К. с-х. н. Мармус Т. Н., к. с-х. н. Гусева С. А.

Дальневосточный государственный аграрный университет, г. Благовещенск, Российская Федерация

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАННЕГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРЕХФАЗНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Эффективность раннего диагностирования технического состояния асинхронных двигателей (АД) требует, чтобы параметры контроля были не только информативными, но и легко доступными для измерения. Решению данного вопроса способствовало развитие микропроцессорной и компьютерной техники, разработка на их базе методов и средств контроля, а так же анализа технического состояния электродвигателей в сельскохозяйственном производстве, внедрение технологии обслуживания оборудования по «фактическому состоянию».

Суть технологии состоит в том, что обслуживание и ремонт производится в зависимости от реального текущего состояния механизма, контролируемого в процессе эксплуатации каких либо разборок и ревизий на базе контроля и анализа соответствующих параметров. Широкое распространение получили методы контроля, базирующиеся на измерении параметров вибрации. Это обусловлено тем, что вибрационные сигналы несут в себе всю информацию о состоянии механизма и его кинематических связей. При появлении каких-либо факторов вызывающих отклонение от нормального состояния электродвигателя, наблюдаем реакцию на их воздействии по изменению соответствующих вибрационных параметров, которые в силу своей высокой информативности и чувствительности отражают происходящие с электродвигателем перемены. При этом определяются реальные причины происходящих изменений в каждой конкретной ситуации и принимаются обоснованные решения по их устранению.

Данная технология позволяет сократить эксплуатационные расходы, повысить ресурс и надежность оборудования, однако для ее внедрения необходимо достаточно точное приборное и методическое обеспечение.

Электрические двигатели – самые распространенные привода машин технологического оборудования сельскохозяйственного производства и предназначены для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращающегося ротора.

Электродинамические силы, действующие на проводники с током в магнитном поле определяются по формуле:

, (1)

где, - величина тока в проводнике;

– длина проводника;

– магнитная индукция магнитного поля;

- напряженность магнитного поля;

– магнитная проницаемость воздуха.

В асинхронных трехфазных электродвигателях магнитное поле является круговым вращающемся. Это результирующее магнитное поле образуется наложением трех прямых и обратных волн магнитной индукции. Прямые волны совпадают по фазе и усиливают друг друга так, что магнитная индукция результирующего поля имеет максимальное значение, в 1,5 раза больше амплитуды В _m индукции поля одной фазы.

Магнитное поле АД характеризуется двумя угловыми частотами: угловой частотой питающего напряжения частотой вращения основной пространственной волны магнитного поля , где р – число пар полюсов.

Вращение ротора происходит с угловой частотой

, (2)

где, S – скольжение ротора.

Обмотки статора АД распределяются по группам, число которых равно 6 р, а каждая группа распределяется по пазам. Число пазов статора скоса пазов составляет . Обмотка ротора АД, как правило, выполняется в виде «беличьей клетки», то есть в виде коротко замкнутых стержней, соединенными по торцам токопроводящими кольцами.

Магнитное поле статора, кроме основной гармоники с частотой питающей сети и пространственным порядком р, содержит ряд высших пространственных гармоник, а магнитное поле ротора, кроме основной гармоники, так же содержит ряд высших гармоник.

Магнитная проводимость воздушного зазора из-за зубчатости статора и ротора имеют переменную составляющую, которая является суммой неподвижных высших гармоник статора и вращающихся высших гармоник ротора. Сумма магнитных полей ротора и статора с большим количеством гармоник магнитного поля разной частоты и пространственного порядка является источником электромагнитных радиальных колебательных сил. Эти магнитные поля, взаимодействуя с токами в обмотке статора и ротора, создают тангенциальные электродинамические постоянные и колебательные моменты сил.

Особенностью действия колебательных сил как электромагнитной, так и электродинамической природы является их пространственный волновой характер. В бездефектных АД колебательные силы (радиальные и тангенциальные), действующие на ротор, равны нулю. Тангенциальные электродинамические силы, действующие на статор, то же равны нулю. Электромагнитные радиальные колебательные силы низких порядков изгибают статор, создавая волну радиальных колебаний удвоенной частоты и удвоенного пространственного порядка.

