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

Podobne dokumenty
DETEKCJA I LOKALIZACJA ZWARĆ ZWOJOWYCH SILNIKA INDUKCYJNEGO ZASILANEGO Z PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

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

BADANIA SKUTKÓW CIEPLNYCH ZWARĆ ZWOJOWYCH W UZWOJENIACH STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO

MODEL POLOWO-OBWODOWY SILNIKA INDUKCYJNEGO ZE ZWARCIAMI ZWOJOWYMI

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

WPŁYW USZKODZENIA TRANZYSTORA IGBT PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI NA PRACĘ NAPĘDU INDUKCYJNEGO

Analiza układu wektorowego sterowania silnikiem indukcyjnym z uszkodzonymi prętami klatki wirnika

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

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

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

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

BADANIA USZKODZEŃ UZWOJENIA STOJANA KLATKOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

OBLICZENIOWE BADANIE ZJAWISK WYWOŁANYCH USZKODZENIEM KLATKI WIRNIKA

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

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

EUROELEKTRA Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej Rok szkolny 2014/2015

BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

ANALIZA WPŁYWU NIESYMETRII NAPIĘCIA SIECI NA OBCIĄŻALNOŚĆ TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

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

Diagnostyka ukladów napedowych

KOMPUTEROWY SYSTEM DO MONITOROWANIA STANU UZWO- JEŃ STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO

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

Wykaz ważniejszych oznaczeń Podstawowe informacje o napędzie z silnikami bezszczotkowymi... 13

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

SPIS TREŚCI PRZEDMOWA WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ 1. PODSTAWOWE INFORMACJE O NAPĘDZIE Z SILNIKAMI BEZSZCZOTKOWYMI 1.1. Zasada działania i

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

Studia i Materiały Nr

Zastosowanie uproszczonego modelu dwuosiowego do modelowania uszkodzeń wirnika silnika klatkowego

ZJAWISKA W OBWODACH TŁUMIĄCYCH PODCZAS ZAKŁÓCEŃ PRACY TURBOGENERATORA

METODA DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

Silnik indukcyjny - historia

ANALIZA WRAŻLIWOŚCI WYBRANYCH ESTYMATORÓW ZMIENNYCH STANU NA BŁĘDNĄ IDENTYFIKACJĘ PARAMETRÓW SCHEMATU ZASTĘPCZEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

Diagnostyka silnika indukcyjnego z wykorzystaniem dostępnych napięć stojana

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

ZWARCIA ZWOJOWE W UZWOJENIU STOJANA KLATKOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

LABORATORIUM PRZETWORNIKÓW ELEKTROMECHANICZNYCH

transformatora jednofazowego.

ZAGADNIENIA STANÓW DYNAMICZNYCH TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W WYBRANYCH NIESYMETRYCZNYCH UKŁADACH POŁĄCZEŃ

PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Temat: Analiza pracy transformatora: stan jałowy, obciążenia i zwarcia.

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

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/

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

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

CHARAKTERYSTYKI I STEROWANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z DWOMA UZWOJENIAMI STOJANA

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

MODELOWANIE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH Z ELEMENTAMI NIESYMETRII

POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

STANY AWARYJNE MASZYNY RELUKTANCYJNEJ PRZEŁĄCZALNEJ W ZAKRESIE PRACY GENERATOROWEJ

WIELOETAPOWY PROCES DIAGNOSTYKI UKŁADÓW NAPĘDOWYCH

Rozwój sterowania prędkością silnika indukcyjnego trójfazowego

X X. Rysunek 1. Rozwiązanie zadania 1 Dane są: impedancje zespolone cewek. a, gdzie a = e 3

Ćwiczenie 1b. Silnik prądu stałego jako element wykonawczy Modelowanie i symulacja napędu CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

MODEL SILNIKA PMSM DO BADAŃ SYMULACYJNYCH STEROWANIA TOLERUJĄCEGO USZKODZENIA

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

Ćwiczenie EA5 Silnik 2-fazowy indukcyjny wykonawczy

INSTRUKCJA LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI BADANIE TRANSFORMATORA. Autor: Grzegorz Lenc, Strona 1/11

PROGRAM W ŚRODOWISKU LABVIEW DO POMIARU I OBLICZEŃ W LABORATORIUM MASZYN ELEKTRYCZNYCH

Przetworniki Elektromaszynowe st. n.st. sem. V (zima) 2016/2017

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

WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH Z ROZRUCHEM ASYNCHRONICZNYM PRZY STEROWANIU CZĘSTOTLIWOŚCIOWYM

ZWARCIE POMIAROWE JAKO METODA WYKRYWANIA USZKODZEŃ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

Badanie silnika indukcyjnego jednofazowego i transformatora

Ćwiczenie: "Silnik prądu stałego"

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

PL B1. Sposób wyznaczania błędów napięciowego i kątowego indukcyjnych przekładników napięciowych dla przebiegów odkształconych

Ćwiczenie: "Obwody ze sprzężeniami magnetycznymi"

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

DIAGNOSTYKA SILNIKA INDUKCYJNEGO Z WYKORZYSTANIEM DOSTĘPNYCH NAPIĘĆ STOJANA

WSPÓŁCZYNNIK MOCY I SPRAWNOŚĆ INDUKCYJNYCH SILNIKÓW JEDNOFAZOWYCH W WARUNKACH PRACY OPTYMALNEJ

Ćwiczenie 4 WYZNACZANIE INDUKCYJNOŚCI WŁASNEJ I WZAJEMNEJ

ANALIZA WYBRANYCH DETEKTORÓW USZKODZEŃ CZUJNIKA PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ W NAPĘDACH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI Badanie transformatora jednofazowego

ANALIZA SYMPTOMÓW USZKODZEŃ ŁĄCZNIKÓW TRANZYSTOROWYCH FALOWNIKA NAPIĘCIA W NAPĘDZIE INDUKCYJNYM

Ćwiczenie 1. Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym.

GĘSTOŚĆ PRĄDU W PRĘTACH USZKODZONEJ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

Wpływ nieliniowości elementów układu pomiarowego na błąd pomiaru impedancji

BEZCZUJNIKOWA DETEKCJA KĄTA POŁOŻENIA NIERUCHOMEGO WIRNIKA SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

Opracować model ATP-EMTP silnika indukcyjnego i przeprowadzić analizę jego rozruchu.

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

APLIKACJA NAPISANA W ŚRODOWISKU LABVIEW SŁUŻĄCA DO WYZNACZANIA WSPÓŁCZYNNIKA UZWOJENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ

Sposób analizy zjawisk i właściwości ruchowych maszyn synchronicznych zależą od dwóch czynników:

Układy rozruchowe silników indukcyjnych klatkowych

15. UKŁADY POŁĄCZEŃ PRZEKŁADNIKÓW PRĄDOWYCH I NAPIĘCIOWYCH

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

MONITOROWANIE NIEOSIOWOŚCI NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH. WYBÓR CHWILI ZAŁĄCZENIA PRĄDU WZBUDZENIA

Sterowanie Napędów Maszyn i Robotów

Wykład 2 Silniki indukcyjne asynchroniczne

UPROSZCZONY MODEL SILNIKA KLATKOWEGO Z USZKODZONYM WIRNIKIEM

ZASTOSOWANIE RUCHOMEJ WARTOŚCI SKUTECZNEJ PRĄDU DO DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH

Układ kaskadowy silnika indukcyjnego pierścieniowego na stały moment

ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH DUŻEJ MOCY PRZY CZĘŚCIOWYM ZASILANIU UZWOJENIA STOJANA

Wykład 7. Selsyny - mikromaszyny indukcyjne, zastosowanie w automatyce (w układach pomiarowych i sterowania) do:

WPŁYW USZKODZENIA WIRNIKA NA PRACĘ BEZCZUJNIKOWEGO NAPĘDU INDUKCYJNEGO Z ESTYMATOREM MRASCC

OKREŚLENIE OBSZARÓW ENERGOOSZCZĘDNYCH W PRACY TRÓJFAZOWEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO

MODELOWANIE MASZYNY SRM JAKO UKŁADU O ZMIENNYCH INDUKCYJNOŚCIACH PRZY UŻYCIU PROGRAMU PSpice

Transkrypt:

