Rezumat Teza-Anca CIOBANU

5/22/2018 Rezumat Teza-Anca CIOBANU

1/75

Investete n oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEAN

Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013Axa prioritar 1 Educaie i formare profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatere

Domeniul major de intervenie 1.5. Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetriiTitlul proiectului: Burse doctorale pentru dezvoltare durabila BD-DDNumrul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braov

Universitatea Transilvaniadin Brasov

coala DoctoralInterdisciplinar

Departament:Inginerie Electric i Fizic Aplicat

Ing. Anca CIOBANU

Contribuii privind diagnoza defectelor la

motoarele electrice asincrone

Contributions to faults diagnosis in

asynchronous motors

Conductor tiinific

Prof.dr.ing. Elena HELEREA

BRAOV, 2013


2/75

MINISTERUL EDUCAIEINAIONALE

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

BRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENA

Comisiei de doctorat

Numit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din BraovNr. 6062 din 30.09.2013

PREEDINTE:Conf. univ. dr. ing. Carmen GERIGAN

DECANFac. de Inginerie Electric i tiina CalculatoarelorUniversitatea Transilvania din Braov

CONDUCTOR TIINIFIC: Prof. univ. dr. ing. Elena HELEREA

Universitatea Transilvania din Braov

REFERENI: Prof. univ. dr. ing. Radu MUNTEANU

Universitatea Tehnic din Cluj - Napoca

Prof. univ. dr. ing. Virgiliu FIREEANU

Universitatea Politehnicadin Bucureti

Prof. univ. dr. ing. Gheorghe SCUTARU

Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: luni, 16.12.2013,

ora 10, sala NI1.

Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s

le transmitei n timp util, pe adresele [email protected] sau

[email protected]

Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de

doctorat.

V mulumim.
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


3/75

3

CUPRINSPg.teza

Pg.rezumat

LIST DE NOTAII I ABREVIERI 5 -INTRODUCERE 11 7

CAPITOLUL 1. MECANISME I SURSE DE DEFECTE LA

MOTOARELE ELECTRICE ASINCRONE

15 10

1.1. Motorul electric asincron - Component esenial n sistemele actuale deacionri electrice

15 10

1.2. Surse ale defectelor la motoarele electrice asincrone 17 101.2.1. Defecte statorice 19 111.2.1. Defecte rotorice 20 121.2.1. Defecte ale rulmenilor i de excentricitate 21 12

1.3. Mecanisme de defectare 23 121.3.1. Mecanisme de defectare a componentelor structurii metalice 24 121.3.2. Mecanisme de defectare a componentelor izolaiei 25 13

1.4. Studiu de cazIdentificarea i clasificarea defectelor de fabricaie 30 131.4.1. Descrierea situaiei existente 30 131.4.2. Identificarea i clasificarea defectelor 33 151.4.3. Prelucrarea i interpretarea datelor 39 16

1.5 Concluzii 46 22CAPITOLUL 2. METODE DE DIAGNOZ A DEFECTELOR NMOTOARELE ELECTRICE ASINCRONE

47 23

2.1. Metode de diagnoz a defectelor statorice 50 -2.1.1. Metode bazate pe nesimetria curenilor statorici 51 -2.1.2. Metode bazate pe msurarea fluxului magnetic longitudinal 52 -2.1.3. Metode bazate pe amprenta curentului statoric 53 -

2.2. Metode de diagnoz a defectelor rotorice 54 242.2.1. Analiz i grad de aplicabilitate 54 242.2.2. Metoda bazat pe analiza amprentei curentului motorului 57 242.2.3. Metoda spectrului puterii instantanee 59 252.2.4. Metoda msurrii rezistenei echivalente a rotorului 61 262.2.5. Metoda msurrii variaiei fluxului magnetic 61 262.2.6. Metoda comparrii parametrilor tehnici ai motorului asincron 63 27

2.3. Metode de diagnoz a defectelor la rulmeni i de excentricitate 63 -2.3.1. Metode de diagnoz a defectelor la rulmeni 63 -2.3.2. Metode de diagnoz a excentricitii 66 -

2.4. Principii de proiectare a unui sistem de monitorizare a defectelor rotorice 67 272.5. Concluzii 72 29CAPITOLUL 3. MODELAREA MOTORULUI ASINCRON TRIFAZAT

CU BAR ROTORIC NTRERUPT73 30

3.1. Modelarea analitic a motorului fr/cu bar rotoric ntrerupt 74 303.2. Modelarea numeric n mediu FLUX 2D 77 32

3.2.1. Descrierea metodei 77 323.2.2. Realizarea geometriei motoarelor i definirea reelei de elementefinite

79 33

3.2.3. Definirea materialelor care intr n componena motoarelor 82 343.2.4. Crearea circuitului electric de alimentare al motoarelor 82 34

3.2.5. Definirea problemei de rezolvat 86 363.3. Simulri n regim staionar la motoarele cu bare rotorice ntrerupte 86 36


4/75

4

3.3.1. Simulri la MASI37 87 373.3.2. Simulri la MASI55 92 413.3.3. Simulri la MASI750 96 413.3.4. Studiul comparativ privind influena materialului pentru circuitulmagnetic

99 42

3.3.5. Analiz comparativ 104 463.4. Simulri n regim tranzitoriu la motoarele cu bare rotorice ntrerupte 105 46

3.4.1. Simulri laMASI37 105 47

3.4.2. Simulri la MASI55 109 -3.4.3. Simulri la MASI750 112 -3.4.4. Analiz comparativ 114 50

3.5. Concluzii 115 50CAPITOLUL 4. DETERMINRI EXPERIMENTALE PENTRUIDENTIFICAREA DEFECTELOR ROTORICE

117 51

4.1. Identificarea defectelor rotorice cu metoda rezistenei rotorice echivalentei cu metoda msurrii variaiei fluxului magnetic

117 51

4.1.1. Descrierea eantioanelor 117 514.1.2. Identificarea defectelor rotorice cu metoda rezistenei echivalente 119 52

4.1.3. Identificarea defectelor rotorice prin metoda msurrii variaieifluxului magnetic 122 544.2. Identificarea defectelor rotorice cu metoda compararrii parametrilortehnici ai motorului asincron

125 56

4.2.1. Eantioane i metoda de testare 125 564.2.2. Determinarea rezistenei nfurrii statorice 127 584.2.3. ncercarea de funcionare n gol 128 584.2.4. ncercarea de funcionare la scurtcircuit 130 594.2.5. ncercarea de funcionare la sarcin nominal 131 60

4.3. Identificarea defectelor rotorice cu metoda amprentei curentului statoric 134 624.3.1. Rezultate i interpretarea datelor pentru rotoare de 0.37 kW 136 63

4.3.2. Rezultate i interpretarea datelor pentru rotoare de 0.55 kW 139 654.4. Concluzii 142 66

CAPITOLUL 5. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUII ORIGINALE.DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECII VIITOARE DECERCETARE.

144 67

5.1. Concluzii finale 144 675.2. Contribuii originale 146 685.3. Diseminarea rezultatelor 146 695.4. Direcii viitoare de cercetare 146 69

BIBLIOGRAFIE 148 70

ANEXE 165 -Scurt Rezumat (romn/englez) 186 73Curriculum Vitae n limba romn 187 74Curriculum Vitae n limba englez 188 75

TABLE OF CONTENTSPp.thesis

Pp.summary

NOTATIONS AND ABBREVIATIONS LIST 5 -

INTRODUCTION 11 7

CHAPTER 1. MECHANISMS AND SOURCES OF FAULTS TO THE

ASYNCHRONOUS ELECTRICAL MOTORS

15 10


5/75

5

1.1. Asynchronous electrical motor - an essential component in the currentsystems of electric drives

15 10

1.2. Sources of faults in asynchronous motors 17 101.2.1. Stator faults 19 111.2.1. Rotor faults 20 121.2.1. Bearings and eccentricity faults 21 12

1.3. Failure mechanisms 23 12

1.3.1. Steel structure components failure mechanisms 24 121.3.2. Insulation components failure mechanisms 25 13

1.4. Case study - Identification and classification of manufacturing faults 30 131.4.1. Description of the existing situation 30 131.4.2. Identification and classification of faults 33 151.4.3. Processing and data interpretation 39 16

1.5 Conclusions 46 22CHAPTER 2. FAULTS DIAGNOSIS METHODS IN ASYNCHRONOUS

ELECTRICAL MOTORS

47 23

2.1. Stator faults diagnosis methods 50 -2.1.1. Methods based on the asymmetry of stator currents 51 -2.1.2. Methods based on the measurement of longitudinal magnetic flux 52 -2.1.3. Methods based on stator current signature 53 -

2.2. Rotor faults diagnosis methods 54 242.2.1. Analysis and degree of applicability 54 242.2.2. Method based on motor current signature analysis 57 242.2.3. Instantaneous power spectrum method 59 252.2.4. Equivalent rotor resistance measurement method 61 262.2.5. Magnetic flux variation measurement method 61 26

2.2.6. Comparing the technical parameters of asynchronous motor method 63 272.3. Methods for diagnosis of faults in bearings and of eccentricity 63 -

2.3.1. Methods for diagnosis of faults in bearings 63 -2.3.2. Methods of eccentricity diagnosis 66 -

2.4. Design principles of a rotor faults monitoring system 67 272.5. Conclusions 72 29

CHAPTER 3. MODELING OF THE THREE PHASE ASYNCHRONOUS

MOTOR WITH BROKEN ROTOR BAR

73 30

3.1. Analytical modeling of the motor without / with broken rotor bar 74 30

3.2. FLUX 2D numerical modeling environment 77 323.2.1. Method description 77 323.2.2. Creating the motor geometry and mesh 79 333.2.3. Defining the materials which are used in motors structure 82 343.2.4. Creating the power supply circuit of the motors 82 343.2.5. Defining the problem to be solved 86 36

3.3. Steady-state simulations for motors with broken rotor bars 86 363.3.1. Simulations for MASI37 87 373.3.2. Simulations for MASI55 92 413.3.3. Simulations for MASI750 96 413.3.4. Comparative study on the magnetic material influence for the corecircuit

99 42


6/75

6

3.3.5. Comparative analysis 104 463.4. Transient simulations for motors with broken rotor bars 105 46

3.4.1. Simulations for MASI37 105 473.4.2. Simulations for MASI55 109 -3.4.3. Simulations for MASI750 112 -3.4.4. Comparative analysis 114 50

3.5. Conclusions 115 50

CHAPTER 4. EXPERIMENTAL DETERMINATIONS FOR THEIDENTIFICATION OF ROTOR FAULTS

117 51

4.1. Rotor faults identification with the equivalent rotor resistancemeasurement method and with the magnetic flux variation measurementmethod

117 51

4.1.1. Samples description 117 514.1.2. Identification of rotor faults with the equivalent rotor resistancemeasurement method

119 52

4.1.3. Identification of rotor faults with the magnetic flux variationmeasurement method

122 54

4.2. Identification of rotor faults with the comparing of technical parametersof asynchronous motor method

125 56

4.2.1. Samples and test method 125 564.2.2. Determining stator winding resistance 127 584.2.3. No-load test 128 584.2.4. Short-circuit test 130 594.2.5. Rated load test 131 60

4.3. Identification of rotor faults with the stator current signature method 134 624.3.1. Results and interpretation of data for rotors of 0.37 kW 136 63

4.3.2. Results and interpretation of data for rotors of 0.55 kW 139 654.4. Conclusions 142 66

CHAPTER 5. FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS.

RESULTS DISSEMINATION. FUTURE RESEARCH.

