NIEINWAZYJNE METODY WCZESNEGO WYKRYWANIA ZWARĆ ZWOJOWYCH W SILNIKU INDUKCYJNYM ZASILANYM Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI, CZ. II

Podobne dokumenty
ANALIZA WPŁYWU USZKODZENIA UZWOJENIA STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO NA KĄT PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO POMIĘDZY PRĄDEM I NAPIĘCIEM

DETEKCJA I LOKALIZACJA ZWARĆ ZWOJOWYCH SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASILANEGO Z PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

MODEL POLOWO-OBWODOWY SILNIKA INDUKCYJNEGO ZE ZWARCIAMI ZWOJOWYMI

KOMPUTEROWY SYSTEM DO MONITOROWANIA STANU UZWO- JEŃ STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO

BADANIA SKUTKÓW CIEPLNYCH ZWARĆ ZWOJOWYCH W UZWOJENIACH STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO

WPŁYW USZKODZENIA TRANZYSTORA IGBT PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI NA PRACĘ NAPĘDU INDUKCYJNEGO

BADANIA USZKODZEŃ UZWOJENIA STOJANA KLATKOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

ZWARCIE POMIAROWE JAKO METODA WYKRYWANIA USZKODZEŃ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

Diagnostyka uszkodzeń elektrycznych silnika indukcyjnego zasilanego z przemiennika częstotliwości w zamkniętej strukturze sterowania

ZASTOSOWANIE SIECI NEURONOWYCH DO WYKRYWANIA I LOKALIZACJI ZWARĆ ZWOJOWYCH SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASILANEGO Z PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLWIOŚCI

Diagnostyka ukladów napedowych

DIAGNOSTYKA SILNIKA INDUKCYJNEGO Z ZASTOSOWANIEM SYGNAŁU SKUTECZNEJ WARTOŚCI RUCHOMEJ PRĄDU CZĘŚĆ 2 ZASILANIE NIESYMETRYCZNE

Analiza układu wektorowego sterowania silnikiem indukcyjnym z uszkodzonymi prętami klatki wirnika

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

DIAGNOSTYKA SILNIKA INDUKCYJNEGO Z WYKORZYSTANIEM DOSTĘPNYCH NAPIĘĆ STOJANA

UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI STEROWANE METODAMI WEKTOROWYMI DFOC ORAZ DTC-SVM ODPORNE NA USZKODZENIA PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

ZASTOSOWANIE SYGNAŁU SKUTECZNEJ WARTOŚCI RUCHOMEJ PRĄDU STOJANA W DIAGNOSTYCE SILNIKA INDUKCYJNEGO PODCZAS ROZRUCHU

Wykrywanie niewspółosiowości w układach napędowych z silnikiem indukcyjnym zasilanym z przemiennika częstotliwości

OCENA SKUTECZNOŚCI ANALIZ FFT, STFT I FALKOWEJ W WYKRYWANIU USZKODZEŃ WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

WYKRYWANIE USZKODZEŃ WIRNIKÓW SILNIKÓW INDUKCYJNYCH Z WYKORZYSTANIEM ANALIZY FALKOWEJ I SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH

ANALIZA SYMPTOMÓW USZKODZEŃ ŁĄCZNIKÓW TRANZYSTOROWYCH FALOWNIKA NAPIĘCIA W NAPĘDZIE INDUKCYJNYM

ANALIZA ZWARĆ ZWOJOWYCH SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

Diagnostyka silnika indukcyjnego z wykorzystaniem dostępnych napięć stojana

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

OKREŚLENIE OBSZARÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W PRACY TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

ZWARCIA ZWOJOWE W UZWOJENIU STOJANA KLATKOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

PRZEGLĄD METOD WYKRYWANIA EKSCENTRYCZNOŚCI W SILNIKU INDUKCYJNYM Z WYKORZYSTANIEM ANALIZY PRĄDU STOJANA

MONITOROWANIE NIEOSIOWOŚCI NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

METODA DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

ZWARTE PRĘTY ROZRUCHOWE W SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

MONITOROWANIE NIEWYWAŻENIA WIRNIKÓW PRZY WYKORZYSTANIU SYGNAŁÓW PRĄDU STOJANA I DRGAŃ W NAPĘDACH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY PRZY CZĘŚCIOWYM ZASILANIU UZWOJENIA STOJANA

