Разработка методов диагностики двигателей собственных нужд электрических станций

Андреева, Оксана Александровна

автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методов диагностики двигателей собственных нужд электрических станций

кандидата технических наук: Андреева, Оксана Александровна
город: Новосибирск
год: 2009
специальность ВАК РФ: 05.14.02

Диссертация по энергетике на тему «Разработка методов диагностики двигателей собственных нужд электрических станций»

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов диагностики двигателей собственных нужд электрических станций"

)

На правах рукописи

АНДРЕЕВА ОКСАНА АЛЕКСАНДРОВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Специальность 05.14.02 — Электростанции и электроэнергетические

системы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

003471592

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в: РГКП «Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова» и

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная

академия водного транспорта»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Новожилов Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иванов Геннадий Яковлевич

кандидат технических наук, доцент Мусин Вячеслав Васильевич

Ведущая организация

ГОУ ВПО «Омский

государственный технический университет»

Защита состоится « 18 » июня 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 223.008.01 при ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по адресу: 630099, г.Новосибирск, ул.Щетинкина, 33, ФГОУ ВПО «НГАВТ» (тел. (383)222-62-35, факс (383) 222-49-76. E-mail: ngavt@ngs.ru или ese_sovet@mail.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта».

Автореферат разослан «15» мая 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Малышева Е.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На электрических станциях приводом основных механизмов собственных нужд (СН) являются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. По мнению различных авторов на их долю приходится до 25-35% отказов всего электрического оборудования собственных нужд, из которых 4,7 - 10% составляют повреждения короткозамкнутого ротора. В то же время экспериментальные исследования, проведенные на Павлодарских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-3, Экибастузской ГРЭС-1 и ГРЭС-2, а также Аксуской ГРЭС показали, что повреждаемость короткозамкнутого ротора АД значительно выше.

Ущерб от эксплуатации АД с поврежденным короткозамкнутым ротором выражается, главным образом в повышенном расходе электроэнергии и появлении новых электромагнитных помех. При этом стоимость перерасхода электроэнергии за год работы у такого АД нередко превышает стоимость самого двигателя.

Широко известные способы выявления повреждений короткозамкнутого ротора, которые основаны на внешнем осмотре и вибрации ферромагнитной пластины на поверхности частично выдвинутого ротора, можно использовать только при остановке и полной разборке АД. Однако, они не всегда позволяют выявить повреждение и использовать эти способы можно только в процессе ремонта двигателя при наличии высококвалифицированного специалиста.

Предложения по диагностированию короткозамкнутого ротора АД в процессе эксплуатации многочисленны. В одних из них предлагается диагностировать АД в специальных режимах, например, при пуске, пониженном напряжении и заторможенном роторе. В других - измерять пульсации тока статора, активной мощности и скольжения ротора двигателя. Однако эти методы не получили широкого применения из-за сложности, дороговизны и низкой эффективности.

В связи с изложенным, разработка методов диагностики обрыва стержней короткозамкнутого ротора АД является своевременной, а тема диссертации -актуальной.

Объектом исследования являются двигатели собственных нужд электрических станций. В качестве базового полигона исследований выбраны двигатели собственных нужд Павлодарской ТЭЦ-1.

Предметом исследования являются повреждения обмотки короткозамкнутого ротора АД.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами н планом работы ФГОУ ВПО «НГАВТ». Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями рабочей группы В4 «Релейная защита и автоматика» Международной конференции по большим энергетическим системам (СИГРЭ), с научной целевой комплексной темой «Замена традиционных трансформаторов тока и напряжения новыми датчиками тока и напряжения; влияние их на проектирование подстанций», а также с основными

направлениями научных исследований ФГОУ ВПО «НГАВТ» на 2007-2010 г. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэнергоснабжения объектов России»).

Идея работы заключается в выявлении с помощью точечных индукционных преобразователей (ТИП) из внешнего многополюсного магнитного поля АД магнитного поля с одной парой полюсов, что является характерным признаком наличия поврежденного стержня и позволяет осуществлять диагностику состояния короткозамкнутой обмотки ротора в произвольном режиме работы.

Целью работы является разработка простых и эффективных методов диагностики стержней короткозамкнутого ротора АД с помощью ТИП и персонального компьютера (ПК), которые позволят быстро и надежно выявлять это повреждение во время эксплуатации двигателя.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

- построена математическая модель АД с короткозамкнутым ротором для расчёта токов в его обмотках при обрыве стержней «беличьей клетки» ротора;

- предложен метод расчёта трёхмерных магнитных полей в торцевой зоне и на внешней поверхности подшипникового или торцевого щита АД с короткозамкнутым ротором при обрыве стержней его «беличьей клетки»;

- обоснован метод определения обрыва стержней короткозамкнутого ротора АД на базе новых информационных признаков;

- разработан алгоритм, позволяющий реализовать чувствительные и простые устройства диагностики повреждения короткозамкнутого ротора АД и определения минимума аппаратных средств, требуемых для их реализации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использовались методы математического моделирования с использованием дифференциального исчисления и гармонического анализа, а также экспериментальные исследования. При моделировании режимов работы АД, их внешних магнитных полей, а также спектра этих полей использовались программы разработанные автором в Turbo Basic, Matlab и Delphi.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: использованием фундаментальных положений теоретических основ математики, электротехники, электрических машин и релейной защиты, методов математического моделирования токов и магнитных полей в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований и натурного эксперимента.

