Induction Motors Technical Condition In-Service Testing Methods
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2022-6-11-20Keywords:
induction motor, phase coordinates, working area, vector space testing methodsAbstract
The article describes methods for in-service diagnostics of the technical condition of induction motors, which are the most widely used type of electromechanical systems. By now, a large number of various studies on this matter have been published. It is stated that the accomplished studies implement an "external" approach to solving the problem, which consists in deriving a diagnostic conclusion based on an analysis of changes in the electric motor external characteristics in one of its operation modes. In addition, these studies are based on two-dimensional models of the classical theory of electrical machines, which does not allow them to adequately reflect situations of multidimensional distribution of electromagnetic quantities in a vector space. These circumstances generated the need to develop more advanced diagnostic methods, called topological ones. Topological diagnostics methods are theoretically substantiated based on the ideas about the IM multidimensional vector space. It is shown that the parametric properties of the vector space and first of all of its working area, have a key influence on the electromechanical energy conversion efficiency. Two methods for testing different areas of the vector space are outlined. In the first case, the space working area is tested for parametric uniformity and operational stability. The results of three experiments provide unbiased and sufficient information about the degree of its homogeneity, about the changes that have occurred during the operation, and about their rates. The testing makes it possible to draw well-grounded conclusions about the electric motor active part technical condition and the degree of its criticality. In the second case, the vector space phase coordinates are tested for parametric uniformity and operational stability. The results presented testify that the proposed testing scheme is sensitive to phase parameter deviations. This is facilitated by the differential principle of its construction. The signal in a short-circuited phase, which appears in the case of a parametric phase imbalance, serves as its clear indicator. The presented mathematical modeling data confirm the efficiency of the proposed testing methods.
References
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)