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 80/

BADANIA SYMULACYJNE ZWARĆ ZWOJOWYCH W SILNIKU RELUKTANCYJNYM PRZEŁĄCZALNYM

WYBRANE METODY BADAŃ MASZYN ELEKTRYCZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

ZASTOSOWANIE ROZSZERZONEGO OBSERWATORA STANU I PARAMETRÓW DO WYKRYWANIA USZKODZEŃ UZWOJENIA WIRNIKA ORAZ STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO

WIELOETAPOWY PROCES DIAGNOSTYKI UKŁADÓW NAPĘDOWYCH

Wpływ nieliniowości elementów układu pomiarowego na błąd pomiaru impedancji

WPŁYW NIESYMETRII KONSTRUKCYJNEJ UZWOJENIA STOJANA ORAZ ASYMETRII NAPIĘCIA ZASILANIA NA WYKRYWANIE ZWARĆ ZWOJOWYCH SILNIKA INDUKCYJNEGO

WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH Z ROZRUCHEM ASYNCHRONICZNYM PRZY STEROWANIU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM

ANALIZA WPŁYWU USZKODZEŃ CZUJNIKÓW PRĄDU STOJANA NA PRACĘ WEKTOROWEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO KONCEPCJA UKŁADU ODPORNEGO

WYKORZYSTANIE SZTUCZNYCH SIECI NEUROOWYCH DO DIAGNOSTYKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO W UKŁADZIE STEROWANIA POLOWO-ZORIENTOWANEGO

ZASTOSOWANIE RUCHOMEJ WARTOŚCI SKUTECZNEJ PRĄDU DO DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH

OBLICZENIOWE BADANIE ZJAWISK WYWOŁANYCH USZKODZENIEM KLATKI WIRNIKA

DIAGNOSTYKA SILNIKÓW INDUKCYJNCH DWUKLATKOWYCH Z USZKODZONYMI PRĘTAMI

Bezpośrednie sterowanie momentem silnika indukcyjnego zasilanego z 3-poziomowego. przekształtnika MSI z kondensatorami o zmiennym potencjale

WYKRYWANIE USZKODZEŃ UZWOJENIA STOJANA W SILNIKU INDUKCYJNYM KLATKOWYM Z GAŁĘZIAMI RÓWNOLEGŁYMI

PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO ORAZ SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM - BADANIA EKSPERYMENTALNE

Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/2016 (110) 155

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

CHARAKTERYSTYKI I STEROWANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z DWOMA UZWOJENIAMI STOJANA

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

MOMENT ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM

WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

ANALIZA WPŁYWU USZKODZENIA TRANZYSTORA IGBT FALOWNIKA NAPIĘCIA NA PRZEBIEGI ZMIENNYCH STANU W NAPĘDZIE INDUKCYJNYM

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

WPŁYW PRZEKSZTAŁTNIKA NA MOC ZNAMIONOWĄ TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

KONCEPCJA NEURONOWEGO DETEKTORA USZKODZEŃ CZUJNIKA PRĘDKOŚCI DLA UKŁADÓW NAPĘDOWYCH Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM STEROWANYCH METODĄ POLOWO ZORIENTOWANĄ

STEROWANIE CZĘSTOTLIWOŚCIOWE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH SYNCHRONIZOWANYCH

Temat ćwiczenia. Pomiary przemieszczeń metodami elektrycznymi

ANALIZA WEKTOROWYCH METOD PRZEKSZTAŁTNIKOWEGO STEROWANIA AUTONOMICZNYM GENERATOREM INDUKCYJNYM

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Zastosowanie algorytmu identyfikacji rezystancji wirnika do diagnostyki silnika indukcyjnego w czasie rzeczywistym

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Detekcja asymetrii szczeliny powietrznej w generatorze ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, bazująca na analizie częstotliwościowej prądu

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

Obciążenia nieliniowe w sieciach rozdzielczych i ich skutki

Diagnostyka silników indukcyjnch dwuklatkowych z uszkodzonymi prętami

BADANIE SKŁADOWYCH PRĄDÓW I MOMENTU W CELU WYKRYWANIA ZŁOŻONYCH USZKODZEŃ TRÓJFAZOWEJ MASZYNY INDUKCYJNEJ

PROSTY ALGORYTM LOKALIZACJI USZKODZEŃ TRANZYSTORÓW FALOWNIKA NAPIĘCIA W NAPĘDZIE Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM

7 Dodatek II Ogólna teoria prądu przemiennego

PORÓWNANIE PARAMETRÓW SILNIKA DWUFAZOWEGO I TRÓJFAZOWEGO ZASILANYCH Z PRZEKSZTAŁTNIKÓW

ŁAGODNA SYNCHRONIZACJA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY Z PRĘDKOŚCI NADSYNCHRONICZNEJ

Wydział EAIiE Katedra Maszyn Elektrycznych Publikacje 2009

MASZYNY INDUKCYJNE SPECJALNE

BADANIA PORÓWNAWCZE SILNIKA INDUKCYJNEGO KLATKOWEGO PODCZAS RÓŻNYCH SPOSOBÓW ROZRUCHU 1. WSTĘP

ZASTOSOWANIE FUNKCJI OKIEN CZASOWYCH W DIAGNOSTYCE WIRNIKÓW SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

DWUKIERUNKOWY JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

ANALIZA PRACY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W WARUNKACH ZAPADU NAPIĘCIA

Silnik indukcyjny - historia

AWARYJNE STANY PRACY SILNIKÓW INDUKCYJNYCH PIERŚCIENIOWYCH

LABORATORIUM PODSTAWY ELEKTROTECHNIKI

Studia i Materiały Nr

MODELOWANIE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH Z ELEMENTAMI NIESYMETRII

URZĄDZENIE DO DEMONSTRACJI POWSTAWANIA KRZYWYCH LISSAJOUS

GĘSTOŚĆ PRĄDU W PRĘTACH USZKODZONEJ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

WPŁYW USZKODZENIA WIRNIKA NA PRACĘ BEZCZUJNIKOWEGO NAPĘDU INDUKCYJNEGO Z ESTYMATOREM MRASCC

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

SILNIK INDUKCYJNY ZASILANY NAPIĘCIEM ZAWIERAJĄCYM SKŁADOWE INTERHARMONICZNE

Diagnostyka drganiowa trakcyjnych maszyn elektrycznych - przykład asymetrii geometrii promieniowej między stojanem a wirnikiem

WSPÓŁCZYNNIK MOCY I SPRAWNOŚĆ INDUKCYJNYCH SILNIKÓW JEDNOFAZOWYCH W WARUNKACH PRACY OPTYMALNEJ

SILNIK TARCZOWY TYPU TORUS S-NS - OBLICZENIA OBWODU ELEKTROMAGNETYCZNEGO

BADANIE SYMULACYJNE JEDNOFAZOWEJ PRZERWY W ZASILANIU ORAZ PONOWNEGO ZAŁĄCZENIA NAPIĘCIA ZASILANIA NA DYNAMIKĘ SILNIKA INDUKCYJNEGO

W5 Samowzbudny generator asynchroniczny

PRÓG FIBRYLACJI A CZUŁOŚĆ WYŁĄCZNIKÓW RÓŻNICOWOPRĄDOWYCH PRZY ODKSZTAŁCONYM PRĄDZIE RÓŻNICOWYM

Transkrypt:

