diagnostyka silnika indukcyjnego napędu wentylatora spalin

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104)
253
Paweł Dybowski, Henryk Krawiec, Waldemar Milej
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
DIAGNOSTYKA SILNIKA INDUKCYJNEGO NAPĘDU
WENTYLATORA SPALIN
DIAGNOSTICS OF INDUCTION MOTOR USED AS EXHAUST-FAN DRIVE
Streszczenie: Artykuł przedstawia prace diagnostyczne przeprowadzone dla silnika indukcyjnego w celu
wykrycia źródła nietypowego dźwięku występującego podczas pracy. Wykonano kontrolę niesymetrii klatki
oraz dokonano analizy widm prądów stojana w celu wykrycia symptomów niecentryczności zarówno
statycznej, jak i dynamicznej.
Abstract: The results of induction motor diagnostic in order to detect the source of an unusual sound
occurring during operation were presented in this paper. The work included the control of cage asymmetry and
the analysis of a stator current harmonic spectrum to detect symptoms of static and dynamic eccentricity both.
Słowa kluczowe: maszyny elektryczne, silnik indukcyjny, badania diagnostyczne, niecentryczność
Keywords: electrical machines, induction motor, diagnostics, eccentricity
1. Wstęp
Podczas
pracy
silnika
indukcyjnego
dwubiegowego napędu wentylatora spalin o
danych: 6kV, 850/450kW, 740/590 obr/min,
pojawiły się charakterystyczne dźwięki.
Użytkownik zdecydował się na wymianę
łożysk, ale zjawisko to nie ustąpiło. Podjęto
wówczas decyzję o wykonaniu pomiarów
diagnostycznych w stanie pracy ustalonej (bieg
jałowy – bez obciążenia wentylatora) oraz
przeprowadzeniu oceny stanu silnika metodą
AGH, która polega na analizie składowych
widma harmonicznego prądów stojana, w stanie
pracy ustalonej. System diagnostyczny składa
się z dwóch podsystemów [1]. Pierwszy
zapewnia akwizycję danych i składa się z:
przekładników
cęgowych,
wzmacniaczy
kondycjonujących mierzone sygnały, filtrów
antyaliasingowych oraz komputera przenośnego
z kartą przetwornika analogowo-cyfrowego.
Drugi podsystem stanowi dedykowany program
do obróbki harmonicznej sygnałów prądowych
i do generacji raportu diagnostycznego [2].
W odniesieniu do analizowanego przypadku
diagnozę dodatkowo oparto na porównaniu
wyników analizy harmonicznej prądów
zmierzonych oraz prądów uzyskanych z
obliczeń
dla
różnych
przypadków
niecentryczności
[4].
W
szczególności
obliczenia dotyczyły: - niecentryczności
statycznej 50 %
- niecentryczności dynamicznej 50 %
- niecentryczności mieszanej: statyczna 60 % i
dynamiczna 20%.
Procentowa wielkość ekscentryczności oznacza
odchyłkę położenia osi wirnika od położenia
centrycznego, odniesioną do geometrycznej
grubości szczeliny powietrznej.
Pomiary
zostały
przeprowadzone
w
stanie.
Częstotliwość próbkowania zarejestrowanych
przebiegów
prądów
stojana
wynosiła
9000,009Hz. Znamionowy poślizg badanego
silnika wynosił 1,67%. Poślizg podczas pracy
maszyny został wyznaczony na podstawie
częstotliwości harmonicznej żłobkowej i
wynosił 0,145% (prędkość obrotowa 599
obr/min). Świadczyło to o pracy z niewielkim
obciążeniem (bieg jałowy).
2. Ocena asymetrii klatki
Ocenę asymetrii klatki wykonano na podstawie
obecności sygnału diagnostycznego (1 ± 2s)f0.
Ponieważ średnia wartość tego sygnału
wyniosła 0,25% harmonicznej podstawowej, to
wobec przyjętego progu 0.5% uznano, że
niesymetria klatki wirnika diagnozowanej
maszyny mieści się w dopuszczalnej normie.
254
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104)
3ws2'n, SZJr148/10t, 18455501, 850/450kW, 740/590rpm
steadyState,16.2.2012,11'47, pp=5,Qr=88,h=5,ca=210, 3ws2u5.dat,ko=2, 256000pu. usedTS=0.000111111
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
0
2.56e+005
0
0
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
0
375
750
1125
1500
1875
2250
2625
3000
3375
3750
4125
670
0dB
-20
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
4500Hz
786
54.204Amx.
-40
-60
-80
46
47
48
49
50
51
52
0.0017141
54Hz
53
f=49.96097Hz,basedOnSlotHSlip=0.145%, 598.66rpm,fSamp=9000.009,currTr=100/5,dietzTr=20/2*0.927,boost=2,entrMul=0.5
averageDiagnSignal_withFilters:-51.9dB(refTo54.2 A)=0.25%.
(0) Niesymetria klatki w normie (sredni sygnal diagn.<=0,4%).
Zalecana ponowna kontrola przed uplywem roku eksploatacji.
Rys. 1. Raport diagnostyczny – kontrola niesymetrii klatki
gdzie: s – poślizg, NR – liczba żłobków
wirnika, ns – prędkość synchroniczna w obr/s,
h’=1 oraz h’’=2 – parametry klasy maszyny
[10]. Wyniki uzyskane podczas analizy
zmierzonych prądów porównano z wynikami
uzyskanymi z obliczeń dla maszyny o podobnej
konstrukcji i klasie [4]. Pojawiająca się para
harmonicznych żłobkowych częstotliwości
różnej o 100Hz od harmonicznej żłobkowej w
pierwszej strefie żłobkowej świadczy o
wystąpieniu
niecentryczności
statycznej.
Podobnie w drugiej strefie żłobkowej pojawia
się para harmonicznych świadcząca o
wystąpieniu niecentryczności statycznej.
3. Ocena niecentryczności statycznej
Ocenę
występowania
niecentryczności
statycznej przeprowadzono na podstawie
analizy występowania charakterystycznych par
harmonicznych w pierwszej i drugiej strefie
żłobkowej
[4].
Częstotliwość
tych
harmonicznych można wyznaczyć na postawie:
|
∙
|
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
1
|
(1)
1
|
(2)
∙
0
0
0
2.56e+005
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 42004400Hz
10195
0dB
14563
54.204Amx.
-20
-40
-60
-80
700
750
800
850
900
950
0.0017141
1000Hz
Rys. 2. Symptomy niecentryczności statycznej: para harmonicznych w 1-szej strefie żłobkowej
(indeks głównej strefy mShi=5 [4])
255
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104)
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
0
2.56e+005
0
0
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 42004400Hz
23302
0dB
-20
27670
54.204Amx.
-40
-60
-80
1600
1650
1700
1750
1800
0.0017141
1900Hz
1850
Rys. 3. Symptomy niecentryczności statycznej: para harmonicznych w 2-giej strefie żłobkowej
4. Ocena ekscentryczności dynamicznej
Ocenę
występowania
niecentryczności
dynamicznej przeprowadzono na podstawie
analizy
występowania
dodatkowych
harmonicznych
w
strefie
podstawowej
harmonicznej
oraz
charakterystycznych
harmonicznych odległych o ±2(1-s)f1/p od
harmonicznych ftw1 (1) i ftw2 (2) w strefach
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
0
0
0
2.56e+005
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
0
0dB
żłobkowych [4]. Wyniki uzyskane podczas
analizy zmierzonych prądów porównano z
wynikami uzyskanymi z obliczeń dla maszyny
o podobnej konstrukcji i klasie [4].
Wykryto
obecność
charakterystycznych
harmonicznych świadczących o występowaniu
niecentryczności dynamicznej we wszystkich
analizowanych strefach.
