07.01.2015 Views

Nieinwazyjne metody wczesnego wykrywania zwarć ... - Komel

Nieinwazyjne metody wczesnego wykrywania zwarć ... - Komel

Nieinwazyjne metody wczesnego wykrywania zwarć ... - Komel

SHOW MORE
SHOW LESS

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 151<br />

Marcin Wolkiewicz, Czesław T. Kowalski<br />

Politechnika Wrocławska<br />

NIEINWAZYJNE METODY WCZESNEGO WYKRYWANIA ZWARĆ<br />

ZWOJOWYCH W SILNIKU INDUKCYJNYM ZASILANYM<br />

Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI, CZ. II<br />

NON-INVASIVE EARLY DETECTION METHODS OF SHORTED TURNS IN<br />

CONVERTER-FED INDUCTION MOTOR, PART II<br />

Abstract: In this paper problem of the early induction motors stator faults (the short-circuits) detection and<br />

localization supplied from the frequency converter are presented. Tests were realized for different load torque<br />

and supply frequencies. For the monitoring stator winding condition method based on monitoring the spatial<br />

current vector is used. Attention was paid to changes that result in short-circuit a few winding turns in one<br />

phase of stator current spatial vector, such as maximum value, hodograph deformation, angular shift and spectral<br />

analysis of the stator current spatial vector module. To evaluate changes of current hodograph method<br />

based on principal components analysis PCA are used.<br />

1. Wstęp<br />

W praktyce przemysłowej silników indukcyjnych<br />

najczęściej wykorzystuje się drogie <strong>metody</strong><br />

monitorowania oparte o badanie stanu izolacji<br />

uzwojeń stojana. Są to <strong>metody</strong> diagnostyczne<br />

inwazyjne i nie nadają się do realizacji online.<br />

Tym samym trwają poszukiwania innych<br />

rozwiązań opartych o pomiar i cyfrowe przetwarzanie<br />

sygnałów diagnostycznych [1]. Pozwala<br />

to na monitorowanie stanu uzwojenia stojana<br />

na bieŜąco i natychmiastowe alarmowanie<br />

o zaistniałym uszkodzeniu. Zasilanie silników z<br />

przemienników częstotliwości wprowadziło<br />

dodatkowo szereg trudności związanych z poszukiwaniem<br />

i ekstrakcją symptomów uszkodzeń.<br />

W badaniach naukowych i praktyce eksploatacyjnej<br />

napędów z silnikami indukcyjnymi<br />

jako podstawowe sygnały diagnostyczne dominują<br />

prąd stojana oraz drgania mechaniczne.<br />

JednakŜe równieŜ w innych sygnałach dostępnych<br />

w maszynie elektrycznej zawartych jest<br />

duŜo cech pozwalających dokonywać oceny<br />

symptomów uszkodzeń. Interesującym podejściem<br />

wydaje się metoda polegająca na nieinwazyjnym<br />

pomiarze prądu fazowego stojana, a<br />

następnie jego przetwarzaniu do postaci wektora<br />

przestrzennego [2], [3] lub jego modułu [4].<br />

W artykule przedstawiono analizę moŜliwości<br />

wykorzystania sygnału wektora przestrzennego<br />

prądu fazowego stojana do <strong>wykrywania</strong> <strong>zwarć</strong><br />

zwojowych we wstępnej fazie ich powstawania,<br />

przy zasilaniu silnika z przekształtnika częstotliwości.<br />

Uwaga została zwrócona na zmiany<br />

jakie powoduje zwarcie kilku zwojów uzwojenia<br />

w jednej fazie na wektor przestrzenny prądu<br />

stojana, m.in. amplitudy prądów fazowych, odkształcenie<br />

hodografu, przesunięcie kątowe, w<br />

tym równieŜ analizę częstotliwościową modułu<br />

wektora przestrzennego prądu stojana. Do oceny<br />

zmian hodografu prądów wykorzystano metodę<br />

analizy składowych głównych PCA.<br />

2. Monitorowanie stanu uzwojeń przy<br />

wykorzystaniu wektora przestrzennego<br />

prądu stojana<br />

Badania laboratoryjne przeprowadzono na silniku<br />

indukcyjnym typu STg 80x-4c (1.1kW,<br />

liczba zwojów w jednej fazie stojana N s =312)<br />

zasilanego z przekształtnika częstotliwości w<br />

zakresie częstotliwości f s =10 ÷ 50Hz, pracującego<br />

w układzie sterowania skalarnego. Wartość<br />

prądu zwarciowego w zwojach zwartych<br />

nie była ograniczana dodatkową rezystancją.<br />

Przekształcenia prądu fazowego stojana do nieruchomego<br />

układu współrzędnych α-β zrealizowano<br />

na podstawie zaleŜności:<br />

2 1 1<br />

isα = isA<br />

− isB<br />

− isC<br />

(1)<br />

3 3 3<br />

1 1<br />

isβ = isB<br />

− isC<br />

(2)<br />

3 3<br />

s<br />

2 2<br />

sα isβ<br />

i = i +<br />

(3)<br />

gdzie:<br />

i sA , i sB , i sC - prądy stojana w fazie A, B, C,<br />

i sα , i sβ - składowe wektora prądu stojana w nieruchomym<br />

układzie współrzędnych α-β,<br />

|i s |- moduł wektora przestrzennego prądu stojana.<br />

Zmiany wartości chwilowych obliczonych prądów<br />

we współrzędnych prostokątnych α-β, po-


152<br />

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 87/2010<br />

dobnie jak w przypadków prądów fazowych w<br />

układzie współrzędnych ABC widoczne są dopiero<br />

przy zwarciu 10 zwojów.<br />

Na rys.1 widoczne są zmiany wartości maksymalnej<br />

prądów α–β w zaleŜności od liczby<br />

zwartych zwojów dla róŜnej wartości momentu<br />

obciąŜenia.<br />

a) I s [pu]<br />

1,20<br />

1,00<br />

0,80<br />

0,60<br />

0,40<br />

0,20<br />

mo=0 mo=0,4mn mo=mn<br />

0,00<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

b) I s [pu]<br />

liczba zwartych zwojów<br />

1,20<br />

mo=0 mo=0,4mn mo=mn<br />

1,00<br />

0,80<br />

0,60<br />

0,40<br />

0,20<br />

0,00<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

liczba zwartych zwojów<br />

Rys.1. ZaleŜność amplitudy prądów stojana w<br />

osiach α-β od liczby zwartych zwojów dla róŜnych<br />

wartości obciąŜenia silnika przy częstotliwości<br />

zasilania f s =50Hz<br />

Zwarcie 10 zwojów w jednej fazie powoduje<br />

wzrost amplitudy obu prądów i sα i i sβ , z tym, Ŝe<br />

wzrost amplitudy prądu w osi α jest większy<br />

(około 10%). Dodatkowo zmiany te są silnie<br />

zaleŜne od obciąŜenia silnika. Wraz ze wzrostem<br />

obciąŜenia wzrasta amplituda prądów i sα i<br />

i sβ , natomiast zmniejsza się wpływ asymetrii<br />

spowodowanej zwarciem.<br />

Podobnie jak w przypadku analizy prądów fazowych<br />

interesujące z punktu widzenia monitorowania<br />

<strong>zwarć</strong> zwojowych jest wyznaczanie<br />

przesunięcia kątowego pomiędzy prądami w<br />

osiach α-β [5], [6]. W przypadku silnika symetrycznego<br />

i nieuszkodzonego kąt pomiędzy<br />

prądami i sα i i sβ wynosi 90º. I w tym przypadku<br />

naleŜy takŜe zdefiniować wielkość określającą<br />

stopień uszkodzenia uzwojenia stojana silnika<br />

indukcyjnego:<br />

ε<br />

αβ<br />

i = o<br />

αβ<br />

i<br />

90 −φ<br />

(4)<br />

gdzie:<br />

i=0,1,2,3,4,5,8,10 – liczba zwojów zwartych,<br />

ε αβ - zmiana przesunięcia kątowego pomiędzy<br />

prądami we współrzędnych α-β,<br />

φ αβ - przesunięcie kątowe pomiędzy prądami we<br />

współrzędnych α-β.<br />

a) [°]<br />

3,0<br />

0,0<br />

-3,0<br />

-6,0<br />

-9,0<br />

-12,0<br />

-15,0<br />

mo=0 mo=0,4mn mo=mn<br />

-18,0<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

b) [°]<br />

liczba zwartych zwojów<br />

3,0<br />

fs=50Hz fs=30Hz fs=10Hz<br />

0,0<br />

-3,0<br />

-6,0<br />

-9,0<br />

-12,0<br />

-15,0<br />

-18,0<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

c) [°]<br />

liczba zwartych zwojów<br />

3,0<br />

fs=50Hz fs=30Hz fs=10Hz<br />

0,0<br />

-3,0<br />

-6,0<br />

-9,0<br />

-12,0<br />

-15,0<br />

-18,0<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

liczba zwartych zwojów<br />

Rys.2. ZaleŜność zmiany przesunięcia kątowego<br />

pomiędzy prądami stojana w osiach α-β od<br />

liczby zwartych zwojów dla: a) róŜnych wartości<br />

obciąŜenia silnika przy f s =50Hz, b),c) róŜnych<br />

wartościach częstotliwości zasilania silnika<br />

przy m o =0,m o =m n , odpowiednio<br />

Zmiany przesunięcia kątowego pomiędzy prądami<br />

w osiach α-β spowodowane asymetrią stojana<br />

przedstawiono na rys.2. Wraz ze zwiększaniem<br />

się stopnia uszkodzenia uzwojenia w<br />

fazie C zmniejsza się przesunięcie kątowe ε αβ<br />

nawet o 15º dla 10 zwartych zwojów. Zmiany te<br />

jednak silnie zaleŜą od momentu obciąŜenia silnika<br />

(rys.2a), wraz ze wzrostem obciąŜenia intensywność<br />

zmian maleje i przy m o =m n ,<br />

f s =50Hz wynosi tylko 6º dla 10 zwartych zwojów.<br />

Stopień zmian analizowanego przesunięcia<br />

maleje równieŜ wraz ze zmniejszanie się częstotliwości<br />

zasilania silnika (rys.2b i c) i przy<br />

f s =10Hz, m o =0 wynosi tylko 3º dla 10 zwartych<br />

zwojów.<br />

Diagnostyka oparta o metodę analizy widmowej<br />

modułu wektora przestrzennego prądu stojana<br />

EPVA (ang. Extended Park’s Vektor<br />

Approach) posiada te same cechy pozytywne co<br />

konwencjonalna metoda widmowa prądu stojana<br />

i jednocześnie eliminuje niektóre ograniczenia<br />

i niedogodności widoczne w klasycznym<br />

podejściu. W przypadku wystąpienia zwarcia w


Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 153<br />

uzwojeniach stojana, w sygnale |i s | pojawiają<br />

się dodatkowe harmoniczne. W szczególności<br />

jest to podwójna harmoniczna podstawowej<br />

częstotliwości napięcia zasilającego 2f s [4]. Na<br />

rys.3a przedstawiono widmo modułu wektora<br />

przestrzennego prądu stojana dla silnika nieuszkodzonego<br />

przy zasilaniu napięciem o częstotliwości<br />

50Hz. Widmo częstotliwościowe<br />

zawiera oprócz składowej podstawowej f dc ,<br />

składową sieciową f s , składową podwójną sieciową<br />

2f s oraz harmoniczną rotacyjną f r . Rys.3b<br />

dotyczy widma dla przypadku 10 zwojów zwartych<br />

w jednej fazie. Wynika z niego, Ŝe harmoniczna<br />

podwójna sieciowa zwiększa swoją amplitudę<br />

wraz ze wzrostem stopnia uszkodzenia.<br />

a)<br />

b)<br />

f dc<br />

f dc<br />

2f s<br />

2f s<br />

Rys.3. Widmo modułu wektora przestrzennego<br />

prądu stojana |i s | dla częstotliwości zasilania<br />

f s =50Hz oraz m o =0: a) silnik nieuszkodzony,<br />

b) 10 zwojów zwartych.<br />

Rys.4 przedstawia jak kształtuje się amplituda<br />

2f s modułu wektora przestrzennego prądu stojana<br />

w zaleŜności od liczby zwartych zwojów<br />

przy róŜnych wartościach momentu obciąŜenia<br />

(rys.4a) oraz częstotliwości napięcia zasilania<br />

(rys.4b i c). Wraz ze wzrostem stopnia uszkodzenia<br />

uzwojenia stojana w jednej fazie wzrasta<br />

amplituda analizowanej harmonicznej. Dla silnika<br />

nieobciąŜonego ze zwartymi 10 zwojami<br />

wzrost amplitudy harmonicznej 2f s jest na poziomie<br />

30dB przy f s =50Hz. Dodatkowo moment<br />

obciąŜenia nieznacznie wpływa na zmianę<br />

amplitudy 2f s , co z punktu monitorowania stanu<br />

uzwojenia silnika indukcyjnego ma istotne znaczenie.<br />

Zmniejszanie częstotliwości zasilania f s<br />

w zakresie od 50 ÷ 10Hz powoduje zmniejszenie<br />

intensywności wzrostu amplitudy 2f s .<br />

a) |i s |(2f s ) [dB]<br />

0,0<br />

-10,0<br />

-20,0<br />

-30,0<br />

-40,0<br />

-50,0<br />

-60,0<br />

mo=0 mo=0,4mn mo=mn<br />

-70,0<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

b) |i s |(2f s ) [dB]<br />

liczba zwartych zwojów<br />

0,0<br />

fs=50Hz fs=30Hz fs=10Hz<br />

-10,0<br />

-20,0<br />

-30,0<br />

-40,0<br />

-50,0<br />

-60,0<br />

-70,0<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

c) |i s |(2f s ) [dB]<br />

liczba zwartych zwojów<br />

0<br />

fs=50Hz fs=30Hz fs=10Hz<br />

-10<br />

-20<br />

-30<br />

-40<br />

-50<br />

-60<br />

-70<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

liczba zwartych zwojów<br />

Rys.4. ZaleŜność amplitudy harmonicznej 2fs<br />

modułu wektora przestrzennego prądu stojana<br />

od liczby zwartych zwojów: a) dla róŜnych wartości<br />

momentu obciąŜenia silnika przy<br />

f s =50Hz,b), c) dla róŜnych częstotliwości zasilania<br />

silnika przy m o =0, m o =m n , odpowiednio.<br />

Do weryfikacji eksperymentalnej wpływu<br />

uszkodzenia uzwojeń stojana w prądach stojana<br />

moŜna wykorzystać równieŜ zmiany hodografu<br />

prądów w nieruchomym układzie współrzędnych<br />

α-β opisanego za pomocą składowych<br />

wektora prądu stojana. Na rys.5 przedstawiono<br />

teoretyczne zmiany hodografu prądów stojana<br />

przy modelowaniu <strong>zwarć</strong> zwojowych w róŜnych<br />

fazach stojana. Przeprowadzone badania<br />

wykazały, Ŝe w symetrycznym silniku hodograf<br />

prądu stojana ma kształt okręgu [7]. W przypadku<br />

uszkodzenia uzwojenia silnika widoczna<br />

jest deformacja hodografu, który wraz ze<br />

zwiększaniem stopnia uszkodzenia zmienia się<br />

z okręgu w elipsę. Dodatkowo zwarcia zwojowe<br />

powodują zmianę orientacji osi głównych<br />

hodografu prądów, w zaleŜności od fazy silnika<br />

w jakiej wystąpiło zwarcie. Rys.6 przedstawia<br />

badania laboratoryjne, w których modelowane<br />

były zwarcia zwojowe w fazie C. Zwarcie kilku<br />

zwojów powoduje nieznaczne odkształcenie<br />

hodografu prądów, jednakŜe trudno zauwaŜyć<br />

róŜnice z silnikiem nieuszkodzonym. Zauwa-


154<br />

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 87/2010<br />

Ŝalne zniekształcenie widoczne jest dopiero<br />

przy zwarciu 10 zwojów w jednej fazie. Dodatkowo<br />

intensywność tych zmian silnie zaleŜy od<br />

obciąŜenia silnika.<br />

Rys.5. Modelowy hodograf prądu stojana w<br />

osiach α-β dla silnika: 0- nieuszkodzonego, 1- z<br />

uszkodzeniem uzwojenia w fazie A, 2- z uszkodzeniem<br />

uzwojenia w fazie B 3- z uszkodzeniem<br />

uzwojenia w fazie C<br />

a)<br />

0.5<br />

isβ [pu]<br />

0.4<br />

0.3<br />

0.2<br />

0.1<br />

0<br />

-0.1<br />

-0.2<br />

-0.3<br />

-0.4<br />

brak uszkodzenia<br />

1 zwarty zwój<br />

2 zwarte zwoje<br />

-0.5<br />

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 5 zwartych 0.4zwojów<br />

0.5<br />

isα [pu]<br />

10 zwartych zwojów<br />

b)<br />

1.2<br />

isβ [pu]<br />

1<br />

0.8<br />

0.6<br />

0.4<br />

0.2<br />

0<br />

-0.2<br />

-0.4<br />

-0.6<br />

-0.8<br />

-1<br />

brak uszkodzenia<br />

1 zwarty zwój<br />

-1.2<br />

2 zwarte zwoje<br />

-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 50.8 zwartych 1zwojów<br />

1.2<br />

isα [pu]<br />

10 zwartych zwojów<br />

Rys.6. Hodograf prądu stojana w osiach α-β<br />

przy modelowaniu zwarcia w fazie C dla silnika:<br />

a) nieobciąŜonego m o =0, b) obciąŜonego<br />

znamionowo m o =m n<br />

Do analizy zmian hodografu prądów stojana<br />

wywołanej zwarciami zwojowymi moŜna posłuŜyć<br />

się statystyczną metodą analizy danych<br />

zwaną analizą składowych głównych PCA (ang.<br />

Principal Component Analysis) [8]. Obliczenie<br />

składowych głównych oparte jest na wartościach<br />

własnych (ang. eigenvalue) i wektorach<br />

własnych (ang. eigenvector) tzw. macierzy kowariancji<br />

pierwotnego zbioru danych S, jaką<br />

tutaj tworzą prądy stojana w nieruchomym<br />

układzie współrzędnych α-β:<br />

( t0)<br />

( t )<br />

( t0<br />

+ dt)<br />

( t + dt)<br />

( t0<br />

+ ( n−1)<br />

dt)<br />

( ( ) ) ⎥ ⎤<br />

t0<br />

+ n−1<br />

dt<br />

⎦<br />

⎡is<br />

α isα<br />

L isα<br />

S = ⎢<br />

(5)<br />

⎣<br />

isβ<br />

0 isβ<br />

0 L isβ<br />

T<br />

S = ΓΛΓ<br />

(6)<br />

gdzie:<br />

⎡<br />

1<br />

γ1<br />

Γ = ⎢ 2<br />

⎢⎣<br />

γ2<br />

1<br />

γ ⎤<br />

2<br />

- macierz wektorów własnych,<br />

γ2⎥⎦<br />

⎡λ1<br />

0 ⎤<br />

Λ = ⎢ ⎥ - macierz wartości własnych.<br />

⎣0<br />

λ2<br />

⎦<br />

Utworzona macierz kowariancji S jest miarą<br />

stopnia liniowej zaleŜności pomiędzy prądami<br />

stojana w osiach α-β lub, gdy interpretować ją<br />

inaczej, miarą rozproszenia danych w przestrzeni<br />

R 2 (hodografie prądów). Wyznaczona na<br />

podstawie (6) macierz kowariancji S odpowiada<br />

iloczynowi macierz wektorów własnych Γ oraz<br />

diagonalnej macierzy wartości własnych Λ.<br />

Wyznaczone wektory własne macierzy Γ określają<br />

kierunki nowych osi głównych hodografu<br />

prądów, natomiast wartości własne określają<br />

zmienności prądów stojana w osiach α-β przedstawionych<br />

we współrzędnych składowych<br />

głównych.<br />

Jak zauwaŜono wcześniej, w przypadku silnika<br />

symetrycznego nieuszkodzonego hodograf prądów<br />

stojana w osiach α-β ma kształt okręgu<br />

(rys.5, krzywa 0). Wówczas wyznaczone nowe<br />

osie główne z dwóch wektorów własny macierzy<br />

kowariancji γ 1 , γ 2 pokrywają się z pierwotnymi<br />

osiami hodografu, a dwie wartości własne<br />

macierzy kowariancji pozostają niezmienne i są<br />

sobie równe λ 1 =λ 2 =const. W przypadku uszkodzenia<br />

uzwojenia stojana, spowodowanego<br />

zwarciami zwojowymi następuje odkształcenie<br />

hodografu prądów, który przyjmuje kształt elipsy<br />

(rys.5, krzywa 1,2,3). Wówczas poszukiwane<br />

wektory własne wyznaczają nowe osie główne<br />

hodografu prądów w kierunku postępujących<br />

zmian, a wyznaczone wartości główne nie są<br />

sobie równe λ 1 ≠λ 2 i wyznaczają intensywność


Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 87/2010 155<br />

tych zmian w nowych osiach układu współrzędnych<br />

[9]. Ustalenie zmian wartości głównych<br />

pozwala ocenić stopień uszkodzenia<br />

uzwojenia stojana, natomiast określenie nowych<br />

osi współrzędnych, na podstawie wyznaczonych<br />

wektorów głównych dostarcza informację<br />

o miejscu jego wystąpienia.<br />

W celu określenia zmienności wartości własnych<br />

λ 1 , λ 2 został wprowadzony indeks intensywności<br />

zmian:<br />

λ<br />

λ −λ<br />

1 2<br />

PCA =<br />

(7)<br />

λ1<br />

gdzie:<br />

λ PCA - indeks intensywności zmian dwóch wartości<br />

głównych λ 1, λ 2 .<br />

Rys.7 przedstawia zaleŜność zmian indeksu intensywności<br />

dwóch wartości głównych λ PCA od<br />

liczby zwartych zwojów. Dla silnika nieuszkodzonego<br />

wartość λ PCA jest bliska zeru. Wraz z<br />

zwiększanie stopnia uszkodzenia uzwojenia stojana<br />

zaproponowany indeks zwiększa swoją<br />

wartość. Jednak jego intensywność zmian wraz<br />

ze zwiększaniem obciąŜenia i zmniejszaniem<br />

częstotliwości zasilania silnika maleje.<br />

a) PCA [-]<br />

0,50<br />

0,40<br />

0,30<br />

0,20<br />

0,10<br />

mo=0 mo=0,4mn mo=mn<br />

0,00<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

b) PCA [-]<br />

liczba zwartych zwojów<br />

0,50<br />

fs=50Hz fs=30Hz fs=10Hz<br />

0,40<br />

0,30<br />

0,20<br />

0,10<br />

0,00<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

c) PCA [-]<br />

liczba zwartych zwojów<br />

0,50<br />

fs=50Hz fs=30Hz fs=10Hz<br />

0,40<br />

0,30<br />

0,20<br />

0,10<br />

0,00<br />

0 2 4 6 8 10 12<br />

liczba zwartych zwojów<br />

Rys.7. ZaleŜność indeksu λ PCA od liczby zwartych<br />

zwojów: a) dla róŜnych wartości momentu<br />

obciąŜenia silnika przy f s =50Hz,b), c) dla róŜnych<br />

częstotliwości zasilania silnika przy m o =0,<br />

m o =m n , odpowiednio<br />

a)<br />

zw0 zw1 zw2 zw5 zw10<br />

1,1<br />

0,9<br />

0,7<br />

0,5<br />

0,3<br />

0,1<br />

-1,1 -0,9 -0,7 -0,5 -0,3 -0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1<br />

b)<br />

-0,3<br />

-0,5<br />

-0,7<br />

-0,9<br />

-1,1<br />

zw0 zw1 zw2 zw5 zw10<br />

1,1<br />

0,9<br />

0,7<br />

0,5<br />

0,3<br />

0,1<br />

-1,1 -0,9 -0,7 -0,5 -0,3 -0,1 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1<br />

-0,3<br />

-0,5<br />

-0,7<br />

-0,9<br />

-1,1<br />

Rys.8. Zmiany połoŜenia wektorów własnych<br />

macierzy Γ dla róŜnego stopnia uszkodzenia<br />

stojana przy częstotliwości zasilania:<br />

a) f s =50Hz b) f s =10Hz.<br />

Na rys.8 pokazano zmiany wektorów własnych<br />

macierzy Γ dla róŜnego stopnia uszkodzenia<br />

stojana przy częstotliwości zasilania f s =50Hz<br />

(rys.8a) oraz f s =10Hz (rys.8b). Dwa wektory<br />

własne γ 1 , γ 2 , dla kaŜdego z przypadków uszkodzenia<br />

uzwojenia tworzą nowe osie głównych<br />

współrzędnych, które przesuwają się w stronę<br />

powstającej asymetrii silnika. Powstające zmiany<br />

osi współrzędnych zgodnie wskazują na<br />

zwarcie w fazie C silnika. Moment obciąŜenia<br />

ma niewielki wpływ na wyznaczanie nowych<br />

współrzędnych przy małej ilości zwartych zwojów,<br />

natomiast przy duŜym stopniu uszkodzenia<br />

wpływ jest większy, ale pozwala na lokalizację<br />

uszkodzenia. Przy braku uszkodzenia silnika<br />

widoczna jest niewielka wewnętrzna asymetria


156<br />

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 87/2010<br />

stojana niezaleŜna od modelowanych <strong>zwarć</strong><br />

zwojowych. W przypadku zasilania f s =50Hz<br />

przy zamodelowanym 1 zwartym zwoju, powstające<br />

uszkodzenie uzwojenia stojana przeciwdziała<br />

wewnętrznej asymetrii silnika powodując<br />

symetryzację maszyny oraz moŜliwą<br />

błędną interpretację uszkodzenia. Przy zwarciu<br />

większej ilości zwojów widoczna asymetria<br />

spowodowana jest juŜ modelowanym uszkodzeniem.<br />

Dodatkowo zmniejszanie częstotliwości<br />

zasilnia f s powoduje, Ŝe zakres wyznaczania<br />

zmian nowych współrzędnych jest mniejszy, a<br />

tym samym wpływ asymetrii wewnętrznej silnika<br />

jest większy, powodując symetryzację maszyny<br />

dopiero przy zwartych 3 zwojach.<br />

4. Wnioski końcowe<br />

Na podstawie powyŜszych rozwaŜań i przytoczonych<br />

przykładów uzyskanych wyników badań<br />

laboratoryjnych moŜna sformułować następujące<br />

uwagi i wnioski:<br />

– przesunięcia kątowe pomiędzy prądami w<br />

układzie współrzędnych α-β silnika indukcyjnego<br />

są dobrymi symptomami diagnostycznymi<br />

w wykrywaniu <strong>zwarć</strong> zwojowych, pozwalającymi<br />

na określenie zarówno stopnia uszkodzenia<br />

oraz jego lokalizację;<br />

– do oceny stopnia zwarcia zwojowego w stojanie<br />

moŜna wykorzystać z powodzeniem amplitudę<br />

harmonicznej 2f s modułu wektora przestrzennego<br />

prądu stojana |i s |;<br />

– analiza wartości głównych λ 1 , λ 2 przy wykorzystaniu<br />

<strong>metody</strong> PCA umoŜliwia ocenę stanu<br />

uzwojenia stojana, natomiast analiza wektorów<br />

głównych γ 1 , γ 2 pozwala na lokalizację uszkodzenia.<br />

Literatura<br />

[1] Siddique A., Yadava G.S., Singh B.: A Review of<br />

Stator Fault Monitoring Techniques of Induction<br />

Motors. IEEE Transactions On Energy Conversion,<br />

Vol.20, No.1, March 2005, pp. 106-114.<br />

[2] Cardoso A.J.M., Cruz S.M.A., Fonseca D.S.B.:<br />

Inter-Turn Stator Winding Fault Diagnosis in Threephase<br />

Induction Motors, by Park's Vector Approach.<br />

IEEE Transactions on Energy Conversion,<br />

Vol. 14, No. 3, September 1999, pp. 595-598<br />

[3] Kowalski Cz.T., Pawlak M.: Zastosowanie <strong>metody</strong><br />

analizy wektora przestrzennego prądu stojana<br />

do <strong>wykrywania</strong> uszkodzeń w silnikach indukcyjnych.<br />

Przegląd Elektrotechniczny, nr 7-8, 2004, str. 771-<br />

777<br />

[4] Kowalski Cz.T., Wolkiewicz M., Ewert P.: Analiza<br />

<strong>zwarć</strong> zwojowych stojana silnika indukcyjnego<br />

zasilanego z sieci i przemiennika częstotliwości.<br />

Przegląd Elektrotechniczny, R. 84 nr 12, 2008, str.<br />

64-67<br />

[5] Bouzid M.B.K., Champenois G., Bellaaj N.M.,<br />

Signac L., Jelassi K.: An Effective Neural Approach<br />

for the Automatic Location of Stator Interturn Faults<br />

in Induction Motor. IEEE Transactions On Industrial<br />

Electronics, Vol.55, No.12, December 2008, pp.<br />

4277–4289<br />

[6] Kowalski Cz.T., Wierzbicki R., Wolkiewicz M.:<br />

Analiza wpływu uszkodzenia uzwojenia stojana silnika<br />

indukcyjnego na kąt przesunięcia fazowego<br />

pomiędzy prądem i napięciem. Prace Naukowe Instytutu<br />

Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych<br />

Politechniki Wrocławskiej. Studia i Materiały.<br />

2009, nr 29, s. 252-265<br />

[7] El-Arabawy I.F., Masoud M.I., El-Kader Mokhtari<br />

A.: Stator Inter-turn Faults Detection and Localization<br />

Using Stator Currents and Concordia<br />

Patterns - Neural Network Applications. Compatibility<br />

in Power Electronics, 2007. CPE '07, pp. 1-7<br />

[8] Jolliffe I.T.: Principal Component Analysis. New<br />

York, Springer Series in Statistics, 1986<br />

[9] Martins J.F., Pires V.F., Pires A.J.:PCA-Based<br />

On-Line Diagnosis of Induction Motor Stator Fault<br />

Feed by PWM Inverter. IEEE ISIE 2006, Canada,<br />

pp. 2401-2405<br />

Praca naukowa finansowana ze środków na naukę<br />

w latach 2007-2010 jako projekt badawczy rozwojowy<br />

Nr R0101403<br />

Autorzy<br />

dr hab. inŜ. Czesław T. Kowalski, prof. P.Wr.<br />

E-mail: czeslaw.t.kowalski@pwr.wroc.pl<br />

mgr inŜ. Marcin Wolkiewicz<br />

E-mail: marcin.wolkiewicz@pwr.wroc.pl<br />

Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i<br />

Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19,<br />

50-372 Wrocław<br />

Recenzent<br />

Dr hab. inŜ. Sławomir Szymaniec, prof. P.O.

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!