ROZWÓJ METODYKI DIAGNOSTYKI ŁOŻYSK SILNIKA INDUKCYJNEGO POPRZEZ POMIAR I ANALIZĘ WIDMOWĄ PRĄDU ZASILAJĄCEGO

Transkrypt

1 Materiały XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM 4 Politechnika Gdańska Wydział Elektrotechniki i Automatyki ROZWÓJ METODYKI DIAGNOSTYKI ŁOŻYSK SILNIKA INDUKCYJNEGO POPRZEZ POMIAR I ANALIZĘ WIDMOWĄ PRĄDU ZASILAJĄCEGO Celem pracy było podniesienie wiarygodności diagnostyki łożysk w silnikach indukcyjnych za pomocą pomiaru i analizy prądu zasilającego. Uzyskano to opracowując nową metodę badawczą, w której obliczenie zarówno prędkości kątowej silnika jak i częstotliwości sieci zasilającej jest wykonywane na podstawie tego samego widma, które dalej jest wykorzystane do pomiaru składowych harmonicznych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk. Przedstawione wyniki badań potwierdzają zalety zaprezentowanej metody. DEVELOPMENT OF ROLL BEARING DIAGNOSTICS BY MOTOR CURRENT ANALYSIS The aim of the investigations described in the paper was working out the method of measurement and analysis of the current spectra, better than presently used, for bearing diagnostic purposes The aim was reached by new, elaborated diagnostic method. In this method calculations of rotational speed of rotor as well as frequency of supply net base on the same current spectrum which is next used for measurement of diagnostic components. The presented results of experimental investigations confirm advantages of the new diagnostic method. 1. WSTĘP W silniku indukcyjnym mogą pojawić się uszkodzenia elementów mechanicznych (jak łożyska, wirnik, wał) lub uszkodzenia elementów układu elektromagnetycznego (uzwojenia stojana, wirnika, czy obwód magnetyczny). Statystyka wskazuje, że w przeważającej części awariom ulegają łożyska (źródła zachodnie podają, że jest to 4-5% uszkodzeń, rosyjskie nawet 9%). Tak więc to diagnostyka łożysk jest kluczowym zagadnieniem dla nadzoru stanu silnika. Rysunek 1 ilustruje statystykę uszkodzeń według dwóch niezależnych źródeł amerykańskich [1]. Dziedziną zainteresowań autora pracy jest diagnostyka silników elektrycznych indukcyjnych przy wykorzystaniu pomiarów prądu zasilającego silnik w stanie ustalonym. Pojawienie się określonych typów uszkodzeń w silniku jest źródłem odkształcenia tego prądu. Poddając przebieg prądu analizie widmowej uzyskuje się szereg składowych, które związane są z określonymi typami uszkodzeń. Najszersze aktualnie zastosowanie tej metody to diagnozowanie stanu klatek wirników silników indukcyjnych.

2 318 Znane sposoby diagnostyki łożysk silnika indukcyjnego poprzez pomiar i analizę widmową prądu zasilającego polegają na pomiarze prędkości kątowej silnika i częstotliwości napięcia sieci zasilającej za pomocą dodatkowych urządzeń pomiarowych a następnie obliczenie na tej podstawie częstotliwości charakterystycznych dla określonych uszkodzeń 1 Procentowy udział EPRI Procentowy udział IEEE łożysk stojanów wirników Inne łożysk stojanów wirników Inne Rodzaj uszkodzenia Rodzaj uszkodzenia Rys. 1. Procentowy udział rodzajów uszkodzeń silnika indukcyjnego według dwóch niezależnych źródeł amerykańskich Fig. 1. The share of different types of bearing faults according two independent american sources łożyska. W drugim etapie pobierana jest próbka czasowa krzywej prądu którą następnie poddaje się analizie widmowej. 5% Przy takim podejściu brak synchronizacji pomiarów prędkości kątowej, częstotliwości i widma. Ze względu na niestacjonarny charakter prądu silnika częstotliwości obliczone na podstawie wzorów teoretycznych nie pokrywają się z uzyskanymi z eksperymentu. Powoduje to komplikację stosowanych metod matematycznych, a uzyskiwane wyniki są mało wiarygodne. 2. NOWA METODA POMIARU Po przeanalizowaniu dotychczas opisanych w literaturze rozwiązań systemów do diagnostyki łożysk tocznych w silnikach indukcyjnych poprzez pomiar i analizę prądu zasilającego (jak [2-6]) autor doszedł do wniosku, że podstawowym warunkiem sukcesu jest posiadanie systemu pomiarowego o odpowiednio niskim poziomie szumów i dużej dynamice pomiaru.

3 Rozwój metodyki diagnostyki łożysk silnika indukcyjnego poprzez pomiar i analizę Na podstawie wyników uzyskanych z obliczeń na modelu matematycznym silnika [7,8], a także wstępnych pomiarów na silniku rzeczywistym określono następujące warunki, jakie powinna spełnić metoda i układ pomiarowy: 1. dla zachowania niezbędnego odstępu sygnału od szumu 2 db, łączny szum układu nie powinien przekraczać 15dB, a zakres mierzonych częstotliwości 2Hz - 3 khz, 2. ze względu na to, że w widmie prądu na ogół pojawia się szereg składowych o zbliżonych częstotliwościach niezbędne jest określenie częstotliwości sieci zasilającej a także częstotliwości obrotowej z błędem nie większym niż ±,3 Hz, przy rozdzielczości widma co najmniej 1/8 Hz, 3. pomiar prędkości kątowej i częstotliwości sieci powinien być wykonany i uśredniony w tym samym przedziale czasowym, w którym pobrano próbkę sygnału prądu do analizy widmowej, 4. niepewność pomiaru nie powinna być większa niż 5%. Przy wyborze układu pomiarowego przyjęto dodatkowy warunek, a mianowicie: 5. dla zapewnienia elastyczności, możliwości rozbudowy oprogramowania i dalszej automatyzacji pomiarów układ pomiarowy powinien być skomputeryzowany, oparty o wirtualne przyrządy pomiarowe. W dalszej przyszłości taki skomputeryzowany system, pozbawiony urządzeń stacjonarnych umożliwi badania wdrożeniowe. Dla realizacji tych założeń autor zaproponował nowy sposób i układ do pomiaru składowych harmonicznych w widmie prądu silnika, charakterystycznych dla uszkodzeń łożyska [9]. Charakteryzuje się on tym, że obliczenie zarówno prędkości kątowej silnika jak i częstotliwości sieci zasilającej jest wykonywane na podstawie tego samego widma, które dalej jest wykorzystane do pomiaru składowych harmonicznych charakterystycznych dla uszkodzeń łożysk. W ten sposób uzyskuje się zgodność częstotliwości składowych obliczonych teoretycznie ze zlokalizowanymi w widmie. Pozwala to na uniknięcie tworzenia dodatkowych okien w widmie i obliczeń statystycznych, nie są również potrzebne wcześniejsze wyniki pomiarów ( etap nauki ). Dodatkowe urządzenia do pomiaru prędkości kątowej silnika jak i częstotliwości sieci zasilającej są zbędne, a dokładność tych pomiarów jest wysoka. Dla podniesienia dynamiki pomiarów zaproponowano stłumienie podstawowej składowej harmonicznej jeszcze w części analogowej systemu a następnie wzmocnienie pozostałego sygnału i dalej poddanie go analizie widmowej. Poniższy rysunek przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru składowych harmonicznych w prądzie zasilającym silnik indukcyjny.

4 32 Przetwornik prądu Kondycjonowanie sygnału Przetwarzanie A/D Baza danych łożysk Obliczenie FFT Widmo prądu Obliczenie częstotliwości napięcia sieci zasilającej Obliczenie prędkości kątowej wirnika silnika Obliczenie częstotliwości charakterystycznych dla łożyska oraz częstotliwości oczekiwanych dla uszkodzeń Wyznaczenie amplitud składowych widma o częstotliwościach oczekiwanych dla uszkodzeń Diagnoza Rys. 2. Zaproponowana metoda analizy prądu silnika dla celów diagnostycznych Fig. 2. The proposed diagnostic method for motor current analysis 3. WYNIKI BADAŃ NA MODELU FIZYCZNYM Widmo prądu silnika, w którym są uszkodzone łożyska jest złożone i przez to trudne do analizy. W pierwszym etapie badań eksperymentalnych, dla łatwiejszego określenia występujących zależności, zdecydowano wymusić w silniku oscylację szczeliny powietrznej o jednej, regulowanej częstotliwości. Aby to uzyskać do korpusu badanego, elastycznie posadowionego silnika indukcyjnego przymocowano silnik prądu stałego o zmiennej prędkości obrotowej. Wirnik tego ostatniego silnika posiadał specjalnie dodaną masę mimośrodową wprawiającą w trakcie pracy korpusy obydwu silników w drgania o nastawianej częstotliwości. Drgania korpusu silnika indukcyjnego powodują oscylacje szczeliny powietrznej, co symuluje oscylacje wirnika od uszkodzenia łożyska. Taki sposób przeprowadzania badań symulacyjnych na silniku indukcyjnym jest oryginalną metodą, opracowaną przez autora referatu [1]. Wcześniejsze badania na modelu matematycznym silnika pozwoliły autorowi postawić hipotezę, iż w przypadku wibracji wirnika (wywołanej bądź wibratorem, bądź spowodowanej przez uszkodzone łożysko) każda składowa, istniejąca w silniku bez wibracji zostanie zmodulowana częstotliwością wibracji i jej harmonicznymi. Przejrzystość rezultatów badań symulacyjnych, w porównaniu z pomiarami na rzeczywiście uszkodzonych łożyskach, pozwoliła na eksperymentalne potwierdzenie przewidywanych zależności wiążących wibracje szczeliny powietrznej ze składowymi widma

