Zastosowanie metod diagnostycznych do określenia stanu technicznego maszyn elektrycznych

DECNER Adam 1 JAREK Tomasz 2 Zastosowanie metod diagnostycznych do określenia stanu technicznego maszyn elektrycznych WSTĘP Niezawodna eksploatacja maszyn elektrycznych w długim okresie czasu jest pożądana zarówno przez właścicieli jak i służby utrzymania ruchu. Elementem wpływającą na tą niezawodność są badania diagnostyczne. Systematyczne ich wykonywanie pozwala na racjonalne planowanie przeglądów i remontów oraz wczesne wykrywanie zagrożenia. Koszty badań diagnostycznych stanowią bardzo mały odsetek kosztów poniesionych podczas niespodziewanej awarii maszyny a związanych z postojem, stratami materiału itp. Uzasadnia to prowadzenie monitoringu maszyn, albo co najmniej okresowej, systematycznej diagnostyki, w szczególności tych, które nie mają zainstalowanej rezerwy na stanowisku pracy: generatory w elektrowniach, maszyny wyciągowe w kopalniach, silniki walcownicze w hutach i inne ważne procesu produkcyjnego napędy. Problem diagnostyki i monitoringu maszyn elektrycznych koncentruje się na ocenie stanu technicznego obwodu elektromagnetycznego i układu mechanicznego. Według publikacji [14], np. silników indukcyjnych awarie spowodowane są przez uszkodzenie: łożysk około 40%, uzwojenia stojana około 35%, wirnika około 10%, inne uszkodzenia około 15%. Opierając się na statystyce, działania diagnostyczne należy więc koncentrować na tych uszkodzeniach, które występują najczęściej. Takie podejście będzie również uzasadnione ekonomicznie. 1 DIAGNOSTYKA DRGANIOWA Każdy zainstalowany w zakładzie przemysłowym napęd elektryczny, powinien podlegać okresowej diagnostyce drganiowej. Celem badań okresowych maszyn elektrycznych jest przeciwdziałanie dużym awariom, którym towarzyszą wysokie koszty związane z wykluczeniem maszyny z eksploatacji, a związane są z jej naprawą. Poziom wibracji w maszynie elektrycznej wzrasta w sposób naturalny w miarę zużywania się poszczególnych elementów napędu. Do najczęstszych przyczyn pojawienia się wibracji należą: uszkodzenia łożysk, asymetria geometrii promieniowej między wirnikiem a stojanem, asymetria geometrii osiowej między wirnikiem a stojanem, niewywaga. Ocena stanu technicznego łożysk tocznych odbywa się głównie w oparciu o pomiar poziomu drgań. Pomiary te wykonywane są na tarczach łożyskowych, podporach bądź korpusie maszyny w trzech osiach: prostopadłej do osi wału w kierunku poziomym (X) i pionowym (Y) oraz wzdłuż osi wału (Z). Pomiary te mają za zadanie zgromadzenie informacji dotyczących stopnia zużycia tych elementów. W zależności od celu pomiaru oraz rodzajów badanych maszyn największe znaczenie mają przebiegi czasowe przemieszczeń, prędkości lub przyspieszenia drgań. Dla ogólnej oceny istotna jest wartość skuteczna (RMS) prędkości drgań, natomiast w celu poznania przyczyny występowania 1 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL; 40-203 Katowice; al. Roździeńskiego 188. Tel. +48 32 258-20-41, a.decner@komel.katowice.pl 2 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL; 40-203 Katowice; al. Roździeńskiego 188. Tel. +48 32 258-20-41, t.jarek@komel.katowice.pl 3048

zwiększonych wibracji konieczne jest przeprowadzenie szczegółowej analizy widma drgań. Znając podstawowe parametry ruchowe maszyny oraz jej budowę można poszczególnym częstotliwościom występującym w widmie drgań przypisać generujące je elementy lub stany pracy maszyny. Metody oceny stanu technicznego łożysk w oparciu o pomiary drgań są szeroko opisywane w literaturze [2, 7, 9], tego autorzy zajmują się ich zdaniem ciekawym zagadnieniem związanym z wykrywaniem wibracji w maszynach z magnesami trwałymi. Maszyny te są bardzo często wykorzystywane są we wszelkiego rodzaju napędach m.in. elektrowniach wodnych, wiatrowych oraz pojazdach elektrycznych. Diagnostyka drganiowa większości wirujących maszyn elektrycznych bazuje głównie na pomiarach wykonywanych przy użyciu zewnętrznych czujników pomiarowych oraz dedykowanej do tego celu skomplikowanej i kosztownej aparatury. W rozwiązaniach tych trzeba zwracać uwagę na możliwość zamontowania czujnika do maszyny, co często stwarza problemy, gdyż maszyna fabrycznie jest rzadko do tego celu przystosowana. Dodatkowo należy zwracać szczególną uwagę na separację obwodu pomiarowego od wszelkiego rodzaju zakłóceń, które to mogą spowodować nieprawidłowe wskazania aparatury pomiarowej. Zaletą opisywanego sposobu wykrywania drgań wzbudzanych przyczynami mechanicznymi w maszynach elektrycznych z magnesami trwałymi jest to, że układ pomiarowy nie wymaga stosowania czujników do pomiaru wibracji. Obwód wzbudzenia i uzwojenie twornika pełnią bowiem równocześnie funkcję czujnika pomiarowego drgań. W proponowanej metodzie czujniki do pomiaru drgań stosuje się jednorazowo do skalowania pomiarów danego typu maszyny. Pomiary wibracji tą metodą mogą być wykonywane on-line w czasie normalnej eksploatacji maszyny. Metoda, pomiary i obliczenia dokładnie opisane są w kolejnych publikacjach. 2 DIAGNOSTYKA IZOLACJI GŁÓWNEJ Badanie izolacji głównej z wykorzystaniem metody polaryzacyjnej napięcia stałego, która jest rekomendowana przez Polską Normę nr PN E 04700: 1998 pt. Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych - Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych. [13] jest jedną z najprostszych i najtańszych w zastosowaniu metod diagnostycznych izolacji. Jednocześnie zapewnia wysoką powtarzalność otrzymywanych wyników oraz skuteczność oceny stanu technicznego badanej izolacji. Przeprowadzenie badania izolacji głównej wykonuje się postępując wg określonego programu badań, na który składają się próby: 1. Wyznaczenie charakterystyki R 60 = f(u/u N ),o ile jest to możliwe w przedziale napięcia od zera do 2U N. 2. Zarejestrowanie przebiegu prądu ładowania układu elektroizolacyjnego i p przy napięciu DC równym co najmniej wartości napięcia znamionowego maszyny i jego skokowym załączeniu. 3. Zwarcie układu elektroizolacyjnego na określony czas t z. 4. Zarejestrowanie napięcia jakie odbuduje się na układzie elektroizolacyjnym U od = f(t). Powyższy program badań jest realizowany wg ogólnego układu połączeń przedstawionego schematycznie na Rysunku 1. Układ pomiarowy składa się z regulowanego zasilacza napięcia stałego (Z DC ), o zakresie napięciowym odpowiednio dobranym do znamionowego napięcia badanej maszyny. Pomiary wykonuje się w układzie do pomiaru dużych rezystancji metodą techniczną. Prąd mierzony jest za pomocą mikroamperomierza (µa), a napięcie na układzie elektroizolacyjnym za pomocą odpowiedniego woltomierza (V). Obiekt badany maszyna elektryczna (M). Aby zapewnić realizowalność programu badań poszczególne elementy układu pomiarowego muszą być odpowiednio odłączane lub przełączane. 3049

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do diagnostyki stanu technicznego izolacji głównej Tab.1. Kryteria oceny wyników badań. Nr. 1 2 3a 3b 4 5 Parametr izolacji Napięcie przebicia U p /U N [-] Rezystancja U R 60N /U N 6 kv N [k /V] U N < 6 kv Czas zwarcia U N 6 kv t z [s] U N < 6kV Maksymalne napięcie odbudowy U od max /U N [-] Czas odbudowy U N 6 kv napięcia t od [s] U N < 6 kv Wahania prądu upływu U N Współczynnik absorbcji i p15 /i p60 p60mean Ocena stanu technicznego izolacji 5 4 3 2 1 0 >3 >2.5 >2 ~1.5 ~1 <1 >50 >25 >15 >10 >3 <3 >50 >20 >10 >3 >1 <1 60 30 15 5 1 <1 30 15 10 5 1 <1 >0,1 0,1 0,05 0,01 0 0 >240 >120 >30 ~10 0 0 >120 >60 >15 ~5 0 0 ip60max ip60min <0.5 <1 >1 >1 >2 0 i U N 6 kv U N < 6 kv >1.5 >1.2 >1 1 <1 <1 >1.3 >1.1 >1 1 <1 <1 Tab.2. Zestawienie parametrów i ich oceny omawianego transformatora. Nr. Parametr izolacji Ocena stanu technicznego izolacji 1 Napięcie przebiciau p /U N [-] 5 2 RezystancjaR 60N /U N [k /V] U N 6 kv 5 3a Czas zwarcia t z [s] U N 6 kv 5 3b Maksymalne napięcie odbudowy U od max /U N [-] 5 Czas odbudowy napięciat od [s] U N 6 kv 3 4 Wahania prądu upływu U N i i 5 Współczynnik absorbcjii p15 /i p60 U N 6 kv 4 p60max i p60mean p60min 5 Na podstawie pomiarów przeprowadzonych wg powyższego programu badań wyznaczane zostają charakterystyczne parametry układu elektroizolacyjnego [5, 6, 15]. Z charakterystyki R 60 = f(u/u N ), wyznaczane jest napięcie przebicia U p. Odnosząc napięcie przebicia U p do napięcia znamionowego i porównując z wierszem 1 Tabeli 1 oceniany jest ten parametr zgodnie z przyjętą skalą. Z charakterystyki tej wyznaczana jest również rezystancjar 60 przy napięciu znamionowym U N. Następnie wyliczana jest rezystancja przypadającą na 1 V i porównywana z wierszem 2 Tabeli 1 oraz 3050

oceniana wg przyjętej skali. Z rejestracji prądu i p przeprowadzonej wg punktu 2 programu badań wyznaczany jest współczynnik absorbcji i porównywany z wierszem 5 Tabeli 1 oraz oceniany wg przyjętej skali. Z tego samego przebiegu określa się i ocenia wahania prądu upływu i p wg wiersza 3 Tabeli 1. Zwarcie układu elektroizolacyjnego na wymagany czas przyjmuje się i ocenia zgodnie z punktem 3a Tabeli 1. Z charakterystyki U od = f(t) określa się wartość maksymalną odbudowanego napięcia U odmax odniesioną do napięcia zasilania podczas próby U 0 oraz czas po jakim wartość napięcia odbudowanego osiągnęła maksimum. Wyznaczając te parametry i porównując wyniki z Tabelą 1 określa się stan techniczny układu elektroizolacyjnego. Jako materiał badawczy przedstawiono wyniki uzyskane podczas pomiarów diagnostycznych transformatora olejowego 6,3/0,4 kv o mocy 400 kva. Prezentowane wyniki dotyczą uzwojenia górnego napięcia. W artykule przedstawiono wybrane, najciekawsze otrzymane wyniki. Na Rysunku 2 przedstawiono charakterystykę R 60 = f(u/u N ) wykonaną wg pkt 1 programu badań. Na wykresie zaznaczono hipotetyczne napięcie przebicia U p wynoszące U p /U N > 3. Wynik ten został sklasyfikowany zgodnie z Tabelą 1 na ocenę 5. Na Rysunku 3 przedstawiono przebieg i p = f(t) wykonany wg punktu 2 programu badań. Na wykresie zaznaczono dwa charakterystyczne punkty i p15 oraz i p60, z których wyznacza się współczynnik absorbcji. Dla omawianego przypadku wynosi on 1,31 i został sklasyfikowany zgodnie z Tabelą 1 na ocenę 4. Z omawianego przebiegu prądu wyznaczona zostaje również rezystancja R 60. Dla omawianego przypadku wynosi ona R 60 = U/i p60 = 1174 MΩ i odniesione do napięcia znamionowego R 60 /U N = 196 kω/v. Wynik ten został sklasyfikowany zgodnie z Tabelą 1 na ocenę 5. Wahania prądu upływu po czasie 60 s od przyłożenia napięcia na układ elektroizolacyjny wynoszą znacznie poniżej wartości 0,5. Wynik ten został sklasyfikowany zgodnie z Tabelą 1 na ocenę 5. Rys. 2. Charakterystyka R 60 = f(u/u N ) wykonana wg punktu 1 programu badań Rys. 3. Przebieg i p = f(t) wykonany wg punktu 2 programu badań 3051

Na Rysunku 4 przedstawiono przebieg i p = f(t) wykonany wg punktu 3 programu badań. Na wykresie zaznaczono czas zwarcia t z układu elektroizolacyjnego wynoszący t z = 60 s. Wynik ten został sklasyfikowany zgodnie z Tabelą 1 na ocenę 5. Na Rysunku 5 przedstawiono przebieg U od /U N = f(t) wykonany wg punktu 4 programu badań. Na wykresie zaznaczono maksymalne napięcie odbudowy U odmax /U N oraz czas odbudowy t od. Wartość U odmax /U N = 0,232 i został sklasyfikowany zgodnie z Tabelą 1 na ocenę 5, a czas odbudowy t od = 56 s i został sklasyfikowany zgodnie z Tabelą 1 na ocenę 3. W Tabeli 2 zestawiono wykonane próby oraz ocenę ich wyników. Przebadany układ elektroizolacyjny transformatora został oceniony na ogólną ocenę 3. Jest to ocena umożliwiająca dalszą bezpieczną eksploatację urządzenia. Rys. 4. Przebieg i p = f(t) wykonany wg punktu 3 programu badań Rys. 5. Przebieg U od /U N = f(t) wykonany wg punktu 4 programu badań 3 DIAGNOSTYKA IZOLACJI ZWOJOWEJ Jako uzupełnienie metody polaryzacyjnej napięcia stałego, w nieco późniejszym czasie, powstała metoda diagnostyki izolacji zwojowej. Próba polega na obserwacji napięcia indukowanego na zaciskach uzwojenia po przerwaniu prądu płynącego przez to uzwojenie. Z przeprowadzonych doświadczeń wynika, że wymuszenie przepływu prądu o wartości 5 10% wartości prądu znamionowego badanej maszyny wystarcza do prawidłowego przeprowadzenia testów [4]. Pomiary przeprowadza się w układzie pomiarowym przedstawionym na Rysunku 6. Na program badań izolacji zwojowej składa się jedna próba: 1. Rejestracja napięcia indukowanego na zaciskach uzwojenia u(t) podczas przerywania prądu stałego płynącego przez to uzwojenie. Z zarejestrowanych przebiegów czasowych podczas załączania prądu I DC na układ RLC, jakim jest badane uzwojenie, można wyznaczyć następujące parametry: logarytmiczny dekrement tłumienia Λ, 3052

częstotliwość oscylacji f. Logarytmiczny dekrement tłumienia Λ oblicza się wg wzoru (3), a częstotliwość oscylacji można odczytać bezpośrednio z ekranu oscyloskopu. A n Λ ln (3) An 1 Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do diagnostyki stanu technicznego izolacji zwojowej Jest to metoda porównawcza i służy do wstępnej oceny izolacji zwojowej. Porównując ze sobą trzy uzwojenia maszyny można stwierdzić, czy w którejś fazie występuje uszkodzenie. Otrzymując jednakowe wyniki każdej badanej fazy (cewki), można stwierdzić, że są one w identycznym stanie technicznym. Różnice w wynikach świadczą o różnym stanie technicznym poszczególnych faz (cewek). Na Rysunkach 7 do 9 przedstawiono wyniki pomiaru cewek, których izolacja zwojowa była w różnym stanie technicznym. Rys. 7. Przebieg czasowy napięcia na nowej cewce; f = 541,0 khz; = 0,31 Rys. 8. Przebieg czasowy napięcia na cewce z izolacją w złym stanie technicznym; f = 737,6 khz; = 0,35 3053

U [V] 100 0-100 Rys. 9. Przebieg czasowy napięcia na zniszczonej cewce; f = 1942,0 khz; = 0,55 WNIOSKI -5.00E-6 0.00E+0 5.00E-6 1.00E-5 Czas [s] Proponowana metoda pomiaru drgań poszerza możliwości wykorzystania maszyny z magnesami trwałymi jako czujnik drgań samej siebie. Jest to podejście innowacyjne i niestandardowe. Autorzy nigdzie nie napotkali takiego zastosowania generatorów PM, gdzie do oceny stanu technicznego pod względem drgań wykorzystuje się sygnał własny maszyny. Przedstawiona metoda diagnostyczna zdaniem autorów, którzy na co dzień zajmuje się badaniem maszyn w laboratorium, jak również diagnostyką maszyn elektrycznych eksploatowanych w przemyśle, znacznie upraszcza diagnostykę drganiową w maszynach PM. Wykonywanie pomiarów parametrów technicznych izolacji zgodnie z harmonogramem, w regularnych odstępach czasu, a następnie zestawienie zebranego materiału np. na wykresie, daje możliwość łatwej interpretacji wyników oraz określenie tendencji zmian zachodzących w materiale izolacyjnym. Autorzy stosują omawianą metodę diagnostyki układu elektroizolacyjnego już blisko 20 lat. W tym czasie przebadano kilkaset uzwojeń. Otrzymane wyniki służą do racjonalnego planowania przeglądów i remontów maszyn elektrycznych. Zestawiając wyniki otrzymywane w kolejnych latach można zaobserwować tendencje zmian zachodzących w układzie elektroizolacyjnym maszyny. Metoda jest łatwa w zastosowaniu, a otrzymane wyniki są jednoznaczne. Tworzenie nowej metody diagnostycznej wymaga licznych badań niekiedy trwających wiele lat, oraz ciągłej weryfikacji uzyskanych wyników. Przedstawiana metoda diagnostyki izolacji zwojowej jest naturalnym rozwinięciem metody polaryzacyjnej napięcia stałego. Obecnie trwają prace diagnostyczne, mające na celu zebranie jak największej ilości pomiarów, w taki sposób, aby zweryfikować postawione na początku kryteria oceny i warunki wykonania prób, którymi są: 1) ustalona wartość przerywanego prądu stałego powinna zawierać się w granicach 5 10% prądu znamionowego badanej maszyny, 2) każda faza badanej maszyny powinna być badana oddzielnie, 3) wzrost częstotliwości napięcia indukowanego po wyłączeniu prądu probierczego świadczy o pogorszeniu się izolacji zwojowej uzwojenia, 4) wzrost logarytmicznego dekrementu tłumienia świadczy o pogorszeniu się izolacji zwojowej uzwojenia. Streszczenie W artykule przedstawiono wybrane metody diagnostyczne maszyn elektrycznych. Jako najważniejsze, z punktu widzenia poprawnej pracy maszyny, wybrano do szerszego opisu bezczujnikową diagnostykę drganiową maszyn z magnesami trwałymi, diagnostykę izolacji głównej i zwojowej. Według autorów maszyna elektryczna z magnesami trwałymi (silnik lub generator) może stanowić czujnik drgań samej siebie i na podstawie analizy sygnału pochodzącego z takiego czujnika można określić jej stan techniczny. Autorzy opisują stosowaną od wielu lat przez ich zespół badawczy metodę diagnostyczną izolacji głównej i zwojowej przy wykorzystaniu napięcia stałego. 3054

Diagnostic methods used for determination the technical condition of electrical machines Abstract Authors in the article present selected diagnostic methods of electrical machines. Asimportantly, from the point of view of the correct operation of the machine, the sensor less vibration diagnostics method of permanent magnet machines and diagnosis of the main and turn-to-turn isolation was selected. According to the authors the electric machine with permanent magnets(motor or generator) can be a vibration sensor for itself, and based on the signal from this sensor can determine its technical condition. The authors describe, used for many years by their research team, the diagnostic method of main and turn-to turn insulation using DC voltage method. BIBLIOGRAFIA 1. Barański M., Glinka T. Sposób diagnozowania drgań wzbudzanych niewywagą w maszynach elektrycznych z magnesami trwałymi.zgłoszenie patentowe P.405669. 2. Barański M., Polak A. Decner A. Bearings vibration diagnosis based on hodograph XY, Przegląd Elektrotechniczny nr 1/2014: 10-12. 3. Barański M., Polak. A. Diagnósticostermográficos de máquinaselétricas. Eletricidade Moderna nr 3/2011:42-49. 4. Decner A., Polak A. Diagnostic Tests of Turn-to-turn Insulation. International Conference on Electrical Machines, Roma, 2010. 5. Glinka T.Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle.wyd. Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL, Katowice, 2002. 6. Glinka T., Polak A., Decner A. Degradacja izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych pod wpływem czasu ich eksploatacji.zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr 74/2006, Wyd. Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych KOMEL:51-56. 7. IEC 60034-14 Rotating electrical machines. Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher Measurement, evaluation and limits of vibration severity. 8. IEEE Std 43-2000. IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery. 9. ISO7919 Mechanical vibration of non-reciprocating machines - Measurements on rotating shafts and evaluation criteria. 10. Maciążek M., Pasko M. Prediction in control systems of active power filters. PrzeglądElektrotechniczny nr 4/2010, Poland, 2010. 11. Maciążek M., Pasko M., Buła D. Optimization of time in Active Power Filter control. 8th International Workshop OPEE, 2007. 12. Maciążek M., Pasko M., Grabowski D. Active power filters-optimization of sizing and placement. Technical Sciences, 2013. 13. PN E 04700: 1998. Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych - Wytyczne przeprowadzania pomontażowych badań odbiorczych. 14. Sułowicz M. Diagnostyka silników indukcyjnych metodami sztucznej inteligencji. Rozprawa doktorska, Instytut Elektrotechniki w Warszawie, Samodzielna Pracownia Diagnostyki Układów Elektromechanicznych w Krakowie, Kraków 2005. 15. Szymaniec S. Diagnostyka stanu izolacji uzwojeń i stanu łożysk silników indukcyjnych klatkowych w warunkach przemysłowej eksploatacji. Studia i Monografie z. 193, Wyd. Politechniki Opolskiej, Opole 2006. 16. www.mera-sp.com.pl Praca jest finansowana ze środków na naukę w latach 2013-2015 jako projekt badawczy nr 413/L 4/2012 realizowany w Instytucie Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL o nazwie 3055

Wibroakustyczna metoda diagnostyczna silników trakcyjnych i generatorów z magnesami trwałymi na podstawie sygnałów własnych. 3056