DETEKCJA I LOKALIZACJA ZWARĆ ZWOJOWYCH SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASILANEGO Z PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr Politechniki Wrocławskiej Nr Studia i Materiały Nr 3 1 Marcin WOLKIEWICZ*, Czesław T. KOWALSKI* silnik indukcyjny, monitorowanie, zwarcia zwojowe, przesunięcie fazowe DETEKCJA I LOKALIZACJA ZWARĆ ZWOJOWYCH SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASILANEGO Z PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI W artykule przedstawiono możliwości wczesnego wykrywania zwarć zwojowych w trzech fazach silnika indukcyjnego zasilanego z przekształtnika częstotliwości PWM. Do wykrywania i oceny zwarć zwojowych wykorzystano kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem oraz obliczony na jego podstawie wskaźnik progresji uszkodzenia stojana, który umożliwił również lokalizację wystąpienia uszkodzenia. Praktyczną użyteczność proponowanej metody sprawdzono w badaniach laboratoryjnych na silniku małej mocy w zakresie częstotliwości napięcia zasilania f s = 1 Hz i różnych momentów obciążenia. Stopień uszkodzenia uzwojenia stojana modelowano poprzez zmianę liczby zwieranych zwojów, natomiast miejsce uszkodzenia poprzez modelowanie zwarć kolejno w każdej z faz uzwojenia stojana. 1. WSTĘP Uszkodzenia uzwojeń stojana są jednym z najczęściej występujących uszkodzeń elektrycznych w silnikach indukcyjnych i stanowią około % wszystkich uszkodzeń []. Związane są one zwykle z uszkodzeniem izolacji międzyzwojowej, międzyfazowej lub głównej, spowodowanej przez wpływ różnych czynników degradacji [3, 7]. Uszkodzenia uzwojeń stojana zaczynają się jako niezauważalne zwarcie zwojowe, które w końcu rozprzestrzenia się na całe uzwojenie powodując zwarcie główne. Przyjmuje się, że zwarcia zwojowe są pierwotną przyczyną występowania innych rodzajów zwarć w uzwojeniach stojana. W większości przypadków ten typ uszkodzeń postępuje ze zwoju do zwoju, fazy do fazy lub fazy do ziemi powodując w konsekwencji trwałe uszkodzenia silnika. Stosowane obecnie układy zabezpieczeń nie reagują na zwarcia małej liczby zwojów w uzwojeniu jednej fazy, gdyż powodują one zbyt małe zmiany ilościowe w prądach fazowych. * Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, -37 Wrocław, marcin.wolkiewicz@pwr.wroc.pl, czeslaw.t.kowalski@pwr.wroc.pl

313 Natomiast prąd powstający w zwartym obwodzie, o wartości niekiedy kilkadziesiąt razy większej od prądu znamionowego, powoduje szybki wzrost temperatury, zniszczenie izolacji i rozprzestrzenienie się efektów zwarcia na całe uzwojenie. Dlatego też, diagnozowanie tego typu uszkodzeń ma sens tylko w początkowej fazie powstawania uszkodzenia. Obecnie w praktyce przemysłowej najczęściej stosuje się drogie metody diagnozowania oparte o badanie stanu izolacji uzwojeń stojana, które wymagają odłączenia maszyny od zasilania i podłączenia do specjalnego źródła zasilania i aparatury pomiarowej [3,, 7]. Są to więc najczęściej metody diagnostyczne inwazyjne i nie nadają się do realizacji on-line. Jednocześnie trwają poszukiwania innych rozwiązań opartych o pomiar i cyfrowe przetwarzanie sygnałów diagnostycznych, pozwalające na prowadzenie monitorowania stanu maszyny na bieżąco i alarmowanie użytkownika w początkowej fazie powstawania zwarcia [1, ]. Zasilanie silników z przemienników częstotliwości wprowadziło dodatkowo szereg problemów eksploatacyjnych związanych z narażaniem izolacji uzwojeń na przebicie ze względu na impulsowy charakter napięcia oraz trudności związane z monitorowaniem ze względu na odkształcenie sygnałów. W przeprowadzonych badaniach symulacyjnych [, ] oraz eksperymentalnych [, ] zauważono, że oprócz niewielkich zmian amplitudy prądów fazowych silnika indukcyjnego, zwarcia zwojowe modelowane w jednej z faz silnika powodują zmiany w wartości przesunięć fazowych pomiędzy prądem i napięciem stojana. Dodatkowo zastosowanie wskaźnika progresji uszkodzenia uzwojenia stojana [] umożliwia prowadzenie diagnostyki uzwojeń stojana we wczesnej fazie uszkodzenia. Badania w [] sugerują również możliwość wykorzystania zaproponowanego wskaźnika do lokalizacji zwarcia zwojowego (określenie w której fazie nastąpiło zwarcie). W artykule przedstawiono analizę możliwości wykorzystania przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem fazowym stojana do wykrywania i lokalizacji zwarć zwojowych we wstępnej fazie ich powstawania, przy zasilaniu silnika z przekształtnika częstotliwości.. METODYKA BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Badania laboratoryjne przeprowadzono na silniku indukcyjnym małej mocy typu STg x-c (1,1 kw, liczba zwojów w jednej fazie stojana N s = 9) zasilanego z przekształtnika częstotliwości w zakresie częstotliwości f s = 1 Hz, pracującego w układzie otwartym (sterowanie skalarne). Badania przeprowadzono dla silnika obciążonego różnymi wartościami momentu obciążenia. W badanym silniku istniała możliwość modelowania zwarć zwojowych stojana niezależnie w każdej z trzech faz. Badania eksperymentalne przeprowadzono tylko do zwartych zwojów w jednej z faz, czyli około 3% całego uzwojenia, bez ograniczania prądu zwarciowego dodatkową rezystancją.

