11 Czeslaw KOWALSKI.. - Politechnika Wrocławska
Transkrypt
11 Czeslaw KOWALSKI.. - Politechnika Wrocławska
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 60 Politechniki Wrocławskiej Nr 60 Studia i Materiały Nr 27 2007 silnik indukcyjny, diagnostyka , analiza FFT, moc chwilowa, moment elektromagnetyczny Czesław T. KOWALSKI, Marcin WOLKIEWICZ* ANALIZA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA SYGNAŁÓW MOCY CHWILOWEJ I MOMENTU ELEKTROMAGNETYCZNEGO DO DIAGNOSTYKI SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W artykule przedstawiono możliwości zastosowania sygnałów prądu stojana, momentu elektromagnetycznego oraz chwilowej mocy elektrycznej do diagnostyki uszkodzeń silnika indukcyjnego. W pracy zawarto krótką charakterystykę wyżej wymienionych sygnałów diagnostycznych. Zaprezentowano wyniki badań laboratoryjnych dla dwóch rodzajów asymetrii wirnika (uszkodzonych 8 prętów wirnika oraz uszkodzenie pierścienia zwierającego). Przeprowadzone badania laboratoryjne potwierdziły przydatności sygnałów momentu elektromagnetycznego oraz chwilowej mocy elektrycznej do wykrywania uszkodzeń wirników silników indukcyjnych 1. WSTĘP Trwałość i niezawodność, a przede wszystkim bezpieczeństwo eksploatacji napędów elektrycznych z silnikami indukcyjnymi ma duże znaczenie ekonomiczne dla zakładu przemysłowego. Nieprzewidziane awarie, a nawet krótkie postoje maszyn i urządzeń mogą prowadzić do znacznych strat produkcyjnych. W takim przypadku niezbędne jest jak najwcześniejsze rozpoznawanie aktualnego stanu technicznego urządzenia oraz związanej z nim szybkiej detekcji i lokalizacji uszkodzenia na podstawie obserwacji symptomów uszkodzeń pojawiających się m.in. w sygnałach pomiarowych. W badaniach naukowych i praktyce eksploatacyjnej napędów z silnikami indukcyjnymi jako podstawowe sygnały pomiarowe (diagnostyczne), które odzwierciedlają wszystkie nienormalne zjawiska zachodzące w maszynie elektrycznej, dominują prąd fazowy stojana oraz drgania mechaniczne. __________ * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław ul. Smoluchowskiego 19, [email protected], [email protected]. W ostatnich latach pojawiły się publikacje wykazujące również dużą przydatność sygnałów mocy chwilowej i momentu elektromagnetycznego [1], [2], [3], [4]. Wydaje się, że szczególnie chwilowa moc elektryczna, ze względu na łatwość i nieinwazyjność pomiaru, może być sygnałem przydatnym w diagnostyce silników elektrycznych. Metody bezpośredniego pomiaru momentu elektromagnetycznego są dość kłopotliwe i w związku z tym, korzystniejsze mogą być tutaj pośrednie metody pomiaru oparte na jego estymacji na podstawie łatwo mierzalnych wielkości elektrycznych (prądów i napięć) [4]. W powyższych sygnałach poszukuje się przede wszystkim charakterystycznych częstotliwości, których amplituda jest cechą służącą do oceny poziomu uszkodzenia. Poniżej na przykładzie uszkodzeń wirnika klatkowego przedstawiono przydatność sygnału mocy elektrycznej i momentu elektromagnetycznego w diagnostyce silników indukcyjnych. 2. METODYKA BADAŃ LABORATORYJNYCH Badania laboratoryjne przeprowadzono na silniku indukcyjnym małej mocy typu STg 80x-4c (1,1 kW) firmy Besel. Uszkodzenia wirników były modelowane fizycznie poprzez celowe niszczenie (rozwiercanie) wybranych prętów i pierścienia zwierającego. Do wykrywania uszkodzeń wirników klatkowych silników indukcyjnych jedną z najczęściej stosowanych metod jest analiza częstotliwościowa sygnałów diagnostycznych. Metoda ta została wykorzystana do analizy sygnałów: 1. Prądu stojana isA(t), 2. Estymowanego momentu elektromagnetycznego mesty(t), 4. Całkowitej mocy czynnej p(t), 5. Częściowej mocy czynnej pCB(t). Do pomiarów i analizy częstotliwościowej sygnałów wykorzystano komputer przemysłowy NI PXI 8186 z kartą pomiarową NI PXI – 4472. Dokładnej oceny amplitud charakterystycznych częstotliwości dokonano za pomocą opracowanego przyrządu wirtualnego w środowisku LabView 7.1. Uzyskane widma częstotliwościowe zostały przedstawione w skali względnej. Jako odniesienie dla całkowitej mocy czynnej oraz momentu elektromagnetycznego przyjęto amplitudę składowej stałej (częstotliwość fdc = 0 Hz), dla prądu stojana – amplitudę składowej sieciowej (fs = 50 Hz). Amplitudę widma częściowych mocy czynnych odniesiono do składowej podwójnej sieciowej (2fs = 100 Hz). W takim przypadku objawem uszkodzenia wirnika silnika indukcyjnego, przy obciążeniu znamionowym jest wzrost amplitudy harmonicznej uszkodzeniowej powyżej wartości 0,01 w stosunku do amplitudy składowej podstawowej. W skali decybelowej różnica między składową podstawową a harmoniczną uszkodzeniową dla silnika nieuszkodzonego powinna być większa od 45 dB. Silnik należy bezwzględnie wyłączyć, jeżeli różnice w poziomach tych składowych są poniżej 35 dB [3], [4]. 3. ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA PRĄDU FAZOWEGO STOJANA Analiza widmowa prądu stojana, w literaturze określana często skrótem MCSA (Motor Current Signature Analysis) jest podstawą diagnostyki eksploatacyjnej silników indukcyjnych [3], [4]. W widmie prądu stojana uszkodzeniom wirnika towarzyszą składowe harmoniczne poślizgowe o częstotliwościach: f I = (1 ± 2ks ) f s , (1) Głównymi prążkami, które mówią bezpośrednio o uszkodzeniu klatki wirnika w widmie prądu są składowe poślizgowe wokół harmonicznej podstawowej 50Hz, określone według zależności (1). Dla silnika nieuszkodzonego (rys.1a) widmo częstotliwościowe zawiera oprócz składowej podstawowej o częstotliwości fs = 50 Hz, harmoniczną rotacyjną fr występującą w bocznych wstęgach częstotliwości podstawowej. Rysunek 1b dotyczy silnika z zamodelowanymi uszkodzeniami wirnika. W przebiegach widoczne są dodatkowe wahania amplitudy, które rosną wraz ze stopniem uszkodzenia. Można zauważyć, że w wyniku uszkodzenia wirnika w widmie prądu pojawiają się dodatkowe składowe poślizgowe o częstotliwościach fi1, fi2, których amplituda jest już powyżej wartości 0,01 i wzrasta wraz ze stopniem uszkodzenia. Przebieg i widmo FFT (Fast Fourier Transform) dla przypadku uszkodzonego pierścienia zwierającego zostało przedstawione na rys.1c. Uszkodzenie to jest trudne do identyfikacji, ponieważ amplituda składowych poślizgowych widma prądu porównywalna jest z amplitudą dla uszkodzenia jednego lub dwóch prętów. 4. ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA ESTYMOWANEGO MOMENTU ELKTROMAGNETYCZNEGO Teoretycznie, obok prądu wirnika, który jest niedostępny do bezpośredniego pomiaru, moment elektromagnetyczny jest sygnałem niosącym najwięcej informacji na temat stanu wirnika, ponieważ reprezentuje połączony wpływ wszystkich sprzężonych strumieni i prądów stojana i wirnika [1], [3], [5]. Praktyczne ograniczenia diagnostyki opartej na sygnale momentu elektromagnetycznego wynikają z trudności bezpośredniego pomiaru tej wielkości. Przebieg Widmo sygnału a) fs fs-fr fs+fr b) fs fi1 fi2 f'i1 fs-fr f'i2 fs+fr c) fs fs-fr fi1 fi2 fs+fr Rys. 1. Przebieg oraz widmo prądu stojana isA przy różnych stopniach uszkodzenia wirnika: a) silnik nieuszkodzony, b) uszkodzonych 8 prętów; c) uszkodzenie pierścienia zwierającego Fig. 1.Transients of stator current and stator current spectrum isA for different level of rotor fault: a) healthy motor; b) 8 broken rotor bars; c) end ring fault Zastosowanie tradycyjnego rozwiązania do pomiaru momentu na wale silnika, ze względu na konieczność instalowania drogich przetworników momentu, często komplikujących konstrukcję mechaniczną napędu oraz wrażliwych na nieprawidłowy montaż, jak i zakłócenia pomiarowe, wydaje się być rozwiązaniem nieodpowiednim w przypadku systemów diagnostycznych. Dlatego też w ostatnich latach w diagnostyce wykorzystuje się metodę polegającą na obliczaniu momentu elektromagnetycznego na podstawie pomiaru prądów fazowych i napięć międzyfazowych oraz estymacji strumienia skojarzonego ze stojanem lub wirnikiem. Możliwe są różne sposoby obliczania momentu elektromagnetycznego silnika klatkowego [6]. Zależy to od sposobu reprezentacji wektora strumienia. Moment elektromagnetyczny obliczany ze składowych osiowych strumienia skojarzonego z uzwojeniem stojana ma postać: M esty = (i sβ ⋅ Ψsα − i sα ⋅ Ψsβ ), (2) gdzie: isα, isβ, - składowe wektora prądu stojana silnika indukcyjnego w nieruchomym względem stojana układzie współrzędnym α, β; Ψsα, Ψsβ - składowe wektora przestrzennego strumienia skojarzonego stojana w nieruchomym względem stojana układzie współrzędnym α, β; Widmo częstotliwościowe momentu elektromagnetycznego silnika nieuszkodzonego (rys.2a), zawiera składową podstawową o częstotliwości fdc oraz częstotliwość rotacyjną fr i jej wielokrotności świadczące o występującej ekscentryczności w silniku. Widmo nie zawiera składowych uszkodzeniowych lub są one na poziomie poniżej 0,001 co świadczy, że wirnik badanego silnika jest bez uszkodzeń. Na rys.2b przedstawiono przebieg oraz widmo FFT estymowanego momentu elektromagnetycznego silnika z pękniętymi 8 prętami. W tym przypadku na przebiegach widoczne są dodatkowe wahania amplitudy, których częstotliwość wynosi 2sfs, a więc tyle ile wynosi harmoniczna charakterystyczna dla uszkodzenia wirnika. Amplituda tych wahań uzależniona jest od stopnia uszkodzenia i wzrasta wraz z jego intensywnością. W wyniku uszkodzenia wirnika w widmie estymowanego momentu mesty pojawiają się dodatkowe składowe o częstotliwościach fo i 2fo, a ich amplitudy przekraczają wartość 0,01, co pozwala wykryć i określić pojawiające się uszkodzenie. Wartość amplitudy fo dla uszkodzenia pierścienia zwierającego jest porównywalna z uszkodzeniem jednego lub dwóch prętów wirnika, co powoduje, że te defekty wirnika jest trudno od siebie odróżnić. Przebieg i widmo momentu elektromagnetycznego dla tego przypadku zostały przedstawione na rys.2c. Przebieg Widmo