RU2786379C1 - Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя - Google Patents
Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786379C1 RU2786379C1 RU2022105568A RU2022105568A RU2786379C1 RU 2786379 C1 RU2786379 C1 RU 2786379C1 RU 2022105568 A RU2022105568 A RU 2022105568A RU 2022105568 A RU2022105568 A RU 2022105568A RU 2786379 C1 RU2786379 C1 RU 2786379C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor winding
- rotor
- time
- asynchronous electric
- signal
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000002045 lasting Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 241001270131 Agaricus moelleri Species 0.000 description 2
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 description 1
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 206010022114 Injury Diseases 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области контроля технического состояния асинхронных электродвигателей и может быть использовано для обнаружения обрывов стержней обмоток роторов высоковольтных асинхронных электродвигателей. Сущность: способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя включает цифровую регистрацию радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля во времени с помощью датчика магнитного поля, устанавливаемого на корпусе электродвигателя в зоне середины длины сердечника статора, разделение полученного сигнала на интервалы, проведение на каждом из этих интервалов оконного преобразования Фурье и получение частотно-временного спектра. При этом сигнал регистрируют в режиме выбега, определяют продолжительность интервалов ΔT, на которые разделяют регистрируемый сигнал, из условия
где XOP - индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом; ROP - активное сопротивление обмотки ротора, Ом; sном - номинальное скольжение ротора, о.е., ƒс - частота сети, Гц; ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна; p - число пар полюсов двигателя. Определяют в частотно-временном спектре наличие гармонических составляющих от фиктивной обмотки ротора, исключая гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов, частоты которых в режиме выбега определяются по выражению
где ν=1, 2, 3, 4, 5… - порядок гармоники; n(t) - скорость вращения асинхронного электродвигателя в момент времени t, об/мин. При наличии указанных гармонических составляющих формируют сигнал о наличии обрыва стержня обмотки ротора. Технический результат: создание достоверного и безопасного способа выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора высоковольтного асинхронного электродвигателя с быстрым пуском, продолжительностью менее 3 секунд. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области контроля технического состояния асинхронных электродвигателей и может быть использовано для обнаружения обрывов стержней обмоток роторов высоковольтных асинхронных электродвигателей.
Известен способ контроля состояния короткозамкнутой обмотки ротора, основанный на контроле электродвижущей силы на выводах обмотки статора в режиме выбега (Диагностика повреждений стержней ротора в асинхронном двигателе на основании анализа его магнитного поля / Загирняк М.В., Ромашихина Ж.И., Калипов А.П. Вестник НТУ «XIII». - 2012. - №49 (955). - С. 38-47). Согласно данному способу производится анализ ЭДС, которая наводится в обмотке статора в режиме выбега. Вывод о повреждении обмотки ротора формируется при наличии несимметричного распределения линий магнитного поля в обмотке статора, что приводит к несинусоидальности ЭДС.
Недостатком указанного способа является низкая чувствительность из-за того, что ЭДС в обмотке статора в режиме выбега индуктируется постоянными и затухающими по экспоненте токами в обмотке ротора. Поэтому даже в двигателе с исправной обмоткой ротора ЭДС на выбеге является несинусоидальной.
Также известен «Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя» (патент на изобретение RU№2644576 МПК G01R 31/34, 2018 г.), основанный на контроле электродвижущей силы на выводах обмотки статора в режиме выбега, выделении в этом сигнале среднеквадратичной величины дополнительных гармонических с частотами
s - скольжение ротора;
ν - номер гармоники сети;
р - число пар полюсов асинхронного двигателя, сравнении с ее эталонной величиной, и формировании сигнала о повреждении короткозамкнутой обмотки ротора, если среднеквадратичная величина этих дополнительных гармонических превысит эталонную величину.
Недостатками указанного способа являются необходимость использования дорогостоящего оборудования и сложность его подключения для проведения контроля электродвижущей силы, повышение вероятности незапланированного отключения электродвигателя по причине отказа понижающего трансформатора, устанавливаемого в цепи обмотки статора.
За прототип принят «Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя» (патент на изобретение RU №2687881 МПК G01R 31/34, 2019), основанный на цифровой регистрации радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля во времени с помощью датчика магнитного поля, устанавливаемого на корпусе электродвигателя в зоне середины длины сердечника статора в режиме пуска, разделении его на интервалы, продолжительность которых зависит от числа пар полюсов асинхронного двигателя, а также ширины главного лепестка используемого окна, проведении на каждом из этих интервалов оконного преобразования Фурье и получении частотно-временного спектра, определении в этом спектре наличия гармонических составляющих от фиктивной обмотки ротора на нижних боковых частотах, определяемых по выражению:
t - время на интервале 0≤t≤T, с, где
T - продолжительность пуска асинхронного двигателя, с;
s(t) - скольжение ротора;
p - число пар полюсов двигателя;
ν - порядок гармоники,
и формировании сигнала о наличии обрыва стержня обмотки ротора при наличии указанных гармонических составляющих.
К недостаткам прототипа относятся невозможность применять его для двигателей с быстрым - продолжительностью менее 3 секунд, пуском, а также возможность травматизма при снятии показаний, так как большая часть аварийных ситуаций возникает именно в момент пуска.
Техническим результатом является создание достоверного и безопасного способа выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора высоковольтного асинхронного электродвигателя с быстрым пуском, продолжительностью менее 3 секунд.
Технический результат достигается тем, что в способе выявления оборванных стержней короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя, включающем цифровую регистрацию радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля во времени с помощью датчика магнитного поля, устанавливаемого на корпусе электродвигателя в зоне середины длины сердечника статора, разделение указанного сигнала на интервалы, проведение на каждом из этих интервалов оконного преобразования Фурье и получение частотно-временного спектра, указанный выше сигнал регистрируют в режиме выбега, определяют продолжительность интервалов ΔT, на которые разделяют регистрируемый сигнал, из условия:
где XOP - индуктивной сопротивление обмотки ротора, Ом;
ROP - активное сопротивление обмотки ротора, Ом;
sном - номинальное скольжение ротора, о.е,
ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;
p - число пар полюсов двигателя,
определяют в частотно-временном спектре наличие гармонических составляющих от фиктивной обмотки ротора, исключая гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов, частоты которых в режиме выбега определяются по выражению:
где ν=1, 2, 3, 4, 5… - порядок гармоники;
n(t) - скорость вращения асинхронного электродвигателя в момент времени t, об/мин,
при наличии указанных гармонических составляющих формируют сигнал о наличии обрыва стержня обмотки ротора.
Сущность изобретения поясняют графические материалы.
На фиг. 1 приведен частотно-временной спектр внешнего магнитного поля для математической модели исправного асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1 в режиме выбега.
На фиг. 2 приведен частотно-временной спектр внешнего магнитного поля для математической модели асинхронного двигателя типа ДАЗО2-17-44-8/10У1 с одним оборванным стержнем обмотки ротора в режиме выбега.
Сущность способа заключается в следующем.
Токи в обмотке роторе, в отличие от токов в обмотке статора, не исчезают сразу после отключения питания электродвигателя, а продолжают циркулировать некоторое время. Данное время характеризуется постоянной времени затухания апериодической составляющей токов в обмотке ротора, которая определяется по формуле
и зависит от соотношения индуктивного (ХОР) и активного (ROR) сопротивлений.
Для высоковольтных электродвигателей параметр Та.зат составляет 5 с и более. Если учесть, что за отрезок времени, равный 2⋅Та.зат, амплитуды токов в обмотке ротора уменьшатся всего лишь в 7,4 раза, то фактическое время для анализа сигнала, содержащего диагностическую информацию, составляет для таких двигателей не менее 10 с, что является достаточным для проведения контроля состояния обмотки ротора в режиме выбега.
Известно, что при возникновении обрывов стержней короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных электродвигателей резко увеличиваются амплитуды гармонических составляющих, называемых гармониками от фиктивной обмотки ротора (так они названы в статье «Анализ спектра магнитного поля в зазоре асинхронного двигателя при повреждении обмотки ротора», автор - Скоробогатов А.А. (Вестник ИГЭУ. - вып.2. - Иваново: ИГЭУ, 2006. С. 75-78)). При этом данные гармоники будут проявляться не только во внутреннем, но и во внешнем магнитном поле, как было показано в способе-прототипе. Частоты гармоник от фиктивной обмотки ротора могут быть определены по выражению:
s(t) - скольжение ротора.
Более удобно выражение (2) можно записать в виде:
n(t) - скорость вращения асинхронного электродвигателя в момент времени t, об/мин;
Данный сигнал более удобно и эффективно регистрировать не в режиме пуска или установившемся режиме работы электродвигателя, а в режиме его выбега. В режиме выбега второй составляющей (ƒр) в выражении (3) не будет (поскольку двигатель будет отключен от питающей сети), поэтому для режима выбега частоты гармоник от фиктивной обмотки ротора можно определить по выражению:
Характерным признаком наличия повреждения в режиме выбега будет появление в спектре внешнего магнитного поля гармоник с частотами, определяемыми по выражению (4), за исключением гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов ν=p.
Обработка полученных сигналов, как и в способе-прототипе, может быть осуществлена на основе оконного преобразования Фурье. Сигнал разделяют на интервалы ΔT, на каждом из которых производят преобразование Фурье. В результате будет получен частотно-временной спектр, то есть зависимость изменения амплитуды гармонических составляющих от частоты и от времени. В качестве оконных функций используют окно Флэттоп, поскольку данная оконная функция позволяет наиболее точно определять амплитуды гармонических составляющих и добиться при этом малого растекания спектра.
Для получения четкого частотно-временного спектра продолжительность интервалов, на которые разделяют исследуемый сигнал в режиме выбега асинхронного электродвигателя, должна находиться в диапазоне, определяемом условием:
Как было указано ранее для высоковольтных электродвигателей длительность затухания токов в обмотке ротора составляет не менее 10 с, а длительность выбега - несколько минут.
Способ реализуется следующим образом:
Посредством внешнего датчика магнитного поля (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. С помощью АЦП получают цифровой сигнал. Далее полученный сигнал разделяют на интервалы, продолжительность которых определяется по условию (5). После этого формируют частотно-временной спектр зарегистрированного сигнала с помощью оконного преобразования Фурье (используя в качестве оконной функции окно Флэттоп). В полученном частотно-временном спектре определяют наличие гармоник от фиктивной обмотки ротора (кроме гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов), частоты которых 
рассчитываются по формуле (4). При наличии этих гармонических составляющих делают заключение об имеющемся обрыве стержня обмотки ротора асинхронного двигателя.
Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя в режиме выбега 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.
Пример. Испытание работы заявленного способа на математической модели асинхронного электродвигателя ДАЗО2-17-44-8/10У1. Б проведенном опыте двигатель работает без рабочей машины (режим холостого хода), при этом время его пуска составляет не более 2 секунд, что недостаточно для проведения контроля состояния обмотки ротора по внешнему магнитному полю в режиме пуска, как описано в способе-прототипе. Двигатель является двухскоростным. В эксперименте выбег начинается при работе машины на первой скорости (5 пар полюсов).
Были выполнены две модели указанного асинхронного двигателя: в исправном состоянии и при наличии одного оборванного стержня в обмотке ротора. На корпусе машины был размещен датчик для регистрации радиальной составляющей внешнего магнитного ноля. Полученные частотно-временные спектры внешнего магнитного поля представлены на фиг. 1 и 2 соответственно. В табл. №2 приведены отношения амплитуд гармоник от фиктивной обмотки ротора, существующих во внешнем магнитном поле, для двигателей с поврежденной (1 оборванный стержень) и исправной обмотками ротора.
Из фиг. 2 видно, что при обрыве стержня в спектре отчетливо проявляются гармоники от фиктивной обмотки ротора первых пяти порядков (обозначены ФОР n, где n - порядок гармоники). В спектре исправного двигателя (фиг. 1) указанные выше гармоники от фиктивной обмотки ротора имеют заметно меньшие амплитуды за исключением гармоники пятого порядка, порядок которой совпадает с числом пар полюсов, что подтверждается данными, приведенными в табл. 2.
Claims (13)
- Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя, включающий цифровую регистрацию радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля во времени с помощью датчика магнитного поля, устанавливаемого на корпусе электродвигателя в зоне середины длины сердечника статора, разделение указанного сигнала на интервалы, проведение на каждом из этих интервалов оконного преобразования Фурье и получение частотно-временного спектра, отличающийся тем, что указанный выше сигнал регистрируют в режиме выбега, определяют продолжительность интервалов ΔT, на которые разделяют регистрируемый сигнал, из условия:
-
- где XOP - индуктивное сопротивление обмотки ротора, Ом;
- ROP - активное сопротивление обмотки ротора, Ом;
- sном - номинальное скольжение ротора, о.е.,
- ƒс - частота сети, Гц;
- ΔF - относительная ширина главного лепестка используемого окна по сравнению с шириной главного лепестка прямоугольного окна;
- р - число пар полюсов двигателя;
- определяют в частотно-временном спектре наличие гармонических составляющих фиктивной обмотки ротора, исключая гармоники порядка, совпадающего с числом пар полюсов, частоты которых в режиме выбега определяются по выражению:
-
- где ν=1, 2, 3, 4, 5… - порядок гармоники;
- n(t) - скорость вращения асинхронного электродвигателя в момент времени t, об/мин,
- при наличии указанных гармонических составляющих формируют сигнал о наличии обрыва стержня обмотки ротора.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2786379C1 true RU2786379C1 (ru) | 2022-12-20 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8405339B2 (en) * | 2010-07-01 | 2013-03-26 | Eaton Corporation | System and method for detecting fault in an AC machine |
| US9151802B2 (en) * | 2011-04-15 | 2015-10-06 | Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. | Detection of broken rotor bar conditions in a motor using maximum current magnitude and average current magnitude |
| CN107589373A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-01-16 | 马鞍山马钢华阳设备诊断工程有限公司 | 一种异步电机转子断条故障判断方法 |
| RU2644576C2 (ru) * | 2016-04-14 | 2018-02-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя |
| RU2654972C1 (ru) * | 2017-05-02 | 2018-05-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Способ выявления обрывов стержней короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного электродвигателя и их количества |
| RU2687881C1 (ru) * | 2018-06-13 | 2019-05-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя |
| RU2724988C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-06-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8405339B2 (en) * | 2010-07-01 | 2013-03-26 | Eaton Corporation | System and method for detecting fault in an AC machine |
| US9151802B2 (en) * | 2011-04-15 | 2015-10-06 | Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. | Detection of broken rotor bar conditions in a motor using maximum current magnitude and average current magnitude |
| RU2644576C2 (ru) * | 2016-04-14 | 2018-02-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет" | Способ диагностики повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя |
| RU2654972C1 (ru) * | 2017-05-02 | 2018-05-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Способ выявления обрывов стержней короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного электродвигателя и их количества |
| CN107589373A (zh) * | 2017-08-30 | 2018-01-16 | 马鞍山马钢华阳设备诊断工程有限公司 | 一种异步电机转子断条故障判断方法 |
| RU2687881C1 (ru) * | 2018-06-13 | 2019-05-16 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя |
| RU2724988C1 (ru) * | 2019-07-09 | 2020-06-29 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина" (ИГЭУ) | Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zamudio-Ramirez et al. | Detection of winding asymmetries in wound-rotor induction motors via transient analysis of the external magnetic field | |
| Zhang et al. | A novel detection method of motor broken rotor bars based on wavelet ridge | |
| EP2728367B1 (en) | A method for detecting a fault condition in an electrical machine | |
| Singh | Experimental investigations on induction machine condition monitoring and fault diagnosis using digital signal processing techniques | |
| Sahraoui et al. | The use of a modified prony method to track the broken rotor bar characteristic frequencies and amplitudes in three-phase induction motors | |
| US5742522A (en) | Adaptive, on line, statistical method and apparatus for detection of broken bars in motors by passive motor current monitoring and digital torque estimation | |
| Irhoumah et al. | Detection of the stator winding inter-turn faults in asynchronous and synchronous machines through the correlation between harmonics of the voltage of two magnetic flux sensors | |
| EP2919027A1 (en) | Fault detection in induction machines | |
| US20150293177A1 (en) | Method for the diagnostics of electromechanical system based on impedance analysis | |
| CN102636751A (zh) | 基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法 | |
| Kechida et al. | Approach signal for rotor fault detection in induction motors | |
| JP5670033B2 (ja) | 漂遊磁束を処理する方法およびシステム | |
| BR112014007556B1 (pt) | método de determinação de sinais estacionários para o diagnóstico de um sistema eletromecânico | |
| Yazidi et al. | Rotor inter-turn short circuit fault detection in wound rotor induction machines | |
| Silva et al. | A method for measuring torque of squirrel-cage induction motors without any mechanical sensor | |
| KR20100130326A (ko) | 전자식 모터 부하시험장치 | |
| Yazidi et al. | Broken rotor bars fault detection in squirrel cage induction machines | |
| Ciszewski et al. | Current-based higher-order spectral covariance as a bearing diagnostic feature for induction motors | |
| Zhang et al. | Diagnosis of mechanical unbalance fault in permanent magnet synchronous machine drives | |
| EP2851698B1 (en) | A method for detecting a fault in an electrical machine | |
| GB2122749A (en) | Electrical condition monitoring of electric motors | |
| RU2786379C1 (ru) | Способ выявления оборванных стержней в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного электродвигателя | |
| Orman et al. | Parameter identification and slip estimation of induction machine | |
| Dehina et al. | Experimental investigation in induction motors using signal processing techniques for early detection of inter-turn short circuit faults | |
| Chen et al. | Harmonics analysis of air-gap magnetic field of induction motors with stator inter-turn fault |