5 Rozwój metodyki diagnostyki łożysk silnika indukcyjnego poprzez pomiar i analizę prądu stojana. Obiektem badanym był silnik o mocy 1,1 kw i dwóch parach biegunów. Rys. 3. podaje spektrum prądu silnika indukcyjnego (badanego) pracującego na biegu jałowym bez wibracji (wirnik wibratora pozostaje nieruchomy). Rys. 3. Widmo prądu biegu jałowego silnika indukcyjnego bez wibracji zewnętrznych Fig. 3. The current spectrum of an idle-running induction motor without external vibrations Na podstawie badań na silniku bez wibracji określono również częstotliwości składowych, które powinny się pojawić przy włączonym wibratorze zgodnie z podaną hipotezą. Rys. 4. podaje spektrum prądu zasilania silnika dla przypadku aktywnego wibratora generującego drgania o częstotliwości f w = 4 Hz. Rys. 4. Widmo prądu biegu jałowego silnika indukcyjnego przy aktywnym wibratorze generującym drgania korpusu silnika badanego o częstotliwości 4 Hz Fig. 4. The current spectrum of an idle-running induction motor with an active vibrator generating vibrations of the body of the motor under test with a frequency of 4 Hz Krzyżykami zaznaczono linie spektralne nie posiadające znaczenia diagnostycznego, z racji ich obecności także w przypadku braku wibracji. Pozostałe, nowe składowe są efektami modulacji składowych istniejących na rys.4. częstotliwościami +/-fw oraz +/-2*fw.

6 322 Sposób oznaczania objaśnia przykład: symbol 6A na rysunku 4 oznacza modulację składowej o numerze 6 z rysunku 3 częstotliwością +fw (litera B oznacza odpowiednio częstotliwość modulującą fw, litera C częstotliwość +2* fw i litera D częstotliwość 2*fw). Na podstawie wyników badań symulacyjnych na obiekcie sformułowano model matematyczny przebiegu prądu silnika indukcyjnego w przypadku łożysk bez uszkodzeń i z uszkodzeniami. Model sprowadza się do tablicy zależności określających fizyczne źródło składowych harmonicznych w silniku bez uszkodzeń (35 zależności dla pasma -2 Hz) oraz zdefiniowania 14 zależności określających pochodzenie nowych harmonicznych, pojawiających się w widmie prądu silnika z uszkodzonym łożyskiem. 4. BADANIA NA OBIEKTACH RZECZYWISTYCH Opisane dalej badania łożysk uszkodzonych dotyczą 9 egzemplarzy, reprezentujących trzy rodzaje uszkodzeń, każde z nich na trzech poziomach: uszkodzenie silne, średnie i słabe. Właściwy dobór składowych harmonicznych prądu zasilania silnika jest decydujący dla trafnej diagnozy. Przeprowadzono badania równolegle nad pięcioma zestawami składowych proponowanych jako symptomy uszkodzeń. Najwyższe prawdopodobieństwa trafnych diagnoz uzyskano stosując zestaw składający się z 64 składowych. Jako syntetyczny miernik wyniku badania diagnostycznego zaproponowano sumę arytmetyczną ( sumę kontrolną SK ) amplitud (wyrażonych w db) zestawu 64 składowych. Przykładowe wyniki badań przy różnych obciążeniach silnika dla łożyska nieuszkodzonego i dla trzech łożysk o różnym stopniu uszkodzenia elementów tocznych prezentują rysunki 5 i Sumy kontrolne [db 14 7 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L1 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L2 Obciążenia Rys. 5. Sumy kontrolne dla silnika z łożyskami bez uszkodzeń, obciążenia od biegu jałowego do 7% In Fig. 5. The checksums for motor with correct bearings, loads from idle-running to 7% In

7 Rozwój metodyki diagnostyki łożysk silnika indukcyjnego poprzez pomiar i analizę T1 T2 T3 21 Sumy kontrolne [db] 14 7 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L1 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L2 Obciążenia Rys. 6. Sumy kontrolne dla silników z łożyskami T1, T2, T3 o różnym stopniu uszkodzenia elementów tocznych Fig. 6. The checksums for bearings with different depth of damages s a function of load Poziom USK kwalifikujący łożysko do uszkodzonych wynosi 7 db. Wartość ta została ustalona eksperymentalnie. Rysunek 7 prezentuje prawdopodobieństwo rozróżnienia łożyska uszkodzonego od nieuszkodzonego w zależności od obciążenia. 12 Prawdopodobieństwo rozpoznania [%] L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L1 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L2 Obciążenia Rys. 7. Prawdopodobieństwo poprawnego rozpoznania ogólnego stanu łożyska w zależności od obciążenia Fig. 7. The probability of correct recognition of general state of bearing as a function of load 5. PODSUMOWANIE Metoda pomiaru i system pomiarowy zbudowany w oparciu o nią pozwoliły na realizację celów, nakreślonych dla tej pracy. Dzięki nim możliwy jest wiarygodny pomiar składowych harmonicznych widma prądu silnika, które mogą pojawić się przy określonych uszkodzeniach łożysk. Prawdopodobieństwo poprawnej klasyfikacji łożysk silnika do kategorii uszkodzonych bądź nieuszkodzonych na biegu jałowym i małych obciążeniach wynosi 9%, przy większych obciążeniach spada do 8%. Osiągnięty poziom trafności takich klasyfikacji pozwala na budowę systemów stałego monitoringu stanu łożysk poprzez pomiar i analizę prądu stojana, opartych na opracowanej metodyce.

8 324 LITERATURA 1. Stack JR, Habetler TG, Harley RG: Effects of machine speed on the development and detection of rolling element bearing faults. IEEE Power Electronics Letters, vol.1, no.1, March R. R. Schoen, T. G. Habetler, F. Karman, and R. G. Bartheld. "Motor bearing damage detection using stator current monitoring," IEEE Transactions on Industry Applications, vol.31, pp , No. 6, Nov/Dec B. Yazici, and G. B. Kliman, "An adaptive statistical time-frequency method for detection of broken bars and bearing faults in motors using stator current," IEEE Transactions on Industry Applications, vol.35, pp , No. 2, March/April G. B. Kliman, and J. Stein, "Induction motor fault detection via passive current monitoring," in Proc. ICEM, MIT Cambridge U.S.A., , pp G. B. Kliman, and J. Stein, "Methods of motor current signature analysis," Electric machines and power systems, vol. 2, No.5, 1992, pp H. Calis, and P. J. Unsworth, "Fault diagnosis in induction motors by motor current signal analysis," in Proc. SDEMPED 99, pp Rusek J., Swędrowski L.: Wpływ uszkodzenia łożyska na spektrum prądu silnika indukcyjnego. W: Materiały. XXXIX Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME 23, Gdańsk, 9-11 Czerwiec Rusek J., Swędrowski L.: Wykorzystanie modelu silnika indukcyjnego klatkowego do prądowej diagnostyki jego łożysk. W: Materiały XIII Sympozjum Modelowanie i Symulacja Systemów Pomiarowych, Kraków, 8-11 września Swędrowski L. Sposób i układ do przeprowadzania badań diagnostycznych silnika indukcyjnego, zwłaszcza jego łożysk tocznych. Zgłoszenie patentowe nr P Swędrowski L.: Diagnostic measurement of current supplying an electric motor. W: Proceedings XVII IMEKO World Congress -Metrology in the 3rd Millennium. June , 23 Dubrovnik, Croatia. ABSTRACT Damage of bearings is the most common cause of failures of squirrel-cage induction motors. Faulty bearing results in additional motor vibrations. They are reflected in the harmonic content of stator currents. In certain operating conditions the current signal is the sole source of information on the state of the motor. The aim of the investigations described in the paper was working out the method of measurement and analysis of the current spectra, better than presently used, for bearing diagnostic purposes. The paper presents a new, elaborated diagnostic method. The paper presents also results of laboratory simulations for a motor put into vibrations of adjustable frequency. Vibrations of the motor housing simulate the rotor oscillations caused by a damaged bearing. The results of laboratory simulations permitted to define the relations linking vibrations of the air gap with the components in the stator current spectrum. Results of measurements done on the real damaged bearings are also shown in the paper. The probability of correct diagnosis is high enough for industrial application of elaborated method.