ZASTOSOWANIE POMIARU STRUMIENIA OSIOWEGO DO OKRE- SOWEJ DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W ZAKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/24 (4) 247 Adam Biernat, Paweł Góralski Instytut Maszyn Elektrycznych, Politechnika Warszawska ZASTOSOWANIE POMIARU STRUMIENIA OSIOWEGO DO OKRE- SOWEJ DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W ZAKŁADACH PRZEMYSŁOWYCH THE APPLICATION OF AXIAL FLUX MEASUREMENT FOR PERIODIC DIAG- NOSIS OF INDUCTION MOTORS IN INDUSTRIAL PLANTS Streszczenie: W artykule przedstawiono wstępne rezultaty wdrażania diagnostyki silników indukcyjnych opartej na analizie strumienia osiowego w dużym zakładzie przemysłowym. Zamieszczono wyniki sprawdzenia przyjętej metody pomiarowej na maszynie testowej, na której symulowano uszkodzenie klatki. Porównano dwie metody diagnostyki uzwojenia wirnika: analizy prądu i analizy strumienia osiowego. Przedstawiono wpływ obciążenia silnika na powtarzalność pomiarów. Omówiono klika przypadków, na które natknięto się podczas pomiarów w obiektach przemysłowych. Abstract: This paper presents the preliminary results of the implementation of the induction motors diagnostic based on the analysis of axial flux in a large industrial plant. The results of measurements of test machine with simulated cage faults that verify the used method are presented. Two diagnostic methods for rotor winding faults were compared: analysis of current and analysis of axial flux. The effect of engine load on the repeatability of measurements is shown. A few cases, which have been encountered during the measurements in industrial facilities are discussed. Słowa kluczowe: strumień osiowy, silnik indukcyjny, diagnostyka maszyn Keywords: axial flux analysis, induction motor, machine diagnostic. Wstęp Coraz większe wymagania stawiane maszynom przemysłowym w zakresie niezawodności i wydłużania terminów między-remontowych wynikają z rachunku ekonomicznego, warunkującego konkurencyjność przedsiębiorstwa. Te dwie, w gruncie rzeczy przeciwstawne tendencje wymagają objęcia parku maszynowego programem cyklicznej, lub ciągłej diagnostyki. Obserwowany w naszym kraju rozwój diagnostyki przemysłowej opiera się na badaniach wibroakustycznych. Prawidłowo wdrażana diagnostyka wibracyjna, wsparta przemyślaną polityką szkoleniowo sprzętowo - pomiarową w zakresie utrzymaniu ruchu pozwoliła zwiększyć niezawodność parku maszynowego. Diagnostyka wibroakustyczna obejmuje swoim zakresem również silniki elektryczne. Nie pozwala jednak w pełnym zakresie i w sposób jednoznaczny opisać stan obwodu elektromagnetycznego maszyn elektrycznych. W tej sytuacji w sukurs przychodzą metody oparte na analizie prądu zasilania. Metody te okazały się być bardzo efektywne. Ich zalety opisane zostały w wielu opracowaniach [5, 7]. Wymagają jednak bezpośredniego dostępu do poszczególnych faz przewodów zasilających. W wielu wypadkach w kanale kablowym przewody są skrępowane i założenie cęgów pomiarowych może być problemem. Ponadto obecność diagnosty w rozdzielni, otwieranie rozdzielnicy przy pracującej maszynie może być utrudnione, a sama procedura dostępu do przewodów może podlegać przepisom prowadzenia ruchu elektrycznego. Alternatywną metodą diagnostyczną, (której realizacja może być znacznie prostsza) jest metoda wykorzystująca pomiar osiowego strumienia rozproszenia [6,8,9]. 2. Analiza osiowego strumienia rozproszenia W dalszej części referatu przedstawiono wyniki wprowadzania diagnostyki silników elektrycznych bazującej na analizie osiowego strumienia rozproszenia do pomiarów harmonogramowych w dużym zakładzie przemysłowym. Przyjęto metodologię przeprowadzania pomiarów oraz sprzęt pomiarowy opisany w [2]. Polega ona, na zastosowaniu przenośnego rejestratora połączonego z cewką pomiarową umieszczoną na stałe na pokrywie łożyskowej, bądź przenośną, montowaną na czas pomiaru na osłonie wentylatora silnika przy pomocy przystawek magne-

