Wykorzystanie sygnału własnego generatorów i silników trakcyjnych z magnesami trwałymi do diagnostyki drganiowej

Transkrypt

1 BARAŃSKI Marcin 1 PISTELOK Paweł 2 Wykorzystanie sygnału własnego generatorów i silników trakcyjnych z magnesami trwałymi do diagnostyki drganiowej WSTĘP Rozwój technologii, w czasie ostatnich lat, spowodował zwiększenie zastosowań magnesów trwałych(pm permanent magnet) w maszynach elektrycznych. Obecnie maszyny tę są wykorzystywane, między innymi w napędach trakcyjnych i w generatorach montowanych w elektrowniach wiatrowych oraz wodnych (Rys.1., Rys.2.). Decydują o tym ich parametry: duża przeciążalność momentem, dobre właściwość regulacyjne, wysoka sprawność, duża gęstość mocy oraz stosunkowo prosta konstrukcja. W tabeli 1 zestawiono porównanie sprawności i masy trzech typów silników. Tab. 1. Zestawienie parametrów maszyn elektrycznych Rodzaj silnika elektrycznego h P n m kw 1/min % kg Silnik asynchroniczny Silnik prądu stałego Silnik z magnesami trwałymi Rys. 1. Fiat Fiorinoz silnikiem PM wyprodukowanym przez KOMEL,projekt nrnr Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL; Katowice Al. Roździeńskiego 188. Tel.: wew. 29, Fax , m.baranski@komel.katowice.pl 2 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL; Katowice Al. Roździeńskiego 188. Tel.: wew. 35, Fax , p.pistelok@komel.katowice.pl 1703

2 Rys. 2. Elektrownia wiatrowa z generatorem tarczowym PM wyprodukowanym przez KOMEL W maszynach elektrycznych występują zjawiska niepożądane, jednym z nich jest naciąg magnetyczny, który generuje drgania i hałas. Drgania i hałas zawsze towarzyszą pracy maszyn wirujących i są przyczyną stopniowej degradacji niektórych podzespołów, a szczególnie łożysk [1]. W maszynach wzbudzanym magnesami trwałymi naciąg magnetyczny, z uwagi na większe wartości indukcji w szczelinie, jest większy niż np. w maszynach indukcyjnych. Naciąg magnetyczny, z czasem eksploatacji maszyny, może zwiększać się, co jest związane ze zużywaniem się łożysk. Zadaniem diagnostyki drganiowej jest wczesne wykrycie zjawisk niepożądanych i przeciwdziałanie im, zanim doprowadzą one do poważnej awarii. Zbagatelizowanie tych objawów stwarza zagrożenie wystąpienia uszkodzenia, którego koszt na prawy może wielokrotnie przekroczyć koszt maszyny, ponadto awaria wyłącza maszynę z eksploatacji, co generuje dodatkowe koszty. W diagnostyce drganiowej wykorzystywane są przebiegi szybkozmienne: przemieszczenia, prędkości lub przyspieszenia. Dla ogólnej oceny maszyny istotna jest wartość RMS (RootMeanSquare)prędkości drgań. Dla zidentyfikowania przyczyny drgań pomocna jest analiza częstotliwościowa prędkości, która umożliwia rozłożenie sygnału drganiowego na składowe harmoniczne. Jeśli znane są parametry maszyny oraz jej konstrukcja, to można poszczególnym harmonicznym przypisać konkretne stany niepożądane w maszynie [2,3].W większości maszyn elektrycznych pomiary drgań bazują na wykorzystaniu zewnętrznych czujników pomiarowych oraz dedykowanej do tego celu kosztownej i skomplikowanej aparatury. W bezpośrednich pomiarach drgań należy zwrócić uwagę na poprawny montażu czujnika do maszyny, co często stwarza problemy, gdyż maszyna fabrycznie jest rzadko do tego celu przystosowana. Sposób zamontowania czujnika wpływa na zakres przenoszonych częstotliwości sygnału badanego. Ważna jest również separacja układu pomiarowego od wszelkiego rodzaju zakłóceń, które powodują nieprawidłowe wskazania aparatury pomiarowej [5]. W artykule przedstawiono koncepcję diagnostyki drganiowej z wykorzystaniem sygnału własnego maszyny, zakodowanego w przebiegach napięcia bądź prądu. Uzwojenie twornika oraz obwód wzbudzenia, oprócz ich podstawowej funkcji, pełnią także funkcję czujnika drgań. Pomiary drgań, z wykorzystaniem uzwojenia maszyny, mogą być wykonywane on-line w czasie normalnej eksploatacji maszyny. Główną zaletą opisywanej metody identyfikacji poziomu wibracji, wzbudzanych przyczynami mechanicznymi w maszynach elektrycznych z magnesami trwałymi, jest to, że układ pomiarowy nie wymaga stosowania dodatkowych czujników do pomiaru drgań. Metoda polega na tym, że zarejestrowane napięcie bądź prąd generatora, znajdującego się w obszarze oddziaływania drgań, zostają poddane analizie częstotliwościowej pozwalającej na wyodrębnienie charakterystycznych częstotliwości odpowiadających poszczególnym stanom niepożądanym w maszynie elektrycznej, a ściśle związanych ze wzrostem wibracji. Metoda może być wykorzystywana m.in. do wykrywania powstałych niewyważeń, asymetrii geometrii promieniowej i osiowej, asymetrii obciążenia, itp. Ten sposób pomiaru drgań został zarejestrowany w Urzędzie Patentowym RP [4]. W tej pracy zostaną przedstawione wyniki obliczeń, symulacji oraz badań laboratoryjnych dla maszyny PM, w której wzrost poziomu wibracji spowodowano niewywagą. 1704

3 1 GENEZA POWSTANIA METODY Idea wykorzystania maszyny z magnesami trwałymi jako czujnik drgań pojawiła się przypadkiem. Podczas pomiarów rezystancji uzwojeń takiej maszyny wykryto zakłócenia (Rys.3.), które ujawniają się, gdy w otoczeniu badanej maszyny występuje źródło drgań. Podczas pomiarów innych rodzajów maszyn zjawisko to nie występuje. Natomiast w maszynie z magnesami trwałymi podczas drgań, w uzwojeniach indukuje się siła elektromotoryczna (SEM), która wprowadza zakłócenia i poprawny pomiar rezystancji uzwojeń nie jest możliwy. Stanowi to dość poważny problem, np. podczas rejestracji krzywej stygnięcia uzwojeń po próbie nagrzewania. Rys. 3. Zakłócenia w pomiarze rezystancji uzwojenia maszyny PM 2 MASZYNA PM JAKO CZUJNIK DRGAŃ Analiza problemu wykazała podobieństwo budowy maszyny z magnesami trwałymi i czujnika elektrodynamicznego Rys.4.Elektrodynamiczny czujnik prędkości drgań składa się z magnesu zawieszonego na sprężynie i umieszczonego w cewce. Magnes trwały przemieszczając się, pod wpływem drgań w osi cewki, generuje w cewce napięcie, które jest proporcjonalne do prędkości drgań. W maszynie PM sytuacja wygląda podobnie: w cylindrze stojana jest umieszczony wirnik z magnesami trwałymi. Pod wpływem wibracji wirnik przemieszcza się względem uzwojonego stojana i indukuje w nim SEM, której wartość oraz częstotliwość są zależne od wymuszenia. Czułość w obu przypadkach zależna jest od indukcji magnetycznej wzbudzenia i ilości zwojów uzwojenia. Oba rozwiązania do generacji sygnału pomiarowego nie potrzebują zasilania zewnętrznego. W maszynie elektrycznej pracującej problemem jest wydzielenie sygnału pomiarowego z napięcia bądź prądu twornika. Rys. 4. Czujnik elektrodynamiczny i maszyna PM 3 SYMULACJE Obliczenia oraz symulacje zrealizowano dla generatora PMGhR90X 6M, o parametrach: U N = 40 V, I N = 17,2 A, P N = 1,2 kw, n N = /min. Jest to generator 6-cio biegunowy (p = 3) i jest wykorzystywany w małych elektrowniach wiatrowych. Obliczenia charakterystycznych częstotliwości drgań zostały wykonane w oparciu o zależności: 1705

4 gdzie: f częstotliwość napięcia generatora, p liczba par biegunów, f 1,f 2 szukane częstotliwości drganiowe, ( p 1) f (3 1) 50 f Hz (1) p 3 ( p 1) f (3 1) 50 f Hz (2) p 3 f m 1 1. f f Hz (3) f m 2 2. f m1,f m2 częstotliwość drgań mechanicznych. f f Hz (4) Symulacje zostały przeprowadzone na modelu polowym w środowisku Ansys Maxwell 2D. Do obliczeń wykorzystano metodę elementów skończonych [8]. Wyniki symulacji podane na Rysunku 5 przedstawiają wpływ drgań na SEM indukowaną w uzwojeniu generatora. Generator pobudzano do drgań poprzez niewywagę wirnika. Drgania rozpatrywanego generatora wzbudzane niewywagą mają częstotliwość f m1 = f m Hz. a) b) Rys. 5. Wyniki symulacji generatorapmghr90x 6M: a podstawowa harmoniczna napięcia generatora nie pobudzonego do drgań ib pobudzonego do drgań poprzez niewywagę wirnika 4 BADANIA LABORATORYJNE Badania laboratoryjne wykonano zarówno dla generatora jak również dla silnika. Wykorzystano wymieniony wyżej generator PMGhR90X 6M oraz silnik trakcyjny SMwsPA132S4 o parametrach: I N = 160 A, P N = 15 kw, n N = /min.(p = 2),zasilany z falownika SKAI. Silnik ten jest z powodzeniem wykorzystywany jako napęd samochodów elektrycznych. 1706

5 a) b) Rys. 6. Wyniki badań laboratoryjnych generatorapmghr90x 6M: a pasmo częstotliwości napięcia generatora nie pobudzonego do drgań i b pobudzonego do drgań poprzez niewywagę wirnika a) b) Rys. 7. Wyniki badań laboratoryjnych silnikasmwspa132s4: a pasmo częstotliwości napięcia silnika nie pobudzonego do drgań i b pobudzonego do drgań poprzez niewywagę wirnika W tabelach 2 i 3 zestawiono wyniki obliczeń i badań laboratoryjnych częstotliwości drgań generatora i silnika wzbudzanych magnesami trwałymi. Tab. 2. Zestawienie wyników obliczeń, symulacji oraz badań laboratoryjnych generatora PMGhR90X 6M Częstotliwość f f 1 f 2 f m1 f m2 Hz Hz Hz Hz Hz Wyliczenia z równań (1),(2), (3)i (4) Wyliczona symulacje Wyznaczona pomiarowo Tab. 3.Zestawienie wyników obliczeń, symulacji oraz badań laboratoryjnych silnika SMwsPA132S4 Częstotliwość f f 1 f 2 f m1 f m2 Wyliczenia z równań (1), (2) i (3) Hz Hz Hz Hz Hz Wyznaczona pomiarowo

6 WNIOSKI Na rysunkach 5 7 i w tabelach 1 2 przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych i pomiarów laboratoryjnych częstotliwości drgań maszyny wzbudzanej magnesami trwałymi: a dobrej i b niewyważonej. Niewywagę uzyskano poprzez niecentryczne umocowanie dodatkowej masy na wale maszyny. Obliczenia, symulacje oraz badania eksperymentalne pokazują użyteczność przedstawionej diagnostycznej metody drganiowej dla maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi. Różnice między wynikami obliczeń, symulacjami, a badaniami laboratoryjnymi są niewielkie świadczy to o poprawności przyjętego sposobu wyznaczania częstotliwości drgań..przeprowadzona analiza pokazuje możliwość wykorzystania maszyny z magnesami trwałymi jako czujnik drgań dla samej siebie. Przeanalizowano wiele publikacji i nie napotkano na takie rozwiązanie, gdzie do oceny stanu technicznego pod względem drgań wykorzystuje się sygnał własny maszyny [6,7,9]. Jest to podejście innowacyjne i niestandardowe. Przedstawiona metoda, zdaniem autorów, którzy na co dzień zajmują się badaniem maszyn w laboratorium, jak również diagnostyką maszyn elektrycznych eksploatowanych w przemyśle, znacznie upraszcza diagnostykę drganiową w maszynach z magnesami trwałymi. Powoduje, iż nie jest wymagane stosowanie kosztownych czujników pomiarowych oraz diagnosta nie przejmuje się ich montażem, co w niektórych przypadkach stanowi istotny problem z uwagi na dostęp, np. w pojeździe elektrycznym. Sama obserwacja przebiegów czasowych napięć lub prądów badanych maszyn, ze względu na istotną różnicę między wartościami generowanej SEM, a składową pochodzącą od wibracji, nie pozwala na wychwycenie anomalii. Konieczna jest analiza częstotliwościowa badanego przebiegu napięcia bądź prądu. Pomiar napięcia i sposób wyznaczania częstotliwości drgań f m pozwala przeprowadzać diagnostykę on line, z wykorzystaniem komputera pokładowego pojazdu elektrycznego. Praca jest finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy nr 413/L- 4/2012 realizowany w Instytucie Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL o nazwie Wibroakustyczna metoda diagnostyczna silników trakcyjnych i generatorów z magnesami trwałymi na podstawie sygnałów własnych. Streszczenie W artykule przedstawiono nowy wibracyjny sposób diagnozowania silników trakcyjnych i generatorów wzbudzanych magnesami trwałymi, które są wykorzystywane m.in. w pojazdów elektrycznych oraz elektrowniach wodnych i wiatrowych. Sposób ten bazuje na właściwości maszyn elektrycznych wzbudzanych magnesami trwałymi, a mianowicie wykorzystuje zjawisko indukowania napięcia w uzwojeniu twornika pod wpływem drgań mechanicznych wirnika względem stojana. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń, częstotliwości drgań mechanicznych, wymuszonych niewywagą wirnika: wyliczonej analitycznie, symulacyjnie i zmierzonej eksperymentalnie. Generators and traction motors with permanent magnets own signals used to vibration diagnostic Abstract The paper presents a new vibration diagnostic method designed for diagnose of permanent magnets (PM) generators and traction motors. Those machines are commonly used in small wind and water systems and traction drives of electrical vehicles. Specific structural properties of machines excited by permanent magnets are used in this method - electromotive force (EMF) generated due to vibrations. In this article several issues will be discussed: the method genesis, the similarity of permanent magnet machines to vibration sensor, results of calculations, simulations and laboratory tests. BIBLIOGRAFIA 1. Barański M., Polak A. :Bearings vibration diagnosis based on hodograph XY. Przegląd Elektrotechniczny(ElectricalReview), ISSN , Nr 1/2014,Str

7 2. Barański M.: Wieloosiowy analizator drgań z wykorzystaniem modułu SV06A, karty pomiarowej Personal Daq 3001 oraz graficznego środowiska programowania LabView. Praca dyplomowa. Wydział Elektryczny, Politechnika Śląska w Gliwicach. Rok Barański M., Decner A.: Funkcja przyspieszenia drgań a y = f(a x )jako narzędzie do określania stanu technicznego łożyska.zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne. ISNN ,Nr 4/2012, Str BarańskiM., Glinka T.:Sposób diagnozowania drgań wzbudzanych niewywagą w maszynach elektrycznych z magnesami trwałymi. Zgłoszenie patentowe P , 2013r. 5. Decner A., Zdalne monitorowanie maszyn elektrycznych. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne.ISNN ,Nr 91/201, Str Lakshmikanth S., Natraj K.R., Rekha K.R.: Noise and Vibration Reduction in Permanent Magnet Synchronous Motors A Review.International Journal of Electrical and Computer Engineering, Nr 3 /2012. Str Nandi S., Toliyat H.A.,X. Li: Condition monitoring and fault diagnosis of electrical machines-a review. Industry Applications Conference, ISSN: ,Nr 1 /1999, Str Pistelok P., Kądziołka T. : Nowa seria wysokosprawnych dwubiegunowych generatorów synchronicznych wzbudzanych magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, Nr 100 /2013, Str Torregrossa D.: Multiphysics Finite-Element Modeling for Vibration and Acoustic Analysis of Permanent Magnet Synchronous Machine. IEEE Transactions On Energy Conversion,ISSN: ,Nr26 /2011, Str