СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ОБОРВАННЫХ СТЕРЖНЕЙ В КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ОБМОТКЕ РОТОРА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF DETECTING BROKEN RODS IN SHORT-CIRCUITED WINDING OF ASYNCHRONOUS MOTOR ROTOR

Изобретение относится к области контроля технического состояния асинхронных электродвигателей и может быть использовано для обнаружения обрывов стержней обмоток роторов асинхронных электродвигателей с продолжительным пуском (более 0,8 с).
Известны следующие способы контроля состояния обмоток роторов асинхронных электродвигателей:
Известен способ контроля состояния обмотки ротора асинхронного электродвигателя (Клоков Б.К., Уманцев Р.Б. Ремонт обмоток электрических машин высокого напряжения: Учебное пособие для проф. обучения рабочих на производстве. - М.: Высшая школа, 1991. - 192 с.), называемый способом трех амперметров. Его суть заключается в следующем: во все три фазы обмотки ротора включают амперметры. На статор подают напряжение, равное 1/4-1/5 от номинального значения, а ротор при этом затормаживается. Затем ротор медленно проворачивают и определяют максимальное и минимальное значения тока статора по установленным амперметрам. При исправном роторе ток в статоре во всех положениях ротора будет одинаковым, а при обрыве или плохом контакте будет изменяться в зависимости от положения ротора. Критерием исправности обмотки ротора является отношение:
Ротор считается исправным, если это соотношение не превышает 3%.
Недостатком этого способа является то, что он непригоден для использования в рабочем режиме работы двигателя.
Известен способ контроля состояния обмотки ротора асинхронного электродвигателя (авторское свидетельство СССР на изобретение №1121633, МПК G01R 31/34, 1984 г.), заключающийся в том, что контроль производится путем регистрации тока статора на работающем двигателе и выделении из тока статора третьей гармоники. Для выделенной гармоники измеряют пульсацию ее амплитуды и по уровню пульсации судят о наличии обрыва стержней ротора. При обрыве стержня ротора возникает электрическая несимметрия, что приводит к несимметрии третьих гармоник в фазных величинах тока обмотки статора, вызывая их пульсацию.
Недостатком данного способа является низкая чувствительность при обрыве малого числа стержней обмотки ротора и влияние на результаты измерений различных эксплуатационных факторов (например, постоянно изменяющаяся нагрузка на валу электродвигателя).
Известен «Способ определения повреждения стержней беличьей клетки роторов асинхронных электродвигателей» (авторское свидетельство СССР на изобретение №800906, МПК G01R 31/06, 1981 г.), принятый за прототип, включающий регистрацию тока статора при пуске асинхронного двигателя, сравнение амплитудного значения тока статора за каждый период после затухания апериодической составляющей, выделение разности амплитудных значений тока статора, определение степени повреждения беличьей клетки ротора по величине разности амплитудных значений тока статора.
Недостатком способа-прототипа является низкая чувствительность к обрыву одного стержня. Способ пригоден для выявления обрыва одного стержня лишь для асинхронных двигателей с числом стержней не превышающим 80, в противном случае способ пригоден для выявления обрывов только двух и более стержней. Это указывают сами авторы в статье «Метод и устройство диагностики состояния роторных обмоток асинхронных электродвигателей» (Брюханов Г.А., Князев С.А. Метод и устройство диагностики состояния роторных обмоток асинхронных электродвигателей // Электрические станции, 1986. - №2. - с. 44-45).
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение чувствительности к обрыву одного стержня и достоверности определения оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора для асинхронных электродвигателей с продолжительным пуском (более 0,8 с.).
Технический результат достигается тем, что в способе выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя, включающем регистрацию тока статора при пуске асинхронного двигателя, сигнал оцифровывают, формируют частотно-временной спектр зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье, определяют наличие в спектре гармонической составляющей от фиктивной обмотки ротора на нижней боковой частоте, порядок которой совпадает с числом пар полюсов асинхронного двигателя, при наличии этой гармонической составляющей делают заключение о наличии оборванных стержней в обмотке ротора асинхронного двигателя.
Перечень графических иллюстраций
На фиг. 1 приведен частотно-временной спектр диагностического сигнала при исправной обмотке ротора двигателя ДАЗО2-17-44-8/10У1.
На фиг. 2 приведен частотно-временной спектр диагностического сигнала при обрыве 1 стержня в обмотке ротора двигателя ДАЗО2-17-44-8/10У1.
Сущность способа заключается в следующем.
Известно, что при обрыве стержней обмотки ротора асинхронного электродвигателя происходит перераспределение тока по стержням, в результате чего появляются гармонические составляющие, которые отсутствуют для исправного асинхронного электродвигателя. В статье «Анализ спектра магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя при повреждении обмотки ротора», автор - Скоробогатов АА. (Вестник ИГЭУ. - вып. 2. - Иваново: ИГЭУ, 2006. С. 75-78) данные гармонические составляющие были названы гармониками от фиктивной обмотки ротора (далее - гармониками ФОР), их частоты могут быть определены по выражению:
где
с
ƒ - частота сети, Гц;
s - скольжение двигателя, о.е.;
р - число пар полюсов двигателя;
ν=1,2, 3,4, 5… - порядок гармоники;
- нижняя боковая частота гармоники фиктивной обмотки ротора ν-го порядка, Гц;
- верхняя боковая частота гармоники фиктивной обмотки ротора ν-го порядка, Гц.
Согласно (Геллер Б., Гамата В. Высшие гармоники в асинхронных машинах / Пер. с англ. Под ред. З.Г. Каганова. - М.: «Энергия», 1981. - 352 с.), часть из этих гармонических составляющих будет наводиться и в сигнале тока статора. Поскольку обмотка статора является фильтром для большинства этих гармоник, то в сигнале будут существовать лишь гармоники ФОР, порядок которых удовлетворяет условию:
ν=(6⋅c±1)⋅p, где с=0, 1, 2,…
Хорошо известно, что наиболее отчетливо при наличии оборванных стержней в спектрах сигналов проявляются гармонические составляющие более низкого порядка, поэтому для выявления обрыва стержня обмотки ротора наиболее удобно использовать гармоники порядка ν=р (при с=0). Так как гармоника порядка, равная числу пар полюсов, на верхней боковой частоте совпадает с основной гармоникой сигнала (частотой 50 Гц), она не может быть использована при контроле. Поэтому наиболее эффективным признаком наличия повреждения обмотки ротора может служить появление в спектре гармоники ФОР порядка р на нижней боковой частоте, которая может быть определена по выражению:
Эту гармонику можно обнаружить в спектре, сняв сигнал тока статора с вторичных цепей и при пуске асинхронного двигателя (продолжительностью более 0,8 с). Характерной особенностью этой гармоники будет отражение в спектре от оси времени при скольжении, равном 0,5 о.е.
В процессе пуска гармонический состав спектра двигателя существенно изменяется и применение метода быстрого преобразования Фурье невозможно. В качестве метода, который позволяет обрабатывать нестационарные сигналы и строить их частотно-временные спектры, использовалось оконное преобразование Фурье (ОПФ). Принцип ОПФ заключается в том, что весь зарегистрированный сигнал разбивается на интервалы ΔT, в каждом из которых производится преобразование Фурье. Для получения спектра достаточной точности каждый новый интервал начинается раньше предыдущего, т.е. осуществляется перекрытие интервалов, на которые разбивается сигнал. Для снижения растекания спектра и более точной оценки амплитуд гармонических составляющих применяется ОПФ с низким разрешением. Наиболее точных результатов при определении амплитуд гармонических составляющих можно достигнуть при использовании в качестве оконной функции окна Флэттоп однако, можно использовать и другие оконные функции низкого разрешения (например, окно Блэкмана-Наталла).
Разные оконные функции имеют различные характеристики, и, в частности, различную ширину основного лепестка, поэтому для разных двигателей в зависимости от времени пуска могут применяться разные окна.
Применение ОПФ накладывает ограничения на минимальную продолжительность интервала разбиения всего времени пуска (определяется разрешением сигнала по частоте) и на максимальную продолжительность, которая определяется разрешением по времени. Поскольку в данном случае задачей является выделение лишь одной гармоники в спектре, необходимым условием является четкое отражение этой гармонической составляющей в спектре пускового сигнала. Это может быть достигнуто выполнением следующего условия:
ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна (для окна Флэттоп ΔF=5);
ΔТ - продолжительности интервалов, на которые разбивается пусковой сигнал, с;
n
Т - время пуска АД, с.
Из выражения (3) можно оценить минимально допустимое время пуска АД, при котором можно проводить оценку состояния обмотки ротора.
При применении окна Флэттоп минимальная продолжительность пуска (определенная по выражению (4)), при котором возможна корректная обработка пускового сигнала, составляет 0,8 секунды.
Таким образом, предлагаемый способ функционального контроля оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя по пусковому току статора позволяет сделать вывод о наличии или отсутствии оборванных стержней в обмотке ротора.
Способ реализуется следующим образом:
К вторичным цепям питания асинхронного двигателя (например, к зажимам трансформатора тока) подключают измерительную аппаратуру, осуществляют запись тока статора при пуске асинхронного двигателя. С помощью АЦП получают цифровой сигнал.
Далее полученный сигнал разделяют на интервалы, продолжительность интервалов выбирают с учетом длительности пуска асинхронного двигателя, а также ширины главного лепестка используемого окна преобразования Фурье.
После этого формируют частотно-временной спектр зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье (используя в качестве оконной функции окно Флэттоп). Определяют наличие в спектре гармонической составляющей ФОР на нижней боковой частоте, порядок которой совпадает с числом пар полюсов р электродвигателя. При наличии этой гармонической составляющей делают заключение о наличии оборванных стержней в обмотке ротора асинхронного двигателя.
Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя по пусковому току статора был реализован на базе персонального компьютера. Работоспособность способа проверена на математической модели, выполненной в программном комплексе ANSYS. Смоделирован высоковольтный асинхронный двигатель типа ДАЗО, паспортные данные которого приведены в табл. №1. По способу-прототипу «Способ определения повреждения стержней беличьей клетки роторов асинхронных электродвигателей» (авторское свидетельство на изобретение №800906, МПК G01R31/06, 1981 г.) невозможно определить наличие одного оборванного стержня в обмотке ротора данного электродвигателя, так как обмотка ротора имеет 132 стержня.
Пример. Испытание работы заявленного способа на математической модели асинхронного электродвигателя ДАЗО-2-17-44-8/10У1. Данный двигатель двухскоростной и может работать с числом пар полюсов равным 5 (1 скорость) и 4 (2 скорость). В проведенном опыте двигатель пускался на 1 скорости (число пар полюсов равняется 5).
Были выполнены две модели указанного асинхронного двигателя: в исправном состоянии и при наличии одного оборванного стержня в обмотке ротора. Полученные спектры представлены на фиг. 1 и 2 соответственно. Из фиг. 2 хорошо видно, что при обрыве стержня в спектре отчетливо проявляется гармоника на нижней боковой частоте, порядок которой совпадает с числом пар полюсов электродвигателя (обозначена на фиг. 2 ФОР как 5-), которая достигает нулевого значения, то есть «отражается» от оси времени. Именно появление такой гармоники и позволяет судить о наличии обрыва стержня обмотки ротора. В спектре исправного двигателя эта гармоника практически не проявляется. Сравнение амплитуды искомой гармоники в спектрах при пуске с поврежденным и с исправным ротором показало, что амплитуда гармоники двигателя с одним оборванным стержнем более чем в 100 раз превышает ее амплитуду при отсутствии повреждения.