Russian Federation
Russian Federation
The issues of technical operation, diagnostics and repair of electrical equipment are always relevant, especially for merchant ships, because to achieve an economic result from the activities of shipping companies, the uninterrupted operation of ship mechanisms, devices and systems is important. To ensure uninterrupted operation, proper technical operation of shipboard electrical equipment, prevention of typical malfunctions, reliable diagnostics of electrical equipment and timely repairs are necessary. The diagrams of the connection of the stator winding of an asynchronous motor with a short-circuited rotor “Star” are given. A method for diagnosing the technical condition of the stator windings of a three-phase asynchronous motor with a short-circuited rotor, which does not involve disassembling the motor, by alternately measuring the resistances between the phases of the motor, is considered. In this case, a three-phase asynchronous motor with a phase rotor is considered as part of a simple system in which there are no restrictions on starting currents, reverse, changing engine speed, switching windings. To analyze this method, a set of educational and laboratory equipment “Three-phase asynchronous motor with fault simulator” was used, with which it is possible to set typical faults for a three-phase asynchronous motor. Variants of fault combinations are being considered. It is noted that the conclusion on the technical condition of the engine should be made, in particular, according to the values of the ohmic resistance of the engine windings. The necessary measurements were carried out for various types of malfunctions; based on the obtained measurement results, a conclusion was made about the proposed method.
three-phase asynchronous motor, stator winding, malfunction, phase interruption, inter-turn circuit, short circuit, “Star” diagram
Введение
На судах торгового флота приемниками электрической энергии преимущественно являются асинхронные электродвигатели. Их количество в зависимости от типа судна может колебаться от 20 до 100. Для каждого асинхронного двигателя (АД), находящегося в ведении судовой электромеханической группы, предусмотрены мероприятия по техническому обслуживанию и ремонту согласно правилам технической эксплуатации судового электрооборудования [1], Правилам классификации и постройки судов Российского морского регистра судоходства (РМРС) [2] и локальным документам судоходной компании. В отношении АД это оценка технического состояния узлов и деталей электрических машин, производимая на основании данных о величине и изменении сопротивления изоляции, нагрева, увлажненности, вибрации, шума, зазоров в подшипниках скольжения, биения коллекторов (колец), осевых разбегов валов роторов, воздушных зазоров, а также состояния коллекторов (колец), щеток, подшипников, бандажей, вентиляционных крылаток и т. д., определяемых при осмотрах без разборки, с частичной или полной разборкой электрических машин. Нормы предельно допустимых величин сопротивления изоляции, воздушных зазоров, собственной вибрации электрических машин и смещения вала в осевом направлении в подшипниках скольжения определяются инструкциями по эксплуатации, заводскими формулярами и Руководством по техническому надзору за судами, находящимися в эксплуатации, РМРС.
В работе рассматривается способ определения технического состояния статорной обмотки трехфазного АД с короткозамкнутым ротором (КЗР).
Материалы исследования
Традиционно для того чтобы определить состояние обмоток АД, у него разбирают клеммную коробку, от машины отпускают провода, снимают перемычки, обеспечивающие соединение обмоток в «звезду» или «треугольник», и с помощью электроизмерительных приборов (омметры, мегомметры) делают необходимые замеры [3–5]. Такой способ диагностики требует определенного времени, а в ходе перечисленных выше процедур возникает вероятность совершения ошибки (при обратной сборке).
В зависимости от назначения судового механизма, в состав которого входит АД, для отдельных электроприводов могут быть предусмотрены переключения обмоток статора со «звезды» на «треугольник» и наоборот для ограничения пусковых токов или изменения скорости вращения ротора, также в цепь статора могут быть введены пусковые реостаты для снижения всплеска тока в момент пуска, которые впоследствии шунтируются. Предлагаемый в статье метод применим для АД, у которых не предусмотрены какие-либо манипуляции со статорной обмоткой, а обмотка собрана в «звезду» или «треугольник» в клеммной коробке.
Рассмотрим трехфазный АД с КЗР простого судового механизма, для которого не предусмотрены скоростные режимы работы, реверс или ограничение пускового тока и статорная обмотка которого собрана «звездой».
На рис. 1 приведена схема соединения статорной обмотки АД с КЗР «звездой».
