Одним из важнейших факторов повышения надежности и экономической эффективности использования электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) является внедрение средств их диагностики. Назначение диагностики – выявление и предупреждение отказов и неисправностей, поддержание эксплуатационных показателей в установленных пределах, прогнозирование состояния в целях полного использования ресурса [6, с.128]. Наиболее распространенные методы диагностики ЭМПЭ основаны на внешнем осмотре, регистрации вибрационных, тепловых и электрических параметров. Однако их применение не всегда эксплуатационно оправдано. Вибродиагностика позволяет определять дефекты подшипникового узла, эксцентриситета и в меньшей степени – дефекты обмотки статора [5, с.3]. Главными недостатками вибродиагностики являются: необходимость использования специальных виброакустических датчиков, сложность их установки и сложность интерпретации результатов. Диагностика на основе анализа электрических параметров не нашла широкого применения ввиду необходимости учета влияния на электрические параметры привода параметров питающей сети, характера нагрузки, влияния внешних электромагнитных полей, переходных процессов в приводе. Методы тепловизионного контроля позволяют достаточно точно определять состояние подшипниковых узлов электрических машин. Однако для контроля внутренних повреждений изоляции машины они непригодны. Описанных выше недостатков лишен метод диагностики на основе анализа параметров внешнего магнитного поля (ВМП). При этом используются бесконтактные датчики, которые экономически наиболее предпочтительны, так как не требуют временного вывода электрооборудования из эксплуатации.
Суть метода диагностики по ВМП заключается в размещении рядом с ЭМПЭ электромагнитного датчика, позволяющего фиксировать внешнее магнитное поле, образующееся вокруг него в процессе его работы и представляющее собой отголоски мультипликативного поля в магнитном зазоре. Установлено, что внешнее магнитное поле электрических машин в значительной мере определяется различного рода несимметричностью обмоток статора и магнитной системы. Несимметричности, обусловленные возникшими дефектами, изменяют характер внешнего магнитного поля, вызывая спектр пространственных гармоник индукции. Это дает возможность использовать анализ индукции внешнего магнитного поля для задач диагностирования и оценки дальнейшего развития неисправностей. Сигнал с датчика поступает на персональный компьютер, где он оцифровывается и записывается. Далее производится спектральный анализ полученного сигнала, и по определенным характеристикам полученной картины определяется вид неисправности. Достоверность результатов диагностики данного метода составляет 92 % [5, с.16].
При исследовании задач диагностики по ВМП был рассмотрен ряд научных публикаций, в которых проанализированы зависимости между наличием в двигателе дефектов и проявлением определенных гармоник в спектре внешнего магнитного поля двигателя. В данных работах выявлено, что наибольшей информативностью обладают составляющие поля, направленные по внешней окружности статора электрической машины, поэтому плоскость датчика ориентировалась перпендикулярно этим линиям поля (рис. 1). Спектр гармоник напряженности полей использовался как диагностический критерий для обнаружения неисправностей.
В работе [1] проведен ряд экспериментов с учетом приведенной математической модели. Для проведения измерений на установке выбирались контрольные точки, (не менее 8) (рис. 3). Точки располагались в плоскости одного листа электротехнической стали, из которой собран статор. В выбранных точках производились замеры напряженности ВМП. В ходе измерений было выявлено, что в исправном ЭМПЭ круговая диаграмма амплитуд напряженности ВМП однородна, симметрична и близка к окружности (рис. 4а). При этом спектральный анализ индукции в одной из точек поверхности машины показал, ярко выраженную первую (50 Гц) гармонику, а амплитуды остальных были небольшими и на общем фоне не выделялись (рис. 5). При появлении дефектов симметричность круговой диаграммы напряженности ВМП нарушается, что сказывается на картине поля (рис. 4б). В точке поверхности машины с наибольшей амплитудой индукции проведенный спектральный анализ гармоник показал резкое отличие от спектра исправного двигателя (рис.6 а,б).
В данной работе [1] основными моделируемыми дефектами служили дефекты обмотки статора: межвитковое и межфазное замыкания, при этом получаемый гармонический состав был отличен от идеального: амплитуда 1 гармоники (50 Гц) уменьшилась почти на 40% относительно первоначального состояния, при этом 3 гармоника (150 Гц) увеличила свою амплитуду и стала соизмерима с основной гармоникой, также несколько увеличили свою амплитуду 9,11 и 13 гармоники.
Имеющиеся критерии сравнения гармоник позволяют оценивать дефекты на ранней стадии их развития. Это позволит до минимума снизить ущерб от повреждений асинхронных двигателей за счет раннего обнаружения возникающих дефектов.
В работе [1] также выявлено, что от мощности машины зависит только амплитуда индукции ВМП, а характер гармонических составляющих остается тот же.
