ZASTOSOWANIE ANALIZY WIDMOWEJ PRĄDU STOJANA DO MONITOROWANIA EKCENTRYCZNOŚCI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Transkrypt

1 Pace Naukowe Intytutu Mazyn, Napędów i Pomiaów Elektycznych N 6 Politechniki Wocławkiej N 6 Studia i Mateiały N ilnik indukcyjny, pąd tojana, hamoniczne żłobkowe, ekcentyczność, uzkodzenia łożyk Czeław T. KOWALSKI *, Paweł EWERT * ZASTOSOWANIE ANALIZY WIDMOWEJ PRĄDU STOJANA DO MONITOROWANIA EKCENTRYCZNOŚCI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W atykule pzedtawiono poblemy wykywania i oceny nieównomieności zczeliny powietznej ilnika indukcyjnego wynikającej z niewpółoowoci tojana i winika (ekcentyczności). Omówiono możliwości monitoowania i diagnotyki niecentyczności oadzenia winika względem tojana na podtawie analizy widmowej pądu tojana. Pzedtawiono tanowiko laboatoyjne oaz widma czętotliwościowe pądu fazowego badanego ilnika. Pzepowadzone badania laboatoyjne wykazały zgodność pomiaów z wzoami obliczeniowymi okeślającymi czętotliwości chaakteyzujące ekcentyczność. 1. WPROWADZENIE Obecnie w wielu gałęziach pzemyłu na świecie ponad 9% wzytkich zaintalowanych ilników tanowią ilniki indukcyjne. W czaie ekploatacji ilników indukcyjnych w częściach elektycznych obwodów (uzwojeń) tojana i winika oaz w układzie mechanicznym ilnika i wpółpacującej mazynie oboczej waz z elementami pzęgającymi powtają liczne uzkodzenia. Każda awaia wpowadza zakłócenia w poceie technologicznym i może powadzić do zatzymania całego układu, co w konekwencji powadzi do wzotu koztów podukcji. W związku z tym poblem wczenego wykywania uzkodzeń na podtawie monitoowania i oceny tanu technicznego układów napędowych z ilnikami indukcyjnymi ma badzo duże znaczenie. Dlatego aby uniknąć pzew w podukcji, zmniejzyć kozty emontu oaz obniżyć nakłady na bieżącą ekploatację powinno ię zukać poobów zybkiego wykywania uzkodzeń i infomowania o fakcie ich wytąpienia. Wiąże ię to z * Politechnika Wocławka, Intytut Mazyn, Napędów i Pomiaów Elektycznych, Wocław ul. Smoluchowkiego 19, czelaw.t.kowalki@pw.woc.pl, pawel.ewet@pw.woc.pl.

2 koniecznością ealizowania monitoowania i diagnotyki napędu elektycznego. Możliwe ą óżne waianty ozwiązania tego poblemu. Monitoowanie pacy napędu i ocena jego tanu technicznego może by ealizowana w poób: ciągły (on-line), okeowy, inpekcyjnie w okeślonych kytycznych ytuacjach. W ekploatacji napędów elektycznych dominują metody monitoowania i badania opate na analizie ygnałów diagnotycznych w dziedzinie czau i czętotliwości [2]. W pzypadku napędów z ilnikami indukcyjnymi podtawowym analizowanym ygnałem jet pąd fazowy tojana, w któym odzwieciedlone ą ymptomy uzkodzeń elektycznych i mechanicznych. Jednym z tudniejzych do wykywania uzkodzeń jet nieównomieność zczeliny powietznej. Można ją wykywać w widmie pądu tojana w potaci chaakteytycznych czętotliwości. Ze względu na złożoność zjawika ekcentyczności niezbędne jet analizowanie widma w zeokim paśmie czętotliwości. 2. DEFINICJA EKSCENTRYCZNOŚCI Wg [3] mimośodowość (ekcentyczność) mazyn jet tanem nieównej zczeliny powietznej, któa itnieje między tojanem i winikiem. Spowodowane jet to tym, że toleancje zczeliny powietznej pomiędzy tojanem a winikiem ą badzo małe. Niewielkie pzekoczenie ganic toleancji może powodować poważne uzkodzenie mazyny (tacie winika o tojan w konekwencji powadzi do uzkodzenia tojana lub winika), jak ównież pogłębić tan awayjny wywołany innymi niekozytnymi zjawikami takimi jak nieymetia zailania, uzkodzenie obwodów winika lub tojana, paca z nadmienym obciążeniem itp. Nieównomieność zczeliny powietznej może być uzkodzeniem piewotnym lub wtónym. O uzkodzeniu piewotnym mówi ię wówcza, gdy ilnik poiada nieymetię od początku ekploatacji. Jet ona wywołana najczęściej niekołowym otwoem tojana lub tym, że pzekój popzeczny winika jet niekołowy. Natomiat, gdy na kutek długotwałej ekploatacji w waunkach np. niewyoiowania napędu, zużycia łożyk wytąpi nieymetia zczeliny powietznej, wtedy ma ię do czynienia z uzkodzeniem wtónym. Rozóżnia ię tzy odzaje ekcentyczności [1]: 1. tatyczną, 2. dynamiczną, 3. miezaną. W pzypadku ekcentyczności tatycznej, położenie minimalnej zczeliny powietznej jet tałe w pzetzeni. Niewpółoiowość tatyczna może zotać wywołana pzez owalność dzenia tojana lub pzez niepopawne pozycjonowanie (utawienie) winika lub tojana na etapie pzekazania do ekploatacji. Jeżeli układ

