А.В. Барков /к .ф.-м.н./, А.А. Борисов

ООО "Ассоциация ВАСТ" (Санкт-Петербург, Россия)

 

Современные возможности диагностирования машин с электроприводом по току двигателя

 

Рассматриваются возможности диагностирования машин по потребляемому току их электроприводом, питающимся непосредственно от электрической сети, или от регулируемых выпрямителей и преобразователей напряжения.

 

Эффективность диагностирования работающих машин без их остановки и смены режимов работы напрямую определяется качеством измерения параметров вибрации и температуры ответственных узлов и механизмов, силового тока электродвигателей, а также глубиной их анализа. Вслед за развитием возможностей средств измерения и анализа этих процессов расширяются и возможности диагностики роторных машин. Задачей данной работы является анализ современных возможностей диагностирования машин с электроприводом по току двигателя.

Изменения в силовом токе приводного электродвигателя и приводимых им во вращение механизмов и машин из-за износа и дефектов могут иметь периодический, случайный и импульсный характер. Такой же характер имеют и составляющие вибрации, поэтому для диагностирования машин с электроприводом по току и вибрации могут использоваться одни те же средства измерения и анализа сигналов с заменой лишь первичных преобразователей. Однако используемые на протяжении многих лет методы анализа сигналов для диагностирования по току и вибрации имеют существенные различия.

Причина этому одна - наличие доминирующей составляющей тока с частотой питающей сети, превышающей на несколько порядков другие переменные составляющие тока, отвечающие за появление повреждений машин. Поэтому исторически развитие "токовой диагностики" шло по пути анализа свойств этой составляющей во времени, в т.ч. сравнения составляющих тока и напряжения (скачков активного тока) при пусках машин. Спектральный анализ тока использовался лишь для поиска сопоставимых по уровню боковых гармоник тока асинхронных двигателей с дефектами беличьей клетки (рисунок 1), отличающихся от основной составляющей (f₁) на двойную частоту скольжения (±2sf₁, где s - скольжение) [1].

Рисунок 1 - Спектр тока одной из фаз асинхронного двигателя
с обрывом стержня "беличьей клетки"

 

Более глубокий анализ спектра силового тока стал использоваться в диагностировании электропривода после появления регулируемых статических выпрямителей и преобразователей частоты питающего двигатель напряжения. Сначала для введения необходимых корректировок в результаты "вибрационной диагностики" машин с электроприводом с учетом роста уровня их вибрации из-за искажения формы питающего напряжения [2]. Позднее - для оценки состояния статических преобразователей напряжения [3]. В это же время велись и исследования модуляции силового тока электродвигателей частотами, характеризующими повреждения, как электродвигателей, так и приводимых ими в движение механизмов и машин [4,5]. Однако их результаты показывали, что без существенного повышения динамического диапазона анализаторов спектра и повышения качества выходного напряжения статических преобразователей в составе регулируемого электропривода эффективность диагностирования машин с электроприводом по току ограничена решением частных задач.

Широкому практическому применению токовой диагностики мешали еще два фактора - практическая невозможность обнаружения повреждений подшипников как собственно электродвигателя, так и приводимых им в движение механизмов и машин, и организационные сложности безопасной работы с электроустановками под напряжением при периодическом измерении тока. И это несмотря на возможности обнаружения повреждений всех приводимых двигателем в движение механизмов и машин, в т.ч. с недоступными для измерения вибрации узлами, по одному измерению тока одной фазы этого электродвигателя.

В последние годы большинство существовавших технических ограничений на применение токовой диагностики машин с электроприводом преодолено. Так, переход на цифровые анализаторы спектров с 24-разрядными аналого-цифровыми преобразователями позволил расширить их динамический диапазон до 100 и более дБ, что при выборе первичного преобразователя с большим динамическим диапазоном позволило снять ограничение на измерение слабых переменных составляющих на фоне основной составляющей тока. Этот переход дал ранее отсутствовавшие возможности диагностирования подшипников по спектру тока двигателя. Пример обнаружения неоднородного износа подшипников насосного агрегата c электроприводом приведен на рисунке 2.

 

а

 

б

Рисунок 2 - Спектры тока одной из фаз асинхронного двигателя насосного агрегата

при нормальном состоянии подшипников (а) и повышенном износе одного из них (б)

 

Как показали подробные исследования протекающих в насосном агрегате процессов, из-за износа подшипников рабочее колесо задолго до появления устойчивых автоколебаний начинает прецессировать с нестабильной частотой, близкой к частоте автоколебаний, и нагрузка на двигатель незначительно модулируется случайным процессом.

Переход на статические выпрямители и преобразователи силового напряжения с широтно-импульсным регулированием при высокой частоте коммутации тока (выше 2 кГц) привел к многократному повышению качества выходного напряжения и упростил поиск составляющих в спектре тока, отвечающих за дефекты электродвигателя, механизмов и машин. Естественно, что при высоком динамическом диапазоне анализаторов сохранилась и возможность диагностирования машин со статическими преобразователями старых поколений, однако лишь в частных случаях, когда спектральные составляющие из-за искажений не препятствуют обнаружению составляющих, определяющих повреждения двигателя, механизмов и машины в целом. Так, на рисунке 3 приведен пример обнаружения повреждений сушильных валов бумагоделательной машины по току регулируемого электропривода постоянного тока старого поколения.

 

а

 

б

Рисунок 3 - Спектры тока якоря привода с регулируемым выпрямителем

одной из секций сушильных цилиндров бумагоделательной машины до частоты 1000 Гц

с переменными составляющими из-за искажения формы напряжения (а)

и до 20 Гц с составляющими из-за пульсирующих нагрузок в секции сушильных цилиндров (б)

 

Возможность контроля одним датчиком тока состояния большого числа валов в данном случае определяется их низкими частотами вращения, существенно меньше частоты выпрямляемого напряжения (50 Гц). В этой части спектра множество гармоник тока появляется из-за развивающихся дефектов цилиндров и других вращающихся узлов контролируемой секции сушильных цилиндров бумагоделательной машины.

Решена и еще одна проблема, которая ранее ограничивала возможности диагностирования машин с регулируемым электроприводом по току асинхронного электродвигателя. Это нестабильность частоты выходного напряжения преобразователя в процессе регулирования. Таких решений - два, первое из которых - анализ спектра огибающей основного тока при ограниченной на уровне нескольких процентов нестабильности частоты питающего напряжения (рисунок 4). Второе решение - синхронизация измерений по частоте основного тока, выделяемой из измеряемого сигнала, методом передискретизации сигналов.

 

Рисунок 4 - Спектр огибающей тока регулируемого электропривода переменного тока

с нагруженным на него четырехступенчатым редуктором:

f_вр2, f_вр3 и nf_вр4 - частота вращения 2-го, 3-го и 4-го вала редуктора соответственно;

f_z - зубцовая частота зубчатых колес редуктора.

 

На приведенном рисунке 4 спектр огибающей тока двигателя, сформированного на выходе октавного фильтра с частотой 50 Гц, имеет высокое разрешение по частоте. При этом за время измерения около 3 мин. частота напряжения на выходе преобразователя изменяется в пределах до 2 %, что практически не влияет на уровень разрешения в спектре огибающей тока.

Практически важной особенностью диагностирования машин с электроприводом по току является простота определения первичных порогов для обнаружения повреждений. Если в первом приближении считать, что вся дополнительная энергия в модулированном токе двигателя из-за его повреждений - это паразитные тепловые потери, значительная часть которых рассеивается в электродвигателе, допустимый порог для продолжения эксплуатации составляет величину порядка 1 %. Соответственно, если машина - это группа синхронно вращающихся валов (роликов), затрачиваемая на вращение каждого вала мощность пропорционально уменьшается, а порог дефекта снижается в раз, где - число этих валов (роликов).

Для внедрения токовой диагностики с учетом последних достижений в этой области специалисты Учебного центра ООО "Ассоциация ВАСТ" разработали методику диагностирования роторных машин по току привода [6]. При использовании этой методики важнейшей задачей специалистов является выбор первичных преобразователей и анализатора сигналов.

Так, в качестве таких преобразователей можно использовать измерительные трансформаторы тока, а также токовые клещи на основе датчика Холла с встроенными электронными устройствами (рисунок 5). При этом необходимо оценивать собственный уровень шумов преобразователя, включая встроенную электронику, которая в большинстве преобразователей ограничивает их динамический диапазон.

 

 

а	б	в

 

Рисунок 5 - Типовые преобразователи тока:

а - трансформатор тока; б - токовые клещи с датчиком Холла; в - пояс Роговского

 

В высоковольтных электрических машинах переменного тока со штатным измерительным трансформатором тока, можно использовать дополнительный измерительный трансформатор, измеряя ток во вторичной обмотке штатного трансформатора, если их динамический и частотный диапазоны достаточны для проведения таких измерений.

Одной из очевидных областей применения диагностики по току является оценка состояния электромагнитной системы электрических машин. Не менее важное направление токовой диагностики - количественная оценка суммарной (статической и динамической) расцентровки роторных машин по модуляции основного тока частотой вращения ротора.

Так, на рисунке 6 приведен спектр тока машины с асинхронным двигателем, причем в спектре кроме основной составляющей тока присутствуют и боковые, величиной около 2 % от основной (±kf_вр). Это признак существенной несоосности валов, соединенных зубчатой муфтой, или магнитной несимметрии ротора (динамического эксцентриситета зазора). Поскольку при пуске двигателя с разомкнутой муфтой боковые составляющие в спектре тока отсутствуют, основной причиной их появления в спектре нагруженного двигателя является расцентровка валов. А поскольку на остановленной машине измерение расцентровки показывает ее незначительный уровень, в данной машине расцентровка - динамическая, появляющаяся под нагрузкой. Последующий визуальный осмотр зубчатого зацепления муфты подтвердил наличие наиболее часто встречающегося повреждения - повышенного износа муфты.

 

Рисунок 6 - Спектр тока в фазе асинхронного двигателя под нагрузкой

 

Следует отметить, что диагностирование по току двигателей эффективно дополняет, а, в некоторых случаях, заменяет диагностирование по другим вторичным процессам, в частности по вибрации, следующих машин:

- недоступных для измерения параметров вибрации, например погружных насосов;

- с подшипниками скольжения, для раннего обнаружения износа вкладышей;

- многоступенчатых редукторов в общем корпусе, для диагностирования низкооборотных ступеней, уровень вибрации которых многократно ниже уровня вибрации высокооборотных ступеней;

- с большим числом вращающихся от одного двигателя узлов (рабочих органов), в частности эскалаторов, конвейеров и т.п.;

- агрегатов кратковременного действия, в которых уровень вибрации не успевает стабилизироваться.

В связи со сложностью проведения диагностических измерений переносными приборами, определенные преимущества дает стационарная установка измерительных трансформаторов тока. В электроприводах со статическими преобразователями напряжения такие трансформаторы (или датчики Холла) уже входят в состав преобразователя и могут использоваться для диагностирования машины.

Естественным развитием систем диагностирования машин с электроприводом является создание стационарных систем, использующей измерительные каналы вибрации, тока двигателей и, при необходимости, других процессов. В простейших случаях могут применяться и системы диагностики только по току двигателя, при этом целесообразно параллельно току в фазе электродвигателя измерять и напряжение питания, что позволит исключить влияние возможных искажений напряжения питания на результаты диагностирования. Специалисты ООО "Ассоциация ВАСТ" ведут активную работу по созданию таких систем.

 

Выводы

1. Диагностирование машин с электроприводом по току двигателя позволяет эффективно обнаруживать повреждения, как электродвигателя, так и приводимых им в движение механизмов и машин, но предъявляет повышенные требования к измерительным преобразователям и средствам анализа сигналов.
2. Разработанная специалистами ООО "Ассоциация ВАСТ" методика диагностирования роторных машин по спектрам тока электродвигателя позволяет приступить к внедрению соответствующей технологии на основе переносных средств измерения и анализа тока и созданию стационарных систем диагностирования таких машин по вибрации и току.

 

Список литературы

1. Thomson W.T., Gilmor R.J. Motor current signature analysis to detect faults in induction motor drive - fundamentals, data interpretation, and industrial case histories / Proceedings of the thirty-second turbomachinery symposium. - 2003. - pp. 145-156.
2. Вибрация и вибродиагностика судового электрооборудования / А.А. Александров, А.В. Барков, Н.А. Баркова, В.А. Шафранский. - Л.: Судостроение, 1986. - 286 с.
3. Барутсков И.Б., Вдовенко С.А., Цыганков Е.В. Гармонические искажения при работе преобразователей частоты / Главный энергетик. - 2011. - №6. - С. 5-15.
4. Mohanty A.R., Kar C. Gearbox health monitoring through three phase motor current signature analysis / Proc. 4^th Int. Workshop on Structural Health Monitoring. - Stanford University (USA): DEStech Publications, Inc. 2003. - pp. 1366-1373.
5. Патент 2269759 С1 РФ, G01M15/00 (2006.01) Способ диагностики механизмов и систем с электрическим двигателем / Барков А.В.; Барков А.В. №2004118454; заявлено 10.06.2004; опубл. 10.02.2006. Бюл. №4.

Методика диагностирования механизмов с электроприводом по потребляемому току /
А.В. Барков, Н.А. Баркова, А.А. Борисов и др. - СПб: НОУ "Севзапучцентр