Методы тестирования технического состояния асинхронных электродвигателей в процессе эксплуатации
Аннотация
Описаны методы эксплуатационной диагностики технического состояния наиболее массового вида электромеханических систем — асинхронных электродвигателей (АЭД). В настоящее время опубликовано большое количество разноплановых исследований по данной тематике. В настоящей статье констатируется, что выполненные работы реализуют внешний подход к решению задачи, заключающийся в выработке диагностического вывода на основании анализа изменений внешних характеристик электродвигателя в одном из эксплуатационных режимов. Кроме того, они базируются на двумерных моделях классической теории электрических машин, что не позволяет им адекватно отображать ситуации многомерного распределения электромагнитных величин в векторном пространстве. Данные причины обусловили необходимость разработки более совершенных методов диагностики, названных топологическими.
На базе представлений о многомерном векторном пространстве АЭД теоретически обоснованы методы топологической диагностики. Доказано, что параметрические свойства векторного пространства и, прежде всего, его рабочей области, оказывают ключевое влияние на эффективность электромеханического преобразования энергии. Приведены два метода тестирования различных областей векторного пространства. В первом случае на параметрическую однородность и эксплуатационную стабильность тестируется рабочая область пространства. Результаты трёх опытов дают объективную и достаточную информацию о степени её однородности, произошедших за время эксплуатации изменениях и их темпах. Тестирование позволяет сделать обоснованные выводы о техническом состоянии активной части электродвигателя и степени его критичности. Во втором случае на параметрическую однородность и эксплуатационную стабильность тестируются фазные оси векторного пространства. Приведенные результаты свидетельствуют о том, что предложенная схема тестирования чувствительна к отклонениям фазных параметров. Этому способствует дифференциальный принцип её построения. Сигнал в короткозамкнутой фазе, появляющийся при параметрическом дисбалансе фаз, является его наглядным индикатором. Приведенные данные математического моделирования подтверждают работоспособность предлагаемых методов тестирования.
Литература
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Вересников Г. С., Скрябин А.В. Система мониторинга технического состояния электромеханического привода на основе методов интеллектуального анализа данных // Управление крупномасштабным развитием системы: Материалы XI Междунар. конф. 2018. С. 1—4. DOI: 10.1109/MLSD.2018.8551829.
7. Тулупов В.Д., Слепцов М.А., Бриедис А.А. Повышение надёжности приводных асинхронных машин на электроподвижном составе // Вестник МЭИ. 2021. № 5. С. 92—102. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-92-102.
8. Аракелян Э.К., Щербатов И.А. Снижение влияния неопределенности исходной информации в интеллектуальных автоматизированных системах управления тепловыми процессами при обеспечении надежной эксплуатации энергетического оборудования // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 78—87. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-78-87.
9. 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.
10. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости электротехники. 2005. № 1(31). С. 23—28.
11. Петухов В.С. Спектральный анализ модулей векторов Парка тока и напряжения // Новости электротехники. 2008. № 2.
12. Shprekher D.M., Kolesnikov E.B. The Remote Method of Diagnosing the Technical Condition of Complex Electromechanical Systems // Proc. Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. Conf. 2018. Pp. 1—3.
13. 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.
14. Moon J., Leeb S.B. Wireless Sensors for Electromechanical Systems Diagnostics // IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 2018. V. 67. No. 9. Pp. 2235—2246. DOI: 10.1109/TIM.2018.2814098.
15. Палюх Б.В., Шпрехер Д.М., Богатиков В.Н. Диагностирование электромеханических систем на основе нейросетевых технологий // Программные продукты и системы. 2015. № 3(111). С. 5—11. DOI: 10.15827/0236- 235X.111.012-018.
16. Yu M., Lee M. Fault Detection and Isolation in a Non-linear Electromechanical System // Proc. Intern. Sensing, Diagnostics, Prediction and Control Conf. 2017. Pp. 264—268. DOI: 10.1109/SDPC.2017.58.
17. Sobczyk T.J., Wegiel T., Sulowicz M., Warzecha A., Weinreb K. A Distributed System for Diagnostics of Induction Motors // Proc. V IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2005. Pp. 1—5. DOI: 10.1109/DEMPED.2005.4662537.
18. Вересников Г.С., Скрябин А.В. Разработка математической модели электромеханического привода для идентификации неисправностей методами интеллектуального анализа данных. 2020? // Управление крупномасштабным развитием систем: Материалы XIII Междунар. конф. 2020. С. 1—5. DOI: 10.1109/MLSD49919.2020.9247781.
19. Dumont T. Systems Engineering Approach to Diagnostics of Electromechanical Systems // Proc. Annual Reliability and Maintainability Symp. 2015. Pp. 1—7. DOI: 10.1109/RAMS.2015.7105122.
20. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. М.: Издат. дом МЭИ, 2006.
21. Вольдек А.И. Электрические машины. М.: Альянс, 2017.
22. Копылов И.П. Электрические машины. М.: Высшая школа, 2004.
23. Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины. М.: Академия, 2006.
24. Электротехнический справочник. Т. 4. Использование электрической энергии / Под общ. ред. В.Г. Герасимова и др. М.: Изд-во МЭИ, 2004.
25. Курилин С.П., Денисов В.Н. Топологические аспекты теории асинхронных электрических машин. Смоленск: Универсум, 2019.
26. Копылов И.П. и др. Проектирование электрических машин. М.: Альянс, 2016.
27. Гольдберг О.Д., Макаров Л.Н., Хелемская С.П. Инженерное проектирование электрических машин. М.: Издат. дом «Бастед», 2016.
28. Нос О.В. Математическая модель асинхронного двигателя в линейных пространствах, связанных со статором и ротором // Известия вузов. Серия «Электромеханика». 2008. № 2. С. 14—20.
29. Курилин С.П., Денисов В.Н. Подход к исследованию неоднородных состояний асинхронных электродвигателей // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 41—50. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-41-50.
30. 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.
31. 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.
32. 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.
33. 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.
34. Kurilin S., Fedulov Ya., Sokolov A. Scientific Substantiation of Methods for Topological Diagnostics of Electrical Equipment // Proc. Intern. Conf. Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2021. Pp. 288—293. DOI: 10.1109/ICIEAM51226.2021.9446356.
35. Курилин С.П., Соколов А.М., Прокимнов Н.Н. Компьютерная программа для эксплуатационной диагностики электромеханических систем на основе топологического подхода // Прикладная информатика. 2021. Т. 16. № 4(94). С. 62—73. DOI: 10.37791/2687-0649-2021-16-4-62-73.
36. Курилин С.П., Соколов А.М., Прокимнов Н.Н. Компьютерная программа для моделирования показателей технического состояния электромеханических систем // Прикладная информатика. 2022. Т. 17. № 2. С. 105—119. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-2-105-119.
---
Для цитирования: Курилин С.П. Методы тестирования технического состояния асинхронных электродвигателей в процессе эксплуатации // Вестник МЭИ. 2022. № 6. С. 11—20. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-11-20
---
Работа выполнена при поддержке: РФФИ (научный проект № 20-01-00283)
#
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Stepanov V.M., Svistunov N.A. Diagnostika i Upravlenie Rezhimami Raboty Elektromekhanicheskikh i Elektrotekhnicheskikh Sistem Avtonomnykh Istochnikov Elektroenergii dlya Sobstvennykh Nuzhd Gazoraspredelitel'nykh Obektov. Izvestiya Tul'skogo Gos. Un-ta. Seriya «Tekhnicheskie Nauki». 2018;12:96—99. (in Russian).
6. Veresnikov G. S., Skryabin A.V. Sistema Monitoringa Tekhnicheskogo Sostoyaniya Elektromekhanicheskogo Privoda na Osnove Metodov Intellektual'nogo Analiza Dannykh. Upravlenie Krupnomasshtabnym Razvitiem Sistemy: Materialy XI Mezhdunar. Konf. 2018:1—4. DOI: 10.1109/MLSD.2018.8551829. (in Russian).
7. Tulupov V.D., Sleptsov M.A., Briedis A.A. Povyshenie Nadezhnosti Privodnykh Asinkhronnykh Mashin na Elektropodvizhnom Sostave Vestnik MEI. 2021;5:92—102. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-5-92-102. (in Russian).
8. Arakelyan E.K., Shcherbatov I.A. Snizhenie Vliyaniya Neopredelennosti Iskhodnoy Informatsii v Intellektual'nykh Avtomatizirovannykh Sistemakh Upravleniya Teplovymi Protsessami pri Obespechenii Nadezhnoy Ekspluatatsii Energeticheskogo Oborudovaniya. Vestnik MEI. 2021;3:78—87. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-78-87. (in Russian).
9. 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.
10. Petukhov V.S., Sokolov V.A. Diagnostika Sostoyaniya Elektrodvigateley. Metod Spektral'nogo Analiza Potreblyaemogo Toka. Novosti Elektrotekhniki. 2005;1(31):23—28. (in Russian).
11. Petukhov V.S. Spektral'nyy Analiz Moduley Vektorov Parka Toka i Napryazheniya. Novosti Elektrotekhniki. 2008;2. (in Russian).
12. Shprekher D.M., Kolesnikov E.B. The Remote Method of Diagnosing the Technical Condition of Complex Electromechanical Systems. Proc. Intern. Multi-conf. Industrial Eng. and Modern Technol. Conf. 2018:1—3.
13. 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.
14. Moon J., Leeb S.B. Wireless Sensors for Electromechanical Systems Diagnostics. IEEE Trans. Instrumentation and Measurement. 2018;67;9:2235—2246. DOI: 10.1109/TIM.2018.2814098.
15. Palyukh B.V., Shprekher D.M., Bogatikov V.N. Diagnostirovanie Elektromekhanicheskikh Sistem na Osnove Neyrosetevykh Tekhnologiy. Programmnye Produkty i Sistemy. 2015;3(111):5—11. DOI: 10.15827/0236- 235X.111.012-018. (in Russian).
16. Yu M., Lee M. Fault Detection and Isolation in a Non-linear Electromechanical System. Proc. Intern. Sensing, Diagnostics, Prediction and Control Conf. 2017:264—268. DOI: 10.1109/SDPC.2017.58.
17. Sobczyk T.J., Wegiel T., Sulowicz M., Warzecha A., Weinreb K. A Distributed System for Diagnostics of Induction Motors. Proc. V IEEE Intern. Symp. Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives. 2005:1—5. DOI: 10.1109/DEMPED.2005.4662537.
18. Veresnikov G.S., Skryabin A.V. Razrabotka Matematicheskoy Modeli Elektromekhanicheskogo Privoda Dlya Identifikatsii Neispravnostey Metodami Intellektual'nogo Analiza Dannykh. 2020? Upravlenie Krupnomasshtabnym Razvitiem Sistem: Materialy XIII Mezhdunar. Konf. 2020:1—5. DOI: 10.1109/MLSD49919.2020.9247781. (in Russian).
19. Dumont T. Systems Engineering Approach to Diagnostics of Electromechanical Systems. Proc. Annual Reliability and Maintainability Symp. 2015:1—7. DOI: 10.1109/RAMS.2015.7105122.
20. Ivanov-Smolenskiy A.V. Elektricheskie Mashiny. M.: Izdat. Dom MEI, 2006. (in Russian).
21. Vol'dek A.I. Elektricheskie Mashiny. M.: Al'yans, 2017. (in Russian).
22. Kopylov I.P. Elektricheskie Mashiny. M.: Vysshaya Shkola, 2004. (in Russian).
23. Bespalov V.Ya., Kotelenets N.F. Elektricheskie Mashiny. M.: Akademiya, 2006. (in Russian).
24. Elektrotekhnicheskiy Spravochnik. T. 4. Ispol'zovanie Elektricheskoy Energii. Pod Obshch. Red. V.G. Gerasimova i dr. M.: Izd-vo MEI, 2004. (in Russian).
25. Kurilin S.P., Denisov V.N. Topologicheskie Aspek-ty Teorii Asinkhronnykh Elektricheskikh Mashin. Smo-lensk: Universum, 2019.
26. Kopylov I.P. i dr. Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Al'yans, 2016. (in Russian).
27. Gol'dberg O.D., Makarov L.N., Khelemskaya S.P. Inzhenernoe Proektirovanie Elektricheskikh Mashin. M.: Izdat. Dom «Basted», 2016. (in Russian).
28. 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).
29. Kurilin S.P., Denisov V.N. Podkhod K Issledovaniyu Neodnorodnykh Sostoyaniy Asinkhronnykh Elektrodvigateley. Vestnik MEI. 2021;3:41—50. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-41-50. (in Russian).
30. 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.
31. 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).
32. 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.
33. 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.
34. Kurilin S., Fedulov Ya., Sokolov A. Scientific Substantiation of Methods for Topological Diagnostics of Electrical Equipment. Proc. Intern. Conf. Industrial Engineering, Applications and Manufacturing. 2021:288—293. DOI: 10.1109/ICIEAM51226.2021.9446356.
35. Kurilin S.P., Sokolov A.M., Prokimnov N.N. Komp'yuternaya Programma dlya Ekspluatatsionnoy Diagnostiki Elektromekhanicheskikh Sistem na Osnove Topologicheskogo Podkhoda. Prikladnaya Informatika. 2021;16;4(94):62—73. DOI: 10.37791/2687-0649-2021-16-4-62-73. (in Russian).
36. Kurilin S.P., Sokolov A.M., Prokimnov N.N. Komp'yuternaya Programma dlya Modelirovaniya Pokazateley Tekhnicheskogo Sostoyaniya Elektromekhanicheskikh Sistem. Prikladnaya Informatika. 2022;17;2:105—119. DOI: 10.37791/2687-0649-2022-17-2-105-119. (in Russian)
---
For citation: Kurilin S.P. Induction Motors Technical Condition In-Service Testing Methods. Bulletin of MPEI. 2022;6:11—20. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-6-11-20
---
The work is executed at support: RFBR (Scientific Project No. 20-01-00283)