Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах
| dc.contributor.advisor | Чумак, Вадим Володимирович | |
| dc.contributor.author | Ігнатюк, Євген Станіславович | |
| dc.date.accessioned | 2024-02-23T14:39:22Z | |
| dc.date.available | 2024-02-23T14:39:22Z | |
| dc.date.issued | 2023 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Ihnatiuk Y.S. Diagnostics of magnetic cores of electric machines under highfrequency influences. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 - Electric power, electrical engineering and electromechanics - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, Kyiv, 2023. The dissertation is focused on solving the problem of diagnosing the condition of laminated cores and the quality of inter-sheet insulation in general-purpose electric machines. The work focuses on the development and implementation of an effective methodology that provides a comprehensive assessment of the state of the EM magnetic core of general purpose. The first chapter describes the influence of technological factors on the characteristics of laminated magnetic cores of electric machines and an overview of existing methods for diagnosing the state of the inter-sheet insulation and the level of looseness of the package. The reasons for the occurrence of defects in laminated magnetic cocores during the production and repair process are given. The analysis of the existing methods of diagnosing the state of the quality of laminated cores, which are used to detect damage and possible prediction of EM failure, is shown. The main types of defects that can occur in magnetic cores, the consequences of their influence on the general and local condition of the magnetic core, as well as on the operation of the electric machine as a whole, are analyzed. The wattmeter method of diagnosis, the method of thermal imaging control, and the vibroacoustic methods of diagnosing EM magnetic cores are described in more detail as the most informative and suitable for creating a system of complex diagnostics of laminated cores. The second chapter presents the physical basis of the connection between the parameters of high-frequency transient processes and the specific losses in laminated magnetic cores, and describes the method of evaluating the quality of laminated cores, which is based on the reaction of the tested magnetic core to fast-moving induction influences. Statistical estimates of the relationship between the parameters of fast-moving induction processes in the magnetic core and losses due to remagnetization at industrial frequencies are given. A statistical analysis of the experiments performed by the high-frequency induction method was carried out to investigate the actual state of defect-free and defective laminated magnetic cores of different geometric designs, power and polarity. The regression dependence is determined and confidence intervals are given for assessing the accuracy of the measured diagnostic parameters. Four degrees of defectiveness of magnetic cores and corresponding limits of diagnostic parameters are defined. A significant correlation was established between the specific losses in the P1.0/50 magnetic core and the total magnetic losses and temperatures in the windings in assembled and working machines of different power and magnetic core geometry. It is shown that as a result of establishing the diagnostic parameters and related specific losses in the cores, it is necessary to carry out post-repair certification of the machine with a justified reduction of the load to ensure the estimated work resource. Recommendations are provided for changing the nominal power of the machine depending on the level of defectiveness of the magnetic core used in it. The third section is devoted to the mathematical modeling of high-frequency processes by the proposed induction method of quality control of laminated magnetic cores of general-purpose electric machines. The parameters of the defect-free magnetic core are described and substantiated. Field and mathematical modeling of defective and defect-free bundles of electrical steel sheets was carried out in the COMSOL Multiphysics software environment. The influence of the development of magnetic core defects associated with specific losses on eddy currents was analyzed by modeling the change in the electrical conductivity of the steel material, increasing the thickness of the magnetic core sheets, and the formation of parasitic eddy current contours corresponding to local and integral defects. Local defects were modeled by metallic shorting of adjacent plates, and integral defects by increasing the inter-sheet transverse electrical conductivity of the package. The processes taking place are described physically and mathematically on the example of a conventional batched package of 10 plates with a thickness of 0.5 mm, which was then experimentally investigated during the physical modeling of integral and local defects. The results of modeling and experimental studies showed a good convergence, which does not exceed 10% in the estimation of total losses in the magnetic core according to the proposed induction method. Based on the obtained data, a field mathematical model was created in the COMSOL Multiphysics software package. Mathematical modeling and experimental studies of the 4A90L4U3 magnetic circuit were carried out. According to the results of modeling and experimental studies, diagnostic features were proposed for the evaluation of magnetic cores of different degrees of defectiveness of inter-sheet insulation. A study of the effect of a local defect in the magnetic core in the gear area of the AIR100L4U3 motor in the assembled motor with embedded thermal sensors in the defective and defect-free parts of the machine was carried out. Local losses in defective and non-defective zones, as well as temperatures in the windings, which were laid in defective and non-defective parts, were estimated based on the results of the calculation based on the created thermal substitution schemes and the measured temperatures during the operation of the assembled motor. The danger of local defects of the toothed area in the magnetic cores, which can lead to the failure of the interturn insulation of the part of the winding located in the grooves between the defective teeth, is assessed. The fourth chapter describes the method of assessing the quality of laminated magnetic cores based on the state of inter-sheet insulation and the level of loosening of magnetic core sheets. The method makes it possible to justify recommendations for the further use of the core based on the results of the analysis of diagnostic effects with the simultaneous use of fast-moving induction effects and impact vibration effects in the ratio of defects of various origins. The laboratory samples of the information and measurement system (IMS) for the diagnosis of laminated magnetic cores of various pressing conditions were examined, which were experimentally verified during the performance of relevant studies. The structural diagrams are presented, the work algorithms, structure and main functions of the software included in the developed IBS are described. A number of experiments were conducted at the laboratory base of the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Kyiv. A combination of experiments with simultaneous induction and vibroacoustic effects is described and shown. Three main recommendations based on the results of the proposed comprehensive method of assessing the quality of charged magnetic conductors have been determined. The fifth chapter describes the structural and functional schemes of the experimental layout for researching the state of the quality of the laminated magnetic core by the high-frequency induction method. The functional scheme consists of a generator of high-frequency sinusoidal oscillations, a block of power switches on field-effect transistors, a power supply unit and a block of information processing and analysis. The structure of the measuring and diagnostic system includes the power and measuring part, which are connected by induction through the control object on which the excitation winding and the measuring winding are located. the device allows you to check the quality of the inter-sheet insulation of the core of small and medium power electric motors (objects) without the use of additional measuring devices. Shown are the oscillograms of defect-free and defective magnetic cores obtained experimentally at the selected test frequencies of 10kHz and 1kHz and the corresponding voltage amplitudes on the control winding, the ratio of which allows determining the diagnostic coefficient Kd, which shows the limits of specific losses at B1.0/50. Measuring the diagnostic coefficient Kd with the help of the created layout makes it possible to estimate the losses in the magnetic core of different levels of defectivity for four cases: 1) Green color - specific losses in the magnetic core do not exceed 4 W/kg. Corresponds to a high-quality magnetic core. 2) Yellow color - specific losses in the magnetic core are from 4 to 8 W/kg. Magnetic core of the first degree of defect. When using it, it is necessary to correct the passport data of the motor assembled on its basis. 3) Orange color - specific losses in the magnetic core are from 8 to 12 W/kg. Corresponds to the magnetic core of the second degree of defect. When using it, a significant change in the passport and revision of the work regime is required. 4) Red color – specific losses in the magnetic core are more than 12 W/kg. Corresponds to the magnetic core of the emergency state. It is recommended to reject the magnet core. The scientific novelty of the results obtained in the study is as follows: - An induction method for quality control of the inter-sheet insulation of laminated magnetic core is proposed, which, unlike the existing ones, is based on the principle of comparing the reaction of the eddy current closing paths in the presence and absence of defects to fast-flowing processes of different frequencies in the induction-connected circuits of the exciting and control windings. - The numerical field mathematical model of fast-flowing processes in a laminated magnetic core has been improved, which, unlike the existing ones, takes into account the nonlinear properties of magnetic materials and the phenomenon of hysteresis when changing the frequency of remagnetization. - For the first time, a mathematical model was developed that determines the relationship between the parameters of high-frequency processes in the tested magnetic cores and their specific losses in variable magnetic fields of industrial frequency and inductions recommended for regulatory tests and close to inductions during the operation of electric machines. - A new methodology for determining the degree of damage to the inter-sheet insulation of laminated magnetic cores of electric machines in the presence of integral and local defects is substantiated, with further recommendations for the rejection of magnetic cores. - on the basis of the constructed mathematical models, the possible diagnostic features of laminated magnetic cores of electric machines, which are oriented to the use of a shock vibration signal with a simultaneous electromagnetic switching effect, are theoretically substantiated. The obtained results reveal new perspectives in improving the available methods of diagnosing inter-sheet insulation in laminated magnetic cores, contributing to increasing the reliability of electric machines and increasing their service life. | |
| dc.format.extent | 224 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/64929 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | асинхронний двигун | |
| dc.subject | асинхронний генератор | |
| dc.subject | шихтований магнітопровід | |
| dc.subject | технічний стан | |
| dc.subject | дефект | |
| dc.subject | температура | |
| dc.subject | теплова енергія | |
| dc.subject | електромагнітне поле | |
| dc.subject | магнітна індукція | |
| dc.subject | розподіл вихрових струмів | |
| dc.subject | інформаційні сигнали | |
| dc.subject | вібродіагностика | |
| dc.subject | міжлистова ізоляція | |
| dc.subject | діагностика | |
| dc.subject | система діагностики | |
| dc.subject | електротехнічне обладнання | |
| dc.subject | польова математична модель | |
| dc.subject | висока частота | |
| dc.subject | вібраційні зусилля | |
| dc.subject | розпушування листів магнітопроводу | |
| dc.subject | втрати в магнітопроводі | |
| dc.subject | втрати на вихрові струми | |
| dc.subject | втрати на гістерезис | |
| dc.subject | високочастотні впливи | |
| dc.subject | інтегральні та локальні дефекти | |
| dc.subject | високочастотний генератор | |
| dc.subject | теплові схеми заміщення | |
| dc.subject | мікроконтролер | |
| dc.subject | індикаторний модуль | |
| dc.subject | тепловізійний аналіз | |
| dc.subject | аналогово-цифровий перетворювач | |
| dc.subject | діагностичний параметр | |
| dc.subject | asynchronous motor | |
| dc.subject | asynchronous generator | |
| dc.subject | laminated magnetic core | |
| dc.subject | technical condition | |
| dc.subject | defect | |
| dc.subject | temperature | |
| dc.subject | thermal energy | |
| dc.subject | electromagnetic field | |
| dc.subject | magnetic induction | |
| dc.subject | eddy current distribution | |
| dc.subject | information signals | |
| dc.subject | vibration diagnostics | |
| dc.subject | inter-sheet insulation | |
| dc.subject | diagnostics | |
| dc.subject | diagnostic system | |
| dc.subject | electrical equipment | |
| dc.subject | field mathematical model | |
| dc.subject | high frequency | |
| dc.subject | vibrational forces | |
| dc.subject | loosening of magnetic core sheets | |
| dc.subject | magnetic core losses | |
| dc.subject | eddy current losses | |
| dc.subject | hysteresis losses | |
| dc.subject | high-frequency influences | |
| dc.subject | integral and local defects | |
| dc.subject | high-frequency generator | |
| dc.subject | thermal substitution circuits | |
| dc.subject | microcontroller | |
| dc.subject | indicator module | |
| dc.subject | thermal imaging analysis | |
| dc.subject | analog-to-digital converter | |
| dc.subject | diagnostic parameter | |
| dc.subject.udc | 621.313.8 | |
| dc.title | Діагностика шихтованих магнітопроводів електричних машин при високочастотних впливах | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Ihnatiuk_dys.pdf
- Розмір:
- 10.58 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: