 |
ДИАГНОСТИКА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
МОДУЛЕЙ ВЕКТОРОВ ПАРКА ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
В прошлом номере журнала («Новости ЭлектроТехники» № 1 (49) 2008) Виктор Сергеевич
Петухов начал рассказ о наиболее надежном методе диагностики электродвигателей в
эксплуатации – спектральном анализе модулей векторов Парка тока и напряжения.
Сегодня автор описывает состав необходимого для проведения измерений комплекса и его
возможности.
Виктор Петухов, к.т.н., член IEEE, А&Alpha Consulting, г. Москва
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС
Для проведения диагностики состояния электродвигателей
методом спектрального анализа модулей векторов Парка тока
(PI) и напряжения (PU) необходим измерительный (аппаратнопрограммный) комплекс, включающий следующее оборудование
(принципиальная схема измерительного комплекса представлена
на рис. 1):
1. Электродвигатель.
2. Механическое устройство электродвигателя – насос, компрессор
и т.п.
3. Низкочастотный фильтр (кондиционер сигнала).
4. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
5. Портативный компьютер (ПК) со специализированным программным обеспечением для сбора и анализа информации (данных).
Датчики тока, например, гибкие токоизмерительные клещи
Fluke, и делители для измерения напряжения, имеющие линейную
амплитудно-частотную характеристику с допустимым отклонением
от линейности не более ±3 дБ в диапазоне частот до 20 кГц, подключенные к соединенному с механическим устройством электродвигателю, на рисунке не изображены.
Низкочастотный фильтр должен отфильтровывать (не пропускать) сигналы с частотой, меньшей частоты Найквиста, т.к. такие
сигналы искажают диагностическую спектрограмму. Тем самым
низкочастотный фильтр предотвращает возникновение ложных
спектральных сигналов.
Диагностирование оборудования производится путем выполнения и последующего анализа данных следующих измерений.
Во всех случаях проводится мониторинг и спектральный анализ
потребляемого тока работающего электродвигателя.
В качестве основного измерительного узла используются разъемные токовые датчики с линейной амплитудно-частотной характеристикой, которые устанавливаются на диагностируемый электродвигатель и подключаются к входу фильтра. Запись зависимостей
от времени напряжения и тока в линии питания электродвигателя
производится в трех фазах в течение времени, необходимого для
выполнения спектрального анализа (ориентировочно 15–525 сек),
в диапазоне частот от 0 до 10 кГц. Запись производят неоднократно (как правило, пятикратно), с разрешением на частоте не менее
0,01–0,1 Гц. В ходе записи выделяют анализируемые характерные
частоты – с помощью фильтра низких частот, не пропускающего
частоты выше частоты Найквиста.
Записанный сигнал поступает на АЦП с диапазоном не менее
14 разрядов, где он преобразовывается из аналоговой формы в
цифровую.
Оцифрованные данные передаются на ПК. С помощью специальных программных средств формируются спектры PI и PU; при этом
спектры PI, полученные при пяти измерениях, усредняются.
В дальнейшем проводится анализ полученных спектров PI и PU,
при котором по совпадению всех линий в спектрах PI и PU делают
вывод о соответствии спектра тока питающему напряжению в
электрической цепи электродвигателя. Выявление линий, присутствующих в спектре модуля вектора Парка тока и отсутствующих
в спектре модуля вектора Парка напряжения, говорит о несоответствии спектра тока питающему напряжению в электрической
цепи электродвигателя, которое может быть обусловлено неисправностью.
Спектральный состав тока любой кабельной линии (в том числе
и электрической цепи электродвигателя) определяется характером нагрузки, состоянием нагрузки (например, ЭД или ПК), состоянием
самой кабельной линии (контактов и т.п.), спектральным составом
приложенного к линии напряжения.
Считая линию электрической цепи исследуемого электродвигателя достаточно короткой (зависимость от времени напряжения
в ее начале равно напряжению в конце), чтобы исключить влияние
питающего напряжения, производится сравнение модулей вектора Парка тока и напряжения. Если по спектральному составу PI
и PU не совпадают, можно сделать вывод либо о специфическом
состоянии или характере нагрузки, либо о состоянии самой кабельной линии, т.е. о наличии особенностей в электрической цепи
электродвигателя.
АНАЛИЗ ПОТРЕБЛЯЕМОГО ТОКА
Диагностирование неисправностей самого электродвигателя
производится путем анализа соответствующих значений амплитуд
PI на характерных частотах.
Для каждого электродвигателя с механическим устройством
рассчитывается свой уникальный набор информативных (характерных) частот. Состав этого набора определяется типом
электродвигателя, исполнительным механизмом (механическим
устройством), видом используемой передачи, характеристиками
подшипников и т.д.
В специализированном программном обеспечении (расчетной
программе) 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 преимущественно 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.
Вместе с этим, поскольку в синхронных двигателях скольжение
тождественно равно нулю, базой для сравнения выступают величины сигнала для однотипных агрегатов в хорошем состоянии
или величины сигнала по результатам предыдущих измерений на
данном электродвигателе.
Например, на рис. 2–7 (см. первую часть материала, «Новости
ЭлектроТехники» № 1(49) 2008) повышение амплитуды при повреждениях на характерных частотах явно видно по одну сторону
от частоты 0 Гц.
По разности значений амплитуд и на основе принципов нечеткой
логики определяется степень развития (степень серьезности) дефекта. Все диагностируемые повреждения разделяются на 3 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.
АНАЛИЗ ПРИЛОЖЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Как правило, 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 (рис. 8 «Новости ЭлектроТехники» № 1(49) 2008).
В течение определенного интервала времени осуществляется
запись значений напряжения, приложенного к электродвигателю.
Измерение проводится между нулевым рабочим проводником N и
каждой фазой с помощью делителей или трансформаторов напряжения (на рис. 1 не изображены), подключенных к соответствующим
каналам АЦП.
Мониторинг напряжения позволяет определить несимметрию,
наличие высших гармонических составляющих и импульсов перенапряжений – тех факторов, которые напрямую влияют на возникновение дефектов и, следовательно, на срок службы и экономичность
работы двигателя.
При изменении напряжения изменяется механическая характеристика – зависимость вращающего момента от скольжения. При
снижении напряжения уменьшается вращающий момент и частота
вращения, т.к. увеличивается скольжение. 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.
При несимметрии напряжений сети в электрических машинах
наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные
вибрации в результате появления знакопеременных вращающих
моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети.
Несинусоидальность питающего напряжения приводит к ускоренному старению изоляции, дополнительным потерям мощности
двигателя, а также значительному сокращению срока службы подшипников за счет возникновения встречно направленных моментов
вращения.
Высшие гармоники напряжения вызывают дополнительные
потери активной мощности в электрических машинах, т.к. сопротивления их элементов зависят от частоты. Высшие гармоники
вызывают паразитные поля и электромагнитные моменты в синхронных и асинхронных двигателях, которые ухудшают механические
характеристики и КПД машины, а также коэффициент мощности
электродвигателя.
Согласно исследованиям Т. Уильямса и К. Армстронга [1], «высокий уровень гармонических искажений питающего напряжения
может вызвать серьезный перегрев электродвигателя с последующим отключением, чрезмерный акустический шум и вибрации,
повреждения подшипников (срок службы которых может снизиться
до 10% от номинального) и нарушения креплений из-за высокого
уровня вибрации».
ОТСЛЕЖИВАНИЕ И АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ
Измерения тока и напряжения и их анализ необходимо проводить с определенной периодичностью, подбираемой эмпирически.
Все проведенные измерения необходимо заносить в базу данных
измерений и результатов их анализа, по которой контролируется
развитие повреждений во времени и определяется остаточный
ресурс оборудования.
Для прослеживания истории мониторингов состояния электродвигателя и сопоставимости результатов различных измерений, по
каждому измерению необходимо сохранить полный список частот
и их амплитуд, характерных для данного агрегата, характерные
частоты и их амплитуды для каждого вида повреждений.
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; а с учетом
мониторинга напряжения более точно прогнозировать развитие
повреждений, обусловленных качеством питающего электродвигатель напряжения.
Пример графического представления тенденции развития различных повреждений электродвигателя в специализированной программе по диагностике состояния электродвигателей представлен
на рис. 2, по оси ординат может быть отложено как состояние агрегата по нечеткой логике, так и вероятность его повреждения.
ПРЕИМУЩЕСТВА МЕТОДА
Метод диагностирования состояния электродвигателей на основе спектрального анализа спектров модуля векторов Парка тока и
напряжения, по сравнению с другими известными способами диагностики, обладает целым рядом преимуществ: Расширение перечня диагностируемых повреждений и повышение точности диагностирования – точности при определении
наличия (отсутствия) электрических и механических повреждений
электродвигателя и связанного с ним механического устройства.
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.).
Дополнительный мониторинг приложенного к электродвигателю напряжения позволяет выявить несимметрию напряжения,
наличие высших гармонических составляющих и импульсов перенапряжений.
Снижение трудоемкости процедуры диагностирования 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, что сильно сокращает нагрузку
на персонал, особенно при значительном числе электродвигателей.
Обеспечение возможности дистанционного диагностирования
(на расстоянии от электродвигателя – в электрощите питания и/или
управления).
Упрощение процедуры диагностирования: не требуется отключение электродвигателя и/или снятие нагрузки.
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, что обеспечивает повышение точности диагностики. Для
определения спектров модуля векторов Парка тока и напряжения
могут быть использованы общедоступные программные и вычислительные средства, в результате чего необходимый дополнительный
расчет спектров модуля векторов Парка не приводит к усложнению
аналитической обработки данных.
Упрощенная процедура диагностирования, возможности проведения диагностики в дистанционном режиме и полной автоматизации процесса диагностики позволяют проводить регулярные
измерения даже при значительном парке электродвигателей без
дополнительных существенных трудозатрат и организационных
сложностей, накапливать базу данных измерений, отслеживать
динамику фактического развития отдельных повреждений и прогнозировать их дальнейшее развитие и остаточный ресурс оборудования.
Для предприятий, осуществляющих эксплуатацию, сервисное
обслуживание и ремонты электродвигателей, применение данного
метода позволяет в полной мере реализовать технологию обслуживания оборудования по фактическому состоянию, что обеспечивает
снижение до минимума ущерба предприятия от аварийных отказов
оборудования за счет раннего обнаружения зарождающихся дефектов и контроля развития повреждений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уильямс Т., Армстронг К. ЭМС для систем и установок. – М.: Издательский Дом «Технологии», 2004. – 508 с.
| 
|
