Конструкция ротора
Неисправности ротора
Повреждение в стержнях «беличьей клетки»
Выявление и устранение повреждений беличьих клеток
Применение для диагностики ротора специального тестера ротора RT1
Идентификация повреждения в обмотке ротора
Двухканальный осциллограф
Ускорение анализа, уменьшение ошибок
Асинхронный электродвигатель обладает рядом конструктивных преимуществ, которые позволяют использовать его в качестве электропривода для подавляющего большинства ответственных механизмов в составе рабочих технологических агрегатов.
Отсутствие щеточного аппарата, контактных колец, изолированной обмотки ротора создают стойкость асинхронного двигателя (АД) к кратковременным перегрузкам. АД обеспечивает непрерывную работу технологических процессов многих промышленных объектах первой и особой категории электроснабжения.
Электродвигатель состоит из статора и ротора. Если с неисправностями статора все ясно. Это замыкание между обмотками, замыкания на корпус, обрыв проводников, межвитковое замыкание, то с дефектами ротора дело намного сложнее. На повреждения роторной цепи АД приходится от 11 до 17 % всех аварийных отказов в зависимости от типа машин, из которых около 80 % приходится на обрыв стержней ротора «беличьей клетки». В этой статье разберем неисправности ротора. Но, в начале немного о конструкции ротора.
Конструкция ротора асинхронного двигателя
Ротор – это вращающаяся часть асинхронного двигателя. Конструкция состоит из вала, магнитного сердечника и обмотки
.
Рис. 1.Типичный ротор генератора
Магнитопровод или магнитный сердечник – это цилиндр, набранный из листовой электротехнической стали специальной формы, с расположенными во внешнем контуре пазами проводников роторной цепи.
Главный элемент ротора – стержневая обмотка из сплавов алюминия или меди. С торцевой части пазы со стержнями с торца соединены короткозамыкающими кольцами из металла, что и стержни.
Рис. 2. Поперечное сечение радиального роторного паза, в котором расположена обмотка возбуждения ротора
Все вместе образует короткозамкнутую обмотку называемую: «беличья клетка». Обмотка – это самый важный ключевой элемент конструкции АД.
Вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях электродвижущую силу (ЭДС) и токи. Магнитопровод ротора плотно насаживается на стальной вал, которому передается крутящий момент.
В большинстве случаев для высоковольтных АД, используется конструкция обмотки ротора с применением медных стержней круглого сечения. Такие АД, в условиях постоянной нагрузки, имеют повышенный КПД вследствие низкого значения скольжения и малого активного сопротивления стержней.
Применение стержней круглого сечения обосновано высокой технологичностью изготовления и монтажа при соединении короткозамыкающих колец и стержней. Кроме того, круглая конструкция стержней дает возможность снизить последствия воздействия центробежных сил на стержни обмотки.
Неисправности короткозамкнутого ротора АД
Главный признак неисправности ротора – горячий электродвигатель. Происходит перегрев обмотки ротора.
Одна из причин – воздействие центробежных сил. Это явление особенно ярко наблюдается при плохо сбалансированном роторе. Главная причина перегрева - обрыв стержней ротора в литой обмотке.
Вибрация двигателя с короткозамкнутым ротором возможна из-за «разъедания» пазов медными стержнями. Прослабленные стержни при больших пусковых токах асинхронного двигателя смещаются под воздействием центробежных усилий вверх, отчего и возникают вибрации.
Рис. 3. Стержни ротора, которые вышли из пазов в результате центробежной силы
Основные причины перегрева обмотки – это обрыв стержней ротора или плохой контакт стержней обмотки с короткозамкнутыми кольцами, а также межвитковое замыкание между частями обмотки. Неисправности приводят к серьезным межвитковым дефектам, локальным повреждениям и к механической вибрации. Из-за этих повреждений двигатель или генератор приходится выводить из эксплуатации
.
Рис. 4. Трещины в месте соединения стержня с торцевым кольцом
Основные признаки неисправности ротора электродвигателя:
- сильный гул в электродвигателе;
- отсутствует должная частота вращения, это видно по сниженным замедленным оборотам вала;
- в АД – слышно гудение, появляется вибрация
- ток в статоре пульсирует, это видно по колебаниям тока в сети;
- пуск двигателя с короткозамкнутым ротором невозможен – причина: обрыв нескольких стержней в «беличьей клетке».
Обрыв в короткозамкнутой обмотке просто так по приборам не определить. Необходимость точного определения местонахождения обрыва стержней связана с целевым ремонтом. Неисправный стержень можно выпаять и заменить. Затем это место снова заливают. Электродвигатель готов к работе.
Длительная периодичность капитальных ремонтов, при которых можно определить неисправность приводит к продолжительным периодам эксплуатации АД с оборванными стержнями. Как следствие – перерасход электроэнергии, причем сумма
Повреждение в стержнях «беличьей клетки»
Основная причина повреждений – это механическое воздействие на стержни в месте выхода из паза «беличьей клетки»У литого ротора с алюминиевой заливкой «беличьей клетки» часто вероятны обрывы стержней в пазах. Как следствие – пульсация тока в статоре. Изменяется нагрузка.
В качестве примера можно привести случай неисправности короткозамкнутого ротора на АД на ТЭЦ в одном из городов в Подмосковье. Отказал электропривод молотковой дробилки. После осмотра выяснилось, что в АД присутствует:
- Обрыв двух стержней со стороны вала в местах спайки с кольцом и еще двух стержней с обеих сторон.
- Поломка зубцов полузакрытых пазов. Зубцы первого паза были сломаны на половину длины сердечника и выгнуты в сторону воздушного зазора.
- Выгорание трех секций изоляции в верхней части обмотки статора.
- Повреждение изоляции обмотки статора в местах выхода из пазов со стороны приводного механизма.
- Три верхние секции статора замкнуты накоротко в результате КЗ.
- Лобовая часть обмотки статора погнута в месте выхода из паза в сторону направления вращения ротора.
Стоимость замены АД 3 млн. 500 тыс. руб. Ремонт АД – 800 тыс. Если бы во время капитального ремонта и правильно проведенного ТО прибором проверили ротор на целостность стержне. Всех этих затрат удалось бы избежать. Ограничились бы ремонтом обмотки ротора своими силами.
Выявление и устранение повреждений беличьих клеток
Обычные действия по выявлению повреждений происходили следующим образом:
Электродвигатель разбирался, ротор вынимали из статора. Делали визуальный осмотр.
Если осмотр неэффективен, то на статорную обмотку подают пониженное напряжение в пределах 0,2-0,3U. После подачи напряжения стальной пластиной перемыкали по очереди зубцы активной стали сердечника. Там, где соседние стержни обмотки целые, электромагнитное поле притягивает пластину и она дребезжит. Если стержни оборваны – пластина не притягивается или притягивается, но слабо.
Однако это весьма условный способ, который зачастую ведет к ошибкам. Было придумано множество способов определения точного повреждения в роторе. Самый рабочий из них – применение прибора тестер ротора RT1.
После определения места повреждения оборванные стержни в медной или латунной беличьей клетке заменяют. Обрывы в кольцах запаивают.
Применение для диагностики специального прибора: тестер ротора RT1
Тестер роторов RT1 – это специально созданное для тестирования короткозамкнутого ротора простое и эффективное решение.
Для кого подойдет и будет актуален прибор RT1
Прибор подойдет не каждому.
- Более всего тестер ротора больше актуален для нефтегазовой промышленности, где в работе востребованы мощные АД-6 кВ, например, на 200, 250, 400 кВт.
- Его применение будет не лишним для ремонта электродвигателей 380 В, используемых для привода агрегатов, машин и механизмов, не требующих регулирования частоты вращения, например, применяемых в «чистых» помещениях и «грязных боксах» АЭС. Для АЭС электродвигатели применяются в изобилии и задействованы в качестве приводов вентиляторов, насосов, приводов заглушек, транспортных систем, приводов перегрузочных машин реакторов, подъемного оборудования.
Идентификация повреждения в обмотке ротора
Диагностировать механические повреждения в короткозамкнутой обмотке ротора АД крайне сложно ввиду отсутствия источников информации об электрических параметрах в обмотке ротора. Идентифицировать повреждения с помощью обычных испытаний – невозможно. Обрыв стержня ротора в начальной стадии своего развития носит скрытый характер, при этом, режим работы двигателя является аварийным.
Наиболее удобный способ – протестировать ротор, вынутый из статора АД с помощью специальных датчиков: датчика подающего на ротор напряжение и измерительного датчика.
Тестер RT-1 состоит из встроенного генератора – источника питания, дисплея с памятью, электромагнитных датчиков и встроенного осциллографа Tektronix DPO2022B. В состав входит несколько комплектов датчиков для пазов обмотки с различной шириной. С помощью RT1 можно проверить сложные роторы с глубокими пазами и с двойной клеткой.
Датчики размещаются на поверхности ротора попарно. После тестирования одного стержня, датчики перемещают на другой стержневой паз.
Рис. 5. Размещение датчиков на корпусе ротора с противоположных концов паза
Способ включает подачу ступенчатого напряжения постоянного тока между одним концом обмотки ротора и его корпусом. Отраженная волна на входном конце обмотки и переданная волна на противоположном конце обмотки контролируются с помощью двух каналов осциллографа. Если напряжение подается с каждого конца обмотки ротора поочередно, то на экране осциллографа будут получены две осциллографические линии, которые идентичны друг другу.
Рис. 6 Показания осциллографа с целыми стержнями
Ротор с неисправностью будет иметь различные графики. Положение неисправности определяется с помощью масштабирования во временной области.
Рис. 7 Показания осциллографа с оборванным стержнем обмотки
Рис. 8 Показания дисплея – стержень с плохими магнитными свойствами железа ротора
Двухканальный осциллограф
Для точной идентификации неисправности задействован встроенный осциллограф Tektronix DPO2022B. Формы сигнала отображаются на дисплее прибора.
Осциллограф относится к классу двухканальных приборов с полосой пропускания 200 МГц и частотой дискретизации 1 млрд. выборок/с. Оснащен памятью объемом 1 млн. точек, сбор данных со скоростью 5 тысяч осциллограмм/с. Успешно решает сложные задачи электроники с помощью элемента управления, упрощает навигацию, сбор данных, автоматическую обработку.
Ускорение анализа, уменьшение ошибок
DPO2022B оборудован настраиваемым низкочастотным фильтром FilterVu, способным подавлять нежелательные помехи без ущерба для высокочастотного содержимого сигнала. Это помогает улучшить точность и качество отображаемых на дисплее осциллографа сигналов. Устройство оснащено 29 различными функциями автоматического измерения, которые упрощают анализ и обработку сигналов, а быстрое преобразование Фурье позволяет быстро и точно определять частотные характеристики. Интерфейс TekVPI осциллографа Tektronix DPO2022B совместим с активными, дифференциальными и токовыми щупами, автоматически настраивая оптимальные параметры для каждого типа сенсора. Встроенный 7-дюймовый экран и пара портов USB 2.0 повышают удобство использования и обмена данными. На задней стенке осциллографа расположен USB-порт, обеспечивающий простое подключение к ПК и прямую печать на PictBridge-совместимых принтерах.