article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(98)/2014
Jakub Lorencki1, Stanisław Radkowski2
PROCEDURY I ANALIZA USTEREK W SILNIKACH SYNCHRONICZNYCH
Z MAGNESAMI TRWAŁYMI3
1. Wstęp
Ilość silników elektrycznych na rynku zwiększa się z każdym rokiem, zarówno w
Polsce jak i na świecie. Ich wartość na światowym rynku wynosiła ok. 16,1 miliarda
dolarów w 2011 roku, co się przyjmuje jako 50% wzrost przez 5 lat [1]. Silniki
elektryczne są stosowane w prawie każdej dziedziny codziennego życia: w systemach
produkcyjnych, transporcie powietrznym i naziemnym, w systemach klimatyzacji w
budynkach, w domowych systemach konwersji energii, systemach chłodzenia w
urządzeniach elektrycznych, a nawet w systemach wibracji w telefonach komórkowych.
Ze względu na szybki wzrost populacji na Ziemi i wobec tego dużą konsumpcję
energii elektrycznej, w wielu zastosowaniach przemysłowych wymaga się
zaawansowanego sterowania i wysokiej niezawodności silników dla trudnych warunków
środowiskowych. Jest to szczególnie ważne w miejscach, gdzie nieoczekiwane
zaprzestanie działania silnika elektrycznego może spowodować przerwę w działaniu
istotnych urządzeń o znaczeniu strategicznym, medycznym, transportowym czy
militarnym. W tych zastosowaniach, gdzie wymagany jest ciągły proces i gdzie okres
postoju nie jest tolerowany, nieprzewidziana awaria silnika może spowodować
kosztowną naprawę albo zniszczenie jakiś urządzeń.
2. Uszkodzenia występujące w silnikach synchronicznych
2.1. Podejmowanie decyzji przy uszkodzeniach
Silnik elektryczny posiada zarówno wiele mechanicznych jak i elektrycznych
części, jak pręt wirnika, magnes na wirniku, uzwojenie stojana, pierścień końcowy,
łożyska i skrzynia biegów. Z powodu różnych trudnych warunków środowiskowych,
każda część silnika elektrycznego jest potencjalnie narażona na wysokie ryzyko
uszkodzeń systemu mechanicznego, chemicznego czy elektrycznego. Powody, które
powodują awarie silników elektrycznych w przemyśle to:
1. Przekroczenie okresu trwałości
2. Złe dobranie urządzenia pod względem mocy, prądu czy napięcia
3. Niestabilne zasilanie napięcia albo źródła prądowego
4. Przeciążenie albo niezrównoważone obciążenie
5. Napięcie
elektryczne
spowodowane
szybkim
przełączaniem
przekształtników albo niestabilnym uziemieniem
6. Surowe warunki środowiskowe (pył, cieki wodne, wibracje środowiskowe,
zanieczyszczenia chemiczne, wysoka temperatura)
2
mgr inż. Jakub Lorencki – uczestnik studiów doktoranckich Wydziału SiMR
3
prof. zw. dr hab. inż. Stanisław Radkowski – profesor Wydziału SiMR
Tekst pisany na podstawie Electric Machines – Modeling, Condition Monitoring and Fault Diagnosis
1
139
Główne rodzaje uszkodzeń silnika można kategoryzować na uszkodzenia
elektryczne, mechaniczne oraz defekty systemu zewnętrznego napędu, co wymieniono
następująco:
1. Uszkodzenia elektryczne
obwód otwarty bądź zwarcie w uzwojeniu wirnika (głównie z powodu
uszkodzenia izolacji uzwojenia)
złe podłączenie uzwojeń
wysoka oporność styku przewodnika
złe lub niestabilne uziemienie
2. Uszkodzenia mechaniczne
złamane pręty wirnika
złamany magnes (albo częściowa demagnetyzacja)
pęknięte pierścienie końcowe
ugięty wał
poluzowanie śruby
uszkodzenie łożyska
uszkodzenie skrzyni biegów
nieregularność szczeliny powietrznej
3. Uszkodzenia zewnętrznych układów napędowych silnika
uszkodzenie układu przekształtnika
niestabilne źródło napięcia/prądu
zwarte lub rozwarte zasilanie przewodowe
Uszkodzenie łożyska stanowi prawie 40% usterek, uszkodzenia stojana około 38%,
wirnika około 10% a pozostałe to ok 12% wszystkich elektrycznych uszkodzeń silnika.
