CC BY
47
УДК 621.9.01 Бельский Игорь Олегович,
аспирант кафедры «Физика, механика и приборостроение», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-902-541-2445, e-mail: belskyigor92@gmail.ru Лукьянов Анатолий Валерианович, д. т. н., профессор кафедры «Физика, механика и приборостроение», Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8-964-655-9240, e-mail: loukian@inbox.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ НЕСИММЕТРИИ ФАЗ ПИТАЮЩЕГО ТОКА
I. O. Belsky, A. V. Lukiyanov
RESEARCH PARAMETERS OF EXTERNAL MAGNETIC FIELD OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTORS WITH UNBALANCED SUPPLY CURRENT
Аннотация. В статье приведены результаты разработки и применения многоканальной системы, позволяющей оценить напряженность внешнего магнитного поля асинхронных электродвигателей с целью диагностики развивающихся дефектов. Экспериментальные измерения проводились при помощи разработанного авторами компактного переносного прибора со встроенными датчиками Холла. По результатам измерения напряженности внешнего магнитного поля были построены круговые диаграммы, показывающие распределение внешнего магнитного поля вокруг электродвигателя, в плоскости, перпендикулярной оси ротора. Для наглядности полученных результатов построены трехмерные графики вращения внешнего магнитного поля асинхронного электродвигателя за один период при симметричном режиме и при уровне несимметрии фазы питающего тока 100 %.
Исследована зависимость развития дефекта «несимметрия фаз питающего тока электродвигателя» от характера изменения распределения внешнего магнитного поля и его спектрального состава. Сделаны выводы о взаимосвязи распределения внешнего магнитного поля и степени развития дефекта, выявлены основные диагностические признаки.
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, внешнее магнитное поле, несимметрия фаз питающего тока
Abstract. The results of the development and application of multi-channel system, which allows to estimate tension of external magnetic field of asynchronous electric motors in order to diagnose growing defects are presented. Experimental measurements were carried out with the help of a compact portable device with built-in Hall sensors created by the authors of the article. According to the results of measurement of the external magnetic field circular graphs showing the distribution of the external magnetic field around the electric motor, in a plane perpendicular to the rotor axis were constructed. For the results clarity, three-dimensional graphics of rotation of the external magnetic field asynchronous electric motor for one period at a symmetric mode and at the level of the phase unbalance supply current of 100% are constructed.
The dependence of the defect ofphase current unbalance supply of the electric motor of the change types of the external magnetic field distribution and spectral composition is studied. The conclusions about the relationship of the external magnetic field distribution and the extent of the defect are made, main diagnostic features are identified.
Keywords: asynchronous electric motor, external magnetic field, supply current phase unbalance.
Введение
Известно, что долговременная и надежная работа электрооборудования на производстве в большинстве случаев определяет эффективность всех технологических процессов. Асинхронные электродвигатели (АД) благодаря простоте и технологичности конструкции, высоким энергетическим показателям, эксплуатационной надежности и устойчивости к перегрузкам являются наиболее распространенным в настоящее время видом электрических машин, составляющих основу привода большинства технологических машин. Поэтому задачи повышения надежности и долговечности АД являются актуальными.
В процессе работы АД вокруг корпуса двигателя возникает внешнее магнитное поле (ВМП), суммирующее магнитные поля, создаваемые различными частями двигателя. Исправно функционирующая электрическая машина в условиях элек-
трической симметрии нагрузочных токов в фазных обмотках имеет в воздушном зазоре, в сердечнике, вокруг него и в лобовой части установившуюся симметричную форму распределения магнитного поля, в том числе ВМП рассеяния. Однако при возникновении несимметрии фаз питающего тока в статоре нарушается электрическая симметрия в фазных обмотках [1]. Как следствие этого, нарушается и магнитная симметрия. ВМП поврежденной фазной обмотки, будет отличаться от поля в других катушках [2].
Метод симметричных составляющих
Под несимметрией фаз питающего тока понимают неравномерное распределение тока по фазам, вызванное неравенством амплитуд питающего тока и (или) фазового угла. Как известно, общим методом анализа несимметричных режимов является метод симметричных составляющих [3]. Согласно этому методу, трехфазная несимметрич-
Транспорт
ная система токов Ia, Ib,Ic разлагается на системы
токов прямой Iai, Iw, Ici , обРатной Ia2, Ib2, Ic2 и нулевой Iao, Ibo, Ico последовательности. Для ста-торных обмоток асинхронных электродвигателей, соединенных «звездой», токи нулевой последовательности равны 0. Векторы токов прямой последовательности Iai,Ibi,Ici равны по значению и чередуются со сдвигом по фазе на 120° в направлении движения часовой стрелки, как показано на рис. 1.
Векторы токов обратной последовательности Ia2,Ib2,Ic2 также равны по значению, но чередуются со сдвигом по фазе на 120° в направлении, обратном движению часовой стрелки. Запишем:
Ia = Ia1 + Ia2 ; h = Ib1 + Ib2; Ia = I al +Ia2 ■ Запишем токи в фазах А, B, C через токи прямой и обратной последовательности [3]
!a = ! ai COS(OiÎ + 9ai ) + la 2 С0<-<^ + Ц a2) ;
1b = Ibl cos(Qjt + qal + 2k/3) + + IJ2 cos(-^t + фа2 + 2k/3) ; (1)
1c = IciCOs(®1t + 9ai + 4k /3) +
+ Ic2COs(-«it + 9a2 + 4k /3) .
Ial = Ibi = Ici = Il - токи прямой последовательности, изменяющиеся с угловой частотой ш j, = 2k/ ; / =50 Гц.
В электрических машинах для всех трехфазных обмоток расположение фазных зон и зон лобовых частей фазных обмоток имеет чередование в порядке строгой последовательности. На рис. 2 показано схематическое расположение фазных зон четырехполюсного АД.
Данное конструктивное расположение обмоток фаз дает возможность оценить техническое состояние (симметрию поля) путем контроля нарушения симметрии ВМП рассеяния АД при возникновении различных дефектов. Диагностика состояния ВМП проводится путем наружного измерения и анализа напряженности поля без контакта с самой обмоткой и вмешательства в нормальный режим работы электродвигателя.
Многоканальная система контроля
ВМП АД
Для проведения экспериментальных исследований напряженности ВМП АД была разработана многоканальная система на основе датчиков Холла. Структурная схема измерения ВМП АД представлена на рис. 3.
Рис. 2. Схематическое изображение расположения фазных зон четырехполюсного АД: I, II, III - обмотки фаз 1-3, Р1-Р4 - полюса электродвигателя
Рис. 3. Структурная схема измерения ВМП рассеяния АД
Рис. 4. Опытный образец комплекса контроля ВМП: 1 - датчики Холла (12 шт); 2 - многоканальный усилитель; 3 - АЦП; 4 - ПК с программой анализа и визуализации ВМП
Аналоговые сигналы с экранированных датчиков через кабель подаются на усилительный каскад, который имеет свой источник питания +10 В (рис. 3). Далее сигналы оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и подаются для анализа на персональный компьютер. Опытный образец комплекса контроля
ВМП асинхронного электродвигателя приведен на рис. 4.
Анализ экспериментальных данных
Для того чтобы наиболее точно оценить изменение распределения напряженности ВМП при наличии дефектов, был проведен ряд измерений бездефектного электродвигателя, затем искус-
Транспорт
ственно создавался дефект, например несиммет- развития дефекта. Измерение напряженности
рия фаз питающего тока. По изменению картины ВМП проводилось при расположении датчика
распределения напряженности ВМП на круговой Холла по нормали относительно линий магнитно-
диаграмме делался вывод о наличии и степени го поля двигателя.
Время, с
Рис. 5. Временной сигнал при симметричном режиме
5.0-
® 4,5-с!
го
¡4.0- /ЛЬ*% /^^Ч
| V
3,5-
п-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—I-г—
0 0,02 0,04 0.0Б 0,08
Время, с
Рис. 6. Временной сигнал при уровне несимметрии 100 %
-Напряженность, А/м
а) б) в)
Рис. 7. Круговые диаграммы ВМП при различном значении несимметрии тока в фазах: а - симметричный режим; б - уровень несимметрии 44,56 %; в - уровень несимметрии 100 %
•Напряженность, А/м
Рис. 8. Круговые диаграммы ВМП при 100 % несимметрии питающего тока в каждой из трех фаз
При искусственном создании несимметрии фаз питающего тока с помощью экспериментальной установки [4] изменяется форма и амплитуда сигнала, полученного при измерении. На рис. 5 и 6 представлены временные сигналы при симметричном режиме и 100 % несимметрии (обрыве) фазы.
Диаграммы напряженности ВМП рассеяния вокруг электродвигателя при развитии дефекта несимметрия фазы питающего тока представлены на рис. 7.
Круговые диаграммы распределения напряженности ВМП вокруг электродвигателя при 100 % уровне несимметрии питающего тока в фазах 1, 2 и 3 представлены на рис. 8.
Как видно из круговых диаграмм, напряженность ВМП фазной обмотки, в которой был создан дефект, отличается от ВМП в катушках других фаз. ВМП имеет минимальную величину в местах расположения обмотки с несимметрией
фазы и максимальную в местах расположения обмоток двух других фаз. Это явление происходит из-за изменения величины токов, протекающих в катушках, а значит и несимметрии ВМП. На рис. 9, 10 представлены трехмерные графики за период вращения ВМП АД при симметричном режиме и при уровне несимметрии фазы питающего тока 100 % в координатах: «круговое положение датчиков - время - напряженность ВМП».
Проанализировав полученные графики, можно сделать вывод, что при увеличении уровня несимметрии фазы питающего тока изменяется характер распределения ВМП рассеяния. Образуются минимумы напряженности магнитного поля в местах расположения обмотки фазы, несимметрия которой создается, и максимумы в местах расположения обмоток двух других фаз. Это происходит вследствие изменения величины токов, протекающих в обмотках. Из-за этих процессов
о <
0,003 ' 0,006 ' 0,009 ' 0,012 0,015 '
0,018 ' _
Положение 1
Рис. 9. Симметричный режим: а) трехмерный график в координатах: угловое положение датчика - текущее время за период - напряженность ВМП; б) вид сверху
Положение 1
Рис. 10. Несимметрия I фазы 100 %: а) 3 мерный график; б) вид сверху
Частота, Гц Частота. Гц
а) б)
Рис. 11. Гармонический состав ВМП: а) симметричный режим б) уровень несимметрии 100 %
нарушается равномерное вращение ВМП по окружности статора с замедлением движения в точках, лежащих в местах расположения минимумов напряженности магнитного поля, и быстрым последующим проскоком до следующей точки между полюсами через определенный период из-за возрастания величины напряженности ВМП.
Гармонический состав при симметричном режиме и при 100 % уровне несимметрии фазы питающего тока показан на рис. 11.
Из анализа гармонического состава сигнала можно сделать вывод, что при появлении дефекта «несимметрия фазы питающего тока» появляется третья гармоника частоты сети f = 150 Гц, в то время как амплитуда первой гармоники f = 50 Гц уменьшается.
Заключение
Таким образом, разработанная и созданная на кафедре «Механика и приборостроение» ИрГУПС многоканальная (12 каналов) система синхронной регистрации напряженности ВМП асинхронных электродвигателей позволяет получать круговые и пространственные диаграммы напряженности ВМП, исследовать и выявлять причины неоднородности ВМП, анализировать влияние различных дефектов на картину распределения ВМП и его гармонический состав.
В ходе исследований была доказана зависимость между картиной распределения ВМП рассеяния электродвигателя, спектром гармоник и видом дефекта «несимметрия питающего тока
в фазах». Искусственное моделирование этого дефекта показало, что распределение напряженности ВМП и его гармонический состав спектров резко отличаются от эталонных. При этом дефекте распределение напряженности ВМП изменяет свою форму и становится несимметричным. В перспективе разработка методов контроля и диагностики дефектов АД по параметрам ВМП рассеяния даст возможность диагностировать не только виды дефектов АД, но и степень их развития.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тонких В.Г. Метод диагностики асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве на основе анализа параметров их внешнего магнитного поля : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Барнаул, 2009. 20 с.
2. Брынский Е.А., Данилевич Я.Б., Яковлев В.И. Электромагнитные поля в электрических машинах. Л. : Энергия, 1979. 176 с.
3. Вольдек А.И. Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока. СПб. : Питер, 2008. 350 с.
4. Лукьянов А.В., Романовский А.И., Лукьянов Д.А. Динамика асинхронного привода при несиммтрии тока в фазах // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 3 (27). С. 96-102.
5. Шубов И.Г. Шум и вибрация электрических машин. Л. : Энергоатомиздат,1986. 205 с.
