PRZENOŚNY ANALIZATOR DIAGNOSTYCZNY DO WYKRYWANIA USZKODZEŃ STOJANA I WIRNIKA W SILNIKACH INDUKCYJNYCH

Transkrypt

1 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 00/03 cz. I 77 Marcn Pawlak Poltechnka Wrocławska PRZENOŚNY ANALIZATOR DIAGNOSTYCZNY DO WYKRYWANIA USZKODZEŃ STOJANA I WIRNIKA W SILNIKACH INDUKCYJNYCH PORTABLE DIAGNOSTIC ANALYZER TO DETECTION OF THE STATOR AND ROTOR FAULTS IN INDUCTION MOTORS Streszczene: W artykule przedstawono nowatorską konstrukcję przenośnego analzatora dagnostycznego, który jest przeznaczony do wykrywana uszkodzeń uzwojeń stojana wrnka w slnkach ndukcyjnych o różnych mocach. Część pomarową systemu stanową dwa welozakresowe przetwornk cęgowe, które merzą prąd slnka w dwóch fazach. Sygnały pomarowe doprowadzone są do mkroprocesorowego rejestratora, który przesyła próbk pomarowe do komputera przenośnego, wykorzystując bezprzewodową technologę komunkacyjną - Bluetooth. W rol komputera można zastosować dowolne urządzene z systemem Androd (np. tablet), albo zwykły komputer przenośny (laptop) z systemem Wndows. Oprogramowane dagnostyczne zanstalowane na komputerze przenośnym analzuje zarejestrowane sygnały prądu stojana, pod kątem znalezena dagnostycznych cech, charakterystycznych dla uszkodzeń stojana wrnka. W tym celu zamplementowano metody analzy częstotlwoścowej wektora przestrzennego prądu stojana oraz metody analzy składowych głównych (PCA). Abstract: Ths paper presents a novel desgn of a portable dagnostc analyzer, whch s desgned to fault detecton of stator wndngs and the broken rotor bars n the nducton motors of dfferent power ratngs. The measurng crcut of the system conssts of two mult-range current clamps to measure the motor lne current n two phases. Measurement sgnals are fed to the mcroprocessor-based recorder that transmts data samples to a portable computer usng wreless communcaton technology - Bluetooth. In the role of the computer can be used any Androd devce (e.g. tablet), or ordnary notebook wth Wndows OS. Dagnostc software nstalled on a laptop computer analyzes the recorded sgnals of stator current, n terms of fndng the dagnostc features characterstc of the stator and rotor faults. For ths purpose, the current Park's vector modulus analyss and prncpal component analyss (PCA) were mplemented. Słowa kluczowe: slnk ndukcyjny, dagnostyka, analza częstotlwoścowa, analza składowych głównych. Keywords: nducton motor, dagnostcs, spectral analyss, prncpal component analyss. Wstęp Slnk ndukcyjne stanową najlcznejszą grupę maszyn elektrycznych, stosowanych w napędach przemysłowych. Trudne warunk środowskowe, jake panują w przemyśle, sprawają, że slnk te pommo swojej stosunkowo dużej nezawodnośc, ulegają czasem uszkodzenom, powodując neplanowane przestoje. Dlatego też, w najbardzej narażonych punktach procesu technologcznego nstaluje sę specjalstyczną aparaturę dagnostyczną, której zadanem jest cągłe montorowane podstawowych welkośc elektrycznych mechancznych, takch jak: napęce prąd slnka, moment elektromagnetyczny, prędkość obrotową oraz przyspeszene drgań maszyny. Analza parametryczna tych sygnałów umożlwa rozpoznane klasyfkację wszelkch neprawdłowośc występujących w częścach mechancznych obwodach elektrycznych badanej maszyny. Nestety, aparatura dagnostyczna, w skład której wchodz zestaw odpowednch czujnków oraz specjalstyczny komputer do analzy sygnałów pomarowych, jest bardzo kosztowna, zatem jej stosowane ograncza sę praktyczne do dużych maszyn. Z drugej strony slnk małej mocy stanową najlcznejszą grupę maszyn, które pełną często odpowedzalne funkcje w procesach technologcznych. W sytuacj, gdy nakłady fnansowe przedsęborstwa są ogranczone, stosuje sę najczęścej rozwązane kompromsowe, polegające na wykorzystanu unwersalnej, przenośnej aparatury dagnostycznej do okresowej kontrol stanu techncznego poszczególnych napędów. Ze względu na duży rozrzut parametrów badanych

2 78 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 00/03 cz. I slnków, czujnk przetwornk stosowane w torach pomarowych pownny obejmować szerok zakres merzonych welkośc. W zwązku z tym, coraz częścej dąży sę do elmnacj trudnomerzalnych sygnałów dagnostycznych zastąpena ch sygnałam łatwym do zmerzena, przy wykorzystanu tanch powszechne dostępnych przetwornków pomarowych. Jednym z takch sygnałów dagnostycznych jest prąd stojana, który można w prosty sposób zmerzyć, na przykład za pomocą cęgowych przetwornków prądu. Przyrządy te produkowane są na różne zakresy pomarowe oraz posadają dodatkową zaletę umożlwają wykonane pomaru w sposób beznwazyjny, bez potrzeby rozłączana obwodu elektrycznego badanego slnka. Dlatego też, metody dagnostyczne wykorzystujące analzę prądów fazowych slnka są chętne stosowane, a w ostatnm czase neustanne poszukuje sę skutecznych rozwązań, umożlwających trafne rozpoznane rodzaju stopna uszkodzena slnka, we wczesnej faze jego występowana. Nnejszy artykuł przedstawa konstrukcję tanego, przenośnego analzatora dagnostycznego, który umożlwa detekcję uszkodzeń stojana wrnka slnka ndukcyjnego, na podstawe pomaru prądu w dwóch fazach, wykorzystując w rol czujnków prądu welozakresowe przetwornk cęgowe.. Zastosowane analzy wektora przestrzennego prądu stojana do wykrywana uszkodzeń stojana wrnka Uszkodzena obwodów stojana wrnka slnka ndukcyjnego powodują powstane asymetr elektrycznej magnetycznej, która sprawa, że snusodalny kształt przebegów prądów ulega odkształcenu. Zjawsko to jest często wykorzystywane w dagnostyce slnków ndukcyjnych, polegającej na analze wektora przestrzennego prądu stojana. Składowe ortogonalne tego wektora można wyznaczyć w wynku transformacj sygnałów prądów fazowych slnka, na podstawe ponższych zależnośc [],[4]: 3 A 6 B B C 6 C () ().. Analza częstotlwoścowa modułu wektora przestrzennego prądu Do wykrywana uszkodzeń stojana wrnka często stosuje sę metodę analzy częstotlwoścowej modułu wektora przestrzennego prądu stojana (I P ), oblczonego na podstawe składowych ortogonalnych (),(). Metoda ta polega na ekstrakcj charakterystycznych składowych spektralnych, powązanych z występującym uszkodzenem. W przypadku wystąpena uszkodzeń prętów klatk wrnka, w wdme modułu wektora przestrzennego pojawą sę prążk o częstotlwoścach f pk, które można wyznaczyć na podstawe zależnośc (3) []: fpk ksf s (3) gdze: f s harmonczna podstawowa prądu stojana, s poślzg, k=,, 3,... Na rysunku przedstawono przykładowe wdmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana, dla slnka z uszkodzonym wrnkem I P [-] f P (k=) f P (k=) f P (k=3) f [Hz] Rys.. Przykładowe wdmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana dla slnka z uszkodzonym wrnkem. W przypadku, gdy w obwodach stojana wystąp asymetra, w wdme modułu wektora przestrzennego pojaw sę składowa f A, o częstotlwośc równej podwójnej harmoncznej podstawowej prądu f s. Asymetra ta może być wywołana nerównoścą napęć zaslających w poszczególnych fazach, brakem jednej fazy lub zwarcam w uzwojenach stojana. Na rysunku przedstawono przykładowe wdmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana, przy zwarcu 5 zwojów w obwodze stojana.

