Diagnostic algorithm for analysis of induction motors current based on a hodograph estimation of the generalized current vector and frequency spectra

Authors

  • Anton Eduardovich Biryukov LTD «Sinara Algorithm»
  • Dmitrii Gennad'evich Sorokin LTD «Sinara Algorithm»
  • Nikolai Vladimirovich Lysov Petersburg State Transport University named after Emperor Alexander I
  • Mikhail Sergeevich Sitnikov LTD «Sinara Algorithm»

Keywords:

induction machine, diagnosis of technical condition, turn-to-turn short circuit, rotor defect, hodograph of current, spectral current analysis

Abstract

The article considers a diagnostic algorithm for analyzing the technical condition of an asynchronous electric motor based on the signals of the consumed linear current. The purpose of the development of this algorithm is the timely detection of defects of asynchronous electric motors in their operation mode. A literature review on the statistics of the most common malfunctions and methods of their diagnosis is carried out. These include phase breakage, inter-turn closure, phase closure to the core, rotor defect and rotor eccentricity. The disadvantages of existing approaches based on bench tests can lead to untimely diagnosis and, consequently, the development of a malfunction to a critical level and damage to the nodes adjacent to the electric motor. In this regard, diagnostics in operation mode is required, which will prevent aforehand the development of defects in the asynchronous electric motor. Diagnostic methods can be divided into four types: time domain current analysis, neural network current analysis, frequency domain current analysis, and generalized current vector hodograph analysis. The last two methods were chosen for the developed algorithm. They allow you to reliably classify specific types of faults, and the parallel use of the both increases the robustness of the system. To test the operation of the algorithm, a test bench was made, as well as the following malfunctions were artificially recreated: inter-turn locking and a rotor defect. After testing on the stand and setting the response sensitivity, the algorithm is tested on three electric motors of a real electric train. This algorithm is adapted for the diagnosis of asynchronous motors with a squirrel-cage rotor and the «star» type connection. However, in the future it is planned to scale it on motors with a phase rotor and motors with a «triangle» connection.

Author Biographies

Anton Eduardovich Biryukov, LTD «Sinara Algorithm»

Engineer of the Department of Mathematical Modelling and Research

Dmitrii Gennad'evich Sorokin, LTD «Sinara Algorithm»

Head of the Department of Mathematical Modelling and Research

Nikolai Vladimirovich Lysov, Petersburg State Transport University named after Emperor Alexander I

Ph.D. in Engineering Science, Associate Professor of the Department of Electric Traction

Mikhail Sergeevich Sitnikov, LTD «Sinara Algorithm»

Head of the direction of science and development

References

Асинхронный тяговый привод локомотивов / А.А. Андрющенко, Ю.В. Бабков, А.А. Зарифьян и др. М. : УМЦ по образованию на ж.-д. трансп., 2014. 412 с.

Increasing the Performance of Electric Traction in the Long Term on the Next-Generation Technological Horizon / A.T. Burkov, A.N. Marikin, A.V. Mizintsev et al. // Russian Electrical Engineering. 2018. Vol. 89, № 10. P. 588–591.

Ronanki D., Singh S.A., Williamson S.S. Comprehensive Topological Overview of Rolling Stock Architectures and Recent Trends in Electric Railway Traction Systems // IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2017. Vol. 3. Iss. 3. P. 724–738. DOI 10.1109/TTE.2017.2703583.

Bose B.K. Modern power electronics & AC drives. Upper Saddle River : Prentice Hall, 2002. 738 p.

Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М. : Высш. шк., 2001. 327 с.

Фролов Ю.М. Электрический привод. СПб. : Лань, 2021. 236 с.

Прудников А.Э., Боннет В.В., Логинов А.Э. Метод определения эксцентриситета ротора асинхронного двигателя // Вестник КрасГАУ. 2015. № 5 (104). С. 68–72.

Induction Motor's Bearing Condition Motoring and Diagnosis Applying Cloud Services and Artificial Neural Networks / K. Dambrauskas, J. Vanagas, T. Zimnickas et al. // 7th IEEE Workshop on Advances in Information, Electronic and Electrical Engineering. Liepaja, 2019. P. 1–5. DOI 10.1109/AIEEE48629.2019.8977096

Королёв Н.А., Жуковский Ю.Л., Котелева Н.И. Наблюдатель состояния подшипников асинхронного двигателя по компонентам векторов парка тока и напряжения // Электротехнические системы и комплексы. 2022. № 2 (55). С. 62–70.

An Efficient Hilbert–Huang Transform-Based Bearing Faults Detection in Induction Machines / E. Elbouchikhi, V. Choqueuse, Y. Amirat et al. // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2017. Vol. 32. Iss. 2. P. 401–413. DOI 10.1109/TEC.2017.2661541.

Солодкий Е.М., Сальников С.В., Даденков Д.А. Диагностика межвиткового замыкания обмотки статора асинхронного двигателя на основе анализа траектории вращения вектора тока статора // Вестн. ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2020. № 34. С. 114–127.

Скляр А.В. О влиянии дефектов электромагнитной системы асинхронного двигателя на пазовые гармоники статорного тока // Омский научный вестник. 2016. № 4 (148). С. 109–114.

Скляр А.В., Чижма С.Н. Спектральный метод оценки частоты пазовых гармоник асинхронного двигателя // Изв. вузов. Электромеханика. 2017. Т. 60. № 2. С. 21–26.

Математическая модель асинхронного двигателя с учетом пазовых гармоник в индукции магнитного поля и неисправностей различного типа / В.В. Харламов, А.В. Скляр, Д.И. Попов и др. // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 55–58.

Жежеленко И.В., Кривоносов В.Е., Василенко С.В. Критерии выявления межвитковых замыканий в статорных обмотках с использованием векторного анализа фазных токов электродвигателя // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энергет. объединений СНГ. 2021. Т. 64. № 3. С. 202–218.

Диагностика неисправностей асинхронных двигателей на основе спектрального анализа токов статора / Н.Р. Сафин, В.А. Прахт, В.А. Дмитриевский и др. // Энергобезопасность и энергосбережение. 2014. № 3. С. 34–39.

Рогачев В.А. Диагностирование эксцентриситета ротора асинхронных электродвигателей по гармоническому составу тока статора : автореф. дис. … канд. техн. наук. Новочеркасск, 2008. 19 с.

Новожилов А.Н., Крюкова Е.В., Исупова Н.А., Новожилов Т.А., Никитин К.И. Диагностирование эксцентриситета ротора асинхронного двигателя по среднеквадратичной величине дополнительных гармонических токов статора // Технические науки – от теории к практике. 2013. № 27-1. С. 132–138.

Бабичев А.С. Применение наложенного тока для селективного контроля изоляции группы электродвигателей // Релейная защита и автоматизация. 2019. № 2. С. 32–35.

Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями / Н.А. Ротанов, А.С. Курбасов, Ю.Г. Быков и др. М. : Транспорт, 1991. 334 с.

Калачев Ю.Н. Векторное регулирование (заметки практика). М. : ЭФО, 2013. 72 с.

Published

2023-12-29

How to Cite

Бирюков, А. Э., Сорокин, Д. Г., Лысов, Н. В., & Ситников, М. С. (2023). Diagnostic algorithm for analysis of induction motors current based on a hodograph estimation of the generalized current vector and frequency spectra. Modern Technologies. System Analysis. Modeling, (4(80), 88-101. Retrieved from https://ojs.irgups.ru/index.php/stsam/article/view/1465