CC BY
125
ISSN 1992-6502 (Print)_
2016. Т. 20, № 1 (71).С. 122-127
Ъыьмт QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.313:537
Исследование внешнего магнитного поля асинхронного электродвигателя
В. Е. Вавилов1 , Д. Ю. Пашали2 , И. Ф. Саяхов3 , В. В. Айгузина4
1s2_88@mail.ru, 2dipashali@mail.ru, 3isayakhov92@mail.ru, 4vtipy@mail.ru ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 05.11.2015
Аннотация. Произведена оценка параметров внешнего магнитного поля асинхронного электродвигателя с различными видами дефектов: межвитковым замыканием в фазе статора, обрывом фазы статора, а также при статическом эксцентриситете. Исследования проводились методом конечных элементов на основе уравнений Лапласа в программном комплексе Ansoft Maxwell v. 14. Определен спектральный состав напряженности внешнего магнитного поля для каждого случая, построены круговые диаграммы амплитуды напряженности внешнего магнитного поля.
Ключевые слова: внешнее магнитное поле, асинхронный электродвигатель, спектральный состав напряженности, круговая диаграмма.
ВВЕДЕНИЕ
Асинхронные электродвигатели (АД) - наиболее распространенный в настоящее время вид электрических машин, составляющих основу привода большинства механизмов и машинного оборудования. Благодаря простоте и технологичности конструкции, высоким энергетическим показателям, эксплуатационной надежности и устойчивости к перегрузкам асинхронные двигатели широко используются в машиностроении, во всех отраслях промышленности и видах транспорта, в приводах различных станков, насосов, вентиляторов, компрессоров, грузоподъемных механизмов. Поэтому вопросы повышения надежности и долговечности АД как наиболее ответственного звена в комплексах технологического оборудования являются наиболее важными [1].
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Основными задачами проведенного исследования является определение и оценка параметров внешнего магнитного поля асинхронного электродвигателя с различными видами дефектов: меж-витковым замыканием в фазе статора, обрывом фазы статора, а также при статическом эксцентриситете методами компьютерного моделирования.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования по определению параметров внешнего магнитного поля (ВМП) проводились на трехфазном асинхронном двигателе 4А100L4У3 (АД) с моделированием различных дефектов в программном комплексе Ansoft Maxwell v. 14.0 методом конечных элементов (МКЭ). Габаритные и технические показатели АД представлены в таблице.
Для рассматриваемой задачи вполне достаточным является расчет плоскопараллельных полей в поперечном сечении АД. Поэтому в данной работе исследование ВМП ограничено двумерными задачами, сформулированными в цилиндрических координатах.
Анализ литературы [1, 3] показал, что наибольшей информативностью обладают составляющие поля, расположенные в плоскости одного листа электротехнической стали, из которого собран статор. Исходя из этого, для проведения исследования напряженности ВМП на внешней поверхности АД были выбраны восемь точек с координатами (r, 0°), (r, 45°), (r, 90°), (r, 135°), (r, 180°), (r, 225°), (r, 270°), (r, 315°) (рис.1), где r - внешний радиус магнитопровода статора.
Таблица
Габаритные и технические показатели АД [2]
Наименование параметра Значение
Мощность АД, кВт 4
Внешний диаметр 168
статора, мм
Внутренний диаметр 113
статора, мм
Активная длина, мм 120
Воздушный зазор, мм 0,3
Число пазов статора 24
Число пазов ротора 20
Число полюсов 4
Активное сопротивление 1,27
фазы статора, Ом
Схема соединения Y («звезда»)
обмоток фаз статора
Напряжение фазы А ил=3Шш(2лй)
статора
Напряжение фазы В иВ=3Шш(2лй-
статора -2п/3)
Напряжение фазы С ио=3Шт(2лй-
статора -4п/3)
Частота питающей сети, Гц 50
оВласть
моделирования ВМП
Рис. 1. Сетка конечных элементов и точки проведения исследования ВМП
ЗАДАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ СРЕД И ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ
При расчете пренебрегаем влиянием вихревых токов в сердечниках на распределение поля в активной зоне АД. Учет нелинейных свойств магнитопровода, а также вала, производился заданием кривых намагничивания Б=/[И) ферромагнитных сталей.