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 151 Marcin Wolkiewicz, Czesław T. Kowalski Politechnika Wrocławska NIEINWAZYJNE METODY WCZESNEGO WYKRYWANIA ZWARĆ ZWOJOWYCH W SILNIKU INDUKCYJNYM ZASILANYM Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI, CZ. II NON-INVASIVE EARLY DETECTION METHODS OF SHORTED TURNS IN CONVERTER-FED INDUCTION MOTOR, PART II Abstract: In this paper problem of the early induction motors stator faults (the short-circuits) detection and localization supplied from the frequency converter are presented. Tests were realized for different load torque and supply frequencies. For the monitoring stator winding condition method based on monitoring the spatial current vector is used. Attention was paid to changes that result in short-circuit a few winding turns in one phase of stator current spatial vector, such as maximum value, hodograph deformation, angular shift and spectral analysis of the stator current spatial vector module. To evaluate changes of current hodograph method based on principal components analysis PCA are used. 1. Wstęp W praktyce przemysłowej silników indukcyjnych najczęściej wykorzystuje się drogie metody monitorowania oparte o badanie stanu izolacji uzwojeń stojana. Są to metody diagnostyczne inwazyjne i nie nadają się do realizacji online. Tym samym trwają poszukiwania innych rozwiązań opartych o pomiar i cyfrowe przetwarzanie sygnałów diagnostycznych [1]. Pozwala to na monitorowanie stanu uzwojenia stojana na bieŝąco i natychmiastowe alarmowanie o zaistniałym uszkodzeniu. Zasilanie silników z przemienników częstotliwości wprowadziło dodatkowo szereg trudności związanych z poszukiwaniem i ekstrakcją symptomów uszkodzeń. W badaniach naukowych i praktyce eksploatacyjnej napędów z silnikami indukcyjnymi jako podstawowe sygnały diagnostyczne dominują prąd stojana oraz drgania mechaniczne. JednakŜe równieŝ w innych sygnałach dostępnych w maszynie elektrycznej zawartych jest duŝo cech pozwalających dokonywać oceny symptomów uszkodzeń. Interesującym podejściem wydaje się metoda polegająca na nieinwazyjnym pomiarze prądu fazowego stojana, a następnie jego przetwarzaniu do postaci wektora przestrzennego [2], [3] lub jego modułu [4]. W artykule przedstawiono analizę moŝliwości wykorzystania sygnału wektora przestrzennego prądu fazowego stojana do wykrywania zwarć zwojowych we wstępnej fazie ich powstawania, przy zasilaniu silnika z przekształtnika częstotliwości. Uwaga została zwrócona na zmiany jakie powoduje zwarcie kilku zwojów uzwojenia w jednej fazie na wektor przestrzenny prądu stojana, m.in. amplitudy prądów fazowych, odkształcenie hodografu, przesunięcie kątowe, w tym równieŝ analizę częstotliwościową modułu wektora przestrzennego prądu stojana. Do oceny zmian hodografu prądów wykorzystano metodę analizy składowych głównych PCA. 2. Monitorowanie stanu uzwojeń przy wykorzystaniu wektora przestrzennego prądu stojana Badania laboratoryjne przeprowadzono na silniku indukcyjnym typu STg 80x-4c (1.1kW, liczba zwojów w jednej fazie stojana N s =312) zasilanego z przekształtnika częstotliwości w zakresie częstotliwości f s =10 50Hz, pracującego w układzie sterowania skalarnego. Wartość prądu zwarciowego w zwojach zwartych nie była ograniczana dodatkową rezystancją. Przekształcenia prądu fazowego stojana do nieruchomego układu współrzędnych α-β zrealizowano na podstawie zaleŝności: 2 1 1 isα = isa isb isc (1) 3 3 3 1 1 isβ = isb isc (2) 3 3 s 2 2 sα isβ i = i + (3) i sa, i sb, i sc - prądy stojana w fazie A, B, C, i sα, i sβ - składowe wektora prądu stojana w nieruchomym układzie współrzędnych α-β, i s - moduł wektora przestrzennego prądu stojana. Zmiany wartości chwilowych obliczonych prądów we współrzędnych prostokątnych α-β, po-

152 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 dobnie jak w przypadków prądów fazowych w układzie współrzędnych ABC widoczne są dopiero przy zwarciu 10 zwojów. Na rys.1 widoczne są zmiany wartości maksymalnej prądów α β w zaleŝności od liczby zwartych zwojów dla róŝnej wartości momentu obciąŝenia. a) I s [pu] 1,20 1,00 0,80 0,60 b) I s [pu] 1,20 1,00 0,80 0,60 Rys.1. ZaleŜność amplitudy prądów stojana w osiach α-β od liczby zwartych zwojów dla róŝnych wartości obciąŝenia silnika przy częstotliwości zasilania f s =50Hz Zwarcie 10 zwojów w jednej fazie powoduje wzrost amplitudy obu prądów i sα i i sβ, z tym, Ŝe wzrost amplitudy prądu w osi α jest większy (około 10%). Dodatkowo zmiany te są silnie zaleŝne od obciąŝenia silnika. Wraz ze wzrostem obciąŝenia wzrasta amplituda prądów i sα i i sβ, natomiast zmniejsza się wpływ asymetrii spowodowanej zwarciem. Podobnie jak w przypadku analizy prądów fazowych interesujące z punktu widzenia monitorowania zwarć zwojowych jest wyznaczanie przesunięcia kątowego pomiędzy prądami w osiach α-β [5], [6]. W przypadku silnika symetrycznego i nieuszkodzonego kąt pomiędzy prądami i sα i i sβ wynosi 90º. I w tym przypadku naleŝy takŝe zdefiniować wielkość określającą stopień uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego: ε αβ i = o αβ i 90 φ (4) i=0,1,2,3,4,5,8,10 liczba zwojów zwartych, ε αβ - zmiana przesunięcia kątowego pomiędzy prądami we współrzędnych α-β, φ αβ - przesunięcie kątowe pomiędzy prądami we współrzędnych α-β. a) [ ] 3,0-3,0-6,0-9,0-12,0-15,0-18,0 b) [ ] 3,0-3,0-6,0-9,0-12,0-15,0-18,0 c) [ ] 3,0-3,0-6,0-9,0-12,0-15,0-18,0 Rys.2. ZaleŜność zmiany przesunięcia kątowego pomiędzy prądami stojana w osiach α-β od liczby zwartych zwojów dla: a) róŝnych wartości obciąŝenia silnika przy f s =50Hz, b),c) róŝnych wartościach częstotliwości zasilania silnika przy m o =0,m o =m n, odpowiednio Zmiany przesunięcia kątowego pomiędzy prądami w osiach α-β spowodowane asymetrią stojana przedstawiono na rys.2. Wraz ze zwiększaniem się stopnia uszkodzenia uzwojenia w fazie C zmniejsza się przesunięcie kątowe ε αβ nawet o 15º dla 10 zwartych zwojów. Zmiany te jednak silnie zaleŝą od momentu obciąŝenia silnika (rys.2a), wraz ze wzrostem obciąŝenia intensywność zmian maleje i przy m o =m n, f s =50Hz wynosi tylko 6º dla 10 zwartych zwojów. Stopień zmian analizowanego przesunięcia maleje równieŝ wraz ze zmniejszanie się częstotliwości zasilania silnika (rys.2b i c) i przy f s =10Hz, m o =0 wynosi tylko 3º dla 10 zwartych zwojów. Diagnostyka oparta o metodę analizy widmowej modułu wektora przestrzennego prądu stojana EPVA (ang. Extended Park s Vektor Approach) posiada te same cechy pozytywne co konwencjonalna metoda widmowa prądu stojana i jednocześnie eliminuje niektóre ograniczenia i niedogodności widoczne w klasycznym podejściu. W przypadku wystąpienia zwarcia w

