Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
27 styczeń 2006.

Diagnostyka łożysk w silnikach indukcyjnych z wykorzystaniem prądu zasilającego

W silniku indukcyjnym mogą pojawić się uszkodzenia elementów mechanicznych (jak łożyska, wirnika, wału) lub uszkodzenia elementów układu elektromagnetycznego (uzwojenia stojana, wirnika czy obwodu magnetycznego).

Statystyka wskazuje, że w przeważającej części awariom ulegają łożyska (źródła zachodnie podają, że jest to 40-50% uszkodzeń, rosyjskie [1] - nawet 90%).
Tak więc to diagnostyka łożysk jest kluczowym zagadnieniem dla nadzoru stanu silnika. Rysunek 1 ilustruje statystykę uszkodzeń według dwóch niezależnych źródeł amerykańskich.
W diagnostyce silników indukcyjnych stosowane są metody oparte na różnych podstawach fizycznych - najczęściej są to pomiary wibracji, temperatury, zjawisk akustycznych, prądu, strumienia magnetycznego. Zakres stosowalności tych metod podano w tabeli 1.
   Dziedziną zainteresowań autora publikacji jest diagnostyka silników indukcyjnych przy wykorzystaniu analizy widmowej prądu zasilającego silnik. Tą drogą możliwe jest wykrycie uszkodzeń uzwojeń, łożysk oraz innych elementów mechanicznych.
Przyjęto następujące założenia do pracy opisanej w artykule:
1. Diagnostyka łożysk silników indukcyjnych pracujących w miejscach bezpośrednio niedostępnych (na przykład pola naftowe lub silniki WN) wymaga innego podejścia niż metody stosowane obecnie.
2. W rozważanych zagadnieniach diagnostyki łożysk silników indukcyjnych największe potencjalne możliwości ma metoda oparta na pomiarze i analizie prądu zasilającego (brak czujników połączonych bezpośrednio z maszyną). Pomimo to do tej pory w literaturze przedmiotu brak doniesień o rozwiązaniach systemów diagnostycznych, nadających się do wdrożenia. Są natomiast doniesienia o nierozwiązanych problemach pomiarowych i interpretacyjnych.
3. Opracowanie nowej metodyki, opartej na technice mikroprocesorowej i specjalistycznym oprogramowaniu, umożliwi skonstruowanie urządzenia do pomiaru i analizy widma prądu zasilającego silnik, dzięki czemu możliwa będzie szybka diagnostyka łożysk z wystarczającą dla celów eksploatacji wiarygodnością.
Przyjęty w literaturze [5] opis zjawisk w silniku o uszkodzonych łożyskach opiera się na tym, że każda wada łożyska powoduje promieniowe ruchy wirnika względem stojana maszyny. Mechaniczne przemieszczenia, będące rezultatem uszkodzenia łożyska, powodują zmiany szczeliny powietrznej maszyny. Zgodnie z częstotliwością tych przemieszczeń zostają zmodulowane indukcyjności własne i wzajemne uzwojeń silnika. To z kolei powoduje modulację prądu zasilającego silnik. 

Tablica 1

Zakres stosowalności różnych sygnałów do diagnostyki niesprawności silników indukcyjnych

Źródło sygnału
diagnostycznego

Wykrywane uszkodzenia

Wibracja

Luźne mocowanie silnika, nieosiowość wałów

Przerwa w uzwojeniu stojana, brak styku na zaciskach

Luźne uzwojenie stojana

Uszkodzenie elementów łożyska

Luźna obudowa łożyska

Niedostateczne smarowanie łożysk

Asymetria obciążenia

Ekscentryczność statyczna

Ekscentryczność dynamiczna

Uszkodzenia klatki wirnika

Prąd zasilający

Przerwa w uzwojeniu stojana, brak styku na zaciskach

Uszkodzenie elementów łożyska

Ekscentryczność statyczna

Ekscentryczność dynamiczna

Uszkodzenia klatki wirnika

Asymetria zasilania

Zwarcia międzyzwojowe w stojanie

Napięcie zasilające

Uszkodzenia klatki wirnika

Zwarcia międzyzwojowe w stojanie

Doziemienia

Temperatura

Zabrudzenie wnętrza ? zakłócenia wentylacji

Strumień magnetyczny

Przerwa w uzwojeniu stojana, brak styku na zaciskach

Ekscentryczność statyczna

Ekscentryczność dynamiczna

Uszkodzenia klatki wirnika

Asymetria zasilania

Zwarcia międzyzwojowe w stojanie

Rys. 1. Procentowy udział rodzajów uszkodzeń silnika indukcyjnego według dwóch niezależnych źródeł amerykańskich [5]

W niniejszej pracy problem określenia zależności teoretycznych wiążących zmiany w prądzie z uszkodzeniami łożysk rozwiązano, budując model matematyczny silnika indukcyjnego wrażliwy na wprowadzanie zakłóceń symulujących założone rodzaje uszkodzeń [4].
Wnioski dla budowy systemu diagnostycznego wynikające z badań modelowych są następujące:
1. Oscylacje szczeliny powietrznej prowadzą do pojawienia się nowych harmonicznych przesuniętych o podwojoną częstotliwość wibracji w górę i w dół od harmonicznej będącej źródłem dla nowych harmonicznych. Źródłem pojawiających się harmonicznych są wszelkie składowe harmoniczne istniejące w silniku bez uszkodzeń.
2. Dodanie ekscentryczności statycznej, zawsze istniejącej w rzeczywistym silniku, do wibracji wirnika powoduje pojawienie się dodatkowych harmonicznych analogicznych do składowych opisanych we wniosku 1, ale zmodulowanych częstotliwością wibracji.
3. Amplitudy harmonicznych niosących informację o uszkodzeniu łożyska są w przedziale od -60 do -85 decybeli w stosunku do harmonicznej podstawowej fl o częstotliwości 50 Hz.
Nowa metoda i system pomiaru
Na podstawie wstępnych pomiarów na silniku rzeczywistym określono następujące warunki, jakie powinna spełnić metoda i układ pomiarowy:
1. Łączny szum układu nie powinien przekraczać -105 dB przy zakresie mierzonych częstotliwości 20 Hz -3 kHz dla zachowania niezbędnego odstępu sygnału od szumu 20 dB.
2. Niezbędne jest określenie częstotliwości sieci zasilającej, a także częstotliwości obrotowej z błędem nie większym niż +-0,03 Hz, przy rozdzielczości widma co najmniej 1/8 Hz ze względu na to, że w widmie prądu na ogół pojawia się szereg składowych o zbliżonych do siebie częstotliwościach.
3. Pomiar prędkości kątowej i częstotliwości sieci powinien być wykonany i uśredniony w tym samym przedziale czasowym, w którym pobrano próbkę sygnału prądu do analizy widmowej.
Dla realizacji tych założeń autor zaproponował nowy sposób i układ do pomiaru składowych harmonicznych w widmie prądu silnika, charakterystycznych dla uszkodzeń łożyska [8, 9]. Charakteryzuje się on tym, że obliczenie zarówno prędkości kątowej silnika, jak i częstotliwości sieci zasilającej jest wykonywane na podstawie tego samego widma, które dalej jest wykorzystane do pomiaru diagnostycznych składowych harmonicznych. W ten sposób uzyskuje się zgodność częstotliwości składowych obliczonych teoretycznie ze zlokalizowanymi w widmie. Pozwala to na uniknięcie skomplikowanych metod analizy sygnału i obliczeń statystycznych, nie są również potrzebne wcześniejsze wyniki pomiarów ("etap nauki") [2, 3, 7, 11]. Dodatkowe urządzenia do pomiaru prędkości kątowej silnika, jak i częstotliwości sieci zasilającej są zbędne, a dokładność tych pomiarów jest wysoka.
Rysunek 2 przedstawia algorytm zaproponowanej metody pomiarowej.
System pomiarowy do diagnostyki łożysk w silnikach indukcyjnych metodą analizy prądu zasilającego zaprojektowany według zaproponowanej metody składa się z części sprzętowej (układu pomiarowego) oraz oprogramowania systemu komputerowego.
Dominująca składowa podstawowa w sygnale w tym wypadku nie niesie użytecznych informacji diagnostycznych.
Dla podniesienia dynamiki pomiarów zaproponowano stłumienie podstawowej składowej harmonicznej, a następnie wzmocnienie pozostałego sygnału i dalej poddanie go analizie widmowej.
Filtracja i wzmocnienie muszą być przeprowadzone po analogowej stronie układu.

Rys. 2. Zaproponowana metoda analizy prądu silnika dla celów diagnostycznych


Na rysunku 3 przedstawiono schemat jednego z kanałów do pomiaru prądu.

 

Rys. 3. Schemat blokowy jednego kanału układu pomiaru prądu silnika wykorzystujący filtr zaporowy o strojonej częstotliwości zaporowej

Badania uszkodzonych łożysk
Ocenę przydatności opracowanej metody diagnostycznej i wzorcowanie systemu diagnostycznego przeprowadzono, wykorzystując system diagnostyki wibracyjnej DREAM [10].
Badania eksperymentalne przeprowadzono na dziewięciu egzemplarzach łożysk, reprezentujących trzy rodzaje uszkodzeń, każde z nich na trzech poziomach: uszkodzenie silne, średnie i słabe oraz na łożyskach bez uszkodzeń.
Uszkodzone łożyska poddano kwalifikacji pod względem głębokości uszkodzenia. Sposób oceny był następujący: po wykonaniu uszkodzenia montowano łożysko do silnika i wykonywano badanie systemem diagnostyki wibracyjnej DREAM. System kwalifikuje uszkodzenia łożysk do trzech grup: uszkodzenie silne, średnie i słabe. Stwierdzono, że kwalifikacja zależy w równej mierze od głębokości, jak i kształtu wykonanego ubytku na elemencie łożyska, a nawet przy pozornie identycznych wprowadzonych ubytkach diagnozy DREAM nie są powtarzalne. Taki sam ubytek wykonany na różnych elementach łożyska daje różne oceny jego głębokości. 

Tak więc wprowadzając do łożyska sztuczny ubytek dowolną metodą, należy po jego montażu zweryfikować rzeczywistą głębokość uszkodzenia inną sprawdzoną metodą. W dotychczasowej
literaturze autorzy poprzestają na ocenie głębokości uszkodzenia na podstawie geometrycznej wielkości wykonanego ubytku. Właściwy dobór składowych harmonicznych prądu zasilania silnika jest decydujący dla trafnej diagnozy. Przeprowadzono badania równolegle nad pięcioma zestawami składowych proponowanych jako symptomy uszkodzeń (wybranych spośród 140 teoretycznie możliwych). Najwyższe prawdopodobieństwa trafnych diagnoz uzyskano, stosując zestaw składający się z 64 składowych. Jako syntetyczny miernik wyniku badania diagnostycznego zaproponowano sumę arytmetyczną ("sumę kontrolną SK") amplitud (wyrażonych w dB) składowych diagnostycznych. Taka suma odpowiada iloczynowi amplitud w skali liniowej. Tym samym zostaje wyrównana waga składowych o małych i dużych amplitudach. Oznacza to, że wzrost małej czy dużej składowej daje ten sam efekt. Wprowadzono oznaczenia:  SKT - suma kontrolna amplitud składowych diagnostycznych, które powinny się pojawić przy uszkodzeniu elementu tocznego (częstotliwości składowych diagnostycznych były obliczane dla wibracji o częstotliwościach wywoływanych przez elementy toczne frol);  SKK - suma kontrolna amplitud składowych diagnostycznych, które powinny się pojawić przy uszkodzeniu elementu tocznego (częstotliwości składowych diagnostycznych były obliczane dla wibracji o częstotliwościach wywoływanych przez koszyk fc);  SK2 - suma kontrolna amplitud składowych diagnostycznych, które powinny się pojawić przy uszkodzeniu elementu tocznego (częstotliwości składowych diagnostycznych były obliczane dla wibracji o częstotliwości równej fr - fc);  SKZ - suma kontrolna amplitud składowych diagnostycznych, które powinny się pojawić przy uszkodzeniu zewnętrznego pierścienia (częstotliwości składowych diagnostycznych były obliczane dla wibracji o częstotliwości równej fout); SKW - suma kontrolna amplitud składowych diagnostycznych, które powinny się pojawić przy uszkodzeniu wewnętrznego pierścienia (częstotliwości składowych diagnostycznych były obliczane dla wibracji o częstotliwości równej fin). Pierwsze trzy sumy kontrolne związane są z uszkodzeniami elementów tocznych. Jako ogólny wskaźnik stanu łożyska wprowadzono uogólnioną sumę kontrolną: USK = SKT + SKK+ SK2 + SKZ + SKW (1)W celu jej wyznaczenia należy pomierzyć w widmie sygnału prądu silnika składowe dla potencjalnych możliwych rodzajów uszkodzeń. Następnie określa się sumy kontrolne dla każdego rodzaju uszkodzenia i sumuje je według wzoru (1). Kryterium kwalifikującym łożysko do uszkodzonych jest przekroczenie przez USK poziomu 700 dB. Wartość ta została ustalona eksperymentalnie.
Dla innych typów silników należy ją dobrać na drodze osobnych eksperymentów. Wyniki badań wybranych łożysk pokazane są na rys. 4 i 5. Badania przeprowadzane były na silnikach wolno stojących, a także sprzęgniętych z maszyną obciążającą. Wprowadzono symbole
oznaczające poszczególne obciążenia: L1 - silnik połączony z maszyną obciążającą (bez obciążenia); L2 - L20 - kolejne obciążenia rosnące co 0,05 A. Maksymalne obciążenie (L20) występuje dla prądu silnika równego 0,86 prądu znamionowego.

Leon Swędrowski

Pełną treść artykułu znajdą Państwo w styczniowym numerze Napędów i Sterowania. Zachęcamy do lektury.

Źródło: Napędy i Sterowanie
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl