Metody provozní diagnostiky elektrických strojů.

Transkript

1 Metody provozní diagnostiky elektrických strojů. Petr BERNAT VŠB - Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra elektrických strojů a přístrojů, ul. 17. Listopadu 15, Ostrava - Poruba ANOTACE Metody provozní - funkční diagnostiky využívají ke zjišťování aktuálního stavu daného zařízení elektrické a neelektrické veličiny generované tímto zařízením přímo za provozu. V příspěvku je popsáno využití některých metod pro diagnostiku elektrických a mechanických závad asynchronních elektromotorů. ÚVOD Technická diagnostika používá množství metod pro zjištění aktuálního stavu testovaného zařízení a její výsledky jsou mnohdy podkladem k rozhodování o dalším osudu daného zařízení. V oblasti elektrických zařízení a především elektrických strojů se nám nabízí několik skupin diagnostických metod zaměřených na zjišťování aktuálního stavu jednotlivých funkčních částí stroje, tj. především izolačního systému, vinutí, magnetického obvodu a mechanického stavu (ložiska). Hlavním problémem diagnostiky je nalezení jednoznačného vztahu mezi změnou některé rozhodující funkční vlastnosti stroje a některou, dostupnými prostředky měřitelnou veličinou. Ze změny této veličiny pak musí být patrná nejen míra změny stavu ale mělo by být rozpoznatelné, zda se jedná o změnu trvalou nebo působení vratného děje. Pro testování stavu stroje máme k dispozici diagnostické metody obecné i cílené na konkrétní možnou poruchu. Z hlediska působení na zkoumaný systém upřednostňujeme metody nedestruktivní oproti metodám plně či částečně destruktivním a z pohledu provozovatele pak především metody bezdemontážní diagnostiky, které minimalizují dodatečné náklady. Z pohledu systému diagnostiky je jednoznačně výhodnější funkční diagnostika, která využívá měřitelné veličiny generované samotným zařízením (strojem) při jeho normálním provozu na rozdíl od diagnostiky testovací, u které je testovaná veličina generována diagnostickým

2 prostředkem a zpravidla vyžaduje odstavení stroje z provozu a jeho přípravu pro měření. Funkční diagnostika tím, že nenarušuje běžný provoz stroje může být prováděna kontinuálně a může být součástí monitorovacích a tzv. On-Line systémů. V další části příspěvku se zaměříme na popis některých diagnostických metod elektrických strojů točivých, které jsou rozvíjeny na našem pracovišti ve spolupráci s významnými uživateli a výrobci strojů v regionu. Pro funkční diagnostiku indukčních a synchronních strojů napájených ze sítě nebo z měničů kmitočtu máme při splnění výše uvedených podmínek funkční diagnostiky k dispozici elektrické, magnetické a mechanické veličiny do stroje vstupující (statorový proud a napětí) a veličiny, strojem generované (rozptylový magnetický tok, vibrace, hřídelová napětí. Časový průběh těchto veličin je výrazně ovlivněn stavem stroje (nesymetrie obecně, závady vinutí či izolace, ustavení stroje, stav ložisek, výrobní vady..), pomocí jeho záznamu a rozboru můžeme přímo usuzovat na stav jednotlivých částí. Našim cílem bylo především nalezení jednoznačných vztahů mezi nejběžnějšími poruchami a odezvou ve výše uvedených veličinách. Z hlediska průkaznosti a dostupnosti pro měření se zaměříme především na měření statorového proudu stroje a na měření a rozbor rozptylového magnetického toku v okolí stroje. Schopnost výpovědi těchto veličin je přes jejich snadnou dostupnost značná. Analýza napájecího proudu. Primární napájecí proud stroje je zpravidla v provozu veličinou snadno dostupnou. Kromě funkce napájení stroje nese ve svém průběhu také skrytou informaci o povaze napájeného zařízení a jeho stavu. Z mnoha důvodů není napájecí proud čistě sinusový, je deformován řadou vyšších harmonických složek a také řadou složek subharmonických. Řada z nich je danému stroji vrozena, je dána přímo konstrukcí stroje (frekvence vznikající rozložením vinutí do diskrétních drážek), jiné jsou projevem určitých odchylek od normálního stavu stroje. Vznikne li v elektrickém nebo magnetickém obvodu stroje libovolná nesymetrie, stane se zdrojem přídavného elektromagnetického pole, které se u dobrého stroje daného typu v běžném provozu nevyskytuje. Tato pole jsou svázána s konkrétním místem nesymetrie (poruchy), rychlost jejich otáčení je proto obecně různá od rychlosti synchronní a ve svém důsledku deformují výsledné pole ve stroji a tím také průběh napájecího proudu. Použitím matematických prostředků na naměřený časový záznam proudu lze snadno tyto dodatečné deformace odhalit a jejich rozborem se zpětně dostat až k příčině tj. poruše konkrétní části