3 winika lub tojana na etapie pzekazania do ekploatacji. Jeżeli układ winik-wał jet dotatecznie ztywny, wówcza poziom ekcentyczności tatycznej nie ulega zmianie. W pzypadku ekcentyczności dynamicznej śodek winika nie jet śodkiem wiowania (obotu) i położenie minimalnej zczeliny powietznej pzemiezcza ię po obwodzie tojana. Ta mimośodowość może być powodowana kilkoma czynnikami takimi jak: zgięty wał winika, zużyte łożyka, niewpółoiowość lub mechaniczny ezonan pzy kytycznej pędkości. Wytępowanie ekcentyczności dynamicznej powoduje pzedwczene zużycie łożyk, gzanie ię łożyk i niekontolowany ubytek maowania, a w końcu pzy dużym jej poziomie powoduje tacie winika o tojan, co w efekcie może dopowadzić do znizczenia mazyny [1]. W nowych ilnikach dopuzczalna jet nieównomieność zczeliny powietznej do 1% [3]. Jednakże poducenci ilników zwykle taają ię zapewnić jezcze niżzy poziom ekcentyczności, aby zedukować dgania i hała oaz zmniejzyć nieymetyczną iłę pomieniową. C C2 C1 Mazyny zdowa C -śodek tojana i winika oaz oś obotu Mazyna z ekcentycznością C1 -śodek winika i oś obotu C2 -śodek tojana Ry. 1. Wpółoiowe i mimośodowe uytuowanie winika w otwoze tojana Fig. 1. Coaxial and eccentic oto placement in the tato Najczęściej w ilnikach wytępuje jednocześnie mimośodowość tatyczna jak i dynamiczna, czyli tzw. ekcentyczność miezana. W tym pzypadku oś wiowania znajduje ię gdzieś pomiędzy punktami C1 i C2 jak pokazano na y. 1. Wytępowanie niewpółoiowości częto nie wyklucza mazyny z ekploatacji, jednakże w takich pzypadkach powinna być ona wykyta oaz kontolowana, ponieważ z eguły ma ona tendencję do pogłębiania ię, co w konekwencji powadzi do twałego uzkodzenia mazyny.

