СПОСОБ КОНТРОЛЯ МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ СТАТОРА ПОГРУЖНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (ПЭД) Российский патент 2008 года по МПК G01R31/34 H02K15/00 

Изобретение относится к испытанию и исследованию электрических машин, в частности к способам определения их магнитного состояния, и может найти применение на предприятиях по ремонту электрооборудования для добычи нефти из глубинных скважин.

В настоящее время для контроля магнитопроводов электрических машин используют следующие электромагнитные характеристики /1/: а) зависимость полного намагничивающего тока I_μ от максимального магнитного потока Ф_м, пронизывающего эти магнитопроводы; б) зависимость полных потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Р_ст от максимального магнитного потока. Известны способы /1...4/ определения электромагнитных характеристик магнитопроводов статоров асинхронных электродвигателей

основанные на использовании ротора в качестве тарированного индуктора. Эти способы сводятся к измерениям полного тока холостого хода I_xx и суммарных потерь Р_Σст в стали системы "тарированный ротор - испытываемый пакет статора", проводимым для ряда значений магнитного потока Ф_м и к получению зависимостей (1) путем вычитания из измеренных данных собственного тока намагничивания индуктора и собственных потерь мощности в его стали, которые находятся по тарировочным кривым для того же ряда значений магнитного потока.

Среди известных способов наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемым результатам является способ /4/, принимаемый за прототип. Согласно данному способу определения электромагнитных характеристик магнитопроводов статоров электрических машин размещают на магнитопроводе статора измерительную катушку, соединенную выводами с вольтметром, устанавливают данный магнитопровод на магнитопроводе ротора с пазами и с трехфазной намагничивающей обмоткой, подключают выводы намагничивающей обмотки через амперметры действующих значений к регулируемому трехфазному источнику питания промышленной частоты синусоидальной формы и определяют электромагнитные характеристики по величине тока, при котором показания вольтметра соответствуют максимальному магнитному потоку в зубце магнитопровода статора.

Данный способ и перечисленные выше известные технические решения /1...3/ позволяют определять только усредненные магнитные характеристики всего магнитопровода статора электрической машины и не позволяют определять магнитное состояние его отдельных участков. Между тем, последнее существенно влияет на качество и надежность асинхронных электродвигателей, особенно погружных электродвигателей центробежных насосов для добычи нефти из глубинных скважин. Как известно, ПЭД такого рода имеют малый диаметр корпуса (не более 150 мм) и большую длину (иногда более 8 м), а магнитопровод их статора состоит из запрессованных в корпус в чередующемся порядке активных пакетов статорного железа (длина каждого пакета 300...450 мм) и немагнитных пакетов (длина пакета 32...45 мм), причем последние могут отсутствовать у многих ПЭД российского производства, изготовленных по упрощенной технологии. Соответственно магнитопровод ротора ПЭД состоит из отдельных, скомплектованных в набор и установленных на общий вал пакетов, имеющих каждый самостоятельную короткозамкнутую обмотку и разделенных между собой промежуточными подшипниками скольжения.

При сборке ПЭД, например, после ремонтного обслуживания магнитные сопротивления активных участков статора могут отклоняться от усредненных значений. Причинами таких отклонений являются неоднородность магнитных свойств рулонной электротехнической стали, из которой штампуются листы для активных пакетов, неравномерность рабочего воздушного зазора в ПЭД из-за несоосности расположения ротора относительно статора и отклонений от прямолинейности внутренней поверхности статора по его длине (фиг.1), а также действие технологических факторов, например нестабильность характеристик оборудования и инструмента при выполнении операций штамповки, резки, механообработки, термообработки и др. /5/.

Различия магнитных сопротивлений активных участков магнитопровода приводят к тому, что для каждого участка величина магнитного потока, сосредоточенного в воздушном зазоре под активным пакетом, будет своя, отличная от соседнего участка. Таким образом, появляется неравномерность распределения магнитного потока по участкам магнитопровода статора. Она служит причиной возникновения неравномерности распределения по участкам ротора электромагнитной мощности и тепловых потерь в стали ротора, а также неравномерности распределения приложенного к статорным обмоткам переменного трехфазного напряжения по их длине.

