Проактивная диагностика для повышения ресурсоэффективности эксплуатации асинхронных электроприводов

НАУЧНАЯ МЫСЛЬ

М.Ю. ПЕТУШКОВ

ПРОАКТИВНАЯ ДИАГНОСТИКА 

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ 

РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ

ЭКСПЛУАТАЦИИ АСИНХРОННЫХ 

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Монография

Москва

ИНФРА-М

2020

УДК [621.3.078+658.18](075.4)
ББК 31.291-3

П30

Рецензенты:

Григорьев М.А., доктор технических наук, профессор Южно-Уральского государ
ственного университета (национально-исследовательского университета);

Федоров О.В., доктор технических наук, профессор Нижегородского государствен
ного технического университета имени Р.Е. Алексеева

Петушков М.Ю.

П30
Проактивная диагностика для повышения ресурсоэффективности эксплуатации 

асинхронных электроприводов : монография / М.Ю. Петушков. — Москва : ИНФРА-М, 
2020. — 237 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-108541-7 (online)

Разнообразие и сложность технологических процессов при производстве металла в 

черной металлургии, широкая номенклатура, высокая энерговооруженность и постоянно 
растущий уровень автоматизации технологического оборудования предъявляют к его электрооборудованию весьма широкий спектр технико-экономических требований. Из всего их 
многообразия определяющими являются эксплуатационная надежность и эффективность в 
реализации всех предъявляемых к электрооборудованию технологических требований при 
максимальной производительности металлургической продукции. Поэтому оценка технического состояния электрооборудования металлургического производства, анализ направлений и тенденций их развития в неразрывной связи с совершенствованием технологии 
производства металла и на их основе разработка концепции повышения эффективности 
эксплуатации электрооборудования, определяющих генеральное направление в его модернизации и перспективах развития весьма актуальны.

Концепция проактивного диагностирования предложена  и апробирована на при
мере электрооборудования Магнитогорского металлургического комбината (ММК), как 
одного из ведущих металлургических предприятий России. Рассматриваются новая методика диагностирования асинхронных двигателей на основе вейвлет-преобразования обобщенного вектора тока, позволяющая на ранних стадиях развития дефекта их идентифицировать; новых проблемно-ориентированных моделей состояний асинхронного двигателя, 
позволяющие исследовать методики выявления неисправностей асинхронных двигателей; 
альтернативных ресурсоэффективных способов безударного пуска и новый класс пусковых 
устройств для высоковольтных асинхронных электроприводов (с использованием резервного двигателя и трансформаторно-тиристорных пусковых устройств).

Для научных работников, технологов, инженеров, аспирантов, студентов, занима
ющимися вопросами автоматизированного электропривода, а также для всех интересующихся проблемами ресурсоэффективных технологий.

УДК [621.3.078+658.18](075.4)

ББК 31.291-3

ISBN 978-5-16-108541-7 (online)
© Петушков М.Ю., 2020

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Оглавление 

 

Введение ................................................................................................................. 4 

1. Методы и технические решения повышения ресурсоэффективности 

асинхронных  электроприводов ........................................................................ 7 

2. Методика диагностирования для  повышения ресурсоэффективности  

асинхронных электроприводов ....................................................................... 54 

3. Тепловые модели асинхронного двигателя для оценки 

ресурсосбережения ............................................................................................ 90 

4. Способы и технические  решения  для  повышения 

ресурсосбережения .......................................................................................... 122 

5. Трансформаторно-тиристорные пусковые устройства для повышения 

ресурса асинхронных электроприводов...................................................... 161 

Список литературы (Библиографический список) ................................... 222 

ВВЕДЕНИЕ

Энерго – и ресурсосбережение является одним из приоритетных 

направлений научных исследований и технических разработок. Общество 

тратит огромные ресурсы на производство энергии, в том числе электриче
ской. В России на единицу выпускаемой продукции расходуется в три раза 

больше энергоресурсов, чем в индустриально развитых странах мира.

