NIEINWAZYJNA DIAGNOSTYKA WEWNĘTRZNYCH NIESYMERII UZWOJEŃ MASZYNY SYNCHRONICZNEJ

Transkrypt

1 Zezyty Prolemowe Mazyny Elektryczne Nr 77/27 9 Konrad Weinre, Maciej Sułowicz Politechnika Krakowka, Kraków NIEINWAZYJNA DIAGNOSTYKA WEWNĘTRZNYCH NIESYMERII UZWOJEŃ MASZYNY SYNCHRONICZNEJ NONINVASIVE DIAGNOSTICS OF SYNCHRONOUS MACHINE WINDINGS INTERNA ASYMMETRY Atract: Reearch preented in thi paper i a continuation o work aiming at a dicovery and an aement o the eect o the internal aymmetrie o the alient-pole ynchronou machine on the ai o the Fourier pectrum and availale current o tator winding and ield current The reult o the analye conducted o ar have een preented in the previou paper y the ame author The outcome have proven the conitency o the theoretically derived ormula, identiying the requencie o additional harmonic in the pectrum o the meaured current, appearing a a reult o the electrical aymmetry o the rotor winding (the cage or the ield winding) Thoe damage were executed with the ue o an experimental ynchronou generator, working olely on reitance load An aement o the current tate o the winding or the motor work mode o the machine uing the ame, non-invaive diagnotic method ecame more diicult when the aymmetry o upply voltage and the o called network harmonic o the higher order in oth the tator voltage and the ield current are preent The reult preented in thi paper reer to cae o an damage o the phae o the tator or o the rotor cage The completed analye were aed on the knowledge o oth, the amplitude pectrum and the phae pectrum o the meaured current 1 Wtęp Praca jet kontynuacją adań dotyczących wykrywania i oceny kutków nieymetrii wewnętrznych w wydatnoiegunowej mazynie ynchronicznej na podtawie widma Fouriera pomiarowo dotępnych prądów uzwojeń tojana i wzudzenia Wyniki dotychczaowych analiz zotały przedtawione w poprzednich pulikacjach autorów [1],[2],[3] Potwierdziły one zgodność wyprowadzonych teoretycznie ormuł, określających czętotliwości dodatkowych harmonicznych w widmie mierzonego prądu, ujawniających ię wkutek powtałej nieymetrii elektrycznej owodów wirnika (klatki lu uzwojenia wzudzenia) Uzkodzenia te yły realizowane w doświadczalnym generatorze ynchronicznym, o danych min: P N = 7 kw, U N = 4V ( Y), I N = 1 8A, I N = 8 A, p = 2, pracującym amotnie na ociążenie rezytancyjne Ocenę aktualnego tanu uzwojeń dla pracy ilnikowej mazyny, przy zatoowaniu tej amej nieinwazyjnej metody diagnotyki utrudnia wpływ nieymetrii napięć zailania oraz oecność wyżzych tzw ieciowych harmonicznych zarówno w napięciach tojana jak i w prądzie wzudzenia Przedtawione w pracy wyniki oejmują przypadki uzkodzenia azy tojana oraz klatki wirnika Prowadzone analizy oparte ą na znajo- mości zarówno widma amplitudowego jak i widma azowego mierzonego prądu 2 Badany oiekt i układ akwizycji danych pomiarowych 21 Mazyna ynchroniczna Badania diagnotyczne przeprowadzono na generatorze wydatnoiegunowym СГМ 7, - 1/4 УХЛ4 o pecjalnej kontrukcji przytoowanej do adań związanych z nieinwazyjną diagnotyką mazyn ynchronicznych [1] Budowa mazyny umożliwia powtarzalne zadawanie nieymetrii wewnętrznych uzwojeń tojana i wirnika Na potrzey artykułu wielorakie możliwości pomiarowe mazyny zotały wykorzytane jedynie w zawężonym zakreie przez dodatkową analizę prądów w gałęziach równoległych uzwojenia tojana 22 Układ akwizycji danych pomiarowych Badana mazyna ynchroniczna zotała połączona do adań według chematu przedtawionego na Ry1 Natomiat na Ry2 przedtawiono chemat ideowy układu akwizycji danych