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 63 Politechniki Wrocławskiej Nr 63 Studia i Materiały Nr 29 29 Czesław T. KOWALSKI*, Robert WIERZBICKI*, Marcin WOLKIEWICZ* silnik indukcyjny, monitorowanie, zwarcia zwojowe, przesunięcie fazowe ANALIZA WPŁYWU USZKODZENIA UZWOJENIA STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO NA KĄT PRZESUNIĘCIA FAZOWEGO POMIĘDZY PRĄDEM I NAPIĘCIEM W artykule przeanalizowano wpływ zwarcia w uzwojeniu stojana silnika indukcyjnego na kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem stojana. Przedstawiono model matematyczny silnika indukcyjnego z uszkodzonym uzwojeniem stojana. Stopień uszkodzenia modelowany jest poprzez zmianę liczby zwojów w jednej fazie uzwojenia stojana. Analiza przesunięć fazowych została wykorzystana do wyznaczenia wskaźnika progresji uszkodzenia uzwojenia stojana. Zaprezentowano porównawcze wyniki badań symulacyjnych oraz eksperymentalnych silnika z uszkodzonym uzwojeniem stojana, zasilanego z przekształtnika częstotliwości, w przypadku różnej liczby zwartych zwojów i różnych momentów obciążenia silnika.. WSTĘP Napędy z silnikami indukcyjnymi klatkowymi są najczęściej wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych. Niski koszt ich produkcji oraz rozwój metod sterowania spowodował, że wyparły one silniki prądu stałego. Pełnią one często bardzo ważną rolę w wielu procesach technologicznych i ich ewentualna awaria może spowodować duże straty finansowe lub nawet bardzo poważną awarię całego systemu przemysłowego. Najczęstszymi elektrycznymi przyczynami uszkodzeń silników indukcyjnych są uszkodzenia uzwojeń stojana wynikające z degradacji izolacji międzyzwojowej, międzyfazowej lub głównej. Uszkodzenia izolacji pojawiają się nagle w postaci zwarć w uzwojeniach i wymagają możliwie szybkiego odłączenia zasilania maszyny. Stoso- * Politechnika Wrocławska, Wydział Elektryczny, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 9, 5-372 Wrocław, e-mail: czeslaw.t.kowalski@pwr.wroc.pl; robert.wierzbicki@pwr.wroc.pl; marcin.wolkiewicz@pwr.wroc.pl

253 wane obecnie układy zabezpieczeń nie reagują na zwarcia małej liczby zwojów w uzwojeniu fazy, gdyż powodują one zbyt małe zmiany ilościowe w prądach fazowych. Natomiast prąd płynący 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. 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. 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 (on-line i off-line). Jednocześnie trwają poszukiwania innych rozwiązań opartych o pomiar i cyfrowe przetwarzanie sygnałów diagnostycznych [4], [6]. Zasilanie silników z przemienników częstotliwości wprowadziło dodatkowo szereg nowych trudności związanych z poszukiwaniem i ekstrakcją symptomów uszkodzeń. 2. MODEL MATEMATYCZNY SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONYM UZWOJENIEM STOJANA Najczęstszym uszkodzeniem uzwojenia stojana silnika indukcyjnego jest zwarcie międzyzwojowe. Wystąpienie zwarcia międzyzwojowego powoduje powstanie dodatkowego obwodu zwarciowego w uszkodzonej fazie silnika (rys. ) [], [2]. i zw Rys.. Uzwojenia stojana silnika indukcyjnego zwarcie w fazie A Fig.. Stator winding of the induction motor in the case of shorted circuit in A phase W przypadku silników indukcyjnych małej i średniej mocy spadki napięć na rezystancji i indukcyjności stojana są małe w porównaniu do napięcia zasilającego silnik. Po-

