CC BY
22
12. Kopyrin V. A. The dynamics of the active power consumption by the production well with the use of a downhole compensator // 2018 IEEE Conference Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). (Omsk, Russia, 5-6 November 2018). DOI: 10.1109/Dynamics.2018.8601439.
13. Kopyrin V.A., Smirnov O.V., Deneko M.V. Optimization of reactive power consumption regimes by the electric centrifugal pumps installations // 2018 International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment (ICMTMTE) (Sevastopol, Russia, 10-14 September 2018). DOI: 10.1051/matecconf/201822402014.
14. Копырин В. А., Смирнов О. В., Портнягин А. В., Хамитов Р. Н. Влияние внутрискважинного компенсатора на падение напряжения в элементах электротехнического комплекса добывающей скважины // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329, № 9. С. 117-124.
15. Боловин Е. В., Глазырин А. С. Метод идентификации параметров погружных асинхронных электродвигателей установок электроприводных центробежных насосов для добычи нефти // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2017. Т. 328, № 1. С. 123-131.
16. Bolovin E. V., Glazyrin A. S., Brendakov V. N. The influence of the design method for induction motor with stationary rotor on identification of its parameters // 2015 International Siberian Conference On Control And Communications (Sibcon) (Omsk, Russia, 21-23 May 2014). DOI: 10.1109/SIBCON.2015.7147006.
УДК 621.3:005.6
ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
DEVELOPMENT FEATURES OF THE DIAGNOSTIC SYSTEM FOR VARIABLE FREQUANCY DRIVE
Н. А. Королев, Ю. Л. Жуковский
Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург, Россия
N. A. Korolev, Y. L. Zhukovskiy
Petersburg Mining University, St. Petersburg, Russia
Аннотация. В статье рассмотрены методы диагностики асинхронного двигателя с короткозамкну-тым ротором. Выбор методов основанных на анализе вибраций и электрических параметров и координат, обоснован ранее выполненными исследованиями. В работе произведена оценка возможности использования методов диагностики применимо к частотно-регулируемому асинхронному электроприводу. Изменения параметров электродвигателя, вызванные дефектами или износом, приводят к нарушению устойчивой работы раньше заявленного срока эксплуатации. Для оценки устойчивости в качестве критериев относительно технического состояния были выбраны потребляемая мощность, электромагнитный момент, частота вращения и гармонические составляющие тока. Причиной ускоренного износа является несинусоидальная форма напряжения и тока, что сопровождается пульсациями электромагнитного момента. Соответственно дефекты вызывают свои субгармонические составляющие и их взаимодействие с высшими гармониками, обусловленные резонансными явлениями, приводит к быстрому выходу из строя электропривода.
Ключевые слова: асинхронный электропривод, диагностика, износ.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-37-43
Введение
Модернизация электротехнических комплексов связана с внедрением частотно-регулируемого электропривода на базе асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутой обмоткой. Их широкое применение обусловлено техническими, энергетическими и экономическими критериями [1, 2]. Высокий уровень эксплуатационных характеристик АД достигается на основе использования алгоритмов частотного регулирования [3, 4]. Использование преобразователей частоты с различными алгоритмами позволяет снизить пусковой ток и осуществлять плавное регулирование скорости вращения электродвигателя. Однако при этом возникают добавочные потери от высших гармоник:
- снижение допустимого момента из-за повышенного нагрева;
- появляются пульсации момента;
- дополнительный шум; вызванный взаимодействие магнитных полей,
- снижение долговечность изоляции электродвигателя.
Большинство этих недостатков решены для систем электроприводов с высокими требованиями по динамике большой и сверхбольшой мощности. При этом мало внимания уделяется электроприводам малой и средней мощности собственных нужд и общепромышленного применения, что приводит к нерациональным затратам электроэнергии от 5 до 15% [5, 6]. Также это приводит к ускоренному износу, ухудшению качества регулирования и в дальнейшем к аварийной остановке, что составляет дополнительные затраты предприятия.
