Діагностика в електромеханічних І енергетичних системах

• Діагностика в електромеханічних І енергетичних системах, 102.58kb.
• 1. Назва модуля, 33.94kb.
• Аудиторні години 48 лекції 32, лабор роб, 44.36kb.
• Закону України "Про ефективне використання паливно- енергетичних ресурсів", 53.38kb.
• Тематичний план практичних занять для студентів VI курсу медичних факультетів, 17.02kb.
• Закону України " Про ефективне використання паливно-енергетичних ресурсів", 269.93kb.
• Діагностика вихованості, 311.38kb.
• Порядок нормування питомих витрат паливно-енергетичних ресурсів, 436.23kb.
• Програма з енергозбереження та раціонального використання паливно-енергетичних ресурсів, 612.32kb.
• Закон УкраЇни Про ефективне використання паливно-енергетичних ресурсів, 245.12kb.

Вступ. На даний момент парк електромеханічного обладнання країни переважно складається з об’єктів, що були введені в експлуатацію кілька десятиліть тому, і їхній поточний технічний стан та залишковий ресурс роботи викликають велику зацікавленість, оскільки масове оновлення обладнання пов’язане з великими матеріальними витратами. За радянських часів, тобто 15-20 років тому, визначення технічного стану електромеханічного обладнання здійснювалось за допомогою системи планово-попереджувальних робіт (ППР), які полягали в огляді та тестуванні досліджуваних об’єктів через певні проміжки часу, що було пов’язано з виводом їх з експлуатації і не гарантувало безвідмовної роботи в міжремонтні проміжки часу.

Останнім часом інтенсивно ведуться роботи зі створення різноманітних систем моніторингу стану електромеханічного обладнання, метою яких є виведення досліджуваного об’єкту в ремонт за його поточним технічним станом. Одним з найважливіших елементів парку електромеханічного обладнання підприємств є електричні машини (ЕМ). Відомо [1-4], що більшість відмов ЕМ пов’язано з різними видами пошкодження ізоляції її обмоток. Тому актуальним є питання визначення поточного технічного стану ізоляції електричної машини.

Мета роботи. Метою роботи є дослідження та класифікація існуючих підходів до визначення стану ізоляції електричних машин.

Матеріал і результати досліджень. З поширенням використання ЕМ, виникло питання контролю надійності їх роботи взагалі, та певних вузлів зокрема. Система ППР передбачала проведення періодичних випробовувань надійності роботи ізоляції, найпоширенішими з яких були випробування підвищеною напругою промислової частоти, випробування ізоляції випрямленою напругою, вимірювання опору ізоляції мегомметром. Усі ці методи вимагали виводу машини з виробничого процесу. Випробування проводилися при нормованих значеннях тестових збуджень. Справною вважалась ізоляція, при випробуваннях якої не відбулося пробою. Таким чином видно, що даний метод контролю стану ізоляції не мав належного ефекту, оскільки, по-перше, потребував виводу машини з виробничого процесу (що несло додаткові фінансові збитки); по-друге, методика випробувань загалом мала руйнуючий характер (дефектні ділянки виявлялись шляхом пробою ізоляції); по-третє, такі випробування не гарантували безвідмовної роботи ізоляції в міжремонтні проміжки часу.

Таким чином, наступним кроком в питанні контролю стану ізоляції ЕМ стала розробка неруйнуючих методів.

Одним з них є метод часткових розрядів (ЧР). Частковий розряд – це іскровий розряд дуже малої потужності, що виникає всередині ізоляції або на її поверхні в обладнанні середньої та високої напруги [5]. З плином часу періодично повторювані ЧР руйнують ізоляцію, призводячи, зрештою, до її пробою. Зазвичай, руйнування ізоляції під дією ЧР відбувається протягом багатьох місяців, і навіть років. Таким чином, реєстрація ЧР, оцінка їх потужності й повторюваності, а також локалізація місця їх виникнення, дозволяють своєчасно виявити пошкодження, що розвиваються, й вжити необхідних заходів щодо їх усунення.

Для фіксації наявності та величини ЧР розроблені прилади [4,5]. Недоліком існуючих методик і приладів для фіксації ЧР є те, що вони розроблені для тестування машини, виведеної з виробничого процесу. Деякі з них також потребують часткового розбирання машини, або встановлення великої кількості датчиків. До того ж, не завжди можна виокремити сигнал ЧР від завад. Даний метод найчастіше використовується при випробовуваннях ЕМ великої потужності. Таким чином, на даний момент не створено ефективної методики та приладів для контролю стану ізоляції ЕМ за аналізом величини та інтенсивності ЧР в ній.

Поряд з методиками тестування ізоляції розроблялись математичні моделі її надійності (методи прогнозу ймовірності безвідмовної роботи)[1,6]. Вони базувались на аналізі статистичних даних показників роботи певних груп двигунів, на основі яких розраховувались певні емпіричні коефіцієнти, та розраховувалась ймовірність безвідмовної роботи для певного типу машин.

Такі методики не враховували поточних експлуатаційних параметрів окремо взятої машини, потребували досить великого обсягу статистичної інформації для кожного типу машин, а також масштабних дослідів, тому їх ефективність також не є достатньо великою, а достовірність прогнозу для конкретної машини не є досить точною.

У якості інформативного параметру можна використовувати величину тангенса кута діелектричних втрат (). На підприємствах японської залізниці у 1998 році були проведені масштабні досліди з метою виявлення інформативності параметру при оцінюванні стану ізоляції тягових електродвигунів [7]. Проводилося вимірювання опору ізоляції, , й отримані дані порівнювалися з фактичними значеннями температури й вологості. Дослідження показали, що даний параметр може використовуватися при оцінці стану ізоляції, він є ефективним при виявленні деяких дефектів. Але даний метод базується на аналізі статистичних даних, що є недоліком, оскільки в такому випадку неможливо прогнозувати стан окремо взятого двигуна. До того ж досі не отримано точної формули для визначення допустимої величини контрольованого параметру, а є тільки приблизні формули для деяких типів електродвигунів.

Більш дієвими є методи оцінки поточного технічного стану ізоляції при проведенні моніторингу – спеціально організованого спостереження за об’єктом, явищем, процесом з метою його оцінки, контролю або прогнозу.

Як відомо, однією з основних величин, що характеризують ізоляцію, є її електричний опір. Відомі спроби здійснення контролю стану ізоляції за динамікою його зміни під час роботи обладнання. В якості характеристики активного опору ізоляції під час її роботи у сталому режимі часто обирають величину струмів витікання, яку безпосередньо пов’язують з величиною електричного опору ізоляції.

В роботі [8] пропонується у якості критерію оцінки технічного стану ізоляції використовувати величину активного опору систем електропостачання (СЕП) відносно землі. Такий спосіб оцінки працездатності системи пропонується використовувати для визначення моменту переходу в режим локалізації та перевірки технічного стану СЕП за локальними критеріями. Перевірка технічного стану підсистем може здійснюватися як функціональними, тестовими, так і комбінованими методами контролю, в більшості випадків переносною апаратурою.

В роботі були проведені дослідження, під час яких протягом року здійснювався неперервний контроль активного опору ізоляції дев’яти ліній, що живлять промислових та сільськогосподарських споживачів. Із зафіксованих випадків замикання на землю, майже в 40% замиканню передувала повільна зміна опору ізоляції, що давало змогу за декілька годин прогнозувати однофазне замикання на землю. В інших випадках замикання носило раптовий характер і після спрацювання релейного захисту на вимикання та дії автоматичного повторного вмикання опір ізоляції відновлювався, але продовжував знижуватися протягом деякого часу (від кількох годин до доби) і виникало стійке замикання.

Виконувались також виміри активного опору в місці пошкодження після вимикання лінії. Експериментальні дані підтверджують поступовість розвитку пошкоджень і можливість своєчасного виявлення дефектів і їх усунення шляхом профілактичних дій.

Для контролю струмів витікання в роботах [9-13] запропоновані пристрої. Їх функціонування полягає у відключенні споживача від електромережі в разі перевищення струмів витікання певного граничного значення.

Таким чином, можна зробити висновок, що запропоновані методики важко застосовувати для контролю стану ізоляції ЕМ, оскільки струми витікання, як окремо взятий показник, не є досить надійною характеристикою стану ізоляції. До того ж дані методи пов’язані з технологічними складностями вимірювання струмів витікання на землю. Проте, методики аналізу величини струмів витікання можуть застосовуватися як допоміжні для виявлення зволоженості ізоляції, її забруднення або фізичних пошкоджень [7].