2 Zezyty Prolemowe Mazyny Elektryczne Nr 77/ EM1 A11 A12 A21 A22 A PS EM 2 B11 B12 B21 B22 EM3 C11 C12 EM4 EM EM C21 C22 Talica zacikowa A31 B31 C31 A32 B32 C32 A41 B41 C41 A42 B42 C42 MS Zaletą takiego rozwiązania jet moilność i praktyczność układu Komputer może pełnić zadanie zarówno narzędzia pomiarowego jak i pomiarowej azy danych Mając dotęp do pomiarów archiwalnych można je łatwo porównywać i wielokryterialnie analizować Przytawka pomiarowa tanowi układ kładający ię z kompletu przetworników elektrycznych oraz zailacza Zatoowany zetaw przetworników pozwala na pomiar iedmiu prądów jednocześnie Podtawowymi elementami przytawki jet ześć przetworników prądowych HY 1 P Są to przetworniki przytoowane do pomiaru różnego rodzaju prądów: tałego, zmiennego, pulującego oraz różnorodnego, z wudowaną izolacją galwaniczną pomiędzy owodem pierwotnym a wtórnym Tu wykorzytane ą do pomiaru prądów uzwojenia tojana w azach i w gałęziach równoległych Przytawka zawiera również jeden przetwornik prądowy TS 1 NP wykorzytany do pomiaru prądu wzudzenia Sygnały pomiarowe EM7 EM 1-7 Przytawka zawierająca EM A A UKD Układ kondycjonujący ygnał ~22 DC Ry 1 Schemat połączeń układu do adań diagnotycznych ilnika ynchronicznego Koniguracja ytemu akwizycji danych oejmuje natępujące elementy: przytawkę pomiarową układ, zawierający zetaw przetworników EM wielounkcyjną kartę pomiarową i terminal do kondycjonowania ygnałów komputer pomiarowy typu noteook łużący do gromadzenia oraz oróki danych z zaintalowanym pakietem MATAB DAQ Komputer do oróki danych Ry 2 Układ akwizycji danych pomiarowych dla adanego ilnika ynchronicznego W układzie zatoowano kartę pomiarową DAQCard-3E irmy National Intrument Mierzone przeiegi yły doprowadzone z przytawki pomiarowej EM przewodami BNC do kondycjonera ygnałów NI BNC 211 Kondy-

3 Zezyty Prolemowe Mazyny Elektryczne Nr 77/27 1 cjoner ygnałów z wejściami analogowymi karty pomiarowej zotał połączony wielożyłowym kalem typu SHC8-8-EPM Shielded Cale (8-D-Type to 8 VHDCI) Mierzono iedem ygnałów: trzy prądy zailające, trzy prądy w gałęziach równoległych (po jednym prądzie dla danej azy) i prąd wzudzenia Każdy pomiar ył rejetrowany przez okre 1 ekund z czętotliwością prókowania 1kHz, co daje 1 1 próek dla każdego przeiegu Na potrzey dalzej analizy zeranych danych, zczególnie możliwości ich porównania jako różnicy wartości licz zepolonych dla ymetrii i przypadku uzkodzenia uzwojeń, zatoowano pecjalną procedurę wyzwalania chwili rozpoczęcia pomiaru Każdy z wykonanych pomiarów rozpoczynał ię w chwili przejścia przeiegu czaowego prądu pierwzej azy, zailającej adaną mazynę, przez zero z ujemnej połówki inuoidy do połówki dodatniej inuoidy Wyrane przykładowo trzy pierwze okrey zarejetrowanych przeiegów czaowych, przy zatoowaniu tej procedury, dla pozczególnych przypadków przedtawiono w o- piie pomiarów na Ry3, Ry4, Ry8 i Ry11 Zarejetrowanie pomiarów dla pozczególnych przypadków pracy ilnika i zapianie wyników na dyku komputera pozwoliło na analizę widmową i porównanie pozczególnych przypadków uzkodzeń uzwojeń ze tanem ymetrii Oróka ygnału odywała ię w programie MATAB Wykorzytano do tego celu wudowaną procedurę zykiej tranormacji Fouriera W wyniku analizy FFT uzykano widma wzytkich mierzonych prądów z rozdzielczością 1 Hz 3 Wykrywanie uzkodzeń w mazynie ynchronicznej Równania napięć modelu matematycznego analizowane dla utalonego tanu pracy, po tranormacji do kładowych ymetrycznych, można zapiać w potaci niekończenie wymiarowego układu równań algeraicznych zepolonych, przy uwzględnieniu powiązań pomiędzy kładowymi prądów tojana i wirnika poprzez zależne od kąta orotu wirnika ϕ harmoniczne indukcyjności wzajemnych [1] W tanie pracy ynchronicznej wirnik wiruje z prędkością kątową - Ω = ω / p = 2π / p, gdzie: = Hz, p - licza par iegunów Przewidywane jako rozwiązanie równań napięć przeiegi czaowe kładowych ymetrycznych prądów w gałęziach równoległych tojana [ i ] i prądu wzudzenia i, przy założeniu zailania uzwojenia tojana ymetrycznym układem napięć trójazowych przy ymetrii uzwojeń mają odpowiednio potać: j[ ηω + mω] t [ i ] = [ I, ] e (1) η = ± 1m C η m,, 1, G 1 T gdzie: [ I η, m] = [ I η, m, I η, m,, I η, m ], G = 3a, a - licza gałęzi równoległych, C = { 2 kp; k =, ± 1, ± 2, } Prądy gałęziowe we wpółrzędnych naturalnych 1 ą wtedy równe: [ i ] = [ T ] [ i ], przy czym: [ T ] = G M 1 1 M G 1 K K O K 1 G 1 M ( G 1)( G 1) G* G Zatem prądy azowe tojana ą ymetryczne i mogą mieć czętotliwości równe 2k + 1 jk pωt i = I + I η, ke (2) η= ± 1k =± 1, ± 2, Prąd wzudzenia poza tałą I zawiera harmoniczne o czętotliwościach k Wektor prądów gałęzi równoległych tojana dla przypadku: uzkodzenia gałęzi równoległej, przerwy w klatce rozruchowej lu nieymetrii napięć tojana, przyjmie potać: j[ ηω + ( k p) Ω] t [ i ] = [ I ] e (3) η=± 1k = η, k Odpowiednio w cewkach wzudzenia popłyną prądy: - dla przypadku uzkodzenia uzwojenia wzudzenia lu klatki i ymetrycznym tojanie jk 3 pωt i = I + I η, ke (4) η= ± 1k =± 1, ± 2, - dla przypadku uzkodzenia gałęzi równoległej uzwojenia tojana i ymetrycznym wirniku j( k p+ l) Ωt i = I + I η, ke () η= ± 1 k= ± 1, ± 2, l=± 1, ± 2,

4 2 Zezyty Prolemowe Mazyny Elektryczne Nr 77/27 4 Wyniki pomiarów Podcza adań mazyna ynchroniczna pracowała jako ilnik zailany z ieci miejkiej o napięciu znamionowym 3x4V, ociążony przy różnych prądach wzudzenia prądnicą prądu tałego, pracującą na zmienne wartości rezytancji Analiza uzykanych widm prądów pod kątem zmian amplitud harmonicznych o czętotliwościach charakteryzujących tan ymetrii uzwojeń tojana i wirnika pozwoliła wniokować, że kuteczność wykrywania uzkodzenia wzratała ze padkiem ociążenia ilnika i pracy w warunkach niedowzudzenia Wzytkie przedtawione przeiegi i widma prądów dotyczą przypadku, gdy prądnica ociążająca pracowała na iegu jałowym, a uzwojenie wzudzenia ilnika yło zailane z przetwornicy prądu tałego prądem I = A Widmo amplitudowe prądu azowego tojana Widmo amplitudowe pradu wzudzenia Czętotliwość [Hz] Ry Widma prądów uzwojeń ilnika ymetrycznego Widmo amplitudowe prądu azowego tojana Przeieg prądu tojana dla ymetrii Widmo amplitudowe pradu wzudzenia I Przeieg prądu wzudzenia dla ymetrii Cza [] Ry 3 Przeiegi czaowe prądów ilnika ymetrycznego I Przeieg prądu tojana - przerwa pręta klatki Przeieg prądu wzudzenia - przerwa pręta klatki Cza [] Ry 4 Przeiegi czaowe prądów z przerwanym prętem klatki wirnika ilnika Czętotliwość [Hz] Ry Widma prądów uzwojeń z przerwanym prętem klatki wirnika Moduł różnicy Różnica harmonicznych prądów wzudzenia ilnika Czętotliwość [Hz] Ry 7 Zmiany harmonicznych prądu wzudzenia wywołane przerwą pręta klatki Poziom odnieienia widma przy przedtawieniu modułu różnicy harmonicznych prądu wzudzenia pomiędzy ilnikiem z danym uzkodzeniem owodu elektrycznego a pracującym w tych amych warunkach zailania i ociążenia ilnikiem ymetrycznym wynoi A Porównywane yły otrzymane w wyniku procedury FFT wartości zepolone harmonicznych,