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 153 uzwojeniach stojana, w sygnale i s pojawiają się dodatkowe harmoniczne. W szczególności jest to podwójna harmoniczna podstawowej częstotliwości napięcia zasilającego 2f s [4]. Na rys.3a przedstawiono widmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana dla silnika nieuszkodzonego przy zasilaniu napięciem o częstotliwości 50Hz. Widmo częstotliwościowe zawiera oprócz składowej podstawowej f dc, składową sieciową f s, składową podwójną sieciową 2f s oraz harmoniczną rotacyjną f r. Rys.3b dotyczy widma dla przypadku 10 zwojów zwartych w jednej fazie. Wynika z niego, Ŝe harmoniczna podwójna sieciowa zwiększa swoją amplitudę wraz ze wzrostem stopnia uszkodzenia. a) b) f dc f dc 2f s 2f s Rys.3. Widmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana i s dla częstotliwości zasilania f s =50Hz oraz m o =0: a) silnik nieuszkodzony, b) 10 zwojów zwartych. Rys.4 przedstawia jak kształtuje się amplituda 2f s modułu wektora przestrzennego prądu stojana w zaleŝności od liczby zwartych zwojów przy róŝnych wartościach momentu obciąŝenia (rys.4a) oraz częstotliwości napięcia zasilania (rys.4b i c). Wraz ze wzrostem stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana w jednej fazie wzrasta amplituda analizowanej harmonicznej. Dla silnika nieobciąŝonego ze zwartymi 10 zwojami wzrost amplitudy harmonicznej 2f s jest na poziomie 30dB przy f s =50Hz. Dodatkowo moment obciąŝenia nieznacznie wpływa na zmianę amplitudy 2f s, co z punktu monitorowania stanu uzwojenia silnika indukcyjnego ma istotne znaczenie. Zmniejszanie częstotliwości zasilania f s w zakresie od 50 10Hz powoduje zmniejszenie intensywności wzrostu amplitudy 2f s. a) i s (2f s ) [db] -1-2 -3-4 -5-6 -7 b) i s (2f s ) [db] -1-2 -3-4 -5-6 -7 c) i s (2f s ) [db] 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 Rys.4. ZaleŜność amplitudy harmonicznej 2fs modułu wektora przestrzennego prądu stojana od liczby zwartych zwojów: a) dla róŝnych wartości momentu obciąŝenia silnika przy f s =50Hz,b), c) dla róŝnych częstotliwości zasilania silnika przy m o =0, m o =m n, odpowiednio. Do weryfikacji eksperymentalnej wpływu uszkodzenia uzwojeń stojana w prądach stojana moŝna wykorzystać równieŝ zmiany hodografu prądów w nieruchomym układzie współrzędnych α-β opisanego za pomocą składowych wektora prądu stojana. Na rys.5 przedstawiono teoretyczne zmiany hodografu prądów stojana przy modelowaniu zwarć zwojowych w róŝnych fazach stojana. Przeprowadzone badania wykazały, Ŝe w symetrycznym silniku hodograf prądu stojana ma kształt okręgu [7]. W przypadku uszkodzenia uzwojenia silnika widoczna jest deformacja hodografu, który wraz ze zwiększaniem stopnia uszkodzenia zmienia się z okręgu w elipsę. Dodatkowo zwarcia zwojowe powodują zmianę orientacji osi głównych hodografu prądów, w zaleŝności od fazy silnika w jakiej wystąpiło zwarcie. Rys.6 przedstawia badania laboratoryjne, w których modelowane były zwarcia zwojowe w fazie C. Zwarcie kilku zwojów powoduje nieznaczne odkształcenie hodografu prądów, jednakŝe trudno zauwaŝyć róŝnice z silnikiem nieuszkodzonym. Zauwa-

154 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 Ŝalne zniekształcenie widoczne jest dopiero przy zwarciu 10 zwojów w jednej fazie. Dodatkowo intensywność tych zmian silnie zaleŝy od obciąŝenia silnika. Rys.5. Modelowy hodograf prądu stojana w osiach α-β dla silnika: 0- nieuszkodzonego, 1- z uszkodzeniem uzwojenia w fazie A, 2- z uszkodzeniem uzwojenia w fazie B 3- z uszkodzeniem uzwojenia w fazie C a) 0.5 isβ [pu] 0.4 0.3 0.2 0.1 0-0.1-0.2-0.3-0.4 brak uszkodzenia 1 zwarty zwój 2 zwarte zwoje -0.5-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 5 zwartych 0.4zwojów 0.5 isα [pu] 10 zwartych zwojów b) 1.2 isβ [pu] 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 brak uszkodzenia 1 zwarty zwój -1.2 2 zwarte zwoje -1.2-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 50.8 zwartych 1zwojów 1.2 isα [pu] 10 zwartych zwojów Rys.6. Hodograf prądu stojana w osiach α-β przy modelowaniu zwarcia w fazie C dla silnika: a) nieobciąŝonego m o =0, b) obciąŝonego znamionowo m o =m n Do analizy zmian hodografu prądów stojana wywołanej zwarciami zwojowymi moŝna posłuŝyć się statystyczną metodą analizy danych zwaną analizą składowych głównych PCA (ang. Principal Component Analysis) [8]. Obliczenie składowych głównych oparte jest na wartościach własnych (ang. eigenvalue) i wektorach własnych (ang. eigenvector) tzw. macierzy kowariancji pierwotnego zbioru danych S, jaką tutaj tworzą prądy stojana w nieruchomym układzie współrzędnych α-β: ( t0) ( t ) ( t0 + dt) ( t + dt) ( t0 + ( n 1) dt) ( ( ) ) t0 + n 1 dt is α isα L isα S = (5) isβ 0 isβ 0 L isβ T S = ΓΛΓ (6) 1 γ1 Γ = 2 γ2 1 γ 2 - macierz wektorów własnych, γ2 λ1 0 Λ = - macierz wartości własnych. 0 λ2 Utworzona macierz kowariancji S jest miarą stopnia liniowej zaleŝności pomiędzy prądami stojana w osiach α-β lub, gdy interpretować ją inaczej, miarą rozproszenia danych w przestrzeni R 2 (hodografie prądów). Wyznaczona na podstawie (6) macierz kowariancji S odpowiada iloczynowi macierz wektorów własnych Γ oraz diagonalnej macierzy wartości własnych Λ. Wyznaczone wektory własne macierzy Γ określają kierunki nowych osi głównych hodografu prądów, natomiast wartości własne określają zmienności prądów stojana w osiach α-β przedstawionych we współrzędnych składowych głównych. Jak zauwaŝono wcześniej, w przypadku silnika symetrycznego nieuszkodzonego hodograf prądów stojana w osiach α-β ma kształt okręgu (rys.5, krzywa 0). Wówczas wyznaczone nowe osie główne z dwóch wektorów własny macierzy kowariancji γ 1, γ 2 pokrywają się z pierwotnymi osiami hodografu, a dwie wartości własne macierzy kowariancji pozostają niezmienne i są sobie równe λ 1 =λ 2 =const. W przypadku uszkodzenia uzwojenia stojana, spowodowanego zwarciami zwojowymi następuje odkształcenie hodografu prądów, który przyjmuje kształt elipsy (rys.5, krzywa 1,2,3). Wówczas poszukiwane wektory własne wyznaczają nowe osie główne hodografu prądów w kierunku postępujących zmian, a wyznaczone wartości główne nie są sobie równe λ 1 λ 2 i wyznaczają intensywność

