Диагностирование короткозамкнутых обмоток роторов без разборки электродвигателей

В связи с возникновением в стержнях короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных электродвигателей дефектов, в условиях эксплуатации необходимо периодически проверять техническое состояние этих обмоток.

При обрывах стержней обмоток роторов увеличиваются время разгона и добавочные потери электродвигателей, уменьшаются КПД и коэффициент мощности, увеличиваются потребляемый ток и скольжение.

Наиболее вредное влияние на работу электродвигателей оказывает вибрация, возникающая вследствие обрыва стержней короткозамкнутой обмотки. В результате вибрация приводит к выходу электродвигателей из строя.

В технической литературе введено понятие коэффициента несимметрии, который для случая обрыва одного стержня.

Проведенные исследования влияния обрывов стержней на характеристики и вибрацию асинхронных электродвигателей показали, что для электродвигателей единых серий допускается обрыв не более одного стержня.

Внешними признаками наличия обрывов стержней электродвигателей являются повышенная вибрация и шум при работе, увеличивающиеся с ростом нагрузки. Характерным является и то, что вибрация и шум периодически изменяются с частотой, равной удвоенной частоте скольжения.

Стрелки амперметров, включенных в цепь питания электродвигателей с обрывами стержней короткозамкнутых обмоток роторов, также периодически колеблются из-за периодических изменений эффективных значении токов в фазах.

На практике применяют несколько способов определения технического состояния короткозамкнутых обмоток роторов.

Способ измерения токов в обмотках статора при проворачивании ротора вручную позволяет установить наличие обрывов стержней в короткозамкнутых обмотках асинхронных электродвигателей. Согласно этому способу одну или две фазы обмотки статора электродвигателя включают на напряжение переменного тока, равное 10—15% номинального, и при медленном проворачивании ротора вручную измеряют ток в цепи питания (рис. 19).

Рис. 19. Схема для определения обрывов стержней короткозамкнутых обмоток роторов электродвигателей

Для определения изменения тока удобно использовать самопишущий амперметр. Следует отметить, что указанный способ более чувствителен к обрывам стержней при подаче напряжения на одну фазу обмотки, чем при подаче напряжения на две фазы. Если при вращении ротора ток в обмотке статора не изменяется, обрывы в стержнях обмотки ротора отсутствуют. Изменение тока при проворачивании ротора указывает на наличие обрыва стержней. В связи с тем, что изменение тока зависит от числа поврежденных стержней и их взаимного расположения, определить число оборванных стержней по отклонению стрелки амперметра трудно. После обнаружения факта наличия обрыва стержней электродвигатель подлежит разборке и точному установлению числа оборванных стержней.

Способ контроля стержней короткозамкнутых обмоток роторов 121 основан на использовании зависимости скольжения электродвигателей от числа оборванных стержней. При определении числа оборванных стержней в соответствии с этим способом измеряют скольжение электродвигателя при заданной нагрузке и температуре и полученную величину сравнивают с контрольной, измеренной на электродвигателе с ротором, не имеющим обрывов. Для использования этого способа необходимо иметь эталонные кривые зависимостей скольжения от нагрузки для конкретных типов электродвигателей, что ограничивает применение способа при эксплуатации электрооборудования.

Определение технического состояния короткозамкнутых обмоток роторов электродвигателей единых серий, в связи со сравнительно легким доступом к электродвигателям, не вызывает трудностей. Для специальных электродвигателей, например, погружных, определение технического состояния короткозамкнутых обмоток традиционными способами является достаточно трудоемкой операцией. Так, для контроля электродвигатели погружных электронасосов необходимо было поднимать из скважины на поверхность. В связи с этим в Украинском филиале ГОСНИТИ было разработано два способа определения технического состояния короткозамкнутых обмоток роторов электродвигателей, доступ к которым невозможен или затруднен.

Способ определения степени повреждения короткозамкнутых обмоток роторов погружных асинхронных электродвигателей основан на положении, что при неподвижном роторе, имеющем повреждение короткозамкнутой обмотки, ток в фазах зависит от положения ротора относительно статора.

У электродвигателей погружных насосов полюсное деление составляет 180°, в связи с чем при вращении ротора, имеющего дефекты обмоток, период изменения эффективного значения тока фазы соответствует половине оборота ротора. Изменение эффективного значения тока связано с изменением магнитного сопротивления фазы электродвигателя при изменении расположения дефектов обмотки ротора относительно обмотки статора, в которой измеряют ток. В погружных электродвигателях это изменение сравнительно большое. Так, при обрыве четырех расположенных рядом стержней при повороте ротора на один оборот эффективное значение тока изменяется на 42% средней величины.

Разработанный способ позволяет определить степень повреждения короткозамкнутых обмоток роторов без подъема погружных электродвигателей из скважины. Способ пригоден и для контроля других типов асинхронных электродвигателей, доступ к валам которых затруднен или невозможен. Для определения технического состояния стержней с помощью возбуждения фаз обмотки статора ротор электродвигателя поворачивают на определенные углы (шаговое вращение). После каждого поворота обмотку статора подключают к стабилизированному напряжению переменного тока и самопишущим амперметром записывают ток. Шаговое вращение продолжают до тех пор, пока ротор не сделает один оборот.

Рис. 20. Схема для определения степени повреждения короткозамкнутых обмоток роторов погружных электродвигателей

На рис. 20 изображена схема для определения повреждений короткозамкнутых обмоток роторов погружных электродвигателей. Для шагового перемещения ротора статор электродвигателя М включают в сеть переменного тока через диоды Д1, Д2 и Д3. Включением и выключением переключателей В1 и В2, которые включены последовательное диодами, осуществляется шаговое перемещение ротора. Для шагового перемещения ротора можно применять и другие схемы, например, с управляемыми вентилями. Измерительная часть схемы состоит из самопишущего амперметра А, регистрирующего ток через трансформатор тока Тm. После каждого перемещения ротора обмотки статора отключают от электрической сети, на два вывода электродвигателя выключателем В3 подают стабилизированное напряжение и амперметром А записывают значение тока в обмотках.

При отсутствии повреждений в короткозамкнутой обмотке ротора ток будет одинаковым при всех положениях ротора. Если короткозамкнутая обмотка ротора имеет обрывы стержней, ток будет зависеть от положения ротора относительно обмоток статора, при этом изменение тока будет тем больше, чем большее число стержней имеют повреждения. По изменению токов при разных положениях ротора в пределах одного оборота оценивают техническое состояние короткозамкнутой обмотки.

Степень повреждения обмотки ротора при локальном (местном) размещении дефектов определяют по формуле

где γ — степень повреждения обмотки, %; R_R — коэффициент конструктивных особенностей электродвигателя; I_макс, I_мин - наибольшее и наименьшее значения измеренных токов, А.

Экспериментальные данные показывают, что для погружных электродвигателей (R_R = 1), обмотка ротора которых имеет 24 стержня, при обрыве двух γ = 9,8%, а при обрыве четырех γ = 28%. Допустимое значение у для этих электродвигателей составляет 10%.

Способ определения технического состояния короткозамкнутых обмоток роторов, разработанный в Украинском филиале ГОСНИТИ для электродвигателей, доступ к валам которых затруднен или невозможен, позволяет определить число поврежденных стержней независимо от их взаимного расположения. Способ не требует остановки электродвигателя. Способ основан на определении связи между частотой модуляции токов электродвигателей, у которых короткозамкнутая обмотка имеет дефекты, и зависимостью скольжения электродвигателей от нагрузки и числа поврежденных стержней.

У электродвигателей, имеющих повреждение стержней, в связи с периодическим изменением магнитного сопротивления фаз во время вращения ротора, имеет место модуляция токов, потребляемых из электрической сети. Значение модуляции токов зависит от числа поврежденных стержней и от их взаимного расположения, а частота модуляции определяется только значением скольжения.

Рис. 21. Осциллограммы токов, потребляемых погружным электродвигателем ПЭДВ-8-140, при отсутствии обрывов стержней ротора (а) и при обрыве четырех стержней (б).

На рис. 21 показаны осциллограммы токов, потребляемых погружным электродвигателем для случаев, когда стержни ротора не имеют повреждений и при обрыве стержней. Значение скольжения электродвигателей зависит от нагрузки и состояния короткозамкнутых обмоток роторов (числа стержней с обрывами и ослаблениями). Скольжение электродвигателей увеличивается с увеличением числа поврежденных стержней. Зависимости скольжения погружных электродвигателей ПЭДВ-8-140 от потребляемой мощности для случаев, когда стержни не имеют обрывов и при обрыве двух, четырех и шести стержней ротора изображены на рис. 22.

Рис. 22. Зависимость скольжения электродвигателей ПЭДВ-8-140 от потребляемой мощности и состояния стержней короткозамкнутой обмотки ротора:
1 — обрывы стержней отсутствуют; 2 — при обрыве двух стержней; 3 — при обрыве четырех стержней; 4 — при обрыве шести стержней.

Из приведенных на рисунке кривых видно, что при определенной мощности при увеличении числа оборванных стержней скольжение увеличивается. Так, при потребляемой мощности 8 кВт при обрыве двух, четырех и шести стержней скольжение увеличивается соответственно на 8,17 и 41%. Заштрихованная часть рисунка отвечает допустимым значениям скольжения погружных электродвигателей ПЭДВ-8-140.

Схему для определения технического состояния короткозамкнутых обмоток роторов с помощью описанного выше способа иллюстрирует рис. 23.

Рис. 23. Схема для определения технического состояния коротко-замкнутых обмоток роторов

У работающего от сети двигателя М измеряют потребляемую мощность ваттметром W и частоту модуляции тока прибором Hz. На графике (рис. 22) находится точка, соответствующая полученным результатам измерения. Если точка размещена в заштрихованной зоне, электродвигатель можно оставлять работать. В противном случае электродвигатель подлежит ремонту. Пользуясь кривыми рис. 22, по размещению точки можно определить число дефектных стержней короткозамкнутой обмотки ротора. Погружные электродвигатели, имеющие 24 стержня короткозамкнутой обмотки, допускают работу при обрыве не более двух стержней.

Для удобства пользования этим способом в условиях эксплуатации, целесообразно изготовить универсальную номограмму для определения допустимого числа оборванных стержней для всего диапазона мощностей определенного типа электродвигателей (например, погружных).