СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ПОВЫШЕННОГО ЭКСЦЕНТРИСИТЕТА АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к области контроля технического состояния асинхронных электродвигателей и может быть использовано для обнаружения повышенного эксцентриситета асинхронных электродвигателей с продолжительностью выбега не менее 10 секунд.

Известен «Способ определения эксцентриситета ротора асинхронного электродвигателя» (патент на изобретение RU №2589743, МПК G01R 31/34, H02K 17/16, 2016 г.), основанный на подготовке двигателя к пуску и его пуске, получении после запуска графика зависимости частоты вращения ротора двигателя от времени, выделении амплитуды изменения частоты вращения ротора на участке между временем пуска и временем установившегося режима работы, нахождении разности амплитуд, относящихся к эталонному и испытываемому двигателям, определении по найденной разности амплитуд изменения частоты вращения ротора относительного эксцентриситета ротора.

Недостатком указанного способа является низкая достоверность результатов диагностирования, так как изменение графика зависимости частоты вращения ротора двигателя от времени может быть вызвано не только появлением эксцентриситета, но и рядом других повреждений асинхронного двигателя, а также дефектом механизма, приводом которого является асинхронный электродвигатель. Кроме того, на результаты диагностирования оказывает влияние напряжение электрической сети и требуется установка специального датчика частоты вращения.

Также известен «Способ диагностики эксцентриситета ротора электрической машины переменного тока» (патент на изобретение RU №2683583, МПК Н02Н 7/06, 2019 г.), основанный на измерении емкости относительно ротора в четырех расположенных равномерно по окружности точках, сравнении значений емкостей в диаметрально противоположно расположенных точках на основе вычисления их разности и формировании сигнала о наличии эксцентриситета ротора электрической машины переменного тока по одной или двум его осям. По величине разности емкостей определяется значение эксцентриситета ротора по конкретной его оси на основе формирования сигнала тока, величина которого зависит от величины сдвига ротора по конкретной оси, причем соответствие этого сигнала тока определенному значению эксцентриситета ротора определяется с использованием тарировочной кривой, построенной для соответствующей оси при выравнивании воздушного зазора электрической машины переменного тока, последовательно замеряя величину этого сигнала тока при сдвиге ротора по вертикальной и горизонтальной осям на 10%, 30%, 50%, 70%, 90% от номинальной величины воздушного зазора.

Недостатком указанного способа являются необходимость установки внутри асинхронного электродвигателя четырех емкостных датчиков, которые могут сами послужить причиной аварии асинхронного двигателя в процессе эксплуатации.

За прототип принят «Способ защиты от эксцентриситета ротора электрической машины переменного тока» (патент на изобретение RU №2530727, МПК G01R 31/34, 2014 г.), основанный на измерении параметров внешнего магнитного поля машины, преобразовании сигнала с измеренными параметрами магнитного поля в однополярный, выделении из него гармонических составляющих с частотами где v принимает значения 0, 1,2 …; p - число пар полюсов, ƒ_с - частота основной гармонической сети, формировании сигнала о наличии эксцентриситета ротора, если величина хотя бы одной из частот превысит первую пороговую величину и формировании сигнала на отключение машины от сети, если величина хотя бы одной из частот превысит вторую пороговую величину.

Недостатком прототипа является низкая достоверность обнаружения эксцентриситета вследствие влияния на значения частот и амплитуд искомых гармонических составляющих нагрузки асинхронного электродвигателя и параметров сети.

Техническим результатом является повышение достоверности определения эксцентриситета асинхронного электродвигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе выявления повышенного эксцентриситета асинхронного электродвигателя, включающем измерение параметров внешнего магнитного поля машины, выделение из него гармонических составляющих, формирование сигнала о наличии эксцентриситета ротора, если амплитуда хотя бы одной из гармоник превысит пороговую величину, указанный выше сигнал регистрируют в режиме выбега, разделяют регистрируемый сигнал на интервалы ΔT, продолжительность которых должна быть в диапазоне, который определяют по выражению:

где t₁ - момент времени, при котором скорость вращения снижается вдвое, с;

n_c - синхронная скорость вращения асинхронного двигателя, об/мин;

ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;

р - число пар полюсов асинхронного электродвигателя, определяют момент времени, при котором затухают токи в обмотке ротора, по выражению

где X_OP - индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом;

R_OP - активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

s_ном - номинальное скольжение ротора, о.е,

ƒ_с - частота сети, Гц,

определяют в спектре амплитуды гармонических составляющих динамического эксцентриситета, начиная с момента времени Т_зат от начала выбега, частоты которых в режиме выбега определяют по выражению:

где ƒ_осн(t) - значение частоты основной гармоники сигнала в момент времени t, об/мин;

v - порядок гармоники динамического эксцентриситета;

- значение верхней и нижней боковой частоты соответственно гармоники динамического эксцентриситета v-го порядка в момент времени t, Гц,

создают компьютерную модель исследуемого двигателя при наличии динамического эксцентриситета, составляющего 10% от величины воздушного зазора, определяют на данной компьютерной модели пороговые значения амплитуд гармоник динамического эксцентриситета, при превышении амплитуды хотя бы одной из гармоник порогового значения делают заключение о наличии повышенного эксцентриситета асинхронного электродвигателя.

Сущность изобретения поясняют графические материалы.

На фиг.1 приведена компьютерная модель асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1.

На фиг.2 приведен частотно-временной спектр внешнего магнитного поля для компьютерной модели исправного асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1 в режиме выбега.

На фиг.3 приведен частотно-временной спектр внешнего магнитного поля для компьютерной модели асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1 при наличии динамического эксцентриситета, величина которого составляет 10% от величины воздушного зазора исправного электродвигателя, в режиме выбега.

На фиг.4 приведен частотно-временной спектр внешнего магнитного поля для компьютерной модели асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1 при наличии динамического эксцентриситета, величина которого составляет 30% от величины воздушного зазора исправного электродвигателя, в режиме выбега.

Сущность способа заключается в следующем.

Хорошо известно, что ротор и статор асинхронного электродвигателя выполняются из электротехнической стали. По этой причине даже при отключении асинхронного двигателя от сети, сигнал индукции внешнего магнитного поля, то есть магнитного поля за пределами корпуса электродвигателя, продолжит существовать некоторое время и после отключения машины вследствие явления остаточной намагниченности, в том числе и в режиме выбега. Следовательно, гармоники, которые проявляются при вращении асинхронного двигателя, можно обнаружить в спектре внешнего магнитного поля и в режиме выбега.

Следует отметить, что главным достоинством режима выбега является отсутствие влияния на результаты контроля параметров сети, например, несинусоидальность или несимметрия напряжения, что характерно для установившегося режима работы, а также отсутствие помех от полей, наводимых током статора работающего двигателя.

При увеличении динамического эксцентриситета асинхронного двигателя в спектре сигнала внешнего магнитного поля возрастают амплитуды гармоник, которые принято называть гармониками динамического эксцентриситета. Известно («Оценка возможности использования радиальной составляющей внешнего магнитного поля в целях диагностики асинхронных электродвигателей», авторы - Страхов А.С., Новоселов Е.М., Скоробогатов А.А., Савельев В.А. (Вестник ИГЭУ. - №3. - Иваново: ИГЭУ, 2018. С.38-46)), что частоты этих гармоник в установившемся режиме работы могут быть определены по выражению:

- нижняя боковая частота гармоники динамического эксцентриситета v-го порядка, Гц;

- верхняя боковая частота гармоники динамического эксцентриситета v-го порядка, Гц;

v = 1, 2, 3 … - порядок гармоники;

s - скольжение двигателя.

При этом в сигнале внешнего магнитного поля отчетливо проявляются лишь гармоники динамического эксцентриситета нескольких первых порядков (обычно не более 3), амплитуды гармоник более высоких порядков значительно ниже. Также следует отметить, что особенностью сигнала внешнего магнитного поля является значительное затухание амплитуд гармоник с более высокими значениями частот, поэтому более отчетливо в спектрах будут проявляться именно низкочастотные гармоники динамического эксцентриситета.

В режиме выбега, когда скольжение асинхронного двигателя отсутствует (так как двигатель отключен от сети), а скорость вращения двигателя начинает снижаться, из выражения (1) можно получить следующее выражение для определения значений частот гармоник динамического эксцентриситета:

или в более удобном виде, если выразить скорость вращения двигателя через частоту основной гармоники сигнала ƒ_осн:

Поэтому характерным признаком наличия динамического эксцентриситета будет появление в спектре внешнего магнитного поля выраженных гармонических составляющих, частоты которых в режиме выбега могут быть определены по выражению (2).

Обработка зарегистрированного сигнала внешнего магнитного поля может быть осуществлена на основе оконного преобразования Фурье, идея которого заключается в разделении сигнала на интервалы продолжительностью ΔT, на каждом из которых производят преобразование Фурье. Продолжительность интервалов определяется исходя из условия получения качественного спектра, который можно определить при значениях ΔT в диапазоне

где n_c - синхронная скорость вращения асинхронного двигателя, об/мин;

Из приведенного выражения несложно показать, что для получения качественного спектра скорость вращения асинхронного двигателя должна снижаться в 2 раза относительно скорости в установившемся режиме работы, предшествующем выбегу, не менее чем за

В качестве оконных функций используют окно Флэттоп, поскольку данная оконная функция позволяет наиболее точно определять амплитуды гармонических составляющих, а влияние эффекта растекания спектра в данном случае незначительно. При использовании для обработки оконной функции Флэттоп это время будет составлять от одной до нескольких десятков секунд в зависимости от числа пар полюсов асинхронного электродвигателя.

Для определения пороговых значений может использоваться метод модельного анализа. Идея метода заключается в том, что предварительно разрабатывается компьютерная модель исследуемого асинхронного двигателя при наличии динамического эксцентриситета в специализированном программном комплексе, позволяющем производить оценку магнитного поля вокруг асинхронного двигателя. Примером подобного программного комплекса является Ansys, где расчет полей осуществляется на основе метода конечных элементов. На данной модели определяют амплитуды гармонических составляющих, частоты которых рассчитываются по выражению (2), при наличии у двигателя динамического эксцентриситета, составляющего 10%, так как эта величина считается допустимой в соответствии с (СТО 34.01-23.1-001-2017 «Объем и нормы испытаний электрооборудования», ПАО Россети, дата введения - 29.05.2017).

Способ реализуется следующим образом.

С помощью датчика магнитного поля (в качестве которого можно использовать, 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, и оцифровывают его с помощью аналого-цифрового преобразователя. Далее полученный сигнал разделяют на интервалы ΔT, продолжительность которых определяют по выражению (3). После этого формируют частотно-временной спектр зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье (используя в качестве оконной функции окно Флэттоп).

Далее определяют длительность затухания токов в обмотке ротора. В «Способе выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя в режиме выбега» (патент на изобретение RU №2791428, МПК G01R 31/34, 2023 г.) показано, что постоянная времени затухания апериодической составляющей токов в обмотке ротора Т_а.зат может быть определена по выражению:

При этом можно считать, что величину тока в обмотке ротора можно считать равной нулю спустя 3Т_а.зат Таким образом, оценку амплитуд гармоник динамического эксцентриситета необходимо производить после затухания токов в обмотке ротора, чтобы они не оказывали влияния на результат контроля, а именно, спустя время

от начала выбега.

В полученном частотно-временном спектре определяют амплитуды гармоник динамического эксцентриситета, частоты которых рассчитываются по формуле (2), после затухания токов в обмотке роторе, то есть спустя время Т_зат от начала выбега.

Далее создают компьютерную модель асинхронного двигателя этого типа при наличии динамического эксцентриситета, составляющего 10% от величины воздушного зазора. После этого определяют амплитуду гармоник динамического эксцентриситета на полученной модели. Обработку сигнала внешнего магнитного поля на компьютерной модели осуществляют аналогично обработке сигнала на реальном двигателе. Эти значения будут являться пороговыми значениями. При превышении амплитуд гармоник динамического эксцентриситета их пороговых значений формируют сигнал о наличии повышенного эксцентриситета асинхронного электродвигателя.

Способ выявления повышенного эксцентриситета асинхронного электродвигателя 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. Данная модель представлена на фиг.1.

Пример. Испытание работы заявленного способа на математической модели асинхронного электродвигателя ДАЗО2-17-44-8/10У1. В проведенном опыте двигатель работает с рабочей машиной, в качестве которой использован дутьевой вентилятор типа ВДН-26-IIy. По выражению (4) оценивается время, за которое скорость вращения асинхронного двигателя должна снижаться в 2 раза относительно скорости в установившемся режиме работы, предшествующем выбегу. В рассматриваемом примере это время будет составлять 12 секунд. Для указанного агрегата скорость вращения не снизилась в 2 раза даже за 25 секунд, что подтверждает возможность проведения контроля динамического эксцентриситета на данном асинхронном двигателе.

Были созданы три компьютерные модели указанного асинхронного двигателя: в исправном состоянии, при наличии динамического эксцентриситета, величина которого составила 10% от величины воздушного зазора исправного электродвигателя, и при повышенном динамическом эксцентриситете, величина которого составила 30% от величины воздушного зазора исправного электродвигателя. На корпусе машины был размещен датчик для регистрации радиальной составляющей внешнего магнитного поля. Полученные частотно-временные спектры внешнего магнитного поля представлены на фиг.2, 3 и 4 соответственно. Также амплитуды характерных гармоник сведены в таблицу 2.

