Подход к исследованию неоднородных состояний асинхронных электродвигателей

  • Сергей [Sergey] Павлович [P.] Курилин [Kurilin]
  • Валерий [Valeriy] Николаевич [N.] Денисов [Denisov]
Ключевые слова: асинхронный электродвигатель, эксплуатационное состояние, векторное пространство, эксплуатационная диагностика, топологический подход

Аннотация

Представленное исследование в прикладном отношении направлено на выполнение научно обоснованных оценок текущего технического состояния асинхронных электродвигателей (АЭД). Существующая в настоящее время классическая теория АЭД обладает недостаточной общностью для решения данной задачи. Она не охватывает состояния АЭД с производственно-технологическими отклонениями, а также состояний с эксплуатационными повреждениями или старением. Разнообразие эксплуатационных состояний и конструктивных исполнений АЭД требуют расширения классических рамок анализа до уровня многомерных представлений.

Подобная работа была выполнена в рамках топологического подхода, формирующего представление об АЭД как о многомерной неоднородной электромеханической системе, которая может находиться в однородных или неоднородных состояниях. Методологическая основа топологического подхода — наблюдение и анализ формальных свойств математической модели с перенесением их результатов на объект. Существенную роль играют правила и систематизированный понятийно-терминологический аппарат, представленные в работе. Кроме того, приведены метод, способ и примеры топологического исследования. Тем самым, охвачены все компоненты научного подхода, ориентированного на многомерное представление эксплуатационных состояний АЭД.

Топологический подход формирует научно-методическую платформу для организации системы мониторинга текущего технического состояния АЭД в процессе их эксплуатации. Отмечается, что существующие методы диагностики сосредоточены на фиксации внешних проявлений параметрической неоднородности, в связи с чем они не являются надежной основой для заключения о текущем техническом состоянии АЭД. Топологический метод эксплуатационной диагностики сосредоточен на фиксации и анализе изменений внутренних свойств объекта и практически независим от влияния внешних факторов. Это обстоятельство гарантирует высокую достоверность результатов применения метода топологической диагностики для оценок текущего технического состояния АЭД.

Сведения об авторах

Сергей [Sergey] Павлович [P.] Курилин [Kurilin]

доктор технических наук, профессор кафедры электромеханических систем Смоленского филиала МЭИ, e-mail: sergkurilin@gmail.com

Валерий [Valeriy] Николаевич [N.] Денисов [Denisov]

доктор технических наук, профессор кафедры высшей математики Смоленского филиала МЭИ, e-mail: dvalnik@mail.ru