Надежность электромагнитной системы АД зависит от симметрии магнитного поля, определяемой симметрией обмоток, симметрией воздушных зазоров между ротором и статором, равенством магнитодвижущих сил обмоток, а так же от состояния крепления элементов машины и изоляции электрических обмоток.

Несимметрия воздушных зазоров в АД приводит к появлению электромагнитных сил между ротором и статором в зоне пониженного зазора, перегружающих подшипники и снижающих их ресурс и в этой же зоне происходит магнитное насыщение зубцов магнитопровода, по которым магнитный поток обходит витки обмотки электродвигателя. Уровень вибрации проявляется на частоте электромагнитных сил и на частоте вращения магнитного поля в зазоре (частота сети деленная на количество пар полюсов).

Электродинамической является сила взаимодействия проводника, в котором протекает ток, с магнитным полем, пересекающем этот проводник. В воздушном зазоре возникает пара встречных электромагнитных сил, стремящихся уменьшить энергию магнитного поля.

Электродинамические силы начинают действовать непосредственно на обмотки, приводя к ускоренному износу изоляции и элементов крепления обмоток в пазах сердечника.

Одним из дефектов электромагнитной силы является эксцентриситет воздушного зазора. Различают в АД статический и динамический эксцентриситеты, которые появляются из-за износа подшипников или деформации статора вследствие ошибок при креплении к фундаменту. Из-за статического эксцентриситета в зазоре появляются дополнительные составляющие магнитного поля с частотой . Наличие динамического эксцентриситета приводит к появлению составляющих поля с частотами . Эксцентриситеты являются источниками радиальных электромагнитных колебательных сил с частотами и , а их взаимодействие с током ротора и статора дает дополнительные тангенциальные электродинамические силы на участках и .

Эксцентриситет внешней поверхности ротора относительно оси его вращения, проявляется в увеличении вибрации на частоте вращения и частоте действия электромагнитных с боковыми полосами, сдвинутыми друг от друга на частоту равную частоте скольжения ротора умноженную на число пар полюсов. При этом пик боковой полосы на меньшей частоте равен «зеркальному» пику на большой частоте.

Так как магнитное поле и токи в обмотках статора АД имеют переменные составляющие, то возникающие колебательные силы имеют электромагнитную, электродинамическую и магнитострикционную природу.

Переменный синусоидальный ток с угловой частотой возбуждает магнитное поле в зазоре между ротором и статором с индукцией .

Возникает пара электромагнитных сил, действующих на магнитопровод

, (3)

где – амплитуда колебательной сети;

- частота электромагнитной силы.

Удвоение частоты при переходе от переменного магнитного поля к колебательным силам является основным свойством электромагнитных сил.

При синусоидальном изменении магнитной индукции в магнитопроводе АД магнитострикционная деформация магнитной сети будет иметь удвоенную угловую частоту , но по величине колебательные перемещения поверхности магнитопровода с частотами незначительные (к = 2,3,4 …).

Если в воздушном зазоре АД магнитное поле изменяется с частотой , а электрический ток в обмотках имеет частоту , то электромагнитная сила (без учета переменного магнитного поля, создаваемое проводником), имеет гармоническую составляющую с частотой , а электродинамическая сила – две составляющие с комбинационными частотами и .

Величина составляющих вибраций АД зависит от величин колебательных сил, так и от жесткости колебательной системы. Большими колебательными силами являются электромагнитные, которые действуют между ротором и статором в радиальном направлении, то есть гнут корпус машины в соответствии со сложной пространственной формой магнитного поля. Форма магнитного поля и деформация статора имеет угловую симметрию и характеризуется порядком колебаний, который равен количеству пространственных волн, укладывающихся на длине окружности статора АД [5].

При дефектах электромагнитной системы возникает несимметрия магнитного поля в воздушном зазоре, и начинают действовать магнитные силы первого порядка, смещающие ротор относительно статора. Такое смещение приводит к тому, что осевые силы, стремясь вернуть ротор в нейтральное положение, вызывают значительную осевую вибрацию на частоте питающей сети или на частоте вращения ротора в зависимости от типа трения в препятствии к осевому смещению. Большинство подшипников АД не предназначено для компенсации осевых усилий и поэтому быстро выходят из строя.

Статический эксцентриситет зазора может привести к росту зубцовых составляющих радиальной вибрации АД, а динамический эксцентриситет – к росту боковых составляющих вибрации.

Ослабление прессовки пакета стали ротора ведет к увеличению вибрации на частоте действия электромагнитных сил и появлению зубцовой частоты с боковыми полосами, сдвинутыми друг относительно друга на частоту действия электромагнитных сил. Контроль технического состояния электродвигателя проводится при нагрузке не менее 70% от номинальной, так как на холостом ходу можно выявить не все проблемы. Признаком того что диагностируемый дефект имеет электромагнитную причину, является мгновенное исчезновение его признаков в спектре вибрации после отключении электродвигателя от сети.

При электрической несимметрии обмотки ротора АД в ней появляется ток с частотой Sω ₁ , имеющей обратное относительно ротора направление вращения. А в обмотке же статора индуктируется ток с частой (1-2S)·ω ₁ , который взаимодействуя с основным магнитным полем, создает электромагнитный момент, пульсирующий с частотой 2S ω ₁ .

При динамическом эксцентриситете зазора с насыщением зубцовой зоны происходит уменьшение амплитуды основной волны электромагнитного поля, которое можно рассматривать как амплитудную модуляцию поля с частотами , где к = 1,2,3,4…; .

В результате модуляции электромагнитного поля в АД появляются пульсирующие моменты с частотами .

При диагностике АД по их вибрации необходимо учитывать особенности влияния несимметрии и нелинейности питающего напряжения, которые приводят к появлению вибраций на частотах, кратных частоте питающего напряжения.

Особенности диагностики АД в составе агрегатов с механизмами различного назначения заключаются в следующем: 1 – необходимо учитывать вибрацию механизма в вибрацию электродвигателя; 2 – диагностическая информация о состоянии агрегата может быть получена из анализа пульсации тока приводного электродвигателя.

Пульсации тока электродвигателя несут в себе диагностическую информацию, как о самом электродвигателе, так и о механизмах, в которых нагрузка носит пульсирующий характер.

При диагностике электрических агрегатов с приводными электродвигателями сам электродвигатель выступает в роле датчика пульсирующих моментов, которые появляются в агрегате при различных дефектах, таких как несоосность валов электродвигателя и рабочего механизма, повреждение ротора, дефекты ременной передачи и т.д.

Физический принцип, положенный в основу работы диагностического комплекса, заключается в том, что любые возмущения в работе электрической или механической части электропривода приводят к изменениям магнитного потока в зазоре АД и, как следствие, к его амплитудной модуляции, параметры которой определяются по спектру тока, потребляемого электродвигателем. Наличие в спектре тока АД характерных частот определенной величины свидетельствует о наличие повреждений электрической или механической части электродвигателя и связанного с ним механического устройства.

Повреждение ротора электродвигателя (обрыв стержней, скрытые дефекты литья, ослабление крепления стержней к контактным кольцам). Этот вид дефекта обнаруживается по наличию двух симметричных относительно частоты питающей сети пиков (А) в спектре тока (рис. 2а). Несоосность валов электродвигателя и механической нагрузки определяется по частотам кратным частоте вращения ротора (В) (рис. 2б).

а) б)

Рис. 2. Характерные частоты спектра тока АД: а) с дефектом обмотки ротора;

б) при наличии несоосности валов двигателя и механической нагрузки

Дефекты в ременной передачи вентилятора представлены рис. 3. Этот вид неисправностей определяется по частотам, кратным частоте биений ремня, определяемой длиной последнего и диаметрами шкивов.

Дефекты в ременной передачи вентилятора представлены рисунком 16. Этот вид неисправностей определяется по частотам, кратным частоте биений ремня, определяемой длиной последнего и диаметрами шкивов. Характерные частоты отмечены – (С).

Рис. 3. Характерные частоты (С) при наличии дефектов ременной передачи

При проведении повторных измерений формируется база данных, позволяющая отслеживать динамику развития повреждения во времени, что дает возможность заблаговременно планировать выведение оборудования в ремонт и существенно сократить затраты, связанные с отказами оборудования, так и снять затраты электроэнергии.