Современные инновационные методы диагностирования тяговых электродвигателей.

В связи с вводом в эксплуатацию нового подвижного состава с асинхронным тяговым приводом возникает необходимость диагностирования асинхронных тяговых электродвигателей с применением инновационных технологий, которые помогут сократить расход электроэнергии, времени и экономических затрат.

В последнее время широко развиваются методы диагностики состояния асинхронных двигателей, основанные на выполнении мониторинга потребляемого тока с последующим выполнением специального спектрального анализа полученного сигнала. Это позволяет с высокой степенью достоверности определять состояние различных элементов двигателя.

Физический принцип, положенный в основу этого метода, заключается в следующем. Любые возмущения в работе электрической и/или механической части электродвигателя и связанного с ним устройства приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины и, следовательно, к слабой модуляции потребляемого электродвигателем тока. Наличие в спектре тока двигателя характерных частот определенной величины свидетельствует о наличии повреждений электрической и/или механической части электродвигателя и связанного с ним механического устройства. В качестве примера на рис. 6 и 7 приведены результаты спектрального анализа токов двух однотипных вентиляторных установок, которые находятся в эксплуатации одну неделю, и пять лет соответственно.

Рис. 6. - Спектральный состав тока нового электродвигателя.

Рис. 7. - Спектральный состав тока электродвигателя, находящегося в эксплуатации в течение пяти лет.

Из рисунков видно увеличение количества частотных полос, которые соответствуют различным видам повреждений, а также рост их величины для электродвигателя, длительно находящегося в работе. Рассмотрим возможности данного метода диагностики по обнаружению различных видов повреждений. Токи статора предоставляют информацию об обрывах стержней, несоосности, статическом или динамическом эксцентриситете.

Механические повреждения, такие как разрушение подшипников также выявляются по спектру тока. Есть два вида эксцентриситета: статический и динамический. Статический эксцентриситет - это когда минимальный воздушный зазор зафиксирован в пространстве, например, когда ось ротора не совпадает с осью статора. Динамический эксцентриситет описывает условие, когда минимальный воздушный зазор вращается с ротором. Искривленный ротор приводит к динамическому эксцентриситету. Если расстояние между длиной расточки статора и ротора не равно по всей окружности, то изменяется магнитный поток внутри воздушного зазора. Это создает несимметрию тока, которую можно определить по спектру тока. Возникают многочисленные боковые гармоники частоты питающей сети двигателя. Эти боковые полосы частот будут увеличиваться с частотой эксцентриситета.

Изменение воздушного зазора из-за статического или динамического эксцентриситета приводит к изменениям плотности магнитного потока в воздушном зазоре. Индукционные токи статора изменяются. Их частотные компоненты позволяют идентифицировать как статический, так и динамический эксцентриситет.

Так как ротор держится на подшипниках, то при повреждениях в них будет происходить радиальное перемещение между ротором и статором. Отклонение магнитной индукции в воздушном зазоре повлияет на токи статора. Именно поэтому вибрация подшипников может быть обнаружена в спектрах тока статора. Когда стержень или часть кольца повреждены, образуются гармоники магнитного потока, которые вызывают высшие гармоники в токах статора. Ток статора модулирован по амплитуде с частотой скольжения. Эта модуляция увеличивается в случае наличия повреждений в роторе.

В асинхронном двигателе магнитное поле статора вращается быстрее, чем клетка ротора. Поэтому любой стержень ротора проходит под всеми магнитными полюсами в одном направлении вращения с частотой скольжения. Разница в амплитуде указывают на техническое состояние ротора. Установлено, что разница свыше 54 децибел указывает на исправное состояние ротора. Разница менее 45 децибел указывает на ухудшение состояния ротора: появляются высокоомные соединения, образуются трещины или обрывы стержней. Рисунок 8 иллюстрирует повреждения ротора. Номинальная частота сети составляет 60 Гц.

Рис. 8. - Спектр тока двигателя с повреждениями ротора.

Данным методом так же определяется и наличие таких дефектов, как:

межвитковые замыкания обмоток статора;

- повреждения подшипников (необходимы данные о подшипниках электродвигателя и механического устройства);

- ослабление элементов крепления электродвигателя;

- дефекты механических частей связанных с электродвигателем устройств

- дефекты ременной передачи;

- несоосность валов двигателя и механической нагрузки.

Серьезность повреждений определяется сравнением величины сигнала на характерной частоте повреждения с величиной сигнала на частоте питающей сети. Частоты, характерные для отдельных видов повреждений, совпадают очень редко. Диагностика тока и последующий спектральный анализ позволяют обеспечить разрешение по частоте до 0, 01 Гц. Когда частоты от различных повреждений совпадают необходимо дальнейшее уточнение характера дефекта с использованием традиционно применяемых методов диагностики.

В ситуации, когда на двигателе установлены два одинаковых подшипника и токовая диагностика показала повреждения на «подшипниковых» частотах, дальнейшее определение дефектов подшипников надо выполнять с помощью вибродиагностики или тепловизора (пирометра). Кроме описанных измерений, рекомендуется проведение мониторинга приложенного к электродвигателю напряжения. Это позволяет определить его несимметрию, наличие высших гармонических составляющих и импульсов перенапряжений. Данные факторы приводят к перегреву обмоток статора и к повреждению подшипников из-за возникновения высокочастотных вращающих моментов обратной последовательности.

Анализ спектров модулей векторов Парка тока и напряжения.

Недостатком спектрального анализа тока асинхронного двигателя является сложность оценки результатов. Любая амплитудно-модулируемая частота учитывается в спектре дважды, по обе стороны питающего напряжения. Двойной учет модулируемой частоты обуславливает недостаточную точность диагностирования и отсутствие возможности увеличения числа анализируемых гармоник.

Метод спектрального анализа требует доработки для устранения недостатков. Для исключения наложения частот от различных повреждений и, как следствие, искажения картины реального состояния двигателя используется метод анализа спектров модулей векторов Парка тока (PI) и напряжения (PU). В основу анализа спектров PI и PU заложены следующие принципы. Наличие электрических и механических неисправностей приводит к изменениям магнитного потока (амплитудной модуляции) в воздушном зазоре электрической машины. Это дает возможность выявить гармоники тока, характерные для неисправностей оборудования. Питающее напряжение не является идеально синусоидальным, поэтому в получаемых спектрах PI и PU присутствуют гармоники, обусловленные качеством питающего напряжения.

Неисправности электродвигателя и механической нагрузки вызывают соответствующие гармоники только в спектре тока. В отличие от простого спектрального анализа сигналов тока, при формировании спектров модуля вектора Парка любая модулируемая амплитудной модуляцией характерная частота учитывается в спектре вектора Парка только один раз. Гармоники в спектре PI, соответствующие различным видам неисправностей, отличаются друг от друга. Таким образом, выявление в спектре PI характерных гармоник достоверно и однозначно свидетельствует о наличии электрических и механических неисправностей в электродвигателе и приводимом им в действие устройстве.

При диагностировании каждый агрегат рассматривается как единая конструкция, состоящая из привода, редуктора, передачи и механического устройства. Диагностика состояния электродвигателей на основе анализа спектров PI и PU проводится по следующему алгоритму. С помощью датчиков тока и напряжения осуществляется запись в трех фазах зависимостей напряжения и тока, потребляемых электродвигателем, от времени. Записанные сигналы пропускаются через фильтр низких частот с частотой среза выше наибольшей полезной частоты сигнала. Это необходимо для недопущения появления ложных спектров. Получаемые результаты измерения представляют собой не непрерывную функцию, а выборку значений, полученных с определенным шагом аргумента по времени – D. Величину, обратную D, называют частотой дискретизации. Половину частоты дискретизации называют частотой Найквиста. Из аналоговой формы записанные сигналы преобразуются в цифровую форму. С помощью вычислительных средств формируются спектры PI и PU. Полученные спектры PI и PU подвергаются спектральному анализу. При совпадении всех линий в спектрах PI и PU делается вывод о соответствии спектра тока питающему напряжению в электрической цепи электродвигателя. При выявлении линий, присутствующих в спектре PI и отсутствующих в спектре PU, делают вывод о несоответствии спектра тока питающему напряжению в электрической цепи электродвигателя. Это несоответствие может быть обусловлено неисправностью.

Для обнаружения неисправностей электродвигателя выделяются характерные частоты электродвигателя и связанных с ним механических устройств. Характер и степень развития неисправности выявляются путем сравнения значений амплитуд PI на характерных частотах со значением PI на частоте 0 Гц. Диагностирование основных неисправностей электродвигателя осуществляется на следующих характерных частотах:

- наличие межвитковых замыканий в обмотках статора и повреждения ротора – на частоте питающей сети;

- несоосность валов электродвигателя и связанных с электродвигателем механических устройств – на частотах, кратных частоте вращения электродвигателя;

- дефекты ременной передачи нагрузки – на частотах, кратных частоте биений ремня;

- повреждения подшипника – на частотах, кратных частоте вращения ротора.

Вывод о наличии неисправности электродвигателя можно сделать на основе сравнения значений амплитуд PI на частотах, которые характерны для повреждений, с уровнем сигнала при частоте, равной нулю. Если амплитуды PI на характерных частотах ниже амплитуды модуля PI на частоте 0 Гц на заданную величину, делается вывод о хорошем техническом состоянии электродвигателя и связанных с ним механических устройств. В случае если указанная разница между амплитудами больше заданной величины, делается заключение о наличии соответствующего данной характерной частоте PI повреждения. Спектральный анализ полученного сигнала и сравнение амплитуд PI производят преимущественно в области от - 100 дБ до 0 дБ путем выявления признаков неисправностей в виде пиков на характерных частотах. На рис.9 представлены частотные характеристики PI для исправного электродвигателя и электродвигателя с повреждением(рис.10).

 

Рис.9. - Частотная характеристика модуля вектора Парка тока нового исправного электродвигателя

Рис. 10. - Частотная характеристика модуля вектора Парка тока электродвигателя при межвитковых замыканиях в обмотках статора.

Для каждого электродвигателя с механическим устройством рассчитывается свой уникальный набор информативных (характерных) частот. Состав этого набора определяется типом электродвигателя, исполнительным механизмом, видом используемой передачи, характеристиками подшипников и т.д. В специализированном программном обеспечении измерительного комплекса используется обобщенная база данных подшипников качения, в которой хранится необходимая информация по параметрам подшипников различных марок.

Для определения характерных частот некоторых неисправностей и их диагностики дополнительно определяется частота вращения электродвигателя и число стержней его ротора. Расчет частот и обнаружение в спектре тока электродвигателя характерных гармоник производится автоматически по заданному алгоритму. Полученные значения амплитуд на характерных частотах сравниваются со значением амплитуды основного пика на частоте, равной нулю. Для двигателя в хорошем состоянии сигналы соответствующих повреждений на характерных частотах обычно на 50–60 дБ ниже амплитуды основного пика на частоте 0 Гц. С развитием повреждения разница между пиками уменьшается.

Все диагностируемые повреждения разделяются на три уровня по степени серьезности дефектов:

- повреждения отсутствуют;

- повреждения обнаружены;

- обнаружены критичные повреждения.

Таким образом, на основании заключений о наличии (отсутствии) повреждений отдельных узлов делается вывод о работоспособности агрегата как единой конструкции.

Дополнительно к измерению потребляемого тока проводится мониторинг приложенного к электродвигателю напряжения с целью определения причин возникновения выявленных повреждений, которые могут быть обусловлены качеством питающего напряжения. В течение определенного интервала времени осуществляется запись значений напряжения, приложенного к электродвигателю. Причем при неизменной потребляемой мощности увеличивается ток, потребляемый из сети, и происходит интенсивный нагрев обмоток, что сокращает срок службы электродвигателя. Таким образом, результаты мониторинга приложенного напряжения учитываются при прогнозировании развития повреждения и определении остаточного ресурса электродвигателя.

Все проведенные измерения заносятся в базу данных измерений и результатов их анализа, по которой контролируется развитие повреждений во времени и определяется остаточный ресурс оборудования. В результате создания и регулярного пополнения базы данных измерений и результатов их анализа, в процессе эксплуатации агрегата можно проследить динамику фактического развития отдельных повреждений в графическом виде по отобранным частотным характеристикам и прогнозировать их дальнейшее развитие.

Учет мониторинга напряжения позволяет более точно прогнозировать развитие повреждений, обусловленных качеством питающего электродвигатель напряжения.

Метод диагностирования состояния асинхронных двигателей на основе спектрального анализа спектров модуля векторов Парка тока и напряжения, по сравнению с другими способами диагностики, обладает целым рядом преимуществ:

1. Расширение перечня диагностируемых повреждений и повышение точности диагностирования.

2. Диагностика состояния электродвигателя методом спектрального анализа спектров модуля векторов Парка позволяет выявить основные виды дефектов электродвигателя и связанного с ним механического устройства:

- межвитковые замыкания обмоток статора;

- повреждения подшипников;

- несоосность валов электродвигателя и приводимых электродвигателем устройств;

- повышенный эксцентриситет ротора (статический и/или динамический);

- дефекты ротора (обрыв стержней, дефекты литья);

- задевание ротора о статор электродвигателя;

- дефекты передач, соединенных с электродвигателем;

- дефекты механической части приводимых электродвигателем устройств (насосов, вентиляторов, компрессоров, т.п.).

3. Снижение трудоемкости процедуры диагностирования. Это обусловлено тем, что при совпадении линий в спектрах модуля вектора Парка тока и напряжения отсутствует необходимость проверки состояния спектра на каждой характерной частоте при каждой операции диагностики каждого электродвигателя.

4. Обеспечение возможности дистанционного диагностирования (на расстоянии от электродвигателя – в электрощите питания и/или управления).

5. Упрощение процедуры диагностирования: не требуется отключение электродвигателя и/или снятие нагрузки.

6. Обеспечение возможности полной автоматизации процесса диагностики.

Тем самым способ диагностики электродвигателей методом на основе спектрального анализа спектров модуля вектора Парка тока и напряжения представляет собой достоверный, эффективный и удобный метод выявления дефектов и повреждений электродвигателей и связанных с ними механических устройств.

Формирование спектров модуля вектора Парка тока и модуля вектора Парка напряжения при спектральном анализе сигналов тока и напряжения позволяет исключить двойной учет модулируемой частоты. Это обеспечивает повышение точности диагностики.

Упрощенная процедура диагностирования, возможность проведения диагностики в дистанционном режиме и полной автоматизации процесса диагностики позволяют проводить регулярные измерения даже при значительном парке электродвигателей, накапливать базу данных измерений, отслеживать динамику фактического развития отдельных повреждений и прогнозировать их дальнейшее развитие и остаточный ресурс оборудования. Применение данного метода позволяет в полной мере реализовать технологию обслуживания оборудования по фактическому состоянию. Это обеспечивает снижение до минимума ущерба предприятия от аварийных отказов оборудования за счет раннего обнаружения зарождающихся дефектов и контроля развития повреждений. Наиболее перспективным является использование комбинированных методов диагностики, учитывающих несколько диагностических параметров в едином комплексе.

ВЫВОД: разработано и применяется большое количество методов оценки технического состояния тяговых электродвигателей, основанных на различных диагностических параметрах, которые позволяют контролировать исправность всех составляющих ТЭД. Большинство из перечисленных методов диагностирования ТЭД объединены в систему диагностирования и успешно применяются в депо.

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: