Шрифт:

Диагностика асинхронных электрических машин по спектрам тока

 

Семёнов Дмитрий Николаевич (начальник акустической лаборатории)

ОАО «СПО «Арктика»

Баркова Наталья Александрова (к.т.н. директор) Северо-Западный учебный центр

 

Для электрических машин вибрационные методы диагностики не охватывают достаточно точно и полно всех дефектов составных частей электромагнитной системы (дефектов обмоток статора, ротора, активного железа, эксцентриситета, неравномерности зазора, асимметрии и искажения питающего напряжения), т.к. дефекты электромагнитной системы проявляются опосредованно, передаваясь через электромагнитное поле на корпус машины.

Метод определения неисправностей путём анализа спектра питающих токов основан на том, что неисправности в работе электрической и механической частей электродвигателя и связанного с ним устройства приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины а, значит, к модуляции входного тока. Измерение сетевого напряжения позволяет определить его не симметрию и наличие несинусоидальности (которые возникают при работе с частотными регуляторами) - т.е. факторов, которые влияют на срок службы двигателя. Измерения могут быть выполнены при подключении датчиков тока и напряжения непосредственно в клеммной коробке электродвигателя или в щите питания, без изменения режима работы привода.

В настоящее время существует несколько стационарных и переносных измерительных комплексов различных фирм, реализующих данный метод диагностики. Среди них российские: СД-21 Ассоциации «Вибро Акустические Системы и Технологии» (СПб) (рис.1г.), A17-U8/ЗЭТ ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы» (Москва) (рис.1д.), КДРМ, ШДРМ приборостроительный завод «Вибратор» (СПб) (рис.1в,е.), K-5101 ООО «Витэк» (СПб) (рис.1ё.), и иностранные EXP4000 SKF Baker (рис.1а.), MCEmax PdMA (рис.1б.), AnomAlert GE Bently Nevada (рис.1ж.), Fluke-435 (рис.1з.).

На предприятии судоремонта ОАО «СПО «Арктика» осуществляется внедрение технологии ремонта электрооборудования по техническому состоянию с применением диагностических методов неразрушающего контроля. Выполнение этих задачи направлено на дальнейший переход предприятия от концепции среднего и текущего ремонтов судового электрооборудования к сервисному техническому обслуживанию по результатам диагностики электрооборудования.

Лаборатория диагностики предприятия располагает приборами для анализа вибрационных параметров СД-21, АГАТ-М, SVAN-956, К-5101, и электрических- МСЕ мах, PXI, Fluke. Предприятие занимается средним ремонтом и восстановлением технической готовности судового электрооборудования. Данный пример приведён для одномашинного преобразователя 50-400 Гц, мощностью 250 кВт.

 

Описание задачи. После регламентных работ по восстановлению посадочных мест и замены подшипников, была выполнена балансировка преобразователя и доводка преобразователей по виброшумовым характеристикам.

Существенного снижения вибрации на оборотной частоте балансировкой добиться не удалось, т.к. наблюдались значительные изменения значений амплитуды и фазы во времени (рис.2а).

Дополнительные проверки показали, что высокие уровни значений амплитуды и фазы регистрируются только на работающем преобразователе и при снятии напряжения уровни амплитуды и фазы резко уменьшаются (рис.2б).


 

EXP4000 Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

 

MCEmax Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

 

КДРМ Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

 

 

a) EXP4000 б) MCEmax b) КДРМ

СД 21 Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

 

 

A17-U8/ЗЭТ Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

 

 

 

ШДРМ-132 Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

г) СД-21 д) A17-U8/ЗЭТ е) ШДРМ-132

К-5101 Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

AnomAlert Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

Fluke435 Измерительный комплекс для диагностики электрических машин по спектрам тока

ё) K-5101 ж) AnomAlert з) Fluke-435

Рисунок 1. Измерительные комплексы различных производителей для диагностики электрических машин по спектрам тока.

 

размах виброперемещения (мкм), замеренный на щитах преобразователя в установившемся режиме

а) 

размах виброперемещения (мкм), замеренного в момент снятия питающего напряжения

 б)

                                                                                          

Рисунок 2. а - размах виброперемещения (мкм), замеренный на щитах преобразователя в установившемся режиме,

б - размах виброперемещения (мкм), замеренного в момент снятия питающего напряжения.

 

На узкополосном спектре вибрации (рис.3), снятом при большом разрешении (с дискретностью 0,05 Гц), видны две гармонические составляющие одна с оборотной частотой 49,95 Гц (2998 об/мин), вторая с частотой питающей сети 50 Гц. Спектральная составляющая с частотой 50 Гц изменялась с амплитудой более 10 дБ.Узкополосный спектр вибрации с разрешением 0.05 Гц. 49,95 Гц– составляющая спектра на частоте вращения, 50,00 Гц– электромагнитная составляющая

 

Рисунок 3. Узкополосный спектр вибрации с разрешением 0.05 Гц. 49,95 Гц- составляющая спектра на частоте вращения, 50,00 Гц- электромагнитная составляющая.

Замеры 1/3- октавного спектра проводились на подшипниковых щитах преобразователя в трех плоскостях.Замеры 1/3- октавного спектра проводились на подшипниковых щитах преобразователя в трех плоскостях

 

Рисунок 4. Максимальные 1/3- октавные спектры вибрации

для преобразователя без дефектов (1) и преобразователя с дефектами (2).

 

Проведенные измерения указывают на электромагнитный характер неисправности. Предполагаемая причина - дефект электромагнитной системы преобразователя и повышенный эксцентриситет ротора. Для увеличения достоверности диагноза был применён многофункциональный тестер электродвигателей MCEmax PdMA.

 

Определение неисправности преобразователя по спектру питающего тока

Тест «демодуляция» в программе МСEGold, измерительного комплекса МСЕмах, позволяет выявить наличие различных электромагнитных колебаний в системе, отфильтровывая основную частоту питающего тока преобразователя 50Гц. В бездефектной машине (таблица 1), на спектре «видна» равномерная работа преобразователя. Дисбаланса электромагнитного поля не наблюдается.

Тест «демодуляция» в машине с дефектом. На спектре хорошо «видна» повышенная составляющая на частоте 12,5 Гц, что соответствует ¼ частоты вращения преобразователя. Причиной данного дефекта, согласно описанию на программное обеспечение, могут послужить механические повреждения магнитной системы или подшипников преобразователя. Значительный эксцентриситет ротора так же может послужить причиной неисправности.

Анализ потребляемой мощности (таблица 2) показывает, что двигатель, имеющий эксцентриситет зазора, потребляет повышенную активную мощность по сравнению с бездефектным преобразователем (при одинаковом режиме работы- холостой ход).

 

Таблица №1

 

Графики спектров теста «демодуляция»

 

Данные бездефектного преобразователя

Данные бездефектного преобразователя

 

Данные преобразователя с дефектом

Данные преобразователя с дефектом

 

 

 

Таблица №2

Анализ качества электрических параметров

 

Данные бездефектного преобразователя.

Данные преобразователя с дефектом.

Анализ качества электрических параметров - Данные бездефектного преобразователя

Анализ качества электрических параметров - Данные преобразователя с дефектом

 

Тест «Эксцентриситет» предназначен для определения признаков неравномерности воздушного зазора между ротором и статором из-за их несоосности в статическом и динамическом состоянии на асинхронных двигателях.

Номинальные данные, необходимые для обработки данных:

  • скорость вращения машины — 3000 (2998) об/мин;
  • частота питающей сети — 50Гц;
  • число стержней ротора — 38;
  • характерная частота признаков эксцентриситета 38×50=1900Гц;
  • первая гармоника боковой полосы частоты сети Fecc±50Гц;
  • третья гармоника боковой полосы частоты сети Fecc±150Гц.

Для бездефектного преобразователя (таблица 3). Пики боковых полос частоты сети в диапазоне -79÷(-75) dB, находящиеся в «белой» зоне графика превышают средний уровень шума не более чем на 10 dB.

Данные, полученные для преобразователя с дефектом. Пики боковых полос частоты сети в диапазоне -69÷(-54) dB, находящиеся в «красной» зоне графика превышают средний уровень шума более чем на
30 dB.