Przy projektowaniu silnika elektrycznego liczy się elektryczna i mechaniczna
symetria stojana i wirnika w celu lepszej ich współpracy i wyższej sprawności. Stan
uszkodzenia w silniku opisany wcześniej może zniszczyć tę symetryczność, gdzie
funkcjonowanie uszkodzonego silnika powoduje nietypowe objawy podczas jego
działania, które są opisane następująco:
1. Wstrząsy mechaniczne
2. Podwyższenie temperatury
3. Nieregularny moment szczeliny powietrznej
4. Chwilowe wahania mocy wyjściowej
5. Hałas akustyczny
6. Zmiany w zasilaniu przewodowym
7. Zmiany w zasilaniu prądowym
8. Zmiany prędkości
Większość nietypowych oznak objawia się w określonych wzorcach sygnałowych
przypisanych do konkretnych stanów i surowości uszkodzenia silnika, jak częstotliwość,
okres, amplituda, wariancja, stopień i faza sygnału. Na podstawie monitorowania i
analizowania tych oznak i ich wzorców, zaproponowano wiele technik diagnostycznych
silników elektrycznych i pokazano kilka rozwiązań na rynku komercyjnym.
Wiele z nich zaadoptowano w przemyśle głównie za sprawą następujących strategii
[2-5]:
1. Sygnałowa diagnostyka uszkodzeń
Analiza wstrząsów mechanicznych
Monitoring impulsów uderzeniowych
140
Pomiar temperatury
Analiza szumu akustycznego
Monitoring pola elektromagnetycznego poprzez umieszczoną
cewkę
Analiza wahań chwilowej mocy wyjściowej
Analiza podczerwieni
Analiza gazu
Analiza oleju
Monitoring emisji częstotliwości radiowej
Pomiar częściowego rozładowania
Analiza sygnatury prądu silnika
Analiza statystyczna odpowiednich sygnałów
2. Diagnostyka uszkodzeń oparta na modelu
Sieci neuronowe
Analiza logiki rozmytej
Algorytmy genetyczne
Sztuczna inteligencja
Metoda elementów skończonych obwodu magnetycznego
Modele matematyczne oparte na teorii liniowego obwodu
3. Analiza uszkodzeń oparta na teorii maszyn
Podejście funkcji uzwojeń
Zmodyfikowane podejście funkcji uzwojeń
Magnetyczny obwód zastępczy
4. Analiza uszkodzeń oparta na symulacji
Metoda elementów skończonych
Sprzężona czasowo analiza przestrzenna elementów skończonych
Wiele rodzajów metod diagnostyki uszkodzeń zostało równocześnie wdrożonych dla
przemysłu. Wprowadzenie ich w życie jest oparte na następującej procedurze:
1. Detekcja uszkodzenia
a. Detekcja w dziedzinie czasu (głównie dla diagnostyki
uszkodzeń systemów mocy)
b. Detekcja w dziedzinie częstotliwości (głównie dla
diagnostyki uszkodzeń maszyn opartej na sygnałach)
c. Detekcja oparta na nagromadzonych danych (głównie
dla diagnostyki uszkodzeń opartej na modelu)
2. Podejmowanie decyzji o uszkodzeniu
d. Decyzja o istnieniu uszkodzenia
e. Decyzja o stopniu uszkodzenia
3. Sprzężenie zwrotne dla sterownika silnika albo interfejsu użytkownika
a. Ograniczenie funkcjonowania silnika na podstawie
surowości uszkodzenia
b. Zaplanowany serwis
3. Uszkodzenia występujące w silnikach synchronicznych
3.1. Informacje ogólne
Zostaną tutaj zaprezentowane istotne uszkodzenia elektryczne i mechaniczne w
silnikach elektrycznych i odpowiednie techniki diagnostyczne opisane literaturze.
141
Niektóre usterki jak uszkodzenia międzyzwojowe, uszkodzenia łożyska i
ekscentryczności są wspólne dla każdego rodzaju silnika synchronicznego. Inne, takie
jak uszkodzenia uzwojenia wirnika, złamanie tłumiących prętów albo pierścieni
końcowych są specyficzne dla silników synchronicznych z uzwojonym wirnikiem,
natomiast uszkodzenia związane z demagnetyzacją (rozmagnesowaniem) są
charakterystyczne dla silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSMów).
Podobnie jak pozostałe rodzaje silników elektrycznych, silniki synchroniczne są
podatne na wiele rodzajów uszkodzeń elektrycznych czy mechanicznych, które można
następująco sklasyfikować: (1) rozwarcie lub zwarcie w jednym albo wielu zwojów w
uzwojeniu stojana; (2) otwarty lub zwarty obwód wirnika w silniku synchronicznym z
uzwojonym wirnikiem; (3) złamane pręty tłumiące albo pierścienie końcowe; (4)
ekscentryczności; (5) mechaniczne uszkodzenia wirnika jak awarie łożyska, ugięty wał,
niewspółosiowość; i rozmagnesowania w silnikach z magnesami stałymi.
Każde z tych uszkodzeń emituje konkretne objawy, które można zapisać
następująco:
1. Niezrównoważone prądy przewodowe i napięcia w szczelinie powietrznej
2. Nadmierna temperatura
3. Hałas i mechaniczne wstrząsy silnika
4. Mniejszy średni moment
5. Wyższe pulsacje momentu
6. Zwiększone straty
2.2. Rozmagnesowanie w silnikach synchronicznych z magnesem stałym (PMSM)
W porównaniu do pozostałych rodzajów silników prądu przemiennego (AC), silniki
synchroniczne z magnesami stałymi stają się coraz bardziej popularne w zastosowaniach
z pracą przy wysokich prędkościach i precyzyjnym sterowaniem momentem. Zjawisko
rozmagnesowania jest spowodowane głównie reakcją twornika, głównie w warunkach
dla wysokiego momentu. Pozostałe zalety silnika to wysoka sprawność, ciche działanie,
wysoki stosunek momentu do prądu oraz mocy do masy, oraz solidność.
Podczas normalnego działania silnika PMSM, odwrócone pole magnetyczne
emitowane przez prąd stojana przeciwstawia się szczątkowej indukcji magnesów
stałych. Przy powtarzaniu tego zjawiska magnes trwały zostanie rozmagnesowany.
Rozmagnesowanie może wystąpić na całym biegunie (całkowita demagnetyzacja), lub
na części bieguna (częściowa demagnetyzacja). Wysoka temperatura może także
rozmagnesować magnes. Usterka związana ze zwarciem w uzwojeniu stojana może
częściowo rozmagnesować magnes zamocowany na powierzchni. Częściowe
rozmagnesowanie generuje składowe harmoniczne siły magnetycznej, hałas i wstrząs
mechaniczny, co skutkuje niezrównoważoną siłą magnetyczną w silniku.
W stanie ustalonym w warunkach demagnetyzacji używa do analiz w funkcji
częstotliwości szybkiej transformaty Fouriera (FFT) prądu stojana. Metody analizy
czasowo-częstotliwościowej można użyć dla warunków niestacjonarnych. Te techniki,
jak krótkoczasowa transformata Fouriera (STFT), ciągła transformata Falkowa (CWT) i
dyskretna transformata Falkowa (DWT) wymagają odpowiedniej selekcji parametrów
takich jak rozmiar okna czy innych współczynników.
Metoda rekonstrukcji pola (FRM) może także zostać użyta do detekcji uszkodzenia
rozmagnesowania w PMSM. Strumienie sprzężone w fazach stojana, które są obliczone
przez FRM, są użyte do monitorowania usterek.
142
2.2. Ekscentryczność
Podstawy występowania ekscentryczności w silnikach synchronicznych są takie
same jak w indukcyjnych. Ekscentryczność szczeliny powietrznej zwiększa się kiedy
występuje nierównomierna odległość pomiędzy stojanem a wirnikiem. Niejednorodna
szczelina powietrzna powoduje zmienne indukcyjności zwiększające niezrównoważone
strumienie magnetyczne w szczelinie powietrznej. To generuje składowe harmoniczne
prądu przewodowego oznaczające uszkodzenie, które może być łatwo zidentyfikowane
w widmie częstotliwości. Kiedy ekscentryczność osiąga już coraz większy wymiar, to
wynikające z tego niewyważone siły promieniste mogą powodować obcieranie się
stojana z wirnikiem i finalnie zniszczenie zarówno stojana jak i wirnika.
Istnieją dwa rodzaje ekscentryczności w silniku synchronicznym: statyczna i
dynamiczna. W przypadku ekscentryczności statycznej oś środkowa wału jest na stałym
przesunięciu od środka stojana. Tak więc niejednorodna szczelina powietrzna nie
zmienia się w czasie. Natomiast kiedy występuje ekscentryczność dynamiczna, oś
środkowa wału jest zmiennie przesunięta względem środka stojana oraz długość
szczeliny powietrznej zmienia się wraz z dynamicznym obrotem wirnika. W
rzeczywistości ekscentryczności statyczne i dynamiczne współistnieją. Nieodpowiedni
montaż, owalność jarzma stojana, poluzowana albo brakująca śruba, niewspółliniowość
albo niewyważenie wirnika mogą właśnie powodować mimośrodowość szczeliny
powietrznej.
Proponowano wiele metod diagnozowania ekscentryczności, takie jak
zmodyfikowana funkcja uzwojeń wyznaczająca wszystkie harmoniczne przestrzenne,
oraz metoda elementów skończonych jest używana do zamodelowania silników
synchronicznych z biegunami wydatnymi. Te modele pokazują skutek dynamicznej
mimośrodowości szczeliny powietrznej w silniku synchronicznym z biegunami
wydatnymi.
Ebrahimi i inni [6] prezentują metodę detekcji mimośrodowości statycznej,
dynamicznej i mieszanej w trójfazowych PMSMach za pomocą pewnego indeksu.
Można dzięki niemu wykryć czy ekscentryczność w ogóle występuje, jej rodzaj oraz
wielkość. Metoda ta także korzysta z sieci neuronowych.
Le Roux i inni [7] badali zastosowanie i detekcję uszkodzeń wirnika zarówno przy
ekscentryczności statycznej jak i dynamicznej oraz uszkodzonych magnesów w
silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Nowa metoda estymacji strumienia
jest tak rozwinięta, że nie wymaga pomiaru pozycji wirnika albo prędkości. Prądy i
napięcia stojana są użyte do detekcji tych i innych uszkodzeń.
2.3. Uszkodzenia łożyska
Uszkodzenia łożyska (często występujące w przemyśle) mogą się pojawiać nawet
przy normalnych warunkach pracy ze zrównoważonym obciążeniem i dobrą
współliniowością. Ich łuszczenie się może występować gdy poszczególne części w
łożysku odseparowują się od siebie. Niekiedy uszkodzenia łożyska są przypisywane za
uszkodzenie związane z asymetrią wirnika.. Kiedy silnik pracuje w warunkach
niestacjonarnych, konwencjonalne metody przetwarzania sygnałów takie jak FFT
analizy sygnatury prądu nie dają zadowalających rezultatów. W takich warunkach prąd
stojana może być analizowany krótkoczasową analizą spektrogramu Fouriera (Shortterm Fourier Transform) i Gabora dla detekcji uszkodzenia łożyska.
Inną metodę detekcji uszkodzenia łożyska w PMSMach na podstawie charakterystyki
częstotliwościowej zaproponował Pacas i inni [8]. Sygnały momentu i prędkości w
143
silniku mogą być okresowo zaburzane kiedy łożysko jest uszkodzone. Te zaburzenia
powodują zmianę charakterystyki częstotliwościowej układu mechanicznego przy
konkretnych częstotliwościach. Stosując wartość prędkości silnika i prądu stojana (iq),
wyprowadzana jest charakterystyka częstotliwościowa silnika w zamkniętej pętli
sterowania prędkością. Analiza charakterystyki częstotliwości proponowana w tej pracy
daje bardziej wiarygodne wyniki uszkodzeń niż analiza FFT.
