CC BY
68
Electrical facilmes and systems
Пантина А. И. РапНпа А. I.
аспирант кафедры «Электро- и радиооборудование судов», заместитель
декана по учебной и научной работе, ФГБОУВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация
Белов О. А. ВеО О. А.
кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Электро- и радиооборудование судов», ФГБОУ ВО «Камчатский государственный технический
университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация
УДК 621.82
КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
Эффективная эксплуатация современных судов во многом зависит от технического состояния и качества работы электрооборудования. Основным элементом электроприводов большинства судовых систем, устройств и технологических комплексов является асинхронный электродвигатель. Оценка технического состояния асинхронного двигателя и своевременное выявление скрытых дефектов и потенциальных неисправностей являются важной задачей его эксплуатации.
Существуют различные виды эксплуатационной диагностики судовых асинхронных электродвигателей, основанные на анализе формы и спектра электрического сигнала, оценке диаграммы звукового сигнала и вибродиагностическом контроле. Авторами статьи рассматривается метод использования характеристик внешнего электромагнитного поля работающего в различных режимах судового асинхронного электродвигателя. Физическая сущность данного метода заключается в синтезе характеристик внешнего электромагнитного поля и анализе мультипольного состава поля по дипольным, квадрупольным и октуполь-ным составляющим магнитного поля.
Рассматривается реализация метода характеристик внешнего магнитного поля путем его непосредственного измерения в локальных точках на корпусе электродвигателя. По данным измерений формируется исходный «портрет» электродвигателя, и в дальнейшем осуществляется его контроль путем периодических измерений электромагнитного поля через заданный интервал времени. Данные замеров напряженности внешнего электромагнитного поля основных типов судовых двигателей мощностью в диапазоне от 2 до 8 кВт представлены в табличной форме. Результаты анализа этих данных позволяют сделать вывод о работоспособности данного метода и возможности его использования для прогнозирования технического состояния судовых асинхронных двигателей.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, эксплуатация, техническое состояние, диагностика, дефект, неисправность, электромагнитное поле, напряженность, измерительное устройство.
TECHNICAL STATE VERIFICATION OF MARINE INDUCTION MOTOR ON THE CHARACTERISTICS OF EXTERNAL ELECTROMAGNETIC FIELD
The effective operation of modern ships depends on technical state and quality of electrical equipment run in many respects. Induction motor is the main element of electrical drive on the most of marine system, equipments and technological complex. The technical state estimation of induction motor and timely hidden bug identification is the main aim of its operation.
There are different types of operation diagnosis of marine induction motor based on shape and spectral electric signal analysis, beep graph estimation and vibration-based monitoring. In the article authors scrutinizes an application of marine induction motor working in various conditions on the characteristics of external electromagnetic field of method.
The physics of this methods consists in characteristic external magnetic field synthesis and analysis of multipole composition of a field by dipole, quadrupole, octopole components of magnetic field
Key words: induction motor, operation, technical state, diagnosis, bug, breakdown, electromagnetic field, measuring device.
Введение
В процессе эксплуатации в результате воздействия различных факторов, режимов и условий работы исходное техническое состояние электрооборудования непрерывно ухудшается, возрастает вероятность возникновения отказов и перехода объекта в «опасное состояние» [1].
Значительный износ электрооборудования приводит к дополнительным потерям энергии, снижению надежности функционирования, возрастанию его аварийности и отказов. Надежность оборудования определяется не только уровнем качества изготовления, но также зависит и от того, насколько научно обоснованы эксплуатация, техническое обслуживание и ремонт.
В современных условиях эффективное функционирование судовых систем и устройств различного назначения непосредственно связано с техническим состоянием и надежностью работы асинхронных двигателей (АД), входящих в состав этих комплексов. Наряду с производственными и бытовыми задачами частью этих комплексов решаются задачи живучести и безопасности мореплавания судна. Следовательно, возникает необходимость качественного контроля технического состояния различных типов асинхронных двигателей.
В настоящее время развиваются несколько направлений методологии контроля технического состояния судовых асинхронных двигателей.
Основные виды диагностики асинхронного двигателя
Рассмотрим основные виды диагностики состояния судовых асинхронных двигателей.
Определение неисправностей по анализу формы электрического сигнала. Суть метода заключается в диагностировании механических неисправностей судовых асинхронных двигателей на основе изменения формы и величины тока статора.
Определение неисправностей по спектральному анализу сигнала тока. Данный метод основан на том, что неисправности в работе асинхронной машины приводят к изменениям магнитного потока, а, следовательно, и к изменению спектрограммы электрического тока.
Оценка неисправностей по анализу диаграммы звукового сигнала. Метод, основанный на исследовании акустических колебаний, включает в себя сравнение звукового сигнала, создаваемого неисправной машиной, с сигналом, создаваемым эталоном.