Рис. 1. Схема соединения статорной обмотки
асинхронного двигателя с короткозамкнутым
ротором «звездой»
Fig. 1. Diagram of the connection of the stator winding
of an asynchronous motor with a short-circuited rotor “Star”
Согласно рис. 1 A–X, B–Y и C–Z – концы обмоток статора АД (Z1, Z2, Z3), причем концы X, Y, Z соединяются в общую точку, так называемый «центр звезды».
На рис. 2 показано, как будет реализовано соединение статорной обмотки АД с КЗР «звездой» в клеммной коробке машины.
Метод предполагает поочередное измерение сопротивления постоянному току между фазами АД – A и B, B и C, A и C – без разбора статорной обмотки. В процессе измерения сопротивления между двумя точками, например фазами A и B, к этим точкам подводится напряжение постоянного тока, возникает электрический сигнал, пропорциональный подведенному напряжению и обратно пропорциональный суммарному сопротивлению двух обмоток Z1 и Z2, т. к. в полученной электрической цепи они соединены последовательно, обмотка Z3 никакого участия не принимает.
Рис. 2. Соединение статорной обмотки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором «звездой»
в клеммной коробке
Fig. 2. Connection of the stator winding of an
asynchronous motor with a short-circuited rotor “Star”
in the terminal box
Измерительное устройство покажет, если отсутствуют какие-либо неисправности в этих двух обмотках, общее омическое сопротивление двух последовательно соединенных обмоток Z12. Аналогично производя измерения между фазами B и C и A и C, можно получить значения Z23 – общее сопротивление последовательно соединенных обмоток Z2 и Z3; Z13 – общее сопротивление последовательно соединенных обмоток Z1 и Z3. По значениям Z12, Z23, Z13 можно найти омические сопротивления обмоток Z1, Z2, Z3, решив систему линейных уравнений:
(1)
Значительные отклонения значений омических сопротивлений друг от друга будут свидетельствовать о наличии межвитковых замыканий или замыканиях между обмотками.
Оборудование
Для реализации и проверки метода использовался комплект учебно-лабораторного оборудования «Трехфазный асинхронный двигатель с имитатором неисправностей» (рис. 3).
Рис. 3. Трехфазный асинхронный двигатель
с имитатором неисправностей
Fig. 3. Three-phase asynchronous motor
with fault simulator
В состав комплекта входит АД с КЗР, имитатор неисправностей, комплект проводов. На установке есть возможность имитации следующих типовых неисправностей АД с КЗР: короткое замыкание между фазой и корпусом, короткое замыкание между двумя любыми фазами или между тремя фазами одновременно, обрыв обмотки, межвитковые замыкания. Омическое сопротивление каждой обмотки АД составляет 81 Ом. При отсутствии неисправностей в обмотках значения Z12, Z23, Z13 должны быть равны (или приблизительно равны) и составлять 162 Ом (рис. 4).
Рис. 4. Измерение сопротивления между фазами А и В
Fig. 4. Measurement of resistance between phases A and B
При неисправности (НИ1) – обрыв фазной обмотки Z1 – поочередные измерения между фазами показали: Z12 = ∞, Z23 = 162 Ом, Z13 = ∞. Аналогично при неисправности (НИ2) – обрыв фазной обмотки Z2 – имеем Z12 = ∞, Z23 = ∞, Z13 = 162 Ом; при неисправности (НИ3) – обрыв фазной обмотки Z3 – имеем Z12 = 162 Ом, Z23 = ∞, Z13 = ∞.
Вычисления
Решив систему уравнений (1) для каждой из неисправностей НИ1, НИ2, НИ3, получим следующие данные (табл. 1).
Таблица 1
Table 1
Омические сопротивления фазных обмоток статора, вычисленные по значениям Z12, Z23, Z13
для неисправностей НИ1, НИ2, НИ3
Ohmic resistances of the phase windings of the stator, calculated from the values Z12, Z23, Z13 for faults 1, 2, 3
|
Неисправность |
Измеренные значения, Ом |
Вычисления |
||
|
Сопротивление обмотки Z1 |
Сопротивление обмотки Z2 |
Сопротивление обмотки Z3 |
||
|
НИ1 – обрыв обмотки Z1 |
Z12 = ∞, Z23 = 162, Z13 = ∞ |
∞ (отклонение |
81 |
81 |
|
НИ2 – обрыв обмотки Z2 |
Z12 = ∞, Z23 = ∞, Z13 = 162 |
81 |
∞ (отклонение |
81 |
|
НИ3 – обрыв обмотки Z3 |
Z12 = 162, Z23 = ∞, Z13 = ∞ |
81 |
81 |
∞ (отклонение от нормы) |
Рассмотрим неисправность – короткое замыкание фазной обмотки (или межвитковые замыкания в фазной обмотке). С помощью учебно-лабора-торного комплекта «Трехфазный асинхронный двигатель с имитатором неисправностей» поочередно были имитированы короткое замыкание в каждой обмотке по отдельности: НИ4 – короткое замыкание фазной обмотки Z1, НИ5 – короткое замыкание фазной обмотки Z2, НИ6 – короткое замыкание фазной обмотки Z3. Для каждой из неисправностей (НИ4, НИ5, НИ6) сделаны замеры сопротивлений между фазами (табл. 2).
Таблица 2
Table 2
Замеры сопротивлений между фазами
Measurements of resistance between phases
|
Неисправность |
Измерения, Ом |
||
|
Z12 |
Z23 |
Z13 |
|
|
НИ4 |
81 |
162 |
81 |
|
НИ5 |
121 |
121 |
162 |
|
НИ6 |
162 |
100 |
100 |
Решив систему уравнений (1) для каждой из неисправностей (НИ4, НИ5, НИ6), получим следующие данные (табл. 3).
Таблица 3
Table 3
Омические сопротивления фазных обмоток статора, вычисленные по значениям Z12, Z23, Z13
для неисправностей НИ4, НИ5, НИ6
Ohmic resistances of the phase windings of the stator, calculated from the values Z12, Z23, Z13 for faults 4, 5, 6
|
Неисправность |
Измеренные значения, Ом |
Вычисления |
||
|
Сопротивление обмотки Z1 |
Сопротивление обмотки Z2 |
Сопротивление обмотки Z3 |
||
|
НИ4 – короткое замыкание фазной обмотки Z1 |
Z12 = 81, Z23 = 162, Z13 = 81 |
0 (отклонение |
81 |
81 |
|
НИ5 – короткое замыкание фазной обмотки Z2 |
Z12 = 121, Z23 = 121, Z13 = 162 |
81 |
40 (отклонение от нормы) |
81 |
|
НИ6 – короткое замыкание фазной обмотки Z3 |
Z12 = 162, Z23 = 100, Z13 = 100 |
81 |
81 |
19 (отклонение от нормы) |
Существенные отклонения омического сопротивления фазных обмоток электродвигателя (сопротивление ниже паспортного сопротивления) указывают на наличие межвитковых замыканий в обмотках, в связи с чем дальнейшая эксплуатация до устранения неисправности невозможна [6–8].
С помощью установки «Трехфазный асинхронный двигатель с имитатором неисправностей» можно задавать комбинации неисправностей, например межвитковые замыкания в двух фазных обмотках одновременно или замыкание в одной из фазных обмоток и обрыв в другой.
Рассмотрим две комбинации неисправностей:
1. Обрыв в фазной обмотке Z1 и межвитковое замыкание в фазной обмотке Z3 (НИ1 + НИ6).
2. Межвитковое замыкание в фазных обмотках Z1 и Z2 (НИ4 + НИ5).
Для комбинации неисправностей НИ1 + НИ6 после измерений между фазами получены следующие данные (табл. 4).
Таблица 4
Table 4
Замеры сопротивлений между фазами при НИ1 + НИ6
Measurements of resistance between phases at 1 and 6
|
Неисправность |
Измерения, Ом |
||
|
Z12 |
Z23 |
Z13 |
|
|
НИ1 + НИ6 |
∞ |
100 |
∞ |
Для комбинации неисправностей НИ4 + НИ5 после измерений между фазами получены следующие данные (табл. 5).
Таблица 5
Table 5
Замеры сопротивлений между фазами при НИ4 + НИ5
Measurements of resistance between phases at 4 and 5
|
Неисправность |
Измерения, Ом |
||
|
Z12 |
Z23 |
Z13 |
|
|
НИ4 + НИ5 |
45,4 |
126 |
81 |
Решив систему уравнений (1) для каждой из комбинаций неисправностей (НИ1 + НИ6, НИ4 + НИ5) получены следующие данные (табл. 6).