2 248 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/24 (4) tycznych. Cewka pomiarowa ma kształt okręgu, składa się z N zwojów (zazwyczaj kilkuset). Jej średnica powinna być większą od średnicy wału maszyny. Sygnał napięciowy indukowany w cewce jest rejestrowany i całkowany: dφ u( t) = N, () dt t k φ = u( t)dt (2) N Analiza sygnału może być wykonana w oparciu o przebieg czasowy lub/oraz widmo częstotliwościowe sygnału. 3. Weryfikacja metody W celu weryfikacji skuteczności metody i oprogramowania przeprowadzono badania na maszynie testowej znajdującej się w Zakładzie Maszyn Elektrycznych Politechniki Warszawskiej. Maszyna testowa z odpowiednio modyfikowaną klatką wirnika umożliwia symulację uszkodzeń prętów, przez wykręcanie śrub łączących pierścień zwierający z prętami klatki. Maszyna jest sprzęgnięta z prądnicą prądu stałego, pozwalająca na płyną regulację obciążenia silnika. Badania testowe polegały na rejestracji prądów oraz strumienia osiowego dla pięciu przypadków różnego stopnia uszkodzenia klatki wirnika i różnego stopnia obciążenia. Widmo prądu fazowego (rys.) jest skalowane w taki sposób, by amplituda podstawowej harmonicznej wynosiła 6 db. Rozdzielczość częstotliwościowa widma wynosi,25 Hz, zakres częstotliwościowy 8 Hz. Uszkodzenie pręta klatki wirnika wprowadza asymetrię prądów wirnika, których składowa przeciwna o częstotliwości: f2 = fs (3) gdzie: f częstotliwość podstawowej harmonicznej prądu fazowego, s poślizg, wytwarza pole wirujące z prędkością kątową: ω nr = ω s (4) p gdzie: ω prędkość wirowania pola stojana, p liczba par biegunów, względem wirnika przeciwnie do jego obrotów. Pole to unoszone przez wirnik indukuje w stojanie siłę elektromotoryczną i zgodne z nią prądy o częstotliwości: f = p f + f ) = f ( s) (5) 2 fs ( r nr 2 gdzie: f r częstotliwość wirowania wirnika. t p Zgodnie z [] analiza widma prądu polega na śledzeniu różnicy A (wyrażonej w db) amplitudy podstawowej harmonicznej prądu zasilania i amplitudy wstęgi bocznej odległej o podwójną częstotliwość poślizgu: 2 f s = f( 2s) (6) Im mniejsza różnica, tym większe uszkodzenie. Wartością graniczną, po przekroczeniu, której można mówić o uszkodzeniu jest 4 db. Na rysunku przedstawiono widmo prądu maszyny testowej z nieuszkodzoną klatką wirnika. Rys.. Widmo prądu sprawnej maszyny testowej (p = 3, n = 88 obr/min) Cewka pomiarowa rejestruje osiowy strumień rozproszenia wytworzony przez asymetrię prądu stojana płynącego w czołach uzwojeń i asymetrię prądu płynącego w pierścieniu zwierającym pręty wirnika. Sygnał napięciowy cewki pomiarowej zawiera składowe harmoniczne występujące zarówno w prądzie stojana (5) jak i prądzie uzwojeń wirnika (3). Stąd analiza widma strumienia osiowego oparta jest na podobnych zasadach jak analiza widma prądu fazowego. Rys. 2. Widmo strumienia sprawnej maszyny testowej

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/24 (4) 249 Prace prowadzone pod koniec ubiegłego i na początku obecnego wieku [], [3] wykazały, że występuje dobra korelacja składowych widma strumienia osiowego o częstotliwościach: f f BB = ( s) ± sf p ze stopniem uszkodzenia prętów klatki wirnika. Uzasadnieniem jest występowanie nienaturalnie wysokiego lokalnego pola w szczelinie wywołane uszkodzeniem pręta, wirującego z częstotliwością obrotowa wirnika. W profesjonalnej aparaturze diagnostycznej do oceny stopnia uszkodzenia prętów klatki wirnika wykorzystuje się składową widma strumienia osiowego o częstotliwości (5). Na rysunku 2 przedstawiono widmo strumienia osiowego maszyny sprawnej zarejestrowany przy podobnym poziomie obciążenia jak w wypadku rejestracji sygnału prądowego (rys.). Parametry widma różnią się częstotliwością maksymalną -55Hz oraz wartością odniesienia względem, której skalowane jest widmo. Ze względu na inne nastawy rejestracji sygnału, tj. większej częstotliwości maksymalnej przy niższej rozdzielczości częstotliwościowej, czas wykonywania pomiaru jest krótszy. Badania podzielono na dwie części: pierwszą porównawczą analizę widma prądu i strumienia osiowego dla maszyny testowej sprawnej i uszkodzonego jednego pręta wirnika oraz drugą uwzględniającą wpływ stopnia obciążenia maszyny. W tabeli zamieszczono informację o przebiegu eksperymentu. Kolumna I przedstawia kolejność pomiarów testowych prądu fazowego i strumienia osiowego. Natomiast kolumna II przestawia kolejność pomiarów testowych strumienia osiowego. Tabela. Lp.. Stan maszyny Obciążenie [%] 2. Maszyna sprawna. S 8 2 I II Maszyna z wypiętym jednym prętem. S Maszyna z wypiętymi trzema prętami S3 W tabeli 2 zamieszczono wyniki uzyskane podczas badań porównawczych obu metod, zilustrowane na rysunku 3. Tabela 2. Lp. Stan Obc [%] A (I) A (φ ) S S S S Porównując wyniki uzyskane dwoma metodami, można zauważyć zbieżność rezultatów. Warto również zwrócić uwagę na czytelność analizowanych widm. Widmo prądu zawiera mniej składowych harmonicznych. W obu wypadkach analizy widma potrzebna jest dokładna znajomość prędkości obrotowej wirnika w trakcie pomiaru, w celu lokalizacji wstęgi bocznej. Rys.3. Ilustracja wyników części I eksperymentu Druga część eksperymentu polegała na badaniu wpływu stopnia obciążenia diagnozowanej maszyny na poprawność werdyktu diagnostycznego. Jest to istotne zagadnienie w wypadku silników pracujących w reżimie technologicznym, gdzie wpływ na stopień obciążenia maszyn bywa ograniczony, nawet niemożliwy. Rezultaty przedstawiono w tabeli 3 i na rysunku 4. Wyraźnie zauważalny jest wpływ obciążenia na przyjętą miarę diagnostyczną, jaką jest różnica amplitud wybranych składowych harmonicznych widma. Różnice nie są jednak na tyle duże, by wystąpiła zmiana oceny stanu maszyny z dobrego na zły. Najmniejszy wpływ stopnia obciążenia maszyny zauważono dla przypadku uszkodzenia jednego pręta. Potwierdzone zostało również zalecenie, by unikać

4 25 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/24 (4) wykonywania pomiarów, gdy silnik nie jest dostatecznie obciążony. Tabela 3. Lp. Stan Obc [%] A (φ ) S 43 2 S S S S S S S S S3 2 Rys. 4. Ilustracja wyników części II eksperymentu 4. Wyniki wdrażania metody pomiaru strumienia osiowego do cyklicznej diagnostyki maszyn Jak wspomniano na wstępie, celem prowadzenia diagnostyki jest zapewnienie wzrostu niezawodności systemów napędowych z maszynami elektrycznymi. Dlatego w jednym z czołowych zakładów przemysłowych w Polsce, mimo stosunkowo niewielkiej ilości uszkodzeń natury elektrycznej, rozpoczęto wdrażanie diagnostyki silników w oparciu o analizę strumienia osiowego. Rozmiar przedsięwzięcia jest znaczny i docelowo swoim zasięgiem będzie obejmował wszystkie urządzenia napędzane silnikami indukcyjnymi, dotychczas diagnozowanymi w oparciu o pomiar drgań. Tworzone są nowe trasy pomiarowe poświęcone wyłącznie silnikom tak, aby objąć pomiarami wszystkie maszyny elektryczne. Pomiary są wykonywane przenośnym analizatorem wyposażonym w cęgi pomiarowe i cewkę z mocowaniem magnetycznym. Cewka pomiarowa zakładana jest na metalową osłonę wentylatora silnika, dzięki czemu jest solidnie przytwierdzona do obudowy. W celu dokładnego odtwarzania warunków pomiaru, cewka pomiarowa ustawiana jest zawsze centrycznie z możliwie dużą precyzją. W wyniku dotychczas zrealizowanych pomiarów wskazano kilkanaście maszyn, które według przedstawionego wcześniej kryterium oceny, wykazują istotną degradację stanu technicznego wirnika. Te przypadki będą szczegółowo analizowane podczas najbliższych remontów planowych. Dla zwiększenia pewności diagnozy analizuje się rodziny silników według schematu: producent/ typ/ rocznik. Jest to również okazja do uzupełnienia szczegółowych danych konstrukcyjnych, jak i historii remontowej. Poniżej omówionych zostanie kilka interesujących aspektów związanych z pomiarem osiowego pola rozproszenia. Pierwszym jest kształt obwiedni przebiegu czasowego sygnału strumienia osiowego silnika pracującego w stanie jałowym i obciążonym pompą. W przypadku silnika nieobciążonego i niesprzęgniętego (rys.5.), obwiednia sygnału strumienia charakteryzuje się falowaniem o stosunkowo małej amplitudzie i dużej częstotliwości równej częstotliwości obrotowej wału maszyny. W przypadku silnika obciążonego ze stosunkowo niewielką asymetrią klatki ( A = 46dB) dominujące staje się falowanie obwiedni z częstotliwością OBK - Pompa 9P-2A poślizgu (rys. 6). Amplitude in Flux AU P-2A -FC Flux - Axial - Center Time in Seconds Rys. 5. Przebieg czasowy strumienia osiowego silnika sprawnego, niesprzęgniętego podczas próby biegu jałowego

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/24 (4) 25 Amplitude in Flux AU P-4B -FC Flux - Axial - Center Route Waveform 28-lut-4 :22:29 db = 4.97 OBC = 85. RPM = (49.44 Hz) PK(+) = 2.76 PK(-) = 2.74 CRESTF=.56 sposób wykonania kratki, przez która powietrze jest zasysane. db Flux-AU DR3M - N3A 29-N3A -FC Flux - Axial - Center Spectrum Display 2-mar-4 9:4 db = -7. OBC = 9% RPM = 493. (24.88 Hz) Time in Seconds Rys. 6. Przebieg czasowy strumienia osiowego silnika sprawnego napędzającego pompę Porównanie dwóch przebiegów czasowych strumienia osiowego maszyny sprawnej i maszyny ze znaczną asymetrią klatki wirnika (rys. 6, rys.7) ujawnia zwiększony stopień (związany z obciążeniem) a także inny kształt falowania obwiedni sygnału. Amplitude in Flux AU P-2B -FC Flux - Axial - Center Time in Seconds Rys. 7. Przebieg czasowy strumienia maszyny z podejrzeniem uszkodzenia wirnika, napędzającej bliźniaczą pompę Podczas pomiaru należy zwrócić uwagę na poprawność montażu cewki pomiarowej. Na rysunku 8 przedstawiono widmo strumienia osiowego z zakłóceniami spowodowanymi drganiem obudowy maszyny (osłony wentylatora). Problem ten dotyczy szczególnie dużych silników, których osłony mają stosunkowo mniejszą sztywność w porównaniu z małymi maszynami. Nie bez znaczenia jest również Rys. 8. Widmo strumienia z zakłóconego drganiem obudowy maszyny Jedną z metod weryfikacji werdyktu diagnostycznego wydanego na podstawie analizy widma osiowego strumienia rozproszenia jest analiza widma drgań korpusu silnika o wysokiej rozdzielczości częstotliwościowej. Na rysunku 9 i rysunku przedstawiono przykładowe wyniki pomiarów weryfikujących. Potwierdzeniem werdyktu diagnostycznego (rys. ) było występowanie wstęg bocznych odległych o 2f s wokół harmonicznych obrotowych [4]. RMS Velocity in mm/sec DR3M - N37B 3-N37 -V Kadlub silnika E E E E E E E E E E E E Rys. 9. Widmo prędkości drgań RMS silnika. Wstęgi boczne odległe są o częstotliwość 2f s wokół harmonicznych obrotowych. Dlatego do tras pomiarowych dodano zalecenie pomiaru wibracji ze znacznie większą rozdzielczością częstotliwościową w porównaniu do zaleceń standardowych dla tras z pomiarem wibracji.

6 252 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 4/24 (4) RMS Velocity in mm/sec DR3M - N37B 3-N37 -V Kadlub silnika F F F F F F F F F F F F Route Spectrum 4-kwi-4 :25:57 OVERALL=. V-DG RMS =.68 OBC =. RPM = (49.7 Hz) >CE BSTe35M2B F=3xRPM+NPxSF Rys.. Widmo prędkości drgań RMS silnika. Wstęgi boczne odległe są częstotliwość 2f s wokół harmonicznych obrotowych. DR3M - N37B db Flux-AU N37 -FC Flux - Axial - Center Spectrum Display 4-kwi-4 :25 db = OBC = 77% RPM = (49.7 Hz) Rys.. Widmo osiowego strumienia rozproszenia silnika, którego widmo drgań zostało przedstawione na rysunku 9 i rysunku. Zaznaczono składową widma o częstotliwości (5) 5. Podsumowanie Przedstawione w artykule wstępne wyniki diagnozowania maszyn indukcyjnych przy wykorzystaniu analizy strumienia osiowego wykazały skuteczność metody, pomiary były stosunkowo mało czasochłonne w porównaniu do metody pomiaru prądów. Część maszyn, w których stwierdzono potencjalne nieprawidłowości została wytypowana do szczegółowego przeglądu wirników. Diagnostyka silników realizowana w oparciu o pomiar osiowego strumienia rozproszenia może być pomocnym narzędziem przy czynnościach odbiorowych nowych inwestycji. Wskazano przypadki, gdy sposób montażu poprzez przystawki magnetyczne jest niewystarczający. Wobec tego, w zależności korzyści, jakie przyniesie stosowanie analizy strumienia osiowego dla mniejszych maszyn, rozważne będzie zastosowanie cewek zainstalowanych na stałe, wykonanych według [8] dla maszyn krytycznych. Celem artykułu jest także zaproszenie środowiska naukowego i środowiska pracowników utrzymania ruchu do wymiany doświadczeń na temat realizacji podobnych przedsięwzięć. Ma być on również zachętą dla diagnostów do tworzenia wersji komercyjnych algorytmów diagnostycznych, które mogłyby zwiększyć niezawodność polskiego przemysłu. 6. Literatura []. Bytnar A., Biernat A., Urbański W., Wybrane problemy konstrukcyjne i technologiczne w maszynach elektrycznych w aspekcie diagnostyki, Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 85/2 pp. 75-8, ISSN [2]. CSI Reference Manual, Motorview for AMS, Suite: Machinery Health Induction Motor Analysis Softwares, Knoxville 24 [3]. Elkasabgy N., M., Eastham a., R., Dawson G., E., Detection of broken bars in the cage rotor on an induction machine, IEEE Transactions on Industry Applications 28()/992, pp [4]. Glenn H. Bate, B&K Application Notes. Vibration Diagnostic for Industrial Electric Motor Drives, 989 pp [5]. Thomson. W. T, Fenger M., Case Histories of Current Signature Analysis to detect Faults in Induction Motor Drives, Electric Machines and Drives Conference 23, IEMDC 3, pp [6]. Voitto Kokko, Condition Monitoring of Squirrle-Cage Motors by Axial Magnetic Flux, Department of Electrical Engineering, Optoelectronics and Measurement Techniques Laboratory, University of Oulu, Olulu 23 [7]. Patent, Polska, nr Sposób i układ diagnostyczny do wykrywania wad i uszkodzeń klatek silników indukcyjnych. MKP GR 3/34. Wyższa Szkoła Inżynierska w Opolu, Polska. Twórcy: Hickiewicz J., Wach P., Szymaniec S., Zgłosz Opubl. 987 [8]. Patent, Polska nr 3676 Czujnik do wykrywania zwarć w silnikach indukcyjnych. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków. Twórcy: Marian Noga, Witold Rams, Jerzy Skwarczyński, Marian Lany [9]. Petryna J., Sułowicz M., Duda A., Guziec K.: Wykorzystanie strumienia unipolarnego w diagnostyce maszyn prądu przemiennego. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne nr 99, 23, wyd. BOBRME Komel, s Autorzy Adam Biernat, A.Biernat@ime.pw.edu.pl Paweł Góralski, pawel.goralski@ee.pw.edu.pl