Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя Российский патент 2018 года по МПК G01R31/34 H02H7/08 

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для диагностики повреждений короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя в режиме выбега.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя, основанный на контроле электродвижущей силы на выводах обмотки статора в режиме выбега и формировании сигнала о результатах диагностики [Загирняк М.В., Ромашихина Ж.И., Калипов А.П. Диагностика повреждений стержней ротора в асинхронном двигателе на основании анализа его магнитного поля / Вicник НТУ "ХIII". - 2012. - №49(955). - С. 38-47].

Однако этот способ обладает недостаточной чувствительностью в связи с тем, что повреждение короткозамкнутой обмотки ротора фиксируется по отклонению формы электродвижущей силы на выводах обмотки статора от синусоидальной. Это вызвано тем, что электродвижущая сила в обмотке статора в режиме выбега индуктируется постоянными и затухающими по экспоненте токами в обмотке ротора, поэтому эта затухающая электродвижущая сила даже в неповрежденном асинхронном двигателе изначально является несинусоидальной.

Технический результат - повышение чувствительности.

Технический результат достигается тем, что из контролируемой электродвижущей силы выделяется среднеквадратичная величина дополнительных гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) и сравнивается с ее эталонной величиной, и если среднеквадратичная величина этих дополнительных гармонических превысит эталонную величину, то формируют сигнал о повреждения обмотки короткозамкнутого ротора, где f_c=f₁(1-s); f₁ - частота сети; s - скольжение ротора; n=1÷(р-1), ν - номер гармоники сети, р - число пар полюсов асинхронного двигателя.

Способ основан на том, что форма индуктированной в обмотках статора токами ротора электродвижущей силы в значительной мере зависит от наличия в этих токах гармоник, которые, в свою очередь, вызваны напряжениями этих гармоник в сети в момент отключения асинхронного двигателя. В то же время форма индуктированной в обмотках статора токами ротора электродвижущей силы зависит от перераспределения этих токов в обмотке ротора при ее повреждении. В результате чего в ней появляются гармонические с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р), которые незначительно, по меньшей мере, изменяют форму индуктированной в обмотках статора. В связи с этим оценка наличия повреждения короткозамкнутой обмотки ротора по форме индуктированной в обмотках статора электродвижущей силы обладает значительно меньшей чувствительностью в сравнении с оценкой этого повреждения только по гармоническим с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного технического решения числом и последовательностью операций.

Сравнение заявляемого технического решения с известным техническим решением показывает, что такие операции известны. Однако использование их в указанной связи проявляет в заявляемом способе новые свойства.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. В этом устройстве понижающий трансформатор 1 предназначен для согласования напряжения на выводах асинхронного двигателя 2 в режиме выбега с допустимым напряжением на входе устройства диагностики. Блок 3 коммутации представляет собой электромагнитное реле, обмотка которого через блок-контакты выключателя 4 подключена к оперативному напряжению, а через его контакты напряжение с вторичной обмотки трансформатора 1 подается на вход блока 5 обработки информации, что позволяет обеспечить подачу этого напряжения на вход блока 5 только в режиме выбега. В блоке 5 из этого напряжения выделяется среднеквадратичная величина дополнительных гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р), где f_c=f₁(1-s); f₁ - частота сети; s - скольжение ротора; n=1÷(р-1), ν - номер гармоники сети, р - число пар полюсов асинхронного двигателя. Этот блок может выполняться, например, на базе микропроцессора, позволяющего определить среднеквадратичную величину дополнительных гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) при непрерывно меняющемся скольжении ротора, следовательно, и частоты электродвижущей силы обмотки статора в режиме выбега. Затем в пороговом элементе 6 она сравнивается со своей эталонной величиной. При этом блок 6 можно выполнять в виде электромагнитного реле с регулируемым порогом срабатывания. Результаты диагностики отражает блок индикации 7. Его можно выполнить в виде набора светодиодов.

На фиг. 2 сплошной и прерывистой линиями показан спектр гармонических электродвижущих сил с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) в начале режима выбега при ν=1…3 и р=3, полученный экспериментально для асинхронного двигателя с целой короткозамкнутой обмоткой ротора и при обрыве одного стержня. Из фиг. 2 видно, что обрыв одного стержня в зависимости от конструктивных особенностей асинхронного двигателя может вызвать не только увеличение, но и уменьшение отдельных гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р). При этом наличие гармонических электродвижущих сил с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) в неповрежденном асинхронном двигателе, как правило, определено неравенством сопротивлений стержней обмотки ротора, которое получено при изготовлении или ремонте этого асинхронного двигателя.

На фиг. 3 линиями 1 и 2 показана зависимость величины пары наиболее значительных боковых гармонических с частотами 2f_c/р и 4f_c/р, а линией 3 - среднеквадратичная величина дополнительных гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) в зависимости от числа n_oc оборванных стержней короткозамкнутого ротора. Из фиг 3 видно, что спектральный состав контролируемой электродвижущей силы может меняться также и от числа оборванных стержней. В то же время увеличение числа оборванных стержней всегда сопровождается увеличением среднеквадратичной величины дополнительных гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р), которая и определяет величину дополнительных потерь в асинхронном двигателе.

Если обмотка короткозамкнутого ротора цела, то в режиме выбега асинхронного двигателя среднеквадратичная величина боковых гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) невелика и не превышает порога срабатывания блока 7. В результате сигнал на выходе блока 6, а блок 7 индикации высвечивает сигнал «ПОВРЕЖДЕНИЕ ОТСУТСТВУЕТ».

При обрыве одного или нескольких стержней в короткозамкнутой обмотке ротора в режиме выбега асинхронного двигателя величины гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) значительно возрастают, как это показано на фиг. 3. В результате их среднегеометрическая величина на выходе блока 6 обработки информации будет превышать порог срабатывания блока 7. На его выходе появится сигнал, а блок 8 индикации высветит сигнал «ОБРЫВ СТЕРЖНЕЙ».

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в возможности надежного определения повреждения обмотки короткозамкнутого ротора независимо от влияния колебаний напряжения питающей сети бросков нагрузки, что позволит сократить расход потребляемой асинхронным двигателем электроэнергии на 0,5-3,0% путем своевременной замены или ремонта поврежденного короткозамкнутого ротора.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение чувствительности защиты. Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя основан 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_ν,n=f_c(ν±n/р) 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_c=f₁(1-s); f₁ - частота сети; s - скольжение ротора; n=1÷(р-1), ν - номер гармоники сети, р - число пар полюсов асинхронного двигателя. 3 ил.

Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя, основанный на контроле электродвижущей силы на выводах обмотки статора в режиме выбега и формировании сигнала о результатах диагностики, отличающийся тем, что из контролируемой электродвижущей силы выделяется среднеквадратичная величина дополнительных гармонических с частотами f_ν,n=f_c(ν±n/р) 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_c=f₁(1-s); f₁ - частота сети; s - скольжение ротора; n=1÷(р-1), ν - номер гармоники сети, р - число пар полюсов асинхронного двигателя.