144 67

5.1. Final conclusions 144 675.2. Original contributions 146 685.3. Results dissemination 146 695.4. Future research 146 69

REFERENCES 148 70

Annexes 165 -Abstract (Romanian language/English language) 186 73

Curriculum Vitae in Romanian language 187 74

Curriculum Vitae in English language 188 75

n rezumat s-au pstrat notaiile figurilor, relaiilor, tabelelor i referinelor bibliografice din tezade doctorat.


7/75

Rezumatul tezei de doctorat

7

INTRODUCERE

Definirea contextului generalPrezenta tez de doctorat abordeaz teme de mare actualitate n domeniul

monitorizrii i diagnozei defectelor motoarelor electrice asincrone.

Prioriti n cercetarea tiinificTema tezei de doctorat este interdisciplinar i conform Strategiei Naionale de

Cercetare, Dezvoltare i Inovare 2007-2013 se ncadreaz n domeniul 1, Tehnologiainformaiei i comunicaii, direcia de cercetare 1.6 Tehnologii pentru sisteme distribuite i

sisteme ncorporate, domeniul 2, Energia, directia de cercetare 2.1, Sisteme i tehnologii

energetice durabile; securitatea energetic, domeniul 7, Materiale, procese i produseinovative, directia de cercetare 7.1,Materiale avansate.

Actualitatea i necesitatea cercetriiDei exist n prezent tehnologii moderne de fabricare a mainilor asincrone, totui, n

fabricaie apare un numar relativ mare de defecte, care cresc ponderea cheltuielilor legate defabricaie i mresc consumul de materiale. n ultimii ani s-au dezvoltat metode de diagnoz adefectelor pe fluxul de fabricaie i a defectelor din exploatare. ns, metodele propuse nusunt suficient fundamentate i nu asigura o prognoz adecvat a apariiei defectelor.

Motoarele electrice se defecteaza datorit solicitrilor electrice, mecanice, termice i

de mediu. Pentru a menine n limite admisibile performanele motorului electric i a diminuarata de defectare, sunt necesare noi investigaii pentru stabilirea de noi tehnologi defabricaie, de noi sisteme de alimentare i control i sisteme adecvate de testare, monitorizarei diagnoz a funcionrii motoarelor. De aceea monitorizarea i diagnosticarea defectelorreprezint provocri pentru cercettorii, proiectanii i fabricanii de motoare electrice.

Obiectivele lucrriiScopul tezei de doctorat const n dezvoltarea de metode i tehnici de monitorizare i

diagnoz a defectelor la motorul electric asincron (MASI) n vederea creterii eficienei

energetice i siguranei n funcionare.

Obiectivele specifice ale cercetrii sunt urmtoarele:1. Investigarea proceselor de defectare la motorul electric asincron n vederea stabilirii de

metode adecvate de monitorizare i diagnoz a defectelor.2. Dezvoltarea de metode adecvate de detectare i identificare a defectelor din motorul

electric asincron ca baz pentruproiectarea i implementarea de sisteme de monitorizare.3. Modelarea i simularea funcionrii motorului electric asincron cu defecte rotorice n

vederea fundamentrii metodei de diagnoz i prognoz a defectelor prin metoda

amprentei curentului statoric.


8/75

Contribuii privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone

8

Modul de organizare al tezei de doctoratPrezenta tez de doctorat este structurat ntr-un numr de ase capitole, la care se

adaug un capitol introductiv. Teza de doctorat este redactat pe 188 pagini i conine unnumr de 75 figuri, 74 tabele, 61 relaii, 171 referine bibliografice i 6 anexe.

Capitolul 1, intitulatMecanisme i surse de defecte la motoarele electrice asincrone,cuprinde o analiz a mecanismelor de defectare i a surselor defectrii pentru fiecare partecomponent a motorului electric asincron n vederea stabilirii de metode adecvate demonitorizare i diagnoz a defectrii. Efectul fiecrui defect n motorul electric asincron faceconexiuni ntre geometria motorului, proprietatea materialelor utilizate n construciamotorului, circuitele electrice i cmpurile magnetice din interiorul motorului. De asemenea,este realizat un studiu de caz pentru identificarea i clasificarea defectelor care apar pe liniade producie a motoarelor electrice cu scopul stabilirii unui plan de aciune pentru reducereanumrului de defecte i implicit a costurilor datorate rebuturilor.

Capitolul 2, intitulat Metode de diagnoz a defectelor n motoarele electriceasincrone, cuprinde o sintez a metodelor de diagnoz ca baz pentru sistemele demonitorizare a regimurilor anormale de funcionare. n funcie de tipul defectului sedeosebesc metode bazate pe analiza: semnalului, a modelului, a teoriei motorului i asimulrilor. O atenie deosebit este acordat metodei de diagnoz bazat pe amprentacurentul statoric. Metoda folosete rezultateleanalizei spectrale a curentului statoric pentrudetectarea excentricitii, a barelor rotorice rupte i defectarea rulmenilor. Pe aceast metodese bazeaz i sistemul de monitorizare proiectat de autoare. Au fost descrii paii urmriti nrealizarea structurilor hardware i software ai sistemului ct i modul de funcionare a

acestuia.Capitolul 3, intitulat Modelarea motorului asincron trifazat cu bar rotoric

ntrerupt, include prezentarea rezultatelor obinute prin utilizarea mediului FLUX 2D nregim staionar i n regim tranzitoriu pentru motoare de puteri mici i medii. Modelareanumeric permite fundamentarea fenomenelor care au loc n motoarele fr/cu defecte de

bar rotoric. Prinurmare sunt ilustrate i analizate efectele principale ale ntreruperii barelorrotorice asupra motoarelor. Au fost propui coeficieni de asimetrie pentru determinareadefectelor de bar rotorice ntrerupte. Analiza numeric a fost validat cu determinriexperimentale.

Capitolul 4, intitulat Determinri experimentale pentru identificarea defectelorrotorice, cuprinde msurtori experimentale pentru detectarea defectului de bar rotoricntrerupt. Sunt prezentate patru metode de diagnosticare a defectelor rotorice i anume:metoda rezistenei echivalente, metoda msurrii variaiei fluxului magnetic, metodacomparrii parametrilor tehnici ai motorului i metoda amprentei curentului statoric.

Capitolul 5, intitulat Concluzii finale. Contribuii originale. Diseminarea rezultatelor.Directii viitoare de cercetare, prezint concluziile finale, contribuiile originale, diseminarearezultatelor i direciile viitoare de cercetare ale prezentei teze de doctorat.


9/75


9

MENIUNI

Aceast tez de doctorat reprezint rezultatul cercetrilor efectuate n perioada20102013 n domeniul Inginerie Electricdin cadrul Universitii Transilvania din Braovcusprijinul Programului Operaional Sectorial DezvoltareaResurselor Umane (SOP-HRD),

ID76945, finanat de Fondul Social European i de Guvernul Romniei.

Doresc s adresez sincere mulumiri conductorului tiinific Prof. Univ. Dr. Ing.Elena HELEREA pentru ndrumarea, implicarea, recomandrile fcute isprijinul acordatde-a lungul pregtirii mele doctorale.Totodat, prin atitudinea i abnegaia de care a datdovad, domnioara Prof. Univ. Dr. Ing. Elena HELEREA reprezint un model demn deurmat n via.

i mulumesc, n mod deosebit, domnului Dr. Ing. Ioan PETER pentru sprijinultiinific, suportul tehnici sfaturile oferite n decursul celor trei ani de pregtire doctoral.

Mulumesc domnului Ing. Adrian MIJA i colectivului laboratorului de testrimotoare electrice din cadrul S.C. Electroprecizia Electrical Motors S.R.L. pentru

posibilitatea isprijinul acordat n desfurarea activitii de determinri experimentale.

Mulumesc companiei CEDRATpentru furnizarea software-lui FLUX V11.1.2frde care nu a fi putut realiza modelarea numeric din aceast tez de doctorat.

Mulumesc domnilor Prof. Univ. Dr. Ing. Radu MUNTEANU, Prof. Univ. Dr. Ing.Virgiliu FIREEANUiProf. Univ. Dr. Ing. Gheorghe SCUTARU pentru deosebita onoarece mi-au fcut acceptnd propunerea de a face parte din comisia de evaluare i susinere atezei de doctorat, pentru parcurgerea tezei de doctorat i pentru sugestiile oferite.

Mulumesc doamnei Decan Conf. Univ. Dr. Ing. Carmen GERIGAN pentru sprijinulacordat ca preedinte n Comisia de evaluarei susinere a tezei de doctorat.

Mulumesc cadrelor didactice i colegilor din cadrul Departamentului de InginerieElectric i Fizic Aplicat alFacultii de Inginerie Electric i tiina Calculatoarelor de

la Universitatea Transilvania din Braov pentru sprijinul i sfaturile acordate pentrufinalizarea n bune condiii a tezei de doctorat.

n final, dar nu n ultimul rnd, doresc s mulumesc prinilor mei pentru rbdarea,nelegerea, suportul moral i dragostea pe care mi le-au oferit pentru finalizarea tezei dedoctorat i mai ales de-a lungul vieii. Mulumesc familiei i prietenilor mei care m-auncurajat i m-au susinut.


10/75


10

1. MECANISME I SURSE DE DEFECTE LA MOTOARELEELECTRICE ASINCRONE

n prezentul capitol este realizat o analiz asupra surselor i mecanismelor dedefectare la motoarele electrice asincrone i este elaborat un studiu de caz pentru identificareai clasificarea defectelor care apar pe linia de producie a motoarelor electrice cu scopulstabilirii unui plan de aciune pentru reducerea numrului de defecte i implicit a costurilordatorate rebuturilor.

1.1. Motorul electric asincron - Component esenial n sistemele actuale deacionri electrice

Utilizarea motoarelor asincrone n sistemele actuale de acionare electric ridic noicerine constructive i indicatori noi de performan. n acest sens, standardul IEC 60034-30:2008 definete trei clase de randament internaional notate IE1 (randament standard), IE2(randament ridicat), IE3 (randament premium) pentru motoarele electrice trifazate cu rotoruln scurtcircuit, cu o singur vitez (ANEXA 1).

nFig. 1.1 sunt reprezentate grafic valorile n procente pentru clasele de randament IEla motoarele electrice cu 2 i 4 poli, cu puteri cuprinse ntre 0.75 -75 kW i la frecvena dealimentare de 50 Hz.

Fig. 1.1. Valorile claselor de randament conform IEC 60034-30:2008

Din figur se observ c pentru motoarele de mic putere randamentul limit minimimpus este de cca 70% (0,75 kW), iar pentru motoarele de medie putere nivelul limit impuseste de peste 90% (75 kW). Pentru realizarea clasei premium de randament (IE3) suntnecesare procedee tehnologice de fabricaie i sisteme de monitorizare adecvate.

1.2. Surse ale defectelor la motoarele electrice asincrone

Pentru a nelege apariia defectului i pentru a putea construi o shem de detecie aacestora trebuie cunoscute sursele i cauzele defectrii motoarelor electrice.

n Tabelul 1.1 sunt prezentate sursele defectrii i tipurile de defecte la motoareleelectrice conform clasificrii prpusede Al-Kazzaz [82]:


11/75


11

Tabel 1.1. Surse ale defectrii i tipuri de defecte la motoarele electriceSURSE DE DEFECTARE

SURSE INTERNE SURSE EXTERNEMECANICE ELECTRICE MECANICE ELECTRICE DE MEDIU

deplasareabobinelor,

lovituri alerotorului,defectelerulmenilor,

excentricitate

strpungerielectrice

ntreruperiale barelorrotorice,

defecte alecircuituluimagnetic

sarcinpulsatorie,

suprasarcin, montaj

defectuos

tensiunitranzitorii,

tensiunidezechilibrate

variaii aletensiunii (goluri,ntreruperi,variaii lente)

temperatura, umiditatea, praf , ciuperci etc.