sygnału a) fdc fr fs b) fdc fo 2fo fr fs c) fdc fo fr fs Rys. 2. Przebieg oraz widmo estymowanego momentu elektromagnetycznego mest przy różnych stopniach uszkodzenia wirnika: a) silnik bez uszkodzeń; b) uszkodzonych 8 prętów; c) uszkodzenie pierścienia zwierającego Fig. 2. Transients of electromagnetic torque and electromagnetic torque spectrum mest for different level of rotor fault: a) healthy motor; b) 8 broken rotor bars; c) end ring fault 5. ANALIZA CZĘSTOTLIWOŚCIOWA MOCY ELEKTRYCZNEJ Przyjmując, że najprostsza metoda pomiaru mocy elektrycznej czynnej oparta jest na dwóch watomierzach oraz dodatkowo zakładając, że silnik jest idealny, zasilany z symetrycznego trójfazowego sinusoidalnego źródła napięcia i obciążony stałym momentem, wartości chwilowe dwóch napięć przewodowych i prądów faz A i C można wyrazić wzorami [2], [3], [5]: u AB (t ) = u CB (t ) = i A , 0 (t ) = i C , 0 (t ) = 2 ⋅U LL cos (ω s ⋅ t ) , (3) π , LL cos ω s ⋅ t + 3 π 2 ⋅ I L cos ω s ⋅ t − ϕ − , 6 π 2 ⋅ I L cos ω s ⋅ t − ϕ + , 2 2 ⋅U (4) gdzie: ULL, IL - wartość skuteczna napięcia międzyfazowego i prądu fazowego; ωs = 2πfs - pulsacja synchroniczna stojana; φ - współczynnik mocy. Częściowa moc czynna jako iloczyn odpowiednich napięć międzyfazowych (3) i prądów fazowych (4) ma postać: p AB , 0 p CB ,0 (t ) = U AB (t ) ⋅ i A , 0 (t ) = U LL (t ) = U CB (t ) ⋅ i C , 0 (t ) = U LL ⋅ I L cos ⋅ I L cos π π ϕ + + cos 2 ω s t − ϕ − , 6 6 (5) π π ϕ − − cos 2 ω s t − ϕ − . 6 6 Suma dwóch mocy częściowych chwilowych (5) daje całkowitą moc chwilową czynną pABC wyrażoną równaniem: p ABC ,0 (t ) = p AB ,0 (t ) + p CB ,0 (t ) = 3 ⋅U LL ⋅ I L cos (ϕ )= P ABC ,0 . (6) W ten sposób dla idealnego silnika całkowita moc chwilowa pobierana z sieci jest stała i równa wartości rzeczywistej mocy średniej PABC,0. W przypadku występowania okresowych zakłóceń, spowodowanych np. uszkodzeniem silnika wszystkie trzy prądy fazowe są modulowane z podstawową częstotliwością fo (charakterystyczną częstotliwością uszkodzenia). A zatem prąd w fazie A i C wyrażone będą za pomocą zależności: i A (t ) = i A , 0 (t ) ⋅ [1 + m ⋅ cos (ω o ⋅ t )], iC (t ) = iC , 0 (t ) ⋅ [1 + m ⋅ cos (ω o ⋅ t )], (7) gdzie: m - stała modulacji zależna od rodzaju i stopnia uszkodzenia; ωo = 2πfo - pulsacja oscylacji. Po podstawieniu pierwszego z równań (4) do pierwszego z (7) otrzymuje się zależność na prąd fazy A: i A (t ) = i A , 0 (t ) + π π ⋅ I L cos (ω s + ω o ) t − ϕ − + cos (ω s − ω o ) t − ϕ − 6 6 2 m (8) . Wyrażenia na częściową moc chwilową czynną, w przypadku modulacji prądu przez uszkodzenia mają postać: p AB (t ) = p AB , 0 (t ) + m ⋅U 2 LL π ⋅ I L ⋅ 2 cos ϕ + ⋅ cos (ω o t ) 6 π π + cos (2 ω s + ω o )t − ϕ − + cos (2 ω s − ω o )t − ϕ − , 6 6 (9) oraz analogicznie p CB (t ) = p CB , 0 (t ) + m ⋅ U LL ⋅ I L 2 π ⋅ 2 cos ϕ + ⋅ cos (ω o t ) 6 π π + cos (2ω s + ω o )t − ϕ + + cos (2 ω s − ω o )t − ϕ + . 6 6 (10) Jak wynika z wyrażeń (9) oraz (10), w widmach częściowej mocy chwilowej czynnej występują cztery charakterystyczne częstotliwości: - składowa stała fdc, - podwójna częstotliwość sieciowa 2fs, - dwie składowe pasmowe wokół częstotliwości podstawowej 2fs, - częstotliwość oscylacji charakteryzująca uszkodzenie fo. Całkowita moc chwilowa przedstawia się zależnością: p ABC (t ) = p ABC ,0 (t ) + 3 ⋅U LL ⋅ I L cos (ϕ ) ⋅ cos (ω o t ). (11) W widmie całkowitej mocy chwilowej czynnej (11) występuje jedynie składowa stała oraz harmoniczna charakterystyczna o częstotliwości oscylacji fo. Przebieg Widmo FFT sygnału a) fdc fr b) fdc fo 2fo fr c) fdc fo fr Rys. 3. Przebieg oraz widmo całkowitej mocy chwilowej czynnej przy różnych stopniach uszkodzenia wirnika: a) silnik nieuszkodzony; b) uszkodzonych 8 prętów; c) uszkodzenie pierścienia Fig. 3. Transients of total active power and spectrum total active power p for different level of rotor fault: a) healthy motor; b) 8 broken rotor bars; c) end ring fault Przebieg Widmo FFT sygnału a) 2fs fdc fr 2fs-fr 2fs+fr b) 2fs fdc fo fpCB1 2fo fr f'pCB1 fpCB2 f'pCB2 c) 2fs fdc fo fr 2fs-fr 2fs+fr Rys. 4. Przebieg oraz widmo częściowej mocy czynnej pCB przy różnych stopniach uszkodzenia wirnika: a) silnik bez uszkodzeń; b) uszkodzonych 8 prętów; c) uszkodzenie pierścienia zwierającego Fig. 4. Transients of partial active power and partial active power spectrum pCB for different level of rotor fault: a) healthy motor; b) 8 broken rotor bars; c) end ring fault W przypadku uszkodzenia wirnika w widmie całkowitej mocy czynnej (rys.3) pojawiają się składowe uszkodzeniowe fo o znaczących amplitudach szczególnie, gdy zamodelowane uszkodzenie jest największe, czyli dla pękniętych 8 prętów. Pojawiają się wielokrotności częstotliwości fo. Wartość chwilowa jest w uszkodzonym wirniku modulowana poprzez powstałą dodatkową składową fo, a jej głębokość modulacji zależy od intensywności uszkodzenia. Widmo częstotliwościowe częściowej mocy czynnej silnika bez uszkodzeń (rys.4a), zawiera składową podstawową (fdc = 0 Hz), podwójną częstotliwość sieciową (2fs = 100 Hz), harmoniczną rotacyjną o częstotliwości fr oraz jej odzwierciedlenie w bocznych wstęgach podwójnej częstotliwości sieciowej (2fs ± fr). Widmo nie zawiera składowych uszkodzeniowych lub są one na poziomie poniżej 0,001 co świadczy, że wirnik badanego silnika jest bez uszkodzeń. W wyniku uszkodzenia ośmiu prętów w widmie częściowej mocy czynnej pojawiają się dodatkowe składowe: składowa uszkodzeniowa fo oraz harmoniczne poślizgowe o częstotliwościach fpCB1 i fpCB2, wraz z wielokrotnościami o amplitudach przekraczających granicę 0,01. W przebiegach widoczne są dodatkowe oscylacje o amplitudzie zależnej od stopnia uszkodzenia. Przebieg i widmo FFT dla uszkodzenia wirnika w postaci pękniętego pierścienia zwierającego przedstawiono na rys.4c. Identyfikacja tego uszkodzenia jest utrudniona, ponieważ amplituda składowej fo w widmie częściowej mocy czynnej pCB porównywalna jest amplitudą uszkodzenia jednego lub dwóch prętów. 6. PODSUMOWANIE Najbardziej rozpowszechnioną metodą wykrywania uszkodzeń wirnika jest metoda oparta na ocenie bocznych harmonicznych prądu stojana. Zaletą tej metody jest jej prostota pomiaru, ponieważ mierzony jest tylko prąd stojana. Uzyskane podczas analizy widma częstotliwościowe prądu stojana wskazują, że uszkodzone pręty wirnika dają wzrost amplitudy bocznych wstęg wokół częstotliwości sieciowej fs w harmonicznych o częstotliwościach fi1 i fi2. Ponadto przy występowaniu dużej liczby uszkodzonych prętów pojawiają się dodatkowo wielokrotności tych składowych. Innym sygnałem zaproponowanym do wykrywania symptomów uszkodzeń jest estymowany moment elektromagnetyczny mesty. W tym przypadku charakterystyczne harmoniczne uszkodzenia są obserwowane bezpośrednio w częstotliwości uszkodzeniowej fo = 2sfs. W przeciwieństwie do widma prądu z bocznymi wstęgami dookoła częstotliwości sieciowej, widmo momentu posiada charakterystyczne częstotliwość blisko składowej stałej fdc. Są one jednak bardziej uwydatnione poprzez proces estymacji oraz dodatkowe całkowanie, co powoduje, że proces identyfikacji uszkodzenia jest pewniejszy. Oprócz wykrywania asymetrii wirnika, w widmie momentu można również zaobserwować asymetrię stojana oraz uszkodzenia mechaniczne, np. niewyważenie wirnika lub niewyosiowanie napędu. Składowe symptomów uszkodzenia wirnika są również widoczne w widmie całkowitej mocy chwilowej czynnej p, ale amplitudy składowych charakterystycznych uszkodzenia wirnika nie są większe od zaobserwowanych w widmie estymowanego momentu elektromagnetycznego mesty. Z analizy badań laboratoryjnych wynika, że częściowa moc czynna pCB jest najodpowiedniejszym sygnałem diagnostycznym, ponieważ symptomy uszkodzeń są charakteryzowane za pomocą wstęg bocznych podwójnej częstotliwości sieciowej 2·fs ± fo oraz bezpośrednio w składowej charakterystycznej uszkodzenia fo. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2006-2008 jako projekt badawczy N510 038 31/2439 LITERATURA [1] BAJEC P., FISER R., AMBROZIC V., NASTRAN J., Detection of Induction Motor Squirrel Cage Asymmetry using Dynamic Torque Spectrum Analysis, Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drivers SDEMPED 2003, Atlanta, GA, USA, 2003 [2] DIDIER G., TEMISIEN E., CASPARY O., RAZIK H., HENAO H., YAZIDI A., CAPOLINO G.-A., Rotor fault detection using the instantaneous power signature, Proc. of ICIT’2004, 2004 [3] DRIF M., BENOUZZA N., BENDIABDELLAH A., DENTE J.A., Induction Motor Load Effect Diagnostic Utilizing Instantaneous Power Spectrum, Proc. of EPE’2001, Graz, Austria, 2001 [4] KOWALSKI CZ.T., Monitorowanie i diagnostyka uszkodzeń silników indukcyjnych z wykorzystaniem sieci neuronowych, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, seria Monografie nr 18, zeszyt 57, Wrocław 2005 [5] TRZYNADLOWSKI A., RITCHIE E., Comparative Investigation of Diagnostic Media for Induction Motors: A Case of Rotor Cage Faults, IEEE Trans. on Industrial Electr., t.47, nr 5, 2000 [6] KOWALSKI CZ.T., ORLOWSKA-KOWALSKA T., WOJSZNIS P., Indirect Torque Measurement of The Induction Motor Drive based on Flux Estimation, Proc. 4th Intern. Symp. ELECTROMOTION’01, vol.1, Bologna, Italy, 2001, pp. 137-140 ANALYSIS OF THE POSSIBILITIES OF TRANSIENT POWER AND TORQUE SIGNALS APPLICATION FOR THE INDUCTION MOTOR DIGANOSIS The paper deals with the application of stator current, electromagnetic torque and transient power signals for detection of the induction motor faults. The short characteristics of these diagnostic signals are presented. Laboratory tests for two types of rotor asymmetries (8 broken rotor bars and broken rotor end ring) are demonstrated. The developed experiments confirmed the applicability of the electromagnetic torque and transient power signals for the rotor fault detection of induction motors.