Возрастающие трудности в силу ограниченности запасов углеводород
ного топлива преодолеваются ценой больших затрат материальных, трудо
вых и интеллектуальных ресурсов. Вместе с тем, проведение технических и 

организационных мероприятий, связанных с энергосбережением и рацио
нальным потреблением энергии, требует значительно меньших затрат. 

До 70% вырабатываемой  электроэнергии в стране потребляется элек
троприводом и преимущественно электроприводом переменного тока. При 

этом потери в электроприводе могут достигать 75% суммарных потерь в си
стеме их электроснабжения. При условии повсеместного внедрения в про
мышленность энергоэффективных электродвигателей и частотного регули
рования, а также энерго- и ресурсосберегающих технологических процессов, 

потенциал экономии энергии  может достигнуть 15% от производимой в РФ. 

Однако, в силу многих обстоятельств, на пути развития энергосбережения и 

энергоэффективности  в стране существуют различного рода препятствия. 

Среди них необходимо отметить следующие:

- отсутствие системного подхода к задачам ресурсоэффективности, в 

связи с чем сокращение энергозатрат в производственной сфере входит в 

противоречие с интересами производителей энергетических ресурсов;

- проблема повышения ресурсоэффективности в большей степени рас
сматривается на уровне производства и транспортировки электроэнергии и  

недостаточно в сфере еѐ использования и прежде всего  в электроприводах, 

которые являются основными потребителями; 

- широкое внедрение частотно-регулируемого электропривода затруд
нено в связи с относительно высокой стоимостью преобразователей частоты 

(ПЧ), кроме того при массовом их внедрении появляются серьезные трудно
сти, связанные с вопросами качества и надежности электроснабжения. 

В силу этих обстоятельств основными направлениями ресурсоэффек
тивности в электроприводе является повышение его надежности, за счет про
активного диагностирования.

В настоящее время  можно добиться существенного повышения техни
ко-экономических показателей предприятий, за счет повышения надежности 

электрического и механического оборудования. В этом случае происходит 

увеличение времени между текущими и капитальными ремонтами и значи
тельно сокращаются эксплуатационные расходы и вместе с ними материаль
ные и другие  ресурсы. Металлургическое производство является самым за
тратным по электропотреблению, в нем сконцентрировано значительное ко
личество электроприводов. Электроприводы переменного тока в этой отрас
ли преобладают как  по количеству  (более 70%), так и  по совокупной уста
новленной мощности (около 80%). Большинство из них продолжают оста
ваться нерегулируемыми и не оснащены пусковыми устройствами.  Повсе
местный переход к регулируемому электроприводу  требует значительных 

капиталовложений и не может сразу дать  заметного повышения ресурсоэф
фективности. Не представляется возможным при внедрении ПЧ одновремен
но массово заменить двигатели, ресурс которых полностью не выработан. 

Недостаточно уделяется внимание изучению влияния устройствам плавного 

пуска на старение изоляции традиционных асинхронных двигателей (АД), 

которые длительно эксплуатировались в условиях питания от сети. 

Главной причиной ускоренного износа парка электродвигателей и ава
рийного выхода их из строя являются, как известно, тяжелые условия прямо
го пуска, обусловленные многократными по отношению к номинальным зна
чениям пусковыми токами и ударными моментами колебательного характе
ра. Массовое внедрение современных полупроводниковых устройств без
ударного пуска для высоковольтного электропривода затруднено в связи с 

тем, что при существующих методиках расчета экономической эффективно

сти, срок их окупаемости значительно превышает нормативный. Данная си
туация обусловлена  отсутствием апробированных методик обоснования эко
номической эффективности от внедрения пусковых устройств двигателей 

большой и средней мощности. Отсутствуют также оценки, связанные с про
гнозом влияния их на показатели ресурсоэффективности. 

Отдельно следует отметить, что все проводимые экономические расче
ты опираются на рыночную стоимость традиционных пусковых устройств и   

недостаточно проводились исследования, связанные с созданием более про
стых, надежных и недорогих в реализации способов и устройств безударного 

пуска  для высоковольтных электродвигателей переменного тока.

Отсутствие научно обоснованных методик диагностирования электро
приводов переменного тока с целью обнаружения на ранней стадии развива
ющихся дефектов не позволяет выявить причины  их возникновения и 

предотвратить аварии с тяжелыми последствиями. Многие причины сниже
ния надежности эксплуатации обусловлены развитием дефектов, возникших 

в двигателях после многократных ремонтов, проведенных с нарушением  

технических условий. 

Проведенный обзор состояния решений по важной научной проблеме, 

имеющей важное народнохозяйственное значение, которая связанна  с по
вышением  ресурсоэффективности электроприводов переменного тока, ука
зывает на необходимость развития концепции проактивного диагностирова
ния в комплексе с разработкой новых методов, реализуемых   на базе совре
менных программно-аппаратных средств, а также  создания современных 

пусковых средств и развития методик определения энерго- и ресурсоэффек
тивности от их внедрения.

1. МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ 

РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТИ АСИНХРОННЫХ  

ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

1.1. Условия работы, причины и характер отказов асинхронных 

электродвигателей 

При 
решении 
проблем 
ресурсои 
энергоэффективности 

электрооборудования, в частности систем электропривода промышленных 

предприятий, используют различные подходы. Эти подходы определяются 

как научными школами электропривода, так и отдельными исследователями. 

Следует отметить что, несмотря на отсутствие единого подхода к проблеме, 

решение которой имеет много показателей и факторов, усложняющих 

строгую еѐ постановку, можно выделить два главных направления

исследований:

– ресурсосбережение непосредственно электроприводов [1, 3];

– ресурсосбережение электропривода и технологических машин [85,

91].

При этом многие исследователи отмечают взаимосвязи между этими 

направлениями, которые отражают особенности, как систем электропривода, 

так и технологических нагрузок рабочих механизмов. Наряду с этим совер
шенно изолировано исследователи решают задачи ресурсосбережения, энер
гетической эффективности, надежности и определения расходов на обслужи
вание электрооборудования.

И это притом, что, например, в металлургической и горнодобывающей 

промышленности аварийность электрических двигателей колеблется от 30 до 

70 % в год. Указанные показатели отличаются даже в случае однотипных 

предприятий или производств [88].

Немаловажным фактором является и то, что парк электрооборудования 

физически и морально устарел, но все еще эксплуатируется. Например, по 

данным [84] на ОАО «ММК» работают трансформаторы 1932 года выпуска, 

двигатели транспортеров 1930 и 1944 года выпуска. В этой связи актуальным 

является необходимость определения с достаточной точностью его ресурс. 

На рисунке 1.1 приведена диаграмма распределения количества электродви
гателей переменного тока ГОП ОАО «ММК» по году изготовления, из кото
рого видно, что 59,3 % двигателей изготовлены до 2000 года. 

Рисунок 1.1. - Диаграмма распределения электродвигателей 

ГОП ОАО «ММК» по году изготовления

С учетом недогрузки электрических машин в нормальном технологиче
ском режиме до 20-25 % и снижения объемов производства, затраты на ре
монт двигателей (при наработке на отказ 4000 часов) соизмеримы со стоимо
стью электроэнергии, которую потребили бы двигатели за время эксплуата
ции между двумя ремонтами. С учетом транспортных и иных расходов, свя
занных с аварийным выходом двигателей из строя, удельные затраты на ре
монт приближаются к затратам на приобретение и установку
новых элек
трических машин. По данным электроремонтных служб происходит ежегод
ное увеличение стоимости ремонтов. Например, по сравнению с 2008 годом

на ОАО «ММК» произошло увеличение стоимости ремонта на 14 % для ма
ломощных двигателей и до 31 % для двигателей мощностью больше 90 кВт.