Acest clasificare este util n analiza cauzelor defectrii i n fundamentarea planului

de mentenan, pentru care este necesar s se cunosc nivelul solicitrilor electrice, mecanicei de mediu care pot induce defecte.Dup probabilitatea de apariie, defectele n motorul electric se mpart n patru grupe

principale [68], care sunt prezentate nFig. 1.2.

Fig. 1.2. Clase de defecte n motorul electric

Astfel, cea mai mare pondere o au defectele de rulmeni (40 %), urmate de defectelestatorice (38 %), urmate de defectele rotorice (aprox. 10 %).

1.2.1. Defecte statoriceDefectele statorice sunt cauzate de solicitrile electrice, mecanice i de mediu, fiind

clasificate n defecte ale miezului magnetic i ale nfurrilor. Majoritatea defectelorstatorului se produc datorit distrugerii izolaiei n timpul unui scurtcircuit n nfurrilestatorice. Scurtcircuitele pot fi de urmtoarele tipuri [143]: scurtcircuit ntre spirele aceleiaifaze, scurtcircuit ntre bobinele aceleiai faze, scurtcircuit ntre dou faze, scurtcircuit ntrefaz i pmnt.

n funcie de tipul scurtcircuitului i de condiiile de funcionare, la producerea unuidefect, motorul se oprete sau poate continua s funcioneze. Scurtcircuitul ntre faze i

scurtcircuitul ntre faz i pmnt cauzeaz oprirea instantanee a motorului [143].


12/75


12

1.2.2. Defecte rotorice

Defectele de bar rotoric rupt i/sau de inele de scurtcircuitare ntrerupte conduc lafuncionarea asimetric a motorului trifazat asincron cauznd: dezechilibre ale curenilor,

pulsaii ale cuplului electromagnetic, creterea pierderilor, performan sczut de pornire i

solicitri termice ridicate [155].Execuia coliviei rotorice influeneaz parametrii de funcionare ai motoarelor

asincrone. Randamentul, alunecarea, curentul nominal, supratemperatura bobinajului, cuplulde pornire sunt cei mai importani parametri care sunt afectai. De obicei, calitatea slab acoliviei rotorice se observ la testarea final a motorului [34]. n prcesul de fabricaie, pelang utilizarea de maini de turnat colivii performante i stricta observare a parametrilormaterialelor utilizate i a tehnologiei de turnare, introducerea unui filtru de control cu caredefectele coliviei rotorice s fie detectate este necesar [34].

Dei defectul de bar rotoric ntrerupt reprezint doar 5%-10% din totalul defectelor

ntlnite n motorul asincron, cele mai multe studii au fost efectuate asupra acestui tip dedefect [68], [104].

1.2.3. Defecte ale rulmenilor i de excentricitate

Defecte ale rulmenilorDefectarea rulmenilor este de obicei progresiv dar n cele din urm duce la scoaterea

motorului din funciune. Problemele sunt adesea cauzate de montarea incorect a rulmentuluipe arbore sau n carcas [109]. Nealinierea rulmentului este, de asemenea, un rezultat alinstalrii defectuoase. Deplasarea mecanic rezultat din defectarea rulmentului face ca

ntrefierul motorului s varieze ntr-o manier care poate fi descris de o combinaie aexcentricitii de rotaie care se deplaseaz n ambele direcii.

ExcentricitateaExcentricitatea de stator i rotor este unul din defectele des ntalnite n motoarele

asincrone, care contribuie cu un procent considerabil la defectarea motorului. Cndexcentricitatea devine mare, forele radiale dezechilibrate rezultate pot conduce la frecarearotorului de stator i implicit la defectarea acestora.

1.3. Mecanisme de defectare

1.3.1. Mecanisme de defectare a componentelor structurii metalice

Mecanismele de defectare ale componentelor structurii metalice au la baz solicitriletermice, mecanice electrice i de mediu.

Supranclzirea barelor rotorice i a inelelor de scurtcircuitare poate conduce latopirea materialului de sudare sau chiar a coliviei [19]. Sursa de nclzire poate fi localizatfie n bar (bara este o surs de nclzire n special n timpul pornirilor repetitive, la blocajsau la accelerare) fie n miezul rotoric prin transfer de caldur de la bare. Acesta este cazultolelor sudate (lipite). Mai mult dect att, atunci cnd tensiunea de alimentare estedezechilibrat, sunt indui n rotor cureni mari datorit impedanei mici de secven negativ.

n continuare, aceste secvene negative de curent sunt distribuite inegal n seciunea bareidatorit prezenei efectului pelicular la nalt frecven ((2-s)f1-sreprezint alunecarea n %


13/75


13

i f1 reprezint frecvena fundamental a tensiunii de alimentare n Hz) [130]. n final, laviteze mici, efectul pelicular tinde s creasc gradientul termic prin bar ceea ce duce laaccelerarea degradrii acesteia.

Forele magnetice produc vibraia barelor. Totui, datorit rotaiei rotorului, forele

centrifuge nu permit deformarea barelor La viteze de rotaie mici, forele centrifuge sunt deasemenea mici, deoarece frecvena curentului rotoric este de 50 Hz, i astfel barele vibreazconducnd la oboseala mecanic. Situaia este diferit la viteze ridicate unde forelecentrifuge sunt mult mai mari dect forele magnetice[130].

1.3.2. Mecanisme de defectare a componentelor izolaiei

Mecanismele de defectare ale materialelor electroizolante au la baz procesele dembtrnire termic, electric, mecanic, de mediu i sinergismele ntre aceste procese.

mbtrnirea termicmbatrnirea termic apare atunci cnd temperatura materialului izolant este suficient

de mare ca s duc la degradarea proprietilor mecanice i electrice ale acestuia [75], [76].mbtrnirea electricImbtrnirea electric apare cnd solicitarea electric aplicat izolaiei depete un

anumit prag. O tensiune mai ridicat dect tensiunea nominal sau un raport dV/dt ridicat(comutatorea condensatorului de mbuntire a factorului de putere, nchiderea/deschidereacircuitului de alimentare, comanda PWM a invertorului etc.) determin mbtnirea izolaieielectrice.

mbtrnirea mecanic

Circuitele magnetice i electrice ale motoarelor electrice sunt separate de materialeelectrizolante (filme, fibre, rini naturale/sintetice) care au, n general, proprieti mecanicesczute. Interaciunea curentului statoric cu cmpul magnetic determin fore care acioneazasupra conductoarelor bobinei. Rezult vibraii care provoac scderea rezistenei mecanice aizolaiei, urmat de eroziunea i abraziunea miezului magnetic [132].

mbtrnire de mediuPrezena umiditii sau a produselor chimice determin scderea performanelor

materialelor conductoare, magnetice i, mai ales a celor electroizolante. Degradarea calitiiizolaiei induce defecte ale ansamblului nfurare circuit magnetic sistem de izolaie

[Noinger,2002].Sinergism n mecanismele de mbtrnireFuncionarea motoarelor electrice are loc n prezena a dou sau mai multe solicitri,

astfel c mecanismele de mbtrnire sunt complexe, ceea ce determin accelerareaproceselor de mbtrnire [76].

1.4. Studiu de cazIdentificarea i clasificarea defectelor de fabricaie

1.4.1. Descrierea situaiei existente

Obiectivul studiului de caz este identificarea i clasificarea defectelor motoarelorelectrice asincrone pe linia de fabricaie de la S.C. Electroprecizia S.A. Scele, n vederea


14/75


14

stabilirii unei strategii de reducere a rebuturilor n procesul tehnologic de fabricaie ifundamentarea amplasrii punctelor de control.

La S.C. Electroprecizia S.A. Scele se fabric motoare asincrone de mic i medieputere cu rotorul n scurtcircuit i unele motoare speciale.

n Fig. 1.7 este prezentat schema bloc a tehnologiei de fabricaie, n care suntindicate punctele de control a calitii execuiei.

Fig. 1.7. Puncte de control incluse n tehnologia de fabricaie a motoarelor electrice asincrone

Se observ c la execuia motorului asincron exist trei bancuri de control pe lini a defabricaie i anume: B1 - bancul de echilibrare rotoare, unde se pot depista defecte de tip gol de material sau

bar ntrerupt plasat ntre modulul de fabricaie rotoare i modulul de fabricaiestatoare;

B2 - banc de control statoare, n care se depisteaz defectele de scurtcircuitare i demontaj, plasat ntre modulul de bobinare statoare, nainte de impregnarea acestora n lac

electroizolant, i montare motoare; B3 - bancul de control final, care permite identificarea defectelor motoarelor, plasat ntre

asamblarea motoarelor i magazie.Situaia defectelor este nregistrat numai la bancurile de control B2 i B3.Tehnologia de control a statorului prevede ca nainte ca seria de statoare bobinate s

ajung s fie controlate n bancul de control B2 din producie, un stator bobinat, ales aleator,s fie testat n laboratorul de ncercri. Totui, este nevoie de o proiectare atent a punctelorde control pentru a depista rapid defectele i pentru a nu strangula producia.

Situaiile ntocmite privind defectele de fabricaie a motorului asincron cu rotorul nscurtcircuit pe bancurile de control au fost analizate de autoare, permind identificarea i

clasificarea defectelor.


15/75


15

1.4.2. Identificarea i clasificarea defectelor

A fost analizat situaia nregistrat pe bancul de control B2 referitoare la depistareadefectelor de scurtcircuitare i de montaj pentru stator. n Tabelul 1.5 sunt prezentate tipurilede defecte statorice identificate de autoare i metodele de testare utilizate n bancul de

control.

Tabel 1.5. Tipuri de defecte statorice de fabricaie i metode de identificareNr. Tipuri de defecte Metode de identificare Observaii

1 Strpungere faz-pmnt

Se aplic o tensiune dencercare ntre carcasa

statorului i fiecare fazn parte, cu ajutorul

aparatului pentru

verificarea i localizareadefectelor izolaieielectrice, tip A.E.L.2

Dac are locstrpungerea,se aprinde lampa de

semnalizare.

2 Strpungere ntre faze

Se aplic o tensiune dencercare ntre faze cu

aparatul pentruverificarea i localizarea

defectelor izolaieielectrice, tip A.E.L.2

Dac are locstrpungerea seaprinde lampa desemnalizare.

3 Legturi greite ale bobinelor

Verificarea se realizeaz

vizual.

4 Rezisten diferit pe faz

Rezistena diferit pefaz se verific cu

ajutorul unui ohmetruntre fazele statorului.

Se accept otoleran de 1% ntrefaze.

5 Cote necorespunztoare

Cotele se msoar cuajutorul unui ubler.Cotele trebuie s fie

conforme

documentaiei.

6Spire ieite din capul de bobin

(spire neizolate)Verificarea se realizez

vizual.

7Amplasare necorespunztoare a

izolaieiVerificarea se realizez

vizual.

8 Sudur necorespunztoareVerificarea se realizez

vizual.

9Conductori de conexiune

necorespunztoriVerificarea se realizez

vizual.


16/75


16

A fost analizat situaia nregistrat pe bancul de control B3 referitoare la depistareadefectelor pentru motor. n Tabelul 1.6 sunt prezentate tipurile de defecte identificate deautoare i metodele de testare utilizate n bancul de control:

defecte critice - pentru care motoarele nu mai pot fi reparate i sunt consideraterebuturi;

defecte principale - pentru care motoarele pot fi reparate; defecte secundare - datorate montrii defectuoase, dar care pot fi remediate.

Tabel 1.6. Tipuri de defecte ntlnite dup asamblarea motoruluiDefecte critice Defecte principale Defecte secundareStrpungeri Io; Po; Ik; Pk; CDF(Curent

Diferit pe Faz)Excentricitate

Faz ntrerupt Vibraii Alte defecte de fabricaieRulment blocat Frecri

Legturi greite Zgomot la rulmentCuplu de pornire Zgomot electromagneticFum din bobinaj Sens de rotaie invers

1.4.3. Prelucrarea i interpretarea datelor

A. Prelucrarea i interpretarea datelor pentru defectele statoricen Tabelul 1.8 este trecut situaia centralizat a eantionului de statoare de MASI

monitorizate n anul 2010.

Tabel 1.8. Situaia centralizat a eantionului de statoare de MASI monitorizate n anul 2010Luna 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Total

Statoaretestate n2010 - Nst

166172010924428208172541425681242341982727012228432591616487269385

n Tabelul 1.9 sunt consemnate numrul de defecte monitorizate i categoria dedefecte depistate la eantionul examinat n anul 2010.

Tabel 1.9. Numrul de defecte monitorizate i categoria de defecte depistate la eantionulexaminat n anul 2010

LunaDefecte - Nds

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Total

defecte/anNdsT

Strpungere faz-pmnt 133 160 199 214 318 418 379 226 376 289 342 191 3245Strpungere ntre faze 76 95 122 204 272 410 319 271 354 279 292 234 2928Legturi greite 2 10 20 12 17 21 15 3 16 7 10 3 136Rezisten diferita pe faz 30 11 24 38 18 20 35 17 24 10 25 16 268Cote necorespunztoare 46 79 104 104 163 184 159 112 246 145 254 90 1686Spire ieite din capul debobin 24 32 62 63 110 88 63 41 96 72 111 33 795


17/75


17

Amplasarenecorespunztoare aizolaiei

119 137 173 178 392 366 316 248 362 286 369 198 3144

Sudur necorespunztoare 47 55 86 86 115 162 178 94 136 182 95 80 1316Conductori de conexiune

necorespunztori 36 26 68 62 65 43 62 51 71 81 57 48 670Total defectestatorice/lun - Ndst

513 605 858 961 1470171215261063168113511555 893 14188

Pentru analiza defectelor se definete: Ndsnumrul de defecte statorice pe categorii,Ndstnumrul total de defecte statorice pe lun i NdsTnumrul total de defecte statorice pecategorii pe an.

Ponderea defectelor statorice este reprezentat n Fig. 1.11 i totalul defectelorstatorice pe lun este ilustrat nFig. 1.12.

Fig. 1.11. Ponderea defectelor statorice observate pe linia de fabricaie n anul 2010Majoritatea defectelor depistate la statoare sunt de tip electric i anume strpungere

faz-pmnt (22.87%) i strpungere faz-faz (20.64%), urmate de defecte de tip mecanicprecum izolaia necorespunztoare (22.16%).

Fig. 1.12. Totalul defectelor statorice

Se observ c distribuia total a defectelor statorice depinde proporional deproducia de statoare.

Distribuia defectelor pe perioada monitorizat i pe categorii este reprezentat grafic

n Fig. 1.13.


18/75


18

a) b)

c) d)

e) f)

g) h)


19/75


19

i)Fig. 1.13. Distribuia defectelor n anul 2010 i tipuri de defecte monitorizate: a) strpungere faz-pmnt; b) strpungerea faz-faz; c) legturi greite; d) rezisten diferit pe faz; e) cotenecorespunztoare; f) spire ieite din capul de bobin; g) izolaie necorespunztoare; h) sudurnecorespunztoare; i) conductori de conexiune necorespunztori

Din Fig. 1.13.a se observ o cretere a defectelor tip strpungere faz-pmnt n lunileiunie i iulie cnd au fost ncercate 25681, respectiv 24234 statoare.

Creterea defectelor n lunile iunie i iulie se poate datora fabricrii de statoarelor cuputeri mici, n care capul de bobin se formeaz cu dificultate, fapt ce duce la forfecareaizolaiei. Alte motive sunt dimensiunile mici ale izolaiei ntre faze sau lovirileconductoarelor n timpul formrii capului de bobin.

Tipurile diversificate de statoare fabricate i cantitatea acestora pot fi o cauz acreterii defectelor tip legturi greite. Introducerea pe fluxul de fabricaie a unor tipuri destatoare ale caror caracteristici (tensiune, rezisten, numr de spire) se schimba poateinfluena creterea defectelor tip rezisten diferit pe faz.

B. Prelucrarea i interpretarea datelor pentru defectele motoruluin Tabelul 1.10 este trecut situaia centralizat a eantionului de MASI monitorizate

n anul 2010.

Tabel 1.10. Situaia centralizat a eantionului de MASI monitorizate n anul 2010Luna 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Total

MASI testaten 2010Nm

15064 18616 22957 20562 23942 25141 24360 18277 25556 23054 24511 18118 260158

n Tabelul 1.11 sunt consemnate numrul de defecte monitorizate i categoria dedefecte depistate la eantionul examinat n anul 2010 pentru MASI.

Tabel 1.11. Numrul de defecte monitorizate i categoria de defecte depistate la eantionul deMASI examinat n anul 2010

LunaDefecte-Ndm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Totaldefecte/an

NdmTStrpungeri 235 223 313 225 262 319 309 236 321 297 356 226 3322

Faz ntrerupt 71 74 64 84 49 92 74 70 133 135 114 111 1071I0; P0; Ik; Pk; CDF 62 75 75 39 88 125 137 60 127 165 96 110 1159


20/75


20

Excentricitate 286 300 376 344 371 377 373 278 378 377 465 331 4256Zgomot la rulment 79 103 92 59 76 87 114 70 126 97 96 23 1022Zgomot electromagnetic 37 44 20 12 6 46 43 39 43 31 27 26 374Alte defecte 0 23 22 37 20 19 30 20 0 71 58 28 328Totalul defectelormotoarelor/luna- Ndmt 770 842 962 800 872 10651080 773 112811731212 855 11532

Pentru analiza defectelor se definete: Ndm numrul de defecte ale motoarelor pecategorii, Ndmt numrul total de defecte ale motoarelor pe lun i NdmT numrul total dedefecte ale motoarelor pe categorii pe an.

Ponderea defectelor motoarelor monitorizate este reprezentat nFig. 1.14 i totaluldefectelor motoarelor pe lun este ilustrat nFig.1.15.

Fig. 1.14. Ponderea defectelor motoarelor monitorizate

Defectele de excentricitate sunt de natur mecanic i reprezint cea mai marepondere (36.91%), fiind urmat de defectele de tip electric i anume strpungerea (28.81%).n acest caz defectele datorate barelor ntrerupte pot fi regsite n ponderea de 10.05% prin

curenii de mers n gol, precum i n ponderea de 3.24% prin zgomotele de tipelectromagnetic.

Fig. 1.15. Totalul defectelor motoarelor

Distribuia defectelor pe perioada monitorizat i pe categorii este reprezentat graficn Fig. 1.16.


21/75


21

a) b)

c) d)

e) f)

g)

Fig. 1.16. Distribuia defectelor motoarelor n anul 2010 i tipuri de defecte monitorizate: a) strpungere;b) faz ntrerupt; c) I0; P0; Ik; Pk; CDF; d) excenticitate; e) zgomot la rulment; f) zgomotelectromagnetic; g) alte defecte


22/75


22

Defectele datorate strpungerii izolaiei, chiar i dup impregnarea statorului, suntntr-un procentaj destul de mare. Aceste defecte se datoreaz lovirii izolaiei statorului ntimpul transportrii sau la presarea acestuia n carcas.

Analiza defectelor pe linia de fabricaie a permis stabilirea unui plan de aciune pentru

reducera numrului de defecte:Investigarea posibilitii utilizrii de noi materiale electroizolante, mai rezistente la aciunea

factorilor tehnologici - O soluie pentru reducerea defectelor datorate sistemului de izolaieeste mbuntirea calitii materialelor izolatoare utilizate i a proceselor de tratare;

Dezvoltarea de noi metode de verificare;Implementarea unei proceduri de monitorizare, n care sunt introduse noi posturi de

verificare;Pentru reducerea rebuturilor din cauza defectelor tip strpungere faz-pmnt i strpungere

faz-faz se poate nlocui conductorul ET1 (conductor pentru bobinaj acoperit cu un strat deemail tereftalic) cu conductorul ET2 (conductor pentru bobinaj acoperit cu dou straturi de

email tereftalic);Mecanizarea i automatizarea tuturor etapelor din procesul tehnologic de fabricaie a

mainilor asincrone i anume: automatizarea mpachetrii statorului i rotorului, bobinareamecanizat pentru toate tipurile de statoare (rotoare), sudur mecanizat a legturilor dintre

bobine, sudur mecanizat a conductorilor de conexiuni i bandajarea capetelor de bobinmecanizat.

1.5. Concluzii

Meninerea performanelor motorului electric n limitele admisibile impuse destandarde i implicit diminuarea ratei de defectare este realizabil prin identificarea surselori cauzelor defectrii.

Clasele de defecte n motorul electric asincron sunt: defectele statorice, defectelerotorice, defectele rulmenilor i de excentricitate. Sub acinea solicitrilor electrice, termicei de mediu se produc degradri i mbtrniri, principalele mecanisme de defectare fiind celeale componentelor structurii metalice i cele ale sistemului de izolaie electric.

Studiul de caz realizat permite identificarea i clasificare defectelor care apar nfabricaia motoarelor electrice asincrone de mic i medie putere. S-a analizat tehnologia defabricare a motoarelor electrice din cadrul S.C. Electroprecizia Electrical Motors S:R.L i

modul de amplasare a punctelor de monitorizare i control a motoarelor pe linia de fabricaie.Este propus un plan de aciune pentru reducerea numrului de defecte care cuprinde:mbuntirea calitii materialelor izolatoare utilizate, implementarea de proceduri de testarea subansamblelor, controlul n sistemele de mecanizare i automatizare a procesuluitehnologic de fabricaie a motoarelor asincrone.


23/75


23

2. METODE DE DIAGNOZ A DEFECTELOR NMOTOARELE ELECTRICE ASINCRONE

Prezentul capitol cuprinde o sintez a metodelor de diagnoz ca baz pentru sistemelede monitorizare a regimurilor anormale de funcionare.

Fig. 2.1. Metode de monitorizare i diagnoz a defectelor n motoarele electrice


24/75


24

Metodele de monitorizare i diagnoz prezentate n figura de mai sus au fostdezvoltate i adoptate n industrie ca o strategie de reducere a costurilor fie utilizate independent fie combinate pentru o mai bun acuratee.

Metodele de diagnoz au nceput s fie implementate cu costuri relativ mici utiliznddiferite echipamente si sisteme de msurare, spre exemplu, senzori speciali construii pentrucurent [139].

2.2. Metode de diagnoz a defectelor rotorice

2.2.1. Analiz i grad de aplicabilitate

n prezent, exist cercetri [3], [4], [35], [134], [135], [51] legate de identificarea ilocalizarea defectelor rotorice care au dus la dezvoltarea i implementarea unor metode dediagnoz bazate pe monitorizare on-line:

Metoda emisiei acustice;

Metoda vibrodiagnozei; Metoda msurrii vitezei unghiulare instantanee; Metoda msurrii cuplului electromagnetic din ntrefier; Metoda msurrii fluxului magnetic n ntrefier; Analiza spectral a tensiunii de alimentare; Analiza amprentei curentului motorului; Metoda msurrii puterii instantanee.

