PROBLEMY PRAKTYCZNEJ DIAGNOSTYKI MASZYN INDUKCYJNYCH W PRZEMYŚLE

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 76/27 19 Paweł Dybowski, Witold Rams, Jan Rusek AGH, Kraków PROBLEMY PRAKTYCZNEJ DIAGNOSTYKI MASZYN INDUKCYJNYCH W PRZEMYŚLE PROBLEMS OF PRACTICAL DIAGNOSTICS OF INDUCTION MACHINES IN INDUSTRY Abstract: There are many problems in practical diagnostics of machines operated in industrial conditions. Those problems make diagnostics difficult. They appear at the time of getting diagnostic signals ( accessibility of signals and disturbances). Next step is diagnostic analysis of registered signals for investigated objects. The main problem at this step is proper interpretation of gotten results, especially in the cases where determination of state of investigated objects is hard and ambiguous. The hardness and ambiguity can be expressed by a question, where the presence of diagnostic signal is caused by damage or by an asymmetrical construction of rotor cage? Using the experience acquired during measuring and analysis work the authors would like to report on practical diagnostics of induction machines in industrial conditions. 1. Wstęp W praktycznej diagnostyce maszyn i urządzeń w warunkach przemysłowych występuje wiele problemów utrudniających prace diagnostyczne. Pojawiają się one już na etapie uzyskiwania sygnałów diagnostycznych (zarówno ich dostępności jak również występujących zakłóceń). Dalszym etapem jest analiza uzyskanych sygnałów pod względem diagnostyki obiektu. Głównym problemem występującym tutaj jest właściwe zinterpretowanie uzyskanych wyników, szczególnie w tych przypadkach, gdzie określenie stanu badanego obiektu jest trudne i niejednoznaczne. Powoduje to oczywiste trudności w automatyzacji procesu diagnostycznego. Kolejnym problemem jest możliwość analizy porównawczej wyników diagnostycznych. Podejmując pierwszy raz badania diagnostyczne nowego obiektu brak porównawczej bazy danych wcześniejszych wyników. Powoduje to trudności w interpretacji wyników wątpliwych, jak również brak możliwości określenia, czy stan obiektu ulega pogorszeniu, czy utrzymuje się na tym samym poziomie. Czasami występują przypadki takie, gdzie dopiero analiza wyników uzyskiwanych w czasie kolejnych prac diagnostycznych daje odpowiedź na pytanie: czy występujący poziom sygnału diagnostycznego świadczy o uszkodzeniu klatki wirnika, czy jego przyczyną jest niesymetryczna konstrukcja lub wykonanie wirnika? Wykorzystując swoje doświadczenie nabyte podczas prac pomiarowych oraz diagnostyki maszyn indukcyjnych autorzy chcieliby w niniejszym artykule podzielić się swoimi spostrzeżeniami dotyczącymi praktycznej diagnostyki maszyn indukcyjnych w warunkach przemysłowych. 2. Diagnostyka silnika w przypadkach jednoznacznych 2.1 Silnik bez uszkodzeń dla silnika indukcyjnego bez uszkodzeń. Do analizy stanu silnika wykorzystano sygnały prądu stojana dla rozruchu i stanu ustalonego przy obciążeniu ponad 5%. 1PZ1, SYJe142r, , 3.15MW, 2984rpm Report, startup, ,11:13, pp=1, 1pz1r1.dat,ko=2, 3541pu A s A s A s fsamp= , FcLP=25, currtr=4/5, dietztr=2/2*.927, boost=1, entrmul=.5 disignalwithfilters,fm=12.7,refa5m=1.44e+3,am=.67a=.47%, fp=13.1,refa5p=1.34e+3,ap=1.6a=.12%, Aver=1.1A=.83% () Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=,4%). Rys. 1. Raport diagnostyczny dla silnika indukcyjnego bez uszkodzeń - rozruch

2 11 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 76/27 2PZ1, SYJe142r, , 3.15MW, 2984rpm A Report,steadyState, ,12'9, pp=1,qr=4,h=1,ca=21, 2pz1u2.dat,ko=2, 14pu. usedts= e s db Amx Hz db 184.3Amx Hz f=5.773hz,basedonslothslip=.293%, rpm,fSamp= ,currTr=4/5,dietzTr=2/2*.927,boost=2,entrMul=.5 averagediagnsignal_withfilters:-54.1db(refto184.3 A)=.2%. () Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=,4%). Rys. 2. Raport diagnostyczny dla silnika indukcyjnego bez uszkodzeń stan ustalony 2.2 Silnik wykazujący objawy uszkodzenia dla silnika indukcyjnego z symptomami uszkodzenia klatki. Wyraźnie widać zaznaczone obszary występowania sygnałów diagnostycznych. 1WS2'n, SZJr138/1, , 55/3kW, 74/59rpm Report, startup, ,15:32, pp=5, 1ws2r1.dat,ko=2, 91pu A s.219A s.219A s fsamp= , FcLP=25, currtr=5/5, dietztr=2/2*.927, boost=1, entrmul=.5 disignalwithfilters,fm=11.3,refa5m=161,am=.19a=.12%, fp=9.8,refa5p=152,ap=.12a=.79%, Aver=.16A=.1% () Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=,4%). Rys. 3. Raport diagnostyczny dla silnika 1WS2'n, SZJr138/1, , 55/3kW, 74/59rpm Report,steadyState,4.1.26,1'34, A pp=5,qr=88,h=5,ca=21, 1ws2u2.dat,ko=2, 14pu. usedts= e s db Amx Hz db Amx Hz f= hz,basedonslothslip=.354%, rpm,fSamp= ,currTr=5/5,dietzTr=2/2*.927,boost=1,entrMul=.5 averagediagnsignal_withfilters:-45.9db(refto45.27 A)=.51%. (2) Uszkodzony pret klatki (sredni sygnal diagn.>=.5%). Zalecana kontrola przed uplywem kwartalu roku eksploatacji. Rys. 4. Raport diagnostyczny dla silnika indukcyjnego symptomami uszkodzenia klatki stan ustalony 3. Diagnostyka silników w przypadkach wątpliwych 3.1 Stabilna niesymetria klatki dla silnika indukcyjnego z symptomami uszkodzenia klatki. Wyraźnie widać zaznaczone obszary występowania sygnałów diagnostycznych. Jednak dopiero analiza wyników uzyskanych w poprzednich badaniach diagnostycznych wykazała, że poziom sygnału nie zwiększa się. Wobec tego pojawienie się sygnałów diagnostycznych świadczy o niesymetrycznym wykonaniu klatki wirnika, a nie o jej uszkodzeniu. Niemniej w takich przypadkach zalecana jest częstsza kontrola diagnostyczna silnika. 3WS1'n, SZJr148/1t3, , 85/45kW, 74/59rpm A Report, startup, ,9:56, pp=5, 3ws1r1.dat,ko=2, 21pu. 2e s 2.9A s 2.9A s Rys. 5. Raport diagnostyczny dla silnika 3WS1'n, SZJr148/1t3, , 85/45kW, 74/59rpm Report,steadyState, ,9'17, A pp=5,qr=88,h=5,ca=21, 3ws1u2.dat,ko=2, 14pu. usedts= e fsamp= , FcLP=25, currtr=1/5, dietztr=2/2*.927, boost=2, entrmul=.5 disignalwithfilters,fm=11.8,refa5m=251,am=2.8a=1.1%, fp=1.4,refa5p=236,ap=1.8a=.75%, Aver=2.3A=.95% (5) Przerwane prety klatki (sredni sygnal diagn.>=.8%). Zalecana bezzwloczna naprawa klatki s db Amx Hz db 53.98Amx Hz f= hz,basedonslothslip=.254%, rpm,fSamp= ,currTr=1/5,dietzTr=2/2*.927,boost=1,entrMul=.5 averagediagnsignal_withfilters:-46db(refto53.98 A)=.5%. (2) Uszkodzony pret klatki (sredni sygnal diagn.>=.5%). Zalecana kontrola przed uplywem kwartalu roku eksploatacji. Rys. 6. Raport diagnostyczny dla silnika stan ustalony

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 76/ Przerwany pręt po nagrzaniu dla silnika indukcyjnego, który wykazuje w czasie rozruchu niewielki poziom sygnału diagnostycznego. W silniku tym po 8 sekundach rozruchu, sygnał diagnostyczny prawie skokowo trzykrotnie zwiększył swoją wartość. Świadczy to o tym, że po odpowiednio dużym nagrzaniu, któryś element klatki ulega dezintegracji. 2WM3, SZDc194/2E, 14413, 4kW, 1492rpm Report, startup, ,1:56, pp=2, 2wm3r1.dat,ko=2, 841pu A s.91318A s.91318A s fsamp= , FcLP=25, currtr=5/5, dietztr=2/2*.927, boost=1, entrmul=.5 disignalwithfilters,fm=1.2,refa5m=243,am=.23a=.94%, fp=1.5,refa5p=212,ap=.39a=.18%, Aver=.31A=.13% () Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=,4%). Rys. 7. Raport diagnostyczny dla silnika 2WM3, SZDc194/2E, 14413, 4kW, 1492rpm Report,steadyState,5.1.26,1'35, A pp=2,qr=58,h=2,ca=21, 2wm3u2.dat,ko=2, 14pu. usedts= e s db Amx Hz db 45.84Amx Hz f= hz,basedonslothslip=.41%, rpm,fSamp= ,currTr=5/5,dietzTr=2/2*.927,boost=1,entrMul=.5 averagediagnsignal_withfilters:-48.2db(refto45.84 A)=.39%. () Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=,4%). Rys. 8. Raport diagnostyczny dla silnika stan ustalony 3.3 Sygnał niediagnostyczny dla silnika indukcyjnego, który wykazuje w czasie rozruchu wyraźny sygnał podobny do diagnostycznego na poziomie wskazującym o uszkodzeniu klatki wirnika. Jednakże ujawniający się sygnał nie wykazuje istotnych cech prawdziwego sygnału diagnostycznego. Mianowicie, jego amplituda i częstotliwość nie osiągają wartości zerowych przy prędkości wirnika równej połowie prędkości synchronicznej. Sygnał powtarza się w wynikach uzyskanych podczas kolejnych prac diagnostycznych. Stąd diagnoza klatki jako nieuszkodzona. MW-4B, SZDr138r2, , 4kW, 735rpm A Report, startup, ,11:26, pp=4, mw4br1.dat,ko=2, pu e s 1.435A s 1.435A s fsamp= , FcLP=25, currtr=75/5, dietztr=2/2*.927, boost=1, entrmul=.5 disignalwithfilters,fm=12.3,refa5m=16,am=1.1a=.67%, fp=11.1,refa5p=16,ap=1.1a=.71%, Aver=1.1A=.69% (3) Przerwany pret klatki (sredni sygnal diagn.>=.6%). Zalecana naprawa klatki przed uplywem kwartalu roku eksploatacji. Rys. 9. Raport diagnostyczny dla silnika indukcyjnego z wątpliwymi symptomami uszkodzenia klatki MW-4B, SZDr138r2, , 4kW, 735rpm Report,steadyState, ,11'27, pp=4,qr=88,h=1,ca=21, mw4bu1.dat,ko=4, 14pu. usedts= A 1.317e s db Amx Hz db 2.94Amx Hz f= hz,basedonslothslip=.422%, rpm,fSamp= ,currTr=75/5,dietzTr=2/2*.927,boost=2,entrMul=.5 averagediagnsignal_withfilters:-51.2db(refto2.9 A)=.28%. () Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=,4%). Rys. 1. Raport diagnostyczny dla silnika indukcyjnego z wątpliwymi symptomami uszkodzenia klatki stan ustalony 3.4 Wysoki poziom tła pomiarów dla silnika indukcyjnego, którego diagnostyka jest utrudniona występującym wysokim poziomem tła związanym z niestacjonarnym obciążeniem szczególnie widocznym w sygnałach diagnostycznych uzyskanych dla stanu ustalonego. Występowanie zakłóceń sygnałów diagnostycznych zdecydowanie utrudnia wykrywanie symptomów uszkodzeń, w szczególności w ich początkowej fazie, kiedy poziomy sygnałów diagnostycznych są niewielkie. Występujące tło sygnałów może powodować również zafałszowanie obrazu sygnałów diagnostycznych. Zakłócenia sygnałów pomia-

4 112 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 76/27 rowych są trudne do wyeliminowania, szczególnie wtedy, gdy ich przyczyną jest sam napęd lub specyfika pracy tego napędu. Stąd diagnoza wówczas stawiana, jeżeli nie ma wyraźnego sygnału świadczącego o uszkodzeniu, jest najczęściej jako nieuszkodzona 2MW1, SZJc198s, 1353, 2kW, 74rpm A Report, startup, ,1:51, pp=4, 2mw1r1.dat,ko=2, 181pu s.927A s.927A s fsamp= , FcLP=25, currtr=5/5, dietztr=2/2*.927, boost=2, entrmul=.5 disignalwithfilters, fp=1.8,refa5p=92.7,ap=.21a=.23%, Aver=.21A=.23% () Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=,4%). Rys. 11. Raport diagnostyczny dla silnika indukcyjnego z zakłóconym sygnałem diagnostycznym (duże tło) 2MW1, SZJc198s, 1353, 2kW, 74rpm Report,steadyState, ,12'11, A pp=4,qr=88,h=1,ca=21, 2mw1u2.dat,ko=2, 14pu. usedts= e s db Amx Hz db Amx Hz f=5.1488hz,basedonslothslip=.394%, rpm,fSamp= ,currTr=5/5,dietzTr=2/2*.927,boost=1,entrMul=.5 averagediagnsignal_withfilters:-44.1db(refto23.93 A)=.62%. (3) Przerwany pret klatki (sredni sygnal diagn.>=.6%). Zalecana naprawa klatki przed uplywem kwartalu roku eksploatacji. Rys. 12. Raport diagnostyczny dla silnika indukcyjnego z zakłóconym sygnałem diagnostycznym (wysokie tło) stan ustalony 5. Podsumowanie Diagnostyka maszyn indukcyjnych w przemyśle jest dosyć trudna, szczególnie w przypadkach, gdy pojawiają się trudności w interpretacji wyników uzyskanych z analizy sygnałów pomiarowych. Trudności objawiają się szczególnie wtedy, gdy sygnały pomiarowe zawierają sporo zakłóceń objawiających się np. pojawieniem się dużego tła w analizowanych sygnałach (przypadek z punktu 3.4). Tło takie może zafałszować sygnały diagnostyczne szczególnie w przypadkach niewielkich sygnałów pojawiających się w początkowej fazie uszkodzeń klatki wirnika. W czasie analizowania sygnałów pomiarowych pojawiają się również trudne do interpretacji sygnały, które w początkowej fazie mogłyby świadczyć o wystąpieniu uszkodzenia. Jednak dopiero dodatkowa analiza charakteru takiego sygnału (przypadek z punktu 3.3) pozwala uznać go jako sygnał niediagnostyczny, którego pojawienie się nie świadczy o uszkodzeniu badanego obiektu. Kolejnym przypadkiem jest pojawienie się skokowego wzrostu sygnału diagnostycznego w czasie rozruchu (przypadek z punktu 3.2). Taki obraz sygnału diagnostycznego można zakwalifikować jako początkową fazę uszkodzenia klatki wirnika. Trzeba tutaj również zwrócić uwagę na fakt, że występowanie niewielkich sygnałów diagnostycznych wcale nie musi świadczyć o pojawieniu się uszkodzenia klatki wirnika (przypadek z punktu 3.1). Bardzo ważnym etapem diagnozowania maszyn indukcyjnych jest dokonanie analizy porównawczej aktualnie uzyskanych wyników z wynikami uzyskiwanymi podczas wcześniejszych prac diagnostycznych dla tych samych obiektów. Często zdarza się, że konstrukcja klatki wirnika lub technologia jej wykonania powoduje powstawanie niewielkiej niesymetrii klatki. Pojawienie się sygnału diagnostycznego w takim przypadku jest sprawą naturalną, ale dopiero kontrola jego poziomu podczas kolejnych prac diagnostycznych pozwala wykryć taki stan konstrukcji maszyny. Jeżeli sygnał utrzymuje się na stałym poziomie, to silniki mogą być eksploatowane, mimo podwyższonej niesymetrii klatki. Przypadki takie powinny być kontrolowane jednak trochę częściej. Przedstawione powyżej przypadki opisują trudności, jakie spotyka się w czasie prac diagnostycznych na rzeczywistych obiektach w przemyśle. Jest to tylko część problemów, na jakie napotyka się podczas prac diagnostycznych. Ocena stanu maszyny wymaga niejednokrotnie bardzo szczegółowej analizy i dlatego trudno poddaje się procesowi automatyzacji. 6. Literatura [1]. Rusek J.: Reflection of eccentricities in spectral composition of currents of induction machines. ICEM 96 Proceedings. Vol. 2, ETSEM Universidade de Vigo, Spain, s [2]. Sobczyk T.J., Vas P., Tassoni C.: A comparative study of effects due to eccentricity and external stator and rotor asymmetries by monoharmonic

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 76/ models. ICEM 2 Proceedings. Vol. II. Helsinki University of Technology. Espoo, Finland, s [3]. Dybowski P.: Pomiary i modelowanie prądowych symptomów uszkodzeń maszyn indukcyjnych. Rozprawa doktorska, AGH Kraków 21 [4]. Dybowski P.: Infuence Of Non-sinusoidal Voltage Supply On Harmonic Spectrum Of Stator Currents Of Induction Machines. 7th International Conference Electrical Power Quality and Utilisation, wrzesień 23, Kraków, [5]. Rams W., Rusek J.: Praktyczna diagnostyka maszyn indukcyjnych klatkowych. Zeszyty Problemowe BOBRME KOMEL Nr 68/24, Ustroń 24, s. 1-5 [6]. Weinreb K., Węgiel T., Sułowicz M.: Nieinwazyjna diagnostyka wirnika maszyny asynchronicznej. Zeszyty Problemowe BOBRME KOMEL Nr 69/24, Ustroń 24, s Autorzy Dr inż. Paweł Dybowski, Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. A. Mickiewicza 3, 3-59 Kraków, tel. (12) , fax (12) , dybowski@agh.edu.pl Dr hab. inż. prof. nz. AGH. Witold Rams, Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. A. Mickiewicza 3, 3-59 Kraków, tel. (12) , fax (12) , rams@agh.edu.pl Prof. dr hab. inż. Jan Rusek, Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Al. A. Mickiewicza 3, 3-59 Kraków, tel. (12) , fax (12) , gerusek@cyf-kr.edu.pl