автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Исследование влияния повреждений короткозамкнутого ротора на работу асинхронного двигателя

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Гражданин САР, аспирант СААДА ГУРГЕС

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ КОРОТКО-ЗАМКНУТОГО РОТОРА НА РАБОТУ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Специальность 05.09.01 - Электрические маяшщ.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

АРМЕНИИ

На правах рукописи

УДК 621.313.333

Ереван - 1952

Работа выполнена на кафедре электромеханики 1Ъсударст-венного пнжененэго университета Армении.

Научный руководитель - кавдидат технических наук,

доцент НИКИЯН Н.Г.

Официальные оппоненты - чл.-корр. АН Армении, доктор

технических наук, профессор АРЕП1ЯН Г.Л.

кандидат технических наук, с.н.с. ЧИМШКЯН Э.Е.

Ведущая организация - Завод "Электродвигатель",

г. Ереван.

Защита состоится " 6 " оя „ 1992г. в ¡2, часов на заседании Специализированного совета К 055.03.03 при Государственном инаенерномуниверситете Армении.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 375009, Ереван-9, ул. Теряна, 105, Ученый советГИУА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИУА,

Автореферат разослан " ¡7" " 02- 1992г.

Ученый секретарь Специализированного совета К 055.03.03, к.т.н., доцент

,iÍUÍIlí

М. С. МНАДДКАНЯН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Трехфазные асинхронные двигатели (ДА) являются наиболее массовой продукцией электромашиностроения. Асинхронные электроприводы составляют около 9555 общего количества электроприводов, а ДА 'Потребляют более половины производимой в стране электроэнергии. Значительная часть ДА малой и средней мощности имеет короткозамкнутый ротор с литой клеткой из алюминия, которая изготовляется методом литья под большим давлением. Нарушения технологического режима заливки и дефекты сердечника ротора могут привести к нарушению целостности элементов короткозамкнутой клетки. Существующий на электромеханических заводах контроль качества клетки часто является малоэффективным, вследствие чего ротор с дефектами короткозамкнутой клетки попадает в готовую машину. Наиболее глубока вероятность использования ротора с одним дефектным стержнем.

С другой стороны остаточные механические напряжения в литой клетке, частые пуски и реверсы в эксплуатации могут привести к разрыву стержней. Поэтому возникновение дефектов ротора возможно также в процессе эксплуатации.

Таким образом, ДА с дефектами в короткозамкнутой клетке ротора являются объективно существующей реальностью. В связи с этим необходимо исследовать влияние дефектов на показатели и работу ДА.

У§й_и_задачи_работы.. Цель заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании трехфазных ДА с несимметрией клетки ротора, обусловленной дефектами стержней. При этом необходимо было решить следующие задачи:

1) разработать аналитический способ расчета токов и вращающих моментов ДА, имеющего несимметричную клетку ротора, с учетом насыщения стали сердечников и намагничивающего тока;

2) разработать программу расчета на ЭВМ характеристик ДА, имеющего несимметричную клетку ротора;

3) выполнить экспериментальные исследования характеристик ДА при обрыве части стержней клетки ротора;

4) провести тепловые испытания ДА с несимметричной клеткой ротора;

5) сформулировать рекомендации по допустимой степени несимметрии клетки ротора.

Методы исследования. В работе применены метод решения систем комплексных уравнений на ЭВМ, метод симметричных составляющих в применении к электрическим машинам, методы теории и экспериментальные методы исследования электрических машин.

Основные научные результаты заключаются

в следующем:

I) развит применительно к электрическим машинам метод симметричных составляющих;

¿) разработан аналитический способ расчета токов и вращающих моментов ДА при дефекте одного стержня короткозамкну-той клетки ротора с учетом насыщения сердечников;

3) разработана программа расчета на ЭВМ характеристик ДА с обрывом стержня клетки ротора при учете насыщения сердечников;

4) получены результаты экспериментальных исследований влияния обрыва одного и более стержней клетки ротора на характеристики ДА;

5) получены результаты тепловых испытаний под нагрузкой ДА, имеющего один дефектный стержень.

Практическая_уенностьЛ Разработанный способ и программа расчета позволяют определить токи и механические характеристики ДА при дефекте одного стержня, что особенно важно в двигателях с малым числом пазов короткозамкнутого ротора.

Исследования показали, что при числах пазов 20*34 обрыв одного стержня незначительно влияет на эксплуатационные характеристики и нагрев обмотки статора и ротора ДА.

Результаты диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-пре-подвБйтельского состава и аспирантов Ереванского политехнического института в 1990 и 1991 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликован один печатный труд.

Структу£в_и_объем_2аботы;_ Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации на 96 страницах машинописного текста, из которых 63 стр. основного текста, 26 рисунков на 18 стр., 2 таблиц, 11 стр.приложения, 3 стр. библиографии из 22 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

обоснована актуальность темы, определены общая цель и основные задачи работы.

выполнен критический обзор литературных источников по теоретическому и экспериментальному исследованию асинхронных двигателей с несимметрией в короткозашшутой клетке ротора, вызванной дефектами элементов клетки. Рассмотрены труды И.И.Трещева, К.М.Кручинской, С.Г.Жохевичюса, К.С.Демир-чяна, И.З.Богуславского и других. Для теоретического исследования в указанных трудах применяются методы изображающих векторов, симметричных составляющих, вращающихся полей и теории двух осей. Задача определения характеристик ДА с несимметричной клеткой ротора решается в линейной постановке без учета насыщения магнитной цепи. Отсутствуют сведения о влиянии несимметрии клетки ротора на нагрев ДА в длительном режиме работы.

Показано, что при современном уровне контроля качества клетки ротора на электромеханических заводах не исключена возможность появления в готовых ДА одного дефектного стержня.

По результатам проведенного анализа сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе проведено теоретическое исследование асинхронной машины при несимметрии короткозамкнутой клетки ротора. Предварительно рассмотрено определение токов в элементах симметричной короткозамкнутой клетки с помощью обобщенной характеристики МДС ротора согласно работам акад.К.С.Демирчяна и д.т.н. И.З.Богусловского.

Распределение основной гармоники индукции результирующего поля в зазоре, вращающейся относительно ротора, для М-го контура короткозамкнутой клетки имеет вид:

15 = Ьм е (1)

где СОг = СО,Б - круговая частота тока ротора,Р - электрический угол между соседними стержнями, <Х - начальный фазовый угол.

Приводится система уравнений токов и ЭДС контуров корот-козамкнутой клетки ротора, которая является линейной и имеет постоянный коэффициент.

Далее рассмотрена короткозамкнутая клетка с несимметрией, вызванной повреждением стержня. Полное сопротивление пазовой части этого стержня с номером /\}р представляется в виде:

- 2/3 + (2)

где ^п - полное сопротивление пазовой части неповрежденного стержня, Д^д/р- добавочное сопротивление, которое вводят в цепь поврежденного стержня для имитации повреждения.

Токи в несимметричной короткозамкнутой клетке представлены в виде суммы двух составляющих:

ток //-го стержня ^ = (3)

ток А/-го сегмента кольца

Для контуров несимметричной клетки, образованных нормальными стержнями с одинаковым сопротивлением , составлены уравнения с несимметричными токами. Из них выделяют части,составленные только для добавочных токов, которые образуют систему уравнений.

Решение системы уравнений дает выражения для добавочных токов в сегментах кольца и стержнях клетки. Постоянные/;,.../^, входящие в эти выражения, определяются из начальных условий путем решения системы из 4-х комплексных уравнений. Таким образом, определение добавочных токов сводится к решению указанной системы из 4-х уравнений независимо от количества пазов ротора.

;Результирующие токи в стержнях и сегментах кольца определяются по формулам (3). На комплексной плоскости токи в стержнях ротора составляют несимметричную звезду, которая для многофазной обмотки с числом фаз /V. разлагается на Ы0 симметричных составляющих. Так, в фазе (стержне) многофазной обмотки равен сумме симметричных составляющих токов в этой фазе.

Если проанализировать стержни клетки: О, I,... К,.../У , ..» Л»—I, то комплексная амплитуда симметричной составляющей

/V -ой последовательности токов в стержне с номером 0 равна:

где Хл , I, , »••■ »••• ^N-1 ~ комплексные амплитуды токов в стержнях с номерами 0,1,2,... К ,---ЛМ; а" А,а - 2ЖЫР ,

р —мр--—— - фазовый сдвиг между токами соседних

стержней для N-й последовательности токов, эл.град;

Р - число пар полюсов.

В обмотке типа беличьей клетки токи нулевой последовательности в стержнях всегда равны нулю. Поэтому несимметричная звезда токов стержней при наличии дефектных стержней не содержит токи нулевой последовательности. Общее число симметричных) составляющих при этом будет равно//0-1 •

Анализ показывает, что фазовый сдвиг токов /V -ой последовательности в соседних стержнях составляет Д/Д , а для ( А/а-А/ )-ой последовательности -

Если симметричная звезда токов /У-ой последовательности в Р -периодной модели имеет прямое чередование фаз, то звезда токов (Л^-Л/)-ой последовательности имеет обратное чередование фаз.

Гармонический анализ поля ротора, созданного симметричными составляющими токов N -ой и (Ы- N )-ой последовательностей, показывает, что каждая последовательность тока ротора создает как основную, так и высшие гармоники магнитного поля. Основные гармоники поля от/У-ой и (Л»-ЛО-ой последовательностей токов ротока имеют МР пар полюсов и вращаются относительно ротора с угловой скоростью БСО, . Основная гармоника поля, вызванная Л^-ой последовательностью токов, вращается по направлению вращения основной гармоники поля при симметричном роторе; а от (Л£-/У)-ой последовательности токов - вращается обратно. Номер последовательности /V принимает целочисленные значения при

если

/V» - четное число, и /V ^'/2. -0,5, если А/а- нечетное число.

Основные гармоники МДС, ротора от А/-ой и от (//„-//)-ой последовательностей токов ротора имеют /V/3 пар полюсов и представлены в виде комплексных (изображающих) векторов в собственных осях ротора с/? . Если ось совпадает с началом отсчета (со стерянем * 0), то

¿(ъ-и) гМ^^МР«)

= гт с (6)

¿^ К1" ^ где Г№ и - —щйр '

- комплексные амплитуды ЫДС соответственно для /У-ой и (Л£-//)-ой последовательностей тока ротора;

1в и ^- комплексные амплитуды симметричных составляющих соответственно /У-ой и (Л£-/У)-ой последовательностей токов в стеркне № 0;

0(. - угловой аргумент, геом.град. . Остальные гармоники МДС от токов и Хо создают потоки дифференциального рассеяния ротора относительно указанных токов.

Изображающий вектор основной гармоники МДС симметричного

где Е, = ^ и 2 _ комплексные амплитуды МДС ро-

тСим 2 УТР °сим

тора и тока (в стержне № 0) при симметричном роторе.

Вводим коэффициенты несимметрии клетки ротора: Ти

(8)

I.

Г=-

еш ЧК-н)

I"

м о

(9)

которые характеризуют несимиетрию по токам N -ой и (Л^-Л')-ой последовательностей.

Принимаем, что току ■ 1"ГсиЛ/ симметричного ротора соответствует ток статора 15Сим- При наличии поврежденных стержней ротора в статоре возникают прямая 7& и обратная Г5 ^ симметричные составляющие. Причем, току статора в семмитрич-

2* о- ЬПР

ном рдторе соответствует ток 1ГПрСми > а току статора -

ток 1Гв(Г симметричного ротора. При совместном воздействии токов статора £ ^ с

(Ю)

токи в роторе равны:

1=1 +г (п)

где

£ - $ I + Г' ^ I ) е^*'^ <в>

«з,

Здесь ^ ' ' И ~ коэФФициенты несимметРии

клетки ротора соответственно при токах статора ^ и Определяются по формулам (8) и (9), но при =1.^ При отсутствии дефектных стержней ^ = ^ =1,

$2пр= 0г = 0, ^Гд/сим=0.