Из представленных результатов видно, что при наличии динамического эксцентриситета в спектре отчетливо проявляются гармоники динамического эксцентриситета первых порядков, частоты которых могут быть определены по выражению (2) (обозначены на рисунках ГДЭ v+ и ГДЭ v-). В спектре исправного двигателя (фиг.2) указанные гармонические составляющие имеют значительно меньшие амплитуды, что подтверждает отсутствие повреждения, некоторые гармоники практически неразличимы в спектре. При этом повышение эксцентриситета приводит к существенному возрастанию характерных гармоник, а именно, при повышении эксцентриситета с 10% до 30% амплитуды гармоник увеличились в 3 раза и более, за исключением гармоники ГДЭ 3-, как можно увидеть в табл.№2, в которой приведены амплитуды гармоник динамического эксцентриситета, которые имеют в спектре наибольшие амплитуды. Таким образом, при использовании в качестве порогового значения амплитуд гармоник на модели с динамическим эксцентриситетом, составляющим 10% от величины воздушного зазора, можно своевременно и достоверно определить наличие повышенного эксцентриситета двигателя до возникновения его отказа.

Изобретение относится к области контроля технического состояния асинхронных электродвигателей и может быть использовано для обнаружения повышенного эксцентриситета асинхронных электродвигателей с продолжительностью выбега не менее 10 с. Сущность: измеряют параметры внешнего магнитного поля машины в режиме выбега. Выделяют гармонические составляющие. Разделяют регистрируемый сигнал на интервалы ΔT, продолжительность которых должна быть в диапазоне, который определяют по выражению: где t₁ - момент времени, при котором скорость вращения снижается вдвое, с; n_c - синхронная скорость вращения асинхронного двигателя, об/мин; ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна; р - число пар полюсов асинхронного электродвигателя, и формируют частотно-временной спектр зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье. Определяют момент времени, при котором затухают токи в обмотке ротора, по выражению: где X_OP - индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом; R_OP - активное сопротивление обмотки ротора, Ом; s_ном - номинальное скольжение ротора, о.е, ƒ_с - частота сети, Гц. Определяют в спектре амплитуды гармонических составляющих динамического эксцентриситета, начиная с момента времени Т_зат от начала выбега, частоты которых в режиме выбега определяют по выражению: где ƒ_осн(ƒ) - значение частоты основной гармоники сигнала в момент времени t, об/мин; v - порядок гармоники динамического эксцентриситета; - значение верхней и нижней боковой частоты соответственно гармоники динамического эксцентриситета v-го порядка в момент времени t, Гц. Создают компьютерную модель исследуемого двигателя при наличии динамического эксцентриситета, составляющего 10% от величины воздушного зазора. Определяют на компьютерной модели пороговые значения амплитуд гармоник динамического эксцентриситета. При превышении амплитуды хотя бы одной из гармоник порогового значения делают заключение о наличии повышенного эксцентриситета асинхронного электродвигателя. Технический результат: повышение достоверности определения эксцентриситета асинхронного электродвигателя. 4 ил., 2 табл.

Способ выявления повышенного эксцентриситета асинхронного электродвигателя, включающий измерение параметров внешнего магнитного поля машины, выделение из него гармонических составляющих, формирование сигнала о наличии эксцентриситета ротора, если амплитуда хотя бы одной из гармоник превысит пороговую величину, отличающийся тем, что сигнал регистрируют в режиме выбега, разделяют регистрируемый сигнал на интервалы ΔT, продолжительность которых должна быть в диапазоне, который определяют по выражению:

где t₁ - момент времени, при котором скорость вращения снижается вдвое, с;

n_c - синхронная скорость вращения асинхронного двигателя, об/мин;

ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;

р - число пар полюсов асинхронного электродвигателя, формируют частотно-временной спектр зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье, определяют момент времени, при котором затухают токи в обмотке ротора, по выражению

где X_OP - индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом;

R_OP - активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

s_ном - номинальное скольжение ротора, о.е,

ƒ_с - частота сети, Гц,

определяют в спектре амплитуды гармонических составляющих динамического эксцентриситета, начиная с момента времени Т_зат от начала выбега, частоты которых в режиме выбега определяют по выражению:

где ƒ_осн(t) - значение частоты основной гармоники сигнала в момент времени t, об/мин;

v - порядок гармоники динамического эксцентриситета;

- значение верхней и нижней боковой частоты соответственно гармоники динамического эксцентриситета v-го порядка в момент времени t, Гц,

создают компьютерную модель исследуемого двигателя при наличии динамического эксцентриситета, составляющего 10% от величины воздушного зазора, определяют на данной компьютерной модели пороговые значения амплитуд гармоник динамического эксцентриситета, при превышении амплитуды хотя бы одной из гармоник порогового значения делают заключение о наличии повышенного эксцентриситета асинхронного электродвигателя.