Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Ігнатюк Є.С. Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023.
Дисертаційна робота присвячена підвищенню надійності роботи електричних машин з різним рівнем відпрацьованості їх розрахункового ресурсу шляхом розробки та впровадження ефективних малозатратних методів діагностики шихтованих осердь, зокрема оцінки якості міжлистової ізоляції та стану пресування пакету в електричних двигунах загального призначення та наданню обгрунтованих рекомендацій по їх подальшій експлуатації. У першому розділі описано вплив технологічних факторів на характеристики шихтованих магнітопроводів електричних машин та огляд існуючих методів діагностики стану міжлистової ізоляції та рівня розпушеності пакету. Наведено причини виникнення дефектів у шихтованих магнітопроводах в процесі виробництва та ремонту. Показано аналіз існуючих методів діагностики стану якості ламінованих осердь, що використовуються для виявлення пошкоджень та можливого прогнозування виходу з ладу ЕМ. Проаналізовано основні види дефектів, що можуть виникати в магнітопроводах, наслідки їх впливу на загальний і місцевий стан магнітопроводу, а також на роботу електричної машини в цілому. Більш детально описано ватметровий метод діагностики, метод тепловізійного контролю та віброакустичні методи діагностики магнітопроводів ЕМ як найбільш інформативні та придатні до створення системи комплексної діагностики шихтованих осердь. У другому розділі представлено фізичні основи зв’язку параметрів високочастотних перехідних процесів з питомими втратами в шихтованих магнітопроводах, приведено опис методу оцінки якості ламінованих осердь, що базується на реакції випробуваного магнітопроводу на швидкоплинні індукційні впливи. Надані статистичні оцінки зв’язку параметрів швидкоплинних індукційних процесів в магнітопроводі з втратами на перемагнічування при промислових частотах. Проведено статистичний аналіз експериментів, що були виконані високочастотним індукційним методом, по дослідженню фактичного стану бездефектних та дефектних шихтованих магнітопроводів різної геометричної конструкції, потужності та полюсності. Визначена регресійна залежність та приведені довірчі інтервали для оцінки точності діагностичних параметрів, що вимірюються. Визначено чотири ступеня дефектності магнітопроводів та відповідні межі діагностичних параметрів. Встановлено значну кореляцію між питомими втратами в магнітопроводі Р1,0/50 та загальними магнітними втратами та температурами в обмотках в зібраних і працюючих машинах різної потужності та геометрії магнітопроводу. Показано, що в результаті встановлення діагностичних параметрів і пов’язаних з ними питомих втрат в осердях необхідно проводити післяремонтну паспортизацію машини з обґрунтованим зменшенням навантаження для забезпечення розрахункового ресурсу роботи. Надані рекомендації по зміні номінальної потужності машини в залежності від рівня дефектності застосованого в ній магнітопроводу. Третій розділ присвячений математичному моделюванню високочастотного процесів по запропонованому індукційному методу контролю якості шихтованих магнітопроводів електричних машин загального призначення. Описано та обґрунтовано параметри бездефектного магнітопроводу. Проведено польове та математичне моделювання дефектних та бездефектних пакетів листів електротехнічної сталі в програмному середовищі COMSOL Multiphysics. Було проаналізовано вплив розвинутості дефектів магнітопроводів, пов’язаних з питомими втратами на вихрові струми шляхом моделювання зміни електричної провідності матеріалу сталі, збільшенням товщини листів магнітопроводу та утворенням паразитних контурів вихрових струмів, що відповідають локальним і інтегральним дефектам. Локальні дефекти моделювались шляхом металевого замикання сусідніх пластин, а інтегральні дефекти – збільшенням міжлистової поперечної електричної провідності пакету. Фізично та математично описано процеси, що протікають на прикладі умовного шихтованого пакету з 10 пластин товщиною 0,5мм, що потім експериментально досліджувався при фізичному моделюванні інтегральних і локальних дефектів. Результати моделювання та експериментальних досліджень показали хорошу збіжність, яка не перевищує 10% по оцінці загальних втрат в магнітопроводі згідно запропонованого індукційного методу. По отриманих даних було створено польову математичну модель в програмному пакеті COMSOL Multiphysics. Було проведено математичне моделювання та експериментальні дослідження магнітопроводу 4А90L4У3. По результатам моделювання та експериментальних досліджень були запропоновані діагностичні ознаки для оцінки магнітопроводів різного ступеню дефектності міжлистової ізоляції. Було проведено дослідження впливу локального дефекту магнітопроводу в зубцевій зоні двигуна АІР100L4У3 в зібраній машині з закладеними термодатчиками в дефектних та бездефектних частинах машини. По результатах розрахунку по створених теплових схемах заміщення і виміряним температурам при роботі зібраної машини були оцінені локальні втрати в дефектних та бездефектних зонах, а також температури в обмотках, що були укладені в дефектних і бездефектних частинах. Оцінена небезпека локальних дефектів зубцевої зони в магнітопроводах, що може привести до виходу з ладу міжвиткової ізоляції частини обмотки, яка знаходиться в пазах між дефектними зубцями. У четвертому розділі описано метод оцінки якості шихтованих магнітопроводів по стану міжлистової ізоляції та рівня розпушеності листів магнітопроводу. Метод дозволяє обґрунтувати рекомендації по подальшому використанню осердя по результатах аналізу діагностичних впливів при одночасному використанні швидкоплинних індукційних впливів та ударного вібраційного впливу при співвідношенні дефектів різного походження. Було розглянуто лабораторні зразки інформаційно-вимірювальної системи (ІВС) діагностики шихтованих магнітопроводів різного стану пресування, які були експериментально перевірені при виконанні відповідних досліджень. Наведено структурні схеми, описано алгоритми роботи, структуру та основні функції програмного забезпечення, що входить до складу розроблених ІВС. Проведено низку експериментів на лабораторній базі Інституту електродинаміки НАНУ м.