romashykhina Zh.I., Kalinov A.P., Lucenko I.A. The decomposition of signal of electromotive force of the stator windings for diagnostics of broken rotor bars of induction motors. Electromechanichni i energoz-berigayuchi systemy — Electromechanical and energy saving systems, 2013, no.4(22), pp. 27-36.
Поступила (received) 22.09.2014
ЗагiрнякМихайло Васильович1, д.т.н., проф., Ромашихша Жанна 1ватвна1, здобувач, Калтов Андрт Петрович1, к.т.н., доц., 1 Кременчуцький нацюнальний унгверситет iM. Михайла Остроградського,
39600, Полтавська обл., Кременчук, вул. Першотравнева, 20, тел/phone +38 098 2645258,
e-mail: mzagirn@kdu.edu.ua, romashihina_zhanna@mail.ru, andrii.kalinov@gmail.com
M.V. Zagirnyak1, Zh.I. Romashykhina1, A.P. Kalinov1 1 Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University 20, Pershotravneva Str., Kremenchuk, Poltava region, 39600, Ukraine The diagnostics of induction motors rotor bar breaks based on the analysis of electromotive force in the stator windings. A method for diagnostics of the induction motor rotor bar breaks, based on the wavelet-analysis of the electromotive force induced in the stator windings in the rundown mode is developed. A method for decomposition of the electromotive force of the stator winding phase to the electromotive force signals of the active sides of winding coils using Z-transformation theory is developed. The effectiveness of the proposed diagnostic method was experimentally confirmed.
Key words - induction motor, broken rotor bars, disconnecting the motor from the network electromotive force, Z-transformation.
