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

Изобретение относится к области контроля технического состояния асинхронных электродвигателей и может быть использовано для обнаружения обрывов стержней обмоток роторов высоковольтных асинхронных электродвигателей.
Известен способ контроля состояния короткозамкнутой обмотки ротора, основанный на контроле электродвижущей силы на выводах обмотки статора в режиме выбега (Диагностика повреждений стержней ротора в асинхронном двигателе на основании анализа его магнитного поля / Загирняк М.В., Ромашихина Ж.И., Калипов А.П. Вестник НТУ «XIII». - 2012. - №49 (955). - С. 38-47). Согласно данному способу производится анализ ЭДС, которая наводится в обмотке статора в режиме выбега. Вывод о повреждении обмотки ротора формируется при наличии несимметричного распределения линий магнитного поля в обмотке статора, что приводит к несинусоидальности ЭДС.
Недостатком указанного способа является низкая чувствительность из-за того, что ЭДС в обмотке статора в режиме выбега индуктируется постоянными и затухающими по экспоненте токами в обмотке ротора. Поэтому даже в двигателе с исправной обмоткой ротора ЭДС на выбеге является несинусоидальной.
Также известен «Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя» (патент на изобретение RU№2644576 МПК G01R 31/34, 2018 г.), основанный на контроле электродвижущей силы на выводах обмотки статора в режиме выбега, выделении в этом сигнале среднеквадратичной величины дополнительных гармонических с частотами
где
- частота сети;
s - скольжение ротора;
ν - номер гармоники сети;
р - число пар полюсов асинхронного двигателя, сравнении с ее эталонной величиной, и формировании сигнала о повреждении короткозамкнутой обмотки ротора, если среднеквадратичная величина этих дополнительных гармонических превысит эталонную величину.
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.
За прототип принят «Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя» (патент на изобретение RU №2687881 МПК G01R 31/34, 2019), основанный на цифровой регистрации радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля во времени с помощью датчика магнитного поля, устанавливаемого на корпусе электродвигателя в зоне середины длины сердечника статора в режиме пуска, разделении его на интервалы, продолжительность которых зависит от числа пар полюсов асинхронного двигателя, а также ширины главного лепестка используемого окна, проведении на каждом из этих интервалов оконного преобразования Фурье и получении частотно-временного спектра, определении в этом спектре наличия гармонических составляющих от фиктивной обмотки ротора на нижних боковых частотах, определяемых по выражению:
где
- нижняя боковая частота гармоники от фиктивной обмотки ротора ν-го порядка, Гц,
t - время на интервале 0≤t≤T, с, где
T - продолжительность пуска асинхронного двигателя, с;
- частота сети, Гц,
s(t) - скольжение ротора;
p - число пар полюсов двигателя;
ν - порядок гармоники,
и формировании сигнала о наличии обрыва стержня обмотки ротора при наличии указанных гармонических составляющих.
К недостаткам прототипа относятся невозможность применять его для двигателей с быстрым - продолжительностью менее 3 секунд, пуском, а также возможность травматизма при снятии показаний, так как большая часть аварийных ситуаций возникает именно в момент пуска.
Техническим результатом является создание достоверного и безопасного способа выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора высоковольтного асинхронного электродвигателя с быстрым пуском, продолжительностью менее 3 секунд.
Технический результат достигается тем, что в способе выявления оборванных стержней короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя, включающем цифровую регистрацию радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля во времени с помощью датчика магнитного поля, устанавливаемого на корпусе электродвигателя в зоне середины длины сердечника статора, разделение указанного сигнала на интервалы, проведение на каждом из этих интервалов оконного преобразования Фурье и получение частотно-временного спектра, указанный выше сигнал регистрируют в режиме выбега, определяют продолжительность интервалов ΔT, на которые разделяют регистрируемый сигнал, из условия:
OP
где X - индуктивной сопротивление обмотки ротора, Ом;
OP
R - активное сопротивление обмотки ротора, Ом;
ном
s - номинальное скольжение ротора, о.е,
- частота сети, Гц;
ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;
p - число пар полюсов двигателя,
определяют в частотно-временном спектре наличие гармонических составляющих от фиктивной обмотки ротора, исключая гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов, частоты которых в режиме выбега определяются по выражению:
где ν=1, 2, 3, 4, 5… - порядок гармоники;
n(t) - скорость вращения асинхронного электродвигателя в момент времени t, об/мин,
при наличии указанных гармонических составляющих формируют сигнал о наличии обрыва стержня обмотки ротора.
Сущность изобретения поясняют графические материалы.
На фиг. 1 приведен частотно-временной спектр внешнего магнитного поля для математической модели исправного асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1 в режиме выбега.
На фиг. 2 приведен частотно-временной спектр внешнего магнитного поля для математической модели асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1 с одним оборванным стержнем обмотки ротора в режиме выбега.
Сущность способа заключается в следующем.
Токи в обмотке роторе, в отличие от токов в обмотке статора, не исчезают сразу после отключения питания электродвигателя, а продолжают циркулировать некоторое время. Данное время характеризуется постоянной времени затухания апериодической составляющей токов в обмотке ротора, которая определяется по формуле
ОР
OR
и зависит от соотношения индуктивного (Х) и активного (R) сопротивлений.
а.зат
а.зат
Для высоковольтных электродвигателей параметр Т составляет 5 с и более. Если учесть, что за отрезок времени, равный 2⋅Т, амплитуды токов в обмотке ротора уменьшатся всего лишь в 7,4 раза, то фактическое время для анализа сигнала, содержащего диагностическую информацию, составляет для таких двигателей не менее 10 с, что является достаточным для проведения контроля состояния обмотки ротора в режиме выбега.
Известно, что при возникновении обрывов стержней короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных электродвигателей резко увеличиваются амплитуды гармонических составляющих, называемых гармониками от фиктивной обмотки ротора (так они названы в статье «Анализ спектра магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя при повреждении обмотки ротора», автор - Скоробогатов А.А. (Вестник ИГЭУ. - вып.2. - Иваново: ИГЭУ, 2006. С. 75-78)). При этом данные гармоники будут проявляться не только во внутреннем, но и во внешнем магнитном поле, как было показано в способе-прототипе. Частоты гармоник от фиктивной обмотки ротора могут быть определены по выражению:
- нижняя боковая частота гармоники от фиктивной обмотки ротора ν-го порядка в момент времени Гц;
- верхняя боковая частота гармоники от фиктивной обмотки ротора ν-го порядка в момент времени t, Гц.
s(t) - скольжение ротора.
Более удобно выражение (2) можно записать в виде:
n(t) - скорость вращения асинхронного электродвигателя в момент времени t, об/мин;
- частота колебаний тока в обмотке ротора, Гц, которая определяется по формуле
р
Данный сигнал более удобно и эффективно регистрировать не в режиме пуска или установившемся режиме работы электродвигателя, а в режиме его выбега. В режиме выбега второй составляющей (ƒ) в выражении (3) не будет (поскольку двигатель будет отключен от питающей сети), поэтому для режима выбега частоты гармоник от фиктивной обмотки ротора можно определить по выражению:
Характерным признаком наличия повреждения в режиме выбега будет появление в спектре внешнего магнитного поля гармоник с частотами, определяемыми по выражению (4), за исключением гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов ν=p.
Обработка полученных сигналов, как и в способе-прототипе, может быть осуществлена на основе оконного преобразования Фурье. Сигнал разделяют на интервалы ΔT, на каждом из которых производят преобразование Фурье. В результате будет получен частотно-временной спектр, то есть зависимость изменения амплитуды гармонических составляющих от частоты и от времени. В качестве оконных функций используют окно Флэттоп, поскольку данная оконная функция позволяет наиболее точно определять амплитуды гармонических составляющих и добиться при этом малого растекания спектра.
Для получения четкого частотно-временного спектра продолжительность интервалов, на которые разделяют исследуемый сигнал в режиме выбега асинхронного электродвигателя, должна находиться в диапазоне, определяемом условием:
Как было указано ранее для высоковольтных электродвигателей длительность затухания токов в обмотке ротора составляет не менее 10 с, а длительность выбега - несколько минут.
Способ реализуется следующим образом:
Посредством внешнего датчика магнитного поля (например, датчика Холла), устанавливаемого на корпус электродвигателя в зоне середины длины сердечника статора, осуществляют запись сигнала радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля в режиме выбега, то есть сразу после отключения асинхронного двигателя от питающей сети. С помощью АЦП получают цифровой сигнал. Далее полученный сигнал разделяют на интервалы, продолжительность которых определяется по условию (5). После этого формируют частотно-временной спектр зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье (используя в качестве оконной функции окно Флэттоп). В полученном частотно-временном спектре определяют наличие гармоник от фиктивной обмотки ротора (кроме гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов), частоты которых  рассчитываются по формуле (4). При наличии этих гармонических составляющих делают заключение об имеющемся обрыве стержня обмотки ротора асинхронного двигателя.
Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя в режиме выбега был реализован на базе персонального компьютера. Работоспособность способа проверена на математической модели, выполненной в программном комплексе ANSYS, высоковольтного асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1, паспортные данные которого приведены в табл. №1.
Пример. Испытание работы заявленного способа на математической модели асинхронного электродвигателя ДАЗО2-17-44-8/10У1. Б проведенном опыте двигатель работает без рабочей машины (режим холостого хода), при этом время его пуска составляет не более 2 секунд, что недостаточно для проведения контроля состояния обмотки ротора по внешнему магнитному полю в режиме пуска, как описано в способе-прототипе. Двигатель является двухскоростным. В эксперименте выбег начинается при работе машины на первой скорости (5 пар полюсов).
Были выполнены две модели указанного асинхронного двигателя: в исправном состоянии и при наличии одного оборванного стержня в обмотке ротора. На корпусе машины был размещен датчик для регистрации радиальной составляющей внешнего магнитного ноля. Полученные частотно-временные спектры внешнего магнитного поля представлены на фиг. 1 и 2 соответственно. В табл. №2 приведены отношения амплитуд гармоник от фиктивной обмотки ротора, существующих во внешнем магнитном поле, для двигателей с поврежденной (1 оборванный стержень) и исправной обмотками ротора.
Из фиг. 2 видно, что при обрыве стержня в спектре отчетливо проявляются гармоники от фиктивной обмотки ротора первых пяти порядков (обозначены ФОР n, где n - порядок гармоники). В спектре исправного двигателя (фиг. 1) указанные выше гармоники от фиктивной обмотки ротора имеют заметно меньшие амплитуды за исключением гармоники пятого порядка, порядок которой совпадает с числом пар полюсов, что подтверждается данными, приведенными в табл. 2.