На защиту выносятся:

- новые математические модели АД с короткозамкнутым ротором, позволяющие рассчитывать токи ротора и статора практически во всех эксплуатационных режимах при повреждениях «беличьей клетки»;

- метод математического моделирования трёхмерных магнитных полей в торцевой зоне и на внешней поверхности подшипникового или торцевого щита АД при обрыве стержней короткозамкнутого ротора;

теоретические основы построения систем диагностики короткозамкнутого ротора АД на ТИП с ПК, включая метод определения скольжения ротора и времени диагностирования, выбор информационных признаков и критерия порога срабатывания;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны:

- математическая модель для определения токов АД при повреждении нескольких стержней короткозамкнутого ротора, основанная на их представлении в виде суммы токов до аварии и дополнительных токов;

- способ преобразования математической модели АД с короткозамкнутым ротором, позволяющий достаточно просто рассчитывать токи ротора и статора практически во всех эксплуатационных режимах с целым ротором;

- метод моделирования дополнительных токов и на его основе метод анализа энергопотребления АД при повреждениях короткозамкнутого ротора;

- предложения по развитию теории и методов расчета трёхмерного внутреннего и внешнего магнитного поля в области торцевой зоны АД от обмоток статора и ротора методом зеркальных отображений с коррекцией токов;

- конструкция и алгоритм работы систем диагностики короткозамкнутого ротора АД с применением ТИП;

- новый метод определения скольжения ротора по разности параметров гармонических с частотами // /;[(/-л)1/и'];

- способ выделения нового информационного признака повреждений короткозамкнутого ротора, основанный на выделении из ЭДС ТИП основной гармоники сети и гармонических с частотами //рЦ^я^рз];

- критерий выбора порога срабатывания и времени диагностирования разрабатываемых систем диагностики повреждений короткозамкнутого ротора.

Практическая ценность работы:

математические модели АД с короткозамкнутым ротором предоставляют возможность рассчитывать токи в обмотках ротора и статора практически во всех эксплуатационных режимах при повреждениях «беличьей клетки» с точностью, достаточной для реализации систем диагностики;

- метод математического моделирования трёхмерных магнитных полей в торцевой зоне и на внешней поверхности подшипникового или торцевого щита АД от обмоток статора и ротора, основанный на методе зеркальных отображений с коррекцией токов, прост и надежен, что дает возможность моделировать их с точностью до 20-25% у двигателей с ферромагнитным и алюминиевым корпусом;

теоретические основы построения систем диагностики короткозамкнутого ротора АД позволяют разрабатывать высокочувствительные устройства диагностики на ТИП с использованием ПК;

- предложенный критерий выбора порога срабатывания систем диагностики повреждений короткозамкнутого ротора позволяет не учитывать место расположения ТИП и режим работы АД во время диагностирования.

- конструкция измерительного щупа, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы. Произведены производственные испытания системы диагностики на АД с короткозамкнутым ротором ТЭЦ-1 АО «Алюминий Казахстана» и цеха №2 Аксуского завода ферросплавов - филиала АО ТНК «Казхром».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 13 международных и региональных конференциях, а также на научных семинарах: международной научно-технической конференции «Наука и новые технологии в энергетике» (г.Павлодар, 2002г.); международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан 2030»», (г.Караганда, 2003г.); международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Крым, г.Алушта, 2003г.); международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г.Москва, 2008 г.); международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, г.Алушта, 2008г.); международной научно-технической конференции «Энергосистема: исследование свойств, управление и автоматизация» (г.Новосибирск, 2009г.); заседании кафедры «Автоматизация и управление» Павлодарского государственного университета им. С.Торайгырова (г.Павлодар, 2008г); заседании кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (г.Омск, 2009г.); заседаниях кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника» Новосибирской государственной академии водного транспорта (г.Новосибирск, 2007-2009гг.).

Личный вклад. Определение задач исследования, выбор способов их решения, экспериментальные исследования и полученные научные результаты, а также выводы принадлежат автору.

Публикации. Содержание диссертации нашло отражение в 15 печатных работах, в том числе в трёх статьях журналов, рекомендованных ВАК РФ. Имеется один патент Республики Казахстан.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, изложенных на 160 страницах машинописного текста. Содержит 55 рисунков; девять таблиц; список использованных источников из 98 наименований и три приложения, относящиеся к практической реализации и внедрению результатов работы.

Основное содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и цель работы. Отражена её

научная новизна и практическая ценность. Указаны методы исследований и положения, выносимые на защиту. Сделан вывод о необходимости разработки простых и эффективных методов диагностики повреждений короткозамкнутого ротора АД.

В первой главе сделан анализ конструкционных особенностей и возможностей индукционных преобразователей. По его результатам для диагностики повреждений обмотки ротора предложено использовать ТИП внутренней и внешней установки. Далее, рассмотрены причины и механизм повреждения элементов короткозамкнутого ротора и дана оценка повышению энергопотребления при этих повреждениях. Проанализированы известные методы моделирования токов ротора при обрыве стержней. Выявлено, что отсутствуют простые и точные методы расчёта токов в роторе в случае обрыва нескольких стержней. Рассмотрены также способы диагностирования повреждений короткозамкнутого ротора в процессе эксплуатации АД и существующие технические решения, реализующие их. Выяснено, что для обнаружения повреждений ротора наиболее перспективным является выделение магнитного поля поврежденного стержня, имеющего одну пару полюсов. Для этого магнитное поле АД следует измерять с помощью ТИП, а обработку его ЭДС осуществлять методом быстрого преобразования Фурье.