Для того чтобы уравнения электромагнитного поля, применяемые в МКЭ, имели единственное решение, необходимо в качестве граничных условий задать нулевое значение векторного магнитного потенциала на границе области моделирования ВМП (рис. 1) с радиусом Д=1,3г.
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Моделирование дефектов в исследуемом АД производилось путем изменения технических показателей. Так, для моделирования дефекта «обрыв стержней ротора» электрическая проводимость двух соседних стержней беличьей клетки задавалась равной нулю, для моделирования дефекта «статический эксцентриситет» производилось смещение оси ротора относительно оси статора на величину 0,15, где 5 - величина воздушного зазора АД. Моделирование электрических неисправностей «межвитковое замыкание в обмотке статора» производилось увеличением проводимости фазы АД.
В точках 1-8 были проведены исследования напряженности ВМП. По их значениям строились круговые диаграммы напряженностей ВМП, в точках с наибольшей амплитудой сигнала были приведены осциллограммы напряжен-ностей и их спектральный состав.
На рис. 2 приведена круговая диаграмма амплитуды напряженности ВМП бездефектного АД. Амплитуда ВМП вокруг АД на равноудаленных точках почти одинакова - около 500 А/м.
Рис. 2. Круговая диаграмма амплитуды напряженности ВМП в АД без дефектов
На рис.3 приведена осциллограмма напряженности ВМП АД в точке 1 для двигателя без дефектов. Разложение осциллограммы на гармонические составляющие представлено на рис.4, на котором видно, что амплитуда основной гармоники магнитного поля существенно превалирует в спектре.
Н, А/т
600
500
400
300
200
100
АЛ УЧА УЧА УЧА УV\
20
40
60
80
100
1, С
Рис. 3. Осциллограмма напряженности ВМП в точке 1 бездефектного АД
Рис. 4. Спектральный состав напряженности ВМП бездефектного АД в точке 1
Проведено исследование напряженности магнитного поля АД с дефектом «обрыв стержней ротора». Временной сигнал имеет периодическую, стабильную по амплитуде форму.
На рис. 5 представлена круговая диаграмма амплитуды напряженности ВМП АД. Напряженность ВМП во всех точках, кроме точки 7, повышена, по сравнению с АД без дефектов. Максимальное значение амплитуды напряженности составляет 560 А/м в точке 1, минимальное -500 А/м в точке 7.
Рис. 5. Круговая диаграмма амплитуды напряженности ВМП в АД с дефектом «обрыв стержней ротора»
На рис.6 приведена осциллограмма напряженности ВМП в точке 1 для АД с дефектом «обрыв стержня ротора».
Н, А/т
600
500
400
300
200
100
V74
20
40
60
80
1001, С
Рис. 6. Осциллограмма напряженности ВМП АД в точке 1 для двигателя с дефектом «обрыв стержня ротора»
Разложение осциллограммы напряженности магнитного поля на гармонические составляющие представлено на рис.7, на котором видно, что в спектре напряженности ВМП двигателя появились четные гармоники (2, 4, 6), а также нечетные (3, 5, 7, 9), в то же время основная амплитуда гармоники магнитного поля существенно понизилась - на 40 %.
0
0
0
0
Рис. 7. Спектральный состав напряженности ВМП АД с дефектом «обрыв стержня ротора» в точке 1
До 20...40 % отказов АД приходится на механические неисправности [4], поэтому проведено исследование напряженности ВМП АД с дефектом «статический эксцентриситет», которое показало, что временные сигналы имеют искаженную форму в сравнении с бездефектным, вследствие нарушения симметричности. На рис.8 представлена осциллограмма напряженности ВМП АД с дефектом «статический эксцентриситет» в точке с наибольшей амплитудой -точке 3.