254 zwala to na wprowadzenie uproszczenia modelu matematycznego silnika indukcyjnego. Powstająca w przypadku uszkodzenia uzwojenia stojana pętla zwarciowa Q zw może zostać umieszczona na wejściu schematu zastępczego proponowanego modelu (rys. 2). i sαβ i' sαβ r s x s x r i zw i rαβ u sαβ Q zw x m r r i mαβ Rys. 2. Schemat zastępczy silnika indukcyjnego w przypadku zwarcia w fazie uzwojenia stojana Fig. 2. The induction motor equivalent circuit diagram in the case of shorted circuit in one phase Po uwzględnieniu powszechnie stosowanych założeń upraszczających, model matematyczny maszyny indukcyjnej w jednostkach względnych, uwzględniający zwarcie w fazie A stojana (rys. ) można zapisać w postaci równań stanu, w układzie współrzędnych (α β ). Ogólnie równania zmiennych stanu dla modelu silnika indukcyjnego klatkowego mają poniższą postać [5]: x &( t) = A( ωm) x( t) + Bu( t), () y ( t) = Cx( t) + Du( t), (2) w których: [ ψ ψ ] T x ( t) = i s α i s β rα rβ, (3) [ ] T y ( t) = i s α i s β, (4) [ ] T u ( t) = u s α u s β, (5) B Ω b = σ x s, (6) σ rs rr xsσ xrσ A( ωm) = Ωb xm r xr rs x σ s x x σ rr x σ M r r r r krrr xr xsσ ωmkr xsσ r x ω r m ωmkr x sσ krrr x r xsσ, (7) ωm r x r

255 C =, (8) gdzie: u, u napięcia stojana w osiach α β, sα sβ i, i prądy stojana w osiach α β, sα sβ ψ r α, ψ rβ strumienie skojarzone uzwojenia wirnika w osiach α β, r s, r x, x s x r M σ = ω m Ω x x = 2π s r 2 xm b f sn rezystancja uzwojenia stojana, wirnika, reaktancja uzwojenia stojana, wirnika, reaktancja główna, współczynnik całkowitego rozproszenia maszyny, prędkość kątowa mechaniczna wirnika, pulsacja odniesienia (bazowa), f sn częstotliwość znamionowa uzwojenia stojana, Wprowadza się prąd płynący w obwodzie zwarciowym uzwojenia stojana: przy czym: i zw = Du(t), (9) 3 n zw D ( nzw, θ zw) = P( θ ) Q( θ zw) P( θ ), () 3 rs k = 2 cos( θ zw) cos( θ zw)sin( θ zw) Q ( θ zw) = 2, () cos( θ zw)sin( θ zw) sin( θzw) gdzie: liczba zwartych zwojów n zw =, liczba zwojów w nieuszkodzonym uzwojeniu cos( θ ) sin( θ ) P ( θ ) =, (2) sin( θ ) cos( θ ) θ zw parametr określający lokalizację uszkodzenia: θ = zwarcie w fazie A, zw 2π θ zw = zwarcie w fazie B, 3

256 4π θ zw = zwarcie w fazie C, 3 dθ ω m =. dt Równania () (8) oraz (9) (2) tworzą pełny model matematyczny silnika indukcyjnego z uwzględnieniem zwarcia w fazie uzwojenia stojana. 3. METODYKA BADAŃ Badania symulacyjne i laboratoryjne przeprowadzono dla silnika indukcyjnego małej mocy typu STg 8x-4c (, kw, liczba zwojów w jednej fazie stojana N S = 32) zasilanego z przekształtnika częstotliwości, pracującego w układzie otwartym. W badanym silniku istniała możliwość modelowania zwarć zwojowych stojana w jednej fazie (do % całego uzwojenia). Przeprowadzono badania dla silnika obciążonego różnymi wartościami momentu obciążenia. Silnik zasilany był z przekształtnika napięciem o częstotliwości f s = 5 Hz. Przebadano następujące przypadki uszkodzeń: zwarty zwój, 2 zwarte zwoje, 5 oraz zwartych zwojów. Podczas zwarcia zwojowego w fazie silnika indukcyjnego wartości prądów fazowych ulegają nieznacznym zmianom, co wymusza poszukiwanie nowych metod pozwalających na wykrycie uszkodzenia [3], [4], [6]. W przeprowadzonych badaniach zauważono, że oprócz zmian amplitudy prądów, zmianie ulegają również wartości przesunięć fazowych pomiędzy prądem a napięciem w każdej z faz. Poniżej zaprezentowano wyniki zmian kątów przesunięć fazowych oraz zaproponowano nowy wskaźnik określający lokalizację oraz stopień uszkodzenia uzwojenia stojan. 4. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH Model matematyczny silnika indukcyjnego z uszkodzonym uzwojeniem stojana został opracowany w środowisku Matlab/Simulink. Zastosowany krok obliczeń numerycznych wynosił: dt =e-6s. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono symulacyjne przebiegi prądu stojana w fazie A (rys. 3a, 4a), w fazie B (rys. 3b, 4b) oraz w fazie C (rys. 3c, 4c) dla silnika nieobciążonego m o = i obciążonego momentem znamionowym m o = m on, odpowiednio. W chwili t =.4 s zasymulowano zwarcie zwojów w fazie A.

257 a) i sa b) i sb c) i sc.5 -.5 -.3.32.34.36.38.4.42.44.46.48.5.5 -.5 -.3.32.34.36.38.4.42.44.46.48.5.5 -.5 -.3.32.34.36.38.4.42.44.46.48.5 Rys. 3. Przebiegi prądów fazowych stojana i sa (a), i sb (b), i sc (c), dla m = symulacje Fig. 3. Simulated transients of phase currents i sa (a), i sb (b), i sc (c), for load torque m o = W chwili wystąpienia zwarcia, w obu przypadkach zauważalny jest wyraźny wzrost amplitudy prądu w fazie A oraz w fazie B, natomiast amplituda prądu w fazie C zmniejsza się nieznacznie w porównaniu do amplitudy prądu w nieuszkodzonym silniku. a) i sa b) i sb c) i sc.5 -.5 -.3.32.34.36.38.4.42.44.46.48.5.5 -.5 -.3.32.34.36.38.4.42.44.46.48.5.5 -.5 -.3.32.34.36.38.4.42.44.46.48.5 Rys. 4. Przebiegi prądów fazowych stojana i sa (a), i sb (b), i sc (c), dla m o = m on symulacje Fig. 4. Simulated transients of phase currents i sa (a), i sb (b), i sc (c), for load torque m o = m on

258 Rys. 5. Zmiana kąta przesunięcia fazowego w fazach stojana silnika indukcyjnego w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana, m o = (a), m o = m on (b) symulacje Fig. 5. Change of the induction motor phase shift depending on the stator fault level m o = (a), m o = m on (b) simulation Rys. 6. Zmiana kąta przesunięcia fazowego w fazach stojana silnika indukcyjnego w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana oraz zmian momentu obciążenia: faza A (a), faza B, (b) faza C (c) symulacje Fig. 6. Change of the induction motor phase shift depending on the stator fault level and load torque: phase A (a), phase B (b), phase C (c) simulation

259 Na rysunku 5 przedstawiono zmiany kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem w każdej fazie w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana silnika dla maszyny nieobciążonej (rys. 5a) oraz obciążonej momentem znamionowym (rys. 5b). W przypadku zwarcia międzyzwojowego w uzwojeniu fazy A stojana silnika indukcyjnego wartość kąta przesunięcia fazowego w fazie A znacznie maleje, zarówno przy obciążonym jak i nieobciążonym silniku. W fazie B wartość kąta przesunięcia fazowego praktycznie nie zmienia się w funkcji liczby zwartych zwojów zarówno dla silnika nieobciążonego jak i obciążonego. Natomiast w fazie C zmiany kąta φ C w funkcji liczby zwartych zwojów są minimalne w przypadku silnika nieobciążonego, a dla silnika obciążonego duże. Na rysunku 6a przedstawiono zmiany kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem w fazie A, na rys. 6b w fazie B oraz na rys. 6c w fazie C w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana silnika dla różnych obciążeń maszyny. Rys. 7. Wskaźnik progresji stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana: faza A (a), faza B, (b) faza C (c) symulacje Fig. 7. The progression indicator of the stator fault level: phase A (a), phase B (b), phase C (c) simulation Jak wynika z przeprowadzonej analizy, wartość kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem w fazie silnika silnie zależy od wartości obciążenia maszyny (rys. 6).

26 Dlatego, do celów diagnostyki zwarć zwojowych, zdefiniowano wielkość określającą stopień uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego, oznaczoną w następujący sposób: ξ = φ, (2) k φ k gdzie: ξ wskaźnik progresji stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana w [ ], k φ k kąt przesunięcia fazowego pomiędzy prądem a napięciem stojana w jednej fazie silnika dla k =,, 2, 5, zwartych zwojów. Wartości wskaźnika progresji stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego przedstawiono na rys. 7 dla trzech faz. Największy wzrost wartości zaproponowanego wskaźnika ξ widoczny jest w fazie, w której wystąpiło uszkodzenie (rys. 7a), natomiast w pozostałych nieuszkodzonych fazach zakres zmian jest dużo mniejszy (rys. 7b, c), co pozwala oprócz badania stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana dokładnie określić jego lokalizację. 5. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Do pomiarów i analizy sygnałów na stanowisku laboratoryjnym wykorzystano komputer przemysłowy NI PXI 886 z kartą pomiarową NI PXI 4472. Dokładnej oceny wartości przesunięć fazowych dokonano za pomocą przyrządu wirtualnego, opracowanego w środowisku LabView. a).6.4 i sa.2 -.2 -.4 b) 2.8 2.85 2.9 2.95 3 3.5.6.4 i sb.2 -.2 -.4 c) 2.8 2.85 2.9 2.95 3 3.5.6 i sc.4.2 -.2 -.4 2.8 2.85 2.9 2.95 3 3.5 Rys. 8. Przebiegi prądów fazowych stojana i sa (a), i sb (b), i sc (c), dla m o = eksperyment Fig. 8. Experimental transients of phase currents i sa (a), i sb (b), i sc (c), for load torque m o =

26 Na rysunkach 8 i 9 przedstawiono eksperymentalne przebiegi prądu stojana w fazie A (rys. 8a, 9a), w fazie B (rys. 8b, 9b) oraz w fazie C (rys. 8c, 9c) dla silnika nieobciążonego m o = i obciążonego momentem znamionowym m o = m on, odpowiednio. Na rysunku 8 zwarcie zwojów w fazie A nastąpiło w chwili t = 2,93 s, a na rysunku 9 w chwili t = 2,63 s. a).5 i sa -.5 b) - 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8.5 i sb -.5 c) - 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8.5 i sc -.5-2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 Rys. 9. Przebiegi prądów fazowych stojana i sa (a), i sb (b), i sc (c), dla m o = m on eksperyment Fig. 9. Experimental transients of phase currents i sa (a), i sb (b), i sc (c), for load torque m o = m on Rys.. Zmiana kąta przesunięcia fazowego w fazach stojana silnika indukcyjnego w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana, m o = (a), m o = m on (b) eksperyment Fig.. Change of the induction motor phase shift depending on the stator fault level m o = (a), m o = m on (b) experiment

262 Przebiegi czasowe prądów zachowują się podobnie jak w badaniach symulacyjnych. Prąd w fazie A zwiększa swoją amplitudę w przypadku wystąpienia uszkodzenia, podobnie jak w fazie B, natomiast prąd w fazie C nieznacznie się zmniejsza. Podobnie jak w badaniach symulacyjnych, na kolejnym rysunku przedstawiono zmiany kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem w każdej fazie w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana silnika dla maszyny nieobciążonej (rys. a) oraz obciążonej momentem znamionowym (rys. b). Zwarcie zwojowe w uzwojeniu fazy A stojana silnika indukcyjnego powoduje zmniejszenie wartości kąta przesunięcia fazowego w fazie A zarówno dla silnika nieobciążonego, jak i silnika obciążonego. Natomiast w fazie B wartości kąta przesunięcia fazowego w funkcji liczby zwojów zwartych nie zmieniają się dla różnych obciążeń. Natomiast w fazie C kąt przesunięcia fazowego maleje wraz ze wzrostem liczby zwartych zwojów dla poszczególnych wartości obciążeń silnika. Wyniki eksperymentalne są zbieżne z wynikami badań symulacyjnych. Rys.. Zmiana kąta przesunięcia fazowego w fazach stojana silnika indukcyjnego w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana oraz zmian momentu obciążenia: faza A (a), faza B, (b) faza C (c) eksperyment Fig.. Change of the induction motor phase shift depending on the stator fault level and load torque: phase A (a), phase B (b), phase C (c) experiment

263 Na rysunku a przedstawiono zmiany kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem a prądem w fazie A, na rys. b w fazie B oraz na rys. c w fazie C w zależności od stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana silnika dla różnych stopni obciążeń maszyny. Podobnie jak w przypadku badań symulacyjnych, wartość kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem, a prądem w fazie silnika silnie zależy od wartości obciążenia maszyny. Zdefiniowany w poprzednim punkcie wskaźnik progresji stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana silnika indukcyjnego przedstawiono na rys. 2. Analogicznie jak w przypadku badań symulacyjnych, największy wzrost wartości wskaźnika progresji stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana ξ został zaobserwowany w fazie, w której wystąpiło uszkodzenie (rys. 2a). Zmiany wartości wskaźnika ξ są dodatkowym źródłem informacji niezbędnych do określenia stopnia i lokalizacji zaistniałego zwarcia międzyzwojowego. Rys. 2. Wskaźnik progresji stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana: faza A (a), faza B, (b) faza C (c) eksperyment Fig. 2. The progression indicator of the stator fault level: phase A (a), phase B (b), phase C (c) experiment

264 6. PODSUMOWANIE Zwarcia zwojowe mogą być bardzo łatwo modelowane przy użyciu przedstawionego modelu silnika. Stopień uszkodzenia może być kontrolowany poprzez liczbę zwartych zwojów w jednej fazie. Zjawiska fizyczne, w przypadku zwarcia kilku zwojów uzwojenia stojana, powodujące zmiany prądów w uzwojeniu stojana są dobrze odzwierciedlone przez model. Przedstawiony model matematyczny silnika indukcyjnego z uszkodzonym uzwojeniem stojana wykazuje dużą zbieżność badań symulacyjnych z eksperymentalnymi. Zaproponowany wskaźnik progresji ξ jest użytecznym wyznacznikiem stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana. Analiza wielkości zmian zaproponowanego wskaźnika pozwala również w jednoznaczny sposób określić lokalizację występującego uszkodzenia. Nieskomplikowany i szybki proces obliczania kątów przesunięć fazowych jest alternatywą dla stosowanych obecnie metod diagnostycznych wykorzystujących analizę częstotliwościową sygnałów diagnostycznych. Autorzy w dalszych pracach zamierzają zastosować neuronowy lub rozmyty detektor wykorzystujący zaproponowany wskaźnik progresji stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana ξ, który pozwoli na zbudowanie systemu diagnostycznego do diagnostyki stanu uzwojenia stojana silnika indukcyjnego. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 27 2 jako projekt badawczy rozwojowy nr R43. LITERATURA [] BACHIR S., TNANI S., TRIGEASSOU J., CHAMPENOIS G., Diagnosis by Parameter Estimation of Stator and Rotor Faults Occurring in Induction Machines, IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 3, June 26, pp. 963 973. [2] 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. 55, No. 2, 28, pp. 4277 4289. [3] KOWALSKI C.T., Monitorowanie i diagnostyka uszkodzeń silników indukcyjnych z wykorzystaniem sieci neuronowych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych PWr. nr 57, Monografie nr 8, 25. [4] NANDI S., TOLIYAT A.T., LI X., Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Motors A Review, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 2, No. 4, 25, pp. 79 729. [5] ORŁOWSKA-KOWALSKA T., Bezczujnikowe układy napędowe z silnikami indukcyjnymi, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 23. [6] SIDDIQUE A., YADAVA G., SIGH B., A Review of Stator Fault Monitoring Techniques of Induction Motors, IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 2, No., 25, pp. 6 4.

265 ANALYSIS OF THE STATOR FAULT INFLUENCE TO THE PHASE SHIFT BETWEEN STATOR CURRENT AND VOLTAGE OF THE INDUCTION MOTOR In this paper an influence of the stator winding short-circuit to the phase shift between the phase current and voltage of the induction motor is presented. The mathematical model of induction motor in the case of stator fault is presented. The fault level is modeled by a change of the stator winding turns in one of stator phases. The phase shift analysis is used for the calculation of a progression indicator of the stator fault level. Comparison between simulation and experimental results of the converter-fed induction motor for different number of shorted turns and different load torque values is shown.