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 42004400Hz
0
2912
54.204Amx.
-20
-40
-60
-80
0
40
80
120
160
0.0017141
200Hz
Rys. 4. Symptomy niecentryczności dynamicznej: obecność harmonicznej o częstotliwości około
70Hz
256
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104)
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
0
2.56e+005
0
0
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 42004400Hz
10195
0dB
14563
54.204Amx.
-20
-40
-60
-80
700
750
800
850
900
0.0017141
1000Hz
950
Rys. 5. Symptomy niecentryczności dynamicznej: obecność harmonicznych o częstotliwościach
około: 848 oraz, 948 Hz
5. Ocena niecentryczności
(statyczna + dynamiczna)
uzyskane podczas analizy zmierzonych prądów
porównano z wynikami uzyskanymi z obliczeń
dla maszyny o podobnej konstrukcji i klasie [4].
Wykryto
wystąpienie
harmonicznych
obrotowych o częstotliwościach około 40Hz i
60Hz oraz 30Hz i 70Hz. Wykryto również
występowanie
charakterystycznych
par
harmonicznych
obrotowych
w strefach
żłobkowych świadczących o wystąpieniu
niecentryczności mieszanej.
mieszanej
Ocenę
występowania
niecentryczności
mieszanej
(statycznej
i
dynamicznej)
przeprowadzono
na
podstawie
analizy
występowania harmonicznych odległych od
podstawowej harmonicznej f1 o ±(1-s)nf1/p w
strefie podstawowej
harmonicznej oraz
harmonicznych odległych o ±(1-s)nf1/p od
harmonicznych żłobkowych oraz ftw1 (1) i ftw2
(2) w strefach żłobkowych [4]. Wyniki
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
0
0
0
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
0
0dB
2.56e+005
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 42004400Hz
0
1456
54.204Amx.
-20
-40
-60
-80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Rys. 6. Obecność par harmonicznych obrotowych o częstotliwościach około:
40 i 60 Hz oraz 30 i 70 Hz
0.0017141
100Hz
257
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104)
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
0
0
0
2.56e+005
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 42004400Hz
10195
0dB
14563
54.204Amx.
-20
-40
-60
-80
700
750
800
850
900
0.0017141
1000Hz
950
Rys. 7. Strefa żłobkowa lewa- obecność pary harmonicznych obrotowych
55.858A
-0.10787
-56.073
0dB
-20
-40
-60
-80
0
0
0
2.56e+005
2.3704
4.7407
7.1111
9.4815
11.852
14.222
16.593
18.963
21.333
23.704
26.074
28.444s
65535
54.204Amx.
0.0017141
0
200
400
600
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 42004400Hz
10195
0dB
-20
14563
54.204Amx.
-40
-60
-80
700
750
800
850
900
950
0.0017141
1000Hz
Rys. 8. Strefa żłobkowa prawa - obecność pary harmonicznych obrotowych
6. Wnioski
Asymetria klatki wirnika badanej maszyny
mieściła się w normie.
Porównanie składu harmonicznego prądów
stojana, obliczonych [4] i pomierzonych,
pozwalało stwierdzić, że silnik wykazuje
symptomy niecentryczności mieszanej z
przewagą niecentryczności statycznej. Na tym
etapie badań trudno jest jednak ocenić poziom
danej niecentryczności. Potencjalnymi źródłami
niecentryczności statycznej mogą być:
- nieidealne zamocowanie łożysk w gniazdach
łożyskowych w wytoczeniach kadłuba stojana,
w kierunku radialnym.
- przekręcone tarcze łożyskowe (względem
fabrycznego ustawienia).
- niewspółosiowe zamocowanie wirnika silnika
i obciążenia.
- nieidealne zamocowanie jednej z tarcz
łożyskowych, co skutkowałoby skosem osi
wirnika względem osi stojana.
