ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Jakub Lorencki 1, Stanisław Radkowski 2 PROCEDURY I ANALIZA USTEREK W SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI 3 1. Wstęp Ilość silników elektrycznych na rynku zwiększa się z każdym rokiem, zarówno w Polsce jak i na świecie. Ich wartość na światowym rynku wynosiła ok. 16,1 miliarda dolarów w 2011 roku, co się przyjmuje jako 50% wzrost przez 5 lat [1]. Silniki elektryczne są stosowane w prawie każdej dziedziny codziennego życia: w systemach produkcyjnych, transporcie powietrznym i naziemnym, w systemach klimatyzacji w budynkach, w domowych systemach konwersji energii, systemach chłodzenia w urządzeniach elektrycznych, a nawet w systemach wibracji w telefonach komórkowych. Ze względu na szybki wzrost populacji na Ziemi i wobec tego dużą konsumpcję energii elektrycznej, w wielu zastosowaniach przemysłowych wymaga się zaawansowanego sterowania i wysokiej niezawodności silników dla trudnych warunków środowiskowych. Jest to szczególnie ważne w miejscach, gdzie nieoczekiwane zaprzestanie działania silnika elektrycznego może spowodować przerwę w działaniu istotnych urządzeń o znaczeniu strategicznym, medycznym, transportowym czy militarnym. W tych zastosowaniach, gdzie wymagany jest ciągły proces i gdzie okres postoju nie jest tolerowany, nieprzewidziana awaria silnika może spowodować kosztowną naprawę albo zniszczenie jakiś urządzeń. 2. Uszkodzenia występujące w silnikach synchronicznych 2.1. Podejmowanie decyzji przy uszkodzeniach Silnik elektryczny posiada zarówno wiele mechanicznych jak i elektrycznych części, jak pręt wirnika, magnes na wirniku, uzwojenie stojana, pierścień końcowy, łożyska i skrzynia biegów. Z powodu różnych trudnych warunków środowiskowych, każda część silnika elektrycznego jest potencjalnie narażona na wysokie ryzyko uszkodzeń systemu mechanicznego, chemicznego czy elektrycznego. Powody, które powodują awarie silników elektrycznych w przemyśle to: 1. Przekroczenie okresu trwałości 2. Złe dobranie urządzenia pod względem mocy, prądu czy napięcia 3. Niestabilne zasilanie napięcia albo źródła prądowego 4. Przeciążenie albo niezrównoważone obciążenie 5. Napięcie elektryczne spowodowane szybkim przełączaniem przekształtników albo niestabilnym uziemieniem 6. Surowe warunki środowiskowe (pył, cieki wodne, wibracje środowiskowe, zanieczyszczenia chemiczne, wysoka temperatura) 2 mgr inż. Jakub Lorencki uczestnik studiów doktoranckich Wydziału SiMR 3 prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Radkowski profesor Wydziału SiMR 1 Tekst pisany na podstawie Electric Machines Modeling, Condition Monitoring and Fault Diagnosis 139
Główne rodzaje uszkodzeń silnika można kategoryzować na uszkodzenia elektryczne, mechaniczne oraz defekty systemu zewnętrznego napędu, co wymieniono następująco: 1. Uszkodzenia elektryczne obwód otwarty bądź zwarcie w uzwojeniu wirnika (głównie z powodu uszkodzenia izolacji uzwojenia) złe podłączenie uzwojeń wysoka oporność styku przewodnika złe lub niestabilne uziemienie 2. Uszkodzenia mechaniczne złamane pręty wirnika złamany magnes (albo częściowa demagnetyzacja) pęknięte pierścienie końcowe ugięty wał poluzowanie śruby uszkodzenie łożyska uszkodzenie skrzyni biegów nieregularność szczeliny powietrznej 3. Uszkodzenia zewnętrznych układów napędowych silnika uszkodzenie układu przekształtnika niestabilne źródło napięcia/prądu zwarte lub rozwarte zasilanie przewodowe Uszkodzenie łożyska stanowi prawie 40% usterek, uszkodzenia stojana około 38%, wirnika około 10% a pozostałe to ok 12% wszystkich elektrycznych uszkodzeń silnika. Przy projektowaniu silnika elektrycznego liczy się elektryczna i mechaniczna symetria stojana i wirnika w celu lepszej ich współpracy i wyższej sprawności. Stan uszkodzenia w silniku opisany wcześniej może zniszczyć tę symetryczność, gdzie funkcjonowanie uszkodzonego silnika powoduje nietypowe objawy podczas jego działania, które są opisane następująco: 1. Wstrząsy mechaniczne 2. Podwyższenie temperatury 3. Nieregularny moment szczeliny powietrznej 4. Chwilowe wahania mocy wyjściowej 5. Hałas akustyczny 6. Zmiany w zasilaniu przewodowym 7. Zmiany w zasilaniu prądowym 8. Zmiany prędkości Większość nietypowych oznak objawia się w określonych wzorcach sygnałowych przypisanych do konkretnych stanów i surowości uszkodzenia silnika, jak częstotliwość, okres, amplituda, wariancja, stopień i faza sygnału. Na podstawie monitorowania i analizowania tych oznak i ich wzorców, zaproponowano wiele technik diagnostycznych silników elektrycznych i pokazano kilka rozwiązań na rynku komercyjnym. Wiele z nich zaadoptowano w przemyśle głównie za sprawą następujących strategii [2-5]: 1. Sygnałowa diagnostyka uszkodzeń Analiza wstrząsów mechanicznych Monitoring impulsów uderzeniowych 140
Pomiar temperatury Analiza szumu akustycznego Monitoring pola elektromagnetycznego poprzez umieszczoną cewkę Analiza wahań chwilowej mocy wyjściowej Analiza podczerwieni Analiza gazu Analiza oleju Monitoring emisji częstotliwości radiowej Pomiar częściowego rozładowania Analiza sygnatury prądu silnika Analiza statystyczna odpowiednich sygnałów 2. Diagnostyka uszkodzeń oparta na modelu Sieci neuronowe Analiza logiki rozmytej Algorytmy genetyczne Sztuczna inteligencja Metoda elementów skończonych obwodu magnetycznego Modele matematyczne oparte na teorii liniowego obwodu 3. Analiza uszkodzeń oparta na teorii maszyn Podejście funkcji uzwojeń Zmodyfikowane podejście funkcji uzwojeń Magnetyczny obwód zastępczy 4. Analiza uszkodzeń oparta na symulacji Metoda elementów skończonych Sprzężona czasowo analiza przestrzenna elementów skończonych Wiele rodzajów metod diagnostyki uszkodzeń zostało równocześnie wdrożonych dla przemysłu. Wprowadzenie ich w życie jest oparte na następującej procedurze: 1. Detekcja uszkodzenia a. Detekcja w dziedzinie czasu (głównie dla diagnostyki uszkodzeń systemów mocy) b. Detekcja w dziedzinie częstotliwości (głównie dla diagnostyki uszkodzeń maszyn opartej na sygnałach) c. Detekcja oparta na nagromadzonych danych (głównie dla diagnostyki uszkodzeń opartej na modelu) 2. Podejmowanie decyzji o uszkodzeniu d. Decyzja o istnieniu uszkodzenia e. Decyzja o stopniu uszkodzenia 3. Sprzężenie zwrotne dla sterownika silnika albo interfejsu użytkownika a. Ograniczenie funkcjonowania silnika na podstawie surowości uszkodzenia b. Zaplanowany serwis 3. Uszkodzenia występujące w silnikach synchronicznych 3.1. Informacje ogólne Zostaną tutaj zaprezentowane istotne uszkodzenia elektryczne i mechaniczne w silnikach elektrycznych i odpowiednie techniki diagnostyczne opisane literaturze. 141
Niektóre usterki jak uszkodzenia międzyzwojowe, uszkodzenia łożyska i ekscentryczności są wspólne dla każdego rodzaju silnika synchronicznego. Inne, takie jak uszkodzenia uzwojenia wirnika, złamanie tłumiących prętów albo pierścieni końcowych są specyficzne dla silników synchronicznych z uzwojonym wirnikiem, natomiast uszkodzenia związane z demagnetyzacją (rozmagnesowaniem) są charakterystyczne dla silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSMów). Podobnie jak pozostałe rodzaje silników elektrycznych, silniki synchroniczne są podatne na wiele rodzajów uszkodzeń elektrycznych czy mechanicznych, które można następująco sklasyfikować: (1) rozwarcie lub zwarcie w jednym albo wielu zwojów w uzwojeniu stojana; (2) otwarty lub zwarty obwód wirnika w silniku synchronicznym z uzwojonym wirnikiem; (3) złamane pręty tłumiące albo pierścienie końcowe; (4) ekscentryczności; (5) mechaniczne uszkodzenia wirnika jak awarie łożyska, ugięty wał, niewspółosiowość; i rozmagnesowania w silnikach z magnesami stałymi. Każde z tych uszkodzeń emituje konkretne objawy, które można zapisać następująco: 1. Niezrównoważone prądy przewodowe i napięcia w szczelinie powietrznej 2. Nadmierna temperatura 3. Hałas i mechaniczne wstrząsy silnika 4. Mniejszy średni moment 5. Wyższe pulsacje momentu 6. Zwiększone straty 2.2. Rozmagnesowanie w silnikach synchronicznych z magnesem stałym (PMSM) W porównaniu do pozostałych rodzajów silników prądu przemiennego (AC), silniki synchroniczne z magnesami stałymi stają się coraz bardziej popularne w zastosowaniach z pracą przy wysokich prędkościach i precyzyjnym sterowaniem momentem. Zjawisko rozmagnesowania jest spowodowane głównie reakcją twornika, głównie w warunkach dla wysokiego momentu. Pozostałe zalety silnika to wysoka sprawność, ciche działanie, wysoki stosunek momentu do prądu oraz mocy do masy, oraz solidność. Podczas normalnego działania silnika PMSM, odwrócone pole magnetyczne emitowane przez prąd stojana przeciwstawia się szczątkowej indukcji magnesów stałych. Przy powtarzaniu tego zjawiska magnes trwały zostanie rozmagnesowany. Rozmagnesowanie może wystąpić na całym biegunie (całkowita demagnetyzacja), lub na części bieguna (częściowa demagnetyzacja). Wysoka temperatura może także rozmagnesować magnes. Usterka związana ze zwarciem w uzwojeniu stojana może częściowo rozmagnesować magnes zamocowany na powierzchni. Częściowe rozmagnesowanie generuje składowe harmoniczne siły magnetycznej, hałas i wstrząs mechaniczny, co skutkuje niezrównoważoną siłą magnetyczną w silniku. W stanie ustalonym w warunkach demagnetyzacji używa do analiz w funkcji częstotliwości szybkiej transformaty Fouriera (FFT) prądu stojana. Metody analizy czasowo-częstotliwościowej można użyć dla warunków niestacjonarnych. Te techniki, jak krótkoczasowa transformata Fouriera (STFT), ciągła transformata Falkowa (CWT) i dyskretna transformata Falkowa (DWT) wymagają odpowiedniej selekcji parametrów takich jak rozmiar okna czy innych współczynników. Metoda rekonstrukcji pola (FRM) może także zostać użyta do detekcji uszkodzenia rozmagnesowania w PMSM. Strumienie sprzężone w fazach stojana, które są obliczone przez FRM, są użyte do monitorowania usterek. 142
2.2. Ekscentryczność Podstawy występowania ekscentryczności w silnikach synchronicznych są takie same jak w indukcyjnych. Ekscentryczność szczeliny powietrznej zwiększa się kiedy występuje nierównomierna odległość pomiędzy stojanem a wirnikiem. Niejednorodna szczelina powietrzna powoduje zmienne indukcyjności zwiększające niezrównoważone strumienie magnetyczne w szczelinie powietrznej. To generuje składowe harmoniczne prądu przewodowego oznaczające uszkodzenie, które może być łatwo zidentyfikowane w widmie częstotliwości. Kiedy ekscentryczność osiąga już coraz większy wymiar, to wynikające z tego niewyważone siły promieniste mogą powodować obcieranie się stojana z wirnikiem i finalnie zniszczenie zarówno stojana jak i wirnika. Istnieją dwa rodzaje ekscentryczności w silniku synchronicznym: statyczna i dynamiczna. W przypadku ekscentryczności statycznej oś środkowa wału jest na stałym przesunięciu od środka stojana. Tak więc niejednorodna szczelina powietrzna nie zmienia się w czasie. Natomiast kiedy występuje ekscentryczność dynamiczna, oś środkowa wału jest zmiennie przesunięta względem środka stojana oraz długość szczeliny powietrznej zmienia się wraz z dynamicznym obrotem wirnika. W rzeczywistości ekscentryczności statyczne i dynamiczne współistnieją. Nieodpowiedni montaż, owalność jarzma stojana, poluzowana albo brakująca śruba, niewspółliniowość albo niewyważenie wirnika mogą właśnie powodować mimośrodowość szczeliny powietrznej. Proponowano wiele metod diagnozowania ekscentryczności, takie jak zmodyfikowana funkcja uzwojeń wyznaczająca wszystkie harmoniczne przestrzenne, oraz metoda elementów skończonych jest używana do zamodelowania silników synchronicznych z biegunami wydatnymi. Te modele pokazują skutek dynamicznej mimośrodowości szczeliny powietrznej w silniku synchronicznym z biegunami wydatnymi. Ebrahimi i inni [6] prezentują metodę detekcji mimośrodowości statycznej, dynamicznej i mieszanej w trójfazowych PMSMach za pomocą pewnego indeksu. Można dzięki niemu wykryć czy ekscentryczność w ogóle występuje, jej rodzaj oraz wielkość. Metoda ta także korzysta z sieci neuronowych. Le Roux i inni [7] badali zastosowanie i detekcję uszkodzeń wirnika zarówno przy ekscentryczności statycznej jak i dynamicznej oraz uszkodzonych magnesów w silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Nowa metoda estymacji strumienia jest tak rozwinięta, że nie wymaga pomiaru pozycji wirnika albo prędkości. Prądy i napięcia stojana są użyte do detekcji tych i innych uszkodzeń. 2.3. Uszkodzenia łożyska Uszkodzenia łożyska (często występujące w przemyśle) mogą się pojawiać nawet przy normalnych warunkach pracy ze zrównoważonym obciążeniem i dobrą współliniowością. Ich łuszczenie się może występować gdy poszczególne części w łożysku odseparowują się od siebie. Niekiedy uszkodzenia łożyska są przypisywane za uszkodzenie związane z asymetrią wirnika.. Kiedy silnik pracuje w warunkach niestacjonarnych, konwencjonalne metody przetwarzania sygnałów takie jak FFT analizy sygnatury prądu nie dają zadowalających rezultatów. W takich warunkach prąd stojana może być analizowany krótkoczasową analizą spektrogramu Fouriera (Shortterm Fourier Transform) i Gabora dla detekcji uszkodzenia łożyska. Inną metodę detekcji uszkodzenia łożyska w PMSMach na podstawie charakterystyki częstotliwościowej zaproponował Pacas i inni [8]. Sygnały momentu i prędkości w 143
silniku mogą być okresowo zaburzane kiedy łożysko jest uszkodzone. Te zaburzenia powodują zmianę charakterystyki częstotliwościowej układu mechanicznego przy konkretnych częstotliwościach. Stosując wartość prędkości silnika i prądu stojana (i q ), wyprowadzana jest charakterystyka częstotliwościowa silnika w zamkniętej pętli sterowania prędkością. Analiza charakterystyki częstotliwości proponowana w tej pracy daje bardziej wiarygodne wyniki uszkodzeń niż analiza FFT. Literatura: [1] H.A. Toliyat and S.G. Campbell, DSP-Based Electromechanical Motion Control, Boca Raton, FL: CRC Press, 2003 [2] G.B. Kliman, R.A. Koegl, J. Stein, R.D. Endicott, and M.W. Madden, Noninvasive detection of broken rotor bars in operating induction motors, IEEE Transactions on Energy Conversions, vol. 3, pp. 873 879, December 1988. [3] S. Nandi, H.A. Toliyat, and X. Li, Condition monitoring and fault diagnosis of electrical machines A review, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 20, no. 4, pp. 719 729, December 2005. [4] A. Siddique, G.S. Yadava, and B. Singh, A review of stator fault monitoring techniques of induction motors, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 20, pp. 106 114, March 2005. [5] M. El Hachemi Benbouzid, A review of induction motors signature analysis as a medium for faults detection, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 47, pp. 984 993, October 2000. [6] B.M. Ebrahimi, J. Faiz, and M.J. Roshtkhari, Static-, dynamic-, and mixedeccentricity fault diagnoses in permanent-magnet synchronous motors, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 11, pp. 4727 4739. [7] W. le Roux, R.G. Harley, and T.G. Habetler, Detecting rotor faults in low power permanent magnet synchronous machines, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 22, no. 1, pp. 322 328, January 2007. [8] M. Pacas, S. Villwock, and R. Dietrich, Bearing damage detection in permanent magnet synchronous machines, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, pp. 1098 1103, 2009. Streszczenie Silniki elektryczne są coraz częściej stosowane na Ziemi, w gospodarstwach domowych, przemyśle itp., ich liczba wzrasta z każdym rokiem na całym świecie. To wszystko wymusza pewne podejście do ich diagnostyki, zwłaszcza w takich miejscach, gdzie ich niezawodność jest kluczowa, tzn. w zastosowaniach strategicznych czy wojskowych. Następnie należy zastosować odpowiedni rodzaj diagnostyki oparty na sygnale czasowym, częstotliwościowym, bądź innym. W szczególności istotne jest badanie silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM), gdyż mając wiele zalet (jak stosunek oddawanej mocy do ich masy) i stają się bezkonkurencyjnie stosowane w każdej gałęzi przemysłu. Z uszkodzeń mechanicznych najbardziej im grożących wymienia się ekscentryczność (mimośrodowość) statyczną i dynamiczną, demagnetyzację (rozmagnesowanie), uszkodzenia łożyska czy uszkodzenia międzyzwojowe. W przemyśle każde przewidzenie takiej awarii może zapobiec ogromnym stratom finansowym albo narażeniem na niebezpieczeństwo pracowników. Słowa kluczowe: diagnostyka silników, mimośrodowość, uszkodzenia łożysk 144
PROCEDURES AND ANALYSIS OF SYNCHRONOUS MOTORS WITH PERMANENT MAGNETS FAILURES Abstract Electric motors are being increasingly utilized on Earth, in the households, industry etc., their number is augmenting every year worldwide. This enforces a certain procedure at the approach to the diagnosis of such motors, especially in locations where their reliability is very important, i.e. in strategic or military applications. Then one must apply the right kind of diagnosis based on the frequency or time signal, or another type. In particular, synchronous motors with permanent magnets (PMSM) should be examined, because of the many advantages they possess (such as the ratio of power output to its mass) and they become unrivaled in every industry aspect. The most common mechanical failures which are a jeopardy for them are static and dynamic eccentricity, demagnetization of the magnet, bearing damage or inter-turn faults. In the industry it is very crucial to predict such failures in order to avoid huge human or financial losses. Keywords: Motor diagnostics, eccentricity, bearings damage 145