MONITOROWANIE NIEOSIOWOŚCI NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 63 Politechniki Wrocławskiej Nr 63 Studia i Materiały Nr Paweł EWERT*, Czesław T. KOWALSKI* silnik indukcyjny, monitorowanie i diagnostyka, nieosiowość, drgania mechaniczne MONITOROWANIE NIEOSIOWOŚCI NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI W artykule przedstawiono problemy wykrywania i oceny nieosiowości w napędach z silnikami indukcyjnymi. Omówiono możliwości monitorowania nieosiowości na podstawie harmonicznych o charakterystycznych częstotliwościach, otrzymywanych w wyniku analizy widmowej prądu stojana oraz drgań mechanicznych. Przedstawiono stanowisko laboratoryjne umożliwiające regulację niewyosiowania oraz przykłady widm częstotliwościowych prądu fazowego oraz drgań badanego silnika dla napędu prawidłowo wyosiowanego i rozosiowanego równolegle w poziomie i pionie. Przeprowadzone badania laboratoryjne wykazały w pełni możliwość monitorowania on-line w szerokim zakresie nieosiowości napędu poprzez wykrywanie i ocenę charakterystycznych częstotliwości w widmach prądu stojana i drgań. 1. WPROWADZENIE Obecnie w układach napędowych najczęściej wykorzystywane są silniki indukcyjne. Napędy z silnikami indukcyjnymi pełnią ważną rolę w różnych procesach technologicznych. Ich uszkodzenie może doprowadzić do dużych strat finansowych, a w najgorszym przypadku do awarii całego systemu. Dlatego w ostatnich latach silnie rozwinęła się dziedzina naukowa zajmująca się diagnostyką uszkodzeń silników indukcyjnych [2], [3], [8]. W eksploatacji napędów elektrycznych dominują metody monitorowania stanu technicznego oparte na analizie sygnałów diagnostycznych w dziedzinie czasu i częstotliwości [2], [3]. W przypadku napędów z silnikami indukcyjnymi podstawowymi sygnałami wykorzystywanymi w diagnostyce są prąd fazowy stojana oraz drgania, w których widoczne są symptomy wszystkich uszkodzeń elektrycznych i mechanicznych. Na prawidłową pracę napędu elektrycznego bardzo duży wpływ ma jego prawidłowe wyosiowanie. Według [9] ponad 5% przedwczesnych uszkodzeń maszyn jest * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, pawel.ewert@pwr.wroc.pl, czeslaw.t.kowalski@pwr.wroc.pl

2 267 spowodowane złym wyosiowanie napędu. Ponadto awarie spowodowane skutkami braku współosiowości wałów powodują, oprócz nieplanowanych przestojów i związanych z tym strat produkcyjnych, znaczny wzrost zużycia energii oraz przedwczesne uszkodzenia łożysk oraz uszczelek, wyciek oleju z opraw łożysk, pękanie wału i awarie sprzęgła, a co za tym idzie ekscentryczność połączenia mechanicznego silnika z maszyną roboczą. Niewspółosiowość jest trudna do wykrycia podczas pracy układu napędowego; jedynym sposobem jest pomiar wtórnych efektów powstających wówczas niezrównoważonych sił. Efekty te są widoczne w: 1) drganiach mechanicznych i zwiększonym hałasie, 2) niesymetrii szczeliny powietrznej, 3) wzroście tętnień momentu obrotowego, 4) wzroście strat, 5) nadmiernym nagrzewaniu się maszyn. Aby ocenić stopień niewspółosiowości niezbędne jest stosowanie skutecznych metod, umożliwiających wczesne wykrywanie uszkodzeń w trakcie eksploatacji. Do takich metod można zaliczyć analizy widmowe drgań i prądu stojana, umożliwiające identyfikację i ocenę charakterystycznych częstotliwości pojawiających się przy niewspółosiowości. W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych związanych z wykrywaniem niewspółosiowości równoległej poziomej i pionowej napędu z silnikiem indukcyjnym małej mocy, której poziom był precyzyjnie kontrolowany za pomocą systemu laserowego. 2. NIEWSPÓŁOSIOWOŚĆ ORAZ SPOSOBY JEJ NIWELOWANIA Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje nieosiowości [1], [5], [7]: przesunięcie poprzeczne (promieniowe lub równoległe), kątowe oraz połączenia obu tych odchyleń (kątowo-równoległe bądź mieszane). Na rysunku 1 przedstawiono cztery przypadki nieprawidłowego wyosiowania. Przesunięcie poprzeczne występuje wtedy, gdy osie wałów napędzającego i napędzanego są równoległe, ale przesunięte względem siebie. Najczęstszym sposobem ograniczenia wpływu tego typu odchyłki jest zastosowanie sprzęgła z dwiema piastami ruchomymi, czyli z dwoma punktami zginania, lub też układ dwóch sprzęgieł z jedną piastą ruchomą. Typowymi sprzęgłami z dwiema piastami ruchomymi są sprzęgła zębate, sprężyste dwutarczowe i membranowe. Z przesunięciem kątowym ma się do czynienia wówczas, gdy osie wału napędzającego i napędzanego przecinają się. W tym przypadku jego wpływ można ograniczyć za pomocą sprzęgła z jedną piastą ruchomą (półsprzęgła), które charakteryzują się jedną płaszczyzną zginania (podobnie sprzęgła jednotarczowe i membranowe).

3 268 a) b) c) d) Rys. 1. Rodzaje niewspółosiowości: a) pionowe przesunięcie równoległe, b) pionowe przesunięcie kątowe, c) poziome przesunięcie równoległe, d) poziome przesunięcie kątowe Fig. 1. Types of misalignment: a) vertical parallel displacement, b) vertical angle displacement, c) horizontal parallel displacement, d) horizontal angle displacement Przesunięcie osiowe oraz ruchy poosiowe spowodowane są często przez efekty cieplne. Wysoka temperatura, jaka powstaje podczas pracy maszyny prowadzi do niekontrolowanego wydłużenia wału oraz luzów wirnika. Przesunięcie osiowe może być również spowodowane przez przemieszczanie się wirnika w polu magnetycznym. Do kompensowania tego typu przesunięcia stosuje się również różnego typu sprzęgła [5]. Niedokładne wyosiowanie prowadzi do przeciążenia maszyny i niesie za sobą drgania, powoduje nieprawidłową pracę sprzęgieł i ich szybsze zużycie, zwiększa niesymetrię szczeliny powietrznej silnika (ekscentryczność) [1], [6]. Jak wynika z badań [9], dodatkowym atutem dokładnego wyosiowania jest fakt, że zmniejsza się zużycie energii. Wyróżnia się trzy podstawowe sposoby osiowania [9]: przy użyciu liniału, przy użyciu czujników zegarowych, laserowo-optyczne systemy osiowania. Liniał jest do dziś bardzo często stosowany. Niestety z uwagi na fakt, że rozdzielczość ludzkiego oka w najlepszym przypadku wynosi,1mm, to dokładność tej metody jest niewystarczająca. Korekty na łapach maszyny są z reguły szacowane w oparciu o doświadczenie mechanika, który musi posiadać spore doświadczenie oraz dobrą znajomość poszczególnych maszyn. Pociąga to za sobą konieczność wielokrotnego powtarzanie procedury aż do uzyskania żądanego efektu. Czujniki zegarowe umożliwiają uzyskanie dokładności rzędu,1mm. Warunkiem uzyskania takiej dokładności jest duża praktyka i niezwykła staranność osoby przeprowadzającej pomiar i prace mechaniczne. W praktyce osiowanie czujnikami zegarowymi daje w 9 % przypadków takie same wyniki jak przy osiowaniu liniałem. Skomplikowane obliczenia prowadzą do tego, że osiowanie przeprowadzane jest aż do

4 269 osiągnięcia zera dla wszystkich mierzonych wartości. Pomija się przy tym wpływ układów mocujących oraz inne źródła wprowadzające błędy. Laserowo-optyczne systemy osiowania uzyskują dokładność,1 mm. Ich zaletą jest rezygnacja z układów mechanicznych mocujących czujniki, a uzyskiwane wyniki nie wymagają dalszej interpretacji lub obliczeń. Pomiary są powtarzalne, a obsługa przyrządów nie sprawia użytkownikowi żadnego kłopotu (wystarczy kilkugodzinne szkolenie). 3. ZESTAWIENIE CHARAKTERYSTYCZNYCH CZĘSTOTLIWOŚCI W WIDMIE PRĄDU ORAZ W WIDMIE DRGAŃ Monitorowanie uszkodzeń mechanicznych, oparte na widmach prądu stojana i drgań, polega na ocenie amplitud charakterystycznych częstotliwości dla danego typu uszkodzenia. W Tabeli 1 zestawiono charakterystyczne częstotliwości świadczące o nieosiowości, występujące w widmach prądu stojana oraz drgań mechanicznych [2]. Tabela 1. Zestawienie charakterystycznych częstotliwości występujących w widmach prądu stojana i drganiach mechanicznych w przypadku dla nieosiowości Table 1. Characteristic frequencies in stator current and mechanical vibration spectra in the case of misalignment Rodzaj uszkodzenia Nieosiowość równoległa lub kątowa Charakterystyczna częstotliwość w widmie prądu stojana f s ± kf r Charakterystyczna częstotliwość w widmie drgań głównie: 1f r i 2f r czasami: 3f r i 4f r f s częstotliwość napięcia zasilającego f r częstotliwość obrotowa silnika Uwagi Maksymalne drgania w kierunku osiowym Czasami wszystkie harmoniczne f r Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe widma prądu stojana i drgań mechanicznych dla układu prawidłowo wyosiowanego oraz z poziomym przesunięciem równoległym równym,77 mm. Analizując widma prądu stojana układu wyosiowanego (rys. 2a) oraz z poziomym przesunięciem równoległym równym,77mm (rys. 2b) można zauważyć wyraźny wzrost składowych fs 3 fr, fs fr, f s + fr oraz fs + 2 f r. W przypadku widma drgań mechanicznych (rys. 3c i 3d) obserwuje się wzrost harmonicznych o częstotliwościach 2 fr, 3 fr oraz 4 fr. W punkcie 4 zostały przedstawione zestawienia ilustrujące zmianę charakterystycznych częstotliwości w widmach prądu stojana oraz drgań mechanicznych.

5 27 a) b) f s-f r f s-4f r f s+f r f s +2f r f s -2f r f s-3f r f s-f r f s -4f r fs+fr f s +2f r fs-2fr f s-3f r f s-5f r f s-6f r f s-5f r f s -6f r c) d) f r 2f r 3f r 4f r f r 2f r 3f r 4f r Rys. 2. Przykładowe widma prądu stojana i drgań mechanicznych: a) układ wyosiowany (widmo prądu), b) poziome przesunięcie równoległe o,77mm (widmo prądu), c) układ wyosiowany (widmo drgań), d) poziome przesunięcie równoległe o,77 mm (widmo drgań) Fig. 2. Example of stator current and mechanical vibration spectra: a) aligned system (current spectrum), b) horizontal parallel displacement.77 mm (current spectrum), c) aligned system (vibration spectrum), b) horizontal parallel displacement.77 mm (vibration spectrum) 4. METODYKA I WYNIKI BADAŃ LABORATORYJNYCH Badania laboratoryjne przeprowadzono na silniku indukcyjnym małej mocy typu SSh-9L-4 (1,5 kw) firmy INDUKTA zasilanym z sieci i sprzęgniętym z prądnicą prądu stałego PZB b446 (P n 1,5 kw). Silnik umieszczony był na stanowisku posiadającym możliwość regulacji jego położenia względem maszyny obciążającej w trzech osiach (rys. 3). Do pomiarów i analizy częstotliwościowej sygnałów wykorzystano komputer przemysłowy NI PXI 8186 z kartą pomiarową NI PXI Dokładnej oceny amplitud charakterystycznych częstotliwości dokonano za pomocą przyrządu wirtualnego opracowanego w środowisku LabView 8.2. Pomiaru drgań dokonano miniaturowym jednoosiowym akcelerometrem piezoelektryczny z wbudowanym przedwzmacniaczem DeltaTron typ Niewspółosiowość regulowano w osi poziomej x (poziome przesunięcie równoległe) oraz

6 271 w osi pionowej y (pionowe przesunięcie równoległe). Pomiaru parametrów niewyosiowania dokonano przyrządem OPTALIGN typu ALI 12.2 firmy PRÜFTECHNIK [9]. Rys. 3. Stanowisko pomiarowe z możliwością regulacji w trzech osiach położenia silnika względem prądnicy obciążającej Fig. 3. Laboratory setup with possibility of three axis regulation of the motor position versus load machine Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono zbiorcze zestawienia ilustrujące zmianę amplitud charakterystycznych częstotliwości w widmach prądu stojana oraz drgań mechanicznych w zależności od wartości niewyosiowania.

7 272 a) b) Amplituda widma prądu [db] Nieosiowość (bez obciążenia) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi x [mm] -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6, fs-2fr fs-fr fs+fr fs+2fr Amplituda widma prądu [db] Nieosiowość (bez obciążenia) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi z [mm] -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6, fs-2fr fs-fr fs+fr fs+2fr c) Amplituda widma prądu [db] Nieosiowość (obciążenie znamionowe) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi x [mm] -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6, fs-2fr fs-3fr fs-fr fs-4fr fs-5fr fs+fr fs-6fr fs+2fr d) Amplituda widma prądu [db] Nieosiowość (obciążenie znamionowe) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi z [mm] -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6, fs-2fr fs-3fr fs-fr fs-4fr fs-5fr fs+fr fs-6fr fs+2fr Rys. 4. Zależność amplitud harmonicznych f s ±kf r w widmie prądu stojana od wartości niewyosiowania: a) poziome przesunięcie równoległe (bieg jałowy), b) pionowe przesunięcie równoległe (bieg jałowy), c) poziome przesunięcie równoległe (obciążenie znamionowe), d) pionowe przesunięcie równoległe (obciążenie znamionowe) Fig. 4. Dependence of the magnitudes of harmonics f s ± kf r of the stator current spectrum on the misalignment value: a) horizontal parallel displacement (idle running), b) vertical parallel displacement (idle running), c) horizontal parallel displacement (nominal load), d) vertical parallel displacement (nominal load) Na rysunku 4 można zaobserwować wpływ przesunięcia równoległego na widmo prądu stojana. Dla silnika pracującego bez obciążenia (rys. 4a i 4b) najlepiej zmianę tę obrazują składowe fs fr i f s + fr. Włączenie obciążenia powoduje zmianę prędkości obrotowej silnika, a co za tym idzie zmianę składowej f r stąd większa liczba analizowanych harmonicznych f s ± kfr (rys. 4c i 4d). W przypadku takiej pracy największe zmiany charakterystycznych składowych można zaobserwować dla k = 3, 1 oraz +1. Na podstawie oceny tych częstotliwości w widmie prądu możliwe jest wykrycie zarówno poziomego jak i pionowego przesunięcia równoległego. Wpływ wielkości niewyosiowania na widmo drgań mechanicznych przedstawiono na rys. 5. Pomiaru drgań dokonano w osi pionowej y. W przypadku silnika pracującego na biegu jałowym do wykrywania poziomego przesunięcia równoległego najlepiej

8 273 nadaje się składowa 3f r (rys. 5a), natomiast podczas pracy pod obciążeniem znamionowym do monitorowania można wykorzystać również składową 2f r (rys. 5c). Zmiany pionowego przesunięcia równoległego są dobrze odwzorowane w zmianach amplitud harmonicznych 2f r, 3f r i 4f r w przypadku silnika nieobciążonego (rys. 5b) oraz 2f r i 3f r dla silnika obciążonego znamionowo (rys. 5d). a) b) Amplituda drgań [db] Nieosiowość (bez obciążenia) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi x [mm] -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6, fr 2fr 3fr 4fr Amplituda drgań [db] Nieosiowość (bez obciążenia) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi z [mm] -,8 -,6 -,4 -,2-5,2,4,6, fr 2fr 3fr 4fr c) Amplituda drgań [db] Nieosiowość (obciążenie znamionowe) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi x [mm] -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6, fr 2fr 3fr 4fr d) Amplituda drgań [db] Nieosiowość (obciążenie znamionowe) Przesunięcie równoległe wzdłuż osi z [mm] -,8 -,6 -,4 -,2,2,4,6, fr 2fr 3fr 4fr Rys. 5. Zależność amplitud harmonicznych kf r w widmie drgań mechanicznych od wartości niewyosiowania: a) poziome przesunięcie równoległe (bieg jałowy), b) pionowe przesunięcie równoległe (bieg jałowy), c) poziome przesunięcie równoległe (obciążenie znamionowe), d) pionowe przesunięcie równoległe (obciążenie znamionowe) Fig. 5. Dependence of the magnitudes of harmonics kf r of the vibration spectrum on the misalignment value: a) horizontal parallel displacement (idle running), b) vertical parallel displacement (idle running), c) horizontal parallel displacement (nominal load), d) vertical parallel displacement (nominal load) 6. UWAGI KOŃCOWE Na podstawie powyższych rozważań i przytoczonych przykładów widm sygnałów prądu stojana oraz drgań mechanicznych można sformułować następujące uwagi i wnioski:

9 274 klasyczna analiza widmowa jest dobrym sposobem do wykrywania nieosiowości napędów elektrycznych z silnikami indukcyjnymi zasilanymi z sieci, przy zapewnieniu odpowiednio wysokiej dokładności i rozdzielczości aparatury pomiarowo-przetwarzającej; do oceny stopnia przesunięcia równoległego można wykorzystać z powodzeniem amplitudę harmonicznych f s ± kfr widma prądu stojana dla k = 3, 1 oraz +1; do oceny stopnia przesunięcia równoległego można wykorzystać amplitudę harmonicznych 2 fr oraz 3 fr widma drgań mechanicznych; jednoczesna analiza on-line widm prądu stojana i drgań mechanicznych może istotnie poprawić skuteczność wykrywania nieosiowości; nieinwazyjność oraz łatwość realizacji pomiarów prądu stojana oraz drgań mechanicznych przemawia za wykorzystaniem tych sygnałów do monitorowania on-line nieosiowości napędów elektrycznych z silnikami indukcyjnymi. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy rozwojowy nr R1143. LITERATURA [1] DZIERŻANOWSKI A., SZYMANIEC S., Osiowanie układów maszynowych z silnikami elektrycznymi, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, BOBRME KOMEL, nr 58, 1999, s [2] KOWALSKI Cz.T., Monitorowanie i diagnostyka uszkodzeń silników indukcyjnych z wykorzystaniem sieci neuronowych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 57, seria Monografie nr 18, Wrocław 25. [3] NANDI S., TOLIYAT H.A., LI X., Condition monitoring and fault diagnosis of electrical motors a review, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 2, No. 4, December 25, pp [4] THOMSON W.T., FENGER M., Current signature analysis of detect induction motor faults, IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 7, No. 4, July August 21, pp [5] REMACK K., Kilka słów o osiowaniu sprzęgieł, Inżynieria i utrzymanie ruchu zakładów przemysłowych, wrzesień 26. [6] KOWALSKI Cz.T., EWERT P., Zastosowanie analizy widmowej prądu stojana do monitorowania ekscentryczności silników indukcyjnych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 62, ser. Studia i Materiały nr 27, 27, s [7] KOWALSKI Cz.T., EWERT P., Zastosowanie sieci neuronowych do monitorowania nieosiowości napędów elektrycznych z silnikami indukcyjnymi, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, BOBRME KOMEL nr 83, 29, s [8] SZYMANIEC S., Diagnostyka stanu izolacji uzwojeń i stanu łożysk silników indukcyjnych klatkowych w warunkach przemysłowej eksploatacji, Studia i Monografie, z. 193, Politechnika Opolska, Opole 26. [9] Materiały informacyjne firmy PRÜFTECHNIK,

10 275 MISALIGNMENT MONITORING OF INDUCTION MOTOR DRIVES The issues related to the detection and analyses of the misalignment in induction motor drive are presented in this paper. The possibility of the application of the stator current and mechanical vibration spectrum analysis to motor condition monitoring is discussed. The laboratory setup is briefly described and the selected current and mechanical vibration spectra are demonstrated in case of aligned and misaligned drive systems. The experimental results confirm that the proposed analysis method of current and vibration spectra can be applied to on-line monitoring of the induction motor drive misalignment.