Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki

Transkrypt

1 Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki AUTOREFERAT PRACY DOKTORSKIEJ Diagnostyka eksploatacyjna napędów elektrycznych w przemyśle cementowym na przykładzie Cementowni ODRA S.A. Autor: mgr inż. Marek Kacperak Promotor: dr hab. inż. Sławomir Szymaniec prof. PO Opole 2012

2 Autor składa promotorowi pracy Panu dr hab. inż. Sławomirowi Szymańcowi Profesorowi Politechniki Opolskiej serdeczne podziękowania za pomoc w realizacji pracy. Praca została napisana w ramach realizacji projektu badawczego własnego Nr N N Czujniki do pomiarów off-line i on-line wyładowań niezupełnych w silnikach elektrycznych oraz system kalibracji torów pomiarowych Projekt finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. 2

3 Spis treści 1.Wprowadzenie 1.1 Wstęp 1.2 Cele i tezy pracy Stan zagadnienia Wprowadzanie zmian wyposażenia elektrycznego układów napędowych Modernizacja wyposażenia pól zasilających silniki 6 kv Układy rozruchowe silników pierścieniowych Układy przeniesienia napędu.. 2. Diagnostyka eksploatacyjna elektrycznych napędów przemysłowych - badania własne Klasyfikacja napędów 2.2. Monitoring układów napędowych Przeciążenia i zakłócenia technologiczne układu napędzanego 2.4. Wprowadzenie systemu kontroli drgań układów napędowych badania własne Pomiary drgań bezwzględnych off-line Pomiaruy drgań względnych on-line badania własne Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń napięciem stałym off-line Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń na podstawie pomiarów wyładowań niezupełnych on-line - badania własne. 3. Pomiary wyładowań niezupełnych w warunkach przemysłowych - badania własne Aparatura diagnostyczna do pomiaru wyładowań niezupełnych on-line InsulGard firmy Eaton Cutler-Hammer 3.2. Układ do pomiaru on-line wyładowań niezupełnych InsulGard firmy EATON dla napędu młyna surowca SZUf-1412LL. 4. Własna metoda oceny stanu izolacji stojanów silników wysokonapięciowych w oparciu o wyliczenie współczynnika w1 i w2 zmiany wartości pdi [mw] od warunków środowiska pracy Charakterystyczne zmiany poziomów wzn oraz występujące wymuszenia środowiskowe Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 10 C 13 C, wilgotność względna około 70%- zimne rozruchy w latach 2010, 2011, 2012 po remoncie Wpływ temperatury i wilgotności na poziom sygnałów pdi (mw), pulse count PPS, Qmax (mv) podczas rozruchów Ujemna korelacja temperaturowa sygnałów wnz pdi, Q max, pulse count PPS podczas pracy silnika w okresie zimowym w latach 2010, 2011 i Obszar warunków środowiskowych; wilgotność względna 32% 50% temperatury z przedziału 20 C 24 C wpływ zmian wilgotności względnej powietrza Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20 C 25 C wilgotność względna 32% 50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od r do r

4 4.7. Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35 C 45 C, wilgotność względna 20% 35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od r do r 4.8. Wybór poziomów odniesienia do analizy pomiarów wnz oraz określenie współczynników stanu izolacji w1 i w2 - Kryteria oceny stanu izolacji w oparciu o współczynnik w1.. - Kryteria oceny stanu izolacji w oparciu o współczynnik w2.. 5.Wnioski. Wykaz publikacji.. Literatura

5 1 Wprowadzenie 1.1Wstęp Przemysł cementowy jest nieodłącznie związany z gospodarką danego państwa. Procesy przebiegające w gospodarce w sposób bezpośredni wpływają na zapotrzebowanie na cement. Obserwując naszą gospodarkę w czasach powojennych widzimy występowanie okresów wzmożonych inwestycji w przemysł cementowy. Powojenna odbudowa kraju spowodowała odtworzenie wcześniej pracujących zakładów. Jednym z nich była Cementownia ODRA odbudowana w latach 50-tych. Dalszym impulsem była modernizacja kraju w latach 80-tych. Wybudowano nowe zakłady oraz przeprowadzono gruntowne modernizacje. Czasy transformacji oraz gra rynkowa zmieniła podejście do inwestycji oraz zakresów modernizacji. Zaczyna się liczyć nie tylko zdolność produkcyjna, ale ponad wszystko jak najniższy koszt produkcji. Cementownie obecnie są w rękach prywatnych, co ułatwia podejmowanie decyzji uzasadnionych ekonomicznie. Duży nacisk jest położony na jakość produktu oraz intensyfikację wydajności procesów technologicznych. Chęć stabilnej praca ciągów technologicznych oraz wcześniejszego wykrywania potencjalnych awarii uczyniła z monitoringu i diagnostyki urządzeń podstawowy element zarządzania produkcją. Zakłady przemysłowe pracujące w ruchu ciągłym wymagają specyficznego podejścia do spraw remontowych. Dużym wyzwaniem jest utrzymanie w sprawności ruchowej instalacji w okresie między przeglądowym. Bardzo istotne są działania prewencyjne podejmowane podczas krótkotrwałych zatrzymań instalacji. Proces monitoringu i diagnostyka układów napędowych pozwala na określenie stanu technicznego instalacji. Zbierając dane diagnostyczne na temat poszczególnych obiektów możemy planować zakresy rocznych remontów. W skrajnych przypadkach określamy czy dany napęd (np. silnik) nadaje się do remontu kapitalnego. W takich przypadkach musimy porównać koszty remontu i zakup nowej jednostki. Budowane w latach 70-tych zakłady przemysłowe oraz modernizowane w tamtym czasie starsze obiekty pracują do obecnych lat. Sytuacja rynkowa zmusza właścicieli do eksploatacji tych obiektów. W latach poprzednich te instalacje były zapasowymi środkami produkcji. Zwiększony popyt na towary w tym cement zmienia charakter ich pracy, stają się one ważnym elementem gry rynkowej. Aby intensywnie eksploatować stare układy konieczna jest modernizacja aparatury kontrolno pomiarowej oraz wprowadzenie systemu diagnostycznego. Łatwiejszą drogą byłoby wybudowanie nowych instalacji, przeszkodą jest jednak czas oraz koszty takich zmian. Jedynym rozwiązaniem jest cykliczna ocena stanu technicznego oraz stopniowa modernizacja poprawiająca sprawność układów napędowych [8]. Diagnostyka eksploatacyjna jest to zespół działań podjętych na obiekcie technologicznym w trakcie prowadzenia produkcji w celu uzyskania informacji o: aktualnym stanie technicznym urządzenia, przyczynach pogorszenia się stanu technicznego urządzenia, prognozowanym czasie bezawaryjnej pracy urządzenia, koniecznych zabiegach konserwacyjnych i remontowych przy najbliższym postoju. Dla prowadzenia poprawnej diagnostyki należy określić dla poszczególnych typów urządzeń niezbędny technicznie i ekonomicznie uzasadniony zakres prowadzonej diagnostyki. W przypadku eksploatacji napędów elektrycznych zależnej od ich stanu technicznego, remont wykonywany jest tylko wtedy, gdy jest on niezbędny [57]. Poprzez pomiary można określić kiedy rozpoczęło się uszkodzenie, monitorować jego rozwój i przewidzieć czas kiedy ma nastąpić remont [57]. 5

6 1.2 Cele i tezy pracy Cel pracy Celem pracy jest opracowanie efektywnej diagnostyki eksploatacyjnej napędów przemysłowych w przemyśle cementowym w szczególności maszyn elektrycznych w tych napędach. Diagnostyka będzie obejmowała uszkodzenia typu elektromagnetycznego i mechanicznego najczęściej występujące w tych napędach. Przedmiotem badań będą głównie silniki indukcyjne pierścieniowe i klatkowe o izolacji VPI i Resin-Rich na łożyskach tocznych i ślizgowych. Tezy pracy Pracy silników elektrycznych z napędów przemysłowych w cementowniach towarzyszą wyładowania niezupełne (wnz). Analiza wnz z uwzględnieniem rozkładów fazowo-rozdzielczych może być wykorzystana do diagnostyki on-line izolacji tych silników w tym do diagnostyki czół uzwojeń. Opracowany system doboru kryteriów i wyznaczania obszarów obserwacji wyładowań niezupełnych dla danej maszyny pozwala na ciągłe śledzenie starzenia się izolacji oraz pozwala ocenić skuteczność czynności naprawczych. Metoda analizy stanu izolacji na podstawie obserwacji wnz w wyznaczonych obszarach pracy układu izolacji z wykorzystaniem stanów przejściowych (zmiana temperatury, wilgotności powietrza chłodzącego, obciążenia maszyny, rozruch) pozwala ocenić stopień degradacji stanu izolacji. W analizie w dziedzinie czasu i częstotliwości sygnału drgań względnych wałów silników pierścieniowych zawarta jest informacja o stanie technicznym tego napędu. Praca ma charakter technologiczny zmierzający do zmniejszenia awaryjności urządzeń technologicznych w krajowych cementowniach. Uzyskane w ten sposób obniżenie kosztów produkcji poprawi konkurencyjność tej gałęzi przemysłu w Unii Europejskiej. 6

7 1.3 Stan zagadnienia Podstawowym zadaniem pracy było wprowadzenie niezbędnych zmian w wyposażeniu technicznym maszyn elektrycznych oraz budowa systemu diagnostycznego on-line i off-line, zapewniającego bezawaryjną pracę napędów elektrycznych pomiędzy rocznymi przeglądami układu technologicznego cementowni. Sytuacja zastana na rok 2006 to wysoka awaryjność układów technologicznych: o nitka wypału klinkieru awaryjne postoje 14 dni /rok (straty to 100tys.zł/dobę razem straty 1,4 mln zł), o młyny cementu awaryjne postoje 28 dni/rok (straty 24 tys. zł/dobę razem 670 tys. zł). Duża awaryjność układów technologicznych była powodowana wieloma czynnikami występującymi w układzie napędowym. Poprawa zdolności ruchowej urządzeń wymagała podejścia kompleksowego do tematu. Określenie przyczyn występowania awarii ukierunkowało podjęcie działań naprawczych. Przyczyny powstawania awarii: o awarie wyłączników mocy 6 kv, o złe działanie zabezpieczeń pół odpływowych 6 kv, o niekontrolowane ilości rozruchów silników, o zły stan techniczny rozruszników silników pierścieniowych, o stosowanie sztywnych sprzęgieł o zły stan techniczny ram i fundamentów silników, o trwałe przeciążenia silników Podjęte działania modernizacyjne oraz wprowadzenie systemu diagnostycznego doprowadziło do poprawy zdolności ruchowej urządzeń technologicznych i zmniejszyło koszty produkcji. Sytuacja 2011 roku to duże ograniczenie postojów awaryjnych spowodowanych niesprawnością maszyn elektrycznych, dla przykładu: nitka wypału klinkieru awaryjne postoje 0 dni, młyny cementu awaryjne postoje 3 dni (awaria układu rozruchowego silnika synchronicznego). Dodatkową zaletą wprowadzonych zmian jest zmniejszenie rozmiarów i skutków awarii mechanicznych. Ten efekt uzyskano przez wczesną detekcje rozwijających się uszkodzeń. Wprowadzenie monitoringu parametrów i diagnostyki układów napędowych wymusiło podniesienie jakości wykonywanych remontów. 1.4 Wprowadzanie zmian wyposażenia elektrycznego układów napędowych Podstawowym kryterium działalności przedsiębiorstwa po transformacji Polskiej Gospodarki w system wolnorynkowy jest konkurencyjność na rynku. Dla uzyskania konkurencyjności konieczne jest poszukiwanie rejonów działalności przedsiębiorstwa w których można obniżyć koszty produkcji. Zmniejszenie liczby awarii, ograniczenie ich skutków jest jednym z nich [42]. Autor po głębokiej analizie awaryjności określił zakresy koniecznych zmian wyposażenia elektrycznego. Do najważniejszych należała wymiana przestarzałych zabezpieczeń oraz wyłączników mocy pól 6 kv. Do częstych wypadków wypalenia wirników napędów młynów cementu dochodziło przez zbyt częste załączanie silnika. Zły stan techniczny sprzęgieł i fundamentów w krótkim czasie degradował łożyska. W układach wentylatorów dochodziło do drgań spowodowanych technologicznymi niewywagami wirników. Cieplne procesy technologiczne mają negatywny wpływ na pracę silników oraz układów smarowania. Zmiany wprowadzone przez Autora zostały przedstawione poniżej. 7

8 1.4.1 Modernizacja wyposażenia pól zasilających silniki 6 kv Konwencjonalne wyposażenie pól 6 kv oparte na przekaźnikach elektromechanicznych często ulegało awariom. Złe działanie zabezpieczeń oraz aparatury zasilania 6 kv oraz 0,4 kv doprowadzało do zezwolenia na wielokrotne rozruchy. Dla przykładu; napędy młynów cementu nie były wyposażone w napędy pomocnicze potrzebne do dokładnego ustawienia włazów zasypowych kul (kule różnej średnicy w młynach komorowych są czynnikiem mielącym cement). Podczas remontu konieczne jest sortowanie kul i dodanie nowych przez właz walczaka młyna. Wielokrotnie uruchamiano i zatrzymywano młyny tylko po to aby ustawić właz w pozycję załadunku. Bezwładność układu walczaka młyna powodowała konieczność kilkukrotnego uruchamiania i zatrzymywania układu dla uzyskania odpowiedniej pozycji włazu. Autor zaproponował zamontowanie napędów pomocniczych, co ograniczyło rozruchy wykonywane dla ustawienia włazu w pozycji pionowej. Rosnące ceny energii elektrycznej, praca w układzie taryfowym B23 (układ trzech stref opłat za energię; szczyt przedpołudniowy, szczyt popołudniowy, reszta doby) spowodowały konieczność pracy w strefach o najniższej cenie. Energia elektryczna stanowi około 20% kosztów produkcji. Koncentracja pracy w nocy od godz. 22 do 7 rana oraz od godz. 13 do 19 w dzień (układ godzin dla pory letniej trwającej 6 miesięcy) powoduje, że młyny na dobę startują do 3 razy. Jest to korzystne z uwagi na cenę energii. Cena za energię elektryczną pobieraną w strefie szczytowej jest droższa o 32% od reszty doby. W okresie od kwietnia do września mamy łącznie 9 godzin szczytu, a w okresie zimowym październik do marca 10 godzin szczytu. Omijając pracę młynów cementu w godzinach szczytowych produkujemy z mniejszymi kosztami. Taka praca powoduje duże ilości rozruchów silników. Stare wyłączniki główne 6 kv oraz współpracujące z nimi zabezpieczenia ulegały częstym awariom. Wyłączniki mało olejowe na napędach silnikowych nie wytrzymywały dużej liczby łączeń. Na rys.1.1 i rys.1.2 przedstawiono starą aparaturę z wyłącznikiem małoolejowym SCI-4 630A 6 kv z zabezpieczeniem elektromagnetycznym RIZc 3. Rys Pole odpływowe 6 kv 630 A z wyłącznikiem małoolejowym SCI-4 Rys Widok przedziału zabezpieczeniowego pola 6 kv z zabezpieczeniami elektromagnetycznymi RIZc 3 Ze względu na wysoką awaryjność Autor zaproponował modernizację pól 6 kv polegających na wymianie wyłączników mocy oraz wymianie zabezpieczeń. Obecnie zmodernizowane pole 6 kv zawiera wyłącznik próżniowy VD-4 630A 6 kv (rys.1.3), nowe przekładniki prądowe. Przedział zabezpieczeniowy został uproszczony do jednego cyfrowego zabezpieczenia multi-muz-3 firmy JM-tronik(rys.1.4). Zabezpieczenie to 8

9 zawiera wiele modułów zabezpieczeniowych. Uniwersalność tej konstrukcji powoduje, że jeden typ może pracować na polach odpływu silników, polach liniowych, transformatorowych, innych. Zmniejszenie ilości elementów przekaźnikowych, umożliwienie tworzenia zależności logicznych sygnałów pola upraszcza układ sterowania (rys.1.5). Przy wyborze typu zabezpieczenia pola 6kV zwrócono uwagę na: Możliwości opracowania modelu cieplnego silnika. o Charakterystyki przeciążeniowe zależne. o Sposób przeliczania pojemności cieplnej. o Zabezpieczenia od ilości rozruchów z uwzględnieniem stanu pracy maszyny. Budowę wewnętrznych układów logicznych do celów sterowania. Powoduje to uproszczenie schematów i zmniejsza liczbę aparatury w polu. Możliwość tworzenia systemu zarządzania urządzeniami zabezpieczającymi. Wybrane zabezpieczenia powinno gwarantować komunikację z innymi typami oraz następnymi projektowanymi generacjami aparatury. Uniknie się tym samym w przyszłości stosowania kilku systemów zarządzania. Rys Zmodernizowane pole 6 kv zawiera wyłącznik próżniowy VD-4 630A 6 kv Rys Widok przedziału zabezpieczeniowego pola 6 kv z zabezpieczeniem cyfrowym multimuz-3 firmy JM-tronik W modułowym menu zabezpieczenia cyfrowego wyszczególniono rodzaje stosowanych algorytmów zabezpieczeniowych. Do interesujących należą: Zabezpieczenie przeciążeniowe zależne, jest to zabezpieczenie nadprądowe modelujące charakterystykę cieplną silnika. Czas zwłoki zadziałania zależny jest od prądu. Po wprowadzeniu czasów zwłoki działania zabezpieczenia dla 6 przeciążeń program wygładza otrzymaną charakterystykę czasu zwłoki w funkcji przeciążenia: o T1.1-zwłoka czas dla zadziałania zabezpieczenia przy I=1.1In o T1.2- jak wyżej przy I=1.2In o T1.5-jak wyżej przy I=1.5In o T2.0-jak wyżej przy I=2In o T3.0-jak wyżej przy I=3In o T6.0-zwłoka czas dla zadziałania zabezpieczenia przy I=6In Przykładowo dla silnika młyna cementu 1000 kw 6kV nastawiono: T s, T s, T s, T2.0-20s, T3.0-10s, T6.0-5s. Program zabezpieczenia wylicza zużytą pojemność cieplną silnika podejmując decyzję o wyłączeniu go lub blokowaniu możliwości rozruch dla prawidłowego: 9

10 wykonania rozruchu, nie przekroczenia ilości rozruchów na godzinę, blokowania wyłącznika od minimalnego czasu od ostatniego rozruchu, blokowania zamknięcia wyłącznika od minimalnego czasu od ostatniego wyłączenia silnika, zabezpieczenia od zbyt długiego czasu rozruchu. Rys.1.5. Schemat aplikacyjny zabezpieczenia multi-muz-3 dla silnika 6 kv Wnioski: Analizując sytuację po modernizacji, uznano jako główną przyczyną uszkodzeń wirników pierścieniowych oraz układów rozruchowych niekontrolowane rozruchy młynów cementu. Wprowadzając napędy pomocnicze oraz blokady startów nie doprowadzamy do nadmiernego przegrzewania uzwojeń. Drugim elementem powodującym powstawanie awarii był wyłącznik mocy pola 6 kv. Niejednokrotnie nierównomierne otwieranie się jak i sklejanie styków powodowało sytuacje awaryjne. Dla przykład na młynie cementu nr 2 uległy sklejeniu dwa styki wyłącznika mocy co doprowadziło do uszkodzenia wirnika napędu głównego (moc 1000 kw) i zagotowaniu 2 ton elektrolitu w rozruszniku wodnym. Wyłączenie dokonano przez ręczne wyłączenie sekcji nr 2 6 kv (zasilającej połowę zakładu) na głównej stacji zasilania Układy rozruchowe silników pierścieniowych Analizując awaryjność elementów układu napędowego Autor zauważył poważny problem ze stanem technicznym rozruszników. Brak dbałości o sprawność mechaniczną układu rozruchowego doprowadzała do blokowania się rozruszników. W starych układach stosowano najczęściej rozruszniki elektrolityczne (rys.1.7). Posiadają one prostą konstrukcję. Wadą są częste wycieki powstałe w wyniku korozji, 10

