1512

Висследуемом диапазоне спектра (см. рис. 1) выделяют характерные час-

тоты fst (см. табл. 1), определяющие наличие межвитковых замыканий в обмотке статора. Можно заключить, что выде-

ляются характерные частоты fst, равные

26,75, 103,5 и 180,25 Гц. Остальные час-

тоты fst выражены недостаточно.

Вприведенном диапазоне спектра (см. рис. 2) выделяются характерные

частоты fst (см. табл. 1), равные 73,25, 180,25 и 196,5 Гц. Остальные частоты fst выражены слабо. Данные спектрограммы (см. рис. 1, 2) приведены в увеличенном масштабе для выделения и анализа изменений приведенных гармонических составляющих.

Как было отмечено ранее, были проведены частотные выборки в пределах

каждой характерной гармоники fst, определяющей межвитковые замыкания. Данные интегральные параметры (табл. 4) были условно наименованы как диагностические коэффициенты, возрастание которых происходит при наличии и увеличении площади межвитковых замыканий.

Наличие межвитковых замыканий обусловливает увеличение несимметрии обмотки статора. Сопротивление контура при хорошем контакте в месте замыкания мало, и по нему будет циркулировать повышенный ток, который сильно нагреет часть обмотки и образует короткозамкнутый контур. Под влиянием чрезмерного нагрева дефектная изоляция темнеет, становится хрупкой и разрушается. Впоследствии это приводит к увеличению области повреждения.

Далее приведен внешний вид части обмотки исправного АД (рис. 3). В данной работе неисправные АД (аналогичного типа) имели межвитковые замыкания в лобовой части (рис. 4, 5).

Межвитковое замыкание (см. рис. 4) приводит к увеличению тока в поврежденном витке, что вызывает значительное увеличение нагрева провода замкнутого витка, а также расположенных рядом с ним витков обмотки, тем самым обусловливая дальнейшее увеличение площади межвитковых замыканий.

Возникновение поврежденных витков (см. рис. 4 и 5) обусловливает повышение токовой нагрузки в исправных обмотках. Происходит увеличение асимметрии токов в обмотке статора. Как пра-

вило, эксплуатация АД с межвитковым замыканием может привести к междуфазному замыканию или замыканию на землю, что уже приводит к полному выходу из строя электрической машины.

6.Пыхтин В.В. Метод экспериментального определения дефектности систем изоляции обмоток асинхронных двигателей с учетом различных механизмов образования дефектов // Электротехни-

ка. – 2007. – № 7. – C. 2–8.

7.Обзор методов мониторинга изоляции асинхронных двигателей, работающих от преобразователей частоты / Н.Р. Сафин, В.М. Казакбаев, В.А. Прахт, В.А. Дмитриевский // Промышленная энергетика. – 2015. – № 7. – C. 58–61.

8.Bin Hasan. Current based condition monitoring of electromechanical systems. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy. – University of Bradford, 2012. – 237 p.

9.Diamini M., Barendse P.S., Khan A. Autonomous detection of interturn stator faults in induction motors // IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). – 2013. – P. 1700–1705.

10.Thomson W.T., Fenger M. Current signature analysis to detect induction motor faults // IEEE Industry Applications Magazine. – 2001. – Vol. 7, iss. 4. – P. 26–34.

11.Thomson W.T., Morrison D. Online diagnosis of stator shorted turns in mains and inverter fed low voltage induction motors // International Conference on Power Electronics, Machines and Drives. – 2002. – № 487. – P. 122–127.

На испытательных стендах синхронных машин для их испытаний под нагрузкой применяются различные нагрузочные устройства. Обычно это электрические генераторы постоянного или переменного тока, нагружаемые на проволочные, жидкостные или ламповые реостаты.

На рис. 1 представлена схема устройства с резистивной нагрузкой генератора. В состав стенда входит испытуемая синхронная машина, соединенная с валом генератора постоянного или переменного тока, и нагрузочный реостат R(Z). Синхронный двигатель СД преобразует электрическую энергию в механическую энергию, которая передается генератору ГПТ или СГ. Генератор пре-

образует механическую энергию в электрическую энергию постоянного или переменного тока, которая выделяется в реостате в виде тепла. Недостатком такой системы являются большие невозвратные затраты потребляемой из сети электрической энергии.

Рис. 1. Нагрузочное устройство с резистивной нагрузкой генератора

Рис. 2. Нагрузочное устройство с системой генератор – двигатель

В состав устройства входят четыре машины соизмеримой мощности: приводной синхронный двигатель СД, промежуточная система генератор – двигатель (ГПТ–ДПТ) и синхронный генератор СГ, работающий параллельно с сетью.