Уравнения напряжений асинхронной машины при наличии несимметрии в клетке ротора, записанные с помощью изображающих векторов в собственных осях ротора, имеют следующий вид:

0 +</(/-5)4 £ (14)

5 5 с/Г

гу

0Г=ЯЛ+ -Ж «5,

где и - активные сопротивления фазных обмоток статора •и ротора; ^ и , ^ и £ - изображающие векторы напряжений и полных потокосцеплений обмоток статора и ротора. ~ V ~

Г^ г-

^ - + ^»Г^ ' (17)

5г ~ полные и взаимные индуктивности соответственно статора и ротора.

■ В уравнения (14ЫГ7) подставляем значения токов по (10) и^П). Получаем равнения в комплексной форме для Ц и

"Ьсы- ' ¿/гдоИ 0Го(г ' 0бштка статора симметричная У^ита-ется от симметричной системы напряжений основной частоты. Поэтому и5снГ=0. и 1)5лГи5-

Для составляющих токов статора и ротора при несимметрии клетки получены следующие выражения:

■^ооГ

^ = .¿В Ц-Ш^ е, с»)

1 =

0. ^_

г у»г ¿2-/ (20)

2 Ъпре У

W

(21)

Zrnp-Rr+jsXr ; ZroS =^r-(/sXr

Xs = Х8|.+Х^ . X, = Xsr+ X„r - полные индуктив-

нне сопротивления соответственно статора и ротора; Х<з-Г и Xg-r -индуктивные сопротивления рассеяния соответственно обмоток статора и ротора; Xsr инДУктивное сопротивление взаимоиндукции обмотки статора; ^ и ^ комплексные величины,сопряженные с ^ и ^ .

Х- Xi. ; % = ^ " -

Из (21) следует, что изобраясАЩИй вектор тока-So,/- относительно изображающего вектора /5п/> вращается с угловой скоростью 2SCO, в обратном направлении, а относительно ротора вращается также в обратном направлении, но с угловой скоростью SCO, . При 5 = 0 и S = 0,5

Изображающие векторы токов ротора * и Ir0(f относительно ротора вращаются соответственно в прямом и обратном направлениях с угловой скоростью SCO, .

Вращающий момент ДА с несимметричной клеткой ротора состоит из двух составляющих:

М=Мпр+М05 (22)

гдеА{Пр- момент, созданный взаимодействием основной гармоники поля токов прямой последовательности ротора и системой токов прямой последовательности статора;

Мо5 - момент, созданный взаимодействием основной гармоники поля токов обратной последовательности ротора с системой токов обратной последовательности статора

частоты (1-2$

V

у *

где ^ ^ - комплексные величины,сопряженные с и

7Г

и °5

МоментМсБ является положительным при скольжении Б>0,5.

При Б =0,5 МД = 0. Потери энергии ДА равны:

Рсг+Рэ*+Рэг + Ре + Р»*' (25)

где ¡г.7 - потрри в стали; /д - добавочные потери; Рмх - механические потери..

Электрические потери в обмотке статора равны:

Электрические потери в обмотке ротора равны: /V.

где и Rc.fi ~ активные сопротивления соответственно /У-го сегмента кольца и/У-го стержня.

Разработанная математическая модель была реализована на ЭЕЫ. Расчетные характеристики некоторых испытуемых ДА представлены на рис.1 и 2.

В третьей главе описаны экспериментальные исследования ДА с несимметрией короткозамкнутой клетки ротора, вызванной дефектами стержней. Объектами исследования служили экспериментальные двух- и четырехполюсные ДА: а) на базе А0Л22-2 (двигатель I) и А0Л22-4 (двигатель 2) с роторами, имеющими составную

- 13 -

изолированную клетку из меди и латуни; б) на базе 4АМ80 В2 (двигатель 3) и 4АМ80 А4 (двигатель 4) с роторами, имеющими литую алюминиевую клетку, не изолированную от сердечника ротора. Эксперименты были проведены при симметричной и несипмет-ричной клетках. Несимметрия создавалась разрезанием (двигатели I и 2), либо высверливанием (двигатели 3 и'4) соседних стержней.

В диссертационной работе приводится описание испытательного стенда и методики исследования указанных двигателей. Статический вращающий момент двигателей измерялся посредством балансирного моментамера. Среднее превышение температуры обмотки статора определялось методом сопротивления. Превышение температуры короткозамкнутого ротора определялось с помощью термопар медь-константан, заложенных в тело ротора. Концы термопар были выведены сквозь сверленое отверстие в валу. Термо-ЭДС измерялась потенциометром .постоянного тока.

ДА I и 2 имели повышенное активное сопротивление ротора, поэтому максимум вращающего момента симметричного ротора расположен в зоне скольжений Э>1 (рис.1). Значения токов и вращающих моментов (рис.1 и 2) определялись, при неизменной температуре обмоток двигателей. Для определения влияния дефектов клетки ротора на тепловой режим были проведены испытания на нагревание ДА 3 и 4 в длительном режиме. Опыты были проведены на ДА с роторами, имеющими симметричные клетки, а также клетки с дефектом стержня (табл.1). Мощность на валу поддерживалась неизменной при симметричной и нессиметричной клетках.

даны анализ результатов расчетного и экспериментального исследования и ориентировочное значение допустимой несимметрии короткозамкнутой клетки ротора ДА. По результатам теоретического исследования получены зависимости токов и вращающих моментов ДА I и 2 (с изолированной клеткой) от скольжения при симметричной клетке и при обрыве одного стержня (.К-1). Расчеты производились для значения добавочного сопротивления, имитирующего обрыв стержня, равного активному сопротивлению = =¡0 0». Расчетные значения токов и моментов достаточно близки к измеренным: максимальное расхождение не превышает соответственно 55{ и 9%.

О ол ОА 0,9 0,8 5

РисЛ Зависимость от скольжения полного тока и момента двигателя № I. Расчет:--К=0 ,---—

Опытные значения тока :/.-К=0) Д-К= 1;о-К = 2,-а-КзЗ. Опытные значения момета:Х-К='0;А-К=1;О-/(=22а-К-3-

О 0,2 <7,4 0.6 0.& 6

Рис.2 Зависимость от сколыкения полного тока и момента двигателя № 4. Расчет:--К~0Г____к=£

Опытные значения тока Х-К^О; А-К=1.

Опытные значения момента: □ - K=i .

пусковые моменты и токи при К=0К-I : о, в

Таблица I

Результаты испытания ДА № 3 и № 4 под нагрузкой в длительном режиме

Клетка ротора М нм К н С05<р К г 6С

симметричная несимметричная 4,7^ 4,72 6,4 4,66 1911 ♦ 0,724 0,85 72,4 76

6,4 4,9 1906 0,718 0,852 74 80

симметричная 3,213 7,5 6,9 1096 0,706 0,73 87 107

несимметричная 3,37 7,5 8,0. 1083 0,662 0,735 89 112

Номер двигателя

№ 3

№ 4

I

и сл

Для ДА 3 и 4 (с литой неизолированной клеткой) расчеты производились при указанном выше значении , а также при

А= 6Ип , где - полное сопротивление нормального стержня клетки. В последнем случае учитывались токи перетекания по стали между частями оборванного стержня. Результирующие токи статора и вращающие моменты практически совпадают для обоих значений . Более заметно величина Д&лгр влияет на составляющие тока и момента, обусловленные обратно вращающимся полем ротора.

Экспериментальные исследования проводились также при числе соседних оборванных стержней К =2 и 3 для ДА I и 2, и К=7 - для ДА4. Увеличение числа оборванных стержней приводит к возрастанию эквивалентного сопротивления обмотки ротора. Поэтому токи короткого замыкания при этом уменьшаются.

