Diagnostyka drganiowa trakcyjnych maszyn elektrycznych - przykład asymetrii geometrii promieniowej między stojanem a wirnikiem

Transkrypt

1 BARAŃSKI Marcin Diagnostyka drganiowa trakcyjnych maszyn elektrycznych - przykład asymetrii geometrii promieniowej między stojanem a wirnikiem WSTĘP Występowanie asymetrii promieniowej między stojanem, a wirnikiem może doprowadzić do poważnej awarii maszyny, dlatego powinno się temu przeciwdziałać. W przeciwnym razie niesymetria będzie się pogłębiać. Ekscentryczność miedzy stojanem, a wirnikiem może powstać już na etapie wytwarzania danej maszyny. Występowanie tego zjawiska nie wyklucza dalszej pracy maszyny, jednak będzie się to objawiać wahaniami głównie w momencie elektromagnetycznym. Wahania te będą powodowały wzrost poziomu wibracji oraz towarzyszący im hałas. Wzrost poziomu wibracji w maszynie elektrycznej jest to niepożądane zjawisko i zazwyczaj jest symptomem uszkodzenia. Zignorowanie objawów zwykle doprowadza do awarii, której koszty przewyższają koszt maszyny [4], [5], [7], [12]. Większość badań mających na celu detekcję drgań w maszynie elektrycznej opiera się głównie na wykorzystaniu zewnętrznych czujników wraz z dedykowaną, skomplikowaną aparaturą [13-15]. Dlatego największą zaletą opisywanej w artykule drganiowej metody diagnostycznej jest to, że układ pomiarowy nie potrzebuje zewnętrznych czujników drgań. Magnesy trwałe oraz uzwojenie pełnią równocześnie funkcję czujnika drgań. Sposób diagnostyki wykorzystuje specyficzne właściwości konstrukcyjne maszyn z magnesami trwałymi, tj. indukowanie się SEM pod wpływem wibracji. Jest to podyktowane tym, że maszyna elektryczna ze wzbudzeniem od magnesów trwałych jest bardzo podobna do elektrodynamicznego czujnika drgań, którego działanie opiera się na tym, że pod wpływem drgań przemieszczający się magnes, indukuje napięcie wewnątrz cewki zależne od poziomu wibracji. W maszynie PM, wirnik z magnesami trwałymi pod wpływem drgań generuje SEM w uzwojeniu. Zarówno czujnik, jak i maszyna do generacji sygnału pomiarowego nie potrzebują zewnętrznych źródeł zasilania. Czułość układu w obu przypadkach jest zależna od ilości zwojów uzwojenia [1] - [3]. Metoda opiera się na tym, iż przebieg napięcia, bądź prądu maszyny poddaje się analizie częstotliwościowej, która pozwala na określenie częstotliwości ściśle związanych ze zwiększeniem się poziomu drgań [6]. 1. ASYMETRIA GEOMETRII PROMIENIOWEJ Asymetria geometrii promieniowej między stojanem a wirnikiem zwana mimośrodowością lub ekscentrycznością powoduje nierównomierny rozkład szczeliny powietrznej. Rozróżnia się trzy rodzaje niesymetrii: a) statyczna, b) dynamiczna, c) mieszana. Asymetria geometrii promieniowej statyczna charakteryzuje się tym, że położenie maksymalnej szczeliny na obwodzie maszyny jest stałe i może wynikać z owalności rdzenia, bądź niewłaściwego montażu. W przypadku asymetrii dynamicznej położenie maksymalnej szczeliny zmienia się wraz z pozycją wirnika i może wynikać z zużycia się węzłów łożyskowych, zgiętego wału, itp.. Najczęściej jest więc spowodowana zużyciem się maszyny podczas jej eksploatacji. Asymetria mieszana jest połączeniem obu powyższych [11]. 144

2 2. MASZYNA PM CZUJNIKIEM DRGAŃ Na Rysunku 1 przedstawiono przykładowe wyniki badań jednej z maszyn z magnesami trwałymi. Wykres przedstawia porównanie analizy częstotliwościowej sygnału z czujnika drgań oraz sygnałów własnych maszyny w stanie statycznym. Maszyna została przebadana na stole wibracyjnym przy zewnętrznym wymuszeniu drgań. Można zaobserwować, iż analiza częstotliwościowa sygnałów własnych (w tym przypadku napięć zarówno fazowego, jak również międzyfazowego) w dużej mierze odpowiada analizie częstotliwościowej sygnału pochodzącego z czujnika przyspieszenia drgań. Świadczy to o tym, że maszyna z magnesami trwałymi może zostać użyta do diagnostyki drganiowej poprzez analizę częstotliwościową jej sygnałów własnych. Rys. 1. Analiza częstotliwościowa maszyny z magnesami trwałymi wyniki badań statycznych 3. MODEL POLOWO OBWODOWY Model polowo obwodowy wraz z siatką dyskretyzacyjną badanej maszyny został przedstawiony na rysunkach 2 oraz 3. Analizę przeprowadzono w środowisku Ansys Maxwell 2D. Jest to program, który wykorzystuje MES i służy do rozpatrywania dwuwymiarowych pól elektromagnetycznych o niskiej częstotliwości [16-18]. Na proces tworzenia i analizy modelu maszyny składają się następujące kroki: a) stworzenie modelu, b) definicja warunków brzegowych, c) określenie właściwości materiałowych poszczególnych elementów modelu, d) definicja wzbudzenia układu pogrupowanie poszczególnych uzwojeń oraz określenie wymuszeń, e) zamodelowanie siatki elementów skończonych, f) parametry symulacji, g) symulacja modelu, h) analiza wyników. 145

3 Rys. 2. Model 2D maszyny z magnesami trwałymi Rys. 3. Siatka elementów skończonych modelu 2D 4. WYNIKI SYMULACJI ORAZ OBLICZEŃ Na rysunku 4 oraz w tabeli 1 przedstawiono wyniki symulacji oraz kalkulacji dla silnika PM. Jest to porównanie rezultatów maszyny zdrowej z maszyną posiadającą asymetrię statyczną oraz z maszyną posiadającą asymetrię dynamiczną. Do symulacji użyto modelu maszyny typu SMzsg132M-4 o parametrach: P = 6,5 kw, U = 82V, I = 55,9 A, n = /min, T = 41,4 Nm. Symulacje wykonano dla 80% asymetrii promieniowej. Można zaobserwować pojawienie się szeregu dodatkowych częstotliwości (1), (2) dla każdej k-tej harmonicznej: ( p 1) f f k 1 k f p (1) ( p 1) f f k 2 k f p (2) 146

4 Można również zaobserwować znaczny wzrost częstotliwości opisanych równaniem (3): f k 3 2k f (3) gdzie: f k1,f k2, f k3 szukane częstotliwości dla k-tej harmonicznej, p liczba par biegunów, f częstotliwość pierwszej harmonicznej badanego generatora, k liczba naturalna. Rys. 4. Analiza częstotliwościowa napięcia dla różnych przypadków geometrii promieniowej pomiędzy stojanem, a wirnikiem Tab. 1. Zestawienie wyników obliczeń oraz symulacji silnika SMzsg132M-4 dla k = 1, 2, 3 k = 1 k = 2 k = 3 Częstotliwości Wyznaczone z równań: (1), (2), (3) Wyznaczone na podstawie symulacji f f 11 f 12 f 13 f 21 f 22 f 23 f 31 f 32 f 33 Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz Hz 50,00 25,00 75,00 100,00 75,00 125,00 200,00 125,00 175,00 300,00 50,10 25,05 75,15 100,20 74,95 125,05 200,40 124,95 175,05 300,60 50,10 25,10 75,10 100,10 75,10 125,10 200,10 125,10 175,10 300,10 PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono wyniki obliczeń oraz symulacji maszyny SMzsg132M-4. Wyznaczono częstotliwości generowane w silniku PM posiadającego asymetrię geometrii promieniowej miedzy stojanem a wirnikiem. Obliczenia oraz symulacje w środowisku Ansys Maxwell 2D potwierdzają możliwość użycia przedstawionej diagnostycznej metody drganiowej dla maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi pod kątem detekcji mimośrodowości. Różnice między wynikami kalkulacji, a symulacjami są nie duże (<0,2%) świadczy to o poprawności przyjętego sposobu wyznaczania częstotliwości odpowiadających zwiększonemu poziomowi drgań powstałych na skutek ekscentryczności. Należy jednak pamiętać, że większość silników z magnesami trwałymi współpracuje z falownikami i przed analizą częstotliwościową należy badany przebieg poddać odpowiedniej filtracji (szczególnie sygnał napięciowy) [8] [10]. 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. 147

5 Streszczenie W artykule przedstawiono drganiową metodę diagnozowania silników trakcyjnych wzbudzanych magnesami trwałymi, które są wykorzystywane m.in. w pojazdach elektrycznych. Metoda wykorzystuje właściwości maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi, a mianowicie zjawisko indukowania się napięcia w uzwojeniu twornika pod wpływem drgań mechanicznych wirnika względem stojana. W pracy przedstawiono model polowo obwodowy, wyniki badań statycznych, wyniki obliczeń oraz symulacji mających na celu detekcję częstotliwości, które odpowiadają wibracjom, wymuszonych asymetrią geometrii promieniowej między stojanem, a wirnikiem. Słowa kluczowe: Drgania, Silniki Trakcyjne, Maszyny Elektryczne, Magnesy Trwałe, Diagnostyka, Ekscentryczność The vibration diagnostic of electrical traction machines example of stator and rotor eccentricity Abstract This article presents a vibration diagnostic method designed for permanent magnets (PM) traction motors. Those machines are commonly used in 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. This work presents: field-circuit model, results of static tests, results of calculations and simulations. Keywords: Vibration, Traction Motors, Electrical Machines, Permanent Magnets, Diagnostic, Eccentricity BIBLIOGRAFIA 1. Barański M.: Vibration diagnostic method of permanent magnets generators detecting of vibrations caused by unbalance, IEEEXplore, Barański M.: PM electrical machines diagnostic - methods selected, Materiały konferencyjne ICEMDS, Barański M.: Permanent magnet machine can be a vibration sensor for itself, Materiały konferencyjne ICEMDS, Barański M., Decner A.: Funkcja przyspieszenia drgań a y = f(a x ) jako narzędzie do określania stanu technicznego łożyska. Maszyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe, 4/ Barański M., Decner A., Polak A.: Selected Diagnostic Methods of Electrical Machines Operating in Industrial Conditions, IEEE TDEI, 5/ Barański M., Jarek T.: Analysis of PMSM vibrations based on Back-EMF measurements, IEEEXplore, Barański M., Polak A.: Bearings vibration diagnosis based on hodograph XY. Przegląd Elektrotechniczny, 1/ Maciążek M., Pasko M., Buła D.: Optimization of time in Active Power Filter control, 8 th International Workshop OPEE, Maciążek M., Pasko M., Grabowski D.: Active power filters-optimization of sizing and placement, Technical Sciences, Maciążek M., Pasko M.: Prediction in control systems of active power filters, Przegląd Elektrotechniczny, Poland, Mazur D.: Wpływ ekscentryczności wirnika oraz rozmieszczenia magnesów trwałych na wirniku na moment zaczepowy oraz elektromagnetyczny generatora wielobiegunowego wolnoobrotowego, Przegląd Elektrotechniczny, Poland, Nandi S., Toliyat H.A.,X. Li: Condition monitoring and fault diagnosis of electrical machinesa review. Industry Applications Conference, 1 / Szymaniec S. : Pomiary Częstotliwości drgań własnych i rezonansowych maszyn elektrycznych w warunkach ich eksploatacji, Maszyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe, 3/ Szymaniec S. : Ścieżki pomiarowe do pomiarów drgań względnych w maszynach elektrycznych, Maszyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe, 81/ Szymaniec S. : Pomiary drgań względnych w silnikach elektrycznych, Maszyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe, 82/

6 16. Szymaniec S. Drgania własne stojana silnika indukcyjnego klatkowego małej mocy pomiary, Maszyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe, 3/ Szymaniec S., Podhajecki J. : Wyznaczanie drgań własnych stojana silnika indukcyjnego, Maszyny Elektryczne: Zeszyty Problemowe, 87/ Torregrossa D.: Multiphysics Finite-Element Modeling for Vibration and Acoustic Analysis of Permanent Magnet Synchronous Machine. IEEE Transactions On Energy Conversion,26 /