CC BY
11УДК 620.91
Мирзоева С.М.
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности
(г. Баку, Азербайджан)
Алиев С.А.
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности
(г. Баку, Азербайджан)
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ
ДИАГНОСТИКИ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ В ПРОЦЕССЕ ИХ РАБОТЫ
Аннотация: рассматриваются современные методы диагностики асинхронных двигателей. Приводятся результаты сравнительного анализа данных методов, а также предлагается новый универсальный метод оценки состояния электродвигателей, основанный на использовании принципов контроля параметров магнитного поля.
Ключевые слова: неисправности электрических машин, межвитковые и межфазные замыкания в обмотке статора, современные методы диагностики.
Как показывает практика эксплуатации, наиболее часто встречающимися и трудно поддающимися контролю неисправностями электрических машин являются межвитковые и межфазные замыкания в обмотке статора. Основными признаками их, наблюдаемыми на практике, являются местные нагревы в обмотке статора, не симметрия токов в фазах, понижение крутящего момента, высокий уровень шума, вибрация в машине и др. [2].
Однако, явное проявление этих признаков имеет место только на стадиях окончательного выхода машины из строя, т. е. при возникновении металлического соединения между витками или фазами, когда в
короткозамкнутом контуре протекают большие токи. На начальных же стадиях повреждений из-за наличия определенного переходного сопротивления в месте замыкания токи в короткозамкнутом контуре бывают малой величины. В таких случаях признаки повреждений бывают слабыми и требуются дополнительные целенаправленные усилия по их диагностированию.
Настоящая статья посвящается анализу влияния межвиткового и межфазного замыканий в обмотке статора на электромагнитные процессы функционирования электрических машин. Названные неисправности, как и электрическая не симметрия статорной обмотки, основательно исследованы, влияние их на высшие гармоники известны из теории электрических машин переменного тока.
Здесь же влияние их на электромагнитные процессы рассматривается для получения диагностирующей информации, основываясь на анализе известных из теории положений и явлений, допуская, что в данном случае нет необходимости глубоко раскрывать их аналитически.
Для того, чтобы наметить некоторые предварительные параметры диагностического контроля с целью последующего их экспериментального исследования, сначала коротко рас смотрим известные электромагнитные физические процессы и явления в электрических машинах при возникновении названных электрических повреждений в обмотке статора. Наличие в фазных величинах обмотки статора высших гармоник, в частности, третьей и кратных ей, обусловлено насыщением магнитной системы основным потоком намагничивания Ток намагничивания и соответствующий ему основной поток намагничивания практически остаются постоянными при изменении нагрузки от нуля до номинальной. Остается постоянной и третья гармоника, обусловленная насыщением магнитной системы указанным потоком. При этом результирующий поток от третьей гармоники в пространстве отсутствует: так как в условиях симметричности трёхфазной обмотки статора и при нагружении ее сих метричными токами в любой момент времени намагничивающие силы,
созданные токами третьей гармоники, совпадают по фазе и их сумма равна нулю. Благодаря этому они отсутствуют в линейных величинах: однако электрическая не симметрия обмотки статора, которая возникает при исследуемых повреждениях, определенным образом нарушает симметрию намагничивающих сил третьей гармоники в фазах. В этом случае намагничивающие силы от третьих гармоник в фазах статора представляют уже несимметричную систему, и их сумма не равняется нулю. Благодаря этому в пространстве появляется результирующий поток частоты 3П, (А - частота сети), вращающийся в направлении вращения потока основной гармоники. Данный поток индуктирует в фазных обмотках статора ЭДС, значения которых определяются следующим известным выражением:
Ед=з = 4.44№1Кобд=3 * 3/1Ф9=з (1)
При возникновении межвитковых и межфазных замыканий в поврежденных обмотках для токов третьей гармоники образуется отдельный самостоятельный замкнутый контур, по которому они будут циркулировать. Благодаря этому в поврежденных фазах должна происходить частичная компенсация третьей гармоники и ее значение должно уменьшаться по мере увеличения тока в короткозамкнутом контуре.
Эффект происходящего явления, некоторым образом, подобен эффекту, получаемому при соединении обмотки в треугольник, когда с целью компенсации третьей гармоники создают замкнутый контур для обеспечения циркуляции токов указанной гармоники, и это является одной из радикальных мер улучшения формы кривой напряжения.
При этом одновременно электрическое замыкание в фазных обмотках должно привести к определенному увеличению значения третьей гармоники в неповрежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает не симметрию токов в фазах, что приводит к увеличению результирующего потока от токов третьей гармоники и, как следствие, к увеличению ЭДС выражения (1). Все это свидетельствует о информативности
третьей гармоники и определяет эффективность использования ее в качестве параметра дна гностического контроля. Что касается 5-й, 7-й и других, не кратных трем, гармоник, как известно из теории, сумма МДС в фазах от этих Гармоник не равняется нулю. В результате этого в воздушном зазоре данные гармоники имеют свои результирующие потоки. При этом они выходят и на линейные величины и находятся также под влиянием сети. Все это делает их по сравнению с третьей гармоникой менее информативными, т. е. малопригодными для диагностического контроля.
Известно, что поток в обмотке статора создает МДС реакции якоря и при этом результирующий магнитный поток синхронной машины является геометрической суммой потоков статора и обмотки возбуждения. Поток реакции якоря, созданный током в обмотке статора, вращаясь синхронно с ротором, воздействует на поток обмотки возбуждения и может усиливать или ослаблять результирующий ток.
При работе поврежденной синхронной машины в режиме холостого хода (ток нагрузки отсутствует) токи в обмотке статора могут протекать только в короткозамкнутых контурах поврежденных фазных обмоток. Допуская что поток реакции якоря в данном случае обусловлен только этими токами, амплитуду МДС реакции якоря от данных токов пример, но можно принять равной
Р*^ (2)
где W - число короткозамкнутых витков в поврежденных фазных обмотках; короткозамкнутом контуре.
Так как при исследуемых повреждениях токи в короткозамкнутом контуре носят индуктивный характер и могут имитировать некоторую нагрузку в обмотке статора, обусловленный ими поток реакции якоря должен оказывать продольное размагничивающее действие основному потоку возбуждения. По этой причине значение индуктированных в фазных обмотках ЭДС основной гармоники должно несколько уменьшаться.
Очевидно, что степень такого влияния должна зависеть от значения тока в короткозамкнутом контуре и сравнительно сильно может проявляться в режиме холостого хода машины.
Можно допустить, что в действительности так и происходит, первоначально из-за сравнительно большого значения в месте замыкания витков (фаз) переходного сопротивления ток в короткозамкнутом контуре должен быть малым. Однако в последующем, по мере раз рушения переходного сопротивления, токи в указанном контуре увеличиваются, в результате чего развивается повреждение обмотки.
Различные степени тяжести неисправностей создавались как путем изменения числа замкнутых в фазах витков, так и путем изменения тока в короткозамкнутом контуре. Эксперименты проводились как на машинах, эксплуатируемых на электрической станции, так и на их модельных образцах в процессе работы их в режимах холостого хода и различных нагрузок. Аналогичные машины (как двигатели с.н. станции) широко используются также в узлах нагрузки.
Характерное влияние неисправностей на третью гармонику - уменьшение ее в поврежденных фазах (в одной фазе при межвитковых и двухфазных при межфазных замыканиях) и увеличение в неповрежденных фазах, является очень ценной диагностирующей информацией для распознавания этих неисправностей на начальных стадиях их возникновения.
Известно, что межфазные замыкания часто являются следствием первоначальных межвитковых замыканий и явное появление их сопровождается почти идентичными признаками, что затрудняет точное распознавание этих повреждений в работающей машине, хотя существует довольно много других методов по выявлению их [3]. Фазу, имеющую межвитковое замыкание, можно найти по несимметрии потребляемого тока из сети. При схеме соединения обмотки статора в звезду ток в поврежденной фазе будет больше, чем в других; при соединении схемы обмотки статора в треугольник ток в двух фазах будет
больше, чем в третьей фазе. Результаты проведенных натурных экспериментальных диагностических исследований влияния межвиткового и межфазного замыканий на параметры электромагнитного процесса функционирования в синхронной машине показывают, что при этом изменяются значения не только высших гармонических, но и значение основной гармоники в фазных величинах обмотки статора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин.: Энергия, 1975.
2. Гашимов М.А. Диагностическое исследование межвиткового замыкания в асинхронных электродвигателях. - Электрические станции, 1986, N 11.
3. Гашимов М.А., Гусейнов А. К. Диагностические исследования неисправностей электроэнергетических машин при межфазных замыканиях в обмотке статора. - Электричество, 1987, N 4.
4. Ширман А.Р., Соловьев А.Б. Практическая вибродиагностика и мониторинг состояния механического оборудования. - М., 1996. - 276 с.
5. Петухов В. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости электротехники. - 2005. -№ 1(31). - С. 23-28.
6. Гашимов М.А. Логические методы диагностики технического состояния электрических машин // Электричество. - 1999. - № 7- С. 20-26. 4
Mirzoeva S.M.
Azerbaijan State University of Oil and Industry (Baku, Azerbaijan)
Aliyev S.A.
Azerbaijan State University of Oil and Industry (Baku, Azerbaijan)
APPLICATION OF MODERN DIAGNOSTIC METHODS FOR TROUBLESHOOTING IN ELECTRIC MACHINES DURING THEIR
OPERATION
Abstract: modern methods of diagnostics of asynchronous motors are considered. The results of a comparative analysis of these methods are presented, and a new universal method for assessing the state of electric motors based on the use of the principles of magnetic field parameter control is proposed.
Keywords: malfunctions of electrical machines, inter-phase short circuits, stator winding, modern diagnostic methods.