Действие отмеченных неблагоприятных факторов, во-первых, ухудшает технические характеристики ПЭД и, во-вторых, может привести к появлению в роторе ПЭД очагов повышенных тепловыделений. Последние вызывают локальные перегревы магнитопровода ротора у нагруженного ПЭД и могут быстро вывести ПЭД из строя при его эксплуатации.

Задачей изобретения является обеспечение возможности контроля магнитного состояния отдельных участков магнитопровода статора ПЭД.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе определения электромагнитных характеристик магнитопроводов статоров электрических машин, по которому размещают на магнитопроводе статора измерительную катушку, соединенную выводами с вольтметром; устанавливают данный магнитопровод на магнитопроводе ротора с пазами и с трехфазной намагничивающей обмоткой и подключают выводы намагничивающей обмотки через амперметры действующих значений к регулируемому трехфазному источнику питания промышленной частоты синусоидальной формы, согласно изобретению используют в качестве измерительной катушки непосредственно одну фазу статорной обмотки ПЭД, в качестве магнитопровода ротора - один пакет сердечника ротора ПЭД с вынутой короткозамкнутой обмоткой, а в качестве вольтметра - прибор, измеряющий действующие значения напряжения; повышают напряжение источника питания так, чтобы в измерительной катушке установилась эдс, равная , где n - число пакетов у ротора ПЭД, a U_ном - номинальное напряжение на фазе статорной обмотке ПЭД; перемещают магнитопровод ротора в осевом направлении вдоль оси статора ПЭД и при заданном неизменном напряжении питания регистрируют величину эдс в измерительной катушке; перемещают вновь магнитопровод ротора в осевом направлении вдоль оси статора ПЭД и регистрируют ток в фазах намагничивающей обмотки, поддерживая неизменной величину эдс в измерительной катушке с помощью регулируемого источника питания.

Данная совокупность признаков позволяет получить новый технический результат, который заключается в возможности оптимального согласования на этапе сборки погружного электродвигателя магнитных свойств пакетов сердечника ротора ПЭД с магнитными свойствами соответствующих участков статора, за счет чего повышаются эксплуатационные переметры ПЭД, такие как электромагнитный момент, кпд и надежность.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.2 изображены схематически статор ПЭД и магнитопровод ротора, а на фиг.3 приведена измерительная схема для реализации способа. На фиг.2 приняты следующие обозначения: 1 - корпус статора ПЭД; 2 - шихтованный сердечник статора ПЭД; 3 - промежуточные подшипники; 4 - магнитопровод ротора, выполненный из одного пакета сердечника ротора ПЭД с вынутой короткозамкнутой обмоткой и насаженный на вал 5 ПЭД; 6 - рабочий воздушный зазор между внутренней поверхностью расточки статора ПЭД и магнитопроводом ротора. Измерительная схема на фиг.3 включает магнитопровод ротора 4 с трехфазной намагничивающей обмоткой 7, уложенной в его пазы; амперметры действующих значений 8, 9, 10 для измерения тока в фазах намагничивающей обмотки 7, измерительную катушку 11, в качестве которой используется одна фаза обмотки статора ПЭД; вольтметр 12 для контроля величины магнитного потока. Питание схемы осуществляется от регулируемого источника 13.

Способ осуществляют следующим образом. Устанавливают магнитопровод статора 2 с измерительной катушкой 11 (фазной статорной обмоткой) на магнитопровод ротора 4 так, чтобы совпадали начала обоих магнитопроводов (см. фиг.2). Подключают выводы намагничивающей обмотки 7 через амперметры действующих значений 8, 9, 10 к регулируемому трехфазному источнику питания промышленной частоты синусоидальной формы 13, а выводы измерительной катушки 11 - к вольтметру действующих значений 12. Устанавливают напряжение источника питания 13 так, чтобы в контролируемом участке статора (находящемся над магнитопроводом ротора 4) сформировался магнитный поток, равный, например, номинальному значению Ф_ном соответственно магнитного потока ПЭД в режиме холостого хода. При таком магнитном потоке в измерительной катушке 11 индуктируется эдс, в n раз меньшая номинального напряжения на фазе статорной обмотки ПЭД и, следовательно, вольтметр 12 зарегистрирует напряжение, равное . Далее измеряют амперметрами 8, 9, 10 токи I_A, I_B, I_C в фазах намагничивающей обмотки 7. Контроль магнитного состояния участка статора производится по величине тока