Należy podkreślić, że silnik, po prawie 30
latach eksploatacji, może być na tyle zużyty, że
mogą wystąpić trudności w eliminowaniu
niecentryczności.
Celem
potwierdzenia
słuszności postawionej tezy, należałoby
powtórzyć pomiar w sytuacji odłączenia
wentylatora – bieg jałowy silnika nawet bez
obecności sprzęgła.
7. Literatura
[1]. Rams W., Rusek J.: Praktyczna diagnostyka
maszyn indukcyjnych pracujących w systemie
potrzeb własnych elektrociepłowni Przegląd
Elektrotechniczny R.81 nr 10/2005
[2]. Wykonanie pomiarów diagnostycznych silników
6 kV metodą AGH Praca zlecona AGH nr
5.5.120.663/2006,
zam.
Elektrociepłownia
KRAKÓW S.A. nr 4500048609 z dnia 18.09.2006r.
[3]. Diagnostyka klatek maszyn asynchronicznych
200kW – 4MW, 6kV, w układach potrzeb własnych
258
Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 4/2014 (104)
Elektrociepłowni Kraków Grupa EDF Praca zlecona
AGH nr 5.5.120.033/2011, zam. Elektrociepłownia
KRAKÓW S.A. nr 6510001503/PBB/2011 z dnia
10.03.2011r
[4]. Elawgali S.S.H.: Diagnosis of rotor eccentricity
and clutch wobbling of the induction machines,
based on inspection of spectrums of the calculated
and registered currents. Rozprawa doktorska AGH
2007r., promotor prof. dr hab. inż. Jan Rusek
[5]. Rusek J.: Reflection of eccentricities in spectral
composition of currents of induction machines.
ICEM’96 Proceedings. Vol. 2, ETSEM –
Universidade de Vigo, Spain, s. 470 – 475
[6]. Sobczyk T.J., Vas P., Tassoni C.: A comparative
study of effects due to eccentricity and external
stator and rotor asymmetries by monoharmonic
models. ICEM’2000 Proceedings. Vol. II. Helsinki
University of Technology. Espoo, Finland, s. 946 –
950
[7]. Dybowski P.: Pomiary i modelowanie
prądowych
symptomów
uszkodzeń
maszyn
indukcyjnych. Rozprawa doktorska, AGH Kraków
2001
[8]. Weinreb K., Węgiel T., Sułowicz M.:
Nieinwazyjna
diagnostyka
wirnika
maszyny
asynchronicznej. Zeszyty Problemowe – Maszyny
Elektryczne BOBRME KOMEL Nr 69/2004, Ustroń
2004, s. 35-40
[9].
Dybowski
P.:
Możliwość
detekcji
niecentrycznego położenia wirnika w widmie
prądów stojana silnika indukcyjnego klatkowego.
Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne nr
75/2006 BOBRME Komel, Katowice 2006, s. 153158
[10]. Rusek, J.: Categorization of Induction
Machines Resulting from Their Harmonic-Balance
Model. Electromagnetics, Vol. 23, No. 3, April
2003, Taylor&Francis, pp. 277-292
Autorzy
dr inż. Paweł Dybowski,
Katedra Energoelektroniki i Automatyki
Systemów Przetwarzania Energii,
Wydział
Elektrotechniki,
Automatyki,
Informatyki i Inżynierii Biomedycznej.
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza,
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,
e-mail: [email protected]
mgr inż. Henryk Krawiec,
Katedra Energoelektroniki i Automatyki
Systemów Przetwarzania Energii,
Wydział
Elektrotechniki,
Automatyki,
Informatyki i Inżynierii Biomedycznej.
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza,
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,
e-mail: [email protected]
dr inż. Waldemar Milej,
Katedra Energoelektroniki i Automatyki
Systemów Przetwarzania Energii,
Wydział
Elektrotechniki,
Automatyki,
Informatyki i Inżynierii Biomedycznej.
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza,
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,
e-mail: [email protected]