Detection of synchronous motor inter-turn faults based on spectral analysis of park's vector

• Autorzy: Głowacz Z. , Kozik J.

Warianty tytułu

PL

Detekcja zwarć zwojowych w silniku synchronicznym bazująca na analizie spektralnej wektora przestrzennego prądu twornika

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper describes detection of synchronous motor inter-turn faults based on symptoms contained in stator phase currents. Armature short circuit, caused by insulation degradation are quite commonly occurring defects in electrical machines. Initially, short circuit comprises mostly single coils, causing the temperature rise due to higher value of current, which can reach up to tens times of the rated value. At the same time the phase current does not increase significantly. Increased temperature leads to rapid damage of the insulation and shorting the adjacent coils spreading the fault to the entire winding in a short time. Thus, it is very important to detected this type of fault in its early stage. Unfortunately currently used motor protection devices are insensitive to short-circuits of a small number of turns, because they cause too small quantitative changes in the phase currents. Phase currents begin to rise to the level detectable by protection devices when a large part of the winding is already covered by a fault. Therefore, there is a need for research on diagnostics of this type of damage. For the purpose of this paper a stepped short circuit fault of one coil group in the stator phase winding is performed. Shorting resistance values are chosen so that the short fault is diagnosed in its early stage. Spectral analysis of stator phase currents is carried out followed by spectral analysis of stator currents Park’s vector. Comparison of the results of both studies shows that the signal of stator current Park’s vector is more suitable in diagnostics of this type of faults.

PL

Artykuł opisuje wykrywanie zwarć międzyzwojowych w silniku synchronicznym na podstawie sygnałów prądów fazowych stojana. Zwarcia w obwodzie twornika, powstałe na skutek degradacji izolacji są dość powszechnie występującymi uszkodzeniami w maszynach elektrycznych. Początkowo zwarcie obejmuje najczęściej pojedyncze zwoje powodując wzrost ich temperatury na skutek przepływu prądu o dużej wartości, dochodzącej nawet do kilkudziesięciokrotności prądu znamionowego. Prąd fazowy w tym czasie nie ulega znacznemu zwiększeniu. Pod wpływem zwiększonej temperatury dochodzi w bardzo krótkim czasie do uszkodzenia izolacji sąsiednich zwojów i zwarcie bardzo szybko rozprzestrzenia się obejmując w dość krótkim czasie całe uzwojenie. Zatem bardzo ważne jest, aby tego typu uszkodzenie wykrył w jego początkowym stadium. Niestety stosowane obecnie układy zabezpieczeń są niewrażliwe na zwarcia niewielkiej liczby zwojów, gdyż powodują one zbyt małe zmiany ilościowe w prądach fazowych. Prądy fazowe zaczynają wzrastać do poziomu, na który mogą zareagować zabezpieczenia dopiero wtedy, gdy zwarcie obejmuje już znaczna część uzwojenia. Dlatego istnieje potrzeba badań tego typu uszkodzeń. Na potrzeby artykułu dokonywano stopniowanego zwarcia grupy ze zwojów w jednej z faz stojana. Wartości rezystancji zwierającej dobrano tak, aby była to diagnostyka we wczesnym stadium uszkodzenia. Przeprowadzona została analiza spektralna prądów fazowych stojana oraz analiza spektralna wektora przestrzennego prądu stojana. Porównanie wyników obu tych analiz wykazało, ze sygnał wektora przestrzennego prądu stojana (tzw. wektor Parka) lepiej niż prądy fazowe nadaje się do diagnostyki tego typu zwarć.

Słowa kluczowe

EN

synchronous motor; faults diagnostics; Park's vector

PL

silnik synchroniczny; wykrywanie zwarć; wektor Parka

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, iss. 1
• Strony: 19--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Głowacz Z.

autor

Kozik J.

• AGH University df Science and Technology, Faculty of Electrical Engineering, Automatics, Computer Science and Biomedical Engineering, Department of Electrical Machines, 30-059 Kraków, Al. Mickiewicza 30, Poland

Bibliografia

• [1] J. Bartnicki, Z. Pater, G. Samołyk, The Distributions of Wall-Thickness of Hollowed Parts in Rolling Extrusion Process, Archives of Metallurgy and Materials 52, 2 (2007).
• [2] J. Kempken, G. Kleinschmidt, K. Schmale, U. Thiedemann, H.P. Gaines, J.T. Kopfle, Short Route - Long-Term Success, Integrated Mini-Mill Solutions by Midrex and SMS Demag, Archives of Metallurgy and Materials 53, 2 (2008).
• [3] A. Niechajowicz, A. Tobota, Dynamic Tension Testing of DP600, DP800 Steel and Al 6061 T4 Alloy Sheets by Means of Rotary Hammer, Archives of Metallurgy and Materials 54, 3 (2009).
• [4] S. Bruce, V. Cheetham, Recent Developments and Experiences in Modular Dry Mechanical Vacuum Pumping Systems for Secondary Steel Processing, Archives of Metallurgy and Materials 53, 2 (2008).
• [5] J. Korbicz, J.M. Koscielny, Z. Kowalczuk, W. Cholewa, Diagnostyka procesów. Modele. Metody sztucznej inteligencji. Zastosowania. WNT, Warszawa, 2002.
• [6] J. Kozik, Zastosowanie sieci neuronowych w detekcji uszkodzeń silnika synchronicznego ze zwartym uzwojeniem wirnika, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, nr 80/2008, PEMINE: Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych, Rytro, 2008.
• [7] Z. Głowacz, J. Kozik, Faulty states detection of synchronous motor using nural network, Zagadnienia maszyn, napedów i pomiarów elektrycznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2008.
• [8] Z. Głowacz, J. Kozik, Diagnostyka silnika synchronicznego oparta na rozpoznawaniu prądów stojana z zastosowaniem FFT i logiki rozmytej, Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa (MIAG), Nr 9, 2010.
• [9] Z. Głowacz, Automatic Recognition of Armature Current of DC Motor with Application of FFT and GSDM, Archives of Metallurgy and Materials 56, 1 (2011).
• [10] M. Gołebiowski, L. Gołebiowski, J. Skwarczynski, M. Noga, Strumien osiowy w modelu 3D MES maszyny indukcyjnej, Proceedings of International Symposium on Electrical Machines (SME), Cracow, 2006.
• [11] A. Głowacz, Z. Głowacz, Diagnostics of Induction Motor Based on Analysis of Acoustic Signals with Application of FFT and Classifier Based on Words, Archives of Metallurgy and Materials 55, 3 (2010).
• [12] A. Głowacz, W. Głowacz, Diagnostics of Synchronous Motor Based on Acoustic Signals with Application of LPCC and Nearest Mean Classifier with Cosine Distance, Archives of Metallurgy and Materials 55, 2 (2010).
• [13] W. T. Thomson, M. Fenger, Current Signature Analysis to Detect Induction Motor Faults, IEEE Industry Applications Magazine, July/August, 2001.
• [14] K. Weinreb, M. Sułowicz, Nieinwazyjna diagnostyka wewnetrznych niesymerii uzojen maszyny synchronicznej, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne, Nr 77, 2007.
• [15] S. Cruz, M. Cardoso, Stator Winding Fault Diagnosis in Three-Phase Synchronous and Asynchronous Motors, by the Extended Park’s Vector Approach, IEEE Transactions on Industry Applications 37, 5, Sept/Oct, 2001.
• [16] S. Das, P. Purkait, S. Chakravorti, Space-vector characterization of induction motor operating conditions, Proceedings of Fifteenth National Power Systems Conference (NPSC), Bombay, 2008.