Исследование вибродиагностических признаков несимметрии тока асинхронного двигателя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Романовский А. И. УДК 621.3113.31

ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ НЕСИММЕТРИИ ТОКА АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДИВИГАТЕЛЕЙ

Анализируя сигналы с вибродатчиков, установленных на подшипниках электрических машин можно выявить достаточно много специфических причин повышенной вибрации, возникающих только в электродвигателях различного типа. Эти причины могут являться как прямым результатом наличия различных внутренних электромагнитных дефектов электрических машин, так и быть просто связанными со специфическими особенностями проявления электромагнитных процессов в обмотках и сердечниках, отражать особенности нормальной работы электродвигателей.

Вибрация электромагнитного происхождения в электрических машинах может иметь несколько составляющих разной природы. Основное внимание при ее описании уделяется электродинамическим, электромагнитным и магнитост-рикционным колебательным силам.

Электродинамической является сила взаимодействия проводника, в котором протекает ток, с магнитным полем (рис. 1), пересекающим этот проводник (рис.2)

Fed = BH = ц0 ЯП, (1)

Рис. 1. Картина магнитного поля асинхронной машины

где I - ток в проводнике; I - длина проводника; В - магнитная индукция в зазоре электромагнита; Н - напряженность магнитного поля, -10 7 Гн/м - магнитная проницаемость

воздуха.

Магнитное поле в зазоре электродвигателя определяется магнитодвижущей силой (МДС) его обмотки

Е = (2)

где ^ ; Iв - количество витков и ток в обмотке соответственно.

Поскольку магнитное сопротивление воздуха на несколько порядков выше сопротивления магнитопровода, вся электромагнитная энергия Ж сосредоточена в зазоре электромагнита и равна:

1 9

W =1 jU0 H 2 SS,

(3)

где S - площадь сечения магнитопровода; S -высота (толщина) зазора.

Fed

Рис.2. Схема действия колебательных сил (, ,

) электромагнитного происхождения на ротор и статор асинхронного двигателя

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кроме пары встречных электродинамических сил ^^ действующих на проводник с

током и магнитопровод в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного потока, в зазоре возникает пара встречных электромагнитных сил Рв, стремящихся уменьшить магнитную энергию, т.е. высоту зазора. Каждая из этой пары сил равна:

"" 1 (4)

F = dW ju0 H ^ S = -L BS dS

Под действием магнитного поля в активной стали происходит ориентация доменов, сопровождающаяся появлением внутренних магнитост-рикционных сил, изменяющих геометрические размеры магнитопровода:

F = ш2, (5)

где Л - коэффициент магнитострикции.

Как правило, Л зависит от химического состава электротехнической стали, способа ее механической обработки и величины индукции магнитного поля. Типовые величины Л для электротехнической стали лежат в области (3 ^ 30). 10-6. Сталь удлиняется в направлении действия магнитного поля и сокращается в поперечном направлении.

Если магнитное поле и (или) ток в проводнике, помещенном в магнитное поле, имеют переменные составляющие, возникают колебательные силы, имеющие электромагнитную, электродинамическую и магнитострикционную природу и разные частоты.

Так, при переменном с угловой частотой б магнитном поле индукцией b(t) = Bсо(ф^—Ф в

зазоре электродвигателя, электромагнитная сила имеет постоянную и переменную составляющие:

f (t) = — B2S cos2 (б -ф) =

2^0 (6)

= B2S [1 + cos 2(б - ф)], 4Ao

где B2S / = F - амплитуда колебательной

силы; 2 б - частота колебательной силы.

Удвоение частоты при переходе от переменного магнитного поля к колебательным силам является основным свойством электромагнитных сил.

В том случае, если в зазор постоянного электромагнита помещается проводник с пере-

менным током ) = I С0Б(« — ф), то частота

электродинамических колебательных сил совпадает с частотой тока.

И наконец, при изменяющейся по гармоническому закону магнитной индукции в электротехнической стали, магнитострикционная деформация магнитопровода также будет иметь удвоенную частоту 2 «, но из-за зависимости Л от величины индукции, появляются незначительные по величине колебательные перемещения поверхности магнитопровода с частотами 2к« , где к = 1,2.

