Обнаружение неисправностей обмотки статора с помощью подачи высокочастотного сигнала для асинхронных двигателей с закрытыми пазами ротора



В настоящей работе предложена стратегия обнаружения неисправностей витка обмотки статора для асинхронного двигателя (АД) с закрытыми пазами ротора. Эта стратегия основана на влиянии неисправностей на напряжение нулевой последовательности АД, когда трехфазный инвертор в машине подает заданный поисковый сигнал. Стратегия позволяет отделить его от основного возбуждения двигателя. Для оценки осуществимости этого предложения используется упрощенная модель АД с несколькими соединенными схемами.

Введение

Повреждение изоляции обмотки статора является одной из наиболее распространенных неисправностей в электрических машинах. Повреждение изоляции обмотки может быть вызвано чрезмерным нагревом, кратковременными перенапряжениями, перемещением обмотки или загрязнением. Такая неисправность приводит к большим токам и перегреву обмотки, что приводит к серьезным замыканиям «фаза-фаза», «виток-виток» или «виток-земля». Все эти неисправности могут привести к необратимому повреждению обмоток или сердечника статора. Учитывая этот сценарий, в последние годы были исследованы методы быстрого обнаружения возникающих неисправностей между витками во время работы двигателя. Ввод высокочастотного сигнала широко изучался для оценки положения в приводах электродвигателей с низкой частотой вращения, таких как асинхронные двигатели (АД) и синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM). Эти методы основаны на отслеживании положения некоторых конструктивных асимметрий ротора или насыщенности. Подробный обзор этих методов был недавно представлен Бризом и Дегнером. Неисправности двигателя приводят к асимметрии, которая в некоторых случаях может быть обнаружена с помощью высокочастотных методов, аналогичных тем, которые предлагаются для стратегий оценки местоположения. По этой причине они зарекомендовали себя для обнаружения сломанных стержней, эксцентриситета воздушного зазора и неисправностей статора в АД.

В данной статье представлена стратегия обнаружения неисправностей обмотки статора в АД с переменной скоростью вращения при звездообразном соединении. Эта стратегия основана на эффектах, которые приводят к таким неисправностям, когда на двигатель подается ШИМ-сигнал, добавляемый к основному возбуждению. Это дополнительное возбуждение состоит из заданной последовательности импульсов, подаваемых инвертором. Подача сигнала позволяет отделить стратегию диагностики от основного возбуждения, направленного на генерирование крутящего момента двигателя. Изменения значений индуктивности АД в условиях неисправности приводят к значительным изменениям сигналов, получаемых от напряжения нулевой последовательности, что позволяет проводить начальную диагностику неисправности.

1. Модель асинхронного двигателя с неисправностями статора

Для анализа мгновенного обмена данными используется модель многосвязной цепи. В этой модели не учитываются эффекты насыщения и вихревых токов. Кроме того, предполагается, что стержни ротора должны быть изолированы. Рассматривается m-образный статор и n-образный ротор АД. Каркас ротора смоделирован в виде n-идентичных и расположенных на равном расстоянии друг от друга петель с двумя последовательными стержнями плюс токовая петля на одном из колец. Учитывался равномерный воздушный зазор за счет закрытых пазов ротора.

Рис. 1. Различные пазы ротора (а) открытые (б) закрытые

1.1 Моделирование неисправности статора

Все модификации модели многосвязной схемы, необходимые для учета неисправностей при повороте обмотки статора, были выполнены.

Уравнениями, описывающими динамику АД, являются:

; (1)

; (2)

. (3)

где, , ,

, и — векторы напряжения, тока и магнитной индукции статора и ротора соответственно. и — матрицы сопротивлений статора и ротора соответственно. и — это ток и поток, связанные короткозамкнутыми витками соответственно.

Потоки, связанные статором, ротором и короткозамкнутыми витками, задаются:

; (4)

; (5)

. (6)

где, представляет собой матрицу 3х3 с собственной и общей индуктивностями статора;

представляет собой матрицу (n + 1) * (n + 1) с собственной и общей индуктивностями ротора;

представляет собой матрицу 3* (n + 1) с общими индуктивностями между фазой статора и контурами ротора;

представляет собой матрицу (n+1)*3 с общими индуктивностями между контурами ротора и фазами статора;

представляет собой вектор 3*1 с общими индуктивностями между цепями статора и закороченными витками;

. представляет собой вектор n* 1 с общими индуктивностями между контурами ротора и закороченными витками в качестве компонентов;

;

— это собственная индуктивность короткозамкнутых витков, состоящая из индуктивности намагничивания и индуктивности утечки.

Рис. 2. Трехфазный инвертор и схема АД

2. Стратегия обнаружения неисправностей статора

Предлагаемая стратегия основана на эффектах, вызванных асимметрией статора по напряжению нулевой последовательности АД, когда АД возбуждается заданной последовательностью импульсов (исследовательский сигнал), подаваемой трехфазным инвертором. Стратегия заключается в подавлении основного тока, создаваемого контуром управления во время подачи исследовательского сигнала.

Исследовательский сигнал состоит из шести активных состояний трехфазного инвертора Цзяна и Хольца в следующей последовательности: u1(+ − −), u4(− + +), u3(− + −), u6(+ − +), u5(− − +) и u2(+ + −).

Напряжение нулевой последовательности может быть рассчитано следующим образом:

. (7)

где, v _a , v _b и v _c — фазные напряжения АД относительно нейтральной точки n, см. рисунок 2.

Эти напряжения измеряются синхронно с введенной последовательностью импульсов. u _σ зависит от изменений индуктивности и влияния напряжения на скорость, поэтому для стратегии диагностики важно отменить второй эффект. Отмена выполняется путем вычитания напряжений нулевой последовательности для противоположных положений переключения, как:

; (8)

; (9)

. (10)

Где верхние индексы представляют каждое из шести активных состояний инвертора. Эти сигналы напряжения являются функцией индуктивностей возбуждаемой фазы. Для исправного АД с открытыми пазами ротора сигналы являются почти синусоидальными и имеют период m на оборот ротора АД, где m — количество стержней в роторе. Однако в случае закрытых пазов ротора с перекосом эти сигналы можно считать постоянными для исправного двигателя.

Путем преобразования этих трехфазных сигналов в систему координат α-β, закрепленную на статоре, производится:

; (11)

. (12)

Можно определить пространственный вектор

, который содержит информацию об асимметриях и выступах АД. Неисправность статора вызывает статическую асимметрию и, следовательно, смещение в плоскости α-β сигналов обнаружения.

Обнаружение неисправностей может быть выполнено с помощью модуля вектора P:

. (13)

Информация о поврежденной фазе получается из угла вектора P и может быть аппроксимирована следующим образом:

. (14)

Этот угол будет близок к 0, 2π/3 или -2π/3, если неисправность возникает в фазе a, b или c соответственно.

2.1 Реализация стратегии обнаружения с использованием одного датчика напряжения

Стратегия, представленная в предыдущем разделе, требует информации о напряжениях фазы АД относительно нейтральной точки. Следовательно, необходимо использование трех датчиков напряжения, этот факт делает реализацию стратегии более дорогостоящей. В этом разделе представлен альтернативный подход, в котором используется один датчик напряжения. Альтернативный подход вычисляет напряжения нулевой последовательности ((8)-(10)), используя отрицательное напряжение линии постоянного тока, измеренное относительно нейтральной точки АД ( ).

На рисунке 3(а) и 3(б) показан инвертор, подключенный к фазам АД для состояний u1(+ — -) и u4(- + +) соответственно. Фазные напряжения в зависимости от и напряжения линии постоянного тока ( ) в каждом состоянии можно выразить в виде:

; (15)

. (16)

Напряжения нулевой последовательности могут быть получены путем замены (15) и (16) в (7), что дает:

; (17)

. (18)

Рис. 3.Подключение фаз инвертора и АД; (а) состояние u1(+ − −), (б) состояние u4(− + +)

Таким же образом можно получить и для других состояний. Основываясь на предыдущих напряжениях, pa, pb и pc задаются по формуле:

. (19)

И и могут быть выражены как:

. (20)

Из (20) можно наблюдать, что и

зависят только от измеренного напряжения . Благодаря этому время выполнения альтернативного подхода стратегии сокращается по сравнению с первоначальным, что позволяет предотвратить искажения в основном сигнале возбуждения АД.

3. Анализ влияния неисправности на сигнал обнаружения

Для анализа влияния неисправностей обмотки на диагностические сигналы была использована модель многосвязной схемы с модификациями, предложенными в разделе 1. Если время подачи исследовательского сигнала невелико, то можно пренебречь влиянием электродвижущей силы скорости и падением напряжения на сопротивлении. Таким образом, уравнения для двигателя с неисправностью приводят к:

; (21)

; (22)

. (23)

Удобно группировать таким образом:

; (24)

. (25)

Где,

; (26)

; (27)

. (28)

Исходя из модели, выраженной формулами (24) и (25), диагностические сигналы могут быть получены как функции индуктивностей двигателя:

; (29)

; (30)

. (31)

где, ;

;

;

;

— напряжение постоянного тока инвертора.

Среднее значение смещения в зависимости от количества закороченных витков показано на рисунке 4. Можно наблюдать, что при небольшом числе закороченных витков амплитуда составляющей постоянного тока значительно увеличивает свое значение.

Рис. 4. Результаты моделирования для среднего значения

в зависимости от количества закороченных витков

Вывод

В этой работе была предложена стратегия обнаружения неисправностей обмотки статора в IM. Предложение основано на методах подачи сигнала, которые позволяют отделить стратегию диагностики от основного возбуждения двигателя. Неисправности статора, вызванные закороченными витками, создают непрерывные составляющие диагностических сигналов в плоскости , смещая траекторию вектора P в направлении, противоположном поврежденной фазе. Поскольку эти неисправности не приводят к изменениям в цепях ротора, компоненты, изменяющиеся в зависимости от положения ротора, не отображаются в диагностическом сигнале. Амплитуда непрерывной составляющей увеличивается при небольшом числе закороченных витков, стремясь к постоянному значению при большом числе закороченных витков. Это позволяет проводить диагностику для очень небольшого числа закороченных витков, что позволяет избежать распространения неисправности на другие обмотки и даже фазы.