Методика спектрографического анализа состояния асинхронных двигателей

2013 Электротехника, информационные технолгии, системы управления № 8 УДК 621.3.087.45

В.А. Жизневский, М.Е. Тюленёв

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия

МЕТОДИКА СПЕКТРОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В последнее время для анализа состояния электромеханических преобразователей энергии, в том числе и асинхронных двигателей, широко применяются методы, связанные со спектральным анализом потребляемых токов. Обусловлено это тем, что отклонение от нормальных режимов работы в электрических машинах приводит к электрической и магнитной асимметрии, проявляющейся в нелинейных искажениях магнитного поля в воздушном зазоре и, следовательно, несинусоидальности потребляемых токов. Отмечается, что источником гармонических составляющих может служить несинусоидальность питающего напряжения, обусловленная влиянием смежных нелинейных потребителей. В статье рассматривается преобразование мгновенных значений токов и напряжений статора к их изображающим векторам с целью получения эквивалентного электрического сопротивления, которое и подвергается преобразованию Фурье. По мнению авторов, такой подход при анализе состояния асинхронных двигателей отличается большей объективностью.

Ключевые слова: асинхронный двигатель, мгновенные значения тока и напряжения, изображающий вектор, электрическое сопротивление, преобразование Фурье, спектрограмма, неисправности двигателя.

V.A. Zhiznevsky, M.E. Tyulenyov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

METHODOLOGY OF SPECTROGRAPHICAL ANALYSIS OF ASYNCHRONOUS ENGINES CONDITION

Recently the condition of electromechanical energy converters including asynchronous engines is monitored using the methods connected with spectral analysis of currents consumed. It is caused by the fact that divergence from normal operating modes in electric engines leads to electrical and magnetic asymmetry. It is manifested in non-linear distortions of magnetic field in the air gap and therefore non-sinusoidal form of the consumed current. It is emphasized that the source of harmonic components can be non-sinusoidal form of power provided caused by the influence of adjacent non-linear power consumers. The transformation of the instantaneous value of stator currents and voltages to their representative vectors, is considered in the article. The purpose of the latter is obtaining the equivalent electrical resistance under Fourier transformation. According to the authors such an approach to analysis of asynchronous engines results in greater accuracy.

Keywords: asynchronous engine, instantaneous value of currents and voltages, representative vector, electrical resistance, Fourier transformation, spectrogram, engine failures.

В последние годы расширяется интерес к применению методов спектрального анализа состояния электрических машин, в том числе и двигателей переменного тока. Как правило, методика строится на сравнении спектрограмм потребляемых токов исправного (нового двигателя) и двигателя, выработавшего некоторый ресурс. Объективно, сам двигатель является источником несинусоидальных искажений ввиду естественных факторов: дискретности обмоток, изменения степени насыщения магнитной цепи, неоднородности пазовой области магнитопровода. Неисправности двигателя или плохое качество сборки приводят к дополнительному искажению основного магнитного потока, следовательно, и формы потребляемого тока. В публикациях приводится достаточно много примеров, как на спектрограммы токов влияет наличие витковых замыканий обмоток статора или обрыв стержней ротора [1, 2]. Рассматривается также влияние эксцентриситета ротора или неисправности подшипников. В то же время недостаточно внимания уделяется влиянию формы питающего напряжения. Расширение применения на промышленных предприятиях силовых преобразователей (выпрямителей и преобразователей частоты) привело к тому, что если напряжение и соответствует требованиям стандарта, то во всяком случае далеко от идеального. Ниже приводится описание методики, позволяющей исключить влияние несинусоидальности питающего напряжения на результаты спектрографического анализа состояния асинхронного двигателя.

Предлагаемая методика отличается тем, что разложению в спектр подвергается не мгновенное значение потребляемого тока, а величина эквивалентного сопротивления двигателя, вычисляемого по стандартному выражению:

2 = &,

где из и - изображающие векторы соответственно напряжения и тока статора.

Изображающий вектор тока статора определяется из зарегистрированных мгновенных значений фазных токов:

/„ = — (г + а • I + а2 • г ),

- ^ \ а Ь с/'

Д = К, + /Ь, К, = I , Ь =--т= 0 + 21 ).

Л а ^р'а а> р /_ \ а с/

где

/120 1 -V3

а = е =---V /—,

2 2

2 / 240 -/120 1 • V3

а = е = е 1 =---/ —.

22

При регистрации двух фазных значений, исходя из баланса токов, выражение преобразуется к виду

Т 2,. .,1 .л/3. .. 1 .л/3Л.

4 = 3(1а + Ч (" 2 + + гс (- 2 -=

2,. 1 . .л/3 . 1 . л/3 . 1 . .л/3 . .