Литература

1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т. 1. М.: Издат. дом МЭИ, 2006.
2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Т. 2. М.: Издат. дом МЭИ, 2006.
3. Курилин С.П., Денисов В.Н. Топологические аспекты теории асинхронных электрических машин. Смоленск: Универсум, 2019.
4. Курилин С.П., Денисов В.Н. Математическая модель неявнополюсной электрической машины в матричной форме // Электричество. 2014. № 4. С. 43—49.
5. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Альянс, 2017.
6. Kurilin S.P, Denisov V.N, Bobkov V. Risk Assessment for Rotors Operational Integrity Loss of Asynchronous Electrical Machines in Heat Power Engineering Systems // Proc. Intern. Russian Automation Conf. 2019. Pp. 1—5.
7. Kurilin S.P, Denisov V.N, Fedulov A.S., Dli M.I. Scientific Basis of Methods for Topological Diagnostics of Asynchronous Electric Machines // Proc. AIP Conf. 2018. V. 2053(1). P. 030031.
8. Kurilin S.P, Denisov V.N., Dli M.I. Mathematical and Visual Models of Asynchronous Electric Machines Energy Fields // Proc. III Intern. Sci. and Techn. Conf. Energy Systems. 2019. V. 552. No. 1. P. 012015.
9. Борисов В.В., Курилин С.П., Черновалова М.В. Топологический подход к исследованию неоднородных электромеханических систем // Математические методы в технике и технологиях: Cб. трудов Междунар. науч. конф. СПб. Изд-во Политехн. ун-та, 2020. Т. 7. С. 93—96.
10. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2004.
11. Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины. М.: Академия, 2006.
12. Нос О.В. Математическая модель асинхронного двигателя в линейных пространствах, связанных со статором и ротором // Известия вузов. Серия «Электромеханика». 2008. № 2. С. 14—20.
13. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам. М.: Академия, 2005.
14. Электротехнический справочник. Т. 4. Использование электрической энергии / Под общ. ред. В.Г. Герасимова и др. М.: Изд-во МЭИ, 2004.
15. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин. М.: Альянс, 2016.
16. Гольдберг О.Д., Макаров Л.Н., Хелемская С.П. Инженерное проектирование электрических машин. М.: Издат. дом «Бастед», 2016.
17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Физматлит, 2010.
18. Smolin V.I., Topolskaya I.G., Volovich G.I. The Energy Method for Monitoring the Instantaneous State and the Formation of a Synchronous Motor Control Variables // Proc. II Intern. Conf. Industrial Eng., Appl. and Manufacturing. 2016. Pp. 1—4.
19. Farhani F., Zaafouri A., Chaari A. Real Time Induction Motor Efficiency Optimization // J. Franklin Institute. 2017. V. 354(8). Pp. 3289—3304.
20. Aksenov Y., Yaroshenko I., Noe G., Andreev A. On-line Diagnostics Technology and Repair Results for Midium Voltage Motors // IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2009. Pp. 1—7.
21. Aksenov Y., Arces I., Noe G. On-line PD Diagnostic on Medium Voltage Motors and Cable Lines: Useful Tool for the Maintenance Manager // Proc. Intern. Symp. Electrical Insulation. 2004. Pp. 151—153.
22. Joksimovic G.M., Ðurovic J.P. The Detection of Inter-turn Short Circuits in the Stator Windings of Operating Motors // IEEE Trans. Industrial Electronics. 2000. V. 47(5). Pp. 1078—1084.
23. Bellini A., Filippeti F., Tassoni C., Kliman G.B. Quantitative Evaluation of Induction Motor Broken Bars by Means of Electrical Signature Analysis // IEEE Trans. Industry Appl. 2001. V. 37. Pp. 1248—1255.
24. Filho P.S.M.L., Pederiva R., Brito J.N. Detection of Stator Winding Faults in Induction Machines Using Flux and Vibration Analysis // IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2007. Pp. 432—437.
25. Aksenov Y., Yaroshenko I., Noe G., Andreev A. Diagnostic Technology for Transformers: Methods Synergy and Double-Coordinate Location // IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2009. Pp. 1—7.
26. De la Barrera P.M. e. a. Experimental Generation and Quantification of Stator Core Faults on Induction Motors // Ibid. Pp. 8— 14.
27. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости электротехники. 2005. № 1(31). С. 23—28.
28. Петухов В.С. Спектральный анализ модулей векторов Парка тока и напряжения // Новости электротехники. 2008. № 2(50). С. 43—49.
29. Степанов В.М., Свистунов Н.А. Диагностика и управление режимами работы электромеханических и электротехнических систем автономных источников электроэнергии для собственных нужд газораспределительных объектов // Известия Тульского гос. ун-та. Серия «Технические науки». 2018. № 12. С. 96—99.
30. Shprekher D.M., Kolesnikov E.B. The Remote Method of Diagnosing the Technical Condition of Complex Electromechanical Systems // 2018 Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. 2018. Pp. 1—3.
31. Ming Yu , Mengxin Li. Fault Detection and Isolation in a Nonlinear Electromechanical System // Intern. Conf. Sensing, Diagnostics, Prognostics, and Control. 2017. Pp. 1—3.
32. Veresnikov G.S., Skryabin A.V. The Electromechanical Actuator Technical Condition Monitoring System Based on Data Mining Methods // Proc. XI Intern. Conf. Management of Large-scale System Development. 2018. Pp. 1—4.
33. Jinyeong Moon, Leeb S.B. Wire Less Sensors for Electromechanical Systems Diagnostics // IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 2018. V. 67. Iss. 9. Pp. 1—12.
34. Kurilin S.P., Denisov V.N. The Development of Topological Diagnostic Methods of Asynchronous Electric Machines // Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2018. Iss. 6. Pp. 214—221.
35. Kurilin S.P., Denisov V.N., Dli M.I., Bobkov V.I. Vector Space as an Area of the Operation Risks Characteristics for Asynchronous Electric Machines // Mechanical Sci. and Technol. Update. 2019. V. 1260. P. 052017.
36. Kurilin S.P., Denisov V.N., Dli M.I., Bobkov V.I. A Method for the Operational Diagnostics of Induction Motors. // Proc. XIII Intern. Conf. Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures. 2019. V. 2176. No. 1. P. 04008.
---
Для цитирования: Курилин С.П., Денисов В.Н. Метод исследования неоднородных состояний асинхронных электродвигателей // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 41—50. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-41-50.
---
Работа выполнена при поддержке: РФФИ (проект № 20-01-00283)
#
1. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie Mashiny. T. 1. M.: Izdat. Dom MEI, 2006. (in Russian).
2. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie Mashiny. T. 2. M.: Izdat. Dom MEI, 2006. (in Russian).
3. Kurilin S.P., Denisov V.N. Topologicheskie Aspekty Teorii Asinkhronnykh Elektricheskikh Mashin. Smolensk: Universum, 2019. (in Russian).
4. Kurilin S.P., Denisov V.N. Matematicheskaya Model' Neyavnopolyusnoy Elektricheskoy Mashiny v Matrichnoy Forme. Elektrichestvo. 2014;4:43—49. (in Russian).
5. Vol'dek A.I. Elektricheskie Mashiny. M.: Al'yans, 2017. (in Russian).
6. Kurilin S.P, Denisov V.N, Bobkov V. Risk Assessment for Rotors Operational Integrity Loss of Asynchronous Electrical Machines in Heat Power Engineering Systems.. Proc. Intern. Russian Automation Conf. 2019:1—5.
7. Kurilin S.P, Denisov V.N, Fedulov A.S., Dli M.I. Scientific Basis of Methods for Topological Diagnostics of Asynchronous Electric Machines. Proc. AIP Conf. 2018; 2053(1):030031.
8. Kurilin S.P, Denisov V.N., Dli M.I. Mathematical and Visual Models of Asynchronous Electric Machines Energy Fields. Proc. III Intern. Sci. and Techn. Conf. Energy Systems. 2019; 552;1:012015.
9. Borisov V.V., Kurilin S.P., Chernovalova M.V. Topologicheskiy Podkhod k Issledovaniyu Neodnorodnykh Elektromekhanicheskikh Sistem. Matematicheskie Metody v Tekhnike i Tekhnologiyakh: Cb. Trudov Mezhdunar. Nauch. Konf. SPb. Izd-vo Politekhn. Un-ta, 2020;7:93—96. (in Russian).
10. Kopylov I.P. Elektricheskie Mashiny. M.: Vysshaya Shkola, 2004. (in Russian).
11. Bespalov V.Ya., Kotelenets N.F. Elektricheskie Mashiny. M.: Akademiya, 2006. (in Russian).
12. Nos O.V. Matematicheskaya Model' Asinkhronnogo Dvigatelya v Lineynykh Prostranstvakh, Svyazannykh so Statorom i Rotorom. Izvestiya Vuzov. Seriya «Elektromekhanika». 2008;2:14—20. (in Russian).
13. Katsman M.M. Spravochnik po Elektricheskim Mashinam. M.: Akademiya, 2005. (in Russian).
14. Elektrotekhnicheskiy Spravochnik. T. 4. Ispol'zovanie Elektricheskoy Energii. Pod Obshch. Red. V.G. Gerasimova i dr. M.: Izd-vo MEI, 2004. (in Russian).
15. Kopylov I.P. i dr. Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Al'yans, 2016. (in Russian).
