CZ303470B6

CZ303470B6 - Zpusob zjištování stavu elektrického stroje, zejména asynchronního elektromotoru

Info

Publication number: CZ303470B6
Application number: CZ20060782A
Authority: CZ
Inventors: Chmelík@Karel; Cech@Václav; Bernat@Petr
Original assignee: Vysoká škola bánská - Technická univerzita Ostrava
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2012-10-03
Also published as: CZ2006782A3

Abstract

Do blízkosti, s výhodou na kostru elektrického stroje se umístí detektor rozptylového elektromagnetického toku a behem rozbehu stroje nebo pri jeho ustáleném chodu se snímá elektromagnetický rozptylový tok, který se vyhodnocuje a/nebo zaznamenává. Ze snímaného a/nebo zaznamenaného elektromagnetického toku po dobu rozbehu elektrického stroje se odfiltrují frekvence nad 15 Hz a prubeh elektromagnetického toku, predstavující frekvence nižší než 15 Hz, se vyhodnocuje a/nebo zaznamenává a následne se vyhodnocuje za úcelem zjištení závady rozbehové rotorové klece. Pokud se pri ustáleném chodu elektrického stroje provádí snímání a frekvencní analýza rozptylového elektromagnetického toku, pricemž se vyhodnocují velikosti amplitudy postranních pásem základní frekvence a/nebo postranních pásem otáckových frekvencí, lze zjistit nejen poruchy rotorového vinutí, ale též špatné ustavení nebo excentricitu. Pokud se pri ustáleném chodu elektrického stroje vyhodnocují odchylky prubehu elektromagnetického toku od sinusového prubehu, dají se zjistit napr. mezizávitové zkraty statorového vinutí.

Description

Způsob zjišťování stavu elektrického stroje, zejména asynchronního elektromotoru

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zjišťování stavu elektrického stroje, zejména asynchronního elektromotoru, bez nutnosti jeho demontáže a řeší včasné zjištění počínajících závad rotorového nebo statorového vinutí a dále zjištění nesymetrie v mechanických částech a tím zamezení neočekávaným poruchám strojů a poháněných soustav.

io

Dosavadní stav techniky

Pro zajištění spolehlivého provozu strojů poháněných elektromotory je nutno sledovat stav těchto elektromotorů v průběhu používání. Včasným odhalením počínající závady lze předejít neočekávaným poruchám elektromotorů, které mají za následek přerušení provozu a s ním související vznik finančních ztrát. U zabudovaných elektromotorů a elektromotorů v problematickém prostředí, např. v důlním, ve výbušném, v mokrém atd. mohou být některé typy periodických kontrol zvláště obtížné, neboť jsou často spojeny nejen s částečným rozebráním poháněného stroje, ale též s demontáží elektromotoru, jeho transportem do místa, kde lze jeho stav zkontrolovat a se zpětnou montáží.

Je známo, že pro sledování stavu elektromotorů je výhodné použití metod, které umožňují sledovat stav elektromotoru během provozu. Při těchto metodách jsou měřené veličiny modifikovány nebo generovány samotným elektromotorem při jeho běžné činnosti. Pro zjišťování aktuálního stavu elektromotoru jsou sledovány statorová napětí, statorové proudy, vibrace, hřídelová napětí, hluk a teplota v různých částech elektromotoru. Hodnoty a průběhy těchto veličin jsou výrazně ovlivněny aktuálním stavem elektromotoru a nesou tak v sobě informaci o stavu vinutí, závadách izolace, stavu ložisek, výskytu nesymetrií obecně, o některých výrobních vadách a ustavení stro30 je.

Dále je známo, že měřením průběhu statorového nebo rotorového proudu se získají frekvenční spektra, vypovídající o stavu elektromotoru. Nevýhodou těchto metod je elektrická vazba měřicí aparatury na napájení elektromotoru, což komplikuje měření v problematických prostředích, např. ve vlhkém, v mokrém nebo ve výbušném, a zvyšuje nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Další nevýhodou těchto metod je závislost na typu motoru, jeho velikosti, velikosti napájecího napětí a napájecího proudu, Některé typy poruch, např. některé poruchy statorového vinutí se nedají těmito metodami zjistit.

Z DE 37 22 805 je známa metoda měření skluzu asynchronních motorů, zejména používaných k těžbě v podzemí pomocí měření počtu otáček s ohledem na momentovou charakteristiku. U této metody je kmitočet rotorového proudu zjišťování pomocí snímání magnetického rozptylového toku vně kostiy motoru a získaný frekvenční signál se po úpravě vyhodnocuje spolu s měřeným síťovým napětím motoru. Nevýhodou této metody je elektrická vazba na napájení a dále to, zeji nelze použít ke zjišťování jiných vlastností elektromotoru, zejména takových, které vypovídají o jeho závadách.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody řeší způsob zjišťování stavu elektrického stroje, zejména asynchronního elektromotoru sledováním průběhu rozptylového elektromagnetického toku, jehož podstatou je, že se do blízkosti, s výhodou na kostru elektrického stroje, umístí detektor rozptylového elektromagnetického toku a během rozběhu stroje nebo při jeho ustáleném chodu se snímá elektromagnetický rozptylový tok, který se vyhodnocuje a/nebo zaznamenává, Podstatou způsobu dle první alterna- 1 CZ 303470 B6 tivy je, že se dále ze snímaného a/nebo zaznamenaného elektromagnetického toku po dobu rozběhu elektrického stroje odfiltrují frekvence nad 15 Hz a průběh elektromagnetického toku, představující frekvence nižší než 15 Hz, se vyhodnocuje a/nebo zaznamenává a následně vyhodnocuje. Podstatou způsobu dle druhé alternativy je, že se dále při ustáleném chodu elektrického stroje provádí snímání a frekvenční analýza rozptylového elektromagnetického toku, přičemž se vyhodnocuje velikost nejméně jedné amplitudy postranních pásem základní frekvence a/nebo otáěkových frekvencí. Podstatou způsobu dle třetí alternativy je, že se dále pri ustáleném chodu elektrického stroje vyhodnocují odchylky průběhu elektromagnetického toku od sinusového průběhu.

io Hlavní výhodou způsobu dle vynálezu je, zeje závislý na typu, velikosti, výkonu nebo napájecím napětí sledovaného stroje a je tak možné jeho použití u všech elektrických strojů. Dalšími výhodami jsou jeho jednoduchost, možnost použití i u strojů, pracujících v problematickém prostředí, zejména v nebezpečném, ve vlhkém, v mokrém a v prostředí s nebezpečím výbuchu. Výhodou je rovněž bezpečnost obsluhy. Způsobu lze použít pro preventivní sledování stavu jak v rámci i? periodických kontrol, tak kontinuálně a je použitelný i pro on-line sledovací a diagnostické systémy. Využití způsobu dle vynálezu představuje výhodný prostředek pro zvýšení spolehlivosti pohonů s asynchronními motory, a to jak pro malé, tak pro velké provozovatele. Výhodou je, že veličina, která je využívána pro zjišťování aktuálního stavu elektrického stroje je strojem generována za běžného provozu. Osoba, která provádí diagnostiku se nepohybuje v blízkosti rotujících částí stroje a nepoužívá zařízení elektricky vázané na jeho napájení, což minimalizuje nebezpečí úrazu. Výhodou způsobu dle vynálezu je, že jím lze spolehlivě zjišťovat stav rozběhového rotorového vinutí asynchronního elektromotoru, zejména klece, dále spolehlivé zjišťování závad pracovního rotorového vinutí asynchronního elektromotoru, zejména klece nebo zjišťování mechanických závad jako jsou špatné ustavení stroje nebo excentrická vzduchové mezery. Výhodou způsobu dle vynálezu je také možnost zjišťování mezizávitových zkratů statorového vinutí.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázky 1 až 6 znázorňují časové průběhy elektromagnetického rozptylového toku a diagnostické veličiny dle příkladu 1, přičemž obrázky 1 a 2 odpovídají bezchybnému elektromotoru. Obrázky 3 a 4 odpovídají motoru s poruchou jedné tyče rotorové klece a obrázky 5 a 6 odpovídají motoru s poruchou více tyčí rotorové klece. Obrázky 1, 3 a 5 přitom znázorňují časový průběh elektromagnetického rozptylového toku a obrázky 2, 4 a 6 znázorňují časový průběh diagnostické veličiny. Obrázky 7 až 11 znázorňují časové průběhy elektromagnetického rozptylového toku a jeho frekvenční analýzy dle příkladu 2, přičemž obrázky 7 a 8 odpovídají bezchybnému elektromotoru. Obrázky 9 a 10 odpovídají motoru s poruchou jedné tyče rotorového vinutí a obrázek 11 srovnává dvě různé velikosti poruchy rotoru. Obrázky 7 a 9 znázorňují časový průběh elektromagnetického rozptylového toku a obrázky 8, 10 a 11 znázorňují frekvenční analýzy. Obrázky 12 a 13 znázorňují srovnání časového průběhu elektromagnetického rozptylového toku bezchybného elektromotoru a elektromotoru s různě závažnou poruchou statorového vinutí, přičemž na obrázku 12 je porucha představována mezizávitovým zkratem jednoho závitu statorového vinutí a na obrázku 13 je porucha představována zkratem celé jedné cívky statorového vinutí.

Příklady provedení vynálezu

Příklad I

Způsob dle příkladu 1 dokládá zjišťování nesymetrie rotorového vinutí asynchronního motoru, která byla simulována přerušením jedné nebo několika tyčí rotorové klece. Na kostru statoru bezchybného třífázového asynchronního elektromotoru 400/230 V s rotorem s klečovým vinutím o 48 tyčích byl umístěn detektor elektromagnetického toku, připojený na vyhodnocovací zařízení, zachycující průběh indukovaného napětí, reprezentující časový průběh elektromagnetického roz ptylového toku, načež byl elektromotor připojen k napájecí síti. Po obu rozběhu, který trval cca 5 sekund byl zaznamenán první časový průběh JJ. elektromagnetického rozptylového toku. Z tohoto průběhu byly následně odfiltrovány frekvence vyšší než 15 Hz a signál představující kmitočty pod 15 Hz byl zaznamenán a vytištěn jako první časový průběh 12 diagnostické veliči5 ny, odpovídající bezchybnému elektromotoru. Následně byla uměle přerušena jedna rotorová tyč a stejným způsobem byl získán druhý časový průběh 13 elektromagnetického rozptylového toku a druhý časový průběh 14 diagnostické veličiny, odpovídající elektromotoru s poruchou jedné tyče rotoru. Poté byly přerušeny další dvě tyče a stejným způsobem byl získán třetí časový průběh 15 elektromagnetického rozptylového toku a třetí časový průběh 16 diagnostické veličiny, io odpovídající elektromotoru s poruchou tří tyčí rotoru, Z časových průběhů 12, 14, J6 diagnostické veličiny je zřejmé, zdaje rotor elektromotoru bez vady nebo zda má poškozené rotorové tyče. Z amplitud zákmitů, objevujících se na záznamu přibližně ve druhé a třetí sekundě od počátku rozběhu, odpovídající fázi, kdy motor dosáhl přibližně 40 a 60 % jmenovitých otáček, lze usuzovat na míru poškození. Průběh otáček během rozběhu je ve všech případech znázorněn křivkou

JO.

Příklad 2

Způsob dle příkladu 2 dokládá zjišťování n esy metr i e rotorového vinutí asynchronního motoru, která byla simulována přerušením jedné nebo několika tyčí a zjišťování mechanických závad. Na kostru bezvadného asynchronního elektromotoru 400/230 V s rotorem s klečovým vinutím o 48 tyčích, pracujícího při zatížení v ustáleném chodu, byl umístěn detektor rozptylového elektromagnetického toku, proveden záznam čtvrtého Časového průběhu 21 elektromagnetického roz25 ptylového toku a následně frekvenční analýza 22 čtvrtého časového průběhu 2J. elektromagnetického rozptylového toku v okolí základní frekvence napájecího napětí 50 Hz. Následně byla uměle přerušena jedna rotorová tyč a stejným způsobem byl získán pátý časová průběh 23 elektromagnetického rozptylového toku a frekvenční analýza 24 časového průběhu 23 elektromagnetického rozptylového toku. Z porovnání frekvenční analýzy 22 čtvrtého časového průběhu 21 elek30 tromagnetického rozptylového toku a frekvenční analýzy 24 časového průběhu 23 elektromagnetického rozptylového toku je zřejmý vliv závady v rotoru na jejich průběh, zejména na velikost postranních pásem 26 v okolí základní frekvence. Amplitudy 27 otáčkových frekvencí v tomto případě zůstávají konstantní, simulovaná závad není mechanického původu.

Frekvence postranních pásem, vypovídající o nesymetrii se obecně určí ze vztahu:

f, =f, (1- 2s) kde fi je frekvence postranních pásem, vypovídající o nesymetrii fi je frekvence napájecího napětí stroje (např. 50 Hz) je skluz.

Otáčkové frekvence, vypovídající o rotorové nesymetrii a mechanických závadách se určí ze vztahu:

_r η . n fi„ —--H sfi, + t 60 ' 60 kde n jsou otáčky stroje min“¹f je frekvence síťového napětí

- j CZ 303470 B6 i = 0,1,2,..., ϊί_60 ZL 60 kde n, je počet synchronních otáček

Poté byly přerušeny další dvě tyče a stejným způsobem byla získána frekvenční analýza 25 šestého časového průběhu elektromagnetického rozptylového toku. Ze srovnání průběhů frekvenční analýzy 24 časového průběhu 23 elektromagnetického rozptylového toku a frekvenční analýzy 25 šestého časového průběhu elektromagnetického rozptylového toku vyplývá vliv velikosti poruchy io rotoru na charakter průběhu a velikost amplitud postranních pásem základní frekvence.

Příklad 3

Způsob dle příkladu 3 dokládá zjišťování stavu statorového vinutí, zejména přítomnost nezávitového zkratu. Na kostru statoru bezvadného asynchronního elektromotoru 400/230 V byl umístěn detektor rozptylového elektromagnetického toku a při ustáleném chodu stroje byl proveden záznam sedmého časového průběhu 31 elektromagnetického rozptylového toku a záznam osmého časového průběhu 33 elektromagnetického rozptylového toku. Poté byl uměle vyvolán mezizávi20 tový zkrat v jedné cívce statoru a stejným způsobem byl získán záznam devátého časového průběhu 32 elektromagnetického rozptylového toku. Následně byl vyvolán zkrat celé cívky a za ustáleného chodu motoru získán záznam desátého časového průběhu 34 elektromagnetického rozptylového toku. Ze srovnání Časových průběhů 31, 32, 33 a 34 elektromagnetického rozptylového toku, kde sedmý časový průběh 31 rozptylového elektromagnetického toku a osmý časový průběh 33 rozptylového elektromagnetického toku odpovídají elektromotoru bez poruchy a devátý časový průběh 32 rozptylového elektromagnetického toku a desátý časový průběh 34 elektromagnetického rozptylového toku odpovídají elektromotoru s poruchou ve statoru, je patrný vliv závitového zkratu statorového vinutí na časový průběh rozptylového elektromagnetického toku.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zjišťování stavu elektrických strojů zejména asynchronního elektromotoru sledováním průběhu rozptylového elektromagnetického toku pomocí detektoru rozptylového elektromagnetického toku, umístěného na kostru elektrického stroje, kdy během rozběhu stroje nebo při jeho ustáleném chodu se snímá elektromagnetický rozptylový tok, který se vyhodnocuje a/nebo zazna4« menává, vyznačující se tím, že se ze snímaného a/nebo zaznamenaného elektromagnetického toku po dobu rozběhu elektrického stroje odfiltrují frekvence nad 15 Hz a průběh elektromagnetického toku, představující frekvence nižší než 15 Hz, se vyhodnocuje a/nebo zaznamenává a následně vyhodnocuje a/nebo se při ustáleném chodu elektrického stroje provádí snímání a frekvenční analýza rozptylového elektromagnetického toku, přičemž se vyhodnocuje velikost

45 nejméně jedné amplitudy postranních pásem základní frekvence a/nebo otáčko vých frekvencí, současně jsou při ustáleném chodu elektrického stroje vyhodnocovány odchylky průběhu elektromagnetického toku od sinusového průběhu.