3 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 00/03 cz. I I P [-] f A f [Hz] Rys.. Przykładowe wdmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana przy zwarcu 5 zwojów stojana... Analza składowych głównych (PCA) W dealnych warunkach przy założenu snusodalnego zaslana oraz prawdłowej pracy napędu, wektor prądu stojana zakreśla równomerny okrąg, w układze współrzędnych. Pojawene sę asymetr stojana, wywołanej np. zwarcam klku zwojów, powoduje odkształcene hodografu prądu, który przyjmuje kształt elpsy. Deformacja hodografu jest tym wększa, m wększy jest stopeń uszkodzena stojana. Dlatego też, do określena stopna uszkodzena stojana można wykorzystać statystyczną metodę analzy danych, zwaną analzą składowych głównych PCA (ang. Prncpal Component Analyss) [3]. Metoda ta polega na znalezenu wzajemnych relacj pomędzy składowym wektora przestrzennego prądu stojana I s : 0 s... s n 0 s... s n s I s s (4) gdze: n lczba próbek. Wyznaczene składowych głównych wektora prądu polega na znalezenu wartośc własnych wektorów własnych macerzy kowarancj wektora prądu stojana I s., którą opsuje zależność (5): T cov I s ΓΛΓ (5) gdze: - macerz wektorów własnych, - macerz wartośc własnych. Macerz wektorów własnych: Γ (6) gdze: - wektory własne. 0 Λ (7) 0 gdze: - wartośc własne. Wektory własne macerzy określają kerunk os głównych hodografu wektora prądu stojana, natomast wartośc własne macerzy określają warancję jego składowych. Do określena kerunku odkształcena hodografu prądu, można wyznaczyć składowe główne wektora prądu stojana, na podstawe ponższych zależnośc: (8) (9) Z kole do określena stopna deformacj hodografu prądu stojana można wyznaczyć wskaźnk PCA, oblczony na podstawe zależnośc (0) [7]: PCA (0) Wartość wskaźnka PCA rośne ze stopnem deformacj hodografu prądu, zatem może być on wykorzystany do oceny stopna uszkodzena stojana (np. lczby zwartych zwojów). Natomast analza położena składowych głównych wektora prądu stojana na płaszczyźne pozwala na określene, w której faze występuje zwarce zwojów. Na rysunku 3a przedstawono wykres położena składowych głównych wektora prądu stojana, w zależnośc od stopna uszkodzena stojana (lczby zwartych zwojów). Przedstawone wynk zostały opracowane na podstawe badań eksperymentalnych slnka ndukcyjnego o mocy,kw, z odpowedno przygotowanym uzwojenem stojana, umożlwającym fzyczne modelowane zwarć. Na rysunku 3b przedstawono położene składowych głównych prądu stojana, w zależnośc od fazy, w której wystąpło zwarce. Wynk odnoszą sę dla przypadku zwarca 3 zwojów stojana, co stanow ok. % wszystkch zwojów.