Во второй главе, с целью определения параметров систем диагностики, решаются вопросы математического моделирования режимов работы АД с поврежденным короткозамкнутым ротором, и на их основе осуществляется выбор информационных признаков этого вида повреждения.

При обрыве стержней коротко замкнутого ротора токи в стержнях и элементах кольца представляют в виде суммы

Кп = I СП + К-Ы И 11 = К» + 1Ш - (!)

где 1т и - токи в п- м стержне и элементе кольца целого ротора; Iсп(1 и 1Ш -

добавочные токи в // - ом стержне и элементе кольца.

Для расчёта токов ротора и статора АД до повреждения ротора разработан метод преобразования известной математической модели, составленной для фазных напряжений (рисунок 1)

и - Я ; + ^ ■ и - г? / + •» - А> / + сЬ^с ■

11А ~ КА1Л Г~» "в ~ В В +~~П~'иС ~ С С +-

л ва л 1 ' ' Л а ""си л

(2)

ш

где iiA , ив и lie - мгновенные значения напряжений фаз А, В и С обмоток статора; 'л > h, к:, и ia , h, ¡с - мгновенные значения токов фаз А, В, С обмоток статора и ротора; Ra, Rb, Ro 11 Rm Rb, Rc ~ активные сопротивления фаз статора и ротора; J-момент инерции вращающихся частей АД и механизма; ы2- угловая скорость вращения ротора; Мэ- электромагнитный момент; Мс - момент сопротивления механизма

Рисунок 1 - Схема распределения токов в обмотках асинхронного двигателя

Полученные после преобразований дифференциальные уравнения составлены для линейных напряжений по методу контурных токов

«АВ = Wa +RB)~'Л ЦВС =('2+ +—■

О = ii(Ra+Rh)-i,Rb +

¿У i. dt dy з

0 = (i4-i3)f?/f-bi4R4 +

dt

«' k= 1,2 n=3,4 aah,

(4)

(5)

где /,ь - взаимные индуктивности контуров; аы - электрические углы между контурными токами.

Токи фаз и контурные токи - /4 связаны соотношениями

гА~11> 1В~Ч~ г1> 1С~~12> 1а = 'з' '¡,=14~ Н> 1с = •

В результате преобразований трёхфазный АД оказывается приведенным к двухфазному, оси фаз которого сдвинуты на 120 электрических градусов, что позволяет при моделировании получать токи в их естественном виде, облегчает анализ процессов в машине, упрощает моделирование на ПЭВМ и повышает точность расчёта.

Проверка адекватности математической модели АД осуществлялась в режиме пуска, нагрузки и холостого хода целого АД. На рисунке 2,а линиями 1 и

2 представлены расчётные и экспериментальные значения тока статора 1\ в

режиме пуска АД АОЛ 2-11-4 без нагрузки. Их сопоставление показало, что погрешность моделирования не превышает 5-15% в самом неблагоприятном случае. Аналогичная погрешность при моделировании этих режимов получена для двигателей СН типа ДАЗО 15-39-10 и ДАЗО 17-69-8/10 Павлодарской

Рисунок 2 - Результаты моделирования токов статора и ротора асинхронного двигателя типа АОЛ2-11 -4

Токи в элементах кольца и стержнях целого короткозамкнутого ротора с учётом рисунка 3,а связаны следующими соотношениями

К = КК ; 'и = Ьг = •••• = 1ы = К ; Гс1 = /с2 = .... = 2/, 5т(Яр/г2) , (6)

где к, - коэффициент приведения по току; р - число полюсов; г2 - число стержней ротора.

Добавочные токи в стержнях и элементах кольца ротора, например, при обрыве первого стержня предлагается определять с учётом схемы на рисунке 3,6

ХУ" / 0

'.м 0 / 2('/с +1к) ...0

л,. = 0 / 0 2{7,с+гк) ...0

0 / 0 0 -¿с

где \1Ы ] и [£, ] - матрицы добавочных токов и ЭДС повреждённых стержней; Хс = К. + и 7,к = + ]Хк - комплексные сопротивления стержня и элемента кольца.

йЗ"2 1

с), о,, о, о

Есг2 Л1«2

Ес1 1к

ЕС2

1СЭ

ЕсЗ ИсЗ

си

"1с

3с1

б)

Рисунок 3 - Распределение токов по элементам короткозамкиутого ротора

ЭДС Еы рассчитывают по схеме на рисунке 3,в, которую получают из рисунка 3,6. Она должна быть такой, чтобы обеспечить при обрыве первого стержня ток в нем равный нулю. Это возможно если = -1Л .

Из анализа токов в стержнях и участках колец до аварии и дополнительных токов ясно, что дополнительный ток в кольце перед поврежденным стержнем равен нулю. Это позволяет разорвать схему в этом месте и определить 2.мв для рисунка 3,в, свернув схему относительно поврежденного стержня. Так как добавочный ток в поврежденном стержне известен, то добавочная ЭДС первого стержня

(8)

Если оборвано два стержня, то схема на рисунке 3,в будет иметь два контура. В ней ЭДС Еы , и Еы определяют из условия 1сЫ = и 1с2а = -1с2 ит. д.

На рисунке 2,6 приведены результаты моделирования токов в стержнях (кривые 1) и элементах кольца (кривые 2) ротора при обрыве одного (—) и двух (—-) стержней в режиме номинальной нагрузки. Используя полученные значения токов, можно определить общие электрические потери в целом и поврежденном короткозамкнутом роторе. Результаты расчетов показали, что при повреждении одного, двух и трёх стержней ротора в АД АОЛ 2-11-4 расход электроэнергии возрастает на 1,06%, 2,19% и 3,75% соответственно. Однако результаты расчёта показывают, что его величина уменьшается с увеличением числа пар полюсов и стержней ротора. Поэтому потери в АД СН ДАЗО 15-39-10 и ДАЗО 17-69-8/10 в 2,5-3 раза меньше.

Если пренебречь полем рассеяния воздушного зазора, то ЭДС в ТИП, расположенном в области торцевой зоны АД, наводится только токами в лобовых частях обмоток статора и ротора. В качестве информации о повреждении стержней ротора можно использовать одну или несколько гармонических из ЭДС ТИП в диапазоне частот 0-50 Гц, который разделен на i = (р— 1) областей измерения. На рисунке 4 таких областей две. Их диапазоны частот равны 0-25 Гц и 25-50 Гц.

При р = 2 (i =1) токи обмотки статора формируют в торцевой зоне АД магнитные потоки лобового рассеяния и индуцируют в обмотке ТИП ЭДС Erli с

частотой сети fj =50 Гц. Её амплитудное значение можно определить

/;„, =2я/;Й,Л>„, (9)

где Bzt - индукция магнитного поля лобового рассеяния обмотки статора, пересекающего плоскость ТИП; Sn и w„- площадь и число витков ТИП, соответственно.

Обмотка ротора АД формирует магнитное поле лобового рассеяния с числом полюсов равным р, вращающееся с угловой скоростью ю, =а)Jp относительно ТИП и индуцирует в нем ЭДС с амплитудным значением

E,i2 = 2п> (Ю)

Р

где Вг2 - индукция магнитного поля лобового рассеяния обмотки целого ротора, пересекающего плоскость ТИП.

Поле лобового рассеяния от тока поврежденного элемента короткозамкнутой обмотки ротора АД имеет одну пару полюсов. Оно вращается с угловой скоростью ы2г = Ol,/р(\ -s) относительно ТИП и индуцирует в нем ЭДС

En2^2%^(l-s)Bzlßnwn, (И)

Р

где В:Ъ - индукция магнитного поля лобового рассеяния от дополнительного тока в элементах короткозамыкающего кольца при обрыве стержня ротора.

Нелинейность зависимости B,2j = f{x) поля поврежденного элемента вызывает появление дополнительных гармонических ЭДС

Е„2, =2яА[(1-а)±№гр]в S W(iiW И=1; 3; 5.... (12)

Р

При р>2 (/>1) ЭДС в ТИП от токов в обмотках статора, ротора и повреждённого элемента ротора с учетом нелинейности В.ъ = /(х)

Е„, = ; Е„2, = 2п&ВгМ : = -и

Р Р

Уравнения (13) без учета бросков нагрузки АД в достаточно полной мере описывают спектр гармонических ЭДС ТИП. На рисунке 4 приведен фрагмент спектра гармонических ЭДС ТИП двигателя 4АМ100Ь6УЗ при обрыве одного стержня. Сопоставление его с аналогичным спектром при целом роторе показало, что в качестве источника информации повреждения ротора нужно использовать ЭДС Еп2д с н=1.

ЕшМ? /ы=/1/Р[(1-*)-Н 2/1/Р [0-0 + ^]

2 Л/Р

Рисунок 4 - Фрагмент спектра гармонических ЭДС ТИП двигателя типа 4АМ100Ь6УЗ при обрыве одного стержня и 5 = 0,0192

Амплитуды дополнительных гармонических ЕпЬ> зависят от места расположения ТИП на подшипниковом щите. Поэтому предложено измерять не ЕМд, а коэффициенты Ки, которые определяются как отношение Епи к величине ЭДС гармонической с частотой 50 Гц получаемого спектра. В результате

!\л = /(¿„1 + Кт); = {ЕпШч + £я2,)2,)/(£„, + Ёп2);

= Епгл\п + Еп2) ; Ки4 = {Е„2дЫ + Еп2д2п) !{ЕпХ +£„,), (14)

где ЕпШщ и Еп2ш - экспериментальное значение ЭДС гармонической с частотой при целом и поврежденном роторе; Еп2д2ч и Еп2й2п -

экспериментальное значение ЭДС гармонической с частотой /[(1-+ при целом и поврежденном роторе.

На рисунке 5 показаны зависимости этих коэффициентов от скольжения для АД АОЛ 2-11-4 (а) и 4АМ100Ь6УЗ (б). Из него видно, что коэффициенты К„2 и К,/4 Для АД с поврежденным ротором значительно превышают коэффициенты Ки1 и !\и, с целым ротором и могут служить критерием исправности ротора.

Выбранные информационные признаки позволяют реализовать несколько способов диагностики повреждения короткозамкнутого ротора АД на ТИП.

Ки 0,144 0,108 0,072 0,036

К„4 N

\

КиЗ

V \

\ \

ч V

Ки2 V

К«,.

0,04

а)

0,08 э, о. е.

0,008

КиЗ Ки1

0,016 я, о. е.

б)

Рисунок 5 - Коэффициенты исправности целого и поврежденного ротора АД АОЛ 2-11-4 (а) и 4АМ100Ь6УЗ (б) в зависимости от скольжения

На рисунке 6,а, приведена блок-схема устройства с одним ТИП, в котором скольжение ротора определяют по разности частот гармонических ЭДС Ей1д.

АД

ТИП

ИНН и-:

"И БП Н БР £

вн

ттх

АБС

БВ | +

БОС

ПЭ

БН

Ки 0,144 0,108 0,072 0,036

3 2 \

А

У\

1 Л

\\ \

\

V Ч

•¿V

0,04 0,08 8, о.е. 6)

Рисунок 6 - Блок схема устройства диагностики повреждения обмотки короткозамкнутого ротора с одним точечным индукционным преобразователем

В этом устройстве ТИП подключают к первому входу блока коммутации БК. Ко второму входу БК подключается блок времени БВ. Выход блока БК через блок памяти БП подключен к блоку разложения БР на гармонические составляющие ЭДС ТИП. Блок БР, в свою очередь, подключен к блоку определения скольжения БОС и текущего значения коэффициента К*} =(Еп1д1 +Е„иг)1(Ел +Е„2). В пороговом элементе К"и2 сравнивается с порогом срабатывания КиЪср при полученном скольжении. Если окажется что

К"из < КиЪ, то блок индикации БИ выдаст информацию «Ротор цел». Если ^»зq>< K'ui<Ки\>то блок индикации БИ выдает информацию «Частичный обрыв стержня». Если А"*3 > А'ц4, то блок индикации БИ покажет «Обрыв стержня». Зависимости Kui, Kaicp и КиА от скольжения для АД АОЛ2-11-4 на рисунке 6,6

показаны линиями 1, 2 и 3. Работой блока БК управляет блок БВ времени, который запускается в работу ключом К. Это позволяет обеспечить съём сигнала необходимой длительности и однократность работы устройства диагностики. Включение и отключение АД осуществляется выключателем ВН. ТИП размещен в измерительном щупе, остальные блоки реализуются на базе компьютера.

В третьей главе рассмотрены практические аспекты построения систем диагностики. Во - первых, предложены способы расчёта трёхмерного внутреннего и внешнего магнитного поля в торцевой зоне АД с ферромагнитным и алюминиевым корпусом, а также с целым и поврежденным ротором, основанные на методе зеркальных отражений с коррекцией токов крайних отражений. Во - вторых, предложеньГ конструкции измерительных щупов, расчёт напряжения на их выходе и реализация системы диагностики повреждений короткозамкнутого ротора на базе персонального компьютера (ПК) типа Notebook.

Магнитное поле лобового рассеяния обмотки статора в торцевой зоне АД считается полем в прямоугольном ферромагнитном канале. Оно моделируется по методу отражений с коррекцией токов следующим образом. Первоначально рассчитывают поле одного витка секции статора с током =1А, как сумму

магнитных полей К пар элементов (рисунок 7).

Количество, размеры и координаты этих элементов определены размерами секции статора. Затем по известному распределению магнитного поля витка, месту расположения секций в сердечнике статора, а также числу витков и току в каждой из них, методом суперпозиции моделируется магнитное поле лобовой части обмотки статора в торцевой зоне.

Радиальная и аксиальная составляющие индукции магнитного поля от К пар элементов отогнутой лобовой части витка секции определяются

к-\ А=1

где В>{к(х) и В,лк(х) - распределение радиальной и аксиальной составляющих

индукции магнитного поля от к-й пары элементов лобовой части витка секции вдоль развертки статора.

По известным зависимостям Д,,, ,„„(*) и вит(х), месту расположения

I - ой секции на сердечнике статора, числу витков и1, и току ^ в ней находим распределение радиальной и аксиальной составляющих магнитного поля лобового рассеяния обмотки статора вдоль его развёртки для произвольного значения времени

м ' ы

Рисунок 7 - Схема для расчёта полей секции статора и элемента короткозамыкающего кольца ротора асинхронного двигателя

Магнитное поле лобового рассеяния обмотки целого и поврежденного ротора АД моделируется аналогично. Радиальную и аксиальную составляющие индукции магнитного поля целого и поврежденного ротора вдоль развертки по уравнениям определяют

Я," • (17)

где ]л - ток в / -м элементе кольца ротора.

15

Моделирование внешнего магнитного поля в торцевой зоне АД осуществляется по расчетной схеме на рисунке 8,а. По ней магнитные потоки Ф, и Фу проникают из торцевой зоны наружу через подшипниковый щит I и

корпус 2 АД, а магнитные потоки Фс - через сердечники статора 3, ротора 4 и вал ротора 5 в торцевую зону. При этом магнитный поток Ф, находят следующим образом. Первоначально определяется распределение магнитного поля по внутренним ферромагнитным поверхностям торцевой зоны. Затем рассчитывают магнитные потоки в ферромагнитных стенках торцевой зоны. Для этого в соответствии с рисунком 8,6 ферромагнитные поверхности вдоль обхода контура а,Ь,с,с1,а разбиваются на элементарные площадки с размерами

А1хЬт, где Ьт размер площадки вдоль оси X. Затем определяются их координаты (у.,^) и воздушный промежуток .по торцевой зоне между ними

= -,т()2 + -у. )2. По ним находится расчётное расстояние между / -им и всеми у-ми элементами = /./?,,) и определяется часть

Магнитный поток вдоль у -й элементарной площадки определяется как сумма потоков ф через неё. В соответствии с рисунком 8,6 магнитный поток фу = В^А1Ьсп разветвляется. Часть его замыкается по ферромагнитной стенке, а часть выходит на внешнюю поверхность. Так как магнитная проницаемость

]

(18)

б)

Рисунок 8 - Схема распределения внешних магнитных полей асинхронного двигателя

подшипникового щита цс является конечно!! величиной, а величины потоков в его ферромагнитной стенке и на внешней поверхности можно считать пропорциональными их магнитной проницаемости, то приняв к = 1/)1с, можно приближенно получить индукцию магнитного поля на поверхности щита

Корпус 4 и подшипниковый щит 5 АД на рисунке 8,а иногда выполняют из алюминиевых сплавов. В результате, моделирование магнитных полей статора и ротора АД в его торцевой зоне и снаружи сводится к построению распределения магнитного поля проводников в прямоугольном ферромагнитном угле.

В этом случае магнитные поля статора и ротора АД моделируют от тангенциальной составляющей тока в них, а влияние ферромагнитных стенок в методе зеркальных отражений заменяется магнитными полями только трёх отраженных токов. Для этого применяют уравнения (15) - (16), при использовании которых коэффициенты коррекции считаются равными единице. Внешнее магнитное поле определяют как Вг = II, /кп, где кй - коэффициент экранирования магнитного потока, приближенное определение которого приведено в работе.

Эксперимент показал, что погрешность предлагаемых моделей для расчёта внешнего магнитного поля в области торцевой зоны АД не превышает

Анализ блок - схемы на рисунке 6,а показывает, что устройство диагностики повреждения короткозамкнутого ротора при реализации на ПК следует выполнять в виде электрически связанных между собой измерительного щупа и ПК. Основой измерительного щупа является ТИП 1, а к ПК он подключается кабелем 2 с соответствующим разъёмом. Его внешний вид и электрическая схема приведены на рисунке 9,а и 9,6.

(19)

15-20%.

Рисунок 9 - Внешний вид (а) и схема (б) измерительного щупа с одним точечным индукционным преобразователем

Измерительный щуп с помощью выводов подключается к звуковому входу ПК типа Notebook, оснащенному специальным программным обеспечением «Спектр ПК-02». Что позволяет выполнять измерение сигнала, его регистрацию и визуализацию, а также обработку и хранение.

Алгоритм работы устройства приведён на рисунке 10.

Рисунок 10 - Алгоритм работы устройства диагностики повреждения обмотки короткозамкнутого ротора

Вначале вводятся параметры диагностируемого АД и режима диагностики. Далее по ним определяется время диагностики tdJi„„ время сдвига tcde = (0,1 - 0,5)/йли и порог срабатывания порогового элемента, определяемый как Л"„,г()(л) = k<lmck\a(s), где kimc - коэффициент отстройки принимаемый равным 1,2-1,5. Затем в течение времени tciK + ta„„ фиксируется в память сигнал еп = fit), а результаты записи е„ = f(t), длительностью 1,ып, разлагают в ряд Фурье. В зоне перемещения (рисунок 4) с граничными частотами л'„} + /W„ ] выявляют две гармонические с наибольшими амплитудами, где s„ - номинальное скольжение ротора АД по паспорту. Ими являются ЭДС с частотами /j/p[(l-i)+/?i]. По их амплитудам и частотам определяется

18

текущее значение скольжения ротора АД .у = рА/ь /(2/) и коэффициента

Кз=(Е»2л+Е„2,п)/(ЁП1 + Ё,,2)> гДе АТь ' разность частот /,/р[(1 -*) + /»] ЭДС. Коэффициенты А^30) и АГ„4(л) для любого АД можно получить экспериментально, на неповреждённом АД, или рассчитать. Как показали многочисленные эксперименты, диагностика дает хорошие результаты при шаге разложения Л/=(0,1 - 0,2)Гц и времени диагностирования 5-10 с. При этом нагрузка должна быть неизменной. Логическая часть алгоритма построена с учётом рисунка 6,6. Рассмотренный вариант устройства является наиболее приемлемым.

В работе рассмотрена реализация устройств диагностики с измерением скольжения с помощью геркона, и с использованием двух ТИП, установленных диаметрально, что позволяет заметно повысить эффективность устройства диагностики повреждения обмотки короткозамкнутого ротора.

Основные выводы и рекомендации

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи - построения систем диагностики короткозамкнутого ротора АД СН электрических станций на индукционных преобразователях. Основные научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1 Предложен новый метод моделирования токов в короткозамкнутом роторе АД при обрыве в нём нескольких стержней, которые ищут в виде токов в АД до повреждения стержней и дополнительных токов.

2 Предлагаемый метод формирования математической модели АД позволяет значительно упростить традиционную математическую модель АД с фазовыми координатами за счёт уменьшения в полтора раза количества ее дифференциальных уравнении.

3 Доказано, что обрыв стержней в короткозамкнутом роторе АД приводит к повышению расхода электроэнергии, сопоставимому за год эксплуатации со стоимостью самого двигателя.

4 Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден выбор информационного признака обрыва стержней в короткозамкнутом роторе -коэффициент Ки4, величина которого зависит от скольжения ротора и определена отношением суммы дополнительных гармонических с частотами /¡/р[(\ — + к основной гармонике в ЭДС точечного индукционного преобразователя, индуцируемой внешним магнитным полем АД.

5 В результате проведенных натурных экспериментов и их анализа разработаны два способа диагностики повреждений короткозамкнутого ротора, основанные на определении порога срабатывания по скольжению с помощью

датчика на герконе и по частотам дополнительных гармонических

6 Способ расчёта трехмерного внутреннего и внешнего магнитного поля в торцевой зоне АД, основанный на методе зеркальных отражений с коррекцией токов крайних отражений, позволяет рассчитывать поле двигателей с ферромагнитным и алюминиевым корпусом, а также с целым и поврежденным ротором.

8 Разработаны конструкции измерительного щупа и алгоритмы работы системы диагностики повреждений короткозамкнутого ротора на базе ПК-

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в периодических изданиях по перечню ВАК

1 Андреева, O.A. Метод численного моделирования работы АД с обрывом стержней в короткозамкнутом роторе. / O.A. Андреева, А.Н. Новожилов, А.П.Кислов //Электричество. - 2004. -№11.- С.42-47.

2 Андреева, O.A. Моделирование магнитных полей методом зеркальных отражений с коррекцией токов для синтеза защит электрических машин / O.A. Андреева [и др.]// Электричество. - 2008. - № 11. - С.43-48.

3 Андреева, O.A. Диагностика роторов электрических машин, используемых в собственных нуждах электростанций / O.A. Андреева [и др.]// Науч. пробл. трансп. Сиб. и Дал. Вост.Спец. вып. -2009. -№1. -С.238-241.

Патенты

4 Предварительный патент №13724 (KZ). Устройство диагностики эксцентриситета ротора асинхронного двигателя / O.A. Андреева [и др.]. Пром. Собственность. Опубл. 14.11.2003, бюл. №11.-4 с.

Статьи в российских и иностранных изданиях; материалы международных и региональных конференций

5 Андреева, O.A. Современные датчики электропривода // 2-е Сатпаевские чтения: матер. 2-й междунар. науч.-практ. конф. молодых учёных, Павлодар, ПГУ, 22-23 апр. 2002 г. - 2002. - С.7-11.

6 Андреева, O.A. Моделирование процессов в асинхронном двигателе при учёте насыщения и вытеснения токов/ O.A. Андреева, А.Н. Новожилов, Т.Ж..Токомбаев // Наука и новые технологии в энергетике: матер, междунар. науч.-техн. конф., Павлодар, ПГУ, 22-23 дек. 2002 г. - 2002. - С.201-206.

7 Андреева, O.A. Математическое моделирование эксплуатационных режимов работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором при обрыве стержней/ O.A. Андреева, А.Н. Новожилов, А.П.Кислов // Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение (МКЭЭЭ-

2003): тр. 5-й междунар. конф., Крым, Алушта, 22 - 29 сент. 2003 г. - Алушта, 2003. - С.504-507.

8 Андреева, O.A. Расчёт токов в короткозамкнутой клетке ротора асинхронного двигателя при повреждении стержней // Наука и образование -ведущий фактор стратегии « Казахстан 2030»: матер. Vi междунар. науч. конф., Караганда, КарГТУ, 24-25 июня 2003 г. - Караганда, 2003. - С.279-282.

9 Параметры асинхронного двигателя при обрыве стержней короткозамкнутого ротора / O.A. Андреева, А.Н. Новожилов, А.П.Кислов // Вестник ПТУ, сер. Энергетическая. - 2003. - №4. - С. 23-28.

10 Энергопотребление асинхронного двигателя при обрыве стержней и эксцентриситете короткозамкнутого ротора / O.A. Андреева, А.Н. Новожилов, А.П.Кислов // Вестник ПТУ, сер. Энергетическая. - 2004. -№1. - С. 37-42.

11 Особенности использования рядов Фурье при построении системы диагностики электрических машин / O.A. Андреева [и др.]// Вестник ПТУ, сер. энергетическая. - 2005 - №3.-С. 121-130.

12 Андреева, O.A. Современные методы и средства контроля и диагностирования состояния асинхронных двигателей // Интеграция науки и промышленности - решающий фактор в развитии экономики Республики Казахстан: матер, науч.-практ. конф. с междунар. участием, Павлодар, ПТУ, 1718 июля 2005 г. - 2005. - С. 12-19.

13 Метод формирования системы уравнений математической модели электрических машин и трансформаторов в эксплуатационных режимах / O.A. Андреева [и др.] // Омский науч. вестник. - 2006. - №9(46). - С. 108-112.

14 Андреева, O.A. Диагностирование «беличьей клетки» ротора асинхронного двигателя // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: матер. 14-й междунар. науч.-техн. конф. студ. и аспир., Москва, 28-29 фев. 2008 г.-Москва, 2008.-С.4-6.

15 Индукционные преобразователи для релейной защиты электрических машин переменного тока / O.A. Андреева [и др.] // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты (МКЭЭЭ-2008): матер. XII междунар. конф., Крым, Алушта, 29 сен т.- 4 окт. 2008 г. -Алушта, 2008. - С. 504-507.

Подписано в печать 13.05.09 г. с оригинал макета

Бумага офсетная №1, формат бумаги 60 х 84 1/16, печать трафаретная - Riso. Условных печатных листов 1,25. Тираж 130 экз. Заказ № 40. Бесплатно

ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта»

ФГОУ ВПО («НГАВТ»)

630099, г.Новосибирск, ул.Щетинкина, 33.

Отпечатано в издательстве ФГОУ ВПО «НГАВТ»

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Андреева, Оксана Александровна

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И СИСТЕМЫ

ДИАГНОСТИКИ.

1.1 Особенности конструкции индукционных преобразователей для релейной защиты и диагностики асинхронного двигателя.

1.2 Ущерб от повреждения короткозамкнутого ротора.

1.3 Методы моделирования токов при повреждении короткозамкнутого ротора.

1.4 Способы диагностирования повреждений короткозамкнутого ротора.

1.5 Методы гармонического анализа электрических сигналов индукционных преобразователей.

1.6 Выводы.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ.

2.1 Метод формирования системы уравнений математической модели асинхронного двигателя.

2.2 Моделирование режима обрыва стержней короткозамкнутого ротора.

2.3 Выбор информационного признака повреждения «беличьей клетки» короткозамкнутого ротора.

2.4 Способ диагностики повреждения «беличьей клетки» с герконом.

2.5 Способ диагностики повреждения «беличьей клетки» на точечных индукционных преобразователях.

2.6 Выводы.

3 ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ 101 ДИАГНОСТИКИ.

3.1 Моделирование магнитных полей в торцевой зоне.

3.2 Моделирование магнитного поля на внешней стороне подшипникового или торцевого щита.

3.3 Моделирование магнитных полей АД с алюминиевым корпусом

3.4 Конструктивные особенности измерительных щупов.

3.5 Моделирование напряжения на выходе измерительного щупа.

3.6 Оценка влияния факторов определяющих чувствительность устройства диагностики к повреждению короткозамкнутого ротора

3.7 Реализация системы диагностики повреждений короткозамкнутого ротора на базе персонального компьютера типа Notebook.

3.8 Выводы.

Введение 2009 год, диссертация по энергетике, Андреева, Оксана Александровна

Актуальность темы. На электрических станциях приводом основных Актуальность темы. На электрических станциях приводом основных механизмов собственных нужд (СН) являются асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором. По мнению различных авторов на их долю приходится до 25-35% отказов всего электрического оборудования собственных нужд, из которых 4,7 - 10% составляют повреждения короткозамкнутого ротора. В то же время экспериментальные исследования, проведенные на Павлодарских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-3, Экибастузской ГРЭС-1 и ГРЭС-2, а также Аксуской ГРЭС показали, что повреждаемость короткозамкнутого ротора АД значительно выше.

Ущерб от эксплуатации АД с поврежденным короткозамкнутым ротором выражается, главным образом в повышенном расходе электроэнергии и появлении новых электромагнитных помех. При этом стоимость перерасхода электроэнергии за год работы у такого АД нередко превышает стоимость самого двигателя.

Широко известные способы выявления повреждений короткозамкнутого ротора, которые основаны на внешнем осмотре и вибрации ферромагнитной пластины на поверхности частично выдвинутого ротора, можно использовать только при остановке и полной разборке АД. Однако, они не всегда позволяют выявить повреждение и использовать эти способы можно только в процессе ремонта двигателя при наличии высококвалифицированного специалиста.

Предложения по диагностированию короткозамкнутого ротора АД в процессе эксплуатации многочисленны. В одних из них предлагается диагностировать АД в специальных режимах, например, при пуске, пониженном напряжении и заторможенном роторе. В других — измерять пульсации тока статора, активной мощности и скольжения ротора двигателя. Однако эти методы не получили широкого применения из-за сложности, дороговизны и низкой эффективности.

В связи с изложенным, разработка методов диагностики обрыва стержней короткозамкнутого ротора АД является своевременной, а тема диссертации -актуальной.

Объектом исследования являются двигатели собственных нужд электрических станций. В качестве базового полигона исследований выбраны двигатели собственных нужд Павлодарской ТЭЦ-1.

Предметом исследования являются повреждения обмотки короткозамкнутого ротора АД.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы ФГОУ ВПО «НГАВТ». Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями рабочей группы В4 «Релейная защита и автоматика» Международной конференции по большим энергетическим системам (СИГРЭ), с научной целевой комплексной темой «Замена традиционных трансформаторов тока и напряжения новыми датчиками тока и напряжения; влияние их на проектирование подстанций», а также с основными направлениями научных исследований ФГОУ ВПО «НГАВТ» на 2007-2010 г. (раздел 1.10 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем теплоэнергоснабжения объектов России»).