31 Obwód zwarciowy L1 L L3 PWM Przekształtnik PWM Silnik indukcyjny STg x-c φ C Zbieranie Obliczanie danych przesunięcia pomiarowych fazowego NI PXI 7 NI PXI φa, φb, LabVIEW ξ ξ A, ξ B, Obliczanie wskaźnika progresji uszkodzenia Obciążenie Silnik prądu stałego PZB bb ξ C?Ocena lokalizacji i stopnia uszkodzenia Rys. 1. Schemat ideowy system pomiarowo-diagnostycznego Fig. 1. The general scheme of the measurement-diagnostic system Schemat ideowy układu przedstawiono na rys. 1. Do pomiarów i analizy prądów fazowych oraz napięć międzyfazowych stojana wykorzystano komputer przemysłowy NI PXI z kartą pomiarową NI PXI 7. Ocenę wartości przesunięć fazowych dokonano za pomocą wirtualnego przyrządu pomiarowo-diagnostycznego opracowanego w środowisku LabVIEW. Przesunięcia fazowe zostały wyznaczone z wykorzystaniem bloków funkcyjnych dostępnych bezpośrednio w programie LabVIEW. Wstępne badania zastosowanych bloków funkcyjnych Extract Single Tone Information.vi wykazały różnice w kolejnych pomiarach przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem stojana na poziomi ±,º. Poniżej zaprezentowano wyniki obliczeń kątów przesunięć fazowych pomiędzy napięciem i prądem stojana w każdej z faz silnika indukcyjnego oraz zmiany wskaźnika progresji uszkodzenia uzwojenia stojana. 3. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Na rys. przedstawiono zmiany kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem stojana w każdej z trzech faz silnika indukcyjnego w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana (liczby zwojów zwartych w uzwojeniu fazowym stojana) dla różnych obciążeń maszyny przy częstotliwości zasilania f s = Hz. Rysunek a dotyczy przypadku, w który zwarcie zwojowe było realizowane w fazie A, rys. b zwarcie w fazie B, natomiast rys. c w fazie C.

31 a) zwarcie w fazie A b) zwarcie w fazie B c) zwarcie w fazie C 9 7 3 1 9 7 3 1 9 7 3 1 φ A [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 φ B [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 φ C [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 9 7 3 1 9 7 3 1 9 7 3 1 φ A [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 φ B [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 φ C [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 9 7 3 1 9 7 3 1 9 7 3 1 φ A [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 φ B [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 φ C [ ] mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 Rys.. Zmiana kąta przesunięcia fazowego w fazach stojana silnika indukcyjnego w zależności od liczby zwojów zwartych w uzwojeniu fazowym stojana oraz zmian momentu obciążenia dla częstotliwości zasilania f s = Hz: zwarcie w fazie A (a), zwarcie w fazie B, (b) zwarcie w fazie C (c) Fig.. Change of the induction motor phase shift depending on the number of shorted turns and load torque for supply frequency f s = Hz: fault in phase A (a), fault in phase B (b), fault in phase C (c) Jak wynika z przeprowadzonej analizy, wartość kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem w każdej z faz silnika zmienia się w zależności od liczby zwojów zwartych w uzwojeniu fazowym stojana, ponadto charakter oraz stopień tych zmian zależy dodatkowo od fazy silnika, w której modelowane było uszkodzenie. W przypadku zwarcia w fazie A (rys. a) przesunięcie fazowe φ A w fazie A silnie maleje w zależności od liczby zwartych zwojów, w fazie B φ B praktycznie pozostaje na tym samym poziomie, natomiast w fazie C φ C również maleje, lecz zakres zmian przesunięcia fazowego φ C jest znacznie mniejsze niż w przypadku przesunięcia fazowego φ A. Zwarcia zwojowe modelowane w kolejnych dwóch fazach silnika (rys. b, c)