Диагностике асинхронных двигателей посвящены многие работы [7, 8, 9, 10, 11], но применение методов при питании от полупроводниковых преобразователя частоты, невозможно, ввиду несинусоидальных токов и напряжений. Актуальными остаются задачи обеспечения энергосбережения и устойчивой работы электропривода представленных объектов, средствами технической диагностики и мониторинга.
Методы диагностики
В настоящее время известны следующие методы диагностики электроприводов [12, 13, 14, 15]:
1. Методы, основанные на анализе вибраций отдельных элементов агрегата.
2. Методы, основанные на измерении и анализе магнитного потока в зазоре двигателя и вторичных электромагнитных полей машины.
3. Методы, основанные на измерении и анализе температуры отдельных элементов машины.
4. Методы диагностики механических узлов (в частности подшипников) основанные на анализе содержания железа в масле.
5. Методы диагностики состояния изоляции.
6. Методы, основанные на анализе электрических координат и параметров машины.
Существуют также другие экспертные методы, основанные на контроле одного или нескольких параметров, позволяющие судить об одном или нескольких узлам машины.
Методы вибродиагностики, получили наиболее широкое распространение. Суть методов заключается в анализе вибрационных параметров в различных точках электродвигателя. К вибрационным параметрам относятся виброперемещение, виброускорение и виброскорость, причем регистрации подлежат как действующие (среднеквадратичные) их значения, так и их пик-фактор. Также большое распространение получили также методы спектрального анализа, в которых в качестве диагностических параметров используют значения амплитуды отдельных гармонических составляющих вибрационного сигнала. Предельные уровни допустимых вибрации приведены в ГОСТ 12379-93. Контроль вибрационных параметров производят в нескольких точках, в основном в подшипниковых узлах и в местах крепления фундамента агрегата, причем регистрации подлежат вибрационные параметры в вертикальном, горизонтальном и осевом направлениях. В качестве первичных преобразователей могут быть использованы как контактные датчики, так и бесконтактные - оптические датчики перемещения.
К недостаткам методов вибродиагностики относятся:
1. Необходимость непосредственного доступа к диагностируемому агрегату, что не всегда возможно в условиях горного производства. В случае установки датчиков при производстве в корпусе машины увеличивается стоимость.
2. Методы хорошо приспособлены к диагностики, прежде всего механических повреждений как двигателя, так и связанного с ним механизма. Однако, электрические повреждения (на долю которых приходится не менее 85% повреждений приводных двигателей) не всегда могут быть своевременно выявлены по изменению вибрационных параметров, что приводит либо к не обнаружению повреждения либо к ложному срабатыванию, в зависимости от пороговых значений принятых в диагностической модели.
Наиболее предпочтительными являются методы, основанные на анализе электрических параметров работающего оборудования, а именно токов, напряжений и потребляемых мощностей. Их использование возможно без непосредственного доступа к диагностируемой машине, особенно при использовании разъемных датчиков тока типа токовых клещей. В качестве датчиков тока и напряжения в настоящее время используются датчики на основе эффекта Холла, работающие в широком диапазоне частот с постоянной чувствительностью, что позволяет регистрировать колебания с частотами от нуля до нескольких десятков килогерц. В качестве диагностических параметров в данном случае используются: гармонические составляющие спектра тока статора, гармонические составляющие спектра потребляемой мощности.
Анализ проблемы
Рассматривая асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором при питании от синусоидального напряжения, описываемого уравнениями в операторной форме [2, 16], можно оценить состояние по нескольким критериям:
1. Механические характеристики;
2. Потребляемая мощность;
3. Частотный состав спектра тока.
Оценка механических характеристик позволяет наглядно увидеть пусковой момент, время пуска, номинальную скорость, и коэффициента пульсаций момента, при виде и степени дефекта, определяемых по уравнению (1).
