Сигнатурный анализ электрических параметров

Анализ тока (current analysts): Анализ протекающих по фазным проводам токов с целью определения их амплитуд, не симметрии, наличия гармоник.
Сигнатурный анализ тока (current signature analysis): Спектральный анализ линейного тока с целью выявления характерных частотных составляющих, свидетельствующих о возможных неисправностях двигателя.

Методы анализа

Общие положения

Подавляющее большинство используемых в промышленности электродвигателей относятся к машинам асинхронного типа. Анализ надежности элементов асинхронного двигателя позволил установить, что в наибольшей степени повреждениям подвержены такие его части, как подшипниковая опора, обмотка и сердечник статора, а также короткозамкнутая обмотка ротора. В настоящее время имеется большое число публикаций, посвященных методам контроля технического состояния и диагностирования, которые могут быть отнесены к сигнатурному анализу электрических сигналов. Под электрическим сигналом понимают обычно электрическое напряжение на клеммах электродвигателя или ток в его проводах. Целью контроля технического состояния трехфазного асинхронного двигателя является оценка его целости и раннее предупреждение о возможных неисправностях. С точки зрения сигнатурного анализа изменения тока, напряжения и мощности электрического сигнала могут быть связаны с изменениями не в самом двигателе, а в его приводе, поэтому методы настоящего стандарта распространяются также на оценку технического состояния приводного оборудования.

Если питание электродвигателя осуществляется через преобразователь напряжения и частоты, то следует обратить внимание на то, чтобы изменения тока и напряжения на выходе преобразователя не были ложно истолкованы как результат неисправности двигателя. Для таких методов, как анализ тока статора или анализ параметров частичного разряда в обмотке статора электродвигателя, желательно, чтобы во время проведения анализа частота и напряжение на выходе преобразователя оставались неизменными.

Анализ тока статора

Общие положения

Поскольку ток статора зависит, кроме всего прочего, от магнитных потоков в воздушном зазоре ротора и от тока ротора, анализ тока статора способен выявить неисправности не только в самом статоре, но и неисправности, связанные с ротором электродвигателя, а также сего приводом.

Анализ спектра

Сигнатурный анализ тока позволяет обнаруживать следующие неисправности двигателей:
-- трещины стержней ротора:
-- дефекты литья ротора:
-- обрывы стержней короткозамкнутого ротора;
-- трещины в кольцах ротора;
-- повышенный эксцентриситет воздушного зазора;
-- повреждения подшипников;
-- межвитковые замыкания в обмотке статора;
-- неисправности привода.

Из данного перечня наиболее существенными неисправностями являются те, что связаны с подшипниками электродвигателя. клеткой ротора, а также с изменением зазора между ротором и статором.

Обычно сигнатурный анализ тока выполняют в реальном масштабе времени при полной нормальной нагрузке.

Дефекты клетки ротора

Сигнатурный анализ тока существенно продвинул вперед технологию обнаружения обрывов стержней и выявления трещин в контактных кольцах короткозамкнутого ротора. Появление характерных частотных составляющих в сигнале тока нормально работающего двигателя свидетельствует о наличии повреждения обмотки ротора. Обрыв стержней, обнаруженный посредством сигнатурного анализа, может быть в некоторых случаях подтвержден анализом вибрации подшипниковой опоры.

Суть метода состоит в том, что ток протекающий в обмотке статора, зависит не только от подаваемой мощности и электрического импеданса обмотки, но также включает в себя дополнительную составляющую. наведенную магнитным полем от вращающегося ротора. Таким образом, в данном случае обмотка статора выступает как элемент. чувствительный к дефектам ротора, и задача состоит в том, чтобы отделить ток статора, необходимый для вращения ротора, от дополнительного тока, наведенного самим ротором в случае его неисправности. Данное разделение выполняют в частотной области с применением спектрального анализатора с высоким разрешением по частоте, поскольку характерные частоты /неисправностей ротора формируют боковые полосы основной частоты питания вида

f=(1±2 ks)f„ (1)
где s — скольжение асинхронного двигателя;
Г, — основная частота питания;
к — номер частотной составляющей в боковой полосе, к = 1.2,3....