3 stroje. Pomocí Fourierovy transformace získáme frekvenční spektrum proudu, ve kterém se kromě konstrukčních harmonických objeví v případě poruchy také další čáry případně celá pásma, jejichž umístění ve spektru je charakteristické pro jednotlivé poruchy a amplituda zpravidla vypovídá o její míře. Projev konkrétní poruchy v obraze FFT je tedy charakteristický a nezáměnný, v případě kumulace projevů poruch v jednom spektru však jejich rozpoznání a kvantifikace vyžaduje určitou zkušenost. Zde se opět otevírá široké pole působnosti pro výpočetní techniku, která nabízí nejen možnost srovnání s projevy vzorových simulovaných poruch ale také pokročilejší automatizované vyhodnocení obrazu FFT proudu pomocí expertního systému. Metoda rozboru napájecího proudu je citlivá především na poruchy rotoru (statická a dynamická excentricita, poruchy rotorového vinutí - poruchy tyčí klece asynchronních motorů) a špatné ustavení stroje. Z principů metody je odvozena další zkouška - tzv. rozběhová metoda. Proud je snímán během běžného rozběhu stroje a po odfiltrování průběhu první harmonické (v praxi frekvencí nad cca 45 Hz) pomocí analogového filtru během měření nebo číslicovou filtrací záznamu získáme průběh, z jehož tvaru se dá usuzovat na stav rotoru (vinutí nebo klece) stroje. Projev i velmi malé nesymetrie (přerušená tyč, vada odstříknuté klece, porucha svaru tyč - kruh, přechodový odpor na kroužcích nebo závitový zkrat u vinutých rotorů) je velmi markantní a projeví se zákmity před a po dosažení poloviny otáček stroje. Poměr amplitud zákmitů a první harmonické je přímo úměrný závažnosti poruchy. Metoda jako jediná je schopna odhalit poruchy rozběhové klece u motorů s dvojitou klecí a u synchronních strojů s asynchronním rozběhem. Metoda však má určitá omezení - rozběh stroje musí trvat minimálně 2s, nelze ji použít u motorů pohánějících mechanismy s proměnným momentem (kliková zařízení), motorů se soft-startérem a strojů napájených z měničů kmitočtu. Pro snímání průběhu proudu za účelem rozboru se nám nejlépe osvědčila čidla, pracující na principu elektronicky kompenzovaného proudového transformátoru (např. výrobky firmy LEM), u kterých je nejmenší zkreslení tvaru křivky proudu a šířka přenášeného pásma až stovky khz. Tato čidla jsou v současnosti dostupná jako klešťová i pro vestavbu do rozváděče a mají přímo napěťový výstup vhodný pro vstup A/D převodníku při měření počítačem. Pro rychlá orientační měření plně vyhovuje také upravený klešťový transformátor s napěťovým výstupem. Ke snímání proudu a jeho rozboru používáme A/D převodník ve spojení s počítačem a programem simulujícím prostředí paměťového osciloskopu a