 

Таблица №3

 

Графики спектров тока

Спектры исправного преобразователя

Спектры исправного преобразователя

 

Спектры преобразователя с дефектом

Спектры преобразователя с дефектом

 

По итогам замеров электрических параметров можно сделать следующие выводы. Для бездефектного преобразователя. В целом работа преобразователя - удовлетворительная. Электрические и виброакустические параметры преобразователя в норме. Рекомендовано: осуществление контроля за работой преобразователя и регистрация температуры обмоток статора преобразователя.

Для преобразователя с дефектом. В целом работа преобразователя - неудовлетворительная. Рекомендовано:

  • выполнить разборку и дефектацию электромагнитной системы генератора преобразователя согласно техническим условиям на ремонт;
  • произвести замеры воздушных зазоров и дефектацию ротора преобразователя для устранения высокого эксцентриситета;
  • выполнить  дефектацию  подшипниковых  узлов,  подшипниковых  щитов  согласно техническим условиям на ремонт.

По итогам замеров была произведена дефектация подшипниковых узлов и подшипниковых щитов преобразователя. После регламентных работ по восстановлению посадочных мест, были выполнены балансировка преобразователя и выставление воздушных зазоров ротора.

Из двух преобразователей, имеющих повышенные уровни вибрации, на одном удалось добиться существенного уменьшения вибрации, после регулировки осевого поджатия подшипника. Второй был отбалансирован до минимально возможного уровня. В дальнейшем балансировку преобразователей, имеющих подобные дефекты, планируется проводить с помощью специализированной балансировочной программы БЭД-4 разработчик - ООО «Вибротехника», позволяющей производить балансировку на выбеге агрегата.

 

Заключение

Использование измерительных комплексов систем неразрушающего контроля, для регистрации виброакустических параметров и измерительные комплексы типа MCEmax для регистрации электрических параметров на этапе освидетельствования, для сбора всех необходимых данных, могут дать ясную картину о состоянии электрооборудования, на основе которой можно проработать более точный перечень мероприятий по дальнейшему ремонту электрооборудования. Это позволит сократить временные затраты на диагностику электродвигателей, и затраты при устранении неисправностей, выявленных в более поздний период во время ремонта или послеремонтного испытания оборудования.

Встроенные приводные электродвигатели таких механизмов как погружные насосы, кондиционеры, винторулевые колонки не могут быть продиагностированы методами, отличными от анализа спектра токов, без длительной разборки всего механизма и сопутствующих  элементов.  Так  диагностика  электродвигателей, встроенных  в кондиционеры, с помощью тестера МСЕмах, позволяет сократить время на диагностику c 60 до 4,5 нормо- часов за счёт отказа от разборки.

 

Список использованной литературы

1. Барков А.В., Баркова Н.А. Борисов А.А., Федорищев В.В., Грищенко Д.В. Методика диагностирования механизмов с электроприводом по потребляемому току. - СПб.: Петроцентр, 2012.

2. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Справочник 7 т.- М.: Машиностроение, 2005.

3. Петухов В. Диагностика состояния электродвигателей. Новости электротехники. 1(31) 2005.

4. Петухов В. Диагностика электродвигателей. Спектральный анализ модулей векторов Парка тока и напряжения. Новости электротехники. №1(49) 2008.

5. Хруцкий О.В. Техническая диагностика: учебник/СПбГМТУ.-СПб.-2005.

6. Технология МСЕ МАХ интерпретация данных. Корпорация PdMA. 2009.

7. Cruz S.M.A. Marques Cardoso A.J. Stator Winding Fault Diagnosis in Three-Phase Synchronous and Asynchronous Motors, by the Extended Park's Vector Approach.

8.  Adreano M.da Sila Induction motor fault diagnostic and monitoring methods. Thesis master of science. Milwaukee, Wisconsin 2006.

9.  Arvind M.Venugopal Comparative analysis of electrical and mechanical fault signatures in induction motors. Thesis master of science. Taxas A&M University 2003

10. IEEE Std 1415-2006 «IEEE Guide for Induction Machinery Maintenance Testing and Failure Analysis» has been officially released as of May 1, 2007

11.  www.skf.com/ru/products/condition-monitoring

12.  www.pdma.com/PdMA-MCEMAX.php

13.  www.kipinfo.ru/info/stati/?id=261

14.  www.vbrsdrm.ru/siteapps/Drupal-5327/htdocs/products

15.  www.vitec.ru/ru/index.php

16.  www.vibrotek.ru/russian