Literatura:
[1]
H.A. Toliyat and S.G. Campbell, DSP-Based Electromechanical Motion Control,
Boca Raton, FL: CRC Press, 2003
[2]
G.B. Kliman, R.A. Koegl, J. Stein, R.D. Endicott, and M.W. Madden,
“Noninvasive detection of broken rotor bars in operating induction motors,” IEEE
Transactions on Energy Conversions, vol. 3, pp. 873–879, December 1988.
[3]
S. Nandi, H.A. Toliyat, and X. Li, “Condition monitoring and fault diagnosis of
electrical machines—A review,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.
20, no. 4, pp. 719–729, December 2005.
[4]
A. Siddique, G.S. Yadava, and B. Singh, “A review of stator fault monitoring
techniques of induction motors,” IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 20, pp.
106–114, March 2005.
[5]
M. El Hachemi Benbouzid, “A review of induction motors signature analysis as a
medium for faults detection,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol.
47, pp. 984–993, October 2000.
[6]
B.M. Ebrahimi, J. Faiz, and M.J. Roshtkhari, “Static-, dynamic-, and mixedeccentricity fault diagnoses in permanent-magnet synchronous motors,” IEEE
Transactions on Industrial Electronics, vol. 56, no. 11, pp. 4727–4739.
[7]
W. le Roux, R.G. Harley, and T.G. Habetler, “Detecting rotor faults in low power
permanent magnet synchronous machines,” IEEE Transactions on Power
Electronics, vol. 22, no. 1, pp. 322–328, January 2007.
[8]
M. Pacas, S. Villwock, and R. Dietrich, “Bearing damage detection in permanent
magnet synchronous machines,” IEEE Energy Conversion Congress and
Exposition, pp. 1098–1103, 2009.
Streszczenie
Silniki elektryczne są coraz częściej stosowane na Ziemi, w gospodarstwach domowych,
przemyśle itp., ich liczba wzrasta z każdym rokiem na całym świecie. To wszystko
wymusza pewne podejście do ich diagnostyki, zwłaszcza w takich miejscach, gdzie ich
niezawodność jest kluczowa, tzn. w zastosowaniach strategicznych czy wojskowych.
Następnie należy zastosować odpowiedni rodzaj diagnostyki oparty na sygnale
czasowym, częstotliwościowym, bądź innym. W szczególności istotne jest badanie
silników synchronicznych z magnesami trwałymi (PMSM), gdyż mając wiele zalet (jak
stosunek oddawanej mocy do ich masy) i stają się bezkonkurencyjnie stosowane w
każdej gałęzi przemysłu. Z uszkodzeń mechanicznych najbardziej im grożących
wymienia się ekscentryczność (mimośrodowość) statyczną i dynamiczną,
demagnetyzację (rozmagnesowanie), uszkodzenia łożyska czy uszkodzenia
międzyzwojowe. W przemyśle każde przewidzenie takiej awarii może zapobiec
ogromnym stratom finansowym albo narażeniem na niebezpieczeństwo pracowników.
Słowa kluczowe: diagnostyka silników, mimośrodowość, uszkodzenia łożysk
144
PROCEDURES AND ANALYSIS OF SYNCHRONOUS MOTORS WITH
PERMANENT MAGNETS FAILURES
Abstract
Electric motors are being increasingly utilized on Earth, in the households, industry
etc., their number is augmenting every year worldwide. This enforces a certain
procedure at the approach to the diagnosis of such motors, especially in locations where
their reliability is very important, i.e. in strategic or military applications. Then one must
apply the right kind of diagnosis based on the frequency or time signal, or another type.
In particular, synchronous motors with permanent magnets (PMSM) should be
examined, because of the many advantages they possess (such as the ratio of power
output to its mass) and they become unrivaled in every industry aspect. The most
common mechanical failures which are a jeopardy for them are static and dynamic
eccentricity, demagnetization of the magnet, bearing damage or inter-turn faults. In the
industry it is very crucial to predict such failures in order to avoid huge human or
financial losses.
Keywords: Motor diagnostics, eccentricity, bearings damage
145