CC BY
23
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПРИ НЕИСПРАВНОСТЯХ В ОБМОТКЕ СТАТОРА
Н.Н. Портнягин, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003
e-mail: рогтс1 @yandex.ru e-mail: marchenko21@mail.ru
В статье представлена модель, позволяющая осуществить резкий сброс частоты питающего напряжения асинхронного двигателя. Представленный в статье график мощности позволяет судить о переводе электродвигателя в генераторный режим. Теоретически обоснован метод по уменьшению биений напряжения.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, динамическое нагружение, рекуперативное торможение, генераторный режим.
Research of processes of electric cars dynamic loading at malfunctions in a stator winding. N.N. Portnyagin, А.А. Marchenko (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
At the given article we represent the model allowing to carry out sharp dumping of feeding tension frequency of a synchronous engine. The schedule of capacity allows to judge of the electric motor change to a generating mode. The method of tension reduction is theoretically grounded.
Key words: asynchronous engine, dynamic loading, recuperative braking, generating mode.
В настоящее время плохое состояние рыбопромыслового флота Камчатского края и увеличение максимального срока службы электрооборудования как единственное решение сложившейся проблемы привели к тому, что буквально все судоремонтные предприятия края заполнены электрическими машинами, требующими ремонта, большая часть из которых асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.
Огромное количество двигателей, находящихся в эксплуатации, определяет и большое количество двигателей, вышедших из строя и требующих починки на ремонтных предприятиях. Общеизвестным фактом является то, что к капитальному ремонту электродвигателей предъявляются серьезные технические требования, направленные на то, чтобы по надежности в эксплуатации и техническим характеристикам отремонтированные машины не уступали новым, выпускаемым промышленностью. Непременным условием для обеспечения высокого качества ремонта машин является проведение при ремонте обязательного объема испытаний и измерений [1].
Согласно данным ремонтных предприятий из-за межвитковых замыканий отказывают 93% двигателей, пробоев межвитковой изоляции 5%, пазовой - 2%. Отказы с замыканиями в статорной обмотке, их развитие имеют различную природу: работа в двухфазном режиме; местные или локальные перегревы, имеющие различную природу, тяжелые условия запуска и т. д.
На данный момент существуют определенные способы проверки электрических машин после ремонта. У генераторов изменения в статорных обмотках напрямую влияют на вращение, величину и качество отдаваемой электрической энергии. Этот параметр можно также использовать и при диагностировании технического состояния электродвигателей.
Значительно повысить надежность процесса диагностирования асинхронного двигателя возможно при помощи свойств обратимости электрических машин. На основе теории электрических машин можно сделать вывод об удовлетворении степени прочности конструктивных элементов машин при переходе в режим генератора [2]. Переход в устойчивый режим асинхронного генератора связан с некоторыми трудностями. Использование асинхронного генератора затруднено потреблением реактивной мощности машиной и необходимостью подключения дополнительных элементов. Кроме того, на основании вышесказанного о центровке электрических машин можно сделать вывод о нецелесообразности использования приводного двигателя для разгона и получения обратного скольжения. В то же время может оказаться перспективным перевод в режим генератора на короткий промежуток времени путем изменения частоты питающего напряжения. Такого процесса может быть вполне достаточно для получения необходимой для диагностирования базы знаний. Подобный подход к диагностированию может быть применен только с появлением
современных преобразователей частоты. Также испытания электродвигателя при использовании такого метода диагностирования связаны с рядом трудностей, таких как биения напряжений сети и асинхронного двигателя, определение оптимального нагрузочного момента и влияние неисправностей на электрические параметры машины. Введения неисправностей путем изменения в конструкции электрической машины, а также монтаж диагностического стенда, притом что конструкция не каждой модели является оправданной, может оказаться весьма трудоемкой задачей. Решением проблемы может оказаться компьютерное моделирование устройства.
Для классификации и проведения соответствующих испытаний в среде компьютерного моделирования ниже приводятся неисправности, ослабляющие вращение поля и признаки, способствующие выявлению неисправностей.
Одной из самых распространенных неисправностей является короткое замыкание в одной из фазных обмоток статора или между ними вследствие влажности изоляции или вследствие повреждения изоляции в двух местах, создающих между ними непосредственное соединение или соединение через корпус машины.
Причинами повреждений обмотки статора могут оказаться:
1) ослабление крепления стержней в пазу, вызывающее истирание изоляции стержня;
2) повреждение полупроводящего покрытия стержня, вызывающее появление частичных разрядов (ЧР); расслоение изоляции, вызывающее ее ускоренное старение;
3) крушение изоляции элементарных проводников, вызывающее увеличение циркуляционных токов и местный перегрев обмоток;
4) ослабление крепления лобовых частей, вызывающее истирание изоляции, смещение проводников и повышенную вибрацию лобовых частей;
5) загрязнение, замасливание и увлажнение изоляции, вызывающее снижение электрической прочности изоляции.
Как было сказано выше, определение неисправностей при испытании электрических машин возможно производить в кратковременном генераторном режиме путем нагружения двигателя электромагнитным моментом, эквивалентным механическому.
Для получения необходимых показателей разработана имитационная модель, представленная на рис. 1.
На рис. 1 блок 1 представляет собой двигатель постоянного тока с независимым возбуждением и синхронный генератор (электромашинный преобразователь). Переключение от источника с частотой напряжения 50 Гц на источник с частотой 25 Гц (синхронный генератор) происходит при помощи блоков 2, которые являются трехфазными безынерционными выключателями. Сигнал управления на выключатели формируется при помощи блока микроконтроллеров 3. Асинхронный испытуемый электродвигатель обозначен блоком 4. Изменение скорости вращения приводного двигателя осуществляется изменением напряжения на якоре [3]. Асинхронный двигатель в первый момент времени вращается от сети частотой 50 Гц, затем при достижении номинальной частоты вращения переключается на синхронный генератор. В этот момент времени двигатель переходит в генераторный режим и отдает энергию на синхронный генератор. При испытании электродвигателя по такой схеме можно ожидать снижение напряжений биений в силу пропорциональности частот двух питающих напряжений.
Рис. 1. Имитационная модель с использованием синхронного генератора:
блок 1 - двигатель постоянного тока и синхронный генератор, блок 2 - трехфазный переключатель, блок 3 - управляющий контроллер, блок 4 - асинхронный двигатель, блок 5 - блок короткого замыкания
Далее представлены результаты моделирования при введении в компьютерную модель неисправностей, указанных выше [4].
Моделирование короткого замыкания в одной из фазных обмоток статора или между ними достигается при введении в схему блока 5. Введение такой неисправности в определенный промежуток времени осуществляется аналогично формированию сигналов управления трехфазных переключателей 2.
Как было указано ранее, крушение изоляции статорных обмоток электрических машин приводит к протеканию кратковременных частых замыканий в обмотках статора.
Для проведения эксперимента по введению малочисленных междуфазных коротких замыканий при протекании циклического генераторного режима блок 5 устанавливаем на включение в следующие промежутки времени:
1. От 0,67 до 0,68 с. Данный режим соответствует короткому замыканию в период времени протекания генераторного режима асинхронного электродвигателя. После замыкания трехфазного переключателя в момент времени 0,65 с электромагнитный момент еще находится в положительной области оси ординат. После достижения его значений отрицательной области и перехода испытуемого электродвигателя в полноценный генераторный режим происходит краткое по времени короткое замыкание.
2. От 0,7 до 0,71 с. Данный режим соответствует короткому замыканию в период времени окончания протекания генераторного режима. После размыкания трехфазного переключателя в момент времени 0,72 с испытуемый электродвигатель подключается к сети с частотой напряжения 50 Гц и начинает набирать скорость.
3. От 0,74 до 0,75 с. Режим соответствует двигательному. После размыкания трехфазного переключателя в момент времени 0,72 с электромагнитный момент принимает значения, соответствующие положительной части оси ординат, и в момент времени, соответствующий установившемуся двигательному режиму, происходит короткое замыкание.
4. От 0,8 до 0,81 с. Режим соответствует переходному. После замыкания трехфазного управляемого переключателя двигатель питается от источника напряжения с частотой 25 Гц и переходит в генераторный режим с отдачей электрической энергии в сеть. В данном режиме рассматривается влияние межфазного короткого замыкания на значение мощности асинхронного двигателя, еще не достигшего полноценного генераторного режима.
5. От 0,9 до 0,91 с. Режим соответствует окончанию прохождения генераторного режима с учетом нарушения переходного процесса прохождением короткого замыкания от 0,8 до 0,81 с.
На рис. 2 и рис. 3 представлены результаты моделирования.
