МЕТОДИ И ОПРЕМА ЗА СОВРЕМЕНА ДИЈАГНОСТИКА ЗА ПОГОНИ СО АСИНХРОНИ КАФЕЗНИ МОТОРИ

Transcription

1 ПЕТТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 7 9 октомври 2007 Тони Крстевски МЗТ Хепос Максим Гонев Eurozon МЕТОДИ И ОПРЕМА ЗА СОВРЕМЕНА ДИЈАГНОСТИКА ЗА ПОГОНИ СО АСИНХРОНИ КАФЕЗНИ МОТОРИ КУСА СОДРЖИНА Асинхроните кафезни мотори имаат важна улога во безбедното и ефикасно работење на која било фабрика. Поради тоа постои потреба да се намали цената за нивно одржување и да се спречат непредвидените неисправности кај електромоторните погони со асинхрони кафезни мотори. Во овој труд се претставени техники за дијагноза на неисправности во асинхрони кафезни мотори со употреба на модерни методи и опрема за дијагностика. Клучни зборови: A/D конвертор, дијагностика, асинхрон кафезен мотор. ABSTRACT Induction cage motors play very important part in the safe and efficient running of any industrial plant. Therefore, there is a considerable demand to reduce maintenance cost and prevent unscheduled downtimes for electric drive systems, especially AC induction machines. Accordingly, this work presents a technique for the diagnosis of faults in induction cage motors, with use of modern methods and equipment for diagnosis. Keywords: A/D converter, diagnosis, induction cage motor. 1 ВОВЕД Електромоторните погони со нисконапонски асинхрони кафезни мотори се доминантни во индустријата со повеќе од 60% учество во сите електромоторни погони. Во многу производствени капацитети во индустријата има илјадници асинхрони кафезни мотори, се почесто напојувани од фреквенциски конвертори. Асинхроните кафезни мотори се робусни и доста доверливи, но поради големиот број во секоја фабрика нормално има по неколку застои годишно поради неисправни мотори. Нивната исправност секако влијае врз обемот и квалитетот на производството. Детекцијата на неисправностите на асинхроните кафезни мотори во почетен стадиум овозможува доволно време за планирање на поправка и непланираниот застој е помал. Поради овие причини мониторингот на моторите треба да овозможи детекција на неисправноста уште во почетен стадиум. Познати се многу грешки кои што можат да се јават кај овие мотори како: - грешки на електричниот систем (оштетување на проводниците во статорската намотка, оштетување на изолацискиот систем), - оштетување на магнетното коло и механичките делови, - грешки во роторските стапови и крајните прстени, Грешките во лежишта може да се откријат уште во почетен стадиум со мерење на вибрациите. Грешките во роторот кај асинхроните кафезни мотори може да се откријат со спектрална анализа на статорската струја. Овие грешки на лежиштата и роторот се развиваат полека, па нивната поправка може да се изведе за време на планиран застој. Грешките во статорската намотка се развиваат многу побрзо отколку грешките кај другите компоненти. Фреквенциската анализа на аксијалниот магнетен A1-14I 1/6

2 MAKO CIGRE 2007 A1-14I 2/6 флукс е потенцијален метод за мониторинг на неисправностите во статорската намотка на нисконапонските асинхрони кафезни мотори. 2 МЕТОДИ ЗА СОВРЕМЕНА ДИЈАГНОСТИКА НА ПОГОНИ СО АСИНХРОНИ КАФЕЗНИ МОТОРИ Мониторингот на моторите е базиран на мерење на: - статорската струја, - аксијалниот магнетен флукс, - температура на лежишта, статорска намотка и јадро, - вибрации на лежишта, - парцијални празнења на статорската намотка, - струја во лежишта, - напон на приклучоците на моторот. Некои од сигналите добиени од мерењето се обработуваат како временски сигнали, но некои се конвертираат во фреквенциски спектри и се обработуваат како различни фреквенциски компоненти. Денешните производители на опрема за дијагностика на асинхрони кафезни мотори најчесто користат методи со фреквенциски спектри на статорската струја, аксијалниот магнетен флукс и вибрации. 2.1 Анализа на статорската струја Според [5] постојат повеќе производители на опрема и софтвер кои ја користат анализата на статорската струја за добивање на информации за состојбата на електричните и механичките делови на моторот. Кај сите нив се користи мерење на статорската струја и анализа на истата за да се добијат соодветни информации значајни за одржувањето. Мерењето на струјата на моторот може да се врши со помош на струен трансформатор во секундарното коло и со помош на клешта на кабелот од моторот. За прилагодување на сигналите се користи единица посебен уред кој во себе содржи високопропустен филтер. Ured za prosleduvawe na signalot Struen transformator (a) Merewe vo sekundarnoto kolo Spektralen analizator Ured za prosleduvawe na signalot Struen transformator Spektralen analizator (b) Merewe na faznite strui Слика 1 Мерење на статорската струја 2.2 Анализа на аксијалниот магнетен флукс Според [3] спектарот на растурниот магнетен флукс е резултат на струјните фреквенциски компоненти на статорот и роторот. Во фреквенцискиот спектар на аксијалниот растурен магнетен флукс има компоненти, со одредени фреквенции. Тоа се хармоници: основен и виши хармоници, но

3 MAKO CIGRE 2007 A1-14I 3/6 во спектарот може да има и интермодулациски компоненти, поради различните типови на грешки како: ексцентритет, оштетување на статорската фаза кон заземјувањето, оштетување помеѓу навивките на статорската намотка и грешки во роторот. За таа цел мерењето на аксијалниот растурен флукс може да се искористи за мониторинг на електричната состојба на асинхрони кафезни мотори, како што тоа е претставено на слика 2. Krajna statorska namotka Stator Rotor Magnetenfluks vokrajniot prostor na namotkata Kraenprsten na rotorot Слика 2 Презентација на магнетниот флукс во крајниот просотр од намотката Аксијалниот растурен флукс може да се мери со намотка за флукс која може да биде монтирана на крајот од моторот, во неговата внатрешност или надвор. Со монтирање на намотката надвор од моторот можно е да се вршат мерења без да се наруши неговата работа. Со цел да се проучи овој флукс потребен е дигитален мерен инструмент кој ја мери промената на флуксот во зависност од времето, прави A/D конверзија и го трансформира сигналот во фреквенциски спектар со FFT. Резултатите може да се зачуваат и да се прегледаат подетално со користење компјутерски програм. 2.3 Определување на вибрации Според [2] по правило машините се комплексни единици составени од компоненти кои ротираат, се движат на кој било друг начин или мируваат. Дури и наједноставните машини, од динамичка гледна точка, може да се опишат како осцилаторни системи со повеќе маси и соодветно голем број сопствени фреквенции. Кога машината е во работа подвижните делови создаваат динамички сили, а како резултат на тоа и механички вибрации. Механичките вибрации се пренесуваат на целата машина. Мерењето на овие вибрации се врши на места каде тие се пренесуваат, а најчесто тоа се лежишта на машината или фундаментот.измерените вибрации во себе го содржат влијанието на голем број на компоненти во вибрациониот процес. Аналитичкиот пристап на дијагностиката-фреквенциската анализа ги користи информациите добиени од динамичките мерења и сигналот го разложува на неговите компоненти (единечни синусни или хармониски компоненти) користејќи ги принципите на Фуриевата анализа. 2.4 SPM Метод или метод на ударни импулси Со методот на ударни импулси се детектираат микронските оштетувања кај лежиштата, со користење на пиезоелектрични давачи. Од овие давачи се добиваат електрични сигнали кои преку соодветни инструменти се добива јасна претстава за состојбата на лежиштата. Со примена на овој метод во правилен временски период може да се дојде до кривата на трендот на оштетување на соодветното лежиште, а со тоа и прогноза за моментот до кога е неговиот работен век. 3 ОДРЕДУВАЊЕ НА ГРЕШКИТЕ СО ОПРЕМА ЗА СОВРЕМЕНА ДИЈАГНОСТИКА НА ПОГОНИ СО АСИНХРОНИ КАФЕЗНИ МОТОРИ Постојат повеќе производители на опрема за современа дијагностика на погони со асинхрони кафезни мотори. Овде би ги наброиле, Emerson, Rockwell, SKF, Fluke, Adwel, IRIS, Vibrosystm... Кај сите нив заедничко е што користат соодветен сензор и дигитален мерен инструмент за добивање на

4 MAKO CIGRE 2007 A1-14I 4/6 фреквенцискиот спектар. По добивањето на фреквенцискиот спектар потребно е да се изврши негово толкување со релевантните фреквенциски компоненти. 3.1 Одредување на грешките од оштетена изолација на навивките со намотка за мерење на аксијален магнетен флукс Во [4] се докажува дека индуцираниот напон во краткиот спој помеѓу навивките ќе резултира така што протокот на струјата ќе биде ограничен само на сопствената импеданса на грешката. Оваа импеданса во основа го одредува потребното време помеѓу настанувањето на грешките на навивките во намотката до грешката на намотката со заземјувањето. Струјата на грешката настаната од краткоспоената навивка е извор на дополнителен ММС, кој има просторна хармониска распределба, поставена над распределбата на главното поле. Ова води кон промена на хармониците на корисниот магнетен флукс набљудувани во воздушниот зјај. Овие ефекти ја сочинуваат основата за идентификациона техника на грешките во статорската намотка на асинхрони кафезни мотори. Во [4] е претставено дека релевантните фреквенции за детекција на краткоспоени навивки од аксијален растурен флукс може да се одредат со равенката: fsfw = kfs ± nfr (1) каде: f SFW е фреквенции предизвикани поради грешки во статорската намотка, f s е основна фреквенција на напојување, f r е ротациона фреквенција, n е број кој не е делив со бројот на полови на машината, и k е редослед на хармониците од напојната фреквенција на моторот. Во [7] е покажано дека шест најосетливи фреквенциски компоненти за дететекција на неисправностите во статорската намотка се: ( fs + 5 fr),( 5fs 3 fr),( fs + 3 fr), (2) 5f 3 f, f f, 3f + f ( ) ( ) ( ) s r s r s r Во [3] се покажува дека најдобар индикатор, за детекција на неисправностите во статорската намотка е релативната промена помеѓу основниот и третиот хармоник. За мерење на аксијалниот растурен флукс се користи намотка (или сензор). На слика 3 е прикажана оваа намотка Flux ring 343 производ на фирмата Emerson. Слика 3 Flux ring 343- Намотка за мерење на аксијален магнетен флукс 3.2 Одредување на грешките во роторот при скршен стап со струјна клешта Во случај на скршен стап во роторот на асинхрон кафезен мотор, струјата на скршениот стап се распределува во соседните роторски стапови. Поголемиот дел од струјата којашто протекувала во скршениот стап, најмногу се распределува во соседните два стапа. Во [1] се прикажува дека распределбата на полето во асинхрони кафезни мотори со скршен стап, направена со анализа на конечни елементи предизвикува локално поле коешто ротира со брзина на роторот. Оваа промена на полето според [1] може да се одреди со фреквенцискиот спектар на статорската струја, со проценка на амплитудната разлика на основниот хармоник и неговите странични компоненти кои се fs ( 1± 2s) со следната равенка: RF s ( 1 2 ) f = f ± s (3)

