Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Investeşte în oameni!
FONDUL SOCIAL EUROPEAN
Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013
Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”
Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: „Burse doctorale pentru dezvoltare durabila” BD-DD
Numărul de identificare al contractului: POSDRU/107/1.5/S/76945
Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov
Universitatea Transilvania din Brasov
Școala Doctorală Interdisciplinară
Departament: Inginerie Electrică și Fizică Aplicată
Ing. Anca CIOBANU
Contribuții privind diagnoza defectelor la
motoarele electrice asincrone
Contributions to faults diagnosis in
asynchronous motors
Conducător ştiinţific
Prof.dr.ing. Elena HELEREA
BRAȘOV, 2013
MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV
BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525
RECTORAT
D-lui (D-nei) ..............................................................................................................
COMPONENŢA
Comisiei de doctorat
Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov
Nr. 6062 din 30.09.2013
PREŞEDINTE: Conf. univ. dr. ing. Carmen GERIGAN
DECAN – Fac. de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor
Universitatea “Transilvania” din Brașov
CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof. univ. dr. ing. Elena HELEREA
Universitatea “Transilvania” din Brașov
REFERENŢI: Prof. univ. dr. ing. Radu MUNTEANU
Universitatea Tehnică din Cluj - Napoca
Prof. univ. dr. ing. Virgiliu FIREȚEANU
Universitatea “Politehnica” din București
Prof. univ. dr. ing. Gheorghe SCUTARU
Universitatea “Transilvania” din Brașov
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: luni, 16.12.2013,
ora 10, sala NI1.
Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să
le transmiteţi în timp util, pe adresele [email protected] sau
Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de
doctorat.
Vă mulţumim.
3
CUPRINS
Pg.
teza
Pg.
rezumat
LISTĂ DE NOTAȚII ȘI ABREVIERI 5 -
INTRODUCERE 11 7
CAPITOLUL 1. MECANISME ȘI SURSE DE DEFECTE LA
MOTOARELE ELECTRICE ASINCRONE
15 10
1.1. Motorul electric asincron - Component esențial în sistemele actuale de
acționări electrice
15 10
1.2. Surse ale defectelor la motoarele electrice asincrone 17 10
1.2.1. Defecte statorice 19 11
1.2.1. Defecte rotorice 20 12
1.2.1. Defecte ale rulmenților și de excentricitate 21 12
1.3. Mecanisme de defectare 23 12
1.3.1. Mecanisme de defectare a componentelor structurii metalice 24 12
1.3.2. Mecanisme de defectare a componentelor izolației 25 13
1.4. Studiu de caz – Identificarea și clasificarea defectelor de fabricație 30 13
1.4.1. Descrierea situației existente 30 13
1.4.2. Identificarea şi clasificarea defectelor 33 15
1.4.3. Prelucrarea și interpretarea datelor 39 16
1.5 Concluzii 46 22
CAPITOLUL 2. METODE DE DIAGNOZĂ A DEFECTELOR ÎN
MOTOARELE ELECTRICE ASINCRONE
47 23
2.1. Metode de diagnoză a defectelor statorice 50 -
2.1.1. Metode bazate pe nesimetria curenților statorici 51 -
2.1.2. Metode bazate pe măsurarea fluxului magnetic longitudinal 52 -
2.1.3. Metode bazate pe amprenta curentului statoric 53 -
2.2. Metode de diagnoză a defectelor rotorice 54 24
2.2.1. Analiză și grad de aplicabilitate 54 24
2.2.2. Metoda bazată pe analiza amprentei curentului motorului 57 24
2.2.3. Metoda spectrului puterii instantanee 59 25
2.2.4. Metoda măsurării rezistenței echivalente a rotorului 61 26
2.2.5. Metoda măsurării variației fluxului magnetic 61 26
2.2.6. Metoda comparării parametrilor tehnici ai motorului asincron 63 27
2.3. Metode de diagnoză a defectelor la rulmenți și de excentricitate 63 -
2.3.1. Metode de diagnoză a defectelor la rulmenți 63 -
2.3.2. Metode de diagnoză a excentricității 66 -
2.4. Principii de proiectare a unui sistem de monitorizare a defectelor rotorice 67 27
2.5. Concluzii 72 29
CAPITOLUL 3. MODELAREA MOTORULUI ASINCRON TRIFAZAT
CU BARĂ ROTORICĂ ÎNTRERUPTĂ
73 30
3.1. Modelarea analitică a motorului fără/cu bară rotorică întreruptă 74 30
3.2. Modelarea numerică în mediu FLUX 2D 77 32
3.2.1. Descrierea metodei 77 32
3.2.2. Realizarea geometriei motoarelor şi definirea reţelei de elemente
finite
79 33
3.2.3. Definirea materialelor care intră în componenţa motoarelor 82 34
3.2.4. Crearea circuitului electric de alimentare al motoarelor 82 34
3.2.5. Definirea problemei de rezolvat 86 36
3.3. Simulări în regim staționar la motoarele cu bare rotorice întrerupte 86 36
4
3.3.1. Simulări la MASI37 87 37
3.3.2. Simulări la MASI55 92 41
3.3.3. Simulări la MASI750 96 41
3.3.4. Studiul comparativ privind influența materialului pentru circuitul
magnetic
99 42
3.3.5. Analiză comparativă 104 46
3.4. Simulări în regim tranzitoriu la motoarele cu bare rotorice întrerupte 105 46
3.4.1. Simulări la MASI37 105 47
3.4.2. Simulări la MASI55 109 -
3.4.3. Simulări la MASI750 112 -
3.4.4. Analiză comparativă 114 50
3.5. Concluzii 115 50
CAPITOLUL 4. DETERMINĂRI EXPERIMENTALE PENTRU
IDENTIFICAREA DEFECTELOR ROTORICE
117 51
4.1. Identificarea defectelor rotorice cu metoda rezistenţei rotorice echivalente
şi cu metoda măsurării variației fluxului magnetic
117 51
4.1.1. Descrierea eșantioanelor 117 51
4.1.2. Identificarea defectelor rotorice cu metoda rezistenței echivalente 119 52
4.1.3. Identificarea defectelor rotorice prin metoda măsurării variației
fluxului magnetic
122 54
4.2. Identificarea defectelor rotorice cu metoda compararării parametrilor
tehnici ai motorului asincron
125 56
4.2.1. Eşantioane şi metoda de testare 125 56
4.2.2. Determinarea rezistenței înfășurării statorice 127 58
4.2.3. Încercarea de funcționare în gol 128 58
4.2.4. Încercarea de funcționare la scurtcircuit 130 59
4.2.5. Încercarea de funcționare la sarcină nominală 131 60
4.3. Identificarea defectelor rotorice cu metoda amprentei curentului statoric 134 62
4.3.1. Rezultate și interpretarea datelor pentru rotoare de 0.37 kW 136 63
4.3.2. Rezultate și interpretarea datelor pentru rotoare de 0.55 kW 139 65
4.4. Concluzii 142 66
CAPITOLUL 5. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE.
DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECȚII VIITOARE DE
CERCETARE.
144 67
5.1. Concluzii finale 144 67
5.2. Contribuții originale 146 68
5.3. Diseminarea rezultatelor 146 69
5.4. Direcții viitoare de cercetare 146 69
BIBLIOGRAFIE 148 70
ANEXE 165 -
Scurt Rezumat (română/engleză) 186 73
Curriculum Vitae în limba română 187 74
Curriculum Vitae în limba engleză 188 75
TABLE OF CONTENTS
Pp.
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
1.1. Asynchronous electrical motor - an essential component in the current
systems of electric drives
15 10
1.2. Sources of faults in asynchronous motors 17 10
1.2.1. Stator faults 19 11
1.2.1. Rotor faults 20 12
1.2.1. Bearings and eccentricity faults 21 12
1.3. Failure mechanisms 23 12
1.3.1. Steel structure components failure mechanisms 24 12
1.3.2. Insulation components failure mechanisms 25 13
1.4. Case study - Identification and classification of manufacturing faults 30 13
1.4.1. Description of the existing situation 30 13
1.4.2. Identification and classification of faults 33 15
1.4.3. Processing and data interpretation 39 16
1.5 Conclusions 46 22
CHAPTER 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 24
2.2.1. Analysis and degree of applicability 54 24
2.2.2. Method based on motor current signature analysis 57 24
2.2.3. Instantaneous power spectrum method 59 25
2.2.4. Equivalent rotor resistance measurement method 61 26
2.2.5. Magnetic flux variation measurement method 61 26
2.2.6. Comparing the technical parameters of asynchronous motor method 63 27
2.3. 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 27
2.5. 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 32
3.2.1. Method description 77 32
3.2.2. Creating the motor geometry and mesh 79 33
3.2.3. Defining the materials which are used in motors structure 82 34
3.2.4. Creating the power supply circuit of the motors 82 34
3.2.5. Defining the problem to be solved 86 36
3.3. Steady-state simulations for motors with broken rotor bars 86 36
3.3.1. Simulations for MASI37 87 37
3.3.2. Simulations for MASI55 92 41
3.3.3. Simulations for MASI750 96 41
3.3.4. Comparative study on the magnetic material influence for the core
circuit
99 42
6
3.3.5. Comparative analysis 104 46
3.4. Transient simulations for motors with broken rotor bars 105 46
3.4.1. Simulations for MASI37 105 47
3.4.2. 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 THE
IDENTIFICATION OF ROTOR FAULTS
117 51
4.1. Rotor faults identification with the equivalent rotor resistance
measurement method and with the magnetic flux variation measurement
method
117 51
4.1.1. Samples description 117 51
4.1.2. Identification of rotor faults with the equivalent rotor resistance
measurement method
119 52
4.1.3. Identification of rotor faults with the magnetic flux variation
measurement method
122 54
4.2. Identification of rotor faults with the comparing of technical parameters
of asynchronous motor method
125 56
4.2.1. Samples and test method 125 56
4.2.2. Determining stator winding resistance 127 58
4.2.3. No-load test 128 58
4.2.4. Short-circuit test 130 59
4.2.5. Rated load test 131 60
4.3. Identification of rotor faults with the stator current signature method 134 62
4.3.1. 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 65
4.4. Conclusions 142 66
CHAPTER 5. FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS.
RESULTS DISSEMINATION. FUTURE RESEARCH.
144 67
5.1. Final conclusions 144 67
5.2. Original contributions 146 68
5.3. Results dissemination 146 69
5.4. 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
În rezumat s-au păstrat notațiile figurilor, relațiilor, tabelelor și referințelor bibliografice din teza
de doctorat.
Rezumatul tezei de doctorat
7
INTRODUCERE
Definirea contextului general
Prezenta teză de doctorat abordează teme de mare actualitate în domeniul
monitorizării și diagnozei defectelor motoarelor electrice asincrone.
Priorități în cercetarea științifică
Tema tezei de doctorat este interdisciplinară și conform Strategiei Naţionale de
Cercetare, Dezvoltare şi Inovare 2007-2013 se încadrează în domeniul 1, Tehnologia
informaţiei şi comunicaţii, direcția de cercetare 1.6 Tehnologii pentru sisteme distribuite şi
sisteme încorporate, domeniul 2, Energia, directia de cercetare 2.1, Sisteme şi tehnologii
energetice durabile; securitatea energetică, domeniul 7, Materiale, procese şi produse
inovative, directia de cercetare 7.1, Materiale avansate.
Actualitatea și necesitatea cercetării
Deși există în prezent tehnologii moderne de fabricare a mașinilor asincrone, totuși, în
fabricație apare un numar relativ mare de defecte, care cresc ponderea cheltuielilor legate de
fabricație și măresc consumul de materiale. În ultimii ani s-au dezvoltat metode de diagnoză a
defectelor pe fluxul de fabricație și a defectelor din exploatare. Însă, metodele propuse nu
sunt suficient fundamentate și nu asigura o prognoză adecvată a apariției defectelor.
Motoarele electrice se defecteaza datorită solicitărilor electrice, mecanice, termice și
de mediu. Pentru a menține în limite admisibile performanțele motorului electric și a diminua
rata de defectare, sunt necesare noi investigații pentru stabilirea de noi tehnologi de
fabricație, de noi sisteme de alimentare și control și sisteme adecvate de testare, monitorizare
și diagnoză a funcționării motoarelor. De aceea monitorizarea și diagnosticarea defectelor
reprezintă provocări pentru cercetătorii, proiectanţii şi fabricanţii de motoare electrice.
Obiectivele lucrării
Scopul tezei de doctorat constă în dezvoltarea de metode și tehnici de monitorizare și
diagnoză a defectelor la motorul electric asincron (MASI) în vederea creșterii eficienței
energetice și siguranței în funcționare.
Obiectivele specifice ale cercetării sunt următoarele:
1. Investigarea proceselor de defectare la motorul electric asincron în vederea stabilirii de
metode adecvate de monitorizare și diagnoză a defectelor.
2. Dezvoltarea de metode adecvate de detectare și identificare a defectelor din motorul
electric asincron ca bază pentru proiectarea și implementarea de sisteme de monitorizare.
3. Modelarea și simularea funcționării motorului electric asincron cu defecte rotorice în
vederea fundamentării metodei de diagnoză și prognoză a defectelor prin metoda
amprentei curentului statoric.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
8
Modul de organizare al tezei de doctorat
Prezenta teză de doctorat este structurată într-un număr de șase capitole, la care se
adaugă un capitol introductiv. Teza de doctorat este redactată pe 189 pagini şi conţine un
număr de 75 figuri, 74 tabele, 61 relaţii, 171 referinţe bibliografice şi 6 anexe.
Capitolul 1, intitulat Mecanisme și surse de defecte la motoarele electrice asincrone,
cuprinde o analiză a mecanismelor de defectare și a surselor defectării pentru fiecare parte
componentă a motorului electric asincron în vederea stabilirii de metode adecvate de
monitorizare și diagnoză a defectării. Efectul fiecărui defect în motorul electric asincron face
conexiuni între geometria motorului, proprietatea materialelor utilizate în construcția
motorului, circuitele electrice și câmpurile magnetice din interiorul motorului. De asemenea,
este realizat un studiu de caz pentru identificarea și clasificarea defectelor care apar pe linia
de producție a motoarelor electrice cu scopul stabilirii unui plan de acțiune pentru reducerea
numărului de defecte și implicit a costurilor datorate rebuturilor.
Capitolul 2, intitulat Metode de diagnoză a defectelor în motoarele electrice
asincrone, cuprinde o sinteză a metodelor de diagnoză ca bază pentru sistemele de
monitorizare a regimurilor anormale de funcționare. În funcție de tipul defectului se
deosebesc metode bazate pe analiza: semnalului, a modelului, a teoriei motorului și a
simulărilor. O atenție deosebită este acordată metodei de diagnoză bazată pe amprenta
curentul statoric. Metoda folosește rezultatele analizei spectrale a curentului statoric pentru
detectarea excentricității, a barelor rotorice rupte și defectarea rulmenților. Pe această metode
se bazează și sistemul de monitorizare proiectat de autoare. Au fost descriși pașii urmăriti în
realizarea structurilor hardware și software ai sistemului cât și modul de funcționare a
acestuia.
Capitolul 3, intitulat Modelarea motorului asincron trifazat cu bară rotorică
întreruptă, include prezentarea rezultatelor obținute prin utilizarea mediului FLUX 2D în
regim staționar și în regim tranzitoriu pentru motoare de puteri mici și medii. Modelarea
numerică permite fundamentarea fenomenelor care au loc în motoarele fără/cu defecte de
bară rotorică. Prin urmare sunt ilustrate și analizate efectele principale ale întreruperii barelor
rotorice asupra motoarelor. Au fost propuși coeficienți de asimetrie pentru determinarea
defectelor de bară rotorice întrerupte. Analiza numerică a fost validată cu determinări
experimentale.
Capitolul 4, intitulat Determinări experimentale pentru identificarea defectelor
rotorice, cuprinde măsurători experimentale pentru detectarea defectului de bară rotorică
întreruptă. Sunt prezentate patru metode de diagnosticare a defectelor rotorice și anume:
metoda rezistenței echivalente, metoda măsurării variației fluxului magnetic, metoda
comparării parametrilor tehnici ai motorului și metoda amprentei curentului statoric.
Capitolul 5, intitulat Concluzii finale. Contribuţii originale. Diseminarea rezultatelor.
Directii viitoare de cercetare, prezintă concluziile finale, contribuțiile originale, diseminarea
rezultatelor și direcțiile viitoare de cercetare ale prezentei teze de doctorat.
Rezumatul tezei de doctorat
9
MENȚIUNI
Această teză de doctorat reprezintă rezultatul cercetărilor efectuate în perioada
2010 – 2013 în domeniul Inginerie Electrică din cadrul Universităţii Transilvania din Braşov
cu sprijinul Programului Operațional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane (SOP-HRD),
ID76945, finanțat de Fondul Social European și de Guvernul României.
Doresc să adresez sincere mulțumiri conducătorului științific Prof. Univ. Dr. Ing.
Elena HELEREA pentru îndrumarea, implicarea, recomandările făcute și sprijinul acordat
de-a lungul pregătirii mele doctorale. Totodată, prin atitudinea și abnegația de care a dat
dovadă, domnișoara Prof. Univ. Dr. Ing. Elena HELEREA reprezintă un model demn de
urmat în viață.
Îi mulțumesc, în mod deosebit, domnului Dr. Ing. Ioan PETER pentru sprijinul
științific, suportul tehnic și sfaturile oferite în decursul celor trei ani de pregătire doctorală.
Mulțumesc domnului Ing. Adrian MIJA și colectivului laboratorului de testări
motoare electrice din cadrul S.C. Electroprecizia Electrical Motors S.R.L. pentru
posibilitatea și sprijinul acordat în desfășurarea activității de determinări experimentale.
Mulțumesc companiei CEDRAT pentru furnizarea software-lui FLUX V11.1.2 fără
de care nu aș fi putut realiza modelarea numerică din această teză de doctorat.
Mulțumesc domnilor Prof. Univ. Dr. Ing. Radu MUNTEANU, Prof. Univ. Dr. Ing.
Virgiliu FIREȚEANU și Prof. Univ. Dr. Ing. Gheorghe SCUTARU pentru deosebita onoare
ce mi-au făcut acceptând propunerea de a face parte din comisia de evaluare și susținere a
tezei de doctorat, pentru parcurgerea tezei de doctorat și pentru sugestiile oferite.
Mulțumesc doamnei Decan Conf. Univ. Dr. Ing. Carmen GERIGAN pentru sprijinul
acordat ca președinte în Comisia de evaluare și susținere a tezei de doctorat.
Mulțumesc cadrelor didactice şi colegilor din cadrul Departamentului de Inginerie
Electrică şi Fizică Aplicată al Facultăţii de Inginerie Electrică şi Ştiinţa Calculatoarelor de
la Universitatea Transilvania din Braşov pentru sprijinul și sfaturile acordate pentru
finalizarea în bune condiții a tezei de doctorat.