4 Monitoowanie niewpółoiowości pawia wiele tudności, ponieważ (pomijając pzypadki pokazowe i doświadczalne) mui ono być ealizowane bezinwazyjnie w takcie nomalnej pacy ilnika tak, aby nie zmieniać układu działających ił na mazynę. Z tego powodu, opócz pecjalnych pzypadków monitoowania np. za pomocą pomieni entgena, co jet ozwiązaniem dogim i kłopotliwym, najczęściej toowaną metodą jet analiza pektalna pądu tojana. 3. SYMPTOMY MIMOŚRODOWOŚCI W WIDMIE PRĄDU STOJANA Niewpółoiowe uytuowanie winika ilnika indukcyjnego względem tojana wpowadza aymetię zczeliny powietznej. Aymetia ta w wyniku chaakteytycznych zmian we wzajemnych pzężeniach magnetycznych pomiędzy uzwojeniami ilnika wpływa na potać widma pądu tojana. Jet to powód, dla któego metoda analizy pektalnej pądu tojana (ang. Moto Cuent Signatue Analyi MCSA) jet używana do wykywania ekcentyczności [1], [2], [3], [4]. W pzypadku iników indukcyjnych chaakteytyczne czętotliwości dla każdego odzaju ekcentyczności można opiać ównaniem: f 1 ( kn ± nd ) ± n e = f w pb, (1) gdzie: f czętotliwość ieciowa, k = 1,2,3,... kolejna liczba natualna, N liczba żłobków winika, n d = 1,2,3,... ząd ekcentyczności dynamicznej ( n d =, gdy ekcentyczność dynamiczna nie wytępuje), poślizg, p b liczba pa biegunów, n w = ± 1, ± 3, ± 5, ± 7,... ząd hamonicznych czaowych tojana. Z wyznaczonego z zależności (1) zbiou czętotliwości, powiązanych pzez liczbę pa biegunów p b i liczbę żłobków winika N z kontukcją mazyny, tylko dwie watości czętotliwości (w pzypadku baku pzewodu zeowego w zailaniu uzwojenia tojana to tylko jedna) ą chaakteytyczne dla tanu ymetii [1]. Hamoniczne o tych czętotliwościach nozą nazwę tzw. głównych hamonicznych żłobkowych (ang. Pincipal Slot Hamonic PSH). W nieuzkodzonym ilniku hamoniczne te mogą być wykozytywane do etymacji pędkości kątowej. Główną hamoniczną żłobkową dla ilników indukcyjnych można obliczyć z zależności:

5 f = N f ± f. (2) PSH Poównując wzoy (1) i (2) można zauważyć, że czętotliwość PSH jet obliczana 1 dla k = 1, n d =, n w = 1 oaz f = f. pb We wzoze (1) wytępują tzy gupy hamonicznych: k związane z winikiem, n d związane z ekcentycznością, n w związane ze tojanem. Jeżeli jednocześnie wytępuje ekcentyczność tatyczna i dynamiczna to w widmie pądu tojana będą widoczne hamoniczne o czętotliwościach blikich czętotliwości ieciowej: f = f ± kf. (3) ed W atykule zotały pzedtawione wybane pomiay wykonane dla ilnika STg 8X-4 fimy FSE Beel o paametach znamionowych N = 22, p b = 2, n = 14ob / min i =, 666. W widmie pądu tojana powinny być widoczne N kładowe wyokoczętotliwościowe okeślone na podtawie zależności (1), któe zależą od ozwiązań kontukcyjnych mazyny. Opócz tych czętotliwości w każdym ilniku wytępują kładowe nikoczętotliwościowe. To właśnie hamoniczne w paśmie nikich czętotliwości powodują wzot amplitud kładowych wyokoczętotliwościowych. Na y. 2 pzedtawiono pzykładowy teoetyczny ozkład hamonicznych nikoczętotliwościowych oaz wyokoczętotliwościowych w widmie pądu fazowego tojana badanego ilnika. W tabeli 1 pzedtawiono odzaje ekcentyczności oaz ich ymptomy w widmie pądu tojana.

6 a) b) f f(kn+)+nwf f f f + f f(kn - 1)+nwf f(kn+1)+nwf f(kn - 2)+nwf f(kn+2)+nwf f 2f f 3f f 4f f 5f f 6f f + 2f f f f f f [Hz] Ry. 2. Pzykładowe widma pądu tojana dla nieównomieności miezanej: a) pamo nikich czętotliwości, b) pamo wyokich czętotliwości Fig. 2. Example of mixed eccenticity cuent pecta: a) low-fequency band, b) high-fequency band Tabela 1. Rodzaje mimośodowości oaz ich ymptomy w widmie pądu tojana ilnika indukcyjnego Table 1.Fault eccenticity and thei ymptom in the tato cuent pectum Lp. Rodzaj uzkodzenia Chaakteytyczna czętotliwość 1 fe = f kn ± nd ± nw pb 1 Ekcentyczność miezana ( ) ( ) f = f ± kn 2 Ekcentyczność tatyczna e f = f ± kf 3 Ekcentyczność dynamiczna ed Gdzie: f czętotliwość ieci zailającej, poślizg, p b liczba pa biegunów, k = 1, 2, 3, 4,, ( 1 ) N liczba żłobków winika, n d = 1, 2, 3, 4,, n w = 1, 3, 5, 7,, f = f p f b 4. STANOWISKO BADAWCZE Badania zotały wykonane za pomocą multianalizatoa PULSE 356 fimy Büel&Kjæ. Obiektem badań był ilnik indukcyjny FSE Beel typu STg8x 4c, pzęgnięty z pądnicą pądu tałego PZBb446 (P n =1,5kW). Badany ilnik zailany jet z ieci popzez pzetwoniki pomiaowe LEM. Pędkość może być miezona bezpośednio za pomocą pzetwonika impulowego lub obliczana na podtawie czętotliwości PSH. Na y. 3 pzedtawiono upozczony chemat tanowika pomiaowego.

7 Ry. 3. Schemat ideowy tanowika laboatoyjnego Fig. 3. Diagam of the laboatoy et up Ze względu na fakt, że itnieje oganiczony dotęp do pzemyłowego analizatoa czętotliwości, opacowano dodatkowe opogamowanie w śodowiku LabVIEW (ektakcja chaakteytycznych czętotliwości odpowiadających mimośodowości) umożliwiające pzetwazanie ygnałów off-line na póbkach zaejetowanych np. za pomocą kat pomiaowych lub innych analizatoów. Pzed pzytąpieniem do analizy użytkownik mui podać kilka paametów badanego ilnika, któe ą niezbędne do obliczenia pozukiwanych czętotliwości. Są to: liczba pa biegunów, liczba żłobków winika, pędkość (jet ona ównież obliczana z czętotliwości PSH oaz czętotliwości obotowej), czętotliwość ieciowa, któa dla pewności obliczeń jet pawdzana na podtawie widma, minimalna watość amplitudy chaakteytycznej czętotliwości.

8 5. BADANIA LABORATORYJNE Na pzedtawionych poniżej widmach zotały zamiezczone tzy infomacje opiujące chaakteytyczne hamoniczne: 1. Zależność, z któej wyliczono zukaną kładową. 2. Czętotliwość. 3. Pionowa czana keka, okeślająca miejce jej wytąpienia. Czętotliwość podawana jet w miejcu znalezienia hamonicznej w widmie. W pzypadku jej baku, pionowa keka okeśla teoetyczne wytąpienia zukanej kładowej. a) b) f-f 25 f 5 f+f f-f 25 f 5 f+f pad [A].1.8 pad [A] czetotliwoc [Hz] czetotliwoc [Hz] Ry. 5. Widmo czętotliwościowe pądu fazowego tojana ilnika na biegu jałowym dla pzypadków: a) dobe łożyka, n=1498 ob/min, b) uzkodzona bieżnia wewnętzna jednego łożyka, n=1499 ob/min. Fig. 5. Specta of the tato phae cuent moto, unning no-load in cae: a) fo the good beaing, n=1498 ob/min, b) fo the beaing with boken intenal ace, n=1499 ob.min. Na y. 5, 6 i 7 zotały pzedtawione wybane widma pądu tojana w zakeie nikich jak i wyokich czętotliwości dla badanego ilnika z łożykami nieuzkodzonymi oaz z uzkodzoną bieżnią wewnętzną łożyka od tony mazyny oboczej. Na y. 5b w widmie pądu w zakeie nikich czętotliwości dla ilnika nieobciążonego nie ą widoczne hamoniczne świadczące o wytąpieniu ekcentyczności, wywołanej uzkodzeniem bieżni wewnętznej łożyka.

9 a) b) pad [A] f-2f f-f f-3f 22.5 f 5 f-4f f+f f-5f 71 f+2f 98.5 f-6f pad [A] f-2f f-f f-3f f 5 f-4f 47.5 f+f 74.5 f-5f 72 f+2f f-6f czetotliwoc [Hz] czetotliwoc [Hz] Ry. 6. Widma czętotliwościowe pądu fazowego ilnika z obciążeniem znamionowym dla pzypadków: a) dobe łożyka, n=1453 ob/min, b) uzkodzona bieżnia wewnętzna jednego łożyka, n=1463 ob/min) Fig. 6. Specta of the tato phae cuent fo moto (nominal load) in cae: a) fo the good beaing, n=1453 ob/min, b) fo the beaing with boken intenal ace, n=1463 ob.min a) b) PSH 599 f[,5(n-1)(1-)-1] f[,5(n+1)(1-)-1] PSH f[,5(n-1)(1-)-1] f[,5(n+1)(1-)-1] pad [A].1.8 f[,5(n-2)(1-)-1] f[,5(n+2)(1-)-1] pad [A].1.8 f[,5(n-2)(1-)-1] 55 f[,5(n+2)(1-)-1] czetotliwoc [Hz] czetotliwoc [Hz] Ry. 7. Widma czętotliwościowe pądu fazowego ilnika na biegu jałowym dla pzypadków: a) dobe łożyka, n=1498 ob/min, b) uzkodzona bieżnia wewnętzna jednego łożyka, n=1499 ob/min. Fig. 7. Specta of the tato phae cuent moto, unning no-load in cae: a) fo the good beaing, n=1498 ob/min, b) fo the beaing with boken intenal ace, n=1499 ob.min. Dopieo obciążenie badanego ilnika powoduje, że w widmie pojawiają ię kładowe okeślone zależnością (1). Na y. 6a opócz dużych amplitud hamonicznych otacyjnych, któe wytępują na każdym widmie, pojawiają ię niewielkie amplitudy innych hamonicznych mówiące o wytąpieniu ekcentyczności. Ich obecność świadczy o niewpółoiowym pzęgnięciu ilnika z mazyną oboczą. Zwiękzenie nieównomieności zczeliny powietznej uzykano pzez zamontowanie od tony mazyny oboczej łożyka z uzkodzoną bieżnią wewnętzną. Jak widać na y. 6b powodowało to badzo duże amplitudy

10 powodowało to badzo duże amplitudy kładowych f 3 f oaz f 2 f + w poównaniu z ich watościami dla ilnika z nieuzkodzonymi łożykami (y. 6a). Ponadto widoczne ą ównież kładowe okeślone zależnościami f 2 f, f 4 f oaz f 5 f. Analiza układu napędowego nieobciążonego możliwa jet tylko w paśmie wyokich czętotliwości. Jak pzedtawiono na y. 7b, mimośodowość powodowana zamontowaniem od tony mazyny obciążającej łożyka z uzkodzoną bieżnią wewnętzną, powoduje wyaźnie więkze amplitudy kładowych f [,5( N 2)( 1 ) 1] oaz f [,5( N + 2)( 1 ) 1] niż w pzypadku ilnika z dobymi łożykami (y. 7a). Ponadto w widmie na y. 7 widoczna jet hamoniczna PSH, któa może połużyć do obliczenia pędkości ilnika Amplituda [ma] zdowe łożyko, obciążenie 2.9A, 1453ob/min uzkodzona bieżnia zewnętzna łożyka, obciążenie 2.95A, 1461ob/min uzkodzona bieżnia wewnętzna łożyka, obciążenie 2.95A, 1463ob/min uzkodzone w łożyku 2 kulki obok iebie, obciążenie 2.975A, 1465ob/min f-5f f-4f f-3f f-2f f-f f f+f f+2f Hamoniczna Ry. 8. Amplitudy hamonicznych nikoczętotliwościowych pądu fazowego tojana ilnika pzy obciążeniu znamionowym z óżnymi uzkodzeniami łożyk. Fig. 8. Amplitude of the low-fequency hamonic of the moto with ated load fo diffeent defect beaing Na y. 8 zetawiono amplitudy hamonicznych nikoczętotliwościowych badanego ilnika pacującego pod obciążeniem znamionowym z óżnymi uzkodzeniami łożyk. Zwiękzenie niecentyczności układu popzez zatoowanie uzkodzonych łożyk powoduje wyaźny wzot kładowych f 3 f, f 2 f oaz f + 2 f. Ponadto widać niewielkie zmiany hamonicznych dla f 5 f oaz f Z 4poównania f. widma teoetycznego (y. 2) z zeczywitymi (y. 5 7) wynika, że czętotliwości chaakteyzujące mimośodowość ą widoczne nawet dla ilnika z nieznaczną ekcentycznością (nowy ilnik), co potwiedza pzydatność analizy widmowej pądu w diagnotyce ekcentyczności.

11 wej pądu w diagnotyce ekcentyczności. 6. UWAGI KOŃCOWE Na podtawie powyżzych ozważań i pzytoczonych pzykładów widm można fomułować natępujące uwagi i wnioki: diagnozowanie na podtawie widma pądu polega na ocenie amplitud hamonicznych o czętotliwościach chaakteytycznych dla danego uzkodzenia; analiza widmowa pądu tojana jet dokonałym poobem do oceny podtawowych uzkodzeń wytępujących w ilniku indukcyjnym, pzy zapewnieniu odpowiednio wyokiej ozdzielczości apaatuy pomiaowo pzetwazającej oaz odpowiednio zeokiego analizowanego pama czętotliwości; duża złożoność widm (inteakcje óżnych uzkodzeń), obecność zakłóceń powodują, że tafność diagnozy w dużym topniu zależy od wiedzy i doświadczenia ekpeta; w widmie pądu tojana opócz hamonicznych świadczących o wytąpieniu mechanicznego uzkodzenia (typu ekcentyczność, uzkodzenie łożyk czy też niepawidłowe pzęgnięcie) wytępują ównież kładniki infomujące o uzkodzeniach elektycznych; na podtawie pzepowadzonych pomiaów można twiedzić, że mimośodowości wytępującej w ilniku indukcyjnym towazyzy pojawienie ię dodatkowych hamonicznych o czętotliwościach f ed = f ± kf a w zczególności dużej amplitudy kładowej f + 2 f ; pzytoczone pzykłady potwiedziły, że wyniki pomiaów pokywają ię z dużą dokładnością ze wzoami obliczeniowymi na czętotliwości chaakteyzujące mimośodowość. Paca naukowa finanowana ze śodków na naukę w latach jako pojekt badawczy N /2439 LITERATURA [1] DROZDOWSKI P., PETRYNA J., WEINREB K., Inteakcja efektów elektycznych, magnetycznych oaz mechanicznych w ilnikach indukcyjnych w apekcie diagnotyki, Zezyty Poblemowe Mazyny Elektyczne, n. 54, 1997, BOBRME Komel, t [2] KOWALSKI CZ.T., Monitoowanie i diagnotyka uzkodzeń ilników indukcyjnych z wykozytaniem ieci neuonowych, Pace Naukowe Intytutu Mazyn, Napędów i Pomiaów Elektycznych Politechniki Wocławkiej, eia Monogafie n 18, zezyt 57, Wocław 25. [3] NANDI S., TOLIYAT H. A. AND LI X. Condition monitoing and fault diagnoi of electical

12 moto a eview, IEEE Tanaction on Enegy Conveion, Vol. 2, No. 4, Decembe 25, t [4] THOMSON W. T., FENGER M., Cuent ignatue analyi of detect induction moto fault, Induty Application Magazine, IEEE, Volume 7, Iue 4, July-Aug 21, t [5] SOBCZYK T., WEINREB K., A geneal appoach to on-line cuent-baed diagnotic of induction moto, Poc. XXXII Inten. Symp. on Electical Machine, SME 96, Cacow, 1996, pp APPLICATION OF STATOR CURRENT SPECTRUM ANALYSIS TO MONITORING ECCENTRICITY OF INDUCTION MOTOR In the pape the iue elated to the detection and analyi of the ai-gap eccenticity ae peented. The poibility of the application of the tato cuent pectum analyi to moto condition monitoing i dicued. The laboatoy et-up i biefly decibed and the elected cuent pecta ae peented. The expeimental eult confim the efficiency of the popoed method to the diagnotic of the induction moto dive.