В электрических машинах как магнитное поле в зазоре, так и ток в силовых обмотках имеют одну или несколько гармонических составляющих разной частоты. Так, если в зазоре машины магнитное поле изменяется с частотой (1, а ток в силовой обмотке (проводнике) имеет частоту (2, то

электромагнитная сила (без учета переменного магнитного поля, создаваемого проводником), кроме постоянной составляющей, имеет гармоническую составляющую с частотой 2(1, а электродинамическая сила - две составляющие с комбинационными частотами:

Fed = b(t )i(t )l =

= B cos(6t -ф) x I cos(®21 -ф )l = = 1BI1 cos {[(б1 - б2 )t - (ф - ф2 )] +

(7)

+cos

[(б +б2> - (ф1 -ф2 )] }•

Магнитострикционные силы имеют основную составляющую с частотой 2&(, совпадающую с частотой электромагнитных сил, но кроме нее имеют ряд слабых гармоник с частотами 2«. Таким образом, в сигнале возбуждаемой вибрации будут присутствовать, по крайней мере, четыре составляющих с частотами 2«,

4«, ( + «2, ( — (°2-

Усиление вибрации электромагнитного происхождения при возникновении дефектов в двигателях переменного тока, в общем случае, могут вызываться, в основном, пятью силами, имеющими свои собственные частоты [1]: - Первая сила связана с частотой питающей сети /с , имеет пик на частоте 50 герц.

90 -|

—,

70 -60 - С £ 50 - 0 £ 40 -ш 30 - 1 20-со 10 -0 - г

г

-

№ 1562-2 № 1862-1 № 1684-1 № 1665-1 № 1734-2 № 1544-2 № 1853-1 № 1592-2 № 1868-1

□ Значение тока фазы А 73 76 68 72 70 62 54 58 40

□ Значение тока фазы В 82 82 78 79 79 77 65 70 67

□ Значение тока фазы С 81 82 77 78 78 74 60 68 65

□ Величина несимметрии фазных токов, % 10,9 7,3 12,8 8,9 11,4 19,5 16,9 17,1 40,3

Номера электровозов серии ВЛ80р

Рис. 3. Значения фазных токов асинхронного двигателя МВ-1 на электровозах серии ВЛ80р

- Вторая сила FB1 генерирует колебания с частотой проявления электромагнитных процессов в меди и стали электрической машины, имеет пик на частоте 100 герц.

- Третья связана с частотой вращения электромагнитного поля в зазоре машины и есть частное от деления частоты питающей сети на число пар полюсов статора:

I = и Р. (8)

- Четвертая FP связана с частотой вращения ротора и в асинхронных машинах всегда на несколько процентов меньше частоты вращения электромагнитного поля.

- Пятая FЗп вызывается наличием дефектов в зубцово-пазовой структуре электрической машины. Вибрация может быть пропорциональна произведению частоты вращения на число пазов статора, ротора или их частоте биений.

Основной признак того, что диагностируемый дефект имеет электромагнитную причину - мгновенное исчезновение его признаков в спектре вибрации после отключения электрической машины от сети.

В рамках статьи рассматривается влияние несимметрии фазных токов статора асинхронного электродвигателя на его вибрационный фон.

Несимметричный режим питания асинхронного двигателя - одна из самых распространённых проблем на электроподвижном составе (ЭПС) же-

лезных дорог, условия работы двигателя первого мотор-вентилятора (МВ1) на электровозах серии ВЛ80р отражены на рисунке 3, средний уровень несимметрии для всех исследованных электродвигателей составляет 16 %.

Несимметричный режим нагрузки асинхронного двигателя обусловлен как несимметрией токов питающей сети, так и различием сопротивлений отдельных фаз обмотки статора.

Причинами несимметрии токов в цепи электродвигателей вспомогательных машин мотор-вентиляторов и мотор-компрессоров на ЭПС является некорректное преобразование фазоращепите-лем однофазной системы тока в трёхфазную, необходимую для питания машин либо повреждения фазных катушек статора (проводников), приводящие к различным значениям сопротивлений отдельных фаз обмотки статора.