Интересна научная публикация [2], в которой разработан прибор для измерения индукции ВМП, а также специально создана в среде Matlab программа. Как и в предыдущей методике [1] сначала строились круговые диаграммы амплитуд напряженности ВМП исправного ЭМПЭ, затем дефектного. Исследование напряженности ВМП машины с дефектом «межвитковое замыкание обмотки статора» выявило схожие результаты круговой диаграммы, которая имеет характерный вид для данной неисправности [5]. Проведенный спектральный анализ сигналов в точках поверхности машины с наибольшим значением амплитуды показал, что амплитуда 3 гармоники (150 Гц) у дефектного двигателя увеличивается в 10 раз, а 5 гармоника более чем в 4 раза. Признаки искажения формы ВМП практически те же что и приведенные в работе [1]. При анализе гармонического состава сигнала в различных точках измерения выявлено, что его характер не зависит от места расположения межвиткового замыкания и почти одинаков при разной амплитуде сигнала.
В работе [3] наиболее полно рассмотрена диагностика с учетом технологических и эксплуатационных дефектов. Разработаны математические модели в которых учтены влияния геометрических соотношений активных элементов конструкции, реальные особенности конструкции, в том числе влияние пазов, насыщение стали сердечника и влияние корпуса ЭМПЭ. Разработан диагностический комплекс, на котором проведены экспериментальные исследования спектра ВМП с моделированием статического эксцентриситета оси ротора относительно оси статора. Выявлено, что при данном дефекте амплитуда основной гармоники (50 Гц), в зависимости от числа пар полюсов возрастает на 15-20%.
В публикации [4] представлены результаты исследования влияния асинхронного двигателя (АД), на форму диагностического сигнала, определяющего состояние каждого стержня короткозамкнутой обмотки ротора. В исследовании было выявлено, что при обрыве стержня короткозамкнутой обмотки ротора происходят следующие явления: 1) резкое увеличение амплитуд временных гармоник ВМП АД; 2) резкое увеличение амплитуд временных гармоник в токе статора. Данные явления могут быть использованы в качестве диагностического признака наличия в обмотке ротора оборванных стержней.
Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить, что:
Внедрение в эксплуатацию средств и методов технической диагностики позволяет: повысить ремонтопригодность и долговечность оборудования, предупреждать аварии, прогнозировать остаточный ресурс энергетических установок, вследствие чего представляется целесообразным дальнейшая разработка неразрушающих методов диагностики ЭМПЭ по анализу их ВМП. Большое число научных работ по диагностике ЭМПЭ на основе анализа ВМП доказывают зависимости между наличием в двигателе неисправностей и появлением определенных гармоник в спектре. При наличии дефектов, амплитуды пространственных гармоник становятся соизмеримыми с основной гармоникой поля, что позволяет получить информацию не только о виде дефекта, но и о степени его развития. Сопоставление в приведенных публикациях такого параметра как амплитуда гармоники в исправном и дефектном ЭМПЭ, позволяет получить информацию не только о виде дефекта, но и о степени его развития, так как с развитием дефектов растет их амплитуда. Однако при наличии ферромагнитного корпуса в исследуемом объекте метод диагностики ЭМПЭ по ВМП имеет ограничения.
Список литературы:
- Алексеенко А.Ю., Бродский О.В., Веденев В.Н., Тонких В.Г., С.О. Хомутов С.О. Диагностика и прогнозирование состояния асинхронных двигателей на основе использования параметров их внешнего электромагнитного поля // ВЕСТНИК АлтГТУ им. И.И. Ползунова, — 2006. — №2 – с. 9-13,
- Лукьянов А.В., Мухачев Ю.С., Бельский И.О. Исследование комплекса параметров вибрации и внешнего магнитного поля в задачах диагностики асинхронных электродвигателей // Системы. Методы. Технологи – 2014 — № 2 (22) — с. 61-69,
- Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Бойкова О.А., Пашали Д.Ю. Диагностика конденсаторных однофазных асинхронных двигателей с учетом технологических и эксплуатационных факторов // Вестник ЮУрГУ, — 2011. — № 34. – с. 28-34,
- Скоробогатов А.А. Анализ спектра магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя при повреждении обмотки ротора // Вестник ИГЭУ -2006 г — №2. – с. 1-3,
- Тонких В.Г. Метод диагностики асинхронных электродвигателей в сельском хозяйстве на основе анализа параметров их внешнего магнитного поля: автореф. дис. канд. техн. наук. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. 20 с.
- Сидельников Л.Г., Афанасьев Д.О. Обзор методов контроля технического состояния асинхронных двигателей в процессе эксплуатации// Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. — 2013. — № 7. – с. 127-137.[schema type=»book» name=»ОБЗОР МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПО ИХ ВНЕШНЕМУ МАГНИТНОМУ ПОЛЮ» author=»Саяхов Ильдус Финатович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-19″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]