Н, А/т
600
500
400
300
200
100
20
40
60
80
100
t, c
Рис. 8. Осциллограмма напряженности ВМП в точке 3 для АД с дефектом «статический эксцентриситет»
По круговой диаграмме амплитуды напряженности ВМП (рис.9), видно, что значения напряженности ВМП увеличены по сравнению с бездефектным АД (рис.3): на 5 % для точки 7 -минимальное значение амплитуды напряженности ВМП и 12 % для точки 3 - максимальное значение амплитуды напряженности ВМП.
Рис. 9. Круговая диаграмма амплитуды напряженности ВМП для АД с дефектом «статический эксцентриситет»
Разложение осциллограммы на гармонические составляющие представлено на рис.10.
Н, А/М Ч
400 £ -
350 300 250 200 150 100 50 0
0 0
0 0
0
о о" 0
4 2
0 0
0
о о" 0 2
0
о о" 5 2
0
о о" 0 3
2 4
0
о о" 5 3
0
о о" 0 4
4 о"
8 8F, ГЦ о"
0 0 5
Рис. 10. Спектральный состав напряженности ВМП двигателя с дефектом «статический эксцентриситет» в точке 3
Из рис.10 видно, что в спектре ВМП появились нечетные гармоники (3, 5), а также ряд четных (2, 4, 6), при этом основная гармоника магнитного поля несколько занижена - на 23 %.
Электрические дефекты составляют до 80 % отказов АД [4]. Исследования напряженности магнитного поля АД с дефектом «межвитковое замыкание в обмотке статора» показали следующее. Временной сигнал имеет периодическую, стабильную по амплитуде форму (рис.11).
0
0
На рис. 12 представлена круговая диаграмма амплитуды напряженности ВМП АД. Максимальное значение амплитуды ВМП составило 625 А/м в точке 2 и минимальное - 590 А/м в точке 4. Значения напряженности ВМП увеличены по сравнению с бездефектным АД: на 25 % для точки 2 и 18 % для точки 4.
На рис. 8 представлена осциллограмма напряженности ВМП АД с дефектом «межвитко-вое замыкание в обмотке статора» в точке с наибольшей амплитудой (точка 2).
Н, А/т 700 —
600
500
400
300
200
100
ДЛАЛЛАЛЛЛЛ
20
40
60
80
100
1, С
Рис. 11. Осциллограмма напряженности ВМП АД в точке 2 для двигателя с дефектом «межвитковое замыкание в обмотке статора»
Рис. 12. Круговая диаграмма амплитуды напряженности ВМП в АД с дефектом «межвитковое замыкание в обмотке статора»
Разложение осциллограммы на гармонические составляющие представлено на рис. 13.
Из сопоставительного анализа рис. 13 и рис. 4 можно видеть, что при данном дефекте наблюдается резкое увеличение 3 гармоники
(150 Гц), при этом она становится соизмерима с основной (50 Гц) гармоникой. Помимо этого, можно наблюдать увеличение 5 и 7 гармоник.
Рис. 13. Спектральный состав напряженности ВМП двигателя с дефектом «межвитковое замыкание в обмотке статора» (т. 2)
Работа выполнена в рамках проекта НШ-6858.2016.8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Определение картины распределения напряженности ВМП АД, ее спектрального состава позволяет сделать вывод о наличии неисправности в диагностируемом двигателе и определить ее вид.
При обрыве стержня ротора АД напряженность ВМП будет несколько повышена (не более 12 %). При этом в спектре напряженности ВМП заметное влияние оказывают четные и нечетные гармоники, амплитуда основной гармоники магнитного поля снижается на 40 % по сравнению с АД без дефектов.
При статическом эксцентриситете напряженность ВМП будет заметно повышена (от 5 до 12 %). Амплитуда основной гармоники магнитного поля снижается на 23 % по сравнению с АД без дефектов.
При межвитковом замыкании в обмотке статора АД напряженность ВМП будет повышена на 18-25 % по сравнению с АД без дефектов. При этом в спектре напряженности ВМП заметное влияние оказывают нечетные гармоники -(доля 3 гармоники возрастает на 9 %), амплитуда основной гармоники магнитного поля снижается на 12 %.
Полученные результаты могут быть использованы в качестве диагностических признаков
0
0
неисправностей при диагностике технического состояния асинхронных двигателей по внешнему магнитному полю.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сидельников Л. Г., Афанасьев Д. О. Обзор методов контроля технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации// Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2013. № 7. С. 127-137. [L. G. Sidelnikov, D. O. Afanasiev "Review of methods of monitoring the technical condition of induction motors during operation", (in Russian), in Vestnik PNIPU, no. 7, pp. 127-137, 2013.]
2. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник / А. Э. Кравчик [и др.] М.: Энергоиздат, 1982. 504 с. [A. E. Krawczyk, et al., "Induction motors 4A Series: Manual", (in Russian). Moscow: Energoizdat, 1982.]
3. Диагностика и прогнозирование состояния асинхронных двигателей на основе использования параметров их внешнего электромагнитного поля / А. Ю. Алексеенко [и др.] // ВЕСТНИК АлтГТУ им. И. И. Ползунова.2006. №2. С. 913. [A. Yu. Alekseenko, et al., "Diagnostics and forecasting of a condition of induction motors based on the use of parameters of external electromagnetic fields", (in Russian), in Vestnik Alt-STU, no. 2, pp. 9-13, 2016. ]
4. Тонких В. Г. Метод диагностики асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве на основе анализа параметров их внешнего магнитного поля: автореф. дис. канд. техн. наук. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. 20 с. [V. G. Tonkikh Method of diagnostics of asynchronous motors in agriculture on the basis of analysis of parameters of the external magnetic field : abstract. dis. candidate. tech. Sciences. Barnaul: Publishing house of AltSTU, 2009. p. 20.]
ОБ АВТОРАХ
ВАВИЛОВ Вячеслав Евгеньевич, ст. преп. каф. электромеханики. Дипл. инж.-электромех. (УГАТУ, 2010). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2013). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
ПАШАЛИ Диана Юрьевна, доц. каф. электромеханики. Дипл. инж.-электрик (УГАТУ, 1994). Канд. техн. наук (УГАТУ, 2004). Иссл. в обл. надежности электромех. систем.
САЯХОВ Ильдус Финатович, магистрант 2-го года обучения каф. электромеханики. Дипл. бакалавра (УГАТУ, 2013). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
АЙГУЗИНА Валентина Владимировна, студ. 5-го курса каф. электромеханики. Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
METADATA
Title: Determination of parameters of the external magnetic
field induction motor Authors: V. E. Vavilov1, D. Yu. Pashali2, I. F. Sayakhov3,
V. V. Ayguzina4 Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: 1s2_88@mail.ru, 2dipashali@mail.ru, 3isa-
yakhov92@mail.ru, 4vtipy@mail.ru Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 1 (71), pp. 122-127, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: The paper presents estimation of the parameters of an external magnetic field induction motor with different types of defects: interturn short circuits in the stator phase, the phase failure of the stator and when the static eccentricity. The spectral composition of the intensity of the external magnetic field was defined for each case, also pie chart of the amplitude of the magnetic field strength were built.
Key words: External magnetic field, induction motor, the spectral composition of tension, circle diagram.
About authors:
VAVILOV, Vyacheslav Evgenevich, Dept. of Electromechanics. Dipl. Electrical engineer (UGATU, 2010). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2013).
PASHALI, Diana Yurievna, Ass. Prof., Dept. of Electromechanics. Dipl. Electrical engineer (UGATU, 1994). Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2004).
SAYAKHOV, Ildus Finatovich, Bachelor's Degree (UGATU 2013), studying in the magistracy UGATU. AYGUZINA, Valentina Vladimirovna, student, Dept. of Electromechanics, specialization "Special
electromechanical systems".