При обрыве одного стержня (или 5,6% числа пазову^ ротора) пусковой момент уменьшается для ДА1 на 8%, для ДА2 -- на 6%. Уменьшение пускового момента при К=3 (или 16,7%№ составляет для ДА1 - 17,4%, для ДА2 - 35%.

При К=1 (или 5%А/<>) пусковой момент ДАЗ уменьшается на 6%, а максимальный - на 7,7%. Для ДА4 при К =1 (или 3%Д4) пусковой момент уменьшается на 6,3%, а максимальный на 3%.

При К =7 Сили 21% //0) ДА4 при номинальной нагрузке на валу ток статора и скольжение больше номинальных значений соответственно на 20% и 32%.

Испытание на нагревание ДА 3 и 4 показало, что при неизменной полезной мощности, равной или близкой к номинальной, превышение температуры обмотки статора и ротора при обрыве одного стержня отличается от соответствующих величин при симметричной клетке для ДАЗ соответственно на 1,6°С и 4°С, для ДА4 - на 2°С и 5°С.

По результатам анализа полученных данных сделан вывод, что обрыв одного стержня, составляющего (5т6)% числа пазов ротора, приходящихся на пару полюсов, является допустимым с точки зрения пускового и максимального момента, скольжения, КПД, коэффициента мощности, а также нагрева статора и ротора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Развит метод симметричных составляющих применительно к электрическим машинам. Показано, что каждая йоследователь-ность токов ротора создает МДС, число периодов и направление вращения которой зависит от порядка последовательности.

2. Разработан аналитический способ расчета токов и моментов при дефекте одного стержня короткозамкнутой клетки ротора. В нем использовано понятие изображающих векторов, введена в функциональные связи характеристика намагничивания магнитной цепи машины и учтена электромагнитная связь МДС различных' последовательностей ротора с обмоткой статора. Составлена программа расчета на ЭШ на языке ФОРТРАН.

3. Точность разработанного аналитического способа проверена с помощью достоверных экспериментальных данных и является приемлемой в инженерных расчетах.

4. Выполнены экспериментальные исследования асинхронных двигателей с роторами, имеющими симметричную и несимметричную клетку с обрывом нескольких соседних стержней.

5. Получены величины изменения токов и вращающих моментов при обрыве нескольких стержней клетки. Для асинхронных двигателей обрыв Ъ% стержней вызывает наибольшее уменьшение пускового момента на 6%, а максимального - на Обрыв 17% соседних стержней приводит к уменьшению пускового момента для двухполюсного двигателя на 17%, для четырехполюсного - на 35%.

6. Выполнены исследования асинхронных двигателей с симметричной и несимметричной клетками ротора в длительном режиме под нагрузкой. При неизменной мощности на валу определены превышения температуры обмотки статора и ротора и показано, что из-за обрыва одного стержня клетки ротора превышение температуры обмотки статора и ротора может увеличиться на несколько градусов.

7. Сформулировано условие допустимой несимметрии клетки ротора: с точки зрения пускового и максимального момента,

скольжения, КПД, коэффициента мощности и нагрева для двигателей, имеющих на роторе в расчете на пару полюсов 17 и более стержней, допускается обрыв одного стержня.

По материалам диссертации опубликована статья:

СААДА Гургес. Экспериментальное исследование асинхронного двигателя с нормальным и поврежденным ротором. /Электромеханические комплексы в транспорте и автономной энергетике. Межвузовский сборник научных трудов, серия Электротехника. Ереванский политехн.ин-т, -Ереван, 1991.

8яка> ¿1 Тарвж/оо

Зажав ирная!.5.0,^,92. пописано I почон/ГоЛ .О^ *ор«! 60хЗД/1£ обми П6Ч. 11СТ01

Зч. шах. ист Еввшаиэ

375025 Ераааа 25 }1. Абоаякв 52

Оцол идатвжютаа ■ опервтовоа поигрвфп Ер1НХ-а