ANALIZA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA SYGNAŁÓW AKUSTYCZNYCH W DIAGNOSTYCE MASZYN ASYNCHRONICZNYCH PRACUJĄCYCH PRZY ZMIENNYM OBCIĄŻENIU

Transkrypt

1 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) 171 Jarosław Tulicki, Maciej Sułowicz Politechnika Krakowska ANALIZA MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA SYGNAŁÓW AKUSTYCZNYCH W DIAGNOSTYCE MASZYN ASYNCHRONICZNYCH PRACUJĄCYCH PRZY ZMIENNYM OBCIĄŻENIU ANALYSIS OF THE POSSIBILITY OF ACOUSTIC SIGNALS USAGE IN THE DIAGNOSIS OF ASYNCHRONOUS MACHINES OPERATING AT VARIABLE LOAD Streszczenie: Aktualnie istnieje silny trend rozwoju metod i rozwiązań diagnostycznych bazujących na sygnałach omiarowo dostęnych niosących informację na temat stanu technicznego badanego obiektu. Mimo, że omiary wielkości elektrycznych oraz drgań są uważane za bezinwazyjne, to w raktyce wymaga się montażu czujników do omiaru tych sygnałów na obudowie maszyny lub objęcia co najmniej jednego rzewodu fazowego rzekładnikiem rądowym. W wielu raktycznych rzyadkach rzemysłowych, rócz braku możliwości rzerwania racy naędu, może dojść do sytuacji utrudnionego dostęu do instalacji elektrycznej lub samej maszyny. Na odstawie owyższych ograniczeń za sygnały zuełnie bezinwazyjne można uznać jedynie romieniowanie termiczne oraz rzebiegi zmian ciśnienia akustycznego wokół maszyny w funkcji czasu. W niniejszym oracowaniu, rzedstawiono wyniki rac nad efektywnym wykorzystaniem własności diagnostycznych wartości chwilowej sygnału akustycznego emitowanego rzez niesymetryczny silnik indukcyjny klatkowy racujący rzy zmiennym obciążeniu. Abstract: In modern diagnostic methods, there is a strong trend in the develoment of diagnostic solutions based on all available measurement signals carrying information about the technical state of the object. Although the measurement of electrical quantities and vibration are considered to be non-invasive, in ractice the mounting of the sensors to the frame of the machine or to at least one hase conductor is required. In industrial ractice, not only the interrution to the oeration of the drive may be imossible, but also the access to the electrical system or the machine itself may be limited. In these cases, only the thermal radiation and changes in sound ressure waveforms as a function of time can be considered comletely non-invasive signals. In this study, the results of the effective use of diagnostic roerties of the instantaneous value of acoustic signal emitted by the asymmetric cage motor oerating at variable load were shown and analyzed. Słowa kluczowe: diagnostyka silnika klatkowego, stany dynamiczne maszyny indukcyjnej, wibroakustyka Keywords: cage motor diagnostics, dynamic states of the induction machine, vibroacoustics 1. Wstę W dotychczasowych rozważaniach z zakresu nieinwazyjnej diagnostyki silnika indukcyjnego bazującej na sygnałach omiarowo dostęnych, dominujący charakter mają metody związane z analizą okresowych rzysieszeń drgań oraz sygnałów elektrycznych. W drugim rzyadku, na szeroką skalę [10], [12], stosuje się rzebiegi omierzone w stanach rzejściowych, ze względu na ich wysokie walory diagnostyczne oraz znaczną odorność na zakłócenia [10] momentu obciążenia badanej maszyny. Trzecim z niewymienionych owyżej sygnałów, jest chwilowa wartość ciśnienia akustycznego [1], [2]. Podobnie jak w rzyadku drgań w dotychczas rzedstawionych racach z zakresu akustyki drganiowej [6], [7], zarezentowano skuteczne metody wykrywania stanów awaryjnych maszyn elektrycznych z zastosowaniem rzebiegów okresowych. Zgromadzona dotychczas wiedza wskazuje na ewne trudności w wyodrębnieniu sygnałów użytecznych z tła charakterystyki akustycznej maszyny, ze względu na znaczący udział składowych częstotliwości otoczenia oraz nieznaczne wartości amlitud harmonicznych diagnostycznych wywołanych danym tyem uszkodzenia. Pomimo wskazanych trudności, omiary zmiennej w czasie wartości ciśnienia akustycznego w diagnostyce technicznej należy uznać, za metodę zuełnie bezinwazyjną i wartą do rozoznania w

2 172 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) dynamicznych stanach racy silnika klatkowego z uszkodzonym wirnikiem. 2. Sygnały diagnostyczne Kluczowymi składowymi widma akustycznego będącymi częstotliwościami odniesienia są odowiednio, składowa obrotowa, ojedyncza i odwójna wielokrotność odstawowej częstotliwości źródła zasilania. Wyżej oisane harmoniczne oraz wybrane arametry konstrukcyjne badanego silnika klatkowego, wyznaczają częstotliwości ochodne biorące udział w rocesie oceny stanu wirnika. Do najważniejszych sygnałów należy zaliczyć częstotliwości oślizgowe wirnika oraz częstotliwości biegunowo-rotacyjne, a także składowe będące kombinacją dwóch oisanych orzednio częstotliwości. Wszystkie składowe widma związane z częstotliwością sieci, mają ochodzenie elektromagnetyczne i wystęują bez względu na stan wirnika oraz rzyjętą tolerancję wykonania maszyny. Tabela 1. Wybrane składowe sygnałów wibroakustycznych istotne w rocesie diagnozowania stanu klatki wirnika = a 60 ^2 _ S Sygnał (1) 1 (3) 2 (4) 2 _ ±1 (5) 2 _ ±2 (6) Uszkodzenie klatki wirnika Częstotliwość rotacji (2) Częstotliwość oślizgowa Częstotliwości biegunowo- rotacyjne Kombinacja częstotliwości sieciowej i biegunowo rotacyjnych gdzie: - częstotliwość rotacji, _ - częstotliwość sieciowa, - liczba ar biegunów, n - rędkość obrotowa, ^=1,2. 3. Stanowisko omiarowe Obiektem badań laboratoryjnych był silnik tyu Sg-112M-4 zasilany z sieci naięciem znamionowym. Przy tych warunkach zasilania składowe elektromagnetyczne osiągały maksymalne wartości amlitudy dla danej wartości momentu oorowego [1]. Silnik racował bez wentylatora, w celu minimalizacji składowych hałasu wentylacyjnego [1], [2], [3], [8]. W silniku tym istniała możliwość wymiany wirników rzygotowanych na etaie rodukcji z rzerwą jednego ręta klatki, rzerwą dwóch rętów i wirnika z ekscentrycznością dynamiczną i rzerwanym rętem. Moment oorowy regulowano z wykorzystaniem rądnicy obcowzbudnej stanowiącej obciążenie mechaniczne silnika i ołączonej za omocą elastycznego srzęgła z badaną maszyną. Prąd wzbudzenia, co do wartości oraz rzebiegu, kształtowano rzez zmianę naięcia wymuszającego, na wyjściu rzekształtnika energoelektronicznego [4]. Stanowisko omiarowe zostało wyosażone w mikrofon tyu RG-50, kondycjoner sygnałów analogowych PA-3000, kartę omiarową DAQ NI USB 6259 oraz momentomierz i obrotomierz imulsowy zabudowany w mierniku tyu DATAFLEX. Wszystkie sygnały rejestrowano z częstotliwością róbkowania 20kS/s na kanał, rzez okres 10s. Do analizy i zbierania omiarów, zastosowano środowisko obliczeniowe Matlab. Mikrofon został umieszczony romieniowo nad centralną częścią korusu do badanego silnika w odległości 0,6m, stanowiącą otrójną wartość wielokrotności średnicy maszyny. Tabela 2. Najważniejsze arametry eksloatacyjne i konstrukcyjne silnika Sg-112M-4 Cechy konstrukcyjne badanego silnika Parametr Moc znamionowa Naięcie zasilania Wartość 4 kw 400V Prąd znamionowy 8,6A Prędkość znamionowa 1440obr/min Liczba żłobków wirnika 28 Liczba żłobków stojana 36 Liczba ar biegunów 2 Ciśnienie akustyczne 66dB 4. Algorytm obliczeń i wyniki omiarów Do oszukiwania zmian charakterystycznych częstotliwości, odowiadających uszkodzeniu wirnika [12] w dziedzinie czasu, zastosowano zmodyfikowaną wersję algorytmu krótkoczasowego rzekształcenia Fouriera [13], [15]. Modyfikacja olega na zastąieniu rostego

3 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) 173 rzekształcenia Fouriera, transformatą Fouriera funkcji korelacji, owszechnie nazywaną metodą Welcha [4], [15]. Zastosowanie metody Welcha, ma na celu zminimalizowanie wływu zakłóceń zewnętrznych, orzez uśrednienie wygładzanie widma chwilowego. Na oniższych rzebiegach zarezentowano wybrane rzykłady omierzonych wartości chwilowego ciśnienia akustycznego dla różnych rzyadków uszkodzenia wirnika, a także wyniki obliczeń z zastosowaniem wskazanego algorytmu. Pierwszym ważnym sostrzeżeniem z analizy rzebiegów rzedstawionych na rys. 1, jest ogólny wzrost oziomu ciśnienia akustycznego wraz ze wzrostem głębokości uszkodzenia klatki, choć same wartości nie rzyjmują jednoznacznego trendu, mimo że rozatrywany rzebieg zmian rędkości obrotowej należy uznać za rzyadek quasi-dynamiczny, a więc zbliżony do sytuacji rozatrywania sygnału rawie stacjonarnego. Dla tego samego rzyadku obliczono wartości skuteczne ciśnienia akustycznego na jeden okres składowej sieciowej, w skali decybelowej w odniesieniu do wartości 2 10 z6 mpa. Rys. 1. Zarejestrowane rzebiegi wartości chwilowej ciśnienia akustycznego i rędkości obrotowej - rzyadek 1 Rys. 2. Obliczone wartości skuteczne ciśnienia akustycznego rzyadek 1 Najogólniej, można zauważyć ewne fluktuacje wartości skutecznej ciśnienia akustycznego nawet w rzedziałach, gdzie rędkość obrotowa rzyjmuje stałą wartość. Podobnie jak dla orzedniego odunktu, wartość skuteczna niesie informację o ogólnym wzroście ciśnienia akustycznego wraz z głębokością uszkodzenia wirnika, lecz nie ozwala na jednoznaczne

4 174 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) określenie tyu uszkodzenia. Jedyną ważną cechą uzyskanych wyników, jest duża czułość metody na niesymetrię elektromagnetyczną w ostaci ekscentryczności dynamicznej. Na odstawie owyższego, w dalszej części artykułu ominięto rzedstawienie rzebiegów wartości chwilowej oraz skutecznej ciśnienia akustycznego jako sygnałów niewnoszących istotnych wniosków z częsci omiarowej. (N r - 2)f r Rys. 3. Wyniki obliczeń, asmo Hz rzyadek 1, gdzie: N r-liczba rętów klatki Obserwacja asma częstotliwości w zakresie 0Hz do 1000Hz, ozwala na jednoznaczne stwierdzenie, iż składowymi dominującymi w sektrum, są wielokrotności harmonicznej rotacji. W tym rzyadku oisane zależnością: a 6, &u a}n (1) Amlitudy wskazane w (1) oraz na rys. 3, ulegają zmianą wraz z rędkością obrotową, tzn. wraz ze sadkiem wartości częstotliwości zmiennej składowej rotacji, amlitudy ulegają wyraźnemu zmniejszeniu, w sytuacji rzeciwnej obserwuje się wzrost wartości amlitud wymienionych owyżej składowych. 2f f s 2f f s s

