О диагностике подшипников асинхронного электродвигателя при питании от статического преобразователя частоты.
Дегтерев С.Г. Васт-Сервис, Грищенко Д.В., Вибротехника.
1. Постановка задачи.
При практической диагностике агрегатов с асинхронным приводом достаточно часто встречаются ситуации, когда привод питается от статического преобразователя напряжения. Выходное напряжение такого преобразователя может иметь форму, в которой кроме основной гармоники выходного напряжения может быть намешано много разных периодических составляющих с периодом основной сети, периодом коммутации силового тока, а также различных комбинационных составляющих. Все эти гармоники напряжения порождают вибрацию электродвигателя, которая мешает проводить его вибрационную диагностику. Возможность выполнения диагностики подшипников электродвигателя при таком питании была проверена, и ее результаты приводятся ниже.
2. Описание характеристик преобразователя и используемой измерительной аппаратуры.
Использовался типовой преобразователь мощностью до 50кВт из числа применяемых на железной дороге, от него питался асинхронный тяговый электродвигатель колесно-редукторного блока локомотива. Для того чтобы закрутить колесную пару без движения локомотива тележка с колесно-редукторным блоком вывешивалась на домкратах.
Преобразователь состоит из двух частей – трехфазного регулируемого тиристорного выпрямителя и статического инвертора переменного напряжения с широтно–импульсным регулированием и частотой коммутации силового тока, равной 2кГц.
В качестве средства измерения использовался сетевой измеритель производства Ассоциации ВАСТ с программой записи сигналов на компьютер. К одному из 8 измерительных каналов были подключены токовые клещи, к остальным – датчики вибрации, установленные на двигатель и на буксы колесной пары. Анализ сигналов после их записи проводился с помощью диагностической программы «DREAM-5».
Для того чтобы не перегружать спектры тока слишком большим количеством гармоник тока разной частоты, частота выходного напряжения статического преобразователя была выбрана равной частоте сети переменного тока (50Гц).
3. Анализ тока двигателя
На рис.1 приведена форма тока двигателя (близкая к форме напряжения на выходе преобразователя), на рисунках 2 и 3 - спектры тока.
Рис 1 – Временной сигнал тока одной из фаз двигателя.
Рис 2 – Спектр тока одной из фаз двигателя до 1 кГц.
Рис 3 – Спектр тока одной из фаз двигателя до 20 кГц.
Как видно из приведенных рисунков, спектр тока насыщен различными составляющими, кратными частоте питающей сети f1 = 50 Гц, а также гармоническими составляющими, кратными частоте коммутации силового тока f k = 2000Гц. Каждая из составляющих второго ряда модулирована первым рядом, т.е. в спектре тока присутствует огромное количество составляющих с частотами n f k 
m f1
Вывод. Спектр тока имеет сложный состав, который существенно усложнится, если выходное напряжение преобразователя будет отличаться от частоты 50Гц.
4. Анализ вибрации подшипниковых узлов электродвигателя.
Ниже на рис. 4 и 5 приведены спектры вибрации одного из подшипниковых узлов электродвигателя в частотных диапазонах, соответственно до 20кГц и до 500Гц. На рис 6,7 и 8 приведены спектры огибающей вибрации до частоты 500Гц с использованием разных третьоктавных фильтров для выделения высокочастотных компонент сигнала – со средними частотами 5кГц, 12,5кГц и 20 кГц.
Как видно из рис.4, вибрация подшипниковых узлов двигателя до 20 кГц насыщена большим количеством различных гармонических составляющих, большинство из которых возбуждается гармониками тока в двигателе.
Анализ низкочастотной части спектра вибрации подшипникового узла до 500 Гц, (рис.5) показывает, что искажения питающего напряжения в выпрямителе сказываются на выходном напряжении не столь сильно, как в среднечастотной области. Этот эффект является следствием введения цепей обратной связи по форме выходного напряжения инвертора, при которой снижаются низкочастотные искажения его формы. Таким образом, использование статического преобразователя данного вида сохраняет возможность оценки вида и величины дефекта подшипника по автоспектру вибрации.
Рис 4 – Спектр вибрации подшипникового узла двигателя до 20 кГц.
Рис 5 –Спектр вибрации до 500Гц, в котором указаны гармоники, кратные 50Гц и определяемые обнаруженным в подшипнике развитым дефектом - раковиной наружного кольца
При диагностике подшипников важную информацию о развивающихся дефектах дает анализ спектра огибающей высокочастотной вибрации на выходе октавного или третьоктавного фильтра, если в полосе фильтра нет сильных гармонических составляющих. В нашем случае в спектре вибрации подшипникового узла двигателя можно выбрать лишь две третьоктавные полосы, в которых величины гармонических составляющих не слишком велики. Это третьоктавные полосы со средними частотами 5 и 20кГц. В первом случае третьоктавный фильтр не захватывает область частот, кратных частоте коммутации силового тока. Во втором случае гармонические составляющие вибрации несущественно выше случайных составляющих из-за потерь гармонических составляющих электромагнитного поля на высоких частотах в активном сердечнике двигателя, с одной стороны, и ростом случайной вибрации из-за развитого дефекта подшипника, с другой стороны. Использование третьоктавного фильтра с другими частотами, например, со средней частотой 12,5кГц не позволяет обнаружить дефект из-за высокого уровня электромагнитной вибрации, вызванной искажениями напряжения на выходе преобразователя.
Рис 7. Спектр огибающей вибрации подшипника двигателя с раковиной наружного кольца после третьоктавного фильтра с частотой 5 кГц.
Рис 6. Спектр огибающей вибрации подшипника двигателя после третьоктавного фильтра с частотой 12,5 кГц.
Рис 8. Спектр огибающей вибрации подшипника двигателя после третьоктавного фильтра с частотой 20 кГц.
Иначе выглядит спектр огибающей вибрации на другом подшипнике, на котором нет развитых дефектов и сила трения существенно меньше (рис.9). На этом спектре уже проявляются составляющие с гармониками, кратными частоте напряжения в сети переменного тока, присутствие которых в спектре огибающей приводит к снижению глубины модуляции вибрации сил трения, т.е. к занижению реальной величины дефекта до тех пор, пока он не приведет к заметнтому ухудшению состояния смазки.
Рис. 9 - Спектр огибающей вибрации подшипника двигателя с противоположной стороны после третьоктавного фильтра с частотой 20 кГц.
Еще один довод не в пользу диагностики подшипников электродвигателя при питании от статического преобразователя такой конструкции – обнаружение дефектов смазки подшипника. Эти дефекты хорошо проявляют себя в ультразвуковой вибрации (выше 15кГц), в которой при дефектах растет и среднеквадратичное, и пиковое значения. При питании двигателя от статического преобразователя рост среднего значения вибрации на ультразвуковых частотах вполне может быть следствием ухудшения формы питающего напряжения.
Искажения формы напряжения на выходе статического преобразователя ухудшают возможности вибродиагностики собственно электродвигателя и мало влияют на вибрацию механизма, который этот двигатель приводит во вращение. Так, для примера на рис 10 приведен спектр вибрации буксы колесной пары, в котором вибрация электромагнитного происхождения, предаваемая от двигателя, минимальна.
Рис 10. Спектр вибрации буксы до 20кГц
Выводы.
1. Работа статического преобразователя может влиять на качество диагностики асинхронных электродвигателей. Чтобы оценить это влияние, надо измерить спектр вибрации во всем рабочем диапазоне частот анализатора.
2. Для построения спектров огибающей надо выбирать те полосы частот, в которых минимальны составляющие, кратные частоте питающего напряжения.
3.Для контроля состояния смазки по уровню и пиковому значению ультразвуковой вибрации надо убедиться в отсутствии на этих частотах вибрационных помех от преобразователя, для чего можно измерить спектр огибающей этой вибрации.
4. Лучше всего использовать преобразователи с частотой прерывания более 10кГц и с выходными электрическими фильтрами, снижающими высокочастотные составляющие тока двигателя до допустимых значений.
5. Убдиться в высоком качестве выходного напряжения преобразователя можно путем измерения с помошью токовых клещей и анализатора спектра потребляемого электродвигателем тока.
6. При типовой частоте коммутации тока в инверторе f k 
2000 Гц можно пытаться диагностировать подшипники двигателя с построением огибающей после фильтра с центральной частотой, равной f ф
2,5 f k , и измерять ультразвуковую вибрацию для контроля качества смазки, если на выходе преобразователя установлены фильтры, сглаживающие форму напряжения на частотах выше 10кГц.
