Диагностика повреждения короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного двигателя

Введение. При эксплуатации асинхронных двигателей (АД) повреждения в обмотке ротора (беличьей клетке) является довольно распространенным дефектом, до 10 % от всех повреждений в зависимости от мощности и типа машины [1]. Диагностировать механические повреждения в короткозамкнутой обмотке ротора АД крайне сложно ввиду отсутствия источников информации об электрических параметрах в обмотке ротора. Основным направлением исследований по диагностике таких повреждений считается частотный анализ статорных токов и напряжений [2], поскольку, любые повреждения в цепях ротора искажают магнитное поле АД, и, следовательно, в статорных токах и напряжениях должны проявляться искажения в зависимости от конкретного вида дефекта, произошедшего в роторных цепях.

Спецификой работы АД является переменная скорость вращения ротора в зависимости от нагрузки на валу, а, следовательно, и поврежденный дефект обмотки ротора наводит искажение в форме тока статора с непостоянной периодичностью [3]. Использование спектрального анализа оправдывается для стационарных сигналов, которые имеют периодический характер. Наличие нестабильности спектра Фурье при разложении статорного тока не даст однозначной трактовки технического состояния «беличьей клетки». Перспективным может быть направление декомпозиции токов статора на основе вейвлет-разложения [4].

Постановка задачи. На основе экспериментально снятых данных исследовать возможность применения вейвлет-преобразования для выявления диагностического признака механического повреждения короткозамкнутой обмотки АД.

Экспериментальные данные и их обработка. На рис.1 приведены осциллограммы токов фаз АД при наличии трещины в стержне обмотки ротора.

Рис. 1. Осциллограммы токов фаз АД при наличии трещины в стержне обмотки ротора

Сигналы фазных токов снимались с помощью гальванически развязанных датчиков тока и через плату ввода сигналов с АЦП подавались на компьютер. Затем массивы цифровых значений обрабатывались в программе MATLAB в которой имеются различные вейвлет функции.

Непрерывное прямое вейвлет-преобразование производится на основе выражения:

где  вейвлет-коэффициенты; а — параметр масштаба; b — параметр времени; – базисная функция.

Большие значения а соответствуют низким частотам, а маленькие значения b — высоким [5].

Условие конечности ограничивает набор функций, которые можно использовать в качестве вейвлетов:

В качестве базисных функций могут быть выбраны любые функции, в том числе скачкообразные, импульсные, тригонометрические и т. д. Число вейвлетов, которое используется при разложении определяет уровень декомпозиции сигнала. При анализе экспериментальных данных был использован вейвлет Хаара. Как показал сопоставительный анализ токов фаз статора АД с повреждением и без повреждения существенных различий не выявлено.

В виду того, что искажение передается через магнитное поле, а оно общее для всей машины, то было решено подвергнуть вейвлет-анализу результирующий модуль токов статора определяемый по формуле:

,

где: i_A, i_B, i_C– мгновенные значения токов обмоток статора.

На рис. 2 представлен результирующий модуль токов статора при пуске АД с повреждением рис 2,б и без повреждения рис.2,а. Как видно из рис.1 и рис. 2 искажение вызванное обрывом стержня незначительны в токах фазы и, более информативно проявляет себя в результирующе модуле токов статора.

Используя вейвлет Хаара, результирующий вектор модуля токов статора был разложен на компоненты, а затем восстановлен с помощью процедуры обратного вейвлет-преобразования из коэффициентов декомпозиции соответствующих уровней.

Рис. 2. Результирующий модуль токов статора в режиме пуска АД: а) – без повреждения; б) – при обрыве стержня

На рис. 3 показаны графики пятого составляющего сигнала декомпозиции результирующего модуля токов статора (D5). Во остальных коэффициентах детализации изменения не наблюдались.

Рис. 3. Графики составляющей D5: а) – без повреждения; б) – с обрывом

Компонент D5 реагирует на обрыв стержня ротора и при увеличении количества оборванных стержней амплитуды его пульсаций увеличивается, что служит однозначным диагностическим признаком наличия дефекта.

Выводы.

Использование вейвлет-разложения на компоненты при анализе токов статора для выявления повреждения в обмотке ротора АД более информативно чем спектральный анализ.

Вейвлет-разложение результирующего модуля токов статора является предпочтительным, так как в этом случае информационный признак повреждения проявляется сильнее, чем при вейвлет-разложении токов отдельных фаз.

Литература:

1.         Сивокобыленко В. Ф., Костенко В. И. Причины повреждения электродвигателей в пусковых режимах на блочных тепловых электростанциях // Электрические станции. — 1974. — № 1. — С. 33–35.

2.         Рогачев В. А. Диагностирование эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей по гармоническому составу тока статора: Дис.... канд. тех. наук.: 05.09.01. –Новочеркасск, 2008. — 173 с.

3.         Купцов В. В. Разработка метода диагностирования АД на основе конечно-элементной модели: Дис… канд. техн. наук: 05.09.03. — Магнитогорск, 2010. — 142 с.

4.         В. И. Полищук, Глазырин А. С., Глазырина Т. А. Функциональная вейвлет-диагностика состояния обмоток роторов трехфазных электрических машин// Электричество. — 2012. — № 6. — C. 42–45.

5.         Дьяконов В. П. Вейвлеты: От теории к практике / В. П. Дьяконов. — М.: Солон-Р, 2002. — 448 с.