CC BY
61
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА РОТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЙ ВЕЛИЧИНЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ГАРМОНИЧЕСКИХ ТОКОВ
СТАТОРА
Новожилов Александр Николаевич д-р техн. наук, профессор Павлодарского государственного университета имени С. Торайгырова, г. Павлодар
E-mail: novozhilova_on@mail. ru Крюкова Елена Викторовна магистр электроэнергетики, докторант PhD Павлодарского государственного университета имени С. Торайгырова, г. Павлодар
E-mail: lesla2003@mail. ru Исупова Наталья Александровна магистр электроэнергетики, докторант PhD Павлодарского государственного университета имени С. Торайгырова, г. Павлодар
E-mail: natashaisu@mail.ru Новожилов Тимофей Александрович магистр электроэнергетики, аспирант Омского государственного
технического университета, г. Омск Никитин Константин Иванович д-р техн. наук, профессор Омского государственного технического
университета, г. Омск E-mail: nki@ngs.ru
DIAGNOSTICS OF ECCENTRICITIES OF A ROTOR IN AN ASYNCHRONOUS MOTOR USING ROOT-MEAN-SQUARE VALUE OF ADDITIONAL HARMONIOUS THE STATOR'S CURRENT
Alexander Novozhilov
doctor of Technical Sciences, professor of Pavlodar State University of
S. Toraighyrov, Pavlodar Elena Krukova
master ofpower industry, PhD doctoral candidate of Pavlodar State University of
S. Toraighyrov, Pavlodar Nataliya Isupova
master ofpower industry, PhD doctoral candidate of Pavlodar State University of
S. Toraighyrov, Pavlodar Timofey Novozhilov
master ofpower industry, postgraduate student of Omsk State Technical University,
Omsk
Konstantin Nikitin
doctor of Technical Sciences, professor of Omsk State Technical University, Omsk
АННОТАЦИЯ
Предлагается способ диагностики эксцентриситета ротора асинхронного двигателя, основанный на измерении среднеквадратической величины дополнительных гармонических тока статора, вызванных неравномерностью воздушного зазора.
ABSTRACT
We propose a method for diagnosis of rotor eccentricity in an asynchronous motor based on measurement of the root-mean-square value of additional harmonious currents of the stator caused by air-gap irregularity.
Ключевые слова: Диагностика; асинхронный двигатель; эксцентриситет ротора; частотный анализ; дополнительные гармонические тока
Keywords: Diagnostics; asynchronous motor; eccentricity of rotor; frequency analysis; additional harmonious of current
Постановка задачи. В электроэнергетике и промышленности в основном используют асинхронные двигатели (АД). Одним из методов повышения их эксплуатационной надежности и увеличения срока службы является эффективная и своевременная диагностика повреждений, в частности эксцентриситета ротора. Однако по целому ряду причин выявить с высокой достоверностью статический эксцентриситет ротора в процессе эксплуатации не удается, так как известные способы недостаточно эффективны. В тоже время, как показывает практика эксплуатации АД, около половины из них длительное время работают со статическим эксцентриситетом ротора [1—7], что сопровождается значительными потерями электроэнергии. Решить эту проблему предлагается следующим образом.
Диагностическим признаком статического эксцентриситета ротора АД традиционно служат величины дополнительных гармонических в токах и магнитных полях АД, вызванные неравномерностью воздушного зазора. Их частоты в соответствии с [5—7] определяются как:
^ = ^(п± 1/р), (1)
где: ^ — частота основной гармонической сети; р — число пар полюсов АД; V=1, 2, 3... — номер гармоники сети.
Эти дополнительные гармонические хорошо видно на рисунке 1, где показаны спектрограммы полученных экспериментально ЭДС измерительного преобразователя е ип (1), которые пропорциональны току фазы АД АО-41-6.
7600 ^
I
8060 -40 -20 -
0
б)
66,6 83,2 £^Гц
Рисунок 1. Спектр частот тока фазы АД АО-41-6 при отсутствии эксцентриситета ротора (а) и при его наличии (б)
Из спектрограмм видно, что появление эксцентриситета ротора вызывает изменение дополнительных токов с частотами 16,67 Гц, 33,34 Гц, 66,67 Гц и т. д. Характер изменения этих ЭДС в зависимости от величины эксцентриситета е = ё/ 8о ротора в режиме холостого хода приведен в таблице 1, где ё — величина смещения одного из подшипников ротора; 8о — величина воздушного зазора. Для простоты визуализации данные на рисунке 1 и в
таблице 1 представлены в единицах измерения осциллографа на базе персонального компьютера с программным обеспечение «Елена -2012».
Из таблицы 1 видно, что рост эксцентриситета ротора АД не всегда сопровождается ростом дополнительных гармонических ЭДС Е п с частотами ^, определяемыми по (1). Причинами этого, в основном, являются колебание частоты сети, наличие вибраций АД и неравномерности момента сопротивления его нагрузки.
Таблица 1.
Характер изменения частот в зависимости от величины эксцентриситета е
ротора
е, о.е. Величины гармонических Е п с частотой ^
16,6 Гц , ед 33,3 Гц , ед 66,6 Гц , ед
0,00 4,1 3,0 9,8
0,25 5,5 22,5 16
0,5 3,9 33 34
0,75 7,1 44 31
1,00 7,4 63 30,4
Становится ясно, что использование одной из этих гармонических в качестве источника информации не позволяет осуществить достоверную диагностику АД. При этом непонятно какую из этих гармонических для этого использовать.
От значительной части проблем при диагностике эксцентриситета ротора можно избавиться, если диагностировать в режиме холостого хода в течение достаточно длительного времени по среднеквадратичной величине гармонических составляющих с частотами ^ как:
Еск =4 (Е ?1 + Е П2 + Е Пп)/П (2)
где п - число используемых гармонических составляющих с частотами ^. Реализация устройства диагностики. На рисунке 2 приведена блок-схема устройства для диагностики эксцентриситета ротора по
среднеквадратичной величине гармонических составляющих ЭДС Еп с частотами ^. У этого устройства сигнал еип (1) с трансформатора тока ТА подается на вход фильтра 1, в котором и происходит выделение гармонических ЭДС Е п с частотами ^. Затем в блоке 2 определяется их среднеквадратическая ЭДС Еск, а пороговыми элементами 3 и 4 оценивается ее величина. Порогами срабатывания этих блоков считаются ЭДС Еср1 и Еср2, величины которых Еск достигает при эксцентриситете 81 и 8 2. Если Еск > Еср1, то блок 5 информации
выдает обслуживающему персоналу сигнал о наличии в АД эксцентриситета ротора, при котором перерасход электроэнергии составляет порядка 0,5—1,5 %.
Рисунок 2. Блок-схема устройства диагностики
Если Еск>Еср2, то блок 6 сформирует сигнал на отключение АД с
помощью выключателя 7, так как в этом случае резко возрастает вероятность задевания ротора за статор с тяжелыми последствиями для АД.
Величины Еср1 и Еср2 определяют по зависимости Еск (е) на рисунке 3 и
величинам 81 и 82. Зависимость Еск (е) построена по данным таблицы 1. Величины 81 и е2 можно принимать равными 0,2—0,35 и 0,7—0,85 в зависимости от конструкции и типа АД.
Следует добавить, что ЭДС Еск0 вызвана технологическим эксцентриситетом. Его величина определена техническим совершенством
оборудования и квалификацией персонала завода, на котором этот АД изготавливался. У экспериментального двигателя АО-41-6 Еск0 = 6,37 ед.
Рисунок 3. Определение порога срабатывания пороговых элементов
Выводы
1. Экспериментально выявлено, что рост эксцентриситета ротора АД не всегда сопровождается ростом всех дополнительных гармонических ЭДС с частотами ^ = ^ / p[pv ± 1)] из-за электромеханических свойств АД и нагрузки, что делает невозможным выбор источника информации.
2. Использование среднеквадратичной величины нескольких гармонических составляющих с частотами ^ позволяет однозначно выявить не только наличие, но и величину эксцентриситета ротора.
Список литературы:
1. Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах. М.: Энергия, 1981. — 351 с.
2. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин. Л.: Энергия, 1975. — 296 с.
3. Клецель М.Я., Мануковский А.В., Новожилов А.Н. Защита асинхронного двигателя от эксцентриситета ротора //Электричество. — 2006. — № 7. — С. 63—67.
4. Корогодский В.И., Кужеков С.П., Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1000 В. М.: Энергоатомиздат, 1987. — 248 с.
5. Новожилов А.Н. Токи асинхронного двигателя при статическом эксцентриситете// Электротехника. — 1994. — № 11. — С. 45—47.
6. Новожилов А.Н., Антонцев А.В., Мануковский А.В., Исупова Н.А., Крюкова Е.В. Особенности построения системы диагностики электрических машин на базе персонального компьютера со встроенной звуковой картой // Электротехника. — 2012. — № 5. — С. 36—40.
7. Новожилов А.Н., Полищук В.И., Исупова Н.А. Обзор способов диагностики эксцентриситета ротора машин переменного тока // Изв. вузов. Электромеханика. — 2011. — № 6. — С. 26—29.