При этом отмечается, что стоимость капитального ремонта для двигателей до 

22кВт соизмерима со стоимостью нового двигателя [86]. 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0,0
0,3
0,9
1,4

7,2

6,2

3,1

4,4

5,2

9,0

7,5

14,1

18,4 17,8

4,4

Значительное влияние на ресурс электрических машин оказывают ме
тоды и устройства пуска. Существующие пусковые системы асинхронных 

электроприводов, как правило, не универсальны и не могут учесть весь ком
плекс факторов, определяющих аварийность оборудования и влияние про
цесса пуска на его ресурс. Это обусловлено, прежде всего, особенностью ра
боты асинхронных двигателей, а именно, тем что:

- высока кратность пускового тока (до 5-7Iн);

- повышенный момент сопротивления при пуске приводит к повышен
ным динамическим усилиям в конструкции узлов системы «электродвигатель

– технологический механизм» и, как следствие, к интенсивному износу и 

снижению ресурса электромеханического оборудования;

– возможны режимы стопорения при пуске двигателей переменного то
ка, которые приводят  к механическим перегрузкам и перегреву обмоток и,

соответственно, к ускоренному разрушению изоляционных материалов,

нарушению балансировки ротора и др.;

– при пуске как асинхронных, так и синхронных двигателей наблюда
ется, снижение напряжения на шинах подстанций (особенно при запуске 

мощных двигателей), что приводит к недопустимым условиям эксплуатации 

других потребителей;

– тяжелые условия пуска приводят к перегрузкам и сокращению срока 

службы питающей кабельной линии, коммутационной аппаратуры и других 

элементов электроприводов.

Анализ  литературных источников [105] показывает, что существенное 

снижение энергопотребления за счет широкого применения регулируемого 

электропривода, в настоящее время, мало реализуемо в виду большого срока 

окупаемости его при реконструкции. Тенденция замены нерегулируемого 

электропривода на регулируемый, на наш взгляд, не всегда оправдано. Регу
лируемый электропривод должен применяться там, где это экономически це
лесообразно, а не повсеместно. Нужно использовать подход, предполагаю
щий использование как регулируемого, так и нерегулируемого электропри

вода. Например, при регулировании процесса пуска можно обеспечить эко
номический эффект, достаточно близкий к наиболее совершенным приводам. 

Следует учитывать и то, что при использовании регулируемого привода с 

высокими техническими характеристиками необходимо повышать уровень 

обслуживания электрооборудования. При этом следует иметь в виду, что 

указанные выше положительные свойства система электропривода приобре
тает не за счет использования других технических средств, а за счет улуч
шенных регулировочных возможностей системы электропривода [3, 85].

При постановке задачи разработки и внедрения устройств, обеспечи
вающих снижение максимальных моментов и токов, возрастает роль 

устройств «мягкого» пуска электрических двигателей. Решение этой задачи 

способствует повышению ресурсосбережения, как электроприводов, так и 

технологических механизмов. Исследования показывают, что применение 

пусковых систем, например, для насосных агрегатов, повышает время нара
ботки на отказ электродвигателей до 25-30 %, а для двигателей рабочих ко
лес центробежных насосов на 15-25 % [109,110]. Поэтому разработка мето
дов и устройств пуска, при введении ограничения на затраты,
является 

весьма актуальной задачей.

Особенно сложен процесс пуска высоковольтных асинхронных двига
телей (АД) [93]. Это еще раз подтверждает необходимость разработки новых 

методов и устройств именно для высоковольтных электрических двигателей.

Пусковые системы представляют собой особый класс ресурсо – и энергосбе
регающего оборудования и неразрывно связаны с общей госпрограммой и 

частными задачами реализации энергосбережения [85]. Задачи ресурсосбе
режения могут быть решены с использованием пусковых устройств, обеспе
чивающих пуск двигателя при ограничениях токовых, механических и тепло
вых нагрузок. Исследование и анализ известных методов и устройств пуска 

позволяет выделить требования, которые предъявляются к ним:

– ограничение динамических токовых нагрузок;