В роботі [14] запропоновано спосіб контролю ізоляції обмоток низьковольтних двигунів. Даний спосіб, що включає нагрівання обмоток, вимірювання опору ізоляції й порівняння його з двома граничними значеннями, відрізняється тим, що, з метою підвищення контролю за рахунок забезпечення розрізняння дефектів ізоляції, вимірювання опору ізоляції здійснюється циклічно після зупинки двигуна, вимірюється поверхнева провідність ізоляції, порівнюється її значення з заданим. За зменшенням опору ізоляції нижче другого граничного значення роблять висновок про наявність незворотних дефектів ізоляції, а за перевищенням поверхневої провідності заданого значення при опорі ізоляції вищому першого граничного значення роблять висновок про наявність забруднення поверхні ізоляції провідним пилом, при цьому нагрівання обмоток здійснюють при значенні опору ізоляції меншому за перше і більшому за друге граничне значення й за наявності поверхневої провідності ізоляції вищої заданої. Причому в процесі нагрівання визначають швидкість зміни поверхневої провідності й порівнюють її значення з заданим, за перевищенням якого роблять висновок про наявність зволоження ізоляції. А за значенням швидкості зміни поверхневої провідності ізоляції меншої за задану, роблять висновок про наявність забруднення ізоляції непровідним пилом.

Такий спосіб контролю потребує знання двох граничних значень опору ізоляції, які беруться із статистичних даних певної групи двигунів. Його основним недоліком є те, що за його допомогою можна виявити лише існуючі дефекти ізоляції, тож, він не може застосовуватися для прогнозування її стану і виникнення дефектів.

В роботі [15] було запропоновано здійснювати безперервний контроль стану ізоляції працюючих ЕМ без виводу їх з експлуатації за допомогою комбінації методу ЧР та акустичного методу. Встановлено, що в результаті проходження імпульсу струму через канал, де відбувається ЧР, в каналі виділяється велика кількість енергії (порядку 0,1-1,0 Дж на кожний сантиметр довжини каналу). З виділенням енергії пов’язане стрибкоподібне збільшення тиску в оточуючому газі – виникнення циліндричної ударної хвилі. Відбувається швидке розширення каналу ЧР, зі швидкістю порядку теплової швидкості атомів газу. По мірі просування ударної хвилі фронт відходить від меж каналу, все більше згладжуючись, і на певній відстані від джерела ударна хвиля перетворюється в акустичну (звукову) хвилю невеликої амплітуди. Виникнення ударних хвиль пояснює звукові ефекти, що супроводжують іскровий розряд: характерне потріскування в слабких розрядах. Найбільша енергія звукової хвилі припадає на інфразвукові частоти в діапазоні 0,25...2,0 Гц й серед них найчастіше на частоту 0,5 Гц. В звуковій ділянці акустичного спектру в діапазоні частот 125...250 Гц знаходиться вторинний максимум, який значно поступається за енергією інфразвуковому. Таким чином, паралельно з реєстрацією ЧР реєструються акустичні сигнали, які супроводжують ЧР в ізоляції електроустановок, і, встановлюючи їх збіг з електричними імпульсами реєстрації ЧР, можна з високим ступенем ймовірності оцінити якість ізоляції установки.

Окрім недоліків методу ЧР, пов’язаних з виокремленням корисного сигналу від завад, даний метод потребує ще встановлення додаткового акустичного обладнання. В такому разі виникає питання виокремлення звукових сигналів досліджуваного обладнання від сигналів сусідніх пристроїв та природних завад. Тож, цей метод потребує подальшого вивчення щодо можливості його застосування при контролі стану ізоляції.

Вважається [1-3], що основним фактором, що впливає на старіння ізоляції, є температура. Так, відомо пристрій обліку теплового зносу ізоляції силового трансформатора [16]. Алгоритм його роботи визначається виразом, який враховує поточну величину лише одного експлуатаційного параметру – теплового режиму, ігноруючи інші. Проте, такий підхід не може вважатися досить надійним, оскільки при нормальному температурному режимі, але перевищенні інших експлуатаційних параметрів, даний алгоритм працювати не буде.

