Обнаружение трехфазного синхронного двигателя

Обнаружение неисправностей трехфазного синхронного двигателя: Методика испытаний

Введение
Трехфазные синхронные двигатели (СД) являются надежными и эффективными приводами для ответственных механизмов, требующих стабильной скорости вращения. Однако, как и любое сложное электромеханическое устройство, они подвержены различным повреждениям. Своевременное обнаружение зарождающихся дефектов критически важно для предотвращения внезапных отказов, дорогостоящего простоя и потенциально опасных ситуаций. Данная статья описывает ключевые аспекты испытаний СД с целью диагностики его состояния.

1. Объекты испытаний
Объектом исследований и испытаний являются трехфазные синхронные двигатели различных типов и мощностей, включая:

• Явнополюсные СД: С выступающими полюсами на роторе, характерные для двигателей средней и низкой скорости (гидрогенераторы, двигатели для компрессоров, мельниц).
• Неявнополюсные СД: С ротором цилиндрической формы, обычно применяемые в высокоскоростных приводах (турбогенераторы, двигатели для центрифуг, насосов высокого давления).
• Двигатели с различными системами возбуждения:
  • С независимым возбуждением от внешнего источника постоянного тока.
  • С самовозбуждением (через выпрямители, установленные на валу).
  • С прямым возбуждением от полупроводниковых преобразователей (бесщеточные системы).
• СД с разными способами пуска:
  • Асинхронный пуск посредством пусковой (демпферной) обмотки ("беличья клетка" на роторе).
  • Частотный пуск (пуск "вразнос" с помощью преобразователя частоты).
  • Пуск с помощью вспомогательного двигателя.

2. Область испытаний (Диагностируемые параметры и дефекты)
Испытания направлены на оценку широкого спектра параметров и выявление следующих типичных дефектов:

• Электрические цепи:
  • Состояние обмотки статора: Межвитковые замыкания, замыкания на корпус, обрывы фаз, ухудшение межфазной или витковой изоляции.
  • Состояние обмотки возбуждения ротора (для двигателей с контактными кольцами или явнополюсных): Обрывы, межвитковые замыкания, замыкания на корпус ротора.
  • Состояние пусковой (демпферной) обмотки ротора: Обрывы стержней или колец, плохая пайка, межстержневые замыкания.
  • Состояние контактных колец и щеточного аппарата (если применимо): Износ, подгар, плохой контакт, вибрация.
• Магнитная цепь:
  • Дефекты стали статора или ротора: Местные перегревы (пробои изоляции листов), повреждения зубцов, ослабление крепления активной стали.
  • Неравномерность воздушного зазора: Износ подшипников, деформация вала или станины, загрязнение зазора.
• Механическая часть:
  • Состояние подшипников (качения или скольжения): Износ, дефекты колец или тел качения, недостаток/деградация смазки.
  • Соосность вала: Несоосность с приводимым механизмом.
  • Вибрации: Дисбаланс ротора, ослабление креплений, изгиб вала, электромагнитные причины вибрации.
  • Зазор в подшипниках скольжения.
• Система возбуждения (внешняя):
  • Работоспособность и параметры источника возбуждения (возбудителя, тиристорного преобразователя).
  • Состояние кабелей возбуждения.
• Общие характеристики:
  • Сопротивление изоляции обмоток.
  • Коэффициент абсорбции (PI) и индекс поляризации (PI) для оценки увлажненности изоляции.
  • Тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) изоляции статора (для высоковольтных СД).
  • Параметры переходных процессов при пуске и останове.
  • Тепловой режим (локальные и общие перегревы).

3. Методы испытаний
Для всесторонней диагностики применяется комплекс методов:

• Визуальный и акустический осмотр: Обнаружение явных повреждений корпуса, креплений, вентиляции; оценка состояния щеточного аппарата; выявление аномальных шумов (скрежет, стуки, гул).
• Измерение электрических величин:
  • Сопротивление обмоток постоянному току (DC): Выявление обрывов, плохих контактов, значительной асимметрии фаз статора или обмотки возбуждения.
  • Измерение сопротивления изоляции (Мегомметром): Оценка общего состояния изоляции обмоток статора, ротора и между ними относительно корпуса. Расчет PI/PI.
  • Испытание повышенным напряжением (Hi-Pot): Проверка электрической прочности изоляции обмоток статора (и ротора, если возможно) согласно нормам.
  • Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ) и емкости: Чувствительный метод оценки старения и увлажнения изоляции высоковольтных обмоток статора, особенно в мостовой схеме Шеринга.
  • Анализ характеристик тока и напряжения:
    • Анализ формы сигналов тока статора (MCSA - Motor Current Signature Analysis): Выявление дефектов ротора (демпферная обмотка, эксцентриситет), проблем с питающим напряжением, межвитковых замыканий статора.
    • Измерение тока возбуждения и напряжения ротора: Контроль параметров цепи возбуждения.
    • Регистрация токов и напряжений при пуске/останове: Оценка динамических характеристик.
• Анализ вибрации: Измерение виброскорости, виброускорения и виброперемещения на подшипниковых узлах в различных частотных диапазонах для выявления механических (дисбаланс, несоосность, дефекты подшипников) и электромагнитных (эксцентриситет, повреждения обмоток) проблем.
• Анализ температуры: Контроль температуры корпуса, подшипниковых щитов, обмоток (косвенно — через сопротивление, напрямую — с помощью датчиков или тепловизора) для выявления локальных и общих перегревов.
• Измерение воздушного зазора: Специальными датчиками для выявления статического и динамического эксцентриситета.
• Проверка соосности: Лазерными или индикаторными приборами для оценки правильности центровки с приводным механизмом.
• Испытания на холостом ходу и под нагрузкой: Оценка рабочих характеристик (КПД, cos φ, ток холостого хода, токи под нагрузкой, стабильность скорости), вибрации и нагрева в реальных условиях эксплуатации.

4. Испытательное оборудование
Для проведения перечисленных методов испытаний требуется следующее оборудование:

• Мультиметр/микроомметр: Точное измерение малых сопротивлений обмоток постоянному току.
• Мегомметр (испытатель изоляции): Для измерения сопротивления изоляции (обычно 500 В, 1000 В, 2500 В, 5000 В в зависимости от номинального напряжения СД).
• Установка испытания повышенным напряжением (Hi-Pot): Генератор высокого напряжения постоянного или переменного тока с контролем тока утечки.
• Мост Шеринга или специализированный прибор для измерения tg δ и емкости: Для диагностики изоляции высоковольтных обмоток.
• Анализатор качества электроэнергии/осциллограф с токовыми клещами: Регистрация и анализ формы тока и напряжения, гармонический анализ, запись переходных процессов.
• Система анализа вибрации: Виброметры/виброанализаторы с комплектом датчиков (акселерометров).
• Тепловизор: Бесконтактное выявление локальных перегревов корпуса, электрических соединений, подшипниковых узлов.
• Лазерный измеритель воздушного зазора: Специализированные датчики для точного измерения величины и неравномерности зазора между статором и ротором.
• Лазерная система юстировки валов: Для точной проверки и корректировки соосности.
• Системы температурного мониторинга: Контактные датчики температуры (термопары, RTD), пирометры.
• Стенды для испытаний под нагрузкой: (При необходимости) – для воспроизведения рабочих условий.

Заключение
Эффективное обнаружение неисправностей трехфазного синхронного двигателя требует комплексного подхода, основанного на понимании его конструкции, принципа работы и типичных "слабых мест". Применение комбинации методов испытаний – от простейших измерений сопротивления и осмотра до продвинутых методов анализа токов, вибрации и параметров изоляции – позволяет получить объективную картину состояния двигателя. Использование специализированного диагностического оборудования дает возможность выявить дефекты на ранней стадии их развития, спланировать ремонтные работы и избежать дорогостоящих последствий аварийного останова. Регулярное проведение диагностических испытаний является неотъемлемой частью стратегии надежной эксплуатации синхронных двигателей.