5 MAKO CIGRE 2007 A1-14I 5/6 f RF фреквенции предизвикани поради роторска неисправност. Постојат повеќе производители коишто ја користат анализата на статорската струја за детекција на грешки во асинхроните кафезни мотори. На следната слика 4 е претставена струјна клешта производ на фирмата SKF. Слика 4 CMSS 6187 CE AC/DC Current probe -Струјна клешта за мерење на статорската струја кај асинхрони кафезни мотори 3.3 Одредување на механички вибрации со опрема за мерење на вибрации За мерење на вибрации постои и може да се користи опрема од различни производители. Овде би ја споменале опремата од фирмата IRIS, која е претставена на слика 5, Слика 5 CS Meter Prototype- Дел од опремата за мерење на вибрации При мерење на вибрации задача на специјалистот за вибрации е да ги поврзе пооделните фреквенции од фреквенцискиот спектар со евентуалните причинители на вибрации или побудните сили во машината. Врз основа на техничките познавања и искуства за конкретниот тип на машина може да се донесат следните заклучуци. Во табели со систематизиран преглед во [2] се дадени најчестите причини за вибрации и нивните сиптоми, односно типичните фреквенции што се појавуваат во фреквенцискиот спектар. Поради тоа што во реалноста постојат огромен број на различни типови на машини, различни услови на работа, а со тоа и соодветни можни причинители на вибрации овие табели не можат да ги содржат сите детали и не се непроменливи. Но, сепак специјалистот е тој што може да даде одговор на сите помалку типични проблеми. 4. ЗАКЛУЧОК Тренд во светски размери е со помош на податоците добиени со користење на методите за мониторинг персоналот во одржување, лесно и успешно да ги детектира електричните и механичките грешки кои водат до непредвиден застој на електромоторните погони. Денешните производители на опрема за дијагностика на асинхрони кафезни мотори најчесто користат методи со фреквенциски

6 MAKO CIGRE 2007 A1-14I 6/6 спектри на статорската струја, аксијален магнетен флукс и вибрации. Важноста од употребата на современите методи и опрема е придонесот во одржување на електромоторните погони со асинхрони кафезни мотори, да се изведува во време на планиран застој. Со препорачаните методи на одржување со употреба на современа дијагностика, се очекува намалување на трошоците за одржување (8-12 %). 5. ЛИТЕРАТУРА [1] Elkasagby N.M.,Eatham A.R. and Dawson G.E. Detection of broken bar in the Cage rotor on an Induction Machine, IEEE Transaction on Industry application, Vol. 28, No. 1, pp (1992) [2] Илиевски Анание, Анѓушев Кочо, Корунски даме, Петрески Златко, Гавриловски Виктор. ВИБРАЦИИ НА МАШИНИ причини, дијагностика и санација, Институт за Механика, Машински факултет, Скопје 2004 [3] Kokko Voitto. Condition Monitoring f Squirrel - Cage motors by axial magnetic flux measurements, Academic Dissertation, faculty of Technology, University of Oulu, Finland, March 2003 year [4] Melero MG, Capolino GA, Fernandez HH and Solarez J. The ability of on-line tests to detect interturn shorts-circuited in squirrel cage, Proc. ICEM 2000, Helsinki; 2: pp [5] Мирчевски Слободан, Андонов Здравко, Карајановски Љупчо, Инџов Никола. Нови Технологии за превентивно одржување на електромоторни погони, тренинг матерјал, Центар за одржување и модернизација на Електромоторни погони при ЕТФ Скопје, 2004 [6] Penman J. Sedding HG. Lloyd BA. and Flink WT. Detection and location of interturn shorts circuit in stator winding of operating motors, IEEE Transaction on Energy conversion 9(4)pp July-August 2006 [7] Vas Peter. Parameter Estimation, condition monitoring, and diagnosis of electrical Machines, Oxford Cleredon Press (1993)