Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту
У статті досліджуються характеристики методу діагностики асинхронних двигунів (АД), що базується на аналізі величини електромагнітного моменту, який необхідний для початку руху ротора. Величина пускового моменту змінюється внаслідок появи ушкоджень двигуна. Запропонований метод при забезпеченні дост...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Технічна електродинаміка |
|---|---|
| Datum: | 2017 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України
2017
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158921 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту / Ю.М. Васьковський, О.І. Титко, І.С. Макейкін, В.А. Кравчук // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 3. — С. 58-64. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859494197923414016 |
|---|---|
| author | Васьковський, Ю.М. Титко, О.І. Макейкін, І.С. Кравчук, В.А. |
| author_facet | Васьковський, Ю.М. Титко, О.І. Макейкін, І.С. Кравчук, В.А. |
| citation_txt | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту / Ю.М. Васьковський, О.І. Титко, І.С. Макейкін, В.А. Кравчук // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 3. — С. 58-64. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технічна електродинаміка |
| description | У статті досліджуються характеристики методу діагностики асинхронних двигунів (АД), що базується на аналізі величини електромагнітного моменту, який необхідний для початку руху ротора. Величина пускового моменту змінюється внаслідок появи ушкоджень двигуна. Запропонований метод при забезпеченні достатньої достовірності дозволяє діагностувати будь-який АД простими штатними вимірювальними засобами і не потребує спеціальної підготовки персоналу. Для цього потрібно проводити порівняльний аналіз величин напруги живлення, при якій починається рух ротора, відповідно для ушкодженого і неушкодженого АД. Розглянуто два основних випадки ушкодження – короткі замикання обмотки статора і обриви стержнів короткозамкненої обмотки ротора. Показано, що в цих випадках зміна пускового моменту (напруги пуску) відбувається по-різному: при коротких замиканнях статора пусковий момент зменшується (потрібна для запуску напруга збільшується), а при розриві стержнів ротора – навпаки. Шляхом математичного моделювання на прикладах АД потужністю 1,7 … 200 кВт показана висока чутливість запропонованого методу діагностики, що сприяє його широкому впровадженню.
В статье исследуется метод диагностики асинхронных двигателей (АД), основанный на анализе изменения величины электромагнитного момента, необходимого для начала движения ротора. Величина пускового момента изменяется вследствие появления повреждений двигателя. Предложенный метод позволяет диагностировать любой двигатель простыми штатными измерительными средствами и не требует специальной подготовки персонала. Для этого, соответственно для поврежденного и неповрежденного АД нужно проводить сравнительный анализ величины напряжения питания, при которой начинается движение ротора. Рассмотрены два основных случая повреждения – короткие замыкания обмотки статора и обрывы стержней короткозамкнутой обмотки ротора. Показано, что в этих случаях изменение пускового момента (напряжения пуска) происходит по-разному: при коротких замыканиях статора пусковой момент уменьшается (необходимое для запуска напряжение увеличивается), а при разрыве стержней ротора – наоборот. Путем математического моделирования АД мощностью 1,7 ... 200 кВт показана высокая чувствительность предложенного метода диагностики, что обеспечивает его широкое внедрение.
The article examines the characteristics of induction motors (IM) diagnostic method based on an analysis of change of the electromagnetic torque, which is required to start the movement of the rotor. The value of starting torque varies due to the appearance of damage of the motors. The proposed method while ensuring sufficient reliability to diagnose any engine required simple measuring devices and does not require special training. You need to conduct a comparative analysis of the values of the supply voltage at which the movement begins rotor, respectively, for damaged and undamaged IM. Two major cases of defects – short-circuit the stator winding and destruction of cage bars of the rotor. It is shown that in these cases the change starting torque (voltage) occurs in different ways: in short circuit stator starting torque is reduced (increases of the voltage), and at break rotor bars – on the contrary. Mathematical models of IM (capacity 1.7 ... 200 kW) proved high diagnostic sensitivity of method, ensuring its widespread adoption.
|
| first_indexed | 2025-11-24T20:45:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
58 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 3
УДК 621.313.32.2-81
ДІАГНОСТИКА АСИНХРОННИХ ДВИГУНІВ НА ОСНОВІ АНАЛІЗУ
ВЕЛИЧИНИ ПУСКОВОГО ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО МОМЕНТУ
Ю.М.Васьковський2, докт.техн.наук, О.І.Титко1, чл.-кор. НАН України, І.С.Макейкін2,
В.А.Кравчук2
1 - Інститут електродинаміки НАН України,
пр. Перемоги, 56, Київ, 03057, Україна, e-mail: ied10@ukr.net
2 - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»,
пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна. e-mail: vun157@gmail.com
У статті досліджуються характеристики методу діагностики асинхронних двигунів (АД), що базується на
аналізі величини електромагнітного моменту, який необхідний для початку руху ротора. Величина пускового
моменту змінюється внаслідок появи ушкоджень двигуна. Запропонований метод при забезпеченні достатньої
достовірності дозволяє діагностувати будь-який АД простими штатними вимірювальними засобами і не по-
требує спеціальної підготовки персоналу. Для цього потрібно проводити порівняльний аналіз величин напруги
живлення, при якій починається рух ротора, відповідно для ушкодженого і неушкодженого АД. Розглянуто два
основних випадки ушкодження – короткі замикання обмотки статора і обриви стержнів короткозамкненої
обмотки ротора. Показано, що в цих випадках зміна пускового моменту (напруги пуску) відбувається по-різ-
ному: при коротких замиканнях статора пусковий момент зменшується (потрібна для запуску напруга збіль-
шується), а при розриві стержнів ротора – навпаки. Шляхом математичного моделювання на прикладах АД
потужністю 1,7 … 200 кВт показана висока чутливість запропонованого методу діагностики, що сприяє його
широкому впровадженню. Бібл. 8, рис. 6.