11 kłopotliwy mechanizm opuszczania elektrod. Wymiana części elementów oraz prawidłowa regulacja części ruchomych poprawiła sytuację. Obserwacja parametrów rozruch oraz alarmów układu rozruchowego zapobiega niepotrzebnym próbom rozruchowym będącym główną przyczyną wypaleń czoła uzwojeń stojana oraz uzwojeń wirnika. Na rynku proponowane są obecnie rozruszniki oporowe powietrzne (rys.1.6), olejowe oraz rozruszniki wiroprądowe [42]. Nowe rozwiązania zapewniają stałe parametry rozruchu przez całą eksploatację. Zabezpieczenia cyfrowe kontrolują ilość rozruchów w każdym stanie nagrzania silnika. Stosując je łatwiej wprowadzić zdalne uruchamianie maszyny (np. za pomocą systemów operatorskich). Te rozwiązania można wprowadzać tam gdzie mamy zainstalowane nowoczesne zabezpieczenia pól 6 kv. Rys.1.6. Rozrusznik oporowy dla silnika DKK 560-6/063, 630 kw, po lewej przedział oporów fechlarowych, po prawej przedział sterowania cyfrowego Rys.1.7. Rozrusznik wodny silnika 1000 kw 6 kv Autor modernizuje układy rozruchowe silników pierścieniowych 6 kv stosując rozruszniki oporowe sterowane elektronicznie. Kontrola czasu rozruch oraz monitoring parametrów prądu i temperatury pozwala na zatrzymanie rozruchu układu napędowego w przypadku wystąpienia awarii. Wcześniejsze przypadki rozruchu dwufazowego zostały wyeliminowane przez kontrolę symetrii prądów. Częstym uszkodzeniom ulegały wtedy pierścienie uzwojenia wirnika oraz układy szczotkotrzymaczy. Innym problemem było zawieszanie się szczotek podczas procesu wycierania się, co doprowadza do przegrzewania się pracujących poprawnie szczotek. Autor wprowadził do napędów młynów cementu szczotkotrzymacze ze sprężynami płaskimi, które mają równomierny docisk podczas zużywania się szczotki. Wprowadził dla służb utrzymania ruchu rejestr doboru do danego napędu pierścieniowego szczotek oraz typu szczotkotrzymacza. Jednoznaczne oznaczenie rodzaju szczotek ułatwia eksploatację i logistykę dostaw oraz zapobiega pomyłkom. Wnioski: Monitorowane i poprawnie eksploatowane układy rozruchowe całkowicie wyeliminowały uszkodzenia powstałe w wyniku wadliwej pracy tych urządzeń. Wcześniej ponoszone straty były duże ze względu na to, że niejednokrotnie uszkadzano termicznie również stojan silnika. Postoje powodowały straty produkcyjne. Specyfika taryf energii wielostrefowych skłania cementownię do zatrzymywania młynów cementu na szczyty energetyczne. Skutkuje to mniejszymi kosztami zakupu energii elektrycznej, ale powoduje wzrost ilości załączania napędu głównego. Co z kolei wymusza konieczność podniesienia jakości i niezawodności układów rozruchowych. 11

12 1.4.3 Układy przeniesienia napędu Rozwiązanie dużego problemu jakim jest nadmierne zużywanie się łożysk w silnikach według opinii Autora należy poszukiwać w wadach układów przeniesienia napędów. Silnik elektryczny napędza urządzenie technologiczne najczęściej za pomocą przekładni. Masa silnika napędu głównego młyna surowca to 15 ton. Jest to około 10% wagi wypełnionego mielnikami i surowcami walczaka młyna (150t). Przekładnia napędowa również jest dużo cięższa (80t). W tej sytuacji silnik jest najdelikatniejszy. Drgania przekładni i młyna z dużym stopniu oddziaływają na układ łożyskowy silnika. Prowadząc pomiary drgań układów łożyskowych Autor obserwuje przenoszenie się drgań z układów technologicznych oraz przekładni na silnik. Dla odseparowania się od drgań przenoszonych wałami autor zastosował sprzęgła bardzo elastyczne typu Omega (rys.1.9). Moment obrotowy przenoszony jest przez uformowaną w kształt litery Ω membranę wykonaną z masy plastycznej, przymocowanej do sprzęgieł. Dla ułatwienia montażu ten element składa się z dwóch połówek. Bardzo istotnym zagadnieniem jest właściwy dobór sprzęgła, aby podczas rozruchu nie dochodziło do nadmiernych deformacji membrany. Zachowanie dynamiczne tego sprzęgła przypomina często stosowane wcześniej sprzęgła górnicze. Stosowanie tego typu sprzęgieł zmniejszyło poziom drgań silników. Szczególnie zmalały drgania w kierunku osiowym. Występujące podczas awarii łamanie osi w małym stopniu wpływa na silnik, nie doprowadza do zniszczenia łożysk. Fundamenty Drugim elementem poprawiającym sytuację jest dobrze zamontowana rama i stabilny fundament. Najczęściej silnik posadowiony jest wspólnie z przekładnią na jednym fundamencie. Pęknięcia fundamentu powodują zmniejszenie sztywności oraz wzrost poziomów wibracji. Część fundamentu w strefie pęknięcia nie bierze udziału w pracy układu, posiada inną dynamikę drgań, co źle wpływa na trwałość konstrukcji ramy. Autor dla niwelacji szczelin w fundamencie stosuje kompozyty do naprawy betonów. Lepszym rozwiązaniem jest rozkucie starego fundamentu wykonanie nowego zbrojenia (częściowej wymiany zbrojenia) i wylanie nowego fundamentu. Bardzo często problemem fundamentu są źle zrobione tzw. nadlewki podczas modernizacji (zwiększanie wydajności pociąga za sobą wzrost mocy i masy układów). Następuje rozwarstwienie starego fundamentu z nadlaną częścią co powoduje wysoki poziom drgań i obniżenie żywotności łożysk. 12 Rys Elastyczne sprzęgło typu Omega

13 Na rysunku 1.10 przedstawiono zmodernizowany fundament wentylatora filtra pieca wypału klinkieru z ramą umieszczoną na poduszkach amortyzujących. Takie zainstalowanie ramy za pomocą poduszek ograniczyło drgania, poprawiło żywotność układów łożyskowych. Poduszki amortyzujące Rys Poduszki amortyzujące ramę wentylatora od fundamentu Montaż i kontrola ustawienia silnika Prowadząc eksploatację maszyn elektrycznych Autor zwraca szczególną uwagę na jakość montażu silników. Podstawa silnika powinna być w dobrym stanie technicznym wyposażona w śruby regulacji położenia. Autor wprowadził ustawianie napędów metodą laserową. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na występowanie tzw. luźnej łapy. Największe pozytywne efekty stosowania tej metody autor odnotował wprowadzając ją dla silników małej mocy. Prowadzone pomiary drgań silników potwierdzają wydłużenie czasu eksploatacji łożysk. We wcześniejszym okresie odnotowywano w 2006 roku 48 przypadków uszkodzeń. Obecnie występują pojedyncze przypadki na rok awarii łożysk silnika. Na rysunku 1.12 przedstawiony jest posiadany sprzęt do ustawiania współosiowości wałów, a na rysunku 1.11 jest przedstawiany raport z ustawienia przykładowego silnika. Rys Raport ustawienia laserowego napędu Rys Sprzęt do ustawienia laserowego napędu 13

14 Zastosowanie wyważarki dynamicznej Kłopotliwym napędem w którym często występują drgania jest wentylator obiegowy pieca Problemy powstają gdy wibracje wentylatora powstają na wskutek oklejania się łopat. Zapylony gaz z wymiennika wieżowego posiada temperaturę poprawnej pracy około 550 C gdy dochodzi do zaburzeń technologicznych (zatrzymanie młyna surowca) podawana jest woda na wymienniki ciepła, co obniża parametry do około 450 C. W tej sytuacji na wirniku wentylatora pył zaczyna oklejać łopaty. Do momentu gdy warstwa jest równomierna poziom wibracji nie wzrasta (rys.1.15). Podczas dochodzenia do parametrów znamionowych często obrywa się narośl pyłowa (rys.1.13) powodując wibracje oraz niewywagę układu, co zmusza obsługę do zatrzymania pieca. Strata kilku godzin produkcji klinkieru (strata około 30 tys.zł). Rys Materiał mineralny oklejający łopaty wentylatora obiegowego pieca wypału klinkieru W pierwszej kolejności autor zainstalował pomiar on-line drgań wentylatora i silnika. Włączone do centralnego sterowania sygnały pomiarowe były zestawiane z parametrami technologicznymi układu. Obsługa obserwując trendy sygnałów nauczyła się tak prowadzić piec wypału klinkieru, aby ograniczyć postoje spowodowane oklejaniem. Sytuacja poprawiła się, ale postoje występowały 1 raz na tydzień. Ze względu na duże straty finansowe problem musiał być rozwiązany w inny sposób. Autor dla wentylatora obiegowego napędzanego silnikiem DKK 560-6/063, 630 kw zaproponował zastosowanie wyważarki dynamicznej on-line (rys.1.14). Rys Wyważarka dynamiczna dla wentylatora obiegowego silnik DKK 560-6/063, 630 kw 14 Rys Trend wibracji łożyska silnika wentylatora obiegowego silnik DKK 560-6/063, 630 kw

15 Obecnie pracujący układ wentylatora ma w sposób ciągły monitorowany poziom wibracji z ustawionymi alarmami wyzwalanymi od poziomów sygnału. Rys Wizualizacja układu wyważarki dynamicznej on-line [34] Wyważarka (rys.1.16) pracuje w trybie on-line. Umieszczone na wirniku wentylatora pierścienie z ciężarami służącymi do wyważania o ciężarze 2,5 kg każdy (rys.1.16 elementy Counterweighted Rotors) mogą zmieniać pozycje po obwodzie pierścieni wyważarki od 0 do 360. Przemieszczenie masy wywarzającej jest aktywne po pomiarze przekraczającym ustawiony poziom wibracji (np. 2 mm/s). Po zmianie położenia ciężarów automatycznie wykonywany jest pomiar wibracji i porównywany z zadanym poziomem pracy. Gdy wyważarka pomimo osiągnięcia maksymalnego ułożenia masy w kierunku przeciwnym do niedowagi nie osiąga zadanego poziomu sygnalizuje alarm. Zakres niedowagi przekracza możliwości regulacji układu wyważarki. W obecnej sytuacji wentylator pracuje bez zatrzymań. Zakres wyważania jest wystarczający. Aby praca układu nie doprowadzała do przekroczeń niedowagi okresowo podczas planowanych postojów wentylator jest czyszczony z nalotów pyłowych. Wpływ wysokiej temperatury Przemysł cementowy charakteryzuje się między innymi tym, że najważniejszy etap produkcji to wypał klinkieru w wysokich temperaturach. Stwarza to trudne warunki pracy silników. Brak schłodzonego powietrza wymusza pracę silników w gorącej atmosferze. Dodatkowym elementem jest promieniowanie cieplne z gorących powierzchni. Dla zmniejszenia oddziaływania termicznego Autor stosuje ekrany termiczne, wyniesione czerpnie powietrza z rurociągami tłocznymi w rejon silnika. Bardzo ważne jest kontrola smaru lub oleju w łożyskach tych maszyn. W przypadku pracy napędu głównego młyna cementu nr.3 powyższe działania nie były wystarczające. Autor zastosował lokalną chłodnice wodną powietrza chłodzącego silnik 15

16 napędu głównego (rys.1.17). Silnik ma nabudowaną na części wentylatorowej chłodnicę wodną co obniża temperaturę przepływającego powietrza, co możemy zaobserwować na termogramie (rys.1.19). Dla obniżenia kosztów do chłodzenia wykorzystano wodę technologiczną w obiegu zamkniętym. Rys Zewnętrzna chłodnica wodna silnika Sf 500Y8Ds 1200 kw, 690V Chłodnica Rys Termogram silnika Sf 500Y8Ds 1200 kw, 690V Chłodnica Stacje Olejowe Problem występowania zacierania się panewek wałów napędowych w okresach letnich i zimowych został przeanalizowany pod kątem zakłóceń filmu olejowego. Brak filmu olejowego przy starcie maszyny oraz zmniejszenie jego wielkości w wysokich temperaturach (utrata lepkości oleju, smaru) doprowadzał do powstania nadmiernego zużywania się kompozycji panewki. W okresie zimowym także dochodziło do awarii panewek z powodu zbyt gęstego oleju, który podany na układ łożyskowy nie spływał do kieszeni olejowych. Po analizie zagadnienia Autor uważa, że krytycznymi urządzeniami dla łożysk ślizgowych maszyn są systemy podawania oleju, takie jak układy pierścieni smarujących, stacje olejowe (rys.1.19). Urządzenia pracujące w procesach technologicznych prowadzonych w wysokich temperaturach wymagają dobrego smarowania układów panewkowych. Dodatkową funkcją przepływającego oleju jest chłodzenie panewki. Rys Stacja olejowa panewek ślizgowych silnika SYUe-148/01 6 kv 1000kW 16

17 2. Diagnostyka eksploatacyjna elektrycznych napędów przemysłowychbadania własne Wprowadzenie układów i systemów diagnostycznych Diagnostyka kontrolna oraz monitoring pozwala na określenie stanu technicznego instalacji. Mając do dyspozycji szereg technicznych sposobów określania czasu bezpiecznej pracy maszyny musimy zdecydować z punktu widzenia technicznego i ekonomicznego o rodzaju oraz zakresie stosowanej diagnostyki. Wybrany system diagnostyki do specyfiki pracy napędu pozwoli na wcześniejsze wykrycie powstających uszkodzeń i defektów. Do najbardziej efektywnych sposobów diagnostyki stosowanych do ważnych napędów technologicznych należą techniki diagnostyki on-line: Pomiar drgań względnych dla napędów o łożyskach ślizgowych wolny jest od negatywnego wpływu filmu olejowego na selektywność pomiaru [57]. Pomiary wyładowań niezupełnych monitorują w sposób ciągły izolacją maszyn elektrycznych. Pokazują powstałe defekty izolacji. Układ wykrywa pogorszenie poziomu stanu izolacji maszyny, przez co możemy podjąć działania naprawcze oraz poprawić niekorzystne warunki pracy silnika degenerujące układ izolacyjny [57] Klasyfikacja napędów Układ napędowy należy rozpatrywać w całości jako obiekt diagnostyczny. Dobór sprzętu i metod diagnostycznych uzależniony jest od budowy maszyny i środowiska pracy. Mając wyspecyfikowane cechy charakterystyczne układu napędowego możemy rozpatrywać wpływ jego elementów na stan techniczny oraz analizować otrzymane wyniki pomiarów diagnostycznych. Klasa stosowanej aparatury oraz częstotliwość pomiarów zależy od miejsca maszyny w układzie technologicznym. Wprowadzono podział maszyn według ważności w układach technologicznych: maszyny strategiczne - są to urządzenia, których zatrzymanie awaryjne powoduje przestój w produkcji ciągłej generujący znaczne straty ekonomiczne, maszyny podstawowe - są to ważne napędy technologicznektórych zatrzymanie można zastąpić pracą innych urządzeń, nie powoduje całkowitego zatrzymania produkcji, maszyny pomocnicze - urządzenia spełniające dodatkowe funkcje, ich zatrzymanie nie powoduje wstrzymania produkcji. Maszyny strategiczne i podstawowe wymusiły konieczność dążenia do obserwacji parametrów w sposób ciągły przez pomiary on-line. Obecnie silniki maszyn strategicznych wyposażane są w: czujniki temperatur łożysk i uzwojeń, czujniki drgań układu łożyskowego w osiach X, Y i osiowo Z, pomiar obciążenia z alarmami przeciążenia, pomiar parametrów środowiska pracy. Zapisywane przez systemy nadzorcze wszystkie istotne parametry sinika i napędu służą do analizy punktów pracy oraz przyczyn powstających awarii. Rozwijająca się technika pomiarowa umożliwia ciągłe nadzorowanie parametrów on-line, wykonywanie czynności diagnostycznych bez potrzeby wyłączania napędu. Autor dokonał podziału maszyn układu technologicznego w tym silników do poszczególnych grup: Maszyny strategiczne: o napęd młyna surowca, o wentylator młyna surowca, o napęd obrotu pieca wypału klinkieru, 17

18 o wentylatory obiegowe i filtra pieca, o wentylator filtra chłodnika klinkieru, o wentylatory chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru, Maszyny podstawowe: o napędy główne młynów cementu, o napędy kompresorów powietrza, o pompy wody technologicznej, o napędy separatora młynów, o napędy wentylatorów separatora młynów. Maszyny pomocnicze: o maszyny o silnikach powyżej 100 kw, o maszyny o silnikach od 100 kw do 20 kw, o maszyny z silnikami o prędkości obrotowej około 3000 obr/min, o maszyny o silnikach poniżej 20 kw. Zestawienie zespołów napędowych grupy maszyn strategicznych i podstawowych przedstawia tabela 2.1.a Tabela 2.1.a Wykaz silników strategicznych i podstawowych Lp. Maszyna układu technologicznego Typ Moc [kw] Napięcie [V] Obroty [obr/min] Prąd [A] Maszyny Strategiczne 1 Napęd młyna surowca SZUf-1412LL Napęd wentylatora młyna surowca nr 051 Sf560Y6-E Napęd obrotu pieca wypału klinkieru Napęd wentylatora wieżowego nr 086 SEE355ML4Bs LA8453-6PB Napęd wentylatora filtra pieca Sh355H6Ds Napęd wentylatora filtra chłodnika klinkieru Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr 181 Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr 182 Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr 183 Sh355H4Es LG AA60-Z LG AB60-Z LG AA60-Z

19 10 11 Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr 184 Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr 185 Maszyny Podstawowe 1LG AA60-Z LG AA60-Z Napęd główny młyna cementu nr 1 13 Napęd główny młyna cementu nr 2 14 Napęd główny młyna cementu nr 3 15 Napęd główny młyna cementu nr 4 16 Napęd główny młyna cementu nr 5 17 Napęd główny młyna cementu nr 6 18 Napęd główny młyna cementu nr 7 Sf500Y8Ds DSE SXh500H8Es SUfr DSE SYUe148r/ SAS Napędy wentylatora separatora młyna surowca nr 041 Napędy wentylatora separatora młyna surowca nr 044 Napędy wentylatora separatora nr 638 młyna cementu nr 6 Napędy wentylatora separatora nr 639 młyna cementu nr 6 K21R315S4TWS K21R315S4TWS Se315S K11R315S Tabela 2.1.b Zakres stosowanej diagnostyki dla grupy maszyn strategicznych Tabela 2.1.b Zakresy diagnostyki dla napędów strategicznych Lp. 1 Maszyna układu technologicznego Pomiary off-line Drgania bezwzględne Pomiary izolacji Temp. uzwojeń Temp. łożysk Pomiary on-line Drgania bezwzględne Drgania względne obciążenie wnz Maszyny Strategiczne Napęd młyna surowca

20 Napęd wentylatora młyna surowca nr Napęd obrotu pieca wypału klinkieru Napęd wentylatora wieżowego nr 086 Napęd wentylatora filtra pieca Napęd wentylatora filtra chłodnika klinkieru Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr Tabela 2.1.c Zakres stosowanej diagnostyki dla grupy maszyn podstawowych Lp Maszyna układu technologicznego Pomiary off-line Drgania Pomiary bezwzględne izolacji Temp. uzwojeń Temp. łożysk Pomiary on-line Drgania Drgania bezwzględne względne obciążenie wnz Maszyny Podstawowe Napęd główny młyna cementu nr Napęd główny młyna cementu nr Napęd główny młyna cementu nr Napęd główny młyna cementu nr Napęd główny młyna cementu nr Napęd główny młyna cementu nr Napęd główny młyna cementu nr Napędy wentylatora separatora młyna surowca nr Napędy wentylatora sep. młyna sur. nr

21 Napędy wentylatora separatora nr 638 młyna cementu nr Napędy wentylatora separatora nr 639 młyna cementu nr Napędy kompresorów powietrza nr 1,2,3,4,5,6,7,9,10,11, Pompy wody technologicznej Monitoring układów napędowych Systemy monitoringu on-line wspomagają identyfikację poszczególnych stanów maszyny z uwzględnieniem uwarunkowań technologicznych. W Cementowni ODRA S.A pomiary temperatury uzwojeń, temperatury łożysk oraz pomiary drgań układów napędowych są zbierane i analizowane w systemie CEMAT PCS7 Siemens. Obserwacja poszczególnych parametrów technologicznych obok sygnałów pomiarowych, pomaga analizować przyczyny występowania alarmów w systemie monitoringu. Remontowane oraz nowe silniki są wyposażane w odpowiednio skonfigurowaną aparaturę kontrolno pomiarową. Monitoring układów napędowych pozwala na: Monitoring i diagnostykę układów napędowych, pozwala na określenie stanu technicznego instalacji. Archiwizowanie danych diagnostycznych poszczególnych obiektów, pozwala to planować zakresy rocznych remontów. Rejestrację zaistniałych usterek i awarii. Obserwację poszczególnych parametrów technologicznych, występowanie ich obok sygnałów pomiarowych pomaga analizować przyczyny występowania alarmów w systemie. Wyfiltrowanie stanów awaryjnych od zakłóceń procesu technologicznego. Śledzenie trendów sygnałów z programowanymi poziomami: o Normalnej pracy (zakres zielony), o Stan ostrzegawczy (zakres żółty), o Stan awaryjny wyłączenie (zakres czerwony). Stan ostrzegawczy generuje alarm wyświetlony dla operatora niezależnie, na której planszy jest aktualnie. Stany awaryjne dodatkowo obsługiwane są sekwencją wyłączenia (wykonywane są czynności zabezpieczające, w sytuacjach krytycznych wyłącza się napęd). Pomiar temperatury uzwojeń, temperatura łożysk, pomiary drgań. Prawidłowe dobranie kryteriów alarmowych i awaryjnego odstawienia urządzenia. Modelowanie zabezpieczeń pól 6 kv zasilających silniki Przeciążenia i zakłócenia technologiczne układu napędzanego W dotychczasowych konwencjonalnych układach sterowanie pracą cementowni odbywało się ręcznie z zastosowaniem rejestratorów atramentowych, analogowej i cyfrowej aparatury pomiarowej. Do zadań operatora należało obserwowanie zmian w układzie technologicznym i ręczna reakcja na zmiany. Brak możliwości pełnej analizy danych oraz obserwacji trendów zmian sygnałów. Operatorzy popełniali wiele błędów, które były trudne do wykrycia przez osoby odpowiedzialne za produkcję. 21

22 Po wprowadzeniu przez Autora systemu sterowania (rys.2.2) opartego o sterowniki PLC operator może bezpiecznie odciążać maszynę obserwując parametry pracy silnika (rys.2.3). Rys Tablica synoptyczna obiektu technologicznego 22 Rys Ekran śledzenia trendów parametrów silnika

23 Zabezpieczenia cyfrowe pracujące w oparciu o model cieplny zezwalają na pracę z dopuszczalnym nagrzewaniem się maszyny. W zabezpieczeniach pól 6 kv pokazywany jest procent wykorzystania mocy cieplnej po przekroczeniu, której silnik będzie wyłączony. Parametr ten ułatwia bezpieczne schłodzenie uzwojeń silnika bez konieczności wyłączania Wprowadzenie systemu kontroli drgań układów napędowych badania własne Dużym problemem cementowni jest żywotność łożysk tocznych zainstalowanych na obiektach technologicznych. Złe warunki pracy łożysk w wysokiej temperaturze, w zapyleniu, przy intensywnych drganiach pochodzących od maszyn napędzanych, powodują powstawanie częstych awarii. Praca ciągła układu technologicznego zezwala na przeprowadzanie czynności naprawczych raz w roku. Zadaniem służb utrzymania ruchu jest nie dopuszczanie do awaryjnych wyłączeń instalacji. Ważnym zadaniem jest również określenie podczas remontu, które łożyska trzeba wymienić, a których stan techniczny pozwala na dalsza roczna eksploatację. Dla zapewnienia optymalnej pracy łożysk autor opracował system kontroli drgań układów napędowych. W oparciu o wibrometr Pruftechnik oraz oprogramowanie wykonano system ścieżek pomiarowych (rys.2.4) obejmujących wszystkie maszyny strategiczne oraz podstawowe. Dokonywane cykliczne pomiary określają stan techniczny napędu. Ze względu na ciągły tryb pracy pomiary pozwalają w sposób planowy zakwalifikować silniki do wymiany łożysk podczas rocznego remontu. Lepiej jest wymienić niepewne łożysko kilka miesięcy wcześniej niż powodować awaryjne zatrzymanie (jedna doba postoju to 100 tys.zł.). Obiekty i punkty pomiarowe zostały jednoznacznie oznaczone. Generowane przez system ścieżki pomiarowe ułatwiają organizację prowadzenia pomiarów. Czytelny układ rozmieszczenia punktów pomiarowych na napędzie zapobiega powstaniu błędów pomiarowych. Rys.2.4. System ścieżek pomiarowych obiektów technologicznych, pomiary off-line drgań bezwzględnych 23

24 Autor opracował trasy pomiarowe i określił częstotliwość badań okresowych stanu dynamicznego poszczególnych grup maszyn (tabela 2.5) wymienionych w pkt.2.1. Lp. Tabela 2.5. Trasy pomiarowe i częstotliwość badań okresowych pomiarów drgań bezwzględnych 24 Maszyna układu technologicznego Maszyny Strategiczne Częstotliwość pomiarów Przedziały pracy maszyny i wartości graniczne prędkości drgań V RMS [mm/s] V RMS <B B< V RMS <C C< V RMS<D 1. Napęd młyna surowca co 4 tygodnie 2, Wentylator młyna surowca co 4 tygodnie 3,5 8, Napęd obrotu pieca wypału klinkieru Wentylatory obiegowe pieca nr.051, 098 co 4 tygodnie 2, co 4 tygodnie 3,5 7, Wentylator filtra pieca co 4 tygodnie 3,5 7, Wentylator filtra chłodnika klinkieru Wentylatory chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru Maszyny Podstawowe Napędy główne młynów cementu nr.1,2,3,4,5 Napędy główne młynów cementu nr.6,7 Napędy kompresorów powietrza nr.1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12 Pompy wody technologicznej Napędy separatora młynów cementu i surowca Napędy wentylatorów separatora młynów cementu i surowca Maszyny Pomocnicze Maszyny o silnikach powyżej 100 kw Maszyny o silnikach od 100 kw do 20 kw Maszyny z silnikami o prędkości obrotowej około 3000 odr/min Maszyny o silnikach poniżej 20 kw co 4 tygodnie 3,5 7,5 11 co 4 tygodnie 3,5 7,5 11 co 8 tygodnie 2, co 8 tygodni 2, co 8 tygodni 2, co 8 tygodni co 8 tygodni co 8 tygodni 2, , , co 13 tygodni 2, co 26 tygodni 2, co 26 tygodni 3, co 26 tygodni 3,5 9 12

25 2.4.1 Pomiary drgań bezwzględnych off-line Po głębokiej analizie proponowanych na rynku metod pomiarowych autor wdrożył metodę detekcji obwiedni drgań do oceny stanu technicznego łożysk tocznych układów napędowych w cementowni. Metoda detekcji obwiedni [17, 18, 19, 20, 21, 22, 51, 57] została opracowana dla celów przemysłowych przez firmę Brϋel & Kjaer [57]. Metoda ta polega na analizie częstotliwościowej drgań rezonansowych maszyny. Uszkodzenia łożysk tocznych powodują generowanie krótkich impulsów drganiowych, pobudzających węzły łożyskowe do drgań rezonansowych. W impulsach tych zawarta jest informacja o rodzaju uszkodzenia i jego intensywności [57]. Rys.2.6. Analizator drgań zbieracz danych pomiarowych Znając geometrię łożyska, liczbę elementów tocznych i prędkość obrotową bieżni wewnętrznej względem bieżni zewnętrznej (rys.2.7) można wyznaczyć charakterystyczne częstotliwości składowych harmonicznych sygnału dla poszczególnych elementów łożyska. Częstotliwości odpowiadające defektom elementów łożyska tocznego można obliczyć w oparciu o zależności[16]: element toczny: f t = ½ f n D/d { 1 ( d/d cosϕ ) 2 } (2.1) bieżnia wewnętrzna f w = ½ N f n { 1 + d/d cosϕ } (2.2) bieżnia zewnętrzna f z = ½ N f n { 1 d/d cosϕ } (2.3) koszyk f k = ½ f n { 1 d/d cosϕ } (2.4) gdzie: d średnica elementu tocznego; D średnica podziałowa łożyska; ϕ kąt obciążenia łożyska; n liczba elementów tocznych; f n częstotliwość obrotów pierścienia zewnętrznego względem pierścienia wewnętrznego. 25

26 Rys.2.7. Przekrój poprzeczny łożyska kulkowego [16] Producenci sprzętu pomiarowego (stosowany sprzęt w cementowni rys.2.6) dostarczają bazę danych z częstotliwościami charakterystycznymi dla danego typu łożyska. Prowadząc analizę widma drgań możemy na ekranie z obrazem widma dodawać linie w miejscach charakterystycznej częstotliwości dla danego defektu łożyska. Ułatwia to analizę i przyspiesza postawienie diagnozy. Przykład Podczas rutynowych pomirów przebiegających zgodnie z ustalonym systemem ścieżek (rys.2.4) odnotowano wzrost sygnału obwiedni dla łożyska strony napedowej wentylatora młyna surowca nr 051 silnik Sf560Y6-E 1000 kw, 1483 obr/min, 6kV(rys.2.13). Przeprowadzona analiza pomiarów na podstawie widma obwiedni sygnału przyspieszenia (rys.2.8) oraz prędkosci drgań (rys.2.9) pozycja V wykazała uszkodzenie łożyska strona D ( napedowa). W widmie przyspieszenia dla częstotliwości około 12,42 [Hz] zarejestrowano sygnał charakterystyczny dla koszyka łożyska na poziomie 0,25 [m/s 2 ], sygnał składowej obrotowej 24,83 [Hz] sygnał 0,43 [m/s 2 ]. Pozostałe wartości carakterystyczne łóżyska jak elementu tocznego, bieżni wewnetrznej i zewnętrznej przekraczały poziom 0,1 [m/s 2 ]. Na rys.2.10 przedstawiono tręd sygnału prędkości drgań tego punktu pomiarowego. Rys.2.8. Widmo prędkości drgań bezwzględnych do 3000 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) uszkodzonego łożyska 26

27 Rys.2.9. Widmo przyspieszeń drgań bezwzględnych do 400 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) uszkodzonego łożyska Rys.2.10 Trend prędkości drgań bezwzględnych łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) W dniu dokonano zatrzymania napędu w celu wymiany łozyska. Rys.2.11 przedstwwia zdjęcia biezni wewnętrznej, rys.2.12 zdjęcie bieżni zewnetrznej, rys.2.14 przedstawia elementy toczne łożyska NU222E. Na bieżniach widać zużycia powierzchni w formie prążków. Elementy toczne posiadają wytarcia powierzchni zewnętrznych. Rys Bieżnia wewnętrzna łożyska NU222E Rys Bieżnia zewnętrzna łożyska NU222E 27

28 Rys Silnik Sf560Y6-E 1000 kw, 1483 obr/min, 6 kv Rys Elementy toczne łożyska NU222E. Po przeprowadzonej wymianie łożyska wykonano pomiary kontrolne widma drgań dla sprawdzenia czy przyczyną ich było tylko łożysko. Na rys.2.16 przedstawiono widmo drgań przyspieszeń oraz na rys.2.15 widmo prędkości drgań silnika Sf560Y6-E 1000 kw, 1483 obr/min, 6kV strona napędowa pozycja V. Przedstawione pomiary kontrolne rys.2.15 i rys.2.16 potwierdazją poprawę sytuacji drganiowej tego punktu pomiarowego po wymianie łóżyska. W widmie prędkości drgań (rys.2.15) dominująca obrotowa 24,83[Hz] osiągnęła poziom 1,2 [mm/s]. W widmie przyspieszeń drgań (rys.2.16) dla charakterystycznych sygnałów łóżyska wartości nie przekraczają poziomu drgań 0,1 [mm/s 2 ]. Rys Widmo prędkości drgań bezwzględnych do 3000 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) nowego łożyska Rys Widmo przyspieszeń drgań bezwzględnych do 400 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) nowego łożyska 28

29 Wnioski Pomiary drgań bezwzględnych off-line układów napędowych mogą realizować głównie zadania stawiane diagnostyce: o Ocena stanu technicznego maszyn w czasie eksploatacji na podstawie śledzenia i analizy trendów zmian danych pomiarowych pomiarów okresowych maszyn. o Prognozowanie trendu zmian stanu technicznego układu napędowego na podstawie wyników pomiarów okresowych. o Wykrywanie awarii maszyn i wskazywanie elementów układu napędowego zagrożonych ewentualnym uszkodzeniem. o Kontrola jakości wykonania remontu rocznego ocena stanu technicznego maszyny przed i po remoncie Pomiary drgań względnych on-line badania własne Pomimo prowadzonych pomiarów drgań bezwzględnych off-line na silnikach z łożyskami ślizgowymi młynów cementu odnotowywano powstawanie uszkodzenia panewek (rys.2.18). W skrajnym wypadku doszło do zatarci wirnika ze stojanem (rys. 2.17). Pomiary off-line nie dawały gwarancji zatrzymania układu napędowego w bezpieczny sposób zapobiegając awarii. Rys Zatarty wirnik silnika SYUe-148r/ kW 6 kv Rys Uszkodzona panewka silnika SYUe-148r/ kW 6 kv Po przeprowadzonej analizie pracujących napędów z łożyskami ślizgowymi autor wytypował ze względu na dużą liczbę awarii do pomiarów drgań względnych on-line silnik SYUe-148r/ kw, 740 obr/min, 6 kv i silnik SAS kw, 750 obr/min, 6 kv. Napędy te są silnikami młynów cementu, zaliczonych do grupy maszyn podstawowych. Rozwiązaniem problemu awarii panewek było wprowadzenie pomiaru drgań względnych wału. Według wiedzy autora jest to w skali kraju pierwsze tego typu rozwiązanie na silnikach krajowych. Do tej pory ten system stosowano do diagnostyki turbozespołów i turbin. Metoda polega na określeniu trajektorii czopa wału. Drgania są mierzone przez dwa bezdotykowe (zbliżeniowe) czujniki wiroprądowe mierzące przemieszczenie drgań, umieszczone w obudowie łożyska w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika (rys.2.19). Pomiędzy czujnikami jest kąt 90. Sygnał napięciowy jest zależny od odległości pomiędzy czujnikiem i powierzchni wału w danej chwili czasowej [57]. Sygnał ten ma składową stałą i zmienną. Składowa stała informuje o średnim położeniu wału względem punktu 29

30 zamocowania czujnika. Składowa zmienna informuje o chwilowych zmianach położenia wału, czyli drganiach w płaszczyźnie promieniowej [57]. Trajektoria wału jest odniesiona do położenia kątowego wału przez wprowadzenie na wale znacznika, odczytywanego przez czujnik fazy. Sygnały z czujników trafiają do wzmacniaczy kanałów pomiarowych gdzie są przetwarzane i poddawane obróbce. Po przekroczeniu zadanych wartości progowych maksymalnego względnego przemieszczenia S max (np. S max =140 µm) na wyjściowe alarmowe podawany jest sygnał o przekroczeniu, który może zatrzymać maszynę. Sygnał może być podawany do systemów nadrzędnych np.pcs7. Rys Mocowanie czujników drgań względnych łożysku ślizgowym silnika SYUe-148r/01[59] Pomiar drgań względnych wału jest uznany za najbardziej przydatny diagnostycznie pomiar maszyn na łożyskach ślizgowych [7, 30, 43, 44, 57]. Oparty o zastosowanie bezstykowych wiroprądowych czujników wrażliwych na mechaniczne, fizykochemiczne i magnetyczne lokalne anomalie warstwy powierzchniowej wału [5, 6, 7,57]. Dla maszyn posiadających łożyska ślizgowe, analiza drgań względnych pozwala na znacznie wcześniejsze zauważenie rozwijającej się niesprawności pracy silnika związanej z wirnikiem i łożyskami, aniżeli analiza drgań bezwzględnych węzła łożyskowego [46, 30, 43, 55]. Przygotowanie specjalnie silników do pomiaru drgań względnych wału obejmowało : Naprawa silnika o Klinowanie o Lakierowanie o Próby grzania pakietów o Wykonanie ścieżek pomiarowych na wale przez miejscowe dogniatanie wału Dogniatanie ścieżek pomiarowych wału o rozmieszczenie ścieżek pomiarowych rys.2.20, rys o pomiary zjawiska runoutu na ścieżkach pomiarowych rys.2.21, rys Pomiar drgań względnych on-line silnika SYUe-148r/01 przedstawia rysunek

31 Rys System pomiaru drgań względnych silnika SYUe-148r/ kW 6 kv Szybko rozwijające się uszkodzenia układu napędowego w maszynach na łożyskach ślizgowych można wykryć posiadając monitoring on-line [7, 30, 43, 44, 57]. Pomiar drgań względnych w maszynach na łożyskach ślizgowych jest korzystniejszy, umożliwia szybsze wykrycie uszkodzenia i zatrzymanie maszyny przez co zmniejsza skutki oraz koszty awarii. Utrudnieniem stosowania układu jest konieczność przygotowania ścieżek pomiarowych na wałach (ograniczenie zjawiska runoutu całkowitego wału do około 5 µm) rys Przygotowanie wirnika przeprowadza się w wyspecjalizowanych firmach.. Rys Usytułowanie ścieżki pomiarowej na wale od strony napędowej Rys Runout całkowity ścieżek pomiarowych przed dogniataniem (górny rysunek) i po dogniataniu (dolny rysunek) strona napędowa Zdemontowany wał silnika umieszczany jest w obrabiarce z zamontowanym dogniatakiem diamentowym. W wyznaczonym miejscu wału (rys.2.21) za pomocą dogniataka przy obracaniu wału uzyskujemy powierzchnię wygładzoną z nierównomiernością powierzchni < 5 µm i namagnesowaniu < 5 Gs. Efekt tej operacji jest sprawdzany pomiarami jakości powierzchni określany jako runout całkowity powierzchni. Pomiary runoutu całkowitego ścieżek pomiarowych przed dogniataniem i po dogniataniu przedstawia rys Analizując pracę silników na łożyskach autor zauważa lepsze wykrywanie uszkodzeń przez pomiary drgań względnych. 31

32 Analizując przykład: W układzie monitoringu młyna cementu odnotowano wystąpienie przekroczenia dopuszczalnych drgań względnych wału strona napędowa. Dla potwierdzenia dokonano doraźnego pomiaru drgań bezwzględnych układu napędowego. Wartości drgań bezwzględnych na stojakach łożyskowych silniku SYUe-148r/ kW, 6 kv, 740 obr/min były do zaakceptowania. Pomiar drgań względnych wału silnika (rys.2.23) wskazał przekroczenie wartości amplitudy drgań powyżej wartości alarmowej dla tego napędu to jest 140 mikrometrów (rys.2.23). Dla sprawdzenia źródła drgań wykonano pomiary drgań bezwzględnych węzłów łożyskowych przekładni. Największe drgania wykazywał węzeł łożyskowy wału szybkiego na poziomie 3,4 mm/s (rys.2.24) mikro metr data Łożysko1max Łożysko2max Rys Wykres trendu drgań względnych węzła łożyskowego silniku SYUe-148r/ kW, 6 kv (obniżenie wartości nastąpiło po naprawie przekładni) Na rys.2.25 przedstawiono wyniki pomiarów diagnostycznych, trend prędkości drgań widma prędkości drgań bezwzględnych stojaka łożyskowego przekładni. Zmiany w charakterze widma typu pojawienie się subharmonicznych 1/3 f obr, 2/3 f obr mogą świadczyć o występowaniu luzu gniazda łożyskowego. v [mm/ s] 3,4 3,2 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 Zespół napędowy mł yna cementu M MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOWO)\ Trend prędkości drgań ,8 rms 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 2008/ 04/ /07/ / 10/ / 01/ /04/ /07/ /10/ / 01/ /04/ / 07/ /10/ / 01/07 data Rys Trend Drgania bezwzględne stojaka łożyskowego od strony napędowej, kierunek V RMS, przykładowego silnika, 740 obr/min. Wzrost wartości do poziomu 3,4 mm/s. 32

33 v rms [mm/ s] Zespół napędowy mł yna cementu M MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOWO)\ Widmo prędkości drgań 200 Hz 2011/ 02/ 23 09:08:38 1,6 1,5 1,4 1,3 (16,45) 1.Res. RPM (32,90) 2.Res. RPM (49,35) 3.Res. RPM (65,80) 4.Res. RPM 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, f [Hz] Rys Drgania bezwzględne stojaka łożyskowego od strony napędowej, kierunek V, V RMS, przykładowego silnika, 740 obr/min. Maszynę zatrzymano do rewizji wewnętrznej przekładni. Po rewizji wewnętrznej przekładni stwierdzono w łożysku przekładni wałka szybkiego od strony napędowej nieprawidłowy luz gniazda łożyskowego (rys.2.26 i 2.27), co mogło doprowadzić do wybicia obudowy łożyska. Przekładnię naprawiono przez wymianę łożysk i skasowano luzu gniazda łożyskowego. Rys Rewizja młyna cementu przekładni napędu głównego Rys Wał szybkoobrotowy przekładni napędu głównego młyna cementu z uszkodzonym łożyskiem Wnioski: Analiza drgań względnych wału silnika pozwoliła na wcześniejsze wykrycie rozwijającej się niesprawności ułożyskowania napędzanej przekładni. Pomimo prowadzonych cyklicznie pomiarów drgań bezwzględnych obudowy węzłów łożyskowych przekładni nie stwierdzono rozwijającego się uszkodzenia. Pomiar online drgań względnych wału silnika wykazał wzrost amplitudy drgań do wartości 140 mikrometrów, co spowodowało przeprowadzenie dodatkowych pomiarów drgań bezwzględnych. Na podstawie analizy pomiarów podjęto decyzji o odstawieniu z produkcji młyna cementu w celu dokonania rewizji wewnętrznej przekładni. Takie 33

34 34 działanie uchroniło przekładnię od zniszczenia gniazd łożyskowych wału szybkoobrotowego. Drgania bezwzględne obudowy są obciążone swoistą skazą. Uwzględniają one drogę przejścia sygnału drganiowego od wału przez warstwę oleju na obudowę. Sygnał drgań bezwzględnych zawiera informacje o stłumionym przez film olejowy sygnale drgań wału silnika. Oznacza to, że dla diagnostyki silników na łożyskach ślizgowych korzystniejsze jest dla większości przypadków anomalii pracy, analizowanie drgań względnych wału aniżeli drgań bezwzględnych obudów łożysk [57]. Stosowanie obydwu technik pomiaru drgań uzupełnia się, można wtedy zauważyć wszystkie istotne zakłócenia w pracy układu napędowego, które znajdują odbicie w drganiach względnych i bezwzględnych [57]. Przedstawione wyniki analizy sygnału drgań względnych wałów silników pierścieniowych potwierdzają tezę pracy iż, sygnały te zawierają informację o stanie technicznym badanego napędu Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń W eksploatacji maszyn elektrycznych istotne jest śledzenie procesu starzenia się izolacji uzwojeń. Właściwa ocena stopnia zużycia izolacji uzwojeń maszyny jest podstawą do planowania i przeprowadzania remontów. Zaplanowane, przygotowane i we właściwym czasie wymienione uzwojenia minimalizują koszty z tym związane i są gwarancją dalszej niezawodnej eksploatacji maszyny [28]. Dodatkową zaletą systematycznych pomiarów jest możliwość oceny jakości wykonywanych napraw w trakcie eksploatacji silnika. Systemy izolacyjne maszyn elektrycznych Żywotność napędu elektrycznego w dużym stopniu zależy od stanu izolacji. Izolacja uzwojeń w napędzie elektrycznym jest złem koniecznym, gdyż [62]: - nie uczestniczy w wytwarzaniu momentu elektromagnetycznego, - pomniejsza w pewnym stopniu współczynnik zapełnienia żłobka przewodami, - ogranicza odprowadzanie powstałego w podczas pracy ciepła z przewodów, - jest stosunkowo droga, około 35% ceny silnika wysokonapięciowego. Rozwijająca się chemia materiałów plastycznych doprowadziła do produkcji systemów izolacyjnych lepiej przewodzących ciepło o cieńszych powłokach odpornych na temperaturę. Dla przykładu stosowania nowych materiałów możemy prześledzić produkcję cewek wysokiego napięcia dla turbogeneratorów. Stosuje się w nich materiały takie jak [65]: - przewody miedziane (A), - izolację przewodu (B), - materiały na łączenie pakietów (C), - materiały na izolację główną: a) VPI - taśma mikowa (D) + żywica (H), b) Resin-Rich - taśmy mikowe (D), - farba przewodząca lub taśma przewodząca (w części żłobkowej) oraz taśma półprzewodząca (w części czół cewek) (F), - taśmy wykończeniowe lub uszczelniające (E), - materiały usztywniające, wzmacniające (G), - kliny i podkładki pod kliny (I).

35 Rys Obraz systemu izolacyjnego [65] Powierzchniową ochronę przeciwjarzeniową uzyskuje się dzięki specjalnie dobranym taśmą: przewodzącej w części żłobkowej i półprzewodzącej na czołach symbol (F) (rys.2.28) [65]. Warstwa ochronna przeciwjarzeniowa zapewnia właściwy rozkład potencjału, niweluje szczególne nierównomierności pola elektrycznego, zwłaszcza w miejscach wyjścia boku cewki ze żłobka [57]. Obecnie w kraju i na świecie dominują dwie technologie wykonania izolacji w produkcji nowych silników wysokiego napięcia: Izolacja termoutwardzalna, izolacja prasowana z zastosowaniem termoutwardzalnych taśm mikowych z dużą zawartością lepiszcza. W literaturze nazywana Resin-Rich-RR [4, 46, 56, 57, 58]. Izolacja wykonana technologią próżniowo-ciśnieniową VPI (Vacuum Pressure Impregnation), izolacja z zastosowaniem porowatych taśm mikowych o małej zawartości lepiszcza [4, 48, 49, 50, 56, 57, 61]. Izolacja Resin-Rich wykonywana jest dwoma sposobami [46, 56, 57]: o Izolacja mieszana. Charakteryzuje się zastosowaniem różnych taśm mikowych dla części prostej (żłobkowej) musi być sprasowana i utwardzona, dla części czołowej cewki posiada żywicę już utwardzoną lub utwardzenie następuje w trakcie pracy silnika. Na połączeniu dwóch rodzajów izolacji dochodzi do najczęstszych awarii, jest to najsłabszy punkt tego rozwiązania technologicznego [46, 56]. o Izolacja ciągła. Na całej długości cewki zastosowana jest ta sama taśma mikowa. W ten sposób zlikwidowano słaby punkt poprzedniej technologii. Część prosta i część czołowa muszą być sprasowane i utwardzone w tym samym czasie. Nie ma możliwości dodatkowego kształtowania czół cewek w trakcie końcowego montażu. Czoła muszą być dokładnie uformowane w czasie produkcji uzwojenia. Wymaga to stosowania specjalistycznego oprzyrządowania, co podnosi znacznie koszty tej technologii. Izolacja VPI Układ izolacyjny VPI silnika bazuje na materiałach porowatych [4, 48, 56, 57]. Cewki posiadają izolację główną ciągłą, wykonaną z taśm mikowych w stanie nieutwardzonym. 35

36 Następny proces to zwojenie tymi cewkami rdzenia stojana bez kadłuba. Układ izolacyjny silnika uzyskuje się w procesie impregnacji próżniowo-ciśnieniowej w żywicach poliestrowych lub epoksydowych i utwardzonych w piecu [48, 49, 50, 56, 57]. Parametry impregnacji dobiera się w zależności od rodzaju materiałów izolacyjnych i grubości izolacji Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń napięciem stałym off-line W cementowni autor wdrożył pomiary izolacji uzwojeń napięciem stałym metodą prof. Tadeusza Glinki opisaną w literaturze [23, 24, 25, 26, 27, 28] oraz w Polskiej Normie PN-E [47]. Prowadząc eksploatację silników WN i stosując tą metodę możemy wyznaczyć horyzonty czasowe prawidłowej pracy silników. Zachowanie się układu izolacyjnego o dużym stopniu zużycia przy badaniach ich izolacji metodą prądu stałego w sposób zasadniczy różni się od zachowania układu izolacyjnego dobrego. Dla izolacji nowej, dobrej, prąd upływu i p maleje wykładniczo z upływem czasu do wartości U o /R 60, U o /R 600. Dla izolacji bardzo mocno zużytej prąd upływu nie ustala się, a charakter jego zmian jest stochastyczny, z możliwymi obszarami, w których kierunek prądu zmienia się na przeciwny [27, 28]. Przebieg stochastyczny prądu upływu dla izolacji dobrej i zużytej przedstawiono na rys dla izolacji nowej (zdrowej) 2 - dla izolacji całkowicie zużytej Rys Przebieg prądu upływu dla izolacji dobrej i zużytej i p (t) układu izolacyjnego po skokowym załączeniu napięcia stałego [28] Metoda prof. Tadeusza Glinki w literaturze [32, 33, 39, 40, 41] ze względu na swój charakter nazwana została wielokryterialną metodą prądu stałego (WMPS). Wykorzystanie metody WMPS wydaje się stosunkowo skutecznym narzędziem z uwagi na wykorzystanie zjawisk powstawania napięcia relaksacji w wewnętrznych elektrycznych pojemnościach dielektryka (rys.2.29), które powstają we wszelkiego rodzaju wtrącinach powietrznych i pęknięciach. Należy także wspomnieć, że metoda ta jest stosunkowo odporna na zakłócenia zewnętrzne [41]. 36

37 Rys Schemat zastępczy układu izolacyjnego [26] Pokazane w schemacie zastępczym (rys.2.30) pojemności wewnętrzne izolacji C1 i C2 przedstawiają rozwarstwienie i popękanie izolacji, C3 pojemność powierzchniowa, R1, R2, R3 to rezystancje wewnętrzne, a R 60 reprezentuje rezystancję zastępcza izolacji zmierzoną prądem stałym po 60 sek. stan ustalony. Działanie iskierników modeluje chwilowe wewnętrzne wyładowania, zwieranie i rozwieranie pojemności układu zastępczego [27]. Badanie układu izolacyjnego napięciem stały według metody T.Glinki obejmuje następujące próby [27]: Wyznaczanie charakterystyki R 60 =f(u), Pomiar przebiegu czasowego prądu upływu ip po skokowym załączeniu, na całkowicie rozładowany układ izolacyjny, napięcia stałego o wartości U n, Naładowanie układu izolacyjnego do napięcia znamionowego, aż do stanu ustalonego, a następnie odłączenie napięcia zasilającego i zwarcie układu izolacyjnego na czas t 2 po czym rozwarcie układu izolacyjnego i pomiar charakterystyki odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym U od (t). Wyniki badań porównuje się z kryteriami oceny stanu izolacji (rys.2.31) przedstawionymi przez autora metody w publikacji [26]. Rys Kryteria oceny wyników badań izolacji metodą T. Glinki [26] 37

38 Wyżej wymienione badania autor zleca firmie zewnętrznej, która wykonuje pomiary na specjalnie przygotowanych stanowiskach pomiarowych. Dla dużych jednostek jest możliwe częściowe wykonanie pomiarów na stanowisku pracy silnika. Firma prowadzi pomiary w oparciu o metodę T.Glinki (WMPS) polegająca na pomiarze charakterystyk: I 60 =f(u), R 60 =f(u) oraz przebiegów czasowych: I ład =f(t), U odb =f(t) oraz określając współczynnik DFŁ (współczynnik Ławrowskiego) wprowadzony do oceny stanu izolacji silników wysokiego napięcia określony wzorem[32, 33, 39, 40, 41, 57]: DFŁ = (I p *U n )/{t od *(U p /U n )}. (2.5) Współczynnik ten jest ilorazem iloczynu wartości ustalonej prądu upływu w [µa] i wartości napięcia znamionowego w [V] oraz iloczynowi wartości czasu odbudowy napięcia w sekundach [s] oraz hipotetycznego napięcia przebicia izolacji odniesionego do napięcia znamionowego [57]. Osiągnięcie mniejszych wartości współczynnika oznacza lepszy stan izolacji. Przykład badania stanu izolacji uzwojeń prądem stałym Silnik napędu młyna cementu ze zużytą izolacją poddany procesowi naprawy: Typ: DSE Nr fabr Rok: 1970 Moc: 1000 kw Klasa Izolacji: F Praca: S1 Un=6 kv, In=117 A, f= 50 Hz, cos Φ = 0,88 W ramach prac prowadzonych na silniku typu DSE wykonano następujące czynności remontowe(rys.2.32, rys.2.33, rys.2.34, rys.2.35): Mycie stojana i wirnika. Suszenie w piecu stojana i wirnika. Klinowanie luźnych prętów uzwojeń w żłobkach. Wymiana uszkodzonych bandaży na czołach uzwojeń stojana. Lakierowanie uzwojeń stojana i wirnika. Przeszlifowanie pierścieni ślizgowych wirnika. Wymiana szczotek. Regeneracja pękniętych pokryw łożyskowych. Wymiana łożysk. Malowanie korpusu silnika. Rys Stojan silnika DSE przed remontem Rys Popękane bandaże uzwojeń stojana 38

39 Rys Wyjęte luźne kliny Rys Zregenerowane uzwojenie stojana po remoncie Rys Przebieg zmian prądu upływy (I 15, I 60 ) przy zmianie napięcia pomiarowego uzw. stojana [17] Rys Przebieg zmian prądu upływy (I 15, I 60 ) przy zmianie napięcia pomiarowego uzw. wirnika[17] Przeprowadzone pomiary po remoncie wykazały obniżenie charakterystyk zmian prądu upływy (I 15, I 60 ) przy zmianie napięcia pomiarowego dla uzwojenia stojana (rys.2.36) z wartości maksymalnej prądu upływu I 15 = 16 µa do wartości I 15 = 8 µa oraz z wartości maksymalnej prądu upływu I 60 = 14,4 µa do wartości I 60 = 6,2 µa. Dla uzwojenia wirnika zaobserwowano obniżenie charakterystyk zmian prądu upływy (I 15, I 60 ) przy zmianie napięcia pomiarowego (rys.2.37) z wartości maksymalnej prądu upływu I 15 = 5 µa do wartości I 15 = 1,8 µa oraz z wartości maksymalnej prądu upływu I 60 = 5 µa do wartości I 60 = 1.8 µa. Pomiary te wykazują znaczny wzrost stanu izolacji stojana i wirnika po przeprowadzonym remoncie. Analizując zarejestrowane przebiegi czasowe prądu upływu I upł. = f(t) uzwojenia stojana obserwujemy obniżenie charakterystyki w osi y o wartość 3 µa (rys.2.38). Zauważamy zmniejszenie wartości początkowej prądu upływu (I upł ) z wartości 20 µa przed remontem do wartości 10 µa po remoncie, zmniejszenie wartości końcowej I upł z wartości 4 µa do wartości 1,5 µa. Dla uzwojenia wirnika obserwujemy obniżenie charakterystyki w osi y o wartość 2 µa (rys.2.39) odpowiednio nie zanotowano zmiany wartości początkowej prądu upływu (I upł ), odnotowano zmniejszenie wartości końcowej I upł z wartości 3.4 µa do wartości 1,4 µa. 39

40 Rys Przebieg czasowy prądu upływu I upł. = f(t) uzw. stojana [17] Rys Przebieg czasowy prądu upływu I up ł. = f(t) uzw. wirnika [17] Analizując charakterystyki odbudowy napięcia w układzie izolacyjnym stojana (rys.2.40) stwierdzamy znaczny wzrost czasu odbudowy z wartości 660 [s] do wartości 1380 [s] przy podobnej wartości szczytowej. W wirniku (rys.2.41) nie odnotowano większych zmian wartości i przebiegów napięcia odbudowy. Rys Przebieg napięcia odbudowy U odb. = f(t) uzw. stojana [17] Rys Przebieg napięcia odbudowy U odb. = f(t) uzw. wirnika [17] Dla uzwojenia stojana wartość współczynnika Ł (DFŁ) po remoncie (rys.2.42) zmalał do 26,43 z wartości 280,9 przed remontem. Taka wartość współczynnika Ł(DFŁ) określana jest jako dobry stan izolacji dla silników o napięciu znamionowym 6 kv. Rys Graficzna prezentacja stanu układu izolacyjnego uzwojenia wirnika na podstawie współczynnika Ł(DFŁ)-uzwojenie stojana [17] 40