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 155 tych zmian w nowych osiach układu współrzędnych [9]. Ustalenie zmian wartości głównych pozwala ocenić stopień uszkodzenia uzwojenia stojana, natomiast określenie nowych osi współrzędnych, na podstawie wyznaczonych wektorów głównych dostarcza informację o miejscu jego wystąpienia. W celu określenia zmienności wartości własnych λ 1, λ 2 został wprowadzony indeks intensywności zmian: λ λ λ 1 2 PCA = (7) λ1 λ PCA - indeks intensywności zmian dwóch wartości głównych λ 1, λ 2. Rys.7 przedstawia zaleŝność zmian indeksu intensywności dwóch wartości głównych λ PCA od liczby zwartych zwojów. Dla silnika nieuszkodzonego wartość λ PCA jest bliska zeru. Wraz z zwiększanie stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana zaproponowany indeks zwiększa swoją wartość. Jednak jego intensywność zmian wraz ze zwiększaniem obciąŝenia i zmniejszaniem częstotliwości zasilania silnika maleje. a) PCA [-] 0,50 0,30 0,10 b) PCA [-] 0,50 0,30 0,10 c) PCA [-] 0,50 0,30 0,10 Rys.7. ZaleŜność indeksu λ PCA od liczby zwartych zwojów: a) dla róŝnych wartości momentu obciąŝenia silnika przy f s =50Hz,b), c) dla róŝnych częstotliwości zasilania silnika przy m o =0, m o =m n, odpowiednio a) zw0 zw1 zw2 zw5 zw10 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1-1,1-0,9-0,7-0,5-0,3-0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 b) -0,3-0,5-0,7-0,9-1,1 zw0 zw1 zw2 zw5 zw10 1,1 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1-1,1-0,9-0,7-0,5-0,3-0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1-0,3-0,5-0,7-0,9-1,1 Rys.8. Zmiany połoŝenia wektorów własnych macierzy Γ dla róŝnego stopnia uszkodzenia stojana przy częstotliwości zasilania: a) f s =50Hz b) f s =10Hz. Na rys.8 pokazano zmiany wektorów własnych macierzy Γ dla róŝnego stopnia uszkodzenia stojana przy częstotliwości zasilania f s =50Hz (rys.8a) oraz f s =10Hz (rys.8b). Dwa wektory własne γ 1, γ 2, dla kaŝdego z przypadków uszkodzenia uzwojenia tworzą nowe osie głównych współrzędnych, które przesuwają się w stronę powstającej asymetrii silnika. Powstające zmiany osi współrzędnych zgodnie wskazują na zwarcie w fazie C silnika. Moment obciąŝenia ma niewielki wpływ na wyznaczanie nowych współrzędnych przy małej ilości zwartych zwojów, natomiast przy duŝym stopniu uszkodzenia wpływ jest większy, ale pozwala na lokalizację uszkodzenia. Przy braku uszkodzenia silnika widoczna jest niewielka wewnętrzna asymetria