Ключові слова: діагностика асинхронних двигунів, пусковий електромагнітний момент, математична модель,
ушкодження обмоток статора і ротора.
Вступ. Останнім часом проблема достовірного діагностування наявних або набутих під час
тривалої експлуатації дефектів асинхронних двигунів (АД) отримала значну увагу серед фахівців-
електромеханіків. Пов’язано це як з розширенням парку існуючих АД та необхідністю підтримання
достатньо високого рівня їхнього технічного стану, так і з відпрацюванням значною кількістю двигу-
нів гарантійних термінів експлуатації, що супроводжується зменшенням їхньої експлуатаційної на-
дійності. Своєчасна і достовірна діагностика дефектів АД дозволяє суттєво знизити економічні втра-
ти від аварійної зупинки двигунів за рахунок обґрунтованого виводу їх у ремонт за результатами ана-
лізу фактичного технічного стану.
Науково обґрунтовано і запропоновано для практичного використання значну кількість різних
методів діагностики АД, які ґрунтуються на виявленні та аналізі діагностичних ознак різної фізичної
природи. Серед методів функціональної діагностики, які реалізуються безпосередньо в процесі робо-
ти двигуна, можна виділити: метод вібраційної діагностики, який базується на аналізі змін вібрацій
двигунів [1,5,8]; метод спектрального аналізу споживаного струму і потужності [3,4,6,7]; методи теп-
ловізорного контролю тощо. В методах функціональної діагностики збуджуючими факторами висту-
пають основні фізичні процеси, що протікають у двигунах. Серед методів тестової повузлової діагно-
стики, які реалізуються в зупинених АД, можна виділити метод індукційного контролю та діагности-
ки [2,5] та ін.
Більшість із зазначених методів, особливо методи функціональної діагностики, потребують
для своєї практичної реалізації складного і затратного апаратного та програмного забезпечення, а та-
кож високої кваліфікації обслуговуючого персоналу. Тому сфера їхнього впровадження обмежується
окремими зразками АД – зазвичай це потужні двигуни, що виконують важливі технологічні функції.
Для АД загальнопромислового виконання малої та середньої потужності використання складних діаг-
ностичних систем недоцільно. Тому актуальним залишається наукове обґрунтування та розробка ме-
тоду діагностики, який за умови забезпечення достатньої достовірності дозволяє діагностувати будь-
який АД простими штатними вимірювальними засобами і не потребує спеціальної підготовки персо-
налу. Такий метод можна охарактеризувати як ”інженерний”, він повинен забезпечувати прийняття
обґрунтованих рішень щодо подальшої експлуатації або виводу в ремонт двигуна і тому може знайти
© Васьковський Ю.М., Титко О.І., Макейкін І.С., Кравчук В.А., 2017
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 3 59
широке впровадження в умовах промислових підприємств, у різноманітних ремонтних майстернях
тощо.
Метою статті є визначення характеристик методу діагностики, який ґрунтується на порівняль-
ному аналізі величин пускових моментів ушкодженого і неушкодженого АД. Відхилення пускового
моменту двигуна, що діагностується, від пускового моменту справного двигуна засвідчує наявність
відповідних ушкоджень. Для реалізації методу достатньо вимірювального вольтметра.
Теоретичні основи методу діагностики. Уперше в загальному вигляді ідея методу діагнос-
тики АД на основі аналізу його пускового моменту була запропонована в роботі [5]. Суть її полягає у
наступному. Будь-яке ушкодження обмотки статора (короткі замикання витків, обрив фази тощо) або
обмотки ротора (обрив стержнів клітки ротора, обрив фази та ін.) призводить до порушення симетрії
конструкції АД і, як наслідок, спотворення
механічної характеристики двигуна – за-
лежності електромагнітного моменту від
ковзання МЕМ(s). На рис. 1 схематично
показано механічні характеристики не-
ушкодженого АД (позначено літерою М),
АД з ушкодженою обмоткою статора (по-
значено літерою М1) і АД з ушкодженою
обмоткою ротора (позначено літерою М2).
Як видно, у зоні пуску АД (при
s=1) маємо М1 < M і М2 > M. Ці ефекти
пояснюються появою внаслідок порушення симетрії конструкції АД додаткових обертових магнітних
полів зворотного порядку чергування фаз. При ушкодженні обмотки статора зворотне магнітне поле
рухається назустріч напрямку обертання ротора, що призводить до гальмування ротора, тобто до
зменшення результуючого електромагнітного моменту двигуна. При ушкодженні ротора в діапазоні
ковзань 0,5 < s <1,0 виникає зворотне магнітне поле ротора, яке створює додатковий рушійний мо-
мент, тобто призводить до збільшення в зоні пуску результуючого електромагнітного моменту дви-
гуна. Відповідно змінюється і величина пускового моменту АД. Таким чином, ушкодження різного
типу АД (обмотки статора або ротора) призводить до різного характеру зміни пускового моменту
двигуна. Цей факт запропоновано використовувати для діагностики АД. Процедура діагностування є
наступною. Нехай двигун є нерухомим і не має навантаження на валу. Поступово будемо підвищува-
ти симетричну трифазну напругу живлення обмотки статора до моменту часу, коли ротор АД почи-
нає рухатися. За допомогою вольтметра в одній з фаз фіксується напруга живлення, при якій почина-
ється рух. Оскільки величина електромагнітного моменту АД пропорційна квадрату напруги живлен-
ня, то за рівних інших умов (наприклад, однаковий стан підшипників) для початку руху АД з ушкод-
женою обмоткою статора потрібно прикласти більшу напругу живлення у порівнянні з неушкодже-
ним двигуном. Якщо ж ушкодженою є обмотка ротора, то рух ротора такого двигуна починається при
меншій напрузі живлення. Для такої діагностики потрібно мати базу експериментальних даних щодо
величини напруги живлення для початку пуску справного АД даного типу з положення холостого ходу
(без навантаження). Така інформація може бути легко отримана безпосередніми випробовуваннями
двигуна перед початком його експлуатації або після його виготовлення на заводі та внесення відповід-
ної величини напруги пуску в паспортні дані двигуна. Запропонований метод не дозволяє детально
визначити місце ушкодження, але є достатнім для прийняття рішення щодо виводу двигуна в ремонт з
подальшим пошуком та деталізацією наявних ушкоджень іншими діагностичиним методами.
Для оцінки можливості практичного впровадження зазначеного методу діагностики потрібно
дослідити його чутливість у залежності від наявних обсягів ушкоджень, потужності двигуна і інших
чинників. Таке дослідження проводиться в роботі методами математичного моделювання.
Математична модель. Математична модель передбачає розв’язання рівняння електромагніт-
ного поля в активній зоні АД і визначення електромагнітного моменту, який діє на його ротор. Роз-
глядається поле у двовимірному наближенні в поперечному перетині для сталих процесів, припуска-
ючи, що всі польові функції змінюються у часі за гармонійним законом. Враховуючи, що ротор роз-
глядається нерухомим, рівняння електромагнітного поля відносно комплексної амплітуди єдиної
просторової (осьової) складової векторного магнітного потенціалу
•
zA має наступний вигляд:
сторz zA j A Jωμγ μ
• • •
Δ − = − , (1)
0 0,5 1,0
МЕМ
s
М
М
М
1
2
Рис. 1
60 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 3
де стор
•
J – густина сторонніх струмів (це густина струмів у пазах статора, яка задається відповідно до
схеми обмотки статора); ω – кутова частота зміни у часі векторного магнітного потенціалу; µ – маг-
нітна проникність; γ – електропровідність.
Джерелами поля є густина сторонніх струмів трьох фаз обмотки статора
( ) ( )[ ]
( ) ( )[ ] ,34sin34cos
,32sin32cos ,
ППстор
ППсторППстор
S//j/uIJ
S//j/uIJS/uIJ
mC
mBmA
π−−π−=
π−−π−==
•
••
(2)
де Im – амплітуда струму в фазі обмотки статора; uП – число послідовно з’єднаних провідників у пазу
статора; SП – площа перетину паза статора. Електропровідність у пазах статора дорівнює нулю, що
обумовлює можливість протікання в пазах статора тільки сторонніх струмів від зовнішнього джерела
живлення АД. У пазах ротора задається електропровідність матеріалу, з якого виконана короткозам-
кнена обмотка ротора. Рівняння (1) доповнюється однорідними граничними умовами першого роду
на лінії зовнішньої поверхні ярма статора G, що обмежує розрахункову область
0=
•
G
zA . (3)
Величина µ у кожній точці розрахункової області, де знаходяться феромагнітні матеріали, ви-
значається за відповідними кривими намагнічування. Складові вектора магнітної індукції в декарто-
вій системі координат визначаються за співвідношеннями
/ , / .x z y zB A y B A x
• • • •
= ∂ ∂ = −∂ ∂ (4)
Електромагнітний момент, що діє на ротор, визначається за формулою
2
0 0
R
П
ЕМ n
R lM B B dl
δπ
δ
τμ
⋅
= ⋅ ⋅ ⋅∫ , (5)
де
•
τ
•
BBn , – відповідно нормальна (направлена уздовж вектора нормалі до поверхні в заданій точці) і
тангенціальна (направлена уздовж дотичної до поверхні в заданій точці) проекції вектора магнітної
індукції, δR – радіус ротора, lП – довжина ротора. Інтегрування ведеться уздовж повної довжини кола
поверхні ротора.
Нормальна і тангенціальна складові вектора магнітної індукції визначаються через проекції
вектора індукції в декартовій системі координат за виразами
cos sin , cos sin ,n y x y x x y x yB B B y B x B R B B B y B x B Rδ τ δα α α α
•• • • • • • • • •⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + = + = − = −⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝ ⎠
(6)
де x, y – проекції радіус-вектора на осі системи координат.
Моделювання ушкоджень. КЗ витків обмотки статора моделюють-
ся наступним чином. На рис. 2 показано поперечний переріз чотириполюс-
ного АД, на якому темним кольором позначено частину площі перерізу
котушки статора, що містить КЗ витки. Ця частина котушки утворює корот-
козамкнений контур, в якому протікають індуковані струми. У цій частині
котушки сторонні струми згідно з виразами (2) відсутні, але задається елек-
тропровідність міді для утворення електропровідного контуру. Наявність
такого контуру в статорі обумовлює зміну електромагнітного моменту.
Площа перерізу ушкодженої котушки варіюється і в процентному відно-
шенні дорівнює кількості короткозамкнених витків статора.
Рис. 2
Ушкодження обмотки ротора, характерним видом яких є розрив стержнів ротора, моделюєть-
ся шляхом завдання в пазах ротора з розірваними стержнями нульової електропровідності матеріалу.
Результати моделювання. Для подальших досліджень введемо поняття коефіцієнта чутли-
вості зазначеного методу діагностики, який характеризує відношення струмів в обмотці статора, при
яких починається рух ротора АД, відповідно для ушкодженого і неушкодженого двигунів
Кч = І ушкод / І неушкод . (7)
Оскільки при КЗ асинхронного двигуна та при напругах живлення U1 = (0 … 0,4) U1N струм і напруга
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 3 61
статора між собою є пропорційними, то можна вважати, що коефіцієнт чутливості характеризує та-
кож і відношення напруг живлення, при яких починається рух ротора і які можуть безпосередньо
вимірюватися наявним вольтметром.
Згідно з загальними теоретичними уявленнями чисельне значення коефіцієнта Кч є більшим за
одиницю у разі ушкодження обмотки статора і меншим за одиницю у разі ушкодження обмотки ро-
тора. Важливим результатом даного дослідження, який дозволяє дати оцінку запропонованому мето-
ду, є визначення залежності коефіцієнта Кч від обсягів ушкодження АД. Надалі шляхом математич-
ного моделювання визначено чисельні значення коефіцієнта Кч відповідно при ушкодженні обмоток
статора і ротора. Величина Кч визначається при заданому мінімальному електромагнітному моменті
Mmin, коли починається рух ротора і який у розрахунках залишається незмінним. Важливим факто-
ром, що впливає на кінцевий результат, є правильний вибір величини Mmin. Його величина залежить
від стану механічної системи двигуна (стану підшипників), наявності приєднаного до ротора механі-
чного навантаження тощо. Цей фактор досліджується окремо.
Дослідження проведено на прикладі серійних АД загальнопромислового виконання серії
АИР. Для отримання узагальнених висновків щодо чутливості методу розглянуто широкий діапазон
потужностей АД – від 1,7 до 200 кВт. Зокрема розглядалися чотириполюсні двигуни потужністю 1,7;
7,5; 15; 45 і 200 кВт.
Моделювання ушкодження обмотки статора. Моделювалися ушкодження обмотки статора у
вигляді коротких замикань частини витків однієї фази. Інші фази обмотки статора вважалися не-
ушкодженими. З урахуванням різних обмотувальних даних у різних за потужністю АД для порівнян-
ня розрахункових результатів обсяг ушкодження характеризується процентним співвідношенням
частини ушкоджених витків фази до повної їхньої кількості. Розглядалися наступні співвідношення:
∆wy = 3%, 6%, 12,5% і 25% ушкоджених витків.