• 1 1 1 3 ' - 1 - - 1 ■
1 І
1 і А \ і\_
1 1 ^ І \ / V \ ; ■
А/ - и—а».
у
Н \ 1 2 з I
: - 1 1 1 1 0.6 0.65 0. 7 0.75
Рис. 2. Результаты моделирования эксперимента в режимах 1-3
На рис. 2 отчетливо наблюдается падение мощности в режиме 1 и режиме 2. Кроме того, нужно отметить, что в режиме кратковременных частых замыканий между этими режимами значение отдаваемой мощности не увеличивается, далее при переходе в режим 2, которому соответствует окончание генераторного режима, значение обратной мощности остается прежним. В режиме 3, соответствующем установившемуся двигательному режиму, наблюдается резкое снижение мощности с последующим нарастанием.
Из графиков, представленных на рис. 3, можно сделать вывод, что показания мощности режима 4 соответствуют показаниям режима 1, то есть активная мощность стремится к нулю. Режим 5 соответствует режиму 2, причем отдаваемая мощность генераторного режима также не повышает своего значения после прекращения короткого замыкания.
Рис. 3. Результаты моделирования эксперимента в режимах 4-5
В данной статье рассматривались неисправности, возникающие вследствие влияния неблагоприятных условий на обмотки статора. Кроме возникновения пробоев изоляции, приводящих к возможности протекания режима межфазного короткого замыкания, старение проводов приводит к ухудшению их проводимости. Данная неисправность более сложна для диагностирования. Для определения параметров, позволяющих судить об уменьшении проводимости статорных обмоток опытным путем, увеличивалось сопротивление обмоток статора, в то же время фиксировались изменения в показаниях отдаваемой мощности кратковременного генераторного режима асинхронного электродвигателя.
На рис. 4 представлены результаты моделирования при сопротивлении обмоток 0,7 Ом. Для сравнения на рис. 5 представлены результаты моделирования при увеличенном сопротивлении до 1,0 Ом. Видно, что обратная активная мощность генераторного режима асинхронного двигателя очень чувствительна к изменению сопротивления обмоток статора [5]. Так, при изменении сопротивления всего на 0,3 Ом происходит заметное уменьшение отдаваемой в сеть
электрической энергии. На рис. 4 и рис. 5 цифрами 1 и 2 помечены установившиеся значения обратной мощности в соответствующие моменты времени.
Рис. 4. Результаты моделирования при сопротивлении обмоток статора 0,7 Ом
Как видно из результатов моделирования, значение обратной активной мощности при сопротивлении обмоток статора 0,7 Ом в соответствующие моменты времени значительно выше, чем при сопротивлении 1,0 Ом. Это позволяет судить о возможности определения старения [6] обмоток при переводе асинхронного электродвигателя в режим генератора и замера обратной отдаваемой в сеть мощности.
Представленные на рисунках изменения мощностей сравнительно небольшие, что связано со сравнительно небольшими изменениями сопротивления, но в то же время заметные.
1
1 к, 1 1 1 1 1 1 і ~
і
'
г
Рис. 5. Результаты моделирования при сопротивлении обмоток статора 1,0 Ом
Из проведенных экспериментов на имитационных моделях можно сделать следующие выводы:
- генераторный режим асинхронного электродвигателя вполне подходит для нагружения электрических машин электромагнитным моментом;
- обратная отдаваемая в сеть мощность генераторного режима дает информацию о техническом состоянии машины;
- после проведения экспериментов по введению неисправностей в обмотке статора (многочисленных и одиночных коротких замыканий) в разных режимах работы асинхронного электродвигателя получено подтверждение предположения об изменении отдаваемой в сеть мощности двигателя;
- моделирование процесса старения обмоток в процессе эксплуатации и ухудшения проводящих свойств материала статорных обмоток позволило оценить влияние увеличения сопротивления обмоток на поведение электрической машины в генераторном режиме.
Литература
1. СлонимН.М. Испытания асинхронных двигателей при ремонте. - М.: Энергия, 1970. - 80 с.
2. Голдберг О.Д. Испытание электрических машин: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2000. -255 с.
3. ВольдекА.И. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978. - 356 с.
4. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учеб. пособие. - СПб.; КОРОНА принт, 2001. - 146 с.
5. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB Sim Power Systems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
6. Баранов А.П. Раимов М.М. Моделирование электрооборудования и средств автоматизации: Учеб. для вузов. - СПб.: Элмор, 1997. - 232 с.
