AKUSTYCZNY DETEKTOR USZKODZEŃ SILNIKA INDUKCYJNEGO

Podobne dokumenty
Wykrywanie uszkodzeń łożysk tocznych i klatek wirników silników indukcyjnych w oparciu o sygnały akustyczne

WYKRYWANIE USZKODZEŃ W SILNIKACH INDUKCYJNYCH W OPARCIU O SYGNAŁY AKUSTYCZNE

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

Diagnostyka silnika indukcyjnego z wykorzystaniem dostępnych napięć stojana

ZASTOSOWANIE RUCHOMEJ WARTOŚCI SKUTECZNEJ PRĄDU DO DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH KLATKOWYCH

OCENA SKUTECZNOŚCI ANALIZ FFT, STFT I FALKOWEJ W WYKRYWANIU USZKODZEŃ WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

ZASTOSOWANIE FUNKCJI OKIEN CZASOWYCH W DIAGNOSTYCE WIRNIKÓW SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Zastosowanie analizy falkowej do wykrywania uszkodzeń łożysk tocznych

Tabela 3.2 Składowe widmowe drgań związane z występowaniem defektów w elementach maszyn w porównaniu z częstotliwością obrotów [7],

Pomiary hałasu. Obiektami pomiarowymi są silniki indukcyjne Wiefama STK90 S-2 o następujących danych znamionowych:

WYKRYWANIE USZKODZEŃ W LITYCH ELEMENTACH ŁĄCZĄCYCH WAŁY

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO DUŻEJ MOCY Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

NEURONOWY DETEKTOR USZKODZEŃ ŁOŻYSK TOCZNYCH

KOMPUTEROWY SYSTEM DO MONITOROWANIA STANU UZWO- JEŃ STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO

PORÓWNANIE WYNIKÓW BADAŃ DIAGNOSTYCZNYCH ŁOŻYSK SILNIKA INDUKCYJNEGO POPRZEZ POMIARY WIBRACJI I PRĄDU STOJANA

ZWARCIE POMIAROWE JAKO METODA WYKRYWANIA USZKODZEŃ KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO

DIAGNOSTYKA SILNIKA INDUKCYJNEGO Z WYKORZYSTANIEM DOSTĘPNYCH NAPIĘĆ STOJANA

BADANIA EKSPERYMENTALNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

Z powyższej zależności wynikają prędkości synchroniczne n 0 podane niżej dla kilku wybranych wartości liczby par biegunów:

MONITOROWANIE NIEWYWAŻENIA WIRNIKÓW PRZY WYKORZYSTANIU SYGNAŁÓW PRĄDU STOJANA I DRGAŃ W NAPĘDACH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

Pomiary drgań. Obiektami pomiarowymi są silniki indukcyjne Wiefama STK90 S-2 o następujących danych znamionowych:

ZASTOSOWANIE ANALIZY FALKOWEJ DO DIAGNOSTYKI ŁOŻYSK TOCZNYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

PRZENOŚNY SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

IMPLEMENTATION OF THE SPECTRUM ANALYZER ON MICROCONTROLLER WITH ARM7 CORE IMPLEMENTACJA ANALIZATORA WIDMA NA MIKROKONTROLERZE Z RDZENIEM ARM7

Napięcia wałowe i prądy łożyskowe w silnikach indukcyjnych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

WPŁYW EKSCENTRYCZNOŚCI STATYCZNEJ WIRNIKA I NIEJEDNAKOWEGO NAMAGNESOWANIA MAGNESÓW NA POSTAĆ DEFORMACJI STOJANA W SILNIKU BLDC

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

WYKORZYSTANIE SZTUCZNYCH SIECI NEUROOWYCH DO DIAGNOSTYKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO W UKŁADZIE STEROWANIA POLOWO-ZORIENTOWANEGO

CHARAKTERYSTYKI EKSPLOATACYJNE SILNIKA INDUKCYJNEGO Z USZKODZONĄ KLATKĄ WIRNIKA

MONITOROWANIE NIEOSIOWOŚCI NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

SILNIK SYNCHRONICZNY ŚREDNIEJ MOCY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI ZASILANY Z FALOWNIKA

MOMENT ORAZ SIŁY POCHODZENIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W DWUBIEGOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM

WPŁYW USZKODZENIA TRANZYSTORA IGBT PRZEKSZTAŁTNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI NA PRACĘ NAPĘDU INDUKCYJNEGO

Detekcja asymetrii szczeliny powietrznej w generatorze ze wzbudzeniem od magnesów trwałych, bazująca na analizie częstotliwościowej prądu

BADANIA PORÓWNAWCZE SILNIKA INDUKCYJNEGO KLATKOWEGO PODCZAS RÓŻNYCH SPOSOBÓW ROZRUCHU 1. WSTĘP

WYKRYWANIE USZKODZEŃ WIRNIKÓW SILNIKÓW INDUKCYJNYCH Z WYKORZYSTANIEM ANALIZY FALKOWEJ I SZTUCZNYCH SIECI NEURONOWYCH

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Diagnostyka ukladów napedowych

2. Pomiar drgań maszyny

OBLICZENIOWE BADANIE ZJAWISK WYWOŁANYCH USZKODZENIEM KLATKI WIRNIKA

DIAGNOSTYKA DRGANIOWA MASZYN ELEKTRYCZNYCH

ZASTOSOWANIE SKOSU STOJANA W JEDNOFAZOWYM SILNIKU SYNCHRONICZNYM Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

DIAGNOSTYKA SILNIKA INDUKCYJNEGO Z ZASTOSOWANIEM SYGNAŁU SKUTECZNEJ WARTOŚCI RUCHOMEJ PRĄDU CZĘŚĆ 2 ZASILANIE NIESYMETRYCZNE

Diagnostyka drganiowa trakcyjnych maszyn elektrycznych - przykład asymetrii geometrii promieniowej między stojanem a wirnikiem

Rozproszony system pomiarowy do diagnostyki przemysłowych napędów elektrycznych

Ćwiczenie 3,4. Analiza widmowa sygnałów czasowych: sinus, trójkąt, prostokąt, szum biały i szum różowy

WYBRANE METODY BADAŃ MASZYN ELEKTRYCZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

WYKRYWANIE USZKODZEŃ W ZANURZONYCH AGREGATACH POMPOWYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

WIBROAKUSTYCZNE BADANIA WĘZŁÓW ŁOŻYSKOWYCH. Streszczenie

Ćwiczenie Nr 5. Wibrometryczna diagnostyka przekładni. Analiza widma. 1. Miary sygnału wibrometrycznego stosowane w diagnostyce przekładni

WYKRYWANIE USZKODZEŃ ELEMENTÓW ŁOŻYSK TOCZNYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH NA PODSTAWIE ANALIZY WIDMOWEJ PRZYSPIESZENIA DRGAŃ

Ćwiczenie: "Silnik indukcyjny"

Analiza układu wektorowego sterowania silnikiem indukcyjnym z uszkodzonymi prętami klatki wirnika

Struktura układu pomiarowego drgań mechanicznych

Laboratorium POMIAR DRGAŃ MASZYN W ZASTOSOWANIU DO OCENY OGÓLNEGO STANU DYNAMICZNEGO

Wydział Elektryczny. Katedra Automatyki i Elektroniki. Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:

Diagnostyka silników indukcyjnch dwuklatkowych z uszkodzonymi prętami

PROPOZYCJA ZASTOSOWANIA WYMIARU PUDEŁKOWEGO DO OCENY ODKSZTAŁCEŃ PRZEBIEGÓW ELEKTROENERGETYCZNYCH

WIELOETAPOWY PROCES DIAGNOSTYKI UKŁADÓW NAPĘDOWYCH

PL B1. Sposób i układ pomiaru całkowitego współczynnika odkształcenia THD sygnałów elektrycznych w systemach zasilających

Urządzenie do monitoringu wibracji i diagnostyki stanu technicznego (w trybie online) elementów stojana turbogeneratora

WYSOKOSPRAWNY JEDNOFAZOWY SILNIK LSPMSM O LICZBIE BIEGUNÓW 2p = 4 BADANIA EKSPERYMENTALNE

Najlepsze praktyki pomiarów przy wyszukiwaniu oraz usuwaniu awarii silników i sterowników

Statystyka przyczyn uszkodzeń łożysk tocznych wg producentów

Badanie silnika bezszczotkowego z magnesami trwałymi (BLCD)

ZASTOSOWANIE SYGNAŁU SKUTECZNEJ WARTOŚCI RUCHOMEJ PRĄDU STOJANA W DIAGNOSTYCE SILNIKA INDUKCYJNEGO PODCZAS ROZRUCHU

PL B1. Sposób regulacji prądu silnika asynchronicznego w układzie bez czujnika prędkości obrotowej. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL

9.Tylko jedna odpowiedź jest poprawna. 10. Wybierz właściwą odpowiedź i zamaluj kratkę z odpowiadającą jej literą np., gdy wybrałeś odpowiedź A :

BADANIA SKUTKÓW CIEPLNYCH ZWARĆ ZWOJOWYCH W UZWOJENIACH STOJANA SILNIKA INDUKCYJNEGO

10. Wykrywanie doraźnych uszkodzeń łożysk tocznych metodami wibroakustycznymi

PRĄDNICE I SILNIKI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Rys Samolot TS-11 Iskra z przyłączonym testerem diagnostycznym DIA-SO3

Podstawy Przetwarzania Sygnałów

CYFROWE PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

PL B1. Sposób wyznaczania błędów napięciowego i kątowego indukcyjnych przekładników napięciowych dla przebiegów odkształconych

MONITOROWANIE NIEWYWAŻENIA ORAZ WYWAŻANIE WIRNIKÓW SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Rozwój sterowania prędkością silnika indukcyjnego trójfazowego

Ćwiczenie 3 Falownik

PRACA RÓWNOLEGŁA PRĄDNIC SYNCHRONICZNYCH WZBUDZANYCH MAGNESAMI TRWAŁYMI

Diagnostyka drganiowa łożysk tocznych

SILNIK RELUKTANCYJNY PRZEŁĄCZALNY PRZEZNACZONY DO NAPĘDU MAŁEGO MOBILNEGO POJAZDU ELEKTRYCZNEGO

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

Układy i Systemy Elektromedyczne

POPRAWA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM ŚREDNIEGO NAPIĘCIA POPRZEZ JEGO ZASILANIE Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

Zadanie nr II-22: Opracowanie modelu aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego o zmiennych tłumieniu i izolacyjności

MT 2 N _0 Rok: 1 Semestr: 1 Forma studiów:

DIAGNOZOWANIE Ł O Ż YSKA ROLKI NAPINACZA PASKA ROZRZĄ DU SILNIKA SPALINOWEGO PRZY WYKORZYSTANIU DRGAŃ

SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

POPRAWA EFEKTYWNOŚCI EKSPLOATACJI MASZYN

UKŁADY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI STEROWANE METODAMI WEKTOROWYMI DFOC ORAZ DTC-SVM ODPORNE NA USZKODZENIA PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

Wymagania konieczne ( na ocenę: dopuszczający)

Zastosowanie uproszczonego modelu dwuosiowego do modelowania uszkodzeń wirnika silnika klatkowego

Ćw. 18: Pomiary wielkości nieelektrycznych II

Napęd elektryczny. Główną funkcją jest sterowane przetwarzanie energii elektrycznej na mechaniczną i odwrotnie

Ćwiczenie 3. Właściwości przekształcenia Fouriera

Bezpośrednie przyczyny awarii maszyn

ROZPROSZONY SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI PRZEMYSŁOWYCH NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Transkrypt:

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 64 Politechniki Wrocławskiej Nr 64 Studia i Materiały Nr 30 2010 Marcin PAWLAK*, Krystian KUPCZYŃSKI* silnik indukcyjny, diagnostyka, uszkodzenia łożysk, uszkodzenia wirnika, badania akustyczne AKUSTYCZNY DETEKTOR USZKODZEŃ SILNIKA INDUKCYJNEGO Powszechnie wiadomo, że pojawiające się w silniku uszkodzenia natury mechanicznej i elektrycznej powodują zwiększoną emisję drgań maszyny. Zjawisko to jest często wykorzystywane do oceny stanu technicznego silnika przy zastosowaniu aparatury diagnostycznej, wyposażonej w czujniki drgań akcelerometry. Można również zauważyć, że w uszkodzonej maszynie zjawisku wibracji towarzyszy często wzrost emisji hałasu, który może być wykorzystany jako symptom uszkodzenia. Niniejszy artykuł przedstawia możliwości wykorzystania sygnałów akustycznych, emitowanych przez pracujący napęd elektryczny, do diagnostyki uszkodzeń łożysk tocznych oraz prętów klatki wirników silników indukcyjnych. Przedstawiono również metody analizy sygnałów akustycznych, takie jak: analiza widmowa, analiza obwiedni oraz funkcja autokorelacji. 1. WSTĘP Silniki indukcyjne reprezentują największą grupę silników elektrycznych stosowanych na świecie. Wytwarzane są w bardzo szerokim zakresie mocy od kilku watów do kilku megawatów. Do ich niezaprzeczalnych zalet można zaliczyć prostą konstrukcję, zwartą budowę, dużą przeciążalność, niską cenę oraz dużą niezawodność. Dlatego też, są najchętniej wybierane do pracy jako napędy maszyn pracujących w trudnych warunkach środowiskowych. Szacuje się, że stanowią one przeszło 90% wszystkich silników elektrycznych zainstalowanych na świecie. Głównie występują jako napędy pojedynczych urządzeń, ale często stanowią zespoły napędowe całych linii produkcyjnych. Pomimo ich względnie wysokiej niezawodności, w trakcie ich eksploatacji mogą pojawić się uszkodzenia w częściach elektrycznych obwodu stojana i wirnika oraz w elementach mechanicznych zarówno samego silnika, jak i maszyny roboczej. Niewątpliwie, największą * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, marcin.pawlak@pwr.wroc.pl

345 grupę uszkodzeń (40 50%) stanowią uszkodzenia łożysk. Następnie plasują się uszkodzenia stojana (30 40%), uszkodzenia wirnika (ok. 10%) oraz pozostałe uszkodzenia (ok. 10%) [2, 4]. Wszystkie te uszkodzenia mogą stanowić poważny problem w przemyśle, unieruchamiając maszynę na dłuższy czas. To z kolei powoduje przestoje w procesie technologicznym, generując duże straty. Aby temu zapobiec, w najbardziej newralgicznych częściach procesu technologicznego coraz częściej instaluje się specjalistyczną aparaturę diagnostyczną, do ciągłego monitorowania stanu technicznego pracujących maszyn i urządzeń. Jednak zewnętrzne urządzenia diagnostyczne zazwyczaj wymagają zainstalowania dodatkowych czujników pomiarowych w monitorowanych napędach, co przeważnie wymaga ingerencji w ich konstrukcję, a tym samym nie zawsze jest możliwe do zrealizowania. W związku z tym, w ostatnich latach nieustannie poszukuje się bezinwazyjnych metod diagnostycznych, które pozwolą na skuteczną diagnostykę maszyn w stanie ich normalnej pracy, bez potrzeby rozłączania ich obwodów zasilających oraz bez konieczności instalowania specjalistycznych czujników po-miarowych, ingerujących w ich konstrukcję mechaniczną. Niniejszy artykuł jest odpowiedzią na te potrzeby i dotyczy zastosowania analizy sygnałów akustycznych, emitowanych przez badany napęd elektryczny, do wykrywania jego podstawowych uszkodzeń natury mechanicznej i elektrycznej. 2. WIBROAKUSTYCZNE METODY WYKRYWANIA WYBRANYCH USZKODZEŃ SI 2.1. USZKODZENIA ŁOŻYSK TOCZNYCH Głównym zadaniem łożysk tocznych jest utrzymanie wirnika maszyny w osi obrotu oraz przeniesienie obciążenia, przy jednoczesnym zachowaniu minimalnych oporów toczenia. Stanowią one mechaniczne, ruchome połączenie pomiędzy wirnikiem a korpusem silnika. Łożyska są zazwyczaj źródłem największego hałasu w silnikach, a ich uszkodzenia stanowią 40% wszystkich uszkodzeń silników. Ze względu na rodzaj elementu tocznego łożyska można podzielić na kulkowe oraz wałeczkowe. W przypadku wystąpienia uszkodzeń w łożyskach tocznych mogą pojawić się niepożądane zjawiska, takie jak: zwiększone opory ruchu, a tym samym większy prąd pobierany przez silnik, wzrost temperatury, wzrost amplitudy generowanych drgań oraz wzrost hałasu. Uszkodzenia łożysk zbyt późno wykryte mogą przyczynić się do po-wstania innych uszkodzeń w silniku, takich jak: pęknięcie wału w wyniku działania większych sił spowodowanych zwiększonym tarciem, uszkodzenie gniazda łożyska, uszkodzenie sprzęgła, uszkodzenie wirnika lub stojana. Do oceny stanu technicznego łożysk powszechnie stosuje się metodę analizy częstotliwościowej sygnału drgań. Co więcej, metoda ta pozwala na szczegółową identy-

346 fikację rodzaju uszkodzenia występującego w łożysku, do których zaliczyć można następujące przypadki szczególne: uszkodzenia bieżni zewnętrznej, uszkodzenia bieżni wewnętrznej, uszkodzenia elementów tocznych, uszkodzenia koszyka. Każdy rodzaj uszkodzenia wywołuje właściwe dla siebie zjawiska wibroakustyczne, polegające na pojawieniu się charakterystycznych składowych częstotliwościowych w widmie przyspieszenia drgań. Ponieważ wibracje korpusu maszyny powodują emisję hałasu, charakterystyczne składowe częstotliwościowe będą obecne również w widmie sygnału akustycznego, rejestrowanego w pobliżu badanego silnika. Na podstawie znajomości budowy geometrycznej łożyska oraz wartości prędkości obrotowej silnika można wyznaczyć charakterystyczne częstotliwości uszkodzeniowe, korzystając z poniższych wzorów [1, 2]. f f bz bw N = 2 k N = 2 k f r f r d cosϑ 1 D d cosϑ 1+ D (1) (2) f k D d cosϑ = fr 1 2 d D f ko 1 = f 2 r d cosϑ 1 D 2 (3) (4) n f r = (5) 60 gdzie: f r częstotliwość obrotowa, f bz częstotliwość związana z uszkodzeniem bieżni wewnętrznej, f bw częstotliwość związana z uszkodzeniem bieżni wewnętrznej, f k częstotliwość związana z uszkodzeniem elementu tocznego, f ko częstotliwość związana z luzami i uszkodzeniem koszyka, n prędkość obrotowa wirnika, d średnica elementu tocznego, D średnica podziałowa łożyska, ϑ kąt pracy łożyska 0 dla łożyska kulkowego zwykłego, N k liczba elementów tocznych łożyska.

347 Na podstawie powyższych częstotliwości charakterystycznych wylicza się częstotliwości uszkodzeniowe oraz ich krotności: f u = f ± k f (6) r l gdzie: k = 1, 2, 3,, f u częstotliwość drgań związana z danym uszkodzeniem łożyska, f l częstotliwość charakterystyczna łożyska. 2.1. USZKODZENIA WIRNIKA Szacuje się, że uszkodzenia wirników klatkowych stanowią ok. 10% ogółu wszystkich uszkodzeń w silnikach indukcyjnych. Do najczęstszych uszkodzeń wirników zalicza się przerwane pręty klatek oraz pęknięte pierścienie zwierające. Przyczyny powstawania tych uszkodzeń, to przede wszystkim: przeciążenia termiczne spowodowane przeciążeniami mechanicznymi, iskrzeniem, naprężenia magnetyczne powodowane przez siły elektromagnetyczne, niezrównoważony naciąg magnetyczny, szum elektromagnetyczny i drgania, naprężenia pozostałe po produkcji, siły dynamiczne pochodzące od momentu wału, siły odśrodkowe, przyczyny środowiskowe, zanieczyszczenia, otarcia, wilgoć, uszkodzenia mechaniczne, rozpakietowanie, zmęczenie materiału [4]. Uszkodzenia prętów wirnika należą do magnetycznych źródeł procesów wibroakustycznych w maszynie elektrycznej. Silnik indukcyjny jest maszyną, w której następuje zamiana energii elektrycznej na energię mechaniczną. Wytwarzanie momentu napędowego w SI polega na wykorzystaniu sił w szczelinie powietrznej między wirnikiem a stojanem pochodzących od ich obwodów magnetycznych. Siła radialna w szczelinie powietrznej jest funkcją czasu. Siła ta ma składowe o następujących częstotliwościach: podwojonej częstotliwości sieciowej 2f s, częstotliwości zależnej od prędkości obrotowej i liczby par biegunów pf r oraz jej drugiej harmonicznej 2pf r, częstotliwości sumacyjno-różnicowych 2f s ± pf r oraz 2f s ± 2pf r. Przy założeniu, że prąd zasilający oprócz składowej podstawowej posiada również wyższe harmoniczne, można dojść do wniosku, że widmo sygnałów wibroakustycznych silnika z uszkodzonym wirnikiem będzie zawierało składowe związane z częstotliwością sieci zasilającej oraz wymienione częstotliwości sumacyjno różnicowe. W związku z tym, jedną z metod wykrywania uszkodzeń wirników może być metoda analizy częstotliwościowej sygnałów wibroakustycznych, polegająca na ekstrakcji charakterystycznych składowych z widma sygnału drganiowego lub akustycznego [1].

348 3. BUDOWA STANOWISKA LABORATORYJNEGO W badaniach eksperymentalnych wykorzystano silnik indukcyjny INDUKTA SG100L-4B-M o mocy 3kW i znamionowej prędkości obrotowej 1400 obr/min. Silnik ten był sprzęgnięty z prądnicą DC, podłączoną do dwukierunkowego prostownika sterowanego, co umożliwiło realizację zadajnika momentu obciążenia dla badanego silnika, ze zwrotem energii do sieci zasilającej. Badany silnik wyposażony był w zestaw wymiennych wirników, w których zamodelowano różne warianty uszkodzeń klatki (przerwane pręty od 1 do 10). Oprócz tego wirniki posiadały wymienne łożyska, w których spreparowano następujące typy uszkodzeń: uszkodzenie elementu tocznego (kulki), uszkodzenie bieżni wewnętrznej, uszkodzenie bieżni zewnętrznej. Na stanowisku laboratoryjnym zainstalowane były przyrządy do pomiaru napięć, prądów fazowych oraz prędkości silnika. Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego przedstawiono na rysunku 1 [3]. Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska pomiarowego Fig. 1. Block diagram of test stand W roli mikrofonów zastosowano popularne przetworniki elektretowe typu WM- 61A firmy Panasonic, posiadające płaską charakterystyką częstotliwościową w całym paśmie akustycznym (20 Hz 20 khz). Pomimo stosunkowo niskiej ceny zakupu, mikro-fony te odznaczają się bardzo dobrymi parametrami, dzięki czemu są powszechnie wykorzystywane m.in. w profesjonalnej aparaturze pomiarowej do analizy właściwości akustycznych pomieszczeń estradowych. Do budowy wzmacniaczy pomiarowych zastosowano niskoszumowe wzmacniacze operacyjne ze stopniem wejściowym zbudowanym na tranzystorach JFET.

349 4. WYNIKI BADAŃ LABORATORYJNYCH 4.1. ZAKRES BADAŃ Pomiary sygnałów akustycznych uszkodzonego silnika zostały wykonane na stanowisku laboratoryjnym, znajdującym się w pomieszczeniu oddalonym od niepożądanych, zewnętrznych źródeł sygnałów akustycznych. Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów, wykonano serię pomiarów wstępnych, których celem było znalezienie optymalnych punktów ustawienia mikrofonów pomiarowych oraz odpowiedni dobór nastaw i kalibracja wzmacniaczy pomiarowych. Badania zostały podzielone na dwie części: pomiary dla silnika z uszkodzeniami wirnikiem oraz pomiary dla silnika z uszkodzonym łożyskiem. Dla każdego wariantu uszkodzenia rejestrowano sygnały akustyczne pochodzące z trzech mikrofonów, rozstawionych w różnych punktach przestrzeni. Badania były przeprowadzone przy różnych wartościach momentu obciążenia silnika: 0%, 25%, 50%, 75% i 100% w odniesieniu do momentu znamionowego M N. Pomiędzy poszczególnymi seriami pomiarowymi badany silnik był chłodzony do temperatury otoczenia, tak aby zapewnić możliwie jednakowe, powtarzalne warunki dla każdego pomiaru. Zarejestrowane sygnały akustyczne emitowane przez uszkodzony silnik zostały poddane dalszym przekształceniom, w celu znalezienia najlepszych metod analizy tych sygnałów, pod kątem przydatności ich do celów diagnostyki. Podstawowym przekształceniem stosowanym przy analizie częstotliwościowej była szybka transformata Fouriera (FFT), której produktem było widmo częstotliwościowe sygnału akustycznego. Oprócz tego, transformata Fouriera była również stosowana do analizy częstotliwościowej obwiedni sygnału akustycznego oraz obwiedni funkcji autokorelacji tego sygnału [3]. 4.2. USZKODZENIA PRĘTÓW WIRNIKA ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Sygnały akustyczne, zarejestrowane podczas badań eksperymentalnych silnika z uszkodzonym wirnikiem, zostały poddane analizie częstotliwościowej przy wykorzystaniu metody FFT. Celem tych analiz było znalezienie w widmie tych sygnałów charakterystycznych składowych częstotliwościowych, związanych z uszkodzonym wirnikiem. W celu redukcji przecieku widmowego, przed wykonaniem transformacji fourierowskiej próbki sygnałów pomiarowych zostały przemnożone przez funkcję okna FlatTop. Operacja ta dodatkowo zwiększyła dokładność odwzorowania amplitud poszukiwanych składowych spektralnych w wyznaczonych widmach [5]. Na rysunku 2 przedstawiono widma częstotliwościowe sygnałów akustycznych zarejestrowanych dla silnika z wirnikiem nieuszkodzonym (W0) oraz z wirnikiem, w którym przerwano 3 pręty klatki (W3). Zaznaczono położenie charakterystycznych

350 składowych spektralnych ( f s, 2f s, f r ), obliczonych na podstawie znajomości prędkości silnika i częstotliwości sieci zasilającej. Rys. 2. Widmo sygnału akustycznego dla wirników W0 oraz W3 w zakresie częstotliwości 0 150 Hz Fig. 2. The spectrum of the acoustic signal for rotors W0 and W3 in the frequency range 0 150 Hz Porównując widmo dla wirnika uszkodzonego oraz nieuszkodzonego, można stwierdzić, że są one do siebie bardzo podobne. W związku z tym można sformułować wniosek, że klasyczna analiza FFT sygnału akustycznego nie nadaje się do wykrywania uszkodzeń wirnika. Przyczyną tego jest fakt, że sygnał akustyczny oprócz niskoczęstotliwościowych składowych związanych z uszkodzeniami silnika zawiera całą gamę składowych o wyższych częstotliwościach, które ulegają dodatkowym intermodulacjom. Ponadto sygnał ten jest na ogół mocno zaszumiony, co powoduje, że ekstrakcja składowych uszkodzeniowych o małych amplitudach jest bardzo trudna, a często niemożliwa. Jedną z metod ekstrakcji niskoczęstotliwościowych składowych sygnału zmodulowanego jest demodulacja amplitudowa, polegająca na wyznaczeniu obwiedni tego sygnału. Do tego celu można zastosować transformatę Hilberta, która na podstawie próbek sygnału rzeczywistego oblicza jego część urojoną, przesuniętą o 90 stopni w stosunku do sygnału rzeczywistego. Moduł tak uzyskanego sygnału zespolonego stanowi obwiednię pierwotnego sygnału zmodulowanego. Widmo wyznaczonej obwiedni pozwoli uzyskać informację o częstotliwościach modulujących [6]. Aby dodatkowo polepszyć czytelność tego widma, można przed wyznaczeniem obwiedni znaleźć funkcję autokorelacji rzeczywistego sygnału akustycznego, a następnie zastosować opisaną wyżej metodę analizy obwiedni. Uzyskane w ten sposób widma częstotliwościowe będą bardziej czytelne, pozbawione szumów, co znacznie ułatwi ekstrakcję charakterystycznych składowych częstotliwościowych związanych z uszkodzeniem silnika. Algorytm ten zilustrowano na rysunku 2 w postaci schematu blokowego. Z uwagi na bardzo dobre właściwości tej metody, została ona zastosowana jako podstawowa metoda analizy diagnostycznej sygnałów akustycznych [3].

351 MIC wzmacniacz autokorelacja obwiednia okno FlatTop FFT Rys. 3. Algorytm wyznaczenia widma obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego Fig. 3. Algorithm determine the spectrum envelope of the autocorrelation of the acoustic signal Na rysunku 4 przedstawiono widmo obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego dla silnika z wirnikiem zdrowym oraz z wirnikiem z 3 przerwanymi prętami klatki, w zakresie częstotliwości od 0 do 150Hz. W porównaniu z rysunkiem 2 można stwierdzić, że uzyskane widmo jest bardzo wyraziste i zawiera wiele składowych spektralnych powiązanych z częstotliwością obrotową f r. Co więcej, daje się zauważyć wyraźna różnica pomiędzy widmem silnika uszkodzonego a nieuszkodzonego. Przeprowadzone badania dowiodły, że nawet w przypadku przerwania tylko jednego pręta klatki wirnika, w widmie pojawiły się charakterystyczne składowe, które jedno-znacznie klasyfikują ten wirnik do grupy wirników uszkodzonych. Z tego względu można stwierdzić, że analiza sygnałów akustycznych może być z powodzeniem wykorzystana jako bezinwazyjna metoda diagnostyczna w napędach z silnikami indukcyjnymi. Rys.4. Widmo obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego dla wirników W0 oraz W3 w zakresie częstotliwości 0 150 Hz Fig.4. The spectrum envelope of the autocorrelation of the acoustic signal for rotors W0 and W3 in the frequency range 0 150 Hz 4.3. USZKODZENIA ŁOŻYSK ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ W badaniach eksperymentalnych silnika z uszkodzonym łożyskiem zastosowano wymienne łożyska, w których zamodelowano trzy różne typy najczęściej pojawiających się uszkodzeń: uszkodzenie elementu tocznego (kulki), uszkodzenie bieżni wewnętrznej i uszkodzenie bieżni zewnętrznej. Podobnie jak w przypadku uszkodzeń

352 wirników, do analizy diagnostycznej wykorzystano omówioną metodę analizy częstotliwościowej obwiedni funkcji autokorelacji sygnałów akustycznych. Na rysunkach 5 7 przedstawiono widma obwiedni funkcji autokorelacji sygnałów akustycznych zarejestrowanych dla poszczególnych uszkodzeń łożyska, w zestawieniu z widmem obliczonym dla łożyska nieuszkodzonego. Poszczególne składowe spektralne, charakteryzujące dany typ uszkodzenia zostały obliczone na podstawie zależności (1) (6). Rys. 5. Widmo obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego zmierzonego dla przypadku uszkodzenia bieżni zewnętrznej łożyska Fig. 5. The spectrum envelope of the autocorrelation of the acoustic signal measured for the case of damage to the bearing outer race Rys. 6. Widmo obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego zmierzonego dla przypadku uszkodzenia elementów tocznych łożyska Fig. 6. The spectrum envelope of the autocorrelation of the acoustic signal measured for the case of damage to rolling element bearings

353 Rys. 7. Widmo obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego zmierzonego dla przypadku uszkodzenia bieżni wewnętrznej łożyska Fig. 7. The spectrum envelope of the autocorrelation of the acoustic signal measured for the case of damage to the bearing inner race Przedstawione wyniki analiz diagnostycznych wskazują jednoznacznie, że we wszystkich przebadanych przypadkach uszkodzenia łożyska uzyskano bardzo dobrą widoczność charakterystycznych składowych uszkodzeniowych. Szczególnie wyrazisty jest przypadek uszkodzenia dwóch kulek (rys. 6), dla którego amplituda składowej 2f k przyjmuje dominującą wartość. Z kolei widmo uzyskane dla przypadku uszkodzenia bieżni wewnętrznej (rys. 7) charakteryzuje się znaczącym wzrostem wszystkich składowych uszkodzeniowych oraz bardzo dobrą przejrzystością. Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że zastosowanie analizy częstotliwościowej obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego umożliwia skuteczną detekcję uszkodzeń występujących w łożysku. Znajomość wymiarów geometrycznych łożyska pozwala dodatkowo na identyfikację typu uszkodzenia. 5. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania eksperymentalne wykazały, że pracujący układ napędowy, w którym występują uszkodzenia mechaniczne lub elektryczne, emituje sygnały akustyczne zawierające symptomy tych uszkodzeń. Dlatego też, przy zastosowaniu odpowiednich metod analizy tych sygnałów możliwe jest zaprojektowanie i wykonanie systemu diagnostycznego do monitorowania i diagnostyki maszyn i urządzeń elektrycznych.

354 Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że zastosowanie klasycznej analizy częstotliwościowej sygnału akustycznego nie pozwala uzyskać zadowalających rezultatów. Dopiero wykorzystanie bardziej złożonych funkcji analitycznych, takich jak: funkcja autokorelacji oraz analiza spektralna obwiedni umożliwiają skuteczną detekcję i identyfikację uszkodzeń silnika, takich jak uszkodzenia łożysk czy uszkodzenia klatki wirnika. Przedstawiona w artykule metoda analizy częstotliwościowej obwiedni funkcji autokorelacji sygnału akustycznego okazała się dobrym narzędziem do ekstrakcji cech diagnostycznych, których obecność jednoznacznie charakteryzuje rodzaj występującego uszkodzenia. Przy projektowaniu aparatury diagnostycznej wykorzystującej sygnały akustyczne należy wziąć pod uwagę specyficzne właściwości fal dźwiękowych. W szczególności należy pamiętać o zależności barwy sygnału dźwiękowego od odległości mikrofonów od źródła, od kształtu i geometrii pomieszczenia oraz od rozmieszczenia przestrzennego mikrofonów pomiarowych. Z uwagi na fakt, że diagnostyczne cechy zawarte w sygnale akustycznym mają stosunkowo małe wartości, niezbędne jest stosowanie wysokiej jakości mikrofonów i niskoszumowych wzmacniaczy w torach pomiarowych. Do wad akustycznych detektorów uszkodzeń zaliczyć można również stosunkowo dużą wrażliwość na hałas pochodzący od źródeł zewnętrznych. LITERATURA [1] CEMPEL C., Diagnostyka wibroakustyczna maszyn, PWN, Warszawa 1989. [2] KOWALSKI Cz.T., Monitorowanie i diagnostyka uszkodzeń silników indukcyjnych z wykorzystaniem sieci neuronowych, PNIMNiPE PWr. Nr 57, ser. Monografie Nr 18, Wrocław 2005. [3] KUPCZYŃSKI K., Akustyczny detektor uszkodzeń silnika indukcyjnego, Magisterska praca dyplomowa, PWr., 2010. [4] NANDI S., TOLIYAT H.A., Condition Monitoring and Fault Diagnosis of Electrical Machines a Review, Proceedings of the IEEE-IAS 1999 Annual Meeting, Phoenix, AZ, 1999. [5] PAWLAK M., Zastosowanie funkcji okien czasowych w diagnostyce wirników silników indukcyjnych, PNIMNiPE PWr., Studia i Materiały Nr 28, 2008, 520 527. [6] ZIELIŃSKI T.P., Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań, WKŁ, Warszawa 2007. ACOUSTIC INDUCTION MOTOR FAULT DETECTOR It is well known that emerging electrical and mechanical failures in the induction motor cause increased vibration emission of the machine. This phenomenon is often used to assess the condition of the motor using diagnostic devices equipped with vibration sensors accelerometers. You may also be noted that in the faulty motor vibration phenomenon is often accompanied by increased noise, which can be used as a symptom of failure. This article presents the possibility of using acoustic signals emitted by the working electric motor, to fault diagnosis of rolling bearings and cage rotor of induction motors. Also the methods for the analysis of acoustic signals, such as spectral analysis, envelope analysis, and autocorrelation function was presented.