В настоящее время двигатели переменного тока пользуются большим спросом среди большинства современных производственных предприятий. Российский и зарубежный опыт показывает, что они используют 80% всей вырабатываемой в стране электроэнергии, поэтому стабильность их работы играет большую роль в крупной промышленности. Периодическая диагностика состояния оборудования помогает своевременно выявить возникающие неисправности. [1]
Асинхронные двигатели (АД) на практике показывают свою выносливость и простоту по относительно низкой стоимости. Однако в процессе эксплуатации могут возникать повреждения элементов двигателя, что в свою очередь приводит к преждевременному выходу его из строя.
Основными источниками развития повреждений асинхронного двигателя являются:
− перегрузка или перегрев статора электродвигателя – 31%;
− межвитковое замыкание – 15%;
− повреждения подшипников – 12%;
− повреждение обмоток статора или изоляции – 11%;
− неравномерный воздушный зазор между статором и ротором – 9%;
− работа электродвигателя на двух фазах – 8%;
− обрыв или ослабление крепления стержней в беличьей клетке – 5%;
− ослабление крепления обмоток статора – 4%;
− дисбаланс ротора электродвигателя – 3%;
− несоосность валов – 2%. [7]
В производстве внезапный выход из строя двигателя может привести к непоправимым последствиям. Очень важно выявлять любой дефект на ранней стадии, исключающей риск возникновения серьезных повреждений двигателя.
Система технической диагностики должна включать в себя регулярный мониторинг технического состояния электродвигателей, поиск дефектов, повреждений, определение степени опасности дефектов и оценку остаточного ресурса оборудования. Для предприятий, осуществляющих специализированное сервисное обслуживание ремонты электродвигателей, задача проведения диагностики состояния электродвигателей не менее актуальна. [2]
Идеальный современный способ диагностирования электродвигателей должен отвечать следующим требованиям:
− высокая достоверность и точность выявления неисправностей и повреждений электродвигателя;
− возможность обнаружения всех или значительной части электрических и механических повреждений электродвигателя и связанных с ним механических устройств;
− проведение диагностических измерений дистанционно, что актуально в тех случаях, когда доступ к оборудованию затруднен;
− низкая трудоемкость диагностических работ (измерений) и простота проведения измерений;
− возможность проведения аналитической обработки полученных результатов измерений за короткое время, с применением вычислительных и программных средств. [2]
К тому же, при эксплуатации электродвигателей, находившихся в неудовлетворительном состоянии, может привести к финансовым потерям:
− прямым, связанным с непрогнозируемым выходом из строя оборудования и вызванным этим нарушением технологического процесса;
− значительным (до 5–7%) косвенным непродуктивным затратам электроэнергии, обусловленным повышенным электропотреблением. [1]
Отсюда остро встаёт вопрос о необходимости диагностики состояния двигателя в процессе его работы.
Большинство современных методов диагностики базируется на анализе вибрации работающих машин и оборудования. Эти методы составляют основу функциональной (рабочей) диагностики, несмотря на то, что режимы работы оборудования могут быть самыми разными – от установившихся (номинальных или специальных) до переходных, в том числе пусковых, импульсных и т.п. В функциональной диагностике машин и оборудования по вибрации используется информация, содержащаяся в характеристиках колебательных сил и свойствах колебательной системы. И поскольку до начала анализа вибрации работающего оборудования, как правило, нет достаточно точной информации ни о колебательных силах, ни о колебательной системе, в функциональной диагностике максимальный результат дают самые сложные методы анализа вибрации, являющейся функцией параметров колебательных сил и свойств колебательной системы. [9]
Вибрация, измеряемая в контрольных точках работающего оборудования, является результатом действия колебательных сил в разных узлах оборудования на механическую колебательную систему с разными передаточными характеристиками от каждого из источников колебательных сил до каждой точки контроля вибрации. В наиболее общем виде колебательные силы описываются суммой периодических, случайных и ударных составляющих, а передаточные характеристики – амплитудно-частотными и фазочастотными компонентами. Естественно, что максимальный объем диагностической информации, содержащейся в структуре колебательных сил, можно получить, лишь разделив сигнал на составляющие (периодические, случайные и ударные) и анализируя каждую из них отдельно, с учетом передаточных характеристик колебательной системы. Практическое решение подобной задачи настолько сложно, что приходится рассматривать лишь ее частные случаи.[9]
Существует ряд факторов, влияющих на обоснованность применения какого-либо из методов вибродиагностики в каждом конкретном случае: режим работы АД, требуемая точность диагностики, условия, в которых проводятся операции диагностики, требования к виброизмерительной и виброанализирующей аппаратуре, качество электроэнергии.
Наиболее распространенными группами методов вибродиагностики асинхронного двигателя являются:
− Диагностика АД по среднеквадратичному значению (СКЗ) вибросигнала;
− Вибродиагностика АД с помощью фазовых портретов (траекторий колебаний);
− Спектральный анализ;
− Спектральный анализ огибающей;
− Кепстральный анализ;
− Ультразвуковая дефектоскопия и акустическая диагностика;
− Специальные диагностические параметры;
− Вейвлет-анализ;
− Статистические методы обработки сигналов вибрации;
− Диагностика на основе нейронных сетей. [8]
В настоящее время широкое распространение получил метод спектрального анализа потребляемого тока. Важным преимуществом этого подхода является то, что проведение мониторинга тока электродвигателя может быть выполнено как непосредственно на нем, так и в электрощите питания (управления). [2] Физический принцип, положенный в основу этого метода, заключается в том, что 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 (и несовпадающих) частот определенной величины свидетельствует о наличии повреждений электрической или механической части электродвигателя и связанного с ним механического устройства. [1]
Рис. 1. Принципиальная схема измерительного комплекса для проведения диагностики электродвигателя
Для проведения диагностики состояния электродвигателей методом спектрального анализа потребляемого тока необходим измерительный (аппаратно-программный) комплекс, включающий оборудование:
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). [3]
Запись сигналов тока осуществляется в течение времени, необходимого для выполнения спектрального анализа с разрешением по частоте не менее 0,01–0,02 Гц. Оцифрованные АЦП данные передаются в ПК, где выполняется обработка полученных данных: определяется частота вращения двигателя и число стержней его ротора, затем осуществляется специальный спектральный анализ сигнала тока. [1]
Рассмотрим общий пример.
На рисунке заметно увеличение частотных полос. Это говорит о различных дефектах, образовавшихся за 5 лет эксплуатации.
Рис. 2. Спектральный анализ потребляемого нового электродвигателя
Рис. 3. Спектральный анализ потребляемого электродвигателя, эксплуатируемого 5 лет
Рис. 4. Частоты, характерные для повреждений ротора
На рисунке 4 можем увидеть более подробный пример. Повреждение ротора двигателя можно обнаружить по наличию двух относительно симметричных пиков частоты питающей сети в спектре тока. [1]
Аналогичным образом определяется и наличие таких дефектов, как:
− межвитковые замыкания обмоток статора;
− повреждения подшипников (необходимы данные о подшипниках электродвигателя и механического устройства);
− дисбаланс ротора электродвигателя;
− ослабление элементов крепления электродвигателя;
− дефекты механических частей связанных с электродвигателем устройств. [1]
В зависимости от способа получения информации данный метод может осуществляться двумя способами: контактным и бесконтактным. При бесконтактном способе чаще всего используют датчики в виде токовых клещей.
Но этот метод имеет недостаток – сильное искажение или появление высокочастотных гармоник при определённых дефектах. Сюда входит:
− Возникновение межвитковых и межфазных замыканий (появление в спектрах высокочастотных гармоник);
− Дефект в подшипниковом узле (искажение спектра, в частности, появление гармоник с комбинированными частотами). [4]
На сегодняшний день методы диагностики не позволяют полноценно диагностировать оборудование во всех условиях эксплуатации, а значит, не влияют на сокращения затрат, связанных с выходом из строя электродвигателя. Поэтому актуальна разработка каких-либо новых методов, либо использование методов ранее не использовавшихся в диагностике. Рассмотрим метод вихретокового контроля, который является не совсем стандартным для диагностики. [5]
Физический принцип основан на анализе взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля. Плотность вихревых токов в объекте зависит от геометрических и электромагнитных параметров объекта, а также от взаимного расположения измерительного вихревого преобразователя (ВТП) и объекта. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушки преобразователя, наводя в них электродвижущую силу (ЭДС) или изменяя их полное электрическое сопротивление. Регистрируя напряжение на зажимах катушки или их сопротивление, получают информацию о свойствах объекта. [5]
Стоит отметить, что конструкция преобразователя крайне проста. Катушки помещают в предохранительный корпус и заливают компаундами. Благодаря этому они устойчивы к механическим и атмосферным воздействиям, могут работать в агрессивных средах в широком интервале температур и давлений, а также на него не влияют влажность, радиоактивные излучения, загрязненность газовой среды. [4]
Особенность данного метода так же состоит в том, что нет необходимости в контакте преобразователя и объекта. Их взаимодействие происходит на расстояниях, достаточных для свободного движения преобразователя относительно объекта (от долей миллиметра до нескольких миллиметров). Поэтому этими методами можно получать хорошие результаты контроля даже при высоких скоростях движения объектов. [5]
В работе [4] было экспериментально доказано, что наличие в спектре напряжённости гармоник, кратных 3, является признаком межвитковых и межфазных замыканий, а кратных 2 – признаком эксцентриситета ротора.
Таким образом было установлено, возникновение 4 гармоник – механические повреждения двигателя (а); нечётных гармоник относительно 1 – при электрических неисправностях (б);
(а)
(б)
Рис. 5. Спектральный состав внешнего магнитного поля АД при эксцентриситете вала ротора (а); Спектральный состав внешнего магнитного поля АД при межвитковом замыкании (б)
При этом установлено, что наиболее информативной гармоникой является 3-я, т. к. она проявляется как при межвитковых замыканиях, так и при межфазных. Кроме того, по значению коэффициента 3-й гармоники появилась возможность делать прогноз о техническом состоянии электродвигателя, по результатам которого могут быть разработаны рекомендации о дальнейшей эксплуатации электродвигателя в зависимости от конкретных значений рассматриваемого диагностического параметра. [4]
В то же время применение метода вихретокового контроля затрудняется тем, что при контроле одного параметра другие являются мешающими. Для разделения параметров используют раздельное или совместное измерение фазы, частоты и амплитуды сигнала измерительного преобразователя, ведут контроль одновременно на нескольких частотах.[10]
В статье были рассмотрены два современных метода диагностики асинхронного двигателя: спектрального анализа потребляемого тока и вихретокового контроля. Так же на их фоне были рассмотрены наиболее широко применяемые методы обработки и анализа данных с целью вибрационного контроля. Составлена сравнительная таблица, из которой видно, что каждый метод имеет свои преимущества и недостатки и может быть использован в каких-либо частных случаях. Метод вихретокового контроля лучше всего использовать для выявления межвитковых замыканий. В отличие от других видов неисправностей, чтобы определить межвитковые замыкания необходимо знать всего лишь коэффициент 3-й гармоники напряжённости внешнего магнитного поля, тогда как для определения неисправностей другого рода будет затруднено внешними факторами (расстояние измерения, качество электрической энергии, фоновые электромагнитные поля). В свою очередь, у метода спектрального анализа потребляемого тока спектр выявляемых неисправностей будет шире. Для обнаружения неисправностей электродвигателя выделяются характерные частоты электродвигателя и связанных с ним механических устройств. Но стоит отметить, что метод спектрального анализа потребляемого тока более трудоёмким и дорогим, чем метод вихретокового контроля.