Синхронный двигатель СД вращает генератор ГПТ, к которому подключен двигатель постоянного тока ДПТ. Двигатель вращает синхронный генератор СГ, который работает параллельно с сетью и возвращает энергию в сеть. В этой системе важно, чтобы ДПТ поддерживал постоянство скорости синхронного генератора, которая должна соответствовать частоте напряжения питающей сети.

Недостатком данного нагрузочного устройства является наличие четырех электрических машин, что значительно снижает коэффициент полезного действия всей системы за счет потерь во всех машинах.

Предлагается новое нагрузочное устройство, схема которого представлена на рис. 3. Нагрузочное устройство представляет собой две синхронные машины одинаковой мощности, валы роторов которых жестко соединены между собой. Статорные обмотки машин подключаются к питающей сети 6–10 кВ. Одна из машин СД работает в режиме двигателя, потребляет энергию из сети и преобразует ее в механическую энергию.

Рис. 3. Схема предлагаемого нагрузочного устройства

Для обеспечения такого режима работы необходимо рассогласовать положения роторов электрических машин относительно друг друга на некоторый электрический угол γ. С этой целью ротор генератора поворачивают относительно ротора двигателя по ходу вращения на угол γ, и после этого валы роторов машин жестко соединяют между собой.

Рис. 4. Угловые характеристики электрических машин

Рассогласование роторов синхронных машин в нагрузочном устройстве приводит к относительному смещению их угловых характеристик, которые при

угле рассогласования γ = π2 представле-

ны на рис. 4. Режим работы машин нагрузочного устройства в статике харак-

теризуется углом нагрузки θн, при котором одна машина работает двигателем и потребляет электрическую энергию из сети (т. 1), а вторая – генератором, отдавая энергию в сеть (т. 2).

Переходные процессы в двухмашинном агрегате нагрузочного устройства можно описать в ортогональной системе координат d–q, жестко связанной с ротором синхронной машины, в которой ось d системы совмещается с продольной осью ротора машины [1].

Синхронные машины (двигатель СД и генератор СГ) в системе координат d–q описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями вида

Сюда входят уравнения статорных обмоток, обмотки возбуждения и демпферной обмотки по осям d и q.

Потокосцепления обмоток записываются в виде

ψyq = Lуq iyq + Laq iq .

где ψk, ik, Lk – потокосцепления, токи и собственные индуктивности контуров синхронной машины по осям d и q, k = d, q, f, yd, yq; Lаd Lаq – взаимные ин-

дуктивности между контурами машины.

Уравнение движения машин нагрузочного устройства

менты двигателя и генератора и момент сопротивления на валу; J = Jд + Jг –

суммарный момент инерции машин нагрузочного устройства.

Электромагнитный момент синхронных машин:

Угол нагрузки синхронного двигателя определяется выражением

Угол нагрузки генератора с учетом угла рассогласования γ

Напряжения статорных обмоток генератора

Статические характеристики двухмашинного агрегата рассчитаны по уравнениям установившегося режима, которые получаются из уравнений переходных процессов, если принять в них производные потокосцеплений и частоты вращения равными нулю, а частоту вращения роторов синхронных машин – равной синхронной скорости [2]. Исключив производные, получим в установившемся режиме следующие уравнения:

для синхронного двигателя

Напряжение статорных обмоток генератора по осям d и q:

Токи возбуждения машин считаются известными и определяются из соотношений

Потокосцепления машин по осям d и q можно записать в следующем виде:

для синхронного двигателя

Электромагнитные моменты двигателя и генератора

+ Iqг I fг xadг.

Активные мощности двигателя и генератора

150

Реактивные мощности двигателя и генератора

Коэффициенты мощности двигателя и генератора

Модули токов статорных обмоток синхронных машин

Коэффициент полезного действия нагрузочного устройства

Расчет статического режима проводится итерационным методом по углу нагрузки θ, при котором должно выполняться условие равенства моментов

где Mс – момент сопротивления на валу агрегата, определяемый механическими потерями машин; ε – допустимая погрешность, выбираемая по соображениям точности расчета.

Следует отметить особенность создания нагрузочного режима синхронных машин в данном нагрузочном устройстве. Она состоит в том, что для этого необходимо деформировать угловую характеристику одной из синхронных машин устройства, а именно для создания режима нагрузки синхронного двигателя необходимо изменять угловую характеристику генератора, и, наоборот, чтобы нагрузить синхронный генератор, необходимо деформировать угловую характеристику двигателя.