16. Gol'dberg O.D., Makarov L.N., Khelemskaya S.P. Inzhenernoe Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Izdat. Dom «Basted», 2016. (in Russian).
17. Gantmakher F.R. Teoriya Matrits. M.: Fizmatlit, 2010. (in Russian).
18. Smolin V.I., Topolskaya I.G., Volovich G.I. The Energy Method for Monitoring the Instantaneous State and the Formation of a Synchronous Motor Control Variables. Proc. II Intern. Conf. Industrial Eng., Appl. and Manufacturing. 2016:1—4.
19. Farhani F., Zaafouri A., Chaari A. Real Time Induction Motor Efficiency Optimization. J. Franklin Institute. 2017;354(8):3289—3304.
20. Aksenov Y., Yaroshenko I., Noe G., Andreev A. On-line Diagnostics Technology and Repair Results for Midium Voltage Motors. IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2009:1—7.
21. Aksenov Y., Arces I., Noe G. On-line PD Diagnostic on Medium Voltage Motors and Cable Lines: Useful Tool for the Maintenance Manager. Proc. Intern. Symp. Electrical Insulation. 2004:151—153.
22. Joksimovic G.M., Ðurovic J.P. The Detection of Inter-turn Short Circuits in the Stator Windings of Operating Motors. IEEE Trans. Industrial Electronics. 2000;47(5):1078—1084.
23. Bellini A., Filippeti F., Tassoni C., Kliman G.B. Quantitative Evaluation of Induction Motor Broken Bars by Means of Electrical Signature Analysis. IEEE Trans. Industry Appl. 2001;37:1248—1255.
24. Filho P.S.M.L., Pederiva R., Brito J.N. Detection of Stator Winding Faults in Induction Machines Using Flux and Vibration Analysis. IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2007:432—437.
25. Aksenov Y., Yaroshenko I., Noe G., Andreev A. Diagnostic Technology for Transformers: Methods Synergy and Double-Coordinate Location. IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2009:1—7.
26. De la Barrera P.M. e. a. Experimental Generation and Quantification of Stator Core Faults on Induction Motors. Ibid:8—14.
27. Petukhov V.S., Sokolov V.A. Diagnostika Sostoyaniya Elektrodvigateley. Metod Spektral'nogo Analiza Potreblyaemogo Toka. Novosti Elektrotekhniki. 2005;1(31):23—28. (in Russian).
28. Petukhov V.S. Spektral'nyy Analiz Moduley Vektorov Parka Toka i Napryazheniya. Novosti Elektrotekhniki. 2008;2(50):43—49. (in Russian).
29. Stepanov V.M., Svistunov N.A. Diagnostika i Upravlenie Rezhimami Raboty Elektromekhanicheskikh i Elektrotekhnicheskikh Sistem Avtonomnykh Istochnikov Elektroenergii dlya Sobstvennykh Nuzhd Gazoraspredelitel'nykh Ob′ektov. Izvestiya Tul'skogo Gos. Un-ta. Seriya «Tekhnicheskie Nauki». 2018;12:96—99. (in Russian).
30. Shprekher D.M., Kolesnikov E.B. The Remote Method of Diagnosing the Technical Condition of Complex Electromechanical Systems. 2018 Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. 2018:1—3.
31. Ming Yu , Mengxin Li. Fault Detection and Isolation in a Nonlinear Electromechanical System. Intern. Conf. Sensing, Diagnostics, Prognostics, and Control. 2017:1—3.
32. Veresnikov G.S., Skryabin A.V. The Electromechanical Actuator Technical Condition Monitoring System Based on Data Mining Methods. Proc. XI Intern. Conf. Management of Large-scale System Development. 2018:1—4.
33. Jinyeong Moon, Leeb S.B. Wire Less Sensors for Electromechanical Systems Diagnostics. IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 2018;67;9:1—12.
34. Kurilin S.P., Denisov V.N. The Development of Topological Diagnostic Methods of Asynchronous Electric Machines. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures. 2018;6:214—221.
35. Kurilin S.P., Denisov V.N., Dli M.I., Bobkov V.I. Vector Space as an Area of the Operation Risks Characteristics for Asynchronous Electric Machines. Mechanical Sci. and Technol. Update. 2019;1260:052017.
36. Kurilin S.P., Denisov V.N., Dli M.I., Bobkov V.I. A Method for the Operational Diagnostics of Induction Motors.. Proc. XIII Intern. Conf. Mechanics, Resource and Diagnostics of Materials and Structures. 2019;2176;1:04008.
---
For citation: Kurilin S.P., Denisov V.N. A Method for Studying Inhomogeneous States of Induction Motors. Bulletin of MPEI. 2021;3:41—50. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-41-50.
---
The work is executed at support: RFBR (Project No. 20-01-00283)
Опубликован
2020-10-06
Раздел
Электромеханика и электрические аппараты (05.09.01)