К
п
^ М(п)
п = 2
М
(1)
ср
где М(п), Мср - амплитудное значение п-й гармонической составляющей и среднее значение электромагнитного момента, Нм;
200 300
Ггециепсу, Н7 <1
200 300 400
тгечиепсу, нг
е
Рис. 1. Мехнические характеристики: а - исправного, Ь - неисправного АД;
с - характеристики момента и частоты вращения от времени; спектры электромагнитного момента d - исправного, е - неисправного АД
Наиболее распространенный дефект АД - короткое замыкание в обмотке статораразличного вида, экви-валентого по величине до срабатывания максимально токовой защиты.
На примере АД ^8В06Ш7 с техническими характеристиками табл. 1 остается работоспособным при эвивалентном коротком замыкании до 30%, но при это механические характеристики имеют следующие отклонения табл. 2.
ТАБЛИЦА 1
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АД СЕРИИ V08B06U87
Паряметры М°ЩностЬ Косинус <К ^ R Ls, Ln Lm, p s s ^ F кВт СОБф Ом Ом Гн Гн Гн v n k Н*м
Величина 7 0,92 0,871 0,5 0,124 0,125 0,122 1 0,03 0,32 0,88
ТАБЛИЦА2
ПАРАМЕТРЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ АД ПРИ ОДНОФАЗНОМ КЗ СТАТОРА
Степень КЗ В фазе А,% Пусковой момент, MnycK, N*m Время разгона Т^ s Коэффициент пульсаций, КПМ %
0 175.89 0.440 2.2
5 241.21 0.340 2.3
10 242.42 0.371 3.0
15 242.82 0.375 7.1
20 243.09 0.392 8.3
25 243.09 0.398 12.3
30 245.97 0.402 15.7
Анализ потребляемой электродвигателем мощности, как действующего значения мощности исправного и не исправного двигателя (2), так относитеного отклонения потерь (3), позволяет судить об общем состоянии электрической машины при различном виде нагрузки Figure 2.
p(t) = p + кми™1т cos[(2^ ±ad)t -p] + kMU™lm cos^t • cosp
и i и i
p = u(t)i(t) = -mm cos p +—mm cos2^t + p
(2),
(Р - Р )
Ар(Р2 ^^ч-(3)
Р\нач
где p(t), и®, i(t) - мгновенные значения мощности (Вт), напряжения (В), тока (А); Р1 Р2 - мощности основной гармоники частотой вращения Ю1 и нагрузки соответственно; км - коэффициент модуляции; ит, 1т - амплитудные значения тока и напряжения; юь - основная частота вращения и частота обусловленная дефектом (рад/с); ф - угол сдвига фаз ЩГ) и ОД (градусы).
Возникновенние 20% КЗ в фазе А мгновенно не приводит к полному нарушению работоспособности, но увеличивает потери мощности и как следствие приводит к дополнитеному нагреву и деградации смежных узлов.
Анализ частотных составлющих спектра тока, потребляемого двигателем, полученного быстрым преобразованием Фурье (БПФ), позволяет выделить частоты, характеризующие дефект опредленного узла и его степень, относительно основной гармоники питающей сети рис. 3.
1 / м— -
I
Рис. 2. Мгновенное значение потребляемой мощности исправного - 1 и неисправного - 2 АД
a Ь
Рис. 3. Спектр тока АД в нормальном состоянии - а, спектр тока АД при 20% КЗ в фазе обмотки статора - Ь, при питании от синусоидального напряжения
При использование преобразователя частоты для асинхронных двигателей малой и средней мощности чаще всего используют двухвенную структуру неуправляемый выпрямитель и автономный инвертор напряжения рис. 4а. Следовательно питание АД осуществляется от напряжения и тока несинусоидальной формы и описывается уравнениями (6,7).
и„г(0 = ит 8т(ю/ + ф) + £ Ытм 8т(тюя0 + £ £ иш $,т(ш(йн ± пю1у, (6)
т=1 т=1 п=1
(0 = ¡т §1п(ш1 + ф) + £ ¡тм Б1п(тШн*) + £ £ ¡ш зт(т©н ± па$, (7)
т=1 т=1 п=1
где im, ит - амплитудные значения тока и напряжения статора (А); итМ - амплитуды гармоник тока и напряжения статора (А), кратные несущей частоте; Цм - амплитуды комбинационных гармоник тока и напряжения статор (А); ю1 = 2: - частота вращения основной гармоники тока и напряжения (рад/с); юн = 2: -частота вращения несущей гармоники тока и напряжения статора (рад/с); т = 1, 2, 3... и п = 1, 2, 4, 5, 7... - кратности несущей тн и основной т} частот вращения; Г , : - основная и несущая частоты.
Наличие дефекта в АД обуславливает субгармонической составляющих, которые взаимодествуют с высшими гармониками АИН (6, 7), формируя комбинационные гармоники рис. 4Ь.
Рис. 4. А - Спектр тока при питании от АИН в исправном состоянии; Ь - Спектр тока АД при 20% КЗ в фазе обмотки статора при питании от АИН
При таком колическтве гармонических и субгармонических составляющих в спектре тока, сложно выделить и определить характерные частоты чем они обусловлены.
Соответствующие высшие и основная гармоники формируют с потокосцеплением основной и пульси-рущий составляющие электромагнитного момента. Субгаромники вызванные неисправностью будут так же формировать дополнительные пульсирующие моменты. А в случае совпадения гармоник - резонанса частот, пульсирующие моменты могут стать сопоставимы с постоянным электромагнитным моментом, что вызовет дополнительные вибрации, укорренное разрушение или опрокид электропривода (рис. 5).
-500 I
-10001
Шг - 700 Щ 600 шш м
5 6.56 6.6 ебб
0 12 3 л а 6 т
Щ ^ (I. 11 i т
IГ 750 № 700 ' 650 600 550 6
5 6.55 6.6 6.65
1 2 3 4 5 6 7
4000 00(H)
frequency Hz
6000 ЮООО
b
a
Рис. 5. Электромагнитный момент и его спектр: а - в исправном состоянии; Ь - спектр тока АД при 20% КЗ в фазе обмотки статора, при питании от АИН
Анализирую данные получинные данные можно сделать выводы, что дефекты в АД при питании от автономного инвертора напряжения проявляются только как субгармонические составлюящие тока потребляемого двигателем. Следовательно, гармонический состав обусловленный работой АИН идентичен в спектре напряжения и тока.
ТАБЛИЦА 3
ПУЛЬСАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА ОТ ГАРМОНИЧЕСКОГО СОСТАВА
_ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ_
Степень КЗ Коэффициент Коэффициент Коэффициент пуль-
В фазе А,% несинусоидальности несинусоидальности саций, КПЭМ %
по току, К! по напряжению Ки
0 2.27 4.51 4.4
5 4.50 4.51 7.9
10 4.92 4.51 8.5
15 5.20 4.52 11.6
20 7.31 4.53 18.9
25 11.83 4.53 22.4
30 13.18 4.53 26.2
Заключение
По результатам этих исследований при частотном регулировании АД с силовым полупроводниковым преобразователем частоты определить состояние электрической машины, от которого зависит качество регулирования системы управления, затрудняется по следующим причинам:
1. Сложный гармонический состав тока и напряжения обусловленный работой автономного инвертора напряжения затрудняет выделить частоты характеризующие неисправности в двигателе. Применение фильтров различной конструкции приводит к потере данных и не позволяет точно определить состояние АД
2. Пульсации электромагнитного момента вызывают в двигателе дополнительные вибрации, что не позволит с помощью анализа вибраций выделить значений вызванные дефектом.
3. Рост уровня неисправности соответствует увеличению потерь мощности, а случае резонанса гармоник тока инвертора и гармоник тока дефекта.
Список литературы
I. Abramovich B., Sychev Yu. A., Pelenev D. N. Invariant protection of high-voltage electric motors of technological complexes at industrial enterprises at partial single-phase ground faults // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 327. Р. 052027. DOI:10.1088/1757-899X/327/5/052027
2. Kozyaruk A. Energy efficient electromechanical systems of mining andtransport machines // Journal of Mining Institute. 2016. Vol. 218 (2). Р. 261-269.
3. Vasil'ev B. Yu., Shpenst V. A., Kalashnikov O. V., Ul'yanov G. N. Providing energy decoupling of electric drive and electric grids for industrial electrical installations. Zapiski Gornogo Instituta // Journal of Mining Institute S.l. 2018. Vol. 229. Р. 41.
4. Kovalchuk M. S., Poddubniy D. A. Ensuring the reliable operation of the pumping units by efficient state diagnosis // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 224 (1). D0I:10.1088/1755-1315/224/1/012032.
5. Belsky A. A., Dobush V. S. Analysis of UPS impact on voltage THD at point of common coupling // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11 (7). Р. 4995-4998.
6. Kovalchuk M. S., Poddubniy D. A. Diagnosis of Electric Submersible Centrifugal Pump // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2018. Vol. 115 (1). Р. 012026.
7. Thomson W. T., Fenger., M. Current signature analysis to detect induction motor faults // IEEE Industry Applications Magazine. 2001. Vol. 7(4). Р. 26-34. DOI:10.1109/2943.930988.
8. Cameron J. R., Thomson W. T., Dow A. B. (1986). Vibration and current monitoring for detecting airgap eccentricity in large induction motors // IEE Proceedings B: Electric Power Applications. 1986. Vol. 133 (3). Р. 155-163. DOI:10.1049/ip-b.1986.0022.
9. Dorrell D. G., Thomson W. T., Roach. S. Analysis of airgap flux, current, and vibration signals as a function of the combination of static and dynamic airgap eccentricity in 3-phase induction motors // IEEE Transactions on Industry Applications. 1997. Vol. 33(1). Р. 24-34. DOI:10.1109/28.567073.
10. Jin X., Zhao M., Chow T. W. S., Pecht M. (2014). Motor bearing fault diagnosis using trace ratio linear discriminant analysis // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014. Vol. 61 (5). Р. 2441-2451. DOI:10.1109/TIE.2013.2273471.
II. Diallo D., Benbouzid M. E. H., Hamad D., Pierre X. Fault detection and diagnosis in an induction machine drive: A pattern recognition approach based on concordia stator mean current vector // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2005. Vol. 20 (3). Р. 512-519. DOI:10.1109/TEC.2005.847961.
12. Zhukovskiy Y., Korolev N., Koteleva N. About increasing informativity of diagnostic system of asynchronous electric motor by extracting additional information from values of consumed current parameter // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1015 (3). Р. 032158. DOI :10.1088/1742-6596/1015/3/032158.
13. Zhukovskiy Y. L., Korolev N. A., Babanova I. S., Boikov A. V. The probability estimate of the defects of the asynchronous motors based on the complex method of diagnostics // IOP C. Ser. Earth Env. 2017. Vol. 87 (3). Р. 032055.
14. Malarev V. I., Kopteva A. V., Nogtev R. A. Electric drive simulation for drilling machine spinner IOP C. Ser.: Earth Env. 2018. Vol. 194(5). Р. 052012.
15. Thomson W. T., Fenger M. Current signature analysis to detect induction motor faults // IEEE Ind. Appl. Mag. 2001. Vol. 7 (4). Р. 26-34.
16. Cheremushkina M. S., Baburin S. V. Modelling and control algorithms of the cross conveyors line with mul-tiengine variable speed drives // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017. Vol. 177 (1). DOI:10.1088/1757-899X/177/1/012060.