4 harmonického analyzátoru. Tato varianta se ukázala jako nejvýhodnější jak z hlediska ekonomického, tak pro svou mobilnost a mohutné analyzační a archivační schopnosti počítače. Analýza rozptylového magnetického pole Další snadno dostupnou veličinou pro funkční diagnostiku je rozptylové magnetické pole v okolí stroje. Všechny poruchy, které lze rozpoznat v deformacích průběhu napájecího proudu jsou patrné také v průběhu rozptylového magnetického toku a na něm závisejícím hřídelovém napětí. Projevy poruch při frekvenční analýze pole jsou obdobné, pro rozmístění přídavných frekvenčních čar a pásem lze použít všechny vztahy, odvozené pro analýzu proudu. Pro snímání rozptylového toku lze nejjednodušeji použít malou vzduchovou indukční cívku, napětí v ní indukované kopíruje průběh pole v daném místě na povrchu stroje. Cívka má cca závitů a pro omezení zkreslení vyšších frekvencí mezizávitovými kapacitami je vinuta křížově. Výhodná je malá výsledná impedance, umožňující použít i relativně dlouhé přívody bez náchylnosti na rušení cizími poli. Pro měření, záznam a rozbor použijeme opět počítač s převodníkem. Základní vztahy pro výpočet charakteristických frekvencí. Pro výpočet charakteristických frekvencí a vyhodnocení výsledků frekvenční analýzy napájecího proudu v závislosti na počtu pólů stroje a jeho skutečných otáčkách jsme odvodili řadu vztahů a jejich platnost experimentálně ověřili na vybraných strojích. Postranní pásma v okolí základní harmonické případně vyšších charakteristických harmonických (např. otáčkových) se objeví na frekvencích f = f ± p f n n s a f i = + s f1 + i kde i = (p-1), 0, 1,... n...otáčky stroje (skutečné) s...skluz p...počet pólových dvojic f 1...frekvence napájecí sítě Z výše uvedených vztahů je patrné, že v dolní části frekvenčního spektra mezi nulou a první harmonickou se objeví tolik výrazných frekvenčních čar (nebo širších pásem frekvencí), kolik má daný stroj pólových dvojic. U stroje se známým počtem pólů lze

5 dosazením otáčkové frekvence a i = 0 vypočítat okamžité otáčky stroje a tak tuto metodu využít pro bezkontaktní měření otáček. Přesná znalost otáček je pak potřebná např. pro vyhodnocení spektra vibrací a u některých soustrojí není jednoduše měřitelná. Záznam vývoje poruchy indukčního motoru. Při zvětšování počtu přerušených tyčí klece je patrný nárůst amplitudy postranních pásem v okolí základní harmonické. U zcela dobrého motoru jsou tato pásma nezřetelná. Na obrázku je spektrum napájecího proudu, spektrum rozptylového magnetického toku je obdobné. Ukázka výsledku rozběhové metody. Na odfiltrovaném záznamu průběhu rozběhového proudu jsou patrné zákmity před a po dosažení poloviny otáček. U

6 dobrého motoru se tyto zákmity neobjeví vůbec. Pro ilustraci citlivosti metody - jedná se o kroužkový motor s nesymetrií v rotoru, která je vytvořena rezistorem o velikosti 5% odporu jedné fáze rotorového vinutí. Tato metoda odhalí již poruchu spoje jedné tyče klece a kruhu u motoru s klecí. Výše uvedené metody mají jedno úskalí - u strojů už od výroby nesymetrických mohou signalizovat chybně tuto nesymetrii jako závadu. Typickým představitelem takových strojů je např. synchronní generátor s klecí pro asynchronní rozběh. Tato klec je konstrukčně nesymetrická - tyče jsou soustředěny v pólech stroje, mezi kterými jsou větší rozměry. Zde se však nabízí využití archivační schopnosti výpočetní techniky a srovnávat prvotní záznam na novém stroji nebo stroji po opravě se záznamy pořizovanými při dalších měřeních. Vznik poruchy se pak projeví jako zhoršení stavu stroje a je výše uvedenými metodami zaznamenán jako zvýraznění projevu nesymetrie ve stroji. Metody funkční diagnostiky lze s výhodou použít pro vytvoření on-line sledovacího systému, který může sledováním trendů ve vývoji projevů poruch v záznamech rozběhů nebo napájecího proudu provádět automaticky sledovací diagnostiku. Sledovací systém pomocí jednoduchých prostředků pak je schopen automaticky upozornit obsluhu na vznikající poruchu a v závažnějším případě stroj odstavit. ABSTRACT The Methods Of Electric Machines Operation Diagnostic. This paper describes the using of function diagnostic methods of Electric Machines that are developed on our Department. The methods use electric and non-electric quantities, Electric Machines generated in operating condition for estimating of electric and mechanical faults. The methods we used also for online diagnostic of Electric Machines.