156 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 stojana niezaleŝna od modelowanych zwarć zwojowych. W przypadku zasilania f s =50Hz przy zamodelowanym 1 zwartym zwoju, powstające uszkodzenie uzwojenia stojana przeciwdziała wewnętrznej asymetrii silnika powodując symetryzację maszyny oraz moŝliwą błędną interpretację uszkodzenia. Przy zwarciu większej ilości zwojów widoczna asymetria spowodowana jest juŝ modelowanym uszkodzeniem. Dodatkowo zmniejszanie częstotliwości zasilnia f s powoduje, Ŝe zakres wyznaczania zmian nowych współrzędnych jest mniejszy, a tym samym wpływ asymetrii wewnętrznej silnika jest większy, powodując symetryzację maszyny dopiero przy zwartych 3 zwojach. 4. Wnioski końcowe Na podstawie powyŝszych rozwaŝań i przytoczonych przykładów uzyskanych wyników badań laboratoryjnych moŝna sformułować następujące uwagi i wnioski: przesunięcia kątowe pomiędzy prądami w układzie współrzędnych α-β silnika indukcyjnego są dobrymi symptomami diagnostycznymi w wykrywaniu zwarć zwojowych, pozwalającymi na określenie zarówno stopnia uszkodzenia oraz jego lokalizację; do oceny stopnia zwarcia zwojowego w stojanie moŝna wykorzystać z powodzeniem amplitudę harmonicznej 2f s modułu wektora przestrzennego prądu stojana i s ; analiza wartości głównych λ 1, λ 2 przy wykorzystaniu metody PCA umoŝliwia ocenę stanu uzwojenia stojana, natomiast analiza wektorów głównych γ 1, γ 2 pozwala na lokalizację uszkodzenia. Literatura [1] Siddique A., Yadava G.S., Singh B.: A Review of Stator Fault Monitoring Techniques of Induction Motors. IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol.20, No.1, March 2005, pp. 106-114. [2] Cardoso A.J.M., Cruz S.M.A., Fonseca D.S.B.: Inter-Turn Stator Winding Fault Diagnosis in Threephase Induction Motors, by Park's Vector Approach. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 14, No. 3, September 1999, pp. 595-598 [3] Kowalski Cz.T., Pawlak M.: Zastosowanie metody analizy wektora przestrzennego prądu stojana do wykrywania uszkodzeń w silnikach indukcyjnych. Przegląd Elektrotechniczny, nr 7-8, 2004, str. 771-777 [4] Kowalski Cz.T., Wolkiewicz M., Ewert P.: Analiza zwarć zwojowych stojana silnika indukcyjnego zasilanego z sieci i przemiennika częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny, R. 84 nr 12, 2008, str. 64-67 [5] Bouzid M.B.K., Champenois G., Bellaaj N.M., Signac L., Jelassi K.: An Effective Neural Approach for the Automatic Location of Stator Interturn Faults in Induction Motor. IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.55, No.12, December 2008, pp. 4277 4289 [6] Kowalski Cz.T., Wierzbicki R., Wolkiewicz M.: Analiza wpływu uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego na kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej. Studia i Materiały. 2009, nr 29, s. 252-265 [7] El-Arabawy I.F., Masoud M.I., El-Kader Mokhtari A.: Stator Inter-turn Faults Detection and Localization Using Stator Currents and Concordia Patterns - Neural Network Applications. Compatibility in Power Electronics, 2007. CPE '07, pp. 1-7 [8] Jolliffe I.T.: Principal Component Analysis. New York, Springer Series in Statistics, 1986 [9] Martins J.F., Pires V.F., Pires A.J.:PCA-Based On-Line Diagnosis of Induction Motor Stator Fault Feed by PWM Inverter. IEEE ISIE 2006, Canada, pp. 2401-2405 Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007-2010 jako projekt badawczy rozwojowy Nr R0101403 Autorzy dr hab. inŝ. Czesław T. Kowalski, prof. P.Wr. E-mail: czeslaw.t.kowalski@pwr.wroc.pl mgr inŝ. Marcin Wolkiewicz E-mail: marcin.wolkiewicz@pwr.wroc.pl Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław Recenzent Dr hab. inŝ. Sławomir Szymaniec, prof. P.O.