Pentru anumite regimuri de funcionare (repetabilitatea sarcinii, a vitezei, zgomotintens i neidentificabil etc.) au fost dezvoltate i metode off-line de diagnoz [100] i anume:Metoda tensiunii induse; Analiza circuitului motorului; Metoda msurrii rezisteneiechivalente a rotorului; Metoda testrii la strapungere / supratensiune. Aceste metode suntutilizate pentru detectarea defectelor timpurii i de fabricaie.

2.2.2. Metoda bazat pe analiza amprentei curentului motorului

Metoda de diagnoz utiliznd analiza amprentei curentului motorului (MCSA) estecea mai frecvent form de analiz a semnalului utilizat n monitorizarea electric deoarecenu necesit acces la parametri motorului electric. MCSA folosete rezultatele analizeispectrale a curentului statoric pentru detectarea excentricitii, a barelor rotorice rupte idefectarea rulmenilor [138]. Dezavantajul MCSA este c nu poate fi folosit pentru toatecondiiile de funcionare [2].

La alimentarea motorului asincron trifazat fr defecte cu un sistem trifazat, simetricde tensiuni, de frecvenf1, se produce un cmp magnetic nvartitor, care se rotete cu turaiade sincronism [110]:

p

fn 11

60 (2.10)

undepeste numrul de perechi de poli ai nfurrii statorice.


25/75


25

Alunecarea caracterizeaz viteza n mai mic dect viteza de sincronism cu care senvarte rotorul:

1

1

n

nns

(2.11)

Frecvena curenilor rotorici este denumit frecvena de alunecare i este dat derelaia [135]:

psnpnf 122 (2.12)Viteza de rotaie a campului magnetic nvartitor produs de rotor datorit barelor

rotorice ntrerupte este:

snsnnsnsnnnnb 2121 111112 (2.13)Relaia de mai sus poate fi exprimat n domeniul de frecven astfel:

121 fsfb (2.14)

Banda de joas frecven este specific defectului de bar rotoric ntrerupt i bandanalt poate fi datorat oscilaiilor consecvente de vitez.

Tehnicile asociate cu MCSA utilizeaz metoda vectorului Park (Parks VectorApproach) i metoda elementelor finite (Finite Element Method).

2.2.3. Metoda spectrului puterii instantanee

n literatura de specialitate s-a demonstrat c metoda spectrului puterii instantanee

(MIPS - Motor Instantaneous Power Spectrum) conine mai mult informaie privinddefectele rotorice, fat de metodele care se bazeaz pe amprenta de curent [41], [42].

Puterea instantanee este definita ca:

)()()( titutp LLL (2.15)

unde uLL(t) este tensiunea dintre oricare dou din cele trei terminale ale statorului i iL(t) estecurentul care intr n una din aceste terminale.

Expresiile tensiunii uLL(t), a curentului iL,0(t) i a puterii instantanee p0(t) sunturmtoarele:

tfUtu mLL 12cos (2.16)

tfIti mL 10, 2cos (2.17)

cos2

22cos2

10,0mmmm

LLL

IUtf

IUtitutp (2.18)

unde UmiImreprezint amplitudinea tensiunii de linie, respectiv amplitudinea curentului delinie,f1este frecvena de alimentare i este unghiul de sarcin a motorului.

Se presupune c defectele rotorice cauzeaz o modulare sinusoidal n amplitudinea

curentului statoric. Pe de alt parte unghiul de ncrcare nu se schimb semnificativ.


26/75


26

2.2.4. Metoda msurrii rezistenei echivalente a rotorului

Defectele rotorice se pot identifica prin metoda bazat pe msurarea rezisteneiechivalente a rotorului. Valoarea rezistentei obinut este comparat cu o valoare predefinit,

pentru care motorul electric asincron este considerat ideal. Pragul de defectare este dat de

valoarea prestabilit, astfel c toate rotoarele cu o valoare a rezistenei mai mic decat ceapredefinit vor fi considerate acceptate.

Metoda este folosit cu succes pe linia de producie, unde este introdus cont rolul decalitate pentru detectarea defectelor coliviei, nainte de presarea arborelui. Metoda esteaplicabil pentru orice gabarit al motorului electric asincron de joas tensiune.

Dezavantajele acestei metode sunt: necesitatea proiectrii i realizrii de statoarespecial bobinate, pentru fiecare gabarit i turaie de motor, pentru a putea verifica toatetipurile de colivii rotorice existente pe linia de producie; metoda nu permite identificareatipului de defect rotoric; coliviile rotorice trebuie debavurate nainte de testare deoarece

surplusul de aluminiu influeneaz rezistena echivalenta rotorului [34]

2.2.5. Metoda msurrii variaiei fluxului magnetic

Principiul metodei se bazeaz pe deformarea fluxului magnetic n ntrefier n cazulunor defecte rotorice: bare rotorice ntrerupte; goluri de material sau porozitate; nclinaiegreit a barelor rotorice (dup ce a fost stabilit un etalon); calitate slab a aliajului dealuminiu; sudarea aluminiului cu tolele rotorice; remanena magnetic.

Aceast metod este n general utilizat pentru verificarea rotoarelor pe linia defabricaie.O amplitudine constant a semnalului afiat nseamn absena defectelor, n timp

ce o reducere a amplitudinii, sau absena total a unor semnale, denot prezena unor defecte.Pentru evaluarea rezultatelor, curbele obinute n urma testului sunt comparate cu curbele dedefecte etalon ale aparatului (Fig. 2.3).

Fig. 2.3. Curbe etalon pentru identificarea defectului [Risatti, 2006]: a) Fr defecte; b) Barntrerupt; c) Goluri de material sau porozitate; d) Sudarea aluminiului cu tolele rotorice; e) rotor cucolivie deformat; f) nclinaie greit a barelor rotorice (dup ce a fost stabilit un etalon); g)Remanena magnetic


27/75


27

Dezavantajele acestei metode sunt: n cazul unor defecte combinate, curbele generatedifer de curbele etalon astfel c identificarea defectelor rotorice este imprecis; pentrugabarite diferite de motoare sunt necesare armturi specifice pentru circuitul magneticinductor.

2.2.6. Metoda comparrii parametrilor tehnici ai motorului asincron

Defectele statorice sau rotorice pot fi depistate prin monitorizarea parametrilorelectrici ai motorului asincron ce pot fi msurai din afara acestuia. Curentul este principalul

parametru monitorizat, urmat deputere i cuplu electromagnetic.Bobinele (nfurrile) statorului pot fi utilizate n monitorizarea defectelor rotorice

deoarece orice defeciune a rotorului unui motor electric asincron determin o variaiecaracteristic n citirea curenilor de alimentare. Acest lucru face ca analiza atent acurentului statoric sa dea indicaii privind posibilul defect rotoric [137]. Curentul absorbit deun motor fr defecte ar trebui sa aib o singur armonic a frecvenei de alimentare, iarmodificarile aparute n sarcin vor modula amplitudinea curentului i vor produce armonicisuplimentare [137].

Avantajele acestei metode sunt: neinvaziv; lipsa costurilor suplimentare pentrumonitorizare.

Dezavantajul metodei este c nu poate fi identificat tipul defectului dect dup oanaliz amnunit a spectrului de curent sau de putere, iar acest lucru implic aparatursuplimentar i un operator priceput.

2.4. Principii de proiectare a unui sistem de monitorizare a defectelor

rotorice

Sistemul de monitorizare a defectelor este bazat pe metoda amprentei curentuluistatoric.

n mod normal, se face inregistrarea parametrilor pentru cele 3 faze ale motorului,ns pentru simplificarea implementrii i reducerea costului de dezvoltare se va realizamonitorizarea parametrilor pentru o singur faz a motorului electric. Monitorizarea variaieitensiunii de alimentare este necesar pentru a putea neglija eventualele erori ap rute datoritvariaiei incorecte a acesteia. Variaia necorespunzatoare a curentului electric permitedetectarea erorilor de funcionare, determinate de problemele aprute n structura hardwareamotorului electric.

S-a realizat proiectarea sistemului care se dorete s se construiasc n vedereamonitorizrii parametrilor de funcionare ai motoarelor electrice.

Sistemul include un modul de achiziie a datelor, reprezentat de o platforma ArduinoMega 2560 (Fig. 2.7), conectat la un calculator prin intermediul portului USB, un modul deextensie, care conine senzori specifici pentru msurarea valorilor parametrilor, i o aplicaiesoftware de preluarea a informaiilor nregistrate de modulul de achiziie.

n Fig. 2.6 este prezentat schema bloc a sistemului de monitorizare pentru motoareleasincrone trifazate.


28/75


28

Fig. 2.6. Schema bloc a sistemului de monitorizare

Aplicaia software va realiza prelucrarile necesare ale informaiilor n vedereavizualizrii corespunzatoare a acestora i va permite stocarea lor pentru vizualizari ulterioare,sub forma de fiiere electronice.

Fig. 2.7. Dispozitiv electronic necesar sistemului de monitorizare defecteAplicaie firmware instalat n cadrul modulului de achiziie a datelor, permite

nregistrarea informaiilor referitoare la tensiunea de intrare i curentul utilizat n timpulfuncionrii motorului supus testrii.

Aplicaia client a sistemului de monitorizare permite utilizatorului att stocareainformaiilor nregistrate de ctre modulul de achiziie ct i vizualizarea informaiilornregistrate sub forma grafic. Reprezentarea grafic permite utilizatorului determinareaeventualelor defecte de funcionare ale motorului, prin detecia punctelor de alterare asemnalelor sinusoidale, reprezentative pentru tensiunea de intrare i a curentului utilizat n

timpul funcionriimotorului.Pentru fiecare test efectuat cu motorul se salveaz informaii referitoare la data i ora

efecturii testului, o denumire a testului efectuat i o mic descriere a acestuia (Fig. 2.8).

Fig. 2.8. Salvarea unui nou test n aplicaie


29/75


29

n timpul realizrii unui test utilizatorul poate porni i opri alimentarea cu energie amotorului electric ct i pornirea i oprirea procesului de monitorizare. Modulul de extensienregistreaz informaii specifice testrii doar n perioada n care procesul de monitorizareeste pornit. n timpul realizrii unui test informaiile nregistrate se pot vizualiza sub forma

grafic (Fig. 2.9).

Fig. 2.9. Vizualizarea formelor curenilori a tensiunii din timpul testului

n acelai mod se pot vizualiza informaiile specifice altor teste efectuate anterior.Utilizatorul trebuie doar s selecteze testul anterior realizat n vederea vizualizriiinformaiilor specifice acestuia (Fig. 2.10).

Fig. 2.10. Lista cu testele efectuate i salvate

Ulterior, aplicaiei i se pot adaug noi functionaliti n vederea deteciei automate adefectelor aparute n timpul funcionrii motorului i eventual a tipuluii sursei acestuia.

Pentru validarea acestui sistem de monitorizare sunt necesare teste de laborator.

2.5. Concluzii

n monitorizarea funcionrii motorului asincron este important identificarea i

localizarea defectelor. Metodele de diagnoz n motorulelectric asincron sunt clasificate dupmai multe criterii: n funcie de principalele componente constructive i n funcie deindicatorul de diagnosticare. Fiecare din aceste metode au avantaje i dezavantaje.

