Вибродиагностика дефектов электромагнитной системы электрических машин
Содержание
Диагностируемые в процессе эксплуатации силовые электрические машины по особенностям вибрационной диагностики можно делить на четыре основных типа – синхронные, асинхронные и индукторные машины переменного тока, а также коллекторные машины постоянного тока. Наиболее «чувствительной» к дефектам электромагнитной системы является вибрация индукторных машин. Кроме этого, электромагнитная вибрация электрической машины любого типа сильно зависит от отклонения питающего напряжения от расчетной формы, а самая сложная форма – на выходе статического преобразователя напряжения, особенно в вентильно-индукторном приводе. Отклонение питающего напряжения от расчетной формы существенно изменяет вибрацию электродвигателя любого типа, и вибродиагностика электродвигателя со статическим преобразователем питающего напряжения, тем более вентильно-индукторного, может дополняться диагностикой и по силовому току, и по питающему напряжению.
Вибрационная диагностика электромагнитной системы машины постоянного тока обычно сводится к диагностике щеточно-коллекторного узла, дефекты которого хорошо обнаруживаются как по вибрации, так и по току. Чаще всего в машинах постоянного тока по вибрации диагностируется якорь с подшипниками и соединительной муфтой, а диагностика щеточно-коллекторного узла проводится по току якоря, вместе с диагностикой тех дефектов нагружаемого механизма, которые приводят к появлению пульсирующих нагрузок на двигатель.
Вибрационная диагностика электромагнитной системы синхронных машин также имеет весьма ограниченные возможности из-за больших воздушных зазоров между ротором и статором и кратности частот основных составляющих вибрации частотам вращения ротора и питающего напряжения. Эксцентриситеты зазора заметно изменяют вибрацию, только если их относительная величина существенно выше 10%, но рост вибрации из-за изменений зазора может маскироваться составляющими вибрации механического происхождения, кратными частоте вращения ротора. Поэтому информативными составляющими вибрации для оценки состояния электромагнитной системы остаются лишь гармоники, кратные основной составляющей магнитного происхождения с двойной частотой силового тока и зубцовые гармоники статора синхронной машины, а в неявнополюсных машинах – еще и зубцовые гармоники ротора. Дополнительную информацию о состоянии электромагнитной системы синхронной машины может дать контроль спектральных составляющих силового тока и тока возбуждения. Однако существуют большие сложности в анализе флуктуирующих составляющих постоянного тока возбуждения при отсутствии щеточно-контактного узла, по доступному для измерений переменному току внешнего источника, на который нагружается размещенный на вращающемся роторе выпрямитель системы возбуждения.
Вибрационная диагностика электромагнитной системы индукционных машин существенно сложнее, но может быть и более эффективной. Причина этого – малые зазоры между ротором и статором, малейшие изменения которых даже из-за износа подшипников приводят к значительному изменению потребляемого тока и вибрации магнитного происхождения. В вентильно-индукторном, особенно многофазном, приводе спектральный состав питающего напряжения очень богат, а из-за скачкообразной формы зазора спектры тока и вибрации индукторной машины становятся еще сложнее даже при отсутствии дефектов в магнитной системе двигателя. Поэтому диагностику электромагнитной системы такого привода проще вести по напряжению и току в каждой фазе.
Из наиболее важных особенностей вибрационной диагностики вентильно-индукторного привода следует отметить необходимость внесения корректировок в диагностику подшипников двигателя. Дело в том, что корпус и ротор двигателя испытывают большие импульсные нагрузки при подаче импульсного напряжения на обмотку. Они направлены встречно и компенсируют друг друга и на роторе, и на статоре. Но если зазор несимметричен (при изготовлении или из-за износа подшипников), усиленные и часто превышающие силу тяжести ротора импульсные нагрузки могут действовать на подшипники, многократно ускоряя их износ, и поверхность подшипника становится «зубчатой». Такой дефект рекомендуется внести в список типовых дефектов подшипников вентильно-индукторных двигателей и периодически проводить его диагностику.
Иначе обстоит дело с вибрационной диагностикой асинхронного двигателя. Он питается синусоидальным напряжением, особенно от современного статического преобразователя напряжения с высокой частотой дискретизации тока, а механические и магнитные составляющие вибрации двигателя смещены друг от друга по частоте из-за скольжения ротора относительно вращающегося магнитного поля в зазоре. Естественно, что несимметрия напряжения по фазам и искажения формы питающего напряжения приводят к изменениям в спектре магнитных составляющих вибрации двигателя, но их можно учесть, контролируя спектр питающего напряжения. Помогает такому учету и то, что частота вибрации, возбуждаемой магнитным полем, в два раза больше частоты тока (направление магнитной силы не зависит от изменяющегося направления магнитного поля).
К основным дефектам электромагнитной системы асинхронного электродвигателя, обнаруживаемым по вибрации, можно отнести:
-
динамический (вращающийся) эксцентриситет воздушного зазора,
-
статический эксцентриситет воздушного зазора,
-
электрические дефекты (обрывы в беличьей клетке, КЗ в активном железе) ротора,
-
электрические дефекты (КЗ в обмотках и активном железе) статора
Из внешних дефектов (источников питания электродвигателей), обнаруживаемых по вибрации, можно выделить:
-
несимметрия напряжения питания машин переменного тока,
-
искажение формы напряжения машин и переменного, и постоянного тока.
Все указанные дефекты электромагнитной системы асинхронного электродвигателя доступны и для обнаружения по результатам совместных измерений питающего напряжения и силового тока.
Основные особенности вибродиагностики асинхронного двигателя определяются задачами совмещения диагностики электромагнитной системы и механической части, как электродвигателя, так и агрегата в целом. Если для диагностики механической части агрегата датчики вибрации устанавливаются на каждый подшипниковый узел, то электромагнитную систему допустимо диагностировать по вибрации. Если привод – регулируемый, диагностируется без использования датчика оборотов, нужен датчик тока для оценки частоты вращения агрегата и стабильности его режима работы, тогда диагностику электромагнитной части можно вести по току. Если подшипники асинхронного двигателя недоступны для установки датчика, контроль степени их износа также может проводиться опосредованно, по признакам роста статического и динамического зазора в спектре силового тока.
Динамический эксцентриситет зазора в асинхронных двигателях часто появляется после ремонта ротора с восстановлением посадочного места под подшипники из-за его несоосной проточки (шлифовки). Он приводит к росту вибрации электромагнитного происхождения на частоте вращения ротора, которая не может быть полностью компенсирована путем его балансировки на месте. Рост вибрации на частоте вращения не является признаком динамического эксцентриситета зазора – дефект лучше всего обнаруживать по модуляции основных составляющих вибрации магнитного происхождения частотой вращения ротора. Таких составляющих две – основная, с двойной частотой питающего напряжения (2f1=100Гц) и зубцовая первой кратности. Но наиболее мощной зубцовой гармоникой вибрации, по модуляции которой определяется величина дефекта, в зависимости от конструкции ротора и статора может быть одна из трех с частотами fz1 = zfвр и fz = fz1 + 2f1. Спектр вибрации асинхронного двигателя с динамическим эксцентриситетом воздушного зазора приведен ранее, на рис 15.1.
Статический эксцентриситет зазора в асинхронных двигателях чаще всего появляется при деформации корпуса из-за неправильного крепления двигателя к фундаментным конструкциям, выполненного без учета «мягкой лапы», или из-за значительного износа поверхностей трения в подшипниках. С ростом эксцентриситета растет вибрация на двойной частоте питающего напряжения (2f1=100Гц), при опасных дефектах может расти вибрация и на частот 4f1=200Гц. Одновременно растет число и уровень зубцовых гармоник первой кратности за счет появления дополнительных боковых гармоник, отличающихся на кратные частоты 2kf1
Электрические дефекты ротора приводят к появлению пульсирующих моментов, действующих на ротор и статор машины с двойной частотой скольжения в противоположных направлениях, приводящих к амплитудной и частотной модуляции основных составляющих вибрации, как это показано на рис 15.11. Аналогичный результат имеет место и в спектрах тока асинхронного двигателя
Рис. 15.11 Спектр вибрации при обрыве стержня беличьей клетки
Короткое замыкание в обмотках или активном железе статора двигателя приводит к локальному снижению магнитного поля, создаваемого одной из фазных обмоток, к такому же дефекту приводит и несимметрия напряжения питания. В результате в машине возникает магнитное поле обратной последовательности и пульсирующие моменты с частотой 2f1=100Гц, действующие в противоположных направлениях на ротор и статор. В агрегатах с асинхронными электродвигателями, упруго устанавливаемыми на фундамент, пульсирующие моменты возбуждают тангенциальные колебания корпуса, обнаруживаемые при измерениях вибрации по касательной к корпусу агрегата в точках, наиболее удаленных от оси вращения ротора, в которых тангенциальная вибрация на этой частоте существенно выше радиальной. А чтобы разделить два вида неисправностей (КЗ и несимметрию напряжения питания) соотношение тангенциальной и радиальной вибрации на частоте 2f1 контролируется на нескольких агрегатах, включенных в одну сеть питания.
Искажения формы напряжения питания трехфазного двигателя приводят к появлению пульсирующих моментов с частотами 6kf1, т.е. 300Гц, 600Гц, 900Гц и т.д. К такому же результату приводит и перегрузка двигателя, при которой магнитные цепи частично насыщаются и искажается не питающее напряжение, а магнитный поток в зазоре двигателя, который приобретает форму синуса с двухсторонним ограничением. Для разделения двух указанных дефектов также проводится контроль нескольких агрегатов с электроприводом, включенных в одну сеть питания.
Таким образом, для вибрационной диагностики асинхронного электродвигателя нужно контролировать вибрацию в двух точках на опорах вращения в радиальном направлении и, желательно, в удаленной от оси вращения точке двигателя в тангенциальном направлении.
Содержание
