ДИАГНОСТИРОВАНИЕ  ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА  РОТОРА  АСИНХРОННОГО  ДВИГАТЕЛЯ  ПО  СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЙ  ВЕЛИЧИНЕ  ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ  ГАРМОНИЧЕСКИХ  ТОКОВ  СТАТОРА

Новожилов  Александр  Николаевич

д-р  техн.  наук,  профессор  Павлодарского  государственного

университета  имени  С.  Торайгырова,  г.  Павлодар

E-mail: 

Крюкова  Елена  Викторовна

магистр  электроэнергетики,  докторант  PhD  Павлодарского  государственного  университета  имени  С.  Торайгырова,  г.  Павлодар

E-mail:  lesla2003@mail.ru

Исупова  Наталья  Александровна

магистр  электроэнергетики,  докторант  PhD  Павлодарского  государственного  университета  имени  С.  Торайгырова,  г.  Павлодар

E-mail:  natashaisu@mail.ru

Новожилов  Тимофей  Александрович

магистр  электроэнергетики,  аспирант  Омского  государственного  технического  университета,  г.  Омск

Никитин  Константин  Иванович

д-р  техн.  наук,  профессор  Омского  государственного  технического  университета,  г.  Омск

E-mail:  nki@ngs.ru

DIAGNOSTICS  OF  ECCENTRICITIES  OF  A  ROTOR  IN  AN  ASYNCHRONOUS  MOTOR  USING  ROOT-MEAN-SQUARE  VALUE  OF  ADDITIONAL  HARMONIOUS  THE  STATOR’S  CURRENT

Alexander  Novozhilov

doctor  of  Technical  Sciences,  professor  of  Pavlodar  State  University  of  S.  Toraighyrov,  Pavlodar

Elena  Krukova

master  of  power  industry,  PhD  doctoral  candidate  of  Pavlodar  State  University  of  S.  Toraighyrov,  Pavlodar

Nataliya  Isupova

master  of  power  industry,  PhD  doctoral  candidate  of  Pavlodar  State  University  of  S.  Toraighyrov,  Pavlodar

Timofey  Novozhilov

master  of  power  industry,  postgraduate  student  of  Omsk  State  Technical  University,  Omsk

Konstantin  Nikitin

doctor  of  Technical  Sciences,  professor  of  Omsk  State  Technical  University,  Omsk

АННОТАЦИЯ

Предлагается  способ  диагностики  эксцентриситета  ротора  асинхронного  двигателя,  основанный  на  измерении  среднеквадратической  величины  дополнительных  гармонических  тока  статора,  вызванных  неравномерностью  воздушного  зазора.

ABSTRACT

We  propose  a  method  for  diagnosis  of  rotor  eccentricity  in  an  asynchronous  motor  based  on  measurement  of  the  root-mean-square  value  of  additional  harmonious  currents  of  the  stator  caused  by  air-gap  irregularity.

Ключевые  слова:  Диагностика;  асинхронный  двигатель;  эксцентриситет  ротора;  частотный  анализ;  дополнительные  гармонические  тока

Keywords:  Diagnostics;  asynchronous  motor;  eccentricity  of  rotor;  frequency  analysis;  additional  harmonious  of  current

Постановка  задачи.  В  электроэнергетике  и  промышленности  в  основном  используют  асинхронные  двигатели  (АД).  Одним  из  методов  повышения  их  эксплуатационной  надежности  и  увеличения  срока  службы  является  эффективная  и  своевременная  диагностика  повреждений,  в  частности  эксцентриситета  ротора.  Однако  по  целому  ряду  причин  выявить  с  высокой  достоверностью  статический  эксцентриситет  ротора  в  процессе  эксплуатации  не  удается,  так  как  известные  способы  недостаточно  эффективны.  В  тоже  время,  как  показывает  практика  эксплуатации  АД,  около  половины  из  них  длительное  время  работают  со  статическим  эксцентриситетом  ротора  [1—7],  что  сопровождается  значительными  потерями  электроэнергии.  Решить  эту  проблему  предлагается  следующим  образом.

Диагностическим  признаком  статического  эксцентриситета  ротора  АД  традиционно  служат  величины  дополнительных  гармонических  в  токах  и  магнитных  полях  АД,  вызванные  неравномерностью  воздушного  зазора.  Их  частоты  в  соответствии  с  [5—7]  определяются  как:

,  (1)

где:    —  частота  основной  гармонической  сети;

  —  число  пар  полюсов  АД;

=1,  2,  3…  —  номер  гармоники  сети.

Эти  дополнительные  гармонические  хорошо  видно  на  рисунке  1,  где  показаны  спектрограммы  полученных  экспериментально  ЭДС  измерительного  преобразователя  ,  которые  пропорциональны  току  фазы  АД  АО-41-6.

Рисунок  1.  Спектр  частот  тока  фазы  АД  АО-41-6  при  отсутствии  эксцентриситета  ротора  (а)  и  при  его  наличии  (б)

Из  спектрограмм  видно,  что  появление  эксцентриситета  ротора  вызывает  изменение  дополнительных  токов  с  частотами  16,67  Гц,  33,34  Гц,  66,67  Гц  и  т.  д.  Характер  изменения  этих  ЭДС  в  зависимости  от  величины  эксцентриситета    ротора  в  режиме  холостого  хода  приведен  в  таблице  1,  где    —  величина  смещения  одного  из  подшипников  ротора;    —  величина  воздушного  зазора.  Для  простоты  визуализации  данные  на  рисунке  1  и  в  таблице  1  представлены  в  единицах  измерения  осциллографа  на  базе  персонального  компьютера  с  программным  обеспечение  «Елена  -2012».

Из  таблицы  1  видно,  что  рост  эксцентриситета  ротора  АД  не  всегда  сопровождается  ростом  дополнительных  гармонических  ЭДС    с  частотами  ,  определяемыми  по  (1).  Причинами  этого,  в  основном,  являются  колебание  частоты  сети,  наличие  вибраций  АД  и  неравномерности  момента  сопротивления  его  нагрузки.

Таблица  1.

Характер  изменения  частот  в  зависимости  от  величины  эксцентриситета    ротора

Становится  ясно,  что  использование  одной  из  этих  гармонических  в  качестве  источника  информации  не  позволяет  осуществить  достоверную  диагностику  АД.  При  этом  непонятно  какую  из  этих  гармонических  для  этого  использовать.

От  значительной  части  проблем  при  диагностике  эксцентриситета  ротора  можно  избавиться,  если  диагностировать  в  режиме  холостого  хода  в  течение  достаточно  длительного  времени  по  среднеквадратичной  величине  гармонических  составляющих  с  частотами    как:

                                      (2)

где    -  число  используемых  гармонических  составляющих  с  частотами  .

Реализация  устройства  диагностики.  На  рисунке  2  приведена  блок-схема  устройства  для  диагностики  эксцентриситета  ротора  по  среднеквадратичной  величине  гармонических  составляющих  ЭДС    с  частотами  .  У  этого  устройства  сигнал    с  трансформатора  тока  ТА  подается  на  вход  фильтра  1,  в  котором  и  происходит  выделение  гармонических  ЭДС    с  частотами  .  Затем  в  блоке  2  определяется  их  среднеквадратическая  ЭДС  ,  а  пороговыми  элементами  3  и  4  оценивается  ее  величина.  Порогами  срабатывания  этих  блоков  считаются  ЭДС    и  ,  величины  которых    достигает  при  эксцентриситете    и  .  Если  >,  то  блок  5  информации  выдает  обслуживающему  персоналу  сигнал  о  наличии  в  АД  эксцентриситета  ротора,  при  котором  перерасход  электроэнергии  составляет  порядка  0,5—1,5  %.

Рисунок  2.  Блок-схема  устройства  диагностики

Если  >,  то  блок  6  сформирует  сигнал  на  отключение  АД  с  помощью  выключателя  7,  так  как  в  этом  случае  резко  возрастает  вероятность  задевания  ротора  за  статор  с  тяжелыми  последствиями  для  АД.

Величины    и    определяют  по  зависимости    на  рисунке  3  и  величинам    и  .  Зависимость    построена  по  данным  таблицы  1.  Величины    и    можно  принимать  равными  0,2—0,35  и  0,7—0,85  в  зависимости  от  конструкции  и  типа  АД.

Следует  добавить,  что  ЭДС    вызвана  технологическим  эксцентриситетом.  Его  величина  определена  техническим  совершенством  оборудования  и  квалификацией  персонала  завода,  на  котором  этот  АД  изготавливался.  У  экспериментального  двигателя  АО-41-6  .

Рисунок  3.  Определение  порога  срабатывания  пороговых  элементов

Выводы

1.  Экспериментально  выявлено,  что  рост  эксцентриситета  ротора  АД  не  всегда  сопровождается  ростом  всех  дополнительных  гармонических  ЭДС  с  частотами    из-за  электромеханических  свойств  АД  и  нагрузки,  что  делает  невозможным  выбор  источника  информации.

2.  Использование  среднеквадратичной  величины  нескольких  гармонических  составляющих  с  частотами    позволяет  однозначно  выявить  не  только  наличие,  но  и  величину  эксцентриситета  ротора.

Список  литературы:

1.Геллер  Б.,  Гамата  В.  Высшие  гармоники  в  асинхронных  машинах.  М.:  Энергия,  1981.  —  351  с.

2.Гемке  Р.Г.  Неисправности  электрических  машин.  Л.:  Энергия,  1975.  —  296  с.

3.Клецель  М.Я.,  Мануковский  А.В.,  Новожилов  А.Н.  Защита  асинхронного  двигателя  от  эксцентриситета  ротора  //Электричество.  —  2006.  —  №  7.  —  С.  63—67.

4.Корогодский  В.И.,  Кужеков  С.П.,  Паперно  Л.Б.  Релейная  защита  электродвигателей  напряжением  выше  1000  В.  М.:  Энергоатомиздат,  1987.  —  248  с.

5.Новожилов  А.Н.  Токи  асинхронного  двигателя  при  статическом  эксцентриситете//  Электротехника.  —  1994.  —  №  11.  —  С.  45—47.

6.Новожилов  А.Н.,  Антонцев  А.В.,  Мануковский  А.В.,  Исупова  Н.А.,  Крюкова  Е.В.  Особенности  построения  системы  диагностики  электрических  машин  на  базе  персонального  компьютера  со  встроенной  звуковой  картой  //  Электротехника.  —  2012.  —  №  5.  —  С.  36—40.

7.Новожилов  А.Н.,  Полищук  В.И.,  Исупова  Н.А.  Обзор  способов  диагностики  эксцентриситета  ротора  машин  переменного  тока  //  Изв.  вузов.  Электромеханика.  —  2011.  —  №  6.  —  С.  26—29.