Вибродиагностический контроль основан на обнаружении изменений вибрационного состояния контролируемого объекта в процессе эксплуатации, причинами которых во многих случаях являются дефекты.
Все представленные методы диагностики технического состояния судовых асинхронных двигателей имеют свои достоинства и недостатки. Рассмотрим более подробно метод диагностирования асинхронных двигателей, основанный на синтезе измерений
характеристик их внешнего электромагнитного поля.
Использование характеристик внешнего электромагнитного поля
Одним из возможных способов диагностирования электромагнитной части асинхронных двигателей является способ, основанный на анализе результатов измерений характеристик их внешнего электромагнитного поля (ВЭМП) [1-7].
Известный способ диагностирования АД, использующий результаты измерения параметров ВЭМП [3], основан на сравнительном анализе мультипольного состава поля по дипольным, квадрупольным, октупольным и т.д. составляющим поля, параметры которых определяются с помощью сложного диагностического устройства, в структуру которого входит система датчиков, измеряющих значения магнитных напряженностей в ряде контрольных точек, размещенных на сферической поверхности, окружающей двигатель.
Поскольку характер дефекта АД в этой системе определяется по характеру изменения структур математических моделей ВЭМП, практическая реализация затруднительна, так как требует разработки сложного анализатора мультипольного состава, большого числа измерительных устройств с сетью многосекционных датчиков, специальной вычислительной аппаратуры и тщательной ее настройки для каждого диагностируемого АД.
Однако идея диагностирования АД с помощью анализа характеристик его ВЭМП оказывается целесообразной и реализуемой, если воспользоваться результатами непосредственного измерения напряженностей ВЭМП в локальных (фиксированных) точках на корпусе АД либо вблизи его (до 2 см от него) — в зоне лобовых частей, где значения напряженностей ВЭМП по сравнению с другими контрольными точками наиболее значительны и не подвержены экранирующему воздействию сердечника статора. В этом случае характер дефектов АД определяется непосредственно по изменениям напряженностей ВЭМП в зоне лобовых частей обмотки статора при небольшом числе контрольных точек, что существенно упрощает систему диагностирования и снижает объем вычисли-
тельных работ по определению технического состояния АД.
Исходный «портрет» (характер изменения) напряженностей ВЭМП каждого двигателя регистрируется перед началом эксплуатации для заданных режимов работы. В процессе эксплуатации АД через определенные интервалы времени регистрируются «портреты» в тех же точках и сравниваются с соответствующим «портретом» исходного режима. Если отличия в «портретах» не превосходят допустимых значений напряженностей ВЭМП (до 20 %), техническое состояние АД считается удовлетворительным.
Экспериментальные исследования, проведенные на ряде АД разных мощностей и частот вращения, подтверждают возможность использования в качестве диагностических параметров напряженностей ВЭМП, измеренных в фиксированных точках, расположенных на корпусе АД либо вблизи его — в зоне лобовых частей.
Установлено, что каждый эксплуатационный режим при изменении технического состояния АД характеризуется строго индивидуальным «портретом», при котором уровни низкочастотных (50 Гц) составляющих напряженностей ВЭМП существенно изменяются по сравнению с исходными.
Исследования показывают [1], что наиболее целесообразными «портретами» как исходными, так и при изменении нагрузки АД являются «портреты», зафиксированные в поперечной плоскости, перпендикулярной оси вращения АД, и определенные с помощью измерений в 6-8 точках, равномерно распределенных по окружности корпуса АД, либо в непосредственной близости, на расстоянии до 2 см [1].
В качестве измерительных устройств использовались специальные индуктивные датчики с большим числом витков (5000-10000 витков).
Экспериментальные исследования проводились на двигателях, имеющих специальные отпайки обмоток статора, что позволило имитировать следующие дефекты:
• обрыв фазы;
• короткое замыкание части витков фазы;
• межфазное замыкание обмотки статора;
• снижение сопротивления изоляции.
Результаты измерений напряженностей ВЭМП при возникновении дефектов свидетельствуют о существенных их изменениях по сравнению с исходными эксплуатационными режимами. Эти изменения в зависимости от характера имитируемых неисправностей отличаются от исходных на 40-200 % и позволяют по виду «портрета» достоверно оценить характер неисправностей и места их расположения. Результаты исследования приведены в таблице 1.
Проведенные исследования также подтверждают, что «портреты» ВЭМП являются устойчивыми диагностическими параметрами не только для оценки технического состояния АД в определенные моменты времени, но и могут быть успешно использованы для решения задач прогнозирования времени их безотказной работы.
Возможность решения задач прогнозирования обуславливается тем обстоятельством, что в большинстве случаев отказы являются
следствием постепенного накапливания повреждений, старения и изнашивания изоляции.
Исследования отказов, проведенные на реальных объектах с более 5000 АД с высотами осей вращения от 90 до 250 мм [4], показывают, что между средней наработкой до отказа и величинами, характеризующими эксплуатационные факторы (температурой обмотки, частотой пусков и вибрационной скоростью) существует определенная функциональная зависимость, позволяющая при известных данных для конкретного эксплуатационного режима определить время наработки до отказа. Располагая зависимостями напряженностей ВЭМП в исходном состоянии и при наличии дефектов в функции времени наработки до отказа, можно определить вероятное оставшееся время безотказной работы по величинам изменения характеристик ВЭМП для любого расчетного времени.
Напряжение на измерительной катушке в контрольных точках (Ц/10-2 В) Основные технические характеристики
2 кВт 220 В 15 А 2850 об./мин 5 кВт 220 В 16 А 2870 об./мин 3 кВт 220 В 12 А 1450 об./мин 8 кВт 380 В 15 А 2900 об./мин 2 кВт 220 В 5 А 2850 об./мин
Режим Х.Х. 1 2,5 8 18 25 12
2 2,3 7,8 16 23 14
3 2,5 8,2 19 21 15
4 2,2 8,7 17 24 13
5 2,7 8,1 20 23 14
Витковое замыкание 1 — — 41 80 48
2 — — 35 78 47
3 — — 43 82 55
4 — — 37 80 62
5 — — 35 81 58
Межфазное замыкание 1 — — 85 160 110
2 — — 6 150 120
3 — — 70 150 120
4 — — 91 170 110
5 — — 75 150 100
Обрыв фазы 1 — — 11 13 4
2 — — 8 10 3
3 — — 9 11 4
4 — — 10 13 5
5 — — 8 11 4
Рабочий режим 0,8 Рн 1 9,0 12 21 28 14
2 8,5 11 19 27 13
3 9,7 13 20 26 16
4 7,8 13 23 30 12
5 7,4 12 21 28 15
Таблица 1. Данные замеров внешнего электромагнитного поля исследуемых электродвигателей (поперечный «портрет»)
Выводы
Для определения технического состояния АД в качестве диагностического параметра может быть использована напряженность ВЭМП, измеренная на корпусе АД в зоне лобовых частей обмотки статора.
Характер измерения параметров ВЭМП в зависимости от времени безотказной работы позволяет использовать их при решении
Список литературы
1. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика и контроль технического состояния изделия. Основные термины и определения [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd. ru/document/gost-20911-89.
2. Можаев А.С. Общий логико-вероятностный метод анализа надежности сложных систем. Л.: ВМА, 1988. 67 с.
3. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 247 с.
4. Половко А.М., Гуров С.В. Надежность технических систем и техногенный риск. СПб.: СПГ Лесотехническая академия, 1998. 119 с.
5. Рябинин И.А., Парфенов Ю.М. Надежность, живучесть и безопасность корабельных электроэнергетических систем. СПб.: ВМА, 1997. 430 с.
6. Северцев П.А. Надежность сложных систем в эксплуатации при наработке. М.: Высшая школа, 1989. 428 с.
7. Хенли Э.Дж., Кумамото Х. Надежность технических систем и оценка риска. М.: Машиностроение, 1984. 528 с.
вопросов прогнозирования технического состояния АД.
Наиболее реальным следует считать второй случай, который предполагает регулярное измерение сопротивления изоляции с помощью корабельного мегомметра и других средств измерения, контроль изоляции кабеля и его техническое обслуживание.
References
1. GOST 20911-89. Tekhnicheskaya diagnostika i kontrol' tekhnicheskogo sostoyaniya izdeliya. Osnovnye terminy i opredeleniya [Elektronnyi re-surs]. URL: http:// docs.cntd.ru/document/gost-20911-89.
2. Mozhaev A.S. Obshchii logiko-veroyatnostnyi metod analiza nadezhnosti slozhnykh sistem. L.: VMA, 1988. 67 s.
3. Novitskii P.V., Zograf I.A. Otsenka pogreshnostei rezul'tatov izmerenii. L.: Energoatomizdat, 1985. 247 s.
4. Polovko A.M., Gurov S.V. Nadezhnost' tekhnicheskikh sistem i tekhnogennyi risk. SPb.: SPG Lesotekhnicheskaya akademiya, 1998. 119 s.
5. Ryabinin I.A., Parfenov Yu.M. Nadezhnost', zhivuchest' i bezopasnost' korabel'nykh elektroenergeticheskikh sistem. SPb.: VMA, 1997. 430 s.
6. Severtsev P.A. Nadezhnost' slozhnykh sistem v ekspluatatsii pri narabotke. M.: Vysshaya shkola, 1989. 428 s.
7. Khenli E.Dzh., Kumamoto Kh. Nadezhnost' tekhnicheskikh sistem i otsenka riska. M.: Mashinostroenie, 1984. 528 s.
