PRZENOŚNY SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr 28 2008 Marcin PAWLAK*, Zdzisław ŻARCZYŃSKI* silnik indukcyjny, diagnostyka, analiza częstotliwościowa prądu stojana, PRZENOŚNY SYSTEM POMIAROWY DO DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W artykule przedstawiono koncepcję przenośnego systemu pomiarowego, który może być wykorzystany do diagnostyki silników indukcyjnych o mocach w zakresie od kilku do kilkuset kilowatów. Do oceny stanu technicznego silnika wykorzystuje się metodę analizy częstotliwościowej prądów fazowych silnika, mierzonych za pomocą cęgowych przetworników prądowych. Integralną częścią systemu diagnostycznego jest komputer przenośny typu laptop, wraz z oprogramowaniem, które umożliwia analizę zarejestrowanych sygnałów pomiarowych pod kątem wykrywania uszkodzeń stojana i wirnika, asymetrii napięć zasilających oraz nieprawidłowego sprzęgnięcia silnika z maszyną roboczą. 1. WSTĘP Silniki indukcyjne stanowią najliczniejszą grupę spośród wszystkich silników elektrycznych zainstalowanych na świecie. Charakteryzują się bardzo prostą konstrukcją oraz niskim kosztem wykonania. Mimo to, silniki te ulegają różnym uszkodzeniom, których wykrycie we wczesnym stadium rozwoju stanowi istotę diagnostyki eksploatacyjnej. Do oceny stanu technicznego silników w czasie ich normalnej pracy wykorzystuje się różnego rodzaju urządzenia pomiarowe, które na bieżąco monitorują podstawowe sygnały fizyczne pracujących maszyn. Niestety, aparatura diagnostyczna, w skład której wchodzi bogaty zestaw specjalistycznych czujników, jest bardzo kosztowna, zatem jej stosowanie ogranicza się praktycznie do dużych maszyn. Z kolei silniki małej mocy stanowią najliczniejszą grupę maszyn, które pełnią często odpowiedzialne funkcje w procesach technologicznych. Dlatego ciągle poszukuje się niedrogich rozwiązań sprzętowych, które pozwolą zaimplementować zagadnienia diagnostyki eksploatacyjnej również do napędów mniejszej mocy [4]. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, marcin.pawlak@pwr.wroc.pl

529 Jedną z metod ograniczenia kosztów aparatury diagnostycznej jest redukcja specjalistycznych czujników wielkości fizycznych. Elementy te są stosunkowo kosztowne, a ponadto nie zawsze jest możliwość zainstalowania ich na monitorowanym obiekcie. Skutkiem tego jest eliminacja trudnomierzalnych sygnałów diagnostycznych i zastąpienie ich sygnałami łatwymi do zmierzenia, przy wykorzystaniu prostych i tanich przetworników pomiarowych. Jednym z takich sygnałów diagnostycznych jest prąd stojana, który można w prosty sposób zmierzyć na przykład za pomocą cęgowych przetworników prądu. Przyrządy te posiadają dodatkową zaletę umożliwiają wykonanie pomiaru w sposób bezinwazyjny, bez potrzeby rozłączania obwodu elektrycznego badanego silnika. W sygnałach prądów fazowych silnika zawartych jest wiele informacji o różnych uszkodzeniach i nieprawidłowościach występujących w układzie napędowym. Na podstawie analizy częstotliwościowej prądu można określić: uszkodzenia wirnika (przerwane pręty, pęknięty pierścień zwierający), zwarcia w uzwojeniach stojana, asymetrię napięć zasilających, nieprawidłowe sprzęgnięcie silnika z maszyną (niewyosiowanie). Symptomami powyższych uszkodzeń jest pojawienie się charakterystycznych składowych częstotliwościowych w widmie prądu fazowego silnika oraz w widmie modułu wektora przestrzennego prądu stojana [1]. Dlatego też, do oceny stanu technicznego silnika stosuje się metody analizy częstotliwościowej tych sygnałów, wykorzystujące najczęściej algorytmy dyskretnej transformaty Fouriera (DFT) oraz jej szybką odmianę FFT. 2. DIAGNOSTYKA SILNIKÓW INDUKCYJNYCH NA PODSTAWIE ANALIZY CZĘSTOTLIWOŚCIOWEJ PRĄDU STOJANA W sygnałach prądów fazowych silnika indukcyjnego zawarte są rozmaite cechy diagnostyczne wynikające z asymetrii elektrycznej i magnetycznej obwodów stojana i wirnika [3]. Cechy te uwidaczniają się w widmie prądu fazowego w postaci niewielkich składowych spektralnych, występujących na tle dominujących harmonicznych związanych z częstotliwością napięcia zasilającego. Na skutek tego, prawidłowa ekstrakcja składowych spektralnych, powiązanych z uszkodzeniami silnika jest utrudniona, a czasem nawet niemożliwa. Dlatego też, coraz częściej do diagnostycznej analizy widmowej wykorzystuje się dodatkowo sygnał wektora przestrzennego prądu stojana wyznaczony na podstawie zarejestrowanych sygnałów prądów fazowych silnika (i A, i B, i C ). Składowe ortogonalne (i α, i β ) tego wektora wyznacza się według poniższych zależności:

530 i α = i β 2 i 3 = A 1 ib 6 1 ic 6 1 1 i B i C 2 2 Na podstawie powyższych składowych wyznacza się moduł wektora przestrzennego prądu, który nie zawiera częstotliwości związanych z napięciem zasilania. Dlatego analiza widmowa tego sygnału umożliwia ekstrakcję składowych spektralnych o bardzo małych amplitudach, co znacznie ułatwia rozpoznanie charakterystycznych symptomów uszkodzenia silnika [2]. W przypadku uszkodzenia prętów klatki wirnika, w widmie prądu fazowego pojawiają się składowe opisane następującymi zależnościami: sk 1,2 ± ( 1 ) f s (1a) (1b) f = 2ks (2) gdzie: f s harmoniczna podstawowa prądu stojana, s poślizg, k = 1, 2, 3,... Składowe te, po transformacji pojawiają się widmie modułu wektora przestrzennego prądu i posiadają częstotliwość: fpk = 2ksf s (3) W przypadku asymetrii napięć zasilających silnik, w widmie modułu wektora przestrzennego prądu pojawia się składowa o częstotliwości: f A = 2 f s (4) Pojawienie się tej składowej może również świadczyć o asymetrii w uzwojeniach stojana, spowodowanej np. zwarciem kilku zwojów. W przypadku niewłaściwego sprzęgnięcia silnika z maszyną roboczą, gdy oś silnika nie jest przedłużeniem osi maszyny roboczej, w widmie modułu wektora przestrzennego prądu stojana pojawiają się składowe o częstotliwościach f mk, opisane na podstawie następującej zależności: f mk = f s f s 1 s 1 k (5) p gdzie: p liczba par biegunów silnika, k=1, 2, 3,... Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe widmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana silnika z uszkodzonym wirnikiem, dla przypadku 4 przerwanych prętów klatki. Na rysunku zaznaczono charakterystyczne składowe spektralne związane z uszkodzonym wirnikiem (f P1, f P2 ), asymetrią napięć zasilających (f A ) oraz nieosiowym połączeniu silnika z maszyną roboczą (f m1 f m4 ).

531 0.10 0.08 f P1 f A FFT (Ip) [A] 0.06 0.04 f P1 f m1 0.02 0 f m2 f m3 f m4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 f [Hz] Rys. 1. Przykładowe widmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana silnika z uszkodzonym wirnikiem Fig. 1. Example Park s vector modulus spectrum for induction motor with faulty rotor 3. REALIZACJA TECHNICZNA SYSTEMU DIAGNOSTYCZNEGO SILNIKA INDUKCYJNEGO Zadaniem systemu diagnostycznego jest zarejestrowanie diagnostycznych sygnałów pomiarowych, a następnie przeprowadzenie analizy tych sygnałów pod kątem detekcji charakterystycznych cech, odpowiadających wybranym uszkodzeniom silnika. Przyjęto, że aparatura diagnostyczna będzie wykonana w formie przenośnej, co umożliwi ocenę stanu technicznego silników o różnych mocach, zainstalowanych w miejscach trudnodostępnych. Głównym elementem systemu diagnostycznego jest komputer przenośny typu laptop z zainstalowanym oprogramowaniem diagnostycznym, którego zadaniem jest analiza sygnałów pomiarowych i ekstrakcja cech diagnostycznych. Z komputerem współpracuje przenośny system akwizycji danych, który rejestruje sygnały prądów fazowych badanego silnika i przesyła je do komputera za pośrednictwem interfejsu USB. W roli czujników prądów fazowych silnika zaleca się stosowanie przetworników cęgowych, które umożliwiają wykonanie pomiarów bez potrzeby rozłączania obwodu elektrycznego badanego silnika. Ponadto przetworniki takie posiadają najczęściej kilka zakresów pomiarowych, co czyni je uniwersalnymi i pozwala na zastosowanie ich do pomiarów prądów silników o różnych mocach. Do zastosowań diagnostycznych najlepiej nadają się przetworniki cęgowe wykorzystujące efekt Halla, które umożliwiają pomiar prądów silnika w szerokim zakresie częstotliwości, od zera herców (pomiar składowej stałej DC) do kilku kiloherców.

532 Jeden z kanałów wejściowych systemu pomiarowego wyposażony jest w dodatkowy interfejs źródła prądowego, który umożliwia podłączenie piezoelektrycznych akcelerometrów pracujących w standardzie IEPE (Intrgrated Electronics PiezoElectric). Na rys.2 przedstawiono przykładową konfigurację diagnostycznego systemu pomiarowego, w skład którego wchodzą następujące elementy: czterokanałowy rejestrator sygnałów analogowych, zestaw trzech dwuzakresowych cęgowych przetworników prądu, piezoelektryczny akcelerometr przemysłowy typu AT3/100. Rys. 2. Fotografia systemu diagnostycznego silnika indukcyjnego Fig. 2. Photography of induction motor diagnostic system Głównym elementem systemu jest 4-kanałowy rejestrator analogowy, który zapisuje próbki pomiarowe do pamięci, a następnie przesyła je do komputera za pośrednictwem szybkiego łącza USB. Sercem rejestratora jest 8-bitowy mikrokontroler ATmega128 rodziny AVR, który nadzoruje jego pracę oraz realizuje funkcje komunikacji z komputerem. Schemat blokowy rejestratora przedstawiony został na rys.3. Analogowy interfejs wejściowy rejestratora stanowią programowalne wzmacniacze wejściowe wraz z obwodami zabezpieczeń. Układy te umożliwiają dopasowanie poziomów napięć sygnałów pomiarowych do poziomów napięć wejściowych przetworników A/C. W każdym kanale, w torze analogowym umieszczone zostały filtry dolnoprzepustowe, o przełączalnych wartościach częstotliwości odcięcia: 200 Hz, 1 khz, 5 khz i 20kHz. Przetworniki A/C posiadają 16-bitową rozdzielczość i umożliwiają rejestrację sygnałów z maksymalną częstotliwością 100kHz. Próbki sygnałów pomiarowych gromadzone są w wewnętrznej pamięci RAM rejestratora, a po zakończeniu akwizycji wysyłane są do komputera przez interfejs USB. Wewnętrzna pamięć rejestratora ma pojemność 512kB, co umożliwia zapisanie maksymalnie ok. 256.000 próbek sygnałów. Obwody wejściowe rejestratora są galwanicznie odseparowane od obwodów komputera, w wyniku zastosowania optoizolacji oraz przetwornicy napięcia DC/DC, która dostarcza odpowiednich napięć zasilających do rejestratora bezpośrednio z interfejsu USB.

533 CH1 PGA LPF ADC SRAM 512kB CH2 CH3 CH4 PGA PGA PGA LPF LPF LPF ADC ADC ADC ATMEL ATmega128 DC / DC USB RS-232 Rys. 3. Schemat blokowy rejestratora Fig. 3. Block diagram of data recorder 4. OPROGRAMOWANIE SYSTEMU DIAGNOSTYCZNEGO Oprogramowanie przenośnego systemu diagnostycznego zostało napisane w języku Object Pascal, w środowisku Borland Delphi 7.0. Składa się ono z dwóch części: programu sterującego oraz oprogramowania analizatora diagnostycznego. Do najważniejszych zadań programu sterującego należą: parametryzacja sprzętowa i sterowanie procesem akwizycji danych pomiarowych, prezentacja wyników pomiarów (przebiegi, wykresy, statystyka) oraz archiwizacja i zarządzanie zestawami danych. Zarejestrowane sygnały diagnostyczne mogą być zapisane na dysku komputera w postaci plików tekstowych zawierających próbki pomiarowe oraz w formacie plików typu (*.mat), które są rozpoznawalne przez oprogramowanie MATLAB. Głównym celem oprogramowania analizatora diagnostycznego jest analiza częstotliwościowa zarejestrowanych sygnałów prądów stojana, polegająca na ekstrakcji specyficznych cech diagnostycznych, charakteryzujących wybrane uszkodzenia silnika. W programie zastosowano algorytmy szybkiej transformaty Fouriera, które obliczają widma częstotliwościowe sygnałów prądów fazowych silnika oraz widmo modułu wektora przestrzennego prądu stojana. Na podstawie tych widm program automatycznie wyznacza prędkość średnią silnika i oblicza wartość poślizgu. Znajomość poślizgu, pozwala z kolei na wyznaczenie amplitud charakterystycznych składowych częstotliwościowych, które mają związek z uszkodzeniami silnika. W programie automatycznie wyznaczane są wartości następujących cech diagnostycznych, związanych z uszkodzeniami silnika: składowe f sk (2) dla k=1, 2 (uszkodzenia wirników); składowe f Pk (3) dla k=1,2 (uszkodzenia wirników); składowa f A (4) (uszkodzenia stojana, asymetria napięć zasilających); składowe f mk dla k=1 4 (5) (nieosiowe połączenie silnika i maszyny roboczej).