31 powodują analogiczne zmiany przesunięcia fazowego w każdej z faz silnika jak w przypadku zwarcia w fazie A, z tym że największe zmiany widoczne są w fazie, w której wystąpiło zwarcie. Dodatkowo zauważalny jest również silny wpływ momentu obciążenia na wartości przesunięcia fazowego w każdej z faz. Wraz ze zwiększaniem momentu obciążenia badanego silnika maleje kąt przesunięcia fazowego w każdej z faz, zmniejsza się również stopień wrażliwości na modelowane zwarcia zwojowe. a) zwarcie w fazie A b) zwarcie w fazie B c) zwarcie w fazie C mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 1 1 1 1 1 1 1 1 mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 1 1 1 1 1 1 1 1 mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= mo=mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo=,mn mo= 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rys. 3. Wskaźnik progresji uszkodzenia uzwojenia stojana w zależności od liczby zwojów zwartych w uzwojeniu fazowym stojana oraz zmian momentu obciążenia dla częstotliwości zasilania f s = Hz: zwarcie w fazie A (a), zwarcie w fazie B, (b) zwarcie w fazie C (c) Fig. 3. The progression indicator of the stator fault level depending on number of shorted turns and load torque for supply frequency f s = Hz: fault in phase A (a), fault in phase B (b), fault in phase C (c)

317 Do lepszego zobrazowania wpływu zwarć zwojowych na przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem a prądem stojana wprowadzono wielkość określającą stopień uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego zdefiniowaną w [] jako: ξ = φ, (1) k φ k gdzie: ξ wskaźnik progresji uszkodzenia uzwojenia stojana w [ ], φ k φ k kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem stojana w jednej fazie silnika dla silnika nieuszkodzonego, kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem stojana w jednej fazie silnika dla k =, 1,,3, i zwartych zwojów. Wartości wskaźnika progresji uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego ξ w zależności od liczby zwojów zwartych w uzwojeniu fazowym stojana dla różnych wartości obciążenia silnika przy częstotliwości zasilania f s = Hz przedstawiono na rys. 3. Rys. 3a dotyczy przypadku, w który zwarcie zwojowe było modelowane w fazie A, rys. 3b zwarcie w fazie B, natomiast rys. 3c w fazie C, W przypadku zwarcia w fazie A (rys. 3a) widoczny jest duży wzrost wskaźnika progresji ξ A w fazie A wraz ze zwiększaniem stopnia uszkodzenia stojana, w fazie B ξ B praktycznie pozostaje na tym samym poziomie, natomiast w fazie C również zauważalny jest wzrost wskaźnika ξ C, lecz zakres zmian ξ C jest znacznie mniejszy niż w przypadku fazy A ξ A. Analizując pozostałe przypadki występowania zwarć (rys. 3b, 3c) można zauważyć, że największy wzrost wartości zaproponowanego wskaźnika ξ widoczny jest w fazie, w której wystąpiło uszkodzenie, natomiast w pozostałych nieuszkodzonych fazach zakres zmian jest dużo mniejszy. Wielkość i charakter tych zmian pozwalają oprócz badania stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana, dokładnie określić jego lokalizację (w której fazie wystąpiło zwarcie). Niestety zauważalny jest również silny wpływ momentu obciążenia na wartości wskaźnika ξ w każdej z faz, im większe obciążenie silnika tym wielkość zmian spowodowanych zwarciami zwojowymi jest mniejszy, co w pewnej mierze utrudnia prowadzenie diagnostyki uzwojeń stojana przy jego wykorzystaniu. Rysunki i przedstawia zmiany wskaźnika progresji uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego ξ w zależności od liczby zwartych zwojów w uzwojeniu stojana dla różnych wartości częstotliwości zasilania dla silnika nieobciążonego (rys. ) oraz silnika obciążonego momentem znamionowym m o = m n (rys. ). Oprócz silnego wpływu momentu obciążenia na zmiany wskaźnika ξ (rys. 3) również duży wpływ ma częstotliwość napięcia zasilnia silnika f s. Im mniejsza częstotliwość napięcia zasilania tym wielkość zmian ξ spowodowanych zwarciami zwojowymi w każdej z faz jest mniejszy.

3 a) zwarcie w fazie A b) zwarcie w fazie B c) zwarcie w fazie C 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 Rys.. Wskaźnik progresji uszkodzenia uzwojenia stojana w zależności od liczby zwojów zwartych w uzwojeniu fazowym stojana oraz zmian częstotliwości zasilania dla momentu obciążenia m o = : zwarcie w fazie A (a), zwarcie w fazie B, (b) zwarcie w fazie C (c) Fig.. The progression indicator of the stator fault level depending on number of shorted turns and supply frequency for load torque m o = : fault in phase A (a), fault in phase B (b), fault in phase C (c). PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania wykazały, że kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem fazowym lub wprowadzony wskaźnik progresji uszkodzenia uzwojenia stojana można wykorzystać do oceny lokalizacji zwarć zwojowych w fazach stojana silnika indukcyjnego.

319 a) zwarcie w fazie A b) zwarcie w fazie B c) zwarcie w fazie C 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 fs=1hz fs=hz fs=3hz fs=hz fs=hz 1 Rys.. Wskaźnik progresji uszkodzenia uzwojenia stojana w zależności liczby zwojów zwartych w uzwojeniu fazowym stojana oraz zmian częstotliwości zasilania dla momentu obciążenia m o = m n : zwarcie w fazie A (a), zwarcie w fazie B, (b) zwarcie w fazie C (c) Fig.. The progression indicator of the stator fault level depending on number of shorted turns and supply frequency for load torque m o = m n : fault in phase A (a), fault in phase B (b), fault in phase C (c) Mankamentem proponowanej metody jest zależność kąta przesunięcia fazowego oraz wskaźnika progresji od momentu obciążenia i wartości częstotliwości napięcia zasilania silnika. W przypadku występowania częstych zmian obciążenia i częstotliwości napięcia zasilania może się okazać niezbędne zastosowanie dodatkowych sygnałów diagnostycznych lub wykorzystanie specjalnych technik opartych o sztuczną inteligencję. Autorzy w dalszych pracach zamierzają zastosować neuronowy lub rozmyty detektor wykorzystujący wskaźnik progresji uszkodzenia uzwojenia stojana ξ, który pozwoli na zbudowanie systemu diagnostycznego mniej wrażliwego na wielkości momentu obciążenia i częstotliwości zasilania.

3 Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 7-1 jako projekt badawczy rozwojowy Nr R113. LITERATURA [1] BEHBAHANIFARD H., KARSHENAS H., SADOUGH A., Non-invasive On-line Detection of Winding Faults in Induction Motors A Review, International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis, China,, 191. [] 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 Trans. on Industrial Electronics, Vol., No. 1,, 77 9. [3] GRUBIC S., ALLER J.M., LU B., HABETLER T.G., A Survey on Testing and Monitoring Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems. IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol., No. 1, December, 17 13. [] 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, nr 9, 9,. [] KOWALSKI Cz.T., WIERZBICKI R., WOLKIEWICZ M., Modelowanie zwarć zwojowych silnika indukcyjnego zasilanego z przemiennika częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny, 1, R., nr,. [] SIDDIQUE A., YADAVA G.S., SINGH B., A Review of Stator Fault Monitoring Techniques of Induction Motors, IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol., No. 1, March, 1 11. [7] ZHANG P., DU Y., HABETLER T.G., LU B., A Survey of Condition Monitoring and Protection Methods for Medium Voltage Induction Motors. Energy Conversion Congress and Exposition, 9, ECCE 9, IEEE, 31 317. TURN TO TURN FAULT DETECTION AND LOCALIZATION OF CONVERTER-FED INDUCTION MOTOR USING PHASE SHIFT BETWEEN STATOR VOLTAGE AND CURRENT This paper deals with a problem of the early stator faults (short-circuits) detection and localization in induction motors supplied from frequency converters. Method based on observation of the phase shift between the stator voltage and current is used for monitoring of condition of the stator windings. The fault level is modeled by changing number of shorted winding turns in one phase. Change of fault localizations is realized by modeling of turn to turn faults in each phase sequentially. The phase shift analysis is used for calculation of a stator fault progression indicator. Tests have been performed for different load torques and supply frequencies. The results have confirmed usefulness of the proposed analysis in diagnostics of the stator faults in converter-fed induction motor drives.