În final, dar nu în ultimul rând, doresc să mulțumesc părinților mei pentru răbdarea,
înțelegerea, suportul moral și dragostea pe care mi le-au oferit pentru finalizarea tezei de
doctorat și mai ales de-a lungul vieții. Mulțumesc familiei și prietenilor mei care m-au
încurajat și m-au susținut.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
10
1. MECANISME ȘI SURSE DE DEFECTE LA MOTOARELE
ELECTRICE ASINCRONE
În prezentul capitol este realizată o analiză asupra surselor și mecanismelor de
defectare la motoarele electrice asincrone și este elaborat un studiu de caz pentru identificarea
și clasificarea defectelor care apar pe linia de producție a motoarelor electrice cu scopul
stabilirii unui plan de acțiune pentru reducerea numărului de defecte și implicit a costurilor
datorate rebuturilor.
1.1. Motorul electric asincron - Component esențial în sistemele actuale de
acționări electrice
Utilizarea motoarelor asincrone în sistemele actuale de acţionare electrică ridică noi
cerinţe constructive şi indicatori noi de performanţă. În acest sens, standardul IEC 60034-
30:2008 definește trei clase de randament internațional notate IE1 (randament standard), IE2
(randament ridicat), IE3 (randament premium) pentru motoarele electrice trifazate cu rotorul
în scurtcircuit, cu o singură viteză (ANEXA 1).
În Fig. 1.1 sunt reprezentate grafic valorile în procente pentru clasele de randament IE
la motoarele electrice cu 2 și 4 poli, cu puteri cuprinse între 0.75-75 kW și la frecvența de
alimentare de 50 Hz.
Fig. 1.1. Valorile claselor de randament conform IEC 60034-30:2008
Din figură se observă că pentru motoarele de mică putere randamentul limită minim
impus este de cca 70% (0,75 kW), iar pentru motoarele de medie putere nivelul limită impus
este de peste 90% (75 kW). Pentru realizarea clasei premium de randament (IE3) sunt
necesare procedee tehnologice de fabricație și sisteme de monitorizare adecvate.
1.2. Surse ale defectelor la motoarele electrice asincrone
Pentru a înțelege apariția defectului și pentru a putea construi o shemă de detecție a
acestora trebuie cunoscute sursele și cauzele defectării motoarelor electrice.
În Tabelul 1.1 sunt prezentate sursele defectării și tipurile de defecte la motoarele
electrice conform clasificării prpuse de Al-Kazzaz [82]:
Rezumatul tezei de doctorat
11
Tabel 1.1. Surse ale defectării şi tipuri de defecte la motoarele electrice
SURSE DE DEFECTARE
SURSE INTERNE SURSE EXTERNE
MECANICE ELECTRICE MECANICE ELECTRICE DE MEDIU
deplasarea
bobinelor,
lovituri ale
rotorului,
defectele
rulmenților,
excentricitate
străpungeri
electrice
întreruperi
ale barelor
rotorice,
defecte ale
circuitului
magnetic
sarcină
pulsatorie,
suprasarcină,
montaj
defectuos
tensiuni
tranzitorii,
tensiuni
dezechilibrate
variații ale
tensiunii (goluri,
întreruperi,
variaţii lente)
temperatura,
umiditatea,
praf ,
ciuperci etc.
Acestă clasificare este utilă în analiza cauzelor defectării şi în fundamentarea planului
de mentenanţă, pentru care este necesar să se cunoscă nivelul solicitărilor electrice, mecanice
şi de mediu care pot induce defecte.
După probabilitatea de apariţie, defectele în motorul electric se împart în patru grupe
principale [68], care sunt prezentate în Fig. 1.2.
Fig. 1.2. Clase de defecte în motorul electric
Astfel, cea mai mare pondere o au defectele de rulmenţi (40 %), urmate de defectele
statorice (38 %), urmate de defectele rotorice (aprox. 10 %).
1.2.1. Defecte statorice
Defectele statorice sunt cauzate de solicitările electrice, mecanice şi de mediu, fiind
clasificate în defecte ale miezului magnetic şi ale înfăşurărilor. Majoritatea defectelor
statorului se produc datorită distrugerii izolației în timpul unui scurtcircuit în înfăşurările
statorice. Scurtcircuitele pot fi de următoarele tipuri [143]: scurtcircuit între spirele aceleiaşi
faze, scurtcircuit între bobinele aceleiaşi faze, scurtcircuit între două faze, scurtcircuit între
fază şi pământ.
În funcție de tipul scurtcircuitului și de condițiile de funcţionare, la producerea unui
defect, motorul se opreşte sau poate continua să funcționeze. Scurtcircuitul între faze și
scurtcircuitul între fază și pământ cauzează oprirea instantanee a motorului [143].
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
12
1.2.2. Defecte rotorice
Defectele de bară rotorică ruptă şi/sau de inele de scurtcircuitare întrerupte conduc la
funcţionarea asimetrică a motorului trifazat asincron cauzând: dezechilibre ale curenţilor,
pulsaţii ale cuplului electromagnetic, creşterea pierderilor, performanţă scăzută de pornire şi
solicitări termice ridicate [155].
Execuţia coliviei rotorice influenţează parametrii de funcţionare ai motoarelor
asincrone. Randamentul, alunecarea, curentul nominal, supratemperatura bobinajului, cuplul
de pornire sunt cei mai importanţi parametri care sunt afectaţi. De obicei, calitatea slabă a
coliviei rotorice se observă la testarea finală a motorului [34]. În prcesul de fabricaţie, pe
langă utilizarea de mașini de turnat colivii performante și stricta observare a parametrilor
materialelor utilizate și a tehnologiei de turnare, introducerea unui filtru de control cu care
defectele coliviei rotorice să fie detectate este necesară [34].
Deși defectul de bară rotorică întreruptă reprezintă doar 5%-10% din totalul defectelor
întâlnite în motorul asincron, cele mai multe studii au fost efectuate asupra acestui tip de
defect [68], [104].
1.2.3. Defecte ale rulmenților și de excentricitate
Defecte ale rulmenților
Defectarea rulmenților este de obicei progresivă dar în cele din urmă duce la scoaterea
motorului din funcțiune. Problemele sunt adesea cauzate de montarea incorectă a rulmentului
pe arbore sau în carcasă [109]. Nealinierea rulmentului este, de asemenea, un rezultat al
instalării defectuoase. Deplasarea mecanică rezultată din defectarea rulmentului face ca
întrefierul motorului să varieze într-o manieră care poate fi descrisă de o combinație a
excentricității de rotație care se deplasează în ambele direcții.
Excentricitatea
Excentricitatea de stator și rotor este unul din defectele des întalnite în motoarele
asincrone, care contribuie cu un procent considerabil la defectarea motorului. Când
excentricitatea devine mare, forțele radiale dezechilibrate rezultate pot conduce la frecarea
rotorului de stator și 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 bază solicitările
termice, mecanice electrice și de mediu.
Supraîncălzirea barelor rotorice și a inelelor de scurtcircuitare poate conduce la
topirea materialului de sudare sau chiar a coliviei [19]. Sursa de încălzire poate fi localizată
fie în bară (bara este o sursă de încălzire în special în timpul pornirilor repetitive, la blocaj
sau la accelerare) fie în miezul rotoric prin transfer de caldură de la bare. Acesta este cazul
tolelor sudate (lipite). Mai mult decât atât, atunci când tensiunea de alimentare este
dezechilibrată, sunt induși în rotor curenți mari datorită impedanței mici de secvență negativă.
În continuare, aceste secvențe negative de curent sunt distribuite inegal în secțiunea barei
datorită prezenței efectului pelicular la înaltă frecvență ((2-s)f1 - s reprezintă alunecarea în %
Rezumatul tezei de doctorat
13
și f1 reprezintă frecvența fundamentală a tensiunii de alimentare în Hz) [130]. În final, la
viteze mici, efectul pelicular tinde să crească gradientul termic prin bară ceea ce duce la
accelerarea degradării acesteia.
Forțele magnetice produc vibrația barelor. Totuși, datorită rotației rotorului, forțele
centrifuge nu permit deformarea barelor La viteze de rotație mici, forțele centrifuge sunt de
asemenea mici, deoarece frecvența curentului rotoric este de 50 Hz, și astfel barele vibrează
conducând la oboseala mecanică. Situația este diferită la viteze ridicate unde forțele
centrifuge sunt mult mai mari decât forțele magnetice [130].
1.3.2. Mecanisme de defectare a componentelor izolației
Mecanismele de defectare ale materialelor electroizolante au la bază procesele de
îmbătrânire termică, electrică, mecanică, de mediu și sinergismele între aceste procese.
Îmbătrânirea termică
Îmbatrânirea termică apare atunci când temperatura materialului izolant este suficient
de mare ca să ducă la degradarea proprietăților mecanice și electrice ale acestuia [75], [76].
Îmbătrânirea electrică
Imbătrânirea electrică apare când solicitarea electrică aplicată izolației depăşeşte un
anumit prag. O tensiune mai ridicată decât tensiunea nominală sau un raport dV/dt ridicat
(comutatorea condensatorului de îmbunătăţire a factorului de putere, închiderea/deschiderea
circuitului de alimentare, comanda PWM a invertorului etc.) determină îmbătânirea izolaţiei
electrice.
Îmbătrânirea mecanică
Circuitele magnetice și electrice ale motoarelor electrice sunt separate de materiale
electrizolante (filme, fibre, rășini naturale/sintetice) care au, în general, proprietăți mecanice
scăzute. Interacțiunea curentului statoric cu câmpul magnetic determină forţe care acționează
asupra conductoarelor bobinei. Rezultă vibrații care provoacă scăderea rezistenţei mecanice a
izolației, urmată de eroziunea și abraziunea miezului magnetic [132].
Îmbătrânire de mediu
Prezența umidităţii sau a produselor chimice determină scăderea performanţelor
materialelor conductoare, magnetice şi, mai ales a celor electroizolante. Degradarea calităţii
izolației induce defecte ale ansamblului înfăşurare – circuit magnetic – sistem de izolaţie
[Noţinger,2002].
Sinergism în mecanismele de îmbătrânire
Funcționarea motoarelor electrice are loc în prezența a două sau mai multe solicitări,
astfel că mecanismele de îmbătrânire sunt complexe, ceea ce determină accelerarea
proceselor de îmbătrânire [76].
1.4. Studiu de caz – Identificarea și clasificarea defectelor de fabricație
1.4.1. Descrierea situației existente
Obiectivul studiului de caz este identificarea și clasificarea defectelor motoarelor
electrice asincrone pe linia de fabricație de la S.C. Electroprecizia S.A. Săcele, în vederea
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
14
stabilirii unei strategii de reducere a rebuturilor în procesul tehnologic de fabricație și
fundamentarea amplasării punctelor de control.
La S.C. Electroprecizia S.A. Săcele se fabrică motoare asincrone de mică și medie
putere cu rotorul în scurtcircuit și unele motoare speciale.
În Fig. 1.7 este prezentată schema bloc a tehnologiei de fabricație, în care sunt
indicate punctele de control a calităţii execuţiei.
Fig. 1.7. Puncte de control incluse în tehnologia de fabricație a motoarelor electrice asincrone
Se observă că la execuția motorului asincron există trei bancuri de control pe linia de
fabricație și anume:
B1 - bancul de echilibrare rotoare, unde se pot depista defecte de tip gol de material sau
bară întreruptă plasat între modulul de fabricație rotoare și modulul de fabricație
statoare;
B2 - banc de control statoare, în care se depistează defectele de scurtcircuitare și de
montaj, plasat între modulul de bobinare statoare, înainte de impregnarea acestora în lac
electroizolant, și montare motoare;
B3 - bancul de control final, care permite identificarea defectelor motoarelor, plasat între
asamblarea motoarelor și magazie.
Situația defectelor este înregistrată numai la bancurile de control B2 și B3.
Tehnologia de control a statorului prevede ca înainte ca seria de statoare bobinate să
ajungă să fie controlate în bancul de control B2 din producție, un stator bobinat, ales aleator,
să fie testat în laboratorul de încercări. Totuși, este nevoie de o proiectare atentă a punctelor
de control pentru a depista rapid defectele și pentru a nu strangula producția.
Situațiile întocmite privind defectele de fabricație a motorului asincron cu rotorul în
scurtcircuit pe bancurile de control au fost analizate de autoare, permițând identificarea și
clasificarea defectelor.
Rezumatul tezei de doctorat
15
1.4.2. Identificarea şi clasificarea defectelor
A fost analizată situația înregistrată pe bancul de control B2 referitoare la depistarea
defectelor de scurtcircuitare și de montaj pentru stator. În Tabelul 1.5 sunt prezentate tipurile
de defecte statorice identificate de autoare și metodele de testare utilizate în bancul de
control.
Tabel 1.5. Tipuri de defecte statorice de fabricație şi metode de identificare
Nr. Tipuri de defecte Metode de identificare Observații
1 Străpungere fază-pământ
Se aplică o tensiune de
încercare între carcasa
statorului și fiecare fază
în parte, cu ajutorul
aparatului pentru
verificarea și localizarea
defectelor izolației
electrice, tip A.E.L.2
Dacă are loc
străpungerea,
se aprinde lampa de
semnalizare.
2 Străpungere între faze
Se aplică o tensiune de
încercare între faze cu
aparatul pentru
verificarea și localizarea
defectelor izolației
electrice, tip A.E.L.2
Dacă are loc
străpungerea se
aprinde lampa de
semnalizare.
3 Legături greșite ale bobinelor Verificarea se realizează
vizual.
4 Rezistență diferită pe fază
Rezistența diferită pe
fază se verifică cu
ajutorul unui ohmetru
între fazele statorului.
Se acceptă o
toleranță de 1% între
faze.
5 Cote necorespunzătoare
Cotele se măsoară cu
ajutorul unui șubler.
Cotele trebuie să fie
conforme
documentației.
6 Spire ieșite din capul de bobină
(spire neizolate)
Verificarea se realizeză
vizual.
7 Amplasare necorespunzătoare a
izolației
Verificarea se realizeză
vizual.
8 Sudură necorespunzătoare Verificarea se realizeză
vizual.
9 Conductori de conexiune
necorespunzători
Verificarea se realizeză
vizual.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
16
A fost analizată situația înregistrată pe bancul de control B3 referitoare la depistarea
defectelor pentru motor. În Tabelul 1.6 sunt prezentate tipurile de defecte identificate de
autoare și metodele de testare utilizate în bancul de control:
defecte critice - pentru care motoarele nu mai pot fi reparate și sunt considerate
rebuturi;
defecte principale - pentru care motoarele pot fi reparate;
defecte secundare - datorate montării defectuoase, dar care pot fi remediate.
Tabel 1.6. Tipuri de defecte întâlnite după asamblarea motorului
Defecte critice Defecte principale Defecte secundare
Străpungeri Io; Po; Ik; Pk; CDF (Curent
Diferit pe Fază)
Excentricitate
Fază întreruptă Vibrații Alte defecte de fabricație
Rulment blocat Frecări
Legături greșite Zgomot la rulment
Cuplu de pornire Zgomot electromagnetic
Fum din bobinaj Sens de rotație invers
1.4.3. Prelucrarea și interpretarea datelor
A. Prelucrarea și interpretarea datelor pentru defectele statorice
În Tabelul 1.8 este trecută situația centralizată a eșantionului de statoare de MASI
monitorizate în anul 2010.
Tabel 1.8. Situația centralizată a eșantionului de statoare de MASI monitorizate în anul 2010
Luna 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Total
Statoare
testate în
2010 - Nst
16617 20109 24428 20817 25414 25681 24234 19827 27012 22843 25916 16487 269385
În Tabelul 1.9 sunt consemnate numărul de defecte monitorizate și categoria de
defecte depistate la eșantionul examinat în anul 2010.
Tabel 1.9. Numărul de defecte monitorizate și categoria de defecte depistate la eșantionul
examinat în anul 2010
Luna
Defecte - Nds 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Total
defecte/an
NdsT
Străpungere fază-pământ 133 160 199 214 318 418 379 226 376 289 342 191 3245
Străpungere între faze 76 95 122 204 272 410 319 271 354 279 292 234 2928
Legături greșite 2 10 20 12 17 21 15 3 16 7 10 3 136
Rezistență diferita pe fază 30 11 24 38 18 20 35 17 24 10 25 16 268
Cote necorespunzătoare 46 79 104 104 163 184 159 112 246 145 254 90 1686
Spire ieșite din capul de
bobină 24 32 62 63 110 88 63 41 96 72 111 33 795
Rezumatul tezei de doctorat
17
Amplasare
necorespunzătoare a
izolației
119 137 173 178 392 366 316 248 362 286 369 198 3144
Sudură necorespunzătoare 47 55 86 86 115 162 178 94 136 182 95 80 1316
Conductori de conexiune
necorespunzători 36 26 68 62 65 43 62 51 71 81 57 48 670
Total defecte
statorice/lună - Ndst 513 605 858 961 1470 1712 1526 1063 1681 1351 1555 893 14188
Pentru analiza defectelor se defineşte: Nds numărul de defecte statorice pe categorii,
Ndst numărul total de defecte statorice pe lună și NdsT numărul total de defecte statorice pe
categorii pe an.
Ponderea defectelor statorice este reprezentată în Fig. 1.11 și totalul defectelor
statorice pe lună este ilustrat în Fig. 1.12.
Fig. 1.11. Ponderea defectelor statorice observate pe linia de fabricație în anul 2010
Majoritatea defectelor depistate la statoare sunt de tip electric și anume străpungere
fază-pământ (22.87%) și străpungere fază-fază (20.64%), urmate de defecte de tip mecanic
precum izolația necorespunzătoare (22.16%).
Fig. 1.12. Totalul defectelor statorice
Se observă că distribuția totală a defectelor statorice depinde proporțional de
producția de statoare.
Distribuția defectelor pe perioada monitorizată și pe categorii este reprezentată grafic
în Fig. 1.13.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
18
a) b)
c) d)
e) f)
g) h)
Rezumatul tezei de doctorat
19
i)
Fig. 1.13. Distribuția defectelor în anul 2010 și tipuri de defecte monitorizate: a) străpungere fază-
pământ; b) străpungerea fază-fază; c) legături greșite; d) rezistență diferită pe fază; e) cote
necorespunzătoare; f) spire ieșite din capul de bobină; g) izolație necorespunzătoare; h) sudură
necorespunzătoare; i) conductori de conexiune necorespunzători
Din Fig. 1.13.a se observă o creștere a defectelor tip străpungere fază-pământ în lunile
iunie și iulie când au fost încercate 25681, respectiv 24234 statoare.
Creșterea defectelor în lunile iunie și iulie se poate datora fabricării de statoarelor cu
puteri mici, în care capul de bobină se formează cu dificultate, fapt ce duce la forfecarea
izolației. Alte motive sunt dimensiunile mici ale izolației între faze sau lovirile
conductoarelor în timpul formării capului de bobină.
Tipurile diversificate de statoare fabricate și cantitatea acestora pot fi o cauză a
creșterii defectelor tip legături greșite. Introducerea pe fluxul de fabricație a unor tipuri de
statoare ale caror caracteristici (tensiune, rezistență, număr de spire) se schimba poate
influența creșterea defectelor tip rezistență diferită pe fază.
B. Prelucrarea și interpretarea datelor pentru defectele motorului
În Tabelul 1.10 este trecută situația centralizată a eșantionului de MASI monitorizate
în anul 2010.