Токи в обмотке ротора создают эффективное трехфазное магнитное поле с тем же числом полюсов, что и у магнитного поля статора, вращающееся с частотой скольжения по отношению к вращающемуся ротору. При асимметрии токов ротора возникает результирующее вращающееся поле, отстающее на частоту вращения от частоты вращения ротора. Причиной такой асимметрии могут быть обрывы одного или нескольких стержней ротора или разрывы в коротко замыкающем кольце, препятствующие протеканию по нему тока. Можно показать, что «отстающее» магнитное поле вращается в том же направлении, что и ротор, с частотой, равной частоте тока питания обмоток статора, умноженной на коэффициент (1 -2s). Это приводит к появлению в обмотке статора составляющей тока с частотой (1 -2s) которую называют нижней боковой частотой, вызванной обрывом стержня ротора. В свою очередь, данная составляющая вызывает модуляцию тока статора, что приводит к колебаниям вращающего момента ротора на удвоенной частоте скольжения 2s/, и соответствующим колебаниям скорости вращения ротора. Колебания скорости вращения ротора приводят к появлению составляющей на верхней боковой частоте (1 ♦ 2s)/, в токе статора (см. [21]). Таким образом, обрыв стержня ротора приводит к появлению боковых частот /4Ь в токе статора, определяемых формулой

/SB = (1 ±2s)/t. (2)

На изображенном в логарифмическом масштабе графике зависимости амплитуды тока статора от частоты (см. рисунок З) составляющие, связанные с обрывом стержней ротора, отстоят от частоты питания (50 или 60 Гц) на частоту 2s. Важно отметить. что самые боковые составляющие будут наблюдаться токе статора в том случае, если число ребер опорной крестовины ротора совпадает с числом полюсов обмотки статора.
Кроме того, появление симметричных составляющих на боковых частотах, похожих на описываемые. Может быть связано с дефектами коробки передач в цепи привода электродвигателя. Поэтому важно отличать боковые полосы вокруг частоты питания, обусловленные обрывами в клетке ротора, от вызываемых дефектами приводного оборудования (например, промежуточными валами коробки передач). Лучшим способом для разделения указанных неисправностей является выполнение измерений при двух существенно различающихся нагрузках и наблюдение относительно наличия боковых частот, изменяющих свое положение пропорционально изменению скольжения ротора.

Анализ сигнала тока осуществляют с помощью анализатора спектра или другого устройства цифровой обработки данных (см. рисунок 3). Обычно боковые частоты отстоят на незначительное расстояние (приблизительно от 0,3 до 3 Гц) от частоты питания, а амплитуда этих составляющих, как правило, в 100—1000 раз меньше амплитуды тока на частоты питания. Скольжение «зависит как от числа полюсов и пазов ротора, так и от материала его обмотки. Частота модуляции тока статора зависит не только от значения скольжения при номинальной нагрузке, но также от отношения, где — ток, протекающий в обмотке статора, а /л — ток двигателя при полной нагрузке. С учетом этих обстоятельств к средствам анализа тока, используемым для обнаружения возможного обрыва стержней ротора, предъявляются повышенные требования с точки зрения, как динамического диапазона измерений, таки разрешения по частоте. Большим динамическим диапазоном анализа объясняется также использование логарифмической шкалы амплитуд. При отсутствии обрыва стержней ротора составляющие на боковых частотах отсутствуют или их уровень очень низок.

При диагностировании обрыва стержней ротора важно точно знать частоту скольжения. Ранее в этих целях использовался стробоскоп, позволявший определять скорость ротора, а значит, и частоту скольжения. Альтернативным средством измерения скольжения мог быть датчик плотности осевого магнитного потока, устанавливаемый вблизи обмотки ротора. В настоящее время устройства сигнатурного анализа тока могут определять скольжение ротора из анализа самого тока, что значительно упрощает реализацию метода. Точность анализа может ухудшиться в тех случаях, когда контролю подлежат двигатели малых размеров, двигатели с большим числом полюсов, а также двигатели с пульсирующими нагрузками.

В цепях контроля используют, в первую очередь, составляющую на левой боковой частоте. Опыт показывает, что если уровень этой частотной составляющей отличается от уровня составляющей на частоте питания не более чем на 50 дБ, то вероятность обрыва стержней ротора велика. Чем выше составляющая боковой частоты, тем серьезнее повреждение клетки ротора. Как и во многих других методах контроля состояния, целесообразно наблюдать тренд изменения уровня боковой частоты в течение ряда лет. Если в процессе наблюдений при действии приблизительно тех же нагрузок отмечается повышение уровня составляющей на боковой частоте, то следует предположить увеличение числа оборванных стержней и точек разрыва. Приведенные на рисунке 3 примеры соответствуют электродвигателям с несколькими оборванными стержнями. В определенный момент времени рост повреждений данного вида приведет к невозможности запуска ротора или к отрыву частей ротора, что способно привести к повреждению обмотки статора. Метод сигнатурного анализа тока может не позволить обнаружить обрывы стержней крупных двух- или четырехполюсных двигателей, если эти обрывы случились под бандажным кольцом, поскольку бандажное кольцо обеспечивает сохранение условий протекания тока в обмотке ротора.

Эксцентриситет воздушного зазора

Эксцентриситет воздушного зазора также может быть обнаружен по характерным частотным составляющим в спектре тока. Частоты ftt этих составляющих могут быть рассчитаны по формуле. Таким образом, диагностическими признаками для эксцентриситета воздушного зазора являются составляющие на частотах прохождения пазов ротора и составляющие на их боковых частотах, отстоящих на величину fr Опыт показывает, что проще всего обнаружить неисправность в виде эксцентриситета воздушного зазора для трехфазного асинхронного двигателя с ротором с нескошенными пазами. Это связано с тем, что скошенные пазы ротора уменьшают составляющие магнитного потока на частотах прохождения пазов ротора и соответственно — действующие в двигателе электромагнитные силы, что приводит к уменьшению вибрации сердечника статора и акустического шума. Обнаружить и измерить составляющие на частотах прохождения пазов ротора и их боковых составляющих можно с помощь средств измерений, реализующих преобразование Фурье с достаточным разрешением по частоте. Оценку эксцентриситета воздушного зазора в двигателе осуществляют следующим образом.

Определяют составляющую на одной из частот прохождения пазов ротора, амплитуда которой максимальна. Вычисляют разность между амплитудой указанной составляющей и полусуммой амплитуд cоставляющих на ее боковых частотах, отстоящих на величину f, (все расчеты выполняют для логарифмических значений). Чем больше разность, тем больше эксцентриситет воздушного зазора между ротором и статором (см. пример на рисунке 4).
Межвитковые замыкания в обмотке статора

Установлено, что межвитковые замыкания в обмотке статора низковольтного электродвигателя приводят к появлению составляющих тока на частотах ftx

Дефекты подшипника

Разные дефекты подшипника качения обусловливают появление в токе статора составляющих на характерных частотах (диагностических признаков). Эти частоты зависят от размеров подшипника, вида и места повреждения. Контроль составляющих на характерных частотах позволяет выявить дефекты внутренней и внешней дорожек качения, а также тел качения.

Таким образом, с помощью средств измерений, позволяющих измерять и идентифицировать составляющие тока статора на характерных частотах, можно локализовать дефекты подшипников качения. Кроме того, старение подшипника и связанные с ним неисправности можно контролировать по тренду гармоник, связанных с характерными частотами.

Другие механические дефекты

Изменения эксцентриситета воздушного зазора приводят к изменению формы магнитного потока в зазоре. Периодические изменения воздушного зазора в радиальном направлении вызывают колебания ротора и появление соответствующих составляющих в токе статора на частотах f.По изменениям составляющих на этих частотах можно выявлять несносности в соединениях, износ подшипника скольжения и другие механические дефекты, включая те из них, что связаны с приводным оборудованием.

Анализ электрического тока, напряжения и мощности

Общие положения

Для получения дополнительной информации о состоянии двигателя, помимо анализа тока статора. полезно проводить анализ напряжения питания, а также входной мощности, которая непосредственно связана с током и напряжением питания. Контроль токов в трех фазных проводах статора, линейных напряжений питания и входной мощности через автоматический выключатель двигателя или через щит управления двигателями во время пуска, либо в стационарном режиме работы позволяют на ранней стадии выявить повреждения в обмотках статора или ротора.

Контроль в стационарном режиме

Контроль в стационарном режиме работы двигателя включает в себя: контроль несимметрии токов, обусловленной разными входными импедансами фаз или несимметрией напряжений питания. Обычно небольшая несимметрия фазных напряжений приводит к существенно разным токам в фазных проводах статора. Несимметрия напряжений в многофазном асинхронном двигателе эквивалентна введению некоторого «напряжения обратной последовательности», создающего в воздушном зазоре вращающееся магнитное поле, противоположное тому, что имеет место при симметричных фазных напряжениях, и приводящего к увеличению токов в обмотке статора. Это в свою очередь, приводит к перегреву обмоток ротора и статора двигателя, работающего под нагрузкой. Несимметрия токов может возникнуть также вследствие несимметрии импедансов, связанной с такими дефектами, как плохой контакт проводников или повреждения изоляции витков катушки статора. Последнее повреждение, как правило, может быть обнаруженотолько в том случае, если место повреждения расположено далеко от ближайшей точки заземления; контроль несимметрии напряжений, обусловленной несимметрией нагрузок на систему питания или высокими сопротивлениями в точках контакта. Как указывалось, ранее, небольшая несимметрия напряжений может вызывать большую несимметрию токов; контроль входной мощности двигателя. Повышение потребления мощности обычно свидетельствует о снижении производительности приводного оборудования вследствие ухудшения состояния частей этого оборудования или самого двигателя; анализ гармоник напряжения. Он позволяет обнаружить наличие гармоник в напряжении питания. обусловленное другими устройствами, например частотно-регулируемого привода. Такие гармоники могут вызывать дополнительные потери мощности двигателя, что лриводиткповышению рабочей температуры обмоток статора.

Контроль в режиме пуска

Контроль в режиме пуска двигателя включает в себя: контроль времени разгона двигателя. Его увеличение свидетельствует о возможных обрывах в клетке ротора или повышении момента вращения приводного оборудования вследствие ухудшения состояния его частей.

Контроль тока.

Измерение тока в течение первых нескольких периодов и до момента достижения номинальной скорости двигателя позволяет выявить наличие переходных процессов, обусловленных сверхпереходной реактивностью высокопроизводительного двигателя или другими средствами защиты от превышения мощности.

Модельный анализ тока и напряжения

Данный метод анализа позволяет использовать информацию о токе и напряжении по всем трем фазам одновременно. Модельный анализ позволяет выявлять многие из тех явлений, которые обнаруживаются также обычными средствами анализа тока, вибрации и рабочих характеристик двигателя. Ее работа состоит в измерении тока и напряжения в процессе работы двигателя и сопоставлении с математической моделью отношения между током и напряжением. Разность между измеренным и расчетным током характеризует отклонения в работе двигателя и системы привода, которые могут быть исследованы с применением вектора Парка. Фурье-анализа и алгоритма оценки диагностических признаков для выявления разных видов неисправностей. Систему чаще используют в целях непрерывного контроля состояния двигателя, чем для кратковременных измерений в целях диагностирования, а ее выходы интегрируют в общую систему управления оборудованием предприятия. Это позволяет осуществлять автоматическую регистрацию трендов контролируемых параметров.

Выходными устройствами системы могут быть: экраны контроля отдельных параметров; светофорные дисплеи, показывающие общее состояние оборудования вместе с результатами диагностирования. а также графики изменения контролируемых параметров со временем. Такая система предполагает возможность управления обычным оператором и обслуживания без привлечения специальных методов интерпретации данных, хотя такие данные системой предоставляются и при необходимости могут быть подвергнуты соответствующему анализу.

Виды неисправностей, обнаруживаемых системой, включают в себя механические неисправности двигателя и приводного оборудования, такие как дисбаланс, несоосность. дефекты подшипников, а также неисправности электрической природы, такие как пробой изоляции, ослабление обмотки статора, дефекты пазов ротора, несимметрия токов и напряжений, наличие гармоник. Поскольку при работе системы выполняются измерения как тока, так и напряжения, она позволяет также осуществлять контроль мощности и выявлять проблемы, связанные с нарушением условий работы двигателя и понижением его производительности.

Анализ частичного разряда

Природа частичного разряда

Проводимое в процессе работы двигателя измерение частичного разряда в обмотке статора позволяет выявить зарождающиеся повреждения электрической природы. Постеленное ухудшение состояния изоляции проводов обмотки приводит к усилению частичного разряда, хотя установить количественные соотношения между величиной разряда и оставшимся сроком службы изоляции затруднительно. Частичные разряды представляют собой искровые пробои, наблюдаемые в двигателях с частотой питания 50 или 60 Гц и номинальным напряжением питания 3.3 к8т и выше. При хорошем состоянии обмотки частичные разряды отсутствуют или незначительны. Однако они появляются в случае дефектов изготовления обмотки или ухудшения ее свойств вследствие нагревов, смещения катушек или загрязнений. Анализ частичного разряда состоит в непосредственном измерении производимых им импульсов тока в обмотках.
You are using the BNS Add Widget plugin. Thank You!