Разработка программно-аппаратного комплекса диагностики межвитковых замыканий статорных обмоток асинхронных двигателей под рабочим напряжением на основе использования двух критериев




Page 1


background image







Page 2


background image

32

Ежеквартальный

 

спецвыпуск

 

 2 (21), 

июнь

 2021

До

 38% 

неисправностей

 

асинхронного

 

электродвигателя

 

(

АД

приходится

 

на

 

повреждения

 

изоляции

 

статора

Не

смотря

 

на

 

большое

 

разнообразие

 

методов

достоверность

 

определения

 

межвитковых

 

замыканий

 

статорных

 

обмоток

 

под

 

рабочим

 

напряжением

 

еще

 

остается

 

на

 

низком

 

уров

не

Разработанные

 

нами

 

новые

 

методы

 

диагностики

 

по

 

от

дельным

 

параметрам

 

в

 

совокупности

 

позволят

 

постоян

но

 

мониторить

 

техническое

 

состояние

 

статорной

 

обмотки

 

и

 

выявлять

 

ее

 

повреждения

 

на

 

ранней

 

стадии

 

их

 

развития

Приводятся

 

результаты

 

экспериментов

 

на

 

лабораторном

 

стенде

 

с

 

межвитковыми

 

замыканиями

 

АД

которые

 

под

тверждают

 

более

 

высокую

 

достоверность

 

мониторинга

.

Разработка

 

программно

аппаратного

 

комплекса

 

диагностики

 

межвитковых

 

замыканий

 

статорных

 

обмоток

 

асинхронных

 

двигателей

 

под

 

рабочим

 

напряжением

 

на

 

основе

 

использования

 

двух

 

критериев

Диагностика

 

и

 

мониторинг

Роман

 

ДОЛГИХ

старший

 

преподаватель

 

кафедры

 

информатики

вычислительной

 

техники

 

и

 

прикладной

 

математики

 

Энерге

тического

 

факультета

 

ЗабГУ

Иван

 

СУВОРОВ

д

.

т

.

н

., 

профессор

 

кафедры

 

энергетики

 

Энергетического

 

факультета

 

ЗабГУ

Марат

 

БАКУШЕВ

,

ведущий

 

инженер

 

службы

 

релейной

 

защиты

 

и

 

автоматики

 

центра

 

управления

 

электрическими

 

сетями

 

филиала

 «

Читаэнерго

» 

ПАО

 «

Россети

 

Сибирь

»

Р

азвитие

 

электроэнергетики

 

за

 

последние

 

годы

 

характеризуется

 

активным

 

вне

дрением

 

электронной

 

аппаратуры

Внедрение

 

новой

 

техники

 

и

 

технологий

 

спо

собствует

 

ухудшению

 

показателей

 

качества

 

электроэнергии

 (

ПКЭ

), 

что

 

приводит

 

к

 

снижению

 

надежности

 

аппаратуры

 

и

 

возрастанию

 

отказов

 

в

 

работе

 

электри

ческих

 

машин

Асинхронные

 

электродвигатели

  (

АД

являются

 

неотъемлемой

 

частью

 

электромеханических

 

систем

Важность

 

бесперебойной

 

работы

 

такого

 

двигателя

 

крайне

 

высока

поскольку

 

если

 

не

 

имеется

 

запасного

 

двигателя

то

 

рабочий

 

процесс

 

может

 

быть

 







Page 3


background image

33

остановлен

 

на

 

длительный

 

период

а

 

простой

 — 

это

 

денеж

ные

 

потери

.

Эксплуатационная

 

надежность

 

и

 

эффективность

 

функ

ционирования

 

электрического

 

оборудования

 

на

 

основных

 

этапах

 

жизненного

 

цикла

 

может

 

быть

 

достигнута

 

с

 

помо

щью

 

использования

 

методик

 

и

 

средств

 

оценки

 

техниче

ского

 

состояния

 

электрооборудования

Трехфазные

 

асин

хронные

 

двигатели

 

переменного

 

тока

применяемые

 

для

 

приводов

 

различного

 

рода

 

вентиляторов

насосов

транс

портеров

конвейеров

дымососов

лебедок

преобразова

тельных

 

агрегатов

получили

 

большое

 

распространение

 

в

 

современной

 

промышленности

Согласно

 

статистиче

ским

 

данным

 

в

 

России

 

эксплуатируется

 

не

 

менее

 50 

млн

 

единиц

 

асинхронных

 

двигателей

 

напряжением

 0,4 

кВ

Срок

 

их

 

службы

 

при

 

правильной

 

эксплуатации

 

составляет

 

при

мерно

 15–20 

лет

Для

 

проведения

 

оценки

 

технического

 

со

стояния

 

электрооборудования

 

необходимо

 

использовать

 

измерительные

 

устройства

приспособленные

 

к

 

опреде

ленным

 

условиям

 

эксплуатации

конструктивному

 

и

 

клима

тическому

 

исполнению

 

обследуемого

 

объекта

 [1, 2].

Для

 

диагностики

 

технического

 

состояния

 

асинхрон

ных

 

электродвигателей

 

используются

 

специальные

 

цифровые

 

устройства

отслеживающие

 

одну

 

или

 

более

 

характеристик

 

состояния

 

двигателя

Существует

 

множе

ство

 

причин

по

 

которым

 

может

 

произойти

 

повреждение

 

межвитковой

 

изоляции

Одной

 

из

 

частых

 

причин

 

являет

ся

 

межвитковое

 

замыкание

Существует

 

группа

 

методов

 

выявления

 

данного

 

повреждения

 

на

 

ранней

 

стадии

 

его

 

развития

Однако

 

несмотря

 

на

 

большое

 

разнообразие

 

методов

достоверность

 

определения

 

межвитковых

 

за

мыканий

 

статорных

 

обмоток

 

под

 

рабочим

 

напряжением

 

еще

 

остается

 

на

 

низком

 

уровне

Проведено

 

исследование

 

существующих

 

способов

 

диа

гностирования

 

неисправности

 

асинхронного

 

электродвигате

ля

 — 

межвиткового

 

замыкания

 

статорной

 

обмотки

Выделены

 

достоинства

 

и

 

недостатки

 

рассмотренных

 

способов

Большинство

 

методов

 

диагностики

использующих

 

для

 

анализа

 

токи

 

и

 

напряжения

 

в

 

номинальном

 

режиме

 

работы

не

 

предназначены

 

для

 

работы

 

в

 

условиях

 

снижения

 

каче

ства

 

электроэнергии

Показатели

 

качества

 

электроэнергии

 

в

 

районах

 

Забайкалья

Иркутской

 

области

 

и

 

бурно

 

развиваю

щегося

 

района

 

БАМа

 (

например

строится

 

крупнейший

 

Удо

канский

 

горно

металлургический

 

комбинат

 

по

 

переработке

 

медной

 

руды

 

и

 

выпуску

 

чистейшей

 

меди

зачастую

 

превы

шают

 

нормативные

 

значения

В

 

связи

 

с

 

этим

 

уровень

 

элек

тромагнитных

 

помех

 

из

 

питающей

 

сети

 

может

 

быть

 

выше

 

диапазона

 

диагностируемых

 

сигналов

что

 

может

 

привести

 

к

 

несвоевременному

 

выявлению

 

дефекта

 

и

 

допущению

 

его

 

развития

 

до

 

необратимых

 

последствий

Сформулирован

 

метод

 

диагностирования

на

 

основе

 

которого

 

выполнена

 

научно

исследовательская

 

работа

 

с

 

небольшими

 

изменениями

 

способа

 

выявления

 

неис

правности

Результатом

 

является

 

создание

 

эффектив

ного

 

и

 

простого

 

способа

 

диагностирования

 

технического

 

состояния

 

асинхронных

 

электродвигателей

в

 

том

 

числе

 

и

 

в

 

труднодоступных

 

условиях

Результат

 

достигается

 

тем

что

 

способ

 

диагностики

 

межвитковых

 

замыканий

 

АД

включающий

 

измерение

 

ЭДС

 

обмотки

 

электродвигателя

 

при

 

вращении

 

вала

 

по

 

инерции

 

после

 

отключения

 

пита

ющего

 

напряжения

отличается

 

тем

что

 

дополнительно

 

измеряют

 

частоту

 

колебаний

 

ЭДС

сравнивают

 

эти

 

значе

ния

 

со

 

значениями

измеренными

 

на

 

исправном

 

электро

двигателе

и

 

по

 

результатам

 

сравнения

 

делают

 

вывод

 

о

 

наличии

 

межвитковых

 

замыканий

Сущность

 

способа

 

заключается

 

в

 

том

что

 

в

 

определенные

 

моменты

после

 

начала

 

выбега

 

электродвигателя

на

 

его

 

выводах

 

из

меряют

 

амплитудные

 

значения

 

затухающих

 

колебаний

 

напряжения

а

 

также

 

текущие

 

значения

 

периода

далее

 

эти

 

значения

 

сравниваются

 

со

 

значениями

зарегистри

рованными

 

на

 

заведомо

 

исправном

 

электродвигателе

При

 

разнице

 

в

 

значениях

 

выше

 

допустимого

 

уровня

 

формируется

 

сигнал

 

о

 

наличии

 

межвиткового

 

замыкания

 

и

 

его

 

масштабе

 

в

 

зависимости

 

от

 

того

насколько

 

превы

шен

 

порог

Осциллограмма

приведенная

 

на

 

рисунке

 1, 

показывает

 

переходной

 

процесс

 

выбега

 

электродвигате

ля

 

при

 

повреждении

 20% 

обмотки

а

 

на

 

рисунке

 2 — 

при

 

Рис

. 2. 

Осциллограмма

 

переходного

 

процесса

 

выбега

 

электро

двигателя

 

при

 

повреждении

 40% 

обмотки

Рис

. 1. 

Осциллограмма

 

переходного

 

процесса

 

выбега

 

электро

двигателя

 

при

 

повреждении

 20% 

обмотки

400

300

200

100

0

-100

-200

-300

-400

U

В

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,45

0,4

t

, c

400

300

200

100

0

-100

-200

-300

-400

U

В

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

t

, c







Page 4


background image

34

Ежеквартальный

 

спецвыпуск

 

 2 (21), 

июнь

 2021

повреждении

 40% 

обмотки

Анализ

 

процессов

 

на

 

выбеге

 

производят

 

по

 

зависимости

 

амплитуды

 

фазного

 

напря

жения

 

одной

 

обмотки

 

асинхронного

 

электродвигателя

 

от

 

времени

 

с

 

начала

 

выбега

 

и

 

изменению

 

периода

 

напряже

ния

 (

пересчитан

 

на

 

частоту

в

 

зависимости

 

от

 

масштаба

 

повреждения

 

обмотки

Предложенный

 

способ

 

позволяет

 

выявлять

 

межвит

ковые

 

замыкания

при

 

этом

 

на

 

результат

 

диагностики

 

не

 

влияют

 

сетевые

 

помехи

 

и

 

искажения

так

 

как

 

все

 

замеры

 

производятся

 

на

 

электродвигателе

отключенном

 

от

 

сети

 

(

источника

 

помех

и

 

вращающемся

 

по

 

инерции

Способ

 

позволяет

 

также

 

диагностировать

 

труднодоступные

 

элек

тродвигатели

 

без

 

их

 

демонтажа

так

 

как

 

для

 

диагностики

 

достаточно

 

иметь

 

доступ

 

к

 

выводам

 

электродвигателя

ко

торые

 

располагаются

 

вместе

 

с

 

коммутационной

 

аппарату

рой

 

в

 

распределительном

 

щите

 [3].

Реализовано

 

микропроцессорное

 

устройство

 

для

 

диа

гностики

 

технического

 

состояния

 

асинхронного

 

электро

двигателя

реализующее

 

этот

 

способ

Асинхронный

 

элек

тродвигатель

 

питается

 

от

 

сети

 

трехфазного

 

напряжения

подключение

 

электродвигателя

 

к

 

сети

 

обеспечивается

 

контактором

На

 

линию

 

питания

 

двигателя

 

между

 

контакто

ром

 

и

 

АД

 

подключаются

 

три

 

датчика

 

напряжения

а

 

микро

контроллер

 

принимает

 

данные

 

с

 

кнопочной

 

клавиатуры

 

ввода

 

данных

 

и

 

с

 

датчиков

 

напряжения

 

и

 

выводит

 

данные

 

на

 

дисплей

.

Реализован

 

также

 

программно

аппаратный

 

комплекс

 

для

 

диагностики

 

технического

 

состояния

 

асинхронного

 

электродвигателя

диагностика

 

которого

 

была

 

основана

 

на

 

методе

 

однократного

 

измерения

 

величины

 

напряжений

приходящих

 

на

 

обмотки

 

статора

 

электродвигателя

а

 

также

 

величины

 

токов

протекающих

 

по

 

каждой

 

из

 

обмоток

На

 

ос

нове

 

полученных

 

данных

 

для

 

каждой

 

из

 

обмоток

 

на

 

заве

домо

 

исправном

 

электродвигателе

 

вычисляются

 

значения

 

сопротивления

Далее

 

производится

 

диагностика

 

электро

двигателя

 

путем

 

измерения

 

напряжения

 

и

 

величины

 

тока

На

 

основе

 

измеренного

 

напряжения

 

и

 

соответствующего

 

известного

 

сопротивления

 

вычисляется

 

идеальное

 

значе

ние

 

тока

 

для

 

каждой

 

из

 

обмоток

Апробация

 

комплекса

 

проводилась

 

на

 

специальном

 

стенде

на

 

котором

 

установлен

 

АД

 

с

 

мощностью

 1,2 

кВт

 

на

 

номинальное

 

напряжение

 380 

В

Особенность

 

данного

 

стенда

 

в

 

том

что

 

он

 

позволяет

 

имитировать

 

разную

 

сте

пень

 

межвиткового

 

замыкания

 

и

 

регулирование

 

уровня

 

не

симметрии

 

напряжений

подаваемых

 

на

 

обмотки

 

статора

 

АД

Апробация

 

производилась