Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr /17 (114) 69 Zbigniew Ławrowski, Energotest-Diagnostyka Sp. z o.o., Brzezie k. Opola Janusz Petryna, Maciej Sułowicz, Arkadiusz Duda, Politechnika Krakowska, Kraków Krzysztof Guziec, SENCO Sp. z o.o., Kraków TERMOGRAFICZNA WERYFIKACJA DIAGNOZY STANU WIRNIKA DUŻEJ MOCY OPARTEJ NA POMIARZE PRĄDÓW I STRUMIENIA POOSIOWEGO THERMOGRAPHIC VERIFICATION OF THE PRIOR DIAGNOSIS OF THE HIGH POWER ROTOR CONDITION BASED ON THE MEASUREMENT OF CURRENT AND THE AXIAL FLUX Streszczenie: W artykule przedstawiono wykorzystanie oryginalnej metody diagnostyki termograficznej wirnika dużej mocy i bardzo dużych gabarytów, opartej na nagrzewaniu wirnika przez wymuszony przepływ prądu przez wał, w celu weryfikacji wcześniejszej diagnozy stanu wirnika postawionej w oparciu o pomiar i analizę prądów fazowych silnika i strumienia poosiowego. Kamera termowizyjna rejestruje lokalne wzrosty temperatury w określonych miejscach wirnika i tym sposobem potwierdza zagrożone miejsca w klatce, a także w blachach i konstrukcji mechanicznej wirnika. Osobnym wyzwaniem jest tu zapewnienie wymuszenia prądu o natężeniu wielu kiloamperów, aby tym sposobem nagrzać wirnik. Abstract: The article presents the use of the original thermographic method of diagnostics of high power and very large dimensions rotor, based on heating the rotor by forcing the current flow through the shaft, to verify the prior diagnosis based on the measurement and analysis of phase currents of the motor and its axial flux. The infrared camera records the local temperature increases in specific areas of the rotor and thus confirms the presence of exact endangered points of the cage, inside the core and the mechanical structure of the rotor as well. An extra separate challenge is to provide a forcing of several thousands of amps of the current intensity to thereby heat the rotor. Słowa kluczowe: wirnik silnika indukcyjnego, metoda termograficzna, wzrost temperatury, rdzeń, nagrzewanie wału Keywords: induction motor rotor, thermographic method, temperature increase, core, shaft heating 1. Wstęp Współczesne bezinwazyjne metody diagnostyczne stosowane dla maszyn elektrycznych opierają się na pomiarach m.in. prądów, drgań, hałasu i strumienia poosiowego. Na ich podstawie można wykryć większość uszkodzeń czy przyczyn niedomagań maszyn. Jednak nie zawsze jest możliwa bezpośrednia, wizualna Weryfikacja stwierdzonego na podstawie tych badań uszkodzenia maszyny. Niektóre defekty są zlokalizowane wewnątrz maszyny, na przykład w rdzeniu wirnika czy w wale. Kiedy defekt nie jest widoczny gołym okiem oraz jeżeli w ślad za diagnozą maszyna ma być odstawiona i skierowana do remontu lub na jej miejsce ma być zakupiona nowa, u osób podejmujących taką decyzję czasem pojawiają się wątpliwości, czy diagnoza jest słuszna. Taka decyzja bowiem wiąże się nieraz z bardzo wysokimi kosztami i bywa utożsamiana z ryzykiem finansowym. Dlatego tam, gdzie jest to możliwe, dobrym rozwiązaniem wydaje się przeprowadzenie badania termograficznego, weryfikującego postawioną wcześniej diagnozę [1], [4], [7].. Badanie silnika kompresora 3.7MW, 1kV, 37 obr/min Powodem badania wyżej wymienionego silnika był znaczny hałas (łoskot), jaki silnik emitował podczas obciążania powyżej 5% mocy znamionowej. Hałas ten przekraczał 17dB i był słyszalny z odległości ponad 1 metrów od instalacji. Przeprowadzono następujące badania silnika: pomiar prądów fazowych w stanach dynamicznych i w stanie ustalonym przy różnych obciążeniach, pomiar strumienia unipolarnego, pomiar drgań mechanicznych, pomiar hałasu, pomiary termowizyjne.
7 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr /17 (114) W oparciu o pomiary w stanie ustalonym sporządzono widma prądu i strumienia. Na Rys.1. do Rys.3. przedstawiono widma prądu stojana z zaznaczeniem charakterystycznych częstotliwości przy obciążeniu znamionowym badanego silnika. B ] [d I A 1 9 8 7 6 5 4 3 1 Widmo amplitudowe prądu stojana - silnik MK1C - 1% obciążenia X: 1.66 Y: 37.69 X: 6.44 Y: 31.69 X: 6 Y: 8.34 X: 37.54 Y: 69.34 X: 5.1 Y: 33.19 X: 43.76 Y: 76.68 X: 31.3 Y: 5.34 X: 49.98 Y: 98.3 X: 56. Y: 75.39 X: 6.4 Y: 68.5 X: 68.64 Y: 46.34 X: 74.86 Y: 34.39 X: 93.5 Y: 5.77 X: 87.3 Y: 36.64 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Częstotliwość [Hz] Rys. 1. Widmo prądu stojana w zakresie 1Hz z zaznaczonymi harmonicznymi od wpływu obciążenia przy obciążeniu 1% Widmo zawiera oprócz składowych pochodzących od obciążenia o częstotliwości będącej wielokrotnością prędkości obrotowej wirnika 6.Hz, także częstotliwości poślizgowe według znanego wzoru: f bar = f (1 ± ks) (1) gdzie: f - częstotliwość napięcia zasilania, k - numer kolejnej częstotliwości poślizgowej, s - poślizg. B ] [d I A 1 9 8 7 6 5 4 3 1 Widmo amplitudowe prądu stojana - silnik MK1C - 1% obciążenia X: 43.76 Y: 76.68 X: 44.47 Y: 31.55 X: 49.98 Y: 98.3 X: 56. Y: 75.39 X: 55.48 Y: 31.15 4 4 44 46 48 5 5 54 56 58 6 Częstotliwość [Hz] Rys.. Widmo 43-57Hz z zaznaczonymi składowymi poślizgowymi 44.7Hz i 55.48Hz W tym zakresie częstotliwości wskaźnik niesymetrii klatki RFI [7] wyniósł 31.55/93.9*8 =.6874, co sugerowałoby uszkodzenie klatki w postaci serii wysoko - rezystancyjnych połączeń lub pęknięcia pręta (prętów). B ] [d I A 8 7 6 5 4 3 1 Widmo amplitudowe prądu stojana - silnik MK1C - 1% obciążenia X: 43.88 Y: 4.8 X: 43.76 Y: 76.68 X: 44.47 Y: 31.55 41.5 4 4.5 43 43.5 44 44.5 45 45.5 46 Częstotliwość [Hz] Rys. 3. Zaznaczone częstotliwości poślizgowe o numerach 7 i 8. Składowa odpowiadająca 8-mej częstotliwości poślizgowej pokrywa się z częstotliwością od wpływu obciążenia z Rys.1 Wspomniany łoskot autorzy początkowo wiązali ze zdudnieniem się znacznej co do amplitudy 8 częstotliwości poślizgowej (43.88Hz) z harmoniczną obrotową o bardzo bliskiej częstotliwości 43.76Hz. Pomiary wartości skutecznej strumienia unipolarnego także sugerowały niesymetrię klatki. Wartość skuteczna strumienia badanego silnika przekraczała kilkakrotnie wartość skuteczną strumienia sąsiedniego silnika:.317v/.8v [7]. Przeprowadzone badania zmian prądu silnika podczas rozruchu jednak nie potwierdziły defektu klatki polegającego na utracie jej ciągłości lub choćby znacznej niesymetrii rezystancyjnej na połączeniach. ] [A 15 1 5-5 -1-15 - -5 Przebieg odfiltrowanego prąd rozruchowego silnika MK1C - faza A, filtr LP Hz 9 3 31 3 33 34 35 36 37 38 39 Czas [s] Rys. 4. Przebieg odfiltrowanego prądu rozruchowego fazy A cały przedział rejestracji W przypadku takiego uszkodzenia klatki odfiltrowany prąd układa się bowiem w charakterystyczny wzorzec modulowanych oscylacji składowej niskoczęstotliwościowej jak na Rys.6, całkowicie odmienny od przebiegu przedstawionego na Rys.5.
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr /17 (114) 71 ] [A Przebieg odfiltrowanego prąd rozruchowego silnika MK1C - faza A, filtr LP Hz 6 4 - -4-6 -8-1 -1-14 3 31 3 33 34 35 Czas [s] Rys. 5. Przebieg czasowy odfiltrowanego prądu rozruchowego fazy A dla przedziału czasowego, w którym nastąpił rozruch badanego silnika Przebieg z Rys.5 natomiast przypomina zarejestrowane przez autorów na stacji prób przebiegi dla silników o stwierdzonym ewidentnie uszkodzeniu pakietu w postaci zwarć blach. ] [A 1.4 1. 1.8.6.4. Przebieg odfiltrowanego prąd rozruchowego silnika S1 - faza B, filtr LP 15 Hz 16 18 4 6 8 3 3 34 36 Czas [s] Rys. 6. Odfiltrowany prąd rozruchowy silnika z jednoczesnym uszkodzeniem klatki i pakietu Stojan badanego silnika nie wykazywał żadnych defektów uzwojeń ani pakietu, co potwierdziły badania przeprowadzone w firmie ZREP Jedlicze. W związku z tym autorzy sklasyfikowali zjawisko jako hałas magnetyczny mający swe źródło w niesymetrii magnetycznej wirnika, czyli w zwarciach blach pakietu. Na tym skończyły się możliwości wyjaśnienia zjawiska w oparciu o bezinwazyjne pomiary diagnostyczne prądów, drgań i strumienia. Aby przekonać się definitywnie, czy rzeczywiście doszło do uszkodzenia pakietu, należało użyć innej metody badawczej. 3. Badania termowizyjne podczas nagrzewania wirnika Badania wirnika ważącego 15 ton zostały przeprowadzone na stacji prób firmy Energotest- Diagnostyka w Brzeziu k. Opola. Zastosowanie metody termograficznej do lokalizacji miejsc uszkodzeń elementów wirnika wymaga wymuszenia w nich przepływu prądu. Wszelkie zmiany rezystancji w połączeniach prętów klatki bądź zwarcia w blachach żelaza czynnego skutkują zwiększonym nagrzewaniem się tych miejsc i intensywnym wydzielaniem się ciepła, które jest źródłem informacji o stanie technicznym. Z uwagi na masę i gabaryty wirnika podjęto decyzję o sposobie nagrzania pakietu i elementów konstrukcyjnych wirnika (Rys.9), polegało to na wymuszeniu przez wał wirnika prądu rzędu kilku tysięcy amperów (Rys.1). Mechanizm nagrzewania, a więc i generowania strat mocy w elementach przewodzących prąd w przypadku wału i klatki wirnika wynika z prawa Joule a, co można opisać zależnością [8-11]: gdzie: J ΔP = dv σ V () J wektor gęstości prądu, σ konduktywność materiału. Zaletą wzoru () jest możliwość wyznaczenia strat dodatkowych, jakie występują zawsze w przewodnikach. W przypadku znajomości dokładnego rozkładu przestrzennego wektora gęstości prądu możliwe jest uwzględnienie m.in.: efektu naskórkowości, efektu zbliżenia czy prądów wirowych, zwłaszcza w przypadku silników dużych mocy. W przypadku strat mocy w żelazie można podzielić je na straty podstawowe oraz dodatkowe. Straty podstawowe wynikają ze stratności materiału ferromagnetycznego oraz rozkładu pola magnetycznego. Natomiast straty dodatkowe zależą od oddziałływania pól magnetycznych pochodzących od wyższych harmonicznych oraz jakości obróbki technologicznej rdzenia maszyny. W klasycznym ujęciu straty w żelazie wyznacza się na podstawie stratności blach określonych za pomocą aparatu Epsteina oraz wzoru Steinmetz a [8-11]: f B PFe = kkt p m Fe (3) 4 3 B, f fp B p gdzie: k kt współczynnik konstrukcyjnotechnologiczny, Δp B,f stratność blachy zmierzona przy B p i częstotliwości f p, f częstotliwość,
7 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr /17 (114) B indukcja w rdzeniu przy częstotliwości f, m Fe masa rdzenia. Równanie (3) pozwala uzyskać zadawalającą dokładność tylko dla częstotliwości zbliżonej do 5Hz. Alternatywą jest równanie zaproponowane przez Berlottiego, równanie to pozwala na wyznaczenie strat przy wymuszeniu niesinusoidalnym i uwzględnia straty wynikające z histerezy, prądów wirowych oraz także straty nadmiarowe [8]: p Fe b db db ( t) = khbmf + σ () () 13 t + ke t straty 14 1 4 dt 443 1443 dt histerezowe straty straty wiropradowe nadmiarowe (4) gdzie: k h współczynnik histerezy, B m maksymalna wartość indukcji magnetycznej, f częstotliwość, σ przewodność elektryczna, b grubość pojedynczej blachy elektrotechnicznej, k e współczynnik strat nadmiarowych. Dokładne określenie, które straty mają zasadniczy wpływ na nagrzewanie się poszczególnych elementów konstrukcyjnych wirnika, wymaga uwzględnienia licznych szczegółowych danych konstrukcyjnych, w tym materiałowych, wirnika. W oparciu o te dane można przeprowadzić analizę polową rozkładu temperatur przy pomocy dostępnych programów symulacyjnych. Metoda termograficzna zastosowana do analizy stanu obwodów elektrycznych wirnika zrealizowana została w oparciu o rejestrację rozkładu temperatur (termogramów) kamerą termowizyjną o rozdzielczości,5 C. Ocena wizualna została dokonana poprzez opracowanie wcześniej zarejestrowanych termogramów przy użyciu programów narzędziowych umożliwiających wyodrębnienie subtelnych różnic w rozkładzie temperatur w różnych częściach wirnika i nakładanie go na obraz rzeczywisty. 3 Rys. 7. Widoczne uszkodzenia pakietu przy prętach i klinach miejsce nr 1 Rys. 8. Widoczne uszkodzenia pakietu przy prętach i klinach miejsce nr Rys. 9. Widok badanego wirnika z zamontowanymi przewodami układu wymuszenia prądu w wale
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr /17 (114) 73 Rys. 1. Widok zestawionego układ wymuszenia prądu w wale wirnika Rys.13. Termogram nałożony na zdjęcie, strona wewnętrzna wirnika, widoczne silne zwarcie blach przy wyjściu prętów klatki z żelaza czynnego Rys. 11. Termogram przedstawiający między innymi nagrzewające się przyłącze kabli do wału Rys.14. Termogram nałożony na zdjęcie, zwarcia blach żelaza z prętami klatki Rys. 1. Termogram widoczne zwarcia prętów klatki przez blachy na krańcach żelaza czynnego Rys. 15. Termogram nałożony na zdjęcie, zwarcia blach żelaza z prętami klatki widoczne zwarcia wokół prętów
74 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr /17 (114) Rys. 16. Powiększony fragment termogramu (Rys. 15) nałożony na zdjęcie widać zwarcia wokół pręta (zaznaczone okręgiem) Rys. 17. Termogram nałożony na zdjęcie, zwarcia blach żelaza z prętami klatki od strony wewnętrznej Analiza przedstawionych na fotografiach Rys.11. do Rys.17. termogramów wskazuje na wyraźne zwarcia blach żelaza czynnego z prętami klatki. Fotografie Rys.7 i Rys.8 przedstawiają widoczne uszkodzenia żelaza pakietu wokół prętów klatki. Nie jest także wykluczone, że część miejsc zwarć żelaza z prętami jest usytuowana wewnątrz wirnika i dlatego niewidoczna z zewnątrz. Duża masa wirnika o tak znacznych gabarytach (a zatem i objętość) pochłania część wydzielającego się ciepła. Oryginalna metoda nagrzewania wirnika poprzez wał jednoznacznie dowiodła, że w pakiecie wirnika doszło do zwarć. Miejsca tych zwarć rozłożone były niesymetrycznie po obwodzie wirnika i zjawiska, jakie powodowały (prądy skrośne płynące wzdłuż osi wału mostkujące częściowo pręty wirnika, prądy w blachach płynące pomiędzy prętami) nie kompensowały się, ale wzmagały niesymetrię elektromagnetyczną wirnika. Jednocześnie metoda ta wskazała na słabe punkty w konstrukcji wirnika podlegające nadmiernemu nagrzewaniu się poszczególnych jego elementów wskutek przemieszczeń mechanicznych wywołanych znacznymi naprężeniami, szczególnie w stanach dynamicznych. Termowizja umożliwia inspekcję wizualną obiektu, która nie pozostawia wątpliwości co do stanu maszyny. Wydaje się, że można wykorzystać dane zgromadzone podczas badań termograficznych (termowizyjnych) do opracowania systemu obliczeniowego w oparciu o istniejące programy symulacyjne, który by służył do wyznaczania rozkładu temperatur celem określenia stopnia degradacji wirników dużych maszyn indukcyjnych. Takie przedsięwzięcie na pewno będzie ekonomicznie uzasadnione, ponieważ koszty wymiany tak dużych wirników idą w setki tysięcy, a nawet do miliona złotych. Metoda termowizyjna ostatecznie weryfikuje diagnozy postawione w oparciu o pośrednie metody pomiarowe i zjawiska towarzyszące defektom, a związane z pracą maszyny, jak charakterrystyczne zmiany prądów, strumieni i emisja drgań i hałasu. 4. Wnioski Wyniki badań termowizyjnych potwierdzają trafność wcześniejszej diagnozy przeprowadzonej w oparciu o pomiar prądu i strumienia poosiowego. Okazało się, że technika termowizyjna jest skuteczna przy identyfikacji uszkodzeń wirnika. Oprócz wskazanych przez wcześniej postawioną diagnozę uszkodzeń, badanie termowizyjne ujawnia dodatkowe defekty natury mechanicznej w połączeniach elementów konstrukcyjnych wirnika. Doświadczenia zdobyte podczas badania serii maszyn mogą pozwolić na sformułowanie przesłanek do opracowania skutecznych metod diagnozowania wybranych typów uszkodzeń techniką termowizyjną. Mogą być wykorzystane do opracowania systemu umożliwiającego szacowanie stopnia degradacji wirników silników, zwołaszcza dużych mocy i wielobiegunowych. Reasumując autorzy uważają, że każdy nowo wyprodukowany wirnik dla silników indukcyjnych dużych mocy winien być poddany badaniom termograficznym w ramach odbioru, zwłaszcza w przypadku wirników silników energooszczędnych.
Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr /17 (114) 75 5. Literatura [1]. Ławrowski Z.: Defekty wirników silników indukcyjnych dużych mocy, termograficzna ocena stanu technicznego. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 111, 3/16, wyd. Komel, s. 17-113. []. Ławrowski Z.: Diagnostyka silników klatkowych wysokiego napięcia w energetyce. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 1999. [3]. Hickiewicz J., Ławrowski Z.: Przykłady badań diagnostycznych transformatorów i maszyn elektrycznych w energetyce. XLI Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME-5, 14-17 czerwiec 5, Jarnołtówek, tom II, s.598-65. [4]. Ławrowski Z., Bojar M., Herman W.: Monitorowanie rozwijającego się uszkodzenia w transformatorze blokowym przy wykorzystaniu termowizji i badań wibroakustycznych. Polska Akademia Nauk- Podstawowe problemy metrologii, Krynica Zdrójczerwiec 1. [5]. Petryna J., Sułowicz M., Duda A., Guziec K.: Wykorzystanie strumienia unipolarnego w diagnostyce maszyn prądu przemiennego. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe - nr /13, wyd. Komel, s. 85-9. [6]. Ławrowski Z., Duda A., Petryna J., Sułowicz M.: Wyznaczanie momentu obciążenia silnika indukcyjnego w oparciu o pomiar strumienia poosiowego. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 11, /16, wyd. Komel, s. 1-8. [7]. Petryna J., Sułowicz M., Guziec K.: Problemy eksploatacji silników indukcyjnych z asymetrią elektromagnetyczną wybrane przypadki. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe nr 1/16, wyd. Komel, s. 161-168. [8]. Ashby M.F., Easterling K.E.: The transformation hardening of steel surfaces by laser beams I. Hypo-eutectoid steels, Acta Metallurgica, Volume 3, Issue 11, 1984, pp. 1935-1948. [9]. Marketos P., Zurek S. and Moses A. J.: A Method for Defining the Mean Path Length of the Epstein Frame, in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 43, no. 6, pp. 755-757, June 7. [1]. Banach A., Mazgaj W.: Specific power loss of typical dynamo steel sheets, Technical Tranactions 1-E/15, pp. 91 99. [11]. Banach A., Mazgaj W., Szular Z., Estimation of power losses in dynamo steel sheets during axial magnetization, Przegląd Elektrotechniczny, Vol. 91, No. 1, 15, pp. 76 8. Autorzy dr inż. Zbigniew Ławrowski z.lawrowski@energotest-diagnostyka.pl Energotest-Diagnostyka Sp. z o.o. Brzezie k. Opola, 46-1 Brzezie dr inż. J. Petryna, jpetryna@pk.edu.pl dr inż. M. Sułowicz, msulowicz@pk.edu.pl mgr inż. A. Duda, aduda@pk.edu.pl Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej, Instytut Elektromechanicznych Przemian Energii 31-155 Kraków, ul. Warszawska 4 mgr inż. K. Guziec, office@senco.krakow.pl SENCO Sp. z o.o., 3-716 Kraków, ul. Albatrosów 1a Informacje dodatkowe Badania, których wynikiem jest niniejsza praca zostały sfinansowane przez firmy Energotest- Diagnostyka Sp. z o.o., Senco Sp. z o.o., ems Projekt oraz częściowo w ramach tematów badawczych działalności statutowej: E-/581/16/DS, E-/619/16/DS z dotacji na naukę przyznanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.