что возможно, т.к. при неизменном (номинальном) значении магнитного потока ток I_i пропорционален эквивалентному магнитному сопротивлению R_i магнитной цепи данного участка статора

равному, в свою очередь,

где R_δi - магнитное сопротивление рабочего зазора на данном участке статора; R_μi - магнитное сопротивление участка магнитопровода статора, расположенного над магнитопроводом ротора; w₁ - число витков намагничивающей обмотки. Для равномерного воздушного зазора δ_i можно записать

где S_i - площадь внутренней поверхности расточки статора, находящейся над магнитопроводом ротора: К - коэффициент, учитывающий потоки выпучивания и рассеяния; μ_o - магнитная проницаемость воздуха.

Затем проводят аналогичные измерения на соседних участках магнитопровода статора. Для этого перемещают каждый раз магнитопровод ротора в осевом направлении вдоль оси статора на расстояние (где L_ст - длина магнитопровода статора), поддерживают при помощи регулируемого источника 13 неизменной величину эдс в измерительной катушке 11 и регистрируют токи I_A, I_B, I_C в намагничивающей обмотке. Таким образом, заявляемый способ позволяет проводить контроль магнитного состояния всех n участков магнитопровода статора ПЭД и определять неоднородность их магнитных свойств по отклонениям от усредненного значения эквивалентных магнитных сопротивлений данных участков, выраженных через измеряемые токи I_i уравнением (3).

Это дает возможность, во-первых, своевременно обнаруживать дефектные по магнитным свойствам участки статора у ПЭД, например, приходящих на ремонтное обслуживание, и, во-вторых, позволяет перед сборкой ПЭД скомплектовать "оптимальные наборы" для сердечников роторов ПЭД. Отбор пакетов для подобных наборов осуществляется из так называемого пополняемого технологического запаса по их магнитным свойствам. В результате согласования магнитных свойств пакетов сердечника ротора ПЭД с магнитными состояниями соответствующих участков статора повышается электромагнитный момент, улучшается кпд и увеличивается надежность погружных электродвигателей.

Все это подтверждает техническую эффективность заявляемого способа, которая в сравнении с прототипом и другими известными способами состоит в улучшении технических параметров ПЭД и достигается, во-первых, использованием в качестве магнитопровода ротора одного пакета сердечника ротора ПЭД с вынутой короткозамкнутой обмоткой, в качестве измерительной катушки непосредственно одной фазы статорной обмотки ПЭД, а в качестве вольтметра - прибора, измеряющего действующие значения напряжения, и, во-вторых, путем перемещения магнитопровода ротора в осевом направлении вдоль оси статора ПЭД и измерения тока в фазах намагничивающей обмотки при постоянной величине эдс в измерительной катушке.

Изобретение может быть использовано на ремонтных предприятиях для повышения качества сборки ПЭД, применяемых в центробежных электронасосах для добычи нефти из глубинных скважин.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Абдул-заде Э.А., Абдуллаев АА.А., Давыдов В.Ф., Талышенский Р.И. Определение электромагнитных характеристик магнитопроводов асинхронных двигателей. - Электротехника. 1974, №3, с.17-19.

2. Авторское свидетельство СССР №1420634 А1, кл. Н02К 15/00. Способ определения электромагнитных характеристик магнитопроводов статоров электрических машин и устройство для его осуществления / Франкфурт Г.М., Цветиков В.Я., Оруджев Д.О. и др., опубл. Б.И. 1988 №32.

3. Авторское свидетельство СССР №1697200 А1, кл. Н02К 15/02. Способ контроля магнитных характеристик пластин магнитопроводов статоров электрических машин. / Франкфурт Г.М., Цветиков В.Я., Оруджев Д.О. Опубл. Б.И. 1991. №45.

4. Авторское свидетельство СССР №1348964 А1, кл. Н02К 15/00. Способ определения электромагнитных характеристик магнитопроводов статоров электрических машин / Цветиков В.Я., Франкфурт Г.М. и др., опубл. Б.И. 1987 №40.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электротехнической промышленности на предприятиях по ремонту электрооборудования для добычи нефти из глубинных скважин. В способе определения электромагнитных характеристик магнитопроводов статоров электрических машин магнитопровод статора с измерительной катушкой устанавливают на магнитопроводе ротора с пазами и с трехфазной намагничивающей обмоткой. Подключают выводы намагничивающей обмотки через амперметры действующих значений к регулируемому трехфазному источнику питания промышленной частоты синусоидальной формы. В качестве измерительной катушки используют непосредственно одну фазу статорной обмотки ПЭД, в качестве магнитопровода ротора - один пакет сердечника ротора ПЭД с вынутой короткозамкнутой обмоткой, а в качестве вольтметра - прибор действующих значений напряжения. Повышают напряжение источника питания так, чтобы в измерительной катушке установилась эдс, равная U_ном/n, где n - число пакетов ротора ПЭД, a U_ном - номинальное напряжение на фазе статорной обмотки ПЭД. Перемещают магнитопровод ротора в осевом направлении вдоль оси статора на расстояние L_ст/n, где L_ст - длина магнитопровода статора, и регистрируют токи I_A,B,C в фазах намагничивающей обмотки, поддерживая неизменной величину эдс в измерительной катушке с помощью регулируемого источника питания. Контроль магнитного сосотояния каждого участка производят по величине тока I_i по формуле (I_A+I_B+I_C)/3/. Технический результат заключается в возможности своевременно обнаруживать дефектные по магнитным свойствам участки статора у ПЭД, поступающих, например, на ремонтное обслуживание. Способ позволяет также улучшить эксплуатационные параметры ПЭД, подлежащих сборке, в частности повысить их электромагнитные момент, кпд и надежность за счет оптимального согласования на этапе сборки ПЭД магнитных свойств пакетов сердечника ротора с магнитными свойствами соответствующих участков статора. 3 ил.

Способ контроля магнитного состояния статора погружного асинхронного электродвигателя (ПЭД), по которому устанавливают на магнитопроводе статора измерительную катушку, соединенную выводами с вольтметром, размещают магнитопровод статора на магнитопроводе ротора с пазами и с трехфазной намагничивающей обмоткой, подключают выводы намагничивающей обмотки через амперметры действующих значений к регулируемому трехфазному источнику питания промышленной частоты синусоидальной формы, отличающийся тем, что размещение магнитопровода статора на магнитопроводе ротора осуществляют так, чтобы совпадали начала обоих магнитопроводов, используют в качестве магнитопровода ротора один пакет сердечника ротора ПЭД с вынутой корокозамкнутой обмоткой, а в качестве измерительной катушки непосредственно одну фазу статорной обмотки ПЭД, а вольтметром измеряют действующие значения напряжения, повышают напряжение источника питания так, чтобы в измерительной катушке на контролируемом участке статора установилась эдс, равная U_НОМ/n, перемещают каждый раз магнитопровод ротора в осевом направлении вдоль оси статора на расстояние L_CT/n, поддерживают при помощи регулируемого источника неизменным величину эдс в измерительной катушке, регистрируют на каждом контролируемом участке токи I_A,B,C в фазах намагничивающей обмотки, а контроль магнитного состояния каждого участка производят по величине тока I_i в соответствии с формулой (I_A+I_B+I_C)/3, где

n - число пакетов ротора;

U_ном - номинальное напряжение на фазе статорной обмотки ПЭД;

L_СТ - длина магнитопровода статора.