5 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) 175 2f rzykłady uzyskanych wyników, otwierdzają wysoką czułość zastosowania sygnałów wibroakustycznych, szczególnie w obserwacji ekscentryczności dynamicznej. Rys. 4. Wyniki obliczeń, asmo 0-100Hz rzyadek 1 uszkodzenie klatki wirnika Rys. 6. Zarejestrowany rzebieg rędkości obrotowej, rzyadek 2 (N r - 2)f r =2f s-2 (N r - 2)f r Rys. 7. Wyniki obliczeń, asmo 0-600Hz, rzyadek 2 uszkodzenie klatki wirnika oraz ekscentryczność dynamiczna Rys. 5. Wyniki obliczeń, asmo 0-100Hz, Hz rzyadek 1 uszkodzenie klatki wirnika oraz ekscentryczność dynamiczna Charakterystyczną cechą wyników analiz dla rzyadku 1, jest wykrycie harmonicznych wskazujących na uszkodzenie klatki, nie mniej jednak na tle składowych rotacji (1) rzyjmują małe wartosci amlitud. Wyróżnikiem sośród uzyskanych wyników, jest uszkodzenie wirnika w ostaci zerwania ojedynczego ręta oraz ekscentryczności dynamicznej, gdzie w aśmie żłobkowym obserwuje się dominujący charakter obocznej odstawowej częstotliwości żłobkowej [14]. Dalsze (N r - 2)f r 2

6 176 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) Rys. 8. Zarejestrowany rzebieg rędkości obrotowej, wyniki obliczeń, asmo 0-600Hz, rzyadek 3 uszkodzenie klatki wirnika oraz ekscentryczność dynamiczna Pomimo dużej czułości sygnałów akustycznych na rzebiegi wielkości elektromagnetycznych, wskazane wyniki obliczeń ozwalają jedynie na rowadzenie analizy orównawczej w określonych asmach wystęowania sygnałów diagnostycznych. Powodem owyższego stanu rzeczy jest trudność w określeniu wskaźnika uszkodzenia maszyny ze względu na zmienność częstotliwości harmonicznych w zależności od rędkości obrotowej, które mogły jednocześnie stanowić wartość odniesienia. Jedyną nie zależną składową od harmonicznej rotacji, jest odwójna częstotliwość sieciowa. Nie mniej jednak jej amlituda może zależeć od stanu izolacji zwojowej, co w konsekwencji będzie rowadzić do nieregularnych zmian wskaźnika bez względu na ty uszkodzenia. (N r - 2)f Rys. 10. Zarejestrowany rzebieg rędkości obrotowej, wyniki obliczeń, asmo 0-500Hz, rzyadek 5 uszkodzenie klatki wirnika Rys. 9. Zarejestrowany rzebieg rędkości obrotowej, wyniki obliczeń, asmo 0-650Hz, rzyadek 4 uszkodzenie klatki wirnika oraz ekscentryczność dynamiczna Rys. 11. Zarejestrowany rzebieg rędkości obrotowej, wyniki obliczeń, asmo 0-500Hz, rzyadek 6 uszkodzenie klatki wirnika

7 Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) Wnioski końcowe Główną cechą wynikowych widm chwilowych dla silnika w ełni symetrycznego jak również, z uszkodzonym wirnikiem o różnym stoniu defektu, jest wystęowanie harmonicznych ochodzenia elektromagnetycznego związanych z budową i warunkami racy wybranej maszyny, bez względu na aktualny stan klatki wirnika. Wymienione obserwacje są otwierdzeniem założeń teoretycznych oraz rowadzonych do tej chwili, badań z zakresu wykorzystania wibroakustyki do diagnozowania silników indukcyjnych klatkowych. Amlitudy wskazanych składowych w ścisły sosób zależą od głębokości oraz rodzaju uszkodzenia i momentu mechanicznego - mocy rzekazywanej z obwodu stojana do wirnika, a więc energii magnetycznej zgromadzonej w szczelinie owietrznej. O ile amlitudy składowych oślizgowych wzrastają wraz ze wzrostem liczby uszkodzonych rętów, to warto zwrócić szczególną uwagę na składowe wystęujące w strefie żłobkowej badanego silnika z ekscentrycznością dynamiczną oraz ękniętym rętem klatki. W tym rzyadku amlitudy składowych wystęujących w strefie żłobkowej [14], rzyjmują zawsze maksimum lokalne z określonego rzedziału tła sektrum. Można więc stwierdzić, że największą czułość w wykrywaniu niesymetrii wirnika za omocą sygnału akustycznego, uzyskuje się dla dynamicznego, nierównomiernego rozkładu ola w szczelinie owietrznej. Przedstawiona metoda wyodrębnienia sygnałów o charakterze diagnostycznym osiada szereg wad w ostaci znacznego uśrednienia widma chwilowego co stanowi ewien komromis między redukcją zakłóceń otoczenia a składowymi emitowanymi rzez badany silnik. Do rawidłowego działania roonowanego algorytmu, niezbędny jest omiar rędkości obrotowej ozwalający na określenie zakresów asm wystęowania oszukiwanych częstotliwości. Podsumowując, dokładne określenie w czasie zmian wybranych harmonicznych dla rędkości obrotowych nieznacznie różniących się od rędkości synchronicznej jest raktycznie nie możliwe. Prócz tego, roonowany sosób oceny stanu technicznego wirnika, został srawdzony w warunkach laboratoryjnych dla ojedynczej maszyny indukcyjnej. 6. Literatura [1]. Biernat A.: Laboratorium omiarów maszyn elektrycznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2006 [2]. Cemel C.: Diagnostyka wibroakustyczna maszyn. PWN 1989 [3]. Dąbrowski M.: Konstrukcja maszyn elektrycznych. WNT Warszawa 1977 [4]. Łęa P.: Monitorowanie i sterowanie racą silnika indukcyjnego w dynamicznych stanach racy. Praca dylomowa, Politechnika Krakowska, 2013 [5]. Osowski S., Cichocki A., Siwek K.: Matlab w zastosowaniu do obliczeń obwodowych i rzetwarzania sygnałów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2006 [6]. Pawlak M.: Zastosowanie analizy sygnałów akustycznych do wykrywania uszkodzeń wirników i łożysk w silnikach indukcyjnych. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne nr 92, 2011, wyd. BOBRME Komel, s [7]. Pawlak M., Kuczyński K.: Akustyczny detektor uszkodzeń silnika indukcyjnego. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Naędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, nr 64, 2010 [8]. Poradnik Inżyniera Elektryka. Tom II, WNT 1975 [9]. Przyborowski W., Kamiński G.: Maszyny elektryczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2014 [10]. Rad M.: Diagnostyka wirnika maszyn indukcyjnych z wykorzystaniem analizy falkowej i układów uczących się. Rozrawa doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie 2009 [11]. Skwarczyński J., Tertil Z.: Maszyny Elektryczne. Wydawnictwo Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie 1989 [12]. Swędrowski L.: Pomiary w diagnostyce silników indukcyjnych klatkowych. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2013 [13]. Tumański S.: Technika Pomiarowa. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne 2007 [14]. Weinreb K., Sułowicz M.: Skuteczne wykrywanie ekscentryczności dynamicznej w silniku asynchronicznym. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne nr 83, 2009, wyd. BOBRME Komel, s [15]. Zieliński T.J.: Cyfrowe rzetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności 2007 Autorzy Mgr inż. Jarosław Tulicki, tulicki_jar@w.eu Dr inż. Maciej Sułowicz, msulowicz@k.edu.l Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komuterowej, Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii, Kraków, ul. Warszawska 24