Nieinwazyjne metody wczesnego wykrywania zwarć ... - Komel
Nieinwazyjne metody wczesnego wykrywania zwarć ... - Komel
Nieinwazyjne metody wczesnego wykrywania zwarć ... - Komel
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.