5 Zezyty Prolemowe Mazyny Elektryczne Nr 77/27 3 przez co w analizie uwzględniono jednocześnie amplitudę i azę danej harmonicznej 2 1 Przeieg prądu tojana - przerwa gałęzi równoleglej Przeieg prądu tojana - przerwa dwóch prętów klatki Przeieg prądu wzudzenia - przerwa dwóch prętów klatki 4 I Przeieg prądu wzudzenia - przerwa gałęzi równoleglej 7 I Cza [] Ry 8 Przeiegi czaowe prądów ilnika z przerwanymi dwoma prętami klatki wirnika Widmo amplitudowe prądu azowego tojana Widmo amplitudowe pradu wzudzenia Czętotliwość [Hz] Ry 9 Widma prądów uzwojeń ilnika z przerwanymi dwoma prętami klatki wirnika Cza [] Ry 11 Przeiegi czaowe prądów ilnika z przerwą gałęzi równoległej w azie tojana Widmo amplitudowe prądu azowego tojana Widmo amplitudowe pradu wzudzenia Czętotliwość [Hz] Ry 12 Widma prądów uzwojeń prądów ilnika z przerwą gałęzi równoległej w azie tojana Różnica harmonicznych prądów wzudzenia Moduł różnicy Różnica harmonicznych prądów wzudzenia Moduł różnicy Czętotliwość [Hz] Ry 1 Zmiany harmonicznych prądu wzu - dzenia wywołane przerwą dwóch prętów klatki Porównanie Ry1 i Ry7 pozwala zauważyć wyraźny wzrot amplitudy harmonicznej, charakterytycznej dla nieymetrii elektrycznej klatki rozruchowej lu uzwojenia wzudzenia, o czętotliwości 1Hz Czętotliwość [Hz] Ry 13 Zmiany harmonicznych prądu wzudzenia wywołane przerwą gałęzi równoległej w azie tojana Nieymetria wewnętrzna uzwojenia tojana powoduje natomiat itotny wzrot amplitud harmonicznych o czętotliwościach: 1Hz, 12Hz i 22Hz Ry13 Wzytkie one miezczą ię w przewidywanym teoretycznie ziorze

6 4 Zezyty Prolemowe Mazyny Elektryczne Nr 77/27 harmonicznych, charakterytycznych dla tej nieymetrii Itotny wpływ na zawartość harmonicznych w przedtawionych widmach prądów ilnika, utrudniający prawidłową ocenę kutków analizowanych nieymetrii wewnętrznych, ma kztałt napięć zailających uzwojenie tojana Przedtawione na Ry14 widma kładowych ymetrycznych napięć azowych ilnika orazują zarówno poliharmoniczność, jak też nieymetrię tych napięć Poziom odnieienia ygnału wynoi w tym przypadku 1 3 V "1" "2" Widmo amplitudowe kładowej ymetrycznej napięcia tojana Czętotliwość [Hz] Ry 14 Widmo napięcia zailającego tojan Skutkiem nieymetrii zailania jet wytąpienie, dla ymetrycznego ilnika, w prądach azowych i w prądach gałęzi równoległych uzwojenia tojana harmonicznych o czętotliwościach 2 (2k + 1)Hz, k =,1,2,, charakterytycznych dla nieymetrii wewnętrznych ormuła (3) Uzkodzenie uzwojenia ilnika zmienia jedynie amplitudy tych harmonicznych I I 1 1 Przeieg prądu wzudzenia - ilnik wyłączony Widmo prądu wzudzenia - ilnik wyłączony Przy wyłączonym ilniku w widmie prądu wzudzenia, Ry1, widoczne ą harmoniczne o czętotliwościach, 1 i 2Hz, których oddziaływanie z prądami pozotałych uzwojeń podcza pracy ynchronicznej może również wpływać na zmianę kutków uzkodzenia Podumowanie Przedtawione wyniki adań ilnika ynchronicznego pozwalają wniokować, że możliwe jet rozróżnienie kutków odmiennych uzkodzeń uzwojeń ilnika ynchronicznego poprzez analizę zmiany widma już tylko prądu wzudzenia Zmiany te ą zczególnie widoczne, jeśli widmo prądu wzudzenia ilnika nieymetrycznego ędzie odnieione do analogicznego widma dla ilnika ymetrycznego, w tym amym tanie pracy utalonej Skuteczność wykrycia uzkodzenia i dalzej oceny diagnotycznej topnia nieymetrii zwiękza jednoczene porównanie zarówno amplitud jak i az harmonicznych widma iteratura [1] Weinre K, Drozdowki P: Detection o Winding Fault o a Salient - Pole Synchronou Machine y a Spectral Analyi o Current Proc ICEM'94, Pari, , Vol2, pp-1 [2] Weinre K, Węgiel T, Szotak J: Nieinwazyjna diagnotyka uzwojeń wirnika mazyny ynchronicznej Zezyty Prolemowe BOBRME Katowice, Nr /23, 7-8 [3] Drozdowki P, Weinre K: Wykrywanie ekcentryczności wirnika w mazynach ynchronicznych poprzez analizę harmoniczną prądów Materiały SME 9, Gliwice-Utroń, 199, Autorzy dr inż K Weinre peweinre@cy-kredupl dr inż M Sułowicz peulowi@cy-kredupl Politechnika Krakowka, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Intytut Elektromechanicznych Przemian Energii, Katedra Mazyn Elektrycznych 31-1 Kraków, ul Warzawka Czętotliwość [Hz] Ry 1 Widmo prądu wzudzenia przy wyłączonym ilniku W celu ograniczenia tzw harmonicznych ieciowych uzwojenie wzudzenia zailono z prądnicy prądu tałego, a nie z protownika