4 80 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 00/03 cz. I Rys.3. Położene składowych głównych wektora prądu stojana w zależnośc od lczby zwartych zwojów (a) oraz fazy wystąpena zwarca (b) 3. Analzator dagnostyczny budowa sprzętowa Część sprzętową analzatora dagnostycznego stanow specjalne zaprojektowany bezprzewodowy rejestrator pomarowy, którego schemat blokowy przedstawono na rysunku 4. Głównym zadanem rejestratora jest akwzycja sygnałów pomarowych prądów stojana slnka, merzonych w dwóch fazach, a następne przesłane ch drogą radową z wykorzystanem technolog Bluetooth do komputera PC lub tabletu z systemem Androd. W rol czujnków prądów zastosowano nedroge przystawk cęgowe typu CA60, które umożlwają pomar prądów fazowych slnka bez potrzeby rozłączana układu zaslana. Przetwornk te posadają dwa zakresy pomarowe (5A 60A), co pozwala na zastosowane ch do dagnostyk wększośc slnków małej średnej mocy. Tor pomarowy rejestratora zawera odpowedno dobrane wzmacnacze sygnałowe oraz szybke przetwornk A/C o rozdzelczośc 4 btów. Ze względów praktycznych, maksymalna częstotlwość próbkowana rejestratora została ogranczona do 50 khz. Głównym elementem sterującym układu pomarowego jest 8-btowy mkrokontroler z rodzny Atmel AVR, który zarządza pracą przetwornka analogowo-cyfrowego zapsuje zmerzone próbk sygnałów w zewnętrznej pamęc RAM o pojemnośc 8kB. Do zadań mkrokontrolera należy równeż dwukerunkowa komunkacja z komputerem (tabletem), przy wykorzystanu bezprzewodowej technolog Bluetooth. Szczegóły budowy techncznej zostały szerzej omówone w [5],[6]. Rejestrator pomarowy został wykonany w forme przenośnej, w obudowe kompaktowej o newelkch rozmarach (Rys.5). Urządzene wyposażone jest we własne źródło zaslana, w postac akumulatora L-Po, co zapewna wygodę użytkowana dług czas cągłej pracy pomędzy doładowanam - ponad godzn. Rys.4. Schemat blokowy rejestratora Rys.5. Fotografa rejestratora

5 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 00/03 cz. I 8 Obsługa systemu pomarowego jest bardzo prosta sprowadza sę do włączena zaslana rejestratora przetwornków cęgowych oraz wybrana zakresów pomarowych. Sterowane układem pomarowym oraz ustawene parametrów rejestracj odbywa sę z pozomu aplkacj MONITOR, zanstalowanej na komputerze albo na tablece. 4. Oprogramowane dagnostyczne Integralną częścą analzatora dagnostycznego jest specjalstyczne oprogramowane sterującodagnostyczne, zanstalowane na zdalnym komputerze PC lub tablece z systemem Androd. Do głównych zadań programu należą: parametryzacja układu pomarowego sterowane pracą rejestratora; zarządzane zestawem danych (pomar, zaps, odczyt); wykonane analz dagnostycznych pod kątem wykrywana uszkodzeń stojana wrnka. Na rysunku 6 przedstawono przykładowe okno aplkacj dagnostycznej MONITOR, wyśwetlającej przebeg czasowe prądów w poszczególnych fazach. Oprócz grafcznej prezentacj sygnałów program oblcza ch podstawowe parametry, take jak wartośc skuteczne, średne, maksymalne tp. składowych spektralnych, których pojawene sę może być zwązane z wystąpenem uszkodzeń stojana czy wrnka. Rys.7. Okno programu MONITOR w trybe analzy częstotlwoścowej Kolejną funkcją oprogramowana dagnostycznego jest analza składowych głównych wektora prądu stojana. Zarejestrowane przebeg prądów fazowych zostają poddane przekształcenom (-5), w wynku których zostaje wyznaczona macerz kowarancj składowych wektora prądu stojana. Program automatyczne oblcza wektory () wartośc własne () tej macerzy oraz wyznacza współrzędne składowych głównych wektora prądu stojana ( ). Na zakończene zostaje oblczony wskaźnk PCA, którego wartość jest proporcjonalna do welkośc odkształcena hodografu prądu, czyl pośredno zależy od stopna uszkodzena stojana [7]. Wszystke wynk powyższych analz prezentowane są w postac tekstowej grafcznej, co zdecydowane ułatwa ocenę stanu techncznego badanego slnka. Na rysunku 8 przedstawono przykładowe okno programu w trybe analzy PCA. Rys.6. Główne okno programu MONITOR W trybe analzy częstotlwoścowej (Rys.7), program MONITOR wyśwetla wdma prądów stojana w trzech fazach oraz wdmo modułu wektora przestrzennego. Użytkownk może wybrać dodatkowe funkcje przetwarzana wstępnego sygnałów, take jak skalowane, fltrowane, odcęce składowej stałej czy też wymnożene próbek sygnału przez wybraną funkcję okna. Oprócz tego program automatyczne wyszukuje wyznacza ampltudy wybranych charakterystycznych Rys.8. Okno programu MONITOR w trybe analzy składowych głównych prądu (PCA)

6 8 Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 00/03 cz. I Oprogramowane dagnostyczne MONITOR zostało równeż napsane w wersj dla urządzeń przenośnych z systemem Androd. Od strony funkcjonalnej ne różn sę od wersj komputerowej, natomast posada neco zmenoną grafkę, przystosowaną do obsług za pomocą ekranów dotykowych. Na rysunku 9 przedstawono zrzut ekranu tabletu, z uruchomonym programem MONITOR, w trybe analzy kształtu hodografu prądu stojana. Rys.9. Hodograf prądu stojana wykreślony na ekrane tabletu w programe MONITOR 5. Podsumowane Przedstawony w referace przenośny analzator dagnostyczny jest praktycznym, nenwazyjnym systemem pomarowym, który może być wykorzystany do okresowej dorywczej kontrol stanu techncznego slnków ndukcyjnych. Kompaktowa budowa rejestratora, bezprzewodowy nterfejs komunkacj oraz zastosowane przetwornków cęgowych w rol czujnków prądu, pozwala na wygodne zrejestrowane sygnałów prądów fazowych slnka w jego naturalnym układze pracy, bez potrzeby rozłączana obwodów zaslana. Newątplwe najważnejszym elementem systemu dagnostycznego jest oprogramowane zanstalowane na komputerze lub tablece, które obsługuje bezprzewodową komunkację z rejestratorem używając technolog Bluetooth oraz umożlwa analzę zebranych danych pomarowych pod kątem wykrywana różnych uszkodzeń slnka. Aktualne w programe dagnostycznym zamplementowano algorytmy analzy częstotlwoścowej oraz analzy składowych głównych wektora prądu stojana. Na podstawe przeprowadzonych badań eksperymentalnych stwerdzono, że zastosowane tych metod dagnostycznych umożlwa wykonane podstawowej oceny stanu techncznego slnka oraz pozwala na rozpoznane klasycznych uszkodzeń, takch jak: asymetra zaslana, zwarce pojedynczych zwojów stojana, czy przerwane prętów klatk wrnka. Elastyczna struktura oprogramowana pozwala na łatwą jego rozbudowę umożlwa dodane nowych funkcj dagnostycznych, wykorzystujących w rol sygnałów dagnostycznych prąd stojana. 6. Lteratura []. Benbouzd M.E.H.: A Revew of Inducton Motors Sgnature Analyss as a Medum for Faults Detecton. IEEE Trans. on Ind. Electroncs, vol.47, no.5, Oct. 000, p []. Eltabach M., Charara A., Zen I.: A comparson of External and Internal Methods of Sgnal Spectral Analyss for Broken Rotor Bars Detecton n Inducton Motors. IEEE Trans. Ind. Electroncs, 5 (004), n., 07- [3]. Martns J.F., Pres V.F., Pres A.J.: PCA-Based On-Lne Dagnoss of Inducton Motor Stator Fault Feed by PWM Inverter. IEEE ISIE 006, vol. 3, pp [4]. S. Nand, H. A. Tolyat, L Xaodong: Condton montorng and fault dagnoss of electrcal motors a revew. IEEE Trans. Energy Coverson, vol.0, pp.79-79, no.4, 005 [5]. Pawlak M.: Applcaton of moble devces wth the Androd system for the nducton motors faults dagnoss. Przegląd Elektrotechnczny. 03, R. 89, nr b, s [6]. Pawlak M.: Zdalny system pomarowy slnka ndukcyjnego dla urządzeń przenośnych z systemem Androd. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów Pomarów Elektrycznych Poltechnk Wrocławskej. Studa Materały. 0, nr 3, s [7]. Wolkewcz M., Kowalsk C.T.: Neuronowy detektor zwarć zwojowych stojana slnka ndukcyjnego wykorzystujący analzę PCA wektora prądu. Przegląd Elektrotechnczny, 0, R. 88, nr 4b, s Autor dr nż. Marcn Pawlak, Poltechnka Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów Pomarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskego 9, Wrocław, tel. (7) 30353, e-mal: marcn.pawlak@pwr.wroc.pl. Praca naukowa fnansowana ze środków Narodowego Centrum Nauk w ramach projektu N N Recenzent Prof. dr hab. nż. Sławomr Szymanec