Metode de diagnoz a defectelor rotorice - metoda bazat pe analiza amprenteicurentului motorului, metoda msurrii rezistenei echivalente a rotorului, metoda msurriivariaiei fluxului magnetic, metoda comparrii parametrilor tehnici ai motorului asincron

permit identificarea i localizarea defectelor de tip: goluri de material sau porozitate,nclinaie greit a barelor rotorice, material necorespunztor. Limitrile care apar nidentificarea i localizarea defectelor sunt legate n special de precizia echipamentelor de

monitorizare i n special de modul de prelucrare a semnalelor obinute. Modelarea isimularea cu metoda elementelor finite poate s completeze tehnicile actuale de monitorizare.


30/75


30

3.MODELAREA MOTORULUI ASINCRON TRIFAZAT CUBAR ROTORIC NTRERUPT

O diagnoz adecvat, aplicat oricrui tip de motor electric, presupune o bunfundamentare teoretic. Prin utilizarea instrumentelor de simulare se pot evidenia efectelecauzate de defecte asupra performanelor motorului electric i se pot stabili indicatori dediagnoz pentru identificarea i localizarea defectelor.

Analiza bazat pe metode numerice permite observarea schimbrii parametrilorelectrici, magnetici i mecanici ai motorului electric ca urmare a procesului de defectare, fra fi nevoie de scoaterea din funciune a acestuia, sau experimentarea n laboratoare. Ideea

principal este de a nelege comportamentul electric, magnetic i mecanic a motorului

electric att n stare sntoas ct i n condiii de defect (avarie).n acest capitol este descris modelarea motoarelor asincrone trifazate cu rotor n

scurtcircuit de mic i medie putere cu metoda elementelor finite i se prezint rezultateleobinute la simularea motoarelor cu defect de tip bara rotoric ntrerupt, utiliznd pachetulFLUX V11.1.2 2D, n vederea stabilirii unor indicatori eficieni de diagnosticare.

3.1. Modelarea analitic a motorului fr/cu bar rotoric ntrerupt

Modelarea analitic a motorului asincron sta la baza analizei numerice efectuate

pentru punerea n evident a defectelor de tip bar rotoric ntrerupt.Teoria modelrii motoarelor electrice este descris de ecuaiile difereniale ale lui

Maxwell, n care sunt neglijai curenii de deplasare, datorit frecvenei reduse a sursei dealimentare [117].

JH (3.1)

t

BE

(3.2)

0 B (3.3)n aceste relaii:

H- intensitatea cmpului magnetic [A/m];Binducia magnetic [T];J - densitatea curentului electric de conducie [A/m2];E - intensitatea campului electric [V/m];tvariabila timp [s].Mrimile cmpului magnetic i electric sunt legate de proprietile de material prin

urmtoarele relaii:

BBH 2 (3.4)


31/75


31

EJ , (3.5)

unde 2

B este reluctivitatea magnetic sau reluctana specific magnetic (valoarea invers

a permeabilitii magnetice), este conductivitatea electric a materialului n S/m.n domeniul de dependen de timp i cu luarea n considerare a curenilor Foucault,

vectorii intensitate a campului electricEi inducie magneticBsunt exprimate prin mrimeavectorial potenialul magnetic vector A (n Wb/m) i mrimea electric scalar potenialul

electricrU (n V), cu relaiile:

rUt

AE

(3.6)

AB (3.7)

Pentru modelelarea cmpului sunt luate n considerare dou tipuri de materialeconductoare: conductoare solide, care corespund prilor constituente masive ale motorului iconductoare multifilare, care asigur distribuia omogen a curentului n seciunea

transversal a bobinei. Sensul curentului este stabilit de ctre vectorul unitate 1d , dupcum urmeaz:

rm

n

sncn

U

t

A

S

INd

J

Conductoare multifilare statorice

(3.8)

Conductoare solide pentru bare rotorice

Pentru dezvoltarea modelului matematic al motorului electric trifazat asincron, seconsider repartiia cmpului magnetic n planul transversal bi-dimensional (x, y).

Prin nlocuirea potenialului magnetic vector tyxAA z ,,,0,0 n relaiile (3.1)-()se obine:

LU

ttyxA

SINd

y

tyxAB

yx

tyxAB

x

r

mz

n

s

ncn

zz

,,

,,,, 22

(3.9)Pentru modelare, este facil s se utilizeze ca circuit de alimentare o surs de tensiune

trifazat, specific, ce conduce la obinerea unei soluii combinate, ntrecmpul magnetic iecuaiile circuitului electric. nfurrile statorului sunt n modelate ca fiind conductoaremultifilare iar barele rotorului sunt modelate ca fiind conductoare solide, n care se considerefectul curenilor Foucault [17], [59], [73], [84], [171].


32/75


32

3.2. Modelarea numeric n mediu FLUX 2D

3.2.1. Descrierea metodei

Fundamentarea unei metode precise de diagnoz presupune o analiz amnunit

asupra consecinelor defectelor asupra parametrilor de funcionare ai motorului. n acest sens,metoda elementelor finite (FEM) poate fi utilizat cu succes, deoarece ia n considerareneliniaritatea materialului magnetic fiind potrivit pentru investigarea comportamentuluimotorului cu defecte [31].

Pentru a reduce complexitatea modelului i prin urmare a timpului de calcul, nmodelarea FEM a motorului asincron s-au acceptat urmtoarele ipoteze [130]:

- Motorul asincron este considerat o entitate 2D;- Aerul care nconjoara motorul i arborele rotorului nu sunt modelate;- Bobinele sunt modelate considerand c au conductoarele distribuite n mod egal n

crestturi;- Barele rotorice rupte sunt modelate prin creterea valorii rezistivitii materialuluiconstituent al barei de 105ori mai mult dect valoarea iniial [131].

Pentru efectuarea calculelor de FEM este necesar s se realizeze discretizareageometriei motorului n elemente componente. Pentru aceasta, s-au considerat trei tipuri demotoare asincrone trifazate de mic i medie putere, a cror specificaii i parametrii sunt

prezentai n Tabelul 3.1.

Tabel 3.1. Specificaiile i parametrii motoarelor asincrone trifazate analizate

MASI37 MASI55 MASI750

Gabarit 63 71 132Putere [W] 370 550 7500Turatie [rot/min] 1500 3000 1500

Mod de funcionareS1 (funcionarecontinu)

S1 (funcionarecontinu)

S1 (funcionarecontinu)

Tensiune nominal [V] 230/400 230/400 400/690Conexiune stea stea steaFrecvena [Hz] 50 50 50Grad de protecie IP55 IP55 IP55Clasa de izolaie F F F

Lungimea pachetului de tole (fier)[mm]

85 60 190

ntrefier [mm] 0.225 0.25 0.350

Diametrul conductorului de cupru[mm]

0.442 (ET1) 0.516 (ET2) 1+1.05

Numrul de spire n cresttur 143 86 27Numrul de ci de curent n paralel 1 1 1Numrul de crestturi statorice 24 24 36Numrul de bare rotorice 22 20 28Randament [%] 64.37 76.8 87.96Factor de putere 0.73 0.67 0.7605


33/75


33

Cuplu de pornire/Cuplu nominal 2.51 2.73 3.16

Curentul de pornire/Curentulnominal

3.21 5.19 9.36

Alunecarea [%] 15.13 5.2 2.7

Rezistena nfurrii statorice la

20C [] 25.12 15.35 1.267Curentul nominal [A] 1.09 1.27 16.2

Pentru modelarea motorului asincron cu suportul software-ului FLUX 2D se parcurgetapele de mai jos [79], [107], [170].

3.2.2. Realizarea geometriei motoarelor i definirea reelei de elemente finite

a) Definirea parametrilor motoruluib) Crearea sistemelor de coordonate pentru motorc) Crearea diametrelor interioare i exterioare ale motorului pentru realizarea final a

geometriei motoruluid) Controlarea reelelor de elemente finite pentru punctele i liniile care alctuiesc

geometria motorului.Parametrii geometrici afereni motoarelor electrice asincrone studiate sunt dai n

Tabelul 3.2.

Tabel 3.2. Parametri geometrici pentru MASI37, MASI55 i MASI750PARAMETRI MASI37 [mm] MASI55 [mm] MASI750 [mm]Diametru exterior stator 90.2 116.3 200

Diametru interior stator 50 65 125nlime cresttur 10.5 8.5 19Deschidere cresttur 2.15 2.2 2.8nlime deschidere cresttur 0.5 0.5 0.5Raz inferioar cresttur 0.5 0.7 0.7Raz superioar cresttur 1 3.05 2Lime ntrefier 0.225 0.25 0.35Diametru exterior rotor 49.55 64.5 124.3

Diametru interior rotor 18 22 48nlime bar 9.3 6.95 17.66Deschidere bar 0.8 0.75 1nlime deschidere bar 0.55 0.75 0.75Raz inferioar bar 0.59 1.8 1.62Raz superioar bar 1.605 2.255 3.08

Pentru modelul din aceast lucrare, rafinarea a fost fcut la prile inferioar isuperioar ale barelor rotorice, la partea inferioar a crestturii statorice i la intrefier.

e) Generarea, verificarea i salvarea reelelor de elemente finiteCaracteristicile reelei de elemente finite pentru motoarele studiate sunt prezentate n

Tabel .


34/75


34

Tabel 3.3. Elementele reelei pentru motoarele asincron MASI37, MASI55 i MASI750

MASI37 MASI55 MASI750

Procentul de elemente ce nu au fost evaluate 0% 0% 0%Procentul de elemente de calitate excelent 99.34% 99.21% 99.64%

Procentul de elemente de calitate bun 0.65% 0.79% 0.36%Procentul de elemente de calitate medie 0% 0% 0%Procentul de elemente de calitate slab 0% 0% 0%

Numrul de noduri 51868 42541 76321Numrul de elemente de linie 3767 3299 5572Numrul de elemente de suprafa 25903 21246 3124Ordinul elementelor reelei 2 2 2

3.2.3. Definirea materialelor care intr n componena motoarelor

Materialele pot fi importate din baza de date a software-lui sau pot fi definite deutilizator n funcie de curbaB-Hori n funcie de rezistivitate.

n urma definirii materialelor a fost creat o baz de date proprie. Caracteristica B-Hpentru tabla electrotehnic M700-65A este prezentat nFig. 3.6 [32].

Fig. 3.6. Caracteristica de magnetizare a materialului M700-65A

3.2.4. Crearea circuitului electric de alimentare al motoarelor

Schema electric a statorului i a coliviei rotorului este prezentat n Fig. 3.7. Semenioneaz c aceeai schem, cu valori diferite este utilizat pentru toate motoarele

analizate.

Fig. 3.7. Circuitul electric pentru motoarele analizate


35/75


35

n schema din Fig. 3.7 semnificaia mrimilor este:Zimpedana de legare la pmnt;VA, VB, VCtensiunile de alimentare pentru fazele A, B i C;

BA, BB, BCmodule bobine pentru fazele A, B i C;LA, LB, LCinductane capetelor de nfurare a bobinelor pentru fazele A, B i C.Schemele de bobinaj aferente motoarelor MASI37, MASI55 i MASI750 sunt

ilustrate mai jos.

MASI37: 1500 rot/min

MASI55: 3000 rot/min

MASI750: 1500 rot/minFig. 3.8. Schemele de bobinaj ale motoarelor asincrone trifazate studiate

a) Calculul circuitului electric de alimentare al motorului asincronn Tabelul 3.4 sunt date rezultatele parametrilor calculai ai motoarelor MASI37,

MASI55 i MASI750.

Tabel 3.4. Rezultatele parametrilor calculai pentru motoarele analizateParametri MASI37 MASI55 MASI750

BA[] 25.12 15.35 1.267BB[] 25.12 15.35 1.267BC[] 25.12 15.35 1.267LA[H] 0.012745392 0.017805176 0.002064546

LB[H] 0.012745392 0.017805176 0.002064546LC[H] 0.012745392 0.017805176 0.002064546

Rr[] 2.65354E-6 1.82876E-6 1.36013E-6Lr[H] 1.89985E-9 2.09512E-9 4.56936E-9


36/75


36

3.2.5. Definirea problemei de rezolvat

a) Definirea proprietilor fizice.Se realizeaz legtura ntre circuitul electric exterior i geometrie i se definete

sensul curentului prin bobine.Este necesar, de asemenea, definirea prilor mecanice fixe i mobile ale motorului.

n cazul de fa, statorul este partea fix, rotorul este partea mobil avnd viteza i poziiaegale cu 0 rot/min, respectiv 0 grade la timpul t=0 s i momentul de inerie J, msuratexperimental cu valorile prezentate n Tabelul 3.5. ntrefierul este definit ca fiind parteacompresibil.

Tabel 3.5. Momentele de inerie ale motoarelor electrice asincrone modelate

J[kgm2]

MASI37 0.00032MASI55 0.00083MASI750 0.0310

b) Simularea problemei de rezolvat.c) Analiza rezultatelor.

3.3. Simulri n regim staionar la motoarele cu bare rotorice ntrerupte

Pentru calculul numeric al motoarelor n mediu FLUX 2D MASI37, MASI55 iMASI750 a fost ales modulul Steady State AC. Adncimea domeniului motoarelor este

prezentat pentru fiecare motor analizat nTabelul 3.6.

Tabel 3.6. Adncimea domeniului motoarelor asincrone modelate

LFe[mm]

MASI37 85MASI55 60MASI750 190

Pentru simularea motoarelor n regim staionar, s-au considerat valorile nominale aletensiunilor de alimentare i unghiurile de defazaj, definite n regimul staionar (Tabelul 3.7),cu frecvena stabilit la 50 Hz. Se consider funcionarea motorului la sarcin nominal,valorile alunecrii pentru fiecare motor fiind cele prezentate n Tabelul 3.1.

Tabel 3.7. Tensiunile de alimentare i unghiurile de defazaj pentru fiecare faz definite nmodulul regimului staionar

Denumire Faza MASI37 MASI55 MASI750

VA[V] 0 3/400 3/690

VB[V] -120 3/400 3/690


37/75


37

VC[V] 120 3/400 3/690

n continuare, sunt prezentate rezultaltele simulrii pentru fiecare din motoareleanalizate.

3.3.1. Simulri la MASI37

Pentru motorul asincron de putere P=0.37 kW (MASI37) rezultatele i analizasimulrilor sunt prezentate n continuare.

a) Cureni statoricin Tabelul 3.8 sunt prezentate valorile curenilor statorici de faz obinui n regim

staionar, pentru motorului MASI37, fr i cu defecte rotorice de tip bare rupte.S-a calculat coeficientul de nesimetrie al curentului statoric de faz cu relaia:

100max smed

smedsIs

I

IIk (3.15)

unde Ismax este valoarea maxim a curentului de faz, iar Ismed este media aritmetic acurenilor statorici.

Tabel 3.8. Valorile curenilor statorici de faz i a coeficientului de nesimetrie pentruMASI37

Numr bare ntrerupte IA[A] IB[A] IC[A] kIs[%]0 1.07 1.08 1.07 0.62

1 1.04 1.04 1.08 2.532 1.00 1.02 1.08 4.533 0.9 1.02 1.07 7.36

Din tabel se poate observa c nesimetria curenilor statorici crete odat cu cretereanumrului de bare rupte.

b) Cuplul electromagneticn Tabelul 3.9 i Fig. 3.9 este prezentat variaia cuplului electromagnetic, n regim

staionar, pentru motorului MASI37, fr i cu defecte rotorice de tip bare rupte.

Variaia relativ a cuplului electromagnetic Meste calculat cu relaia:

1000

0

M

MMM (3.16)

unde M0 reprezint cuplul electromagnetic pentru MASI fr bare ntrerupte, iar M estecuplul corespunztor motorului cu una, dou sau trei bare ntrerupte.

Tabel 3.9. Variaia cuplului electromagnetic pentru MASI37Numr bare ntrerupte 0 1 2 3

M[Nm] 2.53 2.52 2.45 2.32M[%] 100 99.60 96.84 91.70


38/75


38

M [%] - -0.4 -3.16 -8.30

Fig. 3.9. Variaia cuplului electromagnetic pentru MASI37 fr/cu bare ntrerupte

Se observ c valoarea cuplului electromagnetic scade cu creterea numrului de barentrerupte, ceea ce indic faptul c metoda msurrii cuplului electromagnetic este adecvatpentru identificarea defectelor de tip bar ntrerupt.

c) Curenii rotoriciValorile curenilor n barele rotorice pentru MASI37 oinute prin simulri sunt

prezentate tabelar n Anexa 3.n Tabelul 3.10 sunt prezentate valorile medii Ibmedi maxime Ibmaxale curenilor n

barele rotorice precum i valorile factorului de nesimetrie a curenilor kIb.S-a calculat coeficientul de nesimetrie a curenilor n bara rotoric kIbcu relaia:

100max bmed

bmedbIb

IIIk (3.17)

unde Ibmax este valoarea maxim a curentului n bar, iar Ibmed este media aritmetic acurenilor n barele rotorice.

Tabel 3.10. Nesimetria curenilor n barele rotorice pentru MASI37

Numr bare ntrerupte Ibmed[A] Ibmax[A] kIb[%]0 143.40 149.60 4.321 138.53 169.90 22.60

2 132.09 195.89 48.303 124.34 206.02 65.69

n Fig. 3.10 i Fig. 3.11 este reprezentat distribuia curenilor nbarele rotorice attpentru cazul motorului MASI37 fr/cu una, dou sau trei bare ntrerupte.


39/75


39

a) b)

c) d)Fig. 3.10. Distribuia curenilor n barele rotorice pentru MASI37 fr/cu bare ntrerupte: a) fr barentrerupte; b) bara 1 ntrerupt; c) barele 1 i 2 ntrerupte; d) barele 1, 2 i 3 ntrerupte

Fig. 3.11. Distribuia comparativ a curenilor n barele rotorice pentru MASI37 fr i cu barentrerupte

Verificarea datelor obinute s-a realizat prin calculul cu metoda analitic a curentuluidin bara rotoric [110], cu relaia:

fw

Ib IZ

kmwkI 1

2

112 (3.18)

unde kIeste coeficient pentru calculul circuitului rotoric n funcie de factorul de putere, lasarcin nominal; m este numrul de faze; kw1 este factorul de nfurare pentru armonicafundamental de spaiu a nfurrii primare; w1este numrul de spire al nfurrilor primareiI1feste curentul pe faz n nfurarea primar n A.


40/75


40

Pentru motorul cu P=0.37 kW fr defect rotoric cu relaia (3.18) s -a obinut curentuln bara rotoric 141.3 A, ceea ce este apropiat ca valoare de media curentului obinut lasimulareIbmed=143.4 A (Tabelul 3.10).

Aceasta confirm c datele obinute prin simulare corespund cu cele obinute prin

metoda analitic.n Tabelul 3.11 i Fig. 3.12 sunt prezentate comparativ bar cu bar, valorile relativeale curentului rotoric n cazul rotorului cu o bar, dou bare, respectiv trei bare ntrerupte.Variaia relativ a curentului n bara rotoric se determin cu relaia:

1000

0

bi

biijb

bjI

III (3.19)

undeIbijreprezint curentul pe bara i (i=1,2,3,...,22) corespunztor defectului j (j=1,2,3), iarIbi0 este curentul n bara i pentru rotorul fr defect.

Tabel 3.11. Variaia relativ a curentului n barele rotorice pentru motoriul MASI37Bar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22Ib1[%] -100 23 11 6 -1 -4 -2 0 1 -2 -5 -4 -2 1 0 -3 -4 -3 -3 -5 1 26

Ib2[%] -100 -100 32 19 3 -6 -6 -1 2 -2 -8 -9 -5 1 1 -5 -8 -7 -6 -9 0 39

Ib3[%] -100 -100 -100 48 18 -3 -10 -4 2 -1 -9 -14 -11 -1 2 -4 -11 -12 -10 -13 -3 47

a) b)

c)Fig. 3.12. Variaia relativ a curentului n barele rotorice pentru MASI37 cu bare ntrerupte: a) o barntrerupt; b) dou bare ntrerupte; c) trei bare ntrerupte

n reprezentrile grafice din Fig. 3.12 variaia de -100 % corespunde cazului de defecttip bar ntrerupt.


41/75


41

Constatri: Cnd o bar este ntrerupt total sau parial, o parte din curentul care trecea iniial prin

bar va fi redistribuit n barel alturate. Spre exemplu n cazul motorului MASI37,curentul din bara rotoric 22 crete de la 135.3 A - fr defect, la 198.6 A - trei bare

ntrerupte, adic o cretere relativ a curentului cu 47 %; Factorul de nesimetrie a distribuiei curenilor statorici crete de la 0.62 % la 7.36 %; Factorul de nesimetrie a distribuiei curenilor rotorici crete de la 4.32 % la 65.69 %

odat cu creterea numrului de bare ntrerupte. Aceast nesimetrie se reflect nvariaia de flux magnetic, cuplul electromagnetic i curent statoric.

Metodele de diagnozbazate pe amprenta curentului statoric, msurarea fluxuluimagnetic, vibrodiagnoz sunt eficiente n diagnoza defectelor rotorice



bar va fi redistribuit n barel alturate. Spre exemplu n cazul motorului MASI37,curentul din bara rotoric 20 crete de la 138.91 A - fr defect, la 181.39 A - trei barentrerupte, adic o cretere relativ a curentului cu 31 %;

Factorul de nesimetrie a distribuiei curenilor statorici crete de la 0.52 % la 7.08 %; Factorul de nesimetrie a distribuiei curenilor rotorici crete de la 5.20 % la 55.60 %

odat cu creterea numrului de bare ntrerupte. Aceast nesimetrie se reflect nvariaia de flux magnetic, cuplul electromagnetic i curent statoric.

Metodele de diagnoz bazate pe amprenta curentului statoric, msurarea fluxuluimagnetic, vibrodiagnoz sunt eficiente n diagnoza defectelor rotorice.

n cazul MASI55, curentul din bara rotoric 20 crete de la 138.9 A, pentru motorulfr defect, la 181.4 A, n cazul motorului cu 3 bare rupte, adic o cretere relativ acurentului cu 31%.



bar va fi redistribuit n barel alturate. Spre exemplu n cazul motorului MASI750,curentul din bara rotoric 13 crete de la 413.85 A - fr defect, la 600.47 A - cinci

bare ntrerupte, adic o cretere relativ a curentului cu 45 %; Coeficientul de nesimetrie a distribuiei curenilor statorici crete de la 0.53 % la

5.44 %; Coeficientul de nesimetrie a distribuiei curenilor rotorici crete de la 12.6 % la 68.43

% odat cu creterea numrului de bare ntrerupte. Aceast nesimetrie se reflect nvariaia de flux magnetic, cuplul electromagnetic i curentul statoric.

Metodele de diagnoz bazate pe amprenta curentului statoric, msurarea fluxuluimagnetic, vibrodiagnoz sunt eficiente n diagnoza defectelor rotorice.


42/75


42

3.3.4. Studiul comparativ privind influena materialului pentru circuitul magnetic

n cadrul simulrilor efectuate pentru motorul de putere P=7.5 kW fr i cu barentrerupte, n regim staionar, autoarea realizeaz o analiz detaliat a distribuiei de cmpmagnetic din ntrefierul motorului [32].

Astfel, este propus o abordare detaliat a barelor ntrerupte n cazul utilizrii a doutipuri de materiale pentru circuitul magnetic M700-65A (cu 7 W/kg la 50 Hz i 1.5 T) iM400-65A (cu 4 W/kg la 50 Hz i 1.5 T), productor S.C. ERDEMIR Romnia S.R.L.

CaracteristicileB-Hpentru tabla electrotehnic M700-65A, respectiv M400-65A, estereprezentat n Fig. 3.21.

Fig. 3.21. Caracteristica de magnetizare pentru tabla electrotehnic M700-65A, M400-65A

n aceast analiz este neglijat efectul histerezisului magnetic, ipoteza consideratfiind aceea c materialul magnetic pentru miezul feromagnetic al motorului este izotropic ineliniar [170].

Pentru motorul asincron cu P=7.5 kW, asemntor cazurilor anterioare de modelare,

nfurrile statorului sunt modelate ca fiind conductoare multifilare iar barele rotorului suntmodelate ca fiind conductoare solide, n care se consider efectul curenilor Foucault.Materialul conductor pentru bara rotoric este aluminiu i are rezistivitatea, n cazulmotorului fr defect, =2.87e-8[m].Circuitul de cuplare i paii de calcul ai parametriloracestuia au fost descrii n detaliu n [31]. Pentru simulare, s-au considerat valorile nominaleale tensiunilor de alimentare cu frecvena stabilit la 50 Hz. Se consider funcionareamotorului la sarcin nominal.

Sunt prezentate n continuare rezultatele simulrilor efectuate.n Fig. 3.22 este prezentat distribuia liniilor de cmp magnetic n cazul motorului de

inducie fr/cu bare ntrerupte pentru cele dou tipuri de materiale magnetice.

a) M700-65A b) M700-65A c) M700-65A


43/75


43

d) M400-65A e) M400-65A f) M400-65AFig. 3.22. Distribuia liniilor de cmp magnetic pentru motorul asincron cu P=7.5 kW: a) fr defect -M700-65A; b) dou bare ntrerupte - M700-65A; c) cinci bare ntrerupte - M700-65A; d) fr defect -M400-65A; e) dou bare ntrerupte - M400-65A; f) cinci bare ntrerupte - M400-65A

Se observ c n regim staionar distribuia liniilor de cmp magnetic se modific lantreruperea barelor rotorice pentru ambele tipuri de materiale magnetice. Acest fapt sedatoreaz curenilor care trec din barele ntrerupte n barele alturate. Barele ntrerupte duc lao saturaie magnetic ridicat n jurul lor i, corespunztor, n jurul crestturilor statorice i

prin urmare la o asimetrie ridicat a fluxului magnetic.n Tabelul 3.20 sunt prezentate valorile efective ale potenialului magnetic vector n

ntrefier pentru motorul fr/cu bare ntrerupte pentru cele dou materiale utilizate.

Tabel 3.20. Valorile efective ale potenialului magnetic vector n ntrefierCondiia Materiale A[Wb/m] Variaia relativ [%]

Fr defecte (NBB) M700-65A 0.0205 -M400-65A 0.0204 -

Dou bare ntrerupte(2BB)

M700-65A 0.0207 1.27M400-65A 0.0206 0.93

Cinci bare ntrerupte(5BB)

M700-65A 0.0216 5.52M400-65A 0.0212 3.57

Valorile potenialului magnetic vector n ntrefierul motorului fr/cu defecte pentrucele dou materiale sunt apropiate ca valoare. n cazul unui defect de ntrerupere a cinci bare

rotorice materialul M400-65A, cu pierderi n fier mai mici, are o variaie a potenialuluimagnetic vector de 3.57 % fa de 5.52 % n cazul materialului M700-65A.

n Fig. 3.23 este ilustrat componenta normal, a induciei magnetice n ntrefier cndmotorul nu are/are defecte pentru M700-65A i M400-65A.


44/75


44

a) b)

c) d)

e) f)Fig. 3.23. Componenta normal a induciei magnetice n ntrefier pentru motorul asincron cu P=7.5 kW:a) fr defect - M700-65A; b) dou bare ntrerupte - M700-65A; c) cinci bare ntrerupte - M700-65A; d)fr defect - M400-65A; e) dou bare ntrerupte - M400-65A; f) cinci bare ntrerupte - M400-65A

Se observ c valoarea efectiv a componentei normale a induciei magnetice dinntrefier crete cu ntreruperea barelor rotorice. Apare o distorsiune a componentei normale

pentru cazul motorului cu dou, respectiv, cinci bare ntrerupte care este datorat distribuieicurentului n barele rotorice alturate barelor ntrerupte.

Valoarea maxim a induciei magnetice n dinii statorici, luat pentru doi poli, suntprezentate n Tabelul 3.21 iTabelul 3.22.

Tabel 3.21. Valoarea maxim a induciei magnetice n dinii statorului pentru M700-65A

Nr. dinte

M700-65A

BNBB[T] B2BB [T] B2BB[%] B5BB[T] B5BB[%]1 1.49 1.39 -0.07 1.19 -0.20


45/75


45

2 1.27 1.23 -0.03 1.24 -0.023 0.95 0.9 -0.05 0.89 -0.064 1.47 1.39 -0.05 1.27 -0.145 1.08 1.06 -0.02 1.1 0.02

6 0.84 0.73 -0.13 0.55 -0.357 0.44 0.36 -0.18 0.2 -0.558 -0.18 -0.16 -0.11 -0.21 0.179 -0.05 0.29 -6.80 0.36 -8.20

10 -0.09 0.58 -7.44 0.94 -11.4411 0.04 -0.16 -5.00 -0.2 -6.0012 -0.48 -0.44 -0.08 -0.33 -0.3113 -0.27 -0.34 0.26 -0.27 0.0014 0.31 -0.44 -2.42 -0.72 -3.32

15 -0.09 -0.15 0.67 -0.23 1.5616 -0.07 -0.13 0.86 -0.17 1.4317 0.77 0.69 -0.10 0.44 -0.43

18 1.23 1.17 -0.05 0.96 -0.22

Tabel 3.22. Valoarea maxim a induciei magnetice n dinii statorului pentru M400-65A

Nr. dinteM400-65A

BNBB[T] B2BB [T] B2BB[%] B5BB[T] B5BB[%]1 1.47 1.4 -0.05 1.26 -0.142 1.3 1.28 -0.02 1.29 -0.01

3 0.95 0.92 -0.03 0.91 -0.044 1.39 1.32 -0.05 1.22 -0.125 1.08 1.07 -0.01 1.1 0.02

6 0.78 0.69 -0.12 0.56 -0.287 0.42 0.38 -0.10 0.28 -0.338 -0.18 -0.16 -0.11 -0.2 0.119 -0.04 0.22 -6.50 0.28 -8.00

10 -0.07 0.39 -6.57 0.75 -11.71

11 0.04 -0.15 -4.75 -0.25 -7.25

12 -0.46 -0.42 -0.09 -0.34 -0.2613 -0.27 -0.32 0.19 -0.26 -0.0414 0.14 -0.44 -4.14 -0.68 -5.8615 -0.11 -0.16 0.45 -0.23 1.09

16 -0.07 -0.11 0.57 -0.14 1.0017 0.78 0.7 -0.10 0.49 -0.37

18 1.21 1.14 -0.06 0.99 -0.18

n dinii statorici 9, 10 i 11 valoarea induciei magnetice variaz pentru ambele

materiale, att n cazul ntreruperii a dou bare (2BB), ct i n cazul ntreruperii a cinci barerotorice (5BB), fa de cazul rotorului fr defect (NBB). Astfel, n cazul materialului M700 -


46/75


46

65A, n dintele 10, valoarea induciei magnetice variaz cu 7.44 % pentru dou barentrerupte i cu 11.44 % pentru cinci bare ntrerupte.

Constatri: este necesar utilizarea de materiale magnetice de nalt calitate n construcia

circuitului magnetic al motoarelor asincrone; variaia potenialului magnetic vector conduce la creterea componentelor armonice

ale cmpului magnetic n ntrefier, respectiv la prezena armonicilor de curent, puterei cuplu electromagnetic;

se justific astfel utilizarea metodei de diagnoz a defectelor de bar rotoricntrerupt bazate pe msurarea fluxului magnetic n ntrefier, vibrodiagnoz, amprentacurentului statoric.

3.3.5. Analiz comparativ

n Tabelul 3.23 sunt prezentai comparativ factorii de nesimetrie pentru motoarele deputeri 0.37 kW, 0.55 kW i 7.5 kW cu i fr defect de bar rotoric ntrerupt.

Tabel 3.23. Comparaie ntre factorii de nesimetrie ai motoarele analizate fr i cu defect debar rotoric ntrerupt

Nr. Barentrerupte

MASI37 MASI55 MASI750kIs[%] kIb[%] kIs[%] kIb[%] kIs[%] kIb[%]

0 0.62 4.32 0.52 5.20 0.53 12.601 2.53 22.60 1.86 23.50 - -2 4.53 48.30 4.09 40.77 - -3 7.36 65.69 7.08 55.60 - -5 - - - - 5.44 68.43

Constatri: Coeficientul de nesimetrie a distribuiei curenilor statorici crete cu creterea

numrului de bare rotorice ntrerupte de la 0.62 % la 7.36 % pentru MASI37, de la0.52 % la 7.08 % pentru MASI55 i de la 0.53 % la 5.44 % pentru MASI750;

Coeficientul de nesimetrie a distribuiei curenilor rotorici crete considerabil cucreterea numrului de bare ntrerupte i anume de la 4.32 % la 65.69 % pentruMASI37, de la 5.20 % la 55.60 % pentru MASI55 i de la 12.60 % la 68.43 % pentru

MASI750. Aceast nesimetrie se reflect n variaia de flux magnetic, cuplulelectromagnetic i curent statoric;

Factori de diagnosticare eficieni sunt variaia valorii efective a curentului statoric icoeficientul de nesimetrie al sistemului de cureni statorici.

3.4. Simulri n regim tranzitoriu la motoarele cu bare rotorice ntrerupte

Pentru calculul numeric al motoarelor n mediu FLUX 2D MASI37, MASI55 iMASI750 a fost ales modulul Transient Magnetic. Adncimea domeniului motoarelor este

prezentat pentru fiecare motor analizat n Tabelul 3.6.

Pentru simularea motoarelor n regim tranzitoriu s-au definit tensiunile de alimentare(Tabelul 3.24).


47/75


47

Tabel 3.24. Tensiunile de alimentare i unghiurile de defazaj pentru fiecare faz definite nregimului tranzitoriu

Denumire MASI37 MASI55 MASI750

VA[V] tsin3

2400

tsin3

2690

VB[V]

3

2sin

3

2400

t

3

2sin

3

2690

t

VC[V]

3

2sin

3

2400

t

3

2sin

3

2690

t

n continuare sunt prezentate rezultatele obinute pentru simulri efectuate pe uninterval de 1 s.


a) Distribuia c

Rezumat Teza-Anca CIOBANU

Documents

Transcript of Rezumat Teza-Anca CIOBANU