Как показывает опыт, даже незначительная несимметрия фазных токов (в пределах 2—3 %) приводит к возрастанию тангенциальной вибрации на частоте 2 /с (удвоенная частота питающей сети) под воздействием пульсирующего крутильного момента.

Рассмотрим механизм возникновения таких моментов. Ток линейной нагрузки статора и индукция результирующего магнитного поля в воздушном зазоре могут быть представлены в следующем виде:

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(9) (10)

а(в, t) = А соб( рв — « — фА1) + +А сов( рв + « — фА2) Ь(в, t) = В соз(рв — « — ф) + +В соз( рв + « — фВ2)

где А, А, В, В — линейные токовые нагрузки статора и индукции результирующего магнитного поля в воздушном зазоре прямого и обратного следования фаз.

Крутильные колебания статора возникают под воздействием тангенциальных сил [2]:

Д = 0, 5 ДВ2 со8(2« — ф1 + фв2 ) + +0,5 АВ соб(2« — фА2 + ф ) Принимая во внимание, что — Флг ~ Фв1 — (Ра2 а обратное поле В2 мало, имеем:

Р = 0,5 АВ соб(2« — (рА2 + рВ1) (12) Действующее значение крутильного момента в долях номинального составит:

(11)

А Я

м р = (АТЯТ)жК 21<А В5

А Вд

(13)

При малых несимметриях нагрузки

В1 « В

м,.

кр

(I2 )ЖЯ21, АцВд,

(14)

где 12 — ток обратной последовательности.

Факт повышения уровня вибрации в тангенциальном направлении при несимметричном питании электрической машины проверен экспериментально, для этого была создана установка, способная создавать несимметрию фазных токов двигателя (рис.5), для более явного проявления вибрации, согласно теории необходимо, чтобы двигатель работал с нагрузкой на валу. Необходимое сопротивление на валу асинхронного двигателя создаётся путём соединения его с двигателем постоянного тока, который работает в режиме генератора. Энергия, вырабатываемая двигателем рассеивается на резисторе переменного сопротивления. Максимальная нагрузка, созданная на валу асинхронного двигателя составляла около 25 Вт. Сигнал с датчиков (рис.6), установленных на корпусе двигателя, регистрировался с помощью восьмика-нального виброизмерительного преобразователя СТД-2160 с последующей обработкой программой «Вибр одизайнер».

д

имеем:

Рис. 5. Экспериментальная установка, питающая асинхронный двигатель с различными значениями фазных токов: 1- асинхронный электродвигатель типа АИР90L4У3; 2 - экспериментальная установка; 3 - двигатель постоянного тока (генератор); 4 - резистор переменного сопротивления; 5 - мультиметр; 6 -

источник питания постоянного тока.

Рис. 7. График зависимости значений СКЗ виброскорости в шести измеряемых точках от степени

несимметрии фазных токов двигателя

В результате проведённых экспериментов была выявлена зависимость повышения общего уровня СКЗ виброскорости по шести измеряемым направлениям от изменения степени несимметрии (рис. 7), однако, наибольший рост виброскорости наблюдался в горизонтальном и тангенциальном направлениях.

В подтверждении теории основная энергия вибрации в тангенциальном направлении сосредотачивается на частоте 100 Гц (рис. 8 - 11), рост амплитуды на данной частоте характерен при нарушении симметрии токов в цепи статорной обмотки. На рис.12 - рис.15 отражены зависимости амплитуд виброскорости от величины несимметрии фазных токов в цепи статора двигателя на характерных частотах проявления дефекта в гори-

зонтальном и тангенциальном направлениях в режимах работы двигателя на холостом ходу и под нагрузкой.

Несимметрия напряжения и токов помимо роста вибрации вызывает увеличение потерь электроэнергии, приводит к снижению сроков службы и надежности электрооборудования. В асинхронных электродвигателях несимметрия вызывает дополнительный нагрев и противодействующий вращающий момент. Даже при небольшой несимметрии возникает ток обратной последовательности, который, накладываясь на ток прямой последовательности, вызывает нагрев электродвигателя. В результате чего уменьшается мощность и ускоряется старение изоляции, то есть ухудшаются показатели ЭМС.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рис. 8. Спектр вибрации в тангенциальном направлении, при семмитричном режиме работы двигателя

Рис. 9. Спектр вибрации в тангенциальном направлении, при несимметрии фазных токов 20%

Рис. 10. Спектр вибрации в тангенциальном направлении, при несимметрии фазных токов 40%

Рис. 11. Спектр вибрации в тангенциальном направлении, при несимметрии фазных токов 100% (обрыв фазного провода)

-25 Гц 50 Гц 100 Гц 200 Гц 300 Гц

Величина несимметрии фазных токов двигателя,%

Рис. 12. График зависимости амплитуд виброскорости на характерных частотах проявления дефекта от величины несимметрии фазных токов двигателя в горизонтальном направлении в режиме холостого хода

Рис. 13. График зависимости амплитуд виброскорости на характерных частотах проявления дефекта от величины несимметрии фазных токов двигателя в тангенциальном направлении в режиме холостого

хода

Рис. 14. График зависимости амплитуд виброскорости на характерных частотах проявления дефекта от величины несимметрии фазных токов двигателя в горизонтальном направлении под нагрузкой

0

10

20

40

100

СИСТЕМНЫМ АНАЛИЗ И ЕГО ПРИЛОЖЕНИЯ

-25 Гц 50 Гц 100 Гц 200 Гц 300 Гц

0 10 20 40 100

Величина несимижегрии фазных токов двигателя,%

Рис. 15. График зависимости амплитуд виброскорости на характерных частотах проявления дефекта от величины несимметрии фазных токов двигателя в тангенциальном направлении под нагрузкой

Выводы:

1. Определены и описаны силы электрической природы, создающие вибрацию в асинхронном двигателе.

2. Экспериментально выявлено, что при увеличении несимметрии фазных токов в асинхронных электродвигателях возрастает уровень их вибрации, в частности при несимметрии составляющей 16% ( средний уровень несимметрии вспомогательных машин электровозов) общий уровень их вибрации возрастает в среднем на 40 %, а в тангенциальном и радиально-горизонтальном направлении более чем в 2 раза.

3. Основная вибрационная мощность асинхронного электродвигателя передается на частоте действия электромагнитных сил 100 Гц, как в горизонтальном так и в тангенциальном направле-

ниях. С увеличением величины несимметрии фазных токов амплитудные значения виброскорости на частоте 100 Гц стабильно увеличиваются, при значении несимметрии 16 % амплитудные значения на этой частоте увеличиваются в 3-4 раза, по сравнению с симметричной системой токов ста-торной обмотки.

4. При работе электродвигателя под нагрузкой при несимметрии несколько снижается как общее значение СКЗ виброскорости, так и амплитуды на характерных частотах проявления дефекта в горизонтальном и тангенциальном направлениях (направлениях максимальной вибрации), при этом оставаясь на уровне выше допустимого согласно стандартам УБ1 2056 и ГОСТ ИСО - 10816-3-99. 5. Действующие в настоящее время стандарты по ограничению максимальной вибрации электромашин и точкам измерения вибрации базируются на разработках УБ1 2056, которые не предусматривают измерения и контроль вибрации в тангенциальном направлении. На основании проведённых исследований необходимо скорректировать существующие стандарты (ГОСТы), для точек контроля дефектов электромагнитной природы.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Лукьянов А. В. Классификатор вибродиагностических признаков дефектов роторных машин. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 1999. 228 с.

2. Шубов И. Г. Шум и вибрация электрических машин. 2-е изд., перераб. и доп. Л. : Энерго-атомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. 208 с.

Говердовский В. Н., Зобов А. В. УДК 62-752

СОСТОЯНИЕ И МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВИБРОЗАЩИТЫ ВЕРТОЛЕТА

ВВЕДЕНИЕ

По числу выпущенных машин вертолет Ми-8 не имеет аналогов среди летательных аппаратов своего класса. По живучести, суммарной полезной нагрузке, числу модификаций и степени распространения в мире Ми-8 превосходит все известные вертолеты. Поэтому Ми-8 является одним из наи-

более вероятных прототипов вертолета следующего поколения. На ОКБ им. Миля возложены задачи обеспечения оперативной модернизации выпускаемых вертолетов под современные требования и создания перспективных машин на основе передовых технологий. Цель - повышение конкуренте-