На рис. 3 для АД типу АИР132S4 потужністю 7,5 кВт показані розраховані залежності коефі-
цієнта Кч від параметра ∆wy для різних значень Mmin. Позначено цифрами: 1) Mmin = 32,3 Нм; 2)
Mmin = 15,6 Нм; 3) Mmin = 4,1 Нм. З рис. 3 видно, що при однакових обсягах ушкодження коефіцієнт
чутливості зростає зі збільшенням необхідного для запуску АД моменту Mmin. Або, з іншого боку,
при більших Mmin можливо виявити ушкодження з меншими обсягами. Очевидно, що при Mmin = 0
коефіцієнт чутливості Кч = 1, тобто діагностика ушкодження є взагалі неможливою. Таким чином,
для підвищення результативності діагностування доцільно мати на валу ротора додатковий момент
опору, наприклад, з’єднувати двигун з навантаженням. Але, з іншого боку, оскільки момент опору
може змінюватися у часі внаслідок ушкоджень у самому механічному навантаженні, то його застосу-
вання може внести похибку в результати діагностування АД. Надалі при порівняльному аналізі різ-
них за потужністю АД вважалося, що мінімальний електромагнітний момент пуску складає 9% від
номінального електромагнітного моменту АД.
На рис. 4 показано залежності коефіцієнта Кч від параметра ∆wy для АД різної потужності при
Mmin = 0,09 Mном. Позначено цифрами: 1) 200 кВт; 2) 45 кВт; 3) 15 кВт; 4) 1,7 кВт.
З наведених на рис. 4 даних можна зробити наступні висновки.
A. Запропонований метод діагностики є достатньо чутливим для виявлення та діагностування
коротких замикань витків обмотки статора. Наприклад, при наявності 6% ушкоджених витків фази
обмотки коефіцієнт Кч дорівнює 1,07…1,22, що достaтньо для виявлення тa діaгностувaння зaзнa-
Рис. 3 Рис. 4
62 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 3
ченого виду ушкодження AД простими апаратними засобами (вольтметр). Більша чутливість даного
методу діагностики у порівнянні з іншими, наприклад, методом контролю величини струму статора,
пояснюється тим, що електромагнітний момент двигуна залежить від квадрату напруги живлення, a
величина струму – від першої степені напруги.
Б. Особливо суттєвим є зростання величини коефіцієнта Кч для AД великої потужності, тобто
чутливість методу зростає зі збільшенням потужності AД. Це робить використання запропонованого
методу перспективним для потужних двигунів.
В. Найбільш швидко коефіцієнт Кч змінюється на початковому етапі зростання процентної кіль-
кості ушкоджених витків обмотки статора – від нуля до 5%. Це дає можливість ефективно діагносту-
вати ушкодження обмотки статора на початковій стадії її руйнації, що дозволяє своєчасно виводити
AД у ремонт без аварійної зупинки.
Моделювання ушкодження обмотки ротора. Моделювалися ушкодження короткозамкненої
обмотки ротора АД у вигляді розривів стержнів клітки ротора. Обсяг ушкодження характеризується
процентним співвідношенням частини розірваних стержнів до повної їх кількості ∆nст %. На рис. 5, а
і 5, б зображено залежності електромагнітного моменту від прикладеної напруги для двигунів потуж-
ністю відповідно 7,5 і 200 кВт. Цифрами 1 – 4 позначено криві відповідно для неушкодженого АД, а
також при ∆nст = 5, 10, 15 %. Також показано значення пускових моментів, коли починається рух ро-
тора. Для АД потужністю 7,5 кВт він дорівнює 5 Нм, а для 200 кВт – 200 Нм.
З рис. 5 видно суттєве зменшення напруги живлення, при якій починається рух ушкодженого
ротора АД, що обгрунтовує можливість ефективного діагностування зазначеного виду ушкодження.
На рис. 6 показано залежності коефіцієнта чутливості Кч від параметра ∆nст для двигунів різ-
ної потужності при величині Mmin = 0,09 Mном. Цифрами позначено: 1) 1,7 кВт; 2) 7,5 кВт; 3) 15 кВт;
4) 45 кВт; 5) 200 кВт. З наведених кривих видно, що при однаковому процентному співвідношенні
кількості ушкоджених стержнів у двигуні меншої
потужності спостерігається більш суттєве зменшен-
ня напруги живлення, яка необхідна для початку
руху ротора, тобто на відміну від коротких замикань
обмотки статора зазначений метод при діагносту-
ванні розривів стержнів ротора є більш чутливий
для двигунів меншої потужності. Слід підкреслити,
що при ∆nст > 30% потрібна для пуску двигуна на-
пруга живлення починає збільшуватися, але таке
ушкодження характерне для практично зруйнова-
них, непрацездатних АД, які вилучаються з експлуа-
тації за іншими очевидними ознаками і тому з точки
зору діагностики виявлення ушкоджень таких обся-
гів практичного значення не має.
Важливо відзначити, що отримані результа-
ти математичного моделювання добре корелюються з експериментальними даними, отриманими для
АД потужністю 1,7 кВт [5].
Рис. 5, а, б
Рис. 6
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 3 63
Ефективність запропонованого методу досліджувалася і для іншого виду ушкодження ротора
– ексцентриситету ротора. Як показали результати моделювання, в даному випадку електромагнітний
момент (напруга живлення) пуску ротора мало залежить від величини ексцентриситету – всього
1…1,5%. Тому діагностику наявності ексцентриситету ротора АД треба проводити іншими методами.
Висновки. 1. Визначення дефектів обмоток ротора і статора АД можна ефективно виконати
на основі методу аналізу величини пускового електромагнітного моменту за допомогою простих апа-
ратних засобів (амперметр або вольтметр). Різний характер зміни величини напруги (або струму)
статора, при якій починається рух ротора ушкодженого АД, дозволяє однозначно ідентифікувати
випадки ушкоджень обмоток статора або ротора. Зазначений метод не потребує високої кваліфікації
обслуговуючого персоналу і є перспективним для широкого впровадження в умовах експлуатації,
виробництва та при ремонті АД широкої номенклатури потужностей та виконання.
2. Шляхом математичного моделювання доведена достатня чутливість розглянутого методу
діагностики до появи зазначених дефектів. Так, за наявності 6% КЗ витків у фазі обмотки статора
коефіцієнт чутливості методу, який характеризує відношення струмів (або напруг) в обмотці статора
на початку руху ротора ушкодженого і неушкодженого двигуна, дорівнює 1,07 … 1,22 в залежності
від потужності АД. За наявності 6% розірваних стержнів ротора коефіцієнт чутливості методу для
АД різної потужності дорівнює 0,73 … 0,86. Такі значення дозволяють надійно діагностувати ушко-
дження на початкових стадіях їхнього розвитку.
3. Рекомендується розширити регламентований список паспортних даних нових АД за раху-
нок включення до їхнього переліку напруги пуску двигуна (напруги, коли починається рух ротора в
умовах холостого ходу), яка може використовуватися у подальшій експлуатації АД як діагностичний
параметр для оцінки наявності дефектів у його конструкції. За відсутності такого параметра його
доцільно визначити експериментально перед монтажем виробничої установки.
1. Браташ О.В., Калинов А.П. Анализ методов вибродиагностики асинхронных двигателей // Вісник
КДПУ. – 2010. – № 2. – С. 41-46.
2. Васьковский Ю.Н., Коваленко М.А. Диагностика скрытых дефектов короткозамкнутой обмотки рото-
ра асинхронного двигателя индукционным методом // Технічна електродинаміка. – 2013. – № 2. – С. 69 – 74.
3. Загірняк М.В., Мамчур Д.Г., Калінов А.П., Чумачова А.В. Діагностика асинхронних двигунів на основі
аналізу сигналу споживаної потужності. – Видавн. КрНУ імені М. Остроградського, Кременчук, 2012. – 228 с.
4. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа
потребляемого тока // Новости электротехники. – 2005. – № 1. – С. 50–52.
5. Титко А.И., Васьковский Ю.Н. Научные основы, методы и средства диагностики асинхронных дви-
гателей. – Наш формат, 2015. – З00 с.
6. Cusido J., Rosero J., Aldabas E., Ortega J.A., Romeral L. New fault detection techniques for induction mo-
tors // Electrical power quality and utilization. – 2006. – Vol. 2. – No 1. – Pp. 39-46.
7. Messaoudi V., Sbita L. Multiple faults diagnosis in induction motor using the MCSA method // International
Journal of Signal and Image Processing. – 2010. – Iss. 3. – No 4. – Pp. 190-195.
8. Pöyhönen S., Jover P., Hyötyniemi H. Independent Component Analysis of Vibrations for Fault Diagnosis of an In-
duction Motor. Режим доступу: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/ download?doi=10.1.1.113.9005 &rep=rep1&type=pdf
УДК 621.313.32.2-81
ДИАГНОСТИКА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВЕЛИЧИНЫ
ПУСКОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА
Ю.М. Васьковський1, докт.техн.наук, А.И. Титко1, чл.-корр НАНУ, И.С. Макейкин2, В.А. Кравчук2
1 - Институт электродинамики НАН Украины,
пр. Победы, 56, Киев, 03057, Украина,
e-mail: ied10@ukr.net
2 - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»,
пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина,
e-mail: vun157@gmail.com
В статье исследуется метод диагностики асинхронных двигателей (АД), основанный на анализе изменения
величины электромагнитного момента, необходимого для начала движения ротора. Величина пускового мо-
мента изменяется вследствие появления повреждений двигателя. Предложенный метод позволяет диагно-
стировать любой двигатель простыми штатными измерительными средствами и не требует специальной
64 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2017. № 3
подготовки персонала. Для этого, соответственно для поврежденного и неповрежденного АД нужно прово-
дить сравнительный анализ величины напряжения питания, при которой начинается движение ротора. Рас-
смотрены два основных случая повреждения – короткие замыкания обмотки статора и обрывы стержней
короткозамкнутой обмотки ротора. Показано, что в этих случаях изменение пускового момента (напряже-
ния пуска) происходит по-разному: при коротких замыканиях статора пусковой момент уменьшается (необ-
ходимое для запуска напряжение увеличивается), а при разрыве стержней ротора – наоборот. Путем мате-
матического моделирования АД мощностью 1,7 ... 200 кВт показана высокая чувствительность предложенно-
го метода диагностики, что обеспечивает его широкое внедрение. Библ. 8, рис. 6.
Ключевые слова: диагностика асинхронных двигателей, пусковой электромагнитный момент, математическая
модель, повреждения обмоток статора и ротора.
DIAGNOSIS OF INDUCTION MOTORS BASED ON ANALYSIS OF STARTING
ELECTROMAGNETIC TORQUE
Yu.M. Vaskovskyi2, O.I Tytko1, I.S. Makeykin2, V.A. Kravchuk2
1 - Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine,
pr. Peremohy, 56, Kyiv, 03057, Ukraine,
e-mail: ied10@ukr.net
2 - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute",
pr. Peremohy, 37, Kyiv, 03056, Ukraine,
e-mail: vun157@gmail.com
The article examines the characteristics of induction motors (IM) diagnostic method based on an analysis of change of
the electromagnetic torque, which is required to start the movement of the rotor. The value of starting torque varies due
to the appearance of damage of the motors. The proposed method while ensuring sufficient reliability to diagnose any
engine required simple measuring devices and does not require special training. You need to conduct a comparative
analysis of the values of the supply voltage at which the movement begins rotor, respectively, for damaged and undam-
aged IM. Two major cases of defects – short-circuit the stator winding and destruction of cage bars of the rotor. It is
shown that in these cases the change starting torque (voltage) occurs in different ways: in short circuit stator starting
torque is reduced (increases of the voltage), and at break rotor bars – on the contrary. Mathematical models of IM
(capacity 1.7 ... 200 kW) proved high diagnostic sensitivity of method, ensuring its widespread adoption.
References 8, figures 6.
Key words: diagnostics of asynchronous motors, the start time of the electromagnetic, mathematical model, damage the
stator and rotor windings.
1. Bratash O.V., Kalinov A.P. Analysis of vibration diagnostics methods of induction motors // News KDPU.
Naukovі pratsі KDPU. – 2010. – No 2. – Pp. 41–46. (Rus)
2. Vaskovskyi Yu.M., Kovalenko M.A. Diagnosis of latent defects of short-circuited winding of the rotor of in-
duction motor by induction method // Tekhnіchna Elektrodynamіka. – 2013. – No 2. – Pp. 69 – 74. (Rus)
3. Zagirnyak M.V., Mamchur D.G., Kalinov A.P., Chumachova A.V. Diagnosis of asynchronous motors on the
analysis of signal power consumption. – Vydavnytstvo KrNU M. Ostrogradskуi, Kremenchug, 2012. – 228 p. (Ukr)
4. Petukhov V.S., Sokolov V.A. Diagnosis of electric motors. Method of spectral analysis of consump current //
Novosti Elektrotekhniki. – 2005. – No 1. – Pp. 50–52. (Rus)
5. Titko A.I., Vaskovskyi Yu.M. Scientific bases, methods and means of diagnosing asynchronous motor. – Nash
Format, 2015 – 300 p. (Rus)
6. Cusido J., Rosero J., Aldabas E., Ortega J.A., Romeral L. New fault detection techniques for induction mo-
tors // Electrical power quality and utilization. – 2006. – Vol. 2. – No 1. – Pp. 39–46.
7. Messaoudi V., Sbita L. Multiple faults diagnosis in induction motor using the MCSA method // International
Journal of Signal and Image Processing. – 2010. – Iss. 3. – No 4. – Pp. 190–195.
8. Pöyhönen S., Jover P., Hyötyniemi H. Independent Component Analysis of Vibrations for Fault Diagnosis of an In-
duction Motor. Available at: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/ download?doi=10.1.1.113.9005 &rep=rep1&type=pdf
(accessed 06.09.2016)
Надійшла 13.09.2016
Остаточний варіант 12.01.2017
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158921 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-7970 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-24T20:45:19Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Васьковський, Ю.М. Титко, О.І. Макейкін, І.С. Кравчук, В.А. 2019-09-17T19:18:08Z 2019-09-17T19:18:08Z 2017 Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту / Ю.М. Васьковський, О.І. Титко, І.С. Макейкін, В.А. Кравчук // Технічна електродинаміка. — 2017. — № 3. — С. 58-64. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 1607-7970 DOI: https://doi.org/10.15407/techned2017.03.058 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158921 621.313.32.2-81 У статті досліджуються характеристики методу діагностики асинхронних двигунів (АД), що базується на аналізі величини електромагнітного моменту, який необхідний для початку руху ротора. Величина пускового моменту змінюється внаслідок появи ушкоджень двигуна. Запропонований метод при забезпеченні достатньої достовірності дозволяє діагностувати будь-який АД простими штатними вимірювальними засобами і не потребує спеціальної підготовки персоналу. Для цього потрібно проводити порівняльний аналіз величин напруги живлення, при якій починається рух ротора, відповідно для ушкодженого і неушкодженого АД. Розглянуто два основних випадки ушкодження – короткі замикання обмотки статора і обриви стержнів короткозамкненої обмотки ротора. Показано, що в цих випадках зміна пускового моменту (напруги пуску) відбувається по-різному: при коротких замиканнях статора пусковий момент зменшується (потрібна для запуску напруга збільшується), а при розриві стержнів ротора – навпаки. Шляхом математичного моделювання на прикладах АД потужністю 1,7 … 200 кВт показана висока чутливість запропонованого методу діагностики, що сприяє його широкому впровадженню. В статье исследуется метод диагностики асинхронных двигателей (АД), основанный на анализе изменения величины электромагнитного момента, необходимого для начала движения ротора. Величина пускового момента изменяется вследствие появления повреждений двигателя. Предложенный метод позволяет диагностировать любой двигатель простыми штатными измерительными средствами и не требует специальной подготовки персонала. Для этого, соответственно для поврежденного и неповрежденного АД нужно проводить сравнительный анализ величины напряжения питания, при которой начинается движение ротора. Рассмотрены два основных случая повреждения – короткие замыкания обмотки статора и обрывы стержней короткозамкнутой обмотки ротора. Показано, что в этих случаях изменение пускового момента (напряжения пуска) происходит по-разному: при коротких замыканиях статора пусковой момент уменьшается (необходимое для запуска напряжение увеличивается), а при разрыве стержней ротора – наоборот. Путем математического моделирования АД мощностью 1,7 ... 200 кВт показана высокая чувствительность предложенного метода диагностики, что обеспечивает его широкое внедрение. The article examines the characteristics of induction motors (IM) diagnostic method based on an analysis of change of the electromagnetic torque, which is required to start the movement of the rotor. The value of starting torque varies due to the appearance of damage of the motors. The proposed method while ensuring sufficient reliability to diagnose any engine required simple measuring devices and does not require special training. You need to conduct a comparative analysis of the values of the supply voltage at which the movement begins rotor, respectively, for damaged and undamaged IM. Two major cases of defects – short-circuit the stator winding and destruction of cage bars of the rotor. It is shown that in these cases the change starting torque (voltage) occurs in different ways: in short circuit stator starting torque is reduced (increases of the voltage), and at break rotor bars – on the contrary. Mathematical models of IM (capacity 1.7 ... 200 kW) proved high diagnostic sensitivity of method, ensuring its widespread adoption. uk Інститут електродинаміки НАН України Технічна електродинаміка Електромеханічне перетворення енергії Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту Диагностика асинхронных двигателей на основе анализа величины пускового электромагнитного момента Diagnosis of induction motors based on analysis of starting electromagnetic torque Article published earlier |
| spellingShingle | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту Васьковський, Ю.М. Титко, О.І. Макейкін, І.С. Кравчук, В.А. Електромеханічне перетворення енергії |
| title | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту |
| title_alt | Диагностика асинхронных двигателей на основе анализа величины пускового электромагнитного момента Diagnosis of induction motors based on analysis of starting electromagnetic torque |
| title_full | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту |
| title_fullStr | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту |
| title_full_unstemmed | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту |
| title_short | Діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту |
| title_sort | діагностика асинхронних двигунів на основі аналізу величини пускового електромагнітного моменту |
| topic | Електромеханічне перетворення енергії |
| topic_facet | Електромеханічне перетворення енергії |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158921 |
| work_keys_str_mv | AT vasʹkovsʹkiiûm díagnostikaasinhronnihdvigunívnaosnovíanalízuveličinipuskovogoelektromagnítnogomomentu AT titkooí díagnostikaasinhronnihdvigunívnaosnovíanalízuveličinipuskovogoelektromagnítnogomomentu AT makeikínís díagnostikaasinhronnihdvigunívnaosnovíanalízuveličinipuskovogoelektromagnítnogomomentu AT kravčukva díagnostikaasinhronnihdvigunívnaosnovíanalízuveličinipuskovogoelektromagnítnogomomentu AT vasʹkovsʹkiiûm diagnostikaasinhronnyhdvigateleinaosnoveanalizaveličinypuskovogoélektromagnitnogomomenta AT titkooí diagnostikaasinhronnyhdvigateleinaosnoveanalizaveličinypuskovogoélektromagnitnogomomenta AT makeikínís diagnostikaasinhronnyhdvigateleinaosnoveanalizaveličinypuskovogoélektromagnitnogomomenta AT kravčukva diagnostikaasinhronnyhdvigateleinaosnoveanalizaveličinypuskovogoélektromagnitnogomomenta AT vasʹkovsʹkiiûm diagnosisofinductionmotorsbasedonanalysisofstartingelectromagnetictorque AT titkooí diagnosisofinductionmotorsbasedonanalysisofstartingelectromagnetictorque AT makeikínís diagnosisofinductionmotorsbasedonanalysisofstartingelectromagnetictorque AT kravčukva diagnosisofinductionmotorsbasedonanalysisofstartingelectromagnetictorque |