534 Wartości amplitud powyższych składowych prezentowane są w amperach oraz jako wielkości bezwymiarowe (procentowe). Przykładowy wygląd okna analizatora diagnostycznego, podczas testów silnika indukcyjnego o mocy 1,5 kw z uszkodzonym wirnikiem, w którym przerwano 4 pręty klatki przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Główne okno analizatora diagnostycznego Fig. 4. The main window of diagnostic analyzer Analizator diagnostyczny pozwala na zdefiniowanie progów alarmowych dla poszczególnych cech diagnostycznych. Jeżeli jakaś cecha przekroczy wartość progu alarmowego, stan ten zostanie natychmiast zasygnalizowany poprzez podświetlenie wartości danej cechy w kolorze czerwonym. Funkcja ta ułatwia szybkie określenie stanu technicznego badanego silnika. 5. PODSUMOWANIE Przedstawiony system diagnostyczny silnika indukcyjnego jest praktycznym urządzeniem pomiarowym, umożliwiającym określenie stanu technicznego silników indukcyjnych o różnych mocach, na podstawie pomiaru jedynie sygnałów prądów stojana. Integralną częścią systemu jest oprogramowanie diagnostyczne, które umożliwia wykrywanie uszkodzeń wirnika i stojana, asymetrii napięć zasilających oraz niewłaściwego sprzęgnięcia silnika z maszyną roboczą. Dołączenie do układu pomiarowego dodatkowego czujnika drgań pozwala na rozszerzenie możliwości systemu o kolejne funkcje diagnostyczne, takie jak możliwość oceny stanu łożysk silnika, czy też diagnostyka przekładni mechanicznej.

535 Wielką zaletą prezentowanego systemu diagnostycznego jest niski koszt jego wykonania, który wynika głównie z zastosowania prostych rozwiązań sprzętowych, połączonych z wydajnym oprogramowaniem diagnostycznym. Aktualnie oprogramowanie to znajduje się w ciągłej fazie rozwoju i jest na bieżąco udoskonalane. W najbliższym czasie planowane jest wprowadzenie automatycznych funkcji oceny diagnostycznej badanego silnika, które będą wykorzystywały algorytmy sztucznych sieci neuronowych oraz logiki rozmytej. LITERATURA [1] BENBOUZID M.E.H., A Review of Induction Motors Signature Analysis as a Medium for Faults Detection,, IEEE Trans. on Ind. Electronics, vol.47, no.5, Oct. 2000, p. 984-993 [2] CARDOSO A.J.M., Mendes A.M.S., Cruz S.M.A., The Park s Vector Approach: New Developments in On-Line Fault Diagnosis of Electrical Machines, Conf. Proc. of SDEMPED 97, Carryle-Rouet, France, 1997. [3] KLIMAN G.B., Koegl R.A., Stein J.,Endicott R.D., Madden M.W., Noninvasive detection of broken rotor bars in operating induction motors, IEEE Trans. on Energy Conv. vol.3, no.4,1988, p. 873-879. [4] KOWALSKI Cz.T., Stan obecny i tendencje rozwojowe metod monitorowania i diagnostyki napędów z silnikami indukcyjnymi, Wiadomości Elektrotechniczne, nr 4, 2003, str. 160-164. THE PORTABLE MEASUREMENT SYSTEM FOR INDUCTION MOTOR DIAGNOSIS The paper presents a concept of inexpensive measurement system for induction motor fault diagnosis. The system consist of four-channel data acquisition recorder and laptop computer with specialized software. The diagnostic software takes advantage of motor current signature analysis method (MCSA) for detection of rotor and stator faults, voltage unbalance and mechanical load misalignment. All the measuring equipment including PC computer are compact and battery-operated, that makes it usable in not easy accessible surroundings. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2006-2008 jako projekt badawczy N510 038 31/2439