Таблица 6
Table 6
Омические сопротивления фазных обмоток статора, вычисленные по значениям Z12, Z23, Z13
для неисправностей НИ1 + НИ6, НИ4 + НИ5
Ohmic resistances of the phase windings of the stator, calculated from the values Z12, Z23, Z13
for faults 1 and 6, 4 and 5
|
Неисправность |
Измеренные значения, Ом |
Вычисления |
||
|
Сопротивление обмотки Z1 |
Сопротивление обмотки Z2 |
Сопротивление обмотки Z3 |
||
|
НИ1 + НИ6 |
Z12 = ∞, Z23 = 100, Z13 = ∞ |
∞ (отклонение |
50 (отклонение от нормы) |
50 (отклонение от нормы) |
|
НИ4 + НИ5 |
Z12 = 45,4, Z23 = 126, Z13 = 81 |
0,2 (отклонение от нормы) |
45 (отклонение от нормы) |
81 |
Результаты исследования
Таким образом, по значениям Z12, Z23, Z13 можно судить о состоянии статорной обмотки АД с КЗР, собранной «звездой», при этом нет необходимости в разборке клеммной коробки, измерения могут быть сделаны в щите электродвигателя. В работе не была рассмотрена неисправность – короткое замыкание между фазными обмотками статора.
В табл. 7 приведены некоторые возможные состояния статорной обмотки АД с КЗР, определяемые по значениям Z12, Z23, Z13.
Таблица 7
Table 7
Состояния статорной обмотки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором,
определяемые по значениям Z12, Z23, Z13
The states of the stator winding of an asynchronous motor with a short-circuited rotor,
determined by the values Z12, Z23, Z13
|
Измерения, Ом |
Предполагаемое техническое состояние статорной обмотки |
||
|
Z12 |
Z23 |
Z13 |
|
|
162 |
162 |
162 |
Омическое сопротивление фазных обмоток статора в пределах нормы (по 81 Ом) |
|
∞ |
162 |
∞ |
Наличие обрыва в фазной обмотке Z1 |
|
∞ |
∞ |
162 |
Наличие обрыва в фазной обмотке Z2 |
|
162 |
∞ |
∞ |
Наличие обрыва в фазной обмотке Z3 |
|
81 |
162 |
81 |
Межвитковые замыкания в фазной обмотке Z1 |
|
121 |
121 |
162 |
Межвитковые замыкания в фазной обмотке Z2 |
|
162 |
100 |
100 |
Межвитковые замыкания в фазной обмотке Z3 |
|
∞ |
100 |
∞ |
Явный обрыв в фазной обмотке Z1, наличие межвитковых замыканий в одной или двух фазных обмотках. Требуется дополнительная диагностика |
|
45,4 |
126 |
81 |
Межвитковые замыкания в фазных обмотках Z1 и Z2. Омическое сопротивление |
Обсуждение
Значения Z12, Z23, Z13 для статорной обмотки трехфазного АД с КЗР, собранной «звездой», могут быть рассмотрены как индикаторы состояния фазных обмоток статора. Равенство значений Z12, Z23, Z13 одному числу (как правило, в два раза большему, чем омическое сопротивление исправной обмотки) свидетельствует об удовлетворительном техническом состоянии (омическое сопротивление каждой обмотки в пределах нормы). Равенство двух показателей из трех (Z12, Z23, Z13) бесконечности или бесконечно большому числу (относительно паспортному сопротивлению обмоток) свидетельствует об обрыве в одной из фазных обмоток. Равенство трех показателей из трех (Z12, Z23, Z13) бесконечности или бесконечно большому числу свидетельствует об обрыве в двух или трех фазных обмотках. Если два из трех значений (Z12, Z23, Z13) много меньше установленного значения (удвоенное сопротивление исправной фазной обмотки), то в одной из трех фазных обмоток имеются межвитковые замыкания. Если три из трех значений (Z12, Z23, Z13) много меньше установленного значения, то межвитковые замыкания имеются в двух или трех фазных обмотках. Если два из трех значений (Z12, Z23, Z13) равны нулю, а третье равно удвоенному сопротивлению исправной фазной обмотки, то имеет место замыкание двух фазных обмоток друг на друга по пути наименьшего сопротивления.
Заключение
В работе изложен метод диагностирования технического состояния статорных обмоток трехфазного АД с КЗР путем последовательных измерений сопротивлений между фазами АД. Объект исследования – трехфазный АД с КЗР в составе простой системы, не предполагающей ограничения пусковых токов, реверс, изменение оборотов двигателя, переключение обмоток. Суть метода заключается в определении трех значений сопротивлений между фазами АД, когда его обмотка собрана по схеме «звезда». Данные значения могут быть определены с помощью измерительного прибора (омметр, мультиметр). Полученные данные заносятся в математическую модель, которая определяет фактическое значение омического сопротивления каждой обмотки двигателя. По значениям омического сопротивления обмоток двигателя делается заключение о техническом состоянии двигателя и о дальнейших действиях в отношении него (двигателя): дополнительная детальная диагностика, ремонт или дальнейшая эксплуатация.
Для разработки метода был использован учебно-лабораторный комплекс «Трехфазный асинхронный двигатель с имитатором неисправностей», с помощью которого задавались типовые для АД неисправности или их комбинации.
Предлагаемый метод диагностики позволяет предварительно определить техническое состояние статорной обмотки двигателя без разбора электродвигателя, клеммной коробки, сделав необходимые измерения в щите электродвигателя, что упрощает процедуру диагностики, исключает вероятность совершения ошибки при обратной сборке. Данный метод можно рассматривать как предварительную диагностику, по результатам которой делается заключение о дальнейших действиях в отношении проверяемого электродвигателя. Кроме того, данный способ позволяет судить о техническом состоянии кабельной сети от щита электродвигателя до самого электродвигателя.
1. Pravila tekhnicheskoi ekspluatatsii sudovykh tekhnicheskikh sredstv i konstruktsii [Rules of technical operation of ship's technical equipment and structures]. Saint Petersburg, Izd-vo TsNIIMF, 1997. 344 p.
2. Pravila klassifikatsii i postroiki morskikh sudov. Part XI. Elektricheskoe oborudovanie [Rules for the classification and construction of naval vessels. Part XI. Electrical equipment]. Saint Petersburg, Izd-vo RMRS, 2023. 430 p.
3. Bel'skii I. O., Kupriianov I. S., Luk'ianov A. V. Sposob diagnostiki asinkhronnykh dvigatelei s korotkozamknutym rotorom [A method for diagnosing asynchronous motors with a short-circuited rotor]. Patent RF, RU2716172C2, 06.03.2020.
4. Shatokhin A. S., Bulgakov A. G., Pyzhov D. A. Metody diagnostirovaniia tekhnicheskogo sostoianiia asinkhronnogo dvigatelia. Molodezhnaia nauka – razvitiiu agropromyshlennogo kompleksa [Methods for diagnosing the technical condition of an asynchronous motor. Youth science – development of the agroindustrial complex]. Materialy Vserossiiskoi (natsional'noi) nauchno-prakticheskoi konferentsii (Kursk, 03–04 dekabria 2020 g.). Kursk, Izd-vo KGSKhA, 2020. Pp. 142-146.
5. Safronov R. I., Miliutin S. A. Diagnostika tekhnicheskogo sostoianiia elektrooborudovaniia. Elektroenergetika segodnia i zavtra [Diagnostics of the technical condition of electrical equipment. Electric power industry today and tomorrow]. Materialy II Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii (Kursk, 24 marta 2024 g.). Kursk, Izd-vo KGSKhA, 2023. Pp. 109-113.
6. Zol'nikov D. N. Sposoby diagnostiki i zashchity asinkhronnykh dvigatelei ot neispravnostei. Energosberezhenie i innovatsionnye tekhnologii v toplivno-energe-ticheskom komplekse [Methods for diagnosing and protecting asynchronous motors from malfunctions. Energy saving and innovative technologies in the fuel and energy complex]. Materialy Natsional'noi s mezhdunarodnym uchastiem nauchno-prakticheskoi konferentsii (Tiumen', 20–22 dekabria 2022 g.). Tiumen', Izd-vo TIU, 2022. Vol. 1. Pp. 165-168.
7. Samoseiko V. F., Gus'kov V. O. Upravlenie elektromagnitnym momentom asinkhronnogo dvigatelia s maksi-mal'nym koeffitsientom moshchnosti [Electromagnetic torque control of asynchronous motor with maximum power factor]. Vestnik gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota im. admirala S. O. Makarova, 2020, vol. 12, no. 6, pp. 1078-1086.
8. Saushev A. V., Smirnov V. I., Bova E. V. Terminologiia, struktura i model' protsessa ekspluatatsii elektrotekhnicheskikh sistem [Terminology, structure and model of the process of operation of electrical systems]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2023, vol. 15, no. 4, pp. 666-679.
