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

Изобретение относится к области контроля технического состояния асинхронных электродвигателей и может быть использовано для обнаружения обрывов стержней в короткозамкнутой обмотке роторов асинхронных электродвигателей.
v.n
c
c
1
1
Известен «Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя» (патент РФ №2644576 МПК G01R31/34, 2018), основанный на контроле электродвижущей силы на выводах обмотки статора в режиме выбега и формировании сигнала о результатах диагностики. Согласно способу из контролируемой электродвижущей силы выделяется среднеквадратичная величина дополнительных гармонических с частотами f=f(v±n/p) и сравнивается с ее эталонной величиной, и если среднеквадратичная величина этих дополнительных гармонических превысит эталонную величину, то формируют сигнал о повреждении обмотки короткозамкнутого ротора, где f=f(1-s); f - частота сети; s - скольжение ротора; n=1÷(p-1), v - номер гармоники сети, р - число пар полюсов асинхронного двигателя.
Недостатками указанного способа являются необходимость использования дорогостоящего оборудования и сложность его подключения для проведения контроля электродвижущей силы, повышение вероятности незапланированного отключения электродвигателя по причине отказа понижающего трансформатора, устанавливаемого в цепи обмотки статора.
Известен способ контроля состояния обмотки ротора асинхронного электродвигателя (авторское свидетельство СССР №1121633, МПК G01R 31/34, 1984 г.), заключающийся в подключении обмотки статора к сети, в приведении ротора во вращение и в измерении тока статора, из тока статора выделяют третью гармонику измеряют пульсацию ее амплитуды и по уровню пульсации судят о наличии обрыва стержней обмотки ротора.
Недостатком указанного 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 №800906, МПК G01R 31/06, 1981 г.), 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 указанного способа 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.
Известен «Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя» (патент на изобретение РФ №2724988, МПК G01R 31/34, 2020 г. ), принятый за прототип, включающий регистрацию тока статора при пуске асинхронного двигателя, оцифровывание сигнала, разбивку сигнала на интервалы продолжительностью ΔT, удовлетворяющей условию
где
ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;
n
T - время пуска асинхронного двигателя, с;
c
f - частота сети, Гц,
формирование частотно-временного спектра зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье, определение наличия в спектре гармонической составляющей от фиктивной обмотки ротора на нижней боковой частоте, порядок которой совпадает с числом пар полюсов асинхронного двигателя, формирование заключения о наличии оборванных стержней в обмотке ротора асинхронного двигателя при выявлении этой гармонической составляющей.
Недостатком способа-прототипа является низкая достоверность результатов при диагностике двигателей с быстрым пуском, продолжительностью менее 0,8 секунд.
Техническим результатом предлагаемого способа является повышение достоверности выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке роторов асинхронных электродвигателей с продолжительностью пуска менее 0,8 секунд.
Технический результат достигается тем, что в способе выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя, включающем регистрацию тока статора при пуске асинхронного двигателя, оцифровку зарегистрированного сигнала, разбивку оцифрованного сигнала на интервалы продолжительностью AT, удовлетворяющую условию:
где
ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;
n
T - время пуска асинхронного двигателя, с;
c
c
pacч.
f
f - частота питающего напряжения, Гц, формирование частотно-временного спектра зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье, определение наличия в спектре гармонической составляющей от фиктивной обмотки ротора на нижней боковой частоте, порядок которой совпадает с числом пар полюсов асинхронного двигателя, формирование заключения о наличии оборванных стержней в обмотке ротора асинхронного двигателя, при обнаружении указанной выше гармонической составляющей, асинхронный двигатель подключают к преобразователю частоты, предварительно формируют математическую модель процесса пуска асинхронного двигателя, на метаматематической модели определяют при  равной 50 Гц диапазон значений напряжения U на выходе преобразователя частоты, удовлетворяющий условию:
расч.min
расч
расч.max
U<U<U, где
расч.min
U - минимальное действующее значение напряжения, при котором двигатель сможет запуститься, В;
расч.max
U - максимальное действующее значение напряжения, при котором время пуска будет более 0,8 с, В,
pacч
пуск
пуск
из полученного диапазона U выбирают U  устанавливают выходное напряжение преобразователя частоты равным U и частоту выходного напряжения равной 50 Гц, пуск асинхронного двигателя осуществляют через преобразователь частоты.
Сущность изобретения поясняют графические иллюстрации.
На фиг. 1 приведен частотно-временной спектр диагностического сигнала при исправной обмотке ротора двигателя АИР-71А6.
На фиг. 2 приведен частотно-временной спектр диагностического сигнала при обрыве 1-го стержня в обмотке ротора двигателя АИР-71А6.
Сущность способа заключается в следующем.
Одним из эффективных диагностических признаков наличия повреждений обмотки ротора асинхронного двигателя может служить появление в спектре гармоники от фиктивной обмотки ротора (ФОР) порядка р на нижней боковой частоте. Указанная гармоника может быть определена по выражению:
f
c
где  - частота сети, 50 Гц;
s(t) - скольжение двигателя, о.е.;
р - число пар полюсов двигателя;
- нижняя боковая частота гармоники от ФОР р-го порядка, Гц. («Анализ спектра магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя при повреждении обмотки ротора», автор - Скоробогатов Л.Л. (Вестник ИГЭУ. - вып.2. - Иваново: ИГЭУ, 2006. С. 75-78)).
Эту гармонику можно обнаружить в спектре путем регистрации сигнала тока статора с вторичных цепей при пуске асинхронного двигателя. Характерной особенностью этой гармоники будет отражение в спектре от оси времени при скольжении, равном 0,5 о.е.
В процессе пуска гармонический состав спектра тока статора двигателя существенно изменяется и применение метода быстрого преобразования Фурье невозможно. В качестве метода, который позволяет обрабатывать нестационарные сигналы и строить их частотно-временные спектры, используют оконное преобразование Фурье. При применении окна Флэттоп минимальная продолжительность пуска, при котором возможна корректная обработка пускового сигнала, составляет 0,8 секунды.
Переходный процесс изменения частоты вращения ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой в режиме пуска описывается уравнением движения:
дв
где М(t) - электромагнитный момент, развиваемый двигателем, Н⋅м;
ст
-
М(t)  суммарный нагрузочный момент, приложенный к валу двигателя, Н⋅м;
2
J - суммарный момент инерции вала двигателя и соединенного с ним механизма, приведенный к валу двигателя, кг⋅м;
ω - угловая частота вращения вала двигателя, рад/с;
t - время, с.
В заявляемом способе увеличение времени пуска обеспечивается за счет уменьшения электромагнитного момента двигателя путем регулирования частоты и действующего значения подводимого к двигателю напряжения. При этом уменьшение напряжения приводит к уменьшению электромагнитного момента, а уменьшение частоты - к увеличению.
Применение при пуске преобразователя частоты позволяет задавать как действующее значение, так и частоту переменного напряжения, подводимого к двигателю. При настройке преобразователя частоты учитывают, что одному значению частоты не может соответствовать два различных значения напряжения. Настройку преобразователя частоты производят из условия получения электромагнитного момента асинхронного двигателя, позволяющего добиться времени пуска в соответствии с требуемым условием:
где ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна (для окна Флэттоп ΔF=5), о.е.;
n
f - частота напряжения на выходе преобразователя частоты в течение пуска, Гц;
n.min
T - время пуска асинхронного электродвигателя, с. (патент на изобретение РФ №2724988, МПК G01R 31/34, 2020 г )
paсч.
Частоту питающего напряжения выбирают равной 50 Гц, чтобы исключить увеличение электромагнитного момента. Для указанной частоты определяют диапазон значений напряжения U на выходе преобразователя частоты от минимального действующего значение напряжения, при котором двигатель сможет запуститься до максимального действующего значения напряжения, при котором время пуска будет более 0,8 с.
paсч
После настройки преобразователя частоты с заданным действующим значением переменного напряжения, подводимого к двигателю из диапазона U, и частотой выходного переменного напряжения 50 Гц осуществляют пуск асинхронного двигателя и регистрируют ток статора. При наличии обрыва стержня ротора в частотно-временном спектре тока статора будет присутствовать гармоника от фиктивной обмотки ротора на нижней боковой частоте (1).
Способ реализуется следующим образом:
с
расч
f
Предварительно формируют математическую модель процесса пуска асинхронного двигателя, на метаматематической модели определяют при частоте питающего напряжения / равной 50 Гц диапазон значений напряжения  на выходе преобразователя частоты, удовлетворяющих условию:
расч.min
расч
расч.max
U<U<U, где
расч.min
_
U минимальное действующее значение напряжения, при котором двигатель сможет запуститься, В;
расч.max
_
U максимальное действующее значение напряжения, при котором время пуска будет более 0,8 с, В,
pacч.
nyск
из полученного диапазона U выбирают U.
f
c
пуск
Асинхронный двигатель подключают к преобразователю частоты, устанавливают  равной 50 Гц, а выходное напряжение преобразователя частоты равным U. Пуск асинхронного двигателя осуществляют через преобразователь частоты. Регистрируют ток статора при пуске асинхронного двигателя. Оцифровывают зарегистрированный сигнал, разбивают оцифрованный сигнал на интервалы продолжительностью ДТ, удовлетворяющей условию:
ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;
n
T - время пуска асинхронного двигателя, с;
f
c
- частота питающего напряжения, Гц,
Формируют частотно-временного 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 присутствии оборванных стержней в обмотке ротора асинхронного двигателя.
Эффективность способа подтверждена экспериментально. Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя был реализован на лабораторной установке, состоящей из асинхронного электродвигателя, преобразователя частоты и преобразователя аналоговых сигналов со встроенными датчиками тока.
Испытание проводились на асинхронном электродвигателе АИР71Л6 с тремя парами полюсов, время пуска для которого при действующем значение напряжения 380 В составляет 0,28 с. Способ прототип для данного двигателя непригоден.
f
c
pacч.
расч.min
расч.max
nycк
Предварительно в программном комплексе ANSYS была сформирована математическая модель процесса пуска асинхронного двигателя АИР71А6 с тремя парами полюсов. На метаматематической модели для частоты питающего напряжения  равной 50 Гц был определен диапазон значений напряжения U на выходе преобразователя частоты от U=25 В до U =80 В. В проведенном опыте на двигатель при пуске было подано напряжение U=40 В с частотой 50 Гц.
Были проведены два пуска указанного асинхронного двигателя: с исправной обмоткой ротора и с обмоткой, содержащей один оборванный стержень.
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 как ФОР 3-), которая достигает нулевого значения частоты, 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.
Таким образом, предлагаемый способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя с применением преобразователя частоты позволяет с высокой точностью сделать вывод о наличии или отсутствии оборванных стержней в обмотке ротора.