BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 59 Politechniki Wrocławskiej Nr 59 Studia i Materiały Nr Maciej ANTAL *, Ludwik ANTAL *, Jan ZAWILAKF Silnik indukcyjny, pomiary, uszkodzenia klatki wirnika BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA Zbadano wpływ uszkodzenia prętów klatki wirnika silnika indukcyjnego małej mocy na jego własności eksploatacyjne. Charakterystyki wyznaczono na podstawie pomiarów silnika nieuszkodzonego i silnika z zamodelowanym uszkodzeniem klatki wirnika (przerwane trzy pręty). Wyznaczono charakterystyki mechaniczne momentu i prądu, przebiegi czasowe prądów, momentu i prędkości obrotowej przy rozruchu silników obciążonych znamionowo oraz krzywe nagrzewania obu badanych maszyn. Porównanie wyników pomiarów pokazuje degradację własności eksploatacyjnych silnika z uszkodzoną klatką wirnika. 1. WSTĘP Powszechne stosowanie silników indukcyjnych klatkowych jest od lat powodem dużego zainteresowania ich awaryjnymi stanami pracy. Podstawowym rodzajem uszkodzeń klatki wirnika w silnikach indukcyjnych jest oderwanie pręta od pierścienia zwierającego. Liczne w literaturze analizy pracy silnika uszkodzonego, ukierunkowane na diagnostykę, w niewielu przypadkach wykraczają poza wyznaczenie charakterystyk momentu i prądu w funkcji prędkości [3], [4], [5] dla kilku wybranych ilości uszkodzonych prętów. Dlatego w przedstawianej pracy zbadano zarówno charakterystyki mechaniczne silników uszkodzonego i nieuszkodzonego jak i przebiegi czasowe prądów, momentu i prędkości obrotowej przy rozruchu silników obciążonych znamionowo oraz charakterystyki nagrzewania. Rozwój metod modelowania polowo-obwodowego maszyn elektrycznych stwarza możliwość wykorzystania takich modeli nie tylko w procesie projektowania ale również w analizie skutków uszkodzeń maszyn. Przedstawio- Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Wrocław ul. Smoluchowskiego 19, HUmaciej.antal@pwr.wroc.plUH, HUludwik.antal@pwr.wroc.plUH, HUjan.zawilak@pwr.wroc.plU

2 ne w pracy wyniki pomiarów mają również charakter weryfikacyjny wykonanych wcześniej obliczeń silników z uszkodzoną klatką wirnika [1], [2]. 2. BADANY OBIEKT I STANOWISKO BADAWCZE Badaniom poddano silnik indukcyjny klatkowy typu 9L-4 z wirnikiem nieuszkodzonym oraz wirnikiem w którym zamodelowano przerwanie trzech prętów klatki. Uszkodzenie wirnika polegało na odcięciu trzech prętów od pierścienia zwierającego (rys. 1). Rys. 1. Wirnik badanego silnika z odciętymi trzema prętami klatki od pierścienia zwierającego Fig. 1. The rotor with three broken rotor-bars Badania przeprowadzono na stanowisku badawczym do pomiarów elektromechanicznych i termicznych maszyn małej mocy (rys. 2). Obciążania badanego obiektu niemal stałym momentem zapewnia hamownica magnetyczno-cierna. Aparatura pomiarowa zainstalowana na stanowisku umożliwia rejestrację wartości chwilowych i skutecznych bądź średnich prądów, napięć, prędkości obrotowej i momentu elektromagnetycznego. Ponadto stanowisko wyposażone jest w zestaw przetworników pirometrycznych umożliwiających pomiary temperatury wirnika badanego silnika (rys. 3) oraz mostek do mierzenia rezystancji uzwojeń silnika obciążonego. Aparatura umożliwia pomiar temperatur trzech elementów badanej maszyny. Pomiar temperatury uzwojeń stojana odbywa się za pomocą mostka mierzącego rezystancję uzwojeń maszyny będącej pod obciążeniem. Pomiar temperatury klatki wirnika realizowany jest w dwóch punktach za pomocą miniaturowych przetworników pirometrycznych zainstalowanych w tarczy czołowej maszyny (rys. 3). Pomiar temperatury rdzenia wykonywany jest przez otwór w korpusie maszyny pirometrem ręcznym. Wykorzystując opisane stanowisko wykonano badania obu maszyn mierząc charakterystyki mechaniczne (prądu i momentu), przebiegi czasowe napięć, prądów, momentu i prędkości przy rozruchu bezpośrednim maszyn obciążonych znamionowo oraz krzywe nagrzewania.

3 Rys. 2. Stanowisko badawcze do elektromechanicznych i cieplnych badań maszyn małych mocy Fig. 2. Measuring position for electromechanical and thermal measurements of small power motors Rys. 3. Pirometry do pomiaru temperatury wirnika Fig. 3. Infrared thermometers use to measurement of the rotor temperature

4 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. CHARAKTERYSTYKI STATYCZNE Charakterystyki mechaniczne obu badanych silników wyznaczono zmieniając obciążenie, zasilanej napięciem znamionowym, badanej maszyny. Zmiany momentu wymuszano hamownicą magnetyczno-cierną realizując pomiary od,1 M n do M max maszyny badanej. Wyniki pomiarów przedstawiają rysunki 4 i 5. Uzyskane wyniki pokazują, że silnik uszkodzony obciążony momentem znamionowym pracuje z mniejszą prędkości obrotową (14 obr/min przy 1415 obr/min dla silnika nieuszkodzonego) oraz większym prądem twornika (3,72 A przy 3,58 A dla silnika nieuszkodzonego) od silnika nieuszkodzonego M Silnik nieuszkodzony moment [Nm] M n M Silnik uszkodzony 2,2,15,1,5, poślizg Rys. 4. Charakterystyki mechaniczne momentu silników nieuszkodzonego i uszkodzonego Fig. 4. Torque characteristics of an undamaged motor and a damaged motor

5 6 5 I Silnik nieuszkodzony 4 I n prąd [A] 3 2 I Silnik uszkodzony 1,2,15,1,5, poślizg Rys. 5. Charakterystyki mechaniczne prądu silników nieuszkodzonego i uszkodzonego Fig. 5. Current characteristics of an undamaged motor and a damaged motor 3.2. CHARAKTERYSTYKI DYNAMICZNE Rejestrację przebiegów czasowych rozruchu wykonano obciążając badane silniki prądnicą prądu stałego. Rozruchy wykonano wzbudzając uprzednio prądnicę prądem o wartości odpowiadającej znamionowemu momentowi silnika badanego. Na rysunku 6 przedstawiono przebiegi czasowe prądów badanych silników. W silniku uszkodzonym rozruch trwa dłużej oraz pojawia się składowa wolnozmienna modulująca przebieg. Składową tą widać również w przebiegach prędkości (rys. 7) oraz momentu (rys. 8, 9).

6 a) 3 2 Ia Ib Ic prąd [A] ,,1,2,3,4,5,6 czas [s] b) 3 2 Ia Ib Ic prąd [A] ,,1,2,3,4,5,6 czas [s] Rys. 6. Przebiegi czasowe prądów stojana podczas rozruchu silników obciążonych znamionowo: a silnik nieuszkodzony; b silnik uszkodzony Fig. 6. Stator currents at a start-up and at a steady state of motors at nominal load: a - undamaged motor, b damaged motor

7 15 prędkość obrotowa [obr/min] n Silnik nieuszkodzony n Silnik uszkodzony,,1,2,3,4,5, 6 czas [s] Rys. 7. Przebiegi czasowe prędkości obrotowej podczas rozruchu silników obciążonych znamionowo Fig. 7. Rotational speed at a start-up and at a steady state of motors at nominal load moment [Nm] M Silnik uszkodzony M Silnik nieuszkodzony,,1,2,3,4,5,6 czas [s] Rys. 8. Przebiegi czasowe momentu elektromagnetycznego podczas rozruchu silników obciążonych znamionowo Fig. 8. Electromagnetic torque at a start-up and at a steady state of motors at nominal load

8 moment [Nm] M Silnik uszkodzony M Silnik nieuszkodzony 2,4,5,6,7,8,9 1, 1,1 1,2 czas [s] Rys. 9. Przebiegi czasowe momentu elektromagnetycznego silników obciążonych znamionowo Fig. 9. Electromagnetic torque at a steady state of motors at nominal load 3.3. CHARAKTERYSTYKI NAGRZEWANIA Charakterystyki nagrzewania wyznaczono poddając oba badane silniki trzygodzinnym próbom nagrzewania. W trakcie badania obciążano je hamownicą magnetycznocierną wymuszającą stały moment znamionowy. Próbę nagrzewania przeprowadza się zazwyczaj przy stałej wartości prądu obciążenia. Szukając termicznych skutków uszkodzenia wirnika należy obciążać silniki stałym momentem bo skutkiem uszkodzenia jest zwiększenie prądu odpowiadającego obciążeniu znamionowemu. Tak przeprowadzona próba odpowiada normalnym warunkom pracy silnika uszkodzonego a pozostającego jeszcze w eksploatacji. Wynik prób nagrzewania przedstawiono na rysunkach 1, 11, 12. Wirnik silnika uszkodzonego nagrzewa się do temperatury wyższej o 14 C od temperatury wirnika silnika nieuszkodzonego (rys. 1). Ustalona temperatura uzwojeń stojana silnika uszkodzonego jest wyższa o prawie 8,5 C (rys. 11), a rdzenia o prawie 6 C (rys. 12) od odpowiednich temperatur ustalonych silnika nieuszkodzonego.

9 temperatura [ C] T kl - Silnik uszkodzony T kl - Silnik nieuszkodzony czas [min] Rys. 1. Charakterystyki nagrzewania wirników silników nieuszkodzonego i uszkodzonego Fig. 1. Heating curves of damaged and undamaged motors rotors 12 1 temperatura [ C] T uzw - Silnik uszkodzony T uzw - Silnik nieuszkodzony czas [min] Rys. 11. Charakterystyki nagrzewania uzwojeń stojanów silników nieuszkodzonego i uszkodzonego Fig. 11. Heating curves of damaged and undamaged motors windings

10 temperatura [ C] T rdzeń - Silnik uszkodzony T rdzeń - Silnik nieuszkodzony czas [min] Rys. 12. Charakterystyki nagrzewania rdzeni silników nieuszkodzonego i uszkodzonego Fig. 12. Heating curves of damaged and undamaged motors cores 4. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki pomiarów pokazują pogorszenie właściwości ruchowych maszyny uszkodzonej. Przy znamionowym obciążeniu momentem zmniejsza się prędkość obrotowa silnika i wzrasta prąd twornika. Oznacza to również zmniejszenie sprawności. W wyniku uszkodzenia wydłuża się czas rozruchu maszyny i pojawia się oscylacja zaburzająca kształt przebiegów. Uszkodzenie wirnika powoduje również zwiększenie temperatury pracy silnika co zmniejsza trwałość maszyny. Wyniki pomiarów w dużej mierze są zgodne z wynikami przeprowadzanych wcześniej obliczeń uszkodzonych silników przy wykorzystaniu modeli polowo-obwodowych. Nawet gdy wyniki pomiarów i obliczeń nie są dobrze zgodne co do wartości, to zachowany jest charakter zmian zachodzących w silniku z uszkodzonym wirnikiem.

11 LITERATURA [1] ANTAL L., ANTAL M., ZAWILAK J., Weryfikacja modelu obliczeniowego silnika klatkowego pomiarami statycznych i dynamicznych stanów pracy, Problemy eksploatacji maszyn i napędów elektrycznych, PEMINE, Ustroń, maja 24, Zeszyty Problemowe BOBRME Komel, nr 69, Katowice, 24, s [2] ANTAL M., ANTAL L., ZAWILAK J., Charakterystyki eksploatacyjne silnika indukcyjnego z uszkodzoną klatką wirnika, Zagadnienia maszyn, napędów i pomiarów elektrycznych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 56, Studia i Materiały, Oficyna Wydaw. PWroc., Wrocław, 24, s [3] BANGURA J. F.,DEMERDASH N. A., Diagnosis and Characterization of Effects of Broken Bars and Connectors in Squirrel-Cage Induction Motors by a Time-Stepping Coupled Finite Element-State Space Modeling Approach, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 14, no. 4, 1999, p [4] FISER R., FERKOLJ S., Application of a Finite Element Method to Predict Damaged Induction Motor Performance, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 37, No. 5, 21, p [5] MANOLAS, ST.J., TEGOPOULOS J. A., Analysis of Squirrel Cage Induction Motors with Broken Bars and Rings, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 14, no. 4, 1999, p EXPERIMENTAL TESTS OF THE INDUCTION MOTOR WITH DAMAGED SQUIRREL CAGE Influence of small power induction motor s squirrel cage rotor bars damage on it s performance characteristics were described. The characteristics were determined on the bases of measurements of undamaged induction motor and motor with three broken rotor bars. Torque and current static characteristics, stator currents, rotational speed and electromagnetic torque at a start-up and at a steady state of motors at nominal load, heating curves for both motors were realized. Obtained results comparison demonstrate operating characteristics degradation of the motor with damaged squirrel cage. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy Nr 3 T1A 19 29