Tabel 1.10. Situația centralizată a eșantionului de MASI monitorizate în anul 2010
Luna 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Total
MASI testate
în 2010 – Nm 15064 18616 22957 20562 23942 25141 24360 18277 25556 23054 24511 18118 260158
În Tabelul 1.11 sunt consemnate numărul de defecte monitorizate și categoria de
defecte depistate la eșantionul examinat în anul 2010 pentru MASI.
Tabel 1.11. Numărul de defecte monitorizate și categoria de defecte depistate la eșantionul de
MASI examinat în anul 2010
Luna
Defecte-Ndm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Total
defecte/an
NdmT
Străpungeri 235 223 313 225 262 319 309 236 321 297 356 226 3322
Fază întreruptă 71 74 64 84 49 92 74 70 133 135 114 111 1071
I0; P0; Ik; Pk; CDF 62 75 75 39 88 125 137 60 127 165 96 110 1159
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
20
Excentricitate 286 300 376 344 371 377 373 278 378 377 465 331 4256
Zgomot la rulment 79 103 92 59 76 87 114 70 126 97 96 23 1022
Zgomot electromagnetic 37 44 20 12 6 46 43 39 43 31 27 26 374
Alte defecte 0 23 22 37 20 19 30 20 0 71 58 28 328
Totalul defectelor
motoarelor/luna- Ndmt 770 842 962 800 872 1065 1080 773 1128 1173 1212 855 11532
Pentru analiza defectelor se defineşte: Ndm numărul de defecte ale motoarelor pe
categorii, Ndmt numărul total de defecte ale motoarelor pe lună și NdmT numărul total de
defecte ale motoarelor pe categorii pe an.
Ponderea defectelor motoarelor monitorizate este reprezentată în Fig. 1.14 și totalul
defectelor motoarelor pe lună este ilustrat în Fig.1.15.
Fig. 1.14. Ponderea defectelor motoarelor monitorizate
Defectele de excentricitate sunt de natură mecanică și reprezintă cea mai mare
pondere (36.91%), fiind urmată de defectele de tip electric și anume străpungerea (28.81%).
În acest caz defectele datorate barelor întrerupte pot fi regăsite în ponderea de 10.05% prin
curenții de mers în gol, precum și în ponderea de 3.24% prin zgomotele de tip
electromagnetic.
Fig. 1.15. Totalul defectelor motoarelor
Distribuția defectelor pe perioada monitorizată și pe categorii este reprezentată grafic
în Fig. 1.16.
Rezumatul tezei de doctorat
21
a) b)
c) d)
e) f)
g)
Fig. 1.16. Distribuția defectelor motoarelor în anul 2010 și tipuri de defecte monitorizate: a) străpungere;
b) fază întreruptă; c) I0; P0; Ik; Pk; CDF; d) excenticitate; e) zgomot la rulment; f) zgomot
electromagnetic; g) alte defecte
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
22
Defectele datorate străpungerii izolației, chiar și după impregnarea statorului, sunt
într-un procentaj destul de mare. Aceste defecte se datorează lovirii izolației statorului în
timpul transportării sau la presarea acestuia în carcasă.
Analiza defectelor pe linia de fabricație a permis stabilirea unui plan de acțiune pentru
reducera numărului de defecte:
Investigarea posibilității utilizării de noi materiale electroizolante, mai rezistente la acțiunea
factorilor tehnologici - O soluție pentru reducerea defectelor datorate sistemului de izolație
este îmbunătățirea calității materialelor izolatoare utilizate și a proceselor de tratare;
Dezvoltarea de noi metode de verificare;
Implementarea unei proceduri de monitorizare, în care sunt introduse noi posturi de
verificare;
Pentru reducerea rebuturilor din cauza defectelor tip străpungere fază-pământ și străpungere
fază-fază se poate înlocui conductorul ET1 (conductor pentru bobinaj acoperit cu un strat de
email tereftalic) cu conductorul ET2 (conductor pentru bobinaj acoperit cu două straturi de
email tereftalic);
Mecanizarea și automatizarea tuturor etapelor din procesul tehnologic de fabricație a
mașinilor asincrone și anume: automatizarea împachetării statorului și rotorului, bobinarea
mecanizată pentru toate tipurile de statoare (rotoare), sudură mecanizată a legăturilor dintre
bobine, sudură mecanizată a conductorilor de conexiuni și bandajarea capetelor de bobină
mecanizată.
1.5. Concluzii
Menținerea performanțelor motorului electric în limitele admisibile impuse de
standarde și implicit diminuarea ratei de defectare este realizabilă prin identificarea surselor
și cauzelor defectării.
Clasele de defecte în motorul electric asincron sunt: defectele statorice, defectele
rotorice, defectele rulmenților și de excentricitate. Sub acținea solicitărilor electrice, termice
și de mediu se produc degradări și îmbătrâniri, principalele mecanisme de defectare fiind cele
ale componentelor structurii metalice și cele ale sistemului de izolație electrică.
Studiul de caz realizat permite identificarea și clasificare defectelor care apar în
fabricația motoarelor electrice asincrone de mică și medie putere. S-a analizat tehnologia de
fabricare a motoarelor electrice din cadrul S.C. Electroprecizia – Electrical Motors S:R.L și
modul de amplasare a punctelor de monitorizare și control a motoarelor pe linia de fabricație.
Este propus un plan de acțiune pentru reducerea numărului de defecte care cuprinde:
îmbunătățirea calității materialelor izolatoare utilizate, implementarea de proceduri de testare
a subansamblelor, controlul în sistemele de mecanizare și automatizare a procesului
tehnologic de fabricație a motoarelor asincrone.
Rezumatul tezei de doctorat
23
2. METODE DE DIAGNOZĂ A DEFECTELOR ÎN
MOTOARELE ELECTRICE ASINCRONE
Prezentul capitol cuprinde o sinteză a metodelor de diagnoză ca bază pentru sistemele
de monitorizare a regimurilor anormale de funcționare.
Fig. 2.1. Metode de monitorizare și diagnoză a defectelor în motoarele electrice
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
24
Metodele de monitorizare și diagnoză prezentate în figura de mai sus au fost
dezvoltate și adoptate în industrie ca o strategie de reducere a costurilor fie utilizate
independent fie combinate pentru o mai bună acuratețe.
Metodele de diagnoză au început să fie implementate cu costuri relativ mici utilizând
diferite echipamente si sisteme de măsurare, spre exemplu, senzori speciali construiţi pentru
curent [139].
2.2. Metode de diagnoză a defectelor rotorice
2.2.1. Analiză și grad de aplicabilitate
În prezent, există cercetări [3], [4], [35], [134], [135], [51] legate de identificarea și
localizarea defectelor rotorice care au dus la dezvoltarea și implementarea unor metode de
diagnoză bazate pe monitorizare on-line:
Metoda emisiei acustice;
Metoda vibrodiagnozei;
Metoda măsurării vitezei unghiulare instantanee;
Metoda măsurării cuplului electromagnetic din întrefier;
Metoda măsurării fluxului magnetic în întrefier;
Analiza spectrală a tensiunii de alimentare;
Analiza amprentei curentului motorului;
Metoda măsurării puterii instantanee.
Pentru anumite regimuri de funcționare (repetabilitatea sarcinii, a vitezei, zgomot
intens și neidentificabil etc.) au fost dezvoltate și metode off-line de diagnoză [100] și anume:
Metoda tensiunii induse; Analiza circuitului motorului; Metoda măsurării rezistenței
echivalente a rotorului; Metoda testării la strapungere / supratensiune. Aceste metode sunt
utilizate pentru detectarea defectelor timpurii și de fabricație.
2.2.2. Metoda bazată pe analiza amprentei curentului motorului
Metoda de diagnoză utilizând analiza amprentei curentului motorului (MCSA) este
cea mai frecventă formă de analiză a semnalului utilizată în monitorizarea electrică deoarece
nu necesită acces la parametri motorului electric. MCSA folosește rezultatele analizei
spectrale a curentului statoric pentru detectarea excentricității, a barelor rotorice rupte și
defectarea rulmenților [138]. Dezavantajul MCSA este că nu poate fi folosită pentru toate
condițiile de funcționare [2].
La alimentarea motorului asincron trifazat fără defecte cu un sistem trifazat, simetric
de tensiuni, de frecvență f1, se produce un câmp magnetic învartitor, care se rotește cu turația
de sincronism [110]:
p
fn 1
1
60 (2.10)
unde p este numărul de perechi de poli ai înfășurării statorice.
Rezumatul tezei de doctorat
25
Alunecarea caracterizează viteza n mai mică decât viteza de sincronism cu care se
învarte rotorul:
1
1
n
nns
(2.11)
Frecvența curenților rotorici este denumită frecvența de alunecare și este dată de
relația [135]:
psnpnf 122 (2.12)
Viteza de rotație a campului magnetic învartitor produs de rotor datorită barelor
rotorice întrerupte este:
snsnnsnsnnnnb 2121 111112 (2.13)
Relația de mai sus poate fi exprimată în domeniul de frecvență astfel:
121 fsfb (2.14)
Banda de joasă frecvență este specifică defectului de bară rotorică întreruptă și banda
înaltă poate fi datorată oscilațiilor consecvente de viteză.
Tehnicile asociate cu MCSA utilizează metoda vectorului Park (Park’s Vector
Approach) și metoda elementelor finite (Finite Element Method).
2.2.3. Metoda spectrului puterii instantanee
În literatura de specialitate s-a demonstrat că metoda spectrului puterii instantanee
(MIPS - Motor Instantaneous Power Spectrum) conține mai multă informație privind
defectele rotorice, fată de metodele care se bazează pe amprenta de curent [41], [42].
Puterea instantanee este definita ca:
)()()( titutp LLL (2.15)
unde uLL(t) este tensiunea dintre oricare două din cele trei terminale ale statorului și iL(t) este
curentul care intră în una din aceste terminale.
Expresiile tensiunii uLL(t), a curentului iL,0(t) și a puterii instantanee p0(t) sunt
următoarele:
tfUtu mLL 12cos (2.16)
tfIti mL 10, 2cos (2.17)
cos2
22cos2
10,0mmmm
LLL
IUtf
IUtitutp (2.18)
unde Um și Im reprezintă amplitudinea tensiunii de linie, respectiv amplitudinea curentului de
linie, f1 este frecvența de alimentare și ϕ este unghiul de sarcină a motorului.
Se presupune că defectele rotorice cauzează o modulare sinusoidală în amplitudinea
curentului statoric. Pe de altă parte unghiul de încărcare nu se schimbă semnificativ.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
26
2.2.4. Metoda măsurării rezistenței echivalente a rotorului
Defectele rotorice se pot identifica prin metoda bazată pe măsurarea rezistenței
echivalente a rotorului. Valoarea rezistentei obținută este comparată cu o valoare predefinită,
pentru care motorul electric asincron este considerat ideal. Pragul de defectare este dat de
valoarea prestabilită, astfel că toate rotoarele cu o valoare a rezistenței mai mică decat cea
predefinită vor fi considerate acceptate.
Metoda este folosită cu succes pe linia de producție, unde este introdus controlul de
calitate pentru detectarea defectelor coliviei, înainte de presarea arborelui. Metoda este
aplicabilă pentru orice gabarit al motorului electric asincron de joasă tensiune.
Dezavantajele acestei metode sunt: necesitatea proiectării și realizării de statoare
special bobinate, pentru fiecare gabarit și turație de motor, pentru a putea verifica toate
tipurile de colivii rotorice existente pe linia de producție; metoda nu permite identificarea
tipului de defect rotoric; coliviile rotorice trebuie debavurate înainte de testare deoarece
surplusul de aluminiu influențează rezistența echivalentă a rotorului [34]
2.2.5. Metoda măsurării variației fluxului magnetic
Principiul metodei se bazează pe deformarea fluxului magnetic în întrefier în cazul
unor defecte rotorice: bare rotorice întrerupte; goluri de material sau porozitate; înclinație
greșită a barelor rotorice (după ce a fost stabilit un etalon); calitate slabă a aliajului de
aluminiu; sudarea aluminiului cu tolele rotorice; remanența magnetică.
Această metodă este în general utilizată pentru verificarea rotoarelor pe linia de
fabricație. O amplitudine constantă a semnalului afișat înseamnă absența defectelor, în timp
ce o reducere a amplitudinii, sau absența totală a unor semnale, denotă prezenţa unor defecte.
Pentru evaluarea rezultatelor, curbele obținute în urma testului sunt comparate cu curbele de
defecte etalon ale aparatului (Fig. 2.3).
Fig. 2.3. Curbe etalon pentru identificarea defectului [Risatti, 2006]: a) Fără defecte; b) Bară
întreruptă; c) Goluri de material sau porozitate; d) Sudarea aluminiului cu tolele rotorice; e) rotor cu
colivie deformată; f) Înclinație greșită a barelor rotorice (după ce a fost stabilit un etalon); g)
Remanența magnetică
Rezumatul tezei de doctorat
27
Dezavantajele acestei metode sunt: în cazul unor defecte combinate, curbele generate
diferă de curbele etalon astfel că identificarea defectelor rotorice este imprecisă; pentru
gabarite diferite de motoare sunt necesare armături specifice pentru circuitul magnetic
inductor.
2.2.6. Metoda comparării parametrilor tehnici ai motorului asincron
Defectele statorice sau rotorice pot fi depistate prin monitorizarea parametrilor
electrici ai motorului asincron ce pot fi măsurați din afara acestuia. Curentul este principalul
parametru monitorizat, urmat de putere și cuplu electromagnetic.
Bobinele (înfășurările) statorului pot fi utilizate în monitorizarea defectelor rotorice
deoarece orice defecțiune a rotorului unui motor electric asincron determină o variație
caracteristică în citirea curenților de alimentare. Acest lucru face ca analiza atentă a
curentului statoric sa dea indicații privind posibilul defect rotoric [137]. Curentul absorbit de
un motor fără defecte ar trebui sa aibă o singură armonică a frecvenței de alimentare, iar
modificarile aparute în sarcină vor modula amplitudinea curentului și vor produce armonici
suplimentare [137].
Avantajele acestei metode sunt: este neinvazivă; lipsa costurilor suplimentare pentru
monitorizare.
Dezavantajul metodei este că nu poate fi identificat tipul defectului decât după o
analiză amănunțită a spectrului de curent sau de putere, iar acest lucru implică aparatură
suplimentară și 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 curentului
statoric.
În mod normal, se face inregistrarea parametrilor pentru cele 3 faze ale motorului,
însă pentru simplificarea implementării și reducerea costului de dezvoltare se va realiza
monitorizarea parametrilor pentru o singură fază a motorului electric. Monitorizarea variației
tensiunii de alimentare este necesară pentru a putea neglija eventualele erori aparute datorita
variației incorecte a acesteia. Variația necorespunzatoare a curentului electric permite
detectarea erorilor de funcționare, determinate de problemele aparute în structura hardware a
motorului electric.
S-a realizat proiectarea sistemului care se dorește să se construiască în vederea
monitorizării parametrilor de funcționare ai motoarelor electrice.
Sistemul include un modul de achiziție a datelor, reprezentat de o platforma Arduino
Mega 2560 (Fig. 2.7), conectată la un calculator prin intermediul portului USB, un modul de
extensie, care conține senzori specifici pentru măsurarea valorilor parametrilor, și o aplicație
software de preluarea a informațiilor înregistrate de modulul de achiziție.
În Fig. 2.6 este prezentată schema bloc a sistemului de monitorizare pentru motoarele
asincrone trifazate.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
28
Fig. 2.6. Schema bloc a sistemului de monitorizare
Aplicatia software va realiza prelucrarile necesare ale informațiilor în vederea
vizualizării corespunzatoare a acestora și va permite stocarea lor pentru vizualizari ulterioare,
sub forma de fișiere electronice.
Fig. 2.7. Dispozitiv electronic necesar sistemului de monitorizare defecte
Aplicatie firmware instalată în cadrul modulului de achiziție a datelor, permite
înregistrarea informațiilor referitoare la tensiunea de intrare și curentul utilizat în timpul
funcționării motorului supus testării.
Aplicatia client a sistemului de monitorizare permite utilizatorului atât stocarea
informațiilor înregistrate de către modulul de achiziție cât și vizualizarea informațiilor
înregistrate sub forma grafică. Reprezentarea grafică permite utilizatorului determinarea
eventualelor defecte de funcționare ale motorului, prin detecția punctelor de alterare a
semnalelor sinusoidale, reprezentative pentru tensiunea de intrare și a curentului utilizat în
timpul funcționării motorului.
Pentru fiecare test efectuat cu motorul se salvează informații referitoare la data și ora
efectuării testului, o denumire a testului efectuat și o mică descriere a acestuia (Fig. 2.8).
Fig. 2.8. Salvarea unui nou test în aplicație
Rezumatul tezei de doctorat
29
În timpul realizării unui test utilizatorul poate porni și opri alimentarea cu energie a
motorului electric cât și pornirea și oprirea procesului de monitorizare. Modulul de extensie
înregistrează informații specifice testării doar în perioada în care procesul de monitorizare
este pornit. În timpul realizării unui test informațiile înregistrate se pot vizualiza sub forma
grafică (Fig. 2.9).
Fig. 2.9. Vizualizarea formelor curenților și a tensiunii din timpul testului
În același mod se pot vizualiza informațiile specifice altor teste efectuate anterior.
Utilizatorul trebuie doar să selecteze testul anterior realizat în vederea vizualizării
informațiilor specifice acestuia (Fig. 2.10).
Fig. 2.10. Lista cu testele efectuate și salvate
Ulterior, aplicației i se pot adaugă noi functionalități în vederea detecției automate a
defectelor aparute în timpul funcționării motorului și eventual a tipului și sursei acestuia.
Pentru validarea acestui sistem de monitorizare sunt necesare teste de laborator.
2.5. Concluzii
În monitorizarea funcționării motorului asincron este importantă identificarea și
localizarea defectelor. Metodele de diagnoză în motorul electric asincron sunt clasificate după
mai multe criterii: în funcție de principalele componente constructive și în funcție de
indicatorul de diagnosticare. Fiecare din aceste metode au avantaje și dezavantaje.
Metode de diagnoză a defectelor rotorice - metoda bazată pe analiza amprentei
curentului motorului, metoda măsurării rezistenței echivalente a rotorului, metoda măsurării
variației fluxului magnetic, metoda comparării parametrilor tehnici ai motorului asincron –
permit identificarea și localizarea defectelor de tip: goluri de material sau porozitate,
înclinație greșită a barelor rotorice, material necorespunzător. Limitările care apar în
identificarea și localizarea defectelor sunt legate în special de precizia echipamentelor de
monitorizare și în special de modul de prelucrare a semnalelor obținute. Modelarea și
simularea cu metoda elementelor finite poate să completeze tehnicile actuale de monitorizare.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
30
3. MODELAREA MOTORULUI ASINCRON TRIFAZAT CU
BARĂ ROTORICĂ ÎNTRERUPTĂ
O diagnoză adecvată, aplicată oricărui tip de motor electric, presupune o bună
fundamentare teoretică. Prin utilizarea instrumentelor de simulare se pot evidenția efectele
cauzate de defecte asupra performanțelor motorului electric și se pot stabili indicatori de
diagnoză pentru identificarea și localizarea defectelor.
Analiza bazată pe metode numerice permite observarea schimbării parametrilor
electrici, magnetici și mecanici ai motorului electric ca urmare a procesului de defectare, fără
a fi nevoie de scoaterea din funcțiune a acestuia, sau experimentarea în laboratoare. Ideea
principală este de a înțelege comportamentul electric, magnetic și mecanic a motorului
electric atât în stare sănătoasă cât și în condiții de defect (avarie).
În acest capitol este descrisă modelarea motoarelor asincrone trifazate cu rotor în
scurtcircuit de mică și medie putere cu metoda elementelor finite și se prezintă rezultatele
obținute la simularea motoarelor cu defect de tip bara rotorică întreruptă, utilizând pachetul
FLUX V11.1.2 2D, în vederea stabilirii unor indicatori eficienți de diagnosticare.
3.1. Modelarea analitică a motorului fără/cu bară rotorică întreruptă
Modelarea analitică a motorului asincron sta la baza analizei numerice efectuate
pentru punerea în evidentă a defectelor de tip bară rotorică întreruptă.
Teoria modelării motoarelor electrice este descrisă de ecuațiile diferențiale ale lui
Maxwell, în care sunt neglijaţi curenţii de deplasare, datorită frecvenței reduse a sursei de
alimentare [117].
JH (3.1)
t
BE
(3.2)
0 B (3.3)
În aceste relaţii:
H - intensitatea câmpului magnetic [A/m];
B – inducţia magnetică [T];
J - densitatea curentului electric de conducţie [A/m2];
E - intensitatea campului electric [V/m];
t – variabila timp [s].
Mărimile câmpului magnetic și electric sunt legate de proprietăţile de material prin
următoarele relații:
BBH 2 (3.4)
Rezumatul tezei de doctorat
31
EJ , (3.5)
unde 2B este reluctivitatea magnetică sau reluctanța specifică magnetică (valoarea inversă
a permeabilității magnetice), este conductivitatea electrică a materialului în S/m.
În domeniul de dependență de timp şi cu luarea în considerare a curenților Foucault,
vectorii intensitate a campului electric E și inducție magnetică B sunt exprimate prin mărimea
vectorială potențialul magnetic vector A (în Wb/m) și mărimea electrică scalară potențialul
electric rU (în V), cu relaţiile:
rUt
AE
(3.6)
AB (3.7)
Pentru modelelarea câmpului sunt luate în considerare două tipuri de materiale
conductoare: conductoare solide, care corespund părţilor constituente masive ale motorului şi
conductoare multifilare, care asigură distribuția omogenă a curentului în secțiunea
transversală a bobinei. Sensul curentului este stabilit de către vectorul unitate 1d , după
cum urmează:
r
m
n
s
ncn
Ut
A
S
INd
J
Conductoare multifilare statorice
(3.8)
Conductoare solide pentru bare rotorice
Pentru dezvoltarea modelului matematic al motorului electric trifazat asincron, se
consideră repartiţia câmpului magnetic în planul transversal bi-dimensional (x, y).
Prin înlocuirea potențialului magnetic vector tyxAA z ,,,0,0 în relațiile (3.1)-()
se obține:
L
U
t
tyxA
S
INd
y
tyxAB
yx
tyxAB
x
r
mz
n
s
ncn
zz
,,
,,,, 22
(3.9)
Pentru modelare, este facil să se utilizeze ca circuit de alimentare o sursă de tensiune
trifazată, specifică, ce conduce la obţinerea unei soluții combinate, între câmpul magnetic și
ecuațiile circuitului electric. Înfășurările statorului sunt în modelate ca fiind conductoare
multifilare iar barele rotorului sunt modelate ca fiind conductoare solide, în care se consideră
efectul curenților Foucault [17], [59], [73], [84], [171].
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
32
3.2. Modelarea numerică în mediu FLUX 2D
3.2.1. Descrierea metodei
Fundamentarea unei metode precise de diagnoză presupune o analiză amănunţită
asupra consecinţelor defectelor asupra parametrilor de funcţionare ai motorului. În acest sens,
metoda elementelor finite (FEM) poate fi utilizată cu succes, deoarece ia în considerare
neliniaritatea materialului magnetic fiind potrivită pentru investigarea comportamentului
motorului cu defecte [31].
Pentru a reduce complexitatea modelului şi prin urmare a timpului de calcul, în
modelarea FEM a motorului asincron s-au acceptat următoarele ipoteze [130]:
- Motorul asincron este considerat o entitate 2D;
- Aerul care înconjoara motorul şi arborele rotorului nu sunt modelate;
- Bobinele sunt modelate considerand că au conductoarele distribuite în mod egal în
crestături;
- Barele rotorice rupte sunt modelate prin creşterea valorii rezistivităţii materialului
constituent al barei de 105 ori mai mult decât valoarea iniţială [131].
Pentru efectuarea calculelor de FEM este necesar să se realizeze discretizarea
geometriei motorului în elemente componente. Pentru aceasta, s-au considerat trei tipuri de
motoare asincrone trifazate de mică şi medie putere, a căror specificații și parametrii sunt
prezentaţi în Tabelul 3.1.
Tabel 3.1. Specificațiile și parametrii motoarelor asincrone trifazate analizate
MASI37 MASI55 MASI750
Gabarit 63 71 132
Putere [W] 370 550 7500
Turatie [rot/min] 1500 3000 1500
Mod de funcţionare S1 (funcţionare
continuă)
S1 (funcţionare
continuă)
S1 (funcţionare
continuă)
Tensiune nominală [V] 230/400 230/400 400/690
Conexiune stea stea stea
Frecvenţa [Hz] 50 50 50
Grad de protecţie IP55 IP55 IP55
Clasa de izolaţie F F F
Lungimea pachetului de tole (fier)
[mm] 85 60 190
Întrefier [mm] 0.225 0.25 0.350
Diametrul conductorului de cupru
[mm] 0.442 (ET1) 0.516 (ET2) 1+1.05
Numărul de spire în crestătură 143 86 27
Numărul de căi de curent în paralel 1 1 1
Numărul de crestături statorice 24 24 36
Numărul de bare rotorice 22 20 28
Randament [%] 64.37 76.8 87.96
Factor de putere 0.73 0.67 0.7605
Rezumatul tezei de doctorat
33
Cuplu de pornire/Cuplu nominal 2.51 2.73 3.16
Curentul de pornire/Curentul
nominal 3.21 5.19 9.36
Alunecarea [%] 15.13 5.2 2.7
Rezistenţa înfăşurării statorice la
20ºC [Ω] 25.12 15.35 1.267
Curentul nominal [A] 1.09 1.27 16.2
Pentru modelarea motorului asincron cu suportul software-ului FLUX 2D se parcurg
etapele de mai jos [79], [107], [170].
3.2.2. Realizarea geometriei motoarelor şi definirea reţelei de elemente finite
a) Definirea parametrilor motorului
b) Crearea sistemelor de coordonate pentru motor
c) Crearea diametrelor interioare şi exterioare ale motorului pentru realizarea finală a
geometriei motorului
d) Controlarea reţelelor de elemente finite pentru punctele şi liniile care alcătuiesc
geometria motorului.
Parametrii geometrici aferenți motoarelor electrice asincrone studiate sunt dați în
Tabelul 3.2.
Tabel 3.2. Parametri geometrici pentru MASI37, MASI55 și MASI750
PARAMETRI MASI37 [mm] MASI55 [mm] MASI750 [mm]
Diametru exterior stator 90.2 116.3 200
Diametru interior stator 50 65 125
Înălțime crestătură 10.5 8.5 19
Deschidere crestătură 2.15 2.2 2.8
Înălțime deschidere crestătură 0.5 0.5 0.5
Rază inferioară crestătură 0.5 0.7 0.7
Rază superioară crestătură 1 3.05 2
Lățime întrefier 0.225 0.25 0.35
Diametru exterior rotor 49.55 64.5 124.3
Diametru interior rotor 18 22 48
Înălțime bară 9.3 6.95 17.66
Deschidere bară 0.8 0.75 1
Înălțime deschidere bară 0.55 0.75 0.75
Rază inferioară bară 0.59 1.8 1.62
Rază superioară bară 1.605 2.255 3.08
Pentru modelul din această lucrare, rafinarea a fost făcută la părţile inferioară şi
superioară ale barelor rotorice, la partea inferioară a crestăturii statorice şi la intrefier.
e) Generarea, verificarea şi salvarea reţelelor de elemente finite
Caracteristicile reţelei de elemente finite pentru motoarele studiate sunt prezentate în
Tabel .
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
34
Tabel 3.3. Elementele reţelei pentru motoarele asincron MASI37, MASI55 și MASI750
MASI37 MASI55 MASI750
Procentul de elemente ce nu au fost evaluate 0% 0% 0%
Procentul de elemente de calitate excelentă 99.34% 99.21% 99.64%
Procentul de elemente de calitate bună 0.65% 0.79% 0.36%
Procentul de elemente de calitate medie 0% 0% 0%
Procentul de elemente de calitate slabă 0% 0% 0%
Numărul de noduri 51868 42541 76321
Numărul de elemente de linie 3767 3299 5572
Numărul de elemente de suprafaţă 25903 21246 3124
Ordinul elementelor reţelei 2 2 2
3.2.3. Definirea materialelor care intră în componenţa motoarelor
Materialele pot fi importate din baza de date a software-lui sau pot fi definite de
utilizator în funcţie de curba B-H ori în funcţie de rezistivitate.
În urma definirii materialelor a fost creată o bază de date proprie. Caracteristica B-H
pentru tabla electrotehnică M700-65A este prezentată în Fig. 3.6 [32].
Fig. 3.6. Caracteristica de magnetizare a materialului M700-65A
3.2.4. Crearea circuitului electric de alimentare al motoarelor
Schema electrică a statorului şi a coliviei rotorului este prezentată în Fig. 3.7. Se
menționează că aceeași schemă, cu valori diferite este utilizată pentru toate motoarele
analizate.
Fig. 3.7. Circuitul electric pentru motoarele analizate
Rezumatul tezei de doctorat
35
În schema din Fig. 3.7 semnificaţia mărimilor este:
Z – impedanţa de legare la pământ;
VA, VB, VC – tensiunile de alimentare pentru fazele A, B și C;
BA, BB, BC – module bobine pentru fazele A, B și C;
LA, LB, LC – inductanțe capetelor de înfășurare a bobinelor pentru fazele A, B și C.
Schemele de bobinaj aferente motoarelor MASI37, MASI55 și MASI750 sunt
ilustrate mai jos.
MASI37: 1500 rot/min
MASI55: 3000 rot/min
MASI750: 1500 rot/min
Fig. 3.8. Schemele de bobinaj ale motoarelor asincrone trifazate studiate
a) Calculul circuitului electric de alimentare al motorului asincron
În Tabelul 3.4 sunt date rezultatele parametrilor calculați ai motoarelor MASI37,
MASI55 și MASI750.
Tabel 3.4. Rezultatele parametrilor calculați pentru motoarele analizate
Parametri MASI37 MASI55 MASI750
BA [Ω] 25.12 15.35 1.267
BB [Ω] 25.12 15.35 1.267
BC [Ω] 25.12 15.35 1.267
LA [H] 0.012745392 0.017805176 0.002064546
LB [H] 0.012745392 0.017805176 0.002064546
LC [H] 0.012745392 0.017805176 0.002064546
Rr [Ω] 2.65354E-6 1.82876E-6 1.36013E-6
Lr [H] 1.89985E-9 2.09512E-9 4.56936E-9
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
36
3.2.5. Definirea problemei de rezolvat
a) Definirea proprietăţilor fizice.
Se realizează legătura între circuitul electric exterior şi geometrie şi se defineşte
sensul curentului prin bobine.
Este necesară, de asemenea, definirea părţilor mecanice fixe şi mobile ale motorului.
În cazul de faţă, statorul este partea fixă, rotorul este partea mobilă având viteza şi poziţia
egale cu 0 rot/min, respectiv 0 grade la timpul t=0 s și momentul de inerţie J, măsurat
experimental cu valorile prezentate în Tabelul 3.5. Întrefierul este definit ca fiind partea
compresibilă.
Tabel 3.5. Momentele de inerție ale motoarelor electrice asincrone modelate
J [kgm2]
MASI37 0.00032
MASI55 0.00083
MASI750 0.0310
b) Simularea problemei de rezolvat.
c) Analiza rezultatelor.
3.3. Simulări în regim staționar la motoarele cu bare rotorice întrerupte
Pentru calculul numeric al motoarelor în mediu FLUX 2D MASI37, MASI55 și
MASI750 a fost ales modulul Steady State AC. Adâncimea domeniului motoarelor este
prezentată pentru fiecare motor analizat în Tabelul 3.6.
Tabel 3.6. Adâncimea domeniului motoarelor asincrone modelate
LFe [mm]
MASI37 85
MASI55 60
MASI750 190
Pentru simularea motoarelor în regim staționar, s-au considerat valorile nominale ale
tensiunilor de alimentare și unghiurile de defazaj, definite în regimul staționar (Tabelul 3.7),
cu frecvența stabilită la 50 Hz. Se consideră funcționarea motorului la sarcină nominală,
valorile alunecării pentru fiecare motor fiind cele prezentate în Tabelul 3.1.
Tabel 3.7. Tensiunile de alimentare și unghiurile de defazaj pentru fiecare fază definite în
modulul regimului staționar
Denumire Faza MASI37 MASI55 MASI750
VA [V] 0⁰ 3/400 3/690
VB [V] -120⁰ 3/400 3/690
Rezumatul tezei de doctorat
37
VC [V] 120⁰ 3/400 3/690
În continuare, sunt prezentate rezultaltele simulării pentru fiecare din motoarele
analizate.
3.3.1. Simulări la MASI37
Pentru motorul asincron de putere P=0.37 kW (MASI37) rezultatele și analiza
simulărilor sunt prezentate în continuare.
a) Curenți statorici
În Tabelul 3.8 sunt prezentate valorile curenţilor statorici de fază obținuți în regim
staţionar, pentru motorului MASI37, fără şi cu defecte rotorice de tip bare rupte.
S-a calculat coeficientul de nesimetrie al curentului statoric de fază cu relația:
100max
smed
smedsIs
I
IIk (3.15)
unde Ismax este valoarea maximă a curentului de fază, iar Ismed este media aritmetică a
curenților statorici.
Tabel 3.8. Valorile curenţilor statorici de fază și a coeficientului de nesimetrie pentru
MASI37
Număr bare întrerupte IA [A] IB [A] IC [A] kIs [%]
0 1.07 1.08 1.07 0.62
1 1.04 1.04 1.08 2.53
2 1.00 1.02 1.08 4.53
3 0.9 1.02 1.07 7.36
Din tabel se poate observa că nesimetria curenţilor statorici crește odată cu creşterea
numărului de bare rupte.
b) Cuplul electromagnetic
În Tabelul 3.9 și Fig. 3.9 este prezentată variația cuplului electromagnetic, în regim
staţionar, pentru motorului MASI37, fără şi cu defecte rotorice de tip bare rupte.
Variația relativă a cuplului electromagnetic ΔM este calculată cu relația:
1000
0
M
MMM (3.16)
unde M0 reprezintă cuplul electromagnetic pentru MASI fără bare întrerupte, iar M este
cuplul corespunzător motorului cu una, două sau trei bare întrerupte.
Tabel 3.9. Variația cuplului electromagnetic pentru MASI37
Număr bare întrerupte 0 1 2 3
M [Nm] 2.53 2.52 2.45 2.32
M [%] 100 99.60 96.84 91.70
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
38
ΔM [%] - -0.4 -3.16 -8.30
Fig. 3.9. Variația cuplului electromagnetic pentru MASI37 fără/cu bare întrerupte
Se observă că valoarea cuplului electromagnetic scade cu creşterea numărului de bare
întrerupte, ceea ce indică faptul că metoda măsurării cuplului electromagnetic este adecvată
pentru identificarea defectelor de tip bară întreruptă.
c) Curenții rotorici
Valorile curenților în barele rotorice pentru MASI37 oținute prin simulări sunt
prezentate tabelar în Anexa 3.
În Tabelul 3.10 sunt prezentate valorile medii Ibmed și maxime Ibmax ale curenților în
barele rotorice precum și valorile factorului de nesimetrie a curenților kIb.
S-a calculat coeficientul de nesimetrie a curenților în bara rotorică kIb cu relația:
100max
bmed
bmedbIb
I
IIk (3.17)
unde Ibmax este valoarea maximă a curentului în bară, iar Ibmed este media aritmetică a
curenților în barele rotorice.
Tabel 3.10. Nesimetria curenților în barele rotorice pentru MASI37
Număr bare întrerupte Ibmed [A] Ibmax [A] kIb [%]
0 143.40 149.60 4.32
1 138.53 169.90 22.60
2 132.09 195.89 48.30
3 124.34 206.02 65.69
În Fig. 3.10 și Fig. 3.11 este reprezentată distribuția curenţilor în barele rotorice atât
pentru cazul motorului MASI37 fără/cu una, două sau trei bare întrerupte.
Rezumatul tezei de doctorat
39
a) b)
c) d)
Fig. 3.10. Distribuția curenţilor în barele rotorice pentru MASI37 fără/cu bare întrerupte: a) fără bare
întrerupte; b) bara 1 întreruptă; c) barele 1 și 2 întrerupte; d) barele 1, 2 și 3 întrerupte
Fig. 3.11. Distribuția comparativă a curenților în barele rotorice pentru MASI37 fără și cu bare
întrerupte
Verificarea datelor obținute s-a realizat prin calculul cu metoda analitică a curentului
din bara rotorică [110], cu relația:
fw
Ib IZ
kmwkI 1
2
112 (3.18)
unde kI este coeficient pentru calculul circuitului rotoric în funcție de factorul de putere, la
sarcină nominală; m este numărul de faze; kw1 este factorul de înfășurare pentru armonica
fundamentală de spațiu a înfășurării primare; w1 este numărul de spire al înfășurărilor primare
și I1f este curentul pe fază în înfășurarea primară în A.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
40
Pentru motorul cu P=0.37 kW fără defect rotoric cu relația (3.18) s-a obținut curentul
în bara rotorică 141.3 A, ceea ce este apropiat ca valoare de media curentului obținut la
simulare Ibmed=143.4 A (Tabelul 3.10).
Aceasta confirmă că datele obținute prin simulare corespund cu cele obținute prin
metoda analitică.
În Tabelul 3.11 și Fig. 3.12 sunt prezentate comparativ bară cu bară, valorile relative
ale curentului rotoric în cazul rotorului cu o bară, două bare, respectiv trei bare întrerupte.
Variația relativă a curentului în bara rotorică se determină cu relația:
1000
0
bi
biijb
bjI
III (3.19)
unde Ibij reprezintă curentul pe bara i (i=1,2,3,...,22) corespunzător defectului j (j=1,2,3), iar
Ibi0 este curentul în bara i pentru rotorul fără defect.
Tabel 3.11. Variația relativă a curentului în barele rotorice pentru motoriul MASI37
Bară 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
ΔIb1 [%] -100 23 11 6 -1 -4 -2 0 1 -2 -5 -4 -2 1 0 -3 -4 -3 -3 -5 1 26
ΔIb2 [%] -100 -100 32 19 3 -6 -6 -1 2 -2 -8 -9 -5 1 1 -5 -8 -7 -6 -9 0 39
ΔIb3 [%] -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. Variația relativă a curentului în barele rotorice pentru MASI37 cu bare întrerupte: a) o bară
întreruptă; b) două bare întrerupte; c) trei bare întrerupte
În reprezentările grafice din Fig. 3.12 variația de -100 % corespunde cazului de defect
tip bară întreruptă.
Rezumatul tezei de doctorat
41
Constatări:
Când o bară este întreruptă total sau parţial, o parte din curentul care trecea iniţial prin
bară va fi redistribuit în barel alăturate. Spre exemplu în cazul motorului MASI37,
curentul din bara rotorică 22 creşte de la 135.3 A - fără defect, la 198.6 A - trei bare
întrerupte, adică o creştere relativă a curentului cu 47 %;
Factorul de nesimetrie a distribuției curenților statorici crește de la 0.62 % la 7.36 %;
Factorul de nesimetrie a distribuției curenților rotorici crește de la 4.32 % la 65.69 %
odată cu creșterea numărului de bare întrerupte. Această nesimetrie se reflectă în
variația de flux magnetic, cuplul electromagnetic și curent statoric.
Metodele de diagnoză bazate pe amprenta curentului statoric, măsurarea fluxului
magnetic, vibrodiagnoză sunt eficiente în diagnoza defectelor rotorice
3.3.2. Simulări la MASI55
Constatări:
Când o bară este întreruptă total sau parţial, o parte din curentul care trecea iniţial prin
bară va fi redistribuit în barel alăturate. Spre exemplu în cazul motorului MASI37,
curentul din bara rotorică 20 creşte de la 138.91 A - fără defect, la 181.39 A - trei bare
întrerupte, adică o creştere relativă a curentului cu 31 %;
Factorul de nesimetrie a distribuției curenților statorici crește de la 0.52 % la 7.08 %;
Factorul de nesimetrie a distribuției curenților rotorici crește de la 5.20 % la 55.60 %
odată cu creșterea numărului de bare întrerupte. Această nesimetrie se reflectă în
variația de flux magnetic, cuplul electromagnetic și curent statoric.
Metodele de diagnoză bazate pe amprenta curentului statoric, măsurarea fluxului
magnetic, vibrodiagnoză sunt eficiente în diagnoza defectelor rotorice.
În cazul MASI55, curentul din bara rotorică 20 creşte de la 138.9 A, pentru motorul
fără defect, la 181.4 A, în cazul motorului cu 3 bare rupte, adică o creştere relativă a
curentului cu 31%.
3.3.3. Simulări la MASI750
Constatări:
Când o bară este întreruptă total sau parţial, o parte din curentul care trecea iniţial prin
bară va fi redistribuit în barel alăturate. Spre exemplu în cazul motorului MASI750,
curentul din bara rotorică 13 creşte de la 413.85 A - fără defect, la 600.47 A - cinci
bare întrerupte, adică o creştere relativă a curentului cu 45 %;
Coeficientul de nesimetrie a distribuției curenților statorici crește de la 0.53 % la
5.44 %;
Coeficientul de nesimetrie a distribuției curenților rotorici crește de la 12.6 % la 68.43
% odată cu creșterea numărului de bare întrerupte. Această nesimetrie se reflectă în
variația de flux magnetic, cuplul electromagnetic și curentul statoric.
Metodele de diagnoză bazate pe amprenta curentului statoric, măsurarea fluxului
magnetic, vibrodiagnoză sunt eficiente în diagnoza defectelor rotorice.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
42
3.3.4. Studiul comparativ privind influența materialului pentru circuitul magnetic
În cadrul simulărilor efectuate pentru motorul de putere P=7.5 kW fără și cu bare
întrerupte, în regim staționar, autoarea realizează o analiză detaliată a distribuției de câmp
magnetic din întrefierul motorului [32].
Astfel, este propusă o abordare detaliată a barelor întrerupte în cazul utilizării a două
tipuri de materiale pentru circuitul magnetic M700-65A (cu 7 W/kg la 50 Hz și 1.5 T) și
M400-65A (cu 4 W/kg la 50 Hz și 1.5 T), producător S.C. ERDEMIR România S.R.L.
Caracteristicile B-H pentru tabla electrotehnică M700-65A, respectiv M400-65A, este
reprezentată în Fig. 3.21.
Fig. 3.21. Caracteristica de magnetizare pentru tabla electrotehnică M700-65A, M400-65A
În această analiză este neglijat efectul histerezisului magnetic, ipoteza considerată
fiind aceea că materialul magnetic pentru miezul feromagnetic al motorului este izotropic şi
neliniar [170].
Pentru motorul asincron cu P=7.5 kW, asemănător cazurilor anterioare de modelare,
înfășurările statorului sunt modelate ca fiind conductoare multifilare iar barele rotorului sunt
modelate ca fiind conductoare solide, în care se consideră efectul curenților Foucault.
Materialul conductor pentru bara rotorică este aluminiu și are rezistivitatea, în cazul
motorului fără defect, ρ=2.87e-8
[Ωm]. Circuitul de cuplare și pașii de calcul ai parametrilor
acestuia au fost descriși în detaliu în [31]. Pentru simulare, s-au considerat valorile nominale
ale tensiunilor de alimentare cu frecvența stabilită la 50 Hz. Se consideră funcționarea
motorului la sarcină nominală.
Sunt prezentate în continuare rezultatele simulărilor efectuate.
În Fig. 3.22 este prezentată distribuția liniilor de câmp magnetic în cazul motorului de
inducție fără/cu bare întrerupte pentru cele două tipuri de materiale magnetice.
a) M700-65A b) M700-65A c) M700-65A
Rezumatul tezei de doctorat
43
d) M400-65A e) M400-65A f) M400-65A
Fig. 3.22. Distribuția liniilor de câmp magnetic pentru motorul asincron cu P=7.5 kW: a) fără defect -
M700-65A; b) două bare întrerupte - M700-65A; c) cinci bare întrerupte - M700-65A; d) fără defect -
M400-65A; e) două bare întrerupte - M400-65A; f) cinci bare întrerupte - M400-65A
Se observă că în regim staționar distribuția liniilor de câmp magnetic se modifică la
întreruperea barelor rotorice pentru ambele tipuri de materiale magnetice. Acest fapt se
datorează curenților care trec din barele întrerupte în barele alăturate. Barele întrerupte duc la
o saturație magnetică ridicată în jurul lor și, corespunzător, în jurul crestăturilor statorice și
prin urmare la o asimetrie ridicată a fluxului magnetic.
În Tabelul 3.20 sunt prezentate valorile efective ale potențialului magnetic vector în
întrefier pentru motorul fără/cu bare întrerupte pentru cele două materiale utilizate.
Tabel 3.20. Valorile efective ale potențialului magnetic vector în întrefier
Condiția Materiale A [Wb/m] Variația relativă [%]
Fără defecte (NBB) M700-65A 0.0205 -
M400-65A 0.0204 -
Două bare întrerupte
(2BB)
M700-65A 0.0207 1.27
M400-65A 0.0206 0.93
Cinci bare întrerupte
(5BB)
M700-65A 0.0216 5.52
M400-65A 0.0212 3.57
Valorile potențialului magnetic vector în întrefierul motorului fără/cu defecte pentru
cele două materiale sunt apropiate ca valoare. În cazul unui defect de întrerupere a cinci bare
rotorice materialul M400-65A, cu pierderi în fier mai mici, are o variație a potențialului
magnetic vector de 3.57 % față de 5.52 % în cazul materialului M700-65A.
În Fig. 3.23 este ilustrată componenta normală, a inducției magnetice în întrefier când
motorul nu are/are defecte pentru M700-65A și M400-65A.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
44
a) b)
c) d)
e) f)
Fig. 3.23. Componenta normală a inducției magnetice în întrefier pentru motorul asincron cu P=7.5 kW:
a) fără defect - M700-65A; b) două bare întrerupte - M700-65A; c) cinci bare întrerupte - M700-65A; d)
fără defect - M400-65A; e) două bare întrerupte - M400-65A; f) cinci bare întrerupte - M400-65A
Se observă că valoarea efectivă a componentei normale a inducției magnetice din
întrefier crește cu întreruperea barelor rotorice. Apare o distorsiune a componentei normale
pentru cazul motorului cu două, respectiv, cinci bare întrerupte care este datorată distribuției
curentului în barele rotorice alăturate barelor întrerupte.
Valoarea maximă a inducției magnetice în dinții statorici, luată pentru doi poli, sunt
prezentate în Tabelul 3.21 și Tabelul 3.22.
Tabel 3.21. Valoarea maximă a inducției magneticeă în dinții statorului pentru M700-65A
Nr. dinte M700-65A
BNBB [T] B2BB [T] ΔB2BB [%] B5BB [T] ΔB5BB [%]
1 1.49 1.39 -0.07 1.19 -0.20
Rezumatul tezei de doctorat
45
2 1.27 1.23 -0.03 1.24 -0.02
3 0.95 0.9 -0.05 0.89 -0.06
4 1.47 1.39 -0.05 1.27 -0.14
5 1.08 1.06 -0.02 1.1 0.02
6 0.84 0.73 -0.13 0.55 -0.35
7 0.44 0.36 -0.18 0.2 -0.55
8 -0.18 -0.16 -0.11 -0.21 0.17
9 -0.05 0.29 -6.80 0.36 -8.20
10 -0.09 0.58 -7.44 0.94 -11.44
11 0.04 -0.16 -5.00 -0.2 -6.00
12 -0.48 -0.44 -0.08 -0.33 -0.31
13 -0.27 -0.34 0.26 -0.27 0.00
14 0.31 -0.44 -2.42 -0.72 -3.32
15 -0.09 -0.15 0.67 -0.23 1.56
16 -0.07 -0.13 0.86 -0.17 1.43
17 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 maximă a inducției magneticeă în dinții statorului pentru M400-65A
Nr. dinte M400-65A
BNBB [T] B2BB [T] ΔB2BB [%] B5BB [T] ΔB5BB [%]
1 1.47 1.4 -0.05 1.26 -0.14
2 1.3 1.28 -0.02 1.29 -0.01
3 0.95 0.92 -0.03 0.91 -0.04
4 1.39 1.32 -0.05 1.22 -0.12
5 1.08 1.07 -0.01 1.1 0.02
6 0.78 0.69 -0.12 0.56 -0.28
7 0.42 0.38 -0.10 0.28 -0.33
8 -0.18 -0.16 -0.11 -0.2 0.11
9 -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 -0.26
13 -0.27 -0.32 0.19 -0.26 -0.04
14 0.14 -0.44 -4.14 -0.68 -5.86
15 -0.11 -0.16 0.45 -0.23 1.09
16 -0.07 -0.11 0.57 -0.14 1.00
17 0.78 0.7 -0.10 0.49 -0.37
18 1.21 1.14 -0.06 0.99 -0.18
În dinții statorici 9, 10 și 11 valoarea inducției magnetice variază pentru ambele
materiale, atât în cazul întreruperii a două bare (2BB), cât și în cazul întreruperii a cinci bare
rotorice (5BB), față de cazul rotorului fără defect (NBB). Astfel, în cazul materialului M700-
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
46
65A, în dintele 10, valoarea inducției magnetice variază cu 7.44 % pentru două bare
întrerupte și cu 11.44 % pentru cinci bare întrerupte.
Constatări:
este necesară utilizarea de materiale magnetice de înaltă calitate în construcția
circuitului magnetic al motoarelor asincrone;
variația potențialului magnetic vector conduce la creșterea componentelor armonice
ale câmpului magnetic în întrefier, respectiv la prezența armonicilor de curent, putere
și cuplu electromagnetic;
se justifică astfel utilizarea metodei de diagnoză a defectelor de bară rotorică
întreruptă bazate pe măsurarea fluxului magnetic în întrefier, vibrodiagnoză, amprenta
curentului statoric.
3.3.5. Analiză comparativă
În Tabelul 3.23 sunt prezentați comparativ factorii de nesimetrie pentru motoarele de
puteri 0.37 kW, 0.55 kW și 7.5 kW cu și fără defect de bară rotorică întreruptă.
Tabel 3.23. Comparație între factorii de nesimetrie ai motoarele analizate fără și cu defect de
bară rotorică întreruptă
Nr. Bare
întrerupte
MASI37 MASI55 MASI750
kIs [%] kIb [%] kIs [%] kIb [%] kIs [%] kIb [%]
0 0.62 4.32 0.52 5.20 0.53 12.60
1 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
Constatări:
Coeficientul de nesimetrie a distribuției curenților statorici crește cu creșterea
numărului de bare rotorice întrerupte de la 0.62 % la 7.36 % pentru MASI37, de la
0.52 % la 7.08 % pentru MASI55 și de la 0.53 % la 5.44 % pentru MASI750;
Coeficientul de nesimetrie a distribuției curenților rotorici crește considerabil cu
creșterea numărului de bare întrerupte și anume de la 4.32 % la 65.69 % pentru
MASI37, de la 5.20 % la 55.60 % pentru MASI55 și de la 12.60 % la 68.43 % pentru
MASI750. Această nesimetrie se reflectă în variația de flux magnetic, cuplul
electromagnetic și curent statoric;
Factori de diagnosticare eficienți sunt variația valorii efective a curentului statoric și
coeficientul de nesimetrie al sistemului de curenți statorici.
3.4. Simulări în regim tranzitoriu la motoarele cu bare rotorice întrerupte
Pentru calculul numeric al motoarelor în mediu FLUX 2D MASI37, MASI55 și
MASI750 a fost ales modulul Transient Magnetic. Adâncimea domeniului motoarelor este
prezentată pentru fiecare motor analizat în Tabelul 3.6.
Pentru simularea motoarelor în regim tranzitoriu s-au definit tensiunile de alimentare
(Tabelul 3.24).
Rezumatul tezei de doctorat
47
Tabel 3.24. Tensiunile de alimentare și unghiurile de defazaj pentru fiecare fază definite în
regimului 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
În continuare sunt prezentate rezultatele obținute pentru simulări efectuate pe un
interval de 1 s.
3.4.1. Simulări la MASI37
a) Distribuția câmpului magnetic
În Fig. 3.24 sunt prezentate rezultatele obținute pentru distribuția liniilor de câmp
magnetic la MASI37 fără și cu defecte de bară întreruptă în regim tranzitoriu, pentru
t=0.002 s.
a) b)
c) d)
Fig. 3.24. Distribuția fluxului magnetic în MASI37 la pornire pentru t=0.002 s: a) fără defect; b) o bară
întrerupă; c) două bare întrerupte; d) trei bare întrerupte
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
48
În Fig. 3.25 se prezintă distribuția componentei normale a inducției magnetice în
întrefier pe circumferința statorului.
a) b)
c) d)
Fig. 3.25. Componenta normală a inducției magnetice în întrefier în funcție de circumferința statorului
pentru MASI37: a) fără defect; b) o bară întrerupă; c) două bare întrerupte; d) trei bare întrerupte
Se observă că întreruperea barelor distorsionează distribuția fluxului magnetic atât în
jurul acestora cât și în dinții statorului, rezulând o asimetrie ridicată.
b) Cuplul electromagnetic
În Fig. 3.26 sunt ilustrate comparativ variațiile în timp ale cuplului electromagnetic
pentru MASI37 fără/cu bare întrerupte la pornire (t=0.09 s) și în regim stabilizat (t=0.36 s).
a) b)
Fig. 3.26. Variația în timp a cuplului electromagnetic fără/cu bare întrerupte pentru MASI37: a) la
pornire (t=0.09 s); b) în regim stabilizat (t=0.36 s)
Rezumatul tezei de doctorat
49
Se observă că în cazul motoarelor cu bare întrerupte stabilizarea cuplului
electromagnetic are loc mai lent față de motorul fără defect. Cuplul electromagnetic scade cu
creștere numărului de bare întrerupte.
c) Curentul statoric
În Fig. 3.27 este prezentată variaţia în timp a curentului statoric pe fază la
funcţionarea în gol a motorului (t = 0.3 s).
a) b)
c) d)
Fig. 3.27. Variaţia în timp a curentului statoric pentru MASI37: a) fără defect; b) o bară întreruptă; c)
două bare întrerupte; d) trei bare întrerupte
Pentru motorul fără defect de bară rotorică întreruptă amplitudinea curentului statoric
pe fază este constantă în timp, iar creșterea numărului de bare rotorice rupte creşte variaţia de
amplitudine a curentului de fază.
În Tabelul 3.26 sunt prezentate valorile curentului statoric pe fază pentru MASI37
fără și cu bare rotorice întrerupte.
Tabel 3.26. Valoarea curentului statoric pe fază pentru MASI37 fără/cu bare rotorice
întrerupte
MASI37
Număr bare întrerupte IA [A] IB [A] IC [A] kIs [%]
0 0.813 0.812 0.810 0.164
1 0.831 0.827 0.825 0.402
2 0.836 0.832 0.828 0.480
3 0.862 0.857 0.850 0.661
Curentul statoric pe fază crește cu creșterea numărului de bare întrerupte.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
50
În Anexa 4 este prezentat spectrul de curent pentru faza A în cazul MASI37 fără/cu
defecte.
3.4.4. Analiză comparativă
În Tabelul 3.28 sunt prezentați comparativ factorii de nesimetrie pentru motoarele de
puteri 0.37 kW, 0.55 kW și 7.5 kW cu și fără defect de bară rotorică întreruptă.
Tabel 3.28. Comparație între factorii de nesimetrie ai motoarele analizate fără și cu defect de
bară rotorică întreruptă
Nr. Bare întrerupte MASI37 MASI55 MASI750
kIs [%] kIs [%] kIs [%]
0 0.164 0.120 0.47
1 0.402 0.200 -
2 0.480 0.240 -
3 0.661 0.359 -
5 - - 0.78
Constatări:
factorul de nesimetrie a distribuției curenților statorici crește cu creșterea numărului
de bare rotorice întrerupte astfel:
o pentru MASI37 crește de la 0.164 % la 0.661 %;
o pentru MASI55 crește de la 0.120 % la 0.359 %;
o pentru MASI750 crește de la 0.47 % la 0.78 %.
Analiza în regim tranzitoriu arată că factorul de nesimetrie al sistemului de curenți
statorici poate fi utilizat ca indicator de diagnosticare.
3.5. Concluzii
În regim staționar, pentru funcționarea la sarcină nominală a motorului asincron,
prezenţa barelor întrerupte determină ca valoarea curenţilor de fază și a cuplului
electromagnetic să scadă odată cu creşterea numărului de bare întrerupte . Variația relativă a
curentului prin barele rotorice scoate în evidență că o creştere importantă a curentului rotoric
se produce în bara alăturată barei afectate. Analiza distribuției câmpului magnetic din
întrefier a arătat că și în regim staționar de funcționare saturația magnetică este ridicată în
zona barelor întrerupte și că inducția magnetică din întrefier conține suficiente informații
pentru detectarea barelor întrerupte. În regimul tranzitoriu, la funcționarea în gol a motorului,
întreruperea barelor distorsionează distribuția fluxului magnetic atât în jurul acestora cât și în
dinții statorului, rezulând o asimetrie ridicată. Cu cât numărul de bare rotorice întrerupte
crește și forma curentului își modifică amplitudinea. Cuplul electromagnetic scade cu
creșterea numărului de bare întrerupte. Metodele de diagnoză bazate pe amprenta curentului
statoric, măsurarea fluxului magnetic, vibrodiagnoză sunt eficiente în diagnoza defectelor
rotorice. Factori de diagnosticare eficienți sunt variația valorii efective a curentului statoric și
coeficientul de nesimetrie al sistemului de curenți statorici.
Rezumatul tezei de doctorat
51
4 DETERMINĂRI EXPERIMENTALE PENTRU
IDENTIFICAREA DEFECTELOR ROTORICE
În acest capitol au fost realizate măsurători experimentale pentru detectarea defectului
de bară rotorică întreruptă. Determinările experimentale sunt importante au avut ca scop:
verificarea eficacității metodelor de testare în vederea dezvoltării unor proceduri optime de
identificare rapide a defectelor de tip bare întrerupte; verificarea modelului numeric dezvoltat
în mediul FLUX 2D pentru comportarea motorului cu defecte rotorice de tip bară ruptă;
dezvoltarea unei proceduri de identificare a defectelor rotorice.
4.1. Identificarea defectelor rotorice cu metoada rezistenţei rotorice
echivalente şi cu metoda măsurării variației fluxului magnetic
Scopul determinărilor experimentale este de a analiza eficacitatea metodelor
rezistenţei rotorice echivalente şi cu metoda măsurării variației fluxului magnetic pentru
identificarea defectelor rotorice de tip bară întreruptă.
Determinările experimentale au fost realizate în laboratorul de testare a S.C.
Electroprecizia – Electrical Motors S.R.L.
4.1.1. Descrierea eșantioanelor
Pentru testări s-au utilizat rotoare ale motoarelor asincrone trifazate cu rotorul în
scurtcircuit cu puterea de 0.37 kW / 400 V, turaţie 1500 rot/min şi 0.55 kW / 400 V, turaţie
3000 rot/min.
Rotoarele au fost examinate pentru a nu avea defecte de construcţie şi, pentru testări,
s-a păstrat câte un rotor pentru testări în absenţa defectelor rotorice, iar în celelate rotoare au
fost induse defecte rotorice de tip bară ruptă. În Tabelul 4.1. sunt prezentate caracteristicile
celor 6 eșantioanele utilizate pentru testări. În tabel este menţionat şi numărul Z2 de bare
rotorice.
Tabel 4.1. Caracterisiticile rotoarelor de motoare asincrone trifazate utilizate ca eșantioane de
testare
EȘANTIOANE Parametri motor
Z2 OBSERVAȚII FIG. P [W] n [rot/min]
ROT37-0
370 1500 22
Rotor fără defect
(Fig. ) ROT37-1 Rotor cu o bară întreruptă
ROT37-2 Rotor cu două bare întrerupte
ROT37-3 Rotor cu trei bare întrerupte
ROT55-0
550 3000 20
Rotor fără defect
(Fig. ) ROT55-1 Rotor cu o bară întreruptă
ROT55-2 Rotor cu două bare întrerupte
În Fig. 4.1 şi Fig. 4.2 sunt prezentate tipurile de rotoare analizate.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
52
a) b)
Fig. 4.1. Rotoare de motor asincron trifazat 0.37 kW/400V utilizate ca eșantioane: a) rotor fără defect
(ROT37-0); b) rotor cu o bară rotorică întreruptă (ROT37-1)
a) b)
c)
Fig. 4.2. Rotoare de motor asincron trifazat 0.55 kW/400V utilizate ca eșantioane: a) rotor fără defect
(ROT55-0); b) rotor cu o bară rotorică întreruptă (ROT55-1); c) rotor cu două bare rotorice întrerupte
(ROT55-2)
4.1.2. Identificarea defectelor rotorice cu metoda rezistenței echivalente
Metoda rezistenţei echivalente se utilizează pentru depistarea defectelor rotorice de tip
bară întreruptă pe fluxul de fabricaţie a motoarelor electrice trifazate cu rotorul în scurtcircuit.
Pentru măsurători se utilizează câte un stator bobinat special pentru fiecare tip de
motor, în care se introduc, rând pe rând, rotoarele de testare. Schema de bobinare a înfăşurării
statorice este specifică (Fig. 4.3), bobinajul fiind format din două bobine - bobina principală
și bobina de măsurare.
Fig. 4.3. Schema de bobinaj special al înfăşurării statorice pentru testarea rotoarelor cu metoda
rezistenţei echivalente pentru motoare cu puterea 0.37kW [34]
Rezumatul tezei de doctorat
53
În Fig. 4.4 este prezentată schema de măsurare pentru testarea rotoarelor.
Fig. 4.4. Schema de măsurare pentru testarea rotoarelor cu metoda rezistenţei echivalente
Echipamentele utilizate (Fig. 4.4) la testare sunt: AT – autotransformator, 8 A/230 V;
A – ampermetru, EM Imax 5 A; W – wattmetru; ROT – rotor de testat; ST – stator bobinat
special.
Măsurarea curentului electric I în bobina principală și a puterii active P prin metoda
wattmetrului, conectat asemănător măsurării cu cadrul Epstein permite punerea în evidență a
variației rezistenței echivalente a circuitului magnetic al statorului și rotorului cu defect.
Rezistența echivalentă a rotorului cu bară întreruptă influențează valoarea rezistenței
echivalente a circuitului, calculată cu relația:
2I
PRe (4.1)
Pentru fiecare tip de motor fără defect, se determină valoarea limită admisibilă a
rezistenţei echivalente Relim a rotorului. Valoarea rezistenței predefinite Relim pentru fiecare tip
de motor este stabilită prin măsurători pe un set de minim 5 rotoare fără defecte.
Criteriul de defectare este considerat pentru cazul când la măsurători rezistența
echivalentă obținută este:
elimRRe (4.2)
Semnificaţia relației (4.2) este că sub valoarea Relim rotorul nu are defecte şi în acest
caz rotorul poate fi montat în motor.
S-au efectuat măsurători cu metoda rezistenței echivalente pe eșantioanele prezentate
în Tabelul 4.1.
Rezultatele determinărilor experimentale, comparativ cu valoarea rezistenţei electrice
limită sunt prezentate în Tabelul 4.2 și în Fig. 4.5.
Tabel 4.2. Rezistenţa echivalentă a rotoarelor fără/cu bara rotorică întreruptă comparativ cu
nivelul limită recomandat
EȘANTIOANE I [A] P [W] Re [Ω] Relim [Ω]
ROT37-0
1.5
45.00 20
21 ROT37-1 46.525 20.67
ROT37-2 51.00 22.66
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
54
ROT37-3 58.00 25.78
ROT55-0
2
33.00 8.25
9 ROT55-1 35.00 8.75
ROT55-2 38.50 9.625
a) b)
Fig. 4.5. Rezistenţa echivalentă a rotoarelor fără şi cu defect de bară întreruptă în funcție de numărul de
bare întrerupte pentru: a) eșantioane tip ROT37; b) eșantioane tip ROT55
Analiza datelor din Tabelul 4.2 și Fig. 4.5 în cazul eșantioanelor de tip ROT37 arată
că:
rotorul fără defect (ROT37-0) respectă criteriul (4.2);
rotorul cu o bară întreruptă (ROT37-1) respectă criteriul (4.2) ceea ce indică
imprecizia metodei;
numai în cazul a două și trei bare întrerupte (ROT37-2, ROT37-3) metoda indică
corect defectul.
Analiza datelor din Tabelul 4.2 și Fig 4.5 în cazul eșantioanelor de tip ROT55 arată
că:
rotorul fără defect (ROT55-0) respectă criteriul (4.2);
rotorul cu o bară întreruptă (ROT55-1) respectă criteriul (4.2) ceea ce indică
imprecizia metodei;
numai în cazul a două bare întrerupte (ROT55-2) metoda indică corect defectul.
Măsurătorile efectuate arată că odată cu creşterea numărului de bare întrerupte,
puterea absorbită de sistemul de măsură creşte, efect care se regăseşte de asemenea în
creşterea rezistenţei echivalente (Fig. 4.5).
Avantajul metodei este că este usor de implementat în producție. Dezavantajul este
imprecizia metodei pentru defecte minore și tipul golurilor de material, impurități, fisuri.
4.1.3. Identificarea defectelor rotorice prin metoda măsurării variației fluxului magnetic
Pentru măsurători s-a utilizat instalația Risatti, bazată pe metoda măsurării variației
fluxului magnetic în întrefier la rotirea cu viteză constantă a rotorului cu defect.
Datele tehnice ale instalaţiei Risatti 06/M sunt: limite de dimensiuni pentru
poziționarea rotorului între vârfuri - Φext : min 25, max 110 mm; Hmax : 150 mm; Dgaură : min
4 mm; turație: 500 rot/min; senzor de măsurare 04/BPR reglabil după trei axe; afișaj
LCD:120x100; durata ciclului de verificare în regim automat: 0.8 s.
Rezumatul tezei de doctorat
55
Determinările experimentale au fost efectuate pe rotoare fără și cu defect de bară
întreruptă a căror caracteristici sunt prezentate în Tabelul 4.1. Semnalul măsurat cu senzorul
04/BPR este afişat pe ecranul instalaţiei. Curbele înregistrate sunt ilustrate în Fig. 4.7 și Fig.
4.8.
a) b)
c) d)
Fig. 4.7. Variația în timp a semnalului înregistrat pe instalația Risatti pentru rotoare fără/cu defect
pentru puterea de 0.37 kW/400V: a) rotor fără defect (ROT37-0); b) rotor cu o bară rotorică întreruptă
(ROT37-1); b) rotor cu două bare întrerupte (ROT37-2); b) rotor cu patru bare rotorice rupte (ROT37-
4);
a) b)
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
56
c)
Fig. 4.8. Variația în timp a semnalului înregistrat pe instalația Risatti pentru rotoare fără/cu defect
pentru puterea de 0.55 kW/400V: a) rotor fără defect (ROT55-0); b) rotor cu o bară rotorică întreruptă
(ROT55-1); c) rotor cu două bare rotorice întrerupte (ROT55-2)
Curbele obținute au fost analizate și comparate cu curbele etalon ale aparatului
prezentate în Fig. 2.3.
Forma curbelor obținute indică:
o amplitudine constantă a semnalului afișat (Fig. 4.7.a) și (Fig. 4.8.a) ceea ce
corespunde cu tipul de eșantion - rotor fără defecte (Fig. 2.3.a);
o creștere a amplitudinii semnalului însoțită de deformarea lui (Fig. 4.7.b, Fig. 4.7.c,
Fig. 4.7.d) și (Fig. 4.8.b, Fig. 4.8.c) ceea ce corespunde cu bara întreruptă (Fig.2.3.b);
o multiplicare a deformării semnalului odată cu creșterea numărului de bare
întrerupte.
Constatări:
Aparatul permite citirea numărului de bare rotorice egal cu pulsurile semnalului
înregistrat: 22 pentru rotoare ROT37 și 20 pentru rotoare ROT55.
Măsurătorile realizate pe eșantionul ROT37-0 indică existența unui defect de tip
remanență magnetică (Fig. 4.7.a și Fig. 2.3.e).
Metoda de diagnoză bazată pe măsurarea fluxului magnetic în întrefier permite
identificarea defectelor rotorice fără însă a localiza defectul.
4.2. Identificarea defectelor rotorice cu metoda compararării parametrilor
tehnici ai motorului asincron
Scopul determinărilor este de testare a eficacităţii metodei comparării parametrilor
tehnici ai motorului pentru identificarea defectelor rotorice de tip bară întreruptă.
4.2.1. Eşantioane şi metoda de testare
Pentru a urmări influența barelor întrerupte asupra parametrilor de funcționare ai
motoarelor asincrone trifazate s-au utilizat în construcția motoarelor asincrone de testare
rotoarele prezentate în Tabelul 4.1.
Rezumatul tezei de doctorat
57
Pentru eșantioanele ROT37-0, ROT37-1, ROT37-2 și ROT37-3 s-a utilizat un stator
din seria motoarelor MASI37. Pentru eșantioanele ROT55-0, ROT55-1, ROT55-2 și ROT55-
3 s-a utilizat un stator din seria motoarelor MASI55.
Determinările experimentale pe motoarele trifazate asincrone fără/cu defecte au
cuprins testări la funcționarea în gol, funcționarea în sarcină și funcționarea în scurtcircuit.
S-au utilizat schemele electrice de măsurare și metodele de încercare au fost conform
standardului internațional IEC 60034-2-1. Schema electrică de montaj utilizată pentru
testarea motoarelor fără/cu defecte este prezentată în Fig. 4.9.
Fig. 4.9. Schema de montaj pentru testarea motorului asincron trifazat cu rotor fără /cu defect de bară
întreruptă [33]
O vedere a standului de testare a motorului asincron trifazat cu rotor fără /cu defect de
bară întreruptă este prezentată în Fig. 4.10.
Fig. 4.10. Stand de testare a motorului asincron trifazat cu rotor fără /cu defect de bară întreruptă
Schema de montaj este alcatuită dintr-un grup Ward-Leonard, pentru reglarea
frecvenței și a tensiunii de alimentare a motorului asincron de testare. Aparatele și
transformatoarele de măsură au clasa de precizie 0.2.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
58
4.2.2. Determinarea rezistenței înfășurării statorice
În Tabelul 4.3 sunt prezentate valorile rezultate în urma măsurătorilor
Tabel 4.3. Rezistențele înfășurării statorice
MASI37 MASI55
RR
[Ω]
RS
[Ω]
RT
[Ω]
Rf
[Ω]
R30
[Ω]
R115
[Ω]
RR
[Ω]
RS
[Ω]
RT
[Ω]
Rf
[Ω]
R30
[Ω]
R115
[Ω]
25.1 25.08 25.18 25.12 25.97 33.26 15.20 15.32 15.53 15.35 15.87 20.32
Măsurătorile indică o realizare corespunzătoare, simetrică a înfășurării statorice.
4.2.3. Încercarea de funcționare în gol
Rezultatele măsurărilor sunt prezentate în Tabelul 4.4, Tabelul 4.5, Tabelul 4.6,
Tabelul 4.7.
Tabel 4.4. Curentul de funcționare în gol pentru MASI37 și MASI55 fără și cu defect de bară
întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
IR0 [A] IS0 [A] IT0 [A] I0 [A] IR0 [A] IS0 [A] IT0 [A] I0 [A]
0 0.785 0.84 0.825 0.817 0.83 0.865 0.825 0.840
1 0.815 0.85 0.801 0.822 0.844 0.864 0.827 0.845
2 0.835 0.825 0.82 0.827 0.85 0.84 0.855 0.848
3 0.82 0.85 0.814 0.828 0.82 0.89 0.82 0.850
Tabel 4.5. Puterea activă la funcționarea în gol pentru MASI37 și MASI55 fără și cu defect
de bară întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
PR0 [W] PS0 [W] PT0 [W] P0 [W] PR0 [W] PS0 [W] PT0 [W] P0 [W]
0 24 39 28 91 34 41 28 103
1 24 33 36 93 28 37.6 38 103.6
2 29 31 34 94 35 33 38 106
3 26 34.6 35 95.6 29 45 34 108
Tabel 4.6. Pierderile de putere în circuitul magnetic la funcționarea în gol pentru MASI37
fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
PARAMETRI MASI37-0 MASI37-1 MASI37-2 MASI37-3
P0 [W] 91 93 94 96
PCu0 [W] 52 52.64 53.28 53.41
Pmec+vent [W] 4 4 4 4
Pmas 20 20 20 20
PFe [W] 15 16.36 16.72 18.59
I0 [A] 0.817 0.822 0.827 0.828
Rezumatul tezei de doctorat
59
Tabel 4.7. Pierderile de putere în circuitul magnetic la funcționarea în gol pentru MASI55
fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
PARAMETRI MASI55-0 MASI55-1 MASI55-2 MASI55-3
P0 [W] 103 103.6 106 108
PCu0 [W] 33.59 33.99 34.24 34.40
Pmec+vent [W] 10 10 10 10
Pmas 20 20 20 20
PFe [W] 39.4 39.6 41.8 43.6
I0 [A] 0.840 0.845 0.848 0.850
Constatări:
determinările experimentale referitoare la influența barelor întrerupte asupra
curentulului de funcționare în gol indică o creștere a curentului de funcționare în gol,
pusă în evidență pentru ambele tipuri de motoare: în cazul MASI37 curentul crește cu
creșterea numărului de bare întrerupte cu 1.34 %, iar în cazul MASI55 curentul crește
cu 1.19 %. Curentul de funcționare în gol nu poate fi utilizat ca indicator de diagnoză
a defectelor rotorice.
puterea activă la funcționarea în gol crește cu creșterea numărului de bare întrerupte:
în cazul MASI37 cu 5.05 % și în cazul MASI55 cu 4.85 %. Cu unele precauții puterea
de funcționare în gol poate fi utilizat ca factor de diagnoză a defectelor rotorice, fără
însă a putea fi identificat și localizat defectul.
Tabelul 4.6 și Tabelul 4.7 arată că puterile la funcționarea în gol se modifică odată cu
creșterea numărului de bare întrerupte. Cea mai mare modificare este pusă în valoare
de pierderile în fier cu 23.93 % în cazul MASI37 și cu 10.65 % în cazul MASI55.
4.2.4. Încercarea de funcționare la scurtcircuit
Tabel 4.8. Curentul de funcționare în scurtcircuit pentru MASI37 și MASI55 fără și cu defect
de bară întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
IkR [A] IkS [A] IkT [A] Ik [A] IkR [A] IkS [A] IkT [A] Ik [A]
0 0.90 0.96 0.92 0.93 1.81 2 1.90 1.90
1 0.91 0.96 0.95 0.94 1.82 1.98 1.93 1.91
2 0.93 0.97 0.95 0.95 1.87 2.1 1.82 1.93
3 0.95 0.99 0.97 0.97 1.88 2.1 1.87 1.95
Tabel 4.9. Puterea de scurtcircuit pentru MASI37 și MASI55 fără și cu defect de bară
întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
PkR [W] PkS [W] PkT [W] Pk [W] PkR [W] PkS [W] PkT [W] Pk [W]
0 40 52 44 136 88 114 92 294
1 39 50 46 135 90 105 97 292
2 38 48 45 131 88 104 97 289
3 37 47 45 129 87 103 95 285
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
60
Constatări:
curentul de scurtcircuit crește cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 4.3 %
pentru cazul MASI37 și cu 2.6 % pentru MASI55;
puterea de scurtcircuit scade cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 5.1 % pentru
cazul MASI37 și cu 3.06 % pentru cazul MASI55.
4.2.5. Încercarea de funcționare la sarcină nominală
Rezultatele măsurărilor sunt prezentate în tabelele de mai jos.
Tabel 4.10. Curentul echivalent de fază IN pentru MASI37 și MASI55 fără și cu defect de
bară întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
IR [A] IS [A] IT [A] IN [A] IR [A] IS [A] IT [A] IN [A]
0 1.07 1.1 1.096 1.09 1.244 1.322 1.256 1.274
1 1.13 1.15 1.150 1.14 1.28 1.3 1.28 1.29
2 1.146 1.144 1.168 1.153 1.31 1.32 1.33 1.32
3 1.22 1.24 1.234 1.23 1.31 1.36 1.33 1.33
Tabel 4.11. Puterea absorbită pentru MASI37 și MASI55 fără și cu defect de bară întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
PR [W] PS [W] PT [W] Pabs [W] PkR [W] PkS [W] PkT [W] Pabs [W]
0 191.2 212.8 192 596 239.2 259.2 236 734
1 206 205.6 208 620 250 251.2 250 751
2 206 212 214 632 254 254 256 764
3 220 220 224 664 245.6 268 253.6 767
Tabel 4.12. Cuplul de pornire, cuplul raportat, curentul de pornire, curentul raportat pentru
MASI37 și MASI55 fără și cu defect de bară întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
Mp [Nm] Mp/MN Ip [A] Ip/IN Mp [Nm] Mp/MN Ip [A] Ip/IN
0 6.08 2.51 3.5 3.21 4.9 2.03 7 5.51
1 6.03 2.49 3.60 3.16 4.76 1.97 7.1 5.50
2 5.93 2.45 3.63 3.15 4.41 1.82 7.2 5.45
3 5.64 2.33 3.68 2.99 4.16 1.72 7.225 5.43
Tabel 4.13. Valoarea determinată a puterii utile și a alunecării
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
Mm [Nm] n [rpm] Pu [W] s [%] Mm [Nm] n [rpm] Pu [W] s [%]
0 2.76 1273 369 15.13 4.12 2844 549 5.20
1 2.79 1263 369 15.80 4.15 2839 549 5.37
2 2.82 1250 370 16.67 4.20 2823 550 5.90
3 3.01 1176 371 21.60 4.48 2797 551 6.77
Rezumatul tezei de doctorat
61
Tabel 4.14. Pierderile de putere în circuitul magnetic și randamentul pentru MASI37 fără și
cu defect de bară rotorică întreruptă
PARAMETRI MASI37-0 MASI37-1 MASI37-2 MASI37-3
PCu [W] 118.55 129.67 132.65 150.96
Pem [W] 462.45 473.97 485.61 494.45
PAl [W] 69.96 74.89 80.95 106.80
PFe [W] 15 16.36 16.72 18.59
Pabs [W] 596 620 632 664
Pmas [W] 20 20 20 20
Pmec+vent [W] 4 4 4 4
Pu [W] 369 369 370 371
η [%] 61.86 60.11 59.26 55.26
Tabel 4.15. Pierderile de putere în circuitul magnetic și randamentul pentru MASI55 fără și
cu defect de bară rotorică întreruptă
PARAMETRI MASI55-0 MASI55-1 MASI55-2 MASI55-3
PCu [W] 161.95 166.04 173.86 176.50
Pem [W] 532.65 545.36 548.34 546.90
PAl [W] 27.69 29.29 32.35 37.02
PFe [W] 39.4 39.6 41.8 43.6
Pabs [W] 734 751 764 767
Pmas [W] 20 20 20 20
Pmec+vent [W] 10 10 10 10
Pu [W] 549 549 550 551
η [%] 67.94 67.45 66.42 65.74
Tabel 4.16. Factorul de putere pentru MASI37 și MASI55 fără și cu defect de bară rotorică
întreruptă
Nr. Bară
întreruptă
MASI37 MASI55
Pabs [W] UN [V] IN [A] cosφ [%] Pabs [W] UN [V] IN [A] cosφ [%]
0 596 400 1.09 78.92 734 400 1.274 83.16
1 620 400 1.14 78.50 751 400 1.29 84.03
2 632 400 1.153 79.12 764 400 1.32 83.54
3 664 400 1.23 77.92 767 400 1.33 83.24
Constatări:
curentul de pornire crește cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 12.84 % pentru
cazul MASI37 și cu 4.40 % pentru cazul MASI55;
puterea absorbită crește cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 11.41 % pentru
cazul MASI37 și cu 4.5 % pentru cazul MASI55;
cuplul raportat scade cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 7.17 % pentru
MASI37 și cu 15.27 % pentru MASI55;
curentul raportat scade cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 5.14 % pentru
MASI37 și cu 1.45 % pentru MASI55;
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
62
turația asincronă scade cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 7.61 % pentru
cazul MASI37 și cu 1.65 % pentru cazul MASI55;
alunecarea crește cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 42.76 % pentru
MASI37 și cu 30.19 % pentru MASI55;
pierderile în cupru cresc cu creșterea numărului de bare întrerupte cu 27.33 % pentru
MASI37 și cu 8.98 % pentru MASI55;
pierderile în colivia rotorică cresc cu creșterea numărului de bare întrerupte cu
52.65 % pentru MASI37 și cu 33.69 % pentru MASI55.
4.3. Identificarea defectelor rotorice cu metoda amprentei curentului
statoric
Scopul determinărilor experimentale este de a analiza eficacitatea metodei de
identificare a defectelor rotorice cu metoda amprentei curentului statoric.
Măsurătorile au fost efectuate la Laboratorul Sisteme Electrice Avansate din cadrul
Institutului de Cercetare Braşov.
4.3.1. Eşantioane şi instalaţii de testare utilizate
Pentru a urmări influenței barelor întrerupte asupra amprentei curentului statoric şi
asupra puterii absorbite de motorul asincron trifazat fără/cu defect s-au utilizat aceleaşi aceste
eșantioane prezentate în Tabelul 4.1.
În Fig. 4.11 este prezentată schema de montaj pentru măsurarea motoarelor trifazate
cu sursă ideală de tensiune.
Fig. 4.11. Schemă de montaj cu sursă ideală de tensiune
O vedere a standului de testare cu sursă ideală de tensiune a motorului asincron
trifazat cu rotor fără /cu defect de bară întreruptă este prezentată în Fig. 4.12.
Fig. 4.12. Stand de testare a motorului asincron trifazat cu rotor fără /cu defect de bară întreruptă cu
sursă ideală de tensiune
Rezumatul tezei de doctorat
63
Caracteristicile echipamentelor: sursa NETWAVE – sursă comandată care permite
alimentarea în regim sinusoidal sau nesinusoidal a echipamentului de testare; analizorul DPA
503 N permite înregistrarea tuturor parametrilor electrici ai echipamentului de testare;
motorul M este format dintr-un stator care permite montarea mai multor rotoare de acelaşi
tip, conform Tabelului 4.1.
Metoda de măsurare
Se montează primul rotor în statorul corespunzător şi se asigură că nu există
excentricităţi şi frecări suplimentare. Se controlează parametrii mediului ambiant.
Se fixează parametrii de testare pentru sursa de alimentare NETWAVE şi se
adaptează domeniul de măsurare a Analizorului trifazat DPA.
Se alimentează motorul cu o durată care să permită eliminarea frecărilor statice/de
pornire.
Se măsoară: tensiunea U și curentul I pe faze, puterea activă P, puterea reactivă Q,
puterea aparentă S, factorul de putere PF și armonicile de curent.
Analizorul preia semnalul de măsurat și face eșantionare la 20 de cicluri prin
medierea la 10 ms obținând valori efective.
Testele au fost realizate pentru un număr de cicluri n = 1, la timpul de măsurare tmăs =
10 s, stabilit in DPA, și timpul de măsurare DNet = 20 ms, stabilit in Netwave,
4.3.1. Rezultate și interpetarea datelor pentru rotoare de 0.37 kW
Rezultatul determinărilor experimentale pentru rotoare de motoare cu puterea de
0.37 kW este prezentat tabelar în Anexa 5 și Anexa 6.
S-a constatat că pentru toate încercările, armonicele 1, 21, 3, 4, 7 prezintă interes în
detectarea defectului de bară întreruptă.
100max
%
med
med
xII
IIk , x=1, 21 ,3 ,4 ,7 (4.18)
Tabel 4.17. Valori medii maxime ale armonicii de curent h=1 pe fiecare fază pentru MASI37
fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
Proba I1L1med [%] I1L2med [%] I1L3med [%] I1med [%] I1max [%] k1I% [%]
MASI37-0 99.607 99.591 99.616 99.605 100 0.396
MASI37-3 99.274 99.318 99.281 99.291 100 0.713
Tabel 4.18. Valori medii maxime ale armonicii de curent h=21 pe fiecare fază pentru
MASI37 fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
Proba I21L1med
[%]
I21L2med
[%]
I21L3med
[%] I21med [%] I21max [%] k21I% [%]
MASI37-0 0.5652 0.568 0.5824 0.571867 0.608 6.318489
MASI37-3 0.5792 0.5848 0.5858 0.583267 0.623 6.812207
Tabel 4.19. Valori medii maxime ale armonicii de curent h=3 pe fiecare fază pentru MASI37
fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
64
Proba I3L1med [%] I3L2med [%] I3L3med [%] I3med [%] I3max [%] k3I% [%]
MASI37-0 15.3864 15.2846 15.7524 15.47447 15.932 2.956699
MASI37-3 16.019 15.8808 16.3458 16.08187 17.205 6.983849
Tabel 4.20. Valori medii maxime ale armonicii de curent h=4 pe fiecare fază pentru MASI37
fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
Proba I4L1med [%] I4L2med [%] I4L3med [%] I4med [%] I4max [%] k4I% [%]
MASI37-0 0.1428 0.1396 0.139 0.140467 0.162 15.32985
MASI37-3 0.1448 0.1428 0.142 0.1432 0.183 27.7933
Tabel 4.21. Valori medii maxime ale armonicii de curent h=7 pe fiecare fază pentru MASI37
fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
Proba I7L1med [%] I7L2med [%] I7L3med [%] I7med [%] I7max [%] k7I% [%]
MASI37-0 0.2348 0.2276 0.242 0.2348 0.301 28.19421
MASI37-3 0.3942 0.382 0.4064 0.3942 0.590 49.67022
100%0
0
med
medmedx
medP
PPP , x= 1, 2 (4.19)
Tabel 4.22. Valori medii ale puterilor absorbite pentru MASI37 fără și cu defect de bară
rotorică întreruptă
Proba Pmed
[W]
ΔPmed
[%]
Qmed
[VAR]
ΔQmed
[%]
Smed
[W]
ΔSmed
[%] PFmed
ΔPFmed
[%]
MASI37-0 99.6 - 564.2 - 573 - 0.174 -
MASI37-3 106 6.425703 591 4.750089 600.6 4.816754 0.1754 0.804598
Fig. 4.13. Valori medii ale puterilor absorbite pentru MASI37 fără și cu defect de bară rotorică
întreruptă
Rezumatul tezei de doctorat
65
Fig. 4.14. Variația factorului de putere pentru MASI37 fără și cu defect de bară rotorică întreruptă
Tabel 4.23. Valori medii ale armonicilor de curent pentru MASI37 fără și cu defect de bară
rotorică întreruptă
Proba I21med [%] I3med [%] I4med [%] I7med [%]
MASI37-0 0.571867 15.47447 0.140467 0.2348
MASI37-3 0.583267 16.08187 0.1432 0.3942
Fig. 4.15. Armonici principale de perturbație pentru MASI37 fără și cu defect de bară rotorică
întreruptă
Concluzie: Armonica 7 de curent poate fi utilizata ca indicator al defectelor rotorice de tip
bară ruptă.
4.3.2. Rezultate și interpretarea datelor pentru rotoare de 0.55 kW
Tabel 4.1. Comparație între factorii de nesimetrie ai motoarele analizate fără și cu defect de
bară rotorică întreruptă
Nr. Bare întrerupte MASI37 MASI55
kIs [%] kIs [%]
0 0.396 0.19
1 - 0.24
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
66
2 - 0.33
3 0.713 -
4.4. Concluzii
Măsurătorile efectuate cu metoda rezistenței echivalente arată că odată cu creşterea
numărului de bare întrerupte atât puterea absorbită de sistem cât și rezistenţa echivalentă
cresc. Este demonstrat că prin folosirea metodei rezistenței echivalente există riscul ca
rotoare cu defecte să fie montate în motoare.
Metoda măsurării variației fluxului magnetic indică că pentru rotoarele fără defecte
majore amplitudinea își păstrează limitele, iar pentru rotoarele cu o bară, două bare, respectiv
trei bare întrerupte aceasta crește în zona unde apare defectul. Metoda poate fi folosită cu
ușurință în producția de serie a motoarelor electrice asincrone.
Parametrii motoarelor electrice asincrone precum alunecarea, cuplul electromagnetic,
curentul nominal și puterea absorbită pot fi indicatori de defectare. În urma testelor este arătat
că alunecarea și curentul nominal cresc cu creșterea numărului de bare întrerupte, iar cuplul
electromagnetic și puterea absorbită scad cu creșterea numărului de bare întrerupte.
Armonica de curent de ordinul 7 este cea mai concludentă în cazul ambelor tipuri de
motoare testate și poate fi folosită ca indicator pentru defectele de tip bară rotorică întreruptă.
Sunt necesare teste și pe motoare de puteri medii pentru a determina dacă armonica de
ordinul 7 poate fi folosită ca indicator pentru depistarea defectului de bară înteruptă.
Rezumatul tezei de doctorat
67
5. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE.
DISEMINAREA REZULTATELOR. DIRECȚII VIITOARE
DE CERCETARE
5.1. Concluzii finale
Menținerea performanțelor motorului electric în limitele admisibile impuse de
standarde și implicit diminuarea ratei de defectare este realizabilă prin identificarea surselor
și cauzelor defectării.
Studiul de caz realizat de autoare permite identificarea și clasificarea defectelor care
apar în fabricația motoarelor electrice asincrone de mică și medie putere. S-a analizat
tehnologia de fabricare a motoarelor electrice din cadrul S.C. Electroprecizia – Electrical
Motors S:R.L și modul de amplasare a punctelor de monitorizare și control a motoarelor pe
linia de fabricație. Este propus un plan de acțiune pentru reducerea numărului de defecte care
cuprinde: îmbunătățirea calității materialelor izolatoare utilizate, implementarea de proceduri
de testare a subansamblelor, controlul în sistemele de mecanizare și automatizare a procesului
tehnologic de fabricație a motoarelor asincrone.
În monitorizarea funcționării motorului asincron este importantă identificarea și
localizarea defectelor.
Metodele de diagnoză în motorul electric asincron sunt clasificate după mai multe
criterii: în funcție de principalele componente constructive și în funcție de indicatorul de
diagnosticare. Fiecare din aceste metode au avantaje și dezavantaje.
Limitările care apar în identificarea și localizarea defectelor sunt legate în special de
precizia echipamentelor de monitorizare și în special de modul de prelucrare a semnalelor
obținute. Modelarea și simularea cu metoda elementelor finite poate să completeze tehnicile
actuale de monitorizare.
Modelarea analitică a motorului asincron este necesară ca bază pentru analiza
numerică efectuată cu scopul evidențierii efectelor datorate defectelor de tip bară rotorică
întreruptă asupra performanțelor motorului.
Mediul FLUX 2D permite modelarea și simularea în regim staționar și în regim
tranzitoriu a funcţionării motorului asincron fără şi cu defecte de bară rotorică întreruptă, prin
punerea în evidență a influenței defectului asupra parametrilor motorului: curenți rotorici,
cuplul electromagnetic, inducția magnetică în întrefier, curenţi statorici.
Prezenţa barelor întrerupte determină ca valoarea curenţilor de fază și a cuplului
electromagnetic să scadă odată cu creşterea numărului de bare întrerupte. Variația relativă a
curentului prin barele rotorice scoate în evidență că o creştere importantă a curentului rotoric
se produce în bara alăturată barei afectate.
De asemenea, este arătat că întreruperea barelor produc distorsionarea liniilor de câmp
magnetic. Cu cât numărul de bare rotorice întrerupte crește și forma curentului își modifică
amplitudinea.
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
68
Analiza distribuției câmpului magnetic din întrefier a arătat că și în regim staționar de
funcționare saturația magnetică este ridicată în zona barelor întrerupte și că densitatea de flux
magnetic din întrefier conține suficiente informații pentru detectarea barelor întrerupte.
Sunt realizate determinări experimentale cu metoda rezistenței echivalente a rotorului,
metoda măsurării variației fluxului magnetic, metoda variației parametrilor motorului şi
metoda amprentei curentului statoric pentru identificarea defectelor rotorice de tip bară
întreruptă.
Măsurătorile efectuate cu metoda rezistenței echivalente arată că odată cu creşterea
numărului de bare rupte atât puterea absorbită de sistem cât și rezistenţa echivalentă cresc.
Este demonstrat că prin folosirea metodei rezistenței echivalente există riscul ca rotoare cu
defecte să fie montate în motoare.
Metoda măsurării variației fluxului magnetic indică că pentru rotoarele fără defecte
majore amplitudinea își păstrează limitele, iar pentru rotoarele cu o bară, două bare, respectiv
trei bare întrerupte aceasta crește în zona unde apare defectul. Metoda poate fi folosită cu
ușurință în producția de serie a motoarelor electrice asincrone.
Parametrii motoarelor electrice asincrone precum alunecarea, cuplul electromagnetic,
curentul nominal și puterea absorbită pot fi indicatori de defectare. În urma testelor este arătat
că alunecarea și curentul nominal cresc cu creșterea numărului de bare întrerupte, iar cuplul
electromagnetic și puterea absorbită scad cu creșterea numărului de bare întrerupte.
Armonica de curent de ordinul 7 este cea mai concludentă în cazul ambelor tipuri de
motoare testate și poate fi folosită ca indicator pentru defectele de tip bară rotorică întreruptă.
Sunt necesare teste și pe motoare de puteri medii pentru a determina dacă armonica de
ordinul 7 poate fi folosită ca indicator pentru depistarea defectului de bară înteruptă.
5.2. Contribuții originale
Contribuțiile personale aduse în cadrul cercetării teoretică și experimentală sunt:
1. Sintematizarea cunoștințelor privind sursele și mecanismele de defectare la MASI.
2. Sistematizarea cunoștintelor legate de metodele de diagnoză a defectelor statorice,
rotorice, precum și a defectelor rulmenților și de excentricitate.
3. Sistematizarea cunoștintelor legate de metodele de monitorizare on-line a defectelor la
MASI în vederea fundamentării și proiectarii unui sistem de monitorizare on line.
Proiectarea unui sistem de monitorizare on-line a defectelor bazat pe metoda amprentei
curentului statoric la MASI.
4. Dezvoltarea unui model analitic pentru motorul de mică și medie putere cu bară rotorică
întreruptă.
5. Simularea în regim staționar și regim tranzitoriu a funcționării motorului de mică și medie
putere fără și cu defect de bară întreruptă în vederea fundamentării unor metode de
identificare a defectelor rotorice. S-a identificat că metodele de măsurare a cuplului
electromagnetic și metoda amprentei curentului statoric sunt potrivite pentru identificarea
defectelor.
6. Dezvoltarea unei proceduri de analiză statistica a defectelor identificate pe linia de
fabricație.
Rezumatul tezei de doctorat
69
7. Stabilirea eficacității metodei măsurării rezistenței echivalente a rotorului și a metodei
măsurării variației fluxului magnetic prin cercetări experimentale pe motoare in care s-au
indus defecte de bară rotorică întreruptă.
8. Dezvoltarea unei proceduri pentru identificarea defectelor rotorice cu metoda amprentei
curentului statoric fundamentată pe baza simularilor și modelărilor pe standul
Laboratorului de Sisteme Electrice Avansate din cadrul Institutului de Cercetare
Dezvoltare Braşov.
5.3. Diseminarea rezultatelor
Rezultatele obţinute în timpul pregătirii doctorale au fost diseminate prin elaborarea a
9 lucrări de cercetare publicate în volume ale conferinţelor naţionale şi internaţionale, din
care 6 lucrări publicate în domeniul tezei de doctorat ca prim autor.
5.4. Direcții viitoare de cercetare
Cercetarea va fi continuată în următoarele direcții:
efectuarea de determinări experimentale extinse pentru motoare asincrone trifazate de
medie putere cu defecte rotorice și noi simulări pentru cazul motoarelor de randament
ridicat și premium;
fundamentarea procedurii de identificare a defectelor rotorice utilizând ca indicator de
diagnoză spectrul frecvențelor curenților statorici și coeficientul de nesimetrie al
sistemului trifazat de curenți statorici;
analiza numerică a motoarelor asincrone fără și cu defecte statorice și rotorice la
funcționarea cu diferite încărcări;
implementarea sistemului de monitorizare propus de autoare.
Rezumatul tezei de doctorat
70
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ
[2] G. G. Acosta, C. J. Verucchi, and E. R. Gelso, “A current monitoring system for
diagnosing electrical failures in induction motors,” Mechanical Systems and Signal
Processing, no. 20, p. 953–965, 2006.
[3] S. K. Ahamed, S. Karmakar, M. Mitra, and S. Sengupta, “Diagnosis of induction motor
faults due to broken rotor bar and rotor mass unbalance through discrete wavelet
transform of starting current at no-load,” Journal of Electrical Systems, vol. 6, no. 3, pp.
442–456, 2010.
[7] I. Albizu and I. Z. A. J. Mazon, “Techniques for on-line diagnosis of stator shorted turns
in induction motors,” Electric Power Components and Systems, vol. 34, no. 1, pp. 97–
114, 2006.
[17] A. Bentounsi, “On line diagnosis of defaults on squirrel cage motors using FEM,”
IEEE Transactions on Magnetics, vol. 34, no. 5, pp. 3511–3514, 1998.
[18] I. Boldea and S. A. Nasar, The Induction Machines Design Handbook, Second Edition.
CRC Press, 2009, no. ISBN: 978-1-4200-6669-2.
[19] A. H. Bonnett and G. C. Soukup, “Cause and analysis of stator and rotor failures in
three-phase squirrel-cage induction motors,” IEEE Transactions on Industry
Applications, vol. 28, no. 4, pp. 921–937, July-August 1992.
[26] M. D. Calin, L. Mariut, and E. Helerea, “On the testing procedure of electrical
machines used in automotive,” in Proceedings of The 5th International Conferenece on
Interdisciplinarity in Education, ICIE 2010, Tallinn, Estonia, 2010, pp. 277–280.
[29] A. Ciobanu, “Online diagnosis system for the induction motor,” Revista Scolii
doctorale Creativitate si Inventica, vol. 3, pp. 1–5, 2011.
[30] A. Ciobanu and E. Helerea, “Diagnosis of faults in induction machine manufacturing,”
in Proceedings of the 13-th International Conference Scientific Research and Education
in the Air Force AFASES, Bras, ov, Romˆania, 2011, pp. 663–668.
[31] A. Ciobanu and E. Helerea, “FEM modeling of the induction motor with rotor faults,”
in Simpozionul National de Electrotehnica Teoretica, SNET’12. Univeristatea
Politehnica din Bucuresti, vol. 3, no. 1, Bucuresti, Romania, 2012, pp. 264–269.
[32] A. Ciobanu and E. Helerea, “Analysis of magnetic field distribution in
inductionmotors with broken rotor bars,” in The 4th International Symposium on
Electrical and Electronics Engineering, Galati, Romania, 2013.
[33] A. Ciobanu, E. Helerea, and M. Ioannidis, “Effects of voltage variation on the
induction motor performances,” in Proceedings of the 6th International Conference on
Interdisciplinarity in Education ICIE’11, Karabuk, Turkey, 2011, pp. 272–278.
[34] A. Ciobanu, E. Helerea, and I. Peter, “An experimental comparative analysis for
broken rotor bars diagnosis,” in 11th International Conference on Applied and
Theoretical Electricity, Annals of the University of Craiova, Craiova, Romania, 2012,
pp. 75–78.
[35] S. Cruz and F. Gaspar, “A new method to diagnose rotor faults in 3-phase induction
motors coupled to time-varying loads,” Przeglad Elektrotechniczny, vol. 88, no. 1a, pp.
202–206, 2012.
Rezumatul tezei de doctorat
71
[42] G. Didier, E. Ternisien, O. Caspary, and H. Razik, “Fault detection of broken rotor bars
in induction motor using a global fault index,” IEEE Transactions on Industry
Applications, vol. 42, no. 1, pp. 79–88, 2010.
[51] J. Faiz and B. M. Ebrahimi, “Locating rotor broken bars in induction motors using
finite element method,” Energy Conversion and Management, vol. 50, no. 1, p. 125–
131, 2009.
[57] M. M. Filip, “Optimizarea tehnologiilor de fabricarea masinilor electrice in vederea
cresterii eficientei si eficacitatii,” Thesis, Universitatea Transilvania din Brasov,
Brasov, Romania, 2010.
[58] V. Fireţeanu, Analiza în element finit în studiul maşinilor electrice. Bucureşti:
Printech, 2010, ISBN: 978-606-521-466-8.
[59] R. Fiser and S. Ferkolj, “Application of a finite element method to predict damaged
induction motor performance,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 37, no. 5, pp.
3635–3639, September 2001.
[68] M. R. W. Group, “Report of large motor reliability survey of industrial and commercial
installations, part ii,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. IA-21, no. 4,
pp. 865–872, July 1985.
[76] E. Helerea, Materiale pentru electrotehnica si electronica. Editura Matrix Rom,
Bucuresti, 2003, no. ISBN: 973-685-649-6.
[77] E. Helerea, I. Lepadat, and A. Ciobanu, “Impact of three-phase voltage dips on the
induction motors – an experimental study,” in The 4th International Symposium on
Electrical and Electronics Engineering, Galati, Romania, Galati, Romania, 2013.
[79] R.-M. Ionescu, G. Scutaru, and I. Peter, Analiza zgomotului magnetic al motoarelor de
inductie cu reglaj de turatie. Editura Universitatii Transilvania din Brasov, 2011, no.
ISBN: 978-973-598-947-7.
[84] C.-E. Kim, Y.-B. Jung, S.-B. Yoon, and D.-H. Im, “The fault diagnosis of rotor bars in
squirrel cage induction motors by time-stepping finite element method,” IEEE
Transactions on Magnetics, vol. 33, no. 2, pp. 2131–2134, 1997.
[93] L. Mariut, M. Filip, E. Helerea, and I. Peter, “Analysis and modeling on the induction
machine faults,” in Proceedings of The 3rd International Symposium on Electrical and
83 Electronics Engineering (ISEEE), Galati, Romania, 2010, pp. 11–16.
[104] O. A. Mohammed, N. Y. Abed, and S. Ganu, “Modeling and characterization of
induction motor internal faults using finite-element and discrete wavelet transforms,”
IEEE Transactions on Magnetics, vol. 42, no. 10, pp. 3434–3436, October 2006.
[105] R. Munteanu, M. Chindriş, E. Miron, Energie şi mediu. Cluj-
Napoca: Mediamira , 2005, ISBN: 973-713-070-7.
[107] A. Negoita, “Modelarea si analiza zgomotului motoarelor asincrone monofazate,”
Master’s thesis, Departamentul de Inginerie Electrica si Fizica Aplicata, Universitatea
Transilvania din Brasov, Brasov, Romania, 2012.
[110] A. Nicolaide, Masini electrice. Editura Scrisul Romanesc, Craiova, 1975.
[111] P. V. Notingher, Sisteme de izolatie. Editura Printech, Bucuresti, 2002.
[117] M. Rachek and T. Merzouki, Numerical Modelling. InTech, 2012, no. ISBN: 978-
953-51-0219-9, ch. Finite Element Method Applied to the Modelling and Analysis of
Induction Motors, pp. 203–226.
Rezumatul tezei de doctorat
72
[130] J. Sprooten, “Finite element and electrical circuit modelling of faulty induction
machines - study of internal effects and fault detection techniques,” Master’s thesis,
Department of Bio, Electro And Mechanical Systems (BEAMS) Universite Libre de
Bruxelles, Bruxelles, Belgium, 2007.
[131] C. W. Steele, Numerical Computation of Electric and Magnetic Fields. New York:
Chapman & Hall, 1997, no. ISBN: 978-1-4613-7766-5.
[132] G. C. Stone, E. A. Boulter, I. Culbert, and H. Dhairani, Electrical Insulation for
Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing, and Repair. IEEE Press Series
on Power Engineering, 2004, no. ISBN: 0-471-44506-1.
[134]L. Szabo, J. Dobai, K. Biro, D. Fodor, and F. Toth, “Study on squirrel cage faults of
induction machines by means of advanced fem based simulations,” in Proceedings of
the International Conference on Electrical Drives and Power Electronics, 2005. EDPE
2005., Dubrovnik, Croatia, 2005.
[137] P. Tavner, L. Ran, J. Penman, and H. Sedding, Condition monitoring of rotating
electrical machines. The Institution of Engineering and Technology, London, United
Kingdom, 2008, no. ISBN: 978-0-86341-739-9, iET Power and Energy Series 56.
[138] W. T. Thomson and R. J. Gilmore, “Motor current signature analysis to detect faults
in induction motor drives – fundamentals, data interpretation, and industrial case
histories,” in Proceedings of the 32nd Turbomachinery Symposium, 2003, pp. 145–156.
[142] Tudorache, P. Taras and V. Fireteanu, “ Finite Element Diagnosis of Squirrel Cage
Induction Motors with Rotor Bar Faults”, on line pe:
http://www.cedrat.com/fileadmin/user_upload/cedrat_groupe/Publications/Publications/
Applications/overlays/Diagnosis_of_Squirrel_Cage_induction_machine_with_rotor_ba
rs_faults.pdf
[139] H. A. Toliyat, S. Nandi, S. Choi, and H. M. Kelk, Electric Machines – Modeling,
Condition Monitoring and Fault Diagnosis. CRC Press, Taylor and Francis Group,
2013, no. ISBN: 978-0-8493-7027-4, iET Power and Energy Series 56, ISBN: 978-0-
86341-739-9.
[143] A. Ukil, S. Chen, and A. Andenna, “Detection of stator short circuit faults in three-
phase induction motors using motor current zero crossing instants,” Electric Power
Systems Research, vol. 81, no. 4, p. 1036–1044, April 2011.
[159] “IEC standard 60034-1 – rotating electrical machines. part.1: Rating and
performance.” published by International Electrotechnical Commission, 2010.
[160] “IEC 60034-2-1:2007 rotating electrical machines - part 2-1:standard methods for
determining losses and efficiency from tests (excluding machines for traction
vehicles).” published by International Electrotechnical Commission, 2007.
[163] “IEC 60034-30:2008 rotating electrical machines – part 30: Efficiency classes of
single-speed, three-phase, cage-induction motors (ie code).” published by International
Electrotechnical Commission, 2008.
[170] “Cedrat: Flux-induction motor with skewed rotor,” http://www.cedrat.com/, 2009.
[171] M. Antonoaie, Modelarea și simularea regimurior dianmice ale motorului asincron.
Editura Universității Transilvania din Brașov, pp.127, 2007, ISBN 978-973-635-938-5.
Rezumatul tezei de doctorat
73
Contribuții privind diagnoza defectelor la motoarele electrice asincrone
Conducător Științific
Prof. dr. ing. Elena HELEREA
Doctorandă
Ing. Anca CIOBANU
Rezumat
Prezenta lucrare oferă o analiză a mecanismelor de defectare și a surselor defectării
pentru fiecare parte componentă a motorului electric asincron în vederea stabilirii de metode
adecvate de monitorizare și diagnoză a defectării. De asemenea, realizează un studiu de caz
pentru identificarea și clasificarea defectelor care apar pe linia de producție a motoarelor
electrice cu scopul stabilirii unui plan de acțiune pentru reducerea numărului de defecte și
implicit a costurilor datorate rebuturilor. Este realizată o sinteză a metodelor de diagnoză ca bază
pentru sistemele de monitorizare a regimurilor anormale de funcționare și este proiectat un
sistem de monitorizare a defectelor rotorice. Rezultatelor obținute prin utilizarea mediului FLUX
2D în regim staționar și în regim tranzitoriu pentru motoare de puteri mici și medii permite
fundamentarea fenomenelor care au loc în acestea pentru cazurile fără/cu defecte de bară
rotorică. Prin urmare sunt ilustrate și analizate efectele principale ale întreruperii barelor rotorice
asupra motoarelor. Sunt propuși coeficienți de asimetrie pentru determinarea defectelor de bară
rotorică întreruptă. Analiza numerică este validată cu determinări experimentale realizate la S.C.
Electroprecizia Electrical Motors S.R.L. și în Laboratorul de Sisteme Electrice Avansate din
cadrul Institutului de Cercetare Braşov prin utilizarea a patru metode de diagnosticare a
defectelor rotorice.
Contributions to faults diagnosis in asynchronous motors
Scientific coordinator
Prof. dr. ing. Elena HELEREA
PhD Student
Ing. Anca CIOBANU
Abstract
This paper provides an analysis of failure mechanisms and sources of failure for each
component of the asynchronous motor to establish the appropriate methods of monitoring and
fault diagnosis. Also realizes a case study for the identification and classification of faults that
occurre on the electric motors production line in order to establish an action plan to reduce the
number of faults and thus costs due to wastage. A synthesis of the diagnostic methods as base for
the monitoring systems of abnormal operating regimes is made and a monitoring system for the
rotor faults is designed. The results obtained by using FLUX 2D environment in steady-state and
transient regimes enables small and medium power motors substantiation of phenomena that
occur in them for the cases without / with rotor bars faults. Therefore are illustrated and analyzed
the main effects of the interruption of rotor bars in the asynchronous motors. Coefficients of
asymmetry for determining the broken rotor bar fault are proposed. Numerical analysis is
validated by experimental measurements conducted at the Electroprecia Electrical Motors Ltd
and at the Advanced Electrical Systems Laboratory of the Research Institute Brasov by using
four rotor fault diagnostic methods.
Rezumatul tezei de doctorat
74
Curriculum Vitae
INFORMAŢII PERSONALE CIOBANU Anca
Bld. Alexandru Vlahuță, Brașov, 500398, România
+40762604553
[email protected] , [email protected]
Sexul Feminin | Data naşterii 18/07/1984 | Naţionalitatea Română
EXPERIENŢĂ PROFESIONALĂ
Octombrie 2010 – Octombrie 2013
Cadru didactic asociat
Universitatea Transilvania din Brașov
Iunie 2011 - Mai 2012
Proiectant inginer electrotehnic
S.C. Electroprecizia Electrical Motors S.R.L., Săcele
Octombrie 2009 - Iunie 2011
Proiectant inginer electrotehnic
S.C. Electroprecizia S.A., Săcele
EDUCAŢIE ŞI FORMARE
Octombrie 2010 – Prezent
Doctorandă cu frecvență
Universitatea Transilvania din Brașov
Titlul tezei de doctorat elaborată “Contribuții privind diagnoza
defectelor la motoarele electrice asincrone”
Lucrări publicate ca prim autor și coautor: 9 (2 ISI)
Octombrie 2009 – Februarie 2011
Diplomă de Master - Management Energetic
Universitatea Transilvania din Brașov
Facultatea de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor
Iunie 2012 – Septembrie 2013
DidaTec – Lifelong learning and training for higher education
teachers in the technical sciences and engineering fields
Universitatea Transilvania din Brașov
Mai 2013
Certificate of Completion for Introduction to Mathcad Prime 2.0
INAS - PTC ChannelAdvantage and PTC ServiceAdvantage,
(Romania)
Noiembrie 2012
Certificate of Completion for Introduction to ANSYS Workbench
14.0 & ANSYS Composite PrePost
INAS - ANSYS Channel Partner, (Romania)
Octombrie 2004 – Iulie 2009
Diplomă de Inginer – Electrotehnică Generală
Universitatea Transilvania din Brașov
Facultatea de Inginerie Electrică și Știința Calculatoarelor
COMPETENȚE PERSONALE
Limba maternă Româna
Alte limbi străine cunoscute Engleza, Franceza
Competenţe de comunicare
Competente cheie: managementul timpului si al prioritatilor;
lucrul in echipa; creativitate & inovare
Competenţe informatice
Cunostinte IT: Microsoft Office™
Procesare de grafică: CorelDraw
Software de simulare, modelare și proiectare: FLUX 2D,
AutoCad 2012; Ansys 14.0, Comsol Multiphysics 4.3, Mathcad
Prime 2.0, Statistica
Permis de conducere B
Rezumatul tezei de doctorat
75
Curriculum Vitae
PERSONAL INFORMATION CIOBANU Anca
Alexandru Vlahuță Street, Brașov, 500398, România
+40762604553
[email protected] , [email protected]
Sex Feminine | Date of birth 18/07/1984 | Nationality Romanian
WORK EXPERIENCE
October 2010 – October 2013
Higher education associate teacher
Transilvania University of Brașov (Romania)
June 2011 - May 2012
Electrical engineer
Electroprecizia-Electrical Motors Ltd., Săcele (Romania)
October 2009 - June 2011
Electrical engineer
Electroprecizia JSC, Săcele (Romania)
EDUCATION AND TRAINING
October 2010 – Present
PhD Student
Transilvania University of Brașov (Romania)
Title of PhD thesis “ Contributions concerning fault diagnosis in
induction motors”
Papers published as first author and coauthor: 9 (2 ISI)
October 2009 – February 2011
Masters diploma - Energy Management
Transilvania University of Brașov (Romania)
Faculty of Electrical Engineering and Computer Science
June 2012 – September 2013
DidaTec – Lifelong learning and training for higher education
teachers in the technical sciences and engineering fields
Transilvania University of Brașov (Romania)
May 2013
Certificate of Completion for Introduction to Mathcad Prime 2.0
INAS - PTC ChannelAdvantage and PTC ServiceAdvantage,
(Romania)
November 2012
Certificate of Completion for Introduction to ANSYS Workbench
14.0 & ANSYS Composite PrePost
INAS - ANSYS Channel Partner, (Romania)
October 2004 – July 2009
Bachelor diploma – Electrotechincs
Transilvania University of Brașov (Romania)
Faculty of Electrical Engineering and Computer Science
PERSONAL SKILLS
Mother tongue(s) Romanian
Other language(s) English, French
Communication skills
Key competencies: time management and priorities; teamwork;
creativity & innovation.
Computer skills
Microsoft Office Tools: Microsoft Office™
Graphical Processing: CorelDraw
Simulation and Computing Software: FLUX 2D, AutoCad 2012;
Ansys 14.0, Comsol Multiphysics 4.3, Mathcad Prime 2.0,
Statistica
Driving licence B