= — (/ V--1 - /-1 V--1--1--1 - /-1 ),

Га 2 а 7 2 а 2 с 2 с 2 с 7 2 с)

тогда компоненты изображающего вектора тока статора определяются следующим образом:

1 73'

Аналогично для напряжений статора достаточна регистрация мгновенных значений двух линейных напряжений. После аналитических преобразований получаем

тт = 7 - 7- -

иЛ =„ иаЪ 10 исЪ ] - исЪ.

9 1о 2

Для математической обработки сигналов применялись средства программного пакета Ыа^аЪ.

Проведем сравнительный анализ спектрограмм токов статора и полного сопротивления асинхронного двигателя мощностью 1 кВт и номинальной частотой вращения 1410 об/мин, полученных в лаборатории электрических машин кафедры электротехники и электромеханики.

На рис. 1 приведены временная диаграмма (в верхнем окне) и спектрограмма (в нижнем окне) тока статора, потребляемого асинхронным двигателем. Увеличение мгновенного значения тока в начале временной диаграммы объясняется его пуском. Выделенная область соответствует установившейся работе двигателя в режиме холостого хода, для которой и производится разложение в гармонический ряд. Видно, что форма тока не является идеальной (несинусоидальные искажения составляют 3,54 %). В частности, присутствуют значительные составляющие на частотах 25, 75, 150, 250 и 350 Гц.

Рис. 1. Временная диаграмма и спектрограмма токов статора асинхронного двигателя

На рис. 2 приведены временная диаграмма и спектрограмма полного сопротивления асинхронного двигателя. Бросок значения сопротивления двигателя в конце временной диаграммы (Time = 2,6 с) объясняется его отключением от питающего источника. Визуальное сравнение спектрограмм тока статора и полного сопротивления показывает, что распределение гармоник в значительной мере отличается. Заметим, что для идеального двигателя сопротивление в установившемся режиме должно быть просто постоянным (если не учитывать насыщение, дискретность обмоток и неоднородность воздушного зазора). В данном случае наблюдаются гармоники на частотах, кратных частоте питающего напряжения. Вместе с тем изменяется численное соотношение гармоник. Так, например, в меньшей степени проявляются частоты 25, 75, 150 и 250 Гц. С другой стороны, наоборот, больший вес приобретают четные гармоники - 100, 200 и 300 Гц.

ста ^ "ч. -о  - ©  л

-Е1дпа11о апа1у:

© 01эр1ау эе1ес1ей г!дп

Зе1ес1ес1 8|дпа1: 250 суЫез. РРТ (¡п гес)): БО сус

I— РРТ апа!у

РипйатегЛа! (50Нг) = 5.533 , ТНР= 107.70%

50 100 150 200 250 300 350

Ргедиепсу

Рис. 2. Временная диаграмма и спектрограмма полного сопротивления асинхронного двигателя

В части анализа состояния двигателя из приведенного примера, например, можно говорить о том, что отсутствие заметных гармоник на частотах скольжения /1^(1 ± я) свидетельствует об электрической и магнитной симметрии ротора, что является вполне нормальным. А наличие четных гармоник, например, может быть признаком эксцентриситета ротора или неравномерности воздушного зазора.

В заключение можно отметить, что применение методики спектрографического анализа может служить полезной основой для оценки состояния электродвигателей в процессе их эксплуатации. Но для построения критериев оценки требуются многостороннее обоснование и накопление практического опыта и статистических данных. В частности, стоит вопрос о влиянии дискретности измерений на погрешности оценок.

Библиографический список

1. Петухов В. Диагностика электродвигателей. Спектральный анализ модулей векторов Парка тока и напряжения // Новости электротехники. - 2008. - № 1(49).

2. Шумилов А.А., Тюленёв М.Е. Анализ влияния межвитковых замыканий на спектрограмму потребляемых токов в асинхронных двигателях // Научные исследования и инновации. - 2010. - Т.4. - № 1. - С. 105-108.

Сведения об авторах

Жизневский Владислав Александрович (Пермь, Россия) - магистрант кафедры электротехники и электромеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: lis@pstu.ac.ru).

Тюленёв Михаил Евгеньевич (Пермь, Россия) - доцент кафедры электротехники и электромеханики Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: nipo@pstu.ru).

About the authors

Zhiznevsky Vladislav Alexandrovich (Perm, Russian Federation) is a Master's Degree student at the Department of Electrical Engineering and Electromechanics, Perm National Research Polytechnic University (614990, 29, Komsomolsky pr., Perm, e-mail: lis@pstu.ac.ru).

Tyulenyov Michail Evgenievich (Perm, Russian Federation) is Associate Professor at the Department of Electrical Engineering and Electro-mechanics, Perm National Research Polytechnic University (614990, 29, Komsomolsky pr., Perm, e-mail: nipo@pstu.ru).

Получено 05.09.2013