Київ. Описано і показано поєднання експериментів з одночасним індукційним та віброакустичними впливами. Визначено три основні рекомендації по результатам запропонованого комплексного методу оцінки якості шихтованих магнітопроводів. П’ятий розділ описує структурні та функціональні схеми дослідного макету для дослідження стану якості шихтованого магнітопроводу високочастотним індукційним методом. Функціональна схема складається генератору синусоїдальних оливань високої частоти, блоку силових ключів на польових транзисторах, блоку живлення та блоку обробки та аналізу інформації. Структура вимірювально-діагностичної системи включає силову і вимірювальну частину, які пов’язані індукційним шляхом через об’єкт контролю на якому розташовано обмотку збудження та вимірювальну обмотку. пристрій дозволяє виконувати перевірку якості міжлистової ізоляції осердя електричних машин малої та середньої потужністі (об’єктів) без застосування додаткових вимірювальних приладів. Показані осцилограми бездефектних та дефектних магнітопроводів, що були отримані дослідним шляхом при вибраних тестових частотах 10кГц і 1кГц та відповідні їм амплітуди напруг на контрольній обмотці, відношення яких, дозволяють визначити діагностичний коефіцієнт Кд, який показує межі питомих втрат при В1,0/50. Вимірювання діагностичного коефіцієнту Кд за допомогою створеного макету дозволяє оцінити втрати в магнітопроводі різного рівня дефектності для чотирьох випадків: 1) Зелений колір – питомі втрати в магнітопроводі не перевищують 4 Вт/кг. Відповідає якісному магнітопроводу. 2) Жовтий колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять від 4 до 8 Вт/кг. Магнітопровід першого ступеню дефектності. При його використанні потребуєтться корекція паспортних даних зібраного на його основі двигуна. 3) Оранжевий колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять від 8 до 12 Вт/кг. Відповідає магнітопроводу другого ступеню дефектності. При його використанні потребується суттєва зміна паспорту та перегляд режиму роботи. 4) Червоний колір – питомі втрати в магнітопроводі становлять більше 12 Вт/кг. Відповідає магнітопроводу аварійного стану. Рекомендується відбракувати магнітопровід. Наукова новизна одержаних результатів в дослідженні полягає у наступному: - Запропоновано індукційний метод контролю якості міжлистової ізоляції ламінованих магнітопроводів, який на відміну від існуючих, побудований на принципі порівняння реакції шляхів замикання вихрових струмів при наявності та відсутності дефектів на швидкоплинні процеси різної частоти в індукційно пов’язаних контурах збуджуючої та контрольної обмотки. - Вдосконалено чисельну польову математичну модель швидкоплинних процесів в шихтованому магнітному осерді, яка на відміну від існуючих враховує нелінійні властивості магнітних матеріалів та явище гістерезису при зміні частоти перемагнічування. - Вперше розроблено математичну модель, яка визначає зв’язок параметрів високочастотних процесів в випробуваних магнітних осердях з їх питомими втратами в змінних магнітних полях промислової частоти та індукціях, рекомендованих до нормативних випробувань та близьких до індукцій при роботі електричних машин. - Обґрунтовано нову методику визначення ступеня пошкодження міжлистової ізоляції шихтованих магнітопроводів електричних машин при наявності інтегральних і локальних дефектів з подальшими рекомендаціями до відбраківки магнітопроводів. - на базі побудованих математичних моделей теоретично обґрунтовано можливі діагностичні ознаки шихтованих магнітопроводів електричних машин, які орієнтовані на використання ударного вібраційного сигналу з одночасним електромагнітним комутаційним впливом. Отримані результати розкривають нові перспективи у вдосконаленні наявних методів діагностики міжлистової ізоляції в шихтованих магнітопроводах, сприяючи підвищенню надійності роботи електричних машин та збільшення терміну експлуатації.
Опис
Ключові слова
асинхронний двигун, асинхронний генератор, шихтований магнітопровід, технічний стан, дефект, температура, теплова енергія, електромагнітне поле, магнітна індукція, розподіл вихрових струмів, інформаційні сигнали, вібродіагностика, міжлистова ізоляція, діагностика, система діагностики, електротехнічне обладнання, польова математична модель, висока частота, вібраційні зусилля, розпушування листів магнітопроводу, втрати в магнітопроводі, втрати на вихрові струми, втрати на гістерезис, високочастотні впливи, інтегральні та локальні дефекти, високочастотний генератор, теплові схеми заміщення, мікроконтролер, індикаторний модуль, тепловізійний аналіз, аналогово-цифровий перетворювач, діагностичний параметр, asynchronous motor, asynchronous generator, laminated magnetic core, technical condition, defect, temperature, thermal energy, electromagnetic field, magnetic induction, eddy current distribution, information signals, vibration diagnostics, inter-sheet insulation, diagnostics, diagnostic system, electrical equipment, field mathematical model, high frequency, vibrational forces, loosening of magnetic core sheets, magnetic core losses, eddy current losses, hysteresis losses, high-frequency influences, integral and local defects, high-frequency generator, thermal substitution circuits, microcontroller, indicator module, thermal imaging analysis, analog-to-digital converter, diagnostic parameter
Бібліографічний опис
Ігнатюк, Є. С. Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Ігнатюк Євген Станіславович. – Київ, 2023. – 224 c.