В роботі [17] досліджується старіння ізоляції в залежності від нагріву та охолодження обмотки під час пуску, оскільки при пускових режимах відбувається найбільш інтенсивне зниження її ресурсу. Даний метод припускає, що пускові режими, в основному, визначають строк служби ізоляції, але не враховує процесів, що відбуваються при сталому робочому чи неробочому стані машини, що є недоліком. Отже, цей метод потребує доповнення для можливості повноцінного контролю стану ізоляції ЕМ.

Відомі методи виявлення дефектів міжвиткової ізоляції, що базуються на аналізі пофазної несиметрії струмів. В роботі [18] запропоновано спосіб перевірки справності обмоток короткозамкнених асинхронних двигунів (АД), який не потребує відключення обладнання. Для контролю справності обмоток короткозамкнених АД запропоновано використовувати функціональні залежності миттєвих значень фазних струмів статора або їх співвідношень. В роботі встановлено, що для повністю справних двигунів досліджувана залежність являє собою правильне коло. При виникненні дефекту відбувається спотворення кола. Так, виникнення дефекту короткозамкненого ротора (КЗР) призводить до утворення кільця, при виникненні дефекту обмотки статора залежність являє собою еліпс, а ступінь розвитку дефекту можна визначити за зміною діаметрів великої й меншої осей еліпсу, а від того, яка фаза пошкоджена, залежить напрямок нахилу залежності.

В роботі [21] запропоновано метод діагностики обмоток статора та ротора ЕД в робочому режимі на основі аналізу пофазної несиметрії струмів. Алгоритм оснований на тому, що виникнення дефекту ЕД супроводжується зміною одного з параметрів режиму понад допустимий, або відбувається незначна зміна кількох параметрів режиму, але їх взаємні зміни не відповідають зміні робочого режиму, тобто є несумісними.

Висновок про технічний стан ЕД робиться на основі аналізу сукупності зміни діагностичних параметрів і параметрів робочого режиму електродвигуна, а також порівнюються розрахункові і граничні значення діагностичних параметрів. Проведений аналіз діагностичних параметрів і параметрів робочого режиму дозволяє встановити причину їх зміни: виникнення пошкодження чи зміну режиму роботи електричного двигуна. При передремонтній оцінці використовуються діагностичні ознаки дефектів, а еталон будується за множиною однакових машин. В процесі експлуатації, на відміну від передремонтної діагностики, еталони будуються за першими трьома вимірами, а після наступних вимірювань автоматично адаптуються.

Дана група методів дозволяє виявляти певні види пошкоджень обмоток АД при організації спостереження за працюючою машиною. Тож, вони є хорошим для контролю стану ізоляції ЕМ, але не придатні для своєчасного виявлення несправностей, що зароджуються, з метою своєчасного попередження можливих пошкоджень. Також вони не надають змоги прогнозувати появу дефектів (відбувається лише фіксація вже існуючих), а також прогнозувати залишковий ресурс ізоляції.

У країнах Західної Європи та Північної Америки набув поширення метод визначення технічного стану електродвигунів за спектральним аналізом вживаного струму [22-27]. Фізичний принцип, покладений в основу цього методу, полягає в тому, що будь-які збудження в роботі електричної та/або механічної частини електродвигуна чи пов’язаного з ним пристрою призводять до змін магнітного потоку в зазорі електричної машини, і, відповідно, до слабкої модуляції вживаного електричним двигуном струму. Відповідно, наявність в спектрі струму характерних (й неспівпадаючих) частот певної величини свідчать про наявність пошкоджень електричної та/або механічної частини електродвигуна і пов’язаного з ним механічного пристрою. Окрім вищеописаного, рекомендується проведення моніторингу прикладеної до електродвигуна напруги, що дозволяє визначити його несиметрію, наявність вищих гармонійних складових й імпульсів перенапруг (що можливе при роботі з частотними регуляторами швидкості обертання), тобто тих факторів, які прямо впливають на строк служби й економічність роботи електродвигуна. Добре відомо, що перші два з вищезгаданих факторів призводять як до перегріву обмоток статора, так і до пошкодження підшипників через виникнення високочастотних обертаючих моментів зворотної послідовності. Виконання такої роботи дозволить провести повномасштабне діагностування й аналіз роботи парку електродвигунів і пов’язаних з ними механічних пристроїв. Недоліки методу – можливість лише фіксації наслідків, а не виявлення причин пошкоджень, неможливість прогнозування ресурсу.

Останнім часом набувають поширення спроби здійснення контролю ізоляції за допомогою імпульсних методів. В роботі [19] пропонується використання хвильових процесів для контролю й діагностики ізоляції розподілених обмоток ЕМ. Показано, що ініційовані швидкоплинні комутаційні процеси дозволяють створювати високі градієнти потенціалів вздовж обмотки на обмежених ділянках довжини. Міжвиткові напруги, що при цьому з’являються, пробивають послаблені місця ізоляції. Завдяки малій потужності цих перенапруг цей спосіб є неруйнуючим методом випробовувань, оскільки електричний пробій не переходить у дуговий розряд. Розглядаються моделі фізичних процесів розповсюдження хвилі перенапруг при використанні різних математичних підходів на прикладі випробувальних схем [20]. Зроблено висновок, що режим холостого ходу з розімкнутим кінцем, чи при включенні в кінці котушки індуктивності з великим хвильовим опором, можна використовувати для перевірки міжвиткової та міжкотушечної ізоляції, оскільки при ньому забезпечуються досить високі градієнти у обмотці. Хвиля градієнтів напруги проходить через всю обмотку з порівняно малим затуханням, що дозволяє створювати високі випробувальні потенціали не тільки перших котушок, але й у глибині обмотки. Важливою обставиною є можливість виводу для каналу інформації – напруга в кінці обмотки.

В роботі [28] запропоновано метод і прилад для контролю, моніторингу та прогнозування залишкового ресурсу ізоляції електродвигунів напругою до 0,4 кВ. Методика оцінки стану ізоляції базується на аналізі величини та форми комутаційних перенапруг, що і було покладено в основу розробки апаратури контролю і діагностики ізоляції.

Розроблена методика оцінки діагностичних параметрів і встановлений їхній зв’язок з об’єктивними показниками стану ізоляції обмоток дозволяє на основі аналізу перехідного процесу діагностувати дефекти, що зароджуються, і значною мірою визначати ступінь їхнього розвитку, а при організації систематичного контролю прогнозувати залишковий ресурс ізоляції електродвигунів.

Дані методи є одними з найбільш перспективних, мають істотні переваги над розглянутими вище (можливість організації постійного спостереження, виявлення дефектів, що зароджуються, можливість прогнозу залишкового ресурсу, неруйнуюча дія на ізоляцію). Але вони не враховують параметри навколишнього середовища, не враховують процесів, що відбуваються при пуску ЕМ (як відомо, більшість відмов ізоляції трапляється саме під час пуску), і створені для контролю ізоляції в усталеному режимі роботи ЕМ.

Таким чином, було розглянуто існуючі методи контролю ізоляції ЕМ. На основі проведеного аналізу зроблено їхню класифікацію (рис. 1).

двигун працює з нижчою ніж допустима температурою ізоляції, тому в інші періоди можливі перевантаження, з збереженістю загального строку служби.

Рисунок 1 – Класифікація методів контролю стану ізоляції

З рисунку видно, що усі методи поділяються на дві великі групи – контролю за одноразовими вимірами параметрів ізоляції, та контролю за багаторазовими. Очевидно, що друга група має більші перспективи для застосування та надання більш точної інформації про поточний стан ізоляції обмоток ЕМ. Серед методів багаторазових вимірів потрібно виокремити ті, що не здійснюють руйнуючого впливу на ізоляцію як найбільш прийнятні. Водночас при проведенні аналізу виявлено, що наразі не існує методу, який би здійснював контроль стану ізоляції з урахуванням усіх експлуатаційних факторів (існуючі методи враховують одні експлуатаційні параметри, нехтуючи іншими, через що певні методи дають бажаний результат лише за певних умов роботи ЕМ).

Таким чином, очевидно, що існує необхідність створення методу контролю стану ізоляції обмоток ЕД, який відповідав би наступним вимогам:

• врахування усіх експлуатаційних параметрів роботи ЕМ;
  
• врахування впливу параметрів навколишнього середовища;
  
• врахування передпускового стану ЕМ;
  
• врахування впливу процесу пуску на ізоляцію;
  
• врахування показників перетворення енергії під час роботи ЕМ;
  
• врахування сторонніх впливів під час роботи ЕМ;
  
• надання достовірної інформації про поточний стан ізоляції;
  
• надання прогнозу залишкового ресурсу роботи ізоляції.
  

З літератури [1-3] відомо, що основними факторами, які впливають на старіння ізоляції, є температура, термомеханічні та електродинамічні зусилля, електричне поле та фактори навколишнього середовища (відносна вологість та температура).

Відносна вологість повітря впливає на зволоження ізоляції під час простою ЕМ (особливо на машинах, що експлуатуються на відкритому повітрі), що призводить до зміни її опору. Таким чином, при прикладанні до ізоляції звичайної робочої напруги збільшиться ймовірність пробою. Щоб запобігти негативним наслідкам, необхідно контролювати зволоженість ізоляції перед пуском за допомогою вимірювання її опору або величини кута діелектричних втрат . При необхідності слід проводити сушку обмотки шляхом прикладання пониженої напруги.

Швидкість старіння ізоляції залежить від енергетичних процесів, які відбуваються в ЕМ. До цих процесів належать, передусім, теплові процеси – передачі енергії при нагріванні та охолодженні твердого тіла, які, переважно, відбуваються під час пуску-зупинки та зміни навантаження. При визначенні допустимості перевантаження за умовами нагрівання необхідно виходити не з допустимих температур, а з збереженості строку служби ізоляції, оскільки частину часу машина працює з меншими, ніж робочі, навантаженнями, за рахунок чого в інші моменти часу можливі перевантаження.

В основу розрахунку ресурсу працездатності ЕМ покладено аналіз процесів нагріву. При аналізі процесів нагріву-охолодження ЕМ першочерговий інтерес викликає значення температури ізоляції (елементу, що безпосередньо розташований на активній частині машини – провідниках окремих обмоток), оскільки великою мірою саме від температури ізоляції великою мірою залежить безвідмовність роботи машини. Через відносно невелику постійну нагріву ізоляції, процес її нагріву можна вважати аналогічним нагріву міді. Таким чином, при нагріванні машини з холодного стану, в першу чергу, гріється мідь та ізоляція (елементи, на які безпосередньо впливає діючий в обмотках струм, і які мають найменші постійні нагріву), а потім і вся конструкція. Нехтуючи зміною теплоємності, сталу нагріву міді обмотки можна вважати постійною. В той же час, в процесі нагрівання сталі змінюються умови тепловідведення, а, відповідно, і величина тепловіддачі міді та ізоляції. При зниженні навантаження температура ізоляції визначатиметься не реальними втратами, а процесами теплообміну всередині машини. Оскільки постійна нагріву усієї конструкції обмотки є значно більшою постійної нагріву міді, то, в процесі нагрівання і встановлення усталеного режиму роботи, мідь та ізоляція нагріються до вищої температури, ніж робоча температура обмотки, і з нагрівом сталі будуть поступово охолоджуватись до робочого значення температури обмотки. В ці періоди значення температури ізоляції можуть значно перевищувати робочі значення для даного класу ізоляції, тому її ресурс вичерпуватиметься значно інтенсивніше, ніж якби розрахунки виконувались для значення температури обмотки. Аналогічно процес нагріву відбуватиметься і при короткочасних перевантаженнях: мідь та ізоляція грітимуться швидко, хоча температура усієї обмотки підвищиться на менше значення. При охолодженні машини через процеси теплообміну, що в ній відбуваються, ізоляція та мідь охолоджуватимуться з постійною охолодження усієї конструкції ЕМ.

Таким чином, існуючі підходи визначення зниження ресурсу роботи ізоляції в залежності від температури обмотки не є вірними, оскільки вони не враховують реальну температуру ізоляції.

Строк служби ізоляції ЕМ при її постійній температурі описується рівнянням Вант-Гоффа–Арреніуса:

,

де – базовий строк служби при °С; b – коефіцієнт, що залежить від властивостей ізоляції, відповідає скороченню строку служби вдвічі на кожні 10 °С підвищення температури (для ізоляції класу В коефіцієнт ).

Зниження ресурсу ізоляції за час роботи при змінній в часі температурі :

. (1)

Найбільший інтерес для практичного застосування являє собою відносне зменшення ресурсу: .

Рівняння нагріву твердого тіла має вигляд [32]:

,

де – втрати потужності в тілі. – енергія електричних втрат, що виділилися за час ; – відведена від тіла за той же час теплова енергія; – теплова енергія, що йде на підвищення температури тіла (в усталеному режимі ).

Для обчислення температури міді, необхідно знати миттєві втрати потужності в даний момент часу:

миттєві втрати в міді дорівнюють:

,

відносні миттєві втрати в сталі:

,

де , – відношення поточного значення частот та напруг до номінального відповідно.

Середня температура охолоджуючого повітря всередині ЕМ в момент часу обчислюється за формулою [29]:

,

де:

,

– значення температури повітряного потоку на вході і на виході машини відповідно, – коефіцієнт, що враховує долю втрат в машині, які відводяться основним охолоджуючим потоком в залежності від системи охолодження, – сумарні гріючі втрати (в сталі та міді) в даний момент часу, – поточна витрата повітря через машину, – питома об’ємна теплоємність повітря при нормальних умовах. Слід зауважити, що при зміні режиму роботи машини (навантаження, швидкості і т.ін.) змінюються і умови її охолодження.

Таким чином, для точного обчислення поточного залишкового ресурсу ізоляції обмоток ЕМ, необхідно знати точне перевищення температури саме ізоляції (а не усієї обмотки) над допустимою.

Процес нагріву-охолодження міді (ізоляції) та усієї обмотки можна представити у вигляді блок-схеми [33] (рис.2).

За даним алгоритмом очевидно, що температура міді (ізоляції) і всієї обмотки в процесі нагрівання будуть різними через різні постійні нагріву речовин. В процесі моделювання отримані графіки зміни температур міді та обмотки при нагріванні під час запуску двигуна (рис.3). Моделювання проводилось для двигуна 4АХБ2П100L4 потужністю 4 кВт, робочою температурою обмотки 105, з певними допущеннями: характер процесу тепловідведення вважався усталеним, при нагріванні міді враховувались втрати лише в ній (як основні гріючі). Постійні нагріву міді, обмотки і постійна охолодження мають різні значення.


Рисунок 2 – Блок-схема процесу нагріву-охолодження обмоток ЕМ


З графіку видно, що при пуску, коли втрати в міді є великими, температура міді (відповідно, і ізоляції), збільшується дуже швидко. При досягненні номінального режиму роботи ЕМ, температура обмотки продовжує рости, а міді, досягнувши певного критичного значення і встановленні номінального режиму охолодження, починає падати з постійною охолодження машини. Через певний час встановлюється постійна температура міді і обмотки. Після відключення двигуна відбувається охолодження усієї системи ЕМ з однією постійною часу. На рис. 4 наведено графік зношення ресурсу в залежності від поточних умов. Видно, що під час нагрівання ізоляції до максимальної температури (яка перевищує робочу), ресурс зношуватиметься відносно швидко. За час пуску і досягнення встановленої температури (0-2000с) ізоляція зносилася на величину , а за час роботи при номінальних параметрах – на . За час охолодження після зупинки ресурс ізоляції знижується незначно.

Отже, для отримання точного зниження ресурсу роботи ізоляції в одиницю часу у формулі (1) замість поточної температури обмотки необхідно брати поточну температуру ізоляції, які в процесі нагріву будуть різними. До того ж, температура ізоляції при раптовому короткочасному збільшенні навантаження може значно перевищувати температуру усієї обмотки.

Отже, поточний залишковий ресурс роботи ЕМ в даний момент часу обчислюється як різниця між початковим ресурсом та його поточним зниженням :



Таким чином, урахувавши процеси та фактори пуску та робочого режиму ЕМ, можна визначити поточний залишковий ресурс роботи її ізоляції, що дозволить контролювати працездатність ЕМ в робочому режимі. Створення системи спостереження за спрацюванням ресурсу є необхідним з огляду на можливі матеріальні затрати, пов’язані з ремонтом в разі відмови.

Висновки. В роботі проведено огляд існуючих методів контролю стану ізоляції обмоток ЕМ та зроблено їх класифікацію. Показано, що наявні методи мають певні недоліки – врахування одних експлуатаційних параметрів та нехтування іншими, аналіз певних процесів при роботі ЕМ та зневажання іншими, складність діагностичного обладнання, необхідність виводу діагностованої машини з виробничого процесу і т. ін. Зроблено висновок про необхідність створення методу, що враховував би всі поточні параметри експлуатації ЕМ та процеси перетворення, що в ній відбуваються, і розглянуто приклад такого методу.

Рисунок 3 – Графіки